(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な手法を用いて低コストで地層構造を推定できる熱応答試験方法及びそのプログラムを提供する。【解決手段】試験システムは、コンピュータ１１、ヒータ１２、流量計１３、ポンプ１４、温度計１５、Ｕチューブ１６及び１対の多点温度計２１を備える。ヒータ１２は熱媒体５０を所定の温度まで加熱する。ポンプ１４は流量計１３を確認しつつ熱媒体５０を一定の流速でＵチューブ１６へ送り込む。温度計１５は、Ｕチューブ１６の地表部で熱媒体５０の往き還り温度を測定する白金測温抵抗体（Ｐｔ１００温度計）である。そしてＵチューブ１６の往路と復路のそれぞれに多点温度計２１が挿入される。【選択図】図１
2018173293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管内を流れる熱媒体を前記管の長手方向に所定間隔且つ複数時点で測定した温度を取得する温度取得ステップと、
前記測定した温度の一つを第１温度とし、前記第１温度の測定位置より下流側の任意位置の温度を第２温度とし、前記第１温度の測定位置と前記第２温度の測定位置との間を対象区間とする初期ステップと、
前記対象区間の両端の温度差を前記対象区間で発生する前記熱媒体と外部との間の熱交換量、及び前記対象区間に含まれる温度の時間変動から前記対象区間における温度の対数時間に対する時間勾配を計算する計算ステップと、
前記計算ステップで計算した前記熱交換量と前記時間勾配のいずれか一方のばらつきが所定のしきい値を超えている場合、前記第２温度の測定位置より下流側の任意位置の温度を新たな第２温度とし、前記対象区間を前記第２温度の測定位置から前記新たな第２温度の測定位置までの距離だけ延長して新たな対象区間として前記計算ステップを再度行い、
前記計算ステップで計算した前記熱交換量と前記時間勾配の双方のばらつきが前記所定のしきい値以内である場合、前記対象区間を１つの層と判定する判定ステップと、
を行うことを特徴とする熱応答試験方法。
【請求項２】
前記判定ステップにおいて、判定に使用する前記熱交換量のばらつきと前記時間勾配のばらつきを、それぞれ標準偏差／平均値で算出することを特徴とする請求項１に記載の熱応答試験方法。
【請求項３】
前記判定ステップで前記対象区間を１つの層と判定した場合、前記第２温度の測定位置より一つ下流側の測定位置の温度を新たな第１温度とし、前記新たな第１温度の測定位置より下流側の任意位置の温度を新たな第２温度とし、前記新たな第１温度と前記新たな第２温度との間を新たな対象区間として前記計算ステップ及び前記判定ステップを繰り返す繰り返しステップを行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱応答試験方法。
【請求項４】
前記計算ステップで熱交換量を計算するときに、前記対象区間に含まれる温度から近似関数を計算し、前記対象区間の両端の温度差を前記近似関数から導くことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱応答試験方法。
【請求項５】
前記計算ステップで時間勾配を計算するときに、前記対象区間に含まれる温度毎に対数時間に対する温度変化の時間勾配を最小二乗法で演算し、前記温度毎の演算結果を平均することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の熱応答試験方法。
【請求項６】
前記管が、前記熱媒体を遠端で折り返して往復させるＵ型管である場合、
前記熱媒体の導入口及び排出口側を上流側、前記遠端側を下流側とし、
往路と復路ともに前記Ｕ型管の長手方向における同じ位置の温度を測定し、
前記計算ステップで計算される熱交換量は、往路における前記対象区間で発生する熱交換量と前記Ｕ型管の長手方向において前記往路における前記対象区間と同じ区間の復路で発生する熱交換量との和であり、
前記計算ステップで計算される時間勾配は、前記Ｕ型管の長手方向における同じ位置で測定される往路と復路の温度を平均した平均温度で計算される
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の熱応答試験方法。
【請求項７】
前記判定ステップで前記対象区間を１つの層と判定した場合、前記計算ステップで計算した熱交換量と時間勾配から有効熱伝導率を算出する有効熱伝導率取得ステップを行うことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の熱応答試験方法。
【請求項８】
前記有効熱伝導率取得ステップで算出した有効熱伝導率と既知の土質又は地質の有効熱伝導率とを比較して各層を構成する土質又は地質を特定し、地層構造を推定することを特徴とする請求項７に記載の熱応答試験方法。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の熱応答試験方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、地中に差し入れた管の中を流れる熱媒体を用いて地盤の地層構造を推定する熱応答試験方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地中熱の利用を図る地中熱利用ヒートポンプシステムがある。地中熱利用ヒートポンプシステムを設置するためには、熱交換効率を向上させるべく地層構造と各地層の有効熱伝導率を事前に把握することが必要である。従来、地層の有効熱伝導率を把握するためには、地中熱交換器の採熱管（Ｕ型に折り曲げた管；Ｕチューブ）をＵ字部側から地中に差し込み、一定条件で加熱した熱媒体を流してその循環温度を地表部で測定する熱応答試験を行っている。熱媒体の往復の温度差から、熱交換器全体での地盤との熱交換量を求め、Ｋｅｌｖｉｎの線熱源理論を地中熱交換器の温度挙動に適用した解析的手法により、地中熱交換器全体の平均的な有効熱伝導率を推定する。その試験手順は非特許文献１が広く引用される。またコンピュータプログラムを用いた有効熱伝導率の同定手法（単層条件）も開発されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２３８４１９号公報「熱応答試験および揚水試験の解析方法および解析プログラム」
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】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」、（財）ヒートポンプ・蓄熱センター「地下熱利用とヒートポンプシステム研究会」編、長野克則（北海道大学 教授）、２０１１年８月２９日作成
【非特許文献２】館野ら（２０１４）７１−ｗｉｒｅ多点温度検層ケーブルを用いた熱伝導率深度分布測定  日本地熱学会学術講演会講演要旨集
【非特許文献３】藤野ら（２０１６）地下水散水消雪施設普及地域における地中熱交換井の熱特性，日本地下水学会２０１６年秋季講演会講演予稿
【非特許文献４】Ｆｕｊｉｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ａｎ  ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｔｅｓｔ  ｆｏｒ  Ｕ−ｔｕｂｅ  ｇｒｏｕｎｄ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ  ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒｓ”，Ｇｅｏｔｈｅｒｍｉｃｓ  ３８  （２００９）  ３９９−４０６
【非特許文献５】阪田ら「地中熱交換器内の熱ない体温度挙動を用いた地層別有効熱伝導率の推定」、土木学会論文集Ｇ（環境）、Ｖｏｌ．７２、Ｎｏ．３、２０１６
【非特許文献６】葛ら「複層地盤を考慮した地中熱交換器のシミュレーションツ−ルの開発とその応用」、日本冷凍空調学会論文集，Ｖｏｌ．  ３２，  Ｎｏ．  ３，  ｐｐ．  ３３５−３４４，  ２０１５．
【非特許文献７】Ｂｅｉｅｒ，  Ｒ．  （２０１４）．  Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｉｎ  ａ  Ｕ−ｔｕｂｅ  ｂｏｒｅｈｏｌｅ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ．  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ２０１３，  ６２（１），  ｐｐ．  ２５６−２６６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
地中熱交換器は深度１００ｍ程度が多く、設置コストが地中熱利用ヒートポンプシステム導入の最大の課題であり、地盤を構成する各層の有効熱伝導率を測定する研究開発が行われてきた。例えば、非特許文献２や非特許文献３ではいずれも実際の有効熱伝導率ではなく、定性的な見掛けの有効熱伝導率を推定することを開示している。しかし、層構造を無視した見掛け上の有効熱伝導率なので厳密性に欠けるという課題がある。また、非特許文献３では、数値解析（逆解析）で、より厳密な有効熱伝導率の分布を求める手法が開示される。しかし、逆解析に必要なパラメータの設定が不明確で解析時間が長いという課題がある。さらに、非特許文献４では、一対の光ファイバー温度計を用いた解析法で厳密な有効熱伝導率の分布を取得する方法を開示している。しかし、予め地層構造を把握する必要があるという課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、簡易な手法を用いて低コストで地層構造を推定できる熱応答試験方法及びそのプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る熱応答試験方法は、把握したい地層構造方向に管を挿入し、管内を流れる熱媒体の熱交換量と温度の時間勾配を測定し、その変動状況から層構造を推定することとした。
【０００８】
具体的には、本発明に係る熱応答試験方法は、
管内を流れる熱媒体を前記管の長手方向に所定間隔且つ複数時点で測定した温度を取得する温度取得ステップと、
前記測定した温度の一つを第１温度とし、前記第１温度の測定位置より下流側の任意位置の温度を第２温度とし、前記第１温度の測定位置と前記第２温度の測定位置との間を対象区間とする初期ステップと、
前記対象区間の両端の温度差を前記対象区間で発生する前記熱媒体と外部との間の熱交換量、及び前記対象区間に含まれる温度の時間変動から前記対象区間における温度の対数時間に対する時間勾配を計算する計算ステップと、
前記計算ステップで計算した前記熱交換量と前記時間勾配のいずれか一方のばらつきが所定のしきい値を超えている場合、前記第２温度の測定位置より下流側の任意位置の温度を新たな第２温度とし、前記対象区間を前記第２温度の測定位置から前記新たな第２温度の測定位置までの距離だけ延長して新たな対象区間として前記計算ステップを再度行い、
前記計算ステップで計算した前記熱交換量と前記時間勾配の双方のばらつきが前記所定のしきい値以内である場合、前記対象区間を１つの層と判定する判定ステップと、
を行うことを特徴とする。
【０００９】
本熱応答試験方法は、従来から使用されている地中熱交換器と管内を流れる熱媒体を前記管の長手方向に所定間隔で温度を測定する温度計のみで実行できる。また、本熱応答試験方法は、所定間隔且つ複数時点で測定した温度を用いて、区間毎に熱交換量と時間勾配を計算し、双方のばらつき状態から層を判定するため解析時間が短い。従って、本発明は、簡易な手法を用いて低コストで地層構造を推定できる熱応答試験方法を提供することができる。
【００１０】
本発明に係る熱応答試験方法は、前記判定ステップにおいて、判定に使用する前記熱交換量のばらつきと前記時間勾配のばらつきを、それぞれ標準偏差／平均値で算出してもよい。
【００１１】
本発明に係る熱応答試験方法は、前記判定ステップで前記対象区間を１つの層と判定した場合、前記第２温度の測定位置より一つ下流側の測定位置の温度を新たな第１温度とし、前記新たな第１温度の測定位置より下流側の任意位置の温度を新たな第２温度とし、前記新たな第１温度と前記新たな第２温度との間を新たな対象区間として前記計算ステップ及び前記判定ステップを繰り返す繰り返しステップを行うことを特徴とする。繰り返しステップを行うことで、複数の層を判定できる。
【００１２】
本発明に係る熱応答試験方法は、前記計算ステップで熱交換量を計算するときに、前記対象区間に含まれる温度から近似関数を計算し、前記対象区間の両端の温度差を前記近似関数から導くことを特徴とする。また、本発明に係る熱応答試験方法は、前記計算ステップで時間勾配を計算するときに、前記対象区間に含まれる温度毎に対数時間に対する温度変化の時間勾配を最小二乗法で演算し、前記温度毎の演算結果を平均することを特徴とする。温度計の測定誤差を吸収でき、より正確な判定を行うことができる。
【００１３】
本発明に係る熱応答試験方法は、前記管が、前記熱媒体を遠端で折り返して往復させるＵ型管である場合、
前記熱媒体の導入口及び排出口側を上流側、前記遠端側を下流側とし、
往路と復路ともに前記Ｕ型管の長手方向における同じ位置の温度を測定し、
前記計算ステップで計算される熱交換量は、往路における前記対象区間で発生する熱交換量と前記Ｕ型管の長手方向において前記往路における前記対象区間と同じ区間の復路で発生する熱交換量との和であり、
前記計算ステップで計算される時間勾配は、前記Ｕ型管の長手方向における同じ位置で測定される往路と復路の温度を平均した平均温度で計算される
ことを特徴とする。
熱媒体の温度を同一区間で往路と復路の２つ取得することで判定精度が大きく向上する。
【００１４】
本発明に係る熱応答試験方法は、前記判定ステップで前記対象区間を１つの層と判定した場合、前記計算ステップで計算した熱交換量と時間勾配から有効熱伝導率を算出する有効熱伝導率取得ステップを行うことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る熱応答試験方法は、前記有効熱伝導率取得ステップで算出した有効熱伝導率と既知の土質又は地質の有効熱伝導率とを比較して各層を構成する土質又は地質を特定し、地層構造を推定することを特徴とする。各層の土質や地質を特定して地層構造を推定することができる。
【００１６】
本発明に係るプログラムは、前記熱応答試験方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。本発明に係る熱応答試験方法はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、簡易な手法を用いて低コストで地層構造を推定できる熱応答試験方法及びそのプログラムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る熱応答試験方法を実現する試験システムを説明する図である。
【図２】本発明に係る熱応答試験方法の温度取得ステップを行った結果を説明する図である。
【図３】本発明に係る熱応答試験方法を説明するフローチャートである。
【図４】本発明に係る熱応答試験方法の計算ステップで計算された熱交換量と時間勾配を各層毎にプロットした図である。
【図５】本発明に係る熱応答試験方法の判定ステップで使用するばらつきのしきい値に対する判定結果を説明する図である。
【図６】本発明に係る熱応答試験方法で判定した層とボーリング柱状図との比較を説明する図である。
【図７】本発明に係る熱応答試験方法の判定ステップで使用するばらつきのしきい値に対する判定結果を説明する表である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００２０】
（発明の概要）
従来の熱応答試験では地盤全体の平均有効熱伝導率を推定するのに対して、本発明に係る熱応答試験では多点温度計によるＵチューブ内の温度分布測定を加える。本発明は、従来の熱応答試験法で得られる結果の他に地盤を構成する各地層の有効熱伝導率を簡易に推定できる。
【００２１】
日本は、特に都市部に立地する堆積平野や盆地において地盤が複数の地層が連なって構成されており、それぞれが異なる有効熱伝導率を有する。更に、日本は地下水が豊富であり、特に地下水流れが卓越する地域（１００ｍ／ｙｒ以上）では、地中熱交換器の性能が大きく向上する（例えば、非特許文献６を参照。）。従来の地中熱交換器では深度１００ｍ程度ボーリングしてＵチューブを差し入れているが、各層で異なる有効熱伝導率を把握できれば、採放熱の効率が良い層に重点的に熱交換器を設置するなどでシステムの導入コストの軽減が見込まれる。
【００２２】
本発明は、各層で異なる有効熱伝導率を簡易な手法で把握可能な方法である。本発明に係る熱応答試験方法は、
管内を流れる熱媒体を前記管の長手方向に所定間隔且つ複数時点で測定した温度を取得する温度取得ステップと、
前記測定した温度の一つを第１温度とし、前記第１温度の測定位置より下流側の任意位置の温度を第２温度とし、前記第１温度の測定位置と前記第２温度の測定位置との間を対象区間とする初期ステップと、
前記対象区間の両端の温度差を前記対象区間で発生する前記熱媒体と外部との間の熱交換量、及び前記対象区間に含まれる温度の時間変動から前記対象区間における温度の対数時間に対する時間勾配を計算する計算ステップと、
前記計算ステップで計算した前記熱交換量と前記時間勾配のいずれか一方のばらつきが所定のしきい値を超えている場合、前記第２温度の測定位置より下流側の任意位置の温度を新たな第２温度とし、前記対象区間を前記第２温度の測定位置から前記新たな第２温度の測定位置までの距離だけ延長して新たな対象区間として前記計算ステップを再度行い、
前記計算ステップで計算した前記熱交換量と前記時間勾配の双方のばらつきが前記所定のしきい値以内である場合、前記対象区間を１つの層と判定する判定ステップと、
を行うことを特徴とする。
【００２３】
そして、本発明に係る熱応答試験方法は、前記判定ステップで前記対象区間を１つの層と判定した場合、前記第２温度の測定位置より一つ下流側の測定位置の温度を新たな第１温度とし、前記新たな第１温度の測定位置より下流側の任意位置の温度を新たな第２温度とし、前記新たな第１温度と前記新たな第２温度との間を新たな対象区間として前記計算ステップ及び前記判定ステップを繰り返す繰り返しステップを行うことを特徴とする。
【００２４】
なお、前記管が、前記熱媒体を遠端で折り返して往復させるＵ型管である場合、
前記熱媒体の導入口及び排出口側を上流側、前記遠端側を下流側とし、
往路と復路ともに前記Ｕ型管の長手方向における同じ位置の温度を測定し、
前記計算ステップで計算される熱交換量は、往路における前記対象区間で発生する熱交換量と前記Ｕ型管の長手方向において前記往路における前記対象区間と同じ区間の復路で発生する熱交換量との和であり、
前記計算ステップで計算される時間勾配は、前記Ｕ型管の長手方向における同じ位置で測定される往路と復路の温度を平均した平均温度で計算される。
【００２５】
以下ではＵチューブを使用する実施例で説明するが、温度取得ステップで取得する温度が正確であれば往路だけあるいは復路だけの温度でも温度分布の理論解（例えば、非特許文献７を参照。）と組み合わせるなどによりＵチューブと同様な精度での解析が可能である。
【００２６】
（実施例）
本実施例は、通常の間接型地中熱交換器における熱応答試験（例えば、非特許文献１）において、多点温度計をＵチューブの往き還りにそれぞれ挿入し、試験中の熱媒体の往き還りの温度挙動を測定する。なお多点温度計としては、熱交換器内で多数測定でき、かつ熱媒体の循環に支障がないようＵチューブの径に対して、十分小さい、光ファイバー温度計が推奨される。なお、以下の説明で「上」とは地表に近い方向、「下」とは穴底の方向を意味する。
【００２７】
図１は、本発明に係る熱応答試験を行う試験システムを説明する図である。試験システムは、コンピュータ１１、ヒータ１２、流量計１３、ポンプ１４、温度計１５、Ｕチューブ１６及び１対の多点温度計２１を備える。ヒータ１２は熱媒体５０を所定の温度まで加熱する。ポンプ１４は流量計１３を確認しつつ熱媒体５０を一定の流速でＵチューブ１６へ送り込む。温度計１５は、Ｕチューブ１６の地表部で熱媒体５０の往き還り温度を測定する白金測温抵抗体（Ｐｔ１００温度計）である。そしてＵチューブ１６の往路と復路のそれぞれに多点温度計２１が挿入される。なお多点温度計２１としては、Ｕチューブ１６内で多点測定でき、かつ熱媒体５０の循環に支障がないようＵチューブ１６の径に対して十分小さい光ファイバー温度計が推奨される。多点温度計２１の測定間隔ｄｚは地盤の層厚を特定するために０．５ｍもしくは１ｍを推奨する。
【００２８】
コンピュータ１１は、ヒータ１２やポンプ１４を制御する制御器であり、熱媒体５０の温度データを解析するデータ集積器（ロガー）である。コンピュータ１１は、本発明に係る熱応答試験方法のプログラムを備え、それぞれの多点温度計２１から報告される温度情報に基づいて本発明に係る熱応答試験方法を実行する。なお、当該プログラムはコンピュータ１１のＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）に記録されていてもよいし、記録媒体やネットワークを通して提供されてもよい。
【００２９】
本熱応答試験方法の熱媒体５０を加熱する加熱時間は通常の熱応答試験と同一でよい。例えば、一定の加熱条件で４８〜６０時間程、度熱媒体５０を加熱し続け、Ｕチューブ１６内の各測定点の温度変化を測定する（温度取得ステップ）。図１において、ｑｉ（ｉｎ）（ｉは１からＮの整数である。）は区間Ｌｉにおける往路の単位熱交換量、ｑｉ（ｏｕｔ）は区間Ｌｉにおける復路の単位熱交換量である。
【００３０】
図２は、本熱応答試験方法を北海道大学構内で実験したときの多点温度計２１によるＵチューブ内の熱媒体５０の測定例である。地中熱交換器の深度（Ｕチューブ１６の片道の長さ）は８０ｍであり、深度ｄｚ＝０．５ｍ刻みで測定を行っている。ヒータ１２による熱媒体５０を加熱（合計５．２ｋＷ）し、加熱開始から０時間、１時間、２４時間、６０時間の測定結果である。加熱前（０時間）では一定流量循環で１２℃の値となるが、加熱中は熱媒体５０が地上から孔底まで降り、地上に戻る過程で地盤との熱交換により温度を低下させ、温度分布はＶ字型となる。
【００３１】
図３は、本熱応答試験方法の手順を説明する図である。解析は第１層（ｉ＝１）を初期層厚Ｌ０から始め（ステップＳ０１、Ｓ０２、［初期ステップ］）、温度測定の間隔ｄｚごとに徐々に層厚（対象区間）を増やし、多点温度計２１が測定した測定温度からその対象区間（Ｌ０〜Ｌ０＋ｎｄｚ、ｎは整数）に含まれる位置ｚの各温度を取得する。本実施例では往路と復路の温度を得る。この温度から、線熱源理論の解析解に必要な地盤との熱交換量および時間勾配を求める（ステップＳ０３、Ｓ０５、［計算ステップ］）。
【００３２】
深度当たりの単位熱交換量ｑｉは往路のｑｉ（ｉｎ）と復路のｑｉ（ｏｕｔ）それぞれで、対象区間の上下での温度差に比熱、密度、及び流量を乗じて求める。ただし、温度差は単純に対象区間の上下温度の差とすると、対象区間の上面の温度と下面の温度の測定誤差の影響を受けるため、深度方向での多点データに対する関数近似により含まれる測定誤差を緩和させる。深度の関数は、計算時間の省力化から１次関数近似を採用することが望ましい。
【数１】
2018173293.tif 000003
ここで、（ｉｎ）は往路、（ｏｕｔ）は復路を示し、ｃは比熱（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、ρは密度（ｋｇ／ｍ３）、ｖは熱媒体の循環流量（ｍ３／ｓ）、Δθは各層の上下面での温度差、Ｌｉは対象区間の深度方向の長さ、ｋｚｉは深度方向（ｚ方向）での平均勾配である。この勾配は最小二乗法などで求めることができる。
【００３３】
また解析に必要な温度の時間勾配ｋｔｉは、対象区間における熱媒体５０の温度変動を対数時間で表現した値である。時間勾配ｋｔｉを算出するときは、位置ｚ毎に熱媒体５０の平均温度（往路の温度と復路の温度の平均値）を計算し、この平均温度の対数時間に対する勾配を最小二乗法で推定し、さらに対象区間に含まれる位置ｚの勾配を平均することが望ましい。
【００３４】
この単位熱交換量ｑｉと時間勾配ｋｔｉを対象区間のｄｚを増しながら計算し、ｄｚを増しながら計算してきた単位熱交換量ｑｉのばらつきと時間勾配ｋｔｉのばらつきが所定のしきい値より小さくなるまでｄｚを増していく（ステップＳ０４、Ｓ０５）。両者のばらつきが所定のしきい値より小さくなった時点で対象区間を１つの層と確定する（判定ステップ）。例えば、収束基準として、単位熱交換量ｑｉと時間勾配ｋｔｉのそれぞれの変動係数（標準偏差／平均）ＣＶとし、それが設定したしきい値ＴＣＶを下回る場合に収束したと判定する。なお、標準偏差／平均はＣＶの一例であり、層厚に対する単位熱交換量ｑｉの勾配と時間勾配ｋｔｉの勾配など他の指標でもよい。
【００３５】
図４は、図２で得られたデータを用い、収束判定をＴＣＶ＝５％として計算した場合の、単位熱交換量ｑｉと時間勾配ｋｔｉの収束状況を示す。各層とも上から６〜２０ｍで収束している。
【００３６】
単位熱交換量ｑｉと時間勾配ｋｔｉが収束し、対象区間を１つの層と判断した後、有効熱伝導率λｉと層当たりの熱交換量Ｑｉを次式で計算する（ステップＳ０６、［有効熱伝導率取得ステップ］）。
【数２】
2018173293.tif 000004
【数３】
2018173293.tif 000005
【００３７】
ステップＳ０２からステップＳ０７の計算を最上層（ｉ＝１）から最下層（ｉ＝Ｎ）まで順に繰り返し、最終的にＵチューブ１６の長さ（穴の深さ）Ｌまで繰り返し、各層の熱交換量Ｑｉと有効熱伝導率λｉを取得して終了とする。
【００３８】
このように、本発明に係る熱応答試験方法は、地層構造が不明であっても簡易な手法を用いて低コストで地層構造を推定でき、有効熱伝導率の分布を得ることができる。そして、比較的浅い位置に採放熱の効率が良い地層があれば、当該地層に重点的に熱交換器を設置することで、深い穴をボーリングしなくとも効率の良い地中熱利用ヒートポンプシステムを経済的に設置することができる。
【００３９】
（評価）
続いて、本発明に係る熱応答試験方法で推定した地層構造の正確性を評価する。
まず、それぞれの層で取得した層当たりの熱交換量Ｑｉと有効熱伝導率λｉを積算してトータル熱交換量Ｑ＊とトータル有効熱伝導率λ＊を算出する（ステップＳ０９）。一方、従来の手法（例えば、非特許文献１の方法）で地盤全体の熱交換量Ｑと有効熱伝導率λを測定する（ステップＳ１０）。そして、両者の平均絶対誤差（ＭＡＥ）と平均二乗根誤差（ＲＭＳＥ）を算出する（ステップＳ１１）。本発明に係る熱応答試験方法のしきい値ＴＣＶに対するＭＡＥとＲＭＳＥの値を評価した（ステップＳ１２，Ｓ１３）。
【００４０】
図５及び図７は、各ＴＣＶに対する地盤の地層構造および各層の有効熱伝導率の評価結果である。ここで、ＴＣＶ：変動係数の閾値、Ｎ：区分した層数、Ｑ＊：総熱交換量、ＲＥＱ：従来法（５．２３ｋＷ）との絶対誤差（％）、λ＊：全体平均熱伝導率、ＲＥλ：従来法（２．００Ｗ／（ｍ・Ｋ））との絶対誤差（％）、ＭＡＥ：Ｑ＊とλ＊の従来法との平均絶対誤差、ＲＭＳＥ：Ｑ＊とλ＊の従来法との平均二乗根誤差、Ｌｉ：各層の層厚、λｉ：各層の有効熱伝導率である。
【００４１】
ＴＣＶ＝５％とした時が誤差判定パラメータＭＡＥとＲＭＳＥが最も小さくなった。従って、本発明に係る熱応答試験方法ではＴＣＶ＝５％とすることが望ましい。なお、ＴＣＶ＝１０％ケースの計算に要する時間はＭＡＴＬＡＢコードで１０分程度である。従って、本発明に係る熱応答試験方法は、逆解析やＦＥＭなどのシミュレーションに比べて実用性が高い解析といえる。
【００４２】
図６は、ＴＣＶ＝５％の場合での各層で収束した単位熱交換量ｑｉ（図６（ａ））、時間勾配ｋｔｉ（図６（ｂ））および、それらから計算した有効熱伝導率λｉ（図６（ｃ））の各層での分布を説明する図である。本発明に係る熱応答試験方法を行った場所の近傍での水井戸施工時のボーリング柱状図（図６（ｄ））を合わせて示す。
【００４３】
本実施例では７層（ｉ＝１〜７）で推定された。そして、
ｉ）第１層の不飽和層でλｉが低いこと、
ｉｉ）深度２０〜４０ｍの礫層でλｉが高いこと、
ｉｉｉ）とりわけ深度３５〜４０ｍの密実な不淘汰礫層でλｉが高いこと、
ｉｖ）それより以深では深度方向に、礫からシルトへの土粒子の細粒化により、徐々にλｉが低下すること
が状況が柱状図と整合し、本発明に係る熱応答試験方法の有効性が確認できた。
【００４４】
（他の実施形態）
本発明に係る熱応答試験方法は、地層構造を推定することができる。具体的には、本発明に係る熱応答試験方法は、有効熱伝導率取得ステップで算出した有効熱伝導率と既知の土質又は地質の有効熱伝導率とを比較して各層を構成する土質又は地質を特定し、地層構造を推定する。
【００４５】
（効果）
本発明に係る熱応答試験方法は、以下のような効果を有する。
（１）１対の多点温度計をＵチューブの往き還りにそれぞれ孔底まで挿入・設置し、試験中の熱媒体の温度分布を測定し、往きと還りの温度差から地盤との交換熱量を直接推定する。これにより従来の熱応答試験と同様に、線熱源理論が適用可能になる。
（２）熱交換量を計算するための地層の上下の温度差を、往き還りそれぞれで多点温度データによる深度の関数として近似推定し、それらの和として推定する。深度の関数は計算時間の省力化を図るには、深度の一次線形式が推奨される。このような簡便化でも従来法での結果と熱収支的に整合する結果が得られる。
（３）地表から深度方向に収束法により地層の層厚を順に特定し、層構造を推定する。線熱源理論解のパラメータである深度当たりの単位熱交換量ｑｉと熱媒体温度の時間変化ｋｔｉに着目し、これらが一定となる（収束する）層厚を順に特定する。これにより事前の層情報がなくとも層構造を把握することができる。
（４）上記２パラメータとそれらが収束した層厚から、線熱源理論の解析解を用いて有効熱伝導率を計算する。この手法は順解析であり、既存技術が採用する逆解析によらないことから、計算時間の短縮が可能であり、数値技術の専門知識が不要であり、実務利用への普及が期待できる。
【符号の説明】
【００４６】
１１：コンピュータ
１２：ヒータ
１３：流量計
１４：ポンプ
１５：温度計
１６：Ｕチューブ
２１：多点温度計
５０：熱媒体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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