地中熱ヒートポンプシステムの一次エネルギー消費量算定法に関する検討（１）
国立研究開発法人

建築研究所

はじめに設計した地中熱交換器の熱交換能力のタイプ選択
・相当熱交換器長L’[m]の計算
・ダブルUチューブ： L’ = L / (1.3957･λ-0.481)
・水平埋設方式：
L’ = L / (1.0023･ABλ-0.439)

等

L：熱交換器長[m], λ：有効熱伝導率[W/m], A,B：係数(A=B=1.3)‘2011 ASHRAE Handbook-HVAC Applications’の数表より作成

・設計最大熱交換量H[W]の計算
・H = MAX[qH - eH, qC + eC]

qH, qC：暖冷房定格能力[kW], eH, eC：暖冷房定格消費電力[kW]・相当最大熱交換能力Q’[W/m]によるタイプ分け
・Q’ = 1000×H / L’
→地中熱交換器の熱交換能力により→タイプ1～5に分類
タイプ1：Q’<30, ……, タイプ5：Q’≧90[W/m]
Webプログラムへの入力
地中熱HPタイプ1～5
地中熱HP＋補機・定格能力 ・定格消費電力＋地域・建物・設備
等 の設定

Webプログラムで計算
・外気温、日射等気象条件
・外皮条件
・室使用スケジュール(空調・発熱等)
等

年間計算
空調負荷(日毎)

・日積算空調負荷の期間最大値QH, QC [kWh]の抽出・比RQの算出→ RQ = (|QC | - |QH|) / (|QC| + |QH|)①暖房期、冷房期、年間平均外気温度[℃]：
θoa,H,ave, θoa,C,ave, θoa,ave ← 地域区分(1～8地域)で決定②期間平均還水温度と年間平均外気温度の差[℃]：θ’w,H,θ’w,C → θ’w = a×RQ + b③還水温度予測式の傾きkH,kC：k = c×RQ + d→暖房時、冷房時還水温度θw,H,d、θw,C,d [℃] の予測式：→θw,H,d = kH ×(θoa,d - θoa,H,ave) + (θoa,ave + θ’w,H)→θw,C,d = kC ×(θoa,d - θoa,C,ave) + (θoa,ave + θ’w,C)

日平均還水温度

地中熱利用技術は自然の熱源を有効に利用する技術として期待されており、合理的な設計を行うための定量的な導入効果の把握が望まれている。建築研究所では、地中熱ヒートポンプシステムにおける一次エネルギー消費量計算法の確立に向けて、地中熱ヒートポンプならびにポンプ等補機の機器特性のモデル化と、地中熱ヒートポンプの性能を左右する地中熱交換器からの還水温度を予測するモデルについて検討を行ってきた。本報では、評価手法の枠組を示すことに加え、還水温度予測モデル構築に向けて検討した内容を中心に示す。
現在、省エネルギー基準における建築物
一 次 エ ネ ル ギ ー消 費 量 計 算 プロ グ ラ ム(http://www.kenken.go.jp/becc) へ の 実 装に向けた検討を実施している。

地中熱HPシステムの評価フロー

還水温度予測式の決定

外気温

環境研究グループ 主任研究員 西澤 繁毅

空調負荷の出現時間
マトリックス作成(負荷帯、還水温帯毎)

地中熱HP＋補機・定格能力 ・定格消費電力
・特性曲線
等
空調一次エネルギー消費量の算出
図a 地中熱ヒートポンプシステムの評価フロー原案

現在運用している建築物一次エネルギー消費量計算プログラムに組み込み、地中熱ヒートポンプシステムの評価を行えるように構成している(図a)。地中熱交換器の種類、長さ、埋設した地盤の有効熱伝導率、計画した地中熱HPの性能に対応して、地中熱交換器の熱交換能力を導出し、熱交換能力の大小に応じて地中熱交換器のタイプ選択を行っている。そのタイプ毎に、空調稼働時の還水温度(地中熱交換器からの熱源水温度)を計算し、空調計算に使用する。この評価フローの作成にあたり、地中熱交換器の特徴(タイプ)に応じて外気温度から還水温度を予測するモデルの構築を行っている。

地中熱ヒートポンプシステムの一次エネルギー消費量算定法に関する検討（２）
建築研究所

国立研究開発法人

環境研究グループ 主任研究員 西澤 繁毅

還水温度予測モデルの検討

8地域区分、5用途を想定したモデル建物の空調負荷(負荷計算プログラムNewHASP使用)から、地中熱ヒートポンプシステム性能予測プログラムGround Clubで計算した還水温度の分析を行ったところ、日平均外気温度と空調時還水温度の間に、最大2～4℃程度の差異を含むものの、還水温度を外気温度の線形近似式で求められることを確認した(図b)。
この関係について、複合した室用途も含めた各種室用途に適用可能とするために、図bの線形関係における、①重心位置X座標(暖房、冷房期間平均外気温θoa,H,ave, θoa,C,aveで代表してモデル化)、②重心位置Y座標(空調時還水温度期間平均値と年平均外気温度の差(θ‘w,H, θ’w,C)を、暖房、冷房期の日積算空調負荷の期間最大値QH, QCに関する比RQで整理(図c左))、③線形回帰式の傾き(RQとの関係で整理(図c右))について検討し、還水温度予測モデルを構築した。

③近似直線の傾き：kC

Q'=80W/m
10

日平均還水温期間平均値－年平均外気温[℃]

冷房

15y = 0.6718x + 5.3981
R² = 0.8456

事務所事務室(6地域)

冷房②重心位置のY座標：θ’w,C

暖房

5y = 0.3397x + 2.3035
R² = 0.6643
0 ②θ’w,H③kH

201015①重心位置X座標：
θoa,C,ave－ θoa,ave

5-10-15-20

0①θoa,H,ave－ θoa,ave-5-5

平均還水温－年平均外気温[℃]

暖房

20Q'[W/m]
100806015401020

冷房30255暖房

0Q'[W/m]
20
40
60
80
100

-5-10-15-20

1地域
4地域
7地域

2地域
5地域
8地域

3地域
6地域

※プロットはQ'=60W/mについて-25-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0

日平均外気温－年平均外気温[℃] (年平均外気温15.7℃)

0.2 0.4 0.6 0.8

1

1地域
4地域
7地域

10.9

2地域
5地域
8地域

3地域
6地域

冷房

Q'[W/m]100※プロットは暖房,Q'=60W/mについて

0.8

還水温度予測式傾き[-]

200.7

80

Q'[W/m]
0.6
100
0.5
0.4

80
60

0.3

40

0.2

200.1

暖房

60
40
20

0-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0

RQ [-]

0.2 0.4 0.6 0.8

1RQ [-]

図c θ'w,H, θ'w,C(左)、kH, kC(右)の回帰式

図b 還水温度と外気温度の関係

実測値との比較検証
東京都千代田区のSビルの実測結果と比較したところ、還水温度予測値については、最大5℃程度の差が生じる結果となった(図d左)。しかし、この還水温度を用いて計算した地中
熱ヒートポンプシステムの消費電力量においては差異は小さくなり(図d中)、年間積算値においてはほぼ一致する結果が得られた(図d右)。

1510モデル(タイプ4)(暖房)
モデル(タイプ4)(冷房)551015202530

日平均還水温度【実測値より】[℃]35642モデル(タイプ4)(暖房)
モデル(タイプ4)(冷房)002468

室外機消費電力【実測値より】[kWh]10暖房7,1032,801

図d 実測値との比較(左：還水温度、中：消費電力量(1時間値)、右：年間消費電力量)

冷房7,086

2,745

タイプ4
計算値

20

8

8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0

実測値

25

年間消費電力量[kWh]30

還水温度予測値[℃]10※不易層温度設定19.7℃(計測した外気温の年平均値より)

室外機消費電力【COPモデル適用】[kWh]35