成果報告書詳細
管理番号20110000000817
タイトル平成21~22年度成果報告書 「ノンフロン型省エネ冷凍空調システム開発/実用的な性能評価、安全基準の構築/エアコン用低GWP混合冷媒の物性とLCCP評価」
公開日2012/9/11
報告書年度2009 - 2010
委託先名国立大学法人 東京大学
プロジェクト番号P05029
部署名環境部
和文要約 冷凍空調機器に用いる冷媒はGWPが小さく、環境性能の良い冷媒への転換が求められている。しかし、候補として挙げられているHFO1234yf混合冷媒の物性情報の多くが未公開であり、そのフィージビリティの検討が困難であり研究開発を阻害している。本研究では、候補冷媒の基礎的な熱物性情報、伝熱特性、サイクル性能情報、ライフサイクルにおける等価二酸化炭素排出量等の評価を実施し、定置用空調機における低GWP冷媒の適用可能性を俯瞰することが目的である。
HFO1234yfとHFC類との二成分系の気液平衡性質に関して測定を行い、R125 / HFO1234yfはR32 / HFO1234yf系と同様に非共沸系であり、R134a / HFO1234yfは共沸系であることを明らかにした。また、汎用型としてPR式、高精度型としてHelmholtz式を採用し、それぞれに適当な混合則を用いて気液平衡の実測値の相関を行った。混合パラメータを最適化することによって、いずれの状態式を用いても良好に実測値を再現できた。さらに、各混合冷媒の温度勾配について検討した。
HFO-1234yf純冷媒とHFO-1234yf+HFC-32、HFO-1234yf+HFC-125混合冷媒の蒸気粘度の温度変化を測定した。従来のHFC-134aとHFC-410Aと比べ、HFO-1234yf純冷媒の粘度はそれぞれおよそ3%と14%小さい結果が得られた。HFO1234yf純冷媒の液粘度、液密度はそれぞれR32よりも大きく、R125よりも小さいとなった。純物質、混合物にかぬする蒸気、液粘度、液密度の特徴を把握し、混合比をパラメータとした物性推算モデルを作成した。
HFO1234yfとHFC類との混合冷媒の冷凍サイクル性能について検討を行った。理論サイクルを用いた考察を行い、理論的にはHFO1234yf単体でR410Aを超える成績係数COPが得られるものの、冷媒流量を増やす必要があるために圧力損失が増大し、COPが大きく低下することとなった。さらに、圧力損失を見積もったサイクル計算を行い、HFO1234yf単体ではCOPが大幅に低下すること、HFC類を混合すればCOPが改善することを示した。
HFO1234yf純冷媒とHFO1234yf+R32混合冷媒の伝熱特性を実測し、伝熱予測モデルを作成した。HFO1234yf純冷媒の伝熱性能はR134aとほぼ同等であることが明らかにした。また、混合冷媒においては、特に比共沸性のHFO1234yf+R32混合冷媒の伝熱性能は二物質間の物質移動の影響を受け、混合比により、純冷媒より伝熱性能が劣化する条件も存在することが分かった。
HFO1234yfを主成分とし、HFC32またはHFC125を混合する2成分混合冷媒の熱物性の測定を行った。磁気浮上密度計を用いたPVTx性質測定、循環式気液平衡性質測定装置による気液平衡性質測定ならびに球共鳴式音速測定装置による気体音速および理想気体状態比熱の評価を実施した。さらに、得られた測定結果から混合冷媒の状態方程式を作成し、性能シミュレーションに利用するプログラム・サブルーチンを作成した。
環境試験室を用いて現行機の標準試験と負荷試験を行い、実運転性能に及ぼす負荷条件の影響を明らかにした。
実験住宅にてルームエアコンの性能評価試験を実施し、エアコン性能を評価することを目的に研究を行った。また、評価結果に基づくエネルギー計算により地域や性能の異なる様々な住宅に設置されたルームエアコンの運用段階のエネルギー消費量の試算を行い、エアコン性能を精緻に計測するための実住宅における性能評価手法を確立させた。
家庭用ルームエアコンの使用実態を調査し、エアコンの使用パターン、実エネルギー消費量などを計測し、地域別・住宅性能別年間エネルギー消費を評価するための基礎データを提供した。
冷凍・空調機器および冷媒ボンベの出荷・充填・回収などの作業記録をデーターベース上で一元管理するシステムを開発し、冷媒のトレーサビリティの仕組が実現可能なことについて検証した。
英文要約Due to a high GWP of the HFC refrigerants used in the air conditioning and refrigeration equipments, it is cruel to find out substitute low GWP refrigerant with a better environmental performance. HFO1234yf has been proposed as a substitute refrigerant replacing R134a in mobile air conditioner. However, it is still a chanllenging task to find proper substitute refrigerant for R410a used in residential air conditioners. A refrigerant mixture using HFO1234yf as mian component was expected to balance the COP and GWP, however, the basic thermophysical properties of the refrigerant mixture are unclear, together with the limited informantion concerning heat transfer performance of the refrigerant mixture and how users accturaly use the air conditioner. In this study, the basic information of the thermophysical properties of candidate refrigerants, heat transfer performance, cycle performance information, and LCCP evaluation of the candidate refrigerant mixture are investigated.
 Vapor-liquid equilibrium properties of the binary refrigerant mixture of HFO1234yf and HFCs were measured to provide the bacis information how the circle of the refrigerant mixture would be. R125/HFO1234yf and R32/HFO1234yf combination is similar to the non-azeotropic system; whileas R134a / HFO1234yf is close to an azeotropic system. A PR type equation of state model, which is simple and easy to use, and a more presise Helmholtz type equation of state model, are proposed. In addition, the viscosity of the refrigerant mixture both at liquid state and gas state are measured to provide necessary transport properties in cycle simulation. In addition, PVTx properties of both HFO1234yf and HFO1234yf+HFC32 mixture were measured, the equation of state was created based on the measured date of the refrigerant mixrture.
 From theoriteical cycle simulation, HFO1234yf is found superior to R410a in COP, however, due to its small latent heat, the actual system COP of the HFO1234yf should be much worse, especially when the pressure drop in the connection tubes and heat exchangers being counted. By adding HFCs with a high latent heat was found capable of increasing the system COP.
 Flow boiling and condensative heat transfer performance of HFO1234yf and HFO1234yf + R32 refrigerant were measured and the results showd that the HFO1234yf has similar heat transfer performance with R134a, while the heat trasfner performance of the refrigerant mixture may deteriorate due to mass diffursion between the binary components.
 An environmental laboratory has been established recently to enable the test at low load condition when the system operates intermittently. Drop-in test of both the pure HFO1234yf and its mixture will be conducted.
 Performance test conducted in air-conditioned room housing and the field test has been started. The actual operation performance are being investigated, together with the proposal of the performance evaluation method based on the test results either in laboratory and in user’s house.
 In addition, a refrigerant management system has been proposed to trace the refrigerant during all the processes from the shipment to recovery. The feasibility of basic concept of proposed system has been verified.
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