環境に優しい地中熱利用システム

第2回
回 青森自然エネルギーフォーラム
青森自然エネルギーフォーラム
環境に
環境に優しい地中熱利用
しい地中熱利用システム
地中熱利用システム
住宅への
住宅への導入
への導入と
導入と津軽平野での
津軽平野での利用
での利用
産業技術総合研究所 地質調査総合センター
地質調査総合センター
地下水研究グループ
内田
洋平
地球の
地球の熱を利用するシステム
利用するシステム
様々な地球熱利用システムの形態と温度範囲（NEDO，2006より）
地中熱利用の
地中熱利用の原理
夏と冬の井戸水の感じ方の違い
井戸水は一年中15℃で一定なので，夏は冷たく，冬は暖かく感じる
地中熱利用システムとは
地中熱利用システムとは
地中の温度は年間を通してほぼ一定
夏は外気より冷たく，冬は外気より暖かいという地中温度と外気温との温度差が生じる
この温度差を利用し，地中熱をヒートポンプの熱源とするシステム（ＣＯＰ 3.5以上）
地中熱利用の概念図
※ COP：消費電力1kWあたりの冷却・加熱能力を表した値，成績係数
冷房機器の場合「 冷房能力(kW)÷冷房消費電力(kW)=冷房COP」
空気熱源ヒートポンプのCOP平均値 2.97 （NEDO資料より）
熱電で方程式より求めた地下
温度プロファイル．
季節変動の影響は地下15mで消
える．
地中熱利用システムの
地中熱利用システムの特徴
システムの特徴
ＮＰＯ法人地中熱利用促進協会パンフレットより
地中熱を利用したエアコン ① お財布に優しい：省エネで電気
代が安くなる
は，普通のエアコンと比べ
てエネルギーの利用効率 ② 地球温暖化に有効：ＣＯ２の排
出量を削減
がよいので，
③ ヒートアイランドに有効：熱を大
気に放出しない（冷房利用時）
④ デフロスト運転不要（暖房利用
時）
など良いところが沢山あり
ます。生産台数が少ない現
状での欠点は，初期コスト
が高い事です。
世界の
世界の地中熱利用ヒートポンプシステムの
地中熱利用ヒートポンプシステムの設備容量
ヒートポンプシステムの設備容量
アメリカ
600.0
スウェーデン
320.0
中国
52.6
ノルウェー
50.0
スイス
国
名
44.3
カナダ
36.3
ドイツ
33.3
デンマーク
258
オーストリア
25.0
フィンランド
21.7
オランダ
21.2
チェコ
16.7
日本
0.3
その他
30.6
0
100
200
300
400
500
600
700
12kW換算地中熱利用
12kW換算地中熱利用ヒートポンプ
換算地中熱利用ヒートポンプ台数
ヒートポンプ台数（
台数（千台）
千台）
出典:
出典: Rybach,2005に
Rybach,2005に加算
日本は
日本は，アメリカやスウェーデンと比
アメリカやスウェーデンと比べて，
べて，非常に
非常に普及が
普及が遅れている
（2007年時点
年時点で
台）
年時点で累計1400台
累計
地下の
地下の温度構造
―地下水流動
地下水流動と
地下水流動と地下温度分布の
地下温度分布の関係―
関係
Ｚ
Ｔ1
Ｔ2
Ｔ3
Ｔ4
Ｔ5
2
Δ
ｖ＝０
Ｔ＝０
Δ
Ｘ
（ａ）地下水の流れがない場合
（ｂ）地下の温度分布は平行になる
涵養域
流出域
Ｔ2
Ｔ1
Ｔ3
Ｔ4
ｖ＝０
Ｔ5
Δ
α 2Ｔ－ｖ Ｔ＝０
Δ
Δ
（ｃ）地下水の流れがある場合
（ｄ）地下の温度分布が歪んでしまう
地下の
地下の温度構造
―山形盆地
山形盆地―
山形盆地
39°
N
Yamagat a Baisn
38°
N
140°
E
141°
E
南北50km，東西15kmの細長い船底形の盆地
第四系は盆地の中央部よりやや西側で厚く，そ
の層厚は400m以上に達する
調査地点（計90地点）
観測井：22地点
一般井：40地点
河川水： 8地点
温 泉：20地点
標高50mの地下温度分布 （2006年測定）
Temp. (℃
℃)
12
14
16
18
20
22
24
0
50
第三系
53mK/m
De pth (m)
100
150
200
第三系
1号
250
29mK/m Q : 8.6mK/m
T : 11.3 mK/m
3号
楯岡
300
地下温度プロファイル （2006年測定）
既築ビルへの地中熱システムの導入例
（東京都千代田区一番町 笹田ビル
笹田ビル）
ビル）
• 築17年の小規模ビル（5階
建て，１～３階がオフィス，
4・5階住居，各階の床面積：
100 m2)
• オフィス階（１～３階）の空調
を地中熱利用ヒートポンプ
に更新
• 工事期間：2008年9月1日～
11月16日
地中熱交換器用ボアホール
• ＮＥＤＯの補助金を活用
地中熱交換器用ボアホール
（深さ７５ｍ）
年９ 月
さ７５ｍ）の
ｍ）の掘削工事状況 2008年
一番町笹田ビルと
一番町笹田ビルと地中熱交換器
ビルと地中熱交換器を
地中熱交換器を
埋設した
埋設した駐車場
した駐車場
駐車場（青色部分）の地下に，8本の
熱交換井を埋設
ビル敷地前の公道の幅が狭く，工事が
やりづらかった
導入した地中熱利用ヒートポンプシステム
屋外機
空水冷ヒートポンプ
10馬力 ｘ 2台
（地中熱では水冷を使用し、
空冷はオプション）
地中熱交換器
ボーリング孔 75 m ｘ 8本
Ｕ字管（ダブル）
一番町笹田ビルの省エネ実績
平成２１年１月～７月
3000kWh
更新前の空調
（空気熱源ヒートポンプ）
過去3年間の平均
2500
2000
1500
1000
地中熱による空調
（地中熱ヒートポンプ）
平成21年の実績
500
0
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月 11月 12月
→ 電力使用量（７ヶ月平均）は更新前の約半分！！
地中熱ヒートポンプの運転状況（ＣＯＰなど）
日稼働時間(h)、
、熱量(kWh)、電力(kWh)
300
HP稼働時間(地中熱)
本日のポンプ電力累積
単体COP
4/9
冷房運転主体
14
本日のヒートポンプ電力累積（地中）
負荷側熱量日累積
熱源システムCOP
2/1～7
空気熱源運転
8/3～9
空気熱源運転
12
負荷側熱量
250
単体COP
200
8
150
システムCOP
6
4
100
ヒートポンプ稼働時間
50
0
10/29
10
COP、熱源
熱源システムCOP
暖房運転主体
350
11/28
5/5,8
暖房運転主体
12/28
1/27
2/26
3/28
4/27
2
ヒートポンプ電力
5/27
6/26
月日
ヒートポンプ稼働状況（1日毎）
「システムCOP」とはヒートポンプユニット単体の「定格COP」から室内機
や配管などから放熱する熱ロスを差し引いた熱効率
7/26
8/25
ポンプ電力
0
9/24
地中熱ヒートポンプの運転状況（熱源水温度など）
暖房運転主体
40
35
冷房運転主体
4/9
8/3～9
空気熱源運転
空冷吸気平均温度
A室温平均
B室温平均
C室温平均
熱源水往稼働時平均
熱源水還稼働時平均
室温
外気温
2/1～7
空気熱源運転
30
温度(℃
℃）
25
20
熱源水温度
15
5/5,8
暖房運転主体
10
5
0
10/29
11/28
12/28
1/27
2/26
3/28
4/27
5/27
6/26
月日
ヒートポンプ稼働時室温、熱源水温の変化（1日毎）
7/26
8/25
9/24
笹田ビル運転実績のまとめ
2008年11月17日に運転を開始して以来，地中熱利用ヒートポンプ
システムは安定した性能を発揮
暖房時のCOP値は単体で4前後，システムで3後半
冷房（８月）のCOP値は単体で８～９，システムで７前後
熱源水温度は，運転開始当初において16℃-17℃であったもの
が，暖房運転に伴う地下からの採熱により10℃まで低下し，その
後，冷房運転の加熱により25℃まで上昇
消費電力量については，昨年度の実績と比べて半分程度又はそ
れ以下の値で推移してきており，地中熱の省エネ性が証明されて
いる
地中熱利用システムの
地中熱利用システムの普及
システムの普及に
普及に向けて
―運転状況
運転状況の“
運転状況の“見
の“見える化
える化”―
運転状況を示す
モニター
※ 地中熱の単位：１バスタブとは、一般的な浴槽 :180Lのお湯を沸かすために必要な熱エネルギー：18.9MJ
青森県における地中熱利用のポテンシャル
津軽平野
青森平野
弘前
2007年度に実施した青森市周辺および津軽平野における調査地点
白字は，50m深度における地下温度（カッコ内の数値は，地温勾配からの推定値）
青森市周辺および
青森市周辺および弘前市周辺
および弘前市周辺における
弘前市周辺における地下温度
における地下温度
50m深の地下温度は，青森周
辺で9～15℃，弘前周辺で15～
18℃を示す
弘前周辺で特に温度の高い，北
地方，相馬JA，弘前観測井で採
取した地下水は，その水質から
近くの温泉の影響が現れたと考
えられる
地下温度が
地下温度が高い
地中熱システム
地中熱システム（
システム（暖房）
暖房）に有利
津軽平野の地下水流動シミュレーション
基盤面：-2000m
第1層（100m）：Kh=5.0×10-5m/s
第2層(100m)： Kh=5.0×10-5m/s
第3～第5層（100ｍ）：Kh=3.4×10-6m/s
第6層（-2000mを底面とする）: Kh=3.4×10-6m/s
異方性：一律Kh/Kv=3.0
間隙率：第1層から第5層まで30%、第6層のみ15%
青丸は定水頭境界
モデルの計算領域（左図）およびメッシュ区分（右図）
青森平野についても同様のシミュレーションを実施
地下流速が
地下流速が速い
熱交換の
熱交換の効率がよくなる
効率がよくなる
計算結果
（津軽平野）
津軽平野）
0.01-0.04
0.01-0.05
0.03-0.04
0.01-0.04
0.05-0.13 0.11-0.15
0.06-0.10
0.09-0.11
0.10-0.18
津軽平野の導水勾配（コンター）と地下水流速分布（黄文字，単位はm/day）
黄色領域内の最大流速と最小流速を記載
計算結果（
計算結果（青森平野）
青森平野）
0.07-0.14
0.03-0.04
0.00-0.03
0.14-0.19
0.13-0.19
0.22-0.28
0.23-0.27
青森平野の導水勾配（コンター）と地下水流速分布（黄文字，単位はm/day）
黄色領域内の最大流速と最小流速を記載
青森県・
青森県・調査結果のまとめ
調査結果のまとめ
地下温度分布について
青森平野よりも津軽平野
の方が全体的に地下温度
が高い。特に，弘前周辺
は地下温度が高い。
地下水流速について
津軽平野よりも青森平野
の方が地下水の流れは速
いが，採熱の効果が良くな
るほどではない。
地下水位について
津軽平野および青森平野
の両者ともに地下水位は
高いので，熱交換に有利
である。
おわりに
地中熱ヒートポンプシステムは
地中熱ヒートポンプシステムは，
ヒートポンプシステムは，
普通
普通のエアコンと
普通のエアコンと比
のエアコンと比べて省
べて省エネルギー
CO2の排出量を
排出量を削減
熱
熱を大気中の
大気中の放出しないため
放出しないため，
しないため，ヒートアイランドに有効
ヒートアイランドに有効
青森県弘前市
青森県弘前市は
青森県弘前市は，地下の
地下の温度が
温度が高いため，
いため，暖房利用に
暖房利用に有利
地中熱エネルギーは
なエネルギーです！
地中熱エネルギーは，
エネルギーは，足下にある
足下にある身近
にある身近なエネルギーです
身近なエネルギーです
！