熱化学技術が建築熱の有望な道筋を示す

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2024-11-13 17:29:00

コロラド州ゴールデン、2024年11月13日（グローブニュースワイヤー） — 米国エネルギー省国立再生可能エネルギー研究所（NREL）の研究者らによると、熱化学材料に蓄えられたエネルギーは、特に湿気の多い地域で屋内空間を効果的に加熱できるという。

科学者たちは、業界の代表者やローレンス・バークレー国立研究所の研究者と協力して、熱化学材料 (TCM) を建物の HVAC システムに統合するための現実的な構成を決定しました。塩水和物 TCM は、建物の暖房システムに負荷の柔軟性を提供するための有望な候補と考えられています。この柔軟性により、暖房システムの電力要件を削減したり、電気が安価またはクリーンな時間帯に負荷を移行したりできる可能性があります。

TCM は、水和反応および脱水反応によってそれぞれ放電および充電されます。塩を水和すると熱が放出され、その熱は建物の暖房に使用されますが、TCM を脱水または充電するには、他の時間帯にヒート ポンプからの余分な熱が必要になります。これは、反応器が水蒸気と相互作用する必要があることを意味します。この水蒸気は周囲の空気から直接来る可能性があり、その場合、TCM は開放システムとなります。あるいは、TCM は、密閉システムとして知られる、空気を排気した隔離されたチャンバー内に置くこともできます。この場合、水蒸気は、第 2 チャンバーから液体の水が蒸発することによって生じます。

オープンシステムはシンプルですが、冬の間は困難が伴います。通常、水蒸気は稀少であり、室内の空気を使用して水和反応を促進すると、建物の湿度を不快なレベルまで下げることができますが、冷たい外気には水分が限られています。

「私たちが原子炉を建物に統合した方法により、家を乾燥させることなくそれを行うことができました」とNRELの先進建築設備研究グループの上級研究エンジニアであり、このテーマに関する新しい論文の共著者であるジェイソン・ウッズは述べた。 「湿気がどこから来るのかを考えることが重要です。湿気がどのように統合されているかによってパフォーマンスが大きく影響を受ける可能性があるからです。」

論文「建物暖房のためのオープンサイクル熱化学エネルギー貯蔵: 実用的なシステム構成と有効エネルギー密度」が、同誌の 12 月号に掲載されます。 応用エネルギー。ウッズの協力者は、NRELのイー・ゼンとアドウェール・オドゥコマイヤである。他の共著者は、Lawrence Berkeley とシカゴの会社 NETenergy LLC です。

この研究はエネルギー省建築技術局から資金提供を受けており、熱エネルギー貯蔵に関して同局が2019年に定めた資金優先順位から生まれた。建物は加熱と冷却にかなりのエネルギーを必要とするため、熱エネルギー貯蔵は電気負荷を変更して調整する機会を提供します。これは、低炭素エネルギーが利用可能な時間帯に電気ヒートポンプの動作を調整することで、脱炭素化をサポートします。

研究者らは、空気中の水蒸気と反応する際に熱を発する塩化ストロンチウムを動力源とするTCM反応器の熱性能を調べた。彼らはさまざまな気候と建物の種類を考慮し、いくつかの構成を検討し、水蒸気の発生源に特に注意を払いました。研究ではコンピューター モデリングが使用され、実験データによって検証されました。

最良の結果が得られた構成では、TCM リアクターが、屋内の空気と同じ温度と湿度の建物から出る空気を加熱することができました。加熱された空気は、熱交換器を介して流入する換気を間接的に加熱します。これにより、リアクターによる室内空気の除湿が防止され、十分な湿度レベルが提供されます。必要な換気空気を加熱するために必要なエネルギーを相殺することに加えて、空気を室内温度よりも高く加熱できるため、室内温度を維持するために炉やヒートポンプに必要なエネルギーが削減されます。

ただし、この構成は、吸気口の近くに排気口がある建物でのみ機能します。ウッズ氏は、この原子炉はヒートポンプや炉に代わるものではなく、後で使用するためにエネルギーを貯蔵することを目的としていると述べた。

TCM リアクターをモデル化する際に、研究者らは室内温度を摂氏 21 度 (華氏 69.8 度) と仮定しました。相対湿度が反応器の性能に影響を与える重要な要素であることが判明しました。彼らは、アトランタ、ニューヨーク、ミネアポリス、シアトルの 4 つの気候で原子炉がどの程度うまく機能するかを計算しました。これらの都市の中で、ミネアポリスでは冬の寒く乾燥した気候のため、原子炉のパフォーマンスが最も悪くなる可能性がある。

「冷たい空気には水分がほとんど含まれていないため、室内の湿度が低くなり、中医学の反応が促進されにくくなります」とウッズ氏は言う。

シアトルにある TCM 反応器は湿度が高いため、熱性能がより高くなるだろうと研究者らは計算しました。

この研究では、一戸建て住宅の検討に加えて、このテクノロジーが小規模ホテルのロビー、中規模のオフィスビル、病院の病室でどの程度うまく機能するかについても調査しました。 TCM システムの限界資本コストは建物のサイズが大きくなるにつれて減少し、平準化ストレージコスト (LCOS) は 1 キロワット時あたり 10 セント未満と推定されます。

今後も研究者らはこの技術の進歩を続けていきます。 LCOS が低いことは、この技術が商業化への実現可能な道筋を持っていることを示していますが、原子炉の製造、統合、パッケージング、および設置のコストを定量化するには追加の作業が必要です。これを費用対効果の高いテクノロジーにするには、これらのコストのそれぞれに対処する必要があります。研究者らは、上記のクローズドサイクルシステムを含む、TCM を HVAC システムに統合するための他のオプションも検討しています。これらのシステムは周囲湿度に制約されませんが、さらなる研究で解決したいと考えている別の一連の課題があります。

NREL は、再生可能エネルギーとエネルギー効率の研究開発を目的とした米国エネルギー省の主要な国立研究所です。 NREL は、Alliance for Sustainable Energy LLC によって DOE のために運営されています。

• 実験室規模の熱化学材料リアクター

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