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研究概要
１．序（研究背景等）
政府は平成14年2月に公表した「京都議定書の締結に向けた今後の方針」の中で、「国民一人ひとりの生活を見直してゆく取組」を重視した基本方針を提示している。また、新たに改正された平成14年3月の「地球温暖化対策推進大綱」においては、「国民の生活様式(ライフスタイル)の見直し及びその支援」「地球環境にやさしい生活のあり方について、国民的議論を提起する」「製品等に関する環境情報提供の推進」「国民参加型の普及啓発の充実」など、ライフスタイルの変革にかかわる項目が目白押しである。
このような国としての方針の下では、2010年までのわずかな期間において、国民に対して、ライフスタイルのどのような工夫がどの程度のエネルギー消費削減に貢献できるのか、生活時間や住宅における空間の使い方・住宅設備機器類の使い方がエネルギー消費とどのような関連を持っているか、などの点について具体的で定量的な情報提供を行うことが不可欠である。環境にやさしい行動を喚起するためにムードや機運を高めるのみでなく、具体的な方法に関する情報提供を行うことが実質的なライフスタイルの変革に結びつくのではないかと考えられる。また地球温暖化対策推進大綱では、京都議定書の6%削減約束を確実に達成することを定量的に明らかにするため、定期的に対策・施策の進捗状況・排出状況等の評価を行い、必要な追加的対策・施策を講じていくことが定められている。
すなわち、地球温暖化対策推進の観点からも、客観的要素に基づいた省エネルギー性能・技術の評価・見直し、普及促進は重要な意味を持っており、また早急なる対策が必要である。
２．研究目的
様々な地球温暖化対策技術の実現可能性が検討されるに従って、京都議定書の目標値を技術的な対策のみによって達成することの困難さが浮き彫りになりつつある。目標の実現には、「ライフスタイル」の変革あるいは「ライフスタイル」面での生活者の協力が不可欠であり、そうした協力を喚起するための情報提供や環境教育の重要性が叫ばれている。ここで建物内部でのエネルギー消費に係る二酸化炭素排出量を見ると、わが国の排出量の4分の1を占めており、家庭においては暖冷房・給湯や様々な設備機器の使用によって国全体の8分の1にも達している。また、見逃すことのできない点は、それらが運輸部門(わが国の5分の1)と並び最も急速に増加しており抑制が緊急の課題となっている点である。「ライフスタイル」面で協力することを希望する生活者に対しては、家庭におけるどのような行動について、どのように工夫をしたら効果的であるかに関して、具体的、定量的で信頼性の高い情報提供を行うべきであり、そのための科学的な知見を整備することが必要不可欠な状況にある。
本研究は、ほぼ同一条件の一対の実験住宅において、冷暖房換気、給湯、調理等の家庭内エネルギー消費形態を機械的(ロボット的)に再現する実験的手法を確立し、建物・設備・機器の特性、気象条件、生活様式等が住宅のエネルギー消費構造に与える影響・効果を実証的に計測することによって、二酸化炭素排出量へのライフスタイルの係わりを系統的、定量的に明らかにすることを目的とする。また、研究成果の普及の一環として生活者向けのガイドブックを作成する。
具体的研究項目は以下の通りである
1.人間のエネルギー消費行動に関する実証実験 2.主要住宅設備及び機器類の特性に関する実験
3.家庭におけるエネルギー消費に及ぼすライフスタイルの影響に関する情報発信ツールの開発
３．研究の内容・成果
わが国の二酸化炭素排出量の15%を占める家庭用エネルギーの削減には、ライフスタイルの変革が必要であるとの認識はある程度存在するものの、具体的にライフスタイルのどこをどう変えたらどの程度の省エネ効果があるのか、定量的な知見が乏しい。また、実際の居住条件下の実態調査や、HEMS(Home Energy Management System)の試行実験などでは、多種多様な生活行動を捉えることが極めて困難であり、ライフスタイルとエネルギー消費の相関性を分析するネックとなってきた。
そこで本テーマでは、実居住下の実態調査結果等を参考として、住宅における人間のエネルギー消費行動の発現ルールに関する仮説を構築し、それに基づいて屋外に設置された実験住宅において、設備機器・家電機器類の運転を機械的に(ロボット的に)再現する方法を開発する。
次に、このエネルギー消費ロボットを異なる発現ルール(例えば、給湯を開始する給水温度の高低を変えることによって春秋における給湯用エネルギーが変化する。また、冷房用エネルギーは、設備の効率(COP)によっても多寡に差が生じるが、加えて時間帯、在宅の有無、窓閉鎖時の室温、外気温・外部風速及び雨量によって決まる窓の開放面積の大小を変えることによっても変化する)を変えることによって、エネルギー消費の用途別構成や総量がどのように変化するかを実験的に明らかにする。
�／祐屬離┘優襯�ー消費行動の理論的モデル作成
近年、住宅を対象としたさまざまな省エネルギー手法が開発されているが、各種機器のエネルギー消費効率は、使用状況に応じた評価が必要である。すなわち、住宅におけるエネルギー消費は、単に機器の稼働時間と定格の消費量によってのみ求められる物ではなく、外部環境や使用頻度など、実際の生活行動と使用環境を考慮した評価が必要になる。研究全体の一つの柱である(1)��「実験住宅における実証実験」においては、実大実験住宅において実際の生活状況を(1)�△寮�果である生活ロボットによって再現することで、実使用実態に応じたエネルギー消費量および効率の検証を行うことを目的としており、ここでは、そうした生活行動の模擬に不可欠となる、家庭の生活スケジュール・家電機器使用スケジュールを、統計データに基づいて決定している。
空調・照明・換気の制御についても、ここで決定した在宅・在室状況をべ一スとして、(1)�△脳椽劼垢襪茲Δ房柴盍超�・外界環境に基づいて決定されるものとした。従来把握が十分でなかった給湯についても新たに詳細な実測データの分析を行い、古さが指摘される既往試験モードを置き換える新たなモードを作成した。
本スケジュールの特徴としては、平日・休日在宅・休日外出の3日分で異なったスケジュールを設定することで、日々の実住宅における生活の変動を反映するように考慮されている点があげられる。蓄熱・貯湯式の空調・給湯機器が増加する中で、日々の変動を考慮したことの価値は高いと考える。また、家電・照明・空調・給湯の全用途を包括したスケジュールデータも従来あまりみられなかったものである。
開発された生活・機器使用スケジュールの構築方法は普遍性を考慮したものであり、バックデータを差し替えることで。さまざまな家族構成やライフスタイルに対応することができ、今後研究を進める中で更に多様なスケジュールでの検証に役立つものと期待される。
平成15年度〜平成16年度まででは、関東近郊に在住する4人家族を想定し、平日・休日の生活パターンを統計資料より求めた。また、特に消費行動の特徴的な湯の使用に関して、炊事、入浴といった給湯パターンの分析と給湯スケジュールの作成を行った。またこれらのスケジュールを実際に研究テーマ(1)−�◆◆�(1)−��と連係させその整合性を確認するとともに修正を行ない、生活スケジュールパターン及び機器制御パターンの作成を行った。
平成17年度においては、引き続きスケジュールと研究テーマ(1)−�◆�(1)−��との連係および修正を行うとともに、特に家族構成や設備機器の違いを含めた、生活スケジュール情報の収集分析と、生活パターンの作成を行った。
本サブテーマの実施により、家庭内エネルギー消費評価に向けた、主要家族構成、標準的消費行動、機器保有状況の作成手法を確立し、主要なエネルギー消費行動モデルを得た。
�▲┘優襯�ー消費行動ロボットの設計及び製作
本テーマでは、(1)−�，悩鄒�したエネルギー消費行動モデルに従い、実験住宅内で消費行動を再現するための「エネルギー消費行動ロボット」の設計及び製作を目的とした。
エネルギー消費行動の様態は、PC上のソフトウェアで設定するロジック(生活スケジュール、センサーからの入力情報とスイッチ・バルブ・その他の機械装置の状態との関数関係)により決定される。ロボットの設置場所は、独立行政法人建築研究所敷地内に既に建設が終わっている実験棟(3層、3列の合計9戸分の住戸空間を有すマンション上の実験建物。)の内、4区画(4住戸)。
研究期間において、平成16年度までに、2000年当時の住宅設備、家電を備えた従来型住戸および2004年時のトップランナー機器を備えた省エネルギー住戸の整備と、標準的生活スケジュールによる内装、配管配線、各種の設備機器、センサー・スイッチ・バルブ、などの設置を行った。また、各種家電機器の運転、照明制御運転、給湯制御運転、人体及び調理時の発熱発湿再現制御プログラム作成を行った。平成17年度には、ライフスタイルや家族構成の違いによる照明制御運転、給湯制御運転、人体及び調理時の発熱発湿再現制御プログラム等の生活行動再現プログラムの整備・改良が行われた。本サブテーマの3年間の実施により、住宅内で行われる標準的消費行動および人体や調理による室内への熱、湿気の発生までをも、実際の生活状況を再現することの出来る、模擬実験住宅モデルが完成された。
��実験住宅における実証実験
�ゝ擇哭△農鞍�された、家庭内における生活・消費行動スケジュールおよび家庭内の消費再現ロボットを使用し、家庭内におけるエネルギー消費行動の再現実験を実施し、エネルギー消費の現状および省エネルギー機器によるエネルギー消費削減効果の実測を行う。本研究期間では、平成15年度に、個々のエネルギー消費行動毎に関する予備実験。平成16年度には、実際にロボットを起動し、標準的4人家族を想定したエネルギー消費の発生時間帯、1日の総消費量の集計、消費行動ロボットの制御確認が行われた。また平成17年度には、家族構成や使用機器の違いなど、ライフスタイルが異なる場合の観測及び省エネルギー機器導入時のエネルギー消費量削減効果の検証が行われた。すなわち、サブテーマ(1)−� き◆き�の3年間の研究実施から、今日の家庭内のエネルギー消費の現状、および省エネルギー機器の効果、家族構成や生活方法などライフスタイルがエネルギー消費に及ぼす影響が示された。
(2)主要住宅設備及び機器類の特性に関する実験
家庭におけるエネルギー消費量の多寡には人間の使用行動とともに、設備機器自体の特性が深くかかわることは言うまでもない。本研究は、設備機器の性能検証や改良開発を目的とするものではなく、人間行動がエネルギー消費に及ぼす影響に関する理解を深めることにあるが、そのためには設備機器の特性を把握することが不可欠である。
�ー舁彌斬霎瀏�及び機器類に関する既存情報の収集及び物理的特性の把握
本テーマでは、暖冷房換気、照明、給湯、調理の各エネルギー用途に関連する設備機器及び家電機器のエネルギー消費特性に関する既存資料の収集分析から開始し、代表的機種を対象とした簡単な特性把握実験によるスクリーニングを行なった。また研究期間前半において、動作の複雑さの程度の把握、同一種類であっても機種によって特性にどの程度の差異があるかを確認し、さらに詳細な特性把握実験の必要のある種類を特定し、使用環境条件及び使用方法を制御した条件下における物理的特性の試験を行なった。また、人間の使用感覚が使用方法に影響を及ぼす種類の設備機器に関しては(2)−�△砲�いて被験者実験を実施した。
当研究期間では、住宅の中でも特に電力消費の大きな空調と、家電のうち最も大きな消費電力量を生じる冷蔵庫を対象に設置、使用方法と電力消費の関係を把握するための実験結果を報告している。研究期間中、平成16年度まででは、冷暖房負荷がルームエアコンのエネルギー効率に与える影響および冷蔵庫の壁面との設置距離、開閉状況、庫内投入物と冷凍冷蔵負荷との関係に関する実験を実施した。また、平成17年度には、ルームエアコンと床暖房システムについて、暖冷房負荷の発生状況と、暖冷房開始時から定常運転時に至る過程でのエネルギー効率に関する実験を行い、エアコンについては実使用時の平均COP推定方法、床暖房については燃焼部から熱搬送経路、放熱部に至る熱エネルギーの効率を明らかにし、全研究期間を通じ、家庭内のエネルギー消費の重要な位置を占める、暖冷房装置と冷蔵庫の特性把握を中心に行った。
��被験者を用いた実験室実験による主要住宅設備及び機器類に関する特性把握
(2)�△任諒�理的特性に関する実験のみでは実際の使用条件下での動作を推測し難い種類の設備機器に関して、環境試験室等において被験者を用いた使用実験を行い、エネルギー消費特性に関するデータ取得を行った。
当研究期間において、平成16年度まででは「多灯分散型照明によるエネルギー消費削減効果」の調査、「照明点灯行動の実態アンケート調査と被験者実験」、「食器洗浄時の水温・水量測定実験」、「日常の水使用行為における水温調査」をおこなった。平成17年度には、「食器洗浄時の水温・水量測定実験」について、節水器具の効果測定の継続および「日常の水使用行為における水温調査」として、食器洗浄・洗顔・うがい用水の最低許容温度に関する被験者実験を実施するとともに、予熱給水による給湯熱量削減効果の試算を行った。
(3)家庭におけるエネルギー消費に及ぼすライフスタイルの影響に関する情報発信ツールの開発
様々なライフスタイルによって、エネルギー消費は異なるが、各種省エネルギー技術の効果も、暮らし方や機器の使用状況によって異なる。本研究テーマは、家庭内のエネルギー消費を生活状況によって試算することの出来るソフト開発を目指している。本情報発信ツールは、生活状況に合わせたエネルギー消費量の試算と共に、効果的な省エネルギー技術の提案と知識の普及を目指す物である。平成16年度には、益計算過程の確認と、ケーススタディを行い、標準ライフスタイルによるエネルギー消費量試算と、コスト、環境性能を考慮した削減手法の検討を行った。
また、平成17年度には、これまで本研究課題を通して明らかになったエネルギー削減効果について、住宅への適応時の削減量を簡易に算出することの出来る「年間のエネルギー消費算出プログラム」を作成した。本プログラムの使用により、特に建築技術への知識を有しないものも、省エネルギー機器とその効果を容易に認識することが可能になる。
４．考察
本研究課題は、地球温暖化対策に向けた指針・評価手法に資することを目的に、家庭内エネルギー消費削減に実効性のある資料・ツールの作成を目指すものである。
平成15年度に、家庭内のエネルギー消費削減の規準となる消費行動のモデル化を中心に、省エネルギー性能実証実験の準備が行われた。家庭内のエネルギー消費の実証に向けた生活行動のモデル化では、各種統計資料並びにサブテーマ(2)「主要住宅設備及び機器類の特性に関する実験」から、家庭内で行われる行動と機器の使用、エネルギー消費発生の関連づけが行われた。さらに(1)−�▲┘優襯�ー消費行動ロボットの設計及び製作および(1)−��実験住宅における実証実験を通じ、消費行動ロボットの運転制御を完成させ、現在のところ冬期(平成16年2月より)のみの結果ではあるが、家庭内における消費行動を機械的に再現し、エネルギー消費および省エネルギー機器の使用による削減効果の信頼ある資料を取得した。
平成15年度の研究からは、家庭内におけるエネルギー消費行動の多様性、複雑性が明らかとなり、エネルギー消費の構造解明に向けた新たな課題も明らかとなった。換言すれば、家庭内のエネルギー消費の複雑性を再認識すると共に、効果的な削減技術の普及に向けた研究ターゲットを知ることとなった。
平成16年度には、実験に関する確認修正と、一年を通じた省エネルギー機器の効果測定がおこなわれた。また、サブテーマ(2)から、冷蔵庫、空調設備の性能評価、被験者を用いた生活行動の乾燥区が行われた。サブテーマ(3)では、リアリティーをもつ省エネルギー化資料・技術の普及促進に向けたツール作成の基礎として、標準ライフスタイルによる省エネルギー効果の試算を行った。
平成17年度には、家族構成等のライフスタイルの違いがエネルギー消費に与える影響及び各種エネルギー消費機器の消費特性の実証試験が行われ、様々な生活行動にともなうエネルギー消費の増減及び省エネルギー機器導入の効果が得られた。また、エアコンや冷蔵庫、照明、給水給湯にともなうエネルギー消費の特性も、実験室、被験者実験を通じて明らかにされた。
「国民の生活様式(ライフスタイル)の見直し及びその支援」は、地球温暖化対策推進大綱に明記されたテーマであり、2004年、および2007年に対策の進捗状況について評価・見直しを行い、段階的に必要な対策が講じられる。「見直し」と意識ある人への「支援」を効果的に行うためには、客観的事実をより多く把握しておくことが肝要である。
まとめると、本研究成果は温暖化対策の見直し、および指針、さらには最終的な目標達成に寄与される物であると考える。
５．研究者略歴
| 課題代表者:澤地孝男 |
1957年生まれ、東京大学大学院博士課程修了、博士(工学)、豊橋技術科学大学助手、独立行政法人建築研究所環境研究グループ上席研究員、現在、国土交通省国土技術政策総合研究所建築研究部建築新技術研究官および東京工業大学大学院客員助教授
主要論文:澤地孝男、坊垣和明、吉野博、鈴木憲三、赤林伸一、井上隆、大野秀夫、松原斎樹、林徹夫、森田大用途別エネルギー消費原単位の算出と推定式の作成 全国的調査に基づく住宅のエネルギー消費とライフスタイルに関する研究(第1報)、日本建築学会計画系論文集、第462号、41-48、1994年8月
澤地孝男、松尾 陽、住宅の室内気候形成に寄与する居住者の行動に関する研究、日本建築学会計画系論文集、第398号、35-46、1989年4月
Takao Sawachi, Evaluation of Thermal Comfort Impact of Direct Fresh Air Supply in Winter Part2, Comparison of Different Ways of Air Supply to Exhaust Only Ventilation, Proceedings of 18th AIVC Conference (Athens), Vol.1, pp.419-426, 1997.9 |
主要参画研究者
(1)��:堀 祐治 |
1966年生まれ、東京都立大学工学研究科卒業、博士(工学)、早稲田大学理工学総合研究センター研究員、現在、独立行政法人建築研究所環境研究グループ客員研究員
主要論文:Yuji Hori, Naoaki Ito, Nobuyuki Sunaga, Study on Establishing an Equivalent Thermal Comfort Chart for Comparative Evaluation of Heating Systems., The 2nd International Conference on New Energy Systems & Conversions, 1995/8号, P285-P290
堀祐治,伊藤直明,須永修通,室恵子不均一熱環境における熱的快適性の評価に関する研究、日本建築学会計画系論文報告集,1997/11号,37-44
Yuji Hori, Nobuyuki Sunaga, Zhejun Xian, THE EFFECT OF WATER FLOOR ON THE INDOOR CLIMATE CONTROL IN PASSIVE SOLAR HOUSE, Healthy Buildings,2003/12号,794-799 |
| ��:瀬戸裕直 |
1949年生れ、日本大学理工学部機械工学科中退、現在、独立行政法人建築研究所環境研究グループ主任研究員
主要論文:瀬戸裕直、澤地孝男、長谷川功、青嶋竜太,集合住宅の断熱性能と温熱環境に関する研究,日本建築学会学術講演会,D-2分冊, pp.127-128,1999
Takao Sawachi, Yoshinori Taniguchi, Shigeki Onishi, Hironao Seto, Haruki Ohsawa, Description of Experimental Facilities and Their Application to the Quantification of Buoyancy-Driven Airflow in Two-Story Houses, ASHRAE Transactions, Part 1A, pp.570-584,1998
Shigeki Ohnishi, Takao Sawachi, Yoshinori Taniguchi, Haruki Osawa, Hironao Seto, Evaluation of Ventilation Systems for an Entire House, ASHRAE Transactions, Part 1A, pp.598-611,1998 |
| ��:澤地孝男(前出) |
| (2)��:桑澤保夫 |
1963年生まれ、早稲田大学理工学部卒業・東京大学大学院博士課程修了、博士(工学)、東京大学工学部助手、建設省建築研究所第5研究部主任研究員、現在、国土交通省国土技術政策総合研究所建築研究部環境・設備基準研究室長
主要論文:自立循環型住宅システムの実証実験に関する研究 (第五報) 生活スケジュール作成のための機器使用行動に関する基礎的調査 室恵子、宇梶正明、澤地孝男、飯尾昭彦、堀祐治、桑沢保夫 学術講演会講演論文集(社)空気調和・衛生工学会、平成15年度学術講演会講演論文集p1741 2003.9
給湯用エネルギの削減に関する基礎的考察―被験者実験による冬季の許容水温について 室恵子 学術講演会講演論文集(社)空気調和・衛生工学会 平成14年度学術講演会講演論文集 p.1137 2002.9
パッシブリズミング空調における快適性と省エネルギーに関する研究(その16)研究所事務棟における適用事例 坊垣和明、桑沢保夫 学術講演会講演論文集(社)空気調和・衛生工学会 平成14年度学術講演会講演論文集 p.1461 2002.9 |
| ��:秋元孝之 |
1963年生まれ、早稲田大学大学院博士前期課程修了、博士(工学)、現在、関東学院大学工学部教授
主要論文:T. Akimoto, J. Nakano, S. Tanabe, and K. Kimura, Experimental Study on Indoor Thermal Environment of Floor-Supply Displacement Ventilation System under Various Heat Load Conditions, 日本建築学会計画系論文集,第507号, pp.27-34, 1998.5.
鈴木道哉,秋元孝之,重み付け係数を用いた建物のライフサイクル影響評価に関する検討 その2アンケートによる重み付け係数と外部コストの調査,日本建築学会環境系論文集,第576号,pp.81-86,2004.2.
秋元孝之,松田順平,西原直枝,田辺新一,個人制御による非等温タスク空調が熱的快適性・知的生産性に与える影響,日本建築学会環境系論文集,第582号, 2004.8 |
| (3):澤地孝男(前出) |
６．成果発表状況
� 〆抂羮七�、他:9th International Conference on ROOM VENT (2004)
"Experimental study on humidity distribution in multiple rooms based on simulated occupancy and water vapor emission"
�◆〜或診掘�他:CIB w62 Water Supply and Drainage for Buildings(2004 Paris)
"Survey on residential hot water consumption in Japan."
�� 細井昭憲、他:確率モデルによる通風可能な時間数と省エネルギー効果の簡易推定法―自然通風に関する実測研究,環境系論文集NO.605,P.79,2006年7月
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