ＶＲＶエネルギーシミュレーション技術の開発

1

２００７年１０月１７日ダイキン環境技術研究所　　　　　　　　　塩地　純夫

2What is the Sustainable Building？

　地球温暖化など、地球規模の環境問題が注目されるようになって以来、住宅・建築の分野では「環境に優しい建物（Green Building）」の研究と建築が世界的に行われている。このような「建物」は、当初様々な呼び名があったがが、最近では英語の ‘sustainable’ (｢持続可能な」という意味)を使って、

サステナブルビルなどと称することが一般的となっている。

ロンドンのサステナブルビル‘BedZED’　　・屋上:風力利用の換気装置

　　・ダブルスキン構造　　・ソーラパネル

オランダのサステナブルビル　　・オールソーラシステム　　・地下水利用（ＨＰ、蓄熱）

ＣＯ２排出削減の具体化など、地球環境を考えた現実的な取組みが急ピッチで進んでいる。特に建築物に関しては、環境負荷の小さい建築物や空調システムが期待されている。

http://www.bioregional.com/programme_projects/ecohous_prog/bedzed/bedzed_hpg.htm

3

ＬＥＥＤ、Ｔｉｔｌｅ２４

Gobas公共建築省エネ設計基準

　　　（GB50189-2005）

ｸﾞﾘｰﾝ建築評価基準

CASBEE

BREEAM

GBtoolESCALE

「環境に優しい建物：サステナブルビル」を評価するための指標が各国で策定され、施行されている。⇒エネルギーシミュレーション必須の場合がある。

ＥＰＢＤ

各国の省エネビル規制動向

NABERS

(Standard of Sustainable Building）

4省エネビル規制動向とエネルギーシミュレーション

US>DOE2,Energy Plus(DOE)>HAP(Carier)>Trace(Trane)

China>DeST>DOE2

Japan>HASP>BECS→BEST、LCEM

ＥＵ>Esp-r(UK)>Calener(Spain)

（HVAC energy simulation map）

05年から北京市の商業施設

のエネルギー消費量評価は義務化されている。08北京

オリンピック施設全てにDeSTでのシミュレーショ

ンが適用されている。

シミュレーションを実施して

LEEDの格付けを得ることで、CA

やNYなど州政府による税金控除、

低利融資などのインセンティブ

が与えられる。また公共建築物

に関しては義務付けされている。

CAのTitle24では州条例でエネ

ルギーシミュレーションを義務

つけている(99年から）。

公共建築物に関してLCEM

は推進中。

エネルギーシミュレーションを活用することで、規制に対応した建物の省エネ性（躯体構造）を評価、最適な空調システムの検討が実施できる。　しかしVRVはない。

VRVエネルギーシミュレーションの目的

１）年間消費電力量による省エネ　・セントラル方式との比較

１）年間消費電力量による省エネ　・セントラル方式との比較

３）適正なVRVシステムの設計

　・最大負荷計算法よりも高精度な容量選定　・ゾーニングと系統設計の最適化

３）適正なVRVシステムの設計

　・最大負荷計算法よりも高精度な容量選定　・ゾーニングと系統設計の最適化

２）個別分散することでの省エネ性　・部分負荷特性

・利用していないｿﾞｰﾝの空調を停止

２）個別分散することでの省エネ性　・部分負荷特性

・利用していないｿﾞｰﾝの空調を停止

5

VRVエネルギー分析結果＜電力消費量＆必要空調能力：必要なタイムステップごと、系統ごと・・・・・・＞

＜機器効率（COP)／負荷率：ゾーンごと、系統ごと・・・＞

0.00E+00

1.00E+00

2.00E+00

3.00E+00

4.00E+00

5.00E+00

6.00E+00

7.00E+00

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.000

5E+10

1E+11

1.5E+11

2E+11

2.5E+11

3E+11

3.5E+11

May June July August September October

冷却塔ファン（J)

ポンプ（J)

水冷チラー（J)

ファン（J)

VRV systemcentral system Which is?

VRV systemBest?

（Input data and calculation result）

EnergyPlus+VRVの開発（１）

Input data Calculation result

Catalog

A)建物構造B)内部負荷（スケジュール）B)気象データC)VRV系統D)VRV機器特性

　１）能力特性カーブ　２）入力特性カーブ　３）部分負荷特性カーブ

0100000000200000000300000000

400000000500000000600000000

Ele

ctr

icity:F

acility

[J](

Month

ly)

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era

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:Ele

ct

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Ele

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Pla

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Gas:

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VAC

[J](R

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Gas:Fac

ility

[J](

RunPeriod

)

January

July

0

5

10

15

20

25

30

35

01

/1

4 0

1:0

0:0

0

01

/1

4 0

4:0

0:0

0

01

/1

4 0

7:0

0:0

0

01

/1

4 1

0:0

0:0

0

01

/1

4 1

3:0

0:0

0

01

/1

4 1

6:0

0:0

0

01

/1

4 1

9:0

0:0

0

01

/1

4 2

2:0

0:0

0

07

/0

7 0

1:0

0:0

0

07

/0

7 0

4:0

0:0

0

07

/0

7 0

7:0

0:0

0

07

/0

7 1

0:0

0:0

0

07

/0

7 1

3:0

0:0

0

07

/0

7 1

6:0

0:0

0

07

/0

7 1

9:0

0:0

0

07

/0

7 2

2:0

0:0

0

SPACE1-1:Zone/Sys AirTemp[C](Hourly)

SPACE2-1:Zone/Sys AirTemp[C](Hourly)

SPACE3-1:Zone/Sys AirTemp[C](Hourly)

SPACE4-1:Zone/Sys AirTemp[C](Hourly)

A)ゾーンごとの負荷B)ゾーンごとの温度・湿度C)VRV系統ごとの能力D)VRV系統ごとの消費電力E)VRV系統ごとの負荷率

　　　　　　　：　　　（全ての情報/　　　　　　　時間間隔指定）

Power = (Qtotal) (EIR) (RTF)

Power=消費電力Qtotal=能力（負荷）EIR=入力特性RTF=部分負荷特性

6

VRVモジュールは特性カーブを使用、　Ver1.2.1で開発

Get the Input data of VRV outdoor units and attached indoor unit

star

performance table(each combination ratio)

Indoor unit Num.Outdoor Unit Num.

OutdoorUnitNomCap:

Outdoor Unit Num=1

Indoor Unit Num=1

Block Inner loop(Indoor Sum)

Indoor Unit Num= Indoor Unit Num+1

IndoorUnitNum>NumIndoorUnit

Yes

No

Block Outer loop(Outdoor Sum)

Outdoor Unit Num= Outdoor Unit Num+1

OutdoorUnitNum>NumoutdoorUnit

Yes

No

Call outputvariable End

Subroutine SimVRVOutdoorUnit　Cooling Flow-chart

EnergyPlus+VRVの開発（２）7

VRV module

■Modify the Unitary-System（Cooling)

配管ロス　・配管長　・高低差

Zone①Load①

Zone②Load②

Capacity①　　 =Load①

Capacity②　　 =Load②

Poutdoor = Qtotal×EIR×RTF

Power consumption = Poutdoor+Pindoorfan

Power consumption = Poutdoor+Pindoorfan

■Modify the Unitary-System（Heating)

Qtotal=Σｃapacity（Load）EIR=Power input performanceRTF=Part load performance

EnergyPlus+VRVの開発（３）

既存のＤｘcoilモジュールをカスタマイズ

　・顕熱比、露点温度/バイパスファクタで潜　　熱、顕熱を分離して負荷処理を行なう。

8

Poutdoor = (Qtotal) (EIR) (RTF)

■技術資料記載の能力表から、室内機接続容量比率ごとに　　　　　　　　　　　　　　特性式（外気温度＋室内温度の特性式）を作成　Qtotal=Total cooling capacity(W):

Cooling Qtotal=a+b(Twb,i)+c(Twb,i)2+d(Tdb,o)+e(Tdb,o)

2+f(Twb,i)(Tdb,o)Heating Qtotal=a+b(Twb,o)+c(Twb,o)

2 +d(Twb,o)

Twb,i=WB temperature of the air-entering indoor unitTdb,o = DB temperature of the air-entering outdoor unitTwb,o = WB temperature of the air-entering outdoor unit

EIR = Energy input ratio = (1/coprated)( EIRTempModFac)　　　　　⇒COPratedis COP in the ratings condition (input value)

Cooling EIRTempModFac=a+b(Twb,i)+c(Twb,i)2+d(Tdb,o)+e(Tdb,o)

2+f(Twb,i)(Tdb,0)Heating EIRTempModFac=a+b(Twb,o)+c(Twb,o)

2+d(Twb,o)

（Energy calculation）

EnergyPlus+VRVの開発（４）9

１）比較対象建物の概略構造

28.0

5.0 4.0 10.0 4.0 5.0

North Zone

South Zone

West Zone East ZoneCentre Core

Interior ZonesN

Ten floors　Office building

Floor to Floor Height :3.5m(Room:2.7m)

空調領域≒7840㎡）

1フロアーの平面図

10セントラルシステムとの比較（１）

セントラルシステムとの比較（２）

２）比較対象建物の概略情報

１）外壁 コンクリート(150mm）＋断熱材（20mm）＋空気層＋プラスター（15mm）２）内壁 プラスター（13mm）＋コンクリート（100mm）＋プラスター(13mm）３）床と天井 コンクリート（150mm)+空気層＋プラスター(10mm）＋スレートタイル（10mm

建物情報

建物躯体構造

夏季設定温度：26℃

項目 概要１）所在地 東京２）建物タイプ １０階建ての」オフィスビル３）床面積 ７８４㎡×１０＝７８４０㎡

センターコアにはエレベータ、給湯室などを含む４）窓と日除け 窓はペアガラス（厚さ：3mm/空気層：12.7mm）

窓高さ1.5ｍ（床0.8ｍ～）WWR(日射対策はなし

５）運転日 月曜日～金曜日（7:00～17:00)６）内部負荷 在室人員

5㎡/人（ペリメータ、インテリアゾーン） 25㎡/人（センターコア）

照明25W/㎡（ペリメータ、インテリアゾーン）

15W/㎡（センターコア）その他の発熱体（ＰＣなど）

20W/㎡（ペリメータ、インテリアゾーン）0W/㎡（センターコア）

７）設定温度 夏季25℃８）隙間風 0.1回換気相当９）機械換気 4.0m3/(m2・h) （ペリメータ、インテリアゾーン）

0.6m3/(m2・h) (センターコア）10）夏季冷房期間 ５月１日～10月31日

11

セントラルシステムとの比較（３）

３）空調負荷計算結果とVRV室内機配置イメージ

DACCS結果（１F、１ゾーンのみ）

×１０階

空調負荷１４００KWと考えて、ＶＲＶは１階あたり140ＫＷの室外機、セントラル熱源は1400ＫＷチラーを使

うものとした。

28.0

5.0 4.0 10.0 4.0 5.0

North Zone

South Zone

West Zone East ZoneCentre Core

Interior ZonesN

室内ターミナル配置

○ＶＲＶは各ゾーンに室内機を１台配置する。

○セントラルシステムでも各ゾーンにターミナルを１台配　　置する。

ＶＲＶ室外機ｈは各階設置

12

セントラルシステムとの比較（４）

４）比較対象空調システム

wt

wt

wt

wt

w

t

w

t

w

t

wt

wtwt

VRF VAV FPFA

1

6

7

8

5 9

10

2

3

4

Note: 1. VRF outdoor unit ; 2.VRF Indoor unit; 3.Refrigerant loop; 4. Diffuser; 5. Duct; 6. Chiller; 7. Pump; 8. AHU; 9. Fan-coil Unit ; 10. Water Pipe

Ｂ）VAVシステム(冷房）　　①水冷Screwチラー（CUW300D5Y特性を使用）：能力=1400KW,COP=4.7,Design Water Volume=autosize　　②ポンプ：Volume flow rate=autosize,Power consumption=autosize,　Moter Efficiency=0.9,PLFあり　　③AHU：Coil=Water flow & Air flow autosize, Fan=autosize　　④VAV：No-reheat, Air-flow=autosize　　⑤クーリングタワー：Design Water flow rate & Air flow rate=autosize, Fan-power=autosize

Ｃ）Ｆａｎｃｏｉｌシステム（冷房）　　①水冷Screwチラー（CUW300D5Y特性を使用） ：能力=1400KW,COP=4.7,Design Water Volume=autosize　　②ポンプ：Volume flow rate=autosize,Power consumption=autosize,　Moter Efficiency=0.9,PLFあり　　③Fan-coil：Air flow rate & cold water flow rate=autosize　　④クーリングタワー：Design Water flow rate & Air flow rate=autosize, Fan-power=autosize

VAV FancoilVRV

10HP特性カーブを使用COP=3.7

13

５）計算結果 (5/31～10/31の合計電力消費量）

○VRV＜ＦａｎＣｏｉｌ＜ＶＡＶという電力消費量になる結果を得た。コイル出口温度の違いからＶＲＶよりもＦａｎＣｏｉｌの電力消費量が大きい結果となっている。ダクトの圧力損失からＶＡＶのファン入力が大きくなっていると考えられる。

セントラルシステムとの比較（５）14

0

2E+11

4E+11

6E+11

8E+11

1E+12

1.2E+12

1.4E+12

1.6E+12

VRV VAV Fanco il

冷却塔

ポンプ

送風

熱源

J

＊VRVの熱源は室外機の電力消費量（圧縮機＋ファン）＊VRVの送風は室内機ファンの電力消費量

実測値とｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ結果の比較（１）15

実際の建屋 EnergyPlusのモデルイメージ

Upper floor 1737 (Height:4.5m)

950

961

4.5ｍ

8ｍ5.6ｍ

8ｍ

927916

939

Lower floor1762 (Height:4.5m)

１）実測対象の建物とシミュレーションモデル

＊上下左右前後の　隣接部屋を全てモデル化

＊実測対象居室の空調機設定温度は２６℃

Ａ室（45㎡）

Ｂ室(45㎡）

温湿度測定器

実験用ＰＣ

温湿度データ収集器ＵＳＢ

DⅢ-NET（内外ライン）

４HP室内機

制御系コントローラ

データレコーダ

Ｅｔｈｅｒｎｅｔ

配電盤

パルス変換器

電力パルス

電力測定器

5.6ｍ

8ｍ

＊Ａ室Ｂ室とも内部負荷としてヒータ、照明を使用

16

★高さ3.3ｍ

２）実測対象居室の計測環境

実測値とｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ結果の比較（２）

４HP室内機

８HP室外機

加湿器：550L/h加湿器：550L/h

17実測値とｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ結果の比較（３）

３）実測結果の例（2006年8月26日）

時間

室内機能力推定値

(kwh)

室内温度

(C)室内湿度

(％)

室内機能力推定値

(kwh)

室内温度

(C)室内湿度

(％)0:00 0.000 29.900 72.125 0.000 29.654 74.958 0.000 0.0351:00 0.000 29.900 72.792 0.000 29.658 75.208 0.000 0.0352:00 0.000 29.875 73.500 0.000 29.613 75.458 0.000 0.0363:00 0.000 29.875 73.625 0.000 29.588 75.250 0.000 0.0364:00 0.000 29.871 74.458 0.000 29.575 75.625 0.000 0.0365:00 0.000 29.888 74.458 0.000 29.617 75.833 0.000 0.0376:00 0.000 30.421 72.667 0.000 30.121 74.167 0.000 0.0367:00 0.000 31.471 69.042 0.000 31.279 70.333 0.000 0.0358:00 0.000 32.296 66.792 0.000 32.250 67.083 0.000 0.0359:00 8.271 27.988 56.833 8.128 28.213 55.917 16.398 4.574

10:00 9.884 26.067 47.792 9.866 26.742 49.083 19.750 3.69111:00 10.158 25.992 47.708 9.821 26.567 48.500 19.979 3.69112:00 9.384 25.758 47.792 9.319 26.388 48.792 18.703 3.49313:00 9.372 25.371 48.792 9.042 25.892 49.458 18.414 3.54514:00 8.157 25.588 51.708 7.966 26.104 52.500 16.123 3.25315:00 8.559 25.792 54.250 6.776 26.058 54.292 15.336 3.36916:00 7.621 25.738 56.208 7.308 25.725 54.125 14.929 2.92417:00 0.051 29.679 52.417 0.074 29.292 55.917 0.125 0.06018:00 0.000 30.538 59.000 0.000 30.258 61.417 0.000 0.03519:00 0.000 30.563 62.750 0.000 30.408 65.125 0.000 0.03520:00 0.000 30.608 64.208 0.000 30.479 67.542 0.000 0.03521:00 0.000 30.650 65.667 0.000 30.513 69.125 0.000 0.03522:00 0.000 30.671 67.083 0.000 30.525 70.167 0.000 0.03523:00 0.000 30.679 69.333 0.000 30.521 72.417 0.000 0.035

8/26Room A

室外機電力消費量

(kwh)

室外機能力推定値

(kwh)

Room B

18実測値とｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ結果の比較（４）

４）建物のシミュレーションモデル

２）建物構造（物性値はBLASTのDBを使用）１）気象データ＝気象台から購入

Name

Outer wall

Inter wall

Ceiling and floor

Material /Thickness (unit: m)

(eramic/porcelain 0.01)+( Plaster(Lightweight) .013)+( AAC Block .2)+ (Plaster(Lightweight) .013)

(Plaster (Lightweight) .013)+( AeratedConcrete Slab .2)+ (Plaster (Lightweight) .013)

(Wooden Flooring .019)+( Air gap)+( CastConcrete(Dense) 0.1)+ ( Air gap)+ Ceiling Tiles

３）建物構造（物性値はBLASTのDBを使用）

＊People,Electric equipmentに関して、実測ではヒータを使用、計算では合計発熱量をElec quipmentとして設定。

24th to 25th

room people light Elec equipmentSet point

(°C) scheduleInfiltration

(ACH)A&B 900W(100W×9) 360W(30w*12本） 880W 26 9am ～ 5pm 0.5

26th to 27th

room people light Elec equipmentSet point

(°C) scheduleInfiltration

(ACH)A&B 1400W(100W×14) 360W(30w*12本） 880W 26 9am ～ 5pm 0.5

19実測値とｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ結果の比較（５）

５）実測結果とシミュレーション結果の比較例（2006年8月26日）

0

5000

10000

15000

20000

25000

08/26

10:0

0:0

0

08/26

11:0

0:0

0

08/26

12:0

0:0

0

08/26

13:0

0:0

0

08/26

14:0

0:0

0

08/26

15:0

0:0

0

08/26

16:0

0:0

0

08/26

17:0

0:0

0

08/26

18:0

0:0

0

実測値能力（W)

計算結果能力（W)

0

500

1000

15002000

2500

3000

3500

4000

08/26

10:0

0:0

0

08/26

11:0

0:0

0

08/26

12:0

0:0

0

08/26

13:0

0:0

0

08/26

14:0

0:0

0

08/26

15:0

0:0

0

08/26

16:0

0:0

0

08/26

17:0

0:0

0

08/26

18:0

0:0

0

実測値入力（W)

計算結果入力（W)

冷房TC

冷房PI

＊12時で28％の誤差

＊12時で22％の誤差

エネルギー消費量の予測誤差は、冷房能力の予測誤差に依存する。

まとめ20

エネルギーシミュレーションは、建物の省エネ性や空調設備の省エネ性を分析するために重要な技術である。今後、国ごとでの規制やインセンティブ環境の整備がすすむことで、さらに普及すると考えられる。

VRVのエネルギーシミュレーションを活用することで、セントラルシ

ステムとのエネルギー分析を実現できる。同一ソフトによるシステム間の比較が重要だと言える。

VRVエネルギーシミュレーションの計算結果と実測値との誤差要因には、「建物負荷の計算誤差」「気象データ」「VRV計算ロジック／特

性カーブに起因する計算誤差」が考えられる。建物負荷の計算誤差を解決するためには、躯体構造の詳細モデル化（梁や什器etc）、内部負荷の詳細な設定（周囲ゾーンの温度変化etc）、適正な隙間風量の設定

が重要だと言える。