足柄平野成田観測井における簡易熱応答試験結果
宮下雄次 *1・濱元栄起 *2

Results of the Thermal Conductivity Profiling using Heater Cableat Naruda Observation well in Ashigara plain, JapanbyYuji MIYASHITA , Hideki HAMAMOTO*2*1

1.

はじめにを測定する試験法である（藤井・駒庭，2011）。TRT は2021（令和 3）年 10 月 22 日に閣議決定された第六地盤を加熱するために温水を用いた「温水循環法」が一次エネルギー基本計画では、2050 年カーボンニュート

般的で、井戸孔内に設置した熱交換チューブ内に加熱しラルの実現に向けた課題と対応として、電源や熱源とした熱媒体を循環させ、熱媒体の温度変化から地層の有効て再生可能エネルギーの導入に取り組むとされている

熱伝導率 [W/(m･K)] を求めるものである。

（資源エネルギー庁，2021）。再生可能エネルギーは、エ一方、熱応答試験の簡易版として、神宮司ほか（2002）

ネルギー供給事業者による非化石エネルギー源の利用及による、貫入試験装置と光ファイバー温度計を用いた、び化石エネルギー原料の有効な利用の促進に関する法律

原位置による地盤熱伝導率の測定方法をもとに開発さ（エネルギー供給構造高度化法）及び政令において、「太れた、簡易熱応答試験（Thermal Conductivity Profiling

陽光・風力・水力・地熱・太陽熱・大気中の熱その他のusing Heater Cable： 以 下 TCP/HC と 称 す ） が あ る。

自然界に存する熱・バイオマス」の 7 種類が定められてTCP/HC は孔内の鉛直方向にヒーターケーブルと深度いる。

ごとに温度センサーを設置し、一定時間孔内を加熱した再生可能エネルギーの 1 つである地中熱は、「大気中後、孔内中の温度が回復する際の温度変化から、温度の熱その他の自然界に存する熱」に分類され、主に産業・測定深度における有効熱伝導率を計測する方法であり、家庭部門における冷暖房熱源として用いられている。地TRT における解析方法の 1 つである回復時法に相当す

中熱は浅層の地盤や地下水中の、年間を通してほぼ一定る方法である。TCP/HC は TRT と異なり複数深度でである年平均気温付近の温度を利用するため、他の再生温度を計測することが容易であり、特定深度の有効熱伝利用可能エネルギーと異なり、どこでも・いつでも利用導率を測定しやすいというメリットがあるほか、熱交換することが可能である。地中熱の利用においては、太陽チューブを挿入することができない口径の小さい観測井熱や地熱などと比較して利用できる温度差が小さいたなどにも用いることが出来るなどのメリットがある。一め、地域や地点ごとに採取可能な地中熱量を算定し、電方、TRT は実際の熱交換井に近い状況で計測すること力など他のエネルギー源を用いたヒートポンプを併用しが出来るため、より実際の値に近い有効熱伝導率を求めて不足する温度差を補うなどの工夫が必要である。

ることが出来るメリットが挙げられる。

このように地中熱エネルギーを過不足なく適正に利用

神奈川県における有効熱伝導率の実測値については、するためには、地中から採取できる熱量を明らかにする

尹（2014）による秦野市曽屋における TCP/HC の結必要がある。有効熱伝導率は、地盤から採取できる熱量果として、有効熱伝導率 1.58 W/(m・K) という報告がに関連する熱物性量であり、地盤を構成する地質の種類ある他、神奈川県内の有効熱伝導率として、概ね 1.5や含水率、地中を流れる地下水の流動速度などによって～ 1.9 W/(m・K) の 値 が 報 告 さ れ て い る（ 神 奈 川 県，異なることが知られている。

2017）が、これまで足柄平野における有効熱伝導率の熱応答試験（Thermal Response Test : 以下 TRT と称測定は行われていなかった。

す）は、地中熱利用ヒートポンプシステムにおける垂直そこで本報告では、神奈川県西部足柄平野において被型地中熱交換井を主な対象とした、地層の有効熱伝導率

圧地下水の水頭を長期モニタリングしている成田観測井*1

神奈川県温泉地学研究所〒 250-0031*2

埼玉県環境科学国際センター

神奈川県小田原市入生田 586〒 347-0115

埼玉県加須市上種足 914

報告，神奈川県温泉地学研究所報告，第 54 巻，37-45, 2022
- 37 -において、2017 年 5 月に TCP/HC により有効熱伝導GL−0.2 m であった。成田観測井における地質は、地表率を測定した結果について報告する。

から深度 50 m 付近までシルト及び礫の互層となっており、深度 50 m 以深では砂～礫層を示している。電気検２．成田観測井の概要

層による比抵抗曲線では、シルト層部分で相対的に低く、有効熱伝導率の測定を行った成田観測井は、足柄平野礫層部分で高くなる傾向を示していた。特に深度 33 mにおける地下水頭をモニタリングするため、神奈川県温付近では、比抵抗値が 100 Ωm 付近から 350 Ωm 付近ま

泉地学研究所が 1977 年に小田原市成田 477（図１☆印）でスパイク状に増減していた。深度 33 m における地質に掘削した地下水位観測井である。

はシルト層となっているが、その上部にある礫層部分か観測井は、掘削口径 250 mm、仕上げ口径 150 mm、ら比抵抗値が急激に増加していることから、この比抵抗

掘削深度 70 m、スクリーン深度 46 m ～ 68 m で施工さ値の上昇と下降は、深度 26.5 m ～ 31 m までの中礫層と、れた。また、被圧地下水が自噴する地域の帯水層にスクその下の深度 42.5 m までのシルト層及び砂まじりシルリーンが設けられていることから、地表から 3.77 m のト層に対応しているとみられる。地質柱状図及び電気検高さまで井戸管が立ち上げられている。

層の結果から、成田観測井における難透水層は、深度14.5 ～ 20.5 m、23.0 ～ 26.5 m 及び、31 ～ 42.5 m にあ観測井掘削時の資料を基に作成したボーリング柱状ると推察された。

図、及び電気検層による比抵抗曲線を図２に示した（神奈川県温泉地学研究所、1977）。なお、観測井掘削時

成 田 観 測 井 に お け る 地 下 水 頭 は、 継 続 的 な 水 頭に お け る 自 然 水 位 は GL+2.8 m で 自 噴 し て お り、 水記 録 が 残 っ て い る 1983 年 以 降 で は 1983 年 12 月 が

温 16.2℃、揚水量 650 m /day 時における孔内水位はGL+1.041 m と 最 も 低 く、 そ の 後 1992 年 ご ろ ま で 季

3

図1

成田観測井位置図- 38 -

図２

成田観測井地質柱状図及び電気検層図（神奈川県温泉地学研究所（1977）を基に作成）

節変動しながら上昇傾向を示した。続く 1992 年頃～し、AC100V 電源により給電を行った。また T 型熱電2011 年頃までは、GL+1.5 m ～ 2.0 m でおおむね横ば

対センサーは、GRAPHTEC 社製絶縁多チャンネルハンいの傾向を示していたが、2011 年 3 月 11 日における東ディロガー midi LOGGER GL840 に接続し、各深度の北地方太平洋沖地震により水頭が最大 0.45 m 低下した。

温度計測と記録を行った。

この地震により低下した水位は、概ね 2016 年頃までに本報告における計測では、ヒーターケーブルを地上回復し、2021 年 8 月には、月平均地下水頭が 2021 年

3.77 m にある管頭を基準として、深さ 0 m ～ 30 m の12 月までにおける最も高い GL+2.719 m まで上昇した。

位置に設置した。一方、温度センサーは管頭から深さ1 m ～ 29 m まで 2 m 間隔の 15 深度に設置し、1 分間3.

調査機材、測定並びに解析方法

隔で計測・記録をおこなった。なお、当該観測井におけ有効熱伝導率を測定するにあたっては、埼玉県環境科

るストレーナー深度は地表から深さ 46 m ～ 68 m の位

学国際センターが所有するジオシステム社製熱伝導率深置にあり、測定深度区間は孔内への水の出入りがない無度分布計測（TCP/HC）装置を用い、TCP/HC 法によ孔管となっている。

り実施した。

ヒーター及び温度センサーを 2017 年 5 月 29 日 12:30

同装置は長さ 30 m のヒーターケーブルに T 型熱電対に孔内に挿入し、温度計測を開始した。ヒーターによるを 1 m から 29 m まで 2 m 間隔で 15 か所に取り付け、加熱は同日 14:30 ～ 翌 30 日 14:30 までの 24 時間実施

観測孔内にヒーターケーブル及び熱電対を吊り下げて一し、温度計測は ２日後の 6 月 1 日 14:50 まで実施した。

定時間加熱し、温度変化を計測するものである。

なお、加熱期間中のヒーターケーブルの平均電力量は観測孔内に吊り下げたヒーターケーブルは、地上にお18.0 W/m であった。

いて電力計とタイマーから構成される制御装置に接続

TCP/HC 法による有効熱伝導率の解析は、以下に示- 39 -す藤井・秋林（2002）による TRT による循環終了後の前、加熱終了時、加熱終了 2 日後における孔内温度分布温度変化を用いた解析法に基づいて行った。

を図４及び表 1 に示した。加熱期間中の気温は、最低総加熱時間を tp とすると、加熱終了後の経過時間 t15.7℃（5/30 4:40）最低 26.0℃（5/30 14:30）であり、後の温度 TS は次の式で表される。
=ln+

5 月下旬から 6 月下旬における平年値の日最低・最高気温に相当し、ほぼ平年並みの気温であった。

（式１）

加熱直前（5/29 14:29）における孔内水温は、最高温

ここで、Ti は初期地層温度である。また m は次式で表度が管頭からの深さ 5 m（以下、管頭 −5 m と標記）にされる。

おける 17.8℃、最低温度が管頭 −29 m における 16.2℃、

=4πλ

（式２）

平均温度が 16.6℃であった。しかし、管頭 −5 m における温度は、図３より管頭 −7 ～ −29 m における温度

ここで、qi は各深度の熱交換量（W/m）であり、TCP/と比較すると、変動傾向は類似するものの、下位の深HC ではヒーターケーブルの発熱量は一定とみなせるのさとの温度差が大きく異なっていた。これは孔内水位で、qi は定数を用いることが出来る。簡易熱応答試験でより高い位置にある管頭 −3 m における管内空気の温度は、式 1 を用いてホーナー時間 (t+tp)/t の対数を X 軸が 26.5℃と高く、その後も 20℃を下回ることがなかっとした温度 TS のプロット（ホーナープロット（Dowdleたことから、管内空気の影響を大きく受けて高くなっand Cobb（1975））を作成し、直線部分の傾き m から、ているとみられた。管頭 −5 m における水温を除く管頭各深度の有効熱伝導率 λeff が求められる。

−7 ～ −29 m までの孔内水温は、管頭 −15 ～ −17 m における温度 16.8℃を最大値とし、管頭 −7 ～ −15 m まで４．測定結果の浅部で −0.06℃ /m、管頭 −17 ～ −29 m までの深部で測定した孔内温度及び気象庁アメダス小田原地点にお0.05℃ /m の温度勾配を示していた（表１、図４●印）。

ける気温の時系列変化を図３に示した。また加熱開始

一方、加熱終了時（5/30,14:30）における管頭 −7 ～図３

成田観測井孔内温度及び気象庁アメダス小田原地点における気温の時系列変化- 40 -

は温度上昇が低く、深部は高くなる傾向が見られた。
（図４〇印）。
また、加熱終了 2 日後となる計測終了時点における孔内温度は、管頭 −15 ～ −17 m をピークとし、浅部及び深部方向に緩やかに温度が低下する、加熱前の孔内温度分布と類似する傾向まで回復していた（図４◎印）。
図５は、縦軸に管頭からの深さ、横軸に時間をとり各測定深度・時刻における温度から、孔内温度の変化を内挿した図である。なお図中には、図 1 に示した地質柱状図の該当部分を並べて記載した。図５における温度変化と柱状図との対比から、GL−11.0 m や GL−20.5 m、GL−23.0 m など、地質の境界部において、加熱による温度上昇に差が見られた。また、GL−7 ～ −11 m までの砂まじりシルト層や GL−14 ～ −16 m 付近の砂まじりシルト層、GL−23 ～ −26.5 m におけるシルト層では、礫層部分と比べて温度の上昇が小さかった。特に GL−7～ −11 m（管頭 −10.77 ～ −14.77 m）までの砂まじりシルト層では、対応する管頭 −11 m における孔内温度が加熱終了時の最低温度を示した地点であり、最高温度となる 22.6℃を示した管頭 −15 m とは 2.2℃の温度差が見
図４

成田観測井孔内温度鉛直分布られた。

−29 m における孔内水温は、最高温度が管頭 −15 m に５．解析結果

おける 22.6℃、最低温度が管頭 −11 m における 20.4℃、解析を行った管頭 −7 ～ −29 m までの 12 深度におけ平均温度が 21.6℃となり、深度によって温度にばらるホーナープロットを図 6 に示した。ホーナープロッ

つき が 見 ら れ た が、管頭 −15 m を境界として、 浅 部

トでは時間経過とともに X 軸の値が小さくなる方向に

表1

成田観測井孔内温度
管頭からの深度

加熱開始前

温度勾配

加熱終了時

加熱終了二日後(m)

5/29,14:29(℃/m)

5/30,14:30

6/1, 14:50-716.321.2

16.8-916.520.9

16.9-1116.5

20.4

17.0

-0.06

-1316.7

21.0

17.1

-1516.822.6

17.2-1716.8

22.2

17.2

-1916.7

21.5

17.2

-2116.6

22.6

17.1

-23

16.5

21.7

16.9

0.05

-25

16.4

22.1

16.7

-27

16.3

21.7

16.7

-29

16.2

21.8

16.3

Max.

16.8

22.6

17.2

Min.

16.2

20.4

16.3

Ave.

16.5

21.6

16.9

- 41 -

図５

成田観測井孔内温度変化（2017 年 5 月 29 日 12:30 ～ 6 月 1 日 14:30）

データがプロットされ、無限時間経過後にはホーナー時れた神奈川県内における既存の有効熱伝導率の測定値で間は 1 となる。本解析では、十分に直線近似ができるある 1.5 ～ 1.9 W/(m・K) と比較して、最大値側はほぼ加熱終了後 4 時間以降（ホーナー時間 7 以下）の範囲同程度である一方、最小値側は、県内の他の地域におけで直線近似を行い、図中に回帰式を合わせて記載した。

る測定値よりも低い値となった。

直線近似部分の傾きの最大は管頭 −7 m における 1.123、

一般的に土壌や岩石における熱伝導率は、土壌を構成最小は管頭 −23 m における 0.782、平均は 0.996 であっする土粒子や岩石自体の持つ熱伝導率や、含水率や有効た。ホーナープロットの傾きの鉛直分布においては、管間隙率に左右される（稲葉，1989、神奈川県，2017 など）。

頭 −23 m 以深が平均より小さく、管頭 −7 m を除く管頭

また、地下水の移流によって有効熱伝導率が高くなると−9 m ～ −21 m までは 1.006 ～ 1.059 とほぼ同程度の値の実測（尹，2014）、及びシミュレーション解析（神奈であった（表 2）。

川県，2017）結果が報告されている。これらのことから、ホーナープロットの直線近似部分の傾きと加熱電力

成田観測井においても地層中の土質や含水率、地下水流量から求めた各深度の有効熱伝導率を図 7 及び表 2 に速の違いにより、有効熱伝導率の深度による差が生じて示し た。 有 効 熱 伝導率の最大値は、管頭 −23 m に おいるものと推察された。

け る 1.83 W/(m・K)、 最 小 値 は 管 頭 −7 m に お け る
1.28 W/(m・K)、 平均値は 1.45 W/(m・K) とな っ た。

６．まとめ

特に有効熱伝導率の鉛直分布においては、管頭 −23 m

神奈川県小田原市成田に位置する地下水位観測井に以深で、ほぼ観測井全深度における平均値よりも高い有

おいて、2017 年に実施した簡易応答試験により、浅部効熱伝導率となった。の有効熱伝導率の測定を行った。その結果、管頭 −7 m～ −29 m の 12 深 度 に お け る 有 効 熱 伝 導 率 は 1.28 ～

この値は、神奈川県（2017）において取りまとめら- 42 -

図６a

各温度測定深度におけるホーナープロット（管頭 -7 m ～ -17 m）- 43 -

図６b

各温度測定深度におけるホーナープロット（管頭 -19 m ～ 29 m）- 44 -

表２

成田観測井簡易熱応答試験結果

管頭からの深度

ホーナー(m)

プロット傾き1.83 W/(m・K) となり、管頭− 23 m で最大値が得られ、神奈川県における既存の測定値に対し、最低値側はやや有効熱伝導率λeﬀ低く、最大値側はほぼ同程度の有効熱伝導率が得られた。

(W/m・K)-7

1.123

1.28-91.044

1.37-111.045

1.37-131.059

1.35-15

1.052

1.36-171.006

1.42-191.021

1.40-211.016

1.41-230.782

1.83

Temperature From Well Logs-An Empirical Method.

-25

0.882

1.62

JPT, 27, 1326-1330

-27

0.995

1.44-29

0.923

1.55

Max.

1.123

1.83

Min.

0.782

1.28

Ave.

0.996

1.45

謝辞
有効熱伝導率の測定に当たっては、小田原市役所豊川支所（2019（平成 31）年 3 月 15 日に廃止）の職員の方にご協力をいただいた。ここに記して感謝いたします。
参考文献
Dowdle, W.L. and Cobb, W.M.（1975）Static Formation

藤井光・秋林智（2002）大地結合ヒートポンプ熱交換井における温度応答試験解析、資源と素材、118、75-80.
藤井光・駒庭義人（2011）地下熱利用技術

7. サーマルレスポンス試験の原理と解析法、調査事例、地下水学会誌、53(4)、391-400.
稲 葉 英 男（1989） 土 壌 の 熱 物 性、Netsu Bussei, 3(1),31-39
神宮司元治・竹原孝・山口勉・国松直（2002）貫入試
験装置を用いた原位置地盤熱伝導率探査法、日本地熱学会誌 ,24(4),349-356.
神奈川県（2017）地中熱導入可能性調査事業委託報告書、応用地質株式会社、238p.
神奈川県温泉地学研究所 (1977) 昭和 52 年度足柄平野
地下水調査用地下水位観測井掘削工事報告書、井戸清商店、26p.
資源エネルギー庁（2021）第六次エネルギー基本計画、
128p.
尹晟敏（2014）安定した環境熱源の温度変化要因とその活用に関する研究、国立大学法人横浜国立大学
大学院博士論文、177p.

図7

ホーナープロット直線近似鉛直分布- 45 -