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杏林製薬新研究開発拠点における再生可能エネルギーの複数建物間熱融通実証事業 [H27年度成果概要]
杏林製薬株式会社/鹿島建設株式会社
1.本事業について
1-1. 事業概要・目的
【目的】 再生可能エネルギー(地中熱エネルギー)を複数建物間で熱融通
することによるエネルギー利用効率の向上を実証すること。
1-3. 実施地域
【実施場所】 栃木県下都賀郡野木1837-1
JR東北本線の野木駅から約2kmの距離に位置する杏林製薬㈱開発研究
所の敷地内に、再生可能エネルギーの高度熱利用を行う研究開発拠点を
整備する。
【内容】 隣接する2つの建物において、地中熱および未利用エネルギー
である水冷チラー排熱等からなる熱源と熱利用機器(空調機および給湯器
)をひとつの熱媒配管ループを介して熱融通することによって、エネルギー
利用効率を向上させる。
地図等
1-2. 事業背景
これまでの再生可能エネルギー利用
従来の再生可能エネルギー利用は、個別建物での単一熱源の利用に留ま
り、熱利用効率の向上に制限があった(地中熱単独では熱利用量に限界が
あり、大きな熱利用量を継続することが難しい。建物単独では熱用途が限
られる)。
位置図
現地写真
1-4. 実施体制
杏林製薬 …実証設備の保有、運転管理、データ取得
鹿島建設 …実証設備の計画・設計・施工、運転データ整理・分析、制御調整
杏林製薬㈱
鹿島建設㈱
再生可能エネルギー熱利用の高効率化に向けた取り組み
再生可能エネルギーを含む複数の熱源を、複数の建物間で一つの水ルー
プ(熱媒)を用いて接続し、季節毎にベストミックスし熱融通させることで、熱
利用効率の向上が期待できる。地中熱の熱利用量には限界があるため、
複数熱源で補い合うことで継続的な利用が期待できる。また、地中熱の蓄
熱体としての機能により、時間差のある冷房・給湯負荷の熱回収、システム
を安定化させるバッファとしての効果が期待できる。
環境本部
(統括・連絡窓口)
創薬本部
(設備の保有管理)
わたらせ創薬センター
(運転管理・データ取得)
エンジニアリング本部
/建築設計本部
(計画・設計)
関東支店
(施工)
技術研究所
(データ整理・分析)
1
1-5. 事業の特徴
隣接する2つの建物(共有棟と
研究棟)において、地中熱や未
利用エネルギーである水冷チ
ラー排熱等からなる複数の熱
源と複数の熱利用機器(空調、
給湯)を1つの水ループ(熱媒)
に接続し、熱融通することに
よって熱利用効率を向上させる。
2.平成25~26年度の事業内容
共有棟
1. 蓄熱機能も期待できる地中熱を利用することで、時間差のある冷房・
給湯負荷を熱回収し、システムを安定化させる。
2. 建物間で熱融通することで、冷房と暖房・給湯間で熱源水ループを介し
た熱回収が可能である。
3. 複数の熱源を季節等に応じて使い分けることで熱源水温度を水熱源
HPにとってより有利な温度帯で運用できる。
1-6. 設備概要
地中熱交換器(年間を通して利用)
 基礎杭利用式地中熱交換器 :
杭1本あたりPE管φ25mm×11.2m×4対
 配管総延長 : 14,336m
 季節や負荷条件に応じて適切に利用する。
 再生可能エネルギー熱源としてだけでなく、蓄熱体としても活用する。
水冷チラー排熱(冬期~中間期に利用)
 従来捨てている熱を給湯と暖房の熱源として活用する。
 地中熱の負担を減らすことで、地中熱の継続的な利用を可能とする。
【平成25年度】 地中熱配管を設置したPHC杭の打設まで完了
▲杭先端部を金物で固定
▲杭に配管を取り付けた状態(杭頭部)
▲配管設置済みPHC杭を打設
▲PHC杭と地中熱配管の敷設状況
【平成26年度】 設備機器の設置を完了(試運転調整を除く)
▲地中熱交換器上部の建物内配管
▲熱源水ポンプとヘッダー
冷却塔(中間期~夏期に利用)
 中間期冷房運転の高効率化(地中熱より有利な場合)
 夏期のサブ放熱源
その他
 冷房排熱と暖房・給湯排熱の熱回収効果
 ボイラによる冬期集熱源のバックアップ
▲水熱源ヒートポンプ空調機
▲水熱源ヒートポンプ給湯器
2
3-2. 目標・仮説
3.平成27年度の事業
3-1. 平成27年度補助事業の内容
平成26年度までに設置した実証設備の立上げ、試運転調整を実施する。
研究装置等の移転が完了し建物がある程度使われ始めた後に、実証デー
タの取得、分析を開始する。
ただし、初年度は運転実績もなく最適運転に向けたノウハウを保有してい
ないことから、平成27年度の実証目標は最終目標の70%以上の達成とす
る。実績値と目標値に乖離がある場合は、その原因を検証し対策を検討す
る。
【複数熱源運転の最適化】
地中熱の採熱量には限りがあるた
表1 熱源の優先順位(初期想定)
め、冷房時は冷却塔、暖房時は排
夏期
中間期
冬期
熱を有効に利用しつつ、システム 順位
効率を最大化するという思想に基
1
地中熱
冷却塔
排熱
づき、熱源の優先順位を表1と想
2
冷却塔
地中熱
地中熱
定した。この想定が実運用時の負
3
(蒸気)
荷条件の下、本当に適切か否か
を検証する。また、夏期~中間期
には冷房と暖房・給湯の熱回収が
出口温度による
ファンINV制御
行われるため、その効果も加味し
た運用を行う必要がある。
空調HP
給湯HP
冷却塔
図1に地中熱と冷却塔の制御方法
(概念図)を示す。
出口温度による
回路切り替え
①冷却塔ファンによる冷却塔出口
温度制御
蒸気
排熱
地中熱
②地中熱交換器の通水/バイパ
HEX
HEX
ス回路切り替え制御
図1 地中熱と冷却塔の制御方法
の2つの制御次第で各熱源の負担
熱量が変化するため、それぞれの
制御設定値について、季節別等で
適切な値を模索する。
空調HP+冷却塔
3-2. 目標・仮説
【仮設】
複数熱源、複数建物間熱融通による高効率水ループシステムの実現、
特に冷却塔出口温度設定値等の最適化によって、一般に高効率といわ
れる空気熱源システム以上の省エネ効果を期待できる。
【目標】
実証項目
地中熱利用による
省エネ効果①
複数建物間での熱融通
による省エネ効果②
複数熱源の利用による
省エネ効果③
システム全体としての
省エネ効果④
実証目標
(実証完了時)
H27目標
▲8.5%
▲7.9%
▲21.7%
▲28.0%
フェーズ1として
最終目標値の
70%以上
(冷房運転の最適化)
■目的関数
空調HP+冷却塔消費電力
の最小化
消費電力
INV
空調HP
■最適化対象
冷却塔出口温度設定値
■パラメータ
①外気湿球温度
②水熱源HP負荷
③地中温度
冷却塔
最適値
冷却塔出口温度設定値
図2 冷却塔出口温度設定値と消費電力の関係
3
3-3. データの分析・評価手法
3-4. 実証データ
【分析手法】
・空調、給湯負荷データを読み込み
・気象データを読み込み
(STEP1)
時刻ループスタート
空調・給湯負荷と外気条件の実測
時刻iの空調、給湯負荷および
気象データを入力
データを入力し、申請システムのシ
ミュレーションを実行する。計算結
空調HPモデル
(E1, Tw2) = f1(Q1, Tw1)
果と実測データを比較し、シミュレー
Tw2を受け渡し
ションモデルの妥当性を確認する。
給湯HPモデル
1年間の時刻ループ計算
(E2, Tw3) = f2(Q2, Tw2)
(1hour×8760step)
必要に応じて計算モデルの補正を
Tw3を受け渡し
行う。
冷却塔モデル
(E3, Tw4) = f2(Tw3)
(STEP2)
・空調、給湯負荷データを読み込み
・気象データを読み込み
地中熱、排熱用HEX、ボイラ用HEX、
・
Step 1にて検証したモデルを用い、3
ポンプなどを同様に計算
・
・
時刻ループスタート
つのベースラインモデル(オール空
時刻iについて、各機器のエネルギー消費
量、処理熱量、熱源水温度が求まる。
気熱源システム、申請システム改
時刻iの空調、給湯負荷および
気象データを入力
①・②)でシミュレーションを行い、省
空調HPモデル
エネ効果を算出する。予想値(28%、
(E1, Tw2) = f1(Q1, Tw1)
Tw2を受け渡し
8.5%、7.9%、21.7%)と異なる場合
給湯HPモデル
にはその原因について分析する。
1年間の時刻ループ計算
(E2, Tw3) = f2(Q2, Tw2)
平成27年9~平成28年3月度の実証データを収集済。代表日(9月2日)
の運転状況を下図に示す。
地中熱により熱源水温度を外気湿球温度以下まで冷却できているこ
と、水熱源パッケージと給湯器の間で熱回収が行えていることを確認。
■ 記号
Q1, Q2, ・・・ : 機器の処理熱量
E1, E2, ・・・
: 機器のエネルギー消費量
Tw1, Tw2, ・・・ : 機器前後の熱源水温度
f1, f2, ・・・
: 機器のモデル関数
32
温度 [℃]
30
外気湿球温度
地中熱出口
26
水熱源PAC入口
水熱源
PAC入口
24
22
20
9/2 0:00
■ 記号
Q1, Q2, ・・・ : 機器の処理熱量
E1, E2, ・・・
: 機器のエネルギー消費量
Tw1, Tw2, ・・・ : 機器前後の熱源水温度
f1, f2, ・・・
: 機器のモデル関数
地中熱入口
28
9/2 6:00
9/2 12:00
9/2 18:00
外気湿球温度
9/3 0:00
熱源水温度と外気湿球温度
(1hour×8760step)
Tw3を受け渡し
150
↓実証項目③④の
地中熱、排熱用HEX、ボイラ用HEX、
・
↓ベースライン
・ ポンプなどを同様に計算
・
時刻iについて、各機器のエネルギー消費
量、処理熱量、熱源水温度が求まる。
申
請
[GJ]
改
①
申
請
システム
実
測
再
現
計
算
オ
ー
ル
空
気
熱
源
実証項目②の
ベースライン↓
システム
一
次
エ
ネ
ル
ギ
ー
消
費
量
↓実証項目①の
↓ ベースライン
改
②
1次側熱量 [kW]
【評価手法】
再現計算に基づき補正したモデル
でベースラインを計算し、省エネ効
果を算出する。
→予想値と異なる場合には負荷熱
量や運転制御方法、各機器の性能
検証などを行い、差異の原因につ
いて分析する。
200
冷却塔モデル
(E3, Tw4) = f2(Tw3)
100
水熱源PACの排熱
(冷却負荷)
50
水熱源PAC
0
-50
-100
給湯器
給湯器の排熱
(加熱負荷)
地中熱
-150
-200
9/2 0:00
9/2 6:00
9/2 12:00
9/2 18:00
9/3 0:00
熱源側処理熱量
シミュレーション
(境界条件として実測値を入力)
<省エネ効果の分析・評価イメージ>
4
3-5. 分析・評価結果(仮説検証)
【分析対象期間】
300
120
250
100
200
80
【分析結果】
 10月は空調負荷が非常に小さかった。給湯負荷は冬季の方が夏季に
比べて大きいものの、比較的安定した負荷となっていた。
 システム全体の1次エネルギー消費量の削減目標(空気熱源システム
に比して年間積算値で28%)に対して、対象期間中の削減実績値は最
小で21.5%、最大で36.9%であった。
150
60
36.9
100
 地中熱依存率は目標値26.9%に対し、対象期間中の積算実績値は
29.7%とほぼ同等であった。
33.0
34.0
32.9
33.2
省エネ率 [%]
1次エネルギー消費量 [GJ]
平成27年9月 1日~平成28年3月31日(7か月間)
実績
空冷(計算値)
省エネ率
40
27.3
21.5
50
20
0
0
9月
10月
11月
12月
1月
2月
3月
月別1次エネルギー消費量の実績値とベースラインの比較
WPAC(暖房)
給湯器
60
200
50
180
12.5
40
11.0
20
10.6
8.7
1.0
0
0.0
-10
12.8
12.1
30
10
12.3
27.2
5.6
-1.7
-1.3
29.3
24.2
18.1
-0.1
0.0
0.0
0.0
-9.3
160
二次側処理熱量 [MWh]
二次側処理熱量 [MWh]
WPAC(冷房)
140
120
100
80
60
40
20
-20
0
-30
-20
9月
10月
11月
12月
1月
二次側処理熱量(月別積算)
2月
3月
地中熱製造熱量 [GJ], 地中熱依存率 [%]
100
90
80
70
79.9
60
50
地中熱(加熱)
40
地中熱(冷却)
30
地中熱依存率
20
105.3
10
0
目 実
-12.3標 績
9月
目 実
標 績
10月
目 実
標 績
11月
目 実
標 績
12月
目 実
標 績
目 実
標 績
1月
2月
月別の地中熱製造熱量と依存率
目 実
標 績
3月
5
3-6. 考察
4.平成28年度に向けて
システム全体としての省エネ効果(実証項目④)
【来年度の予定】
平成27年9月~平成28年3月度の実績より省エネ効果が予想通りに実現で
きていると考えている。
一方で、熱の使われ方に目を向けると、給湯は事前想定に近い使われ方
がされていたが、空調は事前想定よりも小さくなっていた。これは、建物の
使われ方が事前想定と異なる、事前想定が大きすぎたといった理由が考
えられる。
今後は四季を通じてのデータ蓄積を進め、年間の省エネ効果がどのように
推移するか確認する。
実証項目①~④
最終目標の70~90%の達成を目指す
実証項目①及び地中熱依存率について
地中熱による省エネ効果(実証項目①)の実績は目標よりもやや小さく、地
中熱依存率の実績は目標とほぼ同等であった。11~12月は空調負荷が予
想よりも小さかったために全体負荷に対する地中熱の寄与率が相対的に
大きくなったこと、2~3月は水冷チラー排熱を優先して使用していたことが
原因と考えられる。
複数熱源運転の最適化
実負荷条件の下、熱源の適切な優先順位を検討する。制御設定値につい
ては、シミュレーションベースでは時刻別等の短い時間スケールの最適化
を行うことができるが、実運用では設定値を手動で書き換える必要がある
ため、長い時間スケールで最適設定値を見出す必要がある(例えば、月別
に最適設定値を求める)。シミュレーションにより求めた最適設定値での運
用を試行し、実測データを受けて設定値に修正を加えていくというプロセス
で実施していく。
地中熱利用による環境影響
地中温度を蓄積し、1年間の温度変動とともに経年的な温度変化を評価
していく。
【今後の普及展開】
実証項目②及び③について
実証項目②と③の省エネ率の大小関係が目標値と実績値で逆転している。
これは、運用実態として空調負荷が予想よりも小さかったため、システム全
体のエネルギー消費量に占める給湯HPの割合が大きくなったことが原因と
考えられる。
各実証項目の実績と目標
省エネ率および地中熱依存率 [%]
実証項目
目標値(年間)
実績値
(2015年9月~2016年3月)
補助金申請時点
実機性能に基づく補正後
実証項目① 地中熱の効果
4.7
8.5
8.8
実証項目② 複数建物間熱融通の効果
20.9
7.9
5.5
実証項目③ 複数熱源利用の効果
15.8
21.7
28.4
実証項目④ 全体の効果
33.4
28.0
32.4
地中熱依存率
29.7
26.9
33.7
※「補助金申請時点」とは暫定的な機器仕様で計算した数値、「実機性能に基づく補正後」とは実際の機器仕様に補正した数値を示す
問合せ先:杏林製薬(株)研究開発本部新薬創製センター
鹿島建設(株)環境本部グリーンインフラグループ
地球規模の課題である地球温暖化防止対策として有効な本システムの普
及拡大に努める。
ユーザーとしての取り組み(杏林製薬)
杏林グループや日本製薬工業協会の広報媒体で本システムを積極的に紹
介するとともに、関係団体や地域からの外来者・見学者に積極的に開放し、
高効率水ループシステムの効果を見える化することで本システムの普及拡
大に努める。
技術提供者としての取り組み(鹿島建設)
 本システムの普及に向けて、省エネ率の向上やライフサイクルコストの
縮減等に取り組んでいく。
 複数熱源、複数建物間熱融通による高効率水ループシステムの適用
範囲の拡大を模索する。
 高効率水ループシステム普及拡大のための簡易ソフトの検討を進める。
村山 淳
寺西 智博
電話:0280-57-1551
電話:03-5544-0790
6
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