新設設備部門省エネルギーセンター最優秀賞極寒冷地における排熱回収を利用した熱回収カスケード型ヒートポンプシステム設備所有者：よつ葉乳業株式会社　十勝主管工場設備施工者：株式会社ダイキンアプライドシステムズ
建物の概要
名 称：よつ葉乳薬㈱十勝主管工場所在地：北海道河東郡音更町新通20丁目3番地概  要：建屋  地上３階建延床面積　約16,253m²構造用途 食品工場
1．システム開発の目的とその背景
目的
近年、ヒートポンプシステムは、省エネルギー性、環境性及び経済性から、普及率は年々増加し、更なる高効率化や温水の高温取出しが可能な装置の開発が進んでいる。しかしながら、寒冷地における暖房システムは、灯油または重油を燃焼させるボイラ等の熱源を利用したシステムが大半を占めている。ヒートポンプが普及されていない理由として、立ち上がりのスピード、低外気における効率の低下と加熱能力の減少、デフロスト時の対応などが挙げられ、これらの問題を解決することがヒートポンプ導入への課題となる。今回、低炭茶環境負荷低減型モデル工場をコンセプトとし、北海道に拠点を置くよつ築乳菜(株)乳製品工場の新築を計画する際、その手法の一つとして、工場内での未利用エネルギーを有効活用し、省エネ及び環境負荷低減を行うこととした。次項に、計画前での事前調査内容を含め、本システムに至る経緯を記載する。
乳製品工場の特性
乳製品工場新築において、以下の範囲を設計・施工する。 ①チルド水供給設備②工場空調設備（冷房／暖房） ③蒸気供給設備①圧縮空気供給設備⑤清水供給設備⑥給湯設備これらのうち、①チルド水供給設備は、水蓄熱ユニットを介して年間を通じて0.0〜0.5℃の冷水を、製品冷却用として供給している。冷熱源には水冷式冷凍機を利用している。 ②工場空調設備は、夏季冷房用として水冷式又は空冷式冷凍機を、中間期から冬季の暖房には蒸気ボイラによる蒸気を加熱源に利用している。
2．設備・システムの概要
既存方式
図１に、冬季での既存システムの設備フローを示す。①チルド水供給設備と、②工場空調設備は、それぞれ単独のシステムとなっており、冷凍機によるチルド用冷水供給と、蒸気ポイラによる暖房空調をそれぞれ行っている。空調用冷凍機は冷房専用であり、中間期から冬季の暖房期間は停止している。冬季の暖房空調は、蒸気ボイラを熱源としているが、暖房で使用する温度は、45～50℃で対応可能である。一方、チルド用冷凍機は、一年中冷却負荷がある。その冷却工程で冷凍機より発生する排熱は、冬季でも冷却塔より大気に放熱している。今回、この冬季に放熱されている排熱を暖房用ヒートポンプに利用することに着眼した。経平成21年平成22年平成23年設計、仕様検討施工、試運転等引渡し等熱回収カスケード型ヒートポンプシステム今回開発した冬季におけるシステムフローを図2に示す。既存方式ではそれぞれ単独での構成となっていた工場空調設備とチルド水供給設備を連携したシステムとし、冷却塔で放熱していた冷却排熱を空調用冷凍機の冷却側に利用することで、ヒートポンプで温プラインをつくり暖房を行う。従来棄てていた未利用エネルギーを有効活用することで、ヒートポンプを利用した効率の良い設備としている。結果、蒸気量を減らすことができ、CO₂発生量を抑えることを可能とする。主要機器・空調用冷凍機× 2台冷房能力453kW/台　暖房能力578kW/台・チルド用冷凍機× 3台冷却能力328kW/台・水蓄熱ユニット×３基蓄熱量2,816kWh/基・客閉式冷却塔、温プラインタンク、熱交換器類、ポンプ類、制御機器類等一式2013年4月5月合併号
3.着想
排熱の利用
-25℃の極寒冷地においてヒートポンプシステムによる安定した暖房を行うためには、外気以外の熱利用が必要となる。本件では、冬季も安定した発生量があるプロセス冷却での排熱利用に着目した。今回、暖房用のヒートポンプ熱源には配管経路をチルド用冷凍機へ切替ることで、空調用冷凍機を対応させた。これにより、空調用冷凍機は年間を通した利用が可能となる。チルド水供給設備からの冷却排熱の変動に対して、空調用冷凍機のヒートポンプ運転による暖房運転を対応させるために、余剰排熱を冷却塔で放熱させ、排熱量不足の対策として、バックアップ用の蒸気熱交換器を組み合わせている。冷却排熱と空調用冷凍機における熱の収支の実測データを図３に示す。チルド水供給設備からの排熱の一部が、空調用冷凍機で回収され、余剰排熱分を冷却塔で放熱している。
4.効果（省エネルギー）
省エネルギー効果を表1に示す。①、②は導入前の計画値を示し、④は３月〜11月までの実測データと、暖房運転の３月、４月、11月データを元に想定した１月、２月、12月を表したものである。また、③既存方式は④と同じ負荷とした場合で算出している。実測負荷の比較③と④において、[CO₂発生量： 70％、エネルギー費：74％］は、計画時の［CO₂発生量：60％、エネルギー費：63％］に対して、 10％程度低い値を示しているが、稼働率が上がれば、計画値に近い効果が見込めるであろう。
5.投資回収(省マネー)
【導入後想定値】 A：本設備の施工費※従来設備と本設備との差額=50,000千円B：年間削減エネルギー費用（実測） =49,906千円－36,961千円/年=12,945千円/年    (表１より)投資回収年数（A／B）は、3.9年となる。
6.他の建物への応用性
乳製品工場に限らず食品工場の製造工程は、加熱と冷却が必要であり、加熱には蒸気ポイラが多く採用されている。近年ヒートポンプによる高温取出しが可能な機器が普及してきたことで、ヒートポンプ利用による温度帯が広がり、温水への転換によるシステム構築は容易になりつつある。ただし、安定した冷却熱の有無と、その投資対効果が問題となってくる。本システムでは、未利用エネルギーであった中温排熱（20～30℃）を利用し、ヒートポンプで高温化（50℃）している。ヒートポンプ機器の利用による高効率化だけでなく、工場の排熱を利用するシステムを取り込む事により、更なる省エネルギー化が可能となる。また冬季に冷凍機を停止させること無く、年間稼働させている点においても、投資対効果は向上する。以上より、食品工場においては極寒冷地に限らず、本方式でのヒートポンプが数多く使用されることが可能である。また暖房空調に限らず、製品プロセスでの加熱用途に広げるとさらにその範囲拡大に繋がる。 7．仕様又は開発製品、システム、部品等の仕様特許出願及び申請済み2001 — 304618号排熱回収を利用したヒートポンプシステム
8．環境保全、便利性等
【導入前CO₂削減量（計画値）】 (図４) 3,488ton-CO 2 /年一2,104ton-CO 2 /年
電力量③　＝　実測負荷（チルド及び裕房）を既存方式でのチルド供給設備及び工場空調設備のCOPより算出蒸気量③　＝　実測暖房負荷を蒸気で対応した場合で算出注記）CO2排出量単位電気：0.485ton-CO2/MTh (北海道電力2011年度実績値) （水80℃⇒蒸気1, 3MPaのエンタルピー差［2, 449kJ/kg］） / （ポイラ効率0, 87）蒸気：0.2016ton-CO 2 /ton × （C重油のCO,発生量0.0716kg-00,/MJ）/1,000 =1,384ton-CO 2 /年（▲40％） 【導入後CO₂削減量（寒測値からの想定)】 2,065ton-CO 2 /年一1,441ton-CO 2 /年=624ton-CO 2 /年（▲30％）
9.工夫した点、発想した点、創作した点、新し
い点等、設備の特徴開発した暖房運転時におけるシステムフローを図５に示す。 (1)系内密閉サイクル暖房運転において、熱交換器を使わずに、空調用冷凍機の冷プラインとチルド水供給設備の冷却プラインをミキシングさせることで、熱ロスを出さないようにしている。そのため、冷温プライン・冷却プライン配管系統は同一系密閉サイクルとしている。また、密閉方式のその他の利点として、系内使用流体が空気に触れることが無い為、プラインに汚れが発生せず、プレート内部の汚れや、ゴミ詰まりが無く、熱媒体系はほぼメンテナンスフリーである。
(2)空調用冷温ブラインとチルド水供給設備の
冷却水の流路切替
空調用冷プラインヘッダと温プラインタンク(冷却ブラインタンク)の出入口に自動バルプを設置し、冷房運転一暖房運転で開閉動作を逆転させ、流路を切り替えている。冷房時は冷プラインヘッダから冷プラインを空調機へ供給する空調用系統になり、温プラインタンクは冷却プラインタンクとなる。暖房時においては、冷プラインヘッダがチルド水供給設備からの冷却プライン系統に繋がり、温プラインタンクは50℃の空調温プラインタンクとなる。
(3)温水の大温度差設計
暖房時、既存の蒸気利用による暖房空調から、温水供給に変更しているため、ポンプの搬送動力の増加が発生する。これらを最小限にするため、 10℃の大温度差設計として暖房時の搬送動力の低減化を図っている。暖房時の実運転データでの温度差は、図６に示すように、平均10.8℃で推移している。 10.市販性、販売状況、適用市場の大きさ、競合品又はシステムの比較、販売実績(国内、外)等食品工場のほとんどで、一年中冷却負荷があり、未利用エネルギーが棄てられている。この市場におけるヒートポンプの需要は、寒冷地である北海道の食品工場において実績が残せたことにより、全国への拡大につながり、環境負荷の低減に大きく貢献することができる。