2024 年 2 月 5 日
熱電一体型地域エネルギーシステムにおける災害時の熱供給ポテンシャルに関する研究―熱供給ポテンシャルの評価手法及び向上方法の提案と検証―
お ざわ

かず ま

建築学専攻

MJ22037 小澤 一真

都市環境工学研究

指導教員 村上 公哉
地域熱供給システム（DHCモデル）

1. はじめに
1.1 研究背景
図 1（上図）に地域熱供給システム（DHC）、図 1（下図）に熱電一体型地域熱供給システム（熱電一体型 DHC）のエネルギー供給フローを示す。一部の再開発地区では、地域熱導管のみならず、系統電力の一括受電＋高効率コージェネレーションシス
テム（CGS）＋自営配電網（MG：マイクログリッド）が導入された熱電一体型 DHC が普及しつつあり、街の低炭素化及びエネルギーレジリエンス強化が期待されている。
熱電一体型DHC地区では、一般的に大規模CGS を導入し、平常時及び災害時ともに需要家の電力需要の 50%を確保するシステム計画が多い。
平常時では、さらに系統からの受電電力と併せて 100%の電力供給を行う。停電時では、系統電力は途絶するが非常用発電機と CGS によってガス供給が続く限り電力供給を維持できる。
それに対して災害時における熱供給に関しては、一般的に災害時の供給義務はない。そのため、災害時では CGS の余剰電力や備蓄燃料を使用し、供給可能な熱を成り行き的に供給する計画であると考えられる。一方で、最近では災害時における熱供給も重要視する需要家が増加傾向にあるため、今後は災害時の熱供給ポテンシャルに関する評価が重要となる。
1.2 研究目的
本研究では、災害時における熱供給計画の検討に関する提案及び再開発地区の熱供給ポテンシャルの評価を行った。そしてMG が導入された熱電一体型DHC における災害時の熱供給ポテンシャルの優位性を検証した。また、さらなる熱供給ポテンシャル向上に向けた熱源システムの運用方法を検討した。
2. 分析対象地区の概要
本検討では大阪府の U 地区を対象とし、DHC 及び熱電一体型 DHC の基準モデルを設定した。本地区は、北街区と南街区の 2 つから成る。本検討で参考とする南街区には西棟と東棟の2 棟があり、総延床面積は約 314,000 ㎡である。主な建物構成はオフィス、ホテル、商業施設等である。図 2 に検討モデル地区の熱電供給フローの想定図、図 3 にシステム系統図を示す。
2.1 DHC モデルの設定
図 2（左図）より、熱源プラントが設置される東棟のみで CGS発電電力を使用し、西棟では個別受電を想定した。CGS 容量は東棟ピーク電力需要の 30%（415kW×3 台）とした。これは一般的な DHC 地区に設置される CGS 容量から想定した。
2.2 熱電一体型 DHC モデルの設定
図 2（右図）より、熱源プラントが設置される東棟で系統電力を一括受電し、CGS 発電電力と併せて東棟と西棟に電力を供給する。CGS 容量は東棟＋西棟のピーク電力需要の 50%（1,660kW×3 台）、60%（1,990kW×3 台）の 2 ケースとした。
これは総電力需要の増加に伴う CGS 容量の増大から想定した。
3. 災害時における熱供給ポテンシャルの検討
通常、平常時のエネルギー供給計画を考える際、需要家の電力需要と熱需要を基に運転計画を定め、システムシミュレーシ
ョンによってプラント消費電力量を分析する。逆に、災害時におけるエネルギー供給計画では、確保できる電力や燃料を基に稼働機器を定め、供給可能な電力・熱量を分析する。そのため、通常のシミュレーションでは検討することが難しい。よって、災害時に特化した分析手法を検討し、熱供給ポテンシャルを評価する必要がある。以下に災害時における検討方法を示す。

EC設置建物
電力

系統電力

需要家A

熱
受変電

系統電力

受変電

熱

需要家B

地域導管

CGS
系統電力

電力

熱

受変電

受変電

電力

熱源
系統電力

エネルギーセンター(EC)

熱電一体型地域熱供給システム（熱電一体型DHCモデル）
EC設置建物
電力

需要家A

熱受変電

電力

受変電

一括受電
系統電力

熱

大容量
CGS

需要家B

地域導管

熱

受変電

受変電

電力

熱源

エネルギーセンター(EC)マイクログリッド

図 1 DHC 及び熱電一体型 DHC の熱電供給フロー
DHCモデル：MG未導入ケース

熱電一体型DHCモデル：MG導入ケース

西棟

西棟

系統電力

一括受電

系統電力

系統電力

CGS

CGS
東棟

東棟

CGS容量：30%（415kW×3台）（東棟ピーク電力需要比）

CGS容量：50%（1,660kW×3台）
CGS容量：60%（1,990kW×3台）（東棟＋西棟ピーク電力需要比）

図 2 U 地区（南街区）の概要及び災害時の熱電供給フロー図
ターボ冷凍機冷水
インバータターボ冷凍機

電動HP

蓄熱槽

ガスエンジン
CGS

吸収式冷温水発生機

温水

冷水
ガス焚き温水ボイラ

排熱投入型吸収冷凍機

温水
ガス焚き温水ボイラ

給湯
帯水層蓄熱
ターボ冷凍機（インバータターボHP）

図 3 U 地区（南街区）のエネルギーシステムフロー図
3.1 検討方法
本検討では、災害時の中でも停電時を想定し、中圧ガスは継続供給される想定とした。そのため、CGS 発電電力を需要家及び熱源プラントへ供給することで電力・熱負荷を賄う。
はじめに、CGS で発電可能な電力量のうち、需要家に対して平常時における電力需要量の 50%まで供給する。そして残りのCGS 発電電力を熱源プラントへ供給する。
次に、その電力量を災害時の優先稼働機器に供給し、各機器の消費電力量を算出する。本検討では、昨今における熱源の電化の動向を考慮して電気式熱源機器の稼働を優先とし、特にCGS 排熱および夜間蓄熱の利用を最優先とした。
本検討では、CGS 排熱利用機器＞蓄熱放熱＞インバータターボ冷凍機の順で稼働させる。

中間期（5月）

夏期（8月）

10075
50
25
0-1時
2-3時
4-5時
6-7時
8-9時
10-11時12-13時14-15時16-17時18-19時20-21時22-23時

1-2時
3-4時
5-6時
7-8時
9-10時
11-12時13-14時15-16時17-18時19-20時21-22時
23-0時
0-1時
2-3時
4-5時
6-7時
8-9時
10-11時12-13時14-15時16-17時18-19時20-21時22-23時

0-1時
2-3時
4-5時
6-7時
8-9時
10-11時12-13時14-15時16-17時18-19時20-21時22-23時

1-2時
3-4時
5-6時
7-8時
9-10時
11-12時13-14時15-16時17-18時19-20時21-22時
23-0時
0-1時
2-3時
4-5時
6-7時
8-9時
10-11時12-13時14-15時16-17時18-19時20-21時22-23時
1-2時
3-4時
5-6時
7-8時
9-10時
11-12時13-14時15-16時17-18時19-20時21-22時
23-0時
0-1時
2-3時
4-5時
6-7時
8-9時
10-11時12-13時14-15時16-17時18-19時20-21時22-23時

00-1時
2-3時
4-5時
6-7時
8-9時
10-11時12-13時14-15時16-17時18-19時20-21時22-23時

冷温水供給割合[%]

CGS容量（約5.0倍）
CGS容量（約4.0倍）

冷温水供給割合[%]
冷温水供給割合[%]

CGS容量（約1.0倍）

DHCモデル

東棟需要30%

地区需要50%

熱電一体型DHCモデル

地区需要60%冬期（1月）

1007550250

10075
50250

図 4 U 地区の災害時における熱供給ポテンシャルの検討結果＜調整前の検討イメージ図＞
CGS発電量

温水吸収 冷凍機

需要家50％CGS追加発電量（プラント供給分）

冷凍機

熱負荷

4000
20000

昼間の時間帯に全く熱供給ができない

60
30

020-21時

22-23時16-17時18-19時

12-13時14-15時

8-9時

10-11時

4-5時

6-7時

0-1時

22-23時16-17時18-19時20-21時12-13時14-15時

6-7時

8-9時

10-11時

4-5時

0-1時

2-3時

-30

2-3時

6000

昼間の時間帯におけるCGS発電量が全て需要家に供給される冷水製造量[GJ]CGS発電電力量[kWh]

8000

INV

90

10000

＜電力供給の一部抑制後の検討イメージ図＞
CGS発電量需要家50％CGS追加発電量（プラント供給分）

温水吸収 冷凍機

冷凍機

熱負荷

4000
2000

昼間の時間帯における熱供給量を向上させる

60
30
0

20-21時22-23時16-17時18-19時12-13時14-15時

8-9時

10-11時

4-5時

0-1時

22-23時16-17時18-19時20-21時12-13時14-15時

6-7時

8-9時10-11時

4-5時

0-1時

2-3時

6-7時

-30

02-3時

6000

昼間の時間帯におけるCGS発電量の需要家供給分を少し抑制する

冷水製造量[GJ]CGS発電電力量[kWh]

8000

INV

9010000

最低熱供給割合[%]

図 5 需要家に対する電力供給抑制に関するイメージ図
100
9080
706050403020
100

CGS排熱・蓄熱放熱＋インバータターボ冷凍機

CGS排熱＋蓄熱放熱

01234567891011121314

昼間需要家供給電力抑制割合[%]

図 6 昼間の需要家供給電力抑制割合と最低熱供給割合の推移
プラント消費電力量（調整前）

プラント消費電力量（調整後）プラント消費電力量（調整モデル）

8,000
6,000

10,000

夜間においてCGS発電の余力が存在

4,000
2,000

プラント消費電力量[kWh]プラント消費電力量[kWh]10,0008,000

夜間蓄熱量を増加させ昼間に活用

6,0004,000
2,00000

図 7 夜間蓄熱の増大に関する検討のイメージ図

熱供給割合[%]

最後に、稼働機器の消費電力量に対する製造熱量を算出し、その時刻別の合計値を平常時の熱負荷量で除すことで熱供給割合を算出する。なお、部分負荷運転となる機器については各機器の部分負荷特性から製造熱量を算出する。
3.2 検討結果
図 4 に各モデルの各期間の時刻別熱供給割合を示す。熱電一体型 DHC モデル（50%）では、冬期に平常時と同等の熱供給が可能であり、中間期にも CGS 排熱や蓄熱利用が可能となる時間が増加した。さらに熱電一体型 DHC モデル（60%）では、夏期にも CGS 排熱や夜間蓄熱を最大利用できる結果であった。
一方で、昼間における熱源プラントへの十分な電力供給を確保できず、CGS 排熱や夜間蓄熱を有効利用できていない場合があることや、夜間では電力・熱ともに需要が少なく、CGS 発電電力量に活用する余地があることから、昼間における熱供給ポテンシャルのさらなる向上の可能性が示された。
4. 熱供給ポテンシャルの向上方法の検討
4.1 需要家への電力供給の一部抑制による向上効果の検討（1）検討概要
図 5 に本検討のイメージを示す。前章では、需要家に対して毎時平常時の 50%分を電力供給することを前提としたが、昼間において熱源プラントへの電力供給ができないため、CGS 排熱や夜間蓄熱等があるにも関わらず、利用できていないことが分かった。本検討では、熱電一体型 DHC モデル（50%）において、最も電力需要が大きい 8 月を対象に、昼間の需要家に対する電力供給量を一部抑制し、その抑制電力分を熱源プラントへ融通することによる、昼間の熱供給増加量を分析した。
（2）検討結果
図6に昼間の需要家供給電力の抑制割合と最低熱供給割合の推移を示す。
需要家への電力供給割合を昼間平均47%から44%に 3%抑制すると、CGS 排熱利用機器と蓄熱放熱器を稼働することができ、熱供給量が増加し、最低熱供給割合を0%から30%まで向上可能であった。さらに、需要家への電力供給割合を昼間平均 47%から 34%に 13%抑制すると、インバータターボ冷凍機も稼働でき、最低熱供給割合を 50%まで向上可能であった。
本検討の結果、需要家への電力供給割合を全日平均で約 9%、昼間平均で約 13%抑制することで、熱供給割合を 50%まで向上可能であることが分かった。
4.3 夜間蓄熱量の増大による向上効果の検討（1）検討概要
図 5 に本検討のイメージを示す。前章では、夜間は熱源機器の電力需要に対して CGS 発電電力に余裕があり、熱源機器をより運転できることが分かった。本検討では、熱電一体型 DHCモデル（60%）において、最も電力需要が大きい 8 月を対象に、ケース A（蓄熱容量 1.3 倍）、ケース B（蓄熱容量 1.7 倍）、ケース C（蓄熱容量 2.0 倍）と夜間蓄熱量を増大することによる、熱供給増加量を分析した。
（2）検討結果
図 6 に熱供給割合の向上効果を示す。調整前では、全日平均50%、昼間平均が 37%であった。それに対する熱供給割合の向上効果は、ケース A（蓄熱容量 1.3 倍）では全日平均・昼間平均でともに約 3%、ケース B（蓄熱容量 1.7 倍）では約 10%、
ケース C（蓄熱容量 2.0 倍）では約 18%向上した。以上より、総蓄熱容量を 2 倍以上に増大させることで、電力・熱需要ともに平常時の 50%程度以上の供給が可能であることが分かった。
5. まとめ本研究では、災害時における熱供給ポテンシャルの評価手法を提案し検証した結果、以下の知見を得た。
1) 災害時の熱供給ポテンシャルは、熱電一体型 DHC において最大 50%確保可能であったが、昼間供給割合は最低約 34%であった。
2) 需要家への電力供給の一部抑制による向上効果の検討では、需要家への電力供給割合を昼間平均で47%から34%へ13%

1009080706050403020100

需要家熱供給割合（全日平均）

需要家熱供給割合（昼間平均）

調整前

ケースA

ケースB

ケースC

電動ヒートポンプ 1台
INVターボ冷凍機 1台蓄熱量（1.0倍）

電動ヒートポンプ 2台
INVターボ冷凍機 1台蓄熱量（1.3倍）

電動ヒートポンプ 1台
INVターボ冷凍機 2台
蓄熱量（1.7倍）

電動ヒートポンプ 2台
INVターボ冷凍機 2台
蓄熱量（2.0倍）

図 8 各ケースにおける熱供給割合の向上効果抑制することで、災害時の最低熱供給割合が 0%から 50%に向上することが分かった。
3) 夜間蓄熱量の増大による向上効果の検討では、蓄熱容量を 2倍にすることで、災害時の熱供給割合が昼間平均で 50%以上に向上することが分かった。
【参 考 文 献】竹田裕・小澤一真・村上公哉：スマートコミュニティにおける熱電一体型地域エネルギーシステムの計画に関する研究（第2 報）災害時における熱供給ポテンシャルの検討, 空気調和・衛生工学会大会梗概集（2023.9）