成果報告書詳細
管理番号20150000000571
タイトル平成22年度-平成25年度成果報告書 次世代ヒートポンプシステム研究開発 都市域における下水管路網を活用した下水熱利用・熱融通技術
公開日2015/8/13
報告書年度2010 - 2013
委託先名中央復建コンサルタンツ株式会社 株式会社総合設備コンサルタント 公立大学法人大阪市立大学 関西電力株式会社
プロジェクト番号P10011
部署名省エネルギー部
和文要約本事業では、下水管路において下水熱を利用するのに必要な機器開発とともに、下水熱利用を推進するための企画手法の開発も併せて行うものである。以下に得られた知見の概要を示す。
1)下水管路流量・温度実測と推定法
大阪市内において、下水の流量と温度の実測を行い、下水処理場など既知の流量から集水域内にある建物群の延床面積を用いて、任意のマンホールでの流量推定を行う手法の開発を行った。この推定法によると、晴天日の下水道の日積算流量の推定値は、実測値の70%から110%であった。また、下水温度推定法として、集水域内の住宅の比率に応じて分類することで時刻変動を推定する手法を得た。
2)熱交換器の開発
設置条件に応じた熱交換器を試作し、実際の下水を用いて効果を検証した。流下液膜式熱交換器の熱通過率はバイオフィルム成長後で400[W/m2K]であった。また、洗浄により性能が回復する効果も実証試験の中で明らかにした。
また、管路内に設置する金属製管内露出型熱交換器では、バイオフィルム付着後の性能が300[W/m2K]であった。なお、金属製管内露出型熱交換器は管更生併用型熱交換器としても使用可能である。
3)スクリーンの開発
設置条件に応じた様々な取水能力の夾雑物除去用スクリーンを試作し、性能を検証した。小容量タイプでは、取水能力は14L/sあることを、中容量タイプの取水能力は50L/s以上あることを実証した。
4) 下水熱利用・熱融通適応エリアの抽出
開発した下水流量と温度の推定手法により、大阪市全域の下水熱ポテンシャルマップを作成した。また、この下水熱ポテンシャルと建物の熱需要量の地理情報を比較して下水熱利用の適地を調べる手法を得た。
5)実環境試験設備の構築と実測
下水管路の上流側に採熱システムを、管路の下流側中間位置に排熱システムを、さらに下流に採熱システムを構築した。この試験設備において、各季節の代表的な水温条件を設定して、下水熱システムの性能を把握した。採熱システムにおいては、65℃出湯の場合、冬期にCOPが4.5、SCOPが3.5となることを確認した。排熱システムにおいては、冬期にCOPが4.5、SCOPが3.2となることを確認した。
6)システム評価
宿泊客数300人のホテル(熱源120kW程度)において、下水熱利用システムの導入可能性について試算を行った。試算の結果、燃焼式ボイラに対するコストの増分は約10年間で回収でき、補助金を活用することで、約4~5年間で回収可能であることを示した。
英文要約In this project, we aimed to develop actual systems, devices and procedures to make sewage heat utilization possible in sewer pipeline and to promote the sewage heat utilization and the flexible heat utilization further. We will summarize our achievement thus far.

1.Actual measurement and Estimation method of the flow rate and temperature of sewage pipelines

In Osaka city, we measured the flow rate and temperature of sewage. We have developed a method to estimate the flow rate in any given spot using existing data such as flow rate in sewage treatment plants and the total floor space of the buildings in relevant sewage catchment areas. The estimation value in daily flow rate turned out to be 70% to 110% of the actual observation value for sewage system pipelines under fine weather. In addition, we have developed a method which estimates the time variations of temperature by the classification of housing ratio levels in the sewage area.

2.Development of Heat exchangers

We developed a number of different heat exchangers to match various installation requirements, whose performance was verified under the actual sewage environment. In our experiment, heat transmission coefficient of the falling film heat exchanger, which is one of the heat exchangers we developed, was approximately 400 W/m2K with grown biofilm. Furthermore, a low -cost heat exchanger inside the sewage pipeline was developed and installed inside the sewer line, whose performance turned out to be 300 W/m2K with grown biofilm. It can also be used as a heat exchanger along with sewer pipe restoration.

3.Development of Screen devices

We have developed various screen devices to match various installation requirements. And the performance of them with different levels of sewer intake capability was tested to remove solid debris. It was verified that the capability of water intake was 14L/s for the small capacity device and higher than 50L/s for the medium capacity device.

4.Selecting the suitable areas for Sewage heat utilization and Flexible heat utilization

We have created a potential map of the entire Osaka city areas for sewage heat utilization, using the estimation method. In addition, we developed a method to determine the suitable sites for sewage heat utilization by using the geographic information regarding the heat demand of buildings and the sewage heat potential. Moreover,it is possible to collect heat as the source of heat pump in upstream side and to dissipate the waste heat from cooling system to downstream sewage where the temperature is lowered.

5.Construction of Testing facility in an actual sewage environment and Actual Measurement

We constructed the testing facility which consists of hot water supply system on the upstream of sewage pipeline, cooling system on the midstream, and hot-water supply system on the downstream. We verified the performance of sewage heat system in each of the four seasons, setting our facility in representative seasonal water temperatures throughout the year. In winter, the COP and SCOP for the hot water supply system were 4.5 and 3.5 respectively, on the upstream of the sewage pipeline under the water temperature of 65 degrees Celsius. For the cooling system on the midstream, the COP was 4.5 and SCOP was 3.2 in winter.

6.System Evaluation

Feasibility study was conducted to test the validity of installing the sewage heat utilization system at a hotel whose guest capacity is 300 with the heat source of 120kW, taking into account the cost of energy itself as well as its construction and maintenance. According to our preliminary calculation, the additional cost for combustion boiler can be recovered in ten years and, if the relevant subsidy for renewable energy utilization project be provided (50% coverage), the cost can be recovered in 4 to 5 years.
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