◆原単位、「熱負荷原単位」に関する考察


 省エネ法のところでも出てきましたが、「原単位」とは、ここでは「ある単位当りのエネルギー消費量」のことです。建物の場合「ある単位」は「床面積(延べ床面積)」が一般的です。工場の場合は「生産量」となります。

・エネルギー消費原単位
 建物の場合、その建物で使用する電気、ガス等のエネルギー消費量と延べ床面積は比例関係にあります。
 そこで、エネルギー消費量を延べ床面積で除した値を「エネルギー消費(量)原単位」と呼び、他の建物と比較して、エネルギー多消費の建物か、省エネルギーな建物か、を判断する際に使います。工場では、その工場から出荷する製品の量または金額とエネルギー消費量が比例します。
 電力の使用量は「kWh」、ガスの消費量は「m3」で計測します。このままでは足せないので、「エネルギー換算」を行います。
 電力は、ニクロム線で熱に変換すると、1kWh当り3600MJの熱に変わります。一方、電力を作るには、水力、火力、原子力等で異なりますが、日本の平均値として省エネルギー法では1kWh当り9760MJの燃料を使用するものとしています。
 電力を作る側を1次側、電力を消費する側を2次側と呼び、9760MJ/kWh1次エネルギー換算値、3600MJ/kWh2次エネルギー換算値と呼びます。
  (3600÷97600.369 36.9%は発電所効率と送電ロスを考慮した「需要端発電効率」)
 都市ガス(東京ガス)は、燃焼させると45MJの熱を発生します。都市ガスの主成分はメタン(CH4)のため、燃焼に伴い水も生成され、水は蒸発して水蒸気の状態になります。45MJのうち、1割程度は水を蒸発させるために使われてしまい、煙突から捨てられていました。最近はこの蒸発潜熱を回収する「潜熱回収ボイラ」という技術が家庭用にも普及してきました。
 都市ガスを燃焼させたときに出てくる全ての熱量(45MJ/m3)を「高位発熱量」。これまで使えなかった分を除いた熱量(40.6MJ/m3)を「低位発熱量」と称します。
 LPGA重油、灯油にも、各々「高位発熱量」と「低位発熱量」があります。

・熱負荷原単位
 建物の「冷房負荷」「暖房負荷」「給湯負荷」等を現した「原単位」です。「冷房負荷」を「冷熱負荷」、「暖房負荷」「給湯負荷」を「温熱負荷」とも言い、それらをまとめて「熱負荷」と呼びます。
 1980年代くらいまでは、冷房は電動冷凍機で対応し、温熱には油炊きボイラ等で対応することが普通でした。そのため、電力の消費量を見ると、6月から9月までの電力消費量が多く、その他の月の消費量はほぼ同じであることが多くみられました。そこでその他の月の平均値等と6月から9月の値との差を「冷房用電力量」と考えて、年間の冷房用のエネルギー消費量を推定しました。
 当時の電動冷凍機の効率(COP)は「3.0前後」だったため、「冷房用電力量」を「一次エネルギー」換算した「冷房用エネルギー消費量」(2450Mcal/kWh÷860Mcal/kWh2.85:当時の一次エネルギー換算値は現在と異なりました。熱量もcalでした。)は、ほぼ「冷熱負荷」となったことや、「冷熱負荷」を「熱量計」で計測している建物は皆無に等しい状態だったこともあり、「冷房用エネルギー消費量」≒「冷熱負荷」と扱われました。
 温熱に関しても同様に、「温熱用エネルギー消費量」≒「温熱負荷」と扱われました。
 エネルギー消費量」と「熱負荷」は厳密には異なりますが、大きく異なることはないため、ここではほぼ同じとして扱います。
 最近は、「見える化」が普及して、「熱負荷」量を計測している建物が多くあります。地域冷暖房から熱の供給を受ける建物は、「年間冷熱負荷」「年間温熱負荷」だけではなく、契約に関わる「最大冷熱負荷」「最大温熱負荷」も明確となっています。
 「最大値」は、「3.11」以降、最大電力の抑制指令が出たため、衆人の耳目を集めましたが、それまでは注目されることはあまりありませんでした。とにかく、冷房や暖房の負荷に対して「機器の容量が足りていれば良い」程度でした。そのため、冷凍機を3台で等分割すると、夏のピーク時にも1台は全く稼働しないことがありました。つまり過剰設計に対しては無関心だったのです。

・熱負荷原単位に関する考察
 事務所建物のいくつかの「熱負荷原単位」に関する調査結果の値をグラフ化して、比較しました。順に「最大 冷熱負荷」「最大 温熱負荷」、「年間 冷熱負荷」「年間 温熱負荷」です(図3-1-11~3-1-14参照)。
 出展は、東京都環境局(当時は環境保全局)、IBEC(建築環境省エネルギー機構)、空気調和・衛星工学会(以下、空衛学会)です。
 東京都の調査は、延べ床面積を4段階に分けています。100,000m2以上を特大規模、30,000100,000m2を大規模、10,00030,000m2を中規模、10,000m2未満を小規模、です。東京都の値は、平均値の他に±の標準偏差も記載されていますので、図に表記しました。

・最大 冷熱

 「特大規模」→「大規模」→「中規模」と「平均値」は低下していますが、「小規模」から右はほぼ同じ値で並んでいます。これは、左の3つの値が地域冷暖房の「契約容量」から導き出した値に対して、右の3つの値は「アンケート結果」に基づく値と思われます。
 これまではアンケートや調査員が各建物に対して調査しましたが、アンケートにしろ調査員のヒアリングにしろ、聞かれた建物関係者は、前述したようにその建物の「最大負荷」を把握していないことがほとんどです。「年間値」は請求書や年報等で確認(推定)できますが、「最大値」は普通、記録されず、何時、最大値が出たのかもわからないことが多いものです。では建物関係者は何を答えるのか?一般的には「装置容量」を答えます。「装置容量」は熱負荷計算から求められたその建物の最大負荷を賄える容量に設定されます。一方、「契約容量」は大きな値とすると、基本料金が高くなりますが、超過すると違約金を徴収されるためにギリギリの値が選択されます。したがって、
  「契約容量 装置容量」の関係となり、グラフの結果と合致します。
 大きな建物ほど、パソコンやサーバーの台数(密度)を多く設置できるように設備容量が大きいので、そういうテナントが多く集まり、結局、冷房負荷が大きくなる傾向が読み取れます。したがって、「小規模」の「最大熱負荷原単位」は「50」程度と推定されます。「装置容量原単位」と「最大熱負荷原単位」の関係は、805010063.つまり熱源装置を3台で等分割すると、1台は動かないことになります。

3-1-11 最大熱負荷(事務所 冷熱) 原単位の比較
・最大 温熱
 「小規模」「中規模」「大規模」と値が小さくなる傾向が伺えますが、冷房とは逆に「特大規模」の値が跳ね上がっています。これは「特大規模」の建物の形状によるものと考えます。つまり100,000m2を超えるような建物は普通、高層または超高層建物となるため、外皮面積が増えるので「暖房負荷」も増えているのではないかということです。また、「中規模」以上の規模の建物は「断熱」性能もしっかりしているのでしょう。空調方式は「外調機」+「AHU」(導入外気を専門に冷暖房・加湿する空調機:AHUと、室内の負荷を専用に処理する空調機の組合せによる空調方式)となる場合が多いため、熱負荷原単位も同じような値となり、標準偏差も小さくなっています。
 調査が行われた頃の建物では、「ガス焚冷温水機」が多く採用されていました。「ガス焚冷温水機」とは、前述した「吸収式冷凍機」の一種でガスを燃焼させて、夏期は冷房用の冷水、冬期は暖房用の温水を作り、冷暖房を行う機種です。それ以前の方式である「冷房に電動冷凍機、暖房用にボイラ」とするよりも1台で冷房と暖房に対応でき、機械室面積が少なくて済みました。また電力の契約容量を小さくできて基本料金の低減ともなり、普及したシステムです。この機種は、冷房の出力を100とすると、暖房の出力は65程度でした。「小規模」と「IBEC」にその傾向(暖房の値が冷房の値の6割程度)が見られます。
3-1-12 最大熱負荷(事務所 温熱) 原単位の比較
・年間 冷熱

 年間の熱負荷は、電力やガスの使用量から推定できるため、「特大規模」→「大規模」→「中規模」→「小規模」と、きれいに降順に並びました。
 グラフの結果から、IBECや空衛学会の調査対象は、30,000100,000m2の建物の調査が多かったことが推察できます。空衛学会の方が、多少、延べ床面積の大きい建物が多かったようです。実際、ある程度の規模がある建物でないと調査が難しく、小さい建物の調査はそもそも帳票類も無く大変厳しいのが現状です。

3-1-13 年間熱負荷(事務所 冷熱) 原単位の比較
・年間 温熱

 6つの値の内、4つがほぼ同じ値です。同じ値は、たぶん、ほぼ「外気負荷」と思われます。事務所建物では「ビル管法」の関係もあり、床面積当りの外気量はほぼ同じ量を換気しています。
 「特大規模」と「小規模」の値が大きい値を示していますが、前述のとおり、建物形状の結果と思われます。どちらも「延床面積」当りの「外皮面積」が大きいものと推察されます。
 「30」を超える分が「外皮負荷」(外壁や窓からの貫流負荷)と思われます。
 「特大規模」の建物は、普通「超高層建物」となりますが、「低層建物」とすることで省エネルギーとなることが推察できます。

3-1-14 年間熱負荷(事務所 温熱) 原単位の比較