ＢＲＩ－Ｈ２９講演会テキスト

地中熱ヒートポンプの省エネルギー性能評価手法の拡充
環境研究グループ 主任研究員

Ⅰ はじめに西澤 繁毅

費量を評価できることが望まれていた。本報は、対象となる地中熱ヒートポンプを利用した空調システムについては、地中熱交換器のモデル化の概要と、検証結果について示すも平成28年から非住宅建築物の省エネルギー基準において評価のである。

が可能となっている。地中熱ヒートポンプシステムの一次エ設計した地中熱交換器の熱交換能力に対応したタイプ選択

ネルギー消費量算定法は、地中熱ヒートポンプならびにポン・相当熱交換器長L’ [m]の計算： L’=L /l・ダブルUチューブ： l =1.3957 λ-0.481
・シングルUチューブ： l =1.8144 λ-0.481
・水平埋設方式：
l =1.6939 λ-0.439
・大口径固体充填：
l =(-0.5953 d + 1.2344) λ(0.0475d-0.2383) (d＜0.6m)
l =(-0.2606 d + 1.0246) λ(0.0613d-0.2943) (d≧0.6m)
・間接型水充填：l =(-0.881 d + 1.6275) λ(0.055d-0.6618)
・直接循環型水充填： l =(-1.0518 d + 1.9231) λ(0.2325d-0.6564)

プ等補機の機器特性のモデル化と、地中熱交換器から戻ってくる熱源水温度(地中熱ヒートポンプの性能を左右する)を予測するモデルから成るが、対象となる地中熱交換器が、小口径ボアホールに埋設したUチューブ(シングル、ダブル)と地L：熱交換器長[m], λ：有効熱伝導率[W/m],
d：地中熱交換器断面の直径に係る寸法[m]表面近くを掘削したトレンチに設置する水平埋設型であり、・設計最大熱交換量H[W]の計算
・H = MAX[qH - eH, qC + eC]

比較的小規模な熱交換器に限られていた。

qH, qC：暖冷房定格能力[kW], eH, eC：暖冷房定格消費電力[kW]地中熱交換器には、他に、鋼管杭やコンクリート杭、孔径・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]の大きなボアホールを利用したものもあり、それらを利用した地中熱ヒートポンプシステムについても一次エネルギー消Webプログラムへの入力
熱伝導（土間床）
水循環（融雪、地下水パッシブ冷房）

ヒートパイプ（融雪）※本計算方法の適用範囲

クローズドループ

本計算方法での呼称
オープンループ

垂直埋設型(ボアホール・杭)

空気循環(チュ-ブ・パイプ・トレンチ)

小口径(ボアホール孔径200mm以下)

固体充填

ダブルUチューブ

大口径(ボアホール孔径・杭径200mm超)
ヒートポンプシステム（一次直膨方式以外）

クローズドループ

液体(水)充填

＋

地域・建物・設備
等 の設定シングルUチューブ

ヒートポンプシステム（一次直膨方式）

地中熱利用方式

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

大口径固体充填

間接型

間接型水充填

直接循環型

直接循環型水充填※水または不凍液使用

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)

水平埋設型

水平埋設型

熱源水温度予測式の決定
オープンループ※新たに評価可能となった地中熱交換器の種類

図 1 地中熱利用システムの分類と適用範囲※新たに評価可能となった地中熱交換器
本計算方法における地中シングルUチューブ
熱交換器の分類

ダブルUチューブ

充填材

大口径固体充填

間接型水充填

珪砂、豆砂利、コンクリート等(固体）

単一熱交換器中の※パス数
ボアホール孔径
杭径

1パス

直接循環型水充填

水等(液体）
熱交換器中の充填
水と直接交換

1パス以上

2パス以上
200mm以下

200mm超―

地中熱交換器の例
名称

シングルUチューブ

ダブルUチューブ

スパイラルチューブU字状チューブ方式

ボアホール

ボアホール

ボアホール

ボアホール

既成コンクリート杭(固体充填)
杭鋼管杭(固体充填)
杭

場所打ち杭
杭

既成コンクリート杭(水充填)杭鋼管杭(水充填)
杭二重管(同軸)ボアホール

・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熱源水温度予測式の傾きkH, kC：k = c×RQ + d→暖房時、冷房時熱源水温度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)

水平断面図
(例)

外気温
垂直断面図
(例)

材質
孔経・杭径
(例)
充填
熱媒

地
中
熱交
換器
長

日平均熱源水温度

空調負荷の出現時間
マトリックス作成(負荷帯、熱源水温帯毎)

地中熱HP＋補機・定格能力 ・定格消費電力
・特性曲線
等

杭：コンクリート
高密度ボリエチレン 高密度ボリエチレン
高密度ポリエチレン 架橋ポリエチレン管 内管：高密度ポリエ(Uチューブ)(Uチューブ)
孔経約500mm以上 孔経約300mm以上 チレン(Uチューブ)
孔経100～200mm 孔経110～200mm
孔経約500mm以上
珪砂、豆砂利、珪砂、豆砂利、珪砂、豆砂利、珪砂、豆砂利
珪砂
コンクリートコンクリートコンクリート
水・不凍液

水・不凍液

水・不凍液

水・不凍液

水・不凍液

杭：スチール
内管：高密度ポリエ
チレン(Uチューブ)
孔経約200mm以上

杭：鉄筋コンクリート 杭：コンクリート
内管：高密度ポリエ 内管：高密度ポリエ
チレン(Uチューブ) チレン(Uチューブ)
孔経：約500mm以上 孔経約500mm以上

杭：スチール
外管：スチール
内管：高密度ポリエ 内管：ポリエチレン、チレン(Uチューブ)
塩ビなど
孔経約200mm以上 孔経約200mm以下

珪砂

コンクリート

水

水

水

水・不凍液

水・不凍液

水・不凍液

水・不凍液

水

空調一次エネルギー消費量の算出※パス数： 一つの地中熱交換器の中の熱媒を通す経路数をここでは「パス数」と呼ぶ。例えばシングルUチューブでは、地上から地中熱交換器に入り地表に戻る配管は1経路であることから「1パス」となる。このときに水平断面では2つの配管断面が現れることになる。

図 2 クローズドループ・垂直埋設型の分類

図 3 地中熱 HP システムの評価フロー－ 69 －

Ⅱ 地中熱ヒートポンプシステム評価の拡充
2.5相当熱交換器長換算係数の逆数 1/l [-]

図1に地中熱利用システムの分類と本評価手法の適用範囲を示す。
この度の拡充により垂直埋設型の熱交換器のうち「大口径固体充填」「間接型水充填」「直接循環型水充填」の3分類が評価対象に追加され、クローズドループの地中熱交換器をもつ地中熱ヒートポンプシステムのすべてを評価可能となった。この3分類には、基礎杭を利用した熱交換器、大口径ボアホールに埋設した熱交換器の多様な方法が含まれており(図ダブルUチューブ

大口径固体充填(d=600mm)

シングルUチューブ

間接型水充填(d=600mm)

水平埋設型

直接循環型水充填(d=600mm)

21.5
10.502)、熱的な特性の違い及び審査時の確認の簡便さを考慮して0グルーピングされている。

0.511.522.5
有効熱伝導率λ[W/(mK)]33.5

図 4 地中熱交換器 6 分類の熱交換能力3分類の熱交換器を含めた評価フローを図3に示す。熱交換器3分類に対応して追加した相当熱交換器長換算係数lの計算式を適用することで、それぞれの熱交換性能を反映することが可能となっており、以降の熱交換器の長さ(L)を有効熱伝導率λ=2.0[W/(mK)]の地盤に設置したダブルUチューブに相当する長さ(相当熱交換器長L’)に変換して熱源水温度を予測するモデルを適用するのはこれまでと変わってはいない。
図4に有効熱伝導率と相当熱交換器長換算係数の逆数①実測とGround Clubでの計算による熱源水温度の比較(λ=2.0[W/(mK)]におけるダブルUチューブの熱交換能力を1GC計算値

2020

予測モ デル計算値

181614

温度[℃]の熱交換器については、直径dの値にもよるが、ほぼダブルU予測モ デル計算値[℃]18とした時の倍率を意味する)の関係を示す。追加された3分類121086

チューブより大きな熱交換能力をもつモデル化がなされてお421412
冷房期間

10の1.2～2倍程度の熱交換能力を有すると評価される。

3月1日

2月1日

1月1日

12月1日

11月1日

9月1日

10月1日

8月1日

7月1日

6月1日

5月1日

4月1日

0り、d=600mmでの「大口径固体充填」ではダブルUチューブ

16

暖房期間
88101214161820

GC計算値[℃]②Ground Clubと予測モデルによる熱源水温度の比較

Ⅲ 熱源水温度予測モデルの検証

図5 PHC杭における熱源水温度予測モデルの検証

図3の熱交換器3分類に対応して追加した相当熱交換器長換算係数lの計算式を適用した熱源水温度予測モデルの妥当性

ルギー消費量計算における熱源水予測モデルとしては妥当なを検証するために、実測データと比較検証を行った。
ただし、モデルとなっていることが分かる(図5 ②)。

実測と予測モデル構築に想定した状況に乖離がある場合には、Ⅳ まとめ

その状況自体により熱源水温度の算定値が乖離することが容対象とする地中熱交換器の範囲を拡大した地中熱ヒートポ

易に予想されることから、予測モデル構築に使用した「地中ンプシステムの省エネルギー性能評価手法について示した。

熱源ヒートポンプシステム性能予測プログラム」Ground Club

本報で示した地中熱ヒートポンプシステムの評価方法は、を介して、①実測状況下にあわせたGround Clubでの計算値と平成29年10月より建築物省エネルギー基準における一次エネ実測値の比較、②実測に近しい空調使用パターン・気象条件ルギー消費表計算法において利用可能となっている。

下でGround Clubでの計算値と熱源水モデル予測値の比較と二段階での検証とした。

参考文献

PHC杭(内部に水充填。間接熱交換)の検討を図5に示す。測・ 地中熱ヒートポンプの評価方法(タイプの判別方法),

定された熱源水温度の空調稼働時の日平均値はGround Club

http://www.kenken.go.jp/becc/documents/building/Definitions/GroundSの計算によりよく再現されており(図5 ①)、予測モデルによourceHP_20171010.zip (「建築物のエネルギー消費性能に関する技る算定もGround Clubでの推移とほぼ合致しており、一次エネ術情報」サイト内, 2018年2月現在)－ 70 －