C-53

spreadsheet software was developed. A single stage cycle or a cycle with a liquid gas heat exchanger can be calculated by this program, and a P-H diag...

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C-53 地中熱源対応水冷式ヒートポンプチラーの開発 The development of the water-cooled heat pump chiller applicable to the ground source 正会員○柴芳郎(ゼネラルヒートポンプ工業)正会員 大岡龍三(東京大学)正会員 関根賢太郎(大成建設) Yoshiro SHIBA *1

Ryuzo OOKA *2

*1 Zeneral Heatpump Industry Co.,Ltd

Kentaro SEKINE *3

*2 University of Tokyo

*3 Taisei Corporation

The performance design program of the water-cooled heat pump chiller which can be adapted for the ground source by spreadsheet software was developed. A single stage cycle or a cycle with a liquid gas heat exchanger can be calculated by this program, and a P-H diagram and a capacity diagram can be created by inputting heat exchange area, a compressor performance, etc. into this program. The machine design based on this program showed that a development machine could expect the improvement in efficiency of the increase of about 60% as compared with the conventional machine. 1.はじめに 地中熱利用ヒートポンプは外気よりも安定した熱源で ある土壌を利用することができるため空気熱源式ヒート ポンプよりも効率が良いとされるが、地中熱源ヒートポ ンプシステムは地中熱交換器に係る費用が余分にかかる ため、地中熱利用ヒートポンプのイニシャルコスト低減 とランニングコスト低減が普及のカギとなる。 ここでは、 イニシャルコストの増加を抑えつつランニングコストを 大幅に削減する地中熱源対応高効率水冷式ヒートポンプ の開発においての設計ツールとして、独自の設計手法を 用いて簡易的に性能特性を把握するためのプログラムを 開発したのでこれを紹介する。 2.高効率化のポイント 水冷式ヒートポンプの高効率化のポイントとしては以 下の3つについて検討し、プログラムのパラメータとし て反映できるようにした。比較用に従来機の基本構成を 表にまとめる。

2.1 プレート式熱交換器の採用 水冷式ヒートポンプチラーの凝縮器兼蒸発器として従 来は銅多重管式熱交換器を使用してきたが、性能を向上 させるために機器内占有容積を大きくせずに伝熱面積を 増大させることは銅多重管式熱交換器では限界がある。 そこでプレート式熱交換器を採用し、従来の多重管式熱 交換器の伝熱面積の約2倍となる面積となる容量を選定 した。(写真-1)実際、伝熱面積は約2倍となったが従来 の銅多重管式熱交換器の占有容積の約1/2となってい る。

写真−1 熱交換器(左より多重管式,プレート式)

表−1 従来機水冷式ヒートポンプチラー基本構成

圧縮機

スクロール式圧縮機 (圧縮機 A)

容量

15 馬力相当

熱交換器

銅多重管式

サイクル

単段サイクル

冷媒

R407C

表−2 開発機水冷式ヒートポンプチラー基本構成

圧縮機

新型スクロール式圧縮機 (圧縮機 C)

容量

13 馬力相当

熱交換器

SUS プレート式 (伝熱面積約 2 倍)

サイクル

液ガス熱交換器付きサイクル

冷媒

R407C(変化なし)

2.2 新型圧縮機の採用 従来のスクロール式圧縮機(圧縮機 A)に対して上位 コンパチブルとして製作されたスクロール圧縮機(圧縮 機 C)の採用を検討した。新型の圧縮機は垂直方向のコ ンプライアンスをなくすことにより摩擦ロスを低減し、 半径方向のベアリング遊びを大きくし遠心力によりシー リングを行うことにより性能向上を図っており、これに より効率向上を実現している。性能データを元にした圧 縮機の圧縮機全効率(断熱効率×機械効率)と圧縮比の 関係のグラフを他に検討した圧縮機 B も含めた 3 種類に ついて示す。(写真-1,図-1) また、プレート式熱交換器の採用と次に述べる液ガス 熱交換器付きサイクルの採用により能力アップも計れる ため、 圧縮機容量は 1 ランク小さい 13 馬力相当の圧縮機 を採用した。

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C-53

Compressor efficiency

写真−2 圧縮機(左より A,B,C)

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

Comp. A Comp. B Comp. C 0

2

4 Pressure ratio

6

8

図−1 圧縮機全効率

2.3 液ガス熱交換器付きサイクルの採用 Cool water

Expansion valve

Evaporator

Condenser Hot water

Compressor

図−2 単段サイクル

図−3 液ガス熱交換器付きサイクル

最も基本的な単段サイクル(図-2)から液ガス熱交換器 付きサイクル(図-3)に変更することにより、蒸発温度の 向上により能力とCOPの向上を見込むことができる。 それは、蒸発器においてドライアウト面積がなくなり、

湿り面積が向上することよる伝熱性能の向上によるとこ ろと、非共沸混合冷媒の凝縮・蒸発過程における温度勾 配を冷水・温水の温度勾配に対応でき、さらに冷媒ミス トの除去ができることが理由である。また、過冷却増大 により膨張弁前のフラッシュガスの防止にもなる。 3.性能設計プログラムの概要 性能評価するためには圧縮機選定、 熱交換器伝熱面積、 サイクルの違い、冷温水利用温度など様々なパラメータ について計算する必要があるため、計算速度を向上させ る必要がある。そこで、性能設計プログラムは表計算ソ フトを用いて簡易的・近似的に行うこととした。以下に その概要を示す。 3.1 関数・パラメータ固定値 REFPROP Ver.6.02 より、冷媒(R407C)の飽和状態にお いて、液、ガスそれぞれにおける温度に対する圧力、比 重、エンタルピーと、圧力に対する温度、比重、エンタ ルピーについてのデータを用いて、多項式近似式を作成 し、関数として飽和状態の物性値を利用できるようにし た。また、圧縮機全効率は図-1 に示されるように多項式 近似された特性曲線を用いて計算する。 変数は凝縮後飽和液温度と蒸発後飽和ガス温度の2つ のみとし、他の状態の物性値は以下の固定パラメータを 決めることにより計算によって求めた。 以下に使用した関数・パラメータ固定値をリストアッ プした。 1) 関数 a) 圧力(温度),比重(温度),エンタルピー(温度) b) 温度(圧力),比重(圧力),エンタルピー(圧力) c) 圧縮機全効率(圧縮機 A,B,C について多項式) 2) 冷媒特性・サイクル特性固定値 a) 比熱比 b) 圧力損失 c) 過熱度 d) 過冷却度(凝縮器、液ガス熱交換器) e) 定圧比熱(ガス、液それぞれ 25℃の値) f) 熱通過率(凝縮、過冷却、蒸発、過熱域) g) 冷温水入出口温度 3) 機器特性固定値 a) 圧縮機押しのけ量(電源周波数) b) 熱交換器伝熱面積 3.2 式 過熱ガスを理想気体としたときの断熱圧縮の温度変化 とエントロピー変化は p を圧力、 v を体積、 T を温度、 h をエンタルピー、k を比熱比として、下付き文字 1 は 圧縮前、下付き文字 2 は圧縮後とすると、 h2 = h1 +

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k −1 k −1 ⎫ ⎧ ⎛p ⎞k k ⎪ ⎪⎛ p ⎞ k p1v1 ⎨⎜⎜ 2 ⎟⎟ − 1⎬,  T2 = T1 ⎜⎜ 2 ⎟⎟ k −1 ⎝ p1 ⎠ ⎪ ⎪⎝ p1 ⎠ ⎭ ⎩

C-53 表−1 従来機定格性能計算結果

と定められる。実際には圧縮機全効率η を考慮して

h2 = h1 + '

(h2 − h1 ) η

,

T2 = T2 '

(h +

2

'

− h2 cp

)

運転モード

となる。ここで、現状のプログラムにおいては定圧比熱 Cp の値は簡易的に 25℃における飽和ガス状態の値を固 定値として用いている。 3.3 計算で求まる値 上記の関数・固定値・式より以下の値が計算される。 1) 能力(加熱、冷却) 2) 消費電力 3) COP(加熱、冷却) パラメータを変更してこれらの値を計算することによ り、性能評価比較を行うことができ、また、冷温水入出 口温度を変えて計算することにより、定格性能の計算や 性能線図の作成をすることができる。 3.4 計算方法(収束条件) 2つの変数を変動させることにより設定した熱交換器 面積と冷媒温度、水温度、熱通過率、能力より逆算して 求めた熱交換器面積の合計が一致した(差の絶対値が 0.01m2 未満になった)時に解が収束するとみなした。収 束プログラムは表計算ソフトの定義済みマクロを用いた。 すべてのパラメータが適正に入力されてはじめて解が 収束し、1つでも不適正なパラメータを入力すると解は 発散する。 例えば、圧縮機容量と熱交換器容量が不釣合いである ような場合収束しないため、実際にも冷凍サイクルとし て不安定になり運転が不可能であると考えられる。した がって、このプログラムによって、性能を計算するだけ でなく、ヒートポンプ部品の容量バランスや機器の大き さの過小・過大のチェックも行うことができる。 4.計算結果 性能設計プログラムにより以下のような値やグラフを 高速・簡易に作成することができ、機器構成の違いによ る性能比較検討ができる。 4.1 定格性能 従来機と開発機のそれぞれについて定格性能の計算を 行った結果を表-1、表-2 に示す。 運転モードとしては冷房・暖房だけではなく氷蓄熱や 融雪・給湯についても計算を行った。冷却と加熱の両方 について能力と COP が表示されているが、これは負荷側 と熱源側の両方を表示することにより熱源側のポンプ流 量の設計や熱回収時の合計 COP を計算するために必要で ある。 冷却 COP は 3.5 から 5.5 となっており約 1.6 倍の COP 向上が見込める計算結果となり、他の運転モードにおい ても同様に COP 向上が見込めることがわかる。

冷却能

加熱能

消費電

冷却

加熱

力[kW]

力[kW]

力[kW]

COP

COP

冷房

44.0

56.6

12.7

3.5

4.5

暖房/熱回収

37.4

54.8

17.5

2.1

3.1

氷蓄熱

31.3

42.4

11.1

2.8

3.8

融雪

33.0

42.9

10.0

3.3

4.3

39.7

55.3

15.7

2.5

3.5

給湯/熱回収

表−2 開発機定格性能計算結果 運転モード

冷却能

加熱能

消費電

冷却

加熱

力[kW]

力[kW]

力[kW]

COP

COP

冷房

45.6

53.9

8.3

5.5

6.5

暖房/熱回収

40.0

51.8

11.9

3.4

4.3

氷蓄熱

30.7

38.6

8.0

3.8

4.8

融雪

32.1

39.1

7.1

4.5

5.5

給湯/熱回収

41.6

52.4

10.9

3.8

4.8

冷房条件:冷水 12→7℃;温水 25→30℃ 暖房/熱回収条件:冷水 12→7℃;温水 40→45℃ 氷蓄熱条件:冷水-2→-5℃;温水 20→25℃ 融雪条件:冷水 0→-5℃;温水 20→25℃ 給湯/熱回収条件:冷水 12→7℃;温水 15→50℃

4.2 P-H 線図 Pressure[kPa] 10,000

3

2

1,000 4

1

100 100

200

300

400

500

600

Specific enthalpy[kJ/kg]

図−4

P-H 線図(従来機・冷房条件・単段サイクル)

Pressure[kPa] 10,000

3 2

3'

1,000

4'

5

1

100 100

200

300

400

500

600

Specific enthalpy[kJ/kg]

図−5 P-H 線図(開発機・冷房条件・液ガス熱交換器付きサイ

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クル)

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-5 0 5 10 15 Cool Water Outlet Temperature[℃]

Heating Capacity[kW]

図−6

Cooling Capacity[kW] Heating COP

30

8

35 40 45 50

6 4

-5 0 5 10 15 Cool Water Outlet Temperature[℃]

図−9

20

能力線図(開発機・消費電力) Hot Water Outlet Temperature[℃]

10

30

8

35 40 45 50

6 4 2 0

80

30 40 50

60 40 20 0

図−7

Hot Water Outlet Temperature[℃]

-10

20

-5 0 5 10 15 Cool Water Outlet Temperature[℃]

能力線図(開発機・消費電力)

0

Hot Water Outlet Temperature[℃]

-10

20

2

能力線図(開発機・消費電力)

100

-5 0 5 10 15 Cool Water Outlet Temperature[℃]

10

50 45 40 35 30 25

-10

30 40 50

図−8

Hot Water Outlet Temperature[℃]

16 14 12 10 8 6 4 2 0

Hot Water Outlet Temperature[℃]

80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10

Cooling COP

Electric Power[kW]

冷凍サイクルの P-H 線図の作成も表計算プログラム上 で行うことができ、ここでは代表例として従来機と開発 機の冷房条件における線図を紹介する。従来機は単段サ イクル(図-4)であるのに対して、開発機は液ガス熱交換 器付きサイクル(図-5)であり、 グラフ上の 3→3 と 5→1 において液とガス(正確には液・ガス混合状態)が熱交 換されていることが示される。 4.3 能力線図・COP 線図 地中熱源対応水冷式ヒートポンプシステムを設計する 場合、利用する冷温水温度は地中熱交換器の容量や土壌 温度、負荷とのバランス等に応じて変化するため、それ に応じた能力,消費電力,COP の算定が必要になり、能力 線図・COP 線図が不可欠となる。 ここでは代表例として性能計算プログラムで作成され た開発機の能力線図(図-6,図-7,図-8)・COP 線図(図-9, 図-10)を示す。 なお、能力線図・COP 線図の作成の計算時間は CPU:Intel Pentium4 2.4GHz、メモリ:512MB の環境で合 計約 20 秒弱であった。

20

-10

-5 0 5 10 15 Cool Water Outlet Temperature[℃]

図−10

20

能力線図(開発機・消費電力)

本研究の一部は、2003 年 10 月より平成 15 年度(独) 新エネルギー・産業技術総合開発機構『エネルギー使用 合理化技術戦略的開発 エネルギー使用合理化技術実用 化開発 大都市における基礎杭を利用した地中熱空調シ ステムの普及・実用化に関する研究(研究代表者 東京大 学 大岡龍三助教授)』によった。

能力線図(開発機・消費電力)

参 考文献

5.おわりに 性能計算プログラムによる簡易シミュレーションは地 中熱源対応水冷式ヒートポンプの性能向上のための良い 設計指針となる。 今後は、計算結果と実機による計測結果と比較して妥 当性を検証するとともに、近似の精度を高めることが望 まれる。

1) 「冷凍機および熱ポンプ」(山田治夫著・養賢堂) 2) 「冷凍機の理論と性能」(源生一太郎著・日本冷凍協会) 3) 「熱交換器設計ハンドブック」(尾花英朗著・工学図書)

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