建物の熱特性を活かしたスマート電力網
都市のエネルギー消費が増大する中、建物を単なる電力の「受け手」から、エネルギーの「協力者」へと変える画期的な技術が登場した。中国の国家電網河北省電力有限公司経済技術研究院と天津大学の研究チームは、建物の断熱性能の違いに着目し、微細電力網（マイクログリッド）と建物群の最適な協調運用を可能にする新理論を確立した。その成果は、学術誌『電力系統及其自動化学報（Proceedings of the CSU-EPSA）』に掲載され、都市のエネルギー効率化に新たな道を示している。
現代の都市において、建物の運営は社会全体のエネルギー消費の約23%を占めるとされる。その中でも、暖房、換気、空調（HVAC）システムは建物の総消費電力のほぼ半分を占める主要なエネルギー消費者である。しかし、このHVACシステムは、単なる負荷ではなく、大きな可能性を秘めた「柔軟な資源」でもある。建物の構造自体が熱を蓄えたり、放出したりする性質（熱的慣性）を持つため、室内の快適性を損なうことなく、HVACの稼働時間をずらすことが可能になる。つまり、電力価格が安い時間帯に積極的に暖房や冷房を行い、その熱を建物の壁や床に蓄えておき、価格が高騰するピーク時間帯にはHVACの稼働を抑えることで、電気代を大幅に節約できるのである。この「需要応答」と呼ばれる戦略は、電力網全体の安定性を高める上で極めて重要だ。
しかし、従来の需要応答プログラムは大きな課題を抱えていた。それは、「すべての建物は同じ」という前提に立っていたことだ。実際には、新築の高断熱ビルと、断熱性能が劣る古いビルでは、熱を蓄える能力に雲泥の差がある。前者は価格信号に敏感に反応し、柔軟に電力消費を調整できるが、後者は熱が逃げやすく、HVACを常に稼働させざるを得ず、需要応答の余地が非常に限られる。この差を無視して一律の価格を提示しても、高性能ビルは十分なインセンティブを得られず、低性能ビルは参加できず、結果として全体の効率は向上しない。
この問題の核心を突いたのが、郝志方（Hao Zhifang）、安佳坤（An Jiakun）、侯若松（Hou Ruosong）、曹媛（Cao Yuan）ら国家電網河北省電力有限公司経済技術研究院の研究者と、天津大学の靳小龙（Jin Xiaolong）、董晓红（Dong Xiaohong）教授のチームだ。彼らが提案したのは、「主従ゲーム（スタックルベルグゲーム）」という経済学の理論を応用した、画期的な協調最適化手法である。
この理論の核心は、マイクログリッドを「リーダー」、建物群を「フォロワー」と見なす点にある。リーダーであるマイクログリッドは、まず自らの利益（売電収益）を最大化するように、建物群に提供する電力の価格を設定する。一方、フォロワーである各建物群は、その価格を受け取り、自らの電気料金を最小化するように、HVACの稼働スケジュールを最適化する。このプロセスは、マイクログリッドが価格を決め、建物がそれに対して反応し、その反応（電力需要）をもとにマイクログリッドが再び価格を調整する、という反復的なやり取りを通じて、最終的に双方にとって最適な「均衡点」に到達する。
ここで最も革新的なのは、「カスタマイズされた電力価格」の導入である。研究チームは、建物群の「断熱性能」に応じて、異なる価格体系を提供することを提唱した。断熱性能が高く、熱を長く保持できる建物群には、価格変動が激しく、より魅力的な「ダイナミックプライシング」を提供する。これにより、その建物群は価格が下がった瞬間にHVACをフル稼働させ、大量の熱を蓄えるという、より積極的な需要応答が可能になる。一方、断熱性能が低い建物群には、価格変動が穏やかで予測しやすい「安定型価格」を提供する。これにより、無理なく参加でき、公平な機会が与えられる。この「差別化された価格」により、マイクログリッドは、柔軟性の高い建物から最大限の利益を得ることができ、建物側も自身の能力に合った最適なコスト削減が実現する。まさに、双方の利益を最大化する「ウィンウィン」の仕組みである。
さらに、このシステムは電気自動車（EV）との統合によって、その柔軟性を飛躍的に高めている。研究チームは、「V2B（ビークル・トゥ・ビリング）」という概念を導入した。これは、オフィスビルに停車しているEVのバッテリーを、建物の「移動型蓄電池」として活用するというものだ。昼間、太陽光発電が活発で電力価格が安い時間帯には、EVが充電を行う。そして、夕方の電力価格が高騰するピーク時間帯には、EVのバッテリーから建物に電力を供給する。これにより、建物は高価な電力を購入する必要がなくなり、EVの所有者は、電力の売却によって収益を得ることができる。この双方向のエネルギーのやり取りは、建物とEV所有者という新たな「エネルギー協力者」を生み出し、マイクログリッドの負担を軽減する。
この複雑なシステムを実現するためには、建物の熱的挙動を正確に予測する必要がある。研究チームは、「熱抵抗-熱容量（RC）ネットワーク」という物理モデルを用いて、建物の壁や窓を通る熱の流れをシミュレーションした。これにより、外気温や日照の変化、HVACの出力が、室内温度にどのように影響するかを、高精度で予測できる。この物理モデルに、EVのバッテリー容量、走行距離、出勤・退勤時間などの行動データを組み合わせ、最適化アルゴリズムで計算することで、マイクログリッドと建物群の最適な運転スケジュールを導き出す。
実際のシミュレーションでは、断熱性能が「高（A群）」「中（B群）」「低（C群）」の3つの建物群を想定した。結果は明確だった。断熱性能の高いA群は、価格の変動に敏感に反応し、HVACの出力を頻繁に調整することで、最も低い電気料金を達成した。一方、C群は調整の余地が少なく、料金は高めとなった。重要なのは、マイクログリッドがA群に対しては価格変動の大きいカスタム価格を、C群に対しては変動の小さい価格を提示していたことだ。この「差別化」が、全体の最適化を可能にした。また、EVのV2B制御も、価格が高い時間帯に放電し、価格が安い時間帯に充電することで、建物の電気料金をさらに削減する効果が確認された。
この研究の意義は、技術的な革新にとどまらない。それは、エネルギー市場の「公平性」を高める点にある。従来のプログラムは、最新のスマートビルに有利であり、古い建物は取り残されがちだった。しかし、この新理論は、建物の物理的な能力を正確に評価し、それに応じた機会を提供する。これにより、老朽化した建物も、自身の能力の範囲でエネルギー効率化に貢献できるようになる。これは、都市全体のエネルギー転換を、より包括的で持続可能な形で進めるための重要な一歩である。
また、政策立案者にとっても、極めて示唆に富む。政府や電力会社は、このフレームワークを活用して、断熱改修などのエネルギー効率化投資を促進するインセンティブ制度を設計できる。高性能な建物が「カスタム価格」による高いインセンティブを得られることを知れば、民間の投資意欲が高まるだろう。このように、市場の力と技術の力が連携することで、脱炭素社会への移行が加速される。
未来の展望としては、このモデルを住宅地や大学キャンパスなど、より多様な環境に適用すること、また、太陽熱や地熱といった他のエネルギー源と統合することなどが挙げられる。都市のエネルギーインフラは、もはや中央集権的な「送電網」ではなく、建物、EV、分散型発電所が双方向にエネルギーをやり取りする「スマート・エナジー・エコシステム」へと進化しつつある。郝志方らの研究は、その複雑な交響曲を指揮するための、洗練された指揮棒を提供したと言えるだろう。
郝志方、安佳坤、侯若松、曹媛、靳小龙、董晓红、電力系統及其自動化学報、DOI: 10.19635/j.cnki.csu-epsa.001385