博 士 （ 工 学 ） DAVID LEONARDO BLANCO CHAPARRO
学 位 論 文 題 名
Study on the variable capacity compact heat pump unit with a desuperheater fOrSpaCeheatinganddomeStiChotWater
（ 暖 房 ・ 給 湯 同 時 と り だし 可 能 な デ ス パ ー ヒ ー 夕 熱 交 換 器 を 有 す る 可 変 容 量 コ ン パ ク ト ヒ ー ト ポ ン プ ユ ニ ッ ト に 関 す る 研 究 ）
学位論文内容の要旨
The variable capacity compact heat pump with a desuperheateris a monovalent system designed for detached low energy houses for the provision of space heating (SH), space cooling (SC) and domestic hot water (DHW) all year long. The system can adjust to the heating or cooling demand by use of the inverter driven compressor, providing a stable output and reducing the electrical consumption if compared with other options. However, there has been only limited research regarding the operation and control of such systems. Furthermore, studies regarding a single frequency GSHP designed for SH that provide DHW by incorporating a desuperheater in its cycle are common in the literature. As no control techniques for frequency or expansion valves have been examined, the results of such studies can be misleading. A better understanding of the compact GSHP with a desuperheater requires a simulation program, in which the design, control and evaluation of a wide range of conditions can be performed.
Three main objectives are identified in this thesis. First it is desirable to gain a complete understand‑
ing of the behavior of the system against changing climate and control conditions. This is achieved both through experimentation and the study of the underlying physical phenomena. The second ob‑
jective is to identify mechanisms through which the performance of the system could be increased, especially when producing only DHW. The hypothesis drawn from the studies is capitalized through experimentation. The third objective is to apply the knowledge gained in the development of a unique simulation of the system. The simulation can be transparently coupled with a ground heat transfer simulation and/or with a house heat transfer model to obtain a realistic performance estimate of the whole system. This coupling allows the systematic calculation of the seasonal performance factor, which can be used to evaluate different control schemes of the machine.
This thesis is organized in seven chapters. The first chapter presents the background of heat pump technology, and the importance of their development for the mitigation of global warming. The his‑
torical development of the general vapor refrigeration cycle simulation is briefly introduced, followed by a classification of the different heat pumps systems. The problematic of the Japanese thermal en‑
ergy demand is presented and the target unit is introduced. Finally, the objectives of the research are clearly introduced. The second chapter presents the literature review organized in three main fronts:
The status of heat pump technology; the vapor refrigeration cycle simulation front, and the heating demand calculation in houses. The third chapter discusses the performance of the objective system.
The constructed prototype compact heat pump with a desuperheater is described in detail, as well as the testing station developed. The variable capacity was examined by varying the frequency of the operating compressor. A mapping relating the perfonnance and COP under various climate and con‑
trol conditions is obtained. Each component' s behavior was analyzed. In particular, the overall heat transfer coefficients of the heat exchangers and the performance of the compressor were studied in
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detail. As a result, it was observed that without an increase in the refrigerant mass flow rate or the heat exchanger heat transfer area, there was little room for improvement in terms of COP increment.
Moreover, the high pressure ratio of the cycle when producing only domestic hot water was identified as a key factor that limits its performance.
The purpose of the fourth chapter is to assert if the evaluation of an internal heat exchanger into the refrigeration cycle results in an enhancement of its performance, according to the conclusions drawn in the third chapter. Only one climate condition was examined, under various control conditions. Ad‑
ditionally, different geometries of the desuperheater were tested to examine the viability of an increase in the heat transfer. The modifications showed to be effective in augmenting the COP of the system from 4.75 t0 5.19 for SH mode, from 2.20 t0 2.57 for DHW mode, and from 4.50 t0 5.10 for combined SH and DHW, representing an increase of 9.3 %, 16.8 % and 13.3 % respectively. At the end of the chapter, a strategy to control the highest COP of the machine when the iHX is used is proposed. The fifth chapter objective is to present the novel vapor refrigeration cycle simulation. Before entering in the algorithms, the assumptions and balance conditions necessary are stated. Four novel algorithms are introduced: The fast adaptive zone heat exchanger algorithm uses boundary conditions to quickly solve the heat balance inside the heat exchangers for one, two or three refrigerant phases; The iHX algorithm is used for the development of the system when the iHX is applied; The mass flow rate conservation algorithm defines the solution space of each junction in the system according to the inlet climate con‑
ditions and calculates the discharge pressure of the compressor based on the control conditions and an initial plausible state. Using the models developed, the global convergence algorithm maintains the heat and mass balance throughout each junction of the cycle. Finally, the models developed for each component of the system are described. The results from simulations are then compared with the first setup, exhibiting remarkable agreement for each of the components of the system. The resulting COP agrees within 10 010 for 95.77 % of the data, showing good precision with experimental results.
Through the application of the simulation, it was demonstrated that a constant superheating degree might not always provide the highest COP for the system when a desuperheater is considered. With the developed simulation, the sixth chapter shows its application to predict the seasonal performance factor of a low energy house. Operation schemes are prepared using different pricing schemes for two Japanese cities, and the performance of the system is examined. The results of each control strategy were compared according to the heating demand of each location, showing that there is no unique strategy that can be applied in both locations; rather control should take into account local climate conditions. Conclusions and the outlook on the technology are presented in chapter seven. Further improvement fronts on the technology and developed simulation are presented.
The work presented in this dissertation is an important contribution to the fields of environmental engineering and human comfort by proposing a novel technology through which our dependence on non‑renewable sources of thermal energy can be reduced. In the industry of heating, refrigeration and air conditioning, this dissertation makes a signihcant contribution by the introduction of the simulation environment, which can be used to make an effective appraisal of the performance and control method‑
ology of a water‑to‑water heat pump with a desuperheater (and internal heat exchanger). Moreover, the methodology presented and algorithms proposed to solve the refrigeration cycle can be extended to any other cycle in science.
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学位論文審査の要旨 主査 副査
副査 副査
教授 教授 教授 准教授
長野 羽山 小川 濱田
学 位 論 文 題 名
克則 広文 英之 靖弘
Study on the variable capacity compact heat pump unit with a desuperheater for space heating and domestic hot water
（ 暖 房 ・ 給 湯 同 時 と り だ し 可 能 な デ ス パ ー ヒ ー 夕 熱 交 換 器 を 有す る 可 変容 量 コ ン パ ク ト ヒ ー ト ポ ン プ ユ ニ ッ ト に 関 す る 研 究 ）
C02
排 出 量 削 減 のた め に 住 宅 の熱 的 高 性能化 が進 んでお り，必 要を暖 冷房 負荷が 非常に 小さく を ってい る． このよ うをロ ーエネルギー住宅では，より小さを温度差で良好を室内温熱環境を維持で き るため ．ヒ ートポ ンプの 適用が最も有効である．欧州では暖房・給湯機能をもつ，いわゆるコンパ ク トヒー トポ ンプュ ニット が年数 十万 台の市 場規模 に成長 してい る． 欧州のユニットは一定速型圧 縮 機 に よ るON‑OFF
制 御 の た め バッ フ ァ タ ン クが 必 要 で あ り 設置に は大 き橡ス ベース を要す るこ と ．また 我が 国の生 活様式 に適合する十分を給湯量を賄うことができをい．そこで，筆者は我が国の 生 活様式 にも 十分適 合でき る容量 可変 型のコ ンパク トヒー トポン プュ ニットを開発した．このヒー ト ポンプ ュニ ットの 特徴は イン′くータ制御型圧縮機を搭載し給湯用熱交換器としてデスーパーヒー タ を採用 する ことに より，1
台 の圧縮 機で暖 冷房 出カや給湯出カを任意に可変して連続的に取り出す こ とでき るこ とであ る．そ のため，圧縮機の発停止よるエネルギー損失がなく，安定した室内温室環 境 や豊富 を給 湯需要 をより 低消費 電力 量，コ ンパク トな構 成で提 供で きる．これまで一定速型圧縮 機 を搭載 した デスー パーヒ ータ利 用の ヒート ポンプ 暖冷房 ・給湯 ユニ ットに関する研究例はあるも の の．イ ンバ ータ制 御型圧 縮機を 搭載 した容 量可変 型コン パクト ヒー トポンプュニットに関する研 究 例はを い． この論 文の目 的は， 第1は容量 可変 型コン パクト ヒート ポンプ ュニ ットの プロトタイ プ 機を開 発し ，その 基本性 能を実 験的 に明ら かにすることである．第2は，本コンパクトヒートポン プ ュニッ トを シミュ レート できる 冷凍 サイク ルの数 値計算 プログ ラム を開発し，幅広い条件下で性 能 解析を 行う と共に ，必要 熱負荷 を最 高効率 で賄う ための 圧縮機 回転 数と膨張弁開度の制御ロジッ ク を確立 する ことで ある， 第3は，容 量可変 型コ ンパク トヒー トポン プュニ ット を我が 国のローエ ネ ルギー 住宅 に導入 する場 合の運 転方 法の制 御方法 論を構 築し， 数値 シミュレーションにより省エ ネ ルギー 性と 運転コ ストの 評価を 行う ことで ある．本 論文は 以下 の第1章か ら第7章で 構成さ れてい る．
第1章 は，序論であり，現在の世界的をエネルギーと環境問題，ヒートポンプ技術の現状を概説し，
革 新的を ヒー トポン プ技術 が如何 に地 球温暖 化防止 に貢献 につい てか について論じた．その上で，
本 論文の 目的 を述べ ている ．
第2章 は， 現在の ヒート ポンプ 技術と 冷凍 サイク ルの数 値シミ ュレ ーショ ン技術 につい て既往研 一
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ー究につ いて レヴュ ーを行 うと共 に， インバ ータ圧 縮機を 搭載す る容 量可変 型コン パクト ヒー トポン プ技術 の位 置づけ を行っ ている ．
第
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章 は ， イン バ ータ制 御型圧 縮機を 搭載 する容 量可変 型コン パクト ヒー トポン プュニ ットの プ ロトタ イプ 機を開 発して ，種々 の熱 出力， 圧縮機 回転数，熱源温度，取り出し温度の条件下で最高効 率を記 録す る膨張 弁開度 を求め る試 験（マ ッピン グ試験）を実施して，本ユニットの出カと効率の特 性を明 らか にして いる， 一方， 数値 解析で 必要と をる機器構成要素の物理特性，例えぱ，プレート型 熱交換 器の 総括伝 熱係数 や圧縮 機の 圧縮効 率と消 費電カ の関係 をど を明ら かにし ている ，ま た，最 適冷媒 封入 量につ いても 検討を 行っ ている ．第4章で は，液 ―ガス 熱交換 器の有 用性 につい て実験 的に明 らか にしている．液―ガス熱交換器は 凝縮器 出口 側冷媒 と蒸発 器出口 側冷 媒を熟 交換さ せるも のであ り． それに より熱 出カと 効率 の向上 が 期待 で き る ． ここ では数 種類の 液―ガ ス熱 交換器 につい て試験 を実 施して ，効率 が最大
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改 善され るこ とを確 認して いる，第
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章 は ， 容量 可 変型コ ンパク トヒー トポ ンプュ ニット の性能 解析を 行う ため， 冷凍サ イクル 数 値解析 プロ グラム の開発 を行っ てい る．特 徴は， インバ ータ制 御型 圧縮機 を対象 にして デス ーパー ヒータ を組 み込み 暖冷房 ・給湯 同時 取り出 しを可 能とし た上で ，液 ―ガス 熱交換 器の効 果を 検討で き るこ と で あ る ．計 算結果 は10%以内の 誤差 で実際 の効率 を再現 できる こと を検証 した上 ，幅広 い 条 件下 で 最 高 効 率を 得 る た め の 圧縮 機 回転 数と膨 張弁 開度を 検討し ．制御 ロジ ックを 確立し た，第6章は ，5章 で開 発した 数値解 析プロ グラム を用 いて， 札幌と 東京に 建つ ローエ ネルギ ー住宅に 容量制 御型 コンパ クトヒ ートポ ンプ ュニッ トを導 入した 場合。 省工 ネルギ ー性と ランニ ング コスト 低減効 果を 評価す るもの である ．給 湯用に
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の貯 湯タン クをも たせて ，建 物の暖 房負荷 と給湯負 荷を賄 うよ うにヒ ートポ ンプュ ニッ トを運 転させ た場合，電力消費量，またはランニングコストが最 小にを る運 転制御 の検討 を行っ たも のであ る，第
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章 は 総 括で あ り，結 論を述 べると 共に ，容量 可変型 コンパ クトヒ ート ポンプ ュニッ トの将 来 展望に つい て述べ ている ．これ を要す るには ，筆者 は， ローエ ネルギ ー住宅 向けのインバータ制御型圧縮機を搭載する容量可 変型暖 冷房 ・給湯 用コン ′Sクトヒ ートポ ンプ ュニッ トのプ ロトタ イプ機 を開発して，その基本性能 を明ら かに してい る．同 時に， 容量 可変型 コンパ クトヒ ートポ ンプ ュニッ トの挙 動を模 擬で きる冷 凍サイ クル 数値解 析プロ グラム を開 発し， 実験で 得られ た構成 要素 の物理 特性を 用いる こと により 高い再 現性 を得る ことを 確認し た上 で，構 成部材 のサイ ズや冷 媒封 入量の 最適化 ，およ び液 ガス熱 交換器 の効 果とそ の条件 ，暖冷 房・ 給湯負 荷を同 時に賄 うため の圧 縮機回 転数制 御をど を数 値解析 から明 らか にして いる． 最後に ，容 量可変 型コン パクト ヒート ポン プュニ ットを 札幌と 東京 に建つ ローエ ネル ギー住 宅に導 入する 場合 に，電 力消費 量，またはランニングコストを最小化する運転方法 の制御 方法 論を構 築した もので ある ．この よう に，本研究で得られたローエネルギー住宅向けの容 量可変 型コ ンパク トヒー トポン プシ ステム に関す る研究 成果は ，民 生部門 のエネ ルギー 消費 量削減 と省コ スト に大き な貢献 を果た すも のであ る，こ れは，建築設備工学，空気調整工学，冷凍工学をは じめ環 境工 学，機 械工学 ，建築 工学の進展，および省エネルギー，省資源，C02排出量の削減と地球温 暖化防 止に 貢献す るとこ ろ大で ある ．
よ っ て ， 筆 者 は 北 海 道 大 学 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 を 授 与 さ れ る 資 格 が あ る も の と 認 め る ．
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