OS-25 外皮・躯体と設備・機器の総合エネルギーシミュレーションツール「BEST」の開発（その 91） コージェネレーションシステムの制御方式の拡充とテンプレートの整備 Development of an Integrated Energy Simulation Tool for Buildings and MEP Systems, the BEST Part 91 Enhancement of Variations on Cogeneration System Operating Method and Development of Templates 正 会 員 ○ 特別会員 技術ﾌｪﾛｰ 技術ﾌｪﾛｰ 正 会 員 正 会 員 辻丸のりえ 村上周三 石野久彌 野原文男 田端康宏 藤居達郎 （佐藤ｴﾈﾙｷﾞｰﾘｻｰﾁ） （建築研究所） （首都大学東京名誉教授） （日建設計） （日建設計） （日立製作所） 正 会 員 技術ﾌｪﾛｰ 正 会 員 正 会 員 正 会 員 佐藤 誠 秋元孝之 笹嶋賢一 二宮博史 工月良太 （佐藤ｴﾈﾙｷﾞｰﾘｻｰﾁ） （芝浦工業大学） （日本設計） （日建設計） （東京ガス） Norie TSUJIMARU*1 Makoto SATOH*1 Shuzo MURAKAMI*2 Takashi AKIMOTO*3 Hisaya ISHINO*4 Kenichi SASAJIMA*5 Fumio NOHARA*6 Hiroshi NINOMIYA*6 Yasuhiro TABATA*6 Ryota KUZUKI*7 Tatsuo FUJII*8 *1 Satoh Energy Research Co., Ltd. *2 Buildin Research Institute *3 Shibaura Institute of Technology *4 *5 Tokyo Metropolitan University Nihon Sekkei Co., Ltd. *6 Nikken Sekkei Co., Ltd. *7 Tokyo Gas Co., Ltd. *8 Hitachi, Ltd. This paper describes the overview of the development of cogeneration system operating methods to meet heat demand, and module templates of actual machines such as exhaust heat recovery absorption chiller-heaters and gas engine electric generators, for the integrated energy simulation tool for buildings. はじめに BEST では建築と各種設備とを連成させたシミュレーショ ンが可能であるため、コージェネレーションシステムの複雑 な制御のシミュレーションの評価に活用することができる。 既報 1），2），3）では、代表的なモジュール構成でのシミュレー ションモデルの紹介に加え、事務所ビルを対象に発電機か らの排熱を冷暖房に利用するシステムのシミュレーション例、 排熱をデシカント空調機に利用する例、太陽熱とコージェネ レーションシステムの排熱を給湯に利用する例を紹介した。 本報では、コージェネレーションシステムの制御方式として 新たに拡充した熱主電従運転制御方式の計算例を紹介す る。また、各メーカーから発売されている発電機、排熱投入 型吸収冷温水機の実在機について BEST で簡便に入力で きるように、各機器の仕様が予め入力された実在機テンプレ ートの整備を行ったので、合わせて報告する。 1． コージェネレーションシステムの制御方式の拡充 1.1 熱主電従運転制御の概要 コージェネレーションシステムで一般的に使用される制御 方式を表 1 に示す。制御方式には、電力需要に合わせて 発電し、排熱を熱需要に応じて利用（排熱の余剰分は放 熱）する「電主熱従運転」、熱需要に合わせて発電する「熱 主電従運転」、発電量を制御せずに一定量の発電を行う 「発電出力一定運転」がある。熱主電従運転は排熱を 100% 空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集 ｛2011.9.14 〜 16（名古屋）｝ 利用するためエネルギー効率の高い制御方式であり、電力 需要以上の発電を行って余剰電力を売電する場合（逆潮流 あり）と、電力需要以上には発電せずに売電をしない場合 （逆潮流なし）がある。発電出力一定運転は逆潮流ありを前 提とした制御方式である。このうち、現在 BEST に実装され ているのは表中の「電主熱従運転」のみであるが、今回新た に「熱主電従運転制御（逆潮流あり）」を追加した。 表 1 コージェネレーションシステムの運転制御方式 運転方式 電主熱従運転 熱主電従運転（逆潮流あり） 熱主電従運転（逆潮流なし） 発電出力一定運転（逆潮流あり） BEST への実装 実装済み 本報の内容 未対応 未対応 熱主電従運転制御（逆潮流あり）の例を図 1 に示す。熱 主電従運転制御（逆潮流あり）の制御ロジックは、放熱用熱 交換器の入口温度を観察対象とし、この温度が設定値にな るようにガスエンジンの負荷率（発電量÷定格発電出力）を 制御するものとした。制御コントローラとして「発電機 台数 制御」モジュールを使用し、この「発電機 台数制御」モジュ ールの入力画面からコージェネレーションシステムの制御 方式を切替えられるようにした（図 2）。 -1727- いため、熱需要が小さいのに発電を行って放熱量が発生す る時間帯や、電力需要量以上の発電を行って余剰電力が 発生する時間帯がある。熱需要が発電機の最小排熱量以 下となる場合は運転を停止するなど、制御ロジックの修正に ついて今後検討を進める予定である。 ｺﾝﾄﾛｰﾗ 冷却塔 ｺﾝﾄﾛｰﾗ T T ｺﾝﾄﾛｰﾗ 配管 400 100% 300 80% 60% 200 40% 100 20% 0% 0 08/09 08/09 08/09 08/09 08/10 08/10 08/10 08/10 08/11 08/11 08/11 08/11 08/12 00:05 06:05 12:05 18:05 00:05 06:05 12:05 18:05 00:05 06:05 12:05 18:05 00:05 受電遮断器 入口有効電力[kW] ガスエンジン排熱回収量[kW] ガスエンジン負荷率[%] ガスエンジン熱量 熱主電従 ：温度観測点 ：排温水、冷温水、冷却水の流れ ：制御信号 ガスエンジン熱量[kW] ＜凡例＞ ｺﾝﾄﾛｰﾗ 図 1 熱主電従運転制御の例 プルダウンで運転方式を 切り替えられる ガスエンジン発電電力[kW] ガスエンジン燃料消費量[kW] 負荷率[%] 放熱用 冷却塔 受電遮断器 入口有効電力[kW] ガスエンジン排熱回収量[kW] ガスエンジン負荷率[%] ガスエンジン熱量 電主熱従 温水需要 暖房用 熱交換器 ① ガスエンジン熱量の比較 ガスエンジン発電電力[kW] ガスエンジン燃料消費量[kW] 400 100% 300 80% 60% 200 40% 100 20% 負荷率[%] T 放熱用 熱交換器 冷温水需要 電力需要 発電機 排熱 投入型 吸収 冷温水機 ガスエンジン熱量[kW] ｺﾝﾄﾛｰﾗ 0% 0 08/09 08/09 08/09 08/09 08/10 08/10 08/10 08/10 08/11 08/11 08/11 08/11 08/12 00:05 06:05 12:05 18:05 00:05 06:05 12:05 18:05 00:05 06:05 12:05 18:05 00:05 ② 排熱系統の熱収支の比較 冷房 排熱利用量[kW] 給湯 交換熱量[kW] ガスエンジン排熱回収量[kW] 電主熱従 排熱系統の熱収支 暖房 交換熱量[kW] 余剰排熱放熱量[kW] 熱量[kW] 400 300 200 100 0 08/09 08/09 08/09 08/09 08/10 08/10 08/10 08/10 08/11 08/11 08/11 08/11 08/12 00:05 06:05 12:05 18:05 00:05 06:05 12:05 18:05 00:05 06:05 12:05 18:05 00:05 図 2 「発電機 台数制御」の入力画面 冷房 排熱利用量[kW] 給湯 交換熱量[kW] ガスエンジン排熱回収量[kW] 1.2 熱主電従運転制御の計算例 熱主電従運転制御（逆潮流あり）の動作を確認するため、 図 1 のシステムを対象にシミュレーションを行った。冷房時 はコージェネ排熱を排熱投入型吸収冷温水機の加熱源とし て、暖房時は暖房の加熱源として利用するシステムである。 シミュレーションの設定条件を表 2 に示す。 表 2 シミュレーション設定条件 項目 全体 設定値 ガス種：都市ガス 13A 発熱量：45MJ/m3（HHV） 延床面積：7,262 ㎡ 運転スケ 運転時間：8:00～22:00（月曜～金曜） ジュール 暖冷房期間：冷房（5～11 月）、暖房（12～4 月） ガス 定格/最小発電出力：115 kW/57.5kW エンジン 定格発電効率（LHV 基準）： 33.5% 定格排熱回収効率（LHV 基準）：54% 補機動力電力消費率：5%（定格発電出力に対する割合） 制御方法：熱主電従運転 排熱投 冷房時（定格能力/ガス消費（排熱無し）/電力消費/定格排 熱回収量)：1155/822/5.1/326ｋＷ 入型 吸収冷 加熱時（定格能力/ガス消費/電力消費)： 温水機 692/822/4.8kW 1.3 計算結果 夏期（８月）の代表日における電主熱従運転と熱主電従 運転のトレンド比較を図 3 に示す。熱主電従運転では熱負 荷の変動に応じて発電量を調整していることが確認できた。 しかし、ガスエンジンの発電量が最小発電量以下にならな 空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集 ｛2011.9.14 〜 16（名古屋）｝ 熱量[kW] 排熱系統の熱収支 熱主電従 暖房 交換熱量[kW] 余剰排熱放熱量[kW] 500 400 300 200 100 0 08/09 08/09 08/09 08/09 08/10 08/10 08/10 08/10 08/11 08/11 08/11 08/11 08/12 00:05 06:05 12:05 18:05 00:05 06:05 12:05 18:05 00:05 06:05 12:05 18:05 00:05 図 3 運転方式によるトレンド比較結果（夏期代表日） 図 4 に年間の排熱系統の熱収支を示す。熱主電従運転 は熱需要に合わせて発電を行うので、電主熱従運転よりも ガスエンジンの排熱生産量が少ない。しかし、前述のように 現状では熱需要の小さいときでも発電量が最小発電量以下 にならないため、排熱を使い切らずに比較的大きな放熱量 が発生している。特に中間期はこの傾向が顕著であった。 電主熱従 冷房 排熱利用量[GJ] 暖房 交換熱量[GJ] 給湯 交換熱量[GJ] 余剰排熱放熱量[GJ] 6,623 熱主電従 5,773 0 5,000 10,278 9,027 10,000 24,940 GJ 8,038 4,977 19,778 GJ 15,000 20,000 熱量[GJ] 25,000 30,000 図 4 年間の排熱系統の熱収支 年間一次エネルギー消費量の比較を図 5 に示す。現状 の制御ロジックでは熱主電従運転でも放熱量が大きくなっ てしまうため電主熱従運転との差は小さいが、4,023GJ（約 3％）削減される結果となった。 -1728- 電力（給湯熱源） 電力（給排水） 電力（空調空気搬送） 電力（空調熱源補機） 電力（空調熱源本体） 電力（空調水搬送） 電力（照明） 電力（昇降機） 電力（換気） 電力（コンセント） 電力（その他） ガス（給湯熱源） ガス（空調熱源） 年間一次エネルギー消費量[GJ] 160,000 140,000 133,651 GJ 129,628 GJ ガス（空調熱源）, 68,104 ガス（空調熱源）, 64,050 120,000 100,000 80,000 60,000 40,000 20,000 0 電主熱従 熱主電従 実在機テンプレート A社80USRT A社100USRT A社180USRT 図 5 年間一次エネルギー消費量の比較 2． テンプレートの整備 2.1 コージェネレーションテンプレートの構成 BEST では、コージェネレーションシステムを関連機器で 構成される一つのテンプレートとして定義している（図 6 参 照）。コージェネレーションシステムを構成する各機器もそ れぞれテンプレート化しており、各機器のテンプレートを入 れ替えることで様々なケースのシミュレーションに対応する ことができる。今回、排熱投入型吸収冷温水機およびガス エンジン発電機について、各メーカーから発売されている 実際の機器をコージェネレーションシステムのテンプレート として組み込み、より現実に近いシミュレーションができるよ うに「実在機テンプレート」の整備を行った。 コージェネレーション テンプレート 冷暖房テンプ レート 冷却塔 電力需要 発電機 排熱 投入型 吸収 冷温水機 放熱テンプレート 給湯テンプレート 給湯用熱交換器 ｺﾝﾄﾛｰﾗ 冷却塔 冷却水 ポンプ 冷却塔三方弁 排熱 投入型 吸収 冷温水機 T ｺﾝﾄﾛｰﾗ 冷温水 ポンプ 冷温水需 要 放熱用 冷却塔 暖房用熱交換器 冷暖房テンプレート 給湯需要 放熱用 熱交換器 せて変更する必要がある。冷暖房テンプレートの構成図を 図 8 に、各モジュールで実在機の仕様が反映される項目を 表 3 に示す。関連する機器をまとめて実在機テンプレートと して整備することで、ユーザーが各機器の仕様変更を行わ なくてもよいようにした。なお、変更するのは仕様のみであり、 機器特性式はすべて同一のものを使用する。また表 3 のう ち、各種ポンプ、冷却塔の電動機の定格消費電力は三乗 則に従うものとして設定した。 ただし、排熱投入型吸収冷温水機の仕様変更に合わせ て「熱源台数制御モジュール」も変更する必要があるが、こ のモジュールは「排熱利用 冷暖房テンプレート」には含ま れていないため、テンプレートとして整備することが難しく、 手作業で変更するなどの対応が必要となる。 温水需要 暖房テンプレート 冷温水需要 発電機テンプレート 図 7 実在機テンプレートの入れ替え画面 図 6 コージェネレーションテンプレートの構成図 図 8 排熱利用 冷暖房テンプレートの構成図 2.2 実在機テンプレートの整備 実在機テンプレートの入替画面を図 7 に示す。通常のテ ンプレート入替画面に実在機テンプレートを表示させ、簡単 に入れ替えができるようにした。現在、排熱投入型吸収冷温 水機では 4 社 50 型式、ガスエンジン発電機では 9 社 78 型 式の実在機テンプレートを用意している。 2.3 排熱投入型吸収冷温水機 BEST における排熱投入型吸収冷温水機は、関連する機 器（「モジュール」と呼称）をまとめて一つの「排熱利用 冷暖 房テンプレート」を構成しているため、排熱投入型吸収冷温 水機の仕様を変更する場合、関連する他モジュールも合わ 空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集 ｛2011.9.14 〜 16（名古屋）｝ 表 3 冷暖房テンプレートで実在機仕様が反映される項目 モジュール名 排熱投入型吸収冷温水機 冷温水ポンプ 冷却塔 冷却水ポンプ 冷却塔３方弁 変更する項目 全ての項目（実在機と同じ仕様） 定格流量、定格消費電力 定格冷却水流量、定格消費電力 定格流量、定格消費電力 最大流量 2.4 ガスエンジン発電機 排熱投入型吸収冷温水機と同様、ガスエンジン発電機も 関連する機器をまとめて一つの「発電機テンプレート」を構 成しており、ガスエンジン発電機の仕様に合わせて他のモ -1729- ジュールの仕様も変更する。さらに、ガスエンジン発電機の 容量が変わると排熱温水流量も変わるため、余剰排熱を放 熱するための「放熱テンプレート」内の各モジュールについ ても変更する必要がある。「放熱テンプレート」は「発電機テ ンプレート」より一つ上の階層にあるが、今回新たにこの 2 つのテンプレートを合わせた入れ子構造の「排熱温水源テ ンプレート」を整備したので、今後はこのテンプレートを実在 機テンプレートとして整備する予定である。「排熱温水源テ ンプレート」の構成図を図 9 に、各モジュールで実在機の 仕様が反映される項目を表 4、表 5 に示す。 なお、ガスエンジン発電機の特性式は、負荷率 100%、 75%、50%時の発電効率、排熱回収効率を入力値とし、これ らを補間して特性式を推定しているため、機種によって異な る機器特性を再現することが可能である。 3． まとめと今後の課題 本報では新たに BEST に追加した熱主電従運転制御の シミュレーション例と、排熱投入型冷温水機およびガスエン ジン発電機の実在機テンプレートの整備について述べた。 今後は BEST によるコージェネレーションシステムのシミュレ ーションをより充実させるため、以下のような検討を進める予 定である。 ① 熱主電従運転制御のロジック修正（熱負荷が発電機 の最小排熱量以下となる場合は運転を停止する） ② コージェネレーションシステムの運転制御方式のさら なる拡充（熱主電従運転・逆潮流なし、発電出力一 定運転の追加） ③ 排熱投入型吸収冷温水機、ガスエンジン発電機の 実在機テンプレートの動作検証、ユーザーへの配布 ④ BEST を活用した実際のビルにおけるコージェネレ ーションシステムの最適な運転方法の検討 ⑤ 排熱投入型吸収冷温水機、ガスエンジン発電機の 既存モジュールの機器特性再現性の確認 ⑥ 蒸気排熱利用コージェネレーションシステムのシミュ レーションを可能とするための蒸気のモデル化検討 排熱温水源テンプレート 発電機 テンプレート ｺﾝﾄﾛｰﾗ 電力需要 発電機 循環 ポンプ 配管 放熱用 熱交換器 排熱側 三方弁 放熱用 冷却塔 T ｺﾝﾄﾛｰﾗ 冷却塔三方弁 冷却水 ポンプ 放熱テンプレート 図 9 排熱温水源テンプレートの構成図 表 4 発電機テンプレートで実在機仕様が反映される項目 モジュール名 ガスエンジン 配管 循環ポンプ 変更する項目 全ての項目 配管内径※ 定格流量、定格消費電力 ※前進法では 1 つの計算ステップで配管内の温水が循環するという 計算しかできないため、配管内径は排熱温水が BEST の計算時間間 隔（5 分）で排熱系統を一周以上しないように、配管容量が定格排熱 温水流量[L/min]×5 分になるような径を算出した（数式 1）。 配管内径[m] 2 定格流量[ L / min] 5[min] (数式 1) 配管長[m] 表 5 放熱テンプレートで実在機仕様が反映される項目 モジュール名 変更する項目 排熱側３方弁 最大流量 放熱用 熱交換器 熱通過率 放熱用 冷却塔 定格冷却流量、定格消費電力 放熱用 冷却塔三方弁 最大流量 放熱用 冷却水ポンプ 定格流量、定格消費電力 ※電動機の定格消費電力は三乗則に従うものとした。 空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集 ｛2011.9.14 〜 16（名古屋）｝ 謝辞 本報は、（財）建築環境・省エネルギー機構内に設置された産官 学連携による環境負荷削減のための建築物の総合的なエネルギ ー消費量算出ツール開発に関する「BEST コンソーシアム」・ ｢BEST 企画委員会（村上周三委員長）」および専門版開発委員会 （石野久彌委員長）、行政支援ツール開発委員会(坂本雄三委員 長）、クラス構想 WG（石野久彌主査）、コージェネレーション検討 SWG（秋元孝之主査）の活動成果の一部であり、関係各位に謝意 を表するものである。 コージェネレーション検討 SWG 名簿（順不同）主査：秋元孝之 （芝浦工業大学），副主査：笹嶋賢一（日本設計），委員：野原文男、 二宮博史、田端康宏（以上、日建設計），昆野京一郎（ヤンマーエ ネルギーシステム），藤居達郎（日立製作所），佐藤誠、辻丸のりえ （佐藤エネルギーリサーチ），工月良太（東京ガス），事務局：生稲 清久（建築環境・省エネルギー機構） 参考文献 1） 佐藤誠、村上周三、秋元孝之、石野久彌、笹嶋賢一、野原文 男、二宮博史、田端康宏、工月良太：外皮・躯体と設備・機器の総 合エネルギーシミュレーションツール「BEST」の開発（その 56）コー ジェネレーションシステムプログラムの特徴、空気調和・衛生工学 会大会学術講演論文集、pp. 707-710、2009.9 2） 田端康宏、村上周三、秋元孝之、石野久彌、野原文男、佐藤 誠、工月良太、二宮博史、笹嶋賢一：外皮・躯体と設備・機器の総 合エネルギーシミュレーションツール「BEST」の開発（その 57）コー ジェネレーション排熱利用としてのデシカント空調機、空気調和・衛 生工学会大会学術講演論文集、pp. 711-714、2009.9 3） 佐藤誠、村上周三、秋元孝之、石野久彌、笹嶋賢一、野原文 男、二宮博史、田端康宏、工月良太：外皮・躯体と設備・機器の総 合エネルギーシミュレーションツール「BEST」の開発（その 76）太 陽熱利用とコージェネレーションの複合システムのシミュレーション、 空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集、pp. 2583-2586、 2010.9 -1730-
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