成果報告書詳細
管理番号20110000001545
タイトル平成22年度成果報告書 次世代型ヒートポンプシステム研究開発 多様な未利用熱の活用を可能とした最適熱源切替型高効率高温循環ヒートポンプシステムに関する研究開発
公開日2011/10/12
報告書年度2010 - 2010
委託先名株式会社前川製作所 学校法人早稲田大学 大成建設株式会社
プロジェクト番号P10011
部署名エネルギー対策推進部
和文要約本研究開発では、食品・薬品・ケミカル工場及び温浴施設・病院等に市場ニーズがあり、現在主にボイラーが使用されている60~90℃の循環加温給湯用途へ導入可能な高効率ヒートポンプシステムを開発することを目的とした。従来のヒートポンプシステムにおける年間COP=2.7程度(空気熱源タイプの出力20HP、HFC冷媒使用、60→65℃加熱時)の1.5倍である年間COP=4.05を達成することを開発目標とし研究開発を行った。対象の循環加温型ヒートポンプは、冷媒を独自のHC系混合冷媒(GWP=3)とすることで、従来のR407Cに対して13.8%(出湯温度65℃,熱源水温度24℃、同条件での比較)のCOP向上が達成できる見込みを得た。圧縮機形式は、市場性・性能・コスト等の面よりスクロール圧縮機とし、本HC系混合冷媒用として新規設計を行うことにし、その基本設計を行った。また,未利用熱を有効活用するために、空気熱源・水熱源切替型を基本モデルとし、性能を試算したところ、出湯温度65℃、熱源水温度24℃の条件では、加熱能力56kW、COP=4.08であり、開発目標を達成できる見込みを得た。最適熱源切替による最適運転制御を実現するため、次世代型計測制御機器のデモモデルの設計・試作を行った。システム全体の運転状況確認と運転最適化、省エネ、CO2排出量削減効果の表示等、ユーザ意識の向上と周囲へのアピールにも効果が高いものとなっている。開発目標を達成するために必要な平均熱源水温度24℃に利用可能な未利用熱に関する調査を実施した。温度ポテンシャル的に利用可能な未利用熱は、夏期は海水・河川水などがあるが、冬期のCOPを確保するために利用可能な未利用熱は太陽熱・排湯・下水である。建物直近で利用可能な未利用熱である排湯に着目し、給湯利用が多い用途(ホテル・病院・スポーツ施設)の実測調査を行った。結果、温度約30℃,排湯量30~50m3/日あり、19℃まで利用可能とした場合500~800Mcal/日の排熱が利用可能である。現状利用されている未利用熱利用熱交換器の調査を実施した結果、排湯などで利用する場合、洗浄や劣化対応などを考慮した熱交換器の開発が必要である。年間を通じ多様な運転条件下において複数からなるシステムの最適な運転を実現するためには、トータルエネルギーマネージメント手法の確立が必要不可欠である。このため、モジュラー解析理論を適用したエネルギーシステム統合解析シミュレーターを開発する。このエネルギーシステム統合解析シミュレーターを構築し、インターネット上で操作できることを確認した。また、このシミュレーター上で温泉などに用いられている加温循環システムに用いられている構成要素の解析モデルを構築し、開発機を使用すると目標のCOP=4.05を、年間を通して達成できることを確認した。ヒートポンプシステムの性能を評価するにあたり、業務・産業分野で使用されるものは、運転パターンが確立されておらず、COPだけでは十分な性能評価をすることが不可能である。そこで、市場における代表モデルを選定し、実際のエネルギー使用実態を調査した上で、エクセルギ的な評価基準を構築することを検討した。豆腐製造工程のモデルにて本開発ヒートポンプの導入効果を試算したところ、従来のボイラー加熱と比較して年間エネルギー消費量で45%削減が可能であることが分かった。
英文要約Title:Development of a highly efficient high temperature recirculation heat pump system using alternating optimum heat sources of unused heat FY2010 Final Report
The aim of this research is to develop a recirculation heat pump system to satisfy the market needs in food, medicine, chemical industry, hotels and hospitals that require hot water of 60-90 degrees. Currently hot water is provided by boilers. The conventional heat pump system, using HFC refrigerants, air heat source type with an output of 20HP, providing hot water of 60-65 degrees has an average annual COP of 2.7. This research aims at developing a heat pump system with an annual COP of 4.05, a value 1.5times more the convention systems. The recirculation heat pump system uses HC mixed refrigerants (GWP=3) as the working fluid and compared to the conventional heat pumps using R407C as the working fluid, COP is expected to be improved by 13.8%(comparisons at: heat source water temperature 24 degrees, hot water output 65 degrees). Considering the market, performance and costs, a scroll compressor was chosen for the heat pump system and basic design was carried out. In order to effectively utilize unused heat an alternating air and water source heat pump system basic model was considered. Performance calculations at heat source water temperature of 24 degrees and hot water output of 65 degrees showed that the heating capacity is 56kW and COP is 4.08, meeting the development target. Design and trial manufacture of a demonstration model of the next-generation measurement control apparatus was carried out to realize optimum operation control and heat source alteration. We investigated the unused thermal application technology with the average heat source water temperature of 24 degrees. Seawater and rivers are potential sources in summer while solar heat, wastewater and sewage are potential sources in winter. We investigated hotels, hospitals and sport facilities because they utilize a lot of hot water. Investigations showed that there is approximately 30~50m3/day of waste water of 30 degrees. It is necessary to establish a total energy management method in order to achieve the optimum operating method throughout year. An energy system integration analysis simulator which adopts “Modular analysis method” is developed. An energy system integration analysis simulator was constructed and it can be used on the Internet. A recirculation heat pump analysis model used in hot spars, hotels and sports facilities was constructed. Using this analysis model, performance characteristics of heat pump system were simulated and results show that the target of COP=4.05 can be achieved. It is not sufficient to evaluate performance of commercial and industrial heat pump systems using COP only. This is because these systems operate under various conditions. A representative model was chosen and its energy use was investigated and evaluated using the exergy method as a standard. Using the same exergy evaluation method on the developed heat pump when used in the production of tofu, compared with conventional boiler, a 45% reduction in annual energy consumption can be achieved.
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