Journal of Japan Solar Energy Society, 48（2）, 61-70（2022）••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
Research Paper
研究論文

Proposal of net-zero energy house by introducing
Proposal of net-zeroenergy house
introducing
environmentallyfriendly
PV/Tbysolar
panelsenvironmentally friendly PV/T solar panels
Kohei TERASHIMA*1‡
Haruki SATO*2
Toshiharu IKAGA*3*1‡*2
Kohei TERASHIMAHaruki SATO Toshiharu IKAGA*3

環
境調和型 3PV/T
97 ソソーラーパネルの導入によるーラーパネルの導入による
環境調和型
ゼロ・エネルギー・ハウス（ZEH）の提案
ゼ
ロ・エネルギー・ハウス（=(+）の提案
寺島 康平 *1 ‡寺島 康平*1‡

佐藤 春樹 *2
佐藤 春樹*2 伊香賀 俊治*3

伊香賀 俊治 *3

Abstract
Solar energy would be the most important energy resource. The highest performancesolar-energy receiver recorded utilizing 74.3 % of the solar energy in total of electricity and
40 °C hot water in summer, Yokohama, Japan, has already been reported in 2020 as aphotovoltaic/Thermal (PV/T) solar panel. In this paper, the system design on introducing the
PV/T solar panel to be a part of energy-supply system in a household and the simulation
results are reported. Using a Monte Carlo simulation method, it can generate different
energy demands at every 15 minutes through a year for various family members as thesimulation calculation, while the results always follow the input existing statistics
information. Not only solar-energy management in a household but also the environmental
thermal load is evaluated. An example of the net-zero energy house having the best
combination of the environmentally friendly PV/T and PV solar panels is presented in thispaper.
Keywords: Solar energy, global warming, SDGs, PV, heat collection, PV/T solar panel
キーワード：太陽光，地球温暖化，SDGs, 太陽電池，集熱，PV/T ソーラーパネルていない土地と比較して 3〜4 C 上昇していることを明らかに．はじめにしている．
家庭内エネルギー消費割合は，日本では給湯・暖冷房が 5 割

 脱炭素社会の実現に向けて，再生可能エネルギーの導入が以上を占めている 7)．これらの熱需要に対して太陽電池を用いて進んでいる．その中でも太陽電池（PV）の普及が加速しており，供給する場合，電力を熱に変換する際に電力のもつ大きなエネ

世界の太陽電池容量が 2050 年には 4.6 TW 以上になると推測さルギー価値が利用されずに失われ，発電時の廃熱も利用されずれている 1)．一方で太陽日射下に置かれた太陽電池の発電効率はにそのまま環境に捨てられる結果となる．太陽エネルギーを電実質 15 %程度であり，残りの 6 倍近くの太陽エネルギーは外気力に変換し，かつ太陽エネルギーを熱にも変換して熱供給する

温+30 C 程度の高温のふく射熱や廃熱として大気をはじめ自然

設備が，太陽エネルギーを主エネルギー源とする脱炭素社会の環境を温めている．太陽電池からのふく射熱が周囲環境に与え実現には望ましい．そこで太陽エネルギーを熱および電力としる影響については様々な研究 2-6)が行われており，Barron-Gaffordて利用することができる PV/T (Photovoltaic/Thermal)ソーラーパら 2)は大規模太陽電池プラントの上空温度が，太陽電池を設置しネルの開発を行った 8)．

)DFXOW\RIVFLHQFHDQGWHFKQRORJ\.HLR8QLYHUVLW\+L\RVKL.RKRNX<RNRKDPD.DQDJDZD-DSDQ‡ePDLOLKHXNRWHUD#NHLRMS 
3URIHVVRUHPHULWXV.HLR8QLYHUVLW\ 
3URIHVVRU)DFXOW\RIVFLHQFHDQGWHFKQRORJ\.HLR8QLYHUVLW\ 
5HFHLYHG1RYHPEHU  $FFHSWHG-DQXDU\


*1 慶應義塾大学院理工学研究科
（〒223-8522 横浜市港北区日吉 3-14-1）‡e-mail:iheuko-tera@keio.jp*2 慶應義塾大学名誉教授
*3 慶應義塾大学理工学部教授（原稿受付： 年  月  日，受理日： 年  月  日）

1
－ 61 －

Kohei TERASHIMA, Haruki SATO and Toshiharu IKAGA

この PV/T ソーラーパネルは，太陽電池に減圧沸騰集熱器（サ（４）CIS 太陽電池を採用することで，幅広い光波長域で発電がーモサイフォン）を組み合わせ，パネル内部に置かれた PV モジ可能となり，そして高温においても発電効率が低下しにくい．

ュール及びパネル内部の空気から集熱して冷却するとともに適以上の特徴から，このパネルは夏季において 40 C 温水供給時

切な温度の熱供給を行う．そして，カバーガラスでふく射熱をに太陽エネルギーの 74.3 %の利用を記録し 17)，パネル内部に収

内部に反射して大気をはじめとする自然環境への熱負荷を抑えめられているPV モジュールの表面温度が60 C 程度となっても，ることができる．本論文では，この PV/T ソーラーパネルの導入

カバーガラスは周囲壁面とほぼ同じく 45 C 程度であった．

およびその実用化を行う熱電供給設備のシミュレーション計算を紹介することでゼロ・エネルギー・ハウス（ZEH）のシステ
ムデザインによる提案を行う．
最終目標として，この PV/T ソーラーパネルを用いて冷房供給も行えるように，温熱を冷熱に変換するエジェクタ冷凍サイクルの開発 9)および植物の葉を模倣した多孔質セラミックスを用いた冷却装置の開発 10)も進めており， PV/T ソーラーパネルの冷却機能として開発を進めている．本論文では，その研究成果も考慮した提案を行う．
様々な種類のPV/Tソーラーパネルが現在までに世界各国で開Fig. 1 Photo and Cross-section image of CIS PV/T solar panel.

発され，エネルギー供給シミュレーションによってその有効性が報告 11-15)されている．本論文では自然環境への熱負荷も評価す
る視点を取り込み，環境調和型 PV/T ソーラーパネルの導入により，４人家族構成の戸建住宅における一年間のエネルギー需要 太陽エネルギー熱電供給設備
 設備概要

を賄える熱電供給設備のシステムデザインを試み，ゼロ・エネ

Fig. 2 に太陽エネルギー熱電供給設備の概要を示す．本研究でルギー・ハウスの可能性をシミュレーション計算により検証すは，一例として夫婦（40 代）および子供二人（小学生・中学生）

ることで，その提案を行うものである．

で構成される，延床面積が 126.6 m2 の戸建住宅を想定した．本システムでは PV/T ソーラーパネルを 4 枚連結する(8 m2)と仮定
して，パネル設置可能面積を 32 m2 に設定した．

．太陽エネルギー熱電供給のシステムデザイン 397 ソーラーパネル
PV/T ソーラーパネルに関しては既に報告した 8)．PV/T ソーラ
ーパネルの写真と縦方向の断面の概要をFig. 1 に示す．
このPV/T
ソーラーパネルは大学で開発研究しており，既製品の CIS(Copper-Indium-Selenium) PV モジュールとパネル内部のふく射
熱を反射するエンボス加工を施したカバーガラス，本研究グループで開発してきた減圧沸騰集熱装置（Fig. 1 の Condenser,
Aluminum plate-like fin, Copper pipe and Header pipe）を組み合わせた性能試験用の PV/T ソーラーパネルである．このパネルの特徴

Fig. 2 Solar electricity and heat supply system.

として以下の特徴が挙げられる．
（１）サーモサイフォンの一種である減圧沸騰集熱装置を用いており，集熱のための動力が不要で，伝熱媒体の熱交換経路（Fig.1 の Condenser）も 1 m 程度と短く，伝熱損失を抑制でき，ポンプ動力も小さくなる．
（２）裏面に内部からの熱放射を外部に放出できないように反射する小さなプリズムを並べた形状のエンボス加工を施したカバーガラスを用いることで，内部に置かれた PV モジュールからのふく射熱を反射して，自然環境への熱負荷を抑制できる 16)．
（３）PV モジュール裏面に接着した減圧沸騰集熱装置で熱を効率的に吸収し，さらにパネル内部の空気全体が自然対流によって循環しやすくすることで，集熱効率の向上とカバーガラスを含むパネル躯体全体の冷却効果を高め，パネル全体の温度を周
囲環境温度に近づけ，パネル外部への熱損失を抑制している．
Journal of Japan Solar Energy Society

日射時には伝熱媒体である水を熱交換器（Fig. 1 のCondenser）
内に流すことで温水出力させる．温水は給湯用もしくは暖房用
貯湯槽に貯蔵し，温水を必要としない場合は，冷却塔を用いてPV/T ソーラーパネルを冷却することで，発電効率を向上させ，かつ環境への熱負荷を抑制する．冷却塔・給湯用貯湯槽・暖房用貯湯槽と PV/T ソーラーパネルは一つのポンプを介して接続されており，各時刻でどの回路で運転するかを判断する．給湯・暖房需要が発生した際には，貯湯槽から供給を行い，太陽熱では足りない場合は，補助電力を用いるヒートポンプで貯湯槽内の温水を加熱して供給する．電力供給は，ソーラーパネルで発電したものをパワーコンディショナーによって交流電力に変換して供給する．太陽光発電電力が余った場合は外部系統電力へ

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2 －

Vol.48, No.2, 2022

Proposal of net-zero energy house by introducing environmentally friendly PV/T solar panels

売電し，夜間や悪天候時などの発電できない時間帯には外部系（３）入浴の行動では，入浴時間に沿って使用湯量を決定し，統電力から電力を戻す(購入する)ことを想定した．

必要な熱量を計算する．

 シミュレーション条件

（４）調理の行動では，世帯人数分の料理を作るために必要な

Table 1 に条件設定を示す．本研究では，東京都の最新の気象

熱量を計算する．

データである 2020 年のデータ 18)を用いる．なお住宅の断熱性能
は，次世代省エネ基準とされている Heat 20 G2 相当の値

本研究で想定した戸建住宅の月ごとの需要計算結果を Fig. 319)を熱に示す．需要は給湯・暖房・冷房・厨房・非熱電力需要の 5 種

損失係数として設定し，全館暖冷房を行うこととした．貯湯槽類で示している．暖冷房や給湯の需要は外気温の影響を受けるの容量は給湯・暖房共に 460 L とし，給湯用ヒートポンプ（CO2ため，季節によって大きく変動する．冷房需要は全体の 3.7 %と作動流体のエコキュート）は，一日の給湯負荷の基準を修正 M1

小さいが，本研究では全館暖冷房を行う設定のため，暖房需要

モード(需要温度：40 C，450 L/day)とし，加熱能力を 6 kW，暖が全体の 47.6 %を占めている．一方で，厨房需要（平均 4.07

房用給湯ヒートポンプ（R-410A 作動流体）は加熱能力を 12 kW

MJ/day）や非熱電力需要（平均 26.1 MJ/day）は季節によらずほとした．なお，給湯用ヒートポンプは低温の水を高温にする際

ぼ一定である．

に高効率な CO2 作動流体を，暖冷房用ヒートポンプには昇温幅が小さい時に有効な R-410A 作動流体（暖房用），R-32 作動流体

Table 1 Simulation settings（冷房用）を用いる．暖房は暖房用貯湯槽の温水をポンプで屋

Family structure

Husband and wife (Forties) with 2 children

内に送水して床暖房を行うとし，冷房はエアコンによって行う

Weather(Elementary andTokyo,
junior 2020high school students)と想定した．また暖房設定温度は 21 C，冷房設定温度は 27 C

Total floor area

126.6 m2

Total panel area

32 m2とし，給湯ヒートポンプの出力温度は余裕をもたせて少し高温の 65 C，暖房ヒートポンプの出力温度は 40 C とする．

Heat loss coefficient

また当然蓄電設備の導入も想定しているが，ここでは産業界

Heating and cooling

や事業所などで昼の電力需要が大きいこと及び連携による安全性確保の必要性もあり，敢えて外部系統電力とのやりとりでシ

Heating

ミュレーション計算を行う．但し，蓄電設備容量の検討も行う．

（R410A heat-pump）

本研究では，PV/T ソーラーパネルと PV ソーラーパネルの併用を想定した PV/T ソーラーパネルの最適導入割合の検討，蓄電設備容量の検討，冷却塔の環境熱負荷削減効果の検討を行う．

1.4 W·m-2·K-1

Cooling（R32 air conditioner）

．シミュレーション方法

(HEAT20 G2)

All room
Capacity：

12 kW

Power consumption：

2.2~3.7 kW

Set temp.：

40 ºC

Capacity：

2~7 kW

Power consumption：

0.24 kW~1.4 kW

Set temp.：

27 ºC

Capacity：

6 kW

Hot water supply モンテカルロ法による需要シミュレーション
Table 1 の条件設定で 4 人家族が暮らす戸建住宅における一年（CO2 heat pump）

間のエネルギー需要を，モンテカルロ法を用いた各住人の 15 分
ごとの行動スケジュール 20)に基づいてシミュレーションを行った．住人の行動を既存の統計情報に一致するように制約を設けて乱数発生させ，その行動から給湯・暖冷房・厨房・非熱電力
需要（照明や家電に使用する電力需要）などの電力・熱需要を450 L/day

Load：(Demand temp: 40 C)

Power consumption：

1.1~3.6 kW

Set temp.：

65 ºC

Cooking

IH heater

PV panel

CIS panel (Model number: SFK-185S)

Inclination angle

South direction, 30°

求めた．計算の詳細は，本研究グループの橋本らがまとめており 21)，需要を各種統計情報と矛盾無く高精度に算出できることを確認している．
さて，住人の行動は，外出・睡眠・食事・入浴・調理・その他に分類される．これらの行動から，下記の計算を行った．
（１）住人の行動から在室の有無を判断し，部屋設定温度に室温を調整するとした際の暖冷房に必要な熱量を，設定した住宅の熱損失係数を用いて計算する．なお本研究では，外気温が暖
房設定温度を下回る場合，および外気温が冷房設定温度を上回る場合に暖冷房を行うと仮定しており，現状の冷房用電力消費量よりも省エネルギー利用した場合の予測計算となっている．
（２）住人が在室している場合は照明や家電を使用するとし，テレビ等の電力消費量から必要な電力量を計算する．
Vol.48. No.2

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3 －

Fig. 3 Monthly demand of the simulation in 2020.
太陽エネルギーKohei TERASHIMA, Haruki SATO and Toshiharu IKAGA

ここで式(2)に示す PV モジュール温度，すなわち PV/T ソーラ 熱・電力の需給計算
 システムの熱・電力の需給計算は，（１）PV/T ソーラーパネ

ーパネル内にある PV モジュールの温度が未知であるため，熱収ルおよび PV パネルの集熱・発電と（２）需要に対する供給計算

支式から求める．熱収支式は PV/T ソーラーパネル表面のカバーに分かれる．システムの集熱・発電の計算は以下の手順で行う．

ガラスの式と内部 PV モジュールの式を用いる．パネル表面のカ（１）給湯用貯湯槽・暖房用貯湯槽において，0 時を基準として，

バーガラスの熱収支式を式(4)に示す．

その日の熱需要が満たせるかを判断する．判断基準は，貯湯槽
内熱量が前日の需要熱量の 1.2 倍に達するように余裕をもって判断する．

𝐺𝐺𝐺𝐺 − ℎ𝑟𝑟,𝑔𝑔−𝑎𝑎 (𝑇𝑇𝑔𝑔 − 𝑇𝑇𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 ) − (ℎ𝑐𝑐,𝑝𝑝−𝑔𝑔 + ℎ𝑟𝑟,𝑝𝑝−𝑔𝑔 )(𝑇𝑇𝑔𝑔 − 𝑇𝑇𝑝𝑝 )

の低い暖房用貯湯槽を優先し，次に給湯用貯湯を開始する．PV/T
ソーラーパネルからの出湯温度は，暖房は 40 C，給湯は 60 C(4)内部 PV モジュールの熱収支式を式(5)に示す．

（２）上記（１）の条件を満たしていない場合は，まず PV/T ソ
ーラーパネルで集熱を行う．集熱は，使用頻度が高く設定温度− ℎ𝑐𝑐,𝑔𝑔−𝑎𝑎 (𝑇𝑇𝑔𝑔 − 𝑇𝑇𝑎𝑎 ) = 0

𝐺𝐺𝐺𝐺 − (ℎ𝑐𝑐,𝑝𝑝−𝑔𝑔 + ℎ𝑟𝑟,𝑝𝑝−𝑔𝑔 )(𝑇𝑇𝑝𝑝 − 𝑇𝑇𝑔𝑔 )−(ℎ𝑐𝑐,𝑝𝑝−𝑏𝑏 + ℎ𝑟𝑟,𝑝𝑝−𝑏𝑏 )(𝑇𝑇𝑝𝑝 − 𝑇𝑇𝑏𝑏 ) − 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 − 𝑃𝑃𝑃𝑃 ∙ 𝑄𝑄𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = 0(5)

パッキングファクターPF は次式のように PV/T ソーラーパネ

を目標とし，これらの出湯温度を満たすように伝熱媒体である
水の流量制御を行う．

ルの面積と PV モジュール面積の比で表される．このパッキング（３）上記（１）の条件を満たしている場合は，冷却塔を利用

ファクターを用いることで，PV/T ソーラーパネルで回収された

して PV/T ソーラーパネルを冷却する運転に切り替える．

熱量の内，内部 PV モジュール分の熱量を計算する．

 需要に対する供給計算は以下の手順で行う．

𝑃𝑃𝑃𝑃 =（１）給湯用貯湯槽・暖房用貯湯槽において，その時刻におけ

𝐴𝐴𝑝𝑝
𝐴𝐴𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃(6)る需要に対して供給できるかを判断する．

まず内部 PV モジュール温度を仮定し，式(4)からカバーガラス（２）供給が可能な場合は，その需要分の熱量を各貯湯槽からの温度 𝑇𝑇𝑔𝑔 を求め，それに基づいて式(5)から内部 PV モジュール供給する．

温度 𝑇𝑇𝑝𝑝 を計算し，仮定した内部 PV モジュール温度との偏差を（３）貯湯槽内の熱量が足りない場合は補助熱源である電動ヒ求める．
仮定する内部PVモジュール温度を0.1 Cずつ変化させ，ートポンプで貯湯槽内の温水を加熱して供給する．なお供給最

この偏差が 0.1 C 以内になるまで収束計算を行う．ここで求め低温度を，給湯は 55 C，暖房は 30 C とし，この温度を下回る

た内部PVモジュール温度を用いて式(2)から発電量𝑃𝑃を計算する．

場合は電動ヒートポンプを稼働させる．
（４）電力需要に対しては，PV/T および PV ソーラーパネルのまたカバーガラスと外気の対流熱伝達率 ℎ𝑐𝑐,𝑔𝑔−𝑎𝑎 は以下の式で求める 26)．

発電電力を，パワーコンディショナーで交流電力に変換して供給する．発電量が不足する場合や，夜間の発電をしていない時
間帯では，外部系統電力から電力を購入し，電力需要よりも発電量が多い場合は，余剰分を売電する．なお本研究では，パワ

天空温度𝑡𝑡𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠ℎ𝑐𝑐,𝑔𝑔−𝑎𝑎 = ʹ.ͺ + ͵.Ͳ𝑣𝑣(7)

𝑡𝑡𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 = Ͳ.Ͳͷͷʹ𝑡𝑡𝑎𝑎 ʹ(8)は以下の式で計算する 27)．

ーコンディショナーの変換効率を 96.5 %と仮定した 22)．
 397 ソーラーパネルの集熱・発電量の計算
本研究で想定したPV/Tソーラーパネルの内部水平断面構造をFig. 4 に，PV/T ソーラーパネルの集熱・発電量の計算に用いる各パラメータを Table 2 に示す．
PV/T ソーラーパネルの集熱量𝑄𝑄𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 は，実験結果から求めた以下の式で計算する．この式は集熱器の性能評価に用いられる集熱効率線図の JIS23)に基づいて算出した．
𝑄𝑄𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝐺𝐺(0.510 − 7.88

𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃,𝑖𝑖𝑖𝑖 − 𝑇𝑇𝑎𝑎)
𝐺𝐺

Table 2 Parameters of PV/T solar panel(1)

PV/T ソーラーパネルの発電量𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 は式(2)で計算した 24)．
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝐺𝐺𝐺𝐺𝜂𝜂𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 {1 − 𝛽𝛽(𝑡𝑡𝑝𝑝 − 25)}

(2)

(3)

式(2)は PV パネルの発電量計算式に，PV/T ソーラーパネル表
面のカバーガラスの日射透過率𝜏𝜏を考慮して追加した式である．
Journal of Japan Solar Energy Society

PV panel

SFK-185S (CIS)

Temperature coefficient 𝛽𝛽

0.0033 K-1

Nominal PV efficiency 𝜂𝜂𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟

15.1 %

Packing factor PF

0.93

PV panel emissivity 𝜀𝜀𝑝𝑝

0.90

Back board emissivity 𝜀𝜀𝑏𝑏

0.90

Cover glass transmittance 𝜏𝜏𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟

ここで日射透過率𝜏𝜏は式(3)で計算した 25)．

1𝜏𝜏 = 𝜏𝜏𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 {1 − 0.1 (− 1)}
cos 𝜃𝜃

Fig. 4 The horizontal cross-section structure of a PV/T solar panel.

－ 64
4 －

Cover glass emissivity 𝜀𝜀𝑔𝑔

0.91

0.90

Vol.48, No.2, 2022

Proposal of net-zero energy house by introducing environmentally friendly PV/T solar panels 冷却塔は文献 31-32)から，電力消費量の推定を行う．冷却塔の空放射熱伝達率のℎ𝑟𝑟,𝑔𝑔−𝑎𝑎 ，ℎ𝑟𝑟,𝑝𝑝−𝑔𝑔 ，ℎ𝑟𝑟,𝑝𝑝−𝑏𝑏 はステファン・ボルツ

気側の温度効率𝛾𝛾は以下の式で表される．

マンの式から以下で求める．

ℎ𝑟𝑟,𝑔𝑔−𝑎𝑎 = 𝜎𝜎𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑔𝑔−𝑎𝑎ℎ𝑟𝑟,𝑝𝑝−𝑔𝑔 = 𝜎𝜎𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑝𝑝−𝑔𝑔ℎ𝑟𝑟,𝑝𝑝−𝑏𝑏 = 𝜎𝜎𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑝𝑝−𝑏𝑏

Ͷ𝑇𝑇𝑔𝑔 − 𝑇𝑇𝑎𝑎
𝑇𝑇𝑔𝑔 − 𝑇𝑇𝑎𝑎Ͷ𝑇𝑇𝑝𝑝 Ͷ − 𝑇𝑇𝑔𝑔 Ͷ
𝑇𝑇𝑝𝑝 − 𝑇𝑇𝑔𝑔Ͷ𝑇𝑇𝑝𝑝 − 𝑇𝑇𝑏𝑏
𝑇𝑇𝑝𝑝 − 𝑇𝑇𝑏𝑏

Ͷ

(9)

𝛾𝛾 =

𝜎𝜎𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑔𝑔−𝑎𝑎 =𝑄𝑄𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝑚𝑚𝑤𝑤 𝑐𝑐𝑤𝑤 (𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐,𝑖𝑖𝑖𝑖 − 𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐,𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 )(11)

𝜎𝜎𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑝𝑝−𝑔𝑔 =𝜎𝜎𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑝𝑝−𝑏𝑏 =

𝜎𝜎

ͳ
ͳ
+ −ͳ
𝜀𝜀𝑔𝑔 𝜀𝜀𝑎𝑎

(12)

ͳ
ͳ
+ −ͳ
𝜀𝜀𝑝𝑝 𝜀𝜀𝑔𝑔

(13)

ͳ
ͳ
+ −ͳ
𝜀𝜀𝑝𝑝 𝜀𝜀𝑏𝑏

(14)

𝜎𝜎

(20)

𝑚𝑚𝑎𝑎 (ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠 − ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎 ) また冷却塔の水側の交換熱量𝑄𝑄𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 は以下の式で表される．

(10)

(21)

式(20)の温度効率𝛾𝛾は以下の式で表される．

また各有効放射定数は以下の式で表される．ここで天空熱放射率𝜀𝜀𝑎𝑎 は 1.0 とする．

𝑄𝑄𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝛾𝛾 =ͳ − 𝑒𝑒𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁(𝑅𝑅ℎ−ͳ)ͳ − 𝑅𝑅ℎ𝑒𝑒
𝑅𝑅ℎ =

(22)

𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁(𝑅𝑅ℎ−ͳ)

𝑚𝑚𝑤𝑤 𝑐𝑐𝑤𝑤
𝑚𝑚𝑎𝑎 𝑐𝑐𝑎𝑎

(23)

𝑚𝑚𝑤𝑤
𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 = ∅( )Ͳ.͸
𝑚𝑚𝑎𝑎

(24)

本研究で想定した冷却塔の仕様を Table 3 に示す．
冷却塔では，
PV/T ソーラーパネルから出力された温水を環境水温まで低下さ𝜎𝜎せると仮定し，水の質量流量はパネル 4 枚あたり 0.16 kg·s-1 として計算する．まず式(21)から交換熱量を求め，式(20)から温度効率を算出する．その後風量を仮定し，式(22)~(24)で温度効率を決パネル内部の熱伝達率ℎ𝑐𝑐,𝑝𝑝−𝑔𝑔 ，ℎ𝑐𝑐,𝑝𝑝−𝑏𝑏 は以下の式で求める．
𝜆𝜆𝑎𝑎ℎ𝑐𝑐,𝑝𝑝−𝑔𝑔 =𝐿𝐿𝑝𝑝−𝑔𝑔

定する．以上で求めた 2 つの温度効率の差が 0.05 以内になる風量を求める．インバータ制御を行うと仮定すると，決定した風

(15)

𝜆𝜆𝑎𝑎
ℎ𝑐𝑐,𝑝𝑝−𝑏𝑏 =𝐿𝐿𝑝𝑝−𝑏𝑏

量から，冷却塔の電力消費量𝐸𝐸𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 は以下の式で表される．

(16)

͵

𝑚𝑚𝑎𝑎
𝐸𝐸𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝐸𝐸𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐,𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 ()
𝑚𝑚𝑎𝑎,𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟

𝜆𝜆𝑎𝑎 は 0.0241 W·m-1·K-1 とし，ℎ𝑐𝑐,𝑝𝑝−𝑔𝑔 で用いる上部空気層の厚み

𝐿𝐿𝑝𝑝−𝑔𝑔 は 0.01 m，ℎ𝑐𝑐,𝑝𝑝−𝑏𝑏 で用いる下部空気層の厚み𝐿𝐿𝑝𝑝−𝑏𝑏 は 0.03 m(25)

Table 3 Parameters of cooling towerとして計算する．

 電動ヒートポンプの電力消費量の計算

Model

SBC-P3ES5L

Cooling heat amount13.6 kW

ヒートポンプは作動流体ごとに COP の近似式を作成して電力

Water flow rate

0.65 kg·s-1

消費計算に用いる．出力温度条件を，暖房用貯湯は 40 C，冷房

Air flow rate

0.54 kg·s-1

は 27 C，給湯は 65 C とし，外気温を 5 C 刻みで変化させたとPower consumption

0.05 kWきの理論 COP を計算し，この計算結果から近似式を作成する．

Cooling tower coefficient

0.6

なおヒートポンプの圧縮機効率𝜂𝜂𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 はカタログ値から計算して

おり，CO2 作動流体は 58.3 %28)，R410A 作動流体は 63.9 %29)，

 貯湯槽の計算

R32 作動流体は 55.4 %30)として計算した．式(17)から式(19)に各

 貯湯槽の温度計算は，貯湯槽内を 10 層に分けることで，温度ヒートポンプの COP の近似式および想定使用範囲を示す．

分布を再現する．ヒートポンプを稼働する場合は，貯湯槽下層

CO2 作動流体（給湯用ヒートポンプ）の場合の COPの低温の温水をヒートポンプに導入して，加熱後に貯湯槽上部（想定使用範囲：外気温-5~30 C，給水温度 0~35 C）に戻す．熱供給を行う場合は貯湯槽上部から供給し，給湯の場−͵ʹ

𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶ʹ = 𝜂𝜂𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 (͸.͵ͳ − ͵.͹ͻ × ͳͲ 𝑡𝑡𝐻𝐻𝐻𝐻,𝑖𝑖𝑖𝑖 + Ͳ.ͳͻʹ𝑡𝑡𝑎𝑎 )合は貯湯槽下部に供給した分の水道水を補給し，暖房の場合は(17)

使用後の低温になった水を貯湯槽下部に追加する．貯湯槽の計

R410A 作動流体（暖房用給湯ヒートポンプ）の場合の COP

算は式(26)，(27)で行う．層ごとに，流入した温水と元々存在す（想定使用範囲：外気温-5~20 C）
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑅𝑅ͶͳͲ𝐴𝐴 = 𝜂𝜂𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 (ͷ.ʹ͸ + ͵.͹Ͳ × ͳͲ−͵𝑡𝑡𝑎𝑎 ʹ + Ͳ.ͳʹʹ𝑡𝑡𝑎𝑎 )る温水の温度と体積，外気への熱損失から新たな水温を算出す(18)る．なお貯湯槽の熱損失は 2.84 W·K-1 とする 33)．

R32 作動流体（冷房用ヒートポンプ）の場合の COP𝜌𝜌𝑤𝑤 𝑐𝑐𝑤𝑤 𝑉𝑉𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 ∆𝑇𝑇𝑚𝑚 = 𝜌𝜌𝑤𝑤 𝑐𝑐𝑤𝑤 𝑉𝑉𝑖𝑖𝑖𝑖 (𝑇𝑇𝑚𝑚−1 − 𝑇𝑇𝑚𝑚 ) + 𝐾𝐾(𝑇𝑇𝑎𝑎 − 𝑇𝑇𝑚𝑚 )（想定使用範囲：外気温 28~40 C）
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑅𝑅͵ʹ = 𝜂𝜂𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 (͸͹.ͻ + Ͳ.Ͳʹͺ𝑡𝑡𝑎𝑎 ʹ − ʹ.ͷͻ𝑡𝑡𝑎𝑎 )𝜌𝜌𝑤𝑤 𝑐𝑐𝑤𝑤 𝑉𝑉𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 ∆𝑇𝑇𝑚𝑚 = 𝜌𝜌𝑤𝑤 𝑐𝑐𝑤𝑤 𝑉𝑉𝑖𝑖𝑖𝑖 (𝑇𝑇𝑚𝑚+1 − 𝑇𝑇𝑚𝑚 ) + 𝐾𝐾(𝑇𝑇𝑎𝑎 − 𝑇𝑇𝑚𝑚 )

(19)

(27)

 ポンプ動力の計算 冷却塔の電力消費量計算
Vol.48. No.2

(26)

－ 65 －

5

太陽エネルギー熱電供給システムに用いるポンプ動力𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
太陽エネルギーKohei TERASHIMA, Haruki SATO and Toshiharu IKAGA

文献 35)を参考にし，発電所効率𝜂𝜂𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 は 55 %，発電所熱源温は以下の式で計算する．
𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 =𝜌𝜌𝑤𝑤 𝑉𝑉𝑤𝑤 𝑔𝑔𝑔𝑔

度𝑇𝑇𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 は 1773 K（=1500 C）と仮定する．また発電所の廃熱温(28)𝜂𝜂𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝

本研究では給湯用貯湯槽・暖房用貯湯槽・冷却塔と PV/T ソー

度𝑇𝑇𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 は（海水温度+7 K）程度 36)であり，本研究では（外ラーパネルを接続する集熱配管の全揚程をそれぞれ10 m と仮定

 なお冷却塔の廃熱は，水の蒸発によって外気温以下で廃熱さし，ポンプ効率はカタログから 27.7 %として計算する 34)．なおれるとし，環境熱負荷エクセルギーは 0 とした．

気温+7 K）として計算を行った．

暖房用温水配管の全揚程も 10 m と仮定し，式(28)で計算する．
 計算結果の評価

．397 ソーラーパネルのモデルの妥当性

 省エネルギー性は電力消費量で比較する．環境への熱負荷は

 集熱効率・発電効率の実測値と推定値の比較を Fig. 5 に示す．

式(29)の環境熱負荷エクセルギー𝐴𝐴𝐸𝐸 を用いて計算する．この式

計測データには 12 月 23 日に計測したデータを使用した．実測は，廃熱が外気に対して行う仕事量であり，廃熱量だけでなく，では，貯湯槽から PV/T ソーラーパネルにポンプ（荏原製作所：

廃熱温度も考慮した指標である．

D25SCD 5.25）を介して伝熱媒体（水）を供給し，その流量は流𝐴𝐴𝐸𝐸 = 𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒 (1 −𝑇𝑇𝑎𝑎𝑇𝑇𝑒𝑒𝑒𝑒ln)𝑇𝑇𝑒𝑒𝑒𝑒 − 𝑇𝑇𝑎𝑎 𝑇𝑇𝑎𝑎

量計（キーエンス：FD-M5AY），入口と出口の温度は白金測温(29)抵抗体で測定した．また日射量は日射計（英弘精機：EKO

PV/TおよびPVソーラーパネルの環境熱負荷エクセルギーは，

MS-402），発電量は MPPT を搭載した発電量計（浪越エレクト

廃熱温度は上述した熱収支式で計算したカバーガラスの温度とロニクス：PV-757）で計測した．この日の平均集熱効率は，実し，廃熱量𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 は，PV/T および PV ソーラーパネルが受け測値で 32.2 %，推定値が 33.9 %であり，平均発電効率は，実測た日射量の内，熱や電力に変換されなかった熱量であるとし，値で 11.5 %，推定値で 11.4 %であった．本モデルの不確かさに

式(30)から算出する．

対応する ASHRAE 規格 37)の CV(RMSE)は，集熱効率で 11 %，
発電効率で 2.1 %となった．ASHRAE では 15 %以下が望ましい(30)

𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝐺𝐺𝐴𝐴𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 (1 − 𝜂𝜂𝑡𝑡ℎ − 𝜂𝜂𝑝𝑝𝑝𝑝 )モデルとしており，本モデルの妥当性は高いと判断した．

給湯や暖房のヒートポンプでは，外気から吸熱して温水を加熱するため，外気を冷却する．一方で，冷房は室内の熱を外気に放出するため，外気を加熱する．
これらのヒートポンプの吸熱量（廃熱量）は，先述した理論
COP で計算した際の吸熱量と出力熱量等から，近似式を作成して計算を行った．なおヒートポンプの吸熱温度は（外気温−7 ）C，廃熱温度は（外気温+7）C とした．
CO2 作動流体の場合の吸熱量𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒,𝐶𝐶𝐶𝐶ʹ

𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒,𝐶𝐶𝐶𝐶ʹ = 𝑄𝑄𝐻𝐻𝐻𝐻 (−Ͳ.͸ͲͲ × ͳͲ−͵(𝑡𝑡𝐻𝐻𝐻𝐻,𝑖𝑖𝑖𝑖 − 𝑡𝑡𝑎𝑎 )

ʹ

(31)

+͸.ͶͲ × ͳͲ−͵(𝑡𝑡𝐻𝐻𝐻𝐻,𝑖𝑖𝑖𝑖 − 𝑡𝑡𝑎𝑎 ) + Ͳ.ͺ͸ʹ)

R410A 作動流体の場合の吸熱量𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑅𝑅ͶͳͲ𝐴𝐴

Fig. 5 Heat collection efficiency and PV efficiency of PV/T solar

𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑅𝑅ͶͳͲ𝐴𝐴 = 𝑄𝑄𝐻𝐻𝐻𝐻 (Ͷ.͵Ͳ × ͳͲ−͵𝑡𝑡𝑎𝑎 + Ͳ.ͺͳͳ)(32)

𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑅𝑅͵ʹ = 𝑄𝑄𝐻𝐻𝐻𝐻 (Ͷ.͸Ͳ × ͳͲ−͵𝑡𝑡𝑎𝑎 + Ͳ.ͻʹͺ)(33)

R32 作動流体の場合の廃熱量𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑅𝑅͵ʹ

panel model with those of measured data.

．シミュレーション結果・考察 ソーラーパネルの導入面積割合の検討

外部系統電力から電力を購入する場合，その電力を大規模発電所で発電すると仮定すると，その発電の際に生じた廃熱が環境に作用する．発電所における廃熱は式(34)，(35)で計算する．
式(34)は，購入電力量𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 を，発電所がカルノーサイクルの効率で発電すると仮定した際に，発電所で必要になる熱量𝑄𝑄𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝の計算式であり，式(35)では発電所で投入された熱量の内，電力に変換されなかった分を発電所の廃熱として計算している．
𝑄𝑄𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 (ͳ −𝑇𝑇𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝)=
𝑇𝑇𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
𝜂𝜂𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝

𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = 𝑄𝑄𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 − 𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝

Journal of Japan Solar Energy Society

 本研究で想定した住宅に適するパネル導入面積を計算するため，8 m2 ずつ導入面積を変えて，電力消費量および環境熱負荷
エクセルギーの計算を行った．Table 4 に異なる PV/T ソーラーパ
ネル面積の年間電力消費量および環境熱負荷エクセルギー，太陽エネルギー熱電供給システムにおける集熱・発電量，購入・売電量の推算結果を，Table 5 に PV/T および PV ソーラーパネルを設置せずに 2.2 節で示した供給を行った場合の，需要種別ごとの電力消費量およびそれらの合計値を示す．

(34)
(35)

なお本研究における電力消費量（Grid-power consumption）は，購入電力量（Buying electricity）から売電量（Selling electricity）を引いた値として計算している．
－ 66
6 －

Vol.48, No.2, 2022

Proposal of net-zero energy house by introducing environmentally friendly PV/T solar panels

Table 4 Annual calculation results of solar-electricity and -heat supply system
PV/T solar

PV solarGrid-power consumption

Environmental

Solar heat

Solar electricity

Buying electricity

Selling electricity

panel area, m2

panel area, m2

GJ (MWh)

exergy load, GJ

GJ

GJ (MWh)GJ (MWh)GJ (MWh)

032

3.02 (0.84)

3.32

0

23.6 (6.56)

20.5 (5.69)

17.5 (4.85)

824

0.93 (0.26)

2.74

10.3

23.3 (6.47)

18.5 (5.14)

17.6 (4.88)

16

16

0.47 (0.13)

2.22

20.7

23.0 (6.39)

17.8 (4.95)

17.3 (4.82)

24

80.32 (0.09)

1.70

31.4

22.7 (6.31)

17.3 (4.80)

16.9 (4.71)

32

00.40 (0.11)

1.16

43.1

22.4 (6.31)

16.9 (4.70)

16.5 (4.59)

 電力消費量
Table 4 より，PV/T ソーラーパネルの導入面積が 24 m

2 のとき

 ガラスカバーに加えて集熱器表面のカバーガラスが加わり日射の透過が妨げられること，また高温の温水を出力する条件では，に電力消費量が 0.32 GJ と最小となる．この導入面積で，Table 5

PV モジュール自体が高温になることが原因となり，通常の太陽の電力消費量25.8 GJ のほぼ全てのエネルギーを太陽エネルギー

電池よりもやや発電効率が低下している．Table 4 に示したシミのみで供給可能となる．本研究では全館暖房を行う想定のため

ュレーション結果からも，PV/T ソーラーパネル導入面積が増加

熱需要が大きいが，PV/T ソーラーパネルを用いて直接熱供給をするとシステム全体の発電量が減少することが分かる．

行うことで，ZEH（ネット・ゼロ・エネルギー・ハウス）を実
Table 5 Annual power consumption

現することが可能である．
システムの熱電供給の具体例として，PV/T ソーラーパネル導DemandPower consumption, GJ (MWh)

入面積を 24 m2 とした際の，中間期（4 月 8 日）のシステム集熱Heating

9.02 (2.51)

量，給湯・暖房需要，貯湯槽内平均温度を Fig. 6 に，システム発Cooling

0.49 (0.136)

電量および非熱電力需要，電力購入量・売電量を Fig. 7 に示す．

Hot water

4.88 (1.36)

Fig. 6 に示すように，暖房需要は朝と夜に発生しており，給湯

Cooking

1.86 (0.516)

需要は夜に急激に発生している．0 時から 7 時頃までは暖房需要

Electricity

9.50 (2.64)

に対して貯湯槽の温度が不足しているため，暖房用給湯ヒート

Total

25.8 (7.16)

ポンプを稼働している．日射が出ている時間帯では，集熱温度
が 40 C 以上と低く設定されている暖房用の貯湯を優先し，次に集熱温度を 60 C 以上にして給湯用の貯湯を行う．これらの貯湯が完了した時点で，冷却塔運転に切り替え，PV/T ソーラーパネ
ルを冷却する．夜間に発生する暖房・給湯需要に対しては貯湯槽の温水を直接供給するため，貯湯槽平均温度は低下している．
一方で，電力は Fig. 7 より 0 時から 7 時頃までは暖房用給湯ヒートポンプを稼働するために外部系統電力から購入している．
3.2 節で示したように，本シミュレーションでは，ある時刻においてタンク内熱量が需要を下回っている場合にヒートポンプを稼働するため，運転間隔が空いている．日射が出て発電が開始
されると売電にシフトし，夜間には給湯・暖房は貯湯槽の温水

Fig. 6 Heat collection amount, hot water/heating demand, and averageを使うため，非熱電力分のみを系統電力から購入しており，補tank temp. vs. time on 8th April.

助熱源である電動ヒートポンプは稼働していない．このように熱需要に対して直接熱供給を行い，非熱電力に対してのみ電力を供給することで，電力消費量を削減することが可能となる．
Fig. 8 に PV/T ソーラーパネル面積ごとの月別電力消費量および暖冷房・給湯の熱需要合計を示す．なお電力消費量が負の値の場合は，売電された電力消費量を表している．Fig. 8 より，8月などの熱需要の小さい夏季には PV/T ソーラーパネル導入面
積が小さく，PV ソーラーパネル導入面積が大きい方が電力消費量を削減できる一方で，熱需要の大きい冬季は PV/T ソーラーパ
ネル導入面積が大きい方が電力消費量を削減可能である．開発した PV/T ソーラーパネルは，3.2 節に示したように太陽熱集熱

Fig. 7 Solar electricity supply, buying/selling electricity, and electricity

器内に PV モジュールを格納した形状であり，PV モジュールのdemand vs. time on 8th April.

Vol.48. No.2

－ 67
7 －

太陽エネルギーKohei TERASHIMA, Haruki SATO and Toshiharu IKAGA

Table 6 Annual calculation results of environmental exergy load at different PV/T solar panel area
PV/T panel area

PV panel area

PV/T panel

PV panel

Grid power

Heat pump, GJ

Heat pump, GJ

Total exergy load

2

m

2

m

GJ

GJ

GJ

(Hot water)(Heating & Cooling)(32 m2), GJ

0

32

0

3.57

0.246

-0.198-0.298

3.32

8

24

0.300

2.68

0.173

-0.150-0.259

2.74

16

16

0.635

1.79

0.160

-0.125-0.232

2.22

24

8

0.979

0.89

0.154

-0.105-0.232

1.69

32

0

1.310

0

0.154

-0.090-0.213

1.16

 夏期のような熱需要の小さい期間は，貯湯槽への蓄熱を多 蓄電池容量の検討

く必要としないため，PV/T ソーラーパネル導入面積が大きいほ ゼロエネルギーハウス（ZEH）化へのシステムデザインとしど発電効率の低下が大きくなり，売電量が減少することで電力て，費用対効果の高い蓄電池の導入量を，一日の平均購入電力

消費量削減効果が減少する．一方で冬季は熱需要が大きいため，量と仮定し，蓄電池の容量を検討する．

PV/T ソーラーパネル面積が大きいほど熱需要に対して直接温水 一日の平均購入電力量の年間平均は，PV/T ソーラーパネル導の供給を行うことができ，電力消費量を削減できる．

入面積を 24 m2 とした場合は 13.1 kWh，全て PV パネルとした場

通年で計算した場合，本研究の想定では導入面積が 24 m2 の場

合は 15.5 kWh となった．太陽エネルギーを熱として暖房や給湯合に最も外部系統電力（Grid-power）の電力消費量を削減できる．

に直接利用することで電力消費量を削減でき，必要蓄電池容量 環境熱負荷エクセルギー

を 2.4 kWh 削減できることも明らかになった．

Table 6 に PV/T ソーラーパネル導入面積割合ごとの年間環境

また，PV/T ソーラーパネル導入面積を 24 m2 とした場合，一熱負荷エクセルギーを，Fig. 9 にその比較を示す．なお環境熱負日の最大購入電力量は 35.5 kWh となった．完全に自立した住宅

荷エクセルギーは，PV/T および PV ソーラーパネル，外部系統

は，最大容量の蓄電池を設置する必要があるため効率的ではな

電力，冷房用エアコンの場合は正の値であり，給湯や暖房をヒ

く，故障時の安全性も含めて，住宅・オフィス・工場・EV 等をートポンプで供給する場合は外気から吸熱するので負の値（自然環境を冷やす）となる．Table 6 に示す環境熱負荷エクセルギ
ーの合計値は，PV/T・PV ソーラーパネル，外部系統電力，給湯・暖冷房ヒートポンプの環境熱負荷エクセルギーの和である．
Fig. 9 より，PV ソーラーパネルからの環境熱負荷エクセルギ
ーの値が最も大きく，外部系統電力やヒートポンプの環境熱負荷エクセルギーは PV ソーラーパネルと比較すると小さい．     
環境熱負荷エクセルギーが大きな値となるのは，（１）廃熱量が大きい場合，（２）廃熱する温度が外気温よりも高い場合である．
PV ソーラーパネルの温度は（外気温+30） ºC 程度と比較的高温であり，発電効率が 15 %程度で残りの 85 %が廃熱となるため，環境熱負荷エクセルギーが大きくなる一方で，PV/T ソーラーパ
ネルの温度は外気温+10 ~ 20 ºC 程度であり，集熱・発電効率を

合わせると最大で日射の 70 %以上を利用できるため，環境熱負Fig. 8 Monthly power consumption at different PV/T solar panel area

荷エクセルギーを抑制できる．したがって PV ソーラーパネルのwith heat demand.

導入面積が減少し，PV/T ソーラーパネル導入面積が増加するにつれて，環境熱負荷エクセルギーは低下する．
一方で外部系統電力では，廃熱量は大きいが，廃熱温度が（外気温+7） ºC と小さいため，環境熱負荷エクセルギーは比較的小さい．またヒートポンプは，暖房や給湯に使用する割合が大きく，環境熱負荷エクセルギーは負の値となっている．
Table 6より，
PV/Tソーラーパネルの最適導入面積である24 m2の際は，PV ソーラーパネルを 32 m2 設置した場合と比較して環境熱負荷エクセルギーを 3.32 GJ から 1.69 GJ まで 49.1 %削減できる．このように環境熱負荷エクセルギーを用いることで，システム全体からの自然環境への熱負荷を廃熱量および廃熱温度

Fig. 9 Annual environmental exergy load at different PV/T solar panelarea.

から定量的に評価することが可能である．
Journal of Japan Solar Energy Society

－ 68
8 －

Vol.48, No.2, 2022

Proposal of net-zero energy house by introducing environmentally friendly PV/T solar panels

組み合わせた電力融通が可能なクラスター化したエネルギーマ
ネジメントシステム（CEMS）を構築してネットワークに接続し，．おわりに

昼間の余剰電力は住宅以外の電力需要がある施設に供給し，太本論文は東京の 2020 年の気象データを用いて，床面積 126.6

陽エネルギーが得られない夜間に外部から電力供給を受けるこ

m2 の戸建て住宅について，4 人家族の各構成員の 15 分毎の行動とが可能な，蓄電池をもつ電力融通システムの構築が望まれる．

スケジュールに基づくエネルギー需要シミュレーション計算を 冷却塔の有無による比較

行い，PV/T および PV ソーラーパネルを組み合わせて設置した冷却塔による発電効率向上効果および環境熱負荷エクセルギ

太陽エネルギー熱電供給設備のシステムデザインを紹介すると

ー削減効果を検証するため，冷却塔の有無による計算結果の比ともに，自然環境への熱負荷を削減可能な太陽エネルギーによ較を行った．Table 7 に年間の集熱・発電量および電力消費量，るゼロ・エネルギー・ハウス（ZEH）の可能性を立証した．本

環境熱負荷エクセルギーの計算結果を示す．Table 7 に示すよう研究が，太陽エネルギー高度利用の普及に役立てば幸いである．

に，冷却塔を設置することで集熱量が 17.6 GJ から 31.4 GJ と 1.78倍に増加し，冷却塔によって PV/T ソーラーパネルが冷却される【謝辞】

ことで，発電量も 22.4 GJ から 22.7 GJ に増加する．電力消費量実験に協力していただいたサンジュニア（株），入江産業（株），

は，冷却塔を設置することで PV/T ソーラーパネルの発電量が増

久保田稔製陶所（有），東京海洋大学の小嶋満夫先生・國吉直先加する反面，冷却塔自体で電力が消費されるため，冷却塔の有生，本研究に携わった慶應義塾大学佐藤春樹研究室の学生に感無で差は無い．一方で，Table 7 より，冷却塔を導入した場合は，謝いたします．本研究は潮田記念基金による慶應義塾博士課程

冷却塔を導入していない場合と比較して環境熱負荷エクセルギ

学生研究支援プログラム，
および JSPS 科研費 JP21J13148 の助成

ーを 25.2 %削減できることがわかる．

を受けたものです．

Fig. 10 に月別のPV/Tソーラーパネルの環境熱負荷エクセルギ
ーを示す．Fig. 10 より，冷却塔を導入しない場合，夏季に環境

熱負荷エクセルギーが大幅に上昇する．冷却塔を導入しない場

参考文献


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tower

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22.4 (6.22)

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0.321 (0.09)

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21) 橋本英樹，山本圭佑，河野佑輔，佐藤春樹，2011 年 6 月，住人の行動に基づく住宅エネルギー消費推定プログラムの推定結果妥当性に関36) 海洋生物環境研究所・日本エヌ・ユー・エス株式会社，2011，平成 2
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22) Panasonic，住宅用パワーコンディショナー，https://sumai.panasonic.jp/s445.pdf (accessed 2021/8/22).

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ASHRAE Guideline 14-2014.

2021/8/22).

【記号表】                                    【添え字】
面積

[m2]

Q：

熱量

𝐴𝐴𝐸𝐸

環境熱負荷エクセルギー[kJ]

熱容量流量比𝑐𝑐：

比熱[kJ·kg-1·K-1]

𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶：

電動ヒートポンプのCOP

[-]

𝑅𝑅ℎ ：

𝐸𝐸：

電力消費量

[kJ]

𝑔𝑔：

重力加速度

[m s-2]G：

日射量[kW·m-2]

𝐻𝐻：

全揚程

[m]

ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎 ：

入口空気の飽和エンタルピー[kJ·kg-1]ℎ𝑐𝑐 ：対流熱伝達率[kW·m-2·K-1]ℎ𝑟𝑟 ：放射熱伝達率[kW·m-2·K-1]ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠 ：

入口水温の飽和エンタルピー[kJ·kg-1]

𝐾𝐾：

熱損失係数

[kJ·K-1]

𝐿𝐿：

空気層の厚み

[m]

m：

質量流量

[kg·s-1]

𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁：

伝熱単位数

P：

発電量

PF：

パッキングファクター

𝐴𝐴：

>@

[kW·m-2][-]


Journal of Japan Solar Energy Society

𝑡𝑡：

温度

[kJ] or [kW·m-2]

a：

空気

ref：

定格

b：

底板

sky：

天空

[C]

CO2：

CO2 作動流体ヒートポンプ

th：

集熱

w：

水

>@

𝑇𝑇：

温度

[K]

com：

圧縮機

𝑣𝑣：

風速

[m/s]

ex：

廃熱・吸熱

𝑉𝑉：

体積

[m3]

g：

カバーガラス

𝛼𝛼：

日射吸収率

[-]

HP：

ヒートポンプ𝛽𝛽：PV パネルの温度係数

[K-1]

in：

入口

𝛾𝛾：

冷却塔温度効率[-]

layer：

貯湯槽の1 層

𝜀𝜀：

熱放射率

[-]

m：

貯湯槽内のm 層

𝜂𝜂：

効率

[-]

𝜃𝜃：

日射入射角

[rad]

𝜆𝜆：

熱伝導率

𝜌𝜌：

𝜎𝜎：

𝜎𝜎𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒
𝜏𝜏：
：
∅：

RXW：

出口

p：

PV モジュール

[kW·m-1·K-1]

plant：

外部系統電力水の密度[kg·m-3]

pump：

ポンプ

シュテファンボルツマン定数[kW·m-2·K-4]

pv：

発電

有効放射定数[kW·m-2·K-4]

PVT：

PV/T ソーラーパネル

カバーガラスの日射透過率

[-]

R32：

R32 作動流体ヒートポンプ

冷却塔特性

[-]

R410A：R410A作動流体ヒートポンプ

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Vol.48, No.2, 2022