実稼働で証明されたネット・ゼロ・エネルギービル（『ZEB』）達成の切り札となる高効率帯水層蓄熱システムの実力――。日本地下水開発（JGD：山形市松原777、桂木宣均社長）が、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の「再生可能エネルギー熱利用にかかるコスト低減技術開発」により開発を進めている「高効率帯水層蓄熱によるトータル熱供給システム」を導入した関連会社の日本環境科学（JESC）ZEB棟において、2021年4月から2022年3月末までの1年間、実際に稼働させた結果、年100％のネット・ゼロ・エネルギー・ビル（『ZEB』）を達成したことが明らかになりました。2050年ゼロカーボン達成に向け、建築物のZEB化等が期待される中、ZEB化を支える大きな武器として高効率帯水層蓄熱システムが注目されます。
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◆冷房用・暖房用の井戸を使い分ける帯水層蓄熱システム◆
「高効率帯水層蓄熱システム」は、NEDOとJGDが「再生可能エネルギー熱利用技術開発」により、国立大学法人秋田大学、国立研究開発法人産業技術総合研究所と共に開発した国内初のシステムです。
具体的には、2本の井戸を冬期と夏期で交互に利用し、地下水の流れの遅い地下帯水層に冬期の冷熱、夏期の温熱をそれぞれ蓄えます。冷房利用で温められた地下水、太陽熱で加温した地下水を温熱として冬期の暖房用井戸周辺の地下帯水層に蓄え、冬期はその温かい地下水を暖房用に利用します。一方、暖房で利用して冷えた地下水をさらに融雪の熱源としても利用し、より低温となった冷熱を夏期の冷房用井戸周辺の帯水層に蓄え、夏期に冷房で利用します。
温熱、冷熱を蓄える井戸を使い分けることで、大幅な省エネを実現する点が最大のポイントになっているほか、熱利用後に地下に戻すのが難しかった地下水を全量還元できる技術も確立しています。JGD関連会社の事務所で空調に導入した結果、従来のオープンループシステム（地下水をくみ上げて冷暖房の熱源として利用するシステム）と比較して初期導入コストの21％削減と年間運用コストの31％削減を達成し、注目を集めていました。
JESC-ZEB棟では「高効率帯水層蓄熱システム」をさらに発展させ、ZEBへの適応を目指す「高効率帯水層蓄熱によるトータル熱供給システム」の確立に向けた実証が進められています。この実証は、JGDがゼネラルヒートポンプ工業（名古屋市中村区名駅2-45-14東進名駅ビル7F、柴芳郎社長）と共同で2019年度からNEDOの「再生可能エネルギー熱利用にかかるコスト低減技術開発」により、検証を行っているものです。
JESC-ZEB棟の施設概要を見ると、鉄骨造の地上2階建、建築面積285.0㎡、延床面積562.5㎡の建屋。トータル熱供給システムは、冷暖房・給湯・冬期の無散水融雪の計三つの熱供給に対応。専用ヒートポンプは「再生可能エネルギー熱利用技術開発」で開発した冷暖房専用ヒートポンプに給湯回路を付加する形で、ゼネラルヒートポンプ工業と共同開発。冷房負荷は64W／㎡、暖房負荷は35W／㎡となっています。
施設には30.7kWの太陽光発電設備を創エネルギーとして導入したほか、断熱効果を高めるため壁の厚さを300mmにしています。給湯回路には真空管式太陽熱温水器（84本）を組み込んでおり、夏期はもちろん冬期でも太陽熱の集熱効果を見込んでいます。このほかにも換気装置に全熱交換システム、照明にLED照明を採用。南西側の窓には、太陽輻射熱を最大82％遮断する外付ブラインドを追加設置するなどしています。なお、真空管式太陽熱温水器は不凍液循環型とすることで、外気温の影響を受けにくく、冬期でも太陽が出れば一定の集熱能力を発揮しています。
◆寒冷地でも『ZEB』化可能を証明◆
2021年4月から2022年3月末までの1年間の実証では、夏期の冷房は、帯水層に前冬期に蓄えた冷熱を有効利用して、ヒートポンプを使用せずに地下水の水温だけで冷房を行う地下水フリークーリングを実施。
ヒートポンプを動かさない夏期の冷房により大きな省エネ効果が期待されていましたが、冬期の約2カ月は降雪のため太陽光発電がほとんど稼働しない時期があったものの、フリークーリングの省エネ効果が高く、年間を通じて見ると、発電力合計26,917.7kWhに対して消費電力合計26,500.9kWhとなり、発電電力量が消費電力量を上回り、『ZEB』を達成したことが分かりました。
なお、フリークーリング時の消費電力量は1,485kWhとなっています。これは、フリークーリングの冷熱をヒートポンプで作った場合に想定される消費電力量10,020kWhと比較すると、消費電力を85％削減したことになります。JGDでは2022年夏にはヒートポンプを稼働させた冷房を行い、2021年夏に行ったフリークーリングの消費電力と比較検証することとしています。
なお、JESC-ZEB実証棟で使われている「高効率帯水層蓄熱システム」の井戸は、冷房用、暖房用の井戸はともに深さ72mで、25m離れた位置に設けられ、互いに影響を与えない点も実証で確認済みです。
冬期に降雪量が多い寒冷地では太陽光発電の発電量が著しく低下することから『ZEB』の実現は難しいという意見も良く聞かれますが、2021年度の運転で『ZEB』を達成した。JGDの桂木聖彦専務取締役は、「寒冷地でも『ZEB』を実現できるという証明になったと思います」と述べ、今後の高効率帯水層蓄熱システムを組み込んだZEBの推進に自信をのぞかせます。
ZEB棟は、2022年6月までに延べ220人が視察に訪れるなど大きな関心を集めています。
NEDOの「再生可能エネルギー熱利用にかかるコスト低減技術開発」による「高効率帯水層蓄熱によるトータル熱供給システム」の実証は2023年度まで続けられます。今後、JGDはゼネラルヒートポンプ工業と共同で引き続き、ZEB実証とシステムの適応性評価に向けたモニタリングを進め、データの収集・解析に取り組むとし、実証施設における高効率帯水層蓄熱を利活用したトータル熱供給システムの稼働データに基づき、専用ヒートポンプの空調・給湯それぞれの効率と性能の把握を進めるほか、システムの最適化設定によるコストダウンの検討を行う予定としています。
◆山形県内初のZEBプランナー◆
JGDは経済産業省の「ZEBプランナー」登録制度において、山形県内企業初のZEBプランナーにも登録されています。
今回の実証事業を通じて『ZEB』を達成するための課題についても経験を積んでおり、建物の高気密・高断熱化の重要性はもちろんのこと、事故やトラブルを避けるためにも冬期に太陽光パネルに積もった雪の処理の仕方などに工夫が必要な点等を把握しており、実際に受注した際には、経験をもとにした適切な設計を心がけていくとしています。
年『ZEB』を達成した高効率帯水層蓄熱システムを活用したシステムの普及拡大に向けたJGDの取り組みは今後ますます注目されそうです。
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