実施例 AKASAKA K-TOWER の空調設備計画 キーワード / システム COP 水蓄熱 建物負荷抑制 空気搬送動力削減 鹿島建設 建築設計本部設備設計統括グループ弘本真一 1. はじめに 赤坂 Kタワーは, 赤坂見附の都市景観の中で40 年にわたり存在感を示していた鹿島旧本社ビルのデザイン

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1 AKASAKA K-TOWER の空調設備計画 キーワード / システム COP 水蓄熱 建物負荷抑制 空気搬送動力削減 鹿島建設 建築設計本部設備設計統括グループ弘本真一 1. はじめに 赤坂 Kタワーは, 赤坂見附の都市景観の中で40 年にわたり存在感を示していた鹿島旧本社ビルのデザインの流れを継承しつつ, 地域の新たなランドマークとなることをめざした高さ約 160m, 地上 30 階建, 賃貸オフィス, 賃貸住宅および店舗からなる超高層複合ビルである ( 写真 -1) 東京都総合設計制度を活用し, 業務機能を核とした土地の高度利用をはかる一方, 建物の高層化によって敷地の4 割以上を緑あふれる広場の公開空地として整備して, 地域の活性化と市街地の環境改善に寄与し, 安全で快適な都市アメニティの提供をめざして計画された 建物は最新の建築技術を結集し, 次世代の超高層建築に求められる高度な安全性, 快適性, 機能性, 環境性能の実現をめざした 端正なプロポーションのアウトフレーム構造の組柱 梁による庇効果と超高性能ガラスにより, 建築骨格としての本質的な環境負荷低減と設備機能の充実による快適な居室内環境を両立させている また, 超高強度コンクリートを用いた躯体と, 高性能外装 設備システム, インテリアを物理的な交錯を少なくして明確に分離することで, 更新性や拡張性にも配慮し, 末永く使い続けられる建築のあり方を追求している 2. 建物概要 建物名称赤坂 Kタワー所在地東京都港区元赤坂 1 丁目 2 番 7 号建築主鹿島建設 建築用途事務所, 共同住宅, 店舗, 駐車場敷地面積 5,121.21m2建築面積 2,310.03m2延床面積 53,703.47m2建物高さ 158.0m 構造 RC+S 造, 制震構造階数地下 3 階, 地上 30 階, 塔屋 2 階工期平成 20 年 12 月 平成 24 年 1 月設計 監理 KAJIMA DESIGN 施工者鹿島 鉄建建設 JV 基準階計画 ( 図 -1) はこれからのオフィスの多様な形態を想定し, フレキシブルかつ更新性に優れた機能の融合をコンセプトとした 柱をなくしてオフィスレイアウトの自由度を高めるために物理的距離が最小になる正方形に貸室形状を近づけた RC 組柱の外部配置, 新 EV 運行システム ( 行き先階先行予約システム ) 採用による東西薄型コア配置などの技術的解決により, 比較的スリムな塔状比の超高層建築でありながら, フロア専有面積で約 400 坪を確保, レイアウト自由度を確保している また, 設備機器は各階の外周部四隅に分散配置され, テナント分割や設備増強等のニーズへの柔軟な対応, 将来の設備更新時における仮設スペースの確保などを盛り込んだ平面計画としている 写真 -1 建物外観 図 -1 オフィス基準階平面図 20

2 3. 設備計画コンセプト ハード ソフト両面からさまざまな環境配慮技術を採用し, 超高層かつ賃貸ビルとしては最高レベルの省エネルギー 省 CO2 計画を実施した ファサード計画では, 直達日射の室内への進入を年間で75% カットするアウトフレーム構造体の庇効果に加え, 当社オリジナルの超高性能 Low-Eペアガラスと人感センサ連動ブラインド制御システムの採用による空調負荷の低減をめざした 設備計画では, 高効率熱源機器の採用, 熱源システム 設備機器最適制御システムの構築や人感センサ連動照明制御など, さまざまな環境配慮技術を導入した結果, 標準的な事業ビルと比べ約 40% 程度の省エネルギー 省 CO2 を実現する環境にやさしい建物となっている 国土交通省の平成 20 年度住宅 建築物省 CO2 推進モデル事業に採択されるとともに,CASBEE2010 新築でスコア=Sランク,BEE 値 =4.4の第三者認証も取得している 4. 空調設備概要 熱源設備の高効率化は建物全体のエネルギー消費量削減に対し大きく寄与する 本計画では高効率機器選定と水蓄熱槽を採用し, 省 CO2に配慮した計画とした 冷熱源は高効率インバータターボ冷凍機 530Rt 2 台,260Rt 1 台 ( 蓄熱用 ) を採用し, 躯体ピットを利用した温度成層型水蓄熱槽 2,000Rt( 水槽容量 800m3, 出入口温度差 8 ) を具備した 温熱源には潜熱回収型温水器 655kW 3 台を採用し, 年間を通じて熱源システムの高効率化をはかった 本計画における冷熱源システムフロー図を図 -2に示す 熱源単体ではなく, 熱源システム全体の総合効率向上のために,3 槽に分割された水蓄熱槽を日積算負荷に応じて台数制御を行い, 蓄熱ロスを抑制している また冷水の往還温度差を大温度差化 (Δt=8 ) し, 冷却水, 冷温水系ポンプは全てインバータによる変流量制御にて計画した 群管理制御についても外皮性能の高度化, 内部発熱の増大により年間を通じた冷房負荷の常態化が予測され, 冷熱運用時の負荷平準化と低負荷時の効率的運用を計画の主眼としている 具体的には, 夏期の13:00 16:00 のピーク調整時間帯は, 蓄熱運転 ( 放熱ポンプ2 台 ) を第 1 優先として稼働し, その他の時間帯はインバータターボ冷凍機を優先させることで負荷平準化をはかっている 中間期および冬期の小負荷時は, 蓄熱運転 ( 放熱ポンプ1 台 ) を優先的に稼働し, 蓄熱槽の台数制御と併用して蓄熱ロス最小化をはかっている また, 主要熱源機械室を2 階に設置することで, 将来更新時の搬出入の簡素化, 基幹設備の都市災害リスクを回避し, 長寿命ビルとしての基本性能にも配慮している 図 -2 冷熱源システム概念図 5. 熱源最適統合制御システム 上記の高効率熱源システムの採用に加えて熱源機器, 補機類を最適に制御し, さらなる省エネルギーを実現するために, 熱源最適統合制御を開発し採用した これは, 熱源機器そのものが高効率であっても, 従来型の制御では熱源機器本体や補機系統それぞれの制御が独立しており, 部分最適しか実現できていなかった しかし, 本制御は熱源システムを構成する機器全体で連携を取り, システム系全体で最もエネルギー消費量が最少となる制御へとチューニングすることで効率の最大化を狙っている 具体的には, 稼働中の熱源負荷率や外気温度などの情報を取り込み, 熱源システム全体として最小のCO2 排出量となるように, 図 -3に示すような事前に予測した最適運転ポイントに向けて, 熱源台数や冷水送水温度, 冷却水流量などを自動的に修正制御するものである 図 -3 熱源最適運転ポイント推定のイメージ 21

3 6. 熱源システム COP の実績評価 図 -4に2013 年度の冷熱源の月別平均システムCOP 実績を示す 本データは水蓄熱にかかる補機 ( 放熱ポンプ動力, 蓄熱ポンプ動力 ) も考慮した一次エネルギーベースの平均システムCOPである 蓄熱によるロス分と補機動力を加えても, インバータターボ冷凍機の高効率運用により比較的高い数値での運用を実現できている 冷熱源の年間平均システムCOPは1.49であり, 初年度の運用としては想定 (COP=1.40) に近い実績値となった 図 -4 ターボ冷凍機 + 水蓄熱月別平均システム COP 一方, 温熱源であるガス焚き潜熱回収型温水ヒータの月別平均システムCOP 実績を図 -5に示す 年間平均で0.78となっている 温水ヒータのCOPについては改善の余地は少ないが, 運用上, 年間を通じて温水負荷需要が少ないのが現状である 今後も冬期については, 昼間は冷房負荷が発生している状況もあり, 外調機の給気温度を下げ気味にチューニングするなど, 温熱源運用の抑制をはかっていく予定である 図 -6に冷熱源と温熱源の一次エネルギーベースの総合システムCOPの月別平均値を示す 潜熱回収型温水ヒータが稼働する冬期に落ち込みがあるが, 年間の平均値として1.09となった 近年の高効率型の地域冷暖房な 図 -5 潜熱回収型温水ヒータシステム COP どと比較しても高い数値であり, 自己熱源としての高効率運用は達成していると考えている 7. 高密度温度成層型水蓄熱槽の性能検証 比較的温度成層が付きやすく, 高い蓄熱槽効率が望める縦型 ( 水深 6.0m) の水蓄熱槽の夏期代表日の温度プロファイルの実績を図 -7に示す 放熱運転時にプレート熱交換器を介して負荷側に熱搬送するため, 二次側の負荷の影響を受けずに, 往き還り温度差を付けて水蓄熱槽に還すことが可能になっている 結果として, 初年度でも特にチューニングを必要とせず良好な温度プロファイルを形成できた 図 -6 熱源トータル ( 冷水 + 温水 ) システム COP 図 -7 高密度温度成層型水蓄熱槽温度プロファイル 図 -8に年間の月別平均蓄熱槽効率の実績を示す 夏期においては蓄熱槽効率が0.95 前後を維持できる しかし, 初年度中間期 (10 12 月 ) においては, 外気冷房主体となり放熱負荷が減ったことから, 蓄熱ロスが目立つ結果となった これは, 計画時に盛り込んだ水蓄熱槽の台数制御モードを稼働させずに運用した結果でもあり, その後冬期に入って, 負荷に合わせて蓄熱槽の台数制御モードを活用すると, 蓄熱槽効率が改善した 建物管理者との運用上の意思疎通をはかり, 今年度以降は月別の冷熱需要の傾向がつかめているので, 台数制御モードの 22

4 運用を細やかに活用し, 昼間に必要な分だけ夜間に貯める の設計意図を確実に実践していきたい 図 -8 温度成層型蓄熱槽の月別平均蓄熱効率 8. 外装計画と窓回り環境への配慮 建物の熱負荷を抑制するために, 建築 / 構造とのデザインの統合化にて高遮熱性能を有する外装計画を施している 年間の直達日射を75% カットする庇効果が期待できるアウトフレーム架構, ガラス単体で日射遮蔽係数 0.29を達成するオリジナルの超高性能 Low-eガラスで構成している これに自動制御ブラインドを加えることで,PAL 値 =195MJ/ m2 年の高性能ファサードを実現した ( 図 -9) 自動制御ブラインドには, 省エネ性と快適な視環境を両立するために, 昼光を利用する制御と日射侵入による空調負荷とをバランスさせるスラット角制御, 窓回りのまぶしさ感を防止する制御を組み合わせた制御を開発した また, 人感センサにより不在時にはブラインドを全閉とし, 基準照度を落とす照明連動制御も加えている 9. 基準階空調システム 基準階空調システムは, 汎用性の高い全空気式でありながら潜顕熱負荷分離システムとしており, 搬送動力の削減と熱媒温度差確保による熱源効率向上を意図して計画している 基本構成は新鮮外気導入と湿度環境を調整するアンビエント外調機, 内部発熱増加時に追従する単一ダクト VAV 空調機, 窓回りの負荷を処理し間仕切り対応も容易な個別分散型パッケージを併用したシステムである ベース室内負荷を処理するアンビエント外調機は, CO2 濃度制御や外気冷房制御, 低温送風にも対応しており, 搬送動力や熱源負荷の抑制に寄与している システム全体としての負荷変動追従に関しては, 図 -10に示すように負荷に応じて自動的にVAV 空調機が全停止したり, ペリメータパッケージが省エネ ( 高顕熱 ) モードに切り替わったりするよう空調機運転モードを可変させる制御を組み込んでいる テナントビルとしての基本機能としては,1フロア当たり最大 4テナントまで対応可能であり,VAVは9ゾーン,PACは10ゾーンと間仕切りニーズに応じてきめ細かく制御が可能である 図 -9 オフィス基準階窓回り概要 図 -10 負荷により可変する空調運転モード 23

5 10. 基準階空調システム運用実績 図 -10にも示すように, 全空気式の弱点は搬送動力であるが,VAV 空調機 (= 本件ではタスクVAV 空調機としている ) は負荷がない時に自動的に停止する制御を加えた ( アイドリングストップ ) 常時稼働しているのはアンビエント外調機だけであり, 定格風量は外気処理風量を基本としているので, 空調対象室全体の定格空調送風量の総和の約 20% 程度の送風動力が常時稼働ということになる さらに, 常時稼働のアンビエント外調機はCO2 濃度による送風機 INV 制御が入っているので, 搬送動力は通常の単一ダクトVAV 方式と比すると大幅な省エネが期待できる また, アンビエント外調機の冷房時給気温度は, VAV 制御用の室温センサ温度を検知しながら優先的に給気温度を下げて, 負荷処理を負担させ, アンビエント外調機の能力以内の空調負荷発生時には極力,VAV 空調機は停止している状態を維持できるよう計画した 次に中間期代表日 (2013 年 11 月 8 日 ) の基準階空調設備の稼働状況を示す 代表日の外気変動は図 -11のとおりで, 日中は外気冷房を促進しやすい外界条件となっている 図 によるとアンビエント外調機の負荷処理を優先させながら,VAV 空調機が空調時間においてかなりの時間 アイドリングストップ= 停止 している また, 中間期においてアンビエント外調機は外気冷房運転を促進しており, 自然エネルギー活用により熱源負荷低減も実現している 二次側空調システムの搬送動力を削減し, 中央方式総体でのシステム効率向上を狙っており, 今後は放射空調や個別分散型ヒートポンプ方式との空調システム効率において比較評価を実施していきたい 図 年 11 月 8 日外界条件 図 年 11 月 8 日アンビエント外調機稼働実績 図 年 11 月 8 日 VAV 空調機稼働実績 11. おわりに 本プロジェクトは永きにわたり当社の本社ビルが建っていた敷地の開発事業でもあり, 合理的な次世代のオフィスビルのあり方を示唆する使命と事業性の両立が求められた 計画にあたっては, 汎用的で水平展開しやすい実践的な技術開発を積み重ね, 超高層事業ビルの新たな基軸を提示することができた 初年度の検証を終え, 今後は熱源および二次側空調システムの開発要素を中心に運用面での是正と評価に注力し, 知見や課題を広く展開していきたい 計画から竣工までおおよそ6 年の歳月を要し, ここに至るまでには, 開発, 設計, 施工をはじめ多くの関係者のご尽力をいただいた 誌面をお借りし深く感謝の意を表したい 24

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