田中俊六博士~サーマル・アクティブビルシステム

TABS( Thermal Active Building Sysytem)・・・サーマル・アクティブビルシステム
―コンクリートスラブに埋設した冷温水パイプによる床蓄熱式冷暖房システム
の日本での普及の可能性に関する検討―

1.はじめに

 日本では安価な夜間電力を活用する大容量の冷水や氷などの蓄熱槽を持つ在来型の《蓄熱式冷暖房システム》は戦前からの長い歴史を持ち、数多くの実施例がある。特に最近では「(財)ヒートポンプ蓄熱センター」による広範な技術の蓄積と普及活動によって、空調熱源システムの省エネ化とエネルギー費用のローコスト化に貢献し、電力のピーク需要の抑制に一定の成果を上げてきた。しかしながら、大規模ビルや地域熱供給、あるいはプロセス用の適用例などを除けば、需要の大半を占める中小ビルなどにおいて必ずしも当初、目的としたような十分なシェアを獲得してきたとは言えないのが現状である。
 その原因として種々考えられるが、従来の《蓄熱式冷暖房システム》が、関係者の多大な努力にもかかわらず、非蓄熱システムよりかなり複雑で、その計画設計に多くの知識と労力を必要とすること、建築計画の初期の段階から、大きな蓄熱槽などのスペースを確保する必要のあること、初期コストがやや高いことなどにあるものとかんがえられる。勿論、この初期コストは安価な夜間電力コストによって回収されるはずであるが、実際には導入の障害となっていることは否めない。さらに、設計施工段階だけでなく、試運転調整などにも手間がかかり、使用電力についてもピーク電力カットの効果は明らかであるが、使用電力量を含めた総合電力使用量、電力コスト削減については、補機の電力使用量の増大もあり、計測の不備、非蓄との比較とが特に中小ビルなどでは明確にならな 
いなどもあって、必ずしも十分な経済的評価が得られないことなどがある。
こうしたなか、最近、欧米では躯体蓄熱システムの一つとして、改めて《TABS》・・・『コンクリートスラブに埋設し
た冷温水パイプによる床蓄熱式冷暖房システム』が注目され、実施例が増加しているようである。このシステムは日本でも早くから研究され、一部に実施されてきたものであって、研究者などには特に目新しいものではないと考えられがちである。しかしながら、CO2削減問題からビルなどの高断熱・高気密化が格段に強化され、LED照明、省エネ情報機器の普及で、外部、内部負荷が大幅に減少する中で、《TABS》は、基本的に、冷房に冷水供給温度が20℃程度で冷凍機のCOPが高く、液体式で搬送動力が少ないうえに、単独で室内顕熱負荷を完全に処理できる快適な放射冷暖房システムとなって再登場している。天井面が放射体となり、ダクトスペースが不要で、階高が低くて済み建設コストも安く、有効床面積が増えるという特徴がある。また、熱負荷とスラブの厚さ(熱容量)、供給冷水温度などを適当に選定すれば、冷凍機の夜間運転だけの全蓄(外気除湿を除く)も可能となる。また、《TABS》は熱源として地中熱や河川熱、あるいは中間期以降の外気によるフリークーリングなども有効に利用できる。
勿論、《TABS》は顕熱・潜熱分離空調であるから、別途、除湿システムは必要であるが、最近、高効率化の進む導入外気の除(加)湿システムの適切な適用で対処できる。ただし、日本のような高湿の国では高気密化、露点制御による結露防止には十分、留意する必要はあり、省エネビルとして室内の顕熱負荷が大幅に減少する中では外気系統の処理のためのエネルギー使用量が室内負荷と同程度となることも考えられ、除湿サイクルの最適化が潜熱負荷の少ない欧米とは異なる技術課題となる。
このように《TABS》は温暖化防止のCO2対策に伴うビルの熱負荷の大幅な削減要請という《パラダイム転換》に伴って登場した、これまで日本で研究されてきた空気式などの躯体蓄熱システムとは大きく異なる、省エネ・省資源で、場合によっては建築工事との協調などによって非蓄在来システムより設備費、維持人もよりローコストとなりうる快適な新しい空調しシステムと考えることができる。すでに、ISO1185では《TABS》の簡明な定義、解説、使いやすい設計図表なども整備されていて、だれでも容易に設計できるような資料が用意されている。
このように《TABS》は多層階のビルなどに規模を問わず広く、容易に適用できるシステムであり、『(財)ヒートポンプ蓄熱センター』などが、建築の計画設計の段階から建築家や建設工会社などと協調して適切に普及方策を構築していけば、日本でも高いシェアを獲得でき、今後の業務ビル系の電力ピークの抑制と省電力、使用資材削減によるCO2削減などに大きく貢献できる可能性がある。
ここでは下記の資料をもとに《TABS》 の紹介と日本での適用する場合の要点、留意点などについて解説する。


―建物の熱容量を暖房と冷房に利用する― 橋本 幸博 訳
     空気調和・衛生工学 第87巻 第6号 p73~78
   原典: Using Building Mass to Heat and Cool
          Bjarne W. Olesen,Ph.D.,Fellow ASHRAE
ASHRAE Journal,February 2012,pp.44~52


2.TABSの概念

 TABSの基本は図-1に示すような冷温水を循環するパイプを埋め込んだ構造体としてのコンクリートスラブを蓄、放冷・熱面とする放射冷暖房システムであるが、短時間の放熱量制御は行わず(不可能)、気温、日熱負荷に合わせた一日(全蓄の場合は夜間のみ)の冷温水温度と流量、冷温水運転時間の制御のみで、室内温度を一定の範囲に維持ししようとするものである。適切に選定された建物の熱負荷とスラブの熱容量(厚さ)と冷温水の運転時間、供給温度によって結果的に、快適範囲である-0.5≦PMV≧+0.5内に維持できることがこれまでのW. Olesenらの研究と実績で保証されており、日本のように省エネ、CO2削減の要請から必ずしも快適でない室内条件が安易に受け入れられている現況とは異なることにも留意しなければならない。。このシステムでは空調時・非空調時間の外部との熱取得、熱損失を軽減するために断熱が重要であり、基本的に梁、柱などが熱橋とならないよう、《外断熱》が推奨されている。
 床スラブに打ち込まれる放熱管は腐食、劣化のないPEX管(架橋ポリエチレン管)が適切で、建物の耐用期間中に絶対に漏洩のないことが絶対条件である。床構造は耐力・蓄熱スラブと上部の情報中空構造床仕上げからなり、両面から放冷・熱されるが、冷房時は基本的に天井面から放冷される比率が高い。

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 図‐2に示すように、 《TABS》では通常の15センチ程度のコンクリートスラブの大きな熱慣性力を利用することによって、蓄熱量は十分であり、ピーク電力負荷を大きく低減することが可能である。図の例ではスラブの夜間冷却のみによって、ピーク室内顕熱取得はすべてスラブに吸収されて昼間のスラブ冷却は停止され、、ピーク換気処理冷房能力と水側冷房能力が同じ容量となっている。冷房時、スラブからの放冷は主として天井スラブの下面から行われる。(この場合、自然対流熱伝達率は放射熱伝達率より大きい。)

 

図_2 スライド31.JPG

 


 別途、新鮮空気の供給ルートさえ確保できれば、《TABS》では天井フトコロの約60センチが不要となるので、階高が減少、容積率が増加し、建設資材が減少してCO2排出量が減少し、建設費が安くなり、経済性が向上するのが大きなメリットである。
 《TABS》は従来の蓄熱槽システムのような特別のスペースが不要であるが、放冷(熱)量には一定の限界があるので、設計の当初から建築設計者などとの密接な協調作業が必要である。


3.《TABS》の設計

 《TABS》の設計のためにISO1185-4が用意されており、W. Olesenらの資料があり、設備設計者は容易に設計ができるようになっている。《TABS》は上述のように、日中、随時に放熱(冷)量の制御ができないため、居住域の快適性維持に問題があると誤解されるが、前述のように一定の断熱と熱容量の条件を守れば、居住域の快適条件をISO EN 7730、あるいはASHRAE Standard55-2010で規定された範囲内(-0.5≦PMV≧+0.5)に維持することができるのが特徴である。
 このシステムは、いわゆる《顕熱・潜熱分離空調システム》であり、別途、換気システムで減湿空気を供給する必要がある。
 《TABS》のコンクリート床内の配管間隔は、通常150~200mmで、水量は往辺温度差3~5Kと比較的小温度差で設計される。これは低い供給温度差で結露の危険性が増すことを防止するためであるが、配管設計により、搬送動力の増大は防ぐことが可能である。

4.室内環境と《TABS》
 《TABS》は使用時間中、室温を厳密に一定に維持できないが、快適な範囲に維持できる。Kolarik、Toftumらは毎時4K以内の室温変動は鏡できるとしているが、代表的な《TABS》の建物の室温変動率は0.5~1.0K で在室時間中に3~4K内に維持する必要がある。 《TABS》で換気システムは室内空気室および/あるいは除湿の必要性に適合させる必要があるが、多くの場合、要求される供給水温は19℃より高いので、開放可能な窓を利用したり、自然換気に依存すれば、多くの適用例が得られる。(ただし、日本のような多湿の国では除湿システム、表面結露など注意あ必要である。)
  《TABS》ではコンクリート床が、うすい貼りものがあってもいいが、露出していることが前提であり、吸音力が不足して残響がある可能性がある。家具などが配置されれば改善されるが、放熱面に吸音材を張ることはできないゆえ、周壁、たれ壁などに吸音性を持たせることが必要になることがある。

5.《TABS》の冷却能力

 《TABS》の設計においても最終的には非定常負荷計算、詳細なシステムシミュレーションが必要になるが、計画の初期段階でユーザーフレンドリーな計画ツールがのようにISO11855-3で用意されている。これは《TABS》が小さな熱負荷と大きな熱容量を持つ単純かつ、安定的なシステムであることで可能なことで、設備設計者施主、建築家、施工者などと初期段階から協調して計画を進めていくことができる利点となっている。
図では内部熱取得、水供給温度、室内側の熱移動量、水循環運転時間及び水側の熱移動量の関係を示している。この図は2重床のコンクリートスラブ(R=0.45(m2・K)/W)、および許容室温範囲21~26℃を条件とするものである。この例では在室者が仕事を開始するときは活動レベルがやや高く、朝は21℃というやや低い室温が受け入れられるためである。ずではy軸に最大許容室内全熱取得(内部+日射熱取得)[W/m2]を、x軸に要求供給水温を示す。上半分の図は在室時間時間の場合のTABSの冷水運転時間、8時間、12時間、16時間、24時間と日供給最大エネルギー量[Wh/(m2・日)]の関係を示している。下半の図では供給水温と運転時間に関してTABSに要求される冷凍機選定のための冷凍機の冷却能力[W/m2]を示している。さらに一日当たりに除去されるエネルギー量[Wh/(m2・日)]が示されている。この図の例では最大内部熱取得38W/m2、冷却時間が8時間のとき、冷水供給温度は18.2℃が要求されることを示している。もし、冷却時間を12時間とすると供給水温は19.3℃、が必要で、その室内からの除去熱量は一日当たり335Wh/m2となる。同一条件で水側の要求冷却能力は、それぞれ8時間運転で37W/m2,12時間運転で25W/m2である。12時間運転で冷凍機の容量はその分、縮小できる。表面放射暖冷房の暖房、冷房能力の重要なファクターは表面と室内の間の熱伝達率、快適性にもとづく最高、最低表面温度、空間の露点温度および配管と床(天井)の表面温度の間の熱移動(熱伝導)の考慮である。熱伝達率は各表面の位置関係と室温に関連した暖房時と冷房時の表面温度に関係する。放射熱伝達率は、すべてのケースでおよそ5.5W/(m2・K)とみてよいが、対流熱伝達率は表面位置によって変化する。

6.施工

TABSの配管は現場施工か、プレハブ床パネルに組み込まれるが、施工の迅速化のためプレハブ床パネルが多い。現場施工の場合、コンクリートの打設の《前後》に配管の圧力試験を実施することが重要である。

 

図_1 スライド30 - コピー.JPG


7.制御

 《TABS》は他のシステムより大きい熱容量を持つが、室とシステム(水温、表面温度)の差が小さいこともあって高い《自己制御性》を持っている。ただし、表面結露を防ぐため、室内の露点温度にもとづく水温の制御をおこなう必要がある。
 このシステムでは個別の室温制御は合理的ではないが、ゾーン制御(南-北)が推奨され、供給水温、平均水温あるいは流量がゾーンごとに制御される。ゾーニングは外部あるいは/内部負荷を考慮する必要がある。加熱された、あるいは冷却された表面温度と室内温度が比較的小さいことがTABSに特徴的なことで、そのため自己制御性が高い。暖房負荷と冷房負荷の小さい優れた設計ではコンクリートスラブのコア温度は年間を通じて一定で制御できる。
 たとえば、コア温度が22℃に維持されているとき、室温が22℃より低いときは加熱を行い、22℃より高いときは冷却をおこなう。結露(表面、構造体内部)を防ぐために、表面温度と絶対湿度は制御しなければならない。一つの可能性は供給水温の下限を露点温度、すなわち空間の絶対湿度と等しくなるように設定することである。換気システムによって除湿を行うとき、放射冷房の能力(出力)は増加する。
 《TABS》のインテリジェントな運転では夜間にエネルギーを蓄え、昼間に放熱することによって、またポンプの昼間間欠運転によって、ピーク電力需要を低減できる。建物使用時間帯の熱取得はアクティブな構造体(床、壁)に蓄熱され夜間に冷水循環あるいは夜間外気冷却(フリークーリング)によって放熱される。部分負荷を夜間に移行させることによって、かなりのピークカットが達成され、熱源(冷凍機、ヒートポンプ)は60~70%まで縮小することができる。
 初期の研究でOlesenらは動的シミュレーションを用いいくつかの異なる運転パラメーター(システム運転時間、循環ポンプ間欠運転と総帥温度制御)のもとで下記の性能を研究した。夜間のシステム運転は十分であり、ポンプの間欠運転は可能で、水温は外気温にもとづき季節にわたって制御されるべきであることが判明した。

スライド32.JPG


8.冷熱源

《TABS》は高温冷房システムであり、低温暖房システムである。これによってヒートポンプの高効率運転が可能になる。これには空気/水、水/水、地熱/水タイプ、あるいは吸収ヒートポンプも利用できる。地中温度は10~14℃程度であるから地中熱熱交換器の出口温度を18~20℃としてヒートポンプを使用せずに、建物を冷房することができる。
 TABSは機械換気システムと併用されることが多い。TABSは顕熱負荷のほとんどを処理し、空気システムは潜熱を処理する。同時にし室内の露点温度を低下させて結露が防止できる。もう一つの利点は22~24度という高い帰り水温である。これにより蒸発温度が上がって冷凍機の効率が向上する。

 

9.適用事例・・・蓄熱冷房の例ではないので省略

10.結論

 TABSの利点は以下のとおりである。
 1) 冷房の需要は一日の長時間に分散されて昼間から夜間平行する。それによってピーク負荷は低減され、空調システムの容量を縮小することができる。
 2) 吊り下げ天井を不要とすることによって建物の階高を低減できるので建築材料のかなりの節約につながる。
 3) 室温に近い温度で暖房/冷房システムを使用することができるのでヒートポンプ、ボイラ、太陽熱集熱器および地熱熱交換器のエネルギー効率を向上させることができる。
 4) 冷房の目的では、夜間換気が利用できる。
 5) 施工費用、運転費および維持管理費を低減することができる。
 一方、TABSに要求れる事項は以下のとおりである。
 1) TABSスラブは主として多層階の建物に用いれれる。
 2) 吊り下げ天井がないので音響的解決策が求められる。
 3) 建築設計が重要であり、外部熱取得を1W/(m2・K)以下に保つための優れた外皮の断熱だけでなく、十分な日射遮蔽が必要である。
 4) もし、TABSが壁と床に使用される(室内側に断熱材がない)としたら、天空日射と直達日射の吸収は冷房能力をかなり増加させるであろう。

◎ 日本にTABSを導入する場合の課題
1)○利点

① TABSは床スラブ蓄熱型の潜熱・顕熱分離空調システムの一種である。基本的に、一日の室内顕熱負荷は床スラブのコンクリートの熱容量によって処理され、結露防止のため潜熱負荷は新鮮空気供給を兼ねた減湿空気の供給で処理される。処理できる室内(日)顕熱負荷には一定の制約があり、建物は一定の高断熱(外断熱)高気密性能を持つことが必要である。
② 蓄熱体としての床蓄熱スラブは熱容量は大きく、夜間蓄熱運転のみでも、主として天井面からの放冷(熱)によって昼間の放射冷暖房が可能である。
③ 天井面が直接、放冷、熱面となるので特別の機器が不要であり、天井フトコロが不要なため階高が減少して、建設費が減少するか、階数が増して床面積が増やせる可能性がある。資材によるCO2排出量の軽減も期待できる。
④ 新省エネ基準による外壁の断熱の向上、LED照明、省電力機器の採用などで室内顕熱負荷が減少すると、蓄熱量と熱負荷のバランスの点で床蓄熱が有利になる。
⑤ TABSでは自律的に冷房期の始業時は22℃程度で涼しく、終業時でも26℃程度となり、一日を通して-0.5≦PMV≦+0.5の快適範囲に収まる。
⑥ ビルマル方式に比べて、セントラル方式でヒートポンプが屋上設置されるので、R-32、NH3などの低GWPの冷媒が安全に利用できる。

 

 ●課題

① 潜熱処理のために新鮮空気供給を兼ねた減湿空気を供給する必要があるが、比較的乾燥したヨーロッパでは除湿が不要な日が多いと考えられるのに対し、日本は一般に除湿負荷が多く、効率的な除湿システムが必要である。
② TABSはアルミ天井放射パネルより熱容量がはるかに多いため、建物は執務時間終了後、除湿空気供給を停止すると湿潤な隙間風の侵入で床パネルに表面結露する可能性がある。したがって建物の高気密化が重要で、その点ではいっぱんに鉄骨造より鉄筋コンクリート造のほうが望ましい。場合によっては、執務終了後も除湿空気の供給で室内の露点温度を低く、室内空気を正圧に維持することも必要である。
③ 室内顕熱処理用の冷房運転はすべて夜間に移行することが可能であるが、除湿のために昼間、冷凍機の運転が必要になる。いわゆる通常の蓄熱システムでの《全蓄運転》に相当する昼間の冷凍機の全面停止とするためには、除湿側にも夜間蓄熱を用いるか、吸着サイクルを利用することも。


◎ 日本におけるTABSと外気処理システム
 図Aは日本において想定される多層建築の冷温水式床蓄熱型潜熱顕熱分離空調システム(TABS)の代表的な2方式である。 図の(a)は除湿外気供給がセントラル式の一例であり、図の(b)は各階式である。この場合には、ダイキンのヒートポンプ式の高効率除湿換気機器である《DESICA》が利用できる。 

図_A スライド33.JPG

図-Bは電動冷凍機による氷蓄熱を利用するセントラル除湿システムをもつTABSの構成図である。この場合、室内の蓄熱放射冷房の熱源は中温冷水で、基本的に夜間のみ運転される。外気系統の除湿は冷却除湿サイクルで、冷水は屋上の氷蓄熱システムから供給される。除湿サイクルでは除湿効率を向上させるために熱回収型の予冷コイルを用いる一例を示している。勿論、中温冷温水ヒートポンプを夜間は躯体蓄熱に、昼間は除湿要に転用することもできる。

図_B スライド34.JPG


この原稿は、外断熱推進会議の「外断熱通信用」に田中俊六博士が執筆した原稿に、4月18日(金)に開催した、田中俊六博士特別講演会~「最近の省エネ・創エネ技術と外断熱が好適な潜顕分離床蓄熱空調システム(TABS)について」でのパワーポイント映像を載せております。

日 時:平成26年4月18日15:00 開場15:30開会
会 場:東京都港区芝公園3-5-8 機械振興会館B3-6 会議室

講演会風景~会場は予備席を増やすほどの満席でした。

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投稿者 sotodan : 2014年4月28日 14:12