Exergy analysis of a geothermal heat pump system before and after

地中熱ヒートポンプシステム改修前後のエクセルギー解析
(1) なぜエクセルギー解析を使うの
A
B
Natural gas 100%
Condensing boiler
Energy
100%
エネルギーの視点から
エネルギーの量: A = B
エネルギーの質: A > B
エクセルギーの量: A > B
エネルギー解析
Natural gas 100%
Condensing boiler
Exergy
8%
エクセルギーの視点から
熱の仕事として利用できる度合いの下降、すなわちエクセルギーが次第に消費されて
いくことによって最終需要先までにどのようにして到達するかを明示的に表現すること
はできない。
Reference：http://www.lowex.net/guidebook/the_exergy_%20approach/the_exergy_%20approach.htm
http://www.cocos.nl/en/545/Exergie/Exergie.html
地中熱ヒートポンプシステム改修前後のエクセルギー解析
(2) 対象システムの概要
ヒートポンプ
冷温水ポンプ
ボアホールポンプ
井戸熱交換ポンプ
蓄熱ポンプ
熱源：
井戸ポンプ
蓄熱槽
ヒートボンプ電力 [kW]
10本
地下水循環のため
の井戸２対
２対
設計値
20.1(冷却), 30.3(加熱)
シングルUチューブ
100ｍ×10本
システム電力[kW]
冷却水側ポンプ電力[kW]
11.9
生産熱量[kW]
冷温水側ポンプ電力[kW]
3.7
単体COP
設計値
35.7
101.1(冷却), 121.2(加熱)
5.0(冷却), 4.0(加熱)
地中熱ヒートポンプシステム改修前後のエクセルギー解析
(3) 解析対象とそのエクセルギーの流れ
冷却水と冷媒の間の隔板： X c ,cw  X cons ,cond  X c , ref
冷媒と冷水間の隔板： X e,ref  X cons ,evap  X e,chw
冷媒： Ecomp  X c ,ref  X loss ,ref  X cons ,ref  X e,ref
冷水： E pump  X e,chw  X cons ,chw  X HE  X gain,chw

 

システム： Ecomp  E pump  X c ,cw  X cons ,cond  X cons ,ref  X cons ,evap  X cons ,chw  X gain ,chw  X loss , ref  X HE
投入Exergy
消費されるExergyと環境へ正味逃げるExergy
利用されるExergy
地中熱ヒートポンプシステム改修前後のエクセルギー解析
(4) 解析結果と考察
40
Rare of Exergy [kW]
35
30
25
20
Xgain,chw-Xloss,ref
Epump
Xcons,evap
𝑬pump [kW] ：ポンプの電力； 𝑬comp [kW] ：圧縮機の電力； 𝑿HE [kW] ：熱
交換器で冷水の吸熱によって放出されるエクセルギー； 𝑿gain,chw [kW] ：
3.2
2.7
19.7
5
0
𝑿c,cw [kW] ：凝縮器で冷却水の吸熱によって放出されるエクセルギー；
Xc,cw
Xcons,chw
Xcons,cond
Input
Consumption
0.4
2.9
1.3
15
10
XHE
Ecomp
Xcons,ref
Output
12.8
Input
2.1
0.9
20.0
外界から冷水回路に侵入する熱量によって放出されるエクセルギー；
Consumption
0.03
0.9
1.8
Output
10.4
1.4
Before transformation
されるエクセルギー； 𝑿 cons,chw [kW] ：冷水回路で消費されるエクセル
ギー； 𝑿cons,evap [kW] ：冷媒と冷水の熱交換によって消費されるエクセル
ギー； 𝑿 cons,ref [kW] ：冷媒回路で消費されるエクセルギー； 𝑿 cons,cond
7.8
6.8
𝑿loss,ref [kW] ：冷媒回路内部から外界へ逃げる正味熱損失によって吸収
2.1
After transformation
[kW] ：冷却水と冷媒の熱交換によって消費されるエクセルギー
3.0
2.5
2.0
性能↑
[-]
改修内容：
コンプレッサー⇒インバーター化
水配管系のポンプ類⇒インバーター化
ヒートポンプ製成冷水⇒温度調節
Initial
1.5
After the renovation and modification
2.32
1.89
1.68
1.34
1.0
0.5
33.8%
評価指標：
0.0
システムのエクセルギー効率β
β
η1
η2
単位利用されるエクセルギー流率当たりの正味投入電力η1
単位利用されるエクセルギー流率当たりの冷水回路で消費されるエクセルギー流率η2
単位利用されるエクセルギー流率当たりの冷媒回路で消費されるエクセルギー流率η3
  X HE
E
comp
26.4%
 E pump  X c ,cw  1   Ecomp  E pump  X HE  X HE
 2  X cons , ref X HE
0.43
0.12
η3
3  X cons , chw X HE

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