成果報告書詳細
管理番号20130000000307
タイトル平成22年度-平成24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 実負荷に合わせた年間効率向上ヒートポンプシステムの研究開発
公開日2014/4/1
報告書年度2010 - 2012
委託先名日立アプライアンス株式会社 株式会社日立製作所
プロジェクト番号P10011
部署名省エネルギー部
和文要約業務用ヒートポンプの年間システム効率について対現状比1.5倍を目標とし、ヒートポンプシステムの研究開発並びにヒートポンプシステムに搭載される高効率ワイドレンジスクロール圧縮機の研究開発を実施した。目標達成のためには低負荷領域における冷媒自然循環方式の併用、且つ低負荷運転での圧縮機断続運転回避、及び低負荷領域における圧縮機効率1.2倍向上が必須であることを解明し、これらの課題に対し以下の研究開発を行い、1.5倍以上のシステム効率向上を実証した。研究開発項目「ヒートポンプシステムの研究開発」低負荷領域における冷媒自然循環方式は、熱交換器に関し、切替時の冷媒供給、回収制御や、利便性を考慮して、蒸気圧縮方式と共用とした。また外気温が室内温度より低く、冷房能力が冷房負荷より大きい場合にのみ稼働させる制御とした。低負荷領域での圧縮機断続運転回避は、適応制御を用い、空調負荷を推定しながら空調機を稼働する事により、不用意な発停を行う事を防止した。以上の仕様を盛り込んだヒートポンプに対し、下に記述する高効率・ワイドレンジスクロール圧縮機を搭載し、環境試験室による試験と、実使用状態での検証を行うためのモニタ試験を札幌と静岡で実施した。環境試験室による試験では、現状システムに対し、開発システムのヒートポンプシステムの効率が1.51倍となった。また実使用状態でのモニタ試験では、札幌では1.62倍、静岡では1.56倍となる事が分かった。研究開発項目「高効率・ワイドレンジスクロール圧縮機の研究開発」最適化設計手法にて主要設計諸元を決定し、超低速運転領域での電磁弁を用いたバイパス容量制御機構、及び信頼性向上と摺動損失低減を図るためのDLC(Diamond-like Carbon)膜等を適用したスクロール圧縮機1次試作機の設計、製作、効率評価を行った。目標である負荷比率10%での圧縮機効率は現状機実測値に対し1.26倍向上し、容量制御を併用して3-100%負荷での連続運転を実現した。また、スクロール圧縮機2次試作機ではこれらに加え、低速効率重視モータ及び磁気飽和起電圧利用による低速制御と昇圧回路を搭載するモータ駆動装置により、1.27倍の効率向上と4-140 rpsでのモータ駆動制御を実現した。これによりバイパス容量制御だけでなくモータ回転数制御にても3-100%負荷での連続運転を達成した。
英文要約Title: A Heat Pump System That Improves Annual Efficiency by Fitting the Actual Air-conditioning Load (FY2010-FY2012) Final Report

To improve the annual efficiency of the conventional packaged heat pump system by 50%, we have proposed a heat pump system with a highly efficient wide-range scroll compressor. To achieve this aim, we have established that the proposed system has to satisfy the following requirements: (i) Uses both a vapor compression refrigeration system and refrigerant natural circulation system at low air-conditioning loads. (ii) Avoids unnecessary start-and-stop compressor operation. (iii) Improves the overall adiabatic efficiency of the compressor by 20% under low- speed conditions compared to that of the conventional one. In accordance with these requirements, we have designed and tested a heat pump system and scroll compressor and proved that the system has improved by more than 50%. For the refrigerant natural circulation system, we designed the heat exchanger for common use with the refrigeration vapor compression system. The refrigerant natural circulation system starts operation when the ambient temperature is lower than the room temperature and its cooling capacity is larger than the air-conditioning load. To prevent intermittent compressor operation, we have developed an adaptive controller that operates the heat pump system by estimating the air-conditioning load parameters. For the heat pump systems specified above and with the highly efficienct wide- range compressors, we have tested them in a thermostatic chamber and installed them in Sapporo and Shizuoka City to examine their practical use. After the test in the thermostatic chamber, we proved that the efficiency of the developed heat pump system is 151% compared with that of the conventional one. In regard to the monitor test for actual use, the efficiency was 162% for Sapporo city and 156% for Shizuoka City. Determining the principal specifications by optimizing method, we have designed, manufactured, and evaluated the primary prototype compressors that were applied to the bypass capacity control with the solenoid valve at low speed range and DLC(diamond-like carbon) coating for improving the reliability and decreasing bearing’s frictional loss. With regard to the improvement of the compressor efficiency, we proved that it is 26% more effective at a 10% load ratio. And continuous operation at a load ratio of 3 to 100% was possible by using capacity control. Moreover, for the secondary prototype compressor, an improvement of 27% has been attained and motor driven operation from 4 to 140 rps has been achieved by using a low speed based motor and new motor driving device that has a super low speed control system using the induced voltage caused by magnetic saturation and the voltage boosting circuit. Therefore, continuous operation with a load ratio from 3 to 100% has been achieved by not only bypass capacity control but also motor speed control.
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