成果報告書詳細
管理番号20130000000162
タイトル平成23年度-平成24年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 実用化開発 マルチ熱源で高効率な冷暖房給湯システムの研究開発
公開日2013/6/22
報告書年度2011 - 2012
委託先名サンデン株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約未利用熱エネルギー源として、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、従来のフロン系冷媒(R410A)を使用したものでは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。本研究では、CO2冷媒を利用した高効率な温水セントラル冷暖房と給湯用の一体型ヒートポンプの研究開発と内蔵する機能部品の研究開発、及び環境破壊物質を使わない地中採熱と無動力化研究開発を行い、寒冷地用マルチ熱源高効率冷暖房給湯システム用ヒートポンプユニットの基本仕様を確立する。本研究により以下の成果が得られた。(1)マルチ熱源システム開発:本開発2元システムの試作機作製・評価を行い、地中温度が10℃低下した場合でも、低段サイクルの能力は落ちてしまうが、高段サイクルにより能力低下分をカバーできるため、暖房能力は維持することが出来るシステムを構築できた。(2)最適制御開発:暖房負荷に応じた暖房送水温度制御と地中熱ポンプ制御を行うことで効率向上が確認できた。また、高段サイクルのカスケード熱交換器出口温度、両サイクルの高圧を最適制御することでも高COPを得ることができた。(3)高効率地中熱冷房の研究:冷房機能の効率向上の制御と性能確認のため、二次試作機を改良した冷房回路機能付きのヒートポンプユニットを試作し評価を行った。地中熱利用ヒートポンプ運転とフリー冷房運転の交互運転の最適化によりルームエアコンなみのCOPを達成できた。(4)高効率を実現する機能部品の開発:CO2-ブライン蒸発器はインナーフィンの最適化により小型化が図れると共に、従来と同等の蒸発能力の目標を達成した。高段用小容量圧縮機は渦巻形状の最適化により効率向上したが、目標値は未達であった。しかし、システムの最適化によりシステム目標値を達成できた。(5)環境破壊物質を使わない地中採熱と無動力化研究開発:CO2の管内流速確認など基本設計に基いた5mサーモサイフォンを試作し恒温水槽の実験装置にて性能測定を行った。試験結果を基に10mの採熱量を机上計算した結果、目標値に対しては30%未達であった。
英文要約Development of high efficiency heat pump system by multi-heat sources for domestic space heater equipped water heater. (FY2011-FY2012)Final Report

In unutilized 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 an issue for heat source system about 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 & development, achievement of conformed basic specification of CO2 refrigerant heat pump system for domestic space heater equipped water heater, functional components, and ground source thermosyphon. The following results were obtained in this study. (1) Development of heat pump system by multi-heat sources: manufactured binary heat pump system prototype, the system is able to keep constant heat capacity if heat source temperature decrease 10 degree Celsius because high-side cycle can assist decreased heat capacity of low-side cycle. (2) Optimization of control logic: efficiency improvement of the system by control delivery water temperature depending on space heating load and water-pump control. Also higher COP achieved by control of high pressure of both cycle and temperature of outside cascade heat exchanger. (3) Development of high efficiency space cooling by GSHP: manufactured and evaluated prototype heat pump system with function of cooling mode, and conformed performance of cooling capacity, COP, and control logic. Achievement of the targeted COP by combined of free ground cooling mode and heat pump cooling mode. (4) Development of functional components: CO2-brine plate heat exchanger is achieved our target by optimization of inner-fin parameter. Small volume compressor for high-side cycle is improved efficiency by optimized scroll parameter, but it is not able to be achieved our target. However, target of heat pump system is achieved by optimized other components. (5) Ground source thermosyphon: manufactured and evaluated prototype of 5m thermosyphone by basic logic designed CO2 operating condition. Calculated case of 10m thermosyphone using test data, but it’s not achieved target.
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