非常用発電機の概要

電気設備が常に正常稼動するためには、品質の良い電源供給が不可欠である。日本国内の電力事情は非常に良好で不測の停電発生は少なく、雷撃や地震など自然現象による停電の場合はあっても、長期に渡る停電が発生することはほとんどない。

しかし、火災などが発生し電力会社からの電源供給が途絶えた場合、発電機がなければ電気機器期を動かすことができない。特に大規模な業務施設では消火栓やスプリンクラー、排煙機といった防災設備が多数設けられており、停電時に火災が発生するといった事態になると、初期消火や避難ができず大きな被害をもたらすおそれがある。

このような防災設備が「火災で停電になったので使えない」という事にならないよう、防災設備専用の非常電源が必要であり、非常用の運転に特化した発電機が広く用いられている。

予備電源の種類と関連法規

非常用に使用する電源に対する規制のうち、建築設備設計に大きく関わるものとして「電気設備技術基準」「消防法」「建築基準法」などがある。電気設備が安全かつ有効に動作することを担保するために、各種の電気設備に関する技術基準を満足する必要があり、消防法に求められた運転時間や出力を適正に出力できる計画としなければならない。

建築基準法により、災害時の予備電源として何の設備を何分以上動作させるか、といったことも定められている。多くの規制に対応する設備であるが、建物を安全に利用するために不可欠な設備であり、その特性や設計基準を理解するのが重要である。

電気設備技術基準に定められた保安用電源

非常用発電機は、電力会社からの電源供給が途絶えた場合、消防設備への電源供給だけでなく、需要家内にある電気設備の機能を維持するための「保安用電源」や「業務用電源」にもなる。避難や消火活動に使用する予備電源としても有効な設備であり、業務の継続や、保安用電源として活用できる。

消防法における非常電源

消防用設備への電源供給が途絶えた場合に使用する「非常電源」でもある。消火栓、スプリンクラー、消防排煙設備などの消防用設備等の電源として接続し、商用電源が遮断されても消防用設備が適切に動作できるよう電源を供給することができる。

消防法では、それぞれの消防用設備がどのような火災で用いるかを定めており、それぞれの必要運転時間も規定されている。定格負荷で60分以上連続運転できること、燃料油は2時間以上の容量を持つこと、発電機起動信号を受けてから40秒以内に電圧確立することなど、多くの基準が定められている。

建築基準法における予備電源

非常用照明、排煙機の電源として使用する「予備電源」である。消防用設備の非常電源と同様、商用電源が突然遮断され停電となっても、一定時間は非常用照明や排煙設備が動作するように計画される。

防災設備に30分以上電源供給できること、30分以上連続運転できる容量を持つこと、40秒以内に発電機が起動し電圧確立することなどが定められており、消防法における非常電源と併用できる。消防法と建築基準法の両方に規制されている場合、消防法と建築基準法のどちらの基準も満足できるような機種選定や燃料計画が必要である。

建築物の電気設備として使用する非常用発電機の内燃機関は大きく分けて、ディーゼルエンジンとガスタービンエンジンの二種類が用いられる。原動機を使用した内燃機関は切り替え時の始動が速く、動作の信頼性が高く、保守点検が容易といった多くの利点があり、発電機駆動用の機関として幅広く使用されている。

防災設備として使用される非常用発電機設備の場合、消防法により「ディーゼル」「ガスタービン」または同等以上の始動性能を有するものと規定されている。

ディーゼルエンジンの特徴

ディーゼルエンジン非常用発電機は、20kVA前後の小型機種から1,000kVAを超える大型機種まで多様なラインナップがある。断続的な燃焼による爆発ガスの熱エネルギーをピストン往復運動に変換し、クランク軸によって回転運動に変換するという機構で運転を行う。

ディーゼルエンジンの非常用発電機の分野では非常に広く普及しており、発電機の周辺装置を簡素化することができる「ラジエーター冷却」がよく選定される。冷却水槽を用いた水冷方式もあるが、水を循環するポンプやタンクの保守が煩雑となるため、あまり用いられない。

ディーゼル発電機は燃焼空気の排気に黒煙が多い、運転時の振動や騒音が大きいという問題があるが、比較的安価なため頻繁に採用される。周囲の空気環境に出力が調整されることは少なく、常に一定の出力を確保できる堅牢さも利点である。

ガスタービン発電機と比較して、潤滑油消費量が多い、軽負荷運転の効率が悪い、往復運動のため振動が発生するといった欠点がある。冷却装置の附置、据付面積が必要など、建築的な負担が大きくなるというデメリットもあるが、出力に対する燃料消費量が少ないという大きな利点があるので、大きなオイルタンクを用意することができないビルやホテル、マンションなどで広く用いられている。

長時間の軽負荷運転における注意点

ディーゼルエンジンを選定する場合、軽負荷運転による燃焼効率の低下に注意しなければならない。発電機に接続している負荷が軽すぎる場合、燃料噴射圧力が低くなるため燃料が上手く燃焼せず、黒煙が多くなるという欠点がある。シリンダーやピストンの潤滑オイルが燃焼できる温度まで上昇せず、排気管からオイルが滴ることもあり汚損が問題になることも多い。

軽負荷運転を長時間に渡って行った結果、煙道や機関内部に黒煙が多量に発生し、排気管にオイルが滴るような状況において、突然高負荷・全負荷で運転を行った場合、内部機構の故障につながることがある。そもそも非常用の発電機では、大きな消防負荷を始動することが求められるため、始動電流に耐えられるよう大きなサイズの発電機が計画されることになる。

ディーゼルエンジンを選定する場合、常に全負荷に近い運転ができるよう、余裕を持たせ過ぎない選定をすることも重要なポイントである。近年では負荷試験を行って消防機関に報告することが求められるため、負荷試験装置を接続して100％負荷運転を行い、安定した燃焼ができるかを確認できる計画が良い。

直接噴射式と予燃焼室式

直接噴射式は、燃料を燃焼室に直接噴射して燃焼させる方式で、始動性が良く、燃焼効率が良いという特徴がある。主に、低速～中速の非常用発電機に採用されている。対して予燃焼室式は、予燃焼室に噴射した燃料により、内部圧力を上昇させ、残部を主燃焼室に噴出することで燃焼効率を高める方式である。騒音振動を小さく抑えるため、高速の非常用発電機に採用される。

冷却方式

内燃機関外部からの冷却水で冷却する水冷方式と、機関に直接駆動するファンで冷却する空冷方式がある。ファンによる空冷は小容量の発電機でのみ適用され、大規模な発電機では水冷方式となる。

水冷方式には、放流式、クーリングタワー式、水槽式、ラジエーター方式がある。放流式は冷却水の系統が簡素で設置が簡単であるが、給水が多量に必要で、水がなくなった場合は発電装置が焼損してしまうため、断水した場合には使用不可能となる。

クーリングタワー方式は、冷却水の消費量が少なく、水道水が断水しても一定時間は運転させられるが、クーリングタワーを動作させるための動力や、クーリングタワーを設置するためのスペースの確保に問題が残る。あまり採用実績はない。

冷却水槽式は、水道水が断水しても水温が上昇するまでの間、運転を継続できる。運転時間によるが、大きな水槽を別途用意しなければならず、建設コストが増加する。水槽も定期メンテナンスが必要で、常時水源を用意しなければならないため採用実績はほとんどない。

ラジエーター方式は、非常に採用実績の多い方式で、冷却水配管が不要で冷却水の消費もほとんどない。ラジエーターファンを運転させるため、出力が若干低下することや、排風量が大きくなることに注意が必要である。

ガスタービンの特徴

ガスタービンを搭載した非常用発電機は、ディーゼルエンジンと比較して黒煙が少なく、振動や騒音が小さく抑えられ機器本体もコンパクトである。発電した電力は安定性が高く、軽負荷運転でも良好な発電を保つことができる利点がある。

燃料を多量の空気と混合して完全燃焼させることにより、排気に含まれる一酸化炭素やNOxの量を大きく低減できるため、環境負荷が小さいという利点もある。ディーゼルエンジンのような往復運動機構ではなく回転運動機構のため、建築躯体に伝わる振動が小さく、躯体伝搬による騒音が小さいのも利点である。

しかし、機器本体が高価であること、給気と排気風量がディーゼルエンジンよりも大きいこと、燃料消費量が多いといったような多くの欠点もある。給排気風量が大きいため、給気用のガラリや排気ダクトなどがディーゼル発電機よりも大きくなり、建築的な制約が大きい。

またガスタービン発電機は、小型機のラインナップが少なく、500kVAを超える大型スペックが必要な案件での採用実績が多くなる。500kVA以下の小中規模の建物用途ではディーゼルエンジンの採用が一般的である。

燃料消費量はディーゼル発電機の2倍以上

ガスタービン発電機は電力品質や負荷追従性などで多くの利点があるが、燃料消費量はディーゼルエンジンに比べて倍程度大きく、大型機種では燃料タンクが非常に大きくなり、燃料小出槽だけでは対応できない消費量である。

ディーゼルエンジンよりも高熱な排熱処理も課題であり、植栽などが近くにある場合、煙道から放出される排気ガスで植栽を焼いてしまうおそれがあるので、排気方向はディーゼルエンジンよりも慎重に選ばなければならない。

ガスタービン発電機を選定する場合、消火設備についても注意しなければならない事項がある。ガスタービン発電機に対して、新ガス（窒素）消火は原則として適用できない。32条特例申請を提出することで認められることもあるが、早期に所轄消防機関との協議申請業務を進めておくことが望まれる。