公共施設への地域熱供給における農業用温室の導入による余剰熱利用の最適化
河村

条件

温室条件

1 450 高齢者複合施設 (4,648m )kW
a 老人ホームb デイサービスセンターc 生活支援ハウス
2 700 小学校・病院 (6,750m2)
a 小学校
kW
b 町立病院

算出式

熱供給先施設

椎茸の培養を目的とした温室モデルを想定し、時刻別熱需要を算出。単棟パイプハウスを想定し、外皮は 2 重皮膜、1 層保温カーテンを保有、カーテンは常に閉じた状態で計算した。

モデル

位置 出力

算出方法
時刻別熱需要 = 冬期日別熱需要 * 時刻別消費パターン注 5)
冬期日別熱需要 = 冬期平均月熱需要 /30
月別熱需要 = 年間燃料購入実績 * 月別消費パターン注 5)

外形
8m×30m( 最高高さ 4m)

保温カーテン
7m×29m( 高さ 2m)エネルギー消費量注 6)= 熱負荷 / 熱効率
熱負荷 =①熱貫流量 +②換気熱負荷 +③地中伝熱量 -④日射取得熱2．対象地の選定と温室の導入先
木質バイオマスによる町内エネルギー自給率 100% を目指し、地域熱供給を行っている下川町を対象とする。本論
では、下川町における、公共施設を含んだ 6 箇所の熱供給網 ( 以下、施設 ) に各々温室を導入することを検討する。
木質ボイラー及び熱供給先施設配置図

算出式

供給先施設

1．研究の背景と目的
北海道の地方小都市は豊富な新エネルギー注 1) 賦存量を有し、それらの活用を目指している。特に木質バイオマスによる地域熱供給は、地域産業の振興に効果的である 1)。
しかし、これらの地域では、夜間の熱需要が小さい公共施設への地域熱供給が主であり、余剰熱の有効利用による熱需要の平準化注 2) が求められる。
以上より本論では、地域熱供給において、夜間の熱需要が比較的多い農業用温室 ( 以下、温室 ) を整備することを想定する。その際に、余剰熱が最も削減される温室の規模と、効果的な導入先を提案する。

義志之①熱貫流量 = 外皮熱貫流率 * 外皮表面積 *( カーテン外温度注 7)- 時刻別平均外気温注 8))+ カーテン熱貫流率 * カーテン表面積 *( 設定温度注 9)- カーテン外温度 )②換気熱負荷 = 湿り空気の比熱 * 外気の比重量 * 外皮換気量*( カーテン外温度 - 時刻別平均外気温 )+ 湿り空気の比熱 * 外気の比重量 * カーテン換気量 *( 設定温度 - カーテン外温度 )③地中伝熱量 = 地表面熱伝達率 * カーテン外床面積 *( カーテン外温度 - 地表面温度注 10))
+ 地表面熱伝達率 * カーテン内床面積 *( 設定温度 - 地表面温度 )④日射取得 = 日射透過率 * 日射量注 11)* 日射取得面積③地表面熱伝達率：8.0[W/m2・K]・熱効率：0.8①熱貫流率 ( 農 PO フィルム )：3.8[W/m2・K]④・外皮日射透過率：0.6②・湿り空気の比熱：1,006.0[J/kg・K]・カーテン日射透過率：0.8・外気の比重量：1.2[kg/m3]
・外皮換気量：0.00025[m3/m2・s]
・カーテン換気量：0.00019[m3/m2・s]

図2

熱需要算出方法

熱供給先施設

温室[GJ/ 時 ]8[GJ/ 時 ]
0.2

60.15

2bc b

12ad eaba

3c

a

4

熱供給先施設ボイラー・配管

Na

1 熱供給施設
0100 200

56a

500 m

3 1,200 役場周辺施設 (9,230m2)
kW
a 役場
b 総合福祉センター
c 消防署
d 公民館
e 町民会館f 定住促進住宅 8 戸
4 80 a 町営住宅 6 戸 (614m2)
kW
5 100 a 幼児センター (1,037m2)
kW
6 240 a 中学校 (6,220m2)kW

図 1 下川町市街地の熱供給網の立地とボイラー出力
3．各施設の熱需要の算出と特徴
3．1 熱需要の算出方法
地域熱供給が行われている公共施設は、下川町の年間燃料購入実績注 4) と文献 4) より、温室は、図 2 の算出式より、冬期注 3) の時刻別熱需要を算出した。
3．2 各熱供給先施設の熱需要の特徴 ( 図 3)
高齢者複合施設のピークは 9 時であり、比較的夜間の熱需要が大きい。小学校・病院、中学校のピークは 9 時であり、7〜9 時に熱需要が急増し、その後、緩やかに減少する。
役場周辺施設のピークは 8 時であり、夜間は熱需要がない。
町営住宅のピークは 21 時であり、夜間の熱需要が大きく、12 時前後は小さい。また、他施設に比べて総熱需要が少ない。幼児センターのピークは 9 時であり、夜にも比較的熱需要がある。また、他施設に比べて熱需要総量が少ない。
3．3 温室の熱需要の特徴 ( 図 3)
ピークは 6 時であり、外気温の低い夜間の熱需要が大きく、12 時前後は日射により熱需要はない。
4．余剰熱が削減される温室の規模
4 章では、表 1 に示す 4 つの温室導入パターンから温室導入規模を設定し、各施設に導入した際の余剰熱削減量を算出した。そこから、パターン毎に最も効果的な温室の規

40.120.050036

高齢者複合施設

91215

小学校・病院

図31821 [ 時 ]役場周辺施設

003

町営住宅

6912

幼児センター

151821[ 時 ]

中学校

温室

各施設における時刻別熱需要模を示した。また、3 章より、町営住宅は熱需要の特徴が温室と類似し、導入効果が小さいため、検討外とする。
既存出力内型 ( 図 4-Ⅰ) 木質チップで全熱需要を賄うことができるのは、幼児センターのみである。温室の規模は240[m2]、余剰熱は 0.64[GJ/ 日・m2] 削減され、平準化率は69.6[%] であった。これは、ボイラーの最大出力が熱需要と比べて大きいためである。
コスト回収型 ( 図 4-Ⅱ) 全ての施設において、余剰熱が最も削減され、平準化率は導入前より上昇した。特に余剰熱が削減されたのは幼児センターであり、削減量は 0.61[GJ/ 日・m2] である。また、温室の規模は 480[m2]、平準化率は 77.4[%] であった。幼児センターはボイラー出力が最小であり、小規模の導入で最も平準化されたためである。
次に、平準化率が最も高い最大平準化型と、温室 1m2 当たりの平準化率の上昇度合いが高い最適平準化型について検討を行う。
最大平準化型 ( 図 4-Ⅲ) 全ての施設において、導入前と比べて平準化率、余剰熱ともに増加した。その中で最も増加量が少ないのは高齢者複合施設であり、0.03[GJ/ 日・m2]余剰熱が増加した。また、温室の規模は 4,320[m2]、平準化率は 78.1[%] であった。
最適平準化型 ( 図 4-Ⅳ) 全ての施設において、平準化率は上昇したが、余剰熱は微減した。小学校・病院は平準化率・余剰熱削減量ともに、最大となった。余剰熱削減量は0.19[GJ/ 日・m2]、温室の規模は 8,400[m2]、平準化率は69.5[%] であった。導入前の昼夜の熱需要差が比較的大きいため、平準化率が大きく上昇した。

Effective Utilization of Surplus Heat with the Ideal Sized Greenhouse and Public Facilities
on the Community Heating System
KAWAMURA Yoshiyuki

1260

85044036

重油を使用し、温室導入により発生する重油使用費がⅡ
余剰熱の使用による効果を上回らない場合
コスト回収型B
ボイラーを増設する場合

Ⅳ
平準化率が最大となる場合
最大平準化型

1260

85044036[ 条件式 ] 平準化率の上昇率 >1 棟導入時の上昇率 /2算出式
余剰熱増減 余剰熱増減量 [GJ/ 日 ]= 温室導入後の余剰熱 [GJ/ 日 ]- 温室導入前の余剰熱 [GJ/ 日 ]量 [GJ/ 日 ] 余剰熱 [GJ/ 日 ]=Σ( ボイラー最大出力 [GJ/ 時 ]- 各時刻熱需要 [GJ/ 時 ])

平準化率
平準化率 [％] = 時刻別平均熱需要 [GJ/ 時 ]/ 最大熱需要 [GJ/ 時 ]*100[%]
温室規模 温室規模 [m2]= 温室導入棟数 [ 棟 ]*1 棟当たり面積 [m2/ 棟 ]1 棟当たり面積 [m2/ 棟 ]=240[m2/ 棟 ][m2]

必要出力 必要出力 [kW]= 必要容量 [GJ/ 日 ]/24/3.6[kW]
必要容量 [GJ/ 日 ]=1 日総熱需要 [GJ/ 日 ]* ボイラー負担割合注 12)/100-1 日最大出力 [GJ/ 日 ]Ⅱコスト回収型

20,0002460165084040,000[m2]50,00060,000：条件別 温室最適規模

Ⅱコスト回収型

20,00030,00040,000[m2]
50,00060,000：条件別 温室最適規模

Ⅲ最大平準化型

369Ⅳ最適平準化型
Ⅱコスト回収型

3010,000
12151821 [ 時 ] 0平準化率 [%]：温室導入前 ：Ⅰ既存出力内型：Ⅱ余剰熱削減型 ：既存ボイラー最大出力 8030,00040,000[m ]50,00060,000：条件別 温室最適規模

700.6600.4

500.240363010,000912151821 [ 時 ] 0：温室導入前 ：Ⅱコスト回収型 ：Ⅲ最大平準化型 平準化率 [%]80：Ⅳ最適平準化型 ：既存ボイラー最大出力
7012608504406912151821[時]

30[m ]
50,00060,000：条件別 温室最適規模220,000

30,00040,000

Ⅲ最大平準化型

Ⅳ最適平準化型
Ⅱコスト回収型
010,000

20,00030,0002.3-5.4(-0.44) (0.03)

平準化率 [%]

53.2-58.6(+5.4)

78.1
71.8(+24.9) (+18.6)

温室規模 [m ]--720(3 棟 )

2,880
4,320(18 棟 ) (12 棟 )2必要出力 [kW]
余剰熱 [GJ/ 日 ]450( 既存出力 )36.9

40,00050,000[m2]
60,000-1.2(-0.02)

997(+547)

815(+365)

67.6

8.6-

4.7

-30.8
-32.1(-0.51) (0.07)-28.3(-0.19)

平準化率 [%]

36.3-53.8
69.5
78.0(+17.5) (+41.7) (+33.2)

温室規模 [m ]--24,240 8,400
3,600(15 棟 ) (101 棟 ) (35 棟 )23,522
1,333(+2,822) (+633)700
必要出力 [kW] ( 既存出力 )
余剰熱 [GJ/ 日 ]70.5

150.9-

6.0-

80.4-64.5(-0.47) (0.10)

39.5-31.0(-0.12)

平準化率 [%]

34.6-

52.8
60.3
70.1(+18.2) (+35.5) (+25.7)

温室規模 [m ]--47,760 14,640
7,920(33 棟 ) (199 棟 ) (61 棟 )

3.8

1.42

必要出力 [kW]
余剰熱 [GJ/ 日 ]6,543
2,297(+5,343) (+1,097)

1,200( 既存出力 )6.51.41.4

余剰熱増減量 [GJ/ 日 ] (1m2 当たり増減量 )

-5.1
-5.1
-5.1
-2.7(-0.64) (-0.61) (-0.61) (-0.61)

平準化率 [%]

53.2

77.4
77.4
77.4
69.6(+16.4) (+24.2) (+24.2) (+24.2)

温室規模 [m2]-240(1 棟 )

必要出力 [kW]100

余剰熱 [GJ/ 日 ]480(2 棟 )

480(2 棟 )-480(2 棟 )--

2.844.3

5.9-

31.6-9.8(-0.47) (0.09)( 既存出力 )12.6

余剰熱増減量 [GJ/ 日 ] (1m2 当たり増減量 )導入温室規模中学校

163

Ⅰ既存出力内型
導入温室規模幼児センター

Ⅱコスト回収型

0.8-

余剰熱増減量 [GJ/ 日 ] (1m2 当たり増減量 )220,000

余剰熱増減量 [GJ/ 日 ] (1m2 当たり増減量 )

余剰熱増減量 [GJ/ 日 ] (1m2 当たり増減量 )導入温室規模

供給先施設

役場周辺施設70

30,000

Ⅲ最大平準化型
Ⅳ最適平準化型

30912151821 [ 時 ] 010,000：温室導入前 ：Ⅱコスト回収型 ：Ⅲ最大平準化型 平準化率 [%]80：Ⅳ最適平準化型 ：既存ボイラー最大出力320□余剰熱増減量
□温室規模
□平準化率
□必要出力

小さい規模の温室で最大限平準化される場合
Ⅲ
最適平準化型

導入温室規模小学校・病院700□余剰熱増減量
□平準化率
□温室規模

[ 条件式 ] 木質チップ使用費 > 重油燃料使用費

Ⅳ最適平準化型

3010,000
912151821 [ 時 ] 0：温室導入前 ：Ⅱコスト回収型 ：Ⅲ最大平準化型 平準化率 [%]80：Ⅳ最適平準化型 ：既存ボイラー最大出力

1600[GJ/ 時 ]
20

評価指標

80：既存ボイラー最大出力

7000[GJ/ 時 ]1.0

温室導入条件

全熱需要を木質チップで賄う場合
Ⅰ
既存出力内型 [ 条件式 ] 時刻別熱需要最大値 < ボイラー最大出力

導入温室規模高齢者複合施設：Ⅳ最適平準化型

1600[GJ/ 時 ]40A
ボイラーの出力内で運用する場合

温室の導入条件と評価指標

導入パターン

参考文献 1) 渡邉天磨「新エネルギーの活用により地域内経済波及効果を生み出す地域像の提案」2) 下川町バイオマス産業都市構想 3) ゼロからわかる森林バイオマス熱電併給 4) 地域冷暖房技術手引書 5) 立松宏一ら「北海道における農業用温室を対象とした施設内環境解析及び構造形式に関する研究」6) 青柳志歩「学校建築を含む住宅群における木質バイオマスを用いたコミュニティ暖房システムの検討」7) 山内隆弘ら「シイタケ菌床栽培の安定化に関する基礎的研究」
注釈 注 1) 新エネルギー利用等の促進に関する特別措置法による定義「技術的に実用化段階に達しつつあるが、経済性の面での制約から普及が十分でないもの、石油代替エネルギーの導入を計るために特に必要なもの」を満たすエネルギー。注 2) 余剰熱の利用により熱需要の変動を少なくすること。注 3) 北海道では冬季暖房需要が特に大きく、熱需要に影響の大きい時期として冬期 (12〜2 月 ) に着目する。注 4) 各木質ボイラーの年間燃料購入実績。注 5) 下川町森林バイオマス地域熱電併給システム構築マスタープ
ランより参照。注 6) エネルギー消費量を熱需要としている。注 7) カーテン外の熱平衡式より算出。注 8) 気象庁データベースより、下川町の冬期平均気温を算出。注 9)22℃( 一定 ) を採用。注 10) 地面の蓄熱を考慮した非定常計算より算出。注 11) NEDO データベー
スより、全天日射量を使用。注 12) 熱需要の内、木質ボイラーによって賄われている熱の割合。
ⅢⅠ
ⅡⅣ
温室
各条件における各条件における評価指標
導入前 既存出力内型 コスト回収型 最大平準化型 最適平準化型
温室導入時の時刻別熱需要
温室の規模と平準化率の推移：温室導入前 ：Ⅱコスト回収型 ：Ⅲ最大平準化型 平準化率 [%] Ⅲ最大平準化型：条件別 温室最適規模
4.9
余剰熱 [GJ/ 日 ] 10.4 9.1
12.7[GJ/ 時 ]2000[GJ/ 時 ]20

表1
ボイラー条件評価指標

5. 最適な温室の規模を踏まえた導入先の提案
本研究では、農業用温室の導入により、余剰熱が最も削減される際の導入規模と効果的な導入先を明らかにした。
A. 既存のボイラー出力内で温室を導入する場合
既存出力内型 ( 図 4-Ⅰ) 幼児センターのみが全熱需要を木質チップで賄うことができる。その際、温室の規模は240[m2] であり、余剰熱は 0.64[GJ/ 日・m2] 削減され、平準化率は 69.6[%] である。これは、熱需要がボイラーの最大出力に対して小さいためである。
コスト回収型 ( 図 4-Ⅱ) 全ての施設において、余剰熱削減量が最も大きくなる。特に幼児センターが 1m2 当たりの余剰熱削減量が多い。その際、温室の規模は 480[m2]、余剰熱は 0.61[GJ/ 日・m2] 削減され、平準化率は 77.4[%] である。
B. ボイラーを増設し、平準化率を上昇する場合最大平準化型 ( 図 4-Ⅲ) 全ての施設において余剰熱が増加する。これは、温室の熱需要は 12〜14 時の間はなく、相対的に夜間の熱需要が大きく増加したためである。
最適平準化型 ( 図 4-Ⅳ) 小学校・病院が、導入前の昼間の熱需要が夜間の熱需要に対して大きいため、最も平準化に効果的である。その際、温室の規模は 8,400[m2]、余剰熱は 0.19[GJ/ 日・m2] 削減され、平準化率は 69.5[%] である。
以上より、既存のボイラー出力内で温室を導入する場合、導入前の余剰熱の大半を削減できる幼児センターへの導入が好ましい。ボイラーを増設する場合、多くの余剰熱を削減できる小学校・病院への導入が好ましい。

-6.7(-0.11)

平準化率 [%]

31.3-

41.0(+9.7)

56.0
76.2(+44.9) (+24.8)

温室規模 [m2]--1,200(5 棟 )19,440 3,600(81 棟 ) (15 棟 )240
必要出力 [kW] ( 既存出力 )

図 4 各施設における温室導入による余剰熱削減の評価

2,387638(+2,147) (+398)