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地中熱利用ヒートポンプ空調システムの 導入事例
── 実 施 例 ── 地中熱利用ヒートポンプ空調システムの 導入事例 ㈱中電工 大阪本部 吉 武 大 樹 ■キーワード／ ■キーワード／地中熱・ヒートポンプ空調・Ｕチューブ・CO 2削減 １．はじめに 常翔学園高等学校新館の新築工事にあたり，環境に配 慮したエコ設備を導入したいとの要望を受けた。 検討の結果，環境に優しい再生可能な自然エネルギー である地中熱を利用した「地中熱利用ヒートポンプ空調 システム」を導入することが決定したので，施工事例と して紹介する。（写真－１・２・３） ２．工事概要 ２－１ 建物概要 建物名称 常翔学園高等学校 所 在 地 大阪市旭区大宮 写真－３ 地中熱利用空調モニター（画面２） 構 造 SRC造 延床面積 19,217㎡ 階 数 12階建 教室数等 普通教室42部屋，物理，化学，生物 敷地面積 51,759㎡ 家庭科実習室，情報演習室ほか 工 期 平成21年４月〜平成22年７月（１期） ２－２ 設備概要 空水冷室外機（１階屋外） ［56.0kW］×１台 室内機 天井カセット型（下足室） ［4.5kW］×４台 天井埋込型（ギャラリー） ［7.1kW］×４台 ビルトイン型（EVホール） ヘッダ（往）（環） 原水ポンプ 50φ×190ℓ/min×17m×１台 加圧ポンプ 25φ×015ℓ/min×10m×１台 熱交換井 ダブルＵチューブ 写真－１ 空水冷室外機設置状況 ［4.5kW］×２台 150φ×1,200Ｌ×２台 100ｍ×６本 25Ａ×４本×６ヶ所 熱電対 １本 制御盤 １面 表示モニター 40インチ×１台 ３．地中熱利用ヒートポンプ空調シ ステム ３－１ 地中熱利用ヒートポンプ空調システムとは 地中の温度は外気温に比べて年間を通じて安定してい る（15℃前後）。そこで，空気の代わりに地中へ熱を放熱 （冷房時），および地中から熱を採熱（暖房時）して空調 （冷暖房）を行うのが本システムである。（図－２・３） また，空気熱源ヒートポンプと比較して，冷房の場合 は熱源温度が低い方が有利であり，暖房の場合は熱源温 写真－２ 地中熱利用空調モニター（画面１） ヒートポンプとその応用 2011．３． No.81 度が高い方が有利である。 ─ 32 ─ ── 実 施 例 ── R EVホール （２台） 空水冷式ビル用マルチ （８HP×２：16HP） 外部 R 制御盤 下足室 （４台） ギャラリー （４台） PS内立ち上げ 建物内部 GL 建物内部：基礎ピット配管 外部：トレンチ内配管 HS M HR 流量計 膨張タンク HS 熱源水ヘッダ （還） 熱源水ヘッダ （往） HR P 補給水 P 熱源水ポンプ 加圧ポンプ HR 25PE,２５PE HR HS GL HS （25PE*3），（25PE*3），（25PE*3），（25PE*3） 100m 図－１ 系統図 熱交換井 （高密度ポリエチレンパイプ） U字型ダブルチューブ25A：φ34×3.5t×4本 熱交換井 L＝100m×6本 ３－２ 地中熱利用ヒートポンプ空調システムの特徴 地中熱源ヒートポンプはデフロスト（除霜）が不要であ ① 外気に比べて温度の安定している地中熱を利用する る。 ことで，ヒートポンプの効率が高くなる。 ⑥ 空気熱源ヒートポンプと比較して，熱源空気を排出 ② 通常よりも熱交換器を小さくでき，ヒートポンプの 負荷を低減することができるため，消費電力およびラ ンニングコストの削減が可能である。 ③ CO2排出量が低減でき，地球温暖化防止に貢献でき するファンの運転が不要なため，騒音が小さくて済む。 ４．地中熱の利用方式 ４－１ 地中熱利用ヒートポンプの方式 る。 地中熱利用ヒートポンプの方式は図－４に示すとお ④ 室外機から温風（冷房時）が排出されないため，ヒー り，大きく分けて地下水直接方式，直膨方式，間接方式 の３方式がある。 トアイランドの抑制につながる。 ⑤ 冬季の暖房運転時，空気熱源ヒートポンプは空気熱 ⑴ 地下水直接方式 地下水直接方式は，熱交換するための水を，直接地 交換器のフロスト（着霜）により能力ダウンがあるが， 冷媒回路 ポンプ ポンプ 熱交換器 （蒸発器） 圧縮機 四方弁 地中熱交換器 放熱 ブライン 15℃∼40℃ 図－２ 冷房時のしくみ 膨張弁 熱交換器 （蒸発器） ブライン回路 ヒートポンプ （室外機） ヒートポンプ （室内機） 加熱 冷却 圧縮機 冷媒回路 膨張弁 熱交換器 （凝縮器） ブライン回路 地中熱交換器 ヒートポンプ （室内機） 熱交換器 （凝縮器） 四方弁 ヒートポンプ （室外機） 吸熱 地中 ブライン ー5℃∼15℃ 図－３ 暖房時のしくみ ─ 33 ─ 地中 ヒートポンプとその応用 2011． ３． No.81 ── 実 施 例 ── P-79 冷媒 膨張弁 熱交換器 熱交換器 負荷 負荷 負荷 圧縮機 冷媒 熱交換器 膨張弁 圧縮機 熱交換器 膨張弁 P-68 冷媒 ポンプ 熱交換器 地中 地下水 地下水直接方式 ポンプ ブライン 地中 圧縮機 地中 熱交換器 熱交換器 直膨方式 間接方式 図－４ 地中熱利用ヒートポンプの方式 さらに密閉回路で使用するため，Ｕチューブ内部に 下から汲み上げて熱交換器に取り入れ，熱交換された スケールが付着する可能性が小さい。 水を直接地下に戻すシステムである。この方式は効率 的であるが，地下水の水質を考慮しなければならな ⑵ ダブルＵチューブ ダブルＵチューブはシングルＵチューブと同様に配 い。また，各都道府県の地下水環境条例により地下水 管の材質はポリエチレン製で，施工方法も簡単であるが， が使用可能かどうかの確認が必要である。 シングルＵチューブと比較して４本（往２本，環２本） ⑵ 直膨方式 で熱交換を行うため，シングルＵチューブに比べて熱 直膨方式は，冷媒ガスを直接地中に取り入れて熱交 交換水量が多く，熱交換率は20％〜30％向上する。 換する方式である。この方式は，技術的難度が高いの と同時に，冷媒ガスが地中に漏れた場合，地下の環境 ⑶ 二重管 二重管は掘削井の中に径の大きい配管（鋼管）を挿入 汚染がともなう危険性がある。 し，その配管の中に径の小さい配管（鋼管）を挿入し熱 ⑶ 間接方式 交換をする方式である。 間接方式は，熱交換するためのブラインを地中埋設 この方式は配管の材質が鋼管のため，Ｕチューブと パイプの中を通して間接的に熱交換するシステムであ る。この方式は施工が比較的簡単で，将来万が一ブラ 比較して熱交換率に優れているが，配管材の重量が大 インが漏えいしても，地下の環境汚染にはつながらな きくなり挿入する際の揚重機器などの規模が大きくな い。 り，揚重機器を据え付ける作業スペースの確保と揚重 以上のことから総合的に判断して，本件では地中熱源 コストが高くなる問題がある。 また，配管は４ｍの定尺のため継手接続が必要であ ヒートポンプの間接方式のシステムを採用した。 ４－２ 地中熱交換器の種類 り，継手部からブラインが漏えいする可能性がある。 地中熱交換器の種類は図－５に示すとおり，大きく分 けてボアホール方式と杭方式の２種類がある。また，ボ 名称 方式 アホール方式には，シングルＵチューブ，ダブルＵ シングル Uチューブ ダブル Uチューブ ボアホール方式 二重管 杭二重管 杭＋ 現場施工杭 Uチューブ （場所打ち杭） 杭方式 断面図 チューブ，二重管の３種類があり，杭方式にも，杭二重 管，杭＋Ｕチューブ，現場施工杭（場所打ち杭）がある。 ⑴ シングルＵチューブ 立面図 シングルＵチューブは配管の材質がポリエチレンで 配管材の重量が小さく耐久性，耐衝撃性，耐薬品性な どに優れた特性を持ち，施工が比較的簡単にできる。 Ｕチューブには１ｍピッチで長さが印字されている 材質 ので，挿入した長さの確認ができるようになってお り，熱交換井の中への挿入管理がしやすい形状となっ ている。また，長尺の巻き物のため途中に継手がな く，ブライン漏えいの危険が低い。 ヒートポンプとその応用 2011．３． No.81 外管：スチー 杭：スチー ル， コンクリー ル ，コンク ト リート 内管：ポリエ 内 管：ポリ チレン，塩ビ， エチレン， ス スチール チール ポリエチレン，銅， ステンレス 流体 水,不凍液，冷媒 水,不凍液 封入 管外：土， グラウト材 なし 採用方式 図－５ 地中熱交換器の種類 ─ 34 ─ 杭：スチール， コンクリート 内 管：ポリエ チレン，銅， ス チール，ステ ンレス 杭：鉄 筋コ ンクリート Uチューブ： ポリエチレン 水,不凍液，冷媒 グラウト材，水 コンクリート ── 実 施 例 ── に変更したことで，機械の１日のリース代がコストUP になったが，さく井期間を２分の１に短縮することがで き，結果的に掘削機械のリース代は当初の予定コストの 範囲内で収まるとともに，工期の短縮をはかることがで きた。 ただしここで重要なことは，急速穿孔機は通常穿孔機 よりも大型となるため，急速穿孔機を搬出入する運搬車 両が特殊車両（20ｔトレーラー）になることであった。 （写真－６） 写真－４ ダブルＵチューブ 写真－６ 急速穿孔機搬入状況 写真－５ ダブルＵチューブ挿入状況 よって現場の敷地に隣接する道路が特殊車両の通行が 可能であることと，急速穿孔機の台数に制約があること 以上のことから総合的に判断して，今回はボアホール のダブルＵチューブの方式を採択した。（写真－４・５） のデメリットはあるが，早期手配（計画的な手配）により 工期の短縮をはかることが可能となる。 また，特殊車両の通行許可の申請が約１カ月かかるた 杭方式については，建物基礎杭を利用するため建築計 画初期から計画に盛り込んでおく必要がある。よって， め，県や市，警察，消防と打ち合わせを行い，許可申請 今回の地中熱交換器の選定からは除外した。 の手続きを迅速にする必要がある。 ５－２ 熱交換井設置本数の検討 ５．工事における課題と対応策 今回導入した地中熱利用ヒートポンプ空調システムの ５－１ 短期間工事にともなう工程管理 熱交換井は，隣接する既設建物と新築建物の間の敷地に 地中熱利用ヒートポンプ空調システムは，地中熱を利 設置しなければならなかった。（写真－７） 井戸と井戸の離隔距離は，熱交換の支障が出るため５ｍ 用するための熱交換を設置する井戸を掘削する必要があ り，掘削工事のコストは高く，掘削作業日数がかかる。 以上離さなければならない。 今回工事を受注した時期が全体工程の後半であり，さ この条件を踏まえると，熱交換井を設置するためには く井工事は新築現場の足場解体後から工事を着手して外 敷地の面積が最低300㎡必要となるが，当現場の敷地の 構工事の前に施工を完了しなければならないという短期 広さは約200㎡しかないため，12本の井戸をさく井する 間であるため，工程管理の検討が重要課題となった。 ことは不可能であった。 今回の空調機の能力によると，熱交換井は掘削深さ50 ｍの井戸を12本設置しなければならない。 そこで当初設計の熱交換井は掘削深さ50ｍを12本設置 する計画であったが，さく井する敷地が狭いため，変更 さく井にはボーリングマシンを使用するが，通常穿孔 案として掘削深さを50ｍから100ｍの２倍にし，熱交換 機で，通常の地質で，井戸１本につき３日〜４日かかる。 井の本数を12本から６本に半減して敷地内に収まるよう 今回は短期間工事ということで，ボーリングマシンのさ に検討した。 く井能力に注目し，通常穿孔機よりも急速に穿孔できる 急速穿孔機を選択することで掘削工程の短縮を立案した。 熱交換井をさく井するボーリングマシンを急速穿孔機 変更案の熱交換容量を計算したところ，空調機の熱交 換効率は当初の計画と変わらず設計どおりの能力が得ら れたため，変更案を採用した。（図－６） ─ 35 ─ ヒートポンプとその応用 2011． ３． No.81 ── 実 施 例 ── 表－１ イニシャル・ランニングコスト比較 空気熱源 地中熱利用 ヒートポンプ空調 ヒートポンプ空調 イニシャルコスト １００ 比率 （基準） ランニングコスト １００ 比率 （基準） CO2 排出量 １００ 比率 （基準） ２７０ ７５ ７０ （本施設における試算値） ７．おわりに 写真－７ さく井状況 本工事は短期間工事および狭い敷地での施工方法など ６．イニシャルコスト・ランニング コスト の諸問題があったが，無事完成を迎えることができた。 これも，施主，設計事務所，建築業者の皆さまをはじ 地中熱利用ヒートポンプ空調と一般的な空気熱源ヒー め，工事に携わられた方々の多大なる支援によるもの と，深く感謝いたします。 トポンプ空調とのイニシャルコストおよびランニングコ 本件では学校（高校）施設の空調（冷暖房）に地中熱利用 ストの比較を表－１に示す。 のシステムを取り入れたが，空調以外にも給湯（温泉， 地中熱利用ヒートポンプ空調は，一般的な空気熱源 プール）や床暖房へ取り入れることが可能である。 ヒートポンプ空調に比べ，イニシャルコストが高い（約 ただし，イニシャルコスト差の回収に，掘削コストの 2.7倍）が，ランニングコストは熱交換１次側の温度条件 低減や熱交換効率の向上といった課題も残っている。 が良くなることから効率が向上し約25％低減できる。ま このような課題は残るものの，地中熱などの自然エネ た，CO2排出量も約30％削減できる。 ルギーを利用したシステムを採用することは，地球環境 イニシャルコストが高くなる要因は主に熱交換井の掘 削コストであり，空調機本体や熱交換器など機器・材料 の保全に対して大きく貢献するものであると考えられ， は一般的な空調システムと比較してもコストに占める割 今後の施工に実績を生かすと同時に，顧客の要望事項に 合は大きくない。 応えられるよう，技術力の向上をはかりたい。 ギャラリー 凡例 熱交換井 空調機 高校新館 （仮称） （高層棟） 第２情報演習室 10号館 5ｍ 5ｍ 5ｍ 5ｍ EVホール 消防隊活動 スペース 5ｍ DS （給） 図－６ 熱交換井配置図 ヒートポンプとその応用 2011．３． No.81 ─ 36 ─