── 実施例 ── ZEB実現に向けた再生可能エネルギーの高効率利用三建設備工業㈱　技術本部技術企画部　桑　原　亮　一 ■キーワード／ ZEB・再生可能エネルギー・潜熱顕熱分離空調・放射パネル・デシカントユニット１．はじめに２．建物・設備概要三建設備工業つくばみらい技術センターは，ゼロエネ２－１　建築概要ルギービル（ZEB）をめざして改修工事を行い，2010年１本建物（1992年竣工，写真－１）の概要を表－１に示す。月より運用を開始した。2010年度は導入した天井放射空 ZEB検証の対象は，2010年度までは常時利用エリアの２調システムや改修初年度の運転実績などに関する実測を階事務室・アトリウムの318㎡とし，2013年度は建物全行った。2011年度は，再生可能エネルギーのさらなる利体の2,258㎡に拡張して行った。用をはかるため，新たに太陽熱利用システムを導入した。２－２　設備概要また，快適性の維持と省エネルギーを両立する潜熱顕熱 ◆熱源設備分離空調の改善を実施した。2012年度は建物全体のZEB ・地下水利用水熱源チラー　30kW 化を目的に太陽光発電パネルを全体で40kWに増設し・平板型太陽熱集熱器　56㎡（蓄熱槽3.3㎥）た。2013年度は，これらの空調システムのチューニング・空気熱源ヒートポンプチラー　85kW（実験用）や運用改善を実施，検証を行い，建物全体のZEBを達成した。本報では，これまでに導入した主な要素技術について紹介するとともに，再生可能エネルギーの効率的利用に表－１　建物概要表−１建物概要主用所在敷地面建築面おけるエネルギー収支の測定結果を示し，本建物のZEB 実現について報告する。床面積途地積積３階２階１階延床面積研究所城県つくばみらい市絹の台 4,123㎡ 1,101㎡ 533㎡ 667㎡（常時利用エリア318㎡） 1,058㎡ 2,258㎡表３−７−１写真－１　つくばみらい技術センター外観（南東側）ヒートポンプとその応用　2014．11．No.88 ─ 30 ─ ── 実施例 ── 太陽光発電パネル太陽熱集熱器太陽光発電10kW 10kW→40kW BCP対応再生可能エネルギー放射パネル昼光利用アトリウム自然通風実験室外断熱実験室恒温恒湿室太陽熱利用共用部 LED BEMS 放射パネル PAC 事務室照明制御タスクアンビエントデシカント CO2制御個別センサ PMV制御見える化予冷・加熱サーバ移設床放射低エクセルギー地下水直接利用ファン放射パネル冷温水ポンプINV化潜熱顕熱分離空調システム太陽光発電連系蓄熱槽利用潜熱・顕熱分離空調：2012年度実施水冷チラーアモルファス変圧器 HP 地中熱利用電気設備出力制御ゾーン制御潜熱処理システムデシカント除湿器高効率照明昼光利用，屋外照度連動制御 LED照明アモルファス変圧器還元井揚水井最適制御：2011年度までに実施ピットの有効利用 PMV制御汎用除湿高効率機器・搬送機器のINV化空冷会議室アルミ顕熱交換器潜熱処理システム PMV制御通年利用エコサイン放射パネル潜熱処理ユニット電気室蓄熱槽最適制御太陽熱自然換気出力制御外気高断熱複層ガラス PAC 太陽光発電40kW BCP 地中熱利用建築外断熱・Low−Eペアガラス図－１　導入した要素技術 2009 2010 2011 2012 2013 2014（年）図－２　主要技術の導入年図３−７−１ ◆空調設備図３−７−２太陽熱集熱器 56㎡・高効率放射空調システム＋PMV制御再生可能エネルギーの利用用途地下水直接利用水冷チラーの高効率運転太陽熱集熱器高効率放射空調デシカント空調機，外調機の予冷２次側給湯集熱恒温恒湿室の再熱コイル他ポンプ自然換気，昼光利用など・デシカントコイル除湿システム熱源・顕熱交換器＋汎用PAC外気処理システム蓄熱・BEMS＋見える化モニタ放熱 ◆電気設備蓄熱槽（落水槽）放熱用温水１次ポンプ・受電6,600V，アモルファス変圧器50kVA，100kVA 放熱用温水２次ポンプ HEX ・フル２線式Hf照明（事務室），共用部・誘導灯LED ユーティリティ・太陽光発電　40kW 給湯恒温恒湿室（再熱コイル）３．ZEB要素技術の概要と変遷デシカント空調機図－１に導入した要素技術を，図－２に主要技術の導外調機予冷入年および改善・改修内容を示す。床放射（アトリウム／ラウンジ）床放射HP （Back up）３－１　再生可能エネルギー天井放射（２階研究室）太陽光発電パネルは，2009年度に単結晶型太陽光発電天井放射（１階会議室）パネルを10kW設置し，2012年度は屋上および南側壁面ストレージタンクに30kW増設し，合計で40kW設置した。年間の想定発冷温水２次ポンプ外部蓄熱槽電量は約46,200kWとし，建物全体の消費電力量とほぼ同等となるように計画した。 HEX 冷水チラー蒸発器凝縮器地中熱利用は還元井方式とし，年間約16℃の地下水を熱源水として放射パネルに利用する。放射パネルは定常時に冷水温度が約20℃，温水温度が30℃と常温に近い低熱源水ポンプエクセルギーの冷温水利用が可能なため，熱源を稼働す冷温水１次ポンプ HEX 地下水熱交換器水熱源系熱交換器 HEX る場合でも高効率で運転することができる。冷房時に放射揚水ポンプ揚水井パネルへ供給する冷水は，地下水を揚水井からくみ上げて還元井熱交換器経由で利用する。負荷が大きい時は，地下水を図－３　冷房時の熱源システムフローカスケード利用した熱源水にて水熱源チラーを運転し冷水図３−７−３を製造する。暖房時は，太陽熱集熱器から温水を供給する。できる。また，蓄熱槽を利用することにより，休日など太陽熱集熱器からの供給熱量が不足する場合は，地下水に太陽熱の余剰熱を蓄熱し，週明けの負荷に対応可能なから採熱した水を水熱源チラーの蒸発器側に流すことによシステムとした。また，冷房時は潜熱処理システムであり凝縮器側で温水を製造し，暖房用熱源水として利用する。るデシカントユニットや給湯用の温熱源にも供給し，通 2013年度から独自開発の省エネ制御プログラムによる水年で太陽熱を有効に利用できるシステムとした。熱源チラーの最適運転制御を実施している（図－３）。中間期の自然換気は，２層吹き抜けのハイサイドライ太陽熱集熱器は，ピーク時の暖房負荷１日分（約183kW）トを有するアトリウムを利用して行う。2013年度からは，が賄えるように2011年度に屋上に設置した。設置角度を BEMSを利用して居住者のPCにエコサインを掲示する 60°とすることにより，冬期の集熱量を増加することがことで窓開閉を促し，年間で66日間の窓開閉を実施した。 ─ 31 ─ ヒートポンプとその応用　2014． 11． No.88 ── 実施例 ── 顕熱処理再生可能エネルギー利用熱源 HST 冷暖切替 HEX HEX バックアップ用システム放熱用温水１次ポンプ HM 給気放熱用温水２次ポンプ冷温水冷温水２次ポンプ１次ポンプ HP 揚水井揚水ポンプ潜熱処理還気 AHEX DC PAC 外気 AHU コイル利用（予冷／加熱）熱源水ポンプ天井放射パネル HP：水冷チラー HEX：熱交換器 HST：太陽熱蓄熱槽 AHU：外調機 AHEX：顕熱交換器 PAC：空気熱源ヒートポンプエアコン HM：滴下浸透気化式加湿器 DC：デシカントコイルシステム HEX 還元井排気給気図－４　再生可能エネルギーを利用した潜熱顕熱分離空調システムフロー図３−７−４３－２　空調システム再生可能エネルギーを最大限に活用する潜熱顕熱分離顕熱処理は，改修当初より地中熱利用の天井放射空調システムを導入し，制御方法の検証を行ってきた。検証よる居住者の在／不在検知によりゾーン制御を導入した。潜熱処理システムは，汎用潜熱処理システムの運用検証を行いシステムの変更と改良を実施し，2013年度から〜20℃）を利用したコンプレッサーレスのデシカントコイルシステム（以降DCS）を開発した。図－５に潜熱顕熱分離空調システム運用時の常時利用エリアの室内温熱環境の経時変化を示す。外気温度は21 給気絶対湿度潜熱処理：デシカント 10 0 太陽光発電量 51kWh/日空調消費電力量 36kWh/日エネルギー収支ＰＭＶ再生熱源に太陽熱温水（50〜55℃），冷却熱源に地下水（16 パネル表面温度（％）送水温度 100 室内湿度 50 顕熱処理：放射環境，室内温湿度，外気温度 0 （g/kg ） 20 給気温度室内温度 MRT 電力量放射パネルの制御は，PMV制御と併用して，人感センサに外気温度絶対湿度変とする制御システムを開発した。また，2013年度から温度の結果，2012年度から天井放射パネルの表面温度を含む PMVを制御対象として，天井放射パネルの表面温度を可空調運転相対湿度潜熱顕熱分離空調のシステムフローを示す。温度空調による省エネルギーシステムを導入した。図－４に（℃） 40 35 30 25 20 15 10 5 0 （℃）30 25 20 15 10 （kWh）10 8 6 4 2 0 （−）2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 PMV ※着衣量0.45clo，代謝量1.1met 快適性０２４６８ 10 12 14 16 18 20 22 24（h）時刻図－５　室内温熱環境とエネルギー収支〜32℃であり，PMV設定値は＋0.5である。空調運転時図３−７−５のDCSからの供給空気の平均値は，給気温度24.7℃，給明の配置を変更した。また，放射空調と同様に在／不在気絶対湿度が7.8g/kg’となる。９時30分に天井放射パネ検知による点灯／消灯や屋外照度と連動した室内照明制ルの送水温度は約19℃，表面温度は約21℃となり，PMV 御を実施した。加えて，主な共用部の照明をLED化しは＋0.5となる。その後，負荷に合わせて送水温度は緩照明電力量の削減を実施することで，大幅な省エネルやかに上昇する。日中の室内温度は約27.7℃，MRTはギー化をはかった。約26.7℃，相対湿度は約48％でほぼ一定となり，PMVはまた，既存受変電設備を現状の設備負荷に見合った適＋0.5を維持している。この日の常時利用エリアの空調正変圧器容量に見直し，受変電設備機器の高効率化をは消費電力量は36kWh/日，太陽光発電量は51kWhとなり，かった。変圧器は最新式のアモルファス変圧器を導入し太陽光発電量が上回る。負荷損失，無負荷損失を低減した。改修前の変圧器は，３－３　照明・電気設備単相100kVA×２台，３相200kVA×２台に対して，改２階事務室は高効率Hf照明を設置し，改修当初の照修後は単相50kVA，３相100kVAの各１台とした。度設定は室内均一に700Lxとなるように設定した。2012 ３－４　建築年度は，さらなる省エネルギーとして，照度センサの設 ZEB化を達成するための手法として，冷暖房負荷の削定値の見直しを実施した。常時使用している事務所のタ減が重要となる。本建物は2009年度のリニューアル開始スクエリアの机上面照度を500Lx以上，その他のアンビ時に外断熱およびLow－Eペアガラスを採用し，31％のエントエリアの照度は300Lx以上となるように，天井照負荷削減をはかった。ヒートポンプとその応用　2014．11．No.88 ─ 32 ─ ── 実施例 ── ︵発電量︶電力量︵消費量︶（kWh/月）2,000 冷房暖房 3,970kWh 6,140kWh 1,000 冷房暖房6,040kWh 3,360kWh コンセント冷房 3,640kWh 空調暖房 4,640kWh 暖房 4,300kWh 冷房 3,040kWh 照明 0 1,000 太陽光発電 2,000 2010年度 2011年度 2012年度 2013年度 4 5 6 ７８ 9 10 11 12 １２３ 4 5 6 ７８ 9 10 11 12 １２３ 4 5 6 ７８ 9 10 11 12 １２３ 4 5 6 ７８ 9 10 11 12 １２３（月）図－６　常時利用エリアの月別エネルギー収支図３−７−６（MJ/㎡・年）500 ４．年間消費エネルギー図－６に2010年度〜2013年度における常時利用エリアの消費電力量（空調・照明・コンセント）と太陽光発電量（10kW）の実測結果を示す。７〜９月の冷房期間の消費電力量は，3,970kWh （2010年度），3,360kWh （2011年度）， 385 400 300 しており，各年度とも期間中の太陽光発電量よりも少な 321 照明 0 い。また， 12〜３月の暖房期間の消費電力量は， 6,140kWh 382 200 100 3,640kWh （2012年度），3,040kWh （2013年度）と年々減少空調コンセント１次換算エネルギー４－１　年間エネルギー収支 471 2010 2011 2012 2013（年）図－７　常時利用エリアの年間１次エネルギー換算（2010年度），6,040kWh （2011年度），4,640kWh （2012年度），図３−７−７（kWh/月）8,000 なる。中間期は自然通風利用の積極的な導入により，太陽 7,000 光発電量と比較して消費電力量が少ない。2013年度の照 6,000 明，コンセントを含めた年間の消費電力量は10,240kWh/年 5,000 電力量 4,300kWh （2013年度）と2013年度が最も少ない運用結果とであるのに対して，太陽光発電量は15,190kWh/年と消費太陽電池発電量全館消費電力量 4,000 3,000 電力量の方が少ない。2011年度以降，継続的に常時利用 2,000 エリアのZEB化が実現できていることが確認できる。 1,000 ４－２　１次エネルギー換算 0 図－７に2010年度〜2013年度の常時利用エリアの空調・照明・コンセントの単位面積当たりの１次エネル４５６７８９ 10 11 12 １２３（月）図－８　建物全体のエネルギー収支（2013年度）ギー換算値を示す。2010年度は471MJ/㎡・年，2011年図３−７−８は385MJ/ ㎡・年，2012年は382MJ/ ㎡・年，2013年はとなり，消費電力量の約1.8倍発電している。年間消費 321MJ/㎡・年と，一般の事務所ビルの１次エネルギー電力量は48,180kWh，年間発電量は55,450kWhと消費電換算値と比較して，大幅な省エネルギーを実現した。力量の方が少なく，建物全体でのZEBを確認した。 2010年度と比較し2013年度は32％減となる。2013年度の１次エネルギー換算値の内訳は，空調が2012年度とほぼ５．おわりに同等の188MJ/㎡・年，照明が33MJ/㎡・年，コンセン本建物は地下水，太陽熱という再生可能エネルギーをトが100MJ/㎡・年となる。前年度と比較して，照明器最大限に活用し，効率的な空調システムを構築し，不足具の配置見直しと屋外照度や人感センサを利用した照明するエネルギーを太陽光発電で賄うというコンセプトの制御による削減効果が大きく，前年比40％減となる。もとにリニューアルに取り組んだ結果，ZEBを実現した。４－３　建物全体のエネルギー収支建物規模に対する執務スペースが比較的小規模な施設で図－８に太陽光発電パネルを増設した後の2013年度のはあるが，リニューアルによるZEBの実現は，低炭素化太陽光発電量と建物全体のエネルギー消費量を示す。10 社会に向けての発信という意味からも大きな成果と考え月を除き太陽光発電量は4,000kWh以上の発電をしておている。り，季節によらず安定した出力を維持している。５月には6,140kWhと最も高い発電量を示す。一方，自然換気の活用などにより消費電力量は，５月が最小で3,430kWh ＜参考文献＞ 1）桑原：三建設備工業つくばみらい技術センターゼロエネルギービルの年間運転実績，ヒートポンプとその応用，2011.10.No.82 ─ 33 ─ ヒートポンプとその応用　2014． 11． No.88