成果報告書詳細
管理番号20130000000738
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 地下水制御型高効率ヒートポンプ空調システムの研究開発
公開日2014/6/21
報告書年度2010 - 2012
委託先名清水建設株式会社 国立大学法人信州大学
プロジェクト番号P10011
部署名省エネルギー部
和文要約本研究開発はオープンタイプの地中熱利用システムのなかで新規の高効率システムを目指す研究開発として2010年度-2012年度に行われたものである。

(1) 全体システムの高効率化技術の開発
 2010年度に札幌、長野、福岡を対象地域としたシステムシミュレーションにより全体システムとして、COP予測値がそれぞれ1.81倍、1.72倍、1.71倍という結果を得た。これをもって現状システムの1.7倍以上が多くの地域で期待できることを明らかにした。

(2) 水質制御技術の開発
 2010年度に目詰まりの原因となる浮遊物質、鉄・マンガン等の除去方法を検討し、ヒートポンプへの直接通水、目詰まり発生防止を確実に行える技術レベルに達していることを室内実験で確認した。

(3) 実証実験による基盤技術の実証
 2010年度に作成した実証実験の基本計画案に基づき、2011年度に開発システムの実証試験装置の実施設計・製作を行った。信州大学工学部講義棟の3教室(各110m2)を空調の対象室とし、うち2室に開発システムを設置し、残り1室に比較のための従来システム(ビル用マルチパッケージエアコン)を設置した。
 開発システムについては、2次側空調システムに顕熱潜熱分離空調システムを採用し、顕熱処理用の熱源機として、フリークーリングとヒートポンプのハイブリッド運転が可能な地下水専用水冷式ヒートポンプを新たに開発して設置した。井戸設備については、浅部・深部2層の帯水層より取水・注水を行うものとし、地下水流動の上流側に注水井、下流側に揚水井を配置した。また、地下水の直接通水による配管・機器内のスケール付着、および,井戸・地盤の目詰まり発生を防止するために、ろ過装置、軟水機、脱気装置で構成される水質処理装置を設置した.
 2011年11月中旬より冬期の実証運転(暖房運転)を開始し、データの蓄積と分析を継続実施した。また2012年6月より夏期の実証運転を開始し9月末に終了した。
 空調期間中は水質制御装置の効果について定期的に水質分析を行い、目詰まりの発生原因となるマンガン、スケール発生原因となるカルシウムなどが除去されていることを確認した。この結果、目詰まり等によるシステムの障害は発生せず、長期安定運転の目標が達成された。
 実験データを解析し、初年度でまだ効果が得られていない2年目以降の蓄熱効果をシミュレーションにより加算すると従来システムに比べて1.5倍以上の性能が確認されて成功裏に実証運転が完了した。

(4) 商用実機の性能・経済性検討
 2010年度に我が国における地下水制御型高効率ヒートポンプ空調システムの適用可能地域を抽出し、全国適地マップを提示した。また2011年度-2012年度で商用実機検討条件を設定し,検討対象都市3都市(札幌、長野、熊本)の商用実機の設計を完了し、シミュレーションにより商用実機で現状システムの1.7倍以上の高効率化性能を札幌、長野地域では確認できた。経済性評価では、設計図書を基に詳細なコスト算定を行い、結果として1/2の補助金を考慮に入れると3000m2規模の事務所ビルのスタディーで単純回収年数が札幌、長野、熊本でそれぞれ、0.4、7.9、7.6年であることが明示できた。
英文要約This paper reports on the research and development of a new type of high-efficiency open-type geothermal energy utilization system carried out from FY2010 to FY2012.
(1)Development of technology to enhance system efficiency
The system simulation conducted for the Sapporo, Nagano and Fukuoka areas showed estimated overall COP improvements by factors of 1.81, 1.72 and 1.71, respectively, indicating that an improvement by a factor of 1.7 or more can be expected in many areas.
(2)Development of water quality control technology
A study was conducted to find ways to remove suspended solids, iron, manganese, etc. that can cause clogging, and laboratory tests were conducted to confirm that existing technology has reached the level at which water can be directly fed to heat pumps and clogging can be prevented.
(3)Experimental validation of key technology
Three classrooms (110m2 each) in the lecture building of Shinshu University were used for experiments; the newly developed system was installed at two rooms, and a conventional system (multi-package air conditioning system) was installed at the other room for comparison.
The developed system included separate systems for sensible-heat air conditioning and latent-heat air conditioning on the secondary side. As a heat source unit for sensible heat transfer, a newly developed groundwater-source heat pump system capable of hybrid operation combining free cooling and heat pumping was installed. In order to prevent scale deposition in the piping and equipment through which groundwater was to flow and clogging of the wells and ground, a water treatment system was installed.
Winter test operation was started in November, 2011. Summer test operation was started in June, 2012, and ended in September. Test data obtained in the first year of operation were analyzed, and heat storage effects in subsequent years were estimated through simulation. The successful test operation results thus obtained indicate that the developed system is superior in performance to a typical conventional system by a factor of 1.5 or more.
(4)Evaluation of performance and economy of commercial system
Geographical areas in Japan suitable for the use of the groundwater-source heat pump air conditioning system were identified, and a suitability map was presented.
Conditions for the evaluation of commercial systems were determined, and the design of commercial systems in three study cities (Sapporo, Nagano and Kumamoto) was completed. Then, it was confirmed through simulation that in Sapporo and Nagano, the newly developed systems are about 70% more efficient than conventional systems. Economic evaluation involving case studies of detailed cost calculation based on design drawings and specifications showed that in the case of an office building having a total floor area of 3000m2, if a subsidy amounting to 1/2 of actual cost is taken into account, cost in Sapporo, Nagano and Kumamoto can be recovered in 0.4, 7.9 and 7.6 years, respectively.
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