エネルギーシステム脱炭素化のためのヒートポンプ技術の性能最適化と関連応用研究に関するレビュー

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:Provides a structured overview of current heat pump research gaps, useful for identifying future research directions in performance optimization and working-fluid/material challenges.

🏢実務担当者:Offers a technology benchmark for energy managers and building/facility engineers evaluating heat pump options for cost-effective decarbonization.

🏛政策担当者:Highlights the need for kilowatt-scale demonstration programs and long-term validation to support heat pump deployment policies and industrial electrification targets.

ヒートポンプは、低品位熱エネルギーの効率的な利用とエネルギー構造の低炭素転換の中核となる設備であり、建物暖房や産業排熱回収において大きな省エネ潜在力を有する。本稿は、圧縮式、吸収式、吸着式ヒートポンプ、ならびにナノ流体熱伝達強化技術と弾性熱量ヒートポンプシステムの研究進展と技術的課題をレビューする。空気源ヒートポンプは、変周波数、蓄熱、排熱回収により着霜を遅延させることができる。しかし、極寒条件下での性能低下に関する正確な予測モデルが不足している。地中熱源および水源ヒートポンプは顕著なエネルギー効率上の利点を示すものの、地中熱源システムは地中熱不均衡による性能低下を被る可能性がある。水源システムの適用は水資源条件によって厳しく制約される。低品位排熱を駆動源とする吸収式ヒートポンプは、従来の作動対を用いる場合、結晶化、腐食、または高い精留エネルギー消費に悩まされる。80〜100 °Cの排熱における単効用サイクルのCOPはわずか1.2〜1.9である一方、ハイブリッドサイクルは120〜150 °Cで約3.2に達することができる。吸着式ヒートポンプは、連続熱回収サイクルにおいて大幅に改善された性能を達成するものの、金属有機構造体などの新規吸着材のフルスケール出力密度は、従来のシリカゲルの出力密度に劣る。さらに、オフデザイン条件下では、性能は理論値と比較して23〜48%低下する。ナノ流体は熱伝達を強化できるが、高温下での粒子凝集がポンプ消費電力とシステム適合性に及ぼす長期的影響は、依然として系統的な評価が待たれる。弾性熱量ヒートポンプシステムは冷媒を使用しない冷却を達成できるが、現在のプロトタイプは長周期疲労信頼性と出力密度において、依然として従来の蒸気圧縮システムと競合できない。現在のヒートポンプ技術は、一般に、極端な条件への適応性の不足、作動流体と材料におけるボトルネック、長期検証の欠如といった課題に直面している。将来の研究は、多源結合最適化システムを構築し、作動流体と材料における共通問題に対処し、長期検証とキロワット級プロトタイプ実証を推進し、ヒートポンプ技術の高効率化、インテリジェント化、高信頼性に向けた大規模展開と工学的応用を牽引しなければならない。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

Heat pumps are core equipment for efficient low-grade thermal energy utilization and low-carbon transformation of the energy structure, offering significant energy-saving potential in building heating and industrial waste heat recovery. This paper reviews the research progress and technical challenges of compression, absorption, and adsorption heat pumps as well as nanofluid-enhanced heat transfer technology and elastocaloric heat pump systems. Air source heat pumps can delay frosting through variable frequency, heat storage, and waste heat recovery. However, accurate prediction models for performance degradation under extreme cold conditions are lacking. Although ground source and water source heat pumps exhibit significant energy efficiency advantages, ground source systems may suffer from performance degradation due to underground thermal imbalance. The application of water source systems is strictly constrained by water resource conditions. Driven by low-grade waste heat, absorption heat pumps employing traditional working pairs suffer from crystallization, corrosion, or high rectification energy consumption. The COP of a single-effect cycle under 80~100 °C waste heat is only 1.2~1.9, while hybrid cycles can reach approximately 3.2 at 120~150 °C. Although adsorption heat pumps achieve significantly improved performance under continuous heat recovery cycles, the full-scale power density of novel adsorbents such as metal–organic frameworks is inferior to the power density of traditional silica gel. Moreover, under off-design conditions, the performance drops by 23~48% compared to theoretical values. Nanofluids can enhance heat transfer, but the long-term effects of particle agglomeration at high temperatures on pump power consumption and system compatibility remain to be systematically evaluated. Elastocaloric heat pump systems can achieve refrigerant-free cooling, but current prototypes still cannot compete with traditional vapor compression systems in long-cycle fatigue reliability and power density. Current heat pump technologies generally face challenges such as insufficient adaptability to extreme conditions, bottlenecks in working fluids and materials, and a lack of long-term validation. Future research must construct a multi-source coupling optimization system, address common problems in working fluids and materials, promote long-term validation and kilowatt-level prototype demonstrations, and drive the large-scale deployment and engineering application of heat pump technology toward high efficiency, intelligence, and high reliability.

• crossref https://doi.org/10.3390/machines14080862first seen 2026-08-01 07:27:18 · last seen 2026-08-14 06:00:50