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（１）
国立研究開発法人

建築研究所

環境研究グループ 主任研究員 西澤 繁毅

はじめに平成28年非住宅建築物の省エネルギー基準において評価が可能となった地中熱ヒートポ
ンプを利用した空調システムについては、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チューブと地表面近くを掘削したトレンチに設置する水平埋設型に限られていた(図1)。
地中熱交換器には、他に鋼管杭やコンクリート杭を利用するものもあり(図2)、それらについても一次エネルギー消費量を評価できることが望まれていた。ここでは、拡充の対象となる地中熱交換器のモデル化の概要と、検証結果について示した。
なお、本方法は、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ルギー消費表計算法において利用可能となっている(http://www.kenken.go.jp/becc)。

地中熱HPシステム評価の拡充
図1に地中熱利用システムの分類と適用範囲を、図2に垂直埋設型熱交換器の分類を示す。この度の拡充により、基礎杭や大口径ボアホールに設置された熱交換器を、新たに「大口径固体充填」「間接型水充填」「直接循環型水充填」の3分類で評価できるように整理した。この3分類は、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いる。
図3に更新した評価フローを示※本計算方法の適用範囲す。3分類の熱交換性能を反映するための相当熱交換器長換
算係数 l の計算式を追加している。
図4に追加した3種類の相当熱交換器長換算係数の逆数(λ=2.0[W/(mK)]におけるダブル※新たに評価可能となった地中熱交換器の種類
Uチューブの熱交換能力を1とし
図1 地中熱利用システムの分類と適用範囲た時の倍率を意味する)を示す。
直 径 d=600mm で は 、 ダ ブ ル U
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いる。
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）

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

ヒートポンプシステム（一次直膨方式）

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）

地中熱利用方式

シングルUチューブ

クローズドループ

液体(水)充填大口径固体充填

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

水平埋設型

水平埋設型

オープンループ

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

相当熱交換器長換算係数の逆数 1/l [-]2.5

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)

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

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

水平断面図
(例)

2垂直断面図(例)

1.5

既成コンクリート杭(固体充填)
杭

地
中熱交換器
長

10.5

材質
孔経・杭径
(例)

0充填

00.5

11.5
22.5
有効熱伝導率λ[W/(mK)]33.5

図4 6分類の熱交換能力

熱媒

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※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

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（２）
国立研究開発法人

建築研究所

環境研究グループ 主任研究員 西澤 繁毅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

熱源水温度予測モデルの検証

・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)

図3の追加3分類の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を検証した。検証は、予測モデル構築に使用した「地中熱源ヒートポンプシステム性能予測プログラム」GroundClubを介して、①実測状況下にあわせた
Ground Clubでの計算値と実測値の比較、②実測に近しい空調使用パターン・気象条件下でGround Clubでの計算値とモデルによる予測値の比較と二段階で行った。
PHC杭(水充填。間接熱交換)の検討を図5に示す。測定された熱源水温度の空調稼働時の日平均値はGround Clubの計算によりよく再現されており(図5①)、予測モデルによる算定もGround Clubでの推移とほぼ合致する結果が得られている(図5②)。
一次エネ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モデル化となっていることが分かる(図5 ②)。

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]・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)

熱源水温度予測式の決定
・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)①実測とGround Clubの比較
GC計算値

2020

予測モ デル計算値

18

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)1412108642

地中熱HP＋補機・定格能力 ・定格消費電力
・特性曲線
等

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

4月1日

空調一次エネルギー消費量の算出

161412
冷房期間

1005月1日日平均熱源水温度

16

温度[℃]

外気温

予測モ デル計算値[℃]

18

暖房期間
88101214

GC計算値[℃]②Ground Clubと予測モデルの比較

図5 PHC杭におけるモデルの検証
図3 地中熱HPシステムの評価フロー

161820