再エネ熱を利用する直接膨張方式
地中熱ヒートポンプの提案
山梨大学 工学域 機械工学系 機械工学
教授 武田哲明
令和2年12月3日（木）山梨大学新技術説明会 令和2年12月3日（木） オンライン説明会

再エネ熱を利用する地中熱ヒートポンプ✓ 2010年「第3次エネルギー基本計画」に「地中熱」が明記される．
✓ 2012年3月には環境省が，地下水・地盤環境の保全に配慮しつつ地中熱利用の普及促進を図ることを目的に「地中熱利用にあたってのガイドライン」をとりまとめている．
✓ 2014年「第4次エネルギー基本計画」に「再生可能エネルギー熱」が定義される．
✓ 国（経済産業省，環境省，国土交通省，文部科学省）や地方自治体の働きかけもあり，地中熱ヒートポンプの設置件数は増加している．
✓ しかしながら，世界各国に比べ我が国では普及が遅れており，本分野において日本は後進国といえる．
✓ その主たる理由は，ボアホールの掘削コストやヒートポンプ等のイニシャルコストが依然として高いことが課題とされている．

1,166件（20.4%）
増加

出典；環境省山梨大学新技術説明会 令和2年12月3日（木） オンライン説明会

出典；地中熱利用促進協会HP

2

間接方式（従来型）地中熱ヒートポンプ○間接方式（従来方式）の概要
地中との熱交換を担う部分は，Ｕ字型のポリエチレンパイプ内に水または不凍液を流動させ，この水または不凍液が持つ熱をヒートポンプ内では冷媒と地中熱交換器内では地中と熱交換させるシステムである．
この水または不凍液が流れる2組のＵ字型ポリエチレンパイプを直径約150mm，地中深さが約100mのボアホール内に収める構造として，地中熱交換器が構成されている．

100m

イニシャルコスト・ランニングコスト比率
空気熱ヒートポンプ(HP能力74kW相当)

地中熱ヒートポンプ(間接方式)

イニシャルコスト比率

100(基準)270

ランニングコスト比率

100(基準)75

出典：ヒートポンプとその応用

2011.3.No81

甲府市庁舎

東京スカイツリー

東京アクアティクスセンター

出典：株式会社イノアックコーポレーション

高密度ポリエチレン管

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出典；東京都オ
リンピック・パラリンピック準備局HP

3

間接方式（従来型）と直接膨張方式地中熱ヒートポンプ

間接方式（従来型）

直接膨張方式

熱交換ロス

熱交換30m
100m

直膨方式
出典：株式会社イノアックコーポレーション〇直接膨張方式の概要①２次媒体との温度差が必要ない為，凝縮圧力を低く，蒸発圧力を高く，運転可能であり，また，ブラインポンプの消費電力が不要などの理由で，間接方式より高効率の運転が期待できる．
②ブラインポンプ，熱交換器などが不要なため，部品点数を少なくでき，さらに，ブライン配管工事を排除したことにより，設備工事を単純にできることから，コストダウンが期待できる．
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4研究開発の背景（1）
これまで，直接膨張方式地中熱ヒートポンプの採放熱方式は過去に知られていたが，構造が複雑で地中配管における採放熱管の配管抵抗や潤滑油の底部停滞等により1次側の冷媒循環量が不安定となり，採放熱量の予測や地中熱交換器の最適形状が決定できず，地中熱交換器の設計手法も確立されてこなかった．
そこで，これらの課題を①ボアホール深さを短く（30m以下），②地中熱交換器の形状を改良（複数細管の採用）した結果、潤滑油の底部停滞や冷媒循環の不安定さは解消され，高い成績係数が得られることを実証してきた．
直膨方式GSHP実験機

10kW出力実験機の地中熱交換器とその断面図

30m

課題

潤滑油の底部停滞等による1次側冷媒の循環流が不安定⇒ コンプレッサーの停止，性能の低下

コア
技術

ボアホール深さを短く（30m以下）した．
熱交換器の形状を改良（細管の採用）した．
⇒ 潤滑油の底部停滞が解消し，高いCOP値を得た

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5研究開発の背景（2）直接膨張方式地中熱ヒートポンプは，空気熱ヒートポンプの室外機に収められた空気／冷媒熱交換器の代わりに冷媒が流れる銅管を伝熱管として，地中に設けたボアホール内に挿入したケーシ
ング管や住宅用鋼管杭等に水を封入して，その中に伝熱管を挿入した地中熱交換器を利用して代替フロン冷媒（例えばR410AやR32）を直接地中に循環させて地盤と採放熱を行う方法である．
方法の優位性①ブライン－冷媒熱交換器が不要で部品コストが削減，②ブライン循環
ポ ンプが不 要で ，消費電力が削減され、省エネル
ギ ー性能が 向上 ，
③冷媒の凝縮蒸発過程が地中熱交換器内で行われるため熱交換器単位長さ当りの採放熱量が増大し，ボアホール深さを短縮でき，掘削コストが削減．

実験装置は，空気熱ヒートポンプの空気/冷媒熱交換器を取り除き，地中熱交換器を接続したもの．

室外機
空気/冷媒熱交換器

室内機
暖房能力 9.0kW
冷房能力 6.8kW
冷媒 R410A

地中熱交換器30m
室内空調機

室内機能力 4.0kW、2.2kW
能力目安
14畳、6畳山梨大学新技術説明会 令和2年12月3日（木） オンライン説明会

6初期の実験装置（空調利用）
市販の空気熱ヒートポンプ室外機内の空気／冷媒熱交換器を地中熱交換器に取り替えたもの

室内機
出力:4kW
設定温度：27℃(冷房)
20℃(暖房)地中熱交換器HP
冷媒:R410A(6.95kg+潤滑油1kg)
能力:冷房6.8kW、:暖房9.0kW
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ボアホール30m
材質 Cu
往き 1/4インチ銅管 5本
戻り 3/8インチ銅管 1本

7最初の熱交換器（５－１型）
地中熱交換器上部

地中熱交換器底部

地中熱交換器

空気熱ヒートポンプの空気／冷媒熱交換器

伝熱面積3.890(m2)

1.525(m2)

容積4.136x103(m3)2.512x103(m3)
約1.6倍

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8冷暖房運転（設定温度27℃，20℃，運転期間24時間）
地中熱交換器のコストダウンについては、水や不凍液を用いる方式では、採放熱時のブラインの流れ方向は一定であるが、直接膨張方式では熱交換器が冷房運転時/暖房運転時に凝縮器/蒸発器となるため、冷媒の流れ方向が逆転し、冷温熱に対応するためには気相/液相の変換点を考慮する必要がある。
冷媒循環方向 5本→1本

Output PowerCOP

冷媒循環方向 1本→5本

Integral Power Consumption

COP13（平均値）

Output Power

Integral Power Comsumption

Output Power(kW)，COP

1.0

Integral Power Comsumption(kWh)

2.0
1.8
161.6
0.8
141.4
12COP
1.2
0.6
消費電力
10
取得熱量
7（平均値）
1.00.3kWh（平均値）
3kW（平均値）
8
0.8
0.460.6
40.4
0.20.2
2
取得熱量
消費電力
0.0
3.8kW（平均値）
00.00.4kWh（平均値）
3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00
0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00
Operating TimeOperating Time
凝縮器の時
蒸発器の時
暖房・給湯運転時のCOPは約の冷媒循環の冷媒循環7であり、これは冷媒循環時方向は5⇒1方向は1⇒5の流動抵抗が影響している。
181098765432
100:00COP

これを解決することでCOP向上が見込める。
放熱山梨大学新技術説明会 令和2年12月3日（木） オンライン説明会

採熱

9地中温度変化の一例
熱交換器の形状は冷暖房双方の性能を考慮する必要がある。ボアホール型では、冷房時に熱交換器内で相変化が終了しており、顕熱のみの伝熱となっている箇所が存在することは、流動抵抗の増大や成績係数が低下する原因にもなるため、3次元数値解析結果も考慮して、地中熱交換器の最適化に繋げる。
一方、給湯専用機に対しては、冷媒の流れ方向は一方向だけとなり、蒸発器に特化した形状とすることで効率向上も見込むことができる。断熱に関しても蒸発器に特化することで、断熱材の材質、断熱材の施工箇所についても最適化できる。
冷房運転時
BH 10m40BH 20m

暖房運転時
BH 10m

BH 30m

BH 20m

BH 30mTemperature [℃]

Temperature [℃]3516141210864
給湯専用機の試作機
200:00
6:00

3025
2015
100:00

6:00

12:00

18:00

0:00

ボアホール深さ10m，20mでの温度変化が大きい．
→ 20m～30m地点の間で凝縮過程が終了．

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12:00

18:00

0:00

ボアホール深さ全域にわたり温度変化．→採熱管内の上昇流となる部分で蒸発過程がほぼ終了．

10連続運転時の出力，COP，消費電力（暖房運転）➢ 連続運転が求められる工業及び農業分野における利活用を想定し，1ヶ月間の暖房連続負荷運転を行った．
出力，COP，消費電力

実験期間
2014/1/19～2/19 (20℃)➢ 出力は約3.0kWを中心に，COPは3～7の間で変動し，1ヶ月間のCOPはの平均値は4.6となった．
➢ 今後，連続運転が求められる工業及び農業分野等においても導入は可能である．
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採放熱管の腐食状況

挿入前

時間経過後

挿入前と比較して，時間経過後でも全く腐食していない．
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断熱材

化学架橋30倍発泡ポリエチレン

挿入前

時間経過後

改良版
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地中熱交換器（3－1型）

ケーシング管(SGP管)

冷媒

二号珪砂
緩衝液（H2O）30m

採熱管（Cu）
断熱材（架橋ポリエチレン発泡体）
105.3mm

耐圧材

側面図
冷媒循環方向地中温度計測点
採熱管（1本側）に巻いた断熱材➡下降する冷媒の蒸発を防ぐため
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平面図
・垂直埋設クローズド方式
・直径1/4インチ銅管1本と3本を底部で接続
・冷媒循環方向冷房運転時：3本⇒1本
暖房運転時：1本⇒3本
14地中熱交換器の設計例（3－1型）
３並列銅管熱交換器の設計例

改造ヒートポンプ

3分岐ディストリビュータの例

銅管

断熱材

珪砂水

SGP 100～150A

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15

地中熱交換器（３－１型）

暖房
冷房

Cross section
Thermal insulting material
Heat transfer tube

30m

Pressure resistant material
Steel gas pipe

Water・垂直埋設クローズド方式
・直径1/4インチ銅管1本と3本を底部で接続
この部分の・冷媒循環方向
断熱が暖房
冷房運転時：3本⇒1本時の性能に
暖房運転時：1本⇒3本
重要である．
Silica sand105.3mm
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10・20・30m地点における地中温度降下

断熱部の追加
7日間を通して各地点でほぼ一定の温度差➡ボアホール全体で十分に採熱単位深さあたりの取得熱量

従来方式(本学実績)

直接膨張方式(本システム)68.6W/m

103.4W/m

10・20・30m地点の運転開始から終了時の地中温度降下
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17

7日間の地中温度変化：運転期間
運転開始時の地中温度が徐々に低下

断熱部の追加

7日間の地中温度の時間推移

・10m地点が温度降下が大きく、30m地点での温度降下が小さい
・7日間を通して運転開始、終了時の地中温度は低下
山梨大学新技術説明会 令和2年12月3日（木） オンライン説明会18圧縮機吸込・吐出口における冷媒圧力・温度変化
：運転期間

圧力差
2.6MPa圧力差2.7MPa

温度差
83K

温度差
85K

冷媒圧力の時間推移

冷媒温度の時間推移

冷媒圧力差：7日間を通してほぼ一定

冷媒温度差：7日間を通してほぼ一定➢ 運転開始時の地中温度は減少傾向にあったが，ボアホール全体での採熱量はほぼ一定であり7日間を通して圧縮機への負荷が上がらず安定した運転であった．
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19

直接膨張方式地中熱ヒートポンプのシステム構成
室外機出力10kW級(実験機)

これまでの実験装置

8

室外機出力10～15kW級(住宅用・産業用)
Indoor Unit
Heat Pump

Borehole system

P

シングルボアホールシステムの地中熱交換器

実験機(山梨大学)

３並列ボアホールシステムの地中熱交換器

井戸または貯水タンク(水循環冷却用)

商用システム（大村記念館、ハウス空調）

地中熱交換器

シングルボアホールシステムの地中熱交換器(30m×1)
シングルUチューブ型
ボアホール径100A

地中熱交換器

３並列ボアホールシステムの地中熱交換器(30m×3)
３本並列Uチューブ型
ボアホール径150A

HP能力

10kW×1台

HP能力

10～15kW×1台×2セット

地盤温度計測ボアホール温度計測点
深さ5m、30m

バックアップ冷却システム
地盤温度計測水循環冷却用井戸または水道水

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ボアホール温度計測点 深さ5m毎20実用化に向けた課題

••

•
•

既に本技術を用いた空調・給湯用の直接膨張方式地中熱ヒートポンプについては，幾つかの施設に導入され，1年以上の運転実績を有する．
今後，空調・給湯分野への展開を目指すにあたり，国や自治体からの補助金がなくても導入可能とできるコストダウン技術が必要である．
冷媒回路が地中に及んでも地中部分の点検保守が不要となる熱交換器の検討も必要である．
従来型の地中熱ヒートポンプは，スケールメリットを活かした大型化を目指し，出力の小さい住宅用・産業用は直接膨張方式を導入するというような出力に応じた導入システムのすみ分けが必要であると思われる．
企業への期待•••空調・給湯出力及び地盤環境による銅管を用いた地中熱交換器の最適設計については，現在，研究開発を進めている浅層地中熱を利用するための設計コード及び地中熱ポテンシャルマップによりコストダウンが図れると考えている．
冷凍サイクルに関する技術を持つ企業との共同研究を希望する．
また，空調・給湯出力が数十キロワット以下の住宅用・産業用の地中熱ヒートポンプを開発中の企業，地中熱ヒートポンプ分野への展開を考えている企業には，本技術の導入が有効であると思われる．

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本技術に関する知的財産権
••
•
•
•

発明の名称
出願番号
公開番号
出願人
発明者

：採放熱管およびそれを用いた地中熱ヒートポンプ：特願2018-13384：特開2019-132470
：山梨大学
：武田哲明

お問い合わせ先
山梨大学
研究推進・社会連携機構
社会連携・知財管理センター
ＴＥＬ
ＦＡＸ
e-mail

０５５－２２０ － ８７５８０５５－２２０ － ８７５７
ｒｅｎｋｅｉ－ａs＠ｙａｍａｎａｓｈｉ.ａｃ.ｊｐ

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