成果報告書詳細
管理番号20110000000853
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発 エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発「稚内層珪質頁岩デシカント換気空調を用いた高効率冷暖房・給湯ヒートポンプシステムの研究開発」
公開日2011/7/28
報告書年度2008 - 2010
委託先名国立大学法人北海道大学 有限会社稚内グリーンファクトリー 富士スレート株式会社 株式会社自然素材研究所 サンポット株式会社 株式会社長府製作所
プロジェクト番号P03033
部署名エネルギー対策推進部
和文要約本研究の目的は、稚内層珪質頁岩を用いたデシカントローターを搭載したデシカントユニットと、冷房または暖房時に給湯を同時に行うためのデスーパーヒーターを利用したヒートポンプユニットをそれぞれ開発し、さらに最終的にはそれらを一つに統合したコンパクトなシステムを開発することである。
稚内層珪質頁岩を用いたデシカントユニットを開発するため、1)北海道産の天然メソポーラス材料である稚内層珪質頁岩の吸湿性能向上、2)40℃の低温で再生可能な稚内層珪質頁岩を用いたデシカントローターの開発、3)稚内層珪質頁岩デシカントローターを組み込んだ家庭用デシカントユニットの開発と性能評価、について検討を行った。最初に稚内層珪質頁岩の吸湿性能を改善するため、いくつかの塩化物溶液を用いた含浸担持について検討を行い、吸湿によって起こる潮解液の溶出が起こらない最適な含浸溶液濃度を見いだした。さらにメソ孔への塩化ナトリウム担持により、中湿域の吸湿特性が改善されることを発見した。これらの結果をもとに、塩化物担持稚内層珪質頁岩配合紙基材を開発するとともに、それをコルゲート加工することで、稚内層珪質頁岩デシカントローターを開発した。さらに、空気流路の切り替えなしに、夏期、冬期の除湿運転、加湿運転に対応できるコンパクトなデシカントユニットを開発した。このデシカントユニットは、2枚の稚内層珪質頁岩デシカントローター(直径500m、厚さ60mm)と再生用熱交換器、予冷用熱交換器で構成されている。外気条件(温度30℃、相対湿度75%)、室内側条件(温度26℃、相対湿度60%)、風量150m3/hにおいて、熱交換器へ導入した再生のための温水温度40℃、プレクーリングのための冷水20℃供給において、本研究の目標値である8g/m3の除湿量を達成した。
デスーパーヒーターを利用したヒートポンプ冷暖房給湯システムを開発するため、デスーパーヒーター熱交換器、凝縮器、蒸発器などを設計・試作するとともに、冷媒流量や膨張弁開度、温水循環量を変化させたときの熱交換量の測定結果から、最適な形状および伝熱面積の検討を行った。その結果、採熱側循環量、冷暖房側循環量は、それぞれ25 L/min、および16 L/minを試験条件とした。またプレート熱交換器の仕様は、30枚のものがもっとも良いCOPを示した。これらの結果をもとに、デスーパーヒーターを利用したヒートポンプユニットを開発した。暖房、冷房、給湯、暖房給湯、冷房給湯運転におけるCOPは、それぞれ4.23、5.26、4.00、5.00、5.15であった。また、ヒートポンプの制御を行うための制御基盤および、各機器の連動や制御の確認を行うための制御装置を開発した。
デシカント二次試作機とヒートポンプシステム二次試作機を埼玉県の事務所フロアに設置し、8月から2月上旬までの夏期、中間期、冬期における実証試験を行った。ファンコイルユニットへの送水温度条件を14℃で行った場合、室内は温度25℃から26℃、相対湿度60%、絶対湿度 12~13 g/kgDAと快適な空間が維持されていた。このときのヒートポンプの冷房運転におけるCOPは平均で5.8と高い値を示した。またデシカントユニットの除湿量は4~5 g/gDAを維持しており、外気潜熱負荷は十分に除去できることが分かった。
最後に、デシカントユニットとデスーパーヒーター利用冷暖房給湯ヒートポンプを統合したプロトタイプ機を試作した。その大きさは、全体で0.996m3(ヒートポンプ部 0.580m3、デシカント部 0.416m3)と、最終目標である1m3以下を達成することが出来た。
英文要約The purpose of this study is development of desiccant ventilation unit equipped with wakkanai siliceous shale (WSS) desiccant rotor and heat pump unit for space heating and cooling with hot water supply by using desuperheater. In addition, a final goal of this study is to develop the compact heat pump system integrated with desiccant unit as a one package.
To develop the desiccant unit using WSS, the following studies has been carried out. 1) An improvement of the water adsorption ability using WSS which is a natural meso-porous material produced in Hokkaido. 2) The development of WSS desiccant rotor which can regenerate at low temperature of 40 deg-C. 3) Evaluation and development of desiccant unit for household by using the WSS rotor. The impregnation of various chloride solutions into WSS pore has been examined to enhance the water adsorption ability. We found the optimal concentration that the elution of chloride component did not occur by the water absorption. In addition, it was shown that the middle range of relative humidity is increased by the impregnation of NaCl. Based on these results, we developed the paper containing WSS for the desiccant rotor and desiccant rotor has been made by using paper corrugated process machine. In addition, we made a compact desiccant ventilation system which can use from the summer to the winter seasons without the exchanging of air flow ducts. The size of desiccant system was 0.41 m3. This desiccant system unit consists of two WSS desiccant rotor impregnated with the NaCl solution, two heat exchangers for the regeneration of the WSS rotor, and two heat exchangers for the precooling of the WSS rotor. The diameter and thickness of WSS rotor were 500 mm and 60 mm, respectively. As a final target, more than 8 g / m3 of the dehumidification amount were achieved under the following experimental conditions. OA: 30 deg-C, 75 % RH, RA: 26 ~C, 60 % RH, flow rate: 150 m3/h, precooling temperature: 20 deg-C, regeneration temperature: 40 deg-C.
To develop the new heat pump system which can supply a hot water simultaneously with space-cooling or space-heating by using desuperheater for household, we evaluated various heat exchangers for desuperheater, condenser and evaporator. From the experimental results, the optimal flow rates of circulated water in heat extraction side and indoor side were decided at 25 L / min and 16 L / min, respectively. The COP of newly developed heat pump system was as follows; the space heating: 4.23, space-cooling: 5.26, hot water supply: 4.00, space-heating with hot water supply: 5.00 and space-cooling with hot water supply: 5.15. The electric control board for the control of heat pump system and the control device for the operation check were developed.
The desiccant ventilation system and heat pump system were introduced in the office floor in Saitama, from the August to February, as a proof examination. In the summer season, it was found that the indoor condition can keep the comfortable conditions of the 25 to 26 deg-C and around 60% relative humidity (12 -13 g/kg-DA absolute humidity), even though the temperature of circulated water into the fan coil unit in the room is 14 deg-C that is usually higher than the general space-cooling using the air source heat pump system. The COP also showed high value of 5.8 as an average. The dehumidification amount of desiccant unit was kept at 4 to 5 g/kg-DA. It was recognized that latent heat load from the outside was also sufficiently removed by the desiccant ventilation system in this study.
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