札幌市省エネルギー技術講座第 2 回 ( 空調設備編 ) 株式会社 藤原環境科学研究所 代表取締役藤原陽三 お話しする内容 1. 空調設備の概要 2. 省エネ実施手順 3. 空調設備の省エネの取り組み事例 4. 省エネ効果の検証方法について 5. まとめ 2 1

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1 札幌市省エネルギー技術講座第 2 回 ( 空調設備編 ) 株式会社 藤原環境科学研究所 代表取締役藤原陽三 お話しする内容 1. 空調設備の概要 2. 省エネ実施手順 3. 空調設備の省エネの取り組み事例 4. 省エネ効果の検証方法について 5. まとめ 2 1

2 1. 空調設備の概要 1.1 熱源機の種類 (1) 冷温水熱源機 ( 燃焼系 ) 直焚冷温水発生機 ( 都市ガス焚 油焚 ) 真空式温水機 ( 温水ヒーター ): ボイラ技士等が不要 温水ボイラ など (2) 蒸気ボイラ ( 燃焼系 ) 炉筒煙管 : 保有水量が多く負荷変動に強い 貫流ボイラ : 起蒸時間が短い コンパクトで省スペース 水管ボイラ : 高圧大容量の蒸気発生に適 起蒸時間が短い など 3 (3) 電動冷凍機 ヒートポンプ 空冷式チラー 空冷式ヒートポンプ 水冷式チラー (4) 吸収式冷凍機 単効用 ( 一重効用 ) 吸収式冷凍機 二重効用吸収式冷凍機 三重効用吸収式冷凍機 4 2

3 1.2 空調システムの概要と特徴 5 6 3

4 7 < 出所 > 空気調和 衛生工学会編 空気調和設備計画設計の実務の知識 (( 株 ) オーム社 平成 12 年 2 月 25 日第 1 版第 6 刷 ) 8 4

5 1.3 空調設備の構成例 空気調和設備の基本的な構成例 < 出所 > 空気調和 衛生工学会編 空気調和設備計画設計の実務の知識 (( 株 ) オーム社 平成 12 年 2 月 25 日第 1 版第 6 刷 ) 9 室外機の清掃 熱源機の小型化 室外機 熱源機 配管の保温 冷水温度の変更 空気比の改善 送風機 ナイトパージ 導入外気量の調整 ロードヒーティング ロードヒーティングの調整 10 5

6 2. 省エネ実施手順 省エネ対策メニューによる省エネ対策の抽出 省エネ可能性の目論み 省エネ可能量 省コストの試算 シミュレーションによる試算 ( 例 : 各地の 365 日 24 時間の外気温度 湿度データ 平成 28 年省エネルギー基準に準拠したエネルギー消費性能の評価に関する技術情報 ( 住宅 )) 実測によるバックデータの収集 省エネ提案書の作成 省エネ内容 11 実施方法 予想される効果と償却年数 省エネ提案 省エネの実施 省エネ効果の検証 省エネ方法の見直し 省エネ効果の確認 省エネ効果の報告 12 6

7 3. 空調設備の省エネの取り組み事例 3.1 図書館の事例 (1) 導入外気量の検討 1 目論み 図書室は書架がかなりの面積を占めており 人が留まるスペースは限られている 図書室の設計上の在室人員 1 人当り占有面積は 一般に 2m 2 / 人 したがって 空調機の導入外気量は 実際の人員に必要な外気量より多大な量が取り込まれていると考えられた そこで 導入外気量を削減することにより 都市ガス消費量を削減できると目論んだ 13 2 設計風量と実在室人員 設計風量 一人当り外気 空調対象室 系統名 送風量 外気量 量を20m 3 /( 人 面積 h) とした場合の [m 3 /h] [m 3 /h] 人員数 [ 人 ] [ m2 ] ACU-1 1F 図書室 23,500 10, , ACU-2 アトリウム 15,700 5, ACU-3 2F 図書室 23,900 10, , ACU-4 3F 図書室 8,600 5, ACU-5 埋蔵文化財センター 10,500 10, ACU-6 B1F 図書室 9,900 4, ACU-7 講堂 9,300 9, 書架を除く面積を 60% とし 5 m2に一人在室したとした場合の人員 H21 年度のビル管法による室内環境測定時の最大人員 ACU-1 系統空調対象室面積 1,630m 2 数 537 人 3m 2 / 人 外気量を1/2にすることが可能 外気量から求めた人員 14 7

8 ( 例 )ACU-1 の場合 設計外気量 10,740m 3 /h 1 人当たり 20m 3 /h とすると 537 人を収容した場合の外気量に相当 実際には 書架などがあり計算上は 195 人程度が最大人数と想定 実際も 202 人が在室していた 外気量を設計より下げられるのでは? 15 3 実測によるバックデータの収集 : ダクトの風速測定 3-1 ダクトの風速測定風量測定口 ダクト内の風速を測定するために ダクト表面に風速計を挿入できるネジ蓋のある筒状の風量測定口を設ける 国交省の機械設備工事共通仕様書では 取り付け個数はダクト取り付け辺 ( 長辺 ) により 長辺 300mm 以下 :1 個 300 を超え 70 0 以下 :2 個 700 を超えるもの :3 個となっている 3-2 熱線風速計の種類 風量測定口 < 写真出所 >F 社ホームページより 熱線風速計の例 (1) < 写真出所 >T 社ホームページより 熱線風速計の例 (2) < 写真出所 >C 社ホー 16 ムページより 8

9 3-3 風速測定方法 1) 空気調和 衛生工学会 換気 空調設備の現場風量測定法 建築設備定期検査業務基準書を参考 直管部の長さが確保できるなどの条件が揃えば 少ない測定点数でも実用上の精度 ( おおむね 10%) を確保できるとした測定方法 測定点は最低 5 点とし それらの算術平均値を平均風速とする 測定位置の上流に十分な直管長が取れない場合は 測定点を追加し 精密測定法に近づける < 出所 >( 公社 ) 空気調和 衛生工学会 空気調和 衛生工学会規格 SHASE-S 117_2010 換気 空調設備の現場風量測定法 17 2) 簡易測定方法 基本的に 全ての風量測定口について風速測定を行う 測定点は 一つの風量測定口について ダクト壁から5cmの点と中央の3 点 測定は20 秒の平均値としている 風速計では測定時間の平均を表示する機能があるものもある 5cm 5cm 風量測定点 ダクト 中央 風量測定口 18 9

10 3-4 空調機廻りの測定箇所 空調機 外気取り入れダクト 風量測定口 ダクトの保温が 50mm であるので 風量測定口は高さ 50mm のものを使用している 風量測定口 測定結果 設計風量測定平均外気風量 系統名送風量外気量風速実測設計との差 m 3 /h m 3 /h m/s m 3 /h m 3 /h ACU-1 1F 図書室 23,500 10, , ACU-2 アトリウム 15,700 5, , ACU-3 2F 図書室 1) 23,900 10, ACU-4 3F 図書室 8,600 5, , ACU-5 埋蔵文化財センター 10,500 10, , ACU-6 B1F 図書室 9,900 4, , ACU-7 講堂 2) 9,300 9, ) 外気ダクトの風量測定口が腐食のため開けられなかったため測定不能 2) 外気導入 CO2 制御のため 外気ダクトに風量測定口が設置されていなかった 実測においても設計時と同程度の外気導入があった 20 10

11 4 外気量を減らす方法 まず考えられるもの ダンパーで給気量を絞る 風量測定ができない系統もあり風量調整が困難である インバータで風量を減らす 送風機の運転台数を減らす 1 台運転の場合できない 21 5 中央図書館の空調機の制御方式単一ダクト変風量方式 (VAV) 22 11

12 6 省エネ対策の実施 変風量方式のため 導入外気量を削減した場合の省エネ効果の推定が難しい ペリメーターにはファンコイルユニットが設置されていたので 空調機の導入外気量削減と空調機による冷房負荷対応を削減するために 空調機送排風機のインバータ周波数を 45Hz から 35Hz に変更して運転 その結果 室内の CO 2 濃度が上昇 周波数を下げたため空調機の風量が低下し 導入外気量が大幅に削減されたためと考えられた 室内環境を維持しながら 導入外気量と空調機動力を削減するために 空調機の間欠運転を試すこととなった インバータで風量を低減二酸化炭素濃度が上昇 そこで間欠運転を検討 23 (2) 空調機の間欠運転 1 目論み ダクト方式は搬送動力が大きく 間欠運転によって搬送動力の削減が計れる 空調機の間欠運転は導入外気量の削減にもつながり 都市ガス消費量の削減が計れる 暖房期は室温が一度立ち上がると 照明などの内部発生熱や日射により 暖房をしなくても室温は上昇 あるいは 維持されるため空調機の停止が可能 ただし 空調機停止により 室内環境の悪化が危惧されるため 室内の二酸化炭素濃度の確認が必要 考慮しなければならないこと 暖房時期と冷房時期での違い冷房時期に風量を減らすと室温が上昇してしまう 風量を減らすと二酸化炭素濃度が上昇する 24 12

13 2 建築物における衛生的環境の確保に関する法律 ( ビル管法 ) 2-1 ビル管法における室内環境基準 測定項目基準値測定時期 浮遊粉塵量 0.15mg/m 3 2 ヶ月以内に 1 回 一酸化炭素 10ppm 以下 2 ヶ月以内に 1 回 二酸化炭素 1,000ppm 以下 2 ヶ月以内に 1 回 温度 17 以上 28 以下 2 ヶ月以内に 1 回 相対湿度 40% 以上 70% 以下 2 ヶ月以内に 1 回 気流 0.5m/sec 以下 2 ヶ月以内に 1 回 ビル管法と室内 CO 2 濃度 ビル管法の室内環境基準値を下回ることが義務づけられており ビル管法のCO 2 濃度基準は1,000ppm 以下と定められている ただし この1,000ppm 以下は 午前 午後の2 回の測定の平均値が1,000ppm 以下となるようにするもので 常時 1,000ppm 以下に保つというものではない ( ビル管法施行規則第 3 条の2 2 号 による ) 26 13

14 3 必要換気量 Q = M C C Q: 必要換気量 [m 3 /(h 人 )] M:CO 2 発生量 [m 3 /(h 人 )] C:CO 2 許容限度 [ppm] C 0 : 外気の CO 2 濃度 [ppm] 必要換気量は CO 2 濃度の低い外気を取り入れて 人体から発生する CO 2 を希釈する 外気の CO 2 濃度は 昭和の終わり頃は 350ppm 程度であったが 現在は 400ppm 程度に増加している 二酸化炭素濃度の年平均値 ( 気象庁の観測点 ) < 出所 > 気象庁ホーム 27 ページ 28 < 出所 > 空気調和 衛生工学会編 空気調和 衛生設備の知識 ( 改訂 3 版 ) ( オーム社 平成 27 年 4 月 5 日改訂 3 版第 7 刷 14

15 人体の CO 2 発生量 0.015m 3 /(h 人 ) 外気の CO 2 濃度 350ppm 許容濃度を 1,000ppm とすると 必要換気量は 23m 3 /(h 人 ) である 上記条件で外気の CO 2 濃度を 400ppm とすると 必要外気量は 25m 3 /(h 人 ) と若干多くなる 建築基準法の中央管理方式の空気調和設備における有効換気量は 20m 3 /(h 人 ) となっているが 現在の外気の CO 2 濃度では 外気導入による希釈によって許容濃度を 1,000ppm 以下に抑えるのは難しくなっている < 出所 > 空気調和 衛生工学会編 空気調和 衛生設備の知識 ( 改訂 3 版 ) ( オーム社 平成 27 年 4 月 5 日改訂 3 版第 7 刷 29 4 間欠運転時間と二酸化炭素濃度変動 時間運転時の二酸化炭素濃度変動 空調機 4 時間運転では ビル管法の基準を安定的にクリアすることが難しいと思われることから 運転時間を 4 時間以上にする必要がある 30 15

16 4-2 8 時間運転時の二酸化炭素濃度変動 8 時間運転では まだ 余裕がある 時間運転時の二酸化炭素濃度変動 6 時間運転でも 十分に ビル管法の要件を満足しており 空調機運転は 6 時間の間欠運転が推奨される 32 16

17 5 省エネルギー効果の試算 5-1 削減電力量と削減効果 1) 空調機仕様 記号 名称 仕様 動力 kwh ACU-1 1 階図書系統 インバータ制御 給気量 23,500CMH 外気量 10,740CMH 18.5 還気量 23,400CMH 排気量 10,640CMH 15.0 全熱交換器 ACU-2 アトリウム系統 インバータ制御 給気量 15,700CMH 11.0 ACU-3 2 階図書系統 インバータ制御 給気量 23,900CMH 外気量 10,410CMH 15.0 還気量 23,800CMH 排気量 10,310CMH 15.0 全熱交換器 ACU-4 3 階図書系統 インバータ制御 給気量 8,600CMH 外気量 5,200CMH 5.5 還気量 7,600CMH 排気量 4,200CMH 3.7 全熱交換器 運転時間月 火 木 金 8:30~20: 時間土 日 水 8:30~17: 時間 33 2) 空調機停止による削減電力量と電気料金の試算 ACU-2( アトリウム系統 ) は既に停止 1 日 4 時間 ACU-1 3 4を停止するものとする インバータで45Hzの運転が実施されていたので 実際の動力は75% として試算する ( 動力は周波数の比の3 乗に比例 ) ACU-1 3 4の動力合計 :72.7kW インバータによる実動力 :72.7kW 75%=55kW 日停止時間 4 時間 月運転日数 25 日とする 月削減電力量 :55kW 4 時間 25 日 =5,500kWh 業務用電力単価を18 円 /kwhとする 月削減電気料金 :5,500kWh/ 月 18 円 /kwh=99,000 円 / 月 9.9 万円 / 月 34 17

18 5-2 空調機停止による削減都市ガス量と都市ガス料金の試算 札幌の月別日平均外気温度 年 月 日平均外気温度 2010 年 11 月 月 年 1 月 月 月 月 6.9 平均 日 4 時間 ACU を停止 A C U の外気量の合計は 26,350m 3 /h インバータで 45Hz の運転が実施されていたので 実際の導入外気量は 90% として試算する ( 風量は周波数の比に比例 ) 導入外気量 :26,350m 3 /h 90%=23,700m 3 /h 空調機の停止月は 11 月から翌年 4 月までの6ヶ月間とする 停止期間中の平均外気温度は1.5 とし 空調機で22 まで加熱するものとする したがって 加熱温度差は20 度とする 空調機停止による導入外気削減熱量 : 23,700m 3 /h 20K 0.33W/ ( m 3 /K ) 4 時間 / 月 25 日 / 月 =15,642kWh 56,300MJ/ 月 35 全熱交換効率 60% 熱源機効率 80% 都市ガス発熱量 45MJ/m 3 とした場合の月都市ガス削減量 :56,300MJ/ 月 (100%-60%) 80% 45MJ/m 3 =625m 3 / 月 都市ガス単価を100 円 /m 3 とした場合の月都市ガス削減金額 :625m 3 / 月 100 円 /m 3 =62,500 円 / 月 6.25 万円 / 月 5-3 空調機一日 5 時間停止による省エネ効果 月削減電力量 :5,500kWh 月都市ガス削減量 : 625m 3 / 月 月削減料金 電気料金 9.9 万円 都市ガス料金 6.25 万円 合計約 16 万円 36 18

19 5-4 空調機一日 5 時間停止による省エネ提案書 ( 案 ) 空調機一日 5 時間停止による省エネ提案 図書館系統の空調機を日中 4 時間停止し エネルギー消費量の大きな部分を占める搬送動力を削減して省エネを行います 事前の CO 2 濃度測定により 室内環境に影響がないことを確認済 試算結果 月削減電力量 :5,500kWh 月都市ガス削減量 :625m 3 / 月 月削減料金 電気料金 9.9 万円 都市ガス料金 6.25 万円 合計約 16 万円 37 6 実際の省エネルギー効果 6-1 全体電力量 6-2 全体都市ガス量 38 19

20 RH PAC RH PAC FCU FCU (3) 老朽化した熱源の更新と小型化の提案 1 中央図書館の熱源システム 冷却塔 空調機系統 系統 冷温水ヘッタ ー ( 還 ) 冷温水ヘッタ ー ( 往 ) 空調機系統 系統 温水ヘッタ ー ( 往 ) 直暖系系系統統統 温水ヘッタ ー ( 還 ) 直暖系系系統統統 [ 凡例 ] 超音波流量計配管表面温度測定 ビデオ撮影 ( ガスメーター表示値 ) GM 貯湯槽 貯湯槽 都市ガス 吸収式冷温水機 吸収式冷温水機 真空式温水機 真空式温水機 39 主要熱源機器 名称仕様台数 都市ガス焚吸収式冷温水機 都市ガス焚真空式温水機 冷房能力 110usRT(387kW) 暖房能力 430kW 都市ガス消費量 13A 冷房 32.5Nm 3 /h 暖房 40.6Nm 3 /h 定格出力 733kW 都市ガス消費量 72.3m 3 /h(13a) 密閉式冷却塔冷却水量 1,870L/min 熱交換器 ロードヒーティング用プレート式 SUS 製熱交換能力 374kW

21 2 目論み 中央図書館は 平成 2 年の竣工で 20 年が経過しており 熱源機器の劣化が懸念される 熱源機器の効率低下がエネルギー消費に与える影響は大きい 更新を見極める上でも 現状の熱源機の運転効率を把握することが重要である また 一般に 設計熱源容量は実容量より大きい場合が多く 実測により現状の熱源容量を把握し 更新の際の適正な熱源容量を提言する 41 3 実測によるバックデータの収集 : 熱源機効率把握のための測定の実施 3-1 熱源機の出入口温度 配管表面に熱電対を圧着し 熱源機往側と還側の冷温水温度 を測定する 熱電対の上部には 周辺空気温度の影響をなくすため 保温 剤で覆う 3-2 冷温水流量測定 超音波流量計で冷温水の流量を測定する 3-3 燃料消費量把握 熱源機用のガスメーターや油メーターの流量表示をビデオやコ マドリ写真撮影する 42 21

22 3-4 現場における実際の測定方法 1) 熱源機の出入口温度測定 感度を良くするために 配線を細くして薄くハンダ付けした熱電対 あるいは シート状の熱電対を用意する 細い熱電対 あるいは シート状熱電対を耐熱アルミテープ で配管表面に圧着する 配管表面圧着用アルミテープ シート状熱電対 シート状熱電対 43 2) 流量測定 ( 超音波流量計 ) 超音波流量計は 機械室のポンプなどの雑音に影響を受けることがあるので うまく取れない場合は 複数の超音波流量計を試すことも必要になる 44 22

23 3) 超音波流量計の設置 超音波流量計カプラント データロガー 冷水を測定する場合 配管表面に結露水が生じるため つゆ受けを設ける 超音波流量計表示部 データ収集は 1 秒間隔とした 住宅等の給湯システムでは 給湯間隔が短いため 1 秒間隔での記録が必要と考えられるが ビル建物などの一定規模の設備システムでは1 分間隔程度のデータ収集で問題ないと考えられる 45 超音波流量計センサー データロガー 超音波流量計表示部 46 23

24 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 冷水温度 流速 m/s 4) 配管表面温度測定用熱電対と都市ガスメーター表示値撮影用ビデオカメラの設置 冷温水配管表面温度測定用熱電対 都市ガスメーター 都市ガスメーター撮影用ビデオカメラ 47 4 測定結果 4-1 冷水温度変動と流量変動 午前中と午後で交互に運転している RB1-2 往温度 RB1-1 往温度 RB1-1 還温度 RB1-1 RB1-2 流速 RB1-2 還温度 RB1-2 流速 月 25 日時 48 24

25 頻度の構成比 4-2 生産熱量と効率 時 RB1-1 熱量 RB1-2 熱量 冷熱量計 都市ガス熱量 都市ガス量 効率 kj/h kj/h kj/h kj/h m3 % , ,811 1,050, , , , , , , , , , , , , , ,436 1,147, , , , , , , , , , , , , ,252 37,252 9, 計 2,752,594 3,591,558 6,344,152 9,329, 直焚冷温水発生機の効率は 100~110 である 測定結果 都市ガス焚冷温水発生機の効率は 1 台が 72% でもう 1 台が 75% であり 定格効率より 2 割程度低下していることが分かった 運転時間平均効率 名称 冷熱量計 [kj] 都市ガス熱量 [kj] 平均効率 RB-1 1,755,230 2,432, % RB-2 2,884,044 3,867, % 冷房負荷出現頻度の割合 20% 18% 16% 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% 11.1% 6.0% 4.5% 2.8% 11.9% 12.2% 15.1% 10.4% 4.1% 5.3% 9.8% 5.3% 0.8% 0.6% 0.2% 0.0% 冷房負荷 usrt 冷房負荷 50~80usRT で全体の約 50% を占める 50 25

26 4-4 熱源の更新と小型化の提案 冷温水発生機は部分負荷効率が高いものが販売されている 小容量化により効率の高いところでの運転時間を長くできる したがって 直焚吸収式冷温水発生機の更新と小型化の提案を行った < 出所 >P 社ホームページ 5 熱源更新時の容量検討の提案単純な機器更新ではなく実測に基づいた検討が重要である 51 ( 参考 ) 熱源機 ( 冷温水 ) の効率の算出参 -1. 冷温水熱源機 ( 燃焼系 ) (1) 熱源の種類 : 直焚冷温水発生機 真空式温水機など (2) 熱源機効率 熱源機効率 % = 供給熱量 MJ 燃料消費量 # 発熱定数 MJ # #: 燃料固有値 (3) 供給熱量 ( 供給熱量 [MJ]) = ( 出口温度 [ ])-( 入口温度 [ ]) ( 流量 [L]) ( 水の密度 [kg/l]) ( 水の比熱 [MJ/(kg K)]) 不凍液を使用する場合など密度 比熱に注意 52 26

27 参 -2. 蒸気ボイラ ( 燃焼系 ) (1) 蒸気ボイラの種類 : 炉筒煙管 貫流ボイラ 水管ボイラなど (2) 熱源機の効率の算出供給熱量 MJ 熱源機効率 % = 燃料消費量 # 発熱定数 MJ # #: 燃料固有値 (3) 供給熱量の把握 ( 供給熱量 [MJ]) = ( 蒸気比エンタルヒ ー [kj/kg])-( 給水比エンタルヒ ー [kj/kg) ( 給水量 [L]) ( 水の密度 [kg/l]) 53 参 -3. 電動冷凍機 ヒートポンプ (1) 熱源の種類 : 空冷式チラー 空冷式ヒートポンプ 水冷式チラー (2) 熱源機の効率の算出 成績係数 COP = 供給熱量 kwh 電力量 kwh (3) 供給熱量の把握 ( 供給熱量 [kwh]) = ( 出口温度 [ ])-( 入口温度 [ ]) ( 流量 [L]) ( 水の密度 [kg/l]) ( 水の比熱 [kj/(kg K)]) 3,600 不凍液を使用する場合など密度 比熱に注意 54 27

28 3.2 小学校の事例 : ボイラ室での蒸気配管等からの放熱ロスを低減する (1) 蒸気熱損失の抑制 1 蒸気が使用される病院では 消費先が不明 つまり熱損失の割合が年間 12% になっている例がある 蒸気熱損失の抑制対策 蒸気使用箇所を減らす 蒸気配管の保温強化とつり部の保温 ( ローラ吊りからチェーン吊りへ ) 蒸気トラップの漏れ量の点検 あるいは 低損失蒸気トラップへの更新 蒸気供給が不要な箇所 時期 時間帯の蒸気供給停止 中間期 冬期の蒸気圧力 ( 温度 ) の見直し ~ 蒸気吸収式冷凍機に必要な高圧蒸気供給の不要な時期 蒸気バルブ等の共通仕様で保温不要とされている部分の保温施工 1. 湯澤秀樹 : エネルギーマネジメントが拓く未来 工作舎 2015 年 12 月 25 日 55 1 国土交通省の保温仕様 < 出所 > 国土交通省大臣官房官庁営繕部監修 : 公共建築工事標準仕様書 ( 機械設備工事編 ) 平成 28 年版 56 28

29 2 国土交通省の保温仕様の変更平成 28 年版仕様書 < 出所 > 国土交通省大臣官房官庁営繕部監修 : 公共建築工事標準仕様書 ( 機械設備工事編 ) 平成 28 年版 57 3 建築物省エネ法の給湯配管の計算に用いられている保温仕様 < 出所 > 国土交通省国土技術政策総合研究所国立研究開発法人建築研究所 : モデル建物法入力支援ツール Ver 入力マニュアル (2016 年 6 月 24 日版 ) 58 29

30 (2) 目論み 百合が原小学校の機械室の蒸気配管は 国土交通省の保温仕様が適用されており 蒸気配管等からの熱損失が大きいと予想される 機械室内の蒸気配管等を保温することによって 熱損失を防止し 都市ガス消費量を削減することができる 59 (3) 百合が原小学校の蒸気配管等の保温実施 60 30

31 (4) 蒸気配管等の保温による室温低下 61 (5) 蒸気配管等の保温による室温低下の省エネと節約効果 蒸気配管保温による室温低下 6.5 ボイラ室容積 144m 3 換気回数 15 回 /h 1 時間当り削減熱量 144m 3 6.5K 1.24kJ/(K m 3 ) 15 回 /h=17,410kj/h 1 年間の削減熱量 17.41MJ/h 7h/ 日 180 日 / 年 =21,936.6MJ/ 年 年間削減都市ガス量 21,936.6MJ/ 年 80% 45MJ/m 3 =609.35m 3 / 年 80%: ボイラ効率 45MJ/m 3 : 都市ガス発熱量 都市ガス単価を 100 円 /m 3 とした場合の削減額約 6 万円 62 31

32 3.3 青少年科学館における事例 (1) ナイトパージによる省エネ 1 目論み ナイトパージは 夏期などの冷房時期に 昼間に建物内部 躯体に蓄積された熱を 夜間の温度が低い外気を取入れ冷却し 日中の冷房負荷を軽減するもの 青少年科学館は窓等の開口部が少なく コンクリート躯体への蓄熱が期待できる 青少年科学館は 単一ダクト方式であり 自動制御の機能として外気冷房運転があり スケジュール運転が可能である 上記事由から 青少年科学館では ナイトパージによる省エネが期待できる 63 2 設備概要 熱源設備 ( 北側 ) 温熱源熱交換器 ( 地域熱供給 ) シェル & チューブ型加熱能力 900Mcal/h 一次側高温水 278L/min(140 ~80 ) 二次側温水 2,940L/min(54.5 ~60 ) 冷熱源単効用吸収式冷凍機冷凍能力 300usRT 冷水 3,000L/min(7 ~12 ) 高温水 610L/min(142 ~100 ) 熱源設備 ( 南側 ) 温熱源熱交換器 ( 地域熱供給 ) プレート式 (SUS316) 222Mcal/h 一次側高温水 62L/min(140 ~80 ) 二次側温水 370L/min(50 ~60 ) 冷熱源単効用吸収式冷凍機冷凍能力 160usRT 冷水 1,580L/min(7 ~12 ) 高温水 225L/min(140 ~85 ) 64 32

33 空調設備 単一ダクト方式 主な空調系統 ( 北側 ) AC-1 事務所系統 AC-2 エントランス系統 AC-3 プラネタリウム系統 AC-4 展示室南系統 AC-5 展示室北系統 ( 南側 ) ACU-1 サイエンスホール系統 ACU-2 2 階特別展示室系統 ACU-3 2 階常設展示室系統 ACU-4 3 階常設展示室系統 ACU-5 バーチャリウム系統 65 3 夏季ナイトパージ ( 夜間外気冷房 ) の実施 3-1 ナイトパージ実施前後の室温及び外気温度変動 ナイトパージ実施日は 早朝 4 時から 7 時までの 3 時間に空調機によって外気を導入した 運転は自動制御盤のスケジュール運転によった 自動制御盤 ナイトパージ実施前の室温変動 66 33

34 ナイトパージ実施日の室温変動 ナイトパージ実施していない日の室温変動 青少年科学館の日報 室温と外気温度 68 34

35 高温水熱量 69 4 ナイトパージの省エネ効果 70 35

36 ナイトパージを行った日と行わなかった日の 9~17 時までの平均外気温度は ナイトパージを行った日が 26.7 で 行わなかった日が 26.2 とほぼ同じであった 日平均使用熱量は 北側と南側で 以下の通りであった 北側 ナイトパージ無し 3.10Gcal/ 日 ナイトパージ有り 2.88Gcal/ 日 削減熱量 0.2Gcal/ 日 削減率 7.5% 南側 ナイトパージ無し 6.90Gcal/ 日 ナイトパージ有り 6.20Gcal/ 日 削減熱量 0.7Gcal/ 日 削減率 10.8% 71 ナイトパージによる送風機動力の1 日の増加分は 以下の通りである 空調機送風機動力 57kW ナイトパージ実施時間 3h/ 日増加分電力量 171kWh/ 日 電気従量料金単価を 12 円 /kwh とすると 増加分の電気代は 以下のように算出できる 増加分電気代 = 増加分電力量 電気従量料金単価 =171kWh/ 日 12 円 /kwh =2,052 円 / 日 72 36

37 ナイトパージによる地域熱供給の高温水削減熱量による削減金額は 以下のように算出できる 熱単価 3.15 円 /MJ= 円 /Mcal 削減熱量 = 北側削減熱量 + 南側削減熱量 =0.2 Gcal/ 日 +0.7Gcal/ 日 =0.9 Gcal/ 日削減熱量による削減金額 = 削減熱量 熱単価 =0.9 Gcal/ 日 円 /Mcal =11,867 円 / 日 ナイトパージによる削減金額は 以下のように算出できる ナイトパージによる削減金額 = 削減熱量による削減金額 - 増加分電気代 =11,867 円 / 日 -2,052 円 / 日 =9,815 円 / 日 したがって ナイトパージによって 1 日約 1 万円の節約となると考え 73 られる (2) 吸収式冷凍機の冷水温度変更による省エネ効果の検証 1 目論み 一般に 吸収式冷凍機は 冷水温度を高くした方が 効率が良くなるといわれている しかし 一方で 冷水温度を下げて 短時間で空調を行うと省エネルギーになるという専門家もいる 現状 青少年科学館では 冷水は 10 で運転している ここでは 冷水温度を 7 に下げ 冷水温度を高くした場合の省エネ効果について検証することとした 単効用吸収式冷凍機 冷水温度 74 37

38 2 冷水温度の変更を行わなかった日と行った日の南側日平均外気温度と高温水日使用熱量の関係 75 3 冷水温度の違いによる高温水日使用熱量 南側平均外気温度は 冷水温度を7 にした場合の方が若干低いが 北側及び南側ともに 日使用熱量は22% 増加している 冷水温度を低くすることは 省エネルギーとはならず 冷水温度は可能な限り高い温度で運転することが省エネルギーになる 冷水温度の違いによる南側平均外気温度と北側及び南側の平均日使用熱量 1 冷水 10 2 冷水 10 7 使用熱量比 (2 1) 南側平均外気温度 南側日平均使用熱量 北側日平均使用熱量

39 3.4 音楽ホールの事例 : 真空式温水ヒーターの空気比の改善 (1) 現状の真空式温水ヒーターの空気比 排ガス酸素濃度 14% のときの空気比 21/(21-14)= (2) 目論み 現状の空気比が高く 適正な値とすることによって 省エネ効果が期待できる (3) 空気比の適正化 78 39

40 (4) 省エネルギー効果 ガス使用量年間 3.4% 削減 金額にして 約 65 万円 / 年の削減 札幌ドームの事例 (1) 札幌市施設のパッケージ型空調機屋外機の清掃による省エネ効果の検討 1 目論み パッケージ型空調機の屋外機は 一般に屋外に設置されており 熱交換器フィン表面へのほこりなどの付着により 屋外機の熱交換 効率が低下し 圧縮機の入力が増加するため 機器効率が低下す ることが指摘されている そこで 屋外機清掃による効率改善効果を把握するため 実際に 屋外機の清掃を行った 80 40

41 2 第 4 電気室パッケージ型空調機動力系統への電力計の設置 電力量計 81 3 電気室冷房用パッケージ型空調機の屋外機の清掃の実施 洗浄後の排水放水方法の確保 洗浄準備状況 洗浄状況 82 41

42 洗浄前の汚れたコイル面 洗浄状況 洗浄水 83 洗浄後のコイル面 4 清掃による効果の検討 清掃前 ハ ッケーシ 電力量 第 4 電気日平均外室電力量気温度 kwh kwh 9/21( 土 ) /22( 日 ) /23( 月 ) /24( 火 ) /25( 水 ) /26( 木 ) /27( 金 ) /28( 土 ) /29( 日 ) /30( 月 ) /1( 火 ) /2( 水 ) /3( 木 ) /4( 金 ) /5( 土 ) /6( 日 ) /7( 月 ) 清掃後 ハ ッケーシ 電 第 4 電気室 日平均外気 力量 電力量 温度 kwh kwh 10/9( 水 ) /10( 木 ) /11( 金 ) /12( 土 ) /13( 日 ) /14( 月 ) /15( 火 ) /16( 水 ) /17( 木 ) /18( 金 ) /19( 土 ) /20( 日 ) /21( 月 ) /22( 火 ) /23( 水 ) /24( 木 ) /25( 金 ) /26( 土 ) /27( 日 )

43 4-1 パッケージ型空調機日消費電力量と第 4 電気室日電力量の関係 清掃前のパッケージ型空調機の電力量と電気室電力量及び日平均外気温度の関係 ( 重回帰分析 ) 概要 回帰統計 重相関 R 重決定 R 補正 R 標準誤差 観測数 17 分散分析表 自由度 変動 分散 測された分散有意 F 回帰 E-05 残差 合計 係数 標準誤差 t P- 値 下限 95% 上限 95% 下限 95.0% 上限 95.0% 切片 第 4 電気室電力量 E 日平均外気温度 t 値 2.0 説明変数は有意 t 値 2.0 説明変数は有意ではない 86 43

44 4-3 清掃後のパッケージ型空調機の電力量と電気室電力量及び日平均外気温度の関係 ( 重回帰分析 ) 概要 回帰統計 重相関 R 重決定 R 補正 R 標準誤差 観測数 18 分散分析表 自由度 変動 分散 測された分散有意 F 回帰 残差 合計 係数 標準誤差 t P- 値 下限 95% 上限 95% 下限 95.0% 上限 95.0% 切片 第 4 電気室電力量 日平均外気温度 第 4 電気室電力量 t 値 2.0 説明変数は有意ではない 清掃後のパッケージ型空調機の電力量が小さいのは 87 外気温度の影響と考えられる 5 パッケージ型空調機屋外機の清掃による省エネ効果について 5-1 札幌ドーム事務所棟のパッケージ型空調機屋外機の清掃による省エネ効果 清掃の効果はほとんどみられない 88 44

45 5-2 パッケージ型空調機屋外機の清掃による省エネ効果について 空調機器清掃の専門家によると パッケージ型空調機やエアコンの屋外機清掃については 外気温が高く湿度 70% を超える様な時に 20% を超える電流値であれば 洗浄が有効と判断しているとのことであった また 最も簡単な見分け方としては 高圧ゲージが 18kg/cm 2 以上の場合洗浄と判断するのが良いとのことであった パッケージ型空調機屋外機の汚れがひどい場合に清掃の効果が期待できるものと考えられる 89 (2) プレート式熱交換機の清掃による省エネ効果 1 目論み 熱交換器は 熱交換部分の汚れなどにより熱交換効率が低下すると 熱交換気表面温度が冷熱の場合は低下し 温熱の場合は上昇し 周囲温度との温度差が拡大する 熱交換気表面温度と周囲温度との温度差が拡大すると 熱交換器表面からの放熱量が増加する また 一次熱源側の温度差が小さくなり 熱源の効率が低下することが考えられる 札幌ドームには冷水蓄熱及び放熱用のプレート式熱交換器があり 竣工後 10 年が経過しており プレート式熱交換器の汚れによる熱交換効率の低下が危惧されたため 熱交換機内部の洗浄を実施 省エネ効果を検証することとした 90 45

46 2 洗浄対象熱交換機 二次側負荷側へ送水 ( ) 二次側負荷側より還水 ( ) 91 清掃を行ったプレート式熱交換機の仕様名称仕様 EX-3 冷 プレート式 ( 水 - 水 )SUS304 水熱交換 冷水交換熱量 576,000kcal/h 器 ( 空冷チ 一次冷水 1,380L/min(6-13 ) ラー冷水用 ) 二次冷水 1,380L/min(14-7 ) EX-4 冷 プレート式 ( 水 - 水 )SUS304 水熱交換 冷水交換熱量 498,000kcal/h 器 ( 蓄熱槽 一次冷水 1,190L/min(6-13 ) 放熱冷水用 ) 二次冷水 1,190L/min(14-7 ) 3 洗浄方法 洗浄剤をプレート式熱交換器一次側及び二次側に注入し 12 時間以上循環させプレート表面の洗浄 熱交換器内の汚れにより 若干色がついてきている 水質管理がしっかりしており 洗浄水の汚れは予想より少ない 92 46

47

48 4 洗浄効果 EX-4 清掃前後の熱交換効率 一次側熱量 二次側熱量 熱交換効率 MJ/30min MJ/30min % 清掃前 2, , % 清掃後 1, , % 熱交換効率差 3.7% 洗浄工事費 :330 千円 ( 税込 ) 削減電力量 :5,400kWh/ 年 電気料金 :20 円 /kwh 削減金額 :108 千円 / 年 単純回収年数 : 約 3 年 95 (3) プレート式熱交換器の保温による省エネ効果 1 目論み プレート式熱交換器は 一般に保温されることは少なく 表面からの熱損失が危惧される 保温を行っていないプレート式熱交換器に 実際に保温を行い その前後の熱損失を把握し 保温による省エネルギー効果について検討を行った 2 対象機器と保温仕様 対象としたプレート式熱交換器は 洗浄を行った冷水用プレート式熱交換器とした 96 48

49 3 プレート式熱交換器の保温による省エネルギー効果 97 1 分平均流量 保温による省エネルギー効果 1 分平均温度差 1 分平均熱量 熱交 - 室温温度差 室温と熱交温度差 1 度当り熱量 L/ 分 K kcal/ 分 K kcal/(k 分 ) 1, 夏期温度差 = 28 ( 室温 )- 10 ( 冷水 ) 夏期 1 分損失熱量 夏期稼働時間 夏期損失熱量 電力量 (COP=3) 電気料金 K kcal/min h Mcal kwh 円 / 年 ,590 9, ,023 単純回収年数 熱交換器保温工事費 130,000 円 ( 税込 ) 単純回収年数 1.1 年 98 49

50 (4) ロードヒーティングの省エネ運転 1 ロードヒーティングの蒸気量 月別のロードヒーティング蒸気量をみると 12 月と 1 月では ロードヒーティング蒸気量は総蒸気供給量の 31~33% となっている 11 月から翌年 2 月までのロードヒーティング蒸気量は 全体の 28% と約 3 割を占めており 省エネルギー 並びに 省コストの観点から ロードヒーティング蒸気量の削減が望まれる 99 2 運転状況 連続加熱運転時は 送水温度が40 で一定となり 還水温度は徐々に上昇し 33~34 まで上昇している 100 路面温度はかなり高く維持されているものと思われる 50

51 3 目論み 12 月のロードヒーティングの運転状況をみると 連続加熱運転時は 送水温度が 40 で一定となり 還水温度は徐々に上昇し 33~34 まで上昇している 融雪を行うには 路面温度をプラス温度に保てばよいと思われるが 実際の運転状況をみると 路面温度はかなり高く維持されているものと思われる ロードヒーティングの省エネを行うためには 加熱が必要ないときに加熱を停止することが有効と考えられる 札幌ドームのロードヒーティングシステム ロードヒーティング 温水 40 一定送水 温度センサー 融雪用温水ポンプ 温度センサー 低圧蒸気 融雪用蒸気 - 温水熱交換器

52 5 札幌ドームのロードヒーティングシステムの制御方法 外気温度 路面温度低下 路面水分検知 赤外線式降雪検知 設定値以下 AND 条件 OR 条件 AND 条件 融雪用温水ポンプ ON/OFF 間欠加熱運転方法の提案 6-1 間欠加熱運転方法 外気温度 路面温度低下 路面水分検知 赤外線式降雪検知 設定値以下 AND 条件 OR 条件 AND 条件 融雪用温水ポンプ ON/OFF < 間欠加熱運転の提案 > 還水温度 設定値 ( 例えば 30 ) 熱交換器一次側蒸気バルブ閉 還水温度 設定値 ( 例えば 20 ) 送水温度制御

53 温度 [ ] 路面降雪見地目盛 1 で検知 温度 [ ] 路面降雪見地目盛 1 で検知 6-2 間欠運転の運転状況 時 6 時 12 時 18 時 1 時 6 時 12 時 18 時 1 時 6 時 12 時 スカイウォーク路面降雪検知 18 時 1 時 6 時 12 時 18 時 1 時 6 時 12 時 外気温度 18 時 1 時 6 時 12 時 18 時 1 時 6 時 12 時 1/5( 日 ) 1/6( 月 ) 1/7( 火 ) 1/8( 水 ) 1/9( 木 ) 1/10( 金 ) 1/11( 土 ) 18 時 時 6 時 12 時 18 時 スカイウォーク路面降雪検知 EX-6 二次側送水温度 EX-6 二次側還水温度 1 時 6 時 12 時 18 時 1 時 6 時 12 時 18 時 1 時 6 時 12 時 間欠加熱運転に変更後は 還水温度が28 程度に達すると加熱が停止し 還水温度が20 に低下すると再び加熱が開始され変更前に比べ 加熱時間は減少 管理委託会社のその後の調査で 単位降雪量当り約 14% の省エネが確認され 105 た 18 時 1 時 6 時 12 時 18 時 1 時 6 時 12 時 18 時 1 時 6 時 12 時 1/5( 日 ) 1/6( 月 ) 1/7( 火 ) 1/8( 水 ) 1/9( 木 ) 1/10( 金 ) 1/11( 土 ) 18 時 本庁舎の事例 : 排気系統の見直し (1) 目論み 地下 2 階 地上 19 階 塔屋 2 階 地下 1 階搬入口から多量の侵入外気がある 地下 1 階搬入口が開いたときの外気流入風速は 3m/s を超えており 地下 1 階から 1 2 階の室内環境に悪影響を及ぼしていると考えられる 搬入口ドア閉鎖時 搬入口ドア開放時

54 主たる空調機械室が 19 階 8 階 地下 2 階の 3 フロアに分散している 空調機への外気は 19 階 8 階 1 階のガラリから導入されている 1 階のガラリは 地下 2 階機械室の空調機へ導入するためのものである また 排気は 19 階と地下 2 階に排風機が設置され 排気されている 地下厨房の排気や東西にある倉庫系統の排気など 専用の排気が日中常時運転されており 施設下階からの多量の外気侵入の原因となっていると考えられた 低層階の環境改善と暖房用エネルギーの削減を目的として 排気量の削減について検討を行うこととした 107 (2) 外気取り入れ量と排気風量測定 1 空調ダクト系統図

55 2 現状の風量バランス 風量バランス ( 現状 ) OA 77,573m 3 /h 建物内 1,874m 3 /h の正圧 EA 75,698m 3 /h 全体バランス (2.5% の正圧 ) OA 9,512m 3 /h 19F EA 38,113m 3 /h 18F OA 59,167m 3 /h 8F 4F 3F 極度の負圧 OA 8,894m 3 /h 1F B1F 搬入口から外気流入の要因 EA 37,585m 3 /h B2F 階は 導入外気が約 9,500m 3 /h で 排気が 38,100m 3 /h となっており 排気の方が多い 8 階は外気導入のみで 59,100m 3 /h の外気が取り入れられている 地下 2 階から 3 階についてみると 外気導入量が約 9,000m 3 /h であるのに対し 排気が 37,600m 3 /h となっており 排気量が圧倒的に多くなっている 建物全体でみると 若干導入外気量の方が多く 2.5% の正圧となっている 4 階から上部は 1 階玄関や地下 1 階搬入口からの外気の影響がほとんどなく 8 階からの大量の外気導入もあり 正圧が保持されていると考えられる しかし 地下 2 階から 3 階にかけては 極端な負圧となっており これが 地下 1 階搬入口からの強い外気侵入の要因となっていると考えられる

56 空調用高温水熱量 [MJ/ 月 ] 3 停止可能な排気系統の停止提案とその場合の風量バランス 風量バランス ( 正圧化検討 ) OA 77,573m 3 /h 建物内 17,845m 3 /h の正圧 EA 59,728m 3 /h 全体バランス (30% の正圧 ) OA 9,512m 3 /h 19F EA 22,143m 3 /h OA 59,167m 3 /h 18F 8F 高層部西側倉庫系統排気ファン (15,970m 3 /h) を停止した場合 4F 3F 極度の負圧 B1F 搬入口から外気 OA 8,894m 3 /h 1F 流入の要因 EA 37,585m 3 /h B2F 排気系統で停止が可能な系統を検討した結果 19 階に設置されている高層部西側倉庫系統が挙げられた 建物全体では 導入外気が排気より30% 多い正圧となり 地下 1 階搬入口から 111 の外気流入も緩和されると考えられる (3) 高層部西側倉庫系統排気ファン停止による影響 停止を提案した高層部西側倉庫系統排気ファンは 既に 2013 年 11 月中頃より停止されていた このため 地下 1 階搬入口の流入外気風速は 2012 年度は最大風速が3.5m/s 程度であったが 2013 年度は2.5m/s 程度と風速が遅くなっており 流入外気が減少したものと考えられた 下図の停止後 (2013 年 12 月以降 ) の方が高温水熱量が少なくなっており これ以外の種々の省エネの工夫による効果も含んでいると思われるが 高層部西側倉庫系統排気ファンの停止も空調用高温水熱量の削減に寄与したものと考えられる 高層部西側倉庫系統停止前 ( ~2013.3) 高層部西側倉庫系統停止後 ( ~2014.2) y = x + 1E+06 R² = y = x R² = 月平均外気温度 ( 札幌管区気象台 )[ ]

57 月都市ガス使用量 m3 4. 省エネ効果の検証方法について 4.1 暖冷房用エネルギー消費量の比較 (1) 月平均外気温度による補正 空調用のエネルギー消費は 気象条件によって変動するため これと関連の深い外気温度との相関によって補正する 補正式は 冷房と暖房の月平均外気温度と月都市ガス消費量の近似式を用いる 113 (2) 暖冷房用エネルギー消費量の外気温度補正の例 年から 2010 年までの月平均外気温度と月都市ガス消費量の関係 1-1 暖房用都市ガス消費量 30,000 25,000 y = x R² = ,000 15,000 10,000 5, 月平均外気温度

58 月都市ガス使用量 m3 1-2 冷房用都市ガス消費量 12,000 10,000 8,000 y = x R² = ,000 4,000 2, 月平均外気温度 外気温度補正による省エネルギー効果算出例 : 図書館の例 外気温度補正値と平成 22 年度の実績値をみると 11 月を除く全ての月で平成 22 年度実績値が下回っており 省エネルギー効果がみられる 9 月 ~2 月までの6ヶ月間の総削減量は9,894m 3 で 月平均削減率は13.4% であった

59 4.2 電力量の比較 暖冷房用の電力量を除いた電力量は 外気温度等に左右されないため 外的な要因による経年的な変動は少ない したがって 比較する前の 2~3 年度の平均値を基準電力消費量とすることが考えられる 図書館の例 3カ年平均値と平成 22 年度の実績値をみると 全ての月で平成 22 年度実績値が下回っており 省エネルギー効果がみられる 空調機間欠運転などの効果のためと考えられる 9 月 ~2 月までの6ヶ月間の総削減量は83.2MWhで 月平均削減率は13.6% で 117 あった 5. まとめ 空調設備の概要 熱源機の種類 空調システムの概要と特徴等 空調設備の省エネの取り組み事例 図書館の事例 小学校の事例 青少年科学館における事例 音楽ホールの事例 札幌ドームの事例 本庁舎の事例 省エネ効果の検証方法について

補足資料 1-2 運用実施 温水ボイラの空気比低減による燃料消費量の削減 (13A ガス ) 現状 問題点都市ガスボイラを使用 燃料を完全燃焼させるための空気比が大きい ( 排ガス温度 200 空気比 1.5) そのため 排ガス量が増加し 排ガス熱損失が増加している 空気比 21/{21-( 排ガス

補足資料 1-2 運用実施 温水ボイラの空気比低減による燃料消費量の削減 (13A ガス ) 現状 問題点都市ガスボイラを使用 燃料を完全燃焼させるための空気比が大きい ( 排ガス温度 200 空気比 1.5) そのため 排ガス量が増加し 排ガス熱損失が増加している 空気比 21/{21-( 排ガス 補足資料 1-1 ガス吸収式冷温水機の空気比調整による燃焼効率上昇 運用実施 現状 問題点 施設のベース空調に使用している吸収式冷温水機の燃料用空気は必要以上に供給している 設定 ( 排ガス温度 140 空気比 1.43) で運転 ガス吸収式冷温水機において燃焼用空気を必要以上に供給すると 排ガス量が増えエネルギー損失が増大する 空気量を適正値に下げることで省エネとなる 燃焼時の空気比を 1.3 に調整するため

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