2022 Fiscal Year Research-status Report
コロナとの共存・カーボンニュートラルを見据えた換気・空調一体システムの開発
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21K18768
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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) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | ウィズコロナ / 換気 / PCM / エネルギー効率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
新型コロナウイルス感染予防のため換気量増大のニーズが高まる一方で、空調エネルギーの増大が懸念される。また、カーボンニュートラル社会に向け、需要側では空調用途のエネルギー効率改善が重要な課題となっている。本研究では、コロナとの共存・カーボンニュートラルの未来を見据え、換気量の増大とエネルギー効率の向上という、相反する二つの課題を同時に達成する、新たな換気・空調一体システムを開発することを目的とする。そのために、短時間での熱の出し入れと室温調整機能を可能とする蓄熱媒体（サーマルバッファ）を新たに開発する。サーマルバッファは相変化材料（PCM）からなり、室内の空調負荷が比較的小さい時期に、空調に加えてサーマルバッファへの蓄熱と外気の温度調節も行うことで、インバータヒートポンプの見かけ上の効率を向上させることを意図している。2021年度に空調システムシミュレーションプログラムを構築し、概ね想定とおりの蓄熱－放熱サイクルが可能であることを確認した。特に、低～中負荷期には部分負荷効率の向上による省エネ効果が高かったものの、7～9月の高負荷期は相対的にPCMの熱容量が不足し、蓄熱・放熱の頻繁な発停切替や未処理負荷が発生し、省エネ効果はわずかである点が課題となった。そこで2022年度は、高負荷期の運用方法として、太陽光等の再エネ電力の需給バランスの安定化のために活用することに着目し、エリアプライスを指標とした蓄熱－放熱シミュレーションを行った。蓄熱により一定の需給調整効果は認められたものの、高負荷期の外気温を調整するには至らなかったため、引き続き、運用方法については検討中である。
また、あわせて、サーマルバッファのプロトタイプを作成した。数値シミュレーションおよび共同研究先の知見により、圧力損失を小さく、かつ高い熱交換性能を発揮する形状を決定した。2023年度の早い段階で実験を開始する。
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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
2021年度の検討により、サーマルバッファに用いるPCMの選定は済んでいる。しかし、当初検討したチューブ型では調温効果は認められたものの、圧力損失が大きく、実際の空調機に付属されているファン能力では不足する可能性が高いことがわかった。そこで、2022年度は、民間企業の協力を得て熱交換器形状の検討を進め、プロトタイプの作成にこぎつけた。2023年度の早い段階で熱交換性能および圧力損失を実験により明らかにする予定である。現在のところ、このサーマルバッファはこれまでの数値解析でのチューブ形状の検討より高い熱交換性能を有し、PCM温度にかなり近い出口空気温度が得られると予想しており、その結果によっては幅広い外気温に適用可能なサーマルバッファが実現すると考えている。2023年度後半にはこのサーマルバッファの性能を組み込んだ、空調システムシミュレーションを行う予定である。システムシミュレーションのベースはすでに2021年度に構築済であり、研究全体としておおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はサーマルバッファのプロトタイプを用いた性能試験がメインとなる。200mm角、長さ3m程度の空調用ダクト内に約1kgのPCMを封入したサーマルバッファを設置し、ダクト入口に外気導入を模擬した給気を与えるときの熱交換性能や調温効果、圧力損失を測定する。実際の運用を模擬して、暖房想定時は運転時35°C、停止時20°C程度、冷房想定時は運転時15°C、停止時28°C程度の一定温度の給気を与えるときの出口空気温度やPCMの相変化状況を測定する。これらの実験結果を基に、風量やPCM温度をパラメータとした熱交換係数および圧力損失係数を同定する。その後、これらの係数を2021年度に構築した空調稼働シミュレーションに組み込むことで、実際のオフィス等への適用を想定した蓄熱－放熱シミュレーションを行う。幅広い負荷に対応するための運用方法等、詳細な制御を改善することで、省エネ効果の最大化を図る。
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| Causes of Carryover |
2022年度、プロトタイプの作成までは行ったものの、実験自体は2023年度に行うことになったため、センサー類の購入の一部は2023年度に繰り越すことになった。また、2023年5月に実施される国際会議の参加費は2023年度に入ってから事務手続きすることとなった。このため、「次年度使用額」については2023年度の早い段階で消化する予定である。
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