放射（輻射）冷暖房の消費エネルギー計算

東京理科大学長井 達夫

はじめに 「放射冷暖方式のエネルギー計算」とは？
 既往の研究にみる放射冷暖房方式の省エネ効果
 従来方式（全空気方式との比較）
 他の省エネ手法との比較

 放射冷暖房方式のシミュレーション
 BESTによる計算

放射冷暖房方式の構成
EA

天井パネル

HEX

外調機
CHS

CHR

OA

冷凍機

放射パネルは放射空調システムの一要素（受動的要素）

放射冷暖房方式のエネルギー増減の因果関係
Reduce HP
energyUtilize freecooling, wellwater, etc.
Reducewater ⊿T?

Reduce peakload
Raise water
temp.

Reducefan energy

Outdoor air unit,
dehumidifier
Increase ordecrease
pump energy?

Slowerset-upRoomhumidity

Radiantpanel

Need to avoid
condensationThermal
comfortHeat toceilingchamberLower
MRT

Raiseroom temp.
Air
distribution

Heatloss

Reducecoolingload

既往の研究にみる放射冷暖房の省エネ効果－ 放射冷暖房vs空気式

対流式を基準とした放射冷暖房の省エネ率
100

削減率[%]

8060
40200
Stetiu(1999)

Niu(2002)

Hao Memon Henze(2007) (2008) (2008)

Lopez(2013)

Zakula(2015)

Water Chilled
Chilled Radiant & TABS +Floor
TABS +
panel ceiling + ceiling +free
Geo HP cooling + DOAS
DessicantDessicant Dessicant cooling
Kyu-Nam Rhee and Kwang Woo Kim:A 50 year review of basic and applied research in radiantheating and cooling systems for the built environment, Building and Environ, 2015;91:166-190.

Hao(2007)の検討例

Hao X, Zhang G, Chen Y, Zou S, Moschandreas DJ. A combined system of chilled ceiling,
displacement ventilation and desiccant dehumidification. Build Environ 2007;42:3298-3308.

Memon(2008)の検討例

ET*と温冷感申告の関係

教室での申告に基づくPPD

 中立 ET*=29.9℃ （パキスタンの教室における被験者）
 従来式の設定温度=26℃
 放射冷暖房はCTを利用（2ACHの外気?も処理）
 CTで処理できなくてもシーリングファンでしのぐ(?)
Memon RA, Chirarattananon S, Vangtook P. Thermal comfort assessment and application ofradiant cooling: a case study. Build Environ 2008;43:1185-1196.

Stetiu(1999)の検討例

50%削減

25%削減

0

地域による夏期削減率の差

気候と負荷削減の関係

 外気処理、冷凍機COPは同一条件で米各地域で比較
 放射方式による削減効果の主要因は空気搬送動力低減
 Hot & dry な地域で効果大、COP大の方が効果大
Stetiu C. Energy and peak power savings potential of radiant cooling systems in US commercialbuildings. Energy Build 1999;30:127-138.

既往の研究にみる放射冷暖房の省エネ効果－ 放射冷暖房 vs 他の省エネ手法

DOEレポート(2002)の検討
 DOE研究プロジェクト（報告書3分冊）
 米業務用HVACの現状のエネルギー消費量の算出
 種々の省エネ手法による国全体の削減量の見積り、普及への課題の提示

DOEレポート(2002)

Kurt W. Roth et.al.: “Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC
Systems Volume III: Energy Savings Potential”, Building Technologies Program (DOE), 2002

DOEレポート(2002)
Component

Equipment

Systems

Controls/Operations

Kurt W. Roth et.al.: “Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC
Systems Volume III: Energy Savings Potential”, Building Technologies Program (DOE), 2002

DOEレポート(2002)※全米の業務用HVAC一次エネルギー合計は推計4.6quads

Kurt W. Roth et.al.: “Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC
Systems Volume III: Energy Savings Potential”, Building Technologies Program (DOE), 2002

DOEレポート(2002)：放射式の省エネ効果
 搬送動力の低減（20～30%）
 搬送風量の低減（導入外気のみで可） 換気基準（ASHRAE 62）を満たすための外気量を減らせる（DOASの場合）

 冷凍機動力の低減（15～20%）
 蒸発温度の上昇
 換気量・ファン動力低減による冷房負荷の低減

 暖房エネルギーの低減（8～10%） 換気量の低減（コスト増分がほぼ0なのはダクト・ファンの機器、スペースコスト削減のため）

DOEレポート(2002)：省エネ手法の分類

Kurt W. Roth et.al.: “Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC
Systems Volume III: Energy Savings Potential”, Building Technologies Program (DOE), 2002

DOEレポート(2002)：各手法のNEB

Kurt W. Roth et.al.: “Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC
Systems Volume III: Energy Savings Potential”, Building Technologies Program (DOE), 2002

DOEレポート(2002)：各手法の課題

Kurt W. Roth et.al.: “Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC
Systems Volume III: Energy Savings Potential”, Building Technologies Program (DOE), 2002

DOEレポート(2002)：放射式の課題
 HVAC system designer/installer education
with approach; Integration into commonly-used HVAC designtools
 Demonstration of operational benefits

 Cost and energy consumption comparison
with VAV system using an enthalpy wheeland dedicated outdoor air systems.

DOEレポート(2011)の検討
 2002年版の改訂版的報告書
 放射冷暖房としてはChilled beam radiantcoolingのみ
 普及済みあるいは開発完了技術は除外

DOEレポート(2011)の検討
Chilled beam radiantcooling

DOAS
Continuouscommissioning
Energy saving potential[Quads/year]“Energy Savings Potential and RD&D Opportunities for Commercial Building HVAC Systems”,
Building Technologies Office (DOE), 2011

放射パネルのシミュレーション（BESTの場合）

BESTにおけるシステム計算

モジュール：要素機器、制御、画面表示、…
23

計算順序に従ってモジュールに計算をさせ、情報の受け渡しをする
情報の流れはループを成すこともある情報の流れ≒ 物理的な流れ時刻ステップの数だけ同じ処理を実行

要素モジュールの基本形u（入力）

xy

（状態）

（出力）

p（スペック）例）空冷ヒートポンプチラーp ：定格能力、定格電力、定格冷水量、…
u ：冷水入口水温・流量、外気温湿度、on/off、…
x ：なし（動特性考慮せず）
y ：冷水出口水温・流量、消費電力等の記録
24空調標準モジュール
分類

モジュールの例

熱源機器

冷温水発生機 ターボ冷凍機 ボイラ HPチラー ビルマルチ

熱源補機

冷却塔 熱交換器 蓄熱槽

搬送機器

ポンプ ファン

空調機

冷温水コイル 加湿器 全熱交換器 OAチャンバー ファン

制御機器

熱源･AHU制御(発停･台数制御等) PID制御

搬送系部品

配管およびダクト（分岐・集合ヘッダ） 流量拡大･縮小 他

室

ゾーン（システム接続用） 他

集計部品

１次エネルギー消費量集計、資源消費量集計 メータ（電力等）

ソース

固定条件（水・空気等） 気象データ 外部データ読み込み

シンク

計算中のグラフ表示（空気・水・電力などの状態値や積算値）

25

放射パネルモジュールの概要
ta,1ASTp,11/hcs,11/hrs,1 ゾーン 1

Rw-pts,1
Rf,1 (付加抵抗)

熱源等の機器モジュール
還り水温
熱流

送水温度
流量

tp
配管

放射パネル

パネル

Rf,0 (付加抵抗)ts,01/hcs,01/hrs,0
ゾーン 0

室温
放射温度

対流・放射
熱流

ta,0ASTp,0（熱回路網）

室計算（他モジュールとの関係）

対象とする放射パネル
 熱容量を持たない冷温水パネル
 両側が空気に接している
放射パネル（熱容量なし）天井チャンバー室
室
床下
床暖房パネル（熱容量なし）独立型放射パネル（熱容量なし）放射パネルのモデルアプローチ
 演繹的モデリング 配管、パネル形状等から熱コンダクタンスを算出
 放射パネルの設計に利用可
 入力データが複雑、メーカー品の場合入手困難
 メーカーの試験特性から水～室温間のコンダクタンスを読み取り、水～パネル間の熱コンダクタンス（固定値とみなす）を算出

パネル能力[W/m2]
パネル能力[W/m2]

 帰納的モデリング

16014012010080604020046810
室温－冷水平均温度 [K]

室温－冷水間の温度差[K]12放射パネルモジュールのパラメータ
パラメ ータ：パラメータ
Ap：
パネル1枚あたり面積[m2]Np：
パネル並列系統数
入力
出力
Ns：
パネル直列接続数
モジュール
cpw：
水の比熱[J/(g･K)]
Rf,0, Rf,1： 固定付加熱抵抗値[m2K/W]
0, 1 ： パネル両面の長波放射率[-]hc,s：
パ ネ ル 面 の 熱 伝 達 率 [W/(m2 ･ K)] （ 冷 却 、 加 熱 に 対 す る 、上向面、下向面、垂直面の計6つの値）
face,0, face,1：両面の向き（'up':上向き、'down':下向き、'vertical':垂直）Kw-otp,t： 試験時の熱コンダクタンス（パネル単位面積あたり）[W/(m2･K)]inc_r, 0, inc_r,1：両側の温度が、性能線図の横軸（室温－水温）の「室温」に含まれるか否かのフラグ
mode, t： 試験時の冷暖モード

モジュール単体によるテスト計算例
30200

25180

両室環境温度

160

出口水温

140

温度[℃]

20120
100

1580

入口水温

1060

吸熱量⇒

40

5200002468 10 12 14 16流量[g/s]（1直列系統あたり）

18

パネル吸熱量[W/m2]

パネル温度

計算対象モデル

窓

隣室
天井空間

隣

執務室

室

4m

隣

1m

放射パネル

隣
室

室
6m

執務室

隣室

隣室

平面図

断面図

3m

放射冷暖房（2次側のみ）のモジュール構成
〔凡例〕
天井空間

冷温水
制御信号
室との接続

放射パネル
執務室
watIn

modIn

wat ：水swc ：on-off信号
mod ：冷暖房モード
In ：入口env：室内環境
Out ：出口

swcIn

modO

watOutswcOut

swcIn

2 方弁
watIn

空調機制御

modIn

valInCtrl

環境情報
取得

watOutenvOut固定条件の水媒体

swcIn

modOutPID
valOutCtrl

PID

modIn
swcIn
envObs

おわりに放射冷暖房のエネルギー計算の今後（昨年度のもの）
 関連機器、制御等の評価体系の整備
 省エネルギー基準への対応
 パネル性能試験およびその表示方法の統一
 設計へのフィードバックが可能なツール開発