空調のチューニングポイント

東洋ビル管理株式会社 
省エネルギー技術研究室  
室長　中村　聡

 不快指数冷房（8）

33、温度と湿度の省エネ効果比較

　今度はエンタルピと絶対湿度で比較してみよう。
室温は28℃で絶対湿度が違う場合だ。

　外気の温湿度が35℃70％の時に、室内を28℃70％で冷房すると、温度が20％下がり、エンタルピが29.1％下がり、絶対湿度が33.7％下がる。
　室内を28℃45％で冷房するとエンタルピが44.6％下がり、絶対湿度が57.9％下がる。エンタルピは44.6％－29.1％＝15.5％の差で、絶対湿度は57.9％－33.7％＝24.2％の差だ。エネルギーを15.5％多く使うと、絶対湿度が24.2％多く下がるということになる。
　次に室内の絶対湿度が同じで、室温が違う場合を比較してみる。

　室内を24℃57％で冷房すると、温度が31.4％下がり、エンタルピが48.7％下がる。エンタルピは48.7％－44.6％＝4.1％の差で、温度は31.4％－20.0％＝11.4％の差だ。エネルギーを4.1％多く使うと、温度が11.4％多く下がるということになる。率的には湿度を下げるよりも温度を下げるほうにエネルギーを使った方が効率的である。

34、外気温度と湿度
　
　外気温度のほうが室内よりも高くて、湿度が低い場合はどうなるだろうか。

　外気温湿度28℃50％は、夏季前後の中間期に見受けられる温度と湿度である。冷房中のビル内温湿度26℃70％は、人からの水蒸気発生があるので、外気よりもビル内の方が絶対湿度が高くなることもあるだろう。温度は外気の方が2℃高いので、屋外からビル内へ熱伝導するが、絶対湿度はビル内の方が高いので、逆にビル内から屋外へ湿度の伝導があるはずだ。わざわざ除湿をしなくても伝導で自然に除湿ができるのだから、不快指数冷房で温度を下げることだけにエネルギーを使えばよい。
　エンタルピは外気の方が低いので、外気導入量を増やせば外気冷房になるが、外気温度は高いので、不快指数冷房で温度だけを下げるのだ。

35、外気の冷房負荷

　外気が冷房負荷となるには温度と湿度がある。どちらもビル内よりも高いほど冷房負荷となるので、外気冷房として利用する以外はビル内への影響を減らす工夫が必要だ。
　外気の導入や侵入があれば外気のエンタルピがビル内へ直接入ってくるのだが、窓も無く換気もせず人も居ない密室の場合はどうなるであろうか。外気の熱が壁から伝わって室内へ伝導するのと、外気の水蒸気が壁を通して伝導するのとでは、エネルギー的にどちらが多く入って来て、冷房負荷になるのかを考えなければ、エンタルピの比較だけで、湿度が高い方が省エネになり快適になるとは言い切れないはずだ。
　外気の導入や侵入や伝導。室内での人や電気機器の冷房負荷。これらを総合的に判断した時の最も効率的な冷房方法を求めて、温度と湿度のどちらを下げてどちらを下げないようにすればよいのかを実践的に探し出す必要がある。

36、温度と湿度の侵入

　室内の換気をおこなえば、外気が直接入って来るので、これを外気の導入と云うならば、侵入は自然に入って来る外気である。ビル内が負圧であればあるほど外気が多く侵入して来る。これも外気導入と同様に冷房負荷になる。
　外気導入量を増やしてビル内が正圧になれば、侵入口から逆にビル内の空気を押し出すことになるので外気侵入はなくなるが、必要以上の外気導入は冷房負荷が増える原因ともなる。
　丁度、外気侵入が無くなるように導入量を調整するのが、外気負荷が少なくなるポイントだ。この導入や侵入以外にも間接的に入って来るものに熱伝導がある。水蒸気も壁に伝わり、壁から室内に伝わって来るという意味では熱と同じく水蒸気も伝導である。伝導はビル内の気圧に左右されずに、正圧でも負圧でも、壁や天井、窓から伝わって入って来るのが特徴である。
　侵入は気圧差の影響を受けるが、伝導は気圧差ではなく、温度差と湿度差の影響を受けてビル内へ入って来るという違いがあるのだ。
　熱の場合は日射が窓ガラスに当たればガラス自体が熱くなり、その熱が室内に伝導すると同時に、ガラスを透過した日射が室内に直接熱を与える。これが伝導と透過である。
　外気と室内のエンタルピを比較するだけでは、温度を下げて湿度を下げない冷房をおこなったほうが省エネになるが、数値の比較だけではなく、外気の温度と湿度、つまり外気の熱と水蒸気のどちらがビル内への伝導量が多いのかで、不快指数冷房の調整方法も違って来るはずだ。
　温度の方が湿度よりも伝導しやすいのであれば、室内温度を下げれば下げるほど外気の熱が伝導して冷房負荷が増える。逆に温度の高い冷房をおこなえば、熱は伝導し難くなる。
　湿度の方が温度よりも伝導しやすいのであれば、室内湿度を下げれば下げるほど外気の水蒸気が伝導して冷房負荷が増える。逆に湿度の高い冷房をおこなえば、水蒸気は伝導し難くなる。
　室内温度と湿度の伝導しやすいほうを下げないようにしながら、伝導し難いほうを下げたほうが、エンタルピとしての伝導量が少なくなるので、それだけ冷房負荷も減るだろう。

37、保存室の保温

　18℃50％の保存室での例である。エアコンで除湿を行なっていたが、除湿をすれば室温が下がり過ぎて、真夏でも再熱を行わなければならなかったので、除湿器1台を追加してエアコンでの除湿負荷を減らすことにした。
　エアコンと除湿器の併用で、室温が設定以下にならないような除湿ができれば、再熱で無駄な電力を使う必要もなくなるだろう。

 　この保存室は窓も無く、人の出入りも殆どない密室である。ドアはパッキンで密封されており、ドアの室内側にもう一枚のドアがある風除室的な二重のドアである。保存室に入るには外側のドアを開けて入り、閉めてから内側の開けるというようになっている。この外側ドアの手前スペースも外気が入らない狭いエレベーターホールなので、給排気ファンを運転しない限りは、直接保存室に外気が入ることはない。
　壁と床はコンクリートで囲われており、室内側の壁と天井は石膏ボード覆われている。ここまでは窓やドアを別とすれば通常の部屋と同じだが、さらに室内側全面が木材で覆われている、室内に木製の部屋がある二重構造の保存室だ。
　天井裏だけは石膏ボードと木材による二重天井の上が、広い空間となっている。ほぼ完全密閉状態のこの保存室が周囲から温度・湿度の影響を受けるとすれば、この天井裏からの可能性が高いだろう。そこでこの天井裏に片面アルミのグラスウールを敷き詰めることにした。これならば保温にもなり天井裏からの湿気の侵入や伝導も減少すると考えたからだ。

空調のチューニングポイント

東洋ビル管理株式会社 
省エネルギー技術研究室  
室長　中村　聡

空調のチューニングポイント

不快指数冷房（7）

29、指標

　体感的な温度を表す指標は他にもあるが、なぜ不快指数を使うのかと云えば、ビルの空調で設備管理員が調整できるのが温度と湿度だからだ。 
　冷房は除湿になるが、自動で湿度制御はできないだろうから、手動調整により除湿量が少なくなるようにするテクニックが必要となる。
　冷水を循環させて空調機やファンコイルで冷房しているのであれば、冷水温度をできるだけ高くすることで除湿量がコントロールできる。
　冷水温度が高くなり冷熱供給量が不足するようならば、流量を増やして補えばよい。冷房は空気のエンタルピを下げることであり、エンタルピは温度と湿度で表される。不快指数も温度と湿度で表される。これが重要なのだ。
　エンタルピと不快指数は比例している訳ではないので、同じ不快指数ならば、できるだけエンタルピを下げない冷房をおこなえば、それだけ少ない冷熱で、同じ快適性を得られる。

    現在の室内温度と湿度でエンタルピと不快指数を計算して、同じ不快指数で現在よりも高いエンタルピとなるように温度と湿度を調整すれば省エネになるのだ。
　温度と湿度以外の要素が入る指標を使うとこのような計算ができなくなるので注意したい。
　単に快適性を表すために不快指数を使うのではなく、同じ快適性を維持しながら、できるだけ高いエンタルピにして、省エネ冷房をおこなうための換算値的に使うのが目的なのだ。

30、エンタルピと不快指数

　この表では27℃60％は28℃45％よりもエンタルピが高く、省エネ性を重視した設定だが、不快指数が僅かに高くなっている。
　26℃65％は28℃45％よりもエンタルピが高く、省エネ性を重視した設定のまま不快指数は低くなっており、28℃45％と比較すれば、省エネと快適性の両立ができている。
　省エネ性はエンタルピで表し、快適性は不快指数で表しているからこそ分かることであり、設備管理員もこれらの数値を参考にして、省エネと快適性の両立を目的とした温度と湿度に調整することができるだろう。
　不快指数の欄がPMVのような指標ではどうなるだろうか。着衣量や代謝量などの人間的要素が入った指標では、ビルの設備管理員が調整できるものではなく、気流にしても設備管理員が調整できる余地はあまりなく、室内給気が変風量ならば自動で風量が変わるので、指標も常時変わることになり、設備管理員は対応できないだろう。このように温度と湿度以外の、設備管理員が調整できない要素が入ると、エンタルピとの比較ができなくなり、温度と湿度をどのように調整すれば省エネになり快適になるのかが分からなくなってしまう。
　PMVは設備管理員が温度と湿度を調整して省エネをおこなうために使う指標ではなく、体感的な快適性を評価するための指標なのだ。
　不快指数冷房で使う不快指数は、体感的な快適性を評価するだけが目的ではなく、〔温度・湿度〕〔不快指数〕〔エンタルピ）の三者を関連させて、より省エネになるように〔温度・湿度〕を調整するための指標となるものだ。
　現在の室内状況に応じて、不快指数を上げてもよいし下げてもよいので、その不快指数を目標にエンタルピを考えながら、最も省エネになるように温度と湿度に調整するのだ。

31、温度と湿度

　不快指数冷房を知るうえで、室内の温度を上げる代わりに湿度を下げて省エネ行う場合と、温度を下げる代わりに湿度を上げて省エネを行うのでは、どちらがより省エネになるのかを次の表で比較してみたい。

　現在の室内温湿度が28℃50％であったとして、これを32℃35％にすると、エンタルピは大差がないのに不快指数は2.6も高くなっている。
　32℃に温度を上げて省エネをしているつもりが、大した省エネにはならず、不快指数が上がるだけで、無駄な我慢をするだけとなる。32℃の冷房はあり得ないにしても、温度をこれだけ上げても省エネにならないことが分かるだろう。
　逆に温度を25℃に下げて、代わりに湿度を70％にまで上げると、エンタルピが32℃35％の時よりも上がり、エンタルピを下げない冷房ができている分だけ省エネになる。
　不快指数は28℃50％よりも1.8下がり、32℃35％と比べれば4.4も下がっている。
　表では25℃70％の時が最も省エネになり快適になることが分かる。表の比較だけでは温度を下げて湿度を下げない冷房を行うのが、快適性の面でも省エネの面でも得だということになる。
　温度を上げて湿度も上げれば最も省エネ効果はあるのだが、それでは冷房とは云えない。
　ビル内の快適な環境を目指すための冷房であるならば、できるだけエネルギーを使わずに快適性を追求するのがビルの設備管理員の技術力であり仕事だとも云えるだろう。それを実現するのがこの不快指数冷房なのである。

32、不快指数冷房の効果

　比較のためだけの表ではなく、実際に冷房をおこなった場合を想定した数値で、不快指数冷房の省エネ効果を算出してみよう。

　外気の温度と湿度が35℃70％はかなり蒸し暑い日だ。室内の温度と湿度28℃45％はビルの冷房ではよくある温度と湿度である。同じく26℃67％は不快指数冷房をおこなった場合の例である。同じ体感温度を得る場合の省エネ効果を比較するために不快指数は75にしている。
　実際の冷房では不快指数が75を超えることもあるが、冷房は外気の不快指数との差も影響する。表のように外気不快指数が88.9もあれば室内不快指数75でも涼しく感じるのだが、外気の不快指数が77～78の時に室内の不快指数が75ではかなり不快感があるだろう。
　表の28℃45％では外気よりもエンタルピが44.6％下がり、26℃67％では37.6％下がる。その差は44.6％―37.6％＝7.0％である。
　苦労して不快指数冷房をおこなっても、今までの冷房と比べて7％の省エネ効果しかないのかと思うかもしれないが、実際におこなってみると、この何倍もの省エネ効果があるのだ。
　冷房とは単に外気と比較するのではなく、換気量の差もあり、壁からの熱伝導もある。濃い色の壁ならば熱を吸収しやすく、それだけ熱伝導で入って来る熱量が増える。白い色の壁ならば日射を反射するので、熱伝導は少なくなる。窓ガラスへの日射の有無でも違って来る。伝導は熱だけではなく、水蒸気も伝導で入ってくる。室内人数が多ければ、人が発生する熱や水蒸気も多くなる。電気機器の発熱もある。それらが全て不快指数冷房に影響するので、ビルの構造と使用状況毎に、不快指数冷房をおこなった場合の省エネ効果が大きく違ってくるだろう。

空調のチューニングポイント

東洋ビル管理株式会社 
省エネルギー技術研究室
 室長　中村　聡

コンピューター室

無停電電源装置

１、UPSの直列接続

　コンピューター室内の機器も更新される度に小型化されて小電力になっている。
以前は大容量UPSを使用していたが、現在は機器毎に小容量UPSを備えるようになっているのに、大容量UPSもそのまま使用しているため、結果的にUPSが直列接続になり、小容量UPSが大容量UPSの負荷になっていることがある。このように直列にUPSを使用しているようならば、大容量UPSを停止出来ないかを検討してみてはどうだろうか。

　UPSが直列に接続されていても、緊急性が要求される用途で使われている大容量UPSを停止させることは難しいかもしれないが、停止できるのであれば、バッテリー交換等の高額なメンテ費用も節約でき、365日24時間運転なので節電効果も大きいはずだ。

２、UPSの必要性

　瞬間的な停電や電圧低下は時々あるが、瞬停よりも瞬低の場合が殆どだろう。瞬低があったとしても、デスクトップパソコンを使用中に気付くことは無いだろうし、家庭でテレビを見ていても気付いたことは無いはずだ。
　このような電子機器は安定化電源で作動しているため、瞬間的な電圧変動は吸収してしまうので気付くことは無いが、照明ならばチラつきがあり、水銀灯であれば消灯することがあるので、瞬低があれば気付くこともあるだろう。大容量UPSがあるならば発電機もあるはずだ。
　大容量UPSは瞬低にも対応できるが、停電時に非常用発電機が起動するまでの1分間程度の給電に用いられるのが主な用途である。
　この程度の停電ならば小容量UPSでもバックアップでき、それ以上の停電になるようならば、この小容量UPSでコンピューターの電源を落とすこともできる。それなのに直列接続してまで大容量UPSを使う必要があるのだろうか。
　停電になって非常用発電機が起動しても、発電機で全ての照明が点灯する訳ではなく、ビル内の空調も停止したままだろう。夏季ならば30分もすればビル内の温度が上がってしまう。
　長時間の停電に対応できるビルは、発電機の容量が大きくて燃料の備蓄が豊富なビルであるが、それでも燃料タンク容量の半分程度まで減らないと燃料の補給はしないだろうから、燃料タンクが常に満タンである訳ではない。燃料タンク内の底部の燃料までは使用できないので、実質的には燃料タンク容量の40％以下しか使用できる燃料がないということもあるだろう。これでは非常用発電機があっても、最悪の場合は半日程度給電ができればよいほうである。
　そうなれば復電の目途が立っていなければ営業続行は困難であり、発電機が起動した時点でコンピューターの電源を落として、復電後に立ち上げることを考えるしかないだろう。

 ３、大容量UPSを停止

　11年間運転してきたコンピューター室用の大容量UPSを停止させた例がある。バッテリーの交換期限は過ぎているのだが、1,000万円以上もかかる交換費用の工面が困難であることも停止させた理由のひとつだ。
　コンピューター室の機器が更新されてからは、各機器が小容量UPSを持つようになっており、UPSが直列接続の状態であったので、この大容量UPSを停止させ、バッテリーも取外し、コンピューター室への配線は直結した。
　商用電源も安定しておりCVCFとしての用途も必要はなく、小容量UPSへの入力電圧が規定値に収まるように調整しているだけだ。

　このUPS室は年間冷房が必要である。エアコンは電気室と共用であったため、冬季は冷やす必要の無い電気室まで冷房していたが、UPS停止後は冬季の冷房を停止できた。
　もしUPS室専用のエアコンならば年間の冷房停止による節電効果があるだろう。

 ４、UPSの消費電力

 　365日24時間運転していたこの1台の大容量UPSが、どれだけの電力を消費していたのか、停止前と停止後のデータを比較してみる。

　この表はUPS停止前1年間と停止後1年間のビル全体の消費電力量（千kWh）である。ビルの休業日が1日違えば3％程度の違いがあるため、UPS停止後の方が増えている月もあるが、1年間で比較すれば7.0％の削減となった。しかしUPS停止以外の節電対策も行っており、前年比だけではUPSの節電効果が分からない。
 　UPS停止前後5日間を比較すると4.2％の節電であった。デマンドは約14㎾の低減である。これは電気室の冷房を行なっている9月の比較であり、このビルに関しては冬季になると冷房停止による節電量がさらに上積みされるので、4.2％以上の節電となるはずだ。５５

 ５、UPS停止の効果

 　これだけの節電量、デマンド低減、メンテナンス費用の一石三鳥の経費節減効果が得られるのであるから、UPSの直列接続が必要なのかをよく考えてみたい。
　大容量UPSを使っていた11年余、この間にUPSが必要となった停電は一度もなく、停止後8年余も停電は無かった。停電があったとしても発電機が起動して給電を開始するまでの1分間程度を小容量UPSで対応するかコンピューターの電源を落とせばよいだけだ。
　直列で使えば、どちらかが故障しても給電ができるかもしれないが、20年間も停電がなく、10年間以上も故障のなかったUPSである。UPSの故障と停電が同時に発生する確率は非常に小さく、むしろコンピューター等のシステム機器が故障する確率の方がはるかに大きいはずなので、こちらの心配をしたほうが現実的だろう。
　このような大容量UPSを停止することは、簡単なことだと思うかもしれないが、停止後に何らかのトラブルがあった場合に管理責任問題になるよりも、現状を維持して責任を回避したほうが良いと考えるのが、ビル管理権原者としては普通かもしれない。それにもかかわらず大容量UPSを停止させて節電をおこない、経費も大幅に削減したのであるから、このビルの管理権原者の英断は評価されるべきであろう。