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理工学部システムデザイン工学科 エネルギー環境システム研究室

理工学部システムデザイン工学科 エネルギー環境システム研究室. Produced by 佐藤春樹研究室学部４年生. はじめに. 本研究室は 『 エネルギー環境システム研究室 』 として以下の３つのグループに分かれて研究を行っている 　１．熱流体物性グループ 　２．自然エネルギー利用グループ 　３．シミュレーショングループ この展示ではその研究背景および内容について解説する. １．熱流体物性グループ. 背景　フロン系冷媒と地球環境問題 私たちの生活に冷蔵庫・空調機器は欠かせない。これら機器の効率は冷媒により大きく左右される

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理工学部システムデザイン工学科 エネルギー環境システム研究室

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Presentation Transcript

  1. 理工学部システムデザイン工学科エネルギー環境システム研究室理工学部システムデザイン工学科エネルギー環境システム研究室 Produced by 佐藤春樹研究室学部４年生

  2. はじめに • 本研究室は『エネルギー環境システム研究室』として以下の３つのグループに分かれて研究を行っている 　１．熱流体物性グループ 　２．自然エネルギー利用グループ 　３．シミュレーショングループ • この展示ではその研究背景および内容について解説する

  3. １．熱流体物性グループ 背景　フロン系冷媒と地球環境問題 • 私たちの生活に冷蔵庫・空調機器は欠かせない。これら機器の効率は冷媒により大きく左右される • 冷媒の選定はこれらの機器の効率向上や設計の上で大変重要 • これまで、優れた安定性・安全性からフロン系冷媒が選ばれてきたが･･･ 冷蔵庫 エアコン 冷媒によって性能がきまる！！ ⇒冷媒の選定が重要

  4. １．熱流体物性グループ 背景　冷媒について • フロン系冷媒の一部(HCFC22※)がオゾン層破壊や地球温暖化に大きく関与していることが明らかになり規制の対象になっている（モントリオール議定書） • オゾン層を破壊しない新冷媒(HFC)が開発された ※HCFC22は日本を含む先進国で1995年をもって生産などが全廃された HCFC(R22)の削減スケジュール（生産規制） ※１ 基準量＝（HCFCの1989年消費量）＋（CFCの1989年消費量）×2.8％※２ 冷凍空調設備の補充用冷媒に限る。 National 風の職人　http://national.jp/mapps/general/aircon/40103.html

  5. １．熱流体物性グループ 熱流体物性グループの取り組み • 冷蔵庫や空調機器などのエネルギー利用機器に用いる冷媒として、地球環境にやさしく、省エネを実現できる冷媒の選定が急がれている • そのために必要な冷媒の性質（熱物性）を表現する高精度な状態方程式を決定している 状態方程式 高校の化学で習う理想気体の状態方程式 実在気体の状態方程式モデル 冷媒の高精度な測定により、圧縮係数Zを決定

  6. ２．自然エネルギー利用グループ① 背景　世界の水問題とエネルギー資源問題 • 現在、水の確保が困難な地域が世界中で多数存在し、世界人口の約40%の人々が日々の水の確保に苦しんでいるといわれている • 世界中で蒸留水を求めて多くの海水淡水化装置が稼動している • しかし、これらの装置のほとんどが大型プラントで主に石油など大量の化石燃料の消費によって水が精製されているため、エネルギー資源の枯渇や二酸化炭素排出による地球温暖化問題に寄与している 石油消費 エネルギー資源問題 地球温暖化問題 水不足 海水淡水化

  7. ２．自然エネルギー利用グループ① 太陽エネルギー • 以上のような背景から、太陽エネルギーを利用した海水淡水化装置は世界でも多く研究がなされてきた • しかし、以下のような問題から実用化が難しい ①太陽のエネルギー密度が1kW/㎡と希薄 ②耐久性 ③生産量

  8. 最上段　　　　　　　　　　　　　　　　蒸気は強制的に冷却→蒸留水に最上段　　　　　　　　　　　　　　　　蒸気は強制的に冷却→蒸留水に 2段目~原水は下段からの蒸気に加熱され、蒸発→蒸気に 蒸気は凝縮潜熱を放出し、凝縮→蒸留水に 1段目　　　　　　　　　　　　　　　　　原水は加熱され、蒸発→蒸気に 系内を減圧⇒容易に沸騰 ２．自然エネルギー利用グループ① 自然エネルギー利用グループの取り組み① • 多重効用という原理を用いた太陽エネルギーを利用した蒸留器の作成 多重効用 凝縮潜熱を次の段に再利用

  9. ２．自然エネルギー利用グループ② 背景　太陽熱利用 • 現在、さまざまな方法で熱エネルギーを得る方法が検討されている。一般的には、化石燃料を燃やすことにより熱を得ている • 給湯や暖房に用いるために熱を得る方法として太陽エネルギーを利用する方法が期待されている • 一般的な太陽熱温水器では、パネルで所要温度まで温度を上げるので、パネル表面温度と外気温度との差が大きくなり、損失が大きくなる 石油消費 エネルギー資源問題 地球温暖化問題 空調・給湯用エネルギー

  10. ２．自然エネルギー利用グループ② 自然エネルギー利用グループの取り組み② • 入力された熱を上手に使う方法として、減圧沸騰という原理を用いる 減圧沸騰ソーラーパネル 大気圧下で水は約100℃で沸騰 密閉容器内で圧力を下げる 沸点が生活環境の温度まで下がる 生活環境の温度で沸騰 入力された熱の大半が沸騰・蒸発に用いられるため効率の良い熱輸送ができる

  11. ３．シミュレーショングループ 背景　エネルギーシステムの需要供給バランス • ビルなどの空調設備や地域冷暖房のための設備には最大負荷時にエネルギー供給が可能なように、過大な設備を導入している • そのため、エネルギー供給設備は効率の悪い部分負荷での運転を多くすることになる • 一方で、エネルギーの需要は地域的な気象条件や人間の活動によってダイナミックに変化するため、エネルギー需要の変動に対して最適かつ安定性のあるエネルギー供給が必要となる 　　　　　　　　　バランス　　　　　　　　　需要　　　　　　　　　　供給

  12. ３．シミュレーショングループ エネルギーダイナミック需要モデル • 人の行動に関する統計データに矛盾しないように個人の行動スケジュールを確率的手法で決定することで、世帯ごとのダイナミックな熱需要計算をしている NHK国民生活時間調査 国民生活基礎調査　など 人の行動に関する統計データ 個人の行動スケジュール 睡眠、在宅、食事、身の回り モンテカルロ法、分割、比例計算 世帯ごとのスケジュール 家族構成員のスケジュール 毎日入れ替える お湯消費の原単位、建築データ 給湯、追い炊き、暖房需要の計算 熱需要計算

  13. ３．シミュレーショングループ ヒートポンプ機器の運転性能評価 • 冷蔵庫・エアコンなどのヒートポンプ機器は環境温度条件によりその性能が変化する。すなわちこういった機器はカタログに表示されたとおりの性能で運転されていないことが多い。そこで、実際に仮定に置かれた冷蔵庫・エアコンの性能をヒートポンプの理論に基づいて明らかにする エアコン 電気 環境条件 ヒートポンプの性能はCOPで表現 このCOPが温度条件で変化 ⇒カタログと違う性能で運転 熱

  14. ３．シミュレーショングループ 供給システムの最適化 • 建物・環境・需要・要素機器をオブジェクトとして表現し、オブジェクト間の相互作用によりシステムを構築している。このオブジェクト指向モデリングによって機器導入最適化の検討をしている オブジェクト指向モデリング 需要 環境 建物 コントローラ 要素機器 オブジェクト間の相互作用によりシステムを構築 各オブジェクトを独立して発展させることが可能

  15. 参考資料

  16. エネルギー消費量の推移 図　1990年を1とした各部門におけるエネルギー消費量の推移 民生部門でのエネルギー利用が増加

  17. 部門別エネルギー消費量の割合 産業用の大型冷蔵庫 図　2001年度における部門別最終エネルギー消費量の割合 エアコン・冷蔵庫 コージェネレーションシステム

  18. ヒートポンプの原理 • 冷蔵庫や空調機器は「ヒートポンプ」という原理で動いている。ここではその仕組みについて簡単に説明する • ヒートポンプの原理を説明する前に・・・ • 手のひらを水でぬらすと･･･ • 富士山の頂上でお湯を沸かそうとすると･･･

  19. ヒートポンプの原理 これは水が蒸発するとき に手の表面の熱を奪うから 手のひらを水でぬらすと乾くときに手がスーッとする

  20. ヒートポンプの原理 富士山の頂上では低い温度でお湯が沸いてしまう 富士山の頂上は圧力が低 　⇒低い温度で沸騰してしまう 　もっと気圧が低ければ、 　もっと低い温度で沸騰し、 　水はそれ以上高い温度に 　ならない

  21. 圧縮機 蒸発器 凝縮器 膨張弁 ヒートポンプの原理 主に４つの部分からできている ・圧縮機　・膨張弁 ・蒸発器　・凝縮器 この液体を 冷媒という この４つの部分をパイプで つなぎ、密閉し、ある液体（気体）を充填

  22. 圧縮機 蒸発器 凝縮器 膨張弁 ヒートポンプの原理 冷媒が蒸発するとき 周りから熱を奪う 気体になった冷媒を圧縮して、液体に戻る準備 気体冷媒が圧縮 冷媒が蒸発 液体→気体 冷媒が凝縮 気体→液体 液体冷媒が膨張 液体になった冷媒を膨張して、気体に戻る準備 冷媒が凝縮するとき 周りに熱を放出する

  23. ヒートポンプの原理 液体の冷媒 このようにして熱をくみ上げる だから「ヒートポンプ」 気体の冷媒 熱のエネルギー 電気エネルギー 電力 圧縮機 暖気 冷蔵庫 エアコン の冷気 エアコン エコキュート の暖気 蒸発器 凝縮器 膨張弁 冷気 エアコンの性能は成績係数COP(Coefficient of Performance)で表す 　例えば、COP=4のエアコンなら 　電気のエネルギー1で熱のエネルギー4を取り出せる

  24. CFC,HCFC系冷媒 冷媒としての性能は理想的だが、オゾン層を破壊してしまうためCFC系に関しては1995年末までに全廃、HCFC系に関しても2020年までに全廃することが決まっている HFC系冷媒 オゾン層は破壊しないが、温暖化係数（GWP）がCO2と比較しても非常に高いため地球温暖化へ寄与がある 冷媒について フロン系冷媒 自然冷媒 可燃性　毒性　冷媒能力　などの問題点がある

  25. 新聞記事 読売新聞　2005年9月24日（土）

  26. 新聞記事

  27. 減圧沸騰ソーラーパネル（写真）

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