成果報告書詳細
管理番号20150000000626
タイトル平成23年度ー平成24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) 気泡駆動型循環式ヒートパイプによる無動力地中熱源活用技術の開発
公開日2016/3/25
報告書年度2011 - 2012
委託先名有限会社松本鉄工所 MDI株式会社 株式会社共和製作所 国立大学法人福井大学
プロジェクト番号P10020
部署名イノベーション推進部
和文要約件名:平成23年度ー平成24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) 気泡駆動型循環式ヒートパイプによる無動力地中熱源活用技術の開発

地中熱を有効活用する製品の開発を目指し、BACHの熱輸送特性試験を実施し、想定した範囲の熱を無動力で輸送できることを確認した。それを受け、製品のプロトタイプを設計・製作した。今後、熱輸送特性を評価し、製品としての成立性を確認するとともに、製品仕様の明確化を行う。以下、各項目の成果要約を記す。(1)切替可能BACHの熱輸送特性 地中熱交換長さの異なる3種(2m, 4m, 6m)の切替可能BACHユニット(作動液はR134a)を設計・製作・地中に埋設した。外気熱損失や太陽熱吸熱の補正実験をふまえて、熱輸送特性を計測した結果、(i) ボトムヒート状態で最大200Wの熱輸送量を有すること、(ii) トップヒート状態で最大300Wの熱輸送量を有することが分かり、弁切替によりトップヒートとボトムヒート状態の両方で作動することが確認できた。 熱輸送量には地中熱交換長さや中間放熱部の冷却方法(トップヒートのみ)が影響を及ぼし、総合的に地中熱交換長さ4mが最適であった。 (iii) 地中鋼管杭内水位が及ぼす影響を計測し、水位を下げると特にボトムヒート状態での熱輸送能力が向上することを確認した。 また、(iv) 作動液にアルコール水溶液を用いた場合、ボトム・トップヒートいずれも作動しないことが分かった。 さらに、(v) 中間放熱部を内蔵する新たなトップヒート装置の設計・製作を行い実測した結果、同条件下で最大60Wの熱輸送量を有することが分かった。(2)切替可能BACHの熱設計ツール作成 開発済みのボトム及びトップヒート単独のBACH熱設計プログラムを基に、気泡と液体の相対速度を考慮した物理モデルにプログラムを修正し、切替可能BACHの熱計算プログラムを試作した。さらに、プロトタイプ試作品にあわせて、熱交換部の境界条件として熱伝達率と外部環境温度を一部設定出来るように改良した。また、切替可能BACH実用化に当たり、地上部の熱交換部の配置・形状を予備検討した。(3)学校体育館向け空調システムのプロトタイプ試作品の設計・製作 床面積約10m2の屋外設置小屋の床下に切替可能BACHユニット(作動液はR134a)を8個設置したものをプロトタイプ試作品として設計・製作した。 試作品は、地中熱交換長さが4mと6mの2種類とした。 室内空気をファンで床下に吸い込み、BACHのフィン付き地上熱交換部で熱交換した空気を室内に戻す。室内には通常のエアコンも設置し、温度場と消費電力測定により、BACHユニットの空調効果(夏季冷却能力および冬季加熱能力)を今後計測・評価する。(4)電子機器筐体空調システムのプロトタイプ試作品の設計・製作 内部に電子機器を模擬する発熱ヒーターを有するW800xD600xH1600mmの屋外設置スチール製キャビネットに、切替可能BACHユニット(作動液はR134a)を4個設置したものをプロトタイプ試作品として設計・製作した。 試作品は、地中熱交換長さが4mと6mの2種類とした。キャビネット内部にBACH地上熱交換部を設置した。温度場の測定により、BACHユニットの空調効果(夏季冷却能力および冬季加熱能力)を今後計測・評価する。(5)ビジネスプランの策定 実用化を目指す製品として、学校体育館空調システム、小規模無人施設の電子機器筐体空調システム、太陽光パネル冷却・融雪システムおよび駐車場融雪システムを選定し、それらの市場規模を39億円と推定して、ビジネスプラン(損益計画)を作成した。さらに、市場動向およびこれまでの試験結果を踏まえ、選定した製品のうち、太陽光パネル冷却・融雪システムを開発対象から除外するとともに、事業開始年を1年繰り延べ平成27年度として、ビジネスプラン(損益計画)を見直した。今後、プロトタイプ試作品での試験結果を踏まえ、製品仕様、想定価格を明確化する。
英文要約Title: New Energy Venture Business Technology Innovation Program / New Energy Venture Business Technology Innovation Program (wind power generation and other untapped energies ) / Development of Geothermal Energy Utilization System Without Any Power Input by Bubble-Actuated Circulating Heat Pipe (FY2011-FY2012) Final Report

This R&D project aims at product development on utilization of geothermal energy. A new type of heat pipe, called BACH (Bubble-Actuated Circulating Heat pipe), was revised so as to be capable of both top-heat mode and bottom-heat mode by valve switching. In this R&D, heat transport characteristics of the BACH between underground and ground surface were detailed measured experimentally. We confirmed that the BACH can transport heat of several hundred watts without power input. Accordingly, we designed and manufactured prototypes of the products related to utilization of geothermal energy. Hereafter, performance of the prototypes will be evaluated through field tests through seasons, which will demonstrate feasibility of the products and help us making clear of specifications of the products.The following is summary of each R&D topic.(1)Heat transport characteristics of the BACH The BACH capable of both top-heat mode and bottom-heat mode was designed, manufactured and constructed underground. The working fluid is R134a. There is three types of underground length; i.e. 2m, 4m, 6m. The BACH transports heat between underground and ground surface. (i) At bottom-heat mode, the BACH can transport heat of 200W maximum. (ii) At top-heat mode, it can transport heat of 300W maximum. The heat transport characteristics were affected by underground length and cooling method of intermediate cooled section, and in general the underground length 4m was optimal. (iii) At bottom-heat mode, water level inside underground steel pile affected heat transport characteristics. (iv) When aqueous solution of ethanol was used as working fluid, the BACH did not work at all. (v) A new type of top-heat mode of BACH, with intermediate cooled section built-in, was designed and manufactured. It demonstrated heat transport rate of 60 W maximum.(2)Thermal design tool for the BACH Thermal design tool for the BACH was made based on calculation VB program, already made, for each bottom-heat mode and top-heat mode. Slip speed between vapor bubble and liquid was incorporated to physical model, and the program was revised. In addition, to deal with thermal design of the prototypes of the products, a part of the program was changed so as to include boundary condition of third kinds, i.e. setting heat transfer coefficient and bulk fluid temperature as boundary conditions of heated section and intermediate cooled section of the BACH.(3)Prototype of air-conditioning system for gymnasium of school As a prototype of air-conditioning system for gymnasium of school, a small house of floor space 10m2 was designed and built with 8 BACH units under the floor. The working fluid was R134a. Two houses were built, one is for BACH underground length 4m, and the other is for 6m. Air inside the house flows into the under-floor space by fan. The air exchanges heat with BACH cooled section with fins, and then flow into the room again. Hereafter, performance of the system will be evaluated by measuring temperature distributions and consumption power of fan and air-conditioning device.
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