大成建設技術センター報第 44 号 (2011) ボアホール型地中熱ヒートポンプシステム既存施設への導入とその効果関根賢太郎 1 安藤一成 2 寺島和秀 3 4 太田裕雄 Keywords : ground source, heat pump, air-conditioning syst

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ゆあすみだ
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ボアホール型地中熱ヒートポンプシステム既存施設への導入とその効果関根賢太郎 *1 安藤一成 *2 寺島和秀 *3 *4 太田裕雄 Keywords : ground source, heat pump, air-conditioning system, carbon dioxide emissions 地中熱, ヒートポンプ, 空調システム, 二酸化炭素削減 1.

1 ボアホール型地中熱ヒートポンプシステム既存施設への導入とその効果関根賢太郎 *1 安藤一成 *2 寺島和秀 *3 *4 太田裕雄 Keywords : ground source, heat pump, air-conditioning system, carbon dioxide emissions 地中熱, ヒートポンプ, 空調システム, 二酸化炭素削減 1. はじめに地表面から 10m より深い部分の温度は, その地域の年間平均気温とほぼ同じであり,1 年を通じて安定した温度を得ることが可能である地中熱ヒートポンプシステムは, 夏季, 冷房した排熱を地中に放出, 冬期, 地中から採熱した熱を暖房に利用することで, 冷暖房機器の高効率運転や季節間を通した熱の有効利用による省エネルギー CO 2 排出削減に貢献できるシステムであるまた, 業務や一般家庭用途に広く用いられている空気熱源ヒートポンプのように冷房排熱を大気中に排出することもないため, ヒートアイランド抑制効果も期待ができるさらに電気式熱源機器のため, ボイラーなどの燃焼型熱源のように燃焼ガスを大気中に排出することがなく, 二酸化炭素削減効果も高いこれまで技術およびコスト面から利用が少なかったが, エネルギー単価の高騰および環境対策への要求の高まりから, 近年, 有効活用が注目されているシステムである地中熱ヒートポンプシステムは, 地中と熱交換する熱交換器が必要である熱交換器として最も一般的な方式が, 地中に直径 100 mm程度の孔を 50~100m 程度掘削し, その孔に U チューブと呼ばれる直径 25~ 40 mmのポリエチレン製の地中熱交換用配管を挿入し, ケイサなどで埋め戻すボアホール方式がある掘削孔内に 1 対挿入するタイプ ( シングル U チューブ ) と掘削費削減を目的として 1 孔に 2 対の U チューブを挿入するタイプ ( ダブル U チューブ ) がある図 -1にボアホール方式と U チューブを示す近年, 掘削コスト削減を目的に基礎杭と地中熱交換器を併用したものが開発適用されている 1) しかし, 新築では採用可能であるが, 既存施設への導入は難しい側面がある以下では, 空調給湯において大量の電気化石燃料を使用している病院施設の CO 2 削減並びにコスト削減策として, 既存病院の一部空調にボアホール型地中熱ヒートポンプシステムを導入し, その効果を検証した結果について紹介する U チューブ掘削孔ボアホール方式 ( シングル U チューブ ) U チューブケイサなどで埋め戻しボアホール方式 ( ダブル U チューブ ) 掘削孔ケイサなどで埋め戻し *1 技術センター建築技術研究所環境研究室 *2 設計本部環境シミュレーショングループ *3 土木営業本部公共第二営業部 *4 名古屋支店図 -1 ボアホール方式と U チューブ Fig.1 Bore hole systems & U-Tube 52-1

2. 導入施設および設備の概要システムを導入した病院は, 岐阜県中津川市にある病床数 199 床の総合病院である中津川市は,

( 雨水調整池 ) を活用し, 地中熱交換用のボアホール ( 内径 127mm/ 深さ 100m) を 5m 間隔で 20 本掘削したボアホールは, ダブル U チューブ方式とし, 孔内に外径

エントランスホール系統,AHU-102: 外来系統 ) に接続し, 建物の取入外気の冷温調に利用した外調機の運転時間は,7 時から 18 時 30 分までの 11.

-4にシステム図を示すボアホール設置工事は,2010 年 7 月中旬から開始した図 -5~7に掘削状況を示す掘削はカゴタ式エアハンマー工法と N.C.

-8にヒートポンプ設置状況を示す図 -2 病院外観 ( 仮囲内が多目的広場 ) Fig.

70m 2 延床面積 13,680.69 m 2 階数地上 4 階, 搭屋 2 階竣工 2001 年 3 月図 -3 ボアホール設置概要 Fig.

2 2. 導入施設および設備の概要システムを導入した病院は, 岐阜県中津川市にある病床数 199 床の総合病院である中津川市は, 木曽川の上流域に位置し広大な森林に豊富な水を湛える自然豊かな山間都市であり, 河川や伏流水地下水が多いことが特徴である表 -1に建物概要, 図 -2に建物外観を示す病院敷地内東側の多目的広場 ( 雨水調整池 ) を活用し, 地中熱交換用のボアホール ( 内径 127mm/ 深さ 100m) を 5m 間隔で 20 本掘削したボアホールは, ダブル U チューブ方式とし, 孔内に外径 40 mmの高密度ポリエチレン管を 2 セット挿入した図 -3にボアホール設置概要を示すシステムは, 病院 1 階部分の既存外調機 (AH- U101: エントランスホール系統,AHU-102: 外来系統 ) に接続し, 建物の取入外気の冷温調に利用した外調機の運転時間は,7 時から 18 時 30 分までの 11.5 時間を上限とし, 負荷状況および熱源水温度 ( 地中温度 ) により地中熱システムが利用できなくなった場合, 自動的に既存熱源に切り替わるように設定した表 - 2にシステム概要, 図 -4にシステム図を示すボアホール設置工事は,2010 年 7 月中旬から開始した図 -5~7に掘削状況を示す掘削はカゴタ式エアハンマー工法と N.C.B ボーリングマシンを用いたダウンザホール工法の両方で 20 本の施工を行い, 併行して熱源機器の設置, 既存配管などの切替工事などを実施し,12 月末までに終了した図 -8にヒートポンプ設置状況を示す図 -2 病院外観 ( 仮囲内が多目的広場 ) Fig.2 Outside of hospital 表 -1 建物概要 Table 1 Outline of building 敷地面積 23,808.48m 2 建築面積 5,457.70m 2 延床面積 13, m 2 階数地上 4 階, 搭屋 2 階竣工 2001 年 3 月図 -3 ボアホール設置概要 Fig.3 Area of boreholes 熱源能力表 -2 地中熱システム設備概要 Table 2 Outline of systems 冷却 :80kW, 加熱 :106kW 冷水 287 L/min( 入口 :11 - 出口 :7 ) 冷却水 574 L/min( 入口 :30 - 出口 :32.5 ) 温水 301 L/min( 入口 :40 - 出口 :45 ) 熱源水 459 L/min( 入口 : 出口 :10 ) 図 -4 地中熱ヒートポンプシステム図 Fig.3 Ground source heat pump systems 52-2

3. サーマルレスポンス試験図 -5 ボアホール掘削状況 ( エアハンマー工法 ) Fig.

土壌と地下水流動の双方の影響を加味した見かけの熱伝導率 ( 有効熱伝導率 ) を把握することが重要であるそこで, 計画地の有効熱伝導率を評価するサーマルレスポンス試験 ( 以下 TRT と呼ぶ ) を実施した 3.

ダウンザホール工法 ) Fig.6 Situation of excavation(down the hole) 図 -9 サーマルレスポンス試験実施状況 Fig.9 Thermal response test 図 -7 U チューブ設置状況 Fig.

3 3. サーマルレスポンス試験図 -5 ボアホール掘削状況 ( エアハンマー工法 ) Fig.5 Situation of excavation(air-hammer) 地中熱ヒートポンプシステムの長期的性能は, 熱交換器 (Uチューブ) 性能よりも地層の熱交換特性に大きく依存する地層の熱交換特性は, 地下水流動の程度によっても大きく左右されるため, 地中熱ヒートポンプシステムの設計運用には, 土壌と地下水流動の双方の影響を加味した見かけの熱伝導率 ( 有効熱伝導率 ) を把握することが重要であるそこで, 計画地の有効熱伝導率を評価するサーマルレスポンス試験 ( 以下 TRT と呼ぶ ) を実施した 3.1 TRT 概要 TRT は,20 本のボアホールのうち, 代表する 1 本のボアホールに対して一定の熱量を与えた循環水を循環させ, 循環水の温度変化, 流量, 加熱に使用した電力, 深度毎の温度変化等から当該地層の有効熱伝導率, 熱抵抗を算出した図 -9に TRT 実施状況を示す図 -6 ボアホール掘削状況 ( ダウンザホール工法 ) Fig.6 Situation of excavation(down the hole) 図 -9 サーマルレスポンス試験実施状況 Fig.9 Thermal response test 図 -7 U チューブ設置状況 Fig.7 Set of U-tube 図 -8 地中熱ヒートポンプ設置状況 Fig.8 Set of Ground source heat pump 3.2 試験結果温度分布図 -10 に計画地の地盤状況と地中温度分布 (TRT 実施前 ) 示す温度測定最深部の 100m では 17.0 であったが, 全体的に大きな温度変化は見られなかった深度 4~12m は地表面付近であるため, 日射外気温など季節変動の影響が出ている 12~36m は, 深くなるにつれて温度が低下する傾向にある 36~52m はほぼ等温であり,52m 以深は緩やかに温度上昇する傾向にあった有効熱伝導率図 -11 に加熱時データからの有効熱伝導解析結果, 表 -3に TRT から算出した有効熱伝導率を示す有効熱伝導率は, 一般的な堆積層に比べて高く岩盤に近い 52-3

4 数値となっており, 地下水流動による移流の効果があることを確認した温度 ( ) 測定日 :2010 年 11 月 17 日気温盛土砂礫玉石軽石混じり砂礫砂礫 ( 軽石混じり ) 1 月の代表的な運転状況の日 (1 月 23 日 ) の各状況を以下に示す外気温度および外気湿度図 -12 に外気温度および外気湿度の状況を示す代表日におけるシステム運転時間中 (9~16 時 ), 外気温度は最高で 15 時 30 分の 7.4, 最低で 9 時の 0.4, 平均 5.2 であった深度 ( m ) 温度センサー :T 型熱電対データサンプリング :2m 4m 100m 17.0 図 -10 地中温度と地盤状況 Fig.10 Ground temperature & condition 流紋岩質凝灰岩温度 [ ] :00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 外気温度外気湿度図 -12 外気温度と外気湿度 Fig.12 Outdoor air temperature & humidity 湿度 [%] 熱源水温度図 -13 に熱源水温度 ( 熱源 [ ヒートポンプ ] から地中へ, 地中から熱源 [ ヒートポンプ ] へ ) の状況を示す運転開始直後に制御が安定するまで変動するが, 11 時頃より安定し, 約 10 で熱源 [ ヒートポンプ ] から地中へ送られる地中からは約 12.5 で熱源 [ ヒートポンプ ] に戻ってきており, 温度差は約 2.5 と設計値通りであった図 -12の運転時間中の外気温度と比べると熱源水温度の方が高く, 温度ポテンシャル的に外気よりも高い熱を暖房に利用できた図 -11 有効熱伝導率の解析結果 ( 加熱時データ ) Fig.11 Analysis of thermal conductivity 4. 運転結果表 -3 熱交換能力に関するパラメータ Table 3 Parameter 有効熱伝導率 λ 2.66 [W/m K] 熱抵抗 R [K/W/m] 4.1 代表日運転状況 (1 月 ) 2012 年 1 月より暖房運転による効果の検証を行った温度 [ ] 設計値 : 還り12.5 設計値 : 往き10 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 熱源水往き ( 熱源地中 ) 熱源水還り ( 地中熱源 ) 図 -13 熱源水温度 Fig.13 Heat source water temperature 成績係数 (COP), システム成績係数 (S.COP) 図 -14 に COP,S.COP を示す熱源単体の COP は, 最大で 5.56, 平均 4.05 であったポンプ類も含んだ 52-4

5 S.COP も最大で 4.7, 平均で 3.55 と冬期の空気熱源ヒートポンプ COP( カタログ :3.4 程度 ) に比べると高い値となった地中採熱量図 -15 に地中からの採熱量 ( ボアホール 1 本深さ 1m 当たり ) を示す採熱量は, 最大で 37.5W/m, 平均で 27.6W/m となり, 一般的に言われている 40W/m とほぼ等しい値であった COP, S.COP 地中採放熱量 [W/m 本 ] :00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 COP S.COP 図 -14 COP,S.COP Fig.14 Coefficient of performance 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 地中採放熱量図 -15 地中採熱量 Fig.15 Heat flow of ground source 5. 設備整備効果の解析と評価地中熱ヒートポンプシステムの実測値をもとに既存熱源 ( 灯油炊き冷温水発生機 ) との比較を行ったなお既存設備は, 該当部分 ( 外来系統およびエントランス系統の外調機部分 ) の測定データが存在しなかったため, 以下の方法により算出した 5.1 既存機器エネルギー消費量算出方法機器消費電力量表 -4に既存ポンプ定格動力の算出結果を示す既存ポンプの定格動力は, 以下の式により算出した Pm=ρ g Q H/(ηp ηm) Pm: ポンプ定格動力 ( モーター消費電力 )(W) ρ: 液体密度 (kg/m 3 ) g: 重力の加速度 (m/s 2 ) Q: 流量 (m 3 /s) H: 全揚程 (m) ηp: ポンプ効率 ηm: モーター効率表 -4 既存ポンプ定格動力 Table 4 Rated power of existing pumps PCH-1 PCH-3 冷温水ホンフ冷温水二次ホンフ ( 既存 ) ( 既存 ) ρ kg/m 3 1,000 1,000 g m/s Q' L/min 2,000 1,080 Q m 3 /s H m ηp ηm Pm KW 表 -4で求めた定格動力をもとに以下の要領で既存機器の消費電力を想定した算出結果を表 -5に示す 1 二次ポンプ軸動力は, 流量の3 乗に比例 2 二次ポンプ平均負荷率を 50% と仮定 ( 流量 50%) 3 外調機で使用するポンプ動力は, 熱源容量と外調機能力の比率で配分 4 外調機能力は, 冷温水発生機 1 台暖房側で 11% 既存機器消費電力量 [kwh] = 各機器の想定動力の合計値 [kw] 運転時間 [h] 表 -5 既存機器想定動力 Table 5 Suspposition power of existing equipments RH-1 PCH-1 PCH-3 冷温水発生機冷温水ホンフ冷温水二次ホンフ ( 既存 ) ( 既存 ) ( 既存 ) 定格動力 KW 負荷率熱源容量 ( 暖 ) Mcal/h AHU-101( 暖 ) Mcal/h AHU-102( 暖 ) Mcal/h 外調機比率 ( 暖 ) 想定動力 ( 暖 ) KW 冷温水発生機灯油使用量既存の冷温水発生機の灯油使用量は, 以下の式で算出したなお, 冷温水積算熱量 ( 暖房 ) は, 本事業で導入した地中熱ヒートポンプの実績 ( 実測値 ) と同じ負荷を冷温水発生機で賄ったとして, 実測値を用いた Ng=Qh HL ηb Ng:: 冷温水発生機灯油使用量 Qh: 冷温水積算熱量 ( 暖房 )[GJ]( 実測値 ) 52-5

6 HL: 低位発熱量 ( 灯油 :8400 kcal/l[ GJ/L] ) ηb: ボイラ効率 (0.8: 想定 ) 二酸化炭素排出量算出方法エネルギー消費量から二酸化炭素排出量は, 以下の数値を用いた 1 電力 CO 2 換算値 :0.424kg-CO 2 /kwh 2 灯油 CO 2 換算値 :2.49kg-CO 2 /L 5.2 算出結果表 -6~8に算出結果を示す 1 月の二酸化炭素削減効果は, 約 3,200kg-CO 2 / 月, 削減比率は 66% と非常に大きな効果が得られた 2 月は, 約 1,002kg-CO 2 / 月, 削減比率は 55% と 1 月と比較すると効果は少なくなったこれは機器調整による運転時間の短縮が影響している 3 月 (17 日まで ) は, 約 1,398kg-CO 2 / 月, 削減比率は 63% であり,2 月に比べると機器調整の結果,1 日の運転時間が長いため, 月の半分程度の累計ではあるが, 削減効果は 2 月よりも大きくなったまた, ランニングコストは 35~50% の削減となった表 -6 地中熱ヒートポンプ導入結果 (1~3 月 ) Table 6 Introduction result of ground source heat pump system 月冷温水熱源水ヒートホンフ温水積算運転ホンフホンフ CO 電力量熱量時間 2 排出量平均電力量電力量 [kg-co [kwh] [GJ] [h] 2 / 月 ] COP [kwh] [kwh] 1 3, , , , 表 -7 既存設備想定結果 (1~3 月 ) Table 7 Suspposition result of existing equipments 月冷温水発生機灯油使用量電力量 CO 2 排出量 [L/ 日 ] [kwh/ 日 ] [kg-co 2 / 月 ] 1 1, , , ,205 表 -8 導入効果 (1~3 月 ) Table 8 Introduction result 月 CO 2 削減効果削減比率 [kg-co 2 / 月 ] [%] 1 3, , , まとめ地中熱ヒートポンプについては自然エネルギーの中でも比較的導入事例が少なく, 特に既存病院施設への導入については全国初の取組みであり, 本事業での実証の成功が全国的な波及効果を高めると考えているなお, 国内には中山間地域の河川沿いや平野のデルタ地帯など, 地中熱ヒートポンプを導入するポテンシャルを持つ地域が数多くあり, 本事業の実証により, 国内展開が可能と考えられる今回は事業の関係上冬期暖房結果のみであるが, 引き続き夏期冷房時の効果検証を実施し, 年間での CO 2 およびランニングコスト削減効果の検証を行う謝辞本事業は, 平成 22 年度環境省総合環境政策局委託平成 22 年度チャレンジ 25 地域づくり事業 ( 岐阜県中津川市 ) 平成 21 年度繰越事業において, 当社が中津川市の共同実施者として実施したものである実施に際し, 中津川市生活環境部環境政策課および国民健康保険坂下病院の関係各位に謝意を表します参考文献 1) 関根賢太郎, 大岡龍三, 横井睦己, 柴芳郎, 黄錫鎬, 南有鎭 : 場所打ち杭を用いた地中熱空調システムの実用化に関する研究,- 実大実験装置による熱特性の把握とコスト試算 -, 大成建設技術センター報 No , 2) 平成 22 年度チャレンジ 25 地域づくり事業報告書,2011, 岐阜県中津川市 52-6

年 1 月 18 日制定一次エネルギー消費量計算に用いる地中熱ヒートポンプシステムの熱交換器タイプを判断するための相当熱交換器長換算係数に関する任意評定ガイドライン一般社団法人住宅性能評価表示協会 1. 適用範囲本ガイドラインは平成 28 年国土交

年 1 月 18 日制定一次エネルギー消費量計算に用いる地中熱ヒートポンプシステムの熱交換器タイプを判断するための相当熱交換器長換算係数に関する任意評定ガイドライン一般社団法人住宅性能評価表示協会 1. 適用範囲本ガイドラインは平成 28 年国土交 201901-1-02-001 2019 年 1 月 18 日制定一次エネルギー消費量計算に用いる地中熱ヒートポンプシステムの熱交換器タイプを判断するための相当熱交換器長換算係数に関する任意評定ガイドライン一般社団法人住宅性能評価表示協会 1. 適用範囲本ガイドラインは平成 28 年国土交通省告示第 265 号第 1の1(1) に定める空気調和設備の設計一次エネルギー消費量計算に用いる地中熱ヒートポンプシステムの評価で用いる相当熱交換器長換算係数の計算式の作成について

大成建設技術センター報第 44 号 (2011) ボアホール型地中熱ヒートポンプシステム 既存施設への導入とその効果 関根賢太郎 *1 安藤一成 *2 寺島和秀 *3 *4 太田裕雄 Keywords : ground source, heat pump, air-conditioning syst

大成建設技術センター報第 44 号 (2011) ボアホール型地中熱ヒートポンプシステム既存施設への導入とその効果関根賢太郎 1 安藤一成 2 寺島和秀 3 4 太田裕雄 Keywords : ground source, heat pump, air-conditioning syst