大阪HITEC、ヒートアイランド対策セミナー、2023年7月13日（木）
都市環境の気候変動適応策

水を活用したヒートアイランド対策技術

大容量帯水層蓄熱システムの実用化と実システムの運用実績

1.帯水層蓄熱（ATES）とは
2.実用化のポイント（熱源井戸構築技術）
3.実システムの運用実績と帯水層への冷房排熱排出量
4.万博提案システムにおける帯水層への冷房排熱排出量

大阪公立大学
都市科学・防災研究センター 中尾正喜
1

１．帯水層蓄熱とは（環境省委託事業により開発）

出典：環境省ホームページ(https://www.env.go.jp/water/jiban/pdf/ATES_pamphlet_202003.pdf)

帯水層蓄熱とは近年3000システム以上に井戸外観図(三菱重工神戸造船所内ATES用井戸、写真提供：三菱重工サーマルシステムズ)

オランダの普及状況
2２．技術のポイント
調査技術

地層の順序
不透水層（粘土層の力学特性）
各層の粒度分布、層の均質性
帯水層の色、厚さ、透水性
地下水の流れ、速度、方向
地下水組成(鉄、NO3、Cl)、温度
溶存ガス、汚染物質

熱源井戸の構築技術 設計は帯水層の特性と地下水の組成に依存。
フィルター（グラベル、スクリーン）の慎重な設計。
・気密および加圧システム。
・地下水の組成に基づく材料選択。

健全なスクリーン

熱利用技術

目詰まりしたスクリーン

井戸間隔設計、地下水流の影響、熱・物質収支制御、施設熱需要条
件と気象条件による運用制御

図の引用元：Critical success factors for the implementation of ATES, Godschalk Bas、オランダIfTechnology社資料

3

熱源井戸の構築技術
帯水層とは地下水が蓄えられている地層。通常は粘土などの不透水層（水が流れにくい地層）にはさまれた砂や礫からなる多孔質浸透性の地層を指す。この地層では、透水性が良く井戸の揚水量が確保でき、地下水流速が遅い領域では、蓄熱利用が可能

大容量揚水･還水切替型熱源井戸の構築(㈱森川鑿泉工業所)
井戸掘削時に孔壁を目詰まりさせないリバースサーキュレーション工法を採用(ｴｱﾘﾌﾄによる)構築技術のポイント：・リバースサーキュレーション工法
・フィルター（グラベル、スクリーン）の設計
・気密および加圧システム
揚水ﾎﾟﾝﾌﾟ

不圧帯水層
不透水層

冷水塊

ｽｸﾘｰﾝ

ﾌｨﾙﾀ層
(ｸﾞﾗﾍﾞﾙ)

被圧帯水層
温水塊

不透水層

4

利用帯水層の粒度分析結果から、複数の透水係数 の推定式を使い、揚水量を推定する。
粒度分布より透水量係数を推定
kD[m2/d]Kurger
Beyer
幾何平均
上記平均

Dg2666486260483

Dg3
211224110181

粘土の含有量10％以上の部分にはスクリーンは切らない
各位置での透水性･粘土含有量の確認

採水量の確認
Dg2
Dg3
透水量係数 最大流量 透水量係数 最大流量[m2/day] [m3/h] [m2/day] [m3/h]
最小29650-60
11015-25
平均
48375-85
18130-40
最大66690-100
22440-505熱源井戸を常時加圧するシステム

井戸廻りの模式図

クッションタンク

ポリエチレン(水道用配管)
GL

熱交換器廻りステンレス(腐食防止)

自然水位

インジェクション
バルブ

揚水時水位

水位計

LT

インジェクションバルブ
Ｐ

熱源井戸Ｎｏ．１

Ｐ

深井戸ポンプ

深井戸ポンプ

熱源井戸Ｎｏ．２

6熱利用技術 オフィスビルを対象とした季節間蓄熱制御の年間サイクル・地下水流速の小さな地層を選択し、適正な井戸間隔の下で、気象データと施設熱需要に応じた運用制御を行う。

冬期

暖房と同時に冷水を蓄える

中間期

外気温が低いとき，冷却塔を使って冷水を蓄える

夏期

中間期

冷房時に排熱を蓄える

空調負荷

空調負荷

冷却塔

空調負荷

冷却塔

ヒートポンプヒートポンプ

熱交換器

ヒートポンプ

熱交換器

7

３．実システムの運用実績と人工排熱削減量
三菱重工神戸造船所に導入されたATESシステムを2022年度大阪HITECのシンポジウム*1において紹介した。この運用状況とヒートアイランド対策としての効果を説明する。
*1：大阪地域のヒートアイランド・暑熱環境対策シンポジウム、大阪から世界へ、ヒートアイランド対策の推進、～ 2025年大阪・関西万博に向けて ～、2022年 4月 28 日 （木）インバータターボ冷凍機：2台
空調機（AHU）：3台
井戸ポンプ：3台
冷温水ポンプ：2台
熱源水ポンプ：2台
冷却水ポンプ：1台
2次送水ポンプ：1台
冷却塔：1台熱交換器：2台
動力盤・制御盤AHU-1

蒸発器ポンプ

AHU-2

AHU-3
2次冷温水ポンプ

インバータターボ冷凍機

凝縮器ポンプ

蒸発器ポンプインバータターボ冷凍機

凝縮器ポンプ

熱交換器2冷却塔
熱交換器1CV2

CV1Ｐ-3
冷水井

Ｐ-1
冷水井

CV3CV4Ｐ-2温水井

8和田岬地盤状況紹介
地盤状況
本システムは導入前にボーリング調査を行い60m3/h揚水可能な地下水を計画したが，片方の熱源井は計画揚水量の約半分となった。熱源井３本で工場冷暖房を行う水量が確保できるようになった。
原因：
本設備を構築した神戸和田岬の地質の問題と結論付けた。神戸和田岬は沿岸域でありながら山地が近く，沖積扇状地性デルタの堆積環境下で地層形成していることから，側方連続性の悪い礫質部分・砂質部分・泥質分が幾度も繰り返し堆積し，1～2ｍ程度までの厚さの互層が形成され，上下を海成粘土で挟まれて，透水性がそれほど高くなく不安定な帯水層を形成していた。さらに，神戸和田岬周辺は，大阪湾西部の淡路島沖から北東に延びる大阪湾断層の分岐した断層構造が通過し，断層の活動による地層の変形を被っており，地層傾斜が他の地域に比べて大きく，一定の標高に水平に帯水層が分布していなかった。
地盤が複雑な地域で帯水層システムを構築する際には，十分地盤調査注を行い，慎重に計画する必要がある。運転開始して２年間経過しているが地盤沈下・目詰まりなどの影響は確認されてない。

注：地盤調査とは候補地付近の地形・地質概要・地質構造・ボーリング調査によりサンプリング分析・粒子径分布より透水係数推定・地盤沈下影響分析・揚水量評価・地層構造図などを分析し,帯水層蓄熱システム適応性の可否を検討する作業を指す。

大阪湾周辺の断層分布図（出典：新関西地盤 関西圏地盤研究会,2007.11）

9

運転モード運転モード切替機能：
外気条件、熱負荷、揚水温度に応じて、4つの標準モード切替えている。
No.1 熱源水利用（暖房+冷水蓄熱）
冬季の暖房を行いつつ、低温冷水を蓄熱するモード
No.2 冷却塔フリークーリング蓄熱（蓄冷）
外気温度が低い時に夏季の冷房利用に備えて低温冷水を蓄熱するモード
No.3 ヒートポンプ冷水蓄熱
外気温度が低い時にヒートポンプが大幅に性能向上する特性を利用し、冷房利用に備えて低温冷水を蓄熱する
モード
No.4 冷却水利用（冷房+温水蓄熱）
夏季の冷房を行いつつ、高温温水を蓄熱するモード
青：蓄冷運転赤：蓄熱運転10日熱負荷処理量
2019年12月～2021年10月までの実証設備の1分間隔で採取したデータを用いた性能評価を実施
冷房時の日熱負荷処理量の最大値は6,768kWh/day，暖房時は11,418kWh/dayで暖房時の日積算熱量の最大値は冷房時より多い。これは，冬期に21時間連続の暖房運転を実施したためである。
[kWh/Day]

負荷データ

10000

中間期

外気温度

8月17日 28.4℃ 冷房
中間期

[℃]

湿球温度
中間期 冷房6,768kWh/Day

5000

3530252001510-5000

50-10000-15000暖房

11,418kWh/Day

2019年

暖房

2020年

-5

1月8日 -2.2℃

-10
2021年

運用実績（冷房と暖房の日熱負荷処理量、外気温と湿球温度）
出典：崔林日・西岡真稔・中尾正喜・三田村宗樹・上田憲治、帯水層蓄熱を利用した空調システムの研究-実性能評価と運用方法の検討、地盤工学会関西支部・Kansai Geo-Symposium 2023 182 - 187 2022年11月

11帯水層蓄熱システム性能

月別の帯水層蓄熱システムの設備の消費電力と期間のCOPの推移を示す。COP（成績係数）とは消費電力に対する熱量の比率であり，数値が大きいほどエネルギー消費効率が高いことを表す。

[kWh]

250,000

消費電力(kWh)

ターボヒートポンプ単体COP(-)

システムCOP(-)
12

2年間システムCOP：冷暖 4.8
1年目：冷房 4.9 暖房 4.6 冷暖 4.7
2年目：冷房 6.1 暖房 4.3 冷暖 5.010200,000

8150,000

6100,000

4COP(-)

工場負荷(kWh)
300,000

冷却塔運転
50,000200121

2019年

234567

2020年

8910 11 12月

123456789102021年

工場負荷に対するSCOP=工場負荷/設備全体動力 蓄熱量に対するSCOP=蓄熱量/設備全体動力
設備全体動力=ターボヒートポンプ圧縮機動力+各種ポンプ動力+冷却塔ファン動力

施設（工場）の熱負荷、消費電力、ターボヒートポンプCOP、システムＣＯＰ
出典：崔林日・西岡真稔・中尾正喜・三田村宗樹・上田憲治、帯水層蓄熱を利用した空調システムの研究-実性能評価と運用方法の検討、地盤工学会関西支部・Kansai Geo-Symposium 2023 182 - 187 2022年11月

12蓄熱量・熱回収率・SCOP、評価期間： 2019年12月～2021年10月
年間積算蓄熱量の推移を示す。1年目は暖房時の冷水積算蓄熱量が冷房時の温水積算蓄熱量より大幅に上回り，熱量バランスが崩れている。2年目以降は改善されつつある。
[GJ]

2000

冷房 中間期

中間期

中間期 冷房

1500
1000
500

冷水積算蓄熱量：
1,540GJ

冷水積算蓄熱量：
1,247GJ

0-500
温水積算蓄熱量：
716GJ

-1000

温水積算蓄熱量：
1,721GJ

-1500

-2000

暖房

暖房

2019年

2021年

2020年

積算蓄熱量の推移
出典：崔林日・西岡真稔・中尾正喜・三田村宗樹・上田憲治、帯水層蓄熱を利用した空調システムの研究-実性能評価と運用方法の検討、地盤工学会関西支部・Kansai Geo-Symposium 2023 182 - 187 2022年11月

13期間蓄熱量・蓄熱積算量・SCOP
2,000

1,500
1,000
50002019･冬期

2020･夏期

2020･冬期-500-1,000-1,500-2,000

暖房・冷房期間サイクル

122021･夏期

期間蓄熱量 MWｈ （帯水層加熱＋、冷却－）

期間蓄熱量 ＧJ （帯水層加熱＋、冷却－）

2,000

1,500
1,000
50002019･冬期 2020･夏期 2020･冬期 2021･夏期-500-1,000-1,500-2,000

暖房・冷房期間

期間蓄熱量
シーズン別 シーズン別
蓄熱積算量
SCOP
(加熱＋、冷却ー)
消費電力
年･季節
MWh/シーズ
GJ/シーズン
GJ
GJ/シーズンン
2019･冬期-1,247-346-1,247271
4.6
2020･夏期
716
199-5311464.92020･冬期-1,540-428-2,071358
4.3
2021･夏期
1,721
478
-350
282
6.1

出典：崔林日・西岡真稔・中尾正喜・三田村宗樹・上田憲治、帯水層蓄熱を利用した空調システムの研究-実性能評価と運用方法の検討、地盤工学会関西支部・Kansai Geo-Symposium 2023 182 - 187 2022年11月

14省エネ効果 評価期間： 2019年12月～2021年10月

空冷ヒートポンプシステムとの比較
年間消費電力とCO2削減量は、同規模の空冷ヒートポンプ対比で29.9％削減した。
項目
従来システム本システム
冷房負荷(kWh)
暖房負荷(kWh)
消費電力(kWh)
削減率システムCOP（-）
電気CO2削減量(t-CO2/年)
CO2削減量(t-CO2/年)
削減率
t-CO2/年

180

空冷ヒートポンプ

帯水層蓄熱システム

空冷ヒートポンプ786,831.2
959,410.7
516,926
100.0%
3.4
164.4
100.0%
kWh

帯水層蓄熱
786,831.2
959,410.7
362,215
29.9%
4.8
115.2
49.2
29.9%
空冷ヒートポンプ

帯水層蓄熱システム

600000164.4

516,926160

500000
140
120

115.2

400000362,215100

3000008060

20000040

100000200015３．万博提案システムにおける帯水層への冷房排熱排出量
大阪万博は2025年4月から10月に開催される。そのため、地中の大規模な蓄熱機能を活用して、2024年12月から2025年3月までの冬期に、低温外気により地中の帯水層を冷やしておき、開催期間に万博地域熱供給設備用熱源として活用する。なお、熱源水として活用した後で、屋外空間のクールスポットを実現するための冷熱源としてとして活用することも可能である。

低外気温時，冷却塔を使って冷水を蓄える

逆方向に揚水・還水し、万博施設で利用

冬期フリークーリング蓄熱
冷却塔

熱交換器

揚水温度18.8℃2024年12月から2025年３月

2025年4月13日から2025年10月13日

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還水終了時の地中断面温度分布（シミュレーション結果）

還水終了時の地中断面温度分布
帯水層厚さ：10 m
井戸間距離：200 m
還水体積：273,270 m3
還流半径：167 ｍ
蓄熱半径：100 ｍ
平均還水温度：13.1 ℃
17システムCOPとATESへの期間冷房排熱排出量（シミュレーション結果）（１）低温井戸の揚水温度
右図に一定流量条件での揚水温度応答を示す。
平均揚水温度は15.0℃である。
（２）システムCOP
初年度のサイクルで冬期と夏期のポンプ等(揚水ポンプ、冷却水ポンプ、冷却塔ファン）消費電力
128MWhにより1,911MWｈ冷却できる（消費電力の15倍の熱を冷却できる）

縦軸；揚水温度、横軸：時間
冷房期間の揚水温度応答（３）人工排熱低減効果
低温井戸揚水時の高温井戸還水温度を22.6℃とすると、揚水体積273,270 m3であるので、開催期間中に帯水層へ排出する熱は8,668GJ（2,408MWh) となる。

万博協会にアイデア提案したATESシステムの期間冷房排熱排出量はATES１システムで1,000kWの排熱2,408時間分に相当
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ATESの人工排熱の受け入れ能力
計画段階で、ATESが夏期の人工排熱を受け入れる能力を求める方法（１）冷暖房期間毎の平均還水温度と平均揚水温度の温度差、Δθ [℃]（２）期間揚水・還水体積、V [m3]（３）熱回収率（または無次元化平均揚水温度）η
（４）初期地中温度 T０（無次元化初期地中温度は０）

無次元化温度-1 で低温井戸に還水

無次元化初期地中温度は０

期間揚水体積の場合の無次元化平均揚水温度
井戸間隔 m

帯水層
厚さ m

50

75

1002005-0.05-0.24-0.44-0.67

10-0.19-0.51

-0.68

-0.76

15-0.36

-0.66

-0.76

-0.79

20-0.48-0.73-0.79-0.80

揚水は無次元化
温度（左表）

参考文献
1）中尾 正喜、西岡 真稔、仲西 琴音、徳田 隆秀、帯水層蓄熱システム企画のための揚水温度予測手法（第１報）既往研究の無次元化アプ
ローチと課題、空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2020.9、169-172
2) Christine Doughty, Goran Hellstrom, Chin Fu Tsang,, A Dimensionless Parameter Approach to the Thermal Behavior of anAquifer Thermal Energy Storage System, Water Resources Reserch, VOL. 18, NO. 3, Pages 571-587, June 1982
3)中尾 正喜、吉信 椋太、徳田 隆秀、辻 裕伸、帯水層蓄熱システム企画のための揚水温度予測手法（第2 報）井戸間の熱干渉を考慮したモデル、空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集、2022.9、49-524)中尾 正喜、吉信椋太、西岡 真稔、間宮尚、帯水層蓄熱システム企画のための揚水温度予測方法（第3報）熱回収率に対する流速の影響、
空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集、2023.9(掲載予定)

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熱回収率の簡易予測法
・高温側井戸：5サイクル目の無次元化平均揚水温度
・熱半径に対して井戸間距離が大きいほど、揚水温度平均が高くなる傾向
・井戸間隔が熱半径の２倍以上の範囲では熱回収率の変化が小さく(=S/R)※注水温度が一定なので、高温側井戸の無次元化平均揚水温度＝熱回収率※熱半径R=

𝑉𝑤 𝐶𝑤
𝐶𝑎 𝜋𝐻

, 𝑉𝑤 ：揚水還水体積, H：帯水層厚さ, S:井戸間距離,

𝐶𝑎 :帯水層等価容積比熱, 𝐶𝑤 :水の容積比熱20