基礎杭方式地中熱利用システムの 計画と設計方法について

地中熱利用促進協会
各種杭を利用した地中熱利用シンポジウム
2007.12.18
基礎杭方式地中熱利用システムの
計画と設計方法について
長野克則
北海道大学大学院工学研究科
教授
nagano@eng.hokudai.ac.jp
1
建物の基礎杭を地中熱交換器として利用するシステム:
欧州では“Energy Pile System”と呼ばれている
(実施例は1980年代以降)
2
建物基礎杭を地中熱交換器とする方法
杭
の
種
類
1.場所打ち杭
2.PHCパイル(既製コンクリート杭)
3.回転圧入鋼管杭
基礎杭を地中熱交換器とする場合の
熱交換の方法
1.直接:水封入、封入水の循環
2.間接:水封入、Uチューブ間接
3.間接:セメント封入、 Uチューブ間接
Footing
Water filled in
Steel foundation piles
3
基礎杭利用地中熱利用システムの計画・設計
特に、基礎杭利用地中熱交換器規模の算定
„
基礎杭の種類による採熱量、放熱量の違い
„
杭内部の熱交換仕様はどのように考えればよいのか?
„
永続的に利用できるのか?
„
1mあたり何Wの出し入れが出来るのか?
„
どのくらいの間、安定的に出し入れ出来るのか?
„
そのための設計条件をどのように設定すればよいのか?
4
1mあたり何Wの出し入れが出来るのか?
„ 基礎杭の材料(既成コンクリート、場所打
ちコンクリート、鋼管など)
„ 口径(十数cm∼2m規模まで)
„ 熱交換方式(モルタル、水間接、水直接)
„ 基礎杭の有効熱交換深さ(長さ)
„ 地盤の有効熱伝導率
„ 地下水流れの有無、認められる場合には速度
5
Kelvin卿の線熱源理論
„ T*=I(X)
T*:無次元温度(=2πλT/q)
∞√at)
„ X:無次元時間の逆数(=r/2
X -β2
„ I(X):無次元温度応答(=∫e
/βdβ)
ここで、
„ q:線源の単位長さあたりの発熱量(W/m)
„ λ:土壌の有効熱伝導率(W/m/K)
„ T:ある位置r、ある時間tの温度(℃)
„ a:土壌の温度伝播率(= λ/c/ρ)(1/m2)
„ cp:土壌の比熱(kJ/kg/K)
„ ρ:土壌の密度(kg/m3)
„
Kelvinの線熱源理論式の近似式
X<=0.3
:I(X)=-0.9945ln(X)-0.2519
0.3<X<= 1.0 : I(X)=2.457exp(-3.096X)
X>1.0
: I(X)=7.0exp(-4.07X)
6
住宅用基礎杭地中熱交換器の簡易設計
„
„
„
„
„
„
Kelvin卿の線熱源理論の応用
年間灯油1500Lの暖房(融雪)エネルギー
=灯油発熱量1300Lの暖房負荷
地中からの採熱量(ヒートポンプのCOPを4.5とすると)
=1300L×8900kcal/L×(4.5-1.0)/4.5
=9.0 Gcal
暖房期間に平均的に地中からくみ上げる採熱量
9.0 Gcal/180days/24h=2083 kcal/h
地中熱交換器の1本の有効長さを5m、それを20本、全長は
100m
暖房期間180日の単位熱交換器長さあたりの採熱量は、
20.8 kcal/m=25 W/m
7
1mあたり25Wを連続地中に投入した場合180
日後の管壁相当位置の温度
土壌の有効熱伝導率2.0W/(m・K)
土壌初期温度 [℃]
管半径[m]
熱伝導率[W/mK]
熱容量[kJ/m3K]
放熱量 [W]
管長さ[m]
期間 [day]
無次元時間 (=r/2/(at)^0.5)
無次元温度応答
管壁相当地点温度 [℃]
10
10
10
0.05
0.075
0.1
2
2
2
2800
2800
2800
25
25
25
1
1
1
180
180
180
0.00750086 0.01125129 0.01500171
4.621
4.222
3.940
19.19
18.40
17.84
初期温度から7.8℃の温度変化がある
8
4/19
基礎杭の表面温度変化を精度良く算出するためには、
無限円筒表面熱流応答理論の方が良い。
特に時間変化の重ね合わせをするならば線原理論では限界がある。
概念図
特長
rp
Ts0
q
Ts
1.理論解を用いているので、短時間で
の計算が可能。
2.熱交換器内部の熱容量が加味でき
るため、特に基礎杭利用などの管径
の大きい熱交換器には有効。
表面熱流qに対しての、経過時間 tにおける、管表面 r = rpの温度 Ts
(ur)Y1(u r p) − Y 0 (ur) J 1(u r p)
2q ∞
−au 2t J 0
−
(
1
)
du
e
T s r =r p = T s0 −
∫
2 2
2
+
πλ 0
[
(
)
(
)]
u
u
u J r
Y r
1
p
1
記号 T : 温度 [℃] Jx : x次の第一種ベッセル関数 Yx : x次の第二種ベッセル関数
t : 時間 [h] r : 軸方向距離 [m] a : 温度伝播率 [m2/s]
q : 単位面積あたりの熱流 [w/m2] u : 個有値 λ: 熱伝導率 [W/(m・K)]
p
添え字
p : 熱交換器表面 s : 土壌
s0 : t=0 における土壌
9
無限円筒表面熱流応答理論の円筒表面温度の時間変化
4.0
3.5
2.5
T*
無次元時間 (Tλ/q)
3.0
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
20
40
60
80
100
t*
無次元時間 at/rp2
10
地中熱交換器の種類による杭内部の熱抵抗の違い
熱媒
グラウト
(充填材)
水
基礎杭
鋼管
ダブルUチューブ型
内部熱抵抗値
を境界要素法
によって算出
Uチューブ型の計算例(左)
と計算結果(右)
境界条件
境界①、③、⑤→断熱境界
境界②、④→ポテンシャル境界
(温度ポテンシャル値境界②=1、境界④=0)
鋼管井戸型
基礎杭利用(間接方式)
10
グラウト
(充填材)
20
row
Uチューブ型
30
40
①
⑤
③
50
10
②
20
30
40
50
col
④
ブライン
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
for_picture_txt
11
境界要素法による地中熱交換器内部熱抵抗計算結果の一例
シングルUチューブの計算例
グラウト(充填材)
λ=1.8W/(m・K)
境界領域
④
⑤
dU ①
②
dbo ③
diU
送り管
戻り管
ブライン
ダブルUチューブの計算例
グラウト(充填材)
λ=1.8W/(m・K)
境界領域
⑤
送り管
dU
②
④
① dbo ③
diU
戻り管
12
鋼管基礎杭による採熱試験(北大・新日鐵の共同研究)
鋼管基礎杭を熱交換器として使用した場合の採熱量・放熱量の検討
内部挿入Uチューブの最適本数、内部水とUチューブとの熱伝達率の把握
試験装置系統図
鋼管挿入時
採熱試験機
流量計
温度センサー
地表面
不凍液
試験装置外観
回路2
回路1
挿入管:
PE25A
40m
不凍液
水
400φ or 165φ鋼管杭
鋼管井戸型
間接方式
(Uチューブ挿
入)
13
鋼管杭内の仕様と鋼管杭口径の違いによる採熱量、熱抵抗値の変化
0.18
熱抵抗値
25
採熱量
採熱量 [W/m]
20
0.12
15
10
0.06
熱抵抗値 [m2K/W]
30
5
0
0.00
400mmφ
直接方式
400mmφ
間接方式
(シングルU)
400mmφ
間接方式
(ダブルU)
165mmφ
直接方式
165mmφ
間接方式
(シングルU)
165mmφ
間接方式
(ダブルU)
14
地中熱交換器内部の熱容量を考慮する必要がある
地中熱交換器の
ヒートポンプへ 採熱量:Q1
地中熱交換器
T1in
ヒートポンプより
循環流量:mb
グラウト
(充填材)
内部の熱媒を集中
常数系として計算
Tb
Ts
内部熱容量の
変化:ΔQb
地中からの
熱量:Qbo
Uチューブ型
ダブルUチューブ型
地中熱交換器内部熱収支式
熱貫流率: Kbo
T1out
Q1 = ∆ Qb + Qbo
cbρbmb(T 1out − T 1in) = cbρbVb
dTb
+ K bo − out Abo − out (T s =
−
)
r r bo Tb
dt
15
鋼管基礎杭による採熱試験(北大・新日鐵の共同研究)
鋼管基礎杭を熱交換器として使用した場合の採熱量・放熱量の検討
内部挿入Uチューブの最適本数、内部水とUチューブとの熱伝達率の把握
試験装置系統図
鋼管挿入時
採熱試験機
流量計
温度センサー
地表面
不凍液
試験装置外観
回路2
回路1
挿入管:
PE25A
40m
不凍液
水
400φ or 165φ鋼管杭
鋼管井戸型
間接方式
(Uチューブ挿
入)
16
口径165φ長さ40mの鋼管杭にUチューブを挿入した採熱実験
周囲土壌温度約9℃、不凍液循環温度2℃
2000
1800
1600
採熱量 [W]
1400
計算値(鋼管内の水の熱容量を考慮)
1200
1000
計算値(鋼管内の水の熱量は考えず、熱抵抗のみ考慮)
800
600
400
実測値
200
0
0
50
100
150
時間 [h]
200
250
300
17
間接熱交換方式の設計性能予測ツールの開発
GSHP設計性能予測ツールの現在までの状況
2004年 北海道大学より特許出願(特願 : 2004-276099*)
2005年 米国特許取得(US Patent : US 7,113,888 B2 *)
2006年 日本国内で製品化・販売開始
*発明者:長野克則・葛隆夫、
出願、特許取得は北海道大学
と新日鉄エンジニアリングの
二者で共同
製品化・販売されている
設計・性能予測ツール
GroundClub
18
GSHPシステム設計・性能予測ツールの特長
任意配置した埋設管に対する地中温度計算
従来のツール:予め設定されている配置のみ計算可能
本ツール:任意配置した埋設管の採放熱に対して、地中温度の
計算が可能
複数埋設する地中熱交換器の入力
画面の一例
ボアホールシングルUチューブ型熱交換器
(75 m × 3 本)
鋼管杭
19
長野研究室で本設計ツールを用いて
計画・設計に協力したGSHP実例
1. 札幌市立大学(北海道)
2006年4月より運転開始、現在運転中
2. 病院(関東地方)
2007年12月竣工予定
システム概要
システム概要
•鋼管杭(4.7m×51本)を地中熱交換
器として用いたシステム
•ボアホール地中熱交換器(75m×3
本)も併用
•PHC杭(20m×38本)を地中熱交換器
として用いたシステム
•ヒートポンプ圧縮機容量は20馬力
•GSHPシステムの出力は外調機の負
荷に対応
•ヒートポンプ圧縮機容量は20馬力
•昼夜間・季節間蓄熱効果を利用した
GSHPシステム
20
地下水流れによる採熱量、放熱量の増大効果を組み入れる
①地下水流れがある場合の増大効果の実証試験、
および半理論的計算手法の開発
・地下水流れを有する砂層内採放熱実証実験
・模擬地下水流れを有する砂層内のサーマルプローブ法実験による
温度応答の検討
・地下水流れを有する地中温度の計算方法の開発
②地下水流れの予測、測定方法開発
・円筒発熱体による地下水流れ予測手法とその実証試験
③本計算手法の応用
・札幌市立大学桑園キャンパスのGSHPシステム設計の実例
・地下水流向・流速測定装置の開発
21
地下水流れを有する砂層内採放熱実証実験
実証実験系統図
タンク埋設時
T 温度測定点(Pt-100)
採熱・放熱試験時の熱媒の流れ
熱応答試験時の熱媒の流れ
測定用
PC
データ
ロガー
温度測定点(熱電対)
F 電磁流量計
模擬地下水の流れ
地下水
タンク
羽根式流量センサー
蓋(硬質ポリスチレン厚さ100mm)
恒温槽①
(採熱・放
熱試験用)
地中内の
熱電対へ
地下水流れ
3.0 m
恒温槽②
(タンク内
保温用)
3.0 m
熱応答試験機
恒温槽仕様
①
②
ヒーター
容量 [W]
冷却能力
[W]
2000
1700
750(0oC)
900(10oC)
鋼管125A
地下水タンク
4.5 m
2.0 m
4.5 m
22
地下水流れ場の採熱・放熱実証実験の結果
qp’: 地下水流速に対する単位長さ、単位温度差あたりの採熱量
CASE1, CASE3: 放熱実験
シングルUチューブ型
循環流量3.5 L/分
CASE4
15
q'p [W/m/K]
CASE2: 採熱実験
シングルUチューブ型
循環流量3.5 L/分
20
上からCASE3(Gf = 12.4 l/min),
CASE3(Gf = 6.3 l/min),
CASE1, CASE3 (Gf = 3.5 l/min)
10
5
CASE4:放熱実験
二重熱交換器型
循環流量12 L/分
(熱抵抗が小さい場合)
CASE2
0
0
500
1000
1500
u gw [m/年]
23
地下水流れを有する地中温度応答の検討
模擬地下水を有する砂層内のサーマルプローブ法実験
実験系統図
恒温庫20℃一定
ON/OFF
水
オーバー
フロー管
不織布+多孔板
定電圧装置
サーマルプローブ
ΔH
各温度測定点へ
砂充填層(6号珪砂)
データロガー
不織布+多孔板
水
P
水の流れ
下部排水口
円筒容器
測定用PC
温度測定点(熱電対)
24
地下水流れを有する地中温度応答の検討
模擬地下水を有する砂層内のサーマルプローブ法実験
o
ΔT [ C]
実験開始からのプローブ中心部温度変化
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
プローブ発熱量:6.6W/m
温度変化の近似式
有効熱伝導率
λs =
10
記号
Ts = k ln(t ) + l
上からCASE1、CASE2、CASE3、
CASE4、CASE5、CASE6
50 100 200 5001000
t [s]
q'
(4πk )
10000
q’:長さあたりの加熱量 [W/m]、T:温度 [ºC]、t:時間 [s]、λ:熱伝導率 [W/m/K]
25
地下水流れを有する地中温度応答の検討
模擬地下水を有する砂層内のサーマルプローブ法実験
使用データの区間に対して得られる有効熱伝導率の相違
u [m/year]
0
500
1000
25
有効熱伝導率を推定するために使用した時間
[W/m/K]
λλss [W/m/K]
20
15
50s∼100s
100s∼200s
200s∼500s
500s∼1000s
1000s∼5000s
5000s∼10000s
定常状態に達する
ため、有効熱伝導率
は無限に大きくなる
10
10
地下水流速が大きい
ほど、短時間で有効
熱伝導率に影響が
現れやすい
5
0
0
記号
1500
1×10-5 2×10-5 3×10-5 4×10-5 5×10-5 6×10-5 7×10-5
u:地下水流速、λ:熱伝導率 [W/m/K]
u [m/s]
26
地下水流れを有する地中温度計算手法の検討
地下水流れを有する地中温度計算手法
有効熱伝導率を
変更して評価
地下水流れを有する場合
の温度応答を重ね合わせる
応答の計算方法:
理論計算or数値計算
移動線熱源温度応答理論による地下水流れを有する地中温度計算
移動速度
(流速):u
無限長さの線熱源
立面図
地点A
媒体の
移動方向
y
r
φ
O
x
無限長さの線熱源
地下水流れ方向
無限移動媒体
任意の地点Aについての地中温度変化(Diaoら,2005)
4 as t
r2
 {x − U (t − t ')}2 + y 2
q'
1
exp −
∆Ts =
∫
4πλs 0 (t − t ')
4a s (t − t ')


dt '


4 as t
r2
 1 U 2r 2β
 Ur
 1
exp
cos ϕ  ∫
exp − −
∆Ts =
2
0 β
a
4πλs
2
 s

 β 16a s
q'

dβ


記号 a:温度伝播率 [m2 /s ]、 q’:熱流 [W/m2]、r:径方向距離、半径 [m]、T:温度 [℃]、λ:熱伝導率 [W/m/K], U :修正地下水流速
(=ucwρw / csρs)[m]、 φ :ラジアン角度, cwρw , csρs :水と土壌の熱容量 [kJ/m3] 添え字 s:土壌
27
地下水流れを有する地中温度計算手法の検討
地下水流れを有する地中温度計算手法
移動線熱源温度応答理論
長所:短時間での計算が可能
短所:実際の地中熱交換器の様に
円筒の場合、表面温度の誤差が大
数値解析(差分法、有限要素法等)
長所:再現性が理論計算より高い
短所:計算時間を要するため
ツール内への組み込みは困難
理論解析と数値解析の計算結果を比較し、理論解析で計算
した温度応答に数値解析の温度応答を得るための補正を行う
時間、距離、角度に対する補正係数を関数化
2006年
北海道大学と新日鉄エンジニアリング(株)
により特許出願(特願2006-269222)
数値解析に近い再現性を確保しつつ、
かつ理論解析の高速計算を行うことが可能となる
28
地下水流れを有する地中温度計算手法の開発
地下水流れを有する地中温度計算手法の開発
1
複数埋設管の計算
j
地下水流れの無い場合と同様に
空間内温度場の重ね合わせを適用
2
rd,i1 rd,i2・・・ rd,ij
注目する埋設管iの表面温度
i
rp
∆ T si (r p , t ) = ∆ T swf −C ( r p , t ) + ∑ ∆ T swf −C ( r dij , t )
n
j =1
自身の採熱による温度応答
∆Twfs−C
*
∂Ts−C (1,τ * )× CC (τ * )
(1, t ) = ∑* q (t − τ )
∂τ *
τ =0
*
t*
*
*
*
*
周囲の採熱による温度応答
∆Tswf −C
記号
(r , t ) ≅ ∑ ∆T
n
*
*
ϕ =ϕ
*
i =1
swf − Ck
*
ϕ =ϕ
+
∑ (
t*
τ * = t * ''
q* t * − τ *
)
∂Tswf − L
*
(1,τ r )C C C
∂ (τ r )
* *2
R
ϕ =0
r
ϕ
* *2
CC:地下水流れがある場合の地中温度を得るための補正係数 [-]、CR, Cr , Cφ :移動線熱源温度応答と数値解析の比較によって得られる補正係数、
T* :無次元温度(=λsΔTs/rp/q) [-]、t* : フーリエ数 (= at / rp2) [-]、
q* : 無次元化した熱流(= q / q0) [-]、q0 : 単位熱流(=1) [W/m2]、r*:無次元距離 [-]
29
地下水流れ場の採放熱実験結果と計算結果の比較
5.0
上からGf = 12.1、6.4、3.5
L/minの実測値
[W/m/K]
qq'’pp [W/(m・K)]
4.0
3.0
上からGf = 12.1、6.4、3.5 L/minの計算値
2.0
1.0
0.0
0
500
1000
1500
u gw [m/年 ]
20.0
qq'’pp [W/m/K]
[W/(m・K)]
実測値
15.0
計算値
10.0
5.0
0.0
0
500
1000
1500
u gw [m/年]
30
地下水の流向・流速測定装置の開発
装置概要
ON/OFFスイッチ 定電圧装置
装置を地中に埋設し、一定加熱を行い、
温度分布と温度変化の傾向から、地下水
流向と流速を推定する
1
測定点
1
2
ΔT [oC]
8
2.5
温度分布(右)
と温度変化(下)
0.5
7
0.0
3
4
5
発熱ヒータ
測定点
流向
1
2
4
流向
6
温度測定点(熱電対)
5
1.0
測定用PC
外管(鋼管)
6
2
1.5
データロガー
3
7
2.0
8
ΔT :実験開始からの温度変化
地下水流れが存在しない場合
8
7
ΔT [oC]
6
3
5
4
測定点5
測定点5
測定点1
測定点1
流速小
地下水流れの影響が小さい区間
(有効熱伝導率の推定が可能な区間)
流速大
Ln t [s]
t:実験開始からの経過時間
ΔT :実験開始からの温度変化
31
地下埋設砂槽を用いた地盤熱特性調査装置試作機の基本特性の把握
地下タンク
砂槽
25
20
∆T [oC]
流速 [m/year]
0
183
324
495
CASE1
CASE2
CASE3
CASE4
15
上からCASE1、CASE2、
CASE3、CASE4
10
測定点
5
6
2
8
3
5
流向
4
試作調査装置
7
1
0
1
10
100
1000
10000
100000
t [s]
温度変化は地下水流速により異なることを確認
32
地下水流向・流速測定装置の開発
地下水流速の簡易的な推定方法→時間ごとの温度勾配の変化
を計算し、温度勾配の到達時間から流速を推定
地下水流速に対する
温度勾配の変化の比較
温度勾配の到達時間と
地下水流速の関係
3000
0.0100
計算値
kwf=1.0×10-3
実測値
kwf=5.0×10-4
kwf=1.0×10-4
2500
v [m/年]
実測値
kwf
上からCASE2、CASE3、CASE4、CASE5
0.0010
2000
計算値
1500
1000
500
0.0001
0
1000
2000
t [s]
3000
4000
0
100
1000
t [s]
10000
実験により、予め関係式を決定しておくことで、より簡易的
に地下水流速を推定することが可能となる。
33
住宅GSHPシステムの地下水流れ効果の予測(1)
地中熱交換器長さ
一定(100m)の
場合の地下水流速
に対する暖房期間
平均COP、SCOP
COP、SCOP
札幌の高断熱高気密住宅(面積130m2)への導入検討例
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
COP
SCOP
0
100
200
300
400
500
120
3.2
100
3.0
29万円
80
60
2.8
イニシャルコスト
40
地中熱交換器長さ
20
0
0
流速0m/yearの場合Lp=102m
100
200
300
地下水流速 [m/year]
400
2.6
2.4
2.2
イニシャルコスト [×10 6円]
地下水流速に
対する運転可能
最小地中熱交換器
長さ
地中熱交換器長さ[m]
地下水流速 [m/year]
2.0
500
流速100m/yearの場合Lp=54m
34
住宅GSHPシステムの地下水流れ効果の予測(2)
ライフサイクルコスト(LCC)とコストペイバックタイム
の比較(対象システム:灯油ボイラシステム)
14.0
10
コストペイバックタイム
8
6
13.5
4
LCC
2
LCC [万円/年]
コストペイバックタイム [年]
12
地中熱交換器長さ100m一定
運転可能最小地中熱交換器長さ
0
0
100
200
300
400
地下水流速 [m/year]
13.0
500
地下水流れに応じて地中熱交換器長さを短くすれば、
LCC等に地下水流れの効果をより有効に反映できる
35
鋼管基礎杭利用地中熱ヒートポンプシステムの計画・
設計とコミッショニング
札幌市立大学桑園キャンパス高層棟のGSHPシステム
世界初の鋼管基礎杭利用による
非住宅用GSHPシステム
設計・性能予測ツールを用いた設計
に基づき、計画・実施設計・施工が
行われる
2006年冬期より本格的な暖房
運転を開始
鋼管杭
埋設時
外観
鋼管杭
埋設後
Uチューブ挿入後
の鋼管杭
36
鋼管杭(地中熱交換器)の概要
地中熱交換器の配置
建物平面図
高層側
高層側拡大図
低層
側
37
鋼管杭(地中熱交換器)の概要
地盤柱状図と物性
GL
表土
1m
3m
シルト質
細砂
砂礫
3m
平均
6.2 m
玉石混じり
砂礫
有効長さ
基礎杭
×
平均4.7 m
51本
= 全有効長さ
約240m
有効熱伝導率:
2.1W/m/K
地下水流速: 40 m/年
地中温度: 12.1oC
38
地中熱ヒートポンプシステム設計への応用
熱応答試験による地中の有効熱伝導率と地下水流速の推定
熱応答試験の系統図
地中の有効熱伝導率の推定
配管(断熱)
30
30
oC]
T
T [[℃]
20
20
Tpm = 1.457 ln(t) + 18.72
15
15
有効熱伝導率:
2.1 W/m/K
f
2.6m
25
25
6.4m
10
10
Uチューブ
55
00
0.1
0.1
0.5m
鋼管杭
Φ140 mm
1
1
6
Elapsed time [h]
10 18
10
100
100
t [h]
地下水流速の推定
10m
30
ΔT [oC]
25
ΔTp-out
(u = 21.1 m/y)
20
ΔTp-out
(u = 42.2 m/y)
15
ΔTpm
ΔTp-out
(u = 84.4 m/y)
10
地下水流速:
約40 m/year
5
0
1
10
100
1000
t [h]
39
地中熱ヒートポンプシステム設計への応用
設計手順
二次側システム:パネルヒータ
→80℃以上の高温水が必要
地中熱交換器有効長さ:240m
→建物全負荷を賄うには長さが不足
GSHPシステムの出力を建物の
外調機負荷に対応(送水温度40℃)
制約条件:ヒートポンプの定格出力50 kW
熱媒温度-2℃を長期間下回らないこと
地中温度の長期的安定
に対するシステム規模を算定
鋼管杭4.7m×51本+ボアホールシングル
Uチューブ地中熱交換器75m×3本
40
地中熱ヒートポンプシステム設計への応用
計算対象システム概要
暖房期間: 10月1日∼5月31日
運転時間:9時∼17時(土日を除く)
冷房期間: 6月1日∼9月30日
運転時間:9時∼17時(土日を除く)
外調機
(水-空気熱交換器)
面積:1.28m2
鋼管杭
間接熱交換型
熱交換器
Uチューブ
熱媒
4.7 m
ヒートポンプ
圧縮機 : 20馬力型
COP(0-35℃):4.0
吹出し温度: 22oC
鋼管杭
循環ポンプ(定格)
採熱側:200l/min、3.7kW
二次側: 150l/min、1.5kW
地中熱交換器
鋼管杭:約4.7m×51本
ボアホールシングル
Uチューブ型:75m×3本
不易層温度: 12.1 oC
土壌熱容量: 3000 kJ/m3
土壌熱伝導率: 2.1 W/m/K
地下水流速:40m/year
41
鋼管規則利用GSHPシステム設計への適用例
運転2年目における各部分の温度変化の予測
暖房期間
50
冷房期間
T1in
T1out
T2out
30
温度 [℃]
T2out
T2out
40
T1out
Tp-out
20
Tp-outB
Tp-outA
冷房時
10
T2out
Tp-outA
0
T1in
-10
9月27日
暖房時
12月27日
熱媒最低温度:-0.8℃
T1out
3月27日
Tp-outB
T1in
6月27日
T1in
T1out
9月26日
地中温度の長期的安定
Tp-out
長期間のGSHPシステムの運転が可能である事を確認
42
1年目の暖房運転データ
2月8日のデータ解析
代表日(2月8日)の各部の温度・流量の変化(一次側)
システム稼動時間帯
0
50
上から、1次側循環流量、2次側循環流量
上からF-2、F-1
上から、ヒートポンプ2次側往き温度、2次側戻り温度
上からT-3、T-4
20
800
1000
10
0
400
600
30
o
T [ C]
40
200
上から、杭から2m地点の地中温度×2カ所、1次側戻り温度、1次側往き温度
上からTP-B、TP-A、T-2、T-1
-10
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00 15:00 18:00 21:00
Gf [L/min]
60
1200
1400
0:00
43
1年目の暖房運転データ
2月8日のデータ解析
熱出力、採熱量、消費電力 [kW]
代表日(2月8日)の出力、消費電力及び地中採熱量
80
70
60
上からヒートポンプ熱出力、地中からの採熱量、ヒートポンプ消費電力
ヒートポンプ熱出力
56∼60kW
50
鋼管杭の採熱量
140 W/m
40
30
20
10
0
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00
0:00
44
1年目の暖房運転データのまとめ(1)
運転期間中(2006.10.12.~2007.4.18)の熱量・消費電力のフロー
空気の流れ
エアハンドリングユニット
熱媒(水もしくは不凍液)の流れ
採熱側循環ポンプの消費電力量
(循環ポンプ1+循環ポンプ3) : 11356 kWh
採熱側還水平均温度:8.1 ℃
二次側送水平均温度:37.1℃
循環ポンプ1
地中からの
採熱量
: 61692 kWh
GSHPユニット
の出力
: 79382 kWh
循環 ポンプ6
GSHPユニット
循環ポンプ3
外調機出力
: 104497 kWh
循環ポンプ4
循環ポンプ5
ガスボイラ
GSHPユニットの
消費電力量
: 17690 kWh
ヒートポンプ
単体COP:4.49
採熱側ポンプを含む
SCOP:2.73
45
1年目の暖房運転データのまとめ(2)
運転期間中(2006.10.12.~2007.4.18)の熱量・消費電力の比較
55
出力
120
120
出力
90
90
ガスボ
イラ
ガスボ
イラ
ヒートポンプ
単体COP
33
SCOP
22
60
60
GSHP
30
30
44
消費電力
循環ポンプ
GSHP
11
消費電力
GSHP
GSHP
COP、SCOP
COP、SCOP
出力、消費電力量
出力、消費電力量[MWh]
[MWh]
150
150
循環 ポンプ
00
00
実測
実測
設計時計算
設計時計算
46
1年目の暖房運転データのまとめ(3)
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
CO2排出量
1000
コスト
800
600
400
コスト [千円]
CO2排出量 [t-CO2]
CO2排出量、ランニングコスト削減効果
200
0
GSHP
ガス
灯油
ガスシステムと比較したGSHPシステムの削減効果
CO2排出量→40% コスト→60%
47
まとめ
当研究室の地中熱利用システムに関する研究成果として、
1.地中熱ヒートポンプシステムの性能予測ツールの開発
2.地下水流れを有する場合の地中温度の計算手法の開発
3.地下水流向・流速推定装置の開発
の概要について紹介した。
これらの成果をもとに1件の米国特許取得、4件の国内特許出願、
そのうち紹介した特許を基に設計ツールが民間から頒布
本研究成果の応用例として、
1.大規模な建物(特に基礎杭を用いる空港建物など)への
GSHPシステムの導入検討
2.地下水流れの大きい都市(扇状地域)でのGSHPシステム
の導入検討
3.一般的な地下水流向・流速測定技術としての導入
などが挙げられる。
48