■平成 20 年度大阪 HITEC 通常総会記念「公開セミナー」講演▽日時 2008 年 6 月 11 日 14:45〜15:30▽会場 ドーンセンター 5 階 特別会議室■テーマ 自然水系・人工水系への人工排熱処理と回収■講師 中尾 正喜（大阪市立大学大学院 工学研究科 都市系専攻 教授、大阪ＨＩＴＥＣ 熱有効活用・人工排熱低減 WG 主査）●はじめに
本日は、人工水系、それと自然水系への人工排熱の処理と回収というタイトルで日頃考えていることをご紹介したいと思う。
人工水系への排熱処理とは、水野理事長が以前からご検討されていたもので、上水道、下水道管路等を使って、熱を運ぶ、排熱であれば処理して回収するアイデアである。
河川水利用等、自然水系への排熱処理ではすでに実現されたものもあるが、人工水系の関係については多くがアイデア段階のもので、これから実現に向けて取り組むべきと考えている。
●人工排熱の抑制対策イメージ
建物における人工排熱の発生原因をたどると、電力・ガス・石油の供給、建物が外界から受ける日射などの熱、建物内部での人体・機器の発熱などがあり、それらが空調機や外壁や排気、排水などを通して建物外へ排出されていく。
人工排熱の抑制対策には、「建物レベルで省エネを図り排熱を低減する」「水噴霧などの潜熱化技術で積極的に冷却をする」「大気以外への媒体へ排熱を処理する」という三つの方法がある。
●人工排熱処理に係わる都市のレイヤ
大気以外の媒体により排熱を処理するということについて、私はかねてから人工排熱の処理に関わる都市のレイヤというのを、常に意識している。
1

１番上のレイヤが、市内の排熱施設、あるいは熱需要施設の地理情報である。
上から２番目が、将来、熱を輸送する可能性のあるルートを表している。排熱を輸送するため地中埋設で熱導管を敷設すると大変に建設費がかかるとため、高速道路の橋脚下の空間を利用する、あるいは河川に沿わせて配管を敷設することにより経済性を高めていこうというアイデアである。
その下が、本日お話をさせていただく、上水道や工業用水道などの人工水系の利用を検討するレイヤ、それからして河川水や海水や地下水などの自然水系を利用するレイヤである。
●人工水系への排熱処理・回収
人工水系の排熱処理・回収として、海水、河川水あるいは地下帯水層に排熱を処理することが考えられる。
都市における人工排熱源として、ある程度集中したものでは、清掃工場、変電所、発電所、地下鉄の駅舎、データセンター、大規模なオフィスビルといったものがある。
●人工水系への排熱処理・回収〜上水管路を利用した清掃工場の排熱処理
一つ目に上水管路を利用したものの一例として、清掃工場の排熱処理について紹介する。
大阪市の A 清掃工場を例として取り上げる。最近の清掃工場
ではごみを燃やしてその熱で高圧蒸気を作り、この蒸気により発電する、いわゆるごみ発電がほとんど導入されている。
蒸気タービンから出てきた蒸気を復水器で凝縮させて、また炉に設けられた蒸気発生用熱交換器に戻す。この復水器から大気へ大量の熱が大気へ放散される。通常都市内の清掃工場の復水器は空冷なので、放散される熱すべてが大気温度を上昇させる顕熱である。発電効率が２０％程度とすると、焼却熱の８割近くが大気に出てしまう。これは、清掃工場屋上に設置された空冷復水器の概観写真である。
この清掃工場の場合、復水器から大気へ放散している熱量を2推定すると、1 年間に大気中に放散される熱量は、集合住宅で言えば 12 万戸分ぐらいの年間給湯負荷量にも相当するのである。
復水器はくぃねつを利用すると 50℃くらいの温水が利用できる。しかし、清掃工場は通常都心の熱需要施設から離れて立地しているので、熱導管を建設費はネックとなる。
そこで、既存の管路の利用を検討する。A 工場の前には上水の管路直径 800mm の幹線が通っており、この幹線を通して需要地まで熱を届けることを考える。河川を横切る場合は、管路に断熱性がないので大気中へ放熱され、ロスが生じる。また、管路のほとんどを占める地中埋設部分でも、どの程度のロスが出て、最終的に需要サイドにどれだけの熱が到達するかが課題であり、検討しているところである。
また、上水幹線の管路の流量が時間変動することも考慮する必要がある。
A 工場前の幹線で、流速をほぼ最大値と考えられる１m/s とし、先ほど述べた清掃工場の大気中への排熱処理量を仮定すると、冬、浄水場から来る水温を、30℃まで上昇させることができる試算結果が得られた。
一方、塩素注入量の課題がある。大阪市では、「おいしい水」の供給のため、塩素注入量をできるだけ抑制した水処理が行われているが、水温が上がることによって、塩素の注入量を増やさなければならなくなる。
実用に向けては、塩素注入量を増やさなければならないデメ
リットと排熱輸送によるメリットであるヒートアイランド対策効果、温暖化対策効果を総合評価する必要があろう。
●人工水系への排熱処理・回収〜工業用水管路利用
次に、大阪市の工業用水の管路を利用した対策を紹介する。
管路データは、大阪市水道局のホームページによるものである。
大阪市の地盤沈下対策として、工業用水のネットワークが整備されている。
都心を囲むような形で管路が整備されているが、都心部に通3っているのは 1 本だけである。これは、非常に大きな幹線で、臨海部に工業用水を届ける重要な機能を担っている。
これを利用して、この幹線上にある排熱施設と、熱需要施設をピックアップし、排熱施設で放熱処理をして、熱需要施設で熱を汲み上げるという、いわば熱のバスラインとして活用すること検討した。
もちろん、工業用水管路を夏に冷却媒体として使うわけであるが、冷却塔を利用するよりも、エネルギー的に不利になる場合には使わないという条件を付けてシミュレーションを実施した。結果を見ると、夏期において、あまり排熱をこの管路で処理することは出来ない。これは排熱処理により水温がどんどん上がってくるのに対し、対象管路近傍で大きな給湯需要、すなわちヒートシンクがないため１％くらいしか処理できない。回
収熱依存率（給湯用）とは給湯の需要に対して、排熱を利用してまかなったものの割合であるが、冬は６％くらいしかない。
先ほどの管路上に排熱施設（真冬でも熱をどんどん出している施設）が見つからなかったことから、一次エネルギー的には工業用水の管路を使った、熱のやりくりをする方が、若干、一次エネルギー使用量が増えるという結果になった。逆に、排熱施設の排熱量が十分にあるとすると、冬の排熱利用量が上がり、一次エネルギーにも有利になる。データセンタなど都市内の年間冷房施設の発掘が必須条件である。
●人工水系への排熱処理・回収〜下水管路の利用次に、下水管路からの排熱の回収について紹介する。
下水のポンプ場で下水熱の利用を図るというのはすでに行われているが、ここで検討するのは管路において排熱を回収するシステムである。ポンプ場は数が限られており、熱需要施設から距離があるため、熱導管を敷設するのでは経済性が成立しないため、既存の下水管路を利用して排熱処理を行うことを考えた。
大阪市の下水管路上に、それほど大規模ではないが、800kWhの排熱が年間連続で出ているデータセンタービルがあり、下流4

側に熱需要量の方が上回るホテルや病院である場合、排熱をヒートポンプで汲み上げるということが考えられる。グラフは、このエリアで、原単位法による熱需要量を計算し、排熱量と比較したものであり、データセンターの排熱量よりホテルや病院の給湯・暖房負荷が大きいため、データセンターの排熱は熱需要建物すべて活用される。
以上、人工水系への排熱処理についてお話しした。
●自然水系への排熱処理〜河川水への排熱処理
次に、自然水系への排熱処理ということについて、話題を移したい。
これについて、河川水への排熱処理を実現したものとして、関西電力本社ビルの河川水利用施設をあげることができる。このプラントでは、堂島川から取水して、土佐堀川に排出している。建物が外気から吸収した熱が熱容量の大きい河川に放散されることから、大気を冷却する効果が得られる。
●自然水系への排熱処理〜海水への排熱処理
次に、海水への排熱の処理について述べる。
発電所などで、海水に熱を放出しているように、排熱処理に海水を利用するというのは一般的なことである。
ここで検討しているのは、都市部で、海との接点である岸壁の近傍で排熱を処理するとした場合どうなるかである。
海水での排熱処理のメリットは、低温の海水を冷凍機の冷却水として間接利用することで、冷凍機の効率向上効果が得られること、ヒートアイランド対策としての効果が期待できることである。海面下の取水深さを変えることにより、冷凍機の効率がどうかわるかを調べた結果を報告する。
また、この冷却水の取り方、戻し方を工夫することによって、鉛直に海水が循環することを促進できれば、底層部の貧酸素状態（酸素の欠乏している状態）を改善することができ、環境再生にもなるという目論見である。
実際に海水を利用している事例として、南港のアジア・太平5洋トレードセンター（以下、「ATC」と略）では地域冷暖房用に岸壁から海水を取水して放流している。取水位置は平均水面から 2.5ｍくらい下のところにある。
大阪湾は、閉鎖性が非常に高く、舞洲から海流の影響も湾の奥の方には及ばない傾向があるので、沿岸海洋学でよく知られているように夏期温度成層が発達していることが期待される。
その温度成層が岸壁から離れたエリアと岸壁近傍でどの程度異なるか調べるため、咲洲を中心としたエリアで、海水温の垂直温度分布を観測した。
コンテナ埠頭前の海域、それから咲洲の南側海域を観測した。
全て 13 時前後の観測値である。
船で計測した咲洲南側の広域観測データと ATC 前の岸壁におけるデータを比較すると、岸壁は一番深いところでも５ｍぐらいまでであるが、その深さのところまではほぼ似たような形になる。これを全部纏めると資料のようになる。海水面の表層近くで 27℃であるのが、底層部になると 22、23℃まで下がることがわかる。
仮に、ATC の地域冷暖房施設の取水深さを現状の−2.5ｍから−3.8ｍとし 1.3ｍ深くするだけで、水温観測データから冷凍システムのシミュレーションにより冷凍機の消費電力量を算出すると、7 月で 4.8％、8 月で 3.5％程度の効率化が図れる結果が得られた。
●大阪湾への都市排熱放出の影響は？排熱処理量の限界は？
海水利用を考える場合、心配されるのが、「大阪湾へ都市排熱を放出することで、表層付近の温度が何度ぐらい上昇し、環境への影響はどうなのか」また、「排熱処理の限界はどうなのか」ということであり、数値シミュレーションを行った既往研究を紹介する。
大気海洋熱交換、海水の流動、河川水（淀川）の流入を考慮したモデルを使用し、排熱量については、大阪市の海岸線の流域で、海岸線から 1,000ｍ、2,000ｍ、5,000ｍの領域にある建物（産業用施設は除く、オフィス、住宅、商業施設）の冷房排熱6を原単位から求めている。
それで、排熱を出した場合に、表層の水温がどうなるのかを試算したところ、大阪市域だけの海岸で 1,000ｍの領域までの施設の排熱を全部処理するとした場合、水温上昇の最大値は0.59℃となる。また、大潮の時はもう少し温度上昇が大きくなる。これから判断すると、海岸線から 1,000ｍくらいの幅の領域であれば、排熱を処理することは可能ではないかと感じている。
夏の底層低温水の利用により、海水への排熱処理でヒートアイランド対策、冷凍機の効率向上で地球温暖化対策を狙いたい。
もう一つは、夏、大阪湾の陸域に近いところでは、温度成層が出来る。底の方の温度が低いままで、そこにいる生物が動かなくなり、水から酸素を消費してしまう。そうすると、底層で貧酸素、無酸素という状態が起きる。このような状態で、例えば台風などの大きな風が吹いた時に底層の水塊が上昇すると、青潮が起きる。底層低温水の利用は、このような被害の対策にもなると考えている。
以上、本日用意した材料はここまでで、人工水系、自然水系への人工排熱の処理と回収について、駆け足でお話しした。
●おわりに〜大阪の HI 対策と熱エネルギー有効利用へ向けておわりに、大阪 HITEC の熱有効活用、人工排熱低減のワーキンググループについて、ご案内したい。
熱有効活用、人工排熱低減のワーキンググループでは、昨年度まで、主に、関連する話題提供、意見交換等を行ってきた。
今年度からは、何らかのビジネスに繋がる可能性のあるようなテーマ、しかもテーマをはっきりさせて取り組んだほうが良いと感じている。そこで、今日ご紹介した二つの内容に関わるが、二つのテーマに絞って、その情報収集、意見交換を行うようなサブワーキンググループ（SWG）を募集したいと考えている。
一つのテーマが、夏季底層低温水の熱利用と生態系の回復 SWG、もう一つは、人工水系による排熱処理・回収 SWG である。
募集対象は、海の方のテーマについては、大阪の臨海部に関心のある企業、自治体あるいは供給事業者など。それから、２7

番目の人工水系による排熱処理・回収 SWG については、排熱事業者、熱需要者、設計事務所、ゼネコン、サブコン、自治体の方々と考えている。関心のある企業にはご参加いただきたいと思っている。
それと一つ、今後の活動のもう一つの柱として検討したいのが、設備的な対策技術情報の収集と登録と公開についてである。
新テーマによる、先ほどご紹介した取組みと平行して、設備的な技術情報に関わるデータベースを構築して、情報の収集、登録、公開による会員企業の技術シーズの PR に取り組んでいきたい。
会員の方に、どんどん良い情報を提供いただいて、内容についての最低限のチェックを行い、登録して公開していくという流れでいきたいと考えている。
今後とも、熱有効利用・人工排熱低減ワーキンググループへのご支援と積極的な参加をお願いしたい。

8ヒートアイランド対策技術公開セミナー

自然水系・人工水系への人工排熱処理と回収

2008年6月11日
大阪市立大学大学院 工学研究科
都市系専攻 教授
中尾 正喜
1

本日の予定
１．人工排熱の処理
２．人工水系への排熱処理・回収
清掃工場排熱３．自然水系への排熱処理
河川水利用
海水利用
2

1

人工排熱の抑制対策イメージ
都市大気へ放散される顕熱③潜熱冷却（水噴霧など）①建物レベル
で排熱低減②大気以外への排熱処理

供給エネ
ルギー

人工排熱

3

建物における人工排熱の発生プロセス
日射、壁面貫流

電力消費量
ガス消費量
石油消費量

【供給段階】

照明器具 厨房機器

空調機排熱（顕熱、潜熱）

ＯＡ機器 給湯施設

換気排熱（顕熱、潜熱）

空調機器 燃焼施設
換気装置 人体発熱【負荷段階】

燃焼系排熱（顕熱、潜熱）
下水排熱（顕熱、潜熱）【排出段階】
42

１．人工排熱の処理
大気以外への排熱処理

5

人工排熱処理に係わる都市のレイヤ
都市内施設（排熱・熱需要）新規管路（高速道路ルート
河川ルート・水温）

既存管路（上下水道・人工水系（上下水道，工業用水道）
自然水系（河川水，海水，海水地下帯水層）

63

人工水系への排熱処理・回収

上水道

工業用水道
下水道
7

自然水系への排熱処理（河川水、海水、地下帯水層）

84

２．人工水系への排熱処理・回収
既存の都市インフラである人工水系を利用する（アイデア段階）9

２．１ 上水管路を利用した清掃工場の排熱処理（アイデア段階）

105

清掃工場の排熱

大気へ放散
11

排熱の価値（Ａ清掃工場）
復水器排熱を大気へ放散

清掃工場

発電に利用している蒸気流量：60万〔ton/年〕
蒸気タービン復水器排熱を大気へ放散
蒸気タービン復水器潜熱分のみで年間1300〔ＴJ/年〕の排熱①12万〔戸〕分の集合住宅の年間給湯負荷に相当②時間当たりの排熱量は２．５万〔戸〕分の集合住宅の最大給湯負荷に相当
126

上水加温
熱需要側清掃工場

1300[ＴＪ／年]
年間排熱量

放熱損失

排熱処理 河川等があり管路が地上に出てくる部分では放熱量が大13

課題：①断熱のない管路の敷設（埋設・架空）条件の下，需要家側にどれだけの熱が到達するか②上水幹線の流量と加温上限（排熱輸送能力）③「おいしい水」と逆行（塩素注入量増大）

管路埋設基準147

２．２ 工業用水管路利用（アイデア段階）15

工業用水管路による排熱処理・回収イメージ

排熱施設の冷熱源

熱需要施設の温熱源

既存システム

冷却水

大気

排熱処理・回収システム

冷却水または工業用水

大気または工業用水

168

排熱施設と熱需要施設

0 400 1000(ｍ)17

回収熱依存率（給湯）
冬期の排熱が無い→都市内排熱の発掘が必要
case-2
排熱処理率・回収熱依存率(%)

排熱処理率

回収熱依存率(給湯用)

100

90.7

8060
39.7

4020

11.94.40
冬期

中間期(5月)夏期

中間期(11月)
18

9

２．３ 下水管路の利用

19

下水管路から排熱回収
冷凍機

排熱建物

熱需要建物

熱交換器
ヒートポンプ

ポンプ

ポンプ
放熱

採熱

下水管

20

10

下水管路への排熱とその回収検討〈排熱建物の例〉
年間を通して排熱が発生する建物〈エリアの選定〉
大阪駅から北に約800m
離れた地区

データセンタービル〈排熱量〉
排熱ビルの排熱量→800 kWh を想定：下水管路：熱供給建物
：宿泊施設
：医療施設

21

熱（給湯・暖房）需要量・排熱量の比較
原単位法による熱需要量計算値（１日分）

6000

5000

5000

4000

4000

3000

3000

2000

2000

1000

1000

熱供給可能量（ｋWh）

6000

給湯負荷
暖房負荷
熱供給可能量

0

0
1:00
3:00
5:00
7:00
9:00
11:00
13:00
15:00
17:00
19:00
21:00
23:00

熱需要量（ｋWh）

１１月需要量時刻2211３．自然水系への排熱処理

23

自然水系への排熱処理（河川水、海水、地下帯水層）

2412

３．１ 河川水への排熱処理

25

自然水系の活用
河川水利用（関西電力本社ビル）

26
関西電力株式会社提供資料より作成

13河川水取排水経路と熱供給範囲
旧淀川（堂島川）

取水口

田蓑橋

中之島川口線（中之島通）

駅 舎 (計画）

事務所C
（計画）

広 場
線
橋筋
筑前

事務所B
（計画）

プラント

事務所A

医科大学前 通線

Ｎ

土佐堀川
排水口

河川水配管

供給対象範囲供給導管

27
関西電力株式会社 提供

河川水利用による大気への排熱量低減効果
大気へ

河川へ
建物の一日のエネルギー収支実績（H17.7.19）

関電ビルディング

関電ビルディング

大 気

大 気

人体発熱（13）電力（259）人体発熱（13）大気への排熱(全熱）（261）

電力（259）

大気を冷やす効果（54）

給湯排熱（1）

給湯排熱（1）

蓄熱槽に蓄えられる熱（10）蓄熱槽に蓄えられる熱（10）

氷蓄熱槽

氷蓄熱槽
（単位はＧＪ）

河川への排熱（空調排熱）（315）

河川28
関西電力株式会社 提供

14

３．２ 海水への排熱処理

2929

海水への排熱処理
都心部：海への人工排熱の処理で温度上昇抑制

臨海部：低温水供
給で空調システムの効率化

水圏：鉛直混合の促進で環境再生
30

15海水利用事例31

より効果的な海水利用を目指して
O’s1
6

R3

OO’s 10ship2

岸岸壁近傍および港内観測点

O s’ 3
O s’ 5

R1

ship1

ＲO’ s16
O s’ 17
O’s18’sship3
岸 L3
L
壁
岸壁

ship5

壁

ship8

sakishima1
sakishima2
sakishima8

咲洲南側 の観測点

sakishima3
sakishima4

sakishima7
sakishima6

sakishima53216

基本水準面からの高さと水温垂直分布の関係

基本水準面（DL)からの高さ（ｍ）(岸壁近傍・港内・咲洲南側、7月26日)

50-5-10-1515202530

水温（℃）
33

取水位置を１．２ｍ深くする（各月の1日あたりの電力量比較）
既存水温(DL- 2.585)

ＤＬ- 3.8水温
3.59％

8,000
消費電力量（ｋＷｈ）

4.79％

6,000

1.14％

4.23％

4,000

2,000

0

6月

7月

8月

9月

3417

大阪湾への都市排熱放出の影響は？
排熱処理量の限界は？

佐地・森・中尾・矢持，「数値シミュレーションを用いた大阪湾への都市排熱放出の影響」，土木学会関西支部年次学術講演会，2008年，5月
35

排熱放出の影響評価のためのモデル
大気海洋熱交換
圧力勾配
河川水流入

潮汐

淡路島
淡路島

乱流混合

湾内の熱移動

開境界条件
紀淡海峡
紀淡海峡

3618排熱量の対象領域• 大阪湾臨海部の海岸線からd=1000,2000,5000mの領域にある建物用途別冷房排熱（8月）37

臨海エリアの設定（d=1000mの例）

都市排熱放出の影響評価

都市排熱

38

19

表層の温度変化（小潮時）

d=1000md=5000m

小潮時における排熱による表層水温差の分布(濃淡：排熱あり−排熱なし，ベクトル:流速)

d=1000 ｍ ⇒d=2000 ｍ ⇒d=5000 ｍ ⇒水温上昇の最大値

0.59℃
0.71℃
2.23℃

39

ヒートアイランド対策

海水への排熱夏期底層低温水利用の目標
冷凍機の効率向上

温暖化対策

底層貧酸素の解消

生態系回復
40

20

大阪HETEC
大阪HETEC
熱有効活用・人工排熱低減
熱有効活用・人工排熱低減 ワーキンググループ
ワーキンググループ

大阪のHI対策と熱エネルギー有効利用へ向けてテーマを絞って情報収集，意見交換を行うＳＷＧの募集をしたい
（年度内）

•テーマ
1. 夏期底層低温水の熱利用と生態系の回復ＳＷＧ
2. 人工水系による排熱処理・回収ＳＷＧ•募集対象
1. 大阪臨海部に関心のある企業，自治体（港湾，環境対策，都市計画の各部門），熱供給事業者
2. 排熱事業者，熱需要者，設計事務所，ゼネコン，サブコン，自治体（排熱事業，熱需要，環境対策の各部門）
41

大阪HETEC
大阪HETEC
熱有効活用・人工排熱低減
熱有効活用・人工排熱低減 ワーキンググループ
ワーキンググループ

設備的対策技術情報の収集・登録・公開
新テーマによる取組みの検討と並行して、設備的技術情報に係るデータベースを構築し、情報の収集・登録・公開による会員企業の技術シーズのＰＲにも取組む。

1. 設備的対策技術情報の収集
2. 設備的対策技術情報のチェック
3. 設備的対策技術情報の登録
4. 設備的対策技術情報の公開
4221