何？天然ガスは燃焼後に冷却にも使えるんです！

制作：中国科学普及協会

著者: 田佳耀 (中国科学院広州エネルギー転換研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

一般的に、天然ガスを燃焼させると、人々が暖を取ったり調理したりするために大量の熱エネルギーを提供できますが、天然ガスの燃焼は冷却にも使用できることをご存知でしたか。

図1 国内パイプライン天然ガス

（写真提供：Veer Gallery）

ガスヒートポンプとは

ご存知のとおり、通常の水ポンプは低いレベルから高いレベルまで水を汲み上げることができますが、「ヒートポンプ」とは何でしょうか?

熱力学の第二法則によれば、熱は高温の物体から低温の物体へは自発的に伝達されますが、低温の物体から高温の​​物体へは自発的に伝達されません。水ポンプの「逆動作」と同様に、ヒートポンプ装置は、低温環境から高温環境へ熱を「ポンプ」するために、一定量の機械的エネルギーを消費します。これが一般的なエアコンの温度制御原理です。ヒートポンプの駆動方法によって、ヒートポンプは電気駆動、熱エネルギー駆動、エンジン駆動に分けられます。

図2 ガスヒートポンプ産業化実証プロジェクト

（画像出典：中国科学院広州エネルギー転換研究所ウェブサイト）

中国科学院広州省エネルギー研究所エネルギー貯蔵技術研究室が開発した国産初のガスヒートポンプ（GHP）は、一般的な電気エアコンの電動コンプレッサーとは異なり、主にガスエンジンで駆動するオープンスクロールコンプレッサーを採用した超高エネルギー効率の空気源ヒートポンプシステムです。同社の複雑な熱システム結合制御技術とシステム統合は、この分野における日本企業の技術独占を打ち破り、現地化を実現し、「デュアルカーボン目標」の実現を支えることになる。

図3 ガスヒートポンプ室外機

（画像出典：中国科学院広州エネルギー転換研究所ウェブサイト）

図4 GHPシステムの概略図

（画像出典：著者提供）

GHP には、コントローラ システムに加えて、電力システム、ヒート ポンプ システム、循環水システム、廃熱回収システムの 4 つのサブシステムが含まれています。動力システムは主に天然ガスエンジンと滑車で構成されています。ヒートポンプシステムは主に、オープンスクロールコンプレッサー、コンデンサー、蒸発器、スロットルバルブで構成されています。循環水システムは、室内熱交換器が凝縮器の場合には冷媒の熱を回収し、室内側が蒸発器の場合には冷媒の冷気を回収します。廃熱回収システムは、天然ガスエンジンのシリンダージャケット水の熱を回収するだけでなく、排気ガスの熱も回収し、排気ガスの排出温度を100℃未満にします。

天然ガスがガスエンジンで燃焼した後、約30％〜35％の熱が軸仕事に変換され、非常に高い機械効率を持つマルチVベルトスクロールコンプレッサーによって駆動され、その中のR410A冷媒が蒸気圧縮サイクルを経ます。残りの65％〜70％の熱のほとんどは、廃熱回収システムによって循環水システムに伝達されます。ユニットの定格暖房能力は85kW、最大暖房能力は100kWを超え、定格冷房能力は71kWです。

ガスヒートポンプの役割

暑い夏には、室内の温度は屋外の温度よりも低くなりますが、室内の熱はどのようにして屋外へ逃げるのでしょうか?

これは、ヒートポンプシステム内の冷媒がコンプレッサーによって高温高圧のガスに圧縮され、室外熱交換器内で周囲温度に対して高温状態になっているためです。このとき、その熱は自然に周囲に放出され、液体冷媒になります。電子膨張弁で減圧・絞りされた後、低圧・低温の二相冷媒となり、室内熱交換器へ流入します。循環する水の熱を吸収した後、完全に蒸発してガス状の冷媒となり、コンプレッサーに入り、次のサイクルを開始します。同時に、低温の循環水が室内の空気と熱交換し、その冷たさを室内に放出します。

考えてみてください。寒い冬には、室内の温度は屋外よりも高くなります。では、屋外の熱はどのようにして室内に伝わるのでしょうか?

これは、ヒートポンプシステム内の冷媒がコンプレッサーによって高温高圧のガスに圧縮され、室内熱交換器内の循環水に熱を伝えるためです。循環する水は加熱され、室内の空気と熱交換してその熱を室内に放出します。同時に冷媒は気体から液体に変化し、電子膨張弁を通過して圧力が下げられ、絞り込まれた後、低圧低温の二相状態となり、室外熱交換器に流入します。周囲の熱を吸収して完全に蒸発した後、コンプレッサーに入り、次のサイクルを開始します。

これ以外にもっと強力な機能はありますか?

はい、ありますよ！ GHP の独自の廃熱回収システムにより、冷房と暖房をしながらさまざまなシナリオで使用するために 25 ～ 30kW の生活用温水を得ることができ、電気ヒートポンプとは比較にならないほど極低温の環境でも暖房条件を実現できます。周囲温度が-10℃の場合でも、暖房性能に影響はなく、機械を停止させることなく霜取りが可能です。

図5 ガスヒートポンプの適用シナリオ

（画像出典：著者提供）

ガスヒートポンプの利点

電気ヒートポンプ（EHP）と比較すると、GHP は一次エネルギー利用率が非常に高くなります。冬の暖房を例にとり、EHP と GHP のそれぞれでエネルギー 1 単位にどのような変化が生じたかを見てみましょう。

簡単に言えば、EHP も GHP も空気から得られる低品位熱は同等ですが、EHP と比較すると、GHP は天然ガス燃焼後の廃熱を直接利用するので、熱の経済的価値がユーザーに還元されます。計算によると、同じ暖房効果の場合、EHP を使用した場合の一次エネルギー消費量は GHP を使用した場合の 1.36 倍になります。

図6 GHPとEHPのエネルギーフローの比較

（画像出典：著者提供）

現在、わが国の主な電力資源は依然として火力発電に依存しており、「グリーン電力」の断続性と不安定性は依然として無視できない問題です。言い換えれば、短期的には再生可能エネルギーではその役割を担うことができないだろう。統計によると、クリーンエネルギーである天然ガスは、石炭を1%置き換えるごとに二酸化炭素排出量を2億トン削減します。同時に、電力系統負荷のピークと谷の差とは逆の傾向を示しています。 HVAC エネルギー消費が社会全体のエネルギー消費の 15% を占める状況において、GHP は配電容量を大幅に削減し、「ピークシフトと谷間埋め」に積極的な役割を果たすことができます。

重慶を例に挙げると、比較的安価な天然ガス資源のおかげで、電力需要の「ピーク」月が効果的に緩和されている。

図7 2021年の重慶市の発電量と天然ガス供給量

（写真提供：国家統計局、重慶市経済情報委員会）

GHPのガス源は天然ガスだけでなく、バ​​イオガスやバイオマスガスなどの「グリーンガス」も含まれます。天然ガスを例にとると、ガスボイラーをGHPに置き換えると、ガス消費量と炭素排出量が40%以上削減されます。ヒートポンプエアコンに使用した場合、消費電力1キロワット時あたりに排出されるCO2は0.79kgと算出されます。同じ状況下では、GHP の炭素排出量は EHP の 60% になります。

考えてみてください。バイオガスが豊富な農村地域では、燃焼後の二酸化炭素も温室に輸送できます。美しいですね！

編集者：孫晨宇

参考文献:

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[2] Roselli C、Marrasso E、Sasso M.小規模用途向けガスエンジン駆動ヒートポンプ：最新技術と将来の展望[J]。エネルギー、2021年、14。

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出典：https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118863

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