連 載

新技術調査レポート

太陽熱利用空調システムについて（一財）建築コスト管理システム研究所・新技術調査検討会

１ はじめに化されている。
SNCの構造例を図２に示す。従来の一重二重再生可能エネルギーは、環境負荷が小さく、そ併用型では、冷却水は吸収器から凝縮器へ流されの多くが国内で調達可能なエネルギーであり、エていたが、SNCでは、集熱量の増加を目的としネルギー源の多様化や新たな市場・雇用機会の創て、太陽熱温水が投入されるソーラー再生器と、出といった効果も期待できることから、積極的なソーラー再生器で得られる冷媒蒸気を凝縮させる利用拡大を図る方針となっている。また、業務用ためのソーラー凝縮器を備えている。冷却水は、分野でのエネルギー消費に着目すると、その約まずソーラー凝縮器へ流れることにより、従来と30％を占める冷房、暖房といった空調用途のエネ比べて凝縮器の飽和温度が低下し、それに伴い再ルギー削減は急務である。

生に必要な温水の温度も低下している。一方、集2011年春号の新技術調査レポートにおいて「地熱器は温水の温度が低温であるほど効率が良いた中熱を利用した空調システムの実証実験」を紹介

め、SNCを用いることにより、集熱量を従来よりした。今回は、太陽エネルギーを高い捕集効率でも増加させることが可能となっている。

得ることが期待される「太陽熱利用空調システ

さらに、SNCは、冷水を設定温度に保つためにム」の実証試験及び導入事例について報告する。

太陽熱温水の受入用三方弁開度とガスバーナ燃焼

２ 太陽熱利用空調システムの概要

量を制御し、図３に示すように空調負荷に対して太陽熱温水を優先的に利用することとしている。
これらの構成要素を組み合わせることにより、太陽熱利用空調システムの基本フローを図１に年間を通しての太陽熱利用が可能となり、業務用示す。本システムの主な構成要素は、太陽熱集熱空調システムの省エネルギー性向上やCO2削減が器（以下「集熱器」）、ソーラー吸収冷温水機（以可能となっている。

下「SNC」）、暖房熱交換器となっている。本システムにおいては、80℃以上の温水が必要になる条件が発生するため、高温条件でも高い集熱効率を有する真空ガラス管形集熱器を採用している。
冷房時には集熱器からの50 ～ 90℃の温水をSNCに投入して冷熱に変換し、暖房時には集熱器からの50 ～ 60℃の温水を暖房熱交換器を介して温熱として利用している。
太陽熱を冷熱に変換する熱源機としては、太陽熱利用のために専用設計されたSNCが既に商品

図１

太陽熱利用空調システムの基本フロー

建築コスト研究

No.79

2012.1041

新技術調査レポート

図２

SNCの構造例

図３
表１

３ 導入事例及び実証試験結果
本報告書では、太陽熱利用空調システムのデモプラントを構築し、実証試験を実施したＮビルの事例について紹介する。
３．１

太陽熱利用空調システムを構築したNビルの建

建物概要

建物

Ｎビル

所在地

神奈川県川崎市

建物構造

RC造

延床面積

3,878㎡

建物用途

事務所・ショールーム

建物竣工年

1966年

システム稼動時期

2009年９月

表２

建物概要

主要構成機器

構成機器

集熱器

SNC

開発試作機
冷房能力 422kW
暖房能力 337kW

主要構成機器及びシステムフロー

Ｎビルに構築した太陽熱利用空調システムの主要構成機器を表２に示す。
集熱器は、集熱器の評価の目的でＡタイプ、Ｂタイプ、Ｃタイプ３種類を設置した。集熱器（集主な仕様
真空ガラス管形集熱器
総面積 204㎡
ピーク時集熱量108kW
Ａタイプ：集光式、15度、109㎡、中国製
Ｂタイプ：非集光式、15度、56㎡、中国製
Ｃタイプ：集光式、35度、39㎡、ドイツ製物概要を表１に示す。
３．２

冷房負荷に対する燃料制御

暖房熱交換器 100kW相当光式）の構造を図４示す。反射板が無いものを非集光式という。
デモプラント外観及びシステムフローを図５、図６にそれぞれ示す。
従来の太陽熱利用空調システムにおいては、太陽熱温水は蓄熱タンクを介して利用されていた。
これに対して、デモプラントにおいてはシステムコストダウンに加えて下記の理由により蓄熱タンクを設けないシステムとした。
（１）蓄熱タンク設置による放熱ロスの低減
蓄熱タンクは熱容量が大きく、太陽熱利用冷凍42建築コスト研究

No.79

2012.10

図４

集熱器（集光式）の構造

新技術調査レポート

機に太陽熱温水を投入するためには、その熱容量分を太陽熱で昇温する必要があり、例えば、曇時々晴のような天候の日の場合、太陽熱は主に蓄熱タンク加熱に使われ、蓄熱された太陽熱は夜間に大気へ放熱され、空調には利用できない。
（２）空調負荷と日射の出現時間帯の同時性
給湯の負荷パターンとは異なり、空調負荷と日射は出現時間帯が同一かつ比較的安定しているた
め、蓄熱の必要性が小さい。

図５（３）冷水温度安定性の確認

デモプラント外観

SNCは、バックアップ用ガスバーナが冷水温度を一定にするよう制御されるため、急激な太陽熱温水温度の変動に対応することができる。また、SNC内部の冷水による熱容量が太陽熱温水温度の変動に対するバッファーとなり得る。
なお、2010年度の実績を基に2011年度末には更なるイニシャルコスト及びランニングコストの低減を目指して、次の改良を行った新システムで運転データを取得中とのこと。
①集熱管を水平設置することによる架台質量の低減②集熱管を集光式から非集光式に変更③配管のヘッダー方式の採用④補機類のパッケージ化
３．３

実証試験結果図６

デモプラントシステムフロー

ここでは紙面の関係から先行してデモプラントを構築し評価を実施したＮビルの2010年度の稼動評価結果を報告する。
３．３．１

集熱効率

2010年度における年間の日射量、集熱量、集熱効率の推移を図７に示す。大半の集熱器の設置傾斜角度15度にした影響もあり、日射量は５月から８月が大きくなっている。また、集熱効率は、各月40％前後で推移しており、年間の平均集熱効率は39.8％となった。
図７

日射量、集熱量、集熱効率の推移

建築コスト研究

No.79

2012.1043

新技術調査レポート

３．３．２

SNCの運転状況

SNCは、太陽熱温水を優先的に利用するだけでなく、冷房負荷が小さい中間期等においては太陽熱だけで運転して冷水を製造・供給できる能力を有している。図８は冷房負荷が小さい中間期等における太陽熱単独での冷房運転の状態を示したものである。図８において横線矢印で示した10：15から11：30、及び11：45から13：00頃の時間帯においては、ガスインプットが全くなく、太陽熱の

図８

中間期におけるSNCの太陽熱単独運転例みでも冷房運転を行えることが確認できた。この代表日における冷房負荷への太陽熱によるガスの削減率は約45％となった。
図９に代表日におけるSNCの入出力（燃料インプット・太陽熱温水インプット及び冷水製造熱量）を、図10に太陽熱温水入口温度、冷水出口温度、日射強度を示す。空調負荷（SNCの冷水製造熱量）は比較的安定して推移しており、太陽熱温水は集熱直後にSNCで回収されている。また、日射強度の変動に伴い、太陽熱温水入口温度も変動しているが、バックアップ用ガスバーナの制御により、蓄熱タンクを設けなくても冷水出口温度を極めて安定させられることが確認できた。
（８月27日の計測データ）

３．３．３

図９

年間の評価結果

SNCの入出力の変化

図11に、2010年度における本システム導入前のシステム（COP1.0の吸収冷温水機）と比べてのCO2削減効果の月毎のトレンドを示す。
年間CO2削減量は2,625kg-CO2、CO2削減率は約17%であった。ここで、４月及び５月は試験のため制御パラメータの調整を行っており、その結果として削減量が小さい値にとどまっている。なお、CO2削減効果の計算は以下の条件にて行った。
［kg-CO2/㎥ N］
・都市ガスCO2排出原単位：2.29
・電力CO2排出原単位：0.69［kg-CO2/kWh］
・ポンプ（集熱ポンプ、冷水ポンプ、冷却水ポンプ）、冷却塔ファン、吸収冷温水機の電力消費量も含む
冷暖房の一次エネルギー消費量及びCO2排出量44

建築コスト研究

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2012.10図10（８月27日の計測データ）

日射強度と冷水出口温度の変化

新技術調査レポートの削減効果の評価結果を表３に示す。
2010年度は、猛暑、厳冬の影響で空調に必要なエネルギー量が増加したため、多少試算値より実績値が下回ったが、ほぼ計画通りの結果であった。

４ おわりに太陽熱利用空調システムの実証試験により、省エネルギー性の向上及びCO2削減効果を定量的に（削減量は2007 ～ 2009年の平均値に対する2010年の実績値の差を示す）

図11把握できた。
しかし、今回の施設はデモプラントとしての採表３年間稼動評価結果用であり、イニシャルコストの低減は重視されなかったこともあり、イニシャルコストの償却年数は67年になっている。一般の設置にあたっては、

CO2削減効果（2010年度）

一次エネルギー削減率
2010年度

CO2削減率

試算値

実績値

試算値

実績値

21.7%

19.7%

18.01%

16.5%

機器の性能を抑える、『再生可能エネルギー熱利用加速化支援対策事業』等の補助金の申請等により減価償却年数を圧縮することが求められる。
一般に太陽光発電のエネルギー変換効率が10～ 20％に対し集熱器は40 ～ 50％と変換効率が高く、集熱器の部分的な劣化（真空度の低下等）がシステム全体を停止することに至らない等のメリットがある。一方、システムの普及拡大には機器費・施工費のコストダウンが重要となってくることから、引き続きシステムのコストダウンの推進、給湯需要の多い施設への展開が期待される。
最後に、本報告書をまとめるにあたって、東京ガス株式会社殿に施設のご紹介及び資料提供等のご協力を頂きましたことに関し改めて謝意を表します。

文献１）World ENergy Outlook 2009：IEA
２）本間立：“東京ガスのソーラークーリングシステム”、太陽熱利用空調･給湯システム、日本工業出版
３）梶山啓輔他：“業務用太陽熱空調システムの開発と実証”、
日本冷凍空調学会年次大会講演論文集、（2011.9）

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