電 力 ピークカット 及 び 快 適 性 向 上 に 資 する 太 陽 熱 を 利 用 した 住 宅 向 け 調 湿 除 湿 並 びに 低 温 床 暖 房 システムの 開 発 ( 応 募 テーマ:エネルギー) 寺 島 今 朝 成 株 式 会 社 ウッドビルド 市 川 渡 株 式 会 社 ケー アイ エス 岩 前 篤 近 畿 大 学 平 成 25 年 度 住 宅 建 築 関 連 先 導 技 術 開 発 助 成 事 業
1. 背 景 目 的 -1- 技 術 開 発 の 内 容 CO2 排 出 量 の 削 減 地 球 温 暖 化 防 止 電 力 消 費 の 削 減 と 平 準 化 電 力 不 足 への 対 応 グローバルな 要 求 事 項 今 後 の 電 力 供 給 体 制 への 影 響 が 大 きい 地 球 温 暖 化 が 叫 ばれる 中 グローバルな 要 求 事 項 としてCO2 排 出 量 の 削 減 が 求 められている 加 えて 震 災 後 の 電 力 供 給 体 制 に 対 し 電 力 消 費 そのものの 削 減 と 平 準 化 が 求 められている 太 陽 エネルギーの 効 果 的 活 用 冷 房 暖 房 給 湯 の 消 費 エネルギーの 削 減 夏 期 の 電 力 ピークカット 冬 期 の 電 力 ピークカット 太 陽 光 発 電 太 陽 熱 温 水 集 熱 一 体 型 パネルにより 得 られる 太 陽 熱 を 夏 期 はデシカント 除 湿 換 気 等 冬 期 は 床 暖 房 等 に 使 用 電 気 は 当 該 システムの 動 力 として 使 用 することで 電 力 ピークカットと 快 適 性 向 上 を 実 現 する
-2-2. 技 術 開 発 の 概 要 技 術 開 発 の 内 容 太 陽 エネルギー 利 用 除 湿 換 気 システム ( 低 温 再 生 型 ) 既 存 のデシカント 除 湿 器 を 活 用 し 再 生 熱 源 として40 の 太 陽 熱 温 水 を 利 用 するシステム 吸 着 除 湿 によって 空 気 温 度 が 上 昇 するので 上 昇 した 熱 は 顕 熱 交 換 機 で 還 気 と 熱 交 換 して 冷 却 する 太 陽 光 発 電 + 太 陽 熱 温 水 集 熱 一 体 型 パネル 発 電 と 水 集 熱 を 同 時 に 行 う ( 太 陽 エネルギーの53%を 変 換 電 力 出 力 13% 温 水 出 力 40%) 水 集 熱 なので 温 水 タンクに 蓄 熱 でき 夜 間 でも 太 陽 熱 の 利 用 が 可 能 発 電 と 温 水 集 熱 を 同 じパネルで 行 うので 狭 小 屋 根 でも 利 用 可 能 太 陽 エネルギー 利 用 除 湿 換 気 システム デシカント 除 湿 機 顕 熱 交 換 器 顕 熱 熱 交 換 器 太 陽 光 発 電 + 太 陽 熱 温 水 集 熱 一 体 型 パネル 居 室 高 効 率 エアコン 機 械 室 浴 室 洗 面 温 水 器 GB 太 陽 熱 温 水 給 湯 太 陽 熱 温 水 低 温 床 暖 房 蓄 熱 槽 太 陽 熱 温 水 低 温 床 暖 房 + 高 効 率 エアコン 暖 房 低 温 度 の 温 水 で 温 め 過 ぎない 床 暖 房 を 行 い 高 効 率 エアコンの 省 エ ネ 性 を 高 める 冬 季 の 太 陽 熱 取 得 量 は 少 ないので 冷 たくない 程 度 の 床 暖 房 を 太 陽 熱 で 実 現 し 高 効 率 エアコンで 省 エネ 暖 房 を 行 う 太 陽 熱 温 水 給 湯 給 湯 利 用 は 太 陽 熱 の 最 終 利 用 とし 太 陽 熱 が 余 ったら 給 湯 に 用 い る 程 度 とする 給 湯 負 荷 が 少 ない 夏 に 太 陽 熱 は 多 く 給 湯 負 荷 が 多 い 冬 に 太 陽 熱 は 少 ない この 矛 盾 を 解 消 する 為 に 除 湿 や 床 暖 房 に 太 陽 熱 を 優 先 的 に 用 いる
-3-3. 技 術 開 発 実 用 化 のプロセス 等 技 術 開 発 の 内 容 項 目 (2) システム 評 価 ツールの 開 発 平 成 24 年 度 平 成 25 年 度 平 成 26 年 度 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 (1) システム 開 発 システム 調 査 仕 様 策 定 予 備 実 験 調 査 結 果 仕 様 検 討 結 果 特 性 把 握 ( 運 転 特 性 表 ) システム 設 計 ( 特 性 図 ) システム 製 作 実 証 実 験 結 果 システム 実 証 実 験 解 析 シミュレーションプログラム 開 発 プロトタイプ 実 証 実 験 解 析 プロトタイプ 改 良 機 実 証 実 験 解 析 シミュレーションプログラム チューニング 検 証 成 果 シミュレーション プログラム シミュレーション プログラムによる システム 評 価 (3) まとめ 報 告 書 成 果 成 果 成 果 まとめ まと め まとめ システム 実 証 実 験 解 析 実 証 実 験 棟 2 棟 の 実 証 実 験 棟 に 上 記 システムを 組 み 込 んだ 実 験 システムを 構 築 し 夏 期 のデシカント 換 気 システムの 効 果 を 検 証 する 実 証 実 験 は システム 全 体 のシミュレーション 開 発 への 検 証 データの 蓄 積 も 担 う システム 全 体 のシステムシミュレーションプログラムの 開 発 検 証 昨 年 度 開 発 したデシカント 換 気 システムの 計 算 プログラムも 加 え 上 記 システム 全 体 のダ イナミックなシステムシミュレーションプログラムを 開 発 し 実 証 実 験 で 得 られた 結 果 を 基 に その 検 証 を 行 なう
1. 技 術 開 発 の 必 要 性 緊 急 性 -4- 審 査 基 準 に 関 する 事 項 夏 期 日 中 電 力 のピークカット は 社 会 的 な 緊 急 命 題 の 一 つである デマンドピークが 発 生 する 夏 期 の 日 中 に 太 陽 熱 を 利 用 して 冷 房 エネルギーの 一 部 を 補 う 事 ができれば 居 住 環 境 の 快 適 性 健 康 性 を 維 持 したうえでのピークカットを 実 現 できる 更 にシステムの 電 力 消 費 をすべて 太 陽 光 発 電 ( 太 陽 集 熱 と 一 体 化 )で 賄 う 本 システムは 自 然 エネルギーによる 冷 房 を 実 現 できる 画 期 的 な 開 発 と 言 える 前 面 太 陽 光 発 電 電 力 負 荷 (システム) システムで 消 費 < 夏 期 > 太 陽 集 熱 温 水 除 湿 システム( 再 生 熱 ) 給 湯 ( 給 水 予 熱 ) 温 水 蓄 熱 太 陽 エネルギー 利 用 除 湿 換 気 システム 裏 面 < 冬 期 > 低 温 床 暖 房 給 湯 ( 給 水 予 熱 ) 太 陽 熱 温 水 利 用 太 陽 エネルギー(1000W/m2) < 中 間 期 > 給 湯 ガラス 発 電 セル ( 電 力 出 力 :128W/m2 変 換 効 率 13%) 集 熱 パイプ ( 温 熱 出 力 :400W/m2 変 換 効 率 40%) 断 熱 材 総 出 力 :528W/m2 変 換 効 率 53% 太 陽 光 発 電 太 陽 熱 温 水 集 熱 一 体 型 パネル 断 面 概 略 図 太 陽 エネルギー 利 用 フロー 図 CO2 排 出 量 の 削 減 のために 太 陽 エネル ギーの 利 用 率 を 年 間 を 通 して 高 く 維 持 で きるシステムの 構 築 を 図 る
2. 技 術 開 発 の 先 導 性 -5- 審 査 基 準 に 関 する 事 項 夏 期 の 豊 富 な 太 陽 熱 は 温 熱 需 要 ( 給 湯 )だけでは 有 効 に 活 用 することができない 本 開 発 では 太 陽 熱 を 除 湿 用 エネルギーとして 利 用 することで 夏 期 でも 太 陽 エネルギーの 効 果 的 な 利 用 が 図 れる また 除 湿 用 熱 源 の 温 度 レベルは 高 温 が 一 般 的 であるが 本 開 発 では 低 温 (40 程 度 )の 太 陽 熱 温 水 の 有 効 利 用 を 目 指 しており 住 宅 における 除 湿 技 術 の 先 導 的 システムとなり 得 る 太 陽 光 発 電 と 太 陽 集 熱 の 一 体 化 により 太 陽 エネ ルギー 変 換 効 率 を53%まで 高 めることができ 設 置 スペースの 縮 小 が 図 れる これにより 太 陽 光 発 電 パネルの 更 なる 増 設 が 可 能 となり 社 会 全 体 でみると 自 然 エネルギー 利 用 システムの 設 置 面 積 の 拡 大 につながる また 集 熱 を 温 水 として 蓄 熱 槽 に 蓄 えるため 夜 間 でも 太 陽 エネルギー 利 用 が 可 能 となり 暖 房 や 給 湯 にも 利 用 することで 冬 期 の 電 力 ピークカッ トにも 寄 与 する 顕 熱 熱 交 換 器 室 内 還 気 室 内 給 気 ( 低 湿 度 ) 温 水 (40 ) デシカント 除 湿 器 ( 低 温 再 生 型 ) 排 気 ファン 給 気 ファン 太 陽 熱 利 用 ( 水 集 熱 ) 排 気 外 気 システム 電 力 は 太 陽 光 発 電 で 賄 う 本 開 発 における 除 湿 換 気 システム 図 本 開 発 は 除 湿 換 気 システムと 壁 体 の 調 湿 構 造 壁 体 内 通 気 システムを 組 み 合 わせることで 低 湿 度 に よる 快 適 性 の 向 上 も 目 指 しており このシステム 評 価 を 確 立 させることで 太 陽 エネルギーのアクティブ +パッシブ 利 用 技 術 の 確 立 を 図 る
3. 技 術 開 発 の 実 現 可 能 性 -6- 審 査 基 準 に 関 する 事 項 本 開 発 は 既 存 製 品 を 組 み 合 わせて( 一 部 製 品 改 良 )システムを 構 築 することから 実 用 化 に 向 けた 課 題 は 少 なく 実 現 可 能 性 は 大 きい 開 発 の 要 点 既 存 システムを 組 み 合 わせてシ ステムを 構 築 する 太 陽 熱 を 有 効 に 利 用 する 制 御 要 件 の 検 討 実 験 で 各 構 成 機 器 の 基 本 特 性 を 把 握 する シミュレーションで 最 適 化 を 図 る(システム 構 成 制 御 等 ) 冷 房 用 ( 冷 房 負 荷 削 減 ) 暖 房 用 ( 暖 房 負 荷 削 減 ) 給 湯 用 ( 給 湯 負 荷 削 減 ) 本 開 発 ではシステムシミュレーションプログラムの 開 発 および 評 価 手 法 の 確 立 も 行 うため 実 用 化 され たシステムの 展 開 普 及 も 比 較 的 容 易 である
4. 実 用 化 製 品 化 の 見 通 し -7- 審 査 基 準 に 関 する 事 項 製 品 試 作 量 産 販 売 計 画 商 品 企 画 事 業 計 画 商 品 開 発 試 作 評 価 量 産 化 支 援 販 売 支 援 保 守 企 画 立 案 事 業 化 バリア 分 析 コスト 分 析 機 能 仕 様 検 証 原 価 企 画 開 発 試 作 設 計 品 質 管 理 目 標 コスト 管 理 試 作 品 評 価 量 産 化 設 計 量 産 製 造 評 価 量 産 製 造 管 理 量 産 品 質 管 理 販 売 戦 略 立 案 パートナー 開 拓 保 守 スキーム 構 築 製 品 名 称 等 想 定 される 主 な 技 術 の 利 用 者 取 引 先 想 定 される 市 場 規 模 技 術 の 利 用 件 数 出 荷 件 数 等 太 陽 エネルギー 除 湿 換 気 システム 住 宅 設 備 会 社 建 材 商 社 太 陽 光 発 電 導 入 状 況 約 330,000 件 / 年 ( 平 成 24 年 度 住 宅 用 太 陽 光 発 電 補 助 金 申 込 み 受 付 件 数 ) 5%が 導 入 すると 16,500 件 / 年 10%で 33,000 件 / 年 太 陽 エネルギー 除 湿 換 気 システムによる 除 湿 効 果 冷 房 負 荷 の20%を 削 減 昨 年 度 の 基 礎 実 験 結 果 から 推 定 低 温 床 暖 房 と 高 効 率 エアコン 併 用 暖 房 による 負 荷 削 減 効 果 暖 房 負 荷 の40% 削 減 1の 論 文 における 低 温 床 暖 房 の 負 荷 分 担 率 太 陽 熱 給 湯 システムによる 削 減 効 果 給 湯 負 荷 の50% 削 減 自 立 循 環 ガイドラインのエネルギー 消 費 率 の 早 見 表 デマンドピーク 時 間 帯 の 負 荷 削 減 夏 期 100% ( 熱 + 発 電 効 果 ) 冬 期 40% ( 熱 効 果 ) 推 定 値 です シミュレー ションで 明 らかにします 1 日 本 建 築 学 会 技 術 報 告 集 第 16 巻 第 32 号,227-232, 2010 年 2 月 田 澤 瓦 口 ( アーキテック コンサルティンク ) 上 野 ( 関 西 電 力 ) 坂 本 ( 当 時 東 京 大 学 大 学 院 )
昨 年 度 までの 技 術 開 発 の 成 果 3 処 理 出 口 絶 対 湿 度 [g/kg(da)] 3 処 理 出 口 温 度 [ ] -8-1( 処 理 入 口 )と3( 処 理 出 口 )の 絶 対 湿 度 1( 処 理 入 口 )と3( 処 理 出 口 )の 空 気 温 度 30 70 25 20 15 10 5 0 30 の 場 合 の 実 験 値 y = 0.2103x 1.4064 R² = 0.9982 35 の 場 合 の 実 験 値 y = 0.3155x 1.2773 R² = 0.9955 1 処 理 入 口 絶 対 湿 度 [g/kg(da)] y = 0.1387x 1.4562 R² = 0.9994 35 の 場 合 のカタロ グ 値 y = 0.1171x 1.6065 R² = 0.9969 25 の 場 合 の 実 験 値 0 5 10 15 20 25 30 35 60 50 40 30 20 35 の 場 合 のカタロ グ 値 35 の 場 合 の 実 験 値 25 の 場 合 の 実 y = 31.812x 験 値 0.103 R² = 0.9909 y = 36.762x 0.1628 R² = 0.9905 y = 36.9x 0.0719 R² = 0.9656 30 の 場 合 の 実 験 値 y = 34.655x 0.0837 R² = 0.9729 0 5 10 15 20 25 30 35 1 処 理 入 口 絶 対 湿 度 [g/kg(da)] 予 備 実 験 恒 温 恒 湿 室 による 基 本 特 性 の 把 握 予 備 実 験 によるデシカントシステムの 除 湿 性 能 非 住 宅 用 システムを 住 宅 用 に 用 いるため 定 格 風 量 の300m 3 /hを150m 3 /hに 絞 らなければなら ない しかし 定 格 風 量 の1/2の 特 性 値 は 仕 様 書 に 記 載 されていないので 独 自 に 測 定 する 必 要 があった また 再 生 ヒーターは 標 準 では 電 気 式 であるが 本 システムでは 温 水 を 用 いるの で 温 水 温 度 の 変 化 による 影 響 も 把 握 しなければならない 処 理 入 口 空 気 温 度 (25 30 35 )と 絶 対 湿 度 (7 18g/kg)の 違 いと 再 生 用 ヒー タへの 送 水 温 度 の 違 い(40 45 50 )による 処 理 出 口 空 気 ( 給 気 )の 温 湿 度 への 影 響 を 確 認 した 予 備 実 験 で 得 られたデータを 基 に シミュレーションプログラム-TRNSYSのデシカント 換 気 システムコンポーネントを 開 発 した デシカントシステムによる 冷 房 負 荷 削 減 効 果 の 試 算 実 験 結 果 を 用 いて 冷 房 換 気 負 荷 の 定 常 計 算 を 行 なうと 潜 熱 負 荷 は 145W 減 少 し 顕 熱 負 荷 が151W 増 加 することが 分 かった しかし 顕 熱 交 換 を 行 うことで 顕 熱 負 荷 の 増 加 が 抑 えられ 全 熱 で84Wの 削 減 (20% 減 )が 可 能 である スライド 番 号 6 参 照