成果報告書詳細
管理番号20110000000852
タイトル平成22年度成果報告書 次世代型ヒートポンプ研究開発 地中熱を軸にしたハイブリッド熱源CO2ヒートポンプ温水暖房給湯システムの研究開発
公開日2011/7/28
報告書年度2010 - 2010
委託先名サンデン株式会社 大和ハウス工業株式会社 早稲田大学
プロジェクト番号P10011
部署名エネルギー対策推進部
和文要約未利用熱エネルギ源として、年間を通じて温度が安定している地中熱を利用したヒートポンプ技術がある。しかし、従来はR410Aを冷媒として使用したもので、高温の温水が供給できないため、寒冷地住宅用の熱源としての課題がある。また、給湯を備えた製品も存在しない。
本研究は、CO2を冷媒として用いた寒冷地用の温水暖房・給湯熱源機器として、地中熱や太陽熱を活用したシステムの検討を行ったもので、従来のCO2空気熱源式の温水暖房・給湯システムの1.5倍の効率向上を目標とした。暖房負荷や給湯負荷に応じた様々なシステムを机上検証すると共に、原理検証機にて理論のみでなく実機においても可能性検討を行ったものである。
本研究により以下の成果が得られた。
(1)今後普及する断熱性能の住宅において、暖房負荷の時系列変化(年、時)を把握すると共に、寒冷地を代表する札幌での、地中熱採熱量の見込み及びCOPの経年変化や実用住宅での太陽熱採熱量のみ込みを得ることができ、寒冷地住宅での評価条件設定を明確とした。また、太陽熱に関しては、南壁垂直5m2において太陽熱採熱時間と暖房負荷の発生時間のズレを、バッファタンクを用いることで、暖房熱量として年間1692kWhの有効活用が可能である。
(2)上記の条件において、理論システムを5つ検討し、暖房・給湯が同時に運転可能であることと、効率及び熱交換器機能部品の数などの検討結果から、最終システムとして独自2元冷凍サイクルを構築でき最終案とした。
(3)最終システム案のシミュレーションに関しては、シミュレーションソフトの作製は完了し、ガスクーラまでの熱交換器の特性は把握できた。しかし、圧縮機とエバポレータに関して特性把握試験は実施したものの精度に課題を残すものとなった。
(4)最終システム案に対して運転条件を詳細に検証し、暖房期間効率HSPF(Heating Seasonal Performance Factor)では暖房単独運転で当初の現状値に対し1.5倍を達成することを確認した。また、給湯性能でも比較対象を一般地の空気熱源のエコキュートの年間給湯効率APF(Annual Performance Factor)に対して、寒冷地使用条件でも104%に効率向上する見込みを得た。
原理検証機においての成果は、HSPFを達成するためのひとつの指標としてのCOP(Coefficient of Performance)値に対し、暖房運転時の目標設計値の97.5%を達成することを確認した。
(5)更なる効率向上の検討において、サーモサイフォン管方式は小径であっても熱搬送能力が大きく地中熱採熱管の超細径化が可能である。
英文要約Title: Research and Development of a Next-generation Heat Pump System Feasibility study on CO2 refrigerant geothermal heat pump system for space heater equipped water heater in cold region (FY2010) Final Report
Abstract
In utilized thermal energy source, ground source heat pump system (GSHP) uses as heat source which keeps annually stable temperature. However, present prevailing GSHP uses R410A refrigerant and has issues for heat source system house in cold area because these heat pump is difficult to heat-up high temperature water. Also there is no space heater equipped with domestic water heater.
In this research, CO2 refrigerant heat pump system for domestic space heater equipped water heater in cold region is examined the use of geothermal heat and solar energy. And this research goal is 150% heating efficiency improvement against the present CO2 refrigerant heat pump system using air source for water heating.
To validate various heat pump systems for adapting domestic space heating and hot water heating loads, which could be examined not only in theory in the prototype demonstration.
The following results were obtained in this study.
(1) To clarify an evaluation criteria for housing in cold region. In the next few years the spread of housing, to understand annually time-series space heating load, and the prospect of geothermal heat capacity and residential solar energy in Sapporo. As for solar, effective use of 1692kWh year by using a buffer tank space heating load displacement generation time of solar heating by vertical south wall 5m2 solar panel.
(2) In these conditions, considering the five theory systems by simultaneous operation of space heating and water heater, and heat pump cycle efficiency and functional components. The result of considering, the final plan is original binary refrigeration cycle.
(3) In the simulation software development, basic software program is complete. Regarding performance evaluation of functional components, the gas cooler is evaluated, but evaporator and compressor have not evaluated yet.
(4) To examine in detail the operating conditions for the final system plan, and to confirm 150% achieve of HSPF (Heating Seasonal Performance Factor) comparing space heating operation for the initial state. The heat efficiency of Eco Cute using air sources compare performance of water heater in APF (Annual Performance Factor) for a 104% even in cold conditions expected to improve efficiency was obtained. The results of the prototype demonstration, HSPF as a measure to achieve one of the COP (Coefficient of performance) against the value of the design target of 97.5% was confirmed during the heating operation.
(5) In further consideration of efficiency, to confirm downsizing of underground heat exchanger using thermosyphon system because of large heat transfer capacity even small diameter.
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