三菱重工技報 Vol.48 No.4 (2011) 航空宇宙特集

製 品 紹 介86

外気温度－25℃まで使用可能な業務用ＣＯ2 ヒートポンプ給湯機“キュートン”を開発
The Development of the CO2 Heat Pump Hot Water Supply Unit for Business Usethat can be Operated Down to -25 Degrees Celsius of Outside Air Temperature

冷熱事業本部
ヒートポンプ事 業 推 進 室

給湯機器，暖房機器はオイル，ガス焚きが主流であったが，地球温暖化防止のため CO2 排出量の少ないヒートポンプへの移行が進んでいる．特に，Global Warming Potential(GWP) が１である CO2 冷媒を用いたヒートポンプ給湯機は，冷媒の特性上高い出湯温度を得ることができる利点から，温暖な地域を中心に家庭用では既に普及し業務用でも市場に浸透しつつある．
一方，寒冷地では低外気温時の加熱能力低下とエネルギー効率低下から，設置台数増加によるイニシャルコストの増加とランニングコストの増加の問題があり，業務用途では北海道や東北北部の寒冷地で十分普及するに至っていない．当社はこれら課題を克服し寒冷地での地球温暖化防止に貢献するため，新開発の２段スクロータリー圧縮機を採用し低外気温度時の加熱性能を大幅に向上させた業務用 CO2 ヒートポンプ給湯機“キュートンＥＳＡ３０”（加熱能力 30kW，以下キュートン）を開発した．

|1. 特長（1） 世界初の２段スクロータリー圧縮機を採用
キュートンでは低外気温度時の性能を大幅に向上させるために，新開発の世界初２段スクロータリー圧縮機を採用した．スクロータリー圧縮機を図１に示す．この圧縮機は，圧縮行程を２段階とし，低段側に低圧力比での圧縮効率に優れたロータリー圧縮機構，高段側に高圧力比での圧縮効率に優れたスクロール圧縮機構を配置し，ハウジング内を中間圧とした事を特長とする．これにより以下のメリットが得られる．２段階に圧縮することで圧縮工程での漏れ損失を低減し高い圧縮効率を得ることができる．２つの圧縮機機構の間の中間圧ハウジングに冷媒ガスをインジョクションすることで，加熱側（ガスクーラ）冷媒循環量を増加させ加熱能力を増加させることが可能である．
（2） スクロータリー圧縮機中間圧へのガスインジェクション冷凍サイクルを採用
図２にスクロータリー圧縮機を用いた冷凍サイクルを示す．

図１ ２段スクロータリー圧縮機

図２ 冷媒サイクルモリエル線図

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２段圧縮したことで最適な中間圧力とインジェクション量に制御が可能となった．単段圧縮サ
イクル対比では，冷媒は膨張後の最適な中間圧力状態で液とガスに分離され，ガスは直接圧縮機中間圧ハウジングに吸入されるので，ガスクーラ冷媒循環量が増加し加熱能力をアップする．蒸発器へ流れる液冷媒の循環量は減少するため，圧縮機電気入力（消費電力）が低減しエネルギー効率が向上する．
（3） 低外気に強いキュートンの加熱能力特性，省エネ性
本機の外気温度ごとの加熱能力特性とエネルギー効率（ＣＯＰ; Coefficient Of Performance＝加熱能力/消費電力）を，他社システムと比較した結果を図３，図４に示す．図３は，外気温度に対する能力比をプロットしたもので，各社の中間期の加熱能力を 100％として，外気温度に対する加熱能力を中間期対比の比率で示す．他社インバータ機は外気温０℃で加熱能力が低下しているのに対し，キュートンは外気温度が－７℃まで加熱能力を維持することが可能である．また他社機が外気温度－15℃で加熱能力が 70％以下まで低下してしまうのに対し，当社機は外気温度が－20℃まで 70％以上の加熱能力を発揮することが可能である．

図３ 外気温と加熱能力

図４は，外気温度に対するＣＯＰの変化を比較したものである．各社とも，外気温度の低下に従いＣＯＰも低下するが，キュートンはＣＯＰの低下が最も少なく，外気温度が－25℃でもＣＯＰは 2.27 の性能を有す．さらに，他社機は外気温度－７℃でのＣＯＰは 2.0 以下となるが，キュートンのＣＯＰは 38％上回る．一次エネルギー換算効率では約 92％（受電端効率 33％と仮定）となるので，ボイラ効率を上回ることが可能となった．

図４ 外気温とエネルギー効率

2010 年 12 月から寒冷地３箇所（北海道，岩手，富山）でボイラ代替機器としてフィールド試験を実施しており，加熱能力，省エネ性，および寒冷地での信頼性（水配管やドレン水の凍結防止対策，室外熱交換器着霜・除霜対策，冷凍サイクル・電装部品の使用範囲）は検証した．
冬期でのランニングコストとＣＯ2 排出量の低減効果の結果を表１に示す．データは各設置場所で計測した消費電力量から電気料金を算出し，また計測した加熱能力から従来のボイラが運転した場合の燃料代を算出し比較したものである．消費電力量には，機内水配管などの凍三菱重工技報 Vol.48 No.4 (2011)

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結防止ヒータ分を含んでいる．結果，ランニングコストは従来燃料代比 43～54％となり半減し，ＣＯ 2 排出量は 従来比 53～63％となった．外気温度が上昇する中間期や夏期条件ではＣＯＰの向上が期待でき，また凍結防止対策も不要となるので，年間ではランニングコス
ト，ＣＯ2 排出量ともに，約１／３程度まで低減が見込める．
また北海道では外気温度が－20℃を下回る条件も出現したが，給湯設定温度 90℃の出湯と計画通りの加熱能力を発揮し，ヒートポンプ運転が問題なく可能であることを確認した．
表１ フィールドテストでの実績
地域北海道

岩手富山

物件
施設（道東）
厨房・手洗い工場
厚生施設
工場ボイラ
給水加温

従来燃料データ
取得期間
Ｈ22 年 12 月～
H23 年 1 月
Ｈ23 年 1 月～3 月
Ｈ23 年 1 月～2 月

Ａ重油

灯油
Ａ重油

ランニング
コスト

CO2
排出量

（従来燃料比）（従来燃料比）

50％

65％

43％

59％

54％

53％

図５ タッチ式パネルリモコン(4) タッチリモコンで省エネ運転のためのきめ細かい設定が可能
業務用ＣＯ2 ヒートポンプ給湯機の省エネ性を高めるためには，物件ごとに給湯負荷に見合った蓄熱運転を行うよう熱源機の運転管理を行う必要がある．本機リモコン（図５）には，ピーク
カットタイマ，ウィークリタイマ，貯湯温度設定，貯湯量推移表示，Ｑ＆Ａ表示などの機能を持たせ，お客様のニーズにあった運転を可能とした．また，熱能力 30ｋＷの機器を１リモコンで最大16 台（480ｋＷ）までを連結した制御が可能とし，操作性の向上を図っている．
（5） お客様ニーズに合わせ密閉式，開放式タンクの選択
お客様のニーズにお答えし，また現状設置機器からのリニューアルをしやすくするため，蓄熱タンクは密閉式，開放式の両方式を用意．熱源機も両方式への対応が可能で，幅広い市場対応が可能な仕様となっている．
（6） 万一の故障時にも安心，保守点検メニューと 24 時間サービス受付を用意
お客様サポートプランとして長期（13 年）にわたり安心してご使用いただける“プレミアム”と標準の“スタンダード”（６年）をご用意しており，お客様のニーズや機器の使用状況に合わせた契約が可能．いずれのメニューも，24 時間監視システムで機器異常発生時に当社サービスセン
タに異常が報告されるシステムで安心・安全を確保している．

|2.仕様
表２に業務用ＣＯ2 ヒートポンプ給湯機“キュートン”の性能緒元を示す．
表２ “キュートン”の仕様仕様
中間期加熱性能※
外気温 16DB/12WB
入水 17℃ 出湯 65℃

キュートンＥＳＡ３０

加熱能力

kW30

消費電力

kW

6.98

COP－4.3

加熱能力kW308.0

冬期加熱性能※外気温 7DB/6WB
入水 9℃ 出湯 65℃

消費電力

kW

COP－3.75

外形寸法

H×W×Dmm

1 690×1 350×720

kg

365

重量
冷媒
使用温度範囲法定冷凍トン

Ｒ744（ＣＯ2）
外気温度℃

入水温度℃

－25～43
5～63

出湯温度℃

60～90
2.98

※加熱能力，消費電力，ＣＯＰの計測条件は日本冷凍工業会規格ＪＲＡ４０６０業務用ヒートポンプ給湯機の性能に準拠