医薬品研究施設の省エネルギー

1
医薬品研究施設の省エネルギー
鹿島建設株式会社
和田 剛志
© KAJIMA CORPORATION 2014
研究施設を構築する上での配慮
2
1.機能
■飼育・実験環境の維持
■ハザードエリアの封じ込め
2.安全
■有害物質対策
■セキュリティー
■実験施設の冗長性
3.保守
■メンテナンス性
■フレキシビリティー・サスティナビリティー
4.環境
■環境負荷の低減
■近隣への配慮
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医薬品研究施設のエネルギー消費の特徴
3
①動物飼育室の臭気再循環対策としてのオールフレッシュ空調
②有機溶剤、特定化学物質取扱いに起因する局所排気設備
③バリア区域の清浄度確保のための大きな換気回数
④動物飲水、器具洗浄等に起因する水使用
エネルギー消費量が格段に大きい
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医薬品研究施設のエネルギー使用量試算例
4
空調熱源
29%
70%
空調ファン動力
22%
空調熱源
ポンプ動力
19%
空調設備の省エネルギーが効果的
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空調設備の省エネルギーの考え方
風空調システム
5
空調機
外気
排気
冷水供給
システム
実験室
温水供給
システム
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空調設備の省エネルギーの考え方
風発生する空調負荷
外気
6
空調機
外気負荷
排気
冷水供給
システム
温水供給
システム
壁から入る熱
室内負荷
人が発する熱
実験室 照明が発する熱
機器が発する熱
清浄度
局所排気
空調システムの能力を決める要件
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空調設備の省エネルギーの考え方
風空調機にかかる負荷
外気
7
空調機
熱・湿度の処理
空気を運ぶ動力
排気
冷水供給
システム
実験室
温水供給
システム
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空調設備の省エネルギーの考え方
風冷熱源・温熱源にかかる負荷
8
空調機
外気
排気
冷水供給
冷水を作る
エネルギー
システム
冷水を送る動力
実験室
温水を作る
温水供給
エネルギー
システム
温水を送る動力
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空調設備の省エネルギーの考え方
■ステップ1
発生する空調負荷
■ステップ2
空調機処理負荷
ファン動力
■ステップ3
熱源処理負荷
ポンプ動力
9
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10
■ステップ1
空調負荷の削減
■ステップ2
空調機の運転の効率化
■ステップ3
熱源の運転の効率化
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11
■ステップ1
空調負荷の削減
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空調負荷の削減
12
風外気負荷の削減
空調機
34℃
外気
17℃
23℃
排気
第1の省エネポイント:
せっかく空調した空気を
ただ捨てている
実験室
23℃
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空調負荷の削減
13
風外気負荷の削減
空調機
34℃
外気
17℃
23℃
排気
室内排気から
取入れ外気に
冷熱を渡せばよい
実験室
23℃
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空調負荷の削減
14
風空調排気の排熱回収
34℃
28℃
27℃
23℃
空調機
外気
17℃
排気
外気と排気の間に
熱交換器を入れて
外気取り入れ温度を下げる
実験室
23℃
空調機で冷やす負荷が減り、空調機の容量を小さくできる
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空調負荷の削減
15
風空調排気の排熱回収
空調機
外気
排気
どんな熱交換器をいれる?
【考えること】
・臭気のリーク
・ハザード物質のリーク
・熱交換の効率(省エネ度)
・イニシャルコスト
実験室
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空調負荷の削減
16
風熱交換器の適切な選定
アルミニウムローター
夏期噴霧水管
冬期噴霧水管
夏期噴霧水管
冬期噴霧水管
EA側
OA側
OA側
OA側
OA
OA
EA
EA
EA側
EA側
熱交換部
ヒートパイプ
熱交換部
リーク防止仕切部
・回転式全熱交換器である。
・ローター部分はアルミニウム製で、その
上を吸湿剤の膜で表面処理している。
・ローターの排気側から給気側へ移行す
る仕切部は排気がリークしにくい構造と
なっている。
・通気抵抗が小さい。
・通気抵抗が小さいため、ファンの搬送動
力が低減できる。
・ローターがアルミニウム製であり、洗浄
が可能である。
・熱交換効率が70~80%とかなり高く、省
エネ効果が大きい。
・静止型に比べ機器設置スペースが小さ
い。
・静止型に比べ排気の給気へのリーク量
が大きいため、給気の臭気対策が必要
となる。(活性炭フィルター等)
・機器運転時に動力が必要となる。
回転式
効率 70%程度
リーク あり
コスト ◎
コンベ
・顕熱交換器に水噴霧装置を設置し、冷
房時は排気側、暖房時は給気側に水を
噴霧しその蒸発潜熱を利用することで
全熱交換を行う。
・基本的に顕熱交換器と同様の構造であ
るため、給気への排気のリークは極め
て少ない構造であるが皆無ではない。
・全熱交換器でありながら、排気の給気
へのリークが極めて少ないため動物室
空調には有利である。
・熱交換効率50~60%
・顕熱交換器に水噴霧装置を設置し、冷
房時は排気側、暖房時は給気側に水を
噴霧しその蒸発潜熱を利用することで
全熱交換を行う。
・基本的に顕熱交換器と同様の構造であ
るため、給気への排気のリークはない。
静止型
静止型
(固定エレメント) (ブラインコイル)
効率 50%程度
リーク ほぼゼロ
・機器運転時に水噴霧のための動力及び
給水が必要となる。
・機器運転によるエネルギー使用が熱交
換による回収エネルギーを上回る場合
には水噴霧を止めるため、顕熱交換器
となる。
・全熱交換器でありながら、排気の給気
へのリークが極めて少ないため動物室
空調には有利である。
・ヒートパイプを利用した顕熱交換器であ
る。
・顕熱交換器であるため給気と排気の混
合は極めて少ない。
・ヒートパイプと伝熱フィンとケーシングだ
けの簡単な構造であり、圧力損失が小
さい。
・排気の給気へのリークを嫌う場合には
有効なシステムである。
・構造が簡単で機械的故障がない。
・それぞれのヒートパイプは独立しており
1本のみ破損した場合には、それだけを
交換することで対応可能。
・機器運転に動力が必要ない。
静止型
(ヒートパイプ)
効率 40%程度 効率 40%程度
リーク ゼロ
・熱交換効率が35~45%と低い。
コスト ○
コスト △
SPF・コンベ
ハザード施設
リーク ほぼゼロ
・全熱交換器に比べ熱交換効率が低い。
(顕熱の約60%、全熱では約40%)
・ヒートパイプを縦設置にした場合には熱
交換効率が落ちる。
・空調機組み込みの際、空調機側の調
整が必要となる。
・大風量対応が困難である。
コスト △
SPF・コンベ
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空調負荷の削減
17
風室内換気回数の低減
空調機
外気
排気
第2の省エネポイント:
飼育室の換気回数が大きい
飼育室
15回/h換気
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空調負荷の削減
18
風室内換気回数の低減
空調機
外気
排気
多大な換気回数が必要な理由
【原因】
・動物の発熱、発湿の処理
・アレルゲン・臭気源の除去
・清浄度の確保
動物の発熱・発湿
飼育室
アレルゲン拡散
動物の臭気源拡散
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空調負荷の削減
19
風室内換気回数の低減
空調機
外気
排気
発生源を封じ込め、
局所的に排気し、
室内に開放させなければよい
動物
生活
環境
実験室
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空調運転の効率化
20
風室内換気回数の低減
従来のオープンラック
・室内に動物生活環境が曝露する
・発熱、発湿、臭気、アレルゲンは拡散
・飼育環境は多大な空調換気で維持
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空調運転の効率化
21
風室内換気回数の低減
IVC(個別換気ケージ)ラック
・室内に動物環境が曝露しない
・ケージごとにバリアを形成
・動物の発熱、発湿、臭気、アレルゲン
が室内に拡散しない
・少ない給排気風量で飼育ケージ内の
飼育環境が向上
・省スペースでの飼育が可能
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空調運転の効率化
22
風室内換気回数の低減
オープンラック
IVCラック
室容積の縮小
空調風量の減
IVCラック方式では室面積の低減を図れる可能性あり
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空調運転の効率化
23
風IVC採用による室内換気回数の低減
従来のオープンラック方式
IVC(個別換気ケージ)ラック方式
PIC
P
PCD
CAV
INV
H
C
PH
C
C
C
PCD
OA
CAV
PIC
P
INV
PCD
P
EA
CAV
空調換気回数
室容積×15回~18回/h
PCD
CAV
INV
H
C
PH
C
C
C
PCD
OA
CAV
P
INV
PCD
EA
CAV
空調換気回数
室容積×6~12回/h
室内換気回数・風量を減らすことが可能
空調機の容量を小さくできる
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空調負荷の削減
24
風除湿負荷の低減
空調機
除湿する必要
のある空気
外気
第3の省エネポイント:
除湿しなくてもいい
空気を除湿している
排気
外気と室還気を
混ぜてから除湿
室からの還気
発湿のない実験室
除湿しなくても
いい空気
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空調負荷の削減
25
風除湿負荷の低減
除湿をしなければ
この分お得
空調機の入口温度
室内温度の維持に
必要な温度
過冷却
除湿に必要な温度
再熱
除湿をする場合
過冷却
なし 再熱
なし
除湿をしない場合
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空調負荷の削減
26
風除湿負荷の低減
全体で除湿する場合
室内還気
外気
外気のみ除湿する場合
室内還気
外気
外気のみ過冷却除湿
混ぜる
過冷却除湿
再熱
混ぜる
冷却のみ
外気だけを分けて除湿すれば室内還気を除湿しなくてよい
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空調負荷の削減
27
風除湿負荷の低減
空調機
除湿する必要
のある空気
外気
外気だけを除湿できる
冷水コイルを入れる。
室からの還気
発湿のない実験室
排気
除湿しなくても
いい空気
空調機で冷やす負荷が減り、空調機の容量を小さくできる
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28
■ステップ1
空調負荷の削減
■ステップ2
空調機の運転の効率化
■ステップ3
熱源の運転の効率化
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29
■ステップ2
空調機の運転の効率化
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空調運転の効率化
30
風冷却負荷と加熱負荷の相殺
蒸気→
外気を温める空調機
PH
C
H
C
C
C
外気を温める
ボイラ
PH
C
H
C
C
C
PH
C
H
C
C
C
冷凍機
空気を冷やす
冷凍機
PH
C
H
C
C
C
冷水→
第4の省エネポイント:
冬場に冷却負荷と加熱負荷を
相殺できる場合がある
室内を冷やす空調機
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空調運転の効率化
31
風冷却負荷と加熱負荷の相殺
23℃
室内空気
15℃
12℃
冷水は空気を冷やすものと
思いがちだが・・・
冷水
7℃
空調機
5℃
0℃ 外気
空調機
冬期の外気温度は冷水より低いので
冷水で外気を温めることができる
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空調運転の効率化
32
風冷却負荷と加熱負荷の相殺
冷やすもの:
23℃の空気
室内を
冷房している
空調機
通常の場合
⊿5℃冷やす
12℃
冷水供給
システム
7℃
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空調運転の効率化
33
丸冷却負荷と加熱負荷の相殺
温めるもの:
0℃の空気
外気を
暖房している
空調機
12℃
冷やすもの:
23℃の空気
室内を
冷房している
空調機
⊿4℃冷やせばよい
11℃
冷水供給
システム
7℃
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空調運転の効率化
34
丸冷却負荷と加熱負荷の相殺
蒸気→
外気を温める空調機
外気は温まる
0℃
ボイラー負荷削減
ボイラ
PH
C
H
C
C
C
5℃
12℃
11℃
冷水は冷える
冷凍機負荷削減
PH
C
H
C
C
C
PH
C
H
C
C
C
PH
C
H
C
C
C
12℃
冷水は
温まる
冷凍機
冷凍機
冷水→
7℃
室内を冷やす空調機
冷却負荷と加熱負荷が相殺される
より少ないエネルギーで冷凍機やボイラーを運転可能
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空調運転の効率化
35
風空調運転の省風量化
PIC
P
INV
H
C
PH
C
C
C
PCD
EA
INV
CAV
CAV
PCD
P
OA
CAV
PCD
100%
100%
100%
飼育室
実験室
実験室
第5の省エネポイント:
夜間も使っていない部屋もずっと100%風量で運転している
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空調運転の効率化
36
風空調運転の省風量化
操業時
非操業時
PIC
P
PCD
INV
CAV
100%
H
C
PH
C
C
C
PCD
OA
CAV
100%
PIC
P
INV
PCD
EA
CAV
100%
P
PCD
INV
CAV
100%
H
C
PH
C
C
C
PCD
OA
P
EA
INV
発熱がない
発塵がない
CAV
60%
PCD
CAV
60%
夜間の人のいない実験室、使っていない飼育室
風量を絞って運転しても環境制御は十分可能
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空調運転の効率化
37
風非操業モード切替制御
吐出圧一定でファンの回転数を制御
PIC
P
各室の排気ダクトに
室圧制御装置を設置
INV
H
C
PH
C
C
C
CAV
PCD
P
OA
CAV
PCD
EA
INV
CAV
PCD
100%
60%
60%
飼育室
実験室
実験室
各室の給気ダクトに
風量制御装置を設置
(風量の切替可能)
夜間は
風量を絞る
より少ない電力でファンの運転ができる
より少ない電力、燃料で熱源システムを運転できる
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空調運転の効率化
38
風非操業モード切替制御・・・風量ファンインバータ制御
風量を一定に制御
60%
実験室
60%
実験室
空調系統全体の風量を絞れる場合
ファンを送風量でインバータ制御するのが更に省エネ
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空調運転の効率化
39
●風量ファンインバータ制御
ファンの風量-圧力線図
100%風量
【空調機吐出圧での制御】
・非操業時に風量だけを絞る
吐出圧制御60%
風量制御60%
【空調機吹き出し風量での制御】
・非操業時に風量と吐出圧の
両方を絞る
回転数小
風量インバータ制御の方が
ファンの回転数が低い
さらに少ない電力で
ファンの運転が可能
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空調運転の効率化
40
決ヒュームフードのある実験室の省風量化
給気ダクト
排気ダクト
ヒュームフード
【考えること】
とはいえ、
研究者の快適性
安全性の確保は
最優先
第6の省エネポイント:
ヒュームフードや安全キャビネットが多数あり
換気風量が大きい
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空調運転の効率化
41
丸実験室の安全性の確保
①発生源で漏らさない
給気ダクト
排気ダクト
ヒュームフード
③室の外に漏らさない
②室内を十分換気する
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空調運転の効率化
42
■発生源での対策
一般のヒュームフード
屋外に排気
微風速ヒュームフード
屋外に排気
ダクトレスヒュームフード
室内に排気
補助気流
(ないものもある)
開口面風速
0.4m/秒以上
開口面風速
0.2m/秒以上
開口面風速の
規定はなし
局所排気ダクトで
屋外排気
局所排気ダクトで
屋外排気
フィルターで除去
室内排気
小風量で封じ込め性能の高い局所排気設備を選定する
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空調運転の効率化
43
■発生源での対策
排気風量を制御
【通常のヒュームフード】
サッシュを上下しても
一定風量(半開時の必要風量)で排気
面風速が上がりすぎると封じ込め性能
が落ちたり、紙類の飛び等の問題あり
サッシュ
開口部の面風速一定に
排気風量を制御する
サッシュを締めているとき
少ない風量で運転できる
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空調運転の効率化
44
■発生源での対策
給気20~90
排気30~100
廊下からの
気流方向
パス10
(固定)
廊下
実験室
実験室
最低6回/h換気
ヒュームフードの必要排気風量に応じ、給気風量を同時に絞る
実験室全体の最低換気回数、廊下に対しての封じ込めは常時確保
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空調運転の効率化
45
■ヒュームフードの排気風量制御
・定風量方式
900
・2段階風量
切替方式
1000
・変風量方式
500or1000
100~900
400or900
廊下
実験室
ドラフト
廊下
100
ドラフト
廊下
100
EA
OA
風
量
実験室
サッシュ開度
省エネにならない
200~1000
実験室
ドラフト
100
EA
OA
風
量
サッシュ開度
風
量
EA
OA
サッシュ開度
省エネにならない
変風量方式は無駄な空調機・ファン運転がなく、電力が削減できる
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空調運転の効率化
46
風実験室の給排気風量制御
同時稼働率を
見込んだサイズ
たくさんのヒュームフードがつながれば、同時稼働率も見込める
省エネだけでなく、空調機、排気ファンを小さくできる
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空調運転の効率化
47
風実験室の給排気風量制御
・人感センサー①
せっかくのシステムも・・・
サッシュが
開いていたら
意味がない
人不在でサッシュが
開いている時に警報を鳴らす
・人感センサー②
人不在でサッシュが
開いている時に
サッシュをオートクローズ
ヒュームフードのサッシュの無駄な開放を防止する方法が必要
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空調運転の効率化
48
風実験室の給排気風量制御
ドラフトチャンバー
管理システム
ドラフト風量制御用
VAVダンパー
給排気システム全体を外部から監視することもできる
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空調運転の効率化
49
風実験居室の空調運転の効率化
ON
ON
ON
ON
在席
不在
第7の省エネポイント:
人がいないときもエアコンが動いている
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空調運転の効率化
50
風実験居室の空調運転の効率化
ON
ON
ON
OFF
在席
不在
【アンビエント用エアコン】
人不在でも発生する
熱負荷を処理する
【タスク用エアコン】
在席時のみ発生する
熱負荷を処理する
人がいない時はタスク用エアコンを人感センサーでOFFする
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51
■ステップ1
空調負荷の削減
■ステップ2
空調機の運転の効率化
■ステップ3
熱源の運転の効率化
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52
■ステップ3
熱源の運転の効率化
© KAJIMA CORPORATION 2014
熱源運転の効率化
風ポンプの動力削減
53
空調機
第8の省エネポイント:
冷水や温水を送るポンプが
大量の水を送っている
冷水供給
システム
温水供給
システム
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熱源運転の効率化
54
空調機
風ポンプの動力削減
通常の熱源システム
冷水・温水の行き還り温度は5℃差
冷水供給
システム
温水供給
システム
7℃
12℃
50℃
45℃
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熱源運転の効率化
55
空調機
風ポンプの動力削減
大温度差送水システム
5℃差⇒8℃差にすれば
5/8の水量で同じ熱量を送れる
7℃
冷水供給
システム
温水供給
システム
15℃
53℃
45℃
ポンプのサイズは小さくでき、少ない電力でポンプの運転が可能
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熱源運転の効率化
56
風ポンプの動力削減
空調機
外気温湿度
が変動
冷水供給
システム
温水供給
システム
排気
室内の発熱
が変動
第9の省エネポイント:
いつも空調機は同じ量の冷水温水を必要としているわけではない
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熱源運転の効率化
57
風ポンプの動力削減
外気
空調機
ポンプをインバータ
で制御
排気
INV
冷水供給
システム
INV
空調室
温水供給
システム
必要な流量に応じてポンプの回転数を減らして電力削減
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熱源運転の効率化
58
風高効率熱源の採用
冷水供給
システム
冷却塔
INV
CW
CWR
INV
冷凍機
空調機
INV
INV
冷凍機
INV
INV
冷凍機
INV
INV
冷凍機
冷水供給
INV
システム
第10の省エネポイント:
冷凍機はどんどん進化している
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熱源運転の効率化
59
風高効率熱源の採用
冷水供給
システム
冷却塔
INV
CW
CWR
INV
冷凍機
INV
INV
冷凍機
INV
空調機
ターボ冷凍機は
10年前の1.5倍の効率アップ
INV
冷凍機
INV
INV
冷凍機
冷水供給
INV
システム
冷凍機を入れ替えるだけでも省エネになる
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熱源運転の効率化
60
風フリークーリングによる冷水供給
寒いところでは・・・
冷却塔だけで
冷水製造
冷凍機は
補助熱源
冬期に冷凍機を使用せず、
冷却塔で外気冷却するだけで冷水を作れる・・・電力削減
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熱源運転の効率化
61
風高温排水の排熱利用
洗浄機排水
オートクレーブ
排水
高温排水
高温排水
排水タンク
排水
ただ捨てている
第11の省エネポイント:
大量の高温排水を
ただ捨てている
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熱源運転の効率化
62
風高温排水の排熱利用
空調機
オートクレーブ
排水
洗浄機排水
高温排水
高温排水
排水タンク
70℃
排水
温水供給
システム
50℃
47℃
45℃
空調温水の予熱に排水の排熱を利用する
温水供給システムに使用する燃料が節約できる
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熱源運転の効率化
63
風再生可能エネルギーの利用
太陽光・太陽熱
第12の省エネポイント:
再生可能なエネルギー
を利用する
地熱・地中熱
伏流水
河川水
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熱源運転の効率化
64
風再生可能エネルギーの利用
ReHP®(再生可能エネルギー利用の空調・給湯システム)
地中熱、太陽熱等の再生可能エネルギーを利用し、空調、給湯設備に必要な熱を供給
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65
■番外編
その他設備の省エネルギー
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その他の設備の省エネルギー
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●動物飲水ブロー水の再利用
自動給水の動物飲水システム
飼育ラック
飼育ラック
飼育ラック
飼育ラック
流し
ブロー水は全て排水
流し
雑用水として
再利用
流しに捨てていた動物飲水のブロー水を
トイレ洗浄水、屋外散水等として再利用
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その他の設備の省エネルギー
●初期照度補正照明
従来
一般照明器具
提案
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●人感センサ点滅照明
初期照度補正機能付
照明器具
初期出力:100%
初期出力:70%
初期照度:700Lx(机上面)
初期照度:500Lx(机上面)
信号 →
人感センサー
人を検知
照明器具
点灯
トイレ
過剰な明るさ
階段
●人感センサーで人不在時は消灯
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省エネルギーの評価
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●医薬品施設 CO2削減簡易計算ツール
簡単な基本情報の入力と省エネ項目の選択で省エネ効果をすぐに計算
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医薬品実験施設の省エネルギー
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研究施設の省エネルギーの要点
①必要な実験環境、安全な作業環境を守ることが最優先
②空調設備の省エネルギーを図るのが効果的
③優先度に合わせて適切な方法を選定することが重要
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おわり
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