Prototype of Ventilation Pre-Heating System by Solar Thermal Collector with PCM panel

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

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

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

PCMパネル温度変動実験
5

6
2.1 PCMパネル温度変動実験
換気予熱システムに装着するPCMパネルの性能を検証する
蓄放熱量と効果時間を定義し評価した

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

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
密度(液相)[kg/m³] 790
密度(固相)[kg/m³] 980
融解熱量[kJ/kg] 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
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
出口温度
入口温度
融点[℃] 26
凝固点[℃] 24
密度(液相)[kg/m³] 790
密度(固相)[kg/m³] 980
融解熱量[kJ/kg] 200
出口温度1
出口温度2
出口温度3
PCM物性値

実験結果
実験結果(PCMパネル2)
10
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
14:30
15:00
蓄放熱量[W]
温度[℃]
Time
入口温度出口温度室温蓄放熱量

実験結果
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
14:30
15:00
蓄放熱量[W]
温度[℃]
Time
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

実験結果
蓄熱蓄熱完了
12
蓄熱完了放熱
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
14:30
15:00
蓄放熱量[W]
温度[℃]
Time
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

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
放熱量[kJ]
効果時間内
蓄熱量[kJ]
PCMパネル1 2h25min 2h17min 155 239
300mm
300mm 300mm 300mm300mm

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
放熱量[kJ]
効果時間内
蓄熱量[kJ]
PCMパネル1 PCMパネル2 PCMパネル3 PCMパネル5
300mm
300mm 300mm 300mm300mm

15
PCMパネル伝熱特性把握

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

蓄熱量推移
測定風量15[m3/h] 測定風量25[m3/h]
17
0
50
100
150
200
250
300 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
積算蓄熱量[kJ]
蓄熱経過時間[分]
0
50
100
150
200
250
300
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
積算蓄熱量[kJ]
PCMパネル2 PCMパネル3 PCMパネル4
PCMパネル6
PCMパネル1
PCMパネル5 PCMパネル7

蓄熱量推移
18
測定風量15[m3/h] 測定風量25[m3/h]
0
50
100
150
200
250
300 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
積算蓄熱量[kJ]
0
50
100
150
200
250
300
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
積算蓄熱量[kJ]
PCMパネル2 PCMパネル3 PCMパネル4
PCMパネル6
PCMパネル1
PCMパネル5 PCMパネル7

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

実験値と解析値の比較(PCMパネル2)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
温度[℃]
経過時間[分]
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
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
温度[℃]
経過時間[分]
熱伝達率30
実験値と一致する熱伝達率存在せず

0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
温度[℃]
経過時間[分]
22
熱伝達率30
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

23
今回の解析モデルにPCMの木枠は考慮されていない
今後、木材の計算モデルも入れて数値解析を行う

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
24

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
実験概要
本研究のシステムを住宅に導入した場合の動作確認と
性能の検証を行った
実験風景
25

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
太陽熱空気集熱器から
26
出口温度
平均値

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
200
400
600
800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
2,000
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
日射量[W/m2]
温度[℃]
Time

実験結果
0
200
400
600
800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
2,000
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
日射量[W/m2]
温度[℃]
Time
28
蓄熱量約960kJ

0
200
400
600
800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
2,000
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
日射量[W/m2]
温度[℃]
Time
実験結果
29
日射量減少後
空気温度も低下
蓄熱量約960kJ

0
200
400
600
800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
2,000
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
日射量[W/m2]
温度[℃]
Time
実験結果
30
蓄熱未完了
放熱量約456kJ
蓄熱量の半分以下
蓄熱量約960kJ

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

2. PCMパネル性能実験と伝熱特性把握
補足 PCMパネルについて
PCMパネル作成手順
290
300
450
40
40
20
20
34

補足実験結果
26
300
26
450
290
50
50
15
15 PCM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

補足実験結果
26
300
26
450
290
50
50
15
15 PCM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
補足実験結果
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
14:30
15:00
蓄放熱量[W]
温度[℃]
Time
蓄放熱量の算出
2779[W]
𝑄 𝑝𝑐𝑚 = 𝑐𝜌𝑉(𝜃 𝑜𝑢𝑡 − 𝜃𝑖𝑛)
9:00-12:00(3時間)の
総放熱量

38
補足実験結果
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
14:30
15:00
蓄放熱量[W]
温度[℃]
Time
蓄放熱量の算出
5235[W]
𝑄 𝑝𝑐𝑚 = 𝑐𝜌𝑉(𝜃𝑖𝑛 − 𝜃 𝑜𝑢𝑡)
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
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

40
PCM融解過程
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

41
PCM融解過程
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

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
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
温度[℃]
経過時間[分]
熱伝達率30
小
大
小
大
熱伝達率

数値解析
0
10
20
30
40
50
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
温度[℃]
経過時間[分]
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
33
43
53
63
73
83
93
103
113
123
133
143
153
163
173
183
193
203
積算放熱量[W]
経過時間[分]
熱伝達率30
熱伝達率25 熱伝達率の単位[W/m2K] 44

数値解析
0
10
20
30
40
50
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
温度[℃]
経過時間[分]
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
213
223
233
243
253
263
273
283
293
303
313
323
333
343
353
363
373
積算蓄熱量[W]
経過時間[分]
熱伝達率30
45

46
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
温度[℃]
経過時間[分]
熱伝達率30
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

補足実験概要
47
北方型実験住宅
2008年10月
66.24m2
（平屋）
1.6W/m2
K
1.2cm2
/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
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

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

50
補足実験装置
平面図
PCMパネル3
EPS
出口測定位置
入口・出口温度には6つずつ熱電対を設置
平均値

Prototype of Ventilation Pre-Heating System by Solar Thermal Collector with PCM panel

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Andere mochten auch

Andere mochten auch (6)

Mehr von Taro Mori

Mehr von Taro Mori (13)

Prototype of Ventilation Pre-Heating System by Solar Thermal Collector with PCM panel

Hinweis der Redaktion