ＮＥＤＯ省エネルギー技術フォーラム 2014 戦略的省エネルギー技術革新プログラム実用化開発ＺＥＢ実現に向けたパッケージ型空調システムの研究開発ダイキン工業(株) 研究開発期間：平成25年1月～平成26年2月 2 発表内容１．研究開発の背景、目的、目標２．研究開発体制、研究開発内容３．技術開発内容４．成果、実績、展望１．研究開発の背景、目的、目標１．１．背景 ■自律循環型の社会を形成するための切札としてゼロ・エネルギー・ビル（ＺＥＢ）の導入を強力に推進 ■導入目標として業務用途の建築物においては、・2020年までに新築公共建築物・2030年までに新築建築物の平均での、ＺＥＢ実現が掲げられている。 3 １．研究開発の背景、目的、目標 4 １．１．背景空調消費エネルギーの約50%は搬送動力 506 加重平均 503 653 389 331 42% 426 事務所 503 病院 137 711 ホテル 664 0 50 267 389 1170 780 464 店舗 623 579 500 423 868 1000 392 1500 971 276 2000 294 389 2500 3000 3500 2 （MJ/m /年）冷暖房熱源用空調搬送用照明・コンセント用給湯用その他経産省「ZEBの実現と展開に関する研究会」報告書より（日建設計総合研究所資料）１．研究開発の背景、目的、目標 5 １．１．背景 100% 90% 出荷容量割合 80% 70% ターボ冷凍機 60% 吸収式冷凍機 50% チリングユニット 40% GHP 30% 設備用 20% ビル用マルチ 10% 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 0% ＜日本冷凍空調工業会資料＞１．研究開発の背景、目的、目標１．２．従来の課題、目的、目標 ○既存技術 ZEBを実現するための省エネ空調システムとして、太陽熱や地中熱などの再生可能エネルギーを活用かつ複数のヒートシンクを利用したシステム ○課題・複雑なシステム構成が必要でコストが高くなる・成り行きで変化する自然エネルギーを活用するため、実運転条件では目標性能が得られない 6 １．研究開発の背景、目的、目標１．２．従来の課題、目的、目標 7 個別分散型直膨空調システム（ビル用マルチエアコン）をベースとしたパッケージ化された空調機器を組み合わせることによって、・低コスト・空調設備設計、計装設計が容易な空調システムの実現を目指す発電その他衛生エレベータコンセント照明空調 600 一次エネルギー消費量（MJ/m2/年) 550 500 450 400 350 300 250 3F相当太陽光発電基準エネルギー消費量（1115MJ/m2/年）平成25年省エネルギー基準に準拠した算定・判断の方法及び解説（Ⅵ地域）より 200 に対し、88％減 150 100 134MJ/m2/年 50 0 発電 ZEB ２．研究開発体制、研究開発内容２．１．研究開発体制 NEDO ダイキン工業（株） ①ビル用マルチエアコンの冷媒循環によるフリークーリング運転時の設備設計手法確立 ②低消費動力と信頼性を両立した散水器の技術開発 ③調湿外気処理機『ＤＥＳＩＣＡ』のCO2濃度による換気量制御 ④太陽熱源空冷吸収式冷凍機モジュールの開発 ⑤熱回収型床下チャンバ暖房システム設備設計手法確立 ⑥水和物スラリー蓄熱パッケージエアコンの開発 8 ２．研究開発体制、研究開発内容 9 ２．２．研究開発内容 ①ビル用マルチエアコンの冷媒循環によるフリークーリング運転時の設備設計手法確立 ②低消費動力と信頼性を両立した散水器の技術開発太陽熱パネル ④太陽熱源空冷吸収式冷凍機モジュールの開発排熱利用吸収式室外機散水器冷媒搬送 DESICA ③調湿外気処理機『DESICA』の CO2濃度による換気量制御 ⑤熱回収型床下チャンバ暖房システム設備設計手法確立サーバールーム空調サーバー室 ⑥水和物スラリー蓄熱パッケージエアコンの開発室外機水和物スラリー蓄熱システム既に開発に着手している潜熱・顕熱分離空調システムに下記技術を組み合わせたシステムを開発する。・自然エネルギー利用技術・実運用上の制御技術・蓄熱技術２．研究開発体制、研究開発内容 10 ２．２．研究開発内容研究項目研究開発内容 ①ビル用マルチエアコンの冷媒循環によるフリークーリング運転時の設備設計手法確立・フリークーリング機能を有するビル用マルチエアコンの設計・評価試験・性能特性式の作成・エネルギーシミュレーションによる省エネ性年間消費電力量10％削減）達成評価 ②低消費動力と信頼性を両立した散水器の技術開発・散水ノズルの設計試作・ノズル単体試験・システム組み込み試験・定格条件において12%の電力削減・エネルギーシミュレーションによる省エネ性（年間消費電力量3％削減）達成評価 ③調湿外気処理機『DESICA』の CO2濃度による換気量制御・換気風量可変設定可能な『DESICA』の設計試作・評価試験・性能特性式の作成・エネルギーシミュレーションによる省エネ性（年間消費電力量20％削減）達成評価 ④太陽熱源空冷吸収式冷凍機モジュールの開発・要素部品の設計試作・プロト機設計試作・定格条件において、冷熱取出し効率70% ・据付面積：温水焚き水冷吸収式＋冷却塔システムと比較して70%以下 ⑤熱回収型床下チャンバ暖房システム設備設計手法確立・CFD解析モデルの作成・実機試作・モデル試験による解析モデルの検証・エネルギーシミュレーションによる省エネ性（年間消費電力量3％削減）達成評価 ⑥水和物スラリー蓄熱パッケージエアコンの開発・試験機設計試作・プロト機の設計試作、評価試験・制御方法の確立・定格条件において10%の電力削減・エネルギーシミュレーションによる省エネ性（年間消費電力量1％削減）達成評価 ⑦エネルギーシミュレーション・エネルギーシミュレーションモデルの作成・技術要素全てを組み合わせた省エネ性（年間消費電力量88%削減）達成評価３．成果、実績、展望等３．１．成果１．ビル用マルチエアコンの冷媒循環によるフリークーリング運転時の設備設計手法確立 11 ■狙い 12 実際の建物における負荷は、・比較的低い外気温度・低い負荷率の出現頻度が高く、外気を利用した冷房が期待される。冷房定格 40℃ 35℃ 30℃ 25℃ 20℃ ビル用マルチエアコンの場合、冷媒の自然循環を利用した冷房が可能であるが、設備設計・制御が難しく、実用例が少ない。 14-16 12-14 10-12 8-10 6-8 4-6 2-4 0-2 -2-0 15℃ 10℃ 5℃ -5℃ 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0℃ 冷房運転時の外気温度と負荷率の出現頻度・連続運転可能なプロト機の仕様確定、試作実施・自然循環冷房運転を実現するための条件を明確化にし、冷房能力評価を行う。・室内外温度条件、設置条件によって変化する能力特性を把握し、シミュレーションによる年間消費電力量計算を可能とする。 ■通年運転効果評価自然循環冷房運転適用による通年省エネ効果試算を実施した。運転時の省エネ効果は大きいものの、自然循環運転が有効となる気象・負荷条件が年間で150時間以下となり、通年消費電力削減量は小さい。通年冷房負荷発生状況 ΔT≧10となる範囲での冷房時間は年間 149時間 80 70 60 冷房顕熱能力[kW] 自然循環運転時の省エネ効果（運転時評価） 1100rpm最大能力 250rpm最大能力圧縮機運転フリークリング運転 50 40 30 20 10 0 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 室内外温度差ΔT[℃] 14 16 18 20 22 24 自然循環運転時の省エネ効果（通年評価） 0.04%減 13 14 ２．低消費動力と信頼性を両立した散水器の技術開発 15 ■水の蒸発潜熱の利用によるピーク電力の削減課題: 熱交換器の腐食従来のエネカット ■従来技術の課題の解決案水滴の微粒子化熱交換器への水滴の付着の抑制 16 ■従来の微粒化技術 1流体ノズル 2流体ノズル遠心力噴霧法静電気噴霧法インクジェット超音波噴霧法方式 Liquid 特徴構造簡単微小粒子可能粒子分布均一低流量可能超微粒子可能低速微粒子可課題微粒化弱い高圧必要大量ガス必要駆動動力大必要設置空間大駆動動力大適用流量が低い駆動動力大コスト高駆動動力大流量が低い駆動動力大 ■Effervescent Atomizer (気泡混入型噴霧器) 内部流動様式を気泡流とすることで、気泡の破裂の力により微粒化する。少量の空気により微粒化できるので、微粒化効率が高い。 Effervescent Atomizer Operation and Spray Characteristics , J.D.Whitlow, 1993 微粒化効率の高い散水器の開発による低駆動動力での微粒化噴霧の実現 ■実機組込み試験 17 上面図上面図左から見た図左から見た図 9 条件ノズル無ノズル有圧縮機消費電力（kW） 7.90 6.06 ファン消費電力（kW） 0.20 0.15 ノズル用空気圧縮機動力（kW）－ 0.23 1 合計 8.32 6.66 0 定格消費電力削減率－ 20.0％ COP 3.35 4.18 R2 = 0.988 8 予測値 (℃) 7 6 5 4 3 2 0.0 2.0 4.0 6.0 測定値 (℃) 8.0 10.0 18 ３．調湿外気処理機『DESICA』のCO2濃度による換気量制御 19  ZEBになって建物負荷が減ると、換気による空調負荷や換気消費電力の割合が増えるため、この部分の対策が必要  換気設計は最大人数で設計するため、ほとんどのオフィスで過剰換気となっている  換気量低下による空調消費電力削減だけでなく、換気消費電力も低下するため省エネへの貢献度が大きい【目的】  エネルギーシミュレーションを実施し、年間消費電力20%削減を立証する  CO2濃度制御が有効な設計条件を明確にする【課題】 1. 換気風量可変設定（75%～100%）可能な『DESICA』の設計試作 2. 性能特性式の作成（風量、圧縮機回転数、室外条件、室内条件をパラメータ） 3. 在室人数や自然換気量の異なる建物でのエネルギーシミュレーションの実施 20 処理水分量消費電力全熱除湿加湿微粒化効率の高い散水器の開発による低駆動動力での微粒化噴霧の実現 ■消費電力削減効果(デシカ単体) • • 21 在室人員や目標値によって結果は変わるが、CO2制御により1046⇒785kWh（240日）となり、年間の消費電力削減率は25%となる。 CO2制御をすることで平均風量が500→379m3/hとなり、ファン電力は半減する。圧縮機電力も低下するが、ファン電力の方が省エネへの寄与は大きい。 ■自然換気量と在室人数の影響 • • • • 自然換気量が増加すると消費電力はCO2制御に関わらず増加するが、省エネ性は変わらない。在席率60%以下でCO2制御の効果が大きくなる。それ以下は風量が変化しなくなるため、変化は少ない自然換気量が増加すると在席率が高くとも省エネ性が向上する。自然換気量が多くとも、CO2制御によって十分な省エネ効果が望める。 22 23 ４．太陽熱源空冷吸収式冷凍機モジュールの開発 24 ・ビル用マルチエアコンに、太陽エネルギーを組み合わせて消費エネルギー量を削減したい・省設置面積の観点から、太陽光発電よりもエネルギー効率の高い太陽集熱器を用いたい・従来の太陽熱利用空調は、大規模なセントラル空調（間膨システム）のみ太陽集熱器太陽光発電４０～６０％７～１８％種類効率出典：資源エネルギー庁 http://www.enecho.meti.go.jp/attaka_eco/df/index.html ・ビル用マルチに代表される個別分散空調（直膨システム）への太陽熱の導入は未冷水出典：資源エネルギー庁 http://www.enecho.meti.go.jp/attaka_eco/system/main.html 太陽集熱器小型の太陽熱源吸収式モジュールを開発し、ビルマルと組み合わせて、個別分散空調の空調エネルギーを削減を目指す吸収式モジュールビル用マルチ ■吸収サイクル設計２６℃ 冷媒吸収式による過冷却効果 4 25 冷媒：R410A 発生器凝縮器 3.5 圧力[MPa] 2.5 ４７℃ 過冷却器蒸発器冷熱 25.4℃ 6.0kW 2 1.5 1 0.5 200 400 300 500 ビル用マルチ・モリエル線図 70 過熱器 47.0℃ エンタルピ[kJ/kg] 蒸気飽和温度[℃] 90.0℃ 温熱 8.6kW 冷媒 3 凝縮温度：44℃ 溶液温度[℃] 吸収器溶液 55％熱交濃溶液希溶液 52％溶液ポンプ項目設計値単位 60 100℃ 温水温度 90.0 ℃ 50 90℃ 吸収式：凝縮温度 44.0 ℃ 吸収式：蒸発温度 20.0 ℃ 吸収式：希液濃度 52.0 ％ 80℃ 40 70℃ 30 60℃ 20 50℃ 吸収式：濃液濃度 55.0 ％ 10 40℃ ビル用マルチ：過冷却前温度 47.0 ℃ ビル用マルチ：過冷却後温度 25.4 ℃ 吸収式：入熱量 8.6 ｋW 吸収式；冷凍能力 6.0 ｋW 吸収式：冷熱変換効率 70 ％蒸発温度：20℃ 30℃ 0 51 52 53 54 55 56 溶液濃度[％] 吸収式・デューリング線図 26 10 30 8 24 6 18 4 12 2 6 0 0 6月 7月 8月熱量（GJ) 平均外気温度 ℃ 日射量、熱量 GJ ■年間冷熱取出し量試算日射量集熱量冷熱取出し量平均外気温度 9月日射量集熱量冷熱取出量平均外気温（℃）平均集熱効率平均冷熱取出効率 6月 6.6 2.9 1.1 21.7 43.6％ 16.7％ 7月 9.3 4.8 2.4 26.2 51.1％ 25.6％ 8月 8.4 4.2 2.2 27.0 50.3％ 25.8％ 9月 7.0 3.6 1.7 24.8 50.8％ 24.0％合計/平均 31.4 15.5 7.4 24.9 49.3％ 23.4％ 27 ５．熱回収型床下チャンバ暖房システム設備設計手法確立 ■天井埋込みカセットの吹出し温度画像 ■天井埋込みカセットの上下温度分布 0.1m,1.1m間で約3℃ 天井埋込みカセットの暖房運転時の課題は、上下温度分布とドラフト 20℃～ 10～15℃ 5～10℃ ～0℃ 1.0～ 0.9～1.0 0.8～0.9 0.7～0.8 0.6～0.7 0.5～0.6 0.4～0.5 0.3～0.4 0.2～0.3 0.1～0.2 ～0.1 0～5℃ 負荷率暖房運転時は、低負荷率の効率が低い外気温度（℃） 15～20℃ 4.5-5 4-4.5 3.5-4 3-3.5 2.5-3 2-2.5 1.5-2 1-1.5 0.5-1 0-0.5 28 29 床下チャンバ床内埋め込みファンコイルサーバールーム室内機床内埋め込みファンコイル・床温度の温度上昇のため床吹出しを採用 →床吸込みによる吸込温度低減＋吹出し温度低減（凝縮温度低減）・暖房専用機のため設備設計時の容量を最適化可能～～ 30 吹出し・吸込み口の配置配置A Case1-1 配置B 部屋平均温度22.2℃ Case2-1 部屋平均温度22.7℃ 熱伝達考慮天井・床の壁面条件部屋平均温度：22.5℃ 吸込み平均温度：20.8℃ Case1-2 断熱部屋平均温度22.5℃ Case2-2 部屋平均温度22.9℃ ～～ 31 Case3-1 （吹出し温度固定） Case1-2 断面非表示解析結果比較表（水色欄は解析条件の入力値） Case3-2 （Case1-2と能力合わせ）風量断面非表示 Case3-1 Case3-2 Case1-2 吹出し温度固定 Case1-2と能力合わせ 0.04 kg/s(/箇所) 11 m3/min(/台) 吹出し温度 30℃ 29.1℃ 吸込み平均温度 25.3℃ 24.9℃ 暖房能力（顕熱のみ） 4.0kW （4台合計） 3.6kW （4台合計） 3.6kW （8吹出し口分）部屋平均温度 23.1℃ 23.0℃ 22.5℃ 床上20cm以下平均温度 19.5℃ 19.6℃ 20.7℃ 3.4℃ 32℃ 4.1℃ 20.8℃ 1.8℃ 32 ℃ 21.1 室内温度 ℃ 21.0 室内温度 ℃ 20.9 室外温度吸込温度吹出温度 ℃ ℃ ℃ -0.1 19.2 25.4 室外温度吸込温度吹出温度 ℃ ℃ ℃ -0.2 19.1 26.5 室外温度吸込温度吹出温度 ℃ ℃ ℃ 0.0 19.0 28.1 凝縮温度能力風速 ℃ kW kg/sec 28.1 0.729 0.1198 凝縮温度能力風速 ℃ kW kg/sec 32.4 0.722 0.0977 凝縮温度能力風速 ℃ kW kg/sec 35.1 0.751 0.0829 2 3 4 5 6 7 1 22.0 21.5 3 4 5 6 1 22.0 7 21.0 0.7℃ 20.5 20.0 20.1℃ 温度（℃） 20.8℃ 20.5 1.1℃ 20.0 6 7 1.3℃ 20.0 19.7℃ 19.5 19.0 18.5 18.5 18.5 110cm 170cm 5 20.5 19.0 60cm 4 20.7℃ 19.0 10cm 3 21.0 20.8℃ 19.5 19.5 2 21.5 21.5 21.0 温度（℃） 2 温度（℃） 1 22.0 室内温度 10cm 60cm 110cm 170cm 19.4℃ 10cm 60cm 110cm 170cm 32 33 ・外気温度0℃の際でも、上下温度差は1.5度未満・風量小，外気温度0℃の条件において、室温と床上10cmの温度差は1.6℃ CFD解析の1.8℃とほぼ合致した・水平方向の分布はほぼ一定熱回収なしでも下記項目による省エネ効果が得られる・凝縮温度低減（吸込温度：4℃低減、ドラフトを気にする必要性なし）・上下温度分布解消による設定温度緩和（カセット：3℃強、床下空調：1.5℃未満）・暖房に併せた容量選定による低負荷運転排除による通期での運転効率向上 34 ６．水和物スラリー蓄熱パッケージエアコンの開発 ■狙い 35 蓄熱媒体として、ＴＢＡＢを用いることにより、その水和物スラリーの特長である「流動性」と「高融点：１２℃＠40wt%水溶液」を活かした、『小型・低コスト＋省エネ』蓄熱空調システムの実現を目指す。基本構造ＴＢＡＢｽﾗﾘの流動性を利用したﾀﾞｲﾅﾐｯｸ蓄熱 TBAB融点：１２℃ 室外機熱交換器 7000 2hr 氷蓄熱ﾀﾝｸﾕﾆｯﾄﾀﾝｸﾕﾆｯﾄのみ水ｺｽﾄ＝０ TBAB蓄熱氷蓄熱増ｴﾈ＋８％同等以下 6000 ﾋﾟｰｸｼﾌﾄ TBAB蓄冷氷蓄熱（ｽﾀﾃｨｯｸ型）氷蓄熱ﾀﾝｸﾕﾆｯﾄ半減以下 TBAB蓄熱（ﾀﾞｲﾅﾐｯｸ型）室外機 TBAB溶液ﾀﾝｸﾕﾆｯﾄ室内機へﾎﾟﾝﾌﾟ流動ｽﾗﾘによる・ﾀﾝｸ構造簡素化・熱交換器小型化蓄冷ﾀﾝｸ熱交換器室内機へ消費電力量[kWh/年] ﾋﾟｰｸｼﾌﾄ氷蓄熱ﾀﾝｸﾕﾆｯﾄﾀﾝｸﾕﾆｯﾄｺｽﾄ 10hr 中温蓄冷で蓄エネロスをゼロ化夜間 5000 4000 3000 昼間 2000 1000 0 ビルマル蓄電池氷蓄熱 TBAB蓄熱 36 37 ◆消費電力16％削減 38 ７．エネルギーシミュレーション ■計算モデル計算ツール：NewHASP 39 200 134MJ/m2/年床下チャンバ暖房 400 160 吸収式 600 散水器 ▲88％ CO2濃度制御 1000 フリークーリング 800 一次消費エネルギー量（MJ/m2/年） 1200 最新型潜熱・顕熱分離空調 0 床下チャンバ暖房吸収式散水器 CO2濃度制御フリークーリング最新型潜熱・顕熱分離空調一般的事務所ビルの空調・換気消費エネルギ一次消費エネルギー量（MJ/m2/年） ■計算結果 40 200 180 ▲29％ 140 120 100 80 60 40 20 0 ■目標達成状況全体計画建築物の空調,換気に由来する一次エネルギー消費量の 80％削減個別研究項目 41 最終目標（値）空調,換気に由来する一次エネルギー消費量： 134MJ/m2/年（現状レベル比較：88％削減）最終目標（値）開発当時の技術レベル 1115MJ/m2/年（平成25年省エネルギー基準に準拠した算定・判断の方法及び解説（Ⅰ 非住宅建築物）に記載のⅥ 地域事務所ビルの基準空調エネルギー消費量）開発当時の技術レベル到達レベル空調,換気に由来する一次エネルギー消費量： 134MJ/m2/年到達レベル (1)ビル用マルチエアコンの冷媒循環によるフリークーリング運転時の設備設計手法確立年間消費電力量：▲10％運転時：▲33.4％年間消費電力量：▲0.1％ (2)低消費動力と信頼性を両立した散水器の技術開発年間消費電力量：▲3％ピーク消費電力：▲12% 年間消費電力量：▲1.5％ピーク消費電力：▲20% (3) 調湿外気処理機『DESICA』のCO2濃度による換気量制御年間消費電力量：▲20% (4)太陽熱源空冷吸収式冷凍機モジュールの開発冷熱取出し効率：70% 年間日射量冷熱取出し量：21% (5)熱回収型床下チャンバ暖房システム設備設計手法確立年間消費電力量：▲3% (6)水和物スラリー蓄熱パッケージエアコンの開発ピーク消費電力：▲10% 年間消費電力量：▲18% 冷熱取出し効率：50% 年間日射量冷熱取出し量：23% 年間消費電力量：▲11% ピーク消費電力：▲16% ３．成果、実績、展望等 42 ３．２．実績等（特許出願状況） ■Ｈ２４年度～Ｈ２５年度国内１２件出願番号名称特願2013-205695 空気調和機特願2013-272602 空気調和装置の室外機特願2013-272603 空気調和装置の室外機特願2014-031563 蓄熱ユニットおよび空気調和機特願2014-072570 二流体噴霧器及びこれを備えた空気調和装置の室外機特願2014-087622 蒸発器特願2014-091837 蓄熱タンクユニット、及び蓄熱装置特願2014-091850 蓄熱タンクユニットならびに空調システム特願2014-091853 蓄冷システムならびに空調システム特願2014-091909 空気調和機特願2014-091942 蓄熱システム及び空調システム特願2014-091943 蓄熱システム及び空調システム３．成果、実績、展望等 43 ３．３．今後の展望 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 ZEB基準の策定省ｴﾈ建築物ﾗﾍﾞﾘﾝｸﾞ制度省ｴﾈ建築物ｲﾝｾﾝﾃｨﾌﾞ省ｴﾈ改修助成事業フリークーリング実証試験機開発適用先調査散水器実証試験機開発 DESICA 本開発吸収式床下チャンバ暖房水和物スラリー蓄熱・実証試験・商用機開発発売ｺｽﾄﾀﾞｳﾝ技術開発補機動力削減技術開発実証試験機開発・実証試験・商用機開発薄型室内機設計・評価実証試験機開発・実証試験・商用機開発実証試験商用機開発発売実証試験機開発発売３．成果、実績、展望等 44 ３．４．原油換算省エネ効果 2019年 2030年国内国外国内国外指標A（効果量） 981MJ/m2/年 981MJ/m2/年 981MJ/m2/年 981MJ/m2/年指標B（導入量） 116万m2 58万m2 3388.5万m2 1698.7万m2 省エネルギー効果量（ｋＬ/年） 2.98万 1.49万 87.0万 43.5万・導入量の算出に用いるシェアはいずれも５０％を用いた・海外における導入量は、欧州のみZEBが普及するとともに 2019年、2030年も2011年同様の売上比率を国内、欧州が維持するものとした。（欧州売り上げ／国内売り上げ＝50.1％）