Embed Size (px)
Citation preview
加藤研究室・大岡研究室・菊本研究室Kato Lab., Ooka Lab., and Kikumoto Lab.
空調システムの運用方法の最適化とそのエクセルギー分析に関する研究
Optimization of Operation Method of Air Conditioning System and Exergy Analysis- Part 1 Research Outline and Purpose
その１ 研究概要・目的
1/4
研究背景建物のエネルギー消費 40%省エネビルディングに注目が集まる
passive building, green building, nearly zero-energybuilding (nZEB), energy plus/positive building ・・・nZEB高いエネルギー性能を持つ建物であり、その建物の微小なエネルギー需要がon-site或は近くの再生可能資源によりカーバされる (EU Energy Performance of BuildingsDirective EPBD)
省エネルギー建物の現状・様々な省エネルギー技術の導入・設計時に想定された運用条件が必ずしも適切でない・高効率な運転を実現するには、運用方法の工夫が必要
運用方法の最適化、さらにライフサイクルにわたる性能検証することが建物のエネルギー消費量削減の解決策
Design Construction & Installation
Commissioning
OperationsMeasurement &Evaluation
エネルギー消費20%
エネルギー消費80%
建物life cycleのエネルギー消費
概要・目的
nZEB
実測により
建物・空調
システムの
性能評価・
問題点発見
最適化、さらに
エクセルギー解
析により改善方
法の考察
システムと
その制御方
法のコミッ
ションニン
グ
✓実測により運用段階の空調システムの性能評価と問題点発見を行い、運用方法の最適化更にエクセルギー解析により改善方法を考察する
加藤研究室・大岡研究室・菊本研究室Kato Lab., Ooka Lab., and Kikumoto Lab.
空調システムの運用方法の最適化とそのエクセルギー分析に関する研究
Optimization of Operation Method of Air Conditioning System and Exergy Analysis- Part 2 Performance Evaluation of nZEB by Measurement
その２ 実測によりnZEBの性能評価
2/4
nZEBの概要・東京大学駒場Ⅰキャンパス・建築面積：940 m2
・延床面積：4,500 m2
・地上5階、地下1階・ S，RC構造・ 2011年5月竣工、
9月利用開始
・省エネルギー技術概要図
外観
B1 ホール3F-5F スタジオ教室
B1 カフェテリア
地中熱・地下水ヒートポンプ天井面放射パネルデシカント空調
蓄熱槽自然通風LED照明太陽光発電ダブルスキン
環境・エネルギー総合マネジメントシステム
性能評価年間エネルギー消費
・予想一次エネルギー消費量の推移及び計測値
・電力消費の内訳（2011-2012）
1830
1190
714
428
640
0
500
1,000
1,500
2,000
これまで 2011-2012年2012-2020年 2030年
一次エネルギー消費量
[MJ/
(m2 年
)]
予想値の推移 計測値一次エネルギー消費:640 MJ/m2・年,大学平均値の35%
性能改善などの工夫によりnZEB実現が可能
47%
10%
20%
3%
20% 熱源
ポンプ
二次側空調機
照明
その他
空調システムのエネルギー消費量:建物エネルギー消費量の77% 空調システムの運用段階の実績・性能評価が必要 ZEB化を進めるために、運用方法の工夫によってさらなる高効率な運転の実現が必要
空調システムの実測
蓄熱運転 設計方法 提案方法
冷水温度 [℃] 4.5 8.7
蓄熱量 [MJ] 3751 4197
電力消費 [kWh] 430 437
GSHP COP 4.6 5.0
システムCOP 2.4 2.7
冷水温度を上昇することにより、COPが増加冷水温度の最適化が必要
ポンプ電力消費が大きい ポンプ電力削減のため、チューニングが必要
ポンプ電力消費が大きい
COP：9% →
加藤研究室・大岡研究室・菊本研究室Kato Lab., Ooka Lab., and Kikumoto Lab.
0.45 0.49 1.84
4.70 3.81 6.78 1.53
1.53 1.82
1.82
1.67
2.02 1.81
2.19 0.35
0.38
0
3
6
9
12
GSHP ASHP GSHP ASHP
exe
rgy
[kW
]Xoa,out Xcond XevapXrefcycle Xgex
冷房モード 除湿モード
空調システムの運用方法の最適化とそのエクセルギー分析に関する研究
Optimization of Operation Method of Air Conditioning System and Exergy Analysis- Part 3 Exergy Analysis of Heat Pump
その３ ヒートポンプのエクセルギー解析
3/4
温エクセルギー·冷エクセルギー ヒートポンプのエクセルギー収支
・「使えるエネルギー」の変化の定量化・エクセルギーのロスが大きい箇所の発見・改善方法の考察・エクセルギーの定義高温熱源から、低温熱源に熱を捨てることにより、取り出すことのできる最大仕事, Ex
エクセルギー解析の特徴
温・冷エクセルギーの定義
)/1(max TTQWE ox
温エクセルギー
T > To
To
QWmax
))(/1(max QTTWE ox
冷エクセルギーT < To
To
Q*Wmax
・低温エクセルギー解析に対応した概念・外気温度Toを基準温度とする
分析対象地中熱ヒートポンプ（GSHP）空気熱源ヒートポンプ（ASHP）
地中熱交換器
蒸発器
室内ファン
凝縮器
圧縮機 冷却水ポンプ
膨張弁
冷媒
蒸発器
室内ファン
凝縮器
圧縮機
室外ファン膨張弁
冷媒
システム全体のエクセルギー収支式
GSHP
ASHP
iaiagexGScondevaprefcyclegpumpiafancomp XXXXXXXEEE sup,,, )()(
流入 消費される 流出
流入 消費される 流出
iaiaoutoaAScondevaprefcycleoafaniafancomp XXXXXXEEE sup,,,,, )()(
流入・流出エクセルギー
1.74
3.02 8.14
0.60
0.60
1.01
0.74
0.88 0.88 0
3
6
9
12
流入エク 流出エク 流入エク 流出エク
GSHP ASHP
exe
rgy
[kW
]
Xia,sup-Xia Efan,oa EpumpEfan,ia Ecomp Xg
1.89
6.25 11.67
0.20
0.20
1.10
0.80
1.50 1.50 0
3
6
9
12
15
流入エク 流出エク 流入エク 流出エク
GSHP ASHP
exe
rgy
[kW
]
Xia,sup-Xia Efan,oa
Epump Efan,ia
Ecomp Xg
冷房モード 除湿モード
ƞ1 19% 9%
ƞ2 27% 0
ƞ1 20% 12%
ƞ2 20% 0
エクセルギー消費（ロス）
エクセルギー効率：GSHP 20％ASHP 10％
エクセルギー消費：GSHP＜ASHP冷房モード＜除湿モード
冷媒サイクルで消費されるエクセルギーが最も大きい
加藤研究室・大岡研究室・菊本研究室Kato Lab., Ooka Lab., and Kikumoto Lab.
最適化の結果：冷水温度が13℃となり、7℃と比べ、エネルギー消費12％↓最適化したケースではエクセルギー効率・自然エクセルギー利用率↑
エクセルギーロス↓
空調システムの運用方法の最適化とそのエクセルギー分析に関する研究
Optimization of Operation Method of Air Conditioning System and Exergy Analysis- Part 4 Optimization and Exergy Analysis of Ground Source Heat Pump System
その４地中熱ヒートポンプシステムの最適化とエクセルギー解析
4/4
最適化計算のモデリング
GSHP
FCU
冷水ポンプ
地中熱交換器
冷却水ポンプ
MinimizecwmairmsetchwT ,,,
)( ,, fanpumpchillertotal EEEE
),,( ,,, cwairsetchwratedloadtotal mmTCapacityQE
入力パラメータ 設計パラメータ
➢設計パラメータにより染色体を作成➢個体数: 200, 最大世代: 1200
遺伝的アルゴリズム（GA）を用い、最適化計算
・ 冷房負荷 Qload = 8.6 kW・ GSHPの定格能力 Capacityrated = 11 kW
計算条件（入力パラメータ）
・ 冷水設定温度 Tchw,set = 13ºC・ FCUの風量 mair = 3700 m3/h・ 冷却水の流量 mcw = 41 L/min・ 最小電力消費 Etotal = 1.9 kW
計算結果（設計パラメータの最適値・最小電力消費量）
最適化結果とエクセルギー分析 一日の電力消費
0.9
1.2
1.5
1.8
2.1
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Eto
tal [k
W]
Time [hour]
13℃ 7℃
18
16
15
16
17
18
19
7 9 11 13 15
En
erg
y c
on
su
mp
tio
n
[kW
h/d
ay]
Tchw,set [ºC]
12% ↓
冷水設定温度による電力消費の変化 電力消費の時刻変化
エクセルギー分析
流入エクセルギー・流出エクセルギー エクセルギー消費（ロス）
0.54 0.55 0.02 0.02
0.19 0.19
1.50 1.80
0.13 0.03
0.33 0.33 0
1
2
3
流入エク 流出エク 流入エク 流出エク
13℃ 7℃
exer
gy [
kW]
Xia,sup-Xia Epump,cw Ecomp
Epump Efan,ia Xg
0.33 0.33 0.23 0.23 0.19 0.18
0.99 1.13
0.31 0.39
0
1
2
3
13℃ 7℃
exer
gy [
kW]
Xevap Xrefcycle XfcuXcond Xgex
ƞ1 18% 17%ƞ2 23% 21%
