◆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/kWhを1次エネルギー換算値、3600MJ/kWhを2次エネルギー換算値と呼びます。
(3600÷9760=0.369 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。
LPGやA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/kWh=2.85: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~図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、30,000〜100,000m2を大規模、10,000〜30,000m2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。 |
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図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。 |
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図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。 |
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図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。 |
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図3-1-14 年間熱負荷(事務所 温熱) 原単位の比較 |