成果報告書詳細
管理番号20130000000764
タイトル平成21年度-平成23年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(風力発電その他未利用エネルギー) 地中熱取り込み機能を持つ蓄熱水槽付き鋼製地下室を使った深夜電力利用冷暖房の技術開発
公開日2013/12/25
報告書年度2009 - 2011
委託先名株式会社スリー・ユー
プロジェクト番号P10020
部署名技術開発推進部
和文要約件名:平成21年度-平成23年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業/新エネルギーベンチャー技術革新事業(風力発電その他未利用エネルギー)/地中熱取り込み機能を持つ蓄熱水槽付鋼製地下室を使った深夜電力利用冷暖房の技術開発

本開発では、鋼製地下室、地下室設置型蓄熱水槽や生活排熱等(太陽熱含む)を利用し、6mという浅深度での地中熱採熱を試みると共に、材料費・工事費の大幅削減と、更には安価な深夜電力を利用した運転費用の削減により低コストで環境に優しい冷暖房システムの実現を目的とした。
Phase1においては、中熱採熱システムを採熱管深さ6m×28本、既製ヒートポンプ(冷暖房能力10Kw)の組み合わせにて稼動させ、厳冬期2か月の連続稼働により、約55kwh/日の採熱を確認した。目標とする住宅で使用する熱量42.7kwh/日や、また最も寒い日での熱量約44.8kwh/日を充分採集できることを確認した。
一方、長期連続稼動の確認については、採熱管の周りの地中の温度変化を測定し、温度の回復を確認し、長期稼動による採熱管周囲の若干の温度低下はあるものの、地中熱は安定して採熱可能で、少なくとも3ヶ月の連続運転が可能であることを確認した。第二に、Phase1の実験のシステム構成[採熱チューブの口径(20mm)、既製ヒートポンプ(地中熱採熱の不凍液の温度・流量が自動設定)] で、50℃という高温の温水を作るという実験では、測定COP値は約2.5であった。理由として、市販品のヒートポンプ採用による不凍液の温度・流量の制御ができなかったことや高温の温水製造時はCOP値が低くなるという本質的な問題点が考えられた。第三に、採熱管の材料費・埋設工事費のコストを合計は約40万円に削減できるため、既存100m掘削システムと比べ約1/5となることを確認した。
Phase2においては、調布実験場に新たに実験設備を設け、より最適な地中熱採熱条件の確認に努め、50Φ同軸管の暖房運転で、採熱温度3℃程度で5.2リットル/分で運転した場合、最高の実質採熱量44.5W/m程度が得られ、市販ヒートポンプを稼働した場合、COP値は3.1達成の結果を得た。また、地中の水分含有量の上昇に伴う土の熱伝導率の向上によるCOPの向上は実現しなかった。生活排水等よりの熱回収機能をシステムに持たせシステム全体としてのCOP値の向上については、熱回収装置を試作し、その後の採熱実験では、排熱回収装置の大型化が排熱利用には必要であることが判明した。一方、太陽熱温水器2.5m^2を設置した実験では、管径20Φのポリエチレン管を使用しCOP値3.5との結果を得た。今後、ヒートポンプの改良、採熱管の改良等更なる研究開発により、COP値4の達成は十分可能であると判断している。
第二に、システムのコストダウンの結果については、地下室設置型蓄熱水槽の商品化試作を完了し、材料費より試算して量産価格30 万円(目標20 万円)の目途を得て、更に簡易掘削機の商品化試作を行い、掘削コストを10万円以下とする目途を得た。
従って、現段階で可能な採熱システムのメーカー仕切価格は262万円との試算を得た。上家ハウスメーカー対象の市場調査では、現段階ではCOP値3.5程度の採熱性能でも十分であり、価格も200万円 程度なら販売が容易になるとの意見も得た。末端顧客向け市場調査では、システム全体の販売価格帯は150-200万円程度が望ましく(補助金付与が1/3可能であれば、末端価格が220万円-300万)、初期設備投資の回収期間については10年-15年程度が望ましいとの結果を得た。事業の早期立ち上げには更なるコスト削減が必要である。
英文要約Title:New Energy Technology Research Development / New Energy Venture Technology Innovation Program (Wind Power Generation And Other Untapped Energies)/ The technological improvement of air conditioning by the construction of the basement with the thermal energy storage unit and by making use of the late-night electric power for the cost reduction.(FY2009-FY2011)FY2011 Final Report

The purpose of this research and development is to achieve the ground-source heat extraction at six meters underground and reduce the cost of the air conditioning system. In the period of Phase I, we constructed the ground-source heat pump’s system in Chofu City, Greater Tokyo. This system consisted of twenty-eight inner tubes which was six meters long and one heat pump (10 kw) mainly. We could extract the heat of 55kwh/day from the ground by three months’ continuous operation in midwinter without any trouble. In general one household located in this area consumed the energy of 43kwh/day in winter, and 45kwh/day in midst winter. Therefore we could achieve enough supply of the energy for the household. The temperature of soil around twenty-eight inner tubes was going down when this system had been operated for eight hours a day, however it was recovered during pause of operation which was sixteen hours. We confirmed that COP (Coefficient Of Performance) value in this experiment was 2.5. The main reason why COP value was lower than expected was that we had to produce and store hot water which was fifty centigrade in thermal storage tank. We could reduce the material cost due to the disuse of outer tubes. Even if this system would be built without the basement, we could forecast the total cost for all tubes was one fifth as much as the ordinary one. In the period of Phase II, we constructed another system in the same place for the further experiments. In order to obtain the suitable conditions for heat extraction, we changed several conditions such as the diameter and arrangement of tubes, the temperature of antifreeze and so on. Finally we confirmed that COP value was 3.1 under the condition that the heat extraction temperature was 3 degrees centigrade and the velocity of flowing fluid regarding antifreeze was 5.2 liter per minute. At that time we could extract the heat of 44.5w/m from the ground by using the same axle iron tubes with a diameter of 50 millimeters. We confirmed that COP value was 3.5 when we used the solar water heater simultaneously. Therefore we had bright prospects that we could reach our goal which COP value was 4 on above-suitable conditions and by using improved heat pump system additionally. Moreover we manufactured thermal energy storage unit which cost 300 thousand yen and the simple digging machine that the total cost of digging was about 100 thousand yen by way of trial. At this moment the total cost of this system is 2.62 million yen. We did market research for our end-users and house-manufacturers. As a result it showed us that most of our customers in end would like to purchase our product at the price of 1.5 to 2 million yen and hoped the amortization period was 10 to 15 years. Moreover some house-manufacturers suggested us that the purchase price of our product would be 2 million yen and COP value of 3.5 would be acceptable. We need more cost reduction for the early start-up of this business.
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