10 地中熱対応高効率水冷式ヒートポンプの開発 ○空 空正 １． 柴 芳郎（ゼネラルＨＰ） 関根 賢太郎（大成建設） 空正 大岡 龍三（東京大学） 谷藤 浩二（ゼネラルＨＰ） 寒 冷 地 の 場 合 、冬 期 に 空 冷 ヒ ー ト ポ ン プ を 用 い る はじめに と フ ロ ス ト ・ デ フ ロ ス ト を 起 こ し 、 能 力 と CO P 地球の気候変動の原因となる温室効果ガスの が低下する。 排 出 削 減 の 努 力 が 全 世 界 で な さ れ て い る な か 、未 さ ら に 、地 中 熱 ヒ ー ト ポ ン プ の 三 つ 目 の メ リ ッ 利用エネルギーの一つと言われている地中熱と、 高 効 率 な 冷 熱・ 温 熱 供 給 が 可 能 な ヒ ー ト ポ ン プ を ト と し て は 夏 期 に 室 外 に 排 熱 を 出 さ ず 、地 中 に 熱 組み合わせることによる省エネルギーシステム を放熱するため都心部のヒートアイランド現象 が 一 つ の ソ リ ュ ー シ ョ ン と な る 。こ こ で は 、地 中 の改善になる。 そ の 他 、地 中 熱 交 換 器 は 表 に 出 ず 、 ヒ ー ト ポ ン 熱システムの概要と地中熱に対応した水冷式ヒ ートポンプの高効率化について紹介する。 プも室内設置が可能なため空冷ヒートポンプと ２． 違い建築物の美観を損ねることがないことも重 ２．１ 地中熱源ヒートポンプシステム 要な利点の一つである。 地中熱のメリット 地 中 熱 は 、地 中 温 度 の 熱 容 量 が 大 き く 安 定 し て 膨張弁 一次側 (熱源) い る た め 、地 中 温 度 が 外 気 温 度 に 比 べ て 夏 は 低 く 、 冬は高いのでヒートポンプの熱源としては空冷 ポンプ 二次側 (負荷側) 膨張弁 冷水 入口 温水 入口 逆止弁 逆止弁 ポンプ 熱交換器 （蒸発器) よ り も 有 利 で あ る と 言 え る （ 図 1 ）。 加熱負荷 温度 熱交換器 (凝縮器) メリット 熱源水回路 冷水 出口 外気温 温水 出口 冷媒回路 温水回路 四方弁 圧縮機 メリット 地中温度 7～8月（夏） 地中 1～2月（冬） ヒートポンプ 月 地中熱交換器 図 1 地中温度と外気温 地中熱源ヒートポンプは地中を熱源とするが、 図 2 地 中 か ら ／ 地 中 へ の 熱 搬 送 は 水 ま た は 不 凍 液（ ブ ラ イ ン ）を 媒 体 と す る こ と が 多 い 。し た が っ て そ 地中熱源ヒートポンプチラー（加熱） 一次側 (熱吸収源) の場合ヒートポンプとして水冷式ヒートポンプ を用いることになる。 膨張弁 膨張弁 温水 入口 二次側 (負荷側) 冷水 入口 逆止弁 ポンプ ポンプ 逆止弁 熱交換器 （凝縮器) 地中熱対応水冷式ヒートポンプチラーで加熱 冷却負荷 を 行 う 場 合 は 加 熱 負 荷 側 が 凝 縮 器 、地 中 熱 交 換 器 熱交換器 (蒸発器) 側 が 蒸 発 器 と な る （ 図 2 ）。 一 方 、 地 中 熱 対 応 水 温水 冷却水回路 出口 冷式ヒートポンプチラーで冷却を行う場合は冷 却 負 荷 側 が 蒸 発 器 、地 中 熱 交 換 器 側 が 凝 縮 器 と な 冷水 出口 冷媒回路 圧縮機 冷水回路 四方弁 る （ 図 3 ）。 こ こ で 加 熱 ・ 冷 却 の 切 り 替 え は ヒ ー トポンプ内の四方弁で行われる。 地中 ヒートポンプ 実際のメリットとしては地中熱ヒートポンプ の地中熱側水熱交換器冷媒温度と空冷ヒートポ 地中熱交換器 ンプの空気熱交換器側冷媒温度の差がメリット な る （ 図 4 ）。 外 気 と 地 中 温 度 の 差 は 大 き な も の 図 3 で あ る が 、地 中 熱 交 換 器 の 熱 交 換 率 が 悪 い 場 合 は 、 地中熱と空冷のメリットが逆転する場合もある ２．２ ので地中熱交換器の選定には注意が必要である。 地中熱源ヒートポンプチラー（冷却） 地中熱交換器の種類 地中熱交換器の主流である垂直型地中熱交換 ま た 、地 中 熱 ヒ ー ト ポ ン プ の 二 つ 目 の メ リ ッ ト 器には大きく分けてボアホール方式と杭方式が としては、暖房や給湯等の加熱運転時にフロス あ る 。ボ ア ホ ー ル 方 式 と は ポ リ エ チ レ ン 管 2 本 の ト・デフロストが起こらないということである。 先端を U 字加工した U チューブと呼ばれるもの - 41 - を 井 戸（ ボ ア ホ ー ル ）に 挿 入 す る 方 式 で あ り 、杭 ま た 、地 中 熱 ヒ ー ト ポ ン プ で も エ コ キ ュ ー ト と 方式とは建築物の基礎を熱交換器として兼用す 同 様 に 給 湯 用 ヒ ー ト ポ ン プ と し て 利 用 さ れ 、フ ロ る方式である。各方式の概要を表１に示す。 ス ト・ デ フ ロ ス ト が な い た め 寒 冷 地 で も 利 用 が 可 能 で あ る （ 図 7 ）。 1 本 当 た り の 地 中 熱 交 換 器 の 長 さ は 普 通 20～ 100m 程 度 で あ り 、 大 容 量 と す る た め に は 同 種 の 同様にプール加温や浴槽加温でも地中熱ヒー ト ポ ン プ が 利 用 さ れ て い る （ 図 8 ）。 地 中 熱 交 換 器 を 複 数 配 置 し 、ヘ ッ ダ ー 管 に 接 続 す 最 近 は 、地 中 熱 ヒ ー ト ポ ン プ に よ る 融 雪 も 採 用 る形をとる。 温度 さ れ て お り 、散 水 方 式 が 利 用 で き な い 極 寒 冷 地 で 空冷HP空気側冷媒温度 外気温 地中熱HP地中側冷媒温度 熱源/冷却水温度 地中温度 有利 の 採 用 が 増 え て い る （ 図 9 ）。 有利 季節 ７∼8月（夏） 図 4 表 1 名称 シングル Ｕチューブ 方式 1∼2月（冬） 熱源温度 地中熱交換器の種類 ダブル Ｕチューブ 二重管 杭二重管 ボアホール方式 杭＋ Ｕチューブ 現場施工杭 （場所打ち杭） 杭方式 図 5 断面図 一次側 (熱源) 空調利用（暖房時） 二次側 (負荷側) 膨張弁 冷水 入口 ポンプ 10℃ 熱交換器 （蒸発器) 立面図 35℃ 熱交換器 (凝縮器) 熱源水回路 ポリエチレン、銅、ステンレス 材質 流体 封入 外管：スチール、 コンクリート 内管：ポリエチ レン、塩ビ、ス チール 杭：スチール、 コンクリート 内管：ポリエ チレン、ス チール 水、不凍液、冷媒 水、不凍液 管外：土、グラウト材※ なし 杭：スチール、 コンクリート 内管：ポリエチ レン、銅、ス チール、ステン レス 杭：鉄筋コン クリート Ｕチューブ：ポ リエチレン 冷水 出口 30℃ 5℃ 冷媒回路 圧縮機 地中 ヒートポンプ 水、不凍液、冷媒 グラウト材※、 水 コンクリート 地中熱交換器 ※グラウト 材：コンクリート 、ベント ナイト 、珪砂、 豆砂利等 ３． 図 6 用途 床暖房利用 地 中 熱 ヒ ー ト ポ ン プ シ ス テ ム の 用 途 は 、空 冷 ヒ ー ト ポ ン プ と 同 様 に 空 調 、床 暖 房 、給 湯 、プ ー ル ・ 浴槽昇温、融雪等がある。 空調の場合は四方弁により冷暖房を切り換え る こ と が 可 能 で あ り 、ヒ ー ト ポ ン プ で 生 成 さ れ る 冷 温 水 温 度 は 冷 房 で 5～ 10℃ 、 暖 房 で 40～ 50℃ 程 度 で あ る （ 図 5 ）。 効 率 面 と 考 慮 す る と 快 適 性 を 失 わ な い 程 度 に 冷 房 時 冷 水 温 度 を 高 く し 、暖 房 時 温 水 温 度 を 低 く す る と 良 い 。ま た 、 水 蓄 熱 や 氷 蓄熱にも対応可能である。 欧米では地中熱ヒートポンプシステムが普及 図 7 し て い る が 、こ れ は 住 宅 が 高 気 密 ・ 高 断 熱 で あ り 床暖房を採用しているので床暖房用の温水供給 温 度 を 35℃ 程 度 と 暖 房 に 比 べ て 低 い 温 度 に す る こ と が で き 、ヒ ー ト ポ ン プ の 効 率 が 向 上 す る こ と が 一 因 と な っ て い る （ 図 6 ）。 - 42 - 給湯利用 床暖房 途 に 対 し て 二 次 側（ 負 荷 側 ）と 一 次 側（ 熱 源 ）の 両 方 、つ ま り 冷 却・加 熱 の そ れ ぞ れ の 能 力 と CO P を 示 し て い る 。こ の よ う に 例 え ば 地 中 熱 利 用 の 冷 却 条 件 で CO P6 . 1 を と 高 い 性 能 を 実 現 し て い る 。 ま た 、開 発 機 の 能 力 線 図 を 図 1 3 か ら 図 1 7 に 示 す 。 能 力 線 図 は 冷 水 （ 不 凍 液 ） 出 口 温 度 が - 10 ℃ までの性能を示している。 図 8 一次側 (熱源) プール・浴槽昇温利用 二次側 (負荷側) 膨張弁 冷水 入口 ポンプ 25℃ 0℃ 熱交換器 （蒸発器) 図 10 15℃ 地中熱対応高効率水冷式ヒートポンプ 熱交換器 (凝縮器) 熱源水回路 チラー（１５ＨＰ相当） 冷水 出口 -5℃ 10℃ 冷媒回路 融雪 圧縮機 地中 ヒートポンプ 地中熱交換器 図 9 ４． 図 11 熱 交 換 器 ( 左：銅 多 重 管 式 , 右：プ レ ー ト 式 ) 図 12 ス ク ロ ー ル 圧 縮 機 (左 ： 旧 型 、 右 ： 新 型 ) 融雪利用 地中熱対応高効率水冷式ヒートポンプ の開発 こ の よ う に 、地 中 熱 ヒ ー ト ポ ン プ シ ス テ ム を 構 築 す る こ と に よ り 、空 冷 ヒ ー ト ポ ン プ よ り も 高 い ポ テ ン シ ャ ル が あ る と 言 え る が 、対 応 す る ヒ ー ト ポンプ自体の効率が低いとそのメリットも相殺 されてしまう。 そこで地中熱対応で高効率な水冷式ヒートポ ン プ チ ラ ー を 開 発 し た （ 図 1 0 ）。 表 2 開 発 機 性 能 表 ( 5 0 H z) 開 発 機 の 特 徴 は 、冷 媒 は 新 冷 媒 R4 0 7 C を 用 い 、 冷 冷 温 温 冷 加 消 冷 加 1 モ ジ ュ ー ル 15H P 相 当 で 最 大 10 モ ジ ュ ー ル ま 水 水 水 水 却 熱 費 却 熱 で 連 結 可 能 で あ る 。ま た 、従 来 機 に 比 べ て 容 積 率 入 出 入 出 能 能 電 C C 39% を 実 現 し た 。 口 口 口 口 力 力 力 O O 従来の水冷式ヒートポンプチラーの熱交換器 ℃ ℃ ℃ ℃ kW kW kW P P は 銅 多 重 管 式 の も の を 用 い て い た が 、開 発 機 で は 冷却 12 7 25 30 41 48 6.8 6.1 7.0 プレート式熱交換器を採用してコンパクト化す 氷蓄熱 -2 -5 25 30 27 34 6.7 4.0 5.0 るとともに伝熱面積を大幅に増大させることに 加熱 10 5 40 45 31 41 9.8 3.2 4.1 よ り 効 率 向 上 を 図 っ た （ 図 11 ）。 床暖房 10 5 30 35 37 45 7.9 4.7 5.7 ま た 、熱 交 換 器 容 量 増 大 に よ る 能 力 向 上 の 分 だ 融雪 0 -5 10 25 30 35 6.0 5.0 6.0 け 圧 縮 機 の 容 量 を １ ラ ン ク 落 と し 、断 熱 効 率 の 高 加温 10 5 45 50 32 43 11 2.9 3.9 い新型のスクロール圧縮機とすることによりさ 給湯※ 10 5 17 65 31 45 14 2.3 3.3 ら に 効 率 が 向 上 し た （ 図 1 2 ）。 ※高温型タイプの場合 そ の 他 冷 媒 回 路 の 見 直 し 等 を 行 い 、従 来 機 に 対 し て 50％ 以 上 の 効 率 向 上 を 実 現 し た 。 用 途 に 応 じ た 性 能 を 表 2 で 示 す 。こ こ で は 、そ れ ぞ れ の 用 - 43 - Hot Water Outlet Temperature[℃] 12 10 10 50 45 40 35 30 25 8 6 4 Cooling COP Electric Power[kW] 14 2 -10 -5 0 5 10 15 Cool Water Outlet Temperature[℃] Heating Capacity[kW] 図 13 35 6 40 45 50 4 2 20 -10 -5 0 5 10 15 Cool Water Outlet Temperature[℃] 図 17 消費電力線図 Hot Water Outlet Temperature[℃] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 30 40 50 ５． 20 冷 却 CO P 線 図 最後に 地中熱利用ヒートポンプシステムは環境負荷 低 減 に 大 い に 役 立 つ が 、普 及 阻 害 要 因 は ヒ ー ト ポ ン プ 性 能 と 地 中 熱 交 換 器 の コ ス ト で あ っ た 。そ れ に 取 り 組 ん だ の が 、 2003 年 10 月 か ら 2006 年 3 月 ま で の 独 立 行 政 法 人 新 エ ネ ル ギ ー・産 業 技 術 総 合 開 発 機 構 （ N ED O ）『 エ ネ ル ギ ー 使 用 合 理 化 技 術戦略的開発 化開発 -10 -5 0 5 10 15 Cool Water Outlet Temperature[℃] 図 14 20 30 40 50 50 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 (東 で あ り 、ヒ ー ト ポ ン プ に つ い て の 成 果 の 一 部 を こ Hot Water Outlet Temperature[℃] 60 エネルギー使用合理化技術実用 京 大 学 、 大 成 建 設 、 ゼ ネ ラ ル ヒ ー ト ポ ン プ 工 業 )』 加熱能力線図 70 Cooling Capacity[kW] 8 0 0 こで示した。 ６． 参考文献 1) 地 中 熱 源 対 応 水 冷 式 ヒ ー ト ポ ン プ チ ラ ー の 開 発 ,柴 芳 郎 ・大 岡 龍 三 ・関 根 健 太 郎 , 平 成 1 6 年 度 40 空 気 調 和 ・ 衛 生 工 学 会 学 術 講 演 会 (名 古 屋 )講 演 論 30 文 集 ,2004 年 9 月 20 2 ) D E V ELO PM E N T O F H IG H PE R FO RM AN C E 10 WAT E R- TO - WATE R G RO U N D - S O U RC E 0 -10 -5 0 5 10 15 Cool Water Outlet Temperature[℃] 図 15 20 6 PU M P A P PL I CAT IO N , FO R Yo s h i r o S hi b a , Ryu zo O o k a , K e n t a r o S e k i ne , 8 TH I E A 2005 Hot Water Outlet Temperature[℃] 8 H EAT H EAT PU M P CO N F ER EN C E 2 0 0 5 ( La s Ve ga s ) , 冷却能力線図 10 Heating COP Hot Water Outlet Temperature[℃] 3) 場 所 打 ち 杭 を 用 い た 地 中 熱 利 用 空 調 シ ス テ ム の 普 及 ・ 実 用 化 に 関 す る 研 究 （ そ の 11 ） 年 間 実 35 験結果ならびに施工実績をもとにしたフィージ 40 45 50 ブルスタディ, 関根賢太郎・大岡龍三・横井睦 4 己 ・ 柴 芳 郎 ・ 黄 錫 鎬 , 平 成 17 年 度 空 気 調 和 ・ 衛 生 工 学 会 大 会 （ 札 幌 ） 講 演 論 文 集 , 2005 年 8 月 4) 場 所 打 ち 杭 を 用 い た 地 中 熱 利 用 空 調 シ ス テ ム 2 の 普 及 ・ 実 用 化 に 関 す る 研 究 （ そ の 12） 水 冷 式 0 ヒートポンプ高効率化のための性能計算プログ -10 -5 0 5 10 15 Cool Water Outlet Temperature[℃] 図 16 加 熱 CO P 線 図 20 ラムの開発, 柴 芳郎、大岡 龍三、関根 賢太郎, 平 成 17 年 度 空 気 調 和 ・ 衛 生 工 学 会 大 会 （ 札 幌 ） 講 演 論 文 集 ,2005 年 8 月 5) 地 中 熱 利 用 ヒ ー ト ポ ン プ の 構 造 と 特 徴 , 柴 芳 郎 , 日 本 地 熱 学 会 誌 第 27 巻 第 4 号 , 2005 年 10 月 - 44 -
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