40460

日本建築学会大会学術講演梗概集（中国） 2017 年 8 月

エネルギーの変換・輸送特性に着目した木質バイオマス利用暖房のエクセルギー評価(その 2. 蓄熱式薪ヒーター暖房に関する検討)
正会員
薪暖房

高橋達*

正会員

深田悠平 * *エクセルギー540

1 . 研究の背景と目的

270

170

熱伝導率： 1.2W/mK
比熱： 1.134kJ/(kgK)

540

木質バイオマスエネルギーを用いた暖房装置の一つとして蓄熱式薪ヒーターがあるが、日本において導入

材質：キャスタブル材（不定形耐火物）

密度：1950kg/m 2

熱効率：

例が少なく、空気循環等を考慮した全館暖房効果につ0.70

55 180

40いて未だ検討されていない。蓄熱式薪ヒーター暖房において、木質バイオマスのもつ化学エネルギーがどの520

1080ようなエネルギー変換と輸送が効果的暖房になるかもこれまで検討されていない。そこで本研究では数値シミュレーションにより蓄熱式薪ヒーターの暖房効果を確認するとともに、その 1 . と同様のエクセルギー解

図1

析を蓄熱式薪ヒーターについて適用した。

蓄熱式薪ヒーターの外形寸法と外観

2 . 研究方法
図 1 に蓄熱式薪ヒーターの外形寸法と外観を示す。
蓄熱式薪ヒーターは、炉内温度は 9 0 0 ℃以上の高温燃焼を可能とし、高温排気に接触した分厚い（5 5 m m ）側壁が蓄熱することにより、5 ～ 8 時間をかけて放熱する無電力バイオマス暖房装置である。
図 2 に蓄熱式薪ヒーターの発熱スケジュールを示す。数値シミュレーションとエクセルギー解析はその図2

1 . と同じ方法とし、ただし、ヒーターの放熱は図 1 の寸法・熱物性の箱内に図 2 の内部発熱があると仮定して再現するようにした

1)

改正省エネ基準相当の断熱厚さ
1 階 MRT
1 階室空気温。ただし、最寒日では暖房不温度 [℃]た。なお、図 2 で最寒日の内部発熱を他より大きくし15たのは、暖房効果が不足したためである。

2 階 MRT
2 階室空気温

2 階 MRT

2 階室空気温

10
外気温

外気温

3 . 結果と考察
3-1

改正省エネ基準相当の断熱厚さの 2 倍
1 階 MRT
1 階室空気温20足になるため発熱スケジュールとした。地点は山口県
下関市、計算暖房期間は 1 1 月 1 9 日～ 4 月 1 7 日とし

蓄熱式薪ヒーターの炉内発熱スケジュール

255

室内熱環境

6～10時

0 18～1時

図 3 にペレットヒーター暖房の室温変動を、図 4 に1/11

図3

蓄熱式薪ヒーターの室温変動を示す。いずれの暖房方
25法も、断熱厚さを 2 倍にすると室空気温が約 2 ℃高くなっている。また、蓄熱式薪ヒーター暖房では、1 階

6～10時
18～1時

床上2080W、床下4120W

1/131/15

床上1600W、床下3200W
床上2080W、床下4120W

1/13

1/161/111/151/16ペレットヒーター暖房におけるリビング室温変動
改正省エネ基準相当の断熱厚さ 改正省エネ基準相当の断熱

1 階 MRT

20厚さの 2 倍

1 階室空気温

1 階 MRT

放射暖房効果が確認できる。
図 5 にペレットヒーター暖房と蓄熱式薪ヒーター暖

温度 [℃]

M R T が室空気温よりも 0 . 5 ～ 1 ℃程度高くなっており、房の快適グローブ温度の頻度分布を示す。リジャルら
2)によれば快適グローブ温度は、床暖房時が 2 0 . 2 ( 平均152 階室空気温

2 階 MRT

1 階室空気温
2 階 MRT

2 階室空気温10
外気温

外気温5値) ± 4 . 6 ℃( 標準偏差) 、対流暖房時が 2 0 . 0 ( 平均値) ±4 . 8 ℃( 標準偏差) である。ここでは平均値±標準偏差×01/11

2 を個人差を考慮した快適範囲とし、平均値±標準偏差
An Exergy Evaluation of Space Heating with Woody Biomass Focusing onCharacteristics and Energy Conversion and Transportation(Part 2. Evaluation of Space Heating with a Small-scaled Masonry Heater)― 965 ―

1/13

1/15

1/161/11

1/13

1/151/16

図 4 蓄熱式薪ヒーター暖房におけるリビング室温変動
TAKAHASHI Itaru and FUKADA Yuhei

頻度 [h]500

1F2F

改正省エネの断熱厚さ

改正省エネの断熱厚さの2倍

9 1 .3 ％

300
200
10010014

図518222614
温度[℃]

1822152620253012 16
温度[℃]202824

ペレットヒーター利用温風床暖房(左)と蓄熱式薪ヒーター暖房(右)のリビングにおけるグローブ温度頻度分布(暖房期)を、ばらつきを考慮した快適範囲とする 。 ペ レ ッ ト

1Fヒーター暖房では、標準の断熱厚さで 9 1 . 3 ％、断時刻：2/12, 24:00
単位：W
循環ファン

熱厚さを 2 倍にすると 9 2 . 0 ％に割合が増えている。

蓄熱式薪ヒーター暖房

蓄 熱 式 薪ヒーター暖房では、標準断熱厚さで 8 5 . 3 ％の時間が快適範囲に入り、2 倍の断熱厚さでは 8 8 . 3 ％0貫流 20が快適範囲に入る。蓄 熱 式 薪ヒーターは出力の調節が124.4

室温 18.84℃

放射 620
対流 155

困難なため、過剰暖房の頻度がペレットヒーターより化石燃料

火力発電所
発電効率：35％454766

4766

製材所
ペレット輸送多くなってしまう。
3-288.3％

85.3％

9 2 .0 ％300

蓄熱式薪ヒーター

400
頻度[h]

700 ペレットヒーター暖房輸送による消費4766

19エクセルギー評価結果
床暖房 62.9 ㎡
床表面温度 15.6℃
外気温 0.9℃

図 6 にエクセルギーフローを示す。蓄 熱 式 薪ヒーターは本体からの放射と対流の放熱のみで暖房を行う

森装置であるため、発電用の化学エクセルギー投入が 1 -図6

2 階循環ファンのためだけに限られ、その１． で示した
図 7 に一次投入基準のエクセルギー効率を示す。蓄熱 式 薪ヒーターの場合、図 2 の炉内発熱をヒーター熱効率で除した投入エネルギーと薪製造の一次投入エネルギーを用いて計算している。ペレットヒーターでは、稼働していない 1 ～ 5 時が一次投入基準エクセル0.20

エクセルギー効率 [-]ペレットヒーターの場合の 1 / 1 0 に縮小されている。

林

蓄熱式薪ヒーター暖房のエクセルギーフロー
蓄熱式薪ヒーター暖房

ペレットヒーター暖房

0.150.10

放射対流0.05

放射対流0ギー効率の計算対象外である。一次投入基準エクセルており、ペレットヒーターの 2 ～ 3 倍になっている。

46 18202220時間[時]

41820

図7

一次投入基準エクセルギー効率（2/10 ～ 2/11）

ギー効率は、蓄熱式薪ヒーターが 0 . 1 ～ 0 . 2 1 になっ

2220時間[時]温風

6

これは、蓄熱式薪ヒーターの方が燃料製造と運用のたになることがある。2 ) 一次投入基準エクセルギー効率

めの一次投入エクセルギーがペレットヒーターより小は、蓄熱式薪ヒーターが 0 . 1 ～ 0 . 2 1 になっており、ペさく、かつヒーター表面温度 5 0 ～ 8 0 ℃でペレットレットヒーターの 2 ～ 3 倍になっている。これは、蓄ヒー タ ー よ り 高 い た め で ある 。蓄熱 式 薪 ヒ ー タ ー で 9

熱式薪ヒーターの方が燃料製造と運用のための一次投時以外の炉内発熱( エネルギー) と放射・対流の熱エク入エクセルギーがペレットヒーターより小さく、かつセルギーの一次投入基準効率ピークがずれるのは、本ヒーター表面温度が高いためである。

体の蓄熱作用と外気温低下による熱エクセルギー増加の結果である。

謝辞
数値計算において当時東海大学卒論生の石丸桃江さん、坂山

4 . 結論知夏さん、藤城拓実さん、吉田優輝さんの寄与は小さくありま

地点を下関にして研究を行った結果、以下のことがわかった。1 ) 蓄熱式薪ヒーターとペレットヒーターを用いたいずれの暖房方法も、1 、2 階居室のグローブ温度が暖房期間の 8 0 ％以上で 1 5 ～ 2 5 ℃の範囲に収まり、快適暖房が実現可能になる。ただし、蓄熱式薪せんでした。ここに記して謝意を表します。
参考文献
1)櫻井謙祐・高橋達：蓄熱式薪ヒーターの暖房に関する数値シミュレー
ション、 日本建築学会大会学術講演梗概集、 D-2、 pp. 1233-1234、2014 年 9 月。 2)H. B. リジャル ・ 大森敏明 ： 集合住宅における床暖房ヒーター暖房では、出力調節が難しいため、過剰暖房とエアコン暖房の熱的快適性に関する研究、空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集、 第 6 巻、 pp.133-136、 2013 年 9 月。

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東海大学工学部 教授・博士（工学）
株式会社一条工務店― 966 ―

Prof., Faculty of Eng., Tokai Univ., PhD.
Ichijo Co. Ltd.