夏の暑い日は電気代がかさむ。エネルギーとお金を無駄にすることなく、快適に過ごしたいものだ。もしかしたら、あなたの家庭でも、冷房の最適な使い方をめぐって争ったことがあるかもしれない。夏の間、休みなくエアコンを稼働させるのと、日中の留守中にエアコンを切るのと、どちらがより効率的だろうか？
私たちは、熱伝導と空調システムの性能をシミュレートするエネルギーモデルを使って、この長年の疑問に取り組んだ建築と建築システムのエンジニアのチームだ。
その答えは、家庭から熱を取り除くためにどれだけのエネルギーを必要とするかに集約される。これは、家の断熱性能、エアコンのサイズやタイプ、外気温や湿度など、多くの要因に影響される。
私たちの未発表の計算では、外出中は冷房を切り、帰宅後に冷房する方が、常に涼しい状態を保つよりもエネルギー消費量が少なくて済むことが分かったが、これは状況により異なることも分かった。
外出中でも一日中エアコンを付けておく？
まず、そもそも熱がたまる仕組みを考えてみよう。建物の中に蓄えられた熱量が外よりも少ないときに、家の中に流れ込んでくる（熱力学第二法則）。流れ込んでくる熱の量を「1時間に1個」とすると、エアコンは1時間に1個の熱を常に除去していることになる。エアコンを止めて熱を溜め込んでしまうと、1日の終わりには最大で8時間分の熱を溜め込んでしまうことになるのだ。
しかし、多くの場合、実際にはそれ以下だ。住宅には蓄熱できる熱量に限界がある。そして、家に入る熱の量は、もともと建物がどの程度暑かったかによって異なる。例えば、外気温度と平衡になるまでに5単位の熱エネルギーしか蓄えられないとしたら、1日の終わりにはせいぜい5単位の熱を取り除くだけでよいことになる。
さらに、室内が暖められると熱の移動が遅くなり、最終的には室内温度と外気温が同じになる平衡状態で熱の移動がゼロになる。また、猛暑ではエアコンの冷房効率が落ちるため、日中の最も暑い時間帯はエアコンを切れば、システム全体の効率を高めることができる。これらのことから、一日中エアコンを使うべきか、夕方帰宅するまで待つべきかは、一概には言えない。
さまざまな空調方法によるエネルギー消費
乾燥したアリゾナ州と湿度の高いジョージア州の2つの温暖な気候にある、一般的な断熱材を使用した小さな住宅をテストケースとして考えてみよう。米国国立再生可能エネルギー研究所が作成した、住宅のエネルギー使用を分析するためのエネルギーモデリングソフトウェアを使って、この1,200平方フィート（110平方メートル）の仮想の住宅でのエネルギー使用について、複数のテストケースを検討した。
私たちは、3つの温度戦略シナリオを検討した。1つは、室内温度を24.4℃と、一定に設定するもの。もうひとつは、8時間の勤務中に温度を31.6℃まで上昇させる「セットバック」。最後は、4時間の短時間勤務で31.6℃にセットバックさせる方法だ。
この3つのシナリオでは、1段式のセントラル空調、セントラル空気熱源ヒートポンプ (ASHP)、ミニスプリットヒートポンプ（訳注：日本で一般的な、部屋ごとに設置されるタイプのエアコン）の3種類の空調技術を検討した。セントラル空調は現在の住宅によく見られるものだが、ヒートポンプはその効率性の高さから人気がある。セントラルASHPは、セントラル空調と1対1で交換する場合に使いやすく、ミニスプリットはセントラル空調より効率的だが、設置にコストがかかる。
これらのケースで、空調のエネルギー使用量がどのように変化するのかを確認したいと考えた。使用するHVAC技術に関係なく、サーモスタットの設定温度が24.4℃に戻るとA/Cシステムが急上昇すること、また3つのケースとも外気温度が通常最も高くなる午後の遅い時間に急上昇することは分かっていた。セットバックのケースでは、居住者が帰宅する前に冷房を開始し、帰宅するまでに快適な温度を確保するようプログラムした。
った。(Credit: Pigott/Scheib/Baker/CU Boulder, CC BY-ND)
その結果、室内温度の上昇から回復するために一時的にエアコンの消費電力が急上昇しても、セットバックした場合の方が一日中一定の温度を維持した場合よりも全体のエネルギー消費量は少なくなることがわかった。これは、従来のセントラル空調の年間消費電力量に換算すると、最大で11％の省エネになる可能性がある。
ただし、住宅の断熱性が高かったり、エアコンの効率が良かったり、気温の変化が少ない気候であれば、省エネ効果は下がる可能性がある。
空調戦略に基づく年間総エネルギー使用量（アリゾナ州）
セントラル空調、空気熱源ヒートポンプ、ミニスプリットの3種類の冷房システムにおいて、8時間の勤務時間中に冷房をオフにし、1日の終わりに再びオンにするのが最も効率的であることが分かった。このシミュレーションは、アリゾナの暑くても乾燥した気候を考慮したものとなる。
空調戦略に基づく年間総エネルギー使用量（ジョージア州）
セントラル空調、AHSP、ミニスプリットの3種類の冷房システムにおいて、8時間の勤務時間中に冷房をオフにし、1日の終わりに再びオンにするのが最も効率的であることが分かった。このシミュレーションは、ジョージア州の湿度の高い気候を考慮したものだ。
セントラル空気熱源ヒートポンプ (ASHP)とミニスプリットヒートポンプは、全体的に効率が高いが、温度セットバックによる節約効果は低い。平日の8時間のセットバックは、システムの種類に関係なく節約になるが、4時間のセットバックから得られる利益はそれほど単純ではない。
Ph.D. Student in Architectural Engineering, University of Colorado Boulder
コロラド大学ボルダー校の博士課程に在籍するAislingは、ビル管理者のための新しい制御戦略と、それがグリッドにどのようなプラスの影響を与えるかを研究しています。彼女の研究は、より多くの再生可能な資源を取り入れ、発電による総排出量を削減するために活用される予定です。以前は、照明、空調、電気設備の設計を行うビルディングコンサルタントとしてインターンをしていました。
経歴
- コロラド大学ボルダー校 博士課程 建築工学専攻
Assistant Teaching Professor of Building Systems Engineering, University of Colorado Boulder
Jennifer Scheibは、土木・環境・建築工学科の講師です。建築工学の学部生および大学院生を対象に、照明I、発光放射伝達、昼光、順応照明など、照明工学の基礎に重点を置いたコースを教えています。また、CU Boulder IES 学生支部およびソーラーデカスロンチームの共同アドバイザーも務めています。コロラド大学ボルダー校で建築工学の学士号と修士号を取得。専門家としての経験は、Architectural Energy Corporationの採光分析グループや、National Renewable Energy Laboratoryの建築物研究プログラムのサポートなどです。
経歴
- コロラド大学ボルダー校 ビルディングシステム工学科 助教授
Assistant Professor of Building Systems Engineering, University of Colorado Boulder
コロラド大学ボルダー校土木・環境・建築工学科の助教授。また、電気・コンピュータ・エネルギー工学科の表敬訪問も行っており、Renewable and Sustainable Energy Institute（RASEI）のフェローでもある。
以前は、NRELのPower Systems Engineering Centerのリサーチエンジニア、NRELのResidential Buildingsグループのポストドクター研究員を務めた。2014年にカーネギーメロン大学から電気・コンピュータ工学の博士号を取得。高度な制御と最適化手法が、再生可能エネルギーの統合、建物間の相互作用の促進、将来のスマートグリッドとスマートシティの効率的な運用をどのように促進するかに関心を持っている。
経歴
- コロラド大学ボルダー校 ビルディング＆グリッド学科 助教授
学歴
- 2014年 – カーネギーメロン大学、電気・コンピュータ工学博士号
Webサイト : http://www.kyrib.com/
Twitter : @kyrib
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