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地中熱チーム

地中熱ポテンシャル評価とシステム最適化技術

研究背景

 地中熱利用システムは、もともと世界オイルショックを契機として1980年代から欧米諸国で広まった技術です。技術的には新しいものではないものの、日本においては2000年頃までほとんど知られていなかったことや、大都市における地下水の汲み上げ規制などの理由により、その普及が遅れています。日本における地中熱利用では、地下水の存在が熱交換量に大きく影響するため、地下水の水位や流量の把握が重要です。

研究目標

 当チームでは、一般的なエアコンや融雪システムよりも高効率(高いCOP)、省エネルギーである地中熱利用システムの普及促進に向けた研究を行っています。地下水流動・地質特性に応じたシステムの高性能化・低コスト化を目指しています。
 地中熱利用には、地下に埋設した管に不凍液や水を循環させて熱交換するクローズドループと、地下水を汲み上げて熱交換するオープンループの2種類があります。日本においては、いずれの場合も地下水の存在が熱交換量に大きく影響するため、地下水の水位や流量の把握が重要です。また、地下水を考慮した日本式の地中熱研究は、東南アジア諸国に対しても大きく役立ちます。このため、当チームでは、地域の地質や地下水流動の特性に適応した地中熱システムの開発を目指して、以下の研究目標に取り組んでいます。

  ※COP:Coefficient of Performance(エネルギー消費効率)の略

  • 地中熱ポテンシャルマップ作成に必要な現地データ収集・概要モデルの構築
  • 地中熱システムの最適化技術の概念設計
  • 東南アジアにおける地中熱研究の展開 等 <関連記事>

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地中熱利用システムの概要

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地中熱利用のためのポテンシャル評価技術
※地下水を考慮した地中熱ポテンシャルマップは世界初・産総研初のアイディアです。
地中熱利用システムの概要 地中熱利用のためのポテンシャル評価技術

研究内容

 地中熱を利用するには、地下の地質や地下水流動の状態を知ることが大切です。そのため、当チームでは、ボーリング(掘削)による地質調査や深度別の地下水温度の調査、広域地下水流動熱輸送シミュレーションなどを行い、地域の地下環境に応じた地中熱の利用可能性(地中熱ポテンシャル)を調べる研究を行っています。
 そして、様々な地下環境に応じた地中熱利用方法を開発する研究も行っています。FREAの地中熱システム実証試験場では、浅部・深部の地下を利用する2種類の熱交換器を組み合わせた実験を行っています。また、同様のシステムを茨城県つくば市の産総研・地質標本館にも導入しており、地質や地下水の流れの異なる地域での採熱量・最適な運転方法の違いを調べています。
 主に以下の研究開発テーマに取り組んでいます。

  • 地中熱ポテンシャル評価の研究

     地中熱利用の対象となる地下 数m~100m付近には、地下水が豊富に存在している地域が多く、その流動性に応じた地中熱の利用が有効と考えられます。当チームでは、適切な地中熱利用の普及促進ため、地質・地下水環境や地下熱環境について、産総研・地質調査総合センターと協力し、調査・研究を行っています。また、現地調査や数値解析による地中熱のポテンシャル評価手法の開発を進めています。

  • 地中熱利用最適化技術開発

     浅層(深度 1~2m)と深層(深度 ~100m程度)の地下を効率的に活用できる地中熱利用システムの運転方法最適化評価や水文地質を活用したより効率的な熱交換器の開発を行っています。FREA地中熱実験圃場および茨城県つくば市の産総研・地質標本館では、様々なタイプの水平型熱交換器と従来の熱交換器を組み合わせた地中熱利用システムを導入し、水文地質環境の異なる地域での運転方法や効率の違いについて、長期計測や数値シミュレーションを用いて検討・評価しています。また、リアルタイム稼働状況のモニタ表示や熱交換井部分の「見える化」により、地中熱利用システムの普及促進を目指します。

地中熱利用最適化技術開発

主な研究設備

FREA地中熱利用システム実証試験場 タイ・チュラロンコン大学に設置した
GSHPシステム
FREA地中熱利用システム実証試験場 タイ・チュラロンコン大学に設置したGSHPシステム
深度1~2mの地下に設置するシート型熱交換器とスリンキー型熱交換器および、深さ約40mの鉛直型(ボアホール型)の熱交換器を利用した地中熱システムです。 タイ・チュラロンコン大学の施設を利用して、バンコクでも地中熱システムによる冷房運転の可能性を実証しました。  <関連記事>

※GSHP:Ground Source Heat Pump(地中熱ヒートポンプ)の略

最近の主な研究成果

1.津軽平野の地中熱ポテンシャル評価

 熱応答試験(TRT)結果を組み入れた地下水流動・熱輸送モデル【図1】を構築し、流動解析結果とTRT結果を基に有効熱伝導率の分布を推定するとともに、有効熱伝導率と地下温度分布図をGISで重ね合わせ、全く新しいポテンシャルマップ(暖房利用)【図2】を作成しました。既存の観測井データとTRT結果を組み合わせて(産総研オリジナル技術)、少数の観測井でも高精度のマップが作成可能になりました。

2.会津盆地の水理地質構造の解明

 福島大学との共同研究を通じて、福島県会津地域における第四紀地質構造解析と水理構造(地下温度構造など)解析を行い、地中熱ポテンシャル評価の基盤データを構築しました。

3.自噴井を利用したクローズドループ地中熱ヒートポンプ冷暖房システムの性能評価

 被災地企業のシーズ支援プログラムを活用して、日本地下水開発(株)との共同研究により、自噴井を利用した地中熱システムを構築しました。システムを高度化させ、自噴を井戸内温度によって制御するシステムを構築しました。本共同研究では、井戸内温度連続観測および井戸内微流速測定により、冷暖房時における井戸内の温度挙動と自噴湧出メカニズムを把握しました。運転方法にもよりますが、冷房運転ではCOP7以上、暖房運転ではCOP5以上を確認しました。

図1 津軽平野3次元地下水流動・熱輸送モデル 図2 新しいポテンシャルマップ
【図1】 津軽平野3次元地下水流動・熱輸送モデル 【図2】 新しいポテンシャルマップ

メンバー

役職 氏名  
研究チーム長 内田 洋平 Uchida Youhei
研究員 Shrestha Gaurav Shrestha Gaurav
研究員 石原 武志 Ishihara Takeshi
研究員 Arif Widiatmojo Arif Widiatmojo
研究チーム付 町田 功 Machida Isao
研究チーム付 吉岡 真弓 Yoshioka Mayumi
研究チーム付 小野 昌彦 Ono Masahiko
研究チーム付 神宮司 元治 Jinguuji Motoharu
研究チーム付 水野 清秀 Mizuno Kiyohide
研究チーム付 小松原 琢 Komatsubara Taku
研究チーム付 伊藤 忍 Ito Shinobu