[일본] 최초의 하수열 이용
1994년에 운용이 시작된 도쿄하수도 에을너지의 지역냉난방시스템은 설비가 노화되었다. 그래서 2013년부터 2017년까지 4년간 신시스템을 개발, 도입하여 에너지절약 성능을 높인다. 하수의 온도차 에너지를 이용한 열공급사업(지역 냉난방)이다. 대상지역은 도쿄돔 본체와 일분 상업시설을 제외한 21만 6,000m2의 구역에 있는 빌딩(면적 24만 2,000m2)이다. 도쿄도 하수도국 펌프장에서 인접한 빌딩 등에 열을 보내고 있다. 2011년도 실적은 8만 700GJ이다.
여기에서 이용하고 있는 것은 열원수 및 냉각수로서 미처리 하수를 이용하고 축열조와 전동 히트펌프를 이용하여 주위의 빌딩에 냉수 및 온수를 보내는 설비이다. 시설 규모는 상당히 크다. 히트펌프가 4대(합계 냉동능력 8,650USRT(1USRT=3,497kW), 합계 난방능력 12만 8,547MJ/h), 축열조가 3개(합계 용량 1,520m2), 지역도관(導管)이 2개(냉수관 797m, 온수관 796m)이다. 시스템 전체는 “하수-열교환기-히트펌프-축열조-서비스 대상 빌딩”으로 설비가 직렬로 배열되어 있다.
설비의 동작은 계절에 따라 다르다. 겨울철 동작은 우선 자연상태인 16도의 하수를 외부로부터 받는다. 이것을 열교환기에 통과시키고, 11도로 온도가 내려간 하수를 물재생센터에 보낸다. 직접 하수가 관계하는 것은 여기까지다. 열교환기는 히트펌프로부터 10도의 물을 받아 하수의 열을 전달받아 15도로 만들어 보낸다. 히트펌프는 서비스 대상이 되는 빌딩에서 37도의 물을 받아 47도의 온수로 하여 축열조에 저장하고 다음에 빌딩에 보낸다. 빌딩측에서는 공조기로부터 온풍이 나온다. 히트펌프 부분은 에어컨의 난방과 동일한 동작을 하여 전력을 사용한다. 단, 직접 냉수로부터 온수를 만드는 것보다 적은 전력을 사용한다. 하수로부터 열에너지를 만들기 때문이다.
동일한 설비는 이미 20년 작동하고 있다. 1994년에 운용이 시작되어 시스템이 노화되었다. 환경확보조례도 변화되었다. 동일본 대지진을 경험한 후 더욱 에너지절약이 필요하게 되었다. 이러한 이유로 2012년도에 열공급시설의 리뉴얼 계획이 입안되어 설계가 시작되었다. 설비를 유지관리하는 도쿄 하수도 에너지는 신에너지 도입 촉진협의회(NEPC)의 실증사업비 보조금에 공모하여 2013년 10월부터 2020년 9월까지 하수열 이용 지역난방시설 재구축 사업에 착수하였다.
재구축사업의 목적은 설비를 갱신할 때 에너지절약 효율을 더욱 높이는 것이다. 재구축 사업의 목표를 성적계수(COP: Coefficient of performance)로 표시하였다. COP는 소비전력 1kW당 냉난방능력(kW)으로 표시되며 숫자가 클수록 성능이 높다. 실현방법에는 크게 두 가지가 있다. 우선 에너지절약에 도움이 되는 최신 설비 및 부재를 도입한다. 다음에 제어시스템을 새롭게 구축한다. 성능을 실현하기 위해 네 개의 실증항목을 제시하고 기간 전체에 걸쳐 데이터를 수집하여 분석한다. 2013년도에 실증한 것은 항목 1이다. 항목 1은 축열조 주위의 단열방수재를 갱신하여 단열효과와 방수효과를 높여 방열손실을 줄인다.
축열조 내부에 48.8도의 온수를 저장시킨 경우 수정 전에는 출열손실이 311 GJ/년이었다. 이것은 열관류율(coefficient of overall heat transmission, heat transmission coefficient)이 1.740W/m2/K로 높기 때문이다. 수정 후에는 열관류율이 약 1/8인 0.208W/m2/K로 낮아졌기 때문에 축열손실을 38GJ/년으로 억제할 수 있었다.
남은 세 가지 실증항목은 제어시스템측을 개선한다. 항목 2는 저부하시기의 공급 냉온수 온도차가 줄어드는 문제에 대응하기 위해 “열매체과류량 제어시스템”을 만들었다. 항목 3에서는 항목 1과 항목 2를 조합시켜 “하수열 이용 통합화 열원제어시스템”을 개발한다. 플랜트 전체로서 에너지효율을 높이기 위해서이다. 그리고 민간 기상정보를 이용하는 서브시스템 개발에도 대응한다. 하수온도 예측과 축열조 운영 예측, 열수요 예측이 목적이다. 항목 4에서는 재생에너지 열원수 취수 펌프 제어와 열원기기 부하율 제어를 연대한 제어시스템을 개발한다. 미처리 하수가 가진 에너지를 최대한으로 끌어내기 위함이다.
그림 1. 재구축 사업이 목표로 하는 시스템 성능
그림 2. 단열 방수 개보수 후의 축열조 성능
그림 3. 실증 시스템의 전체상
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日本初の下水熱利用、さらに性能高める東京 (1/2)
1994年に運用が始まった東京下水道エネルギーの地域冷暖房システムは設備が劣化してきている。そこで2013年から2017年までの4年間、新システムを開発、導入して省エネルギー性能を高める。2013年度の成果を紹介する。
JR東日本の水道橋駅西改札口から北に向かう。神田川と外堀通りをまたぐ陸橋を渡ると、「黄色いビル」が見えてくる。さらに進むと「東京ドーム」の正面入り口に至る。周囲には東京ドームホテルや遊園地（東京ドームシティアトラクションズ）があり、常に人通りが絶えない。
東京ドーム周辺と、ドームの西側に広がる公園（都立小石川後楽園）は、余暇を過ごすのに適しているものの、それだけではない。この辺り一帯（文京区後楽1丁目）は、日本初の事業の対象地でもある。
下水の温度差エネルギーを利用した熱供給事業（地域冷暖房）だ。対象地域は、東京ドーム本体と一部商業施設（ラクーア）を除く、21万6000m2の区域にあるビル（延床面積24万2000m2）。一角にある東京都下水道局行楽ポンプ場から、隣接するビルなどに熱を送っている。2011年度（2011年4月～2012年3月）の実績は8万700GJ（ギガジュール）。
どのような設備なのか
ここで利用しているのは、熱源水や冷却水として未処理下水を利用し、蓄熱槽と電動ヒートポンプを用いて、周囲のビルに冷水や温水を送る設備だ。施設の規模はかなりのもの。ヒートポンプが4台（合計冷凍能力8650USRT＊1）、合計暖房能力12万8547MJ/時）、蓄熱槽が3つ（合計容量1520m2）、地域導管が2本（冷水管797m、温水間796m）である。
＊1） USRT（アメリカ冷凍トン）は、0度の水2000ポンド（906kg）を24時間で0度の氷にするために必要な熱量。1USRT＝3.497kW
システム全体は「下水－熱交換器－ヒートポンプ－蓄熱槽－サービス対象のビル群」というように設備が直列に並んでいる。
設備の動作は季節によって異なる。冬季の動作はこうだ。まず自然の状態にある16度の下水を外部から受け取る。これを熱交換器に通じ、11度に温度が下がった下水を水再生センターに送る。直接下水が関係するのはここまでだ。熱交換器はヒートポンプから10度の水を受け取って下水の熱を受け渡し、15度にして戻す。ヒートポンプはサービス対象となるビルから37度の水を受け取り、47度の温水にして蓄熱槽に貯め、順次、ビルに送り返す。ビル側では空調機から温風が吹き出す＊2）。ヒートポンプ部分はエアコンの暖房と同じ動作であり、電力を使う。ただし、直接冷水から温水を作り出すよりも少ない電力で済む。下水から熱エネルギーをくみ出しているからだ。
＊2） 夏季は26度の下水を熱交換器に通じ、31度にする。熱交換器はヒートポンプから34度の水を受け取って、27度の水を返す。ヒートポンプは周囲のビルから送られてくる15度の水から7度の冷水を作り出し、蓄熱槽に蓄えつつ、周囲のビルに送る。
4つの実証項目を打ち出す
同設備はもう20年も動き続けている。1994年に運用が始まってからシステムがいくぶん老朽化してしまった。環境確保条例も変わった。東日本大震災を受けて、より一層の省エネが必要になった。このような理由から、2012年度に熱供給施設のリニューアル計画が立案、設計が始まった。
設備を維持管理する東京下水道エネルギーは、新エネルギー導入促進協議会（NEPC）の実証事業費補助金に公募し、2013年10月から2020年9月まで下水熱利用地域冷暖房施設再構築事業に取り組む（NEPCの補助金の対象となる実証事業工事期間は2017年1月末まで）。
再構築事業の目的は、設備を更新する際に省エネルギー効率をより一層高めること。再構築事業が目指す数値目標を成績係数（COP：Coefficient Of Performance）で表したのが図1だ。COPは消費電力1kW当たりの冷暖房能力（kW）を表しており、数字が大きいほど性能が高い。
実現手法は大きく2つある。まず、省エネルギーに役立つ最新の設備・部材を導入する。次に制御システムを新たに構築する。黄色で示した1.19という数字は最新の設備・部材で実現し、赤で示した1.27～1.30という数字は制御システムで実現する形だ。
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