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。 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 プロジェクトでは、乱流水流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。

TRI-HP プロジェクトでは、暖房用途向けの住宅用ヒートポンプへの過冷却器の統合が成功裏に実現されました。 当社は、約 10 kW の火力発電容量を持つ 2 つのプロトタイプを設計および製造しました。1 つはプロパンを使用し、もう 1 つは遷臨界 CO2 サイクルを使用しました。

2 つのヒートポンプの成績係数 (COP) の結果を図 3 に示します。蒸発器の入口温度 0°C でのデータ ポイントは、疎氷性コーティングのおかげで水が凍結せずに過冷却された状況を示しています。

過冷却器のほかに、CO2 ヒートポンプにはさらなる革新がありました。 ヒート ポンプには、暖房 (SH) と家庭用温水 (DHW) の需要を同時または非同時的に効率的に供給するために、3 つの熱交換器を使用する 3 つの部分からなるガス クーラーが備えられています。 図 3 (左、上) には、SH と DHW を同時に生産するための CO2 ヒートポンプの成績係数 (COP) が、いくつかの DWH 温度の関数として示されています。 これらの結果では、放射床からの/からの戻り/流れの条件に対して 30/35°C での SH 要求が提供されます。 ほとんどの場合、COP の範囲は 4 ～ 4.5 ですが、DHW の要求に応じて高温が提供されます。 ヒートポンプは、4 を超える COP で最大 70°C の DHW 温度を供給することもできます。

プロパン ヒート ポンプは、SH または DHW の需要を個別に提供するために動作できます。 図3（左、下）に示されているSH需要の供給に対するCOPは、新築建物（35℃での供給）では4.5から6の範囲にあり、改修済み建物（45℃での供給）では3.5から5.5の間です。および40℃）。 55°C および 60°C での DHW 需要を満たすために、COP は約 2.8 ～ 3.7 に減少します。

これらの結果から、CO2 ヒートポンプは、DHW 需要の大部分を占める新しい建物にとってはるかに優れた選択肢であると結論付けることができます。 一方、プロパンは、SH 需要の大部分を賄うのに適した候補です。

太陽氷スラリー システムの検証は、加速コンサイス サイクル テスト (CCT) を使用して実行されました。CCT では、1 年全体が 7 日間で表され、それぞれが 1 年の特定の期間を表します。 CCT はハードウェアインザループのアプローチに基づいており、システムは実際の建物に設置されているかのように関連する実験室環境で自律的に動作します。 プロジェクトで開発されたコンポーネント、および現実的な境界条件を作成するために必要なコンポーネントは、上で説明した自然冷媒のヒートポンプ、DHW および SH 貯蔵タンク、すべての油圧要素、およびこれらの間の接続など、実験室に物理的に設置されました。要素とシステム全体の制御により、数日間連続してシステムを自律的に動作させることができます。 バッテリーとインバーターも物理的に設置されました。 太陽熱収集装置、PV、氷晶析装置、氷スラリー貯蔵装置の応答を含むシステムの残りの部分は、シミュレーションおよびエミュレートされました。 暖房分配システム (輻射床) の応答、DHW 給電プロファイル、家庭用電力プロファイルなどの建物の需要もシミュレーション/エミュレートされ、システム動作の現実的な境界条件が作成されました。 実験室に設置されテストされたコンポーネントのサイズは、ヒート ポンプの 10 kW の暖房能力に合わせて決定され、シミュレーションを使用してシステムを集合住宅のより高い要求に合わせて拡張しました。

アイス スラリー プロパン システムは、チューリッヒ市の加熱表面積当たり年間 105 kWh の具体的な SH 需要がある、改装済みの集合住宅を対象としています。 実験的にテストされたシステムは、ヒート ポンプ コンプレッサーとすべての循環ポンプの電力消費量を含む年間システム パフォーマンス ファクター (SPF) を最大 4.8 まで達成しました。これは、この気候で地中熱源ヒート ポンプが達成する一般的な SPF よりも大幅に高くなります。一般的な値は 4 程度です。

アイススラリー CO2 システムは、チューリッヒ市の加熱表面積あたり年間 30 kWh の具体的な SH 需要がある新しい集合住宅を対象としています。 このシステムは 14 日間連続してテストされ、高温で DHW 需要の割合が高い (再循環損失を含む SH 需要の 60%) 新築建物で年間 SPF が 4 を超えることに成功しました。 図 4 は、冬の 2 日とその後の春の日における、DHW および SH 供給への CO2 ヒート ポンプの出口温度と蒸発器 (過冷却器) の出口温度を示しています。 連続したほぼ 2 日間の運転時間中、ヒートポンプの運転中は水が常に過冷却されており (氷貯蔵庫は凍結していました)、望ましくない凍結は一度も観察されませんでした。 このテストでは、過冷却水からの氷の生成と氷スラリー タンクへの氷の保管がシミュレーションおよびエミュレートされました。 これらの結果は、疎氷性コーティングを施したコンパクトなろう付け熱交換器を使用した過冷却アプローチが安定した形で機能する、現実的な動的境界条件におけるシステムの検証を示しています。 スケールアップシステムの場合、総熱需要 51 MWh をカバーするには、56 m3 の氷貯蔵庫と 76 m2 のコレクター面積が必要です。

住宅暖房用途向けの過冷却スラリーヒートポンプシステムの安定した動作が世界で初めて実験室で検証され、技術的に大きな前進がもたらされました。 さらに、最先端の住宅用ヒートポンプで過冷却器として一般的に使用されている非常にコンパクトなろう付け熱交換器を使用することができました。 次のステップは、実際の氷晶析装置と氷スラリータンクを使用して完全なシステムをテストすることです。これらは TRI-HP プロジェクト内で開発されたものではないため、このプロジェクトでは物理的にテストされていません。

ピーク負荷冷却のための高エネルギー密度貯蔵 住宅暖房用途におけるヒートポンプの効率的な熱源として TRI-HP プロジェクトで開発された過冷却法を使用した氷スラリー技術は、冷房用途にも使用できます。 実際、これはおそらく世界中でこのテクノロジーの市場潜在力が最も高いものです。 氷に蓄えられた高いエネルギー密度を利用して、1 日の数時間のピーク冷却負荷をカバーし、電力消費を電力が安い時間帯や太陽光発電が利用可能な時間帯にシフトすることができます。 ただし、氷を生成するために 0°C 以下で動作すると、冷却の需要と供給の近くでエネルギーを貯蔵できる水貯蔵と比較して、冷却装置の効率が大幅に低下します。 この問題に対処するために、後続の BEST-STORAGE プロジェクトでは、約 6 ～ 12°C で 35 kWh/m3 の範囲のエネルギー密度でエネルギーを貯蔵できる相変化材料 (PCM) スラリー システムを開発します。温度差6℃で貯水量の6倍になります。 さらに、PCM の融解温度が高いため、冷凍機の効率は氷貯蔵と比較して少なくとも 20% 向上します。 BEST-STORAGE プロジェクトは 2023 年 1 月に開始され、2026 年中に実際の用途でピーク冷却負荷をシフトするための PCM スラリー技術を実証する予定です。

上で説明したソーラーアイスの概念では、氷スラリー貯蔵庫は、夏に太陽エネルギーによって充電され、主に冬にヒートポンプの熱源として放出される低温の季節貯蔵庫として機能します。 それにもかかわらず、ヒートポンプは電力を使用する必要があり、化石燃料のない将来のエネルギーシナリオでは、最も寒い冬の期間には利用可能性が不足する可能性があります。 一般に、太陽エネルギーが不足する寒い冬季には、建物の熱供給に大量のエネルギーが必要となり、再生可能エネルギーでは需要をすべて賄うことができません。 したがって、エネルギー供給システムを完全に脱炭素化するには、暖房需要に対応できる季節貯蔵ソリューションが必要になります。 BEST-STORAGE プロジェクトでは、熱化学技術に基づく高エネルギー密度貯蔵装置がさらに開発され、最大 8 kW の供給熱容量を備えた現場で実証される予定です。 この貯蔵コンセプトは、豊富で非常に安価な材料である水酸化ナトリウム水溶液 (NaOH) をベースにした熱駆動収着ヒートポンプとして機能します。 この技術を使用すると、太陽光発電、太陽熱、風力などの断続的な再生可能エネルギー源からの余剰エネルギーが損失なく蓄えられ、その後の最も寒い冬の時期に使用されます。

TRI-HP には、欧州 7 ヶ国 (ベルギー、デンマーク、ドイツ、ノルウェー、スペイン、スウェーデン、スイス) からの 11 社のパートナーが参加しています: 研究開発パートナー 7 社 (SPF-OST、TECNALIA、IREC、ISOE、NTNU、DTI、UASKA)、中小企業 3 社(HEIM、ILAG)、大手業界パートナー (ALFA LAVAL)、NGO (REHVA)。 このプロジェクトはSPF-OSTによってコーディネートされています。

BEST-STORAGE には、ヨーロッパ 7 か国 (ベルギー、エストニア、ドイツ、ギリシャ、オランダ、スペイン、スイス) の 12 のパートナーが参加しています。そのうちの 3 つの研究開発パートナー (CERTH、TECNALIA、TEKNIKER)、3 つの大学 (SPF-OST、SUPSI、TUB)、大手業界パートナー (GIROA/VEOLIA)、3 つの中小企業 (AVA、NEWTON、SOLINTEL)、および 2 つの非営利団体 (EHPA、TREA)。 管理上の調整は SOLINTEL が行い、技術的な調整は SPF-OST が主導します。

TRI-HP プロジェクトは、助成契約番号 814888 に基づいて欧州連合の Horizo​​n 2020 から資金提供を受けています。BEST-STORAGE プロジェクトは、助成契約番号 101096516 に基づいて欧州連合の Horizo​​n Europe から資金を受けています。

なお、この記事は季刊誌第13号にも掲載される予定です。

次回コメントするときのために、このブラウザに名前、メールアドレス、ウェブサイトを保存してください。

D