環境に優しく効率的なプロパンヒートポンプ

2018年9月4日

フラウンホーファー協会による

ヒートポンプは環境エネルギーを利用して私たちに熱を供給します。 ただし、通常、環境に有害なフッ素化温室効果ガス (F ガス) を含む合成冷媒が必要です。 フラウンホーファーの研究者は現在、代わりにプロパンを使用するヒートポンプの開発に貢献しています。 このポンプは環境に優しく、より効率的です。

「ドイツの最終エネルギー消費量の約40パーセントを暖房と温水が占めています。天然ガスや原油などの高品質の化石燃料を燃やすことは、エネルギー的にほとんど意味がないだけでなく、気候にも悪影響を及ぼします。運転に必要な電気エネルギーの各単位「ヒートポンプは多くの場合再生可能資源から得られ、3～5ユニットのCO2ニュートラルな熱エネルギーを生成します。このため、ヒートポンプはドイツの持続可能なエネルギーシステムへの移行を実行する上で重要な要素となっています」と、研究を調整するマレク・ミアラ博士は述べています。フライブルクのフラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所 ISE のヒートポンプ。

ヒートポンプは冷蔵庫と同じように機能します。 冷媒は冷蔵庫内の熱を吸収して外に運びます。 違いは、冷蔵庫の背面から自由に逃げるために残された熱が、ヒートポンプによって、この場合は地面、地下水、または周囲の空気から抽出され、家や水道を加熱することです。

これを達成するために、加熱され蒸発した冷媒が圧縮され、その温度と圧力が上昇します。 高温の冷媒ガスはその熱を水中に放出し、凝縮します。 温水は床暖房システム、ラジエーター、または貯湯タンクに流れ込み、一方、冷えた液体冷媒はいわゆる蒸発器に戻り、そこで再び熱エネルギーを吸収します。 その後、サイクルが最初から再び始まります。

ほとんどの冷媒は、環境に有害なフッ素化温室効果ガス (F ガス) を含む合成物質の混合物で構成されています。 2014 年 6 月、欧州委員会は F-ガスを段階的に市場から廃止すると発表しました。 合成冷媒に代わる環境に優しい自然な代替品の 1 つはプロパンです。プロパンはすでにエアコンや冷凍システムで人気が高まっています。 しかし、ヒートポンプでの使用はまだ比較的新しいものです。

プロパンは優れた熱力学特性を持っていますが、可燃性が高いため、熱サイクルで使用する場合に問題が生じます。

「プロパンを使用したい場合は、関連するリスクを最小限に抑えるために、冷媒の量を可能な限り少なく保つ必要があります」と、フラウンホーファー ISE の冷暖房技術部門の責任者であるレナ・シュナーベル博士は言います。

ISE の研究者とヨーロッパの研究パートナーの解決策は、少量の液体でも適切に機能する、非常にコンパクトでろう付けされたフィン付きの熱交換器を採用することです。 熱エネルギーは、熱交換器を介して一方の流動物質から他方の流動物質に伝達されます。 これらは、循環冷媒を含む多数の平行なチャネルで構成されており、熱を吸収する (「蒸発器」として知られます) か、熱を放射する (「凝縮器」) かのいずれかです。 「液体は、走行距離全体にわたって完全に蒸発または再凝縮する必要があります。効率的に動作することを保証するには、すべてのチャネルで気液比が同一でなければなりません。一般に、これを達成するのは簡単ではありません。また、次のような場合は特に注意が必要です」冷媒の量を制限しようとしています。」

この問題を解決するために、シュナーベル氏と彼女のチームはバイオニック構造を備えたディストリビュータを開発しました。「従来のベンチュリ ディストリビュータは、気化器に接するところで合流する多数の細い管でできたスパゲッティの山のように見えます。私たちのディストリビュータは異なります。それは連続的に分岐しています。」木の枝や小枝のような構造で、たとえ少量の冷媒であっても、冷媒が個々の蒸発器チャネルに均一に分配されるようにします。」 この構造により、熱交換器の全面を最適に利用することができ、効率が向上します。

プロパンを圧縮する際の爆発のリスクを軽減するために、シュナーベル氏と彼女のチームは、すべての発火源がカプセル化された特殊なコンプレッサーを使用しました。 彼らは、プロパンが漏れないようにポンプの個々のコンポーネントを接続することに細心の注意を払いました。 「私たちは現在、ヒートポンプの技術設計を変更し、そのコンポーネントの長期的な動作をテストし、持続可能な安全戦略を開発しています」とシュナーベル氏は言います。

フラウンホーファー・ゲゼルシャフト提供