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地中熱ヒートポンプシステム改修前後のエクセルギー解析(1) なぜエクセルギー解析を使うの

エネルギー解析

熱の仕事として利用できる度合いの下降、すなわちエクセルギーが次第に消費されていくこ

とによって最終需要先までにどのようにして到達するかを明示的に表現することはできない。

Reference: http://www.lowex.net/guidebook/the_exergy_%20approach/the_exergy_%20approach.htm

http://www.cocos.nl/en/545/Exergie/Exergie.html

エネルギーの量: A = B

エネルギーの質: A > B

エクセルギーの量: A > B

A B

エネルギーの視点から

Natural gas 100% Condensing boilerEnergy

100%

Natural gas 100% Condensing boiler Exergy

8%

エクセルギーの視点から

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地中熱ヒートポンプシステム改修前後のエクセルギー解析(2) 対象システムの概要

蓄熱槽

設計値 設計値

ヒートボンプ電力 [kW] 20.1(冷却), 30.3(加熱) システム電力[kW] 35.7

冷却水側ポンプ電力[kW] 11.9 生産熱量[kW] 101.1(冷却), 121.2(加熱)

冷温水側ポンプ電力[kW] 3.7 単体COP 5.0(冷却), 4.0(加熱)

２対10本

熱源：

シングルUチューブ

100ｍ×10本

地下水循環のため

の井戸２対

ヒートポンプ

冷温水ポンプ

蓄熱ポンプ

ボアホールポンプ

井戸熱交換ポンプ

井戸ポンプ

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地中熱ヒートポンプシステム改修前後のエクセルギー解析(3) 解析対象とそのエクセルギーの流れ

投入Exergy

システム：

冷却水と冷媒の間の隔板：

冷媒：

消費されるExergyと環境へ正味逃げるExergy 利用されるExergy

冷媒と冷水間の隔板：, , ,c cw cons cond c refX X X

, , , , , , ,comp pump c cw cons cond cons ref cons evap cons chw gain chw loss ref HEE E X X X X X X X X

, , , ,comp c ref loss ref cons ref e refE X X X X

, , ,e ref cons evap e chwX X X

, , ,pump e chw cons chw HE gain chwE X X X X 冷水：

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地中熱ヒートポンプシステム改修前後のエクセルギー解析(4) 解析結果と考察

𝑿c,cw [kW] ：凝縮器で冷却水の吸熱によって放出されるエクセルギー； 𝑬pump

[kW] ：ポンプの電力； 𝑬comp [kW] ：圧縮機の電力； 𝑿HE [kW] ：熱交換

器で冷水の吸熱によって放出されるエクセルギー； 𝑿gain,chw [kW] ：外界から冷水

回路に侵入する熱量によって放出されるエクセルギー； 𝑿loss,ref [kW] ：冷媒回路

内部から外界へ逃げる正味熱損失によって吸収されるエクセルギー； 𝑿cons,chw

[kW]：冷水回路で消費されるエクセルギー； 𝑿cons,evap [kW] ：冷媒と冷水の熱

交換によって消費されるエクセルギー； 𝑿cons,ref [kW] ：冷媒回路で消費されるエ

クセルギー； 𝑿cons,cond [kW] ：冷却水と冷媒の熱交換によって消費されるエクセ

ルギー

改修内容：

コンプレッサー⇒インバーター化水配管系のポンプ類⇒インバーター化ヒートポンプ製成冷水⇒温度調節

,HE comp pump c cwX E E X 1 comp pump HE HEE E X X 2 ,cons ref HEX X 3 ,cons chw HEX X

評価指標：

システムのエクセルギー効率β単位利用されるエクセルギー流率当たりの正味投入電力η1単位利用されるエクセルギー流率当たりの冷水回路で消費されるエクセルギー流率η2単位利用されるエクセルギー流率当たりの冷媒回路で消費されるエクセルギー流率η3

26.4%

2.32

1.89

0.43 33.8%

1.68

1.34

0.12

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

[-]

Initial After the renovation and modification

β η1 η2 η3

性能↑

1.4 2.1

12.8 10.4

1.3 1.8

2.9 0.9

19.7 20.0

2.7 0.9

3.2 2.1

6.8 7.8

0.4 0.03

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Rare

of

Exer

gy [

kW

]

Xgain,chw-Xloss,ref XHE

Xc,cw Epump

Ecomp Xcons,chwInput

Before transformation After transformation

Consumption

OutputOutput

Input

Consumption