当日配布資料（4.90MB）

SHINSHU UNIVERSITY
効率的地下熱空調設計のための
熱パラメータ解析ツール
信州大学 工学部 土木学科
教授 藤縄 克之
民生家庭部門エネルギー消費
2
熱量あたり単価とCO2排出量
3
適正室温と空調熱源温度との関係
ヒートポンプ使用
ヒートポンプ使用
4
地下熱利用空調の概念図
B.Sanner & H.Paksoy
オープンタイプ
地下水揚水タイプ
地上で熱交換
クローズドタイプ
地下水非揚水タイプ
地中で熱交換
空洞蓄熱（潜熱）
http://www.uni-giessen.de/~gg1068/pdf-Dateien/Geothermie/Literatur/Gth-days02/igd-greece-2002-utes.pdf
5
クローズドタイプ：地中熱交換方式（ BTES）
ボアホール型
地中熱ヒートポンプシステム
基礎杭型
Ｕチューブ
ボアホールと
チューブの間隙
を充填する砂利
鋼管杭（新日鉄エンジニアリング）
（環境省：環境技術実証事業資料）
ボアホール掘削工事とＵチューブ
（工事中の笹田ビル駐車場）
PHC杭（日本設計 資料）
資料提供：地中熱利用促進協会理事長（笹田政克）
場所打ち杭（大成建設）
6
オープンタイプ：地下水揚水方式(ATES)
地下水流動制御型HPシステム概要図
7
次世代型地下水利用ヒートポンプシステムの特徴
 冷暖房に再生可能な地下熱を利用
 地下水流動を制御し、環境への負荷を低減
 外気温-15℃以下の環境でも利用可能（除霜運転が不要）
 夏場にフリー・クーリングできるヒートポンプを開発
 水質処理により地層の目詰まり防止・配管内スケール付着防止
 使用するほど利用効率が向上
 CO2排出量が削減
 省エネの達成
 ヒートアイランド現象を抑制
目
標
１．従来ｼｽﾃﾑに対する1.7倍以上の高効率化ｼｽﾃﾑの開発
２．長期連続運転を可能にする水質制御装置の開発
３．商用実機の設計で，経済性は単純回収年数10年以内を提示
8
消費電力と外気温
（1室当たり）
【暖房期】
160
【冷房期】
70
地下水型 (フェーズ1)
地下水型 揚水ポンプインバーター設置(フェーズ2)
地下水型 水質制御(フェーズ3)
地下水型 三方バルブ設置(フェーズ4)
地下水型 三方バルブの温度・R1循環流量変更(フェーズ5)
従来型
140
120
60
100
消費電力(kWh)
消費電力(kWh)
50
80
60
40
30
20
40
10
20
地下水利用型FCモード（15.5～16.0℃）
地下水利用型HPモード（17.5～18.0℃）
従来型
0
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
外気温(℃)
8.0
10.0
12.0
14.0
0
24.00
26.00
28.00
30.00
外気温（℃）
32.00
34.00
9
熱応答試験(Thermal Response Test)の概要
目的
熱伝導率や体積熱容量などの地盤の熱交換特性を評価する。
※ボアホール型地中熱交換器に対する加熱法による
熱応答試験の標準試験方法Ver.2.0より出典
10
熱応答試験結果
ケースS2
ケースS1
30
10
温度(往）
5
温度（還)
平均温度
(5)
3/25
3/27
日時
5
加熱量
3/28
流量
平均温度
平均加熱量： 3,964(W)
11/18
11/19
日時
11/20
加熱量
11/21
8
6
4
2
0
11/22
35
25
15
20
温度(往）
平均流量： 10.4(L/min)
10
平均温度
平均加熱量： 5,816(W)
12/27
日時
5
流量
12/28
12/29
0
18
16
25
14
20
12
平均流量： 21.1(L/min)
15
10
5
加熱量
12/26
10
温度(還)
加熱量(kW)
温度(℃)・流量(L/min)
30
20
30
20
12/25
温度（還）
10
ケースK
25
35
0
12/24
温度（往）
10
ケースN
5
12
15
0
11/17
0
3/29
40
15
平均流量： 20.2(L/min)
5
流量
平均加熱量： 3,557(W)
3/26
10
14
20
加熱量(kW)
15
16
0
10/13
平均加熱量： 4,667(W)
10
温度(往)
8
温度(還)
6
平均温度
4
流量
加熱量
10/14
10/15
日時
10/16
11
加熱量(kW)
15
加熱量(kW)
平均流量： 20.9(L/min)
温度(℃)・流量(L/min)
25
20
20
0
温度(℃)・流量(L/min)
20
18
25
温度(℃)・流量(L/min)
30
25
2
0
10/17
11
熱応答試験の解析理論
熱伝導理論
 ケルビンの線源関数
(熱応答試験)
・b= Uチューブ挿入深
12
E(X)の漸近解
100
E(X)
10
1
第2項(従来法)
第4項
第6項
第12項
第30項(本逆解析法)
正確解
0.1
0.01
0.001
0.1
1
10
1/X
100
1000
13
従来の解析方法の問題点
 従来法で使用されている近似解
12
10
①
Tr
8
③
6
4
近似解
2
②
0
0
2
正確解
4
6
8
ln(t)
10
①長時間試験が必要で、経費が嵩む
②試験初期データが有効利用できない
③データ使用区間の選定が恣意的である
④同定パラメータが地下水流動などによりバイアスを受ける
14
新技術の特徴
正確な漸近解の
適用と逆解析
コードを利用し
た高精度で簡便
なパラメータ同
定法の開発
①従来法より短時間で試験が終了するので、経費が
削減できる
②試験初期データが利用でき、真の熱伝導率が求まる
③PCを利用し、短時間に、どこででも解析ができる
④区間を変えたデータ使用による同定パラメータにより、
地下水流動などの影響が検証できる
図 ｒ2(ρｃ)および λ の2変数か
らなる目的関数のパウエルの
共役傾斜法による探索過程
15
15
本技術に関する知的財産権
ー高精度漸近解を用いた逆解析の詳細理論と特許－
特許 5334221「熱応答試験および揚水試験の
解析方法および解析プログラム」
権利者：信州大学
発明者：藤縄克之
16
同定結果(信州大学工学部キャンパスで実施)
12
r(℃)
10
8
6
4
2
計算値
実測値
0
0
500
1000
項目
1500
2000
単位
2500
3000
3500
4000
4500
5000
t(min)
ケースS2
（2011.11/17～20）
2.51
1707.15
データ1つ当たりの誤差：𝑓/𝑁
0.056
4320
17
TRTアナライザーの適用事例
ケース名
実施地点
S1
S2
N
K
信州大学工学部 信州大学工学部
長野病院
(株)角藤事務所
(長野市若里)
(長野市若里)
(上田市緑ヶ丘) (長野市大豆島)
加熱期間
2011.3/25～28 2011.11/17～20 2010.12/24～27 2011.10/14～17
(72時間)
(72時間)
(72時間)
(72時間)
Uチューブ挿入深(m)
76.0
76.0
143.75
99.0
・ケースS1・S2
・ケースN
・ケースK
調査位置
裾
花
川
調査位置
調査位置
千曲川
千曲川
犀川
200m
1/25,000地形図
出典 / 国土地理院webサイトhttp://watchizu.gsi.go.jp/index.html
200m
200m
18
12
12
ケースS2(前半部)
r(℃)
r(℃)
8
8
6
6
4
4
2
2
実測値
1000
2000
3000
4000
t(min)
5000
0
10
ケースＫ(前半部)
6
4
2000
3000
4000
t(min)
5000
ケースＫ(後半部)
6
4
2
2
実測値
計算値
0
実測値
計算値
0
0
1000
2000
3000
4000 t(min) 5000
0
14
ケースＮ(前半部)
12
10
1000
2000
3000
4000 t(min) 5000
ケースＮ(後半部)
10
ｒ(℃)
r(℃)
1000
8
r(℃)
r(℃)
8
12
計算値
0
0
14
実測値
計算値
0
10
ケースS2(後半部)
10
10
8
8
6
6
4
4
2
実測値
計算値
0
2
実測値
計算値
0
0
1000
2000
3000
4000
t(min)
5000
0
1000
2000
3000
4000
5000
t(min)
19
企業への期待
TRTアナライザーにより
本技術の社会実装が完了
地中熱・地下熱ヒートポ
ンプシステム基本設計の
ための熱応答試験に利
用することにより
 試験期間短縮
 試験費用の削減
 熱伝導率などの同定
精度向上
 地下水流動状況など
の地下水環境の捕捉
が可能
20
本技術の想定される用途
オープン・クローズド型地下熱利用システムの調査・設計







病院・リハビリ施設・老人ホームなどの冷暖房と給湯
デパート・スーパーマーケット・商業施設・オフィスビルなどの冷
暖房と給湯
温泉・温水プールなど保養・スポーツ施設などの熱供給，冷暖
房，給湯
学校・図書館・美術館などの教育施設などの冷暖房と給湯
戸建て住宅などの冷暖房と給湯
道路，屋根，駐車場などの融雪
路面から地下水を蒸発させてヒートアイランド防止
21
現在開発中の新技術





従来の熱応答理論は、地下水が停滞している地層中で
実施された熱応答試験にのみ対応．
熱応答試験実施サイトの多くは流動地下水の影響下に
あり、既存の解析解（ケルビンの線源関数）は実測温度
変化と乖離する傾向がある．
そこで、地下水流動場における熱応答試験解析用の新
しい解析解を開発．
地下水流動場における熱応答試験用の新しい解析解
を基にした逆解析コードが完成．
現在、地下水流動場での熱応答試験の室内実験を実
施し、解析解と逆解析コードの検証を実施中．
22
産学官連携の経歴






2002年環境省委託研究実施
2005年-2007年 大手建設会社と共同研究実施
2007年-2009年 建設コンサルタント企業と共同研究実施
2010年-2012年 （独）新エネルギー産業技術総合開発機
構の「次世代ヒートポンプシステム研究開発委託事業」に
採択
2012年-2014年 JST・社会技術開発センターの「科学技
術イノベーション政策のための科学」に採択
2013年地下水・地下熱資源強化活用研究会
を設立（NPO法人申請中）
23
お問い合わせ先
(株)信州TLO 技術移転グループ
勝野 進一
〒386-8567 上田市常田3-15-1
信州大学繊維学部内SVBL
ＴＥＬ 0268-25-5181
ＦＡＸ 0268-25-5188
e-mail [email protected]
4F
24