オフィスビルにおける ZEB 改修効果に関する研究-躯体蓄熱空調の適切な運用と画像センサー導入効果の分析宍戸 里帆

1. はじめに2020 年 10 月、政府が 2050 年までにカーボンニュートラルを目指すことを示した。また 2030 年には温室効果ガスを 2013 年度比 46%削減とすることを目標と示した。そのため、再生可能エネルギーを大量導入するにあたって、建物で太陽光発電などの発電出力の変動をコントロールする能力が求められる。その一つが躯体蓄熱であるが、躯体蓄熱による調整力を検討したものは少ない。
本研究の目的は、躯体蓄熱システムを有する ZEB 改修をしたオフィスビルにおいて躯体蓄熱の適切な運用方法を明らかにするものである。またその過程で躯体蓄熱によるエネルギー需要の調整力を明らかにする。
適切な温熱環境を確保しつつも時刻別のエネルギー消費を把握し、躯体蓄熱システムの適切な運転方法を明らかにすることに本研究の特徴がある。また ZEB 改修の際に導入された画像センサーの分析も行い、その導入効果を分析する。
2. ZEB 概要2.1. 建物全体概要
計測対象であるオフィスビルの概要を表 1 に示す。
新築時より高断熱化されていたため、改修は設備をおもに行っている。月別の電力消費量を図 1 に示す。ZEB
改修後の建物全体の電力消費量は ZEB 改修前の平均比40％削減となった。
2.2. 躯体蓄熱空調
新築時より建物２～５階にスラブ厚 80cm の躯体に空気を循環させる床吹き出し型の躯体蓄熱空調を導入している。
2.3. 照明概要
照明設備概要照明は全館 LED を導入し、さらに空調と融合して、照明制御用の画像センサーの「在/不在」信号を空調に取り込み床吹出口の自動開閉制御を行う。
また床の開閉数により室内機の風量制御を行う。対象の画像センサーが全て「不在」を検知した場合、床吹き出し口系統に「閉」の信号を送り、床吹出口が閉じられ、電圧制御が行われ、風量が絞られる。照明はタスクアン
ビエント照明と画像センサーによる在籍検知制御と調光制御を行っている。また照明の効率化を図るため時刻別照明照度制御も導入している。
3. 躯体蓄熱空調運転計測
3.1. 躯体蓄熱空調計測概要
計測概要と計測時間をそれぞれ表 2 から 4 に示す。
PMV の計測はインテリアゾーンとペリメーターゾー

44-1

表 2 計測概要

表 1 建物概要
項目

内容

建物名称

博多駅南Rビル所在地

福岡市博多区博多駅南1-8-13

計測対象

ビル5階のインテリア・ペリメータゾーン

計測期間 2021年8月〜継続中

敷地面積

1,111.64m2

延べ床面積

5,536.63m2

温湿度計測

建物規模

鉄骨造、地上８階

上下温度分布主用途

事務所

計測間隔 10分

表面温度計測(床4・天井2)１階 エントランスホール
フロア構成

表面温度計測(床2・天井2)２階〜５階 菱熱本社フロア

計測項目

６階〜８階 テナントフロア
竣工

2003年5月(新築)

グローブ温度気流
室外機吹出温湿度、吸込温

2020年2月(ZEB化改修工事)

湿度
消費電力
電力消費量

図2

計測の様子

図 1 建物全体の月別電力消費量比較

表 3 夏季計測期間
case

日付

蓄熱時間

case(s)3-1.5 8月2日〜8月6日
case(s)3-1.0 8月9日〜8月13日
case(s)3-0.5 8月16日〜8月20日
case(s)2-1.0 8月30日〜9月3日
case(s)2-0.5 9月6日〜9月10日

1.5時間

３時間
(5:00〜8:00)

case(s)2-1.5 8月23日〜8月27日

放熱時間
1.0時間
0.5時間
1.5時間

2時間
(6:00〜8:00)

1.0時間
0.5時間

case(s)1-1.0 9月13日〜9月17日

1時間

1.0時間

case(s)1-0.5 9月21日〜9月24日(7:00〜8:00)

0.5時間

表 4
case

冬季計測期間日付

case(w)2-1.5

11月29日〜12月3日

case(w)2-1.0

12月8日〜12月10日,12月27,28日

case(w)2-0.5

12月13日〜12月17日

case(w)1-1.0

12月20日〜12月24日

case(w)1-0.5

1月4日〜1月7日

case(w)0.5-0.5

1月11日〜1月14日

case(w)0-0

1月17日〜1月21日

蓄熱時間
2時間
(5:00〜8:00)

放熱時間
1.5時間
1.0時間
0.5時間

1時間

1.0時間

(6:00〜8:00)

0.5時間

0.5時間
(7:30〜8:00)
0時間

0.5時間
0時間

ンの 2 箇所で行い、その他に電力消費量と室内機の吹出温湿度と吸込温湿度の測定を 10 分毎に行った。図 2にペリメーターゾーンの計測の様子を示す。また躯体
蓄熱の適切な運用方法を明らかにするため、一週間ごとに蓄熱時間と放熱時間を変更し異なる運用方法で計測を行なった。夏季運転の空調は平日の 8 時 30 分から
18 時 00 分まで設定温度 26℃で行い、蓄熱時間と放熱時間の間の 30 分（8 時から 8 時 30 分）に空調を行うかどうかは利用者に委ね、冬季運転の空調は平日の 8 時30 分から 18 時 00 分まで設定温度 22℃で行い、蓄熱時間と放熱時間の間を空けずに空調を行った。

3.2. 夏季分析
3.2.1. 室内環境
蓄躯時間が 3 時間ある場合、放熱時間内に外気温度が上昇しても、PMV は快適域に収まる。case(s)2-1.5の PMV 推移を図 3 に示す。図に示すように、PMV は外気温度に影響を受ける。外気温度が放熱時間内に 30℃を超えている場合や放熱時間内に外気温度が上昇している場合、PMV は快適域の 0.5 を超えるケースが見られた。一方で外気温度が 30℃を超えなかった日では、放熱時間内に PMV が 0.5 を上回ることは少なかった。
図 3 case(s)2-1.5 の室温と PMV の関係
case(s)2-0.5 の場合の PMV 推移を図 4 に示す。この週は、放熱時間内に外気温度が 30℃を超える日がなく、温度上昇も緩やかだったため、PMV も快適域に収まっている。
全体の傾向は、蓄熱時間が 3 時間、あるいは蓄熱時間が 2 時間＋放熱時間 0.5 時間の場合、気温が 30℃を超える暑い日でも室内環境は快適域の範囲に収まり、蓄熱時間が 2 時間の場合その快適性は外気温度によって決まる。
3.2.2. 電力消費量
躯体蓄熱時の室外機の電力消費量と外気温度の散布
図 4 case(s)2-0.5 の室温と PMV の関係
図、及び 1 日の室外機の電力消費量と平均外気温度との散布図を図 5、図 6 に示す。外気温度に関わらず、蓄熱にかかる電力消費量は躯体蓄熱時間によってほぼ決まる。躯体蓄熱時間が 3 時間、2 時間、1 時間の面積当たりの平均電力消費量はそれぞれ 9.0、8.3、3.9Wh/m2となった。図 6 から室外機の日積算電力消費量は外気温度が高いほど大きくなることがわかる。case(s)2-1.5、case(s)2-1.0 に外気温度の上昇に伴って日積算電力消費量が大きくならなかった日が見られたが、この日の図 5 躯体蓄熱時の室外機の電力消費量と外気温度の関係放熱時間の PMV は快適域である 0.5 を上回っている。
外気温度と日積算室外機の電力消費量の関係に運用方法ごとの違いは見られなかった。
3.2.3. 負荷平準化効果
躯体蓄熱空調有の日と躯体蓄熱無の日から、外気温度の推移が近い日を選びその室外機の消費電力の推移比較を行った。case(s)3-0.5 と case(s)3-1.0 で行った比較をそれぞれ図 7、図 8 に示した。
午前中の躯体蓄熱有の消費電力は躯体蓄熱無の消費電力を下回る傾向にあることが分かる。一方で、16 時 図 6 躯体蓄熱時の電力消費量の日積算電力使用量に対する割合から 17 時の消費電力は躯体蓄熱空調を行うケースの方の関係

平均外気温度（℃）

図 78月18日

24.3

9月27日

25.1

躯体蓄熱有無による室外機消費電力の比較(case(s)3-0.5)

図844-2

躯体蓄熱有無による室外機消費電力の比較(case(s)3-1.0)

が大きくなった。
3.3. 冬季分析
3.3.1. 室内環境
case(w)2-1.5 の日照の少ない日の室温と PMV 推移を
図 9 に示す。蓄熱 2 時間の場合、日照時間が少なく平均外気温度の低い日でも 1 日の快適性が保たれ、室温も設定温度を超えていた。平均外気温度が 10℃を超える日は、日照の有無に関わらず放熱時間後の室温は、設定温度の 26℃を超え、インテリアゾーンの PMV は快適域に収まっている。また、日照時間の多い日のペリメーターゾーンの PMV が 1 を超える日も見られた。
case(w)1-0.5 の日射の少ない日の室温と PMV 推移を図 10 に示す。蓄熱 1 時間の場合、日射の少ない日でも一日の PMV は快適域に収まっているが、放熱時間のPMV は 0 を下回り、に外気温度が低い日では、-0.5 を下回っていた。
case(w)0.5-0.5 の様子を図 11 に示す。日照時間が少ない場合、放熱時間内の PMV が快適域である-0.5 を下回っていた。
全体の傾向として蓄熱時間が 2、1 時間の場合、平均外気温度が 10℃を超える日では暖房が十分に行われていることが分かった。また日照時間が多い場合、昼間にペリメーターゾーンの PMV が快適域を超える日が見られ、case(w)2-1.0 ではインテリアゾーンの PMV が快適域の 1 を上回っている日も見られた。
蓄熱時間が 2 時間の場合、外気温度が低く日照時間が少ない日でも放熱時間内の PMV が快適域に収っていた。しかし蓄熱時間 1 時間、0.5 時間の場合、放熱時間内の PMV は-0.5 を下回っていた。
3.3.2. 室内機吹出口・吸込口温湿度分析
case(w)3-1.5 の吹出口温度・床表面温度の推移と吸込口温度・天井表面温度の推移をそれぞれ、図 12、図 13に示す。躯体蓄熱時間内に 1 日分の暖房を行えている
日の吹出口温度は躯体蓄熱時に上昇し、放熱時間終了後その平均温度は約 24.5℃となっていたが、日中にPMV が快適域の 0.5 をこえた case(w)2-1.0 の場合のみ、その平均温度が約 26.1℃と他のケースを上回る結果となっていた。
3.3.3. 電力消費量
躯体蓄熱時間の室外機の電力消費量を図 14 に示す。
2 時間、1 時間の面積あたりの電力消費量は 39.9、26.3Wh/m2 となった。また、室外機の躯体蓄熱時間の電力消費量に対する 1 日積算電力消費量の割合を図 15 に示す。1 日に対する躯体蓄熱時間の電力消費量の割合がほぼ 1 に近く、蓄熱時間 2 時間, case(w)1-1.0 の場合、その電力消費は躯体蓄熱時間にほぼ終了していることが分かる。外気温度との関係に運転方法による違いはられなかった。

図 9case(w)2-1.5 の室温と PMV の関係

図 10case(w)2-1.0 の室温と PMV の関係

図 11case(w)0.5-0.5 の室温と PMV の関係

図 12 吹出口温度・床表面温度の推移

図 13 吸込口温度・天井表面温度の推移

44-3

冬季まとめ
全体の傾向として蓄熱時間が 2、1 時間の場合、平均外気温度が 10℃を超える日では暖房が十分に行われていることが分かった。日照時間が多い場合、昼間にペリメ ー タ ー ゾ ー ン の PMV が 快 適 域 を 超 え る 日 やcase(w)2-1.0 で吹出温度が高かったためにインテリアゾーンの PMV が快適域の 1 を上回っている日も見られたことから、蓄熱を過剰にしていた日があることが分かる。
図 14 平均外気温度と躯体蓄熱時の室外機の電力消費量の関係
蓄熱時間が 2 時間の場合、外気温度が低く日照時間が少ない日においても、放熱時間内の PMV が快適域に収っていた。しかし蓄熱時間 1 時間、0.5 時間の場合放熱時間内の PMV は-0.5 を下回り、放熱時間後、次第に室温が上昇していた。
蓄熱時間 2 時間の場合、室外機は蓄熱時間の運転で 1日の快適性を保てることが分かった。
4. 画像センサー計測
4.1. 画像センサー計測概要
画像センサーの計測概要を表 4 に示す。計測は 1 分 図 15 平均外気温と躯体蓄熱時の電力消費量の日積算電力消費量に対する割合の関係間隔で「在/不在」の検知を行い、計測期間は 2021 年
表 2 計測概要（画像センサー）
8 月から初め現在も継続中である。図 16 に 96 個の画像センサーの配置状況を示す。
4.2. 画像センサー分析
平日の 8・9 月の画像センサーの反応率の平均推移をそれぞれ図 17 に示す。最大値対する反応率の推移はどの曜日も近い値を示すことが分かる。
10 分間隔で計測した電力消費量と 1 分ごとに計測した画像センサーの反応率の６時間平均の関係を図 18 に示す。反応率と電力消費量に比例の関係が見られ、画像センサーが 40％のエネルギー削減につながることが分かった。
5. おわりにZEB 化改修を行った事務所で室内環境、電力消費量、 図 16 画像センサー配置状況
吹出口、吸込口の温湿度を計測し、その分析を行った。
PMV の面から夏季の運用方法は蓄熱時間 3 時間及び、蓄熱時間 2 時間＋放熱時間 0.5 時間の場合、外気温度が上昇しても適切だと考えられる。室外機の日積算電力消費量と外気温度の関係から、室外機の消費電力に運用方法による違いは見られないことが分かった。
躯体蓄熱空調有無の消費電力から、躯体蓄熱空調で消費電力のピークがずれることも確認した。また冬季で図 17 平日の平均反応率推移も同様に計測を行い、蓄熱時間が 2 時間の場合、外気温℃が 10 度を超えるような日では、午前中の躯体蓄熱時間の運転のみで快適性が１日保てることが分かった。
画像センサーの分析では、画像センサーの反応率と電力消費量が比例の関係にあり、40％のエネルギー削減効果があることが分かった。
【参考文献】1) 小栁ら、博多駅南ＲビルにおけるＺＥＢ改修効果の評価・検証(その 1)改修内容と運用実績、空気調和衛生工学会九州支部学術・技術交流会、2021 年 12 月

図 1844-4照明の電力消費量と反応率の関係