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太陽熱空気集熱器と PCMパネルを組み合わせた換気予熱システムの試作Prototype of Ventilation Preheating System by Solar Thermal Collector Combined with PCM Panel

北海道大学　建築環境学研究室工藤　和樹

はじめに実験 1 実験2

総括

1. はじめに

研究背景

北海道の住宅は高断熱・高気密化の進展によりさらなる性能向上による省エネルギー実現が厳しい

日射を利用した外気負荷の削減に注目＜問題点＞　日中の在宅者の少ない時間帯にしか効果を得られない

蓄熱システムとの組み合わせにより解決2


総括

1. はじめに

蓄熱システムに関して蓄熱システム

顕熱蓄熱システム顕熱蓄熱材潜熱蓄熱材

潜熱蓄熱システム本研究で使用

• 相変化に伴う潜熱を蓄熱• 融点を自由に設定可能• 蓄熱後、融点付近の温度で長時間安定して放熱可能• 顕熱蓄熱材よりも比熱が小さく、少量で同等の熱量を蓄熱可能

以後、 PCMと呼ぶ

3


総括

1. はじめに

研究目的

PCMパネルを作成し、太陽熱空気集熱器との組み合わせにより日中得られる太陽熱の夜間移行を可能とする換気予熱システムの構築を目的とする

2つの実験によって PCMパネル及びシステムの性能を検証した

4


総括

PCMパネル温度変動実験

5

6


総括

2.1 PCMパネル温度変動実験

換気予熱システムに装着する PCMパネルの性能を検証する

蓄放熱量と効果時間を定義し評価した


総括

2.1 PCMパネル温度変動実験実験風景

実験概要PCMパネルを 7種類作成し、実験装置に設置し実験を行った中密度繊維板を加工して通気口と PCM充填部を確保したものに PCMを充填したパネル

PCMパネル 7


総括


実験装置

PCMパネルしきり板 (空気拡散用 )不織布

EPS設置型冷暖房機

ダンパー

風量計

断面図

空気の流れ測定位置

出口温度

入口温度[℃]融点 26[℃]凝固点 24

( )[kg/m³]密度液相 790( )[kg/m³]密度固相 980

[kJ / kg]融解熱量 200

出口温度 1

出口温度 2

出口温度 3

PCM物性値

平均値

8

9


総括


実験装置

PCMパネルしきり板 (空気拡散用 )不織布

EPS設置型冷暖房機

ダンパー

風量計

断面図

空気の流れ測定位置

出口温度

入口温度[℃]融点 26[℃]凝固点 24

( )[kg/m³]密度液相 790( )[kg/m³]密度固相 980

[kJ / kg]融解熱量 200

出口温度 1

出口温度 2

出口温度 3

PCM物性値


総括


実験結果実験結果 (PCMパネル

2)

10

8:30

8:47

9:04

9:21

9:38

9:55

10:1

210

:29

10:4

611

:03

11:2

011

:37

11:5

412

:11

12:2

812

:45

13:0

213

:19

13:3

613

:53

14:1

014

:27

14:4

405

101520253035404550

020406080100120140160180200

Time

温度[

]℃

蓄放熱量

[W]

入口温度出口温度室温蓄放熱量


総括


実験結果


8:30

8:47

9:04

9:21

9:38

9:55

10:1

210

:29

10:4

611

:03

11:2

011

:37

11:5

412

:11

12:2

812

:45

13:0

213

:19

13:3

613

:53

14:1

014

:27

14:4

405

101520253035404550

020406080100120140160180200

Time

温度[

]℃

蓄放熱量

[W]

放熱効果時間効果時間の算出

11

入口温度と出口温度の差が0.5℃になるまでかかる時間


総括


実験結果

蓄熱蓄熱完了12

蓄熱完了放熱入口温度出口温度室温蓄放熱量

8:30

8:47

9:04

9:21

9:38

9:55

10:1

210

:29

10:4

611

:03

11:2

011

:37

11:5

412

:11

12:2

812

:45

13:0

213

:19

13:3

613

:53

14:1

014

:27

14:4

405

101520253035404550

020406080100120140160180200

Time

温度[

]℃

蓄放熱量

[W]

総蓄熱量 (12:00-15:00)積算蓄熱量 = 90%　になるまでかかる時間

蓄熱効果時間


総括


実験結果各パネルの実験結果

PCMパネル 1 PCMパネル 2 PCMパネル 3 PCMパネル 5

PCM充填部通気口

13

パネル名放熱効果時間蓄熱効果時間効果時間内[kJ ]放熱量

効果時間内[kJ ]蓄熱量

PCM 1パネル 2h25min 2h17min 155 239PCM 2パネル 2h51min 2h17min 166 282PCM 3パネル 2h08min 2h07min 125 195PCM 5パネル 2h23min 2h10min 161 214

300m

m

300mm 300mm 300mm300mm


総括


実験結果各パネルの実験結果

14

パネル名放熱効果時間蓄熱効果時間効果時間内[kJ ]放熱量

効果時間内[kJ ]蓄熱量

PCM 1パネル 2h25min 2h17min 155 239PCM 2パネル 2h51min 2h17min 166 282PCM 3パネル 2h08min 2h07min 125 195PCM 5パネル 2h23min 2h10min 161 214

PCMパネル 1 PCMパネル 2 PCMパネル 3 PCMパネル 5

300m

m

300mm 300mm 300mm300mm


15


総括

PCMパネル伝熱特性把握


総括

2.2 PCMパネル伝熱特性把握

蓄熱速さの検証

16

システム実用化にあたっては、 PCMパネルに日中の限られた時間でより多くの熱を蓄熱させる必要がある

ここまでの蓄熱量の実験結果を用いて、蓄熱の速さを検証した


総括


蓄熱速さの検証蓄熱量推移

測定風量 15[m3/h] 測定風量 25[m3/h]

17

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

110

120

130

1400

50

100

150

200

250

300

蓄熱経過時間 [分 ]

積算蓄熱量[

kJ]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

110

120

130

1400

50

100

150

200

250

300

蓄熱経過時間 [分 ]積算蓄熱量[

kJ]

PCMパネル 2 PCMパネル 3 PCMパネル 4PCMパネル 6

PCMパネル 1PCMパネル 5 PCMパネル 7


総括


蓄熱速さの検証蓄熱量推移

18

測定風量 15[m3/h] 測定風量 25[m3/h]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

110

120

130

1400

50

100

150

200

250

300

蓄熱経過時間 [分 ]

積算蓄熱量[

kJ]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

110

120

130

1400

50

100

150

200

250

300

蓄熱経過時間 [分 ]積算蓄熱量[

kJ]

PCMパネル 2 PCMパネル 3 PCMパネル 4PCMパネル 6

PCMパネル 1PCMパネル 5 PCMパネル 7


総括


PCMパネル伝熱特性把握結果から他よりも明らかに速く蓄熱している PCMパネルが存在した

PCMパネルの形状の最適化の可能性

より詳細に PCMパネルの伝熱特性を把握するため数値モデルを作成し PCMパネルの熱伝達率の検証を行った19


総括


PCMパネル伝熱特性把握実験値と解析値の比較 (PCMパネル2)

0 14 28 42 56 70 84 98 112

126

140

154

168

182

196

210

224

238

252

266

280

294

308

322

336

350

364

3780

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

経過時間 [分 ]

温度[

]℃

熱伝達率 10 熱伝達率 15 熱伝達率 20熱伝達率 30実験値出口温度熱伝達率 25 熱伝達率の単位 [W/m2K]

20

21


総括



0 14 28 42 56 70 84 98 112

126

140

154

168

182

196

210

224

238

252

266

280

294

308

322

336

350

364

3780

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

経過時間 [分 ]

温度[

]℃


実験値と一致する熱伝達率存在せず

0 14 28 42 56 70 84 98 112

126

140

154

168

182

196

210

224

238

252

266

280

294

308

322

336

350

364

3780

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

経過時間 [分 ]

温度[

]℃

22


総括




実験値とグラフ形状は似ているが一致せずPCMパネル木枠の熱容量の影響大

23


総括


PCMパネル伝熱特性把握

今回の解析モデルに PCMの木枠は考慮されていない

今後、木材の計算モデルも入れて数値解析を行う


総括

太陽熱空気集熱器と PCMパネルの組み合わせによる実大実験

24


総括

3. 太陽熱空気集熱器と PCMパネルの組み合わせによる実大実験

実験概要

本研究のシステムを住宅に導入した場合の動作確認と性能の検証を行った

実験風景25


総括


実験装置断面図

PCMパネル (6枚 )

不織布EPS

ダンパー風量計入口温度

空気の流れ測定位置太陽熱空気集熱器から26

出口温度

平均値


総括


実験結果10 月 11日 ( 天候　晴 ,日照時間　

10.8h)

入口温度出口温度太陽熱集熱器入口温度日射量ファン稼働時間27

0:01 2:45 5:29 8:13 10:5713:4116:2519:0921:53 0:37 3:210

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

2,000

Time

温度[

]℃

日射量[

W/m

2]


総括



10.8h)

0:01 2:45 5:29 8:13 10:5713:4116:2519:0921:53 0:37 3:210

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

2,000

Time

温度[

]℃

日射量[

W/m

2]


蓄熱量　約 960kJ

0:01 2:45 5:29 8:13 10:5713:4116:2519:0921:53 0:37 3:210

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

2,000

Time

温度[

]℃

日射量[

W/m

2]


総括



10.8h)


日射量減少後空気温度も低下蓄熱量　約 960kJ

0:01 2:45 5:29 8:13 10:5713:4116:2519:0921:53 0:37 3:210

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

2,000

Time

温度[

]℃

日射量[

W/m

2]


総括



10.8h)


蓄熱未完了

放熱量　約 456kJ　　蓄熱量の半分以下

蓄熱量　約 960kJ


総括


実験結果

現状のシステムではPCM量を確保するため平面的に PCMパネルを配置している

設置面積当たりの PCM量を確保できる仕組みの検討が必要

31

4.総括


総括総括（ 1 ）実験によって、各 PCMパネルの性能を検証した結果、 PCMパネルの形状の最適化の可能性が明らかになった。（ 2 ）解析ツールを用いて数値モデルを作成し、 PCMパネルの熱伝達率を検証した結果、計算モデルの再検討と、より詳細な熱伝達率の評価が必要となった。（ 3 ）実大実験を行った結果、システムの性能向上には設置面積当たりの PCM量を確保できる仕組みが必要となった。

32


総括

2. PCMパネル性能実験と伝熱特性把握

補足　 PCMパネルについてPCMパネル作成手順

290

300

450

40

40

20

20

34


総括


補足　実験結果

26

30026

450

290

50

50

15

15PCM充填部面積

[cm²]通気口面積[cm²]

PCM充填量[g]

測定風量[m³/ h]

通過風速[m/ s]

479 44.2 504 16 1.13

PCMパネル2

PCM充填部通気口部

PCM充填部合計　 479cm2

PCM　計 504g

35


総括



26

30026

450

290

50

50

15

15PCM充填部面積

[cm²]通気口面積[cm²]

PCM充填量[g]

測定風量[m³/ h]

通過風速[m/ s]

479 44.2 504 16 1.13

PCMパネル2

PCM充填部通気口部

PCM充填部合計　 479cm2

通気口合計　 44.2cm2

PCMは融解しなければ蓄熱されない

1 穴の面積が大きい PCM充填部を中心から溶かせるように配置

PCM　計 504g

36

37


総括




8:30

8:47

9:04

9:21

9:38

9:55

10:1

210

:29

10:4

611

:03

11:2

011

:37

11:5

412

:11

12:2

812

:45

13:0

213

:19

13:3

613

:53

14:1

014

:27

14:4

405

101520253035404550

020406080100120140160180200

Time

温度[

]℃

蓄放熱量

[W]

蓄放熱量の算出

2779[W]

𝑄𝑝𝑐𝑚=𝑐 𝜌𝑉 (𝜃𝑜𝑢𝑡−𝜃𝑖𝑛)

9:00-12:00(3時間 )の総放熱量

38


総括




8:30

8:47

9:04

9:21

9:38

9:55

10:1

210

:29

10:4

611

:03

11:2

011

:37

11:5

412

:11

12:2

812

:45

13:0

213

:19

13:3

613

:53

14:1

014

:27

14:4

405

101520253035404550

020406080100120140160180200

Time

温度[

]℃

蓄放熱量

[W]

蓄放熱量の算出

5235[W]

𝑄𝑝𝑐𝑚=𝑐 𝜌𝑉 (𝜃𝑖𝑛−𝜃𝑜𝑢𝑡)

12:00-15:00(3時間 )の総放熱量

総蓄熱量　 5235[W]総放熱量　 2779[W]

39


総括


補足　 PCMパネル伝熱特性把握PCM融解過程サーモカメラと目視により PCMパネル内の PCM融解過程を検証した通気口外配置型

• 下面から徐々に溶けていく• 終盤は上表面に薄く溶け残りその後完全に融解• 平面的な伝熱はほぼなし

PCM融解部 PCM 非融解部PCMパネル木枠送風方向


40


総括


補足　 PCMパネル伝熱特性把握PCM融解過程サーモカメラと目視により PCMパネル内の PCM融解過程を検証した通気口中配置型

• 下面から徐々に溶けていく• 中に通気口がある PCMは通風に引っ張られるようにして内側からも融解



41


総括


補足　 PCMパネル伝熱特性把握PCM融解過程サーモカメラと目視により PCMパネル内の PCM融解過程を検証した通気口近接外配置型

• 下面から徐々に溶けていき、　平面的な伝熱の影響も大きい• 終盤は上表面に小さく溶け残りその後完全に融解




総括


補足　 PCMパネル伝熱特性把握

風量・空気と PCM間の総合熱伝達率・ PCMの質量をパラメータとして数値モデルを作成し、出口温度を算出した

熱伝達率は不明なため逐一解析ツールにあてはめながら出口温度の解析値と実験値が一致するか確認した

42

43


総括


補足　 PCMパネル伝熱特性把握実験値と解析値の比較 (PCMパネル

2)

0 14 28 42 56 70 84 98 112

126

140

154

168

182

196

210

224

238

252

266

280

294

308

322

336

350

364

3780

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

経過時間 [分 ]

温度[

]℃


小大

小大

熱伝達率


総括


補足　 PCMパネル伝熱特性把握数値解析

0 19 38 57 76 95 114

133

152

171

190

209

228

247

266

285

304

323

342

361

3800

5101520253035404550

経過時間 [分 ]

温度[

]℃

33 44 55 66 77 88 99 110

121

132

143

154

165

176

187

198

2090

500

1000

1500

2000

2500

3000

経過時間 [分 ]

積算放熱

量[W]


44


総括


補足　 PCMパネル伝熱特性把握数値解析

0 19 38 57 76 95 114

133

152

171

190

209

228

247

266

285

304

323

342

361

3800

5101520253035404550

経過時間 [分 ]

温度[

]℃

213

223

233

243

253

263

273

283

293

303

313

323

333

343

353

363

3730

1000

2000

3000

4000

5000

6000

経過時間 [分 ]

積算蓄熱

量[W]


45

46


総括



0 14 28 42 56 70 84 98 112

126

140

154

168

182

196

210

224

238

252

266

280

294

308

322

336

350

364

3780

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

経過時間 [分 ]

温度[

]℃


実際は、木枠の顕熱と熱容量が大きい

解析値の傾きが緩やかになり実験値側に近づく


総括


補足　実験概要

47

北方型実験住宅2008 10年月66.24m2（平屋）1.6W/m2K1.2cm2/m2

熱損失係数相当隙間面積

名称竣工面積

N

太陽熱空気集熱器

実験槽

48


総括


補足　実験概要

実験住宅南窓

透明カバー

暖められた空気発電パネル

太陽熱空気集熱器実験住宅外壁

アルミプレート

フェルトマット室内の空気

ファン

太陽熱空気集熱器入口温度


総括


補足　実験概要本研究のシステムを住宅に導入した場合の性能の検証を行った

実験風景

太陽熱空気集熱器を室内側の窓に立てかけるように設置• 日中の室内空気を利用した場合の温度変動や蓄熱の様子を検証（今後、外気を導入した実験を行う予定）• 強風による転倒防止

49

50


総括


補足　実験装置平面図

PCMパネル3

EPS

出口測定位置

入口・出口温度には 6つずつ熱電対を設置

平均値

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