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ソーラーウォールと熱交換型換気システム HRV

ソーラーウォール®集熱パネルは建物が必要とする新鮮な外気に予熱を与える理想的な設備。HRVやホイール型熱交換器は、排気中から回収した熱で新鮮な外気を暖めるように設計されています。建築家の間ではソーラーウォールと熱交換器との組み合わせが可能か、可能であるならコスト的、技術的にどのような課題があるのかが、従来から話題になっていました。

最初の質問に対する答えはYes。HRVの給気予熱はよく行われており、ソーラー暖房と熱交換技術の両方にとって有効です。

熱・エネルギー交換器には、プレート式、遊動頭式、ホイール式、ヒートパイプ式、直接接触式など種類があります。図1は媒体同士が逆方向に流れる熱交換器の略図です。この空気の流れは、プレート式、ホイール式、ヒートパイプ式に共通しており、建物の給気と排気の2つの流れを相対させ間接的な伝熱を行います。遊動頭式と直接接触式では液体を熱媒として使い、排気と給気で熱交換器を離して設置できます。熱交換設備の種類は、排気と給気の間の伝熱方式によって決まります。

Scheme for air counter-flaw in air-to-air heat/energy exchangers.
図1 給排気熱・エネルギー交換装置スキーム

ソーラー予熱の特長
  • コストフリーの再生可能エネルギー
  • 一般的な日中の給気熱利得量、5° から30° K
  • 換気ファンのソーラー用別途設置は不要
  • 圧力低下の小さな熱交換装置(15から60パスカル)
  • メンテ不要
  • 可動部品ゼロ
  • 耐用年数30年以上
  • 春秋の暖房需要をゼロに
  • ソーラーエネルギーの補助金や税額控除の対象
  • 最高R50の動的断熱効果
  • 通気孔パネルが一次フィルタとして機能
  • 新築の場合には、外壁材不要。

ソーラー暖房の短所

  • 基本的に日中のエネルギー
  • 別途暖房要
  • 夏季にはバイパス用にダンパ要
  • 増改築では初期コスト高

熱交換システムの長所

  • 暖房シーズン中、給気を予熱
  • 冷房シーズン中、給気を予冷
  • 24時間運転

熱交換システムの短所

  • 排気すべてを給気取入口までつなぐダクトが必要
  • 暖かい排気が必要
  • 別途暖房装置要
  • 換気が大量の場合には複数ユニット要
  • 排気側にファンの追加設置要
  • 給排気両方のファンで圧力低下大(50から400 pa)
  • 半年毎に保守
  • エネルギーホイールには可動部品あり
  • 寒冷地では霜の問題
  • エネルギーホイールでは給排気混合の可能性あり
  • 熱交換器に塵埃蓄積の可能性
  • 初期コスト高
  • ソーラー助成金や税額控除の対象外

ソーラーと熱交換器の組み合わせは相乗効果大

Solar preheating air for Heat Recovery/HVAC
図2 - 熱交換器/空調用ソーラー予熱

ソーラー予熱空気→HRVの利点

  • ソーラー予熱によって日中はHRVの霜の問題を解消
  • ソーラーウォールが空気フィルタとなり、HRVのメンテ/交換コストを軽減
  • ソーラー予熱とHRVの組み合わせで日中の換気暖房エネルギーを100%カバー
  • ソーラーHRV - 再生可能エネルギー補助金や税額控除の対象に
  • ソーラー  -  効率の低い安価な熱交換器が利用可能

2005年、カナダ天然資源省の依頼により、エネモーダル・エンジニアリング社が (住宅用システムを対象とする)「ソーラーウォール+HRV、ソーラーウォール単体、HRV単体の比較報告書」を作成しました。同報告書は「ソーラーウォール™システムは単体としてもHRVとの併用でも同量の熱エネルギーを提供。HRVは単体の場合に省エネ効果が最も大きく、ソーラーウォールとの組み合わせの場合は熱回収量が80%程度減少する。2つを組み合わせたシステムはいずれの単体よりも高い省エネ性を示すが、単体同士の省エネルギー量の和よりは小さい」としています。

Fort Smith Recreation Centre NWT
2000年にソーラーウォールとHRVの併用システムがカナダのノースウエスト準州フォートスミスにあるフォートスミス・レクリエーションセンターに設置されました。天然資源省から予算を得て、エネモーダル・エンジニアリング社が2000年5月から2002年3月まで22ヵ月以上に渡り換気暖房システムのモニタリングを実施しました。

同報告書は、その間、ソーラーウォール/HRV併用システムが換気暖房の総エネルギー需要の78%を充当したと結論。併用システムが、単体同士の場合よりも燃料消費量を大きく削減することを改めて裏付けました。

Monthly Summary Chart for May 2000 to March 2002
図3 2000年5月から2002年3月までの月別推移

図3は、日中の換気暖房エネルギー測定値の月別推移です。棒グラフのコラムの全長が該当月の日中換気暖房エネルギー(その月の日照時間中に発生した換気暖房負荷)を示します。ソーラーウォールもHRVもなかった場合には、従来の暖房設備で化石燃料を使ったはずの熱量です。各コラムの一番下の部分がソーラーウォールによって充当された日中暖房エネルギー(ソーラーウォールによる省エネルギー量)であり、中央部がHRVの日中暖房エネルギーへの貢献度です。コラムの上部が残り、すなわち暖房設備によってまかなわれた熱量(給気暖房)です。

gym solarwall
図4 写真:体育館壁面のグレイのソーラーウォール

図3に示すように、モニタリング期間中はかなりの変動が見られました。当該センターは極北に位置するため、換気暖房エネルギーの数値は夏季でも高い一方で、両年とも11月と12月には換気システムがほとんど作動しておらず、太陽エネルギーの貢献が非常に低いことが分かります。月間エネルギー量が大きく、しかも太陽熱が利用できるときには、総暖房エネルギー量の最大50%がソーラーです(2001年4月参照)。

月間換気量と同様に、太陽エネルギーの利用量は2002年3月がピークでした。2002年2月と3月は、換気暖房エネルギー量が特に大きく、外気温が低い(平均–10 °C から –12 °C)環境のなかで、システムはほぼ常時、連続運転を行いました。

表1はソーラーウォール/HRVシステムのモニタリング2年間の実績です。

Table 1 provides a summary of the performance of the SolarWall/HRV system over the 2-year monitoring period.

モニタリング期間中、ソーラーウォールは換気暖房負荷を日中は30%、夜間は6%カバーしました。ソーラーウォールシステムのプレナム内の空気が建物外皮からの放散熱を回収しているためと考えられます。全体的にはソーラーウォールは換気暖房エネルギーを2割削減しました。