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1 鋼管杭方式地中熱利用システムの実施例 - 施工事例と運転実績の紹介 - 新日鉄エンジニアリング ( 株 ) 建築 鋼構造事業部総合 システム建築ユニットプロジェクト部建築設備室中村靖

2 2 地中熱利用ヒートポンプ ( 略称 :GSHP) とは 空調機ヒートポンプ 冷水 :7 供給 除熱 ( 冷却 ) 外気温と地中温度の差の一例 最高気温最低気温地中温度 地中熱交換器 放熱 地盤 : ヒートシンク 15 地盤は徐々に暖まる 掘削孔 ( ホ アホールホアホール )100mmφ 程度に熱交換用の樹脂管を挿入 温度 ( ) 30 冷房時 25 メリット 暖房時メリット 月 地盤や地下水を熱源としたヒートポンプシステム( 地中熱交換器で間接的に熱利用 ) 空気と違い地中温度は年間を通して大きな変化がなく安定しているので 一般的な空気熱源方式に比べ 冷房 暖房とも高い運転効率が確保できる 省エネルギー性に優れる ランニングコストが安価である CO2 排出量削減効果がある ヒートアイランド現象が抑制できる

3 3 地中熱利用ヒートポンプ : 開発の背景と必要性 地球上における CO2 排出量の急増 増え続ける民生部門エネルギー 国内 CO2 排出総量の 1/4 を占める建物のエネルギー消費 運輸部門約 24% 1.2 倍 建築関連 36% 地球環境問題出現 京都議定書基準年 民生部門約 31% 産業部門約 45% 1.3 倍 1.0 倍 空気調和 衛生工学会 環境と空気 水 熱 より 地球温暖化問題 京都議定書約束期間開始が来年に迫る 民生部門エネルギーは依然増加傾向にあり建築物における省エネルギー対策は急務 地中熱利用ヒートポンプ 大地を熱源とするだけで従来型熱源機に対し 30~50% 程度の省エネが可能 運用エネルキ ー 24% 空気調和 衛生工学会 環境と空気 水 熱 より 普及しない理由 (= 開発課題 ) 1 土壌掘削をともなうイニシャルコストが高い! 2 定量評価が難しいどのくらい使えるか?( 能力 ) 経済的か??( 効率 ) 正確に分からない!

4 4 鋼管基礎杭 ( 回転圧入鋼管杭 ) の有効利用 回転圧入鋼管杭の構造 鋼管の先端にらせん状等の掘削羽根を溶接した鋼管杭 全旋回機等で鋼管を回転させることにより 先端羽根の推進力により ほとんど上載荷重なしに貫入 回転圧入鋼管杭の基礎杭としてメリット 無排土 リサイクル 大支持力 低騒音 低振動低振動 高耐震性 高品質 短工期 大引抜支持力 貫入後の内部状況 杭内に中空空間ができる 地下中空空間を利用し採放熱 この地下中空空間を利用し 採放熱管を挿入することにより 安価に地中と熱交換することができる

5 5 基礎杭を利用した地中熱交換器を確立 土壌掘削をともなわない安価な地中熱交換器構築 杭頭取合い納まり 中空杭利用のメリット ( 杭径の比較的大きな杭 フーチング筋 Uチューブ タ フ ルUチューフ 杭頭 に水を充填した場合 ) 杭内部の保有水がバッファとして機能 杭内部の保有水による 自然対流効果 ( 基礎定着代 ) 配管蓋上蓋 ( コン止め蓋 ) 上蓋構築 U チューブ コン止め蓋 杭長 熱交換有効長 水 底蓋 鋼管杭 地中からの採放熱量が増大 ( 土圧吸収代 ) 配管蓋 定量評価が必要!!

6 札幌市立大学桑園キャンパスにおいて鋼管杭方式 GSHP 導入 6 北海道大学 建設地 : 札幌市立大学桑園キャンパス ( 平成 18 年度開学 ) 現札幌市立高等看護学校住所 : 札幌市中央区北 11 条西 13 丁目 ( 市立札幌病院横 ) 世界初の鋼管基礎杭利用による非住宅用 GSHP システム導入

7 7 札幌市立大学桑園キャンパス / 建物概要 増築 ( 高層 4 階建て約 2800m 2 ) 増築 ( 低層 2 階建て約 2000m 2 ) この部分に導入 屋内運動場 改修 ( 既存建物 ) 増築棟延床面積 2 ] 面積 [m ] 1 階 階 階 階 707 合計 4862

8 8 基礎杭本数 配置 使用する鋼管杭の有効長 ( 有効長 = 杭底 + 杭径 ~ 杭頭 -1.0m) 4.5m 19 本 5.5m 1 本 4.6m 18 本 4.7m 9 本 5.7m 4 本合計 :239.8m(51 本 : 平均杭長 47m) 4.7m) 基礎杭伏図 高層 低層 鋼管杭 5~6 本直列接続 並列 10 系統 + ボアホール並列 3 系統 =13 回路 地中熱交換器 : 鋼管杭 ( ダブル U) : 平均 47m m 51 本 240m 最大単位採熱量約 126W/m ボアホール ( シングル U) : 75m 3 本 =225m 最大単位採熱量約 33W/m

9 9 導入システムの概要 ガス焚真空式温水機 313kW( 暖房能力 ) ガス焚真空式温水機 313kW( 暖房能力 ) 室内側暖房負荷 プレート型熱交換器 119kW ( 冬期暖房用追いかけ熱源 ) 地中熱利用ヒートポンプチラー 50kW: 全暖房負荷の 8% 外調機負荷の 30% ( 冬期暖房用ベース熱源機 ) 外気処理空調機負荷合計 169kW プレート型熱交換器 50kW ( 夏期地中温度回復用 ) 鋼管杭地中熱交換器へ 注 ) 膨張タンク, バッファータンク等は図示省略 計測箇所 : 外気処理空調機系統温水往き温度, 還り温度, 流量熱源水往き温度, 還り温度, 流量地中熱利用ヒートポンプチラー 2 次側温水往き温度, 還り温度, 流量鋼管杭地中熱交換器内温度 2 箇所 ( 端部および中心部の鋼管杭 ) 外気温度

10 10 施工上の留意点 : 杭内 U チューブ設置工事 杭頭部の処理については物件毎に構造技術者との協議が必要である 杭 基礎躯体 Uチューブ取出しが物理的に取合うので杭頭部基礎工事との調整が複雑である 設置完了後 基礎躯体工事期間中 配管の養生や検査が必要である 鋼管杭拡大図 鋼管杭 ( 地中熱交換器 ) U チューブ 2 本

11 11 施工状況 : 杭内 U チューブ挿入工事 -1(3 月中旬 ~ 末 ) 杭頭部 配管蓋 コン止め蓋 U チューブ :25A 9m 杭頭部 (U チューブ挿入前 ) 杭頭 タ フ ル U チューフ 配管蓋上蓋 ( コン止め蓋 ) 1m 鋼管杭径 700φ 底蓋 熱交換有効長 4.8m 6.5m U チューブ挿入および水張り 0.7m

12 12 施工状況 : 杭内 U チューブ挿入工事 -2(3 月中旬 ~ 末 ) 配管蓋設置 配管蓋設置完了 鉄筋との接触, コン打時の衝撃等から保護 配管蓋設置 U チューブに保護管装着

13 13 施工状況 :U チューブ 基礎工事相番管理 (3 月末 ~4 月末 ) 鉄筋溶接時はロックウールで火花保護 杭頭部定着鉄筋溶接 フーチング上部に導き配管取出し 基礎鉄筋と取合いながら配管取出し コン打前に全チューブを圧力テスト

14 14 施工状況 : 機会室内設置状況 ( 竣工前 ) 地中熱利用ヒートポンプ地中熱制御盤地中温度回復用熱交換器 熱源水ヘッダー二次温水ヘッダー ( 手前 )

15 15 定量評価手法の開発 ( 北海道大学との共同開発 ) H14 年度 ~ 北海道大学長野研究室と共同開発 (H16.10~H19.9 北海道大学地中熱利用システム工学講座 ) 空調機 1 負荷熱量 システム設計の最適化と経済性 環境性の定量的評価 設計シミュレーションツールの実用化 1 設計実務者向けツール 2 地下水影響の定量化 2 地盤条件地中熱交換杭地中熱交換解析シミュレーション 地中温度 地中蓄熱量 土壌熱物性 地下水状況等 鋼管杭口径 深さ, 本数等 3 杭仕様 温度 採放熱量 温度 建物の冷暖房負荷シミュレーションフ ロク ラム 1 負荷熱量ヒートホ ンフ 熱源システム運転シミュレーション 採放熱量 エネルキ ー消費量 CO2 排出量 LCC 3 杭仕様 杭内部仕様 杭内熱容量 ヒートポンプ エコパイル ( 基礎杭兼用 ) 採放熱 2 地盤条件 評価ツール開発検討依頼を行った際の開発コンセプト図 地盤の蓄放熱 ( 回復の問題 ) 地下水の影響 北海道大学性能評価ツール ( 現在の Ground Club) 開発構想と一致

16 16 地中熱定量評価のために不可欠なこと 設備エンジニアリングエネルギーの流れ正確な地中温度の判断 熱源である地中の温度により能力と効率は変化する ある機器の暖房時の例 能力:5 /56kW 0 /49kW 13% ダウン 効率:5 /471% 0 /427% 10% ダウン 電力 100 熱エネルギー 500 ヒートポンプ 成績係数 (COP) = 効率 =600% 熱エネルギー 600 冷房運転性能線図の一例 建物の冷暖房 地中温度変化の判断材料 基礎杭の熱交換特性 地盤の温度応答特性 上記への地下水流動影響等 地中熱 冷房 CO OP 地中熱 空気熱源 水配管 2 初期 外気 地中熱交換器 地中温度 温度 = 鋼管杭 1 + 挿入採放熱管 熱源温度 ( )

17 17 実杭を使った採放熱試験 目的 解析に適用する理論モデルの実験による検証 実測値と解析による温度変化予測値の比較による 計算モデルの検証 設計ツールに適用できる理論 近似解法を確立 流量計プレート熱交換器温度測定点 (Pt100) 温度測定点 ( 熱電対 ) 制御盤 ヒーター 採熱試験機 [Uチューブの仕様] 呼び径 ISO 25A 材質 PE100 肉厚 2.9 mm 不凍液バッファータンク ブラインチラー 外径 32 mm 80 mm U チューブ 不凍液 水 鋼管基礎杭 鋼管基礎杭 Type1 方式 直接熱交換 U チューブ - Type2 間接熱交換シングル Type3 間接熱交換ダブル 鋼管杭 φ400mm 鋼管杭 φ165mm [ 地中熱交換器の仕様 ]

18 18 設計支援ツール ~ 設計実務者用高速解析ツール 1 時刻毎の地中温度変化を高速計算可能 運転効率予測が可能 2 複数管の熱干渉の定量評価が可能 3 中空杭の定量評価が可能 基礎杭利用方式の最適設計が可能 温度 : 10 従来設計地中温度の経年変化予測はできていない [1980 年代初頭 ] 過度な期待で設計 長期使用不能 確立した設計手法入力内容負荷条件 : 積算負荷 = 負荷変動 限界値 予測はできていない [1990 年代末期以降 ] 経験値に基づく設計 過小評価通常 30~40W/m 負荷 暖房 冷房 建物条件 ( 使用状況 杭仕様等 ) 地盤条件 設計支援ツール 10 0 限界値出力 : 地盤温度変化予測限界値 年 ムダのない適正設計 限界値の把握 地温サイクル安定確認 適正評価 100W/m 超も 適用範囲の拡大による競争力の確保

19 設計支援ツールによる GSHP システム定量評価の一例 熱源水温度の変化により地中熱ヒートポンプの能力 効率を定量評価 暖房期間冷房期間 T 2out 熱源水温度による能力評価 温度 [ ] 30 毎年同時期 熱源水温度の上昇 下降がない T w T p 10 月 1 日 1 月 1 日 4 月 1 日 7 月 1 日 9 月 30 日 T b 最低温度 0 における能力 50kW T b 最低温度 T 1out 0 ヒートポンプ能力線図 熱源水温度等の時刻変化 (5 年目 ) 熱源水温度の上昇 降下が見られないことにより長期安定運転可能を確認 熱源水温度による時々刻々の効率評価 最低温度 0 における COP=4.0 ヒートポンプ効率線図

20 20 札幌市立大学 / 暖房運転時のシステム系統図 ガス焚真空式温水機 313kW( 暖房能力 ) ガス焚真空式温水機 313kW( 暖房能力 ) 室内側暖房負荷 プレート型熱交換器 119kW ( 冬期暖房用追いかけ熱源 ) 地中熱利用ヒートポンプチラー 50kW: 全暖房負荷の8% 外調機負荷の30% ( 冬期暖房用ベース熱源機 ) 熱源水ポンプの運転制御を改善 外気処理空調機負荷合計 169kW プレート型熱交換器 50kW ( 夏期地中温度回復用 ) 鋼管杭地中熱交換器へ 注 ) 膨張タンク, バッファータンク等は図示省略 冬期運転制御 主温水配管 ( 外調機系統 ) の往き 還り温度, 流量を計測し 負荷側熱量を演算する 負荷が 50kW 以下の場合は地中熱利用ヒートポンプチラーのみベース運転する のみベ 負荷が50kWを超えた場合はプレ-ト型熱交換器の循環ポンプを運転し 主熱源 ( ガス焚真空式温水機 ) の温熱にて追従する

21 21 暖房期間の運転実績 (1)/ 熱源水ポンプ運転制御の改善前後 運転改善前 運転改善後 運転状状態 運転状状態 12 月 27 日の運転状況 熱源水ポンプ常時稼動 10 月 12 日 ~12 月 27 日の 運転時間とシステム性能 運転 6 停止 5 4 GSHP 運転循環ポンプ 3 運転循環ポンプ 1 運転 3 2 運転 1 停止 0-5 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0: GSHPシステム 2 合計運転時間 循環ポンプ 1 合計運転時間 循環ポンプ 3 合計運転時間 568 h 1286 h 1286 h ヒートポンプ COP SCOP 熱源水ポンプ 12 月 28 日の運転状況コンプレッサー連動 12 月 28 日 ~4 月 18 日の 5 運転時間とシステム性能 運転 6 停止 5 4 GSHP 運転循環ポンプ 3 運転循環ポンプ 1 運転 3 2 運転 1 停止 0-5 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0: GSHPシステム 1合計運転時間 循環ポンプ 1 合計運転時間 循環ポンプ 3 合計運転時間 1158 h 1203 h 1577 h ヒートポンプ COP SCOP

22 22 暖房期間の運転実績 (2) 暖房期間代表日 (2 月 8 日 ) の採熱量と熱出力 消費電力の変化 量 消費費電力 [kw W] 熱出力力 採熱 運転時間帯 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ホ ンフ 出力 60kW 弱 鋼管杭の採熱量 140W/m 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

23 23 地中熱利用システムの総合評価 (1) 実測と設計時計算の比較 ( 冬期暖房時 ) 出力 消費費電力量 [MWh] 出力 ガスボイラ GSHP 実測 消費電力 循環ポンプ GSHP 出力 ガスボイラ GSHP ヒートポンプ単体 COP SCOP 消費電力 GSHP 設計時計算 循環ポンプ P SCOP CO

24 24 地中熱利用システムの総合評価 (2) 環境性 経済性評価 出量 [t-c CO 2 ] CO 2 排 CO 2 排出量コスト 800 約 30% 約 40% GSHP ガス灯油 0 コスト [ 千円 ] *12 月 28 日以降の運転結果を用いて評価

25 25 鋼管杭方式地中熱利用システム ( 非住宅建築物用 ) のまとめ 特徴 & 長所 杭径は300mm~1,600mm 程度 深さは地盤状況によるが70~80m 程度に達するものもある 杭同士の離隔は一般的に5~6m 以上 比較的大径の杭ならば杭内に水を充填することで ダブル U チューブでも大きな採放熱能力を得ることができる ( 札幌市立大学の実績で約 140W/m) 施工費の削減が期待できる 耐震性能に優れている 短所 現在 鋼材の高騰によりPHC 杭等の既成杭に対して割高で かつ納期がかかる 杭頭部基礎工事との取合い調整が複雑である

26 26 おわり ご清聴ありがとうございました

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