問題 3

次の各文章は、平成30年4月1日時点で施行されている「工場等におけるエネルギーの使用の合理化に関する事業者の判断の基準」(以下、『工場等判断基準』と略記)の内容及びそれに関連した管理技術の基礎について述べたものである。 これらの文章において、「工場等(専ら事務所その他これらに類する用途に供する工場等を除く)」における『工場等判断基準』の本文に関連する事項については、その引用部を示す上で、 「I エネルギーの使用の合理化の基準」の部分は『基準部分(工場)』、 「II エネルギーの使用の合理化の目標及び計画的に取り組むべき措置」の部分は『目標及び措置部分(工場)』 と略記する。 【1】～【15】の中に入れるべき最も適切な字句等をそれぞれの解答群から選び、その記号を答えよ。 また、【A a.b】～【E abcd】に当てはまる数値を計算し、その結果を答えよ。ただし、解答は解答すべき数値の最小位の一つ下の位で四捨五入すること。なお、単位のm³Nはガスの標準状態での体積を表す。(配点計100点) (1) 『工場等判断基準』の『目標及び措置部分(工場)』では、措置を講ずべき対象としているエネルギー消費設備等は、「燃焼設備、熱利用設備、廃熱回収設備、【 1 】設備、電気使用設備、空気調和設備・給湯設備・換気設備・昇降機等、照明設備及び工場エネルギー管理システム」である。 また、各設備について、エネルギーの効率的利用を検討することが求められており、例えば、電気使用設備については、【 2 】を向上させるように管理標準を設定し、設備の運転、維持等を行うこと、が求められている。

(2) 再生可能エネルギーによる発電の一つとして風力発電がある。風力発電システムは、風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するシステムであり、その発電電力は、原理的には風速の【 3 】乗に比例する。

(3) 気体の比熱として、定圧比熱と定容比熱が定義されている。理想気体では、定圧比熱と定容比熱の差は、【 4 】となり、気体の種類によって決まる一定の値をとる。

(4) 1m³Nの水素を、酸素濃度(体積割合)が30%の酸素富化空気で完全燃焼させる際に必要となる酸素富化空気量は、【 5 】[m³N]である。なお、m³Nはガスの標準状態での体積であることを表している。

(5) 周囲環境と熱的に平衡状態にある物体の表面では、周囲環境からの放射エネルギーに対して、エネルギー保存の法則から、反射率+吸収率+透過率=1が成り立つ。これらの中で、物体の表面の放射率に等しいのは、【 6 】である。

(6) 熱伝導率が50W/(m·K)で、板厚が10mmの平坦な鋼板がある。この鋼板の片面に温風を通し、反対の面に冷風を通して熱交換を行っている。この鋼板の両面における熱伝達率がそれぞれ10W/(m²·K)で等しいとき、温風から鋼板を通して冷風へ熱が移動するときの熱通過率は、[W/(m²·K)]である。 (7) 『工場等判断基準』の『目標及び措置部分(工場)』では、熱利用設備に対する措置の一つとして、温水媒体による加熱設備では、大気圧以下の蒸気媒体を用いた加熱についても検討することを求めている。 たとえば、80℃の乾き飽和蒸気を考えるとき、その比エンタルピーは2643kJ/kgであり、常圧で同じ80℃の温水の比エンタルピーの約【 7 】倍と保有熱量が大きい。さらに、蒸気の凝縮熱伝達により伝熱が促進され、均一加熱も可能となる。

(8) 『工場等判断基準』の『基準部分(工場)』は、加熱及び冷却並びに伝熱の合理化について、「加熱、熱処理等を行う工業炉については、設備の構造、被加熱物の特性、加熱、熱処理等の前後の工程等に応じて、熱効率を向上させるように管理標準を設定し、【 8 】を改善すること。」を求めている。

(9) 『工場等判断基準』の「エネルギーの使用の合理化の目標及び計画的に取り組むべき措置」のうちの「その他エネルギーの使用の合理化に関する事項」では、未利用エネルギーの活用を検討することを求めている。未利用エネルギー活用のためには、そのうち活用できる有効エネルギー(エクセルギー)を事前に検討しておくことが望ましい。 いま、温度が80℃の大量の温排水があり、この温排水と20℃の周囲環境との間でカルノーサイクルを働かせて動力を得ることを考える。温排水の温度が80℃一定に保たれるものとすれば、温排水1000kJの熱量に対して、このカルノーサイクルで得られる最大仕事として定義されるエクセルギーは、[kJ]である。なお、0℃は273.15Kである。 (10) 空気調和において、対象とする部屋の換気による外気負荷は空気調和設備の負荷の中で大きな割合を占めるため、換気量を適正量まで低減することにより大きな省エネルギーを図ることができる。 空気調和の対象とする部屋の二酸化炭素濃度が600ppmで、環境基準値に対して余裕があった。また、そのときの外気の二酸化炭素濃度は400ppmであった。そこで、換気量を低減して二酸化炭素濃度を900ppmまで許容することにした。換気における空気の取入れ量と排出量とは等しいので、低減後の換気量は低減前の換気量のおよそ【 10 】[%]に抑えることができ、大幅な外気負荷の削減が可能となる。ここで、部屋内の二酸化炭素の発生量は一定で、二酸化炭素の濃度は均等に分布しているものとし、換気量は体積流量、二酸化炭素濃度は空気中の二酸化炭素の体積割合とする。

(11) ある火力発電設備が、天然ガスを燃料として電気出力200MWの一定出力で運転されている。1時間当たりの燃料使用量は42000m³N/h、燃料の高発熱量は45MJ/m³Nである。このときの平均発電端熱効率は高発熱量基準では[%]である。 (12) 線間電圧200Vの対称三相交流電源に接続されている平衡三相負荷の消費電力が30kW、力率が80%(遅れ)であった。この三相負荷に並列にコンデンサを接続し、力率を100%に改善するのに必要なコンデンサの三相分の容量は、この負荷の無効電力分に相当し、[kvar]である。 (13) 三相交流は、単相交流に比べ、同一容量における電力輸送の損失が少なく、また、機器を小型化できるなど優れた特徴を持っており、発電、送配電、需要設備のいずれにおいても広く採用されている。この三相交流の電圧は線間電圧又は相電圧で表されるが、一般に、線間電圧で扱うことが多い。対称三相交流回路において、線間電圧は、星形結線(Y結線)で考えた場合の相電圧の【 11 】倍である。

(14) ある工場では、最大需要電力を3000kWに抑えることにしている。ある日の14時からの30分間について考える。14時から14時15分までの使用電力量が1000kW·hであったとすると、残りの14時15分から14時30分までの15分間の平均電力を[kW]以下とする必要がある。ここでは、需要電力は使用電力の30分間の平均値とする。 (15) 変圧器の損失は、負荷の大きさに依存しない無負荷損と、負荷電流の大きさによって変動する負荷損に分けられ、負荷電流の大きさにより効率は変化する。負荷の力率が変わらないとしたとき、変圧器の効率は【 12 】になる負荷のときに最も高くなる。

(16) 送風機の所要動力P[kW]は、風量をQ[m³/min](質量流量G[kg/min])、風圧(吐出側と吸込側の全圧の差)をH[Pa]、送風機の効率をη[%]とすると、【 13 】×10⁻³[kW]で表される。

(17) 電気化学反応では、電極界面においてイオンと電子の間で電気のやり取りが行われる。ファラデーの法則によれば、電流が通過することにより電極上において析出又は溶解する化学物質の質量は、通過する電気量に比例する。また、同じ電気量によって析出又は溶解する化学物質の質量はその物質の式量Mと反応電子数zで決まり、【 14 】に比例する。

(18) 照明設備について、『工場等判断基準』の『基準部分(工場)』は、日本工業規格の照度基準等に規定するところにより管理標準を設定して使用すること、また、調光による減光又は消灯についての管理標準を設定し、過剰又は不要な照明をなくすことを求めている。 JIS Z 9110:2011「照明基準総則」では、事務所ビルにおける事務室の推奨照度範囲は【15】[lx]としている。