ヒートアイランドとエネルギー消費機器性能の関係－性能改善・環境負荷低減への取組ー
平成26年6月6日
大阪市立大学院
工学研究科

西村 伸也

エネルギー消費の現状と季節特性

日本のエネルギーバランスフロー（2010年度）
電力シェア
一次エネル
ギーベース

43.7 %
二次エネル
ギーベース

24.0 %
家庭部門

51.0 %
業務部門

43.9 %

3資源エネルギー庁；総合エネルギー統計

日本のエネルギーバランスフロー（2011年度）
電力シェア
一次エネル
ギーベース

43.1 %
二次エネル
ギーベース

22.7 %
家庭部門

50.7 %
業務部門

43.7 %

4資源エネルギー庁；総合エネルギー統計

電力化率の高まり ：エネルギー総需要に占める電力需要

電力化率

=

(電力需要)(総エネルギー需要)

Electrification rate %エネルギー総需要に占める電力需要の比率（電力化率）は近年高まっており，日本では約４５％と半分に近づいている．

5家庭のエネルギー消費の概要
世帯当たりのエネルギー消費原単位と用途別エネルギーの推移

家庭部門におけるエネルギー源の推移

冷房需
要は小さく見えますがエネルギー白書2013

夏期の家庭部門における冷房需要の公表データ
経済産業省 平成26年5月
夏期の節電メニュー（ご家庭の皆様）

どんな条件の時の推定結果

これからも役立つの？

7最大電力量と夏季需要（東京電力管内）
8000

50
Ma ximum Power Supply

40

6000

30
4000
20
2000

1000

Year

Summer demand %Maximum Power Supply
ten thousand kW

Summer dema nd

関西地域の月別最大電力需要の推移

東日本大震災発生約1年前の2010年4月から2013年8月までの関西電力における月別最大電力需要と月平均気温の推移を示している．

東日本大震災前後の夏季電力需要（上位3日）

50

3500％

2500
2000
1500

2010/8/19
2010/8/20
2010/8/23
2011/8/9
2011/8/10
2011/6/29

1000

電力消費比率

電力需要万kW3000

4540
2010/8/1935

2011/8/9

2012/8/330

1時 3時 5時 7時 9時 11時 13時 15時 17時 19時 21時 23時
時 刻

1時 3時 5時 7時 9時 11時 13時 15時 17時 19時 21時 23時

夏季における電力需要曲線（上位3日）

大阪府内の電力消費が関電管内の電力消費に占める比率の時間推移

時 刻冷房など夏期電力需要の特性分析
節電・省エネルギーの観点からは，空調用エネルギー消費を“いつ”また“どれくらいの時間”抑制することが必要かを明らかにすることが重要
1日のうち冷房ピーク需要について把握することが不可欠

空調負荷がピークとなる14時～15時の電力需要と外気温の関係を示している

気温とエネルギー消費機器性能
その１ 原動機（火力発電＆自動車）
・・シャルルの法則（気体の体積は絶対温度に比例する）→ 温度が上昇すると吸入空気量は低下する

電気の作り方；火力発電の原理
汽力発電，ガスタービン発電，コンバインドサイクル発電のしくみ

13コンバインド火力発電出力の気温依存性

今夏の電力需給見通しについて（関西電力平成24年4月23日）

なぜ気温が上昇すると出力が低下するの？
⑤HeatRecovery
SteamGenerator④①⑥GasTurbine

Compressor②⑬FeedPump⑫Condenser

Reheat⑦High
Pressure
Turbine③⑧⑩LowPressure
Turbine⑨Bleeding
Feed
Water
HeaterBoiler⑪

再熱再生式コンバインドサイクル

現在火力発電所で主に採用されている2種類の発電方式のうちの一つである，再熱再生式コンバインドサイクルのサイクル図を示す．

ηG  1 qL / qH
ηS  (lt  lp) / qb
ηH  cp(T 4  T 5) / qH

ηηG ηHηS

ηGT  (Tin  Tout) /(Tin  Tout  net)
ηC  (Tout  net  Tin) /(Tout  Tin)
ηST  (hin  hout  net) /( hin  hout)

外気温度変化に伴う1500℃級ガスタービンの出力推算結果例

気温 ℃

吸気量 m3/h

密度 kg/m3

質量流量 kg/s

出力 万kW

１５（基準）

190 万

1.214

640.7

26.5

25

190 万

1.164

614.3

24.5

35

190 万

1.111

586.5

22.6

MACC用ガスタービン出力の気温依存性

Percentage of ISO Rating %

120
10080
Power output

60

Iso Rating

4001020
Inlet Air Temperature ℃

3040ガソリンエンジンのサイクルと各種損失最大効率時の各種損失（自動車技術 Vol.25 2011.01）

ガソリンエンジンの吸気温度上昇に伴う出力低下
1.1

吸気温度が上昇すると吸入新気（外気）量が減少する．

0.6

比充填効率・充填効率

0.75
0.9

1.00.9270280290

吸気温度

三 ・火炎速度
吸気温度が上昇すると吸入新段 気量が減少するため，火炎速度論 が低下する．
法・出力310320330K

10％

5出力変化

吸気温度が上昇すると出力が低下する．なお，この傾向は大気の圧力と湿度に大きな影響を受ける．

300

0-5-10-15-20020
吸気温度

40℃

60

気温とエネルギー消費機器性能
その２ 空調機（蒸気圧縮式空冷空調機）
・・・蒸気圧縮式冷凍サイクルでは，外部から仕事（圧縮機動力）を与え，動作媒体の相変化を利用して，低温の物体（室内）から熱を奪い，高温の物体（外気）へ熱を放出する．
→ 外気の温度が上昇すると排気温度は上昇し，外部からより多くの仕事を必要とする．

蒸気圧縮式空調機の原理と性能指標
冷房時の理論性能は低温熱源からの受熱量QCと外部からの仕事Lの比として与えられる．
Qc
Tc
R 
L TH  Tc
しかしながら，メーカーカタログ記載の性能指標であるCOPは，定格試験条件（気温35℃，室内設定温度27℃）におけるエアコンの総消費電力Eに対する冷房能力の比として与えられている．

COP Qc
E

P-ｈ 線図上での蒸気圧縮式冷凍サイクル

外気温及び室内温度の変化に伴うサイクル変化

外気温度の変化

室内温度の変化
101027℃
30℃

0.1
1002.21.80102.2

1301.830

T=60 ℃

23℃

s=1.4 kJ kg-1K-39℃

Pressure P MPa(abs)

T=60 ℃

37℃

s=1.4 kJ kg -1 K -Pressure P MPa(abs)

35℃

0.1

200

300

400

Specific enthalpy h kJ/kg

500

100

200

300

400

Specific enthalpy h kJ/kg

500

外気温が空調機性能に及ぼす影響評価
家庭用ルームエアコンとビル用マルチエアコンについて，外気温が性能に及ぼす影響をシミュレーションにより予測した．

ルームエアコン

ビル用マルチエアコン

外気温度に対するルームエアコンとビル用マルチエアコンの性能変化について示している．

大阪市域における夏季の空調排熱推定例

NW/m2300CFEDA24

40

気温感応度 ⊿E W/(m2・℃)

猛暑日における空調排熱の増加（１．予測条件）

4～6℃の上昇

外気温 T ℃

353025基準日
猛暑日

200612
時刻 t 時(a)外気温

1824

4AC
DEFL
M

32
100612
時刻 t 時18(b)電力の気温感応度

猛暑日：2007年8月17日 最高気温38.3℃，日平均気温31.9℃

24猛暑日における空調排熱の増加（2．推定結果）
A地区：商業・娯楽地区

顕熱排熱量 Q W/m2

500
約140W/m2増加

400
300

日積算顕熱量
1,990Wh/m2の増加

200
基準日

100

猛暑日

00612
時刻 t 時182426

猛暑日における空調排熱の増加（2．推定結果）
D地区：業務地区

顕熱排熱量 Q W/m2100
基準日
猛暑日

75

約21W/m2増加

日積算顕熱量282Wh/m2の増加

50
250061218Time t hour2427エネルギー消費機器の性能改善・環境負荷低減への取組
全般的な取り組み紹介

トップランナー制度の概要

トップランナー方式導入後の空調機性能の推移
低炭素社会の実現に向け，省エネ家電に注目される
 エアコンに対する我が国の取り組み トップランナー方式導入（1999年）

 空調機の性能向上を法律に基づいて義務化
700

COP

600
5COP
Power consumption
500

31997 1999 2001 2003 2005 2007 2009

Power consumption E W

7400

Year

上位機種（定格冷房能力2.8kW）の性能変化
30トップランナー制度; APF（期間効率）の導入
 省エネ法改正（2006年）
 評価指標が成績係数 COPから通年エネルギー消費効率 APF に変更される
COP : Coefficient Of Performance
空調能力COP 
消費電力

APF : Annual Performance Factor(冷房期間中に発揮した能力の総和)  暖房期間中に発揮した能力の総和APF 冷房期間中の消費電力量の総和  暖房期間中の消費電力量の総和
31定格COP・APFによる空調機性能評価の課題
しかし・・・
 カタログ性能と実使用時の性能には乖離が存在 表示されるカタログ性能の問題点

成績係数COP：定格条件時のみの保証
通年エネルギー消費効率APF：算定根拠の不確実さ
定格条件（JIS B 8615-1 ）Indoor suction
air temperature(℃)
Dry-bulb temperature
Wet-bulb temperature
Outdoor suction
air temperature (℃)
Dry-bulb temperature
Wet-bulb temperature
Test frequency
Test voltage

Cooling2719

HeatingNormal2015

Low2015

Very low

COPtermJISによる能力推定値
能力測定点

定格COP

2015

中間COP
35247261
Rated frequency
Rated voltage-7-8

23 25 27 29 31 33 35 37
外気温度℃ T℃
Outdoortemperature
APF算出時の能力推定（JIS C 9612 ）エネルギー消費機器の性能改善・環境負荷低減への取組
熱有効活用・人工排熱低減WGの取組み

活動経過
設備レベルならびに街区・都市スケールでの人工排熱低減，熱有効活用方法について検討．
 設備レベルに関しては，蒸気圧縮式空冷空調機の排熱低減，排熱の潜熱化や，蓄熱材を用いた低温排熱回収・熱有効利用について検討．
 街区・都市スケールについては，河川水・海水による空調排熱の処理や，下水熱の利用等，都市インフラ設備の未利用熱利用などについて検討．
 上記の各種ヒートアイランド対策技術の認証方法についての検討
室外機水噴霧による大気顕熱負荷削減への取組（実施事例と効果の評価方法）
水噴霧による室外機冷却のエネルギーフロー
Boundary

Energy Balance
・Sensible Exhaust Heat
=HS=(1 － η)×（COPC+1）
×(E+W)QＳRoomOutdoor

QＬ

HＬ・Latent Exhaust Heat
SHF=QS / (QS + QL)=HLCOPC = (QS + QL)/E=η×(COPC+1)×(E+W)

E

Electricity

実証試験結果（関西電力）
空気調和・衛生工学会報告

HＳOutdoorunit室内から除去する顕熱：QS
室内から除去する潜熱：QL
屋外へ排出する顕熱：HS
屋外へ排出する潜熱：HL
空調排熱の潜熱化率：η

η = HS / (HS + HL)
Water COPC＋1=(HS + HL)/E

W

推奨制度の導入検討
人工排熱の大気熱負荷削減効果の推奨制度に向けた調査・検討
1) 空冷空調機用排熱低減対策装置による人工排熱削減効果および熱汚染対策効果
 2) 人工排熱を大気以外の媒体に処理する技術を対象にした大気熱負荷削減効果
 3）大気の直接冷却技術
 4) 以上の1)～3)の対策技術に関する，設計段階あるいは運用段階における推奨制度の検討


興味を持たれた会員・個人の皆様のWG参加をお待ちしています．