prototype of ventilation pre-heating system by solar thermal collector with pcm panel
TRANSCRIPT
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
はじめに 実験 1 実験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
はじめに 実験 1 実験2
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
はじめに 実験 1 実験2
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2.1 PCMパネル温度変動実験
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2.1 PCMパネル温度変動実験
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2.1 PCMパネル温度変動実験
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2.1 PCMパネル温度変動実験
実験結果
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]
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2.1 PCMパネル温度変動実験
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2.1 PCMパネル温度変動実験
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2.1 PCMパネル温度変動実験
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
PCM充填部 通気口
はじめに 実験 1 実験2
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2.2 PCMパネル伝熱特性把握
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2.2 PCMパネル伝熱特性把握
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2.2 PCMパネル伝熱特性把握
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2.2 PCMパネル伝熱特性把握
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2.2 PCMパネル伝熱特性把握
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]
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2.2 PCMパネル伝熱特性把握
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)
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]
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
はじめに 実験 1 実験2
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
はじめに 実験 1 実験2
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]
はじめに 実験 1 実験2
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
実験結果10 月 11日 ( 天候 晴 ,日照時間
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]
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28
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]
はじめに 実験 1 実験2
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29
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]
はじめに 実験 1 実験2
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30
蓄熱未完了
放熱量 約 456kJ 蓄熱量の半分以下
蓄熱量 約 960kJ
はじめに 実験 1 実験2
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
はじめに 実験 1 実験2
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2. PCMパネル性能実験と伝熱特性把握
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2. PCMパネル性能実験と伝熱特性把握
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
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2. PCMパネル性能実験と伝熱特性把握
補足 実験結果
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]
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2. PCMパネル性能実験と伝熱特性把握
補足 実験結果
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]
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2. PCMパネル性能実験と伝熱特性把握
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
PCM充填部 通気口
40
はじめに 実験 1 実験2
総括
2. PCMパネル性能実験と伝熱特性把握
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
PCM融解部 PCM 非融解部PCMパネル木枠 送風方向
PCM充填部 通気口
41
はじめに 実験 1 実験2
総括
2. PCMパネル性能実験と伝熱特性把握
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
PCM融解部 PCM 非融解部PCMパネル木枠 送風方向
PCM充填部 通気口
はじめに 実験 1 実験2
総括
2. PCMパネル性能実験と伝熱特性把握
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
はじめに 実験 1 実験2
総括
2. PCMパネル性能実験と伝熱特性把握
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[
]℃
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]
小大
小大
熱伝達率
はじめに 実験 1 実験2
総括
2. PCMパネル性能実験と伝熱特性把握
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]
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]
44
はじめに 実験 1 実験2
総括
2. PCMパネル性能実験と伝熱特性把握
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]
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]
45
46
はじめに 実験 1 実験2
総括
2.2 PCMパネル伝熱特性把握
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]
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
はじめに 実験 1 実験2
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
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
はじめに 実験 1 実験2
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
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
はじめに 実験 1 実験2
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
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