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Apr 04, 2024

効果的な冷暖房のための持続可能なヒートポンプと貯蔵庫

住宅用途における暖房需要の大部分を供給するために太陽からのエネルギーを使用することは、多くの気候にとって意味のある選択肢ですが、コスト競争力を持ちながら達成するのは簡単ではありません。 の

住宅用途における暖房需要の大部分を供給するために太陽からのエネルギーを使用することは、多くの気候にとって意味のある選択肢ですが、コスト競争力を持ちながら達成するのは簡単ではありません。 TRI-HP プロジェクトは、太陽氷として知られるものを使用して、コスト効率の高い方法で建物の暖房需要を太陽エネルギーで効率的に供給する方法を示しています。 このシステムコンセプトは、太陽熱収集器、ヒートポンプ、氷貯蔵器を組み合わせて、中央ヨーロッパなどの十分な日射量がある暖房が主流の地域でのエネルギー需要を供給します。 冬と春の季節に生成される氷のスラリーは、冷却需要が低い気候での追加機能として自由冷却に使用できます。

ソーラーアイスシステムは、ヒートポンプの唯一の熱源として太陽熱コレクターを使用し、さらに太陽光発電 (PV) によって電力を供給することもできます。 太陽熱集熱器は、暖房や家庭用温水の需要を直接供給するためにも使用されます。 太陽が輝いている限り、または周囲温度が低すぎない限り、ソーラーコレクターはヒートポンプの直接熱源として機能します。 寒い夜や日射量が少ない日には、氷貯蔵が熱源として使用されます。 氷貯蔵は、80 kWh/m3 の範囲の非常に大きなエネルギー密度貯蔵を備えた低温太陽季節貯蔵 (夏に充電され、冬に放電) として機能します。 太陽氷システムの概念図を図 1 に示します。

太陽氷スラリー システムは、ボーリング孔を掘削する必要がないため、水保護法の制限を受けないという利点を備えた地中熱ヒート ポンプ (GSHP) と比較できます。 また、太陽エネルギーにより毎年再生されるため、地中に埋設しても、ボーリング孔のように地盤を再生する必要がありません。

TRI-HP が提案する主な革新は、過冷却方式による氷スラリー コンセプトの開発です。これにより、氷貯蔵庫内の熱交換器が不要となり、システム設置コストが 10% 削減されます。 さらに、伝熱面 (スーパークーラー) には常に氷がなく、従来のアイスオンコイル システムと比較して効率が高くなります。 この革新により、太陽氷スラリーシステムは、将来のシナリオでボーリング孔の掘削や再生を必要とせずに、同じシステム効率に対して GSHP と同様のコストがかかると予想されます。

過冷却法を使用する氷スラリーシステムの主な技術的障壁の 1 つは、水温が 0°C 未満でも凍結せずに動作できる熱交換器を開発することです。 TRI-HP プロジェクトの中で、当社は乱流水流の中でも機能する耐久性のある疎氷性コーティングを開発し、必要な作業条件下で氷の形成を抑制できるようにしました。 水が過冷却されて安定した状態になると、氷晶析装置にポンプで送られ、そこで氷スラリーが形成され、氷スラリー容器に保管されます。 過冷却度は、実際の凝固温度と融解温度（水の場合は 0℃）の差として定義されます。

ろう付け熱交換器をベースにしたテスト済みの TRI-HP 過冷却器は非常にコンパクトで、過冷却度は最大 4°C に達します。これは、それほどコンパクトではない熱交換器を使用した日本の最先端技術によって達成される 2°C をはるかに超えています。 平均過冷却温度は、さまざまな疎氷性コーティングの 7 回の凍結サイクルで評価されました。図 2 では点で示されています。

合成冷媒の使用は 1930 年頃に始まりました。それ以来、地球を保護するオゾン層の破壊、高い地球温暖化係数 (GWP)、および人間の健康への影響のため、合成冷媒は規制されてきました。 これにより、3 世代にわたる合成冷媒の開発が行われました。 HFO をベースとする最後の世代は大気中で分解し、トリフルオロ酢酸を生成し、飲料水を汚染する可能性のあるトリフルオロ酢酸塩を生成します。 したがって、ヒートポンプに対する唯一の長期にわたる持続可能な解決策は、炭化水素、水、アンモニア、二酸化炭素 (CO2) など、GWP が低く、環境に優しい天然冷媒を使用することです。 これに関連して、TRI-HP プロジェクトの文脈で、自然冷媒 (プロパンと CO2) を使用した新しいヒートポンプが開発され、テストされました。