一定加熱･温水循環方式熱応答試験（TRT）技術書（案） Ver

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ちえこみのしま
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1 一定加熱温水循環方式熱応答試験 (TRT) 技術書 ( 案 ) Ver. 3.2( 公開 ) < 目次 > まえがき 1 1. 概要 2 2. 試験装置 3 (1) 電気ヒーター 3 (2) 循環ポンプ 3 (3) 測定装置 4 3. 試験装置の設計設置および実施における注意点 5 4. 実施方法 6 (1) 自然地中温度分布の測定 ( オプション ) 6 (2) 温水循環試験 6 (3) 温度回復試験 ( オプション ) 7 5. 解析方法 7 (1) 作図法 ( 循環時法 ) 8 (2) 作図法 ( 回復時法 ) ( オプション ) 10 (3) ヒストリーマッチング法有効熱伝導率の決定解析結果の取りまとめと TRT 測定結果の活用の流れ年 2 月 NPO 法人地中熱利用促進協会編

2 まえがき熱応答試験 (TRT) は地中熱ヒートポンプシステムの設計において必要となる地盤の有効熱伝導率と地中熱交換器の熱抵抗を求めるために行われます一定規模以上の建物に地中熱を導入する際には不可欠な試験ですこの度地中熱利用促進協会では省エネ基準にもとづく建築物の一次エネルギー消費量の WEB プログラムでの入力値に必要な地盤の有効熱伝導率を求めるために実施される TRT にかかる技術的な内容を IEA ECES ( 蓄熱実施協定 ) ANNEX21(TRT) 準拠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に準拠して取りまとめましたエネルギーの使用の合理化等に関する法律 ( 省エネ法 ) に基づく住宅建築物の省エネルギー基準 ( 省エネ基準 ) が平成 25 年に改正され外皮性能とともに一次エネルギー消費量が指標となっていますさらに平成 27 年度に成立した建築物のエネルギー消費性能の向上に関する法律では大規模建築物から順次新築時に省エネ基準への適合義務及び適合性判断義務が課されこれが建築確認で担保されることになりますこのため地中熱ヒートポンプシステムについても設計一次エネルギー消費量を算出する必要がありそのための WEB プログラムが国土交通省により作成されていますこのプログラムの計算には地盤の有効熱伝導率の値を用いる必要があり精度の担保されたデータである必要があることから信頼性のある測定手法を用いる必要があります TRT で得られるデータが十分な信頼性をもつものでなければならないことは言うまでもありませんがこのことはわが国のみならず地中熱利用を進めている世界各国共通の課題ですこのためIEA( 国際エネルギー機関 ) が熱応答試験を IEA ECES ANNEX21 の中でサブタスクとして取組み報告書を取りまとめていますこのサブタスクにはわが国からは北海道大学長野克則教授葛隆夫准教授秋田大学藤井光教授 ( 当時九州大学 ) が参加されその成果は Sub-task 4. Standard TRT Procedures(Final Report 2013 年 11 月 ) として報告されていますわが国では ( 一財 ) ヒートポンプ蓄熱センター地下熱利用ヒートポンプシステム研究会により IEA ECES ( 蓄熱実施協定 ) ANNEX21(TRT) 準拠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 ( 標準試験方法 ) として 2011 年 8 月に編纂されています地中熱利用促進協会では地中熱ヒートポンプシステムの施工管理マニュアル ( 平成 26 年オーム社刊 ) の第 2 章で国内での実施状況を考慮して TRT の実施方法について取りまとめましたまた国土交通省においても官庁施設における地中熱利用システム導入ガイドライン ( 案 ) において TRT の実施方法がとりまとめられていますこれらはいずれも上記の標準試験方法に準拠しておりますが協会内での検討を通じて解析ストーリーなどを追加した他具体的な加熱量を示すなどの見直しをした内容となっていますこのたび標準試験方法及びこれらの資料に基づき省エネ基準の計算に必要なデータの精度を確保するための手法をわが国での実施状況を考慮して取りまとめたものがこの技術書になりますこの技術書を取りまとめるにあたり北海道大学長野克則教授秋田大学藤井光教授および国土交通省未利用熱タスクグループ主査の国土技術政策総合研究所宮田征門主任研究官はじめ同グループの皆様にご指導ご助言をいただきました厚く御礼申し上げます特定非営利活動法人地中熱利用促進協会理事長笹田政克 1

3 1. 概要熱応答試験は地中熱交換器内に熱負荷を与えた循環流体を循環して得られる循環流体温度や地中温度の経時変化より地盤の熱物性や地中熱交換器の熱交換能力を推定する地盤調査試験であり試験結果は地中熱交換器の本数長さを決定するためのデータとして利用される本技術書では熱応答試験によって地盤の有効熱伝導率 λ[w/(m K)] を求めるための試験装置実施方法解析方法に関する基準を示す 1 温度回復試験はオプションとして実施する 2 作図法 ( 循環時法 ) は熱量一定に基づくため片対数グラフ作成時に明確な直線部が得られない場合は温水循環試験を再度実施するかヒストリーマッチング法により有効熱伝導率の決定を行う 3 解析方法でヒストリーマッチング法を選択した場合図 1 熱応答試験と設計への流れ図 2

4 2. 試験装置熱応答試験の主な試験装置は以下の性能や部材で構成されそれぞれ基準を満たしたものを使用すること (1) 電気ヒーター実使用時と同等程度の一定の熱負荷を掛けられる発熱量を有していることできればヒーターの熱出力が可変できるものが望ましいまたヒーターには 2 つ以上の安全装置を設ける例としては空だき防止のフロースイッチ最高温度以上になった場合に電流を入り切りするサーモスタットもう一つはある温度以上になったときにそれ自体が溶融して電流を遮断する温度ヒューズなどである熱負荷の際には電圧の安定した電源に接続するまた装置全体へのアース取り付け主電源への漏電遮断器設置により感電防止策を図ること必要条件 :1 対象とするボアホール型熱交換器 ( 掘削径 φ200mm 以内 ) に対してヒーターの熱出力を可変とし 5kW 以上の熱負荷または測定時の熱負荷 50W/m 以上の熱負荷の熱負荷能力を有すること 2 安全装置として上述のフロースイッチサーモスタット温度ヒューズ等を有すること (2) 循環ポンプ実使用時と同程度の低乱流領域 ( レイノルズ数 >3000) の流量を循環できるだけの揚程を有していることまた効率が高く消費電力が小さく流量安定性の高いものを使用する流量調整できるバルブかノイズ対策を施したインバーターが必要であるレイノルズ数 Re は次の式で求められる Re V 2 ここで r i Re: レイノルズ数 ( 無次元 ) V: 管内流速 (m/s) r i : パイプ内径 (m) ν: 流体の動粘性 (m/s) 必要条件 :1 対象とするボアホール型熱交換器の U チューブに対して 1 組あたり呼び径 20 のパイプでは約 10L/min 呼び径 25 のパイプでは約 15L/min 以上呼び径 30 のパイプでは約 22L/min 以上もしくは実使用時と同じ流量を流せるポンプを選定することなお ( 財 ) ヒートポンプ蓄熱センター (2011) によれば循環量と熱量測定温度の精度に関しては次のような記述があり参考とした実使用時を想定した循環量とするのが望ましい管内流速を 0.5m/s を保つとすると口径 20A のパイプでは約 10L/ 分口径 25A のパイプでは約 15L/ 分とするまたこの循環流量は設定した加熱負荷に対して十分な温度差を確保できるものでなければいけないなぜなら出入口温度差の測定誤差が ±0.1 としているのでこの温度差が 2 であれば ±5% の誤差が生じるということであるしたがって温度差は 4 程度測定誤差は ± 2.5% を確保することが望ましいこのとき加熱量は口径 20A のパイプでは約 10L/ 分の場合約 2.8kW, 口径 25A のパイプでは約 4.2kW となる 3

5 (3) 測定装置 1 流量計 : 高精度な流量計が必要で具体的には測定精度 ±0.5%(FS) 以下の流量計が望ましい一般的には工業用の電磁流量計が使われる出力信号は電流値もしくはパルスのいずれかが一般的である必要条件 : 流量計単体の測定精度が ±0.5% 以下であり計量法の特定計量器としての流量計の検定有効期間が 8 年であるので直近 8 年以内の国家標準または国際標準に対するトレーサビリティが確保された校正記録を有していることなお流量計の社内校正はあまり一般的でないので基本的にはメーカーでの出荷前校正で精度を担保することになると考えられるまた期限の 8 年は水道メーター流量計の計量法での期限に準拠している 2 温度センサー : 地中熱交換井に設置された熱交換器の直上に温度センサーを取り付ける 3 線式以上の白金測温抵抗体 ( 以下 Pt100 センサーと呼ぶ ) のうち精度 ±0.15 をもつクラス A ±0.1 のクラス AA を使用する出入口温度測定用の 2 本の Pt100 センサーは測定される温度範囲内において相互の温度指示値の差が ±0.1 以下としたものでも良いなおセンサーそのもの防水性能の低下や結線部分の絶縁低下は測定値に影響するため絶縁テープ等での養生をすることが望ましい必要条件 : 測定温度 0~50 において熱交換器の直上に設置された出入口温度測定用の 2 本の Pt100 センサーの温度指示値の差が ±0.1 以下であり直近 1 年以内の国家標準または国際標準に対するトレーサビリティが確保された校正記録を有していること具体的には JIS などの校正記録のある標準温度計を使って社内校正し記録を残すことで実効性のある精度確保が可能と考えられるなお地中の熱伝導率の垂直変化を捉えるため TRT 実施時に地中熱交換井内の複数深度において測定確度 ±1.0 程度の温度センサーを設置し観測を行う方法もある ( オプション ) 3 記録装置 : 電気的に高い耐ノイズ性を有するもの一般的な測定サンプリング時間である 1 分において十分な精度を保てるもの Pt100 センサーおよび流量計からのパルス信号が測定できることが条件となる一般的には分解能 16bit 程度の A/D 変換装置を有したデータロガーなどが用いられる必要条件 : 測定サンプリング時間 :1 分を標準とし流量測定の分解能 0.1L/min 以下で測定精度 ±0.5%/FS 測温抵抗体による温度測定の分解能 0.1 以下で測定確度 ±1.0 であることただしこの記録装置を使用して測定した同一の循環流体の温度測定値の温度差は 0.1 に収まっていること 4

6 図 2 熱応答試験概要図熱応答試験装置の循環流体 ( 水 ) 循環系は密閉型開放型どちらでもよい ( 図 2 は開放型の一例である ) ただし開放型においてはタンクに十分な断熱をしタンクからの熱損失を抑えると共に外部からの熱影響をできるだけ少なくすることが条件である 3. 試験装置の設計設置および実施における注意点 1 TRT を実施した地中熱交換井の有効熱伝導率は TRT を実施した地中熱交換井と同じ工法同じ仕上法で設置した地中熱交換井で適用できる掘削径や掘削法仕上法等が異なる場合は同じ条件とならないので注意が必要である 2 また数多くの地中熱交換井を設置する場合 TRT を実施した地中熱交換井の地下状況とほぼ同じである必要がある掘削状況で地下状況に大きな差が認められる場合は TRT の追加の要否も検討する必要がある 3 地上配管における熱損失が大きいと地中熱交換器に与える負荷が不安定になるので地上配管の長さは最小限にし外気温条件に対して十分な性能を有する断熱材を施すとともに遮熱を施す特に地中熱交換器が短い ( 熱交換量が小さい ) 場合には地上部での熱損失日射取得の影響が温度変化に大きく影響するなおここで言う遮熱とは日中の日射影響を避けるためにアルミテープを巻くアルミ蒸着シートなどで被覆することである 4 配管にエア抜きを設置する漏水やこれによる水タンクの空焚きには細心の注意を払う 5 循環流体としては通常は水が用いられるが実際に使用するシステムが不凍液を使用する場合でかつ濃度が明らかである場合にはその濃度に調整した不凍液を使用してもよいただし解析の際は不凍液の濃度に対する密度比熱を用いて熱量を補正する必要がある 6 地中熱交換井の施工完了後井内の温度が地層温度と平衡になるには長時間を要するため最低 3 日 5

7 間できれば 4~7 日程度放置して自然状態に復帰してから試験を開始するものとする 7 水井戸を熱交換井として利用する場合にも6と同様に自然状態に復帰後に試験を開始するまた井戸内での地下水流動が明らかな場合には試験結果にはその状況について記載しておく 8 降雨時の TRT の雨水のボアホールへの浸入防止措置を図ることが望ましい 9 地中熱交換井近傍での地下水揚水 ( ディープウェル等 ) の有無の確認も重要である 4. 実施方法試験方法は温水循環試験と温度回復試験がある (1) 自然地中温度分布の測定 ( オプション ) 地中熱交換器内の自然状態での循環流体温度を測定することが望ましい地中熱交換井内の地中熱交換器に1 本の温度センサー ( 例えば精度 ±0.15 をもつ Pt100 センサークラス A) を静かに降下させながら順次 1m 毎に温度を測定する周辺の事前調査の地質情報等から特徴的な地下水流動や温度構造が想定されるような場合解析の手掛かりとなる情報を得ることができる可能性があるなおセンサーの引き上げ時に温度測定をするとセンサーおよびケーブルの影響により温度が乱れるためできるだけ避ける (2) 温水循環試験一定に保たれた電源及びヒーターによって一定加熱された循環流体を地中熱交換器に循環させ地中熱交換器の出入口温度や流量等をモニタリングするモニタリング時間は標準で 60 時間最短でも 48 時間以上とする温水循環試験の標準的な実施手順は次のとおりである 1 試験装置と熱交換器とを断熱を施したホース等で接続し配管を循環流体で満たした後エア抜きをする 2 温度センサー流量計を記録装置に接続する温度測定は地中熱熱交換器の出入口における循環流体温度については必ず行うなお出入口とは循環ポンプからみた循環方向に対し循環ポンプに近い方が入口遠い方が出口となるまた可能であればあらかじめ温度センサーを地中熱熱交換井内の地中熱交換器に深度を変えて設置することで地中温度を測定し更にその地点の有効熱伝導率を評価することができるただしこの情報は温度計を埋設した地点のみの情報となるので留意が必要である 3 地中に温度センサーが設置されておらず初期地中温度の推定が必要な場合はヒーターをオフにしたまま 30 分程度循環流体の循環を行い地中熱熱交換器出入口における循環流体温度が安定するのを確認した後出入口温度の平均より初期地中温度を決定する 4 ヒーターに通電し循環流体の循環を開始する流速は循環流体の循環が乱流域 ( レイノルズ数 > 2300) となるように設定する例えば呼び径 25 のダブル U 字管を用いて 30 の水を循環する場合循環流体流動が乱流域となる最小流量は約 4.5L/ min である 5 熱負荷は実際に設置予定の地中熱利用ヒートポンプシステムの負荷に近い大きさとする目安として有効熱伝導率の低い地盤では 30W/m 有効熱伝導率の高い地盤では 80W/m とされている (Sanner et al, 2005) 6 循環流体の循環時間は時間と循環流体平均温度の片対数プロットにおいて地中熱交換器の影響がなくなりその後出現する地層の熱伝導率により傾きが決まる直線部において十分な長さの直線が得ら 6

8 れる時間とする 7 データの測定サンプリング時間は特段の理由が無い限り 1 分以下とする 8 循環終了後は速やかに熱応答試験装置と地上配管の水抜きをしその後試験装置を撤収する必要条件 :1 加熱中の温水循環試験の測定は標準で 60 時間最短でも 48 時間以上行う 2 データの測定サンプリング時間は 1 分以下とする (3) 温度回復試験 ( オプション ) 温水循環試験終了後に地中熱交換井内に設置した温度計により地中熱交換井内の温度回復状況をモニタリングするモニタリング時間は 60 時間程度または地層温度が加熱前の状態に戻るまでとするなお温度回復試験用の温度センサーを設置するために実際に設置する井戸径よりも掘削孔径を大きめ設定した場合地中熱交換量などが実際に地中熱ヒートポンプシステムとして使用する場合と特性が全く同じにはならないことに留意が必要である 5. 解析方法熱応答試験によって得られた温度データより地盤の平均的な有効熱伝導率と地中熱交換器の熱抵抗を推定する解析方法には作図法 ( 循環時法 ) 作図法 ( 回復時法 ) およびヒストリーマッチング法があり作図法 ( 循環時法 ) による解析を基本とするが必要に応じて併せて他の二つの方法を採用して有効熱伝導率 λ[w/(m K)] を決定するただし経済性を考慮して一般には作図法 ( 循環時法 ) を実施することが多いまた線源理論の近似式に基づいた TRT 解析用逆解析ソフトなどを使用することも可能である解析方法に出てくる記号について以下にまとめる記号意味 T 温度 ( または K) q 単位深度当たりの熱交換量 ( 平均値 ) (W/m) r ボアホール半径 (m) T 0 初期地層温度 ( ) λ 有効熱伝導率 {W/(m K)} α 熱拡散係数 (m 2 /s) R b m' b t n q i Δ t i L i C ρ D 地中熱交換器の熱抵抗 {K/(W/m)} 定数定数経過時間 (s) 解析期間におけるパラメータ毎の計測点数経過時間ごとの熱交換量 (W/m) ある時間における地中熱交換器出入口温度差 (K) ある時間における循環流量 (m 3 /s) または (L/min) 水の比熱 {J/(kg K)} または {kj/(kg K)} 水の密度 (kg/m 3 ) または (kg/l) 地中熱交換器長さ (m) 7

9 (1) 作図法 ( 循環時法 ) 循環時法は温水循環試験中の地中熱交換器出入口温度の平均値にケルビンの線源理論を適用し経時変化曲線の傾きから地層の有効熱伝導率を推定する手法である解析はエクセルの直線近似計算機能を利用することが容易で一般的である 1) 解析方法 ( 理論 ) ケルビンの線源理論によるとある無限固体内に位置する無限長さの線熱源から一定熱量 q が発生するときある任意の径方向位置における温度変化が求められるこれはある均一な土壌内に地中熱交換器が埋設されその表面に一定の熱量が流入するときの温度応答として置き換えて考えることができる特にフーリエ数と呼ばれる無次元時間が十分に大きな範囲では式 1 のように温度 T は経過時間 t の関数である自然対数を用いて表されるただし右辺第 2 項は循環流体と U チューブ間の熱伝達 U チューブでの熱伝導充填材での熱伝導によって生じる循環流体から地盤までの温度変化を熱抵抗 R b によって表したものであり元々の線源理論には無い項目である T q 4 t ln qr 2 4 r b T 0 ( 式 1) q が一定のとき式 1 は定数 m,b によって式 2 のように単純化される m,b はそれぞれ式 3 および式 4 で表される T = m ln(t)+b (b は定数 ) ( 式 2) m' = q /(4πλ) ( 式 3) 1 4 b q ln R T 2 b 4 r 0 ( 式 4) 式 3 の変形により有効熱伝導率 λ は式 5 に示すように q と m' の値を用いて表される λ = q / (4πm') ( 式 5) なお m' は後述する適切な解析区間の全測定データの温度 T と ln(t) について近似式を求めその傾きを m として用いるまた熱抵抗 (R b ) は式 1 の変形により式 6 で表される R b T T0 1 4 ln q 4 r ( 式 6) る熱抵抗は時間 t 毎に求められるので実際には m の解析区間の前データ毎に R b を求めその平均値を用い 8

T 2 T 2 - T 1 温度 T T 1 t 2 - t 1 傾き m = T 2 - T 1 t 2 - t 1 t 1 t 2 ln(t) 時間 t 図 3 熱応答試験による解析方法ここで直線近似区間 t 1 と t 2 の間隔はより長時間であることが望ましいただし加熱開始間近のデータにはボアホール内の熱容量の影響が残っているとともに式 1 などの近似式の適用条件の問題がある

時間以降のより長いデータ区間を用いて作図法 ( 循環時法 ) によって有効熱伝導率を求める 2 同様に熱抵抗を求める 2) 解析手順手順 1 温水循環試験結果を基に経過時間 t[h] の対数を横軸地中熱交換器出入口温度の平均値 [ ] を縦軸にとり片対数グラフを作成する手順 2 片対数グラフの近似曲線を汎用表計算ソフト等から求め傾き m を決定する ( 十分な時間 (60

10 T 2 T 2 - T 1 温度 T T 1 t 2 - t 1 傾き m = T 2 - T 1 t 2 - t 1 t 1 t 2 ln(t) 時間 t 図 3 熱応答試験による解析方法ここで直線近似区間 t 1 と t 2 の間隔はより長時間であることが望ましいただし加熱開始間近のデータにはボアホール内の熱容量の影響が残っているとともに式 1 などの近似式の適用条件の問題があるこのため加熱時間が 48 時間を想定した場合に ln(t) の1サイクル以上が取れる加熱開始後 17 時間を t 1 とするなお測定データに外気温の変動に呼応した 1 日周期の温度変動が見られた場合 t 1 と t 2 の間隔を 24 時間の倍数にすることは有効熱伝導率の推定誤差低減に有効である可能性がある必要条件 :1 加熱時間 t 1 =17 時間 t 2 =48 時間以降のより長いデータ区間を用いて作図法 ( 循環時法 ) によって有効熱伝導率を求める 2 同様に熱抵抗を求める 2) 解析手順手順 1 温水循環試験結果を基に経過時間 t[h] の対数を横軸地中熱交換器出入口温度の平均値 [ ] を縦軸にとり片対数グラフを作成する手順 2 片対数グラフの近似曲線を汎用表計算ソフト等から求め傾き m を決定する ( 十分な時間 (60 時間以上 ) 経過後に直線部が観測される ) T = ln(t) ここで T = m ln(t) + b より m = 手順 3 経過時間ごとに熱交換量 qi[w/m] を算出し図 4 温水循環試験の経過時間と出入口温度その平均値を熱交換量 q[w/m] とする平均値のプロット例 ( この例では循環試験時間は 67 時間で計測間隔は 1 分であるので 67[h] 60[min]=4,020 個の計測点がある ) 9

11 図 5 経過時間ごとの循環流量および出入口温度プロット例 q i = (L i C ρ Δt i 10 3 ) / (60 D) ここに Δt i : ある時間における地中熱交換器出入口温度差 [ ] L i : ある時間における循環流量 [L/min] C: 水の比熱 [kj/(kg K)](=4.19) ρ: 水の密度 [kg/l](=1.0) D: 地中熱交換器長さ [m] q = (q 1 +q 2 + q n ) / n ( 参考 ) それぞれの平均値で熱交換量を算出した場合 Q= { (19.6[L/min] 4.19[kJ/(kg K)] 1.0[kg/L] ( )[ ]}/ ( [m]) [kW/m] = 56.4[W/m] 手順 4 有効熱伝導率 λ[w/(m K)] を算出する λ= q /(4πm ) = 56.4 / 4 / 3.14 /2.71 = 1.65[W/(m K)] (2) 作図法 ( 回復時法 )( オプション ) 回復時法は温水循環試験終了後の地層内温度挙動にケルビンの線源理論の重ね合わせを適用し経時変化曲線の傾きから地層の有効熱伝導率を推定する手法である 1) 解析方法 ( 理論 ) 循環時法と同様にケルビンの線源理論を適用し熱媒体の総循環時間を tp とすると初期地層温度 T i と循環終了後時間 t 経過後の温度 T s の関係は式 7 で表される T s T i = m ln{(t+t p )/t} ( 式 7) 10

るここで m は式 2 中の m と同一である以降については循環時法と同様に式 5 より熱伝導率 λ を算出す必要条件 :1 解析区間は循環時法と同じく加熱停止後の経過時間 t 1 =17 時間から t 2 =60 時間の間のデータもしくは t 2 =60 時間以降のデータを用いて作図法 ( 回復時法 ) によって有効熱伝導率を求める 2) 解析手順手順 1

片対数グラフの近似曲線を汎用表計算ソフト等から求め傾き m を決定する ( 十分な時間 (72 時間以上 ) 経過後に直線部が観測される ) T = 2.8208 ln(t)+16.61 ここで T = m ln(t) + b より m'= 2.8208 手順 3 有効熱伝導率 λ[w/(m K)] を算出する λ= q / m = 56.4 / 4 / 3.14 / 2.82 = 1.

12 るここで m は式 2 中の m と同一である以降については循環時法と同様に式 5 より熱伝導率 λ を算出す必要条件 :1 解析区間は循環時法と同じく加熱停止後の経過時間 t 1 =17 時間から t 2 =60 時間の間のデータもしくは t 2 =60 時間以降のデータを用いて作図法 ( 回復時法 ) によって有効熱伝導率を求める 2) 解析手順手順 1 温度回復試験結果をもとに温度計を設置した深度ごとに無次元時間 (t+t p )/t の対数を横軸地中熱交換井温度 T[ ] を縦軸にとり片対数グラフを作成する ( この例では深度 80m 付近とした ) なお無次元時間 (t+t p )/t はホーナー時間と呼ばれておりこの片対数グラフはホーナープロットと呼ばれている図 6 参照手順 2 片対数グラフの近似曲線を汎用表計算ソフト等から求め傾き m を決定する ( 十分な時間 (72 時間以上 ) 経過後に直線部が観測される ) T = ln(t) ここで T = m ln(t) + b より m'= 手順 3 有効熱伝導率 λ[w/(m K)] を算出する λ= q / m = 56.4 / 4 / 3.14 / 2.82 = 1.59[W/(m K)] 図 6 回復試験のホーナープロット例 (3) ヒストリーマッチング法温水循環試験中の地中熱交換器入口温度を入力値とし地層の有効熱伝導率等をマッチングパラメータとして解析解に基づく数値シミュレーションモデルを用いて地中熱交換井出口温度を予測し計算値と実測値とのマッチングによって地層の有効熱伝導率を推定する手法である特に地中熱交換量が一定でなく作図法による解析が適切では無い TRT データにおいてであっても重ねあわせの原理を適用し熱交換量の変動を考慮できるのでより確かな有効熱伝導率を求められるヒストリーマッチング法では地層内の熱伝導計算には熱交換井を線熱源とみなさないため熱交換井の温度変化を正確に表現でき TRT 開始直後から循環流体温度を精度よく計算できる円筒型熱源関数の利用が望ましい ( 例えば藤井, 2006) なお線源理論を使用することも可能であるが計算においては近似精度を考慮して適切な計算間隔で計算を行う必要がある循環水温度を計算する際に反復計算が必要となり手計算による実施は困難であるが市販ソフト等を利用することで実施することができる 11

13 6. 有効熱伝導率 λの決定有効熱伝導率 λを求める解析方法としては3つの方法があるが基本的には作図法 ( 循環時法 ) で求められるλを採用し作図法 ( 回復時法 ) とヒストリーマッチング法の結果を用いる場合にはその採用理由について十分にコメントするようにする例えば温水循環試験にて地中熱交換量が一定ではなく解析時に明瞭な直線部が得られない場合にはヒストリーマッチング法によってλを決定するまた深度毎のλを求めるためにオプションとして温度回復試験を実施する例が多いがその深度間隔や平均値を求める手法については最適な方法が決まっていないので作図法 ( 回復時法 ) にて求めたλを参考値としてコメントする図 7 参照 7. 解析結果の取りまとめと TRT 測定結果の活用の流れ有効熱伝導率 λ は上記の手順で決定されるがその結果の取りまとめ方法及びその測定結果の活用の流れは以下の通りとする (1) 省エネ適合性及び建築確認検査のスキームの概要地中熱ヒートポンプシステムの建築物への導入を検討するオーナー ( 申請者 ) は建築物そのものについては建築確認申請を建築主事又は指定確認検査機関に提出することが法令で決められているが更に省エネ基準適合性判定申請を提出しその適合性判定通知書も提出することが今後求められるこの省エネ基準適合性判定申請書を作成する段階で設計一次エネルギー消費量を算出するにあたり TRT を実施している場合には有効熱伝導率 λ の値の根拠として TRT 結果報告書を添付する TRT の実施者は TRT 装置認定通知書を取得していること必要条件とする申請者は他者に TRT を依頼する場合 TRT 測定業者が TRT 装置認定通知書を取得しているかを確認する必要があるこれに対し TRT 測定業者は TRT 装置認定通知書を取得していることを申請者に示す必要がある TRT 測定業者は TRT 装置認定通知書を得るために認定者である NPO 法人地中熱利用促進協会に TRT 装置認定申請書を提出する TRT 装置認定の有効期間は 1 年とするが温度センサー流量計記録装置などの主要機器の仕様を変更した際には都度 TRT 装置認定申請書を提出し TRT 装置認定通知書を得なければならない NPO 法人地中熱利用促進協会は協会内に有識者から構成される委員会を設置しその委員会の策定した規定に則り TRT 測定業者からの認定申請書に基づき TRT 技術書に照らし合わせ当該装置の性能が準拠していることについて随時審査し申請書の受理から 14 日以内にその可否について通知を行う以下上記の申請に必要な書類の内容とその流れについて記す (2)TRT 測定装置認定申請書 TRT 測定業者が NPO 法人地中熱利用促進協会に提出する資料である ( 申請書の内容を検討中 ) 別紙 -1 参照 (3)TRT 装置認定通知書 NPO 法人地中熱利用促進協会が TRT 測定業者に提出する資料である ( 通知書の内容を検討中 ) 12

図 7 建築確認査省エネ適合性及び TRT 装置認定のスキーム概要 (4)TRT 結果報告書 TRT 測定業者が申請者に提出する書類である ( 報告書の内容を検討中 ) (5)TRT 装置認定の事後認定措置 ( 事後認定措置の内容を検討中 ) 参考文献 ( 財 ) ヒートポンプ蓄熱センター (2011)IEA ECES ( 蓄熱実施協定 ) ANNEX21(TRT)

14 図 7 建築確認査省エネ適合性及び TRT 装置認定のスキーム概要 (4)TRT 結果報告書 TRT 測定業者が申請者に提出する書類である ( 報告書の内容を検討中 ) (5)TRT 装置認定の事後認定措置 ( 事後認定措置の内容を検討中 ) 参考文献 ( 財 ) ヒートポンプ蓄熱センター (2011)IEA ECES ( 蓄熱実施協定 ) ANNEX21(TRT) 準拠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. 地下熱利用とヒートポンプシステム研究会編,13p. Sanner,B.,G.Hellstrom,J.Spitler,and S.Gehlin (2005) Thermal Response Test-Current Status and Worldwide Application. In :Proceedings of the 2005 World Geothermal Congress, Antalya, Turkey, April 24~29, 2005,paper No.1436, 9p. 藤井光 (2006) 講座地中熱利用ヒートポンプシステム温度応答試験の実施と解析. 日本地熱学会誌, Vol.28, No.2, 以上 13

15 別紙 1 品質管理データ測定器品質管理チェックシート ( 調査会社確認印 ) ( 例参照複数台の場合は複数の申請書とする ) 認定を受けしようようとする装置の仕様性能に関して本基準書 2. 試験装置に記載されている要件を満たしていることを様式に漏れなく記載する申告データのエビデンスとなるカタログ実測計測表センサーの校正表を添付することなお前年と同一の個体番の装置に関しては仕様等の変更の有無についてもチェックする例参照認定申請日平成年月日 TRT 測定装置 ( 個体番号 : ) 技術書準拠チェックシート認定申請者名称 : 認定者代表者 : 申請対象熱交換器長さ m 印 1 流量計 : 流量計単体の測定精度が ±0.5% 以下であり計量法の特定計量器と測定精度しての流量計の検定有効期間が8 年であるので直近 8 年以内の国家標準または国測定レンジ際標準に対するトレーサビリティが確保された校正記録を有していること認定日平成年月日申請対象熱交換器長さ以下に限り有効期間は認定日から 1 年間ポンプ能力 L/min ( カタログ値 ) %FS L/min 揚程については検討中校正年月年月 ( 校正表参照 ) 8 年以内 ( 校正表 ) 温度センサー設置箇所熱交換器直上 ( カタログ値 ) 温度センサークラス AA A ( 選択 ) B はダメ ( カタログ値 ) 最大温度差 ±0.1 以下 ( 実測値 ) 校正年月年月 ( 校正表参照 ) 校正表 NPO 法人地中熱利用促進協会理事長笹田政克印判定者印対象項目準拠確認事項 ( 必要条件 ) 認定申請者申告データ準拠判定判定根拠 ( 資料 ) 1 対象とするボアホール型熱交換器 ( 掘削径 φ 200mm 以内 ) に対してヒーターの最大熱負荷 kw ( W/m) 5kW 以上 ( カタログ値 ) 電熱出力を可変とし 5kW 以上の熱負荷または測定時の熱負荷 50W/m 以上の熱負気荷の熱負荷能力を有すること可変範囲 kw~ kw 熱負荷可変 ( カタログ値 ) ヒ安全装置 ( ) フロースイッチー 2 安全装置としてフロースイッチサーモスタット温度ヒューズ等を2つ以上を有す安全装置 ( ) サーモスタットタ 2 個以上 ( カタログ値 ) ーること安全装置 ( ) 温度ヒューズ安全装置その他 ( ) 試験装置ポ循ン環プ測定装置 1 対象とするボアホール型熱交換器の U チューブに対して 1 組あたり呼び径 20 のパイプでは約 10L/min 呼び径 25 のパイプでは約 15L/min 以上呼び径 30 のパイプでは約 22L/min 以上もしくは実使用時と同じ流量を流せるポンプを選定すること 2 温度センサー : 熱交換器の直上に設置された測定温度 0~50 において出入口温度測定用の 2 本の Pt100 センサーの温度指示値の差が ±0.1 以下であり直近 1 年以内の国家標準または国際標準に対するトレーサビリティが確保された校正記録を有していること 3 記録装置 : 測定サンプリング時間 :1 分を標準とし流量測定の分解能 0.1L/min 以下で測定精度 ±0.5%/FS 測温抵抗体による温度測定の分解能 0.1 以下で測定確度 ±1.0 であることただしこの記録装置を使用して測定した同一の循環流体の温度測定値の温度差は ±0.1 に収まっていること 0.5%FS 以下 ( カタログ値 ) または校正表流量分解能 L/min 0.1L/min 以下 ( カタログ値 ) 流量精度 %FS 0.5%FS 以下 ( カタログ値 ) 温度測定分解能 ±0.1 以下 ( 実測データ ) 温度測定確度 ±1 以下 ( 実測データ ) 温度センサー 2 本の最大温度差 ±0.1 以下 ( 実測データ ) 測定周期 min 1 分以下 ( カタログ値 ) 適合 : 無対応: 適用外:- 14

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