加藤研究室・大岡研究室・菊本研究室Kato Lab., Ooka Lab., and Kikumoto Lab.

Optimization of Operation Method of Air Conditioning System and Exergy Analysis

Part 1 Research Outline and Purpose

1/4

研究背景建物のエネルギー消費 40%

省エネビルディングに注目が集まる

passive building, green building, nearly zero-energybuilding (nZEB), energy plus/positive building ・・・nZEB

高いエネルギー性能を持つ建物であり、その建物の微小なエネルギー

需要がon-site或は近くの再生可能資源によりカーバされる (EU

Energy Performance of Buildings Directive EPBD)

省エネルギー建物の現状

・様々な省エネルギー技術の導入

・設計時に想定された運用条件が必ずしも適切でない

・高効率な運転を実現するには、運用方法の工夫が必要

運用方法の最適化、さらにライフサイクルにわたる性能検証するこ

とが建物のエネルギー消費量削減の解決策

Design Construction & Installation

Commissioning

OperationsMeasurement &

Evaluation

Energy consumption 20%

Energy

consumption 80%

Building’s life cycle and its energy consumption

概要・目的

nZEB

Performance evaluation and

problem discovery of building, air conditioning system by

measurement

Consideration of improvement method by

optimization and exergy analysis

Comissioningof the system and its control

method

✓実測により運用段階の空調システムの性能評価と問題点

発見を行い、運用方法の最適化更にエクセルギー解析によ

り改善方法を考察する

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Optimization of Operation Method of Air Conditioning System and Exergy Analysis

Part 2 Performance Evaluation of nZEB by Measurement

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Overview of nZEB・ 東京大学駒場Ⅰキャンパス

・ 建築面積：940 m2

・ 延床面積：4,500 m2

・ 地上5階、地下1階

・ S，RC構造

・ 2011年5月竣工、

9月利用開始

・Overview of energy saving technology

Appearance

B1 Hall3F-5F

Studio classroom B1 Cafeteria

地中熱・地下水ヒートポンプ

天井面放射パネル

デシカント空調

蓄熱槽

自然通風

LED照明

太陽光発電

ダブルスキン

環境・エネルギー総合マネジメントシステム

Performance evaluation

Energy consumption per year

・予想一次エネルギー消費量の推移及び計測値

・Breakdown of electricity consumption（2011-2012）

1830

1190

714

428

640

0

500

1,000

1,500

2,000

これまで 2011-2012年2012-2020年 2030年

一次エネルギー消費量

[MJ/

(m2 年

)]

予想値の推移 計測値一次エネルギー消費:

640 MJ/m2・年,

大学平均値の35%

性能改善などの工

夫によりnZEB実現

が可能

47%

10%

20%

3%

20% 熱源

ポンプ

二次側空調機

照明

その他

空調システムのエネルギー消費量: 建物エ

ネルギー消費量の77%

空調システムの運用段階の実績・性

能評価が必要

ZEB化を進めるために、運用方法の工

夫によってさらなる高効率な運転の実現

が必要Measurement of HVAC

蓄熱運転 設計方法 提案方法

冷水温度 [℃] 4.5 8.7

蓄熱量 [MJ] 3751 4197

電力消費 [kWh] 430 437

GSHP COP 4.6 5.0

システムCOP 2.4 2.7

冷水温度を上昇することにより、COPが増

加

冷水温度の最適化が必要

ポンプ電力消費が大きい

ポンプ電力削減のため、チューニングが必

要

ポンプ電力

消費が大きい

COP：9% →

En

erg

y c

on

su

mp

tio

n

[MJ/m

2 y

ea

r]

Until now

Measured

value

Predicted

value

tendency

Heat source

Pump

HVAC

on load side

Light

Etc

2011-2012 2012-2020 2030

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Optimization of Operation Method of Air Conditioning System and Exergy Analysis

Part 3 Exergy Analysis of Heat Pump

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0.45 0.49 1.84

4.70 3.81 6.78 1.53

1.53 1.82

1.82

1.67

2.02 1.81

2.19 0.35

0.38

0

3

6

9

12

GSHP ASHP GSHP ASHP

exe

rgy

[kW

]Xoa,out Xcond XevapXrefcycle Xgex

冷房モード 除湿モード

温エクセルギー·冷エクセルギー ヒートポンプのエクセルギー収支

・「使えるエネルギー」の変化の定量化

・エクセルギーのロスが大きい箇所の発見・改善方法の考察

・エクセルギーの定義

高温熱源から、低温熱源に熱を捨てることにより、取り出すことのでき

る最大仕事, Ex

エクセルギー解析の特徴

温・冷エクセルギーの定義

)/1(max TTQWE ox

Warm exergy

T > To

To

QWmax

))(/1(max QTTWE ox

Cold exergy

T < To

To

Q*Wmax

・低温エクセルギー解析に対応した概念

・外気温度Toを基準温度とする

Analysis TargetGround source heat pump(GSHP) Air source heat pump(ASHP)

Exergy balance of the whole system

GSHP

ASHP

iaiagexGScondevaprefcyclegpumpiafancomp XXXXXXXEEE sup,,, )()(

Inflow Consumed Outflow

iaiaoutoaAScondevaprefcycleoafaniafancomp XXXXXXEEE sup,,,,, )()(

Inflow・Outflow exergy

1.74

3.02 8.14

0.60

0.60

1.01

0.74

0.88 0.88 0

3

6

9

12

流入エク 流出エク 流入エク 流出エク

GSHP ASHP

exe

rgy

[kW

]

Xia,sup-Xia Efan,oa EpumpEfan,ia Ecomp Xg

1.89

6.25 11.67

0.20

0.20

1.10

0.80

1.50 1.50 0

3

6

9

12

15

流入エク 流出エク 流入エク 流出エク

GSHP ASHP

exe

rgy

[kW

]

Xia,sup-Xia Efan,oa

Epump Efan,ia

Ecomp Xg

ƞ1 19% 9%

ƞ2 27% 0

ƞ1 20% 12%

ƞ2 20% 0

Exergy consumption (Loss)

エクセルギー効率：GSHP 20％

ASHP 10％

エクセルギー消費：GSHP＜ASHP

冷房モード＜除湿モード

冷媒サイクルで消費されるエクセルギーが最も

大きい

Underground heat exchanger

Evap

ora

tor

Indoor

fan

Co

nd

en

sor

Compressor Chilled water

pump

Expansion

valve

Refrigerant

Outdoor

fanIndoor

fan

Evap

ora

tor

Refrigerant

Compressor

Co

nd

en

sor

Expansion

valve

Inflow Consumed Outflow

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Optimization of Operation Method of Air Conditioning System and Exergy Analysis

Part 4 Optimization and Exergy Analysis of GSHP system

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最適化の結果：冷水温度が13℃となり、7℃と比べ、エネルギー消費12％↓最適化したケースではエクセルギー効率・自然エクセルギー利用率↑

エクセルギーロス↓

Modeling of optimization calculation

GSHP

FCU

Chilled

water

pump

Underground heat

exchanger

Cooling

water

pump

MinimizecwmairmsetchwT ,,,

)( ,, fanpumpchillertotal EEEE

),,( ,,, cwairsetchwratedloadtotal mmTCapacityQE

Input parameter Design parameter

➢設計パラメータにより染色体を作成

➢個体数: 200, 最大世代: 1200

遺伝的アルゴリズム（GA）を用い、最適化計算

・ 冷房負荷 Qload = 8.6 kW

・ GSHPの定格能力 Capacityrated = 11 kW

計算条件（入力パラメータ）

・ 冷水設定温度 Tchw,set = 13ºC

・ FCUの風量 mair = 3700 m3/h

・ 冷却水の流量 mcw = 41 L/min

・ 最小電力消費 Etotal = 1.9 kW

計算結果

（設計パラメータの最適値・最小電力消費量）

Result of optimization and exergy analysis

Electricity consumption per day

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Eto

tal [k

W]

Time [hour]

13℃ 7℃

18

16

15

16

17

18

19

7 9 11 13 15

En

erg

y c

on

su

mp

tio

n

[kW

h/d

ay]

Tchw,set [ºC]

12% ↓

Changes in power consumption by chilled

water set temperature

Exergy analysis

Inflow exergy ・ Outflow exergy Exergy consumption (Loss)

0.54 0.55 0.02 0.02

0.19 0.19

1.50 1.80

0.13 0.03

0.33 0.33 0

1

2

3

流入エク 流出エク 流入エク 流出エク

13℃ 7℃

exer

gy [

kW]

Xia,sup-Xia Epump,cw Ecomp

Epump Efan,ia Xg

0.33 0.33 0.23 0.23 0.19 0.18

0.99 1.13

0.31 0.39

0

1

2

3

13℃ 7℃

exer

gy [

kW]

Xevap Xrefcycle XfcuXcond Xgex

ƞ1 18% 17%

ƞ2 23% 21%

Time of power consumption