プロジェクト課題

高性能ヒートポンプ
背景・目的
ヒートポンプは CO 2 削減・省エネルギーに有効な機器として、空調用エアコンや給湯用エコキュートが普及しているが、さらなる高効率化、新たな分野への適用拡大、低GWP（地球温暖化係数）冷媒ヒートポンプの開発が望まれている。
当研究所は、CO 2 給湯ヒートポンプの基礎研究の成果をもとに、電力・メーカーと共同でエコキュートを世界で初めて商品化した。本課題では、次世代エコキュートの性能評価を行い、効率の優れたエコキュートの開発・普及を支援するとともに、低 GWP 冷媒を利用した空調用ヒートポンプや産業用高温ヒートポンプの可能性を評価する。

主な成果
1．エコキュートの性能評価技術の確立
エコキュートは前日夜間にお湯を作り貯湯タンクに貯めるため、実際の運用で毎日の給湯量が変化すると性能が大きく変化する。このため、日本冷凍空調工業会規格で3 日間の運転での性能評価が規定されているが、さらに長い期間での評価の必要性が求められている。当研究所は、ヒートポンプ性能評価試験設備（図 1）を設置し、エコキュートの性能評価実績を積み上げることで、3 0 日間以上にわたる連続試験が可能な評価技術を確立した。本技術には、①エコキュートを設置する屋外環境模擬室内の空気温度・湿度を所定の条件に保つための空調制御技術、②日々異なる給湯負荷を正確にかつ自動的に設定する技術が含まれる。この成果として、新型のコンパクトタイ
プのエコキュートについて、性能評価試験を実施し、今後の性能改善の方向性を検討するための運転パターンなどに関する知見を取得できた。
2．エコキュートの冬期条件における効率向上に関する取り組み
エコキュートの年間効率に大きな影響を与える冬期効率の向上を狙い、空気から熱を奪う蒸発器において、エコキュートで利用されている CO 2 冷媒に適した蒸発伝熱管を探索するための基礎実験を行った。その結果、三角フィンやスリムハイフィンが優れていることを明らかにした（図 2）［M 0 9 0 1 1］。また、冬期に生じる室外熱交換器（蒸発器）の着霜の課題解決のための検討を開始し、具体的には、ヒートポンプ自体の性能低下ならびに除霜運転のためのロスの影響を定量的に把握し、さらには、着霜しにくく除霜が容易な伝熱管コーティング材やシステムの開発を行うための「蒸発器用試験風洞」を設計・製作した（図 3）。
3．低 GWP 冷媒を利用したヒートポンプの開発動向調査
低 GWP 冷媒の可能性を評価するために、水や CO 2 などの自然冷媒やフロン系低GWP 冷媒の開発動向の調査を行い、取り組むべき課題をまとめた。水や CO 2 などの自然冷媒を対象に、家庭暖房、業務空調、産業用高温ヒートポンプの研究開発を進めていく。

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環境・エネルギー利用技術
環境・エネルギー利用技術
環境・エネルギー利用技術
環境・エネルギー利用技術（建屋外側設置スペース）（建屋外側設置スペース）（建屋外側設置スペース）
暖房条件設定装置
暖房条件設定装置
暖房条件設定装置

5m
5m
5m(冷水ﾁﾗｰ,冷水ﾀﾝｸ等)(冷水ﾁﾗｰ,冷水ﾀﾝｸ等)(冷水ﾁﾗｰ,冷水ﾀﾝｸ等)
暖房用温水
暖房用温水
暖房用温水

給湯
給湯給湯

シャッター
シャッター
シャッター

外気条件設定装置
外気条件設定装置外気条件設定装置※建屋外側設置分※建屋外側設置分※建屋外側設置分(直膨冷凍機,ﾌﾞﾗｲﾝﾁﾗｰ,(直膨冷凍機,ﾌﾞﾗｲﾝﾁﾗｰ,(直膨冷凍機,ﾌﾞﾗｲﾝﾁﾗｰ,ﾌﾞﾗｲﾝﾀﾝｸ等)
ﾌﾞﾗｲﾝﾀﾝｸ等)
ﾌﾞﾗｲﾝﾀﾝｸ等)
ﾌﾞﾗｲﾝ･冷媒
ﾌﾞﾗｲﾝ･冷媒
ﾌﾞﾗｲﾝ･冷媒

給水
給水
給水

加湿器
加湿器
加湿器
水蒸気
水蒸気

水蒸気
空調機
空調機
空調機
(電気ﾋｰ試験対象機
試験対象機 (電気ﾋｰ(電気ﾋｰ試験対象機
試験対象機
ﾀ,冷却試験対象機
試験対象機(ｴｺｷｭｰﾄ)(ｴｺｷｭｰﾄ)ﾀ,冷却(ｴｺｷｭｰﾄ)(ｴｺｷｭｰﾄ)ﾀ,冷却(ｴｺｷｭｰﾄ)
用熱交(ｴｺｷｭｰﾄ)
用熱交
用熱交
屋外環境模擬室等)
屋外環境模擬室等)
空
屋外環境模擬室等)（試験機設置：W4.5×L7.5×H3.5）
空（試験機設置：W4.5×L7.5×H3.5）
空気（試験機設置：W4.5×L7.5×H3.5）

除除湿湿
装装
置置
除湿装置

分分
電電盤盤
分電 盤

機器搬入
機器搬入
機器搬入
出用ドア
出用ドア
計測機器 出用ドア
計測機器
計測機器
＆＆＆
解析機器
解析機器
解析機器
流し台
流し台
流し台

ドア
ドア
ドア

(ﾌﾞﾗｲﾝﾁﾗｰ,電気(ﾌﾞﾗｲﾝﾁﾗｰ,電気(ﾌﾞﾗｲﾝﾁﾗｰ,電気ﾋｰﾀ,給水ﾀﾝｸ等)
ﾋｰﾀ,給水ﾀﾝｸ等)
ﾋｰﾀ,給水ﾀﾝｸ等)

覗き窓
覗き窓
覗き窓

試験設備制御機器
試験設備制御機器
試験設備制御機器

7m
7m
7m

給水･給湯条件
給水･給湯条件
給水･給湯条件
設定装置
設定装置
設定装置

気気

ドア
ドア
ドア

20m
20m
20m

エコキュートの設置状況
エコキュートの設置状況
エコキュートの設置状況
エコキュートはヒートポン
エコキュートはヒートポン
エコキュートはヒートポンプユニットと貯湯タンクプユニットと貯湯タンクプユニットと貯湯タンクから構成される。
から構成される。
から構成される。

図図
1 ヒートポンプ性能評価試験設備
ヒートポンプ性能評価試験設備
図111 ヒートポンプ性能評価試験設備
ヒートポンプ性能評価試験設備
図
エコキュートを設置する屋外環境模擬室の空気温度・湿度を一定に保ち、日々異なる給湯負荷を与え、貯湯エコキュートを設置する屋外環境模擬室の空気温度・湿度を一定に保ち、日々異なる給湯負荷を与え、貯湯タンエコキュートを設置する屋外環境模擬室の空気温度・湿度を一定に保ち、日々異なる給湯負荷を与え、貯湯タン
エコキュートを設置する屋外環境模擬室の空気温度・湿度を一定に保ち、日々異なる給湯負荷を与え、貯湯タンタンクの放熱ロスなども含むシステム全体の性能を評価する試験設備。図に示すようにエコキュートを2台クの放熱ロスなども含むシステム全体の性能を評価する試験設備。図に示すようにエコキュートを 22 台同時に試験
台同時に試験
クの放熱ロスなども含むシステム全体の性能を評価する試験設備。図に示すようにエコキュートをクの放熱ロスなども含むシステム全体の性能を評価する試験設備。図に示すようにエコキュートを2 台同時に試験できる。試験実績を積み重ねることにより、性能評価技術を確立した。
同時に試験できる。試験実績を積み重ねることにより、性能評価技術を確立した。
できる。試験実績を積み重ねることにより、性能評価技術を確立した。
できる。試験実績を積み重ねることにより、性能評価技術を確立した。

(a) 熱源水温度
熱源水温度 Tbi
Tbi 10℃
10℃(b) 熱源水温度
熱源水温度 Tbi
Tbi 5℃
25℃
(a)
(b)
25℃
（a）熱源水温度（b）熱源水温度(a)
熱源水温度Tbi
Tbi1 0℃
10℃(b)
熱源水温度 Tbi
Tbi 225℃
図
図2
2 CO
CO
2 冷媒用高性能蒸発伝熱管の探索
2 冷媒用高性能蒸発伝熱管の探索
図
CO
2 冷媒用高性能蒸発伝熱管の探索
図
22 CO
2 冷媒用高性能蒸発伝熱管の探索
横軸のQbは熱交換量、縦軸のTs1は蒸発器出口飽和温度で、この値は、圧力損失による飽和温度の低下、横軸のQb
は熱交換量、縦軸のTs1は蒸発器出口飽和温度で、この値は、圧力損失による飽和温度の低下、横軸のQbは熱交換量、縦軸のTs1は蒸発器出口飽和温度で、この値は、圧力損失による飽和温度の低下、横軸のQbは熱交換量、縦軸のTs1は蒸発器出口飽和温度で、この値は、圧力損失による飽和温度の低下、並びに、熱伝達率向上に伴う熱交換器対数平均温度差減少による飽和温度上昇という二つの効果が含ま並びに、熱伝達率向上に伴う熱交換器対数平均温度差減少による飽和温度上昇という二つの効果が含ま並びに、熱伝達率向上に伴う熱交換器対数平均温度差減少による飽和温度上昇という二つの効果が含まれる
並びに、熱伝達率向上に伴う熱交換器対数平均温度差減少による飽和温度上昇という二つの効果が含まれるため、伝熱管評価指標として使用した。この温度が高いほど効率向上が期待できる。図から、低熱交換れるため、伝熱管評価指標として使用した。この温度が高いほど効率向上が期待できる。図から、低熱交換ため、伝熱管評価指標として使用した。この温度が高いほど効率向上が期待できる。図から、低熱交換量でれるため、伝熱管評価指標として使用した。この温度が高いほど効率向上が期待できる。図から、低熱交換量ではNo.1の三角フィンが、高熱交換量ではNo.10のスリムハイフィンが優れていることが分かる。
量ではNo.1の三角フィンが、高熱交換量ではNo.10のスリムハイフィンが優れていることが分かる。
は量ではNo.1の三角フィンが、高熱交換量ではNo.10のスリムハイフィンが優れていることが分かる。
No.1 の三角フィンが、高熱交換量では No.1 0 のスリムハイフィンが優れていることが分かる。

図
蒸発器用試験風洞
図333 蒸発器用試験風洞
蒸発器用試験風洞
図
本試験風洞をヒートポンプ性能評価試験設備内
本試験風洞をヒートポンプ性能評価試験設備内
図 3 蒸発器用試験風洞
本試験風洞をヒートポンプ性能評価試験設備内に設置し、コーティング材を施した蒸発器の着に設置し、コーティング材を施した蒸発器の着に設置し、コーティング材を施した蒸発器の着本試験風洞をヒートポンプ性能評価試験設備
霜・除霜特性の把握や、着霜しないヒートポンプ霜・除霜特性の把握や、着霜しないヒートポンプ霜・除霜特性の把握や、着霜しないヒートポンプ内に設置し、コーティング材を施した蒸発器システムの研究開発などを行う。
システムの研究開発などを行う。
システムの研究開発などを行う。の着霜・除霜特性の把握や、着霜しないヒートポンプシステムの研究開発などを行う。

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