2019 Fiscal Year Annual Research Report
エナジーポートフォリオ管理によるハイブリッド熱源ヒートポンプの最適運用
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19H02297
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
金田一 清香 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 准教授 (00396300)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | エナジーポートフォリオ管理 / ヒートポンプ / 未利用熱 / 地中熱 / 貯留水 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
空調用ヒートポンプの熱源として現状最も多く用いられる大気中の熱（空気熱と呼ぶ）に比べ、地中熱や河川・海水・湖沼水等の水が保有する熱（未利用熱と呼ぶ）の活用は進んでいない。特に温暖地の冷房過多条件での未利用熱活用を対象とした事例は少なく、またほとんどが未利用熱源の容量選定や年間性能の予測等、主に設計・計画段階でのケーススタディを行うものであり、運用段階において実際の負荷状況を踏まえ、未利用熱源を持続的かつ高効率に活用するための手法は未だ確立されていない。一般に、実運用時の冷暖房負荷が設計値と乖離することはよく見られる事象だが、従来の空気熱の単独方式では能力不足とならない限り、運用上の問題はほとんどなかった。しかし、未利用熱源を併用する場合、負荷の大小に加え、インバータの容量制御や台数制御の方法等、様々な要因によって生じる設計との誤差が熱源に蓄積し、例えば20年後には熱源温度の変化やシステム性能の低下を引き起こし、恒常的に使えなくなる危険がある。そこで本研究では、温暖地での未利用熱の積極的な活用に向け、空気熱との共存の中で実効性の高い熱源システムとして機能するよう、設計から運用段階まで一貫した評価手法を確立することを目的とし、未利用熱と空気熱とのハイブリッド熱源による空調用ヒートポンプシステムの設計および持続的な運用を可能にする「エナジーポートフォリオ管理」を開発する。今年度は、貯留水および地中熱の特性評価を行うとともに、深さ50mのボアホール型熱交換器を持つ地中熱ヒートポンプと空冷式の空気熱源ヒートポンプで構成される実験システムを構築し、ハイブリッド熱源の制御方法を検討した。また、貯留水への排熱時の熱的挙動を簡便に評価可能なモデルを作成し、年間シミュレーションを行った。地中熱併用時に関しても、年間シミュレーションを行い未利用熱の適正容量について考察した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
・未利用熱源の特性評価：瀬戸内地方を含む温暖地の主要都市を対象に各未利用熱源の物性値の収集および自然温度の分析を行った。地中熱については、拡張アメダス気象データに付属する土壌熱物性値データベースおよび広島大学での実測値により、不易層温度（地表面の熱授受の影響を受けない深部の温度）を評価した。貯留水については、数値シミュレーションおよび広島大学に隣接する角脇調整池の実測値により評価した。
・ハイブリッド熱源の制御方法に関する実験的検討：水熱源ヒートポンプチラー (WSHP)および空冷ヒートポンプチラー (ASHP)（それぞれインバータ搭載、機器容量6 kW程度）からなる中央式熱源システムを模擬した実験システムを構築した（特注品の納期遅延のため、予算の一部を2020年度に繰越したため、実際には2020年度に完了）。WSHPには深さ約50mのボアホール型地中熱交換器を接続し、地中熱ヒートポンプとして用いた場合の基本性能を測定した。
・貯留水利用時の年間シミュレーションの構築：先行研究において貯留水中に冷房排熱を放出する際の自然対流の挙動をCFD解析により検討した。その結果を用い、放熱量や放熱密度をパラメータとして水温上昇度の時間変化および空間分布を簡便にモデル化する方法を堤案し、年間シミュレーションを可能にした。ただし、詳細モデルとの比較や、空気熱や地中熱といった他の熱源との併用は次年度以降の課題として残された。
・地中熱－空気熱併用時の年間シミュレーションの実施：汎用のシステムシミュレーション（LCEMツールを使用）をベースとして、地中熱と空気熱のハイブリッド熱源に対する年間シミュレーションを実施した。外気処理負荷の処理を想定した場合、温暖地においても比較的冷房－暖房のバランスがとれた運用が可能であることがわかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
・ハイブリッド熱源の制御方法に関する実験的検討：今年度構築した実験システムを用い、引き続き、外気温や負荷率の異なる夏季・秋季・冬季についてもデータ収集を進める。負荷率はWSHPとASHPの合計機器容量に対し20~100 %の範囲で複数条件を設定する。1条件につき1日5～10 hの連続運転を3日間程度行い、未利用熱の熱源温度の挙動および機器効率への影響を評価する。
・ハイブリッド熱源ヒートポンプシステム統合システムシミュレーションの構築：今年度の課題として残された、貯留水部分のモデル化を完成させる。その後、各熱源のモデルをシステムシミュレーションに統合し、任意の熱源構成を計算可能なハイブリッド熱源ヒートポンプシステム統合ツールを開発する。
・エナジーポートフォリオの実践：エナジーポートフォリオ管理では、ある年間負荷条件に対する設計条件と運用条件をひとつの「ポートフォリオ」として、上記の非定常システムシミュレーションによりシステム全体での年間エネルギー効率（AEE）および熱源温度の変化度を示す熱源サステナブル指数（HSI）を求める。これを複数条件実施することで、縦軸に目的指標であるAEEおよびHSI、横軸に経年変化をとるポジショニングマップが作成でき、効率の高い条件（ポートフォリオ）を視覚的に判別するのに用いることを想定している。ポートフォリオの作成に当たり、熱源側では未利用熱の種類や容量、熱源設備側ではWSHPとASHPの機器容量の比率、運用条件では未利用熱の制御、特に空気熱との比較でいつ何時間運転するか等をパラメータとする。温暖地の事務所用途建物を想定し、主要居室の全空調負荷をハイブリッド熱源ヒートポンプシステムにより賄うとした場合の年間熱負荷を入力条件とする。
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