成果報告書詳細
管理番号20140000000808
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 再生可能エネルギー熱利用計測技術実証事業 (4)
公開日2015/1/31
報告書年度2011 - 2013
委託先名特定非営利活動法人地中熱利用促進協会 JFEエンジニアリング株式会社 株式会社セブンーイレブン・ジャパン 応用地質株式会社 サンポット株式会社 株式会社角藤 株式会社萩原ボーリング 学校法人北海道尚志学園
プロジェクト番号P11012
部署名新エネルギー部
和文要約1.事業の目的と目標
  再生可能エネルギーである地中熱のグリーン熱としての普及環境を整備するため、本事業では地中熱利用設備での簡易な熱量計測技術および熱量推定技術の確立を目的とする。簡易計測は低コストかつ20%未満の誤差を目標とする。

2.研究項目と内容
  本事業での研究項目およびその内容は以下の通りである。
   a.地中熱ヒートポンプシステムの計画・設置
     全国に散在する9箇所で、各施設の負荷熱量に応じた地中熱ヒートポンプシステムを計画・設置した。
b.一次側及び二次側システムの計測
  各設備の一次側及び二次側システムにおいて、流量、温度、熱量等について、1年以上にわたり、高精度計測と低コスト計測器による計測(簡易計測)を同時に行った。
 c.低コスト計測器による熱量計測(簡易計測)技術の検討
   9設備での実証データから、簡易計測の誤差を分析し、誤差20%未満となる簡易計測方法について検討した。
d.熱量推定方法の検討
   ヒートポンプまたは循環ポンプの消費電力量等から、熱量、流量を推定する方法について検討し、高精度計測結果と比較した。
e.計測指針の作成と低コスト熱量計の基本設計
  以上の検討結果を基に、地中熱ヒートポンプシステムでの熱量計測指針を作成した。低コスト熱量計のモデルケースを設定した。

3.研究成果
  本研究により以下のような成果を得た。
 (1)研究項目bより、地中熱ヒートポンプシステムでの1年以上にわたる熱量計測データから、熱量の変動パターン、温度差分布などの熱量特性が得られた。特に、一次側熱量の卓越する温度差が1℃から5℃と小さいことが、本システムでの熱量計測上の留意点と言える。
(2)研究項目bより、実証設備での一次側熱量と二次側熱量の関係式が得られた。グリーン熱は二次側熱量が対象であり、二次側が直膨式のように熱量計測が困難な場合でも、一次側熱量計測値から換算する際の有効な資料と考えている。
(3)研究項目cより、簡易計測方法について以下のことが分かった。
   ・低コストの羽根車式流量計と温度計(熱電対、サーミスタ)との組合せでの熱量誤差は20%未満であり、簡易計測法として有効と言える。
・比較的低コストの電磁式流量センサーと熱電対の組合せでの熱量誤差は20%未満となり、簡易計測法として有効と言える。
・超音波式流量計と熱電対との組合せでの熱量誤差は20%以上となったが、これは2個の熱電対の基準接点温度の誤差によるものであった。超音波式流量計の誤差は、熱媒内部の気泡の影響が考えられる期間を除けば、5%未満の誤差である。この気泡に注意して、2個の熱電対の基準接点温度差を小さくすれば、簡易計測法としては有効と言える。特に超音波式流量計は配管への外付けが可能であり、既設の配管への設置が容易となる利点を有する。
・渦式流量計と熱電対との組合せの熱量誤差は2%未満となり、高精度なみの精度を有する。渦式流量計はほぼ高精度なみの価格であるが、不凍液での有効性について確認できた。
・比較的低コストの積算流量計(超音波流量計使用)を2種類使用したが、熱量誤差が20%未満となったのは1種類のみであり、もう1種類は不凍液では誤差が20%以上となることがわかった。
(4)研究項目dより、熱量推定方法について以下のことが分かった。
・ヒートポンプの性能値と圧縮機消費電力から熱量を推定する方法は、設備によって推定精度が大きく異なり、実測値は推定値の0.5-1.2倍となった。実設備に応じた性能の補正が必要である。
・循環ポンプの性能値と消費電力等から流量を推定する方法では、性能値と消費電力を使った推定誤差は10%ほどあったが、現地での一時的な実測値を考慮した補正を加えることで、5%ほどに誤差が縮小した。この程度の誤差であれば、簡易計測として適用できる。
(5)研究項目eの計測指針では、高精度計測と簡易計測に分類し、それぞれの熱量の許容誤差を規定した。計測器は、流量誤差と温度差誤差の総合誤差が許容値内に収まるように選定することとし、今回の実証で誤差が確認された計測器以外でも、メーカーのカタログ精度などを基に使用できるようにした。ただし、不凍液の粘性の影響を受けやすい流量計などについては一定の条件を付けている。また、温度計については今回の計測結果を基に、所定の使用法での最大温度差誤差を提示したので、これを利用することで容易に温度計を選定することができる。さらに実際の計測器の使用にあたっての留意点についても整理し、使用上での誤差の拡大を防ぐようにした。
英文要約Results of Study
The following results were obtained;
a. Over one year monitoring for 9 ground source heat pump systems brought fruitful results of calorimetric variation pattern and temperature difference as the results of monitoring. Above all, temperature difference at the inlet and outlet of the loop is in the range between 1 to 5 degree C in the primary water loop, which is a key factor in measuring calories.
b. Each monitoring system gives relative correlation in the primary and secondary calories. Green heat calorie will be estimated from the secondary heat utilization system. Even in the case of refrigerant loop in the building, where the secondary calorie is hard to measure, this correlation could be adopted to estimate calorie adopting correlation with the primary system.
c. Simplified measuring system
- It was found that combination of inexpensive impeller type fluid flow meter and thermo couple or thermistor thermometer is good for simple and low cost calorimetric measurement, indicating smaller than 20% error, which could be used as a simplified monitoring system.
- Combination of low cost electromagnetic fluid flow meter and thermo couple can also be used as a simplified monitoring system with smaller than 20% error.
- However, combination of ultrasonic fluid flow meter and thermocouple indicates larger than 20% error, which is deemed to be due to standardized temperature difference of a pair of thermo couple. On the other hand, errors of the ultrasonic fluid flow meter generally indicate smaller than 5% except when bubbles remain in the brine in the early stage. This combination can be used as a simple monitoring system, if temperature difference of two thermocouples could be small enough, taking bubbles in the brine into consideration. Installation on the existing system is much easier since the ultrasonic fluid flow meter can be installed directly on the surface of the tube.
- Combination of a Vortex flow meter and thermocouple also gives smaller than 2% error, giving high accuracy in the level of the prototype system. Cost of Vortex flow meter is expensive among high accuracy flow meter, however, it is confirmed that this can also be used for brine.
- Two kinds of comparatively cheap integrating calorie meters (using ultrasonic flow meter) were used; one of them indicates smaller than 20% error, while the other over 20% in case of brine.
4. Calorie estimation methods were examined. The calorie values estimated from heat pump performance data and electric consumption value scatter in error from system by system, and the measured values range in the range of 0.5 to 1.2 times. Actual performance correction will be needed to estimate the calorie.
In the method to estimate from performance of circulation pump and electric consumption value, error was around 10%, and moreover, by adopting correction using the in-situ measured value of circulation pump the error decreased down to 5%. This could be used as a simplified measuring method.
5. Allowable error of the measured calories is defined in each case of high accuracy system and low cost system in the guideline. For selecting a measuring instrument, errors of sensors in the flow meter and temperature difference should be taken into consideration within an allowable range. It is also referred in the guideline that aside from the instruments used in this study, other instruments can also be used based on the catalogue values of the instrument makers. However, a certain limitation should be given in the case of flow meter which may be affected by brine viscosity. As for the thermometer, maximum temperature difference errors are shown under specified circumstances based on the cases of this study, so that the suitable thermometers should be selected by using these results.
Furthermore, several remarks are mentioned in the guideline when selecting the proper instrument to avoid large error in the monitoring system.
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