41312

日本建築学会大会学術講演梗概集（中国） 2008年 9 月

鋼管杭の径違いによる土壌採放熱に関する実験検討
正会員
同同
地中熱利用

杭径採放熱

咸哲俊 1*
佐久間博文 1*
久世 直哉 1*

正会員
同
同二木菅谷
用松

幹夫 1*
憲一 1*
利雄 2*

短期実験

1.はじめに地中熱利用システムの普及化に影響する要因のひとつ

恒温水循環装置として地中熱交換器の設置コストが高いことが上げられF(ポンプ内蔵）T2ている。建物の基礎杭を地中熱交換器として兼用する方

T1

杭内水位
（充填水）

1 m

鋼管杭○法は熱交換器の設置コストを減らす有効な解決策と言え熱量を正確に予測することが地熱利用システムを設計する上で重要な課題である。

2 m

計測項目・計測点：①〜⑥ ：杭内水温度
T1：U字管入口温度
T2：U字管出口温度
F：電磁式流量計

52 m

る。基礎杭を熱交換器とし兼用する場合、杭からの採放GL64鋼管杭2 m

本報では杭径が異なる 3 種類の鋼管杭を対象に短期の土壌放熱実験を行い、放熱量や杭内水の温度変動状況に熱交換用 U字管
3ポリエチレン製 25A2 mついて比較検討を行った結果を報告する。
2.実験方法と地盤性状
2.1 実験方法 実験装置を図 1 に、鋼管杭の平面配置と仕2 m2様を図 2 に示す。鋼管杭は杭径が 3 種類（114.3mm、1

図1165.2mm、355.6mm）で杭長が 11m のものを地盤に垂直に実験装置と土質柱状図施工した。地中に埋設された杭の長さは 10m で、地表面鋼管杭の仕様：に出された 1m の部分は外気への熱損失を減らすため断熱を行った。鋼管杭の先端は閉塞されており、鋼管杭内に杭径355.6mm、杭長10m、肉厚9.5mm

は熱交換用ポリエチレン製 U 字管（25A）1 本を設置して杭径165.2mm、杭長10m、肉厚7.1mm

から、水道水を水位が地表面と同じになるまで注入した。

杭径114.3mm、杭長10m、肉厚6.0mm

U 字管内を循環する熱媒は水で、温水循環装置から送られ

注：×は地中温度測定用熱電対の設置予定
箇所てきた温水は U 字管を通りながら鋼管杭内の水と熱交換
1 mをする。

1 m

1 m

図2

実験条件を表 1 に示す。鋼管杭内に設置した U 字管入

1 m

鋼管杭の平面配置と仕様

口水温を 30℃、熱媒水の循環流量を 20L/min に設定した。

表1

実験条件

恒温水循環装置は空調設備の作動時間を考慮して、9 時か

実験対象杭
U字管循環
循環時間
杭径
杭長 入口温度 水流量
実験1 114.3mm 10m
30℃
9：00〜20L/min
実験2 165.2mm 10m
設定
17：00
実験3 355.5mm 10m
実験
番号

ら 17 時まで、10 時間連続作動するように設定した。1 実
験条件の実験期間は 3 日とした。
温度は U 字管出入口の循環水温度、鋼管杭内水の温度

実験期間(2008年)
4/13〜4/15
4/07〜4/09
4/10〜4/12を 6 箇所（2m 間隔）と外気温を T 型熱電対で測定した。U

による土質柱状図に示すとおりである。地盤の有効熱伝字管内の循環水流量は電磁式流量計で計測した。計測間導率は、杭径 165.2mm の鋼管杭を用いて実施したサーマ

隔は 1 分である。

ル レ ス ポ ン ス 試 験 （ 平 均 加 熱 404W 、 循 環 流 水 量

U 字管から鋼管杭への放熱量は U 字管出入口温度差と循環水流量、水比熱から計算し、杭内水の吸放熱量は杭内19.8L/min）で、1.45W/mK と推定された。

水の温度差で計算した。鋼管杭から土壌への放熱量は U3.実験結果
3.1 杭内水の温度変動状況

字管から鋼管杭への放熱量と杭内水の吸放熱量の差であ

温度変動状況と 1 時間毎の積算熱量を図 3〜図 5 に示す。

る。熱量計算で用いた杭内水の温度は杭内水温度の測定

朝 9 時に恒温水循環装置が作動を開始すると同時に杭内点②〜⑤の平均値である。日積算熱量計算は装置の作動

水の温度は急激に上昇し、作動を停止する時には作動直時間から 9:00 から翌朝の 9:00 までを 1 日とした。

前温度より 3℃〜6℃上昇した。装置が作動を停止した 19

2.2 地盤性状時以降、杭内の水は土壌への自然放熱により水温が徐々実験実施地の土質は、図 1 の地盤調査結果

An Experimental study of Exchanged Heat in soil by U-tube type heat exchanger insteel pile with different diameter.

―623―

実験 1〜実験 3 における各部

XIAN zhejun, et al

256040301520
循環水量254/15 0:00

1520

4/8 0:00

04/9 0:00

4/10 0:00

U字管から鋼管杭への放熱量
5050
5[MJ/H]0
杭内水の吸放熱量-510

鋼管杭から土壌への放熱量

54/14 0:00

4/15 0:00

0
杭内水の吸放熱量-510

鋼管杭から土壌への放熱量

50

4/16 0:00

4/7 0:00

図 3 各部温度変動と時間積算熱量（実験 1）

図4に下がり、装置が再作動する翌朝の 9 時には前日の 9 時

35

4/8 0:00

4/9 0:00

4/10 0:00

各部温度変動と時間積算熱量（実験 2）

U字管出口水温 U字管入口水温

杭内水温度（平均）が小さい。杭内水の垂直温度分布は、恒温水循環装置が作動する時間帯には温度差が 1℃程度と小さく、作動停止

4025

温度[℃]

幅と温度回復幅をみると杭径が大きいほど温度の変動幅

302015循環水量後は地表面に近い側の水温の下がり幅が大きかった。
3.2 杭内水の吸放熱量

4/11 0:00

04/12 0:00

4/13 0:00

10積算放熱量を示す。吸熱量は恒温水循環装置が作動した

U字管から鋼管杭への放熱量

5時間帯の杭内水の温度上昇分であり、放熱量は装置停止

05[MJ/H]

後に杭内水から土壌へ放熱した分である。1 日目は実験開始前の杭内水の熱容量の影響で、日積算吸熱量と日積算0
杭内水の吸放熱量-510放熱量で大きな差があったが、3 日目になると初期熱容量

鋼管杭から土壌への放熱量5の影響が少なくなり、日積算吸熱量の約 95％を夜間にか04/10 0:00

けて土壌へ放熱する。今回の短期実験結果では杭径が大図5

きい杭内水の日積算吸放熱量が大きく、これは杭径が大4/11 0:00

4/12 0:00

4/13 0:00

各部温度変動と時間積算熱量（実験 3）30

きいほど間欠運転を行う地熱利用システムには有利な結杭内水の日積算吸熱量
熱量[MJ/日]果になるが、長期実験によるさらなる検討が必要である。
図 7 に杭径別の単位長さ当たり日積算放熱量を示す。杭内水の初期状態の影響が比較的少ない 3 日目の結果では杭径 114.3mm の鋼管杭20

杭内水の日積算放熱量

10は 2.6MJ/日・m、杭径 165.2mm の鋼管杭は 3.5MJ/日・m、0
1日目 2日目 3日目 1日目 2日目 3日目 1日目 2日目 3日目

杭径 355.6mm の鋼管杭は 4.4MJ/日・m であった。杭径が杭径114.3mm

大きいほど日積算放熱量が多いが、日積算放熱量と杭径図6（杭表面積）は正比例関係ではない。
熱量[MJ/m・日]

4.おわりに
本報では杭径が異なる 3 種類の鋼管杭を対象に短期の土壌放熱実験を行い、土壌放熱量や杭内水温度変動状況の比較検討を行った。今後は長期の採放熱実験によって検討を行う予定である。
参考文献：

杭径165.2mm

杭径355.6mm

杭内水の日積算吸放熱量

76543210

一日目
二日目
三日目01）森野仁夫 岡建雄：鋼管杭による土壌放熱・採熱に関する研究
日本建築学会計画系論文報告集 第 404 号 1989 年 10 月

*1 財団法人ベターリビング つくば建築試験研究センター*2 旭化成建材株式会社 商品開発部

10外気温

54/10 0:00

図 6 に杭内水の日積算吸熱量と日3.3 鋼管杭の日積算放熱量の比較

6050より 1℃〜3℃高い温度まで回復した。杭径別の温度上昇

流量[L/min][MJ/H]

U字管から鋼管杭への放熱量

5010

外気温

10104/13 0:00

5030

54/7 0:00

4/16 0:00

6040

循環水量

04/14 0:00

U字管出口水温 U字管入口水温 杭内水温度（平均）10外気温

54/13 0:00

3550

流量[L/min]

杭内水温度（平均）温度[℃]

U字管出口水温 U字管入口水温流量[L/min]

温度[℃]

35

図7100200
杭径[mm]

300400鋼管杭の単位長さ当たり日積算放熱量* 1 Center for Better Living. Tsukuba Building Test Laboratory* 2Asahikasei Construction Materials Corporation―624―