アンモニア

米国に本拠を置く電力研究所 (EPRI) は、従来の温水空調システムを低負荷アンモニア (R717) チラーと CO2 (R744) 対流ループに置き換えることで、コスト、エネルギー使用量、温室効果ガス排出量を削減できることを発見しました。

EPRI は、電力会社の南カリフォルニア エジソン (SCE) および日本の HVAC&R メーカーであるマエカワと提携して、プロトタイプを開発し、コンセプトをテストしました。 研究結果「CO2対流ループと結合したアンモニア蒸気圧縮の開発と評価」は、5月15日から18日までシカゴで開催された第14回IEAヒートポンプ会議でEPRIプログラムマネージャーのロン・ドミトロヴィッチ氏によって発表されました。

研究によると、このコンセプトは技術的に実現可能であることが証明され、「システムの実行可能性」が実証されることに成功したという。

合成冷媒に対する規制の強化を受けて、EPRI の研究は、自然冷媒、特にアンモニアと CO2 を業務用空調用途にどのように使用できるかに焦点を当てました。

「私たちは特に、大規模な建物の空調用に従来の冷媒と[ウォーターループシステム]を使用するチラーの置き換えを検討していました」とドミトロヴィッチ氏は説明しました。 「アイデアは、アンモニア冷却装置と CO2 分配システムを組み合わせたスーパーマーケットのシステムで時々行われていることを模倣することでした。」

「アイデアは、アンモニア冷却装置と CO2 分配システムを組み合わせたスーパーマーケットのシステムで時々行われていることを模倣することでした。」

同氏は、このようなシステムは通常、はるかに低い温度で使用されるため、プロジェクト チームはこの用途での使用について、CO2 ループの高圧と温度を検討していたと述べた。

プロトタイプの空調システムは、テネシー州ノックスビルにある EPRI の研究所で開発およびテストされ、蒸気圧縮用の 28kW (8TR) 前川製アンモニア冷却装置、CO2 対流ループ、および 3 台の屋内リモート エア ハンドリング ユニット (AHU) で構成されています。

ドミトロヴィッチ氏によると、既製の冷却装置には熱交換器が取り付けられており、水ではなく CO2 冷却との互換性が確保されています。

このシステムは初めてのものであるため、すべてのコンポーネントがすぐに入手できないわけではないと彼は説明しました。

「適切な膨張弁がなかったので、代わりにニードルバルブを使用しました」と彼は言いました。 「また、このような条件下で CO2 を汲み上げる能力については限られた自信がありましたが、より高い温度と圧力にも適していると考えられる (低温) ポンプを見つけました。」

CO2による空調に適した特別なコイルもAHU用に作られたと同氏は付け加えた。

安全性の観点から、冷却能力 1 kW あたりのアンモニア量 (1 ポンド/TR) あたり 130 g 未満という低い冷媒充填量と、チラーが屋外に設置されているという事実が、アンモニア漏れのリスクを制限するのに役立つとドミトロヴィッチ氏は述べています。

CO2 ループは 31 ～ 38 バール (450 ～ 550 psi) で動作し、システムがより高い圧力に耐えられるように技術が使用されていると同氏は付け加えました。

「これは比較的シンプルなシステムで、設置も比較的簡単です」とドミトロヴィッチ氏は言う。

従来のチラーと水ループ システムと比較して、アンモニア ベースのチラーと CO2 対流ループの使用には複数の利点があるとドミトロヴィッチ氏はプレゼンテーションで述べました。 メリットとしては、コストの削減、効率の向上、GWP の低下、柔軟性の向上などが挙げられます。

潜在的なコスト削減は、配管、設置、エネルギーへの支出の削減によってもたらされますが、これらはすべて、水と比較して相変化する CO2 の熱容量が大きいため可能になる、と同氏は説明しました。

ポンピング要件の削減により、エネルギー使用量が 5 分の 1 に削減されると同氏は付け加えました。

この分析では、設置容量当たりの資本コストの点では、アンモニアと HFC ベースの冷凍機の間にほとんど違いがないと仮定していますが、研究者らは、低充填アンモニアが高 GWP 冷媒の安価な代替品となると述べています。

研究チームは「CO2対流に必要な配管のサイズが小さくなったことで、材料費と設置費を節約できる可能性があり、この新しいタイプの装置の資本プレミアムを相殺できる可能性がある」と述べた。

「CO2 対流に必要な配管のサイズが小さいため、材料費と設置費を節約できる可能性があり、この新しいタイプの装置の資本プレミアムを相殺するのに役立つ可能性があります。」

効率の向上は、アンモニアの高い効率と、水の 10 倍の熱を伝達できる CO2 の高い熱容量によってもたらされます。

Domitrovic 氏によると、システムの最適化をほとんど行わずに 2 ～ 3 の COP が達成されました。 これにより、将来的にシステムの効率が大幅に向上する可能性があると同氏は付け加えた。

このシステムは冷却のみを目的として設計およびテストされたが、研究チームは、熱対流用の高圧 CO2 の利用など追加の考慮事項を追加することで、このコンセプトを加熱にも拡張できると述べています。