電気設備の知識と技術 > 電気の基礎知識 > 照明とエアコンの省エネルギー事例
省エネルギーとは、資源や燃料、電力やガスの消費を小さく抑え、かつ同一の効果を発揮させるための方法である。目標となる結果や効果に対し、消費するエネルギーが小さいほど省エネルギーの効果が高いといえる。
日本は自給自足できる資源が少ない国であり、資源の多くを諸外国からの輸入に依存している。限りある資源をより効果的に利用するために、省エネルギーの考え方は非常に重要である。
建築物の省エネルギーを推進するためには、エネルギーを使用しないことが最も効果的であるが、エネルギーを消費しなければ経済活動が成り立たない。必要なエネルギーの消費を許容し、いかに省エネルギーを図るかを検討しなければならない。省エネルギーを図るための分類は、大きく下記の4項目となる。
同じエネルギー消費でも、より高い効果をもたらすことで省エネルギーを図る方法である。エネルギー効率改善の効果がわかりやすい設備は、照明とエアコンである。
現在は多くのメーカーが生産縮小に進んでいる白熱電球であるが、電気エネルギーを熱と光に変換する設備として普及していた。白熱電球は電気エネルギーの多くを熱としてしまい、本来必要としている「光を取り出す効率」が低い特徴がある。蛍光灯やHID照明、最近ではLED照明が普及しているが、照明器具に置き換えることで、大きな省エネルギーを図る事が可能である。
電気エネルギーを使用せずに照明効果を得る方法として、光ダクト、トップライト、ハイサイドライトによる自然採光を取り入れるという手法がある。太陽光という無限のエネルギーを活用することで省エネルギーを図る技術であり、現在でも数多くの建築物で採用されている。
光ダクトでは大きな問題にならないが、トップライトやハイサイドライトは建築物の内部に直射日光を導入してしまうため、室温上昇というデメリットがある。冬季であれば熱負荷低減に寄与する可能性があるが、夏季には冷房を強くしなければならず、空調によるエネルギー消費量を高めてしまい本末転倒となる。
エアコンはヒートポンプの原理を活用した空調設備で、与える電気エネルギーに対して得られる冷房・暖房能力は3倍～5倍にもなる。空調用語では成績係数COP（ Coefficient Of Performance ）と呼ばれるが、業務用エアコンでCOP3、家庭用ルームエアコンではCOP5～6を確保できる。COPが高いほど、効率が良い空調であると判断できる。
高効率な空調機を選定し、同じ冷暖房効果を得つつ、使用する電気エネルギーを削減できれば大きな省エネルギーにつながる。空調機の省エネルギーには、高効率空調機を選定するだけでなく、その制御も大きな効果を生む。
「変流量・変風量制御」「CO2濃度制御」「BEMS」といったシステムを導入することで、大きな熱負荷を必要とする場所や時間帯では最大能力を発揮させ、熱負荷が少ない場所や時間帯では、能力を抑えて省エネルギーを図るといった綿密な制御が可能である。
軽油や重油、ガソリンなどを使用して内燃機関を燃焼させた場合、高温の排熱が発生する。これは大気に放出するだけでは何のメリットもないが、この高い熱量を空気や水に与えることで暖房負荷や給湯負荷に熱交換できるため、大きな省エネルギーを図ることができる。
温水プールや温泉、大浴場など熱負荷を必要とする設備では、排熱を熱交換して与えて水を昇温でき、排熱無しの状態と比べて大きく省エネルギーを図る事が可能である。清掃工場では、ゴミを燃焼させる設備から常に多くの熱量が放出されているため、排熱を空調機や給湯設備に供給することで省エネルギーを図っている。
清掃工場等の付近に温水プールなど水浴施設が設けられていることが多いのは、排熱の供給を受けることで、暖房と温水生成のコストを大幅に低減でき、CO2削減に寄与できるためである。
建築設備分野では、コジェネレーション設備として、発電機から「電力」と「排熱」を取り出すことが可能であり、省エネルギー設備として活用されている。
詳細はコージェネレーションシステムの仕組みを参照。
誰もいない場所では照明を消す、大きな部屋の一部を使用している場合は部分点灯にするなど、電気の無駄遣いを削減する方法である。人の手でスイッチをオンオフするのは消し忘れにつながるので、センサー付き照明器具や、タイマースイッチなどを利用し自動制御するのが一般的である。
日常的に使用する照明器具や換気装置はオンオフできるが、避難階段の誘導灯の防災設備は、日常的に使用することがなくても点灯して置かなければならない設備である。これは調光機能や、オンオフ機能付きの器具を選定することで省エネルギーを図る事ができる。
与えられた熱を逃さず、長時間利用することで省エネルギーを図る方法である。高気密マンションでは、室内に熱を与えた場合、または冷房して冷やした場合、その熱を外部に出さず長時間利用することを考慮している。
熱が容易に逃げてしまうと、さらなるエネルギーを投入しなければならないためエネルギーの浪費につながる。窓や外壁など熱の移動が著しい部分を断熱することで、熱の流出を防止でき省エネルギーを図ることができる。断熱は省エネルギーのほか、結露の防止など多くの役割を持っている。
ブラインドやカーテン、ルーバーや庇を設けるのは、直射日光による熱負荷を大きく低減できるため有効である。
建築設備分野においては、無駄なエネルギーを使用しないように負荷を制限する方法、効率を高めることでエネルギーを効率良く利用する方法、太陽光発電や風力発電を利用する方法が考えられる。
無駄な電力を抑えることで、省エネを図る手法である。具体例をいくつか紹介する。
空調機の温度を高くすれば、空調機に内蔵されているコンプレッサーの運転時間が短くなるため消費電力が小さくなる。負荷の力率を進相コンデンサなどで改善すれば、無効電力が小さくなるため省エネである。
照明の照度を下げたり照明を消すことで、消費電力が小さくなるため省エネである。照明の照度を下げる方法としては、照明の点灯割合を下げる方法もあるが、初期照度補正による方法や、人感センサーによる不在時消灯の自動化なども手法として考えられる。
ある基準の目標に対し、エネルギー消費をより小さく抑えることで省エネを図る。無駄に使用される部分を小さく抑えたり、排気や排熱を回収して再利用するの手法が考えられる
動力設備をインバーター制御することで、必要な負荷に対して必要な運転量となるように制御するので、過剰な運転による無駄を抑えられる。照明制御も同様に、人がいない場所を照明する必要はなく、昼光が入る場所では人工照明を消せる。
中央監視設備に機器の運転時間や消費電力、各種温度制御状態を把握できるので、より効率の良い運用方法を提案できる。コージェネレーションシステムを採用すれば、電力の発生と排熱の再利用が同時に行えるので、効率を飛躍的に高めることが可能である。
高効率器具を採用することで、同一の能力を得るための消費電力を削減できる。インバーター蛍光灯や高効率空調機の採用などが考えられる。
電力平準化は、深夜電力と昼間電力の差を平準化させて電気料金の削減を狙うものである。電力会社が運転している発電設備は、運転と停止を頻繁に行えないため、深夜も昼間も同様に運転し発電している。深夜の電力は過剰に生成されている状態となっているため、これを平準化することで効率を高める方法である。
電力会社では、深夜の電気使用料金と昼間の電気使用料金に差を付けており、深夜電力の方が安価である。深夜電力を貯蔵し、昼間に貯蔵した電力を放電することで、電力を平準化し、ピークカットも合わせて行うという手法となる。
どれも数多くの採用実績があり、省エネルギーとして有効な手法である。省エネルギーを行うためのコストが発生することもあるが、初期コストの上昇があっても運用コストが削減できる場合があるので、長期的なコストの計画を行い、最適なプランを考えることが重要である。
太陽光発電や風力発電は、化石燃料を使用せずに発電を行えるため、クリーンな電力源であるとされる。電力平準化やピークカットとして太陽光発電設備を利用できるが、設置コストが大きいことに注意が必要である。
国による助成金や補助を受けられる場合があるので、これらを活用することで設置コストを低減できる。申請書類の作成手続きや、設置後の定期報告など、多くの業務が発生するので、これらの人件費や運用コストも視野に入れておく必要がある。
自然エネルギーを利用した発電設備は、設置する土地の状況、周囲の環境（風況や日射量）に大きく影響するので、これら条件を十分に検討し、効率良く発電を行う事ができるかを判断すべきである。
建築物への環境配慮への気運は非常に高まっており、近年ではZEB（ゼロエネルギービル）という考え方が広まっている。経済産業省が主体となり策定しており、CO2削減という大きな目標を達成するため、国内で新築する公共建築物について2030年にZEB化を達成するとしている。
ZEBは英国や米国が先進的であり、英国では2016年にすべての新築住宅・新築学校のZEB化を目標とし、2019年までにすべての新築非住宅建築物をゼロカーボンとする目標を打ち立てている。
ZEBについて、経済産業省は「建築物における一次エネルギー消費量を、建築物・設備の省エネ性能の向上、エネルギーの面的利用、オンサイトでの再生可能エネルギーの活用等により削減し、年間の一次エネルギー消費量が正味（ネット）でゼロ又は概ねゼロとなる建築物。」と定義している。
「建築物の省エネルギー性能の向上」「運用・管理面での省エネチューニング」「建物利用者の省エネルギーに配慮したワークスタイル」というように、多くの要素を複合させてゼロエネルギーを目指す。
建築物の省エネルギーといえば、LEDなどを基本とした高効率照明、高効率空調の採用などが一般的であるが、建物の消費エネルギーを低減するだけでは一次消費エネルギーをゼロにできない。エネルギーの消費をできる限り低減させた上、太陽光発電や自然採光、太陽熱利用の「創エネルギー」を組み合わせることで、ゼロエネルギーを目指す。
