JP2003004331A - 太陽熱/放射冷却複合利用高効率ヒートポンプシステム - Google Patents

太陽熱/放射冷却複合利用高効率ヒートポンプシステム

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JP2003004331A JP2001185778A JP2001185778A JP2003004331A JP 2003004331 A JP2003004331 A JP 2003004331A JP 2001185778 A JP2001185778 A JP 2001185778A JP 2001185778 A JP2001185778 A JP 2001185778A JP 2003004331 A JP2003004331 A JP 2003004331A
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武雄 齋藤
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/80Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors having discontinuous faces
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のルームエアコンでは、性能は熱源となる
外気温度に大きく左右されるため、高い成績係数(CO
P)を得ることが難しいうえ、寒冷地においてはデフロ
ストの必要がある。また、排気を大気中に放熱するため
に環境に与えるインパクトが大きく、一斉運転に伴う電
力需要の急激な増加が問題となる。 【解決の手段】 CPC型スカイラジエータによる放射
冷却を利用した低温側熱源、CPC型ソーラーコレクタ
で得られる太陽熱による高温側熱源を確保した上で、定
温度熱源を得るために大容量の複数の蓄熱タンクを組み
合わせることによって、高い成績係数を有する高効率ヒ
ートポンプシステムを構築する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、高温側熱源にC
PC型ソーラーコレクタで得られる太陽熱を利用し、低
温側熱源にCPC型スカイラジエータによる放射冷却を
利用した高効率ヒートポンプシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、一般住宅やビルの窓や壁に穴をあ
けて取り付けられているセパレート型の空気熱源ヒート
ポンプユニット(ルームクーラー)の冷媒系統図を図1
0に示す。 室内ユニット20を空調が必要とされる室内側に設置
し、屋外ユニット21を分離して屋外に置き、両者を冷
媒配管22で結ぶことにより、室内での発生音が小さ
く、一般に普及している。屋外ユニット21は、コンデ
ンサ24、コンプレッサ26、四方弁25、およびキャ
ピラリチューブ27から構成され、室内ユニット20の
クーラー23とともに冷凍サイクルが形成される。ま
た、冬季には四方弁25を切り替えることによって、暖
房も可能となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
従来技術によれば、性能は熱源となる外気温度に大きく
左右されるため、高い成績係数(COP)を得ることが
難しい。また、寒冷地や積雪地にあっては、蒸発器の表
面温度が0℃以下になるために頻繁に結霜が生じ、熱交
換の効率が悪化するためにデフロスト(除霜)の必要が
ある。また、従来の技術によれば、排熱を大気中に放出
するために環境に与えるインパクトも大きい(たとえ
ば、ヒートアイランド)。さらに、外気温度の上昇に伴
って一斉に運転することによって、電力需要の急激な増
加が生じる危険性(電力危機)がある。
【0004】そこで、この発明は、環境に与えるインパ
クトが小さい太陽エネルギーを中心とする自然エネルギ
ー(太陽熱、大気放射冷却、地中熱など)を利用し、6
〜10の高いCOPをもった高効率ヒートポンプシステ
ムを提案することを課題とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、請求項1の発明は、低温側熱源にCPC型スカイ
ラジエータによる放射冷却を利用することを特徴とする
高効率ヒートポンプシステムである。
【0006】また、請求項2の発明は、高温側熱源にC
PC型ソーラーコレクタで得られる太陽熱を利用するこ
とに特徴を有する請求項1記載の高効率ヒートポンプシ
ステムである。
【0007】また、請求項3の発明は、複数の蓄熱タン
ク内の熱媒体を加熱・冷却することに特徴を有する請求
項1記載の高効率ヒートポンプシステムである。
【0008】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の請求項1、請求
項2および請求項3に基づく実施形態として太陽熱/放
射冷却複合利用高効率ヒートポンプシステムの全体構成
を示した図である。
【0009】また、図2には太陽熱/放射冷却複合利用
高効率ヒートポンプシステムの主要機器の仕様(例)を
示した。
【0010】太陽熱/放射冷却複合利用高効率ヒートポ
ンプシステムの主要部分は、ヒートポンプ本体1(コン
プレッサ、四方弁およびキャピラリチューブ)、汎用イ
ンバータ2、2台のプレート式熱交換器3より構成され
る。さらに、システムは請求項1に基づくCPC型スカ
イラジエータ4、請求項2に基づくCPC型ソーラーコ
レクタ5、請求項3に基づくメインタンク6とサブタン
ク7、および雨水タンク8、各種ポンプ9、バルブ10
より構成される。メインタンク6およびサブタンク7内
の加熱あるいは冷却された水が、暖・冷房および給湯に
利用される。
【0011】図3には、平板型コレクタ(スカイラジエ
ータ)と比較して集熱、放熱において高効率を有するC
PC型コレクタ(スカイラジエータ)の実施形態を示し
た。本発明の太陽熱/放射冷却複合利用高効率ヒートポ
ンプシステムでは、冷房運転における高温側熱源、暖房
運転における低温側熱源の確保が重要な課題であり、ソ
ーラーコレクタ5、スカイラジエータ4に高効率CPC
型コレクタ(スカイラジエータ)を用いることは、本発
明の高効率化につながる。
【0012】なお、本発明システムに従来の平板型コレ
クタ(スカイラジエータ)を用いた場合でも、高いCO
Pが得られることを実験により確認している。蒸発器・
凝縮器としての熱交換器には、従来の空気熱源ヒートポ
ンプに使用されているフィンチューブ式熱交換器に替え
て、熱交換率の良いプレート式熱交換器3を採用した。
また、運転条件に応じて効率の良い運転を行うために汎
用インバータ2を導入した。プレート式熱交換器3を採
用し、一層の効率改善を実現した。また、システムのC
OPを向上する目的で請求項3に基づく2つの蓄熱槽
(6,7)による定温度熱源を利用した。ヒートポンプ
サイクルにおいてCOPを向上させるためには、冷房時
においては高温側熱源温度を下げること、暖房時におい
ては低温側熱源温度を上げることが重要で、蓄熱槽の利
用がヒートポンプシステムの高効率化に直接つながる。
【0013】
【実施例】図4から図7は、本発明の実施例として基本
的な4つの運転モードを示す図である。
【0014】図4はスカイラジエータ(SR)モード
で、夏季運転モードの中で最も一般的な運転モードで、
メインタンク6の熱をヒートポンプ1を介して北面屋根
上のCPC型スカイラジエータ4から放射冷却現象を利
用して直接宇宙空間に棄てている。運転は深夜電力を利
用して行われ、排熱を大気中に放出しないために環境へ
の負荷が小さいという特徴を有する。また、プレート式
熱交換器3で直接熱交換してCPC型スカイラジエータ
に循環することにより効率の向上を図った。
【0015】図5は夏季運転モードの中で比較的急速冷
却に対応できる雨水タンク(RT)モードで、メインタン
ク6の熱をヒートポンプ1を介して雨水タンク8に棄て
ている。断熱していない雨水タンク8は地中に放熱して
いるために常に低温を保っており放熱効率がよいが、容
量が小さいために短時間運転しかできない。この実施例
では、雨水タンク8の代わりに地中コイルやボアホール
パイプなども同様に熱源とすることができる。また、タ
ンクやパイプの周りにフィンを付けて伝熱性能を向上す
ることができる。
【0016】図6は夏季運転モードの1つで、主にメイ
ンタンク温度が高く、サブタンク温度が低い中間期
(春)に利用されるサブタンク(ST)モードで、メイ
ンタンクの熱をヒートポンプ1を介してサブタンク7に
棄てている。サブタンク7を暖房用および給湯用熱源と
して利用している春先に、メインタンク6を冷却しなが
らサブタンク7の加熱も兼ねている点(二重効用)に特
徴がある。
【0017】図7には冬季運転モード(WINモード)
を示した。南面屋根上のCPC型ソーラーコレクタ5お
よび雨水タンク8の熱交換によってサブタンク7を加熱
し、このサブタンク7を熱源としてヒートポンプ1によ
ってメインタンク6に熱を汲み上げる。ヒートポンプ1
の運転は深夜電力を用いて行われ、サブタンク温度がか
なり低くなるために翌朝の集熱効率が大きくなる点に特
徴を有する。
【0018】図8には他の実施例としてボアホールまた
は地下水利用システムの実施形態を示した。本発明のシ
ステムにおいて、冬期の熱源を地下水またはボアホール
19などの地中熱源とすることにより、北東北や北海道
などの寒冷地でも有効となる。
【0019】さらに他の実施例として、ヒートポンプ本
体を往復式、スクリュー式、ターボ式などの電動式ヒー
トポンプから吸収式ヒートポンプやケミカルヒートポン
プに換えても、本発明のシステムは有効である。
【0020】
【発明の効果】図9に本発明の太陽熱/放射冷却利用高
効率ヒートポンプシステムについて、従来の平板型スカ
イラジエータを用いて実際に稼働したときのCOPの計
測結果を示した。SRモードにおいて最大COPは7.
0を記録し、気象条件の最も厳しい8月においてもCO
P=6.0が得られた。これは、従来のルームエアコン
のCOPの約2倍となることを示している。
【0021】ここで、CPCコレクタ(スカイラジエー
タ)や高効率モータ、制御システムの採用などの改善を
加えることによりCOP=9〜13に向上しうる可能性
がある。
【0022】また、本発明の効果として、特にエネルギ
ー需要の大きい住宅、また東京・大阪などヒートアイラ
ンドが大きな問題となる地域の住宅において、その緩和
に大きく寄与することが期待でき、また昨今のエネルギ
ー、環境問題の対策の1つとなりうる点が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の請求項1、請求項2および請求項3に
基づく一実施形態として太陽熱/放射冷却複合利用高効
率ヒートポンプシステムの全体構成を示す説明図であ
る。
【図2】本発明の請求項1、請求項2および請求項3に
基づく太陽熱/放射冷却複合利用高効率ヒートポンプシ
ステムの主要機器の仕様を示す図である。
【図3】本発明に基づく一実施形態としてCPC型コレ
クタ(スカイラジエータ)の全体構成を示す説明図であ
る。
【図4】本発明の実施例としてスカイラジエータ(S
R)モード示す説明図である。
【図5】本発明の実施例として雨水タンク(RT)モー
ド示す説明図である。
【図6】本発明の実施例としてサブタンク(ST)モー
ド示す説明図である。
【図7】本発明の実施例として冬季運転(WIN)モー
ド示す説明図である。
【図8】他の一実施形態としてボアホール/地下水利用
システムの全体構成を示す説明図である。
【図9】本発明の太陽熱/放射冷却複合利用高効率ヒー
トポンプシステムの運転性能を示す図である。
【図10】従来技術を示すルームクーラーの概略図であ
る。
【符号の説明】
1 ヒートポンプ 2 汎用インバータ 3 プレート式熱交換器 4 CPC型スカイラジエータ 5 CPC型ソーラーコレクタ 6 メインタンク 7 サブタンク 8 雨水タンク 9 ポンプ 10 バルブ 11 クリプトン封入複層ガラス 12 フィルム 13 反射板(アルミ) 14 断熱材(グラスウール) 15 断熱材(スタイロフォーム) 16 ケーシング 17 銅管 18 作動流体 19 ボアホールシステム 20 室内ユニット 21 屋外ユニット 22 冷媒配管 23 クーラー 24 コンデンサ 25 四方弁 26 コンプレッサ 27 キャピラリチューブ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 低温側熱源にCPC型スカイラジエータ
    による放射冷却を利用することに特徴を有する高効率ヒ
    ートポンプシステム。
  2. 【請求項2】 高温側熱源にCPC型ソーラーコレクタ
    で得られる太陽熱を利用することに特徴を有する請求項
    1記載の高効率ヒートポンプシステム。
  3. 【請求項3】 複数の蓄熱タンク内の熱媒体を加熱・冷
    却することに特徴を有する請求項1記載の高効率ヒート
    ポンプシステム。
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