CO2を作動媒体とする地中熱利用ヒートポンプの実験および数値解析による研究

現在、普及が促進されつつある地中熱利用ヒートポンプの地中熱交換器部分はブラインを利用したシステムが主流である。一方で地中熱交換器内で作動媒体が直接膨張或いは直接凝縮するシステム(以下直膨システムと呼ぶ)は、ブラインシステムにおいて生じる作動媒体とブラインとの熱交換の際のエクセルギー損失がなく、また、ブラインポンプが省略できる。現在主に使われている作動媒体は、フロン系冷媒であるが、この冷媒は、地球温暖化係数が問題となっており、これが無視できるような作動媒体を用いることが望ましい。本研究では二酸化炭素を作動媒体としたシステムを対象に研究を行なった。実験では、媒体の分布状態を考慮に入れて、特に臨界温度以下の凝縮が可能になるかどうかの検討を行い、また、数値シミュレーションでは、直接実験を行なわない土中条件のシミュレーションを行なった。実験的研究では、ブラインシステムおよび直膨システムに共通で用いるための模擬採熱坑として、二重円筒の容器を製作した。内側の円筒には水を張り、ブライン熱交換器および直接凝縮・膨張熱交換器を挿入し、外側の円筒には内側の円筒内の水が土中温度条件になるように、温度調整のための水を循環させる。内菅、外菅とも塩ビ製であり長さは4m弱、内径はそれぞれ146mm、201mmである。内菅、外環まず、ブラインを使用するときの伝熱促進法の検討を行った。ブライン用の熱交換器はポリエチレン製の管であり、内径23mm外径26mmのものを使用した。バルブ操作により脈動を起し、これによる伝熱促進効果について検討した。シミュレーションは二酸化炭素の管内鉛直管内蒸発の過程を評価するための計算コードの作成を進めた。数多くある実験式の中から、Shahの式とGungor-Wintertonの式を優れたものとして選んだ。シミュレーション結果をもとに論文誌への投稿準備を進めた。

現在、普及が促進されつつある地中熱利用ヒートポンプの地中熱交換器部分はブラインを利用したシステムが主流である。一方で地中熱交換器内で作動媒体が直接膨張或いは直接凝縮するシステム(以下直膨システムと呼ぶ)は、ブラインシステムにおいて生じる作動媒体とブラインとの熱交換の際のエクセルギー損失がなく、また、ブラインポンプが省略できる。現在主に使われている作動媒体は、フロン系冷媒であるが、この冷媒は、地球温暖化係数が問題となっており、これが無視できるような作動媒体を用いることが望ましい。本研究では二酸化炭素を作動媒体としたシステムを対象に研究を行なった。実験では、媒体の分布状態を考慮に入れて、特に臨界温度以下の凝縮が可能になるかどうかの検討を行い、また、数値シミュレーションでは、直接実験を行なわない土中条件のシミュレーションを行なった。実験的研究では、ブラインシステムおよび直膨システムに共通で用いるための模擬採熱坑として、二重円筒の容器を製作した。内側の円筒には水を張り、ブライン熱交換器および直接凝縮・膨張熱交換器を挿入し、外側の円筒には内側の円筒内の水が土中温度条件になるように、温度調整のための水を循環させる。内菅、外菅とも塩ビ製であり長さは4m弱、内径はそれぞれ146mm、201mmである。内菅、外環まず、ブラインを使用するときの伝熱促進法の検討を行った。ブライン用の熱交換器はポリエチレン製の管であり、内径23mm外径26mmのものを使用した。バルブ操作により脈動を起し、これによる伝熱促進効果について検討した。シミュレーションは二酸化炭素の管内鉛直管内蒸発の過程を評価するための計算コードの作成を進めた。数多くある実験式の中から、Shahの式とGungor-Wintertonの式を優れたものとして選んだ。シミュレーション結果をもとに論文誌への投稿準備を進めた。