被災地企業のシーズ支援プログラムH25～27年度

14/65

平成25年度被災地企業の技術シーズ評価プログラム（福島再生可能エネルギー研究開発拠点機能強化事業）結果研究の目的方法評価結論http://www.aist.go.jp/ホテルや病院等の施設においては、変動する給湯や暖房需要を平滑するために大型貯湯タンクが必要である。従来の大型貯湯タンクは、内部で常に温水・給水の撹拌が起こり、タンク全体の温度低下・出湯温度の低下が避けられない構造である。これに対し、近年家庭用エコキュート等でも採用されている温度成層式貯湯タンクは上部が高温、下部が低温となる密閉型のタンクであり、貯湯率が低下しても、出湯温度が保てるため熱が有効に利用できるという特徴がある。しかしながら、蓄熱・放熱同時運転時にはタンク内は2方向流れとなる為、撹拌が起こりやすいことが課題であった。そこでこの課題を解消した温度成層式大型タンク及びその運用システムの開発を行った。ディフューザー構造を図1のように検討し、吐出並びに吸引の流速を抑え撹拌混合を減じるような構造とした。さらに貯湯槽への出入り口は2か所で一方向流れとし、必要な温度を確実に貯蔵するために3方弁を設けて、熱源からの吐出温度をコントロールできるようにした。この温度成層式蓄熱･貯湯システム「亀山貯蔵」は、宮城県等で構成されるみやぎ優れMONO発信事業事務局より「みやぎ優れMONO」認定を受けたが、その制御方法は、検討を重ねることでさらなる効率の向上が望める。本システムの最適制御手法の開発のため、実際の使用状況を想定した長時間での出湯負荷に対する温度成層式貯湯タンクと従来型タンクとの比較検証を産業技術総合研究所との共同研究にて行ったので、結果を報告する。３つの給湯放出負荷パターンとその温度成層式制御および従来型制御での24時間温度分布変化、および各パターンでのエネルギー消費効率を成績係数（COP）として算出したものを以下に示す。温度成層式貯湯槽と従来式貯湯槽の温度成層ならびに効率について、３つの給湯放出負荷パターンを設定し実証試験を行い、温度成層型蓄熱貯湯槽はすべてのシーケンスで最後まで高い温度のお湯を供給することができることが実証できた。また各パターンのCOPデータより、貯湯槽の容量の適正化（１５％程度小さくすることが可能）、５％程度の省エネルギー性能があることも実証することができた。また、三方弁制御による空冷式ヒートポンプ給湯機の運用最適化を行い、給湯効率の向上が可能となった。加えて出入口温度差が大きい熱源機器であれば三方弁による制御が必要ないことも実験データより明らかにした。本案件の結果をもとに、引き続き産業技術総合研究所との共同研究により、太陽熱等の変動する熱源に対して、一定の温度の水をタンクに戻す制御手法を適用して、太陽熱の使用効率を向上させる運用を検討する。評価のために太陽熱集熱器や計測器を研究所に設置し、既存設備と組み合わせ、太陽熱を用いた温度成層式蓄熱タンクの運用手法の検討を行う。また、変動熱源に対応する制御アルゴリズム設計手法の模索を行う。福島再生可能エネルギー研究所実証フィールドに図3のとおり実験設備を設置し、病院やホテル等3つの給湯放出負荷パターンを24時間にて設定し、温度成層式貯湯タンクとしての制御および従来型の制御それぞれのモードで運用を行った。フローは図2のとおり。熱源にはヒートポンプ式給湯器を用いた。また槽には図4のとおり30か所の温度検出器を設け、1分毎の計測を行った。本研究は、独立行政法人産業技術総合研究所の平成25年度被災地企業の技術シーズ評価プログラム事業にて、課題名「「温度成層式蓄熱・貯湯システム」の実証評価」として採択されたもので産業技術総合研究所より技術的協力・支援を受けたものです。図1ディフューザー構造の検討温度成層式貯湯タンクとしての制御フロー図2フロー図図4温度センサー設置図従来式貯湯タンクとしての制御フロー給湯放出負荷パターン③給湯放出負荷パターン②給湯放出負荷パターン①蓄熱槽内温度分布の経時的変化蓄熱槽内温度分布の経時的変化蓄熱槽内温度分布の経時的変化従来型制御温度成層型制御従来型制御温度成層型制御従来型制御温度成層型制御温度成層型制御でのCOPとの比較温度成層型制御でのCOPとの比較温度成層型制御でのCOPとの比較従来型制御でのCOPとの比較従来型制御でのCOPとの比較従来型制御でのCOPとの比較給湯放出負荷パターン②給湯放出負荷パターン①給湯放出負荷パターン③COP=3.19COP=3.19COP=2.95COP=2.81COP=3.26COP=3.16成績係数は同じであったが、実際の従来式蓄熱貯湯槽では返湯ポンプがあり貯湯槽に返湯するためさらに下部の温度は上がり成績係数が下がる。温度成層型の方が、成績係数が安定し使える温度のお湯を最後まで使用できる。温度成層型蓄熱貯湯槽は約５％の省エネルギーである。さらに、実際の給湯システムでは、返湯ポンプが設置されるので５％以上の省エネルギー効果が期待される。実環境下で返湯ポンプが設置された場合には、3％以上の省エネルギー効果があり、蓄熱貯湯槽の容量も従来式の容量で間に合うのであれば、温度成層型貯湯槽では、3/4程度の容量で良いといえる。図3実験設備「温度成層式蓄熱・貯湯システム」の実証評価桜井邦昭1・鈴木正雄1 ・中澤俊一1 ・岸柳達也1 ・遠藤成輝2 ・小曽根崇2 ・鈴木智史2 ・河澄あかね2 ・熊川昌志2 ・前田哲彦21株式会社亀山鉄工所2独立行政法人産業技術総合研究所再生可能エネルギー研究センター