シート状熱交換器の流水中設置によりヒートポンプの熱交換効率が大きく向上

土中設置の15倍の高効率、農業用水路がヒートポンプの熱源に

2020-01-15 農研機構,ジオシステム株式会社

ポイント

農研機構は、シート状熱交換器を農業用水路などの流水中に設置すると、土中設置した場合と比べて、約15倍効率良く熱を交換できることを明らかにしました。本成果を用いれば、農村地域に広く配置されている農業用水路を、ヒートポンプの熱源として有効利用できます。本成果は、農業用ハウスの冷暖房で消費するエネルギーの削減や、ランニングコストの削減に役立ちます。

概要

農業施設では、空気中や地中などから熱交換して冷暖房や除湿を行い、エネルギー消費とランニングコストを削減する技術として、ヒートポンプ¹⁾が導入されています。現在は熱交換器を空気中や土中に設置する方式が主流ですが、近年ではより交換効率の良い、水中への設置について研究が進められています。
農村地域には、ため池や井戸(静水:流速≒0m/min程度)や農業用水路(流水:基幹的農業用水路で最低でも30m/min程度)があります。そこで農研機構は今回、水中設置に適したシート状の熱交換器を用いて、実規模の水理模型で様々な流速や設置方法におけるヒートポンプの熱交換効率の違いを明らかにしました。
その結果、熱交換器を流水中に設置すると、熱交換器周辺の水が常時移動することから、ヒートポンプを冷房運転、暖房運転したどちらの場合でも、土中や静水中に設置した場合に比べて熱を効率良く交換できることがわかりました。冷房運転時において、熱交換器を流水中に設置した場合の熱交換効率は、静水中設置の約2.5倍、土中設置の約15倍、従来型のスリンキー式熱交換器²⁾を土中設置した場合の約25倍でした。
本成果により、農村地域に広く配置されている農業用水路を、ヒートポンプの熱源として有効利用できることが示されました。本成果は、農業用ハウスの冷暖房で消費するエネルギーの削減、ランニングコストの削減に役立つとともに、戸建て住宅、集合住宅、コンビニエンスストアー、商業施設など農業用水路に隣接する熱利用施設での利用も期待されます。

開発の社会的背景と経緯

農業施設では、空気中や地中などを熱源として、暖房、冷房や除湿が行え、エネルギー消費とランニングコストを削減する技術としてヒートポンプが導入されています。近年、空気中や土中よりも効率良く熱交換が行われる水中に熱交換器を設置する研究が進んできました。農村地域にはため池や井戸などよりも速い流水条件が得られ、高い熱利用が期待できる、受益面積が100ha以上の農地に送水している基幹的農業用水路が、約3.3万km敷設されていますが、これまで熱交換器を農業用水路内の流水中に設置した事例はありません。そこで、農業用水路における流水熱利用を図る目的で、農村工学研究部門(つくば市)の実験棟内に農業用水路を模した実規模水理模型(幅1.6m、側壁高1.6m、長さ15m)にシート状熱交換器(高さ0.9m×長さ5.6m、φ6mm細管×117本、図1)と実験システム(図2)を設置して、流速条件や設置方法の違いによる熱交換特性³⁾を明らかにしました。

研究の内容・意義

ヒートポンプを暖房および冷房運転した結果、暖房冷房運転ともに水路内流速の増加に伴って熱通過率が増加しました。一方で、熱交換器内を循環させる熱媒の流量が増加すると熱通過率も増加しますが、流速ほどの増加はみられませんでした(図3)。
流水条件下(水路内流速10m/min、冷房運転時)の熱交換器の熱通過率は、0.255kW/(K・m²)で、静水条件下0.100kW/(K・m²)の約2.5倍、土中設置0.017kW/(K・m²)の約15倍、従来型スリンキー式熱交換器の土中設置0.01kW/(K・m²)の約25倍の高い性能が得られることがわかりました(表1)。
農業用水路には空き缶、ペットボトル、刈草、ビニール袋など様々なゴミが流下しています。そこで、熱交換器を流下物から保護し、かつ撓たわみなく設置するために、熱交換器を網目状のエキスパンドメタル⁴⁾と一体化する施工方法(図4)、また、上流端のゴミ流入防止用の上流端遮断板(図5)を考案しました。設置に要する施工費用は熱交換器単体の約1/3程度で、水路管理者でも施工できます。
熱交換器をエキスパンドメタルと一体化⁵⁾し、水路側壁に沿って設置した時、水路と熱交換器の間隔を110mm、一般的な農業用水路の流速条件である24m/min以上で、熱通過率が0.21kW/(K・m²)以上が得られました(図6)。上流端のゴミ流入防止用の上流端遮断板(図5)の有無にかかわらず、同じ熱通過率が得られました(図6)。
本熱交換を用いることによって、熱交換器設置のコストは地中に採熱用の穴を掘る方式と比べて約50%削減できます。また、熱交換器を含めた熱利用システム全体の設置コストは約25%削減できます。

今後の予定・期待

農業用水路は農村地域に配置されており、水熱源として広範囲で利用することが期待されます。農村地域では都市化混住化の進展で、戸建て住宅、集合住宅、コンビニエンスストアー、商業施設などが隣接しています。本技術は、農業施設以外の熱利用施設での利用も期待されます。本技術の普及に際しては、農業用水路設置で想定される水路内流況への影響、藻類や水草等への対策、維持管理労力、耐久性などの検証が必要と考えます。

用語の解説

1)ヒートポンプ: 冷暖房エアコンと同じ原理で作動する空調機。投入する電気エネルギーに対して、3倍以上の熱エネルギーが得られる、高効率の機器。
2)スリンキー式熱交換器: 採放熱管をループ状(スリンキー状)に配した熱交換器で、米国等で用いられてます。
3)熱交換特性: 熱交換器が流水と熱を交換する能力で、流水熱と熱交換器の熱交換量を熱交換器内外温度差で除した熱交換率(kW/K)を算定し、熱交換率を熱交換器の熱交換可能な投影面積で除した熱通過率(kW/(K・m²))で評価します。
4)エキスパンドメタル: 金属板を千鳥状に切れ目を入れて広げたメッシュ状の金属板で、フェンス、防止網などに用いられています。