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直接膨張方式の地中熱ヒートポンプに用いる地中熱交換器について
山梨大学大学院

総合研究部 工学域
武田哲明

機械工学系

研究背景
直接膨張方式地中熱ヒートポンプの概要
初期のボアホール型地中熱交換器
ボアホール型地中熱交換器を並列に設置した場合
ボアホール型地中熱交換器を給湯専用として用いた場合
農業ハウスに設置したボアホール型並列型地中熱交換器
住宅用鋼管杭を地中熱交換器に用いた場合

日本冷凍空調学会調査研究プロジェクト「環境変化に対応するための先進熱交換技術に関する調査研究」
第7回委員会令和元年12月2日（月）＠北海道大学
日本冷凍空調学会調査研究プロジェクト第7回委員会 令和元年12月2日（月） 北海道大学

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日本冷凍空調学会調査研究プロジェクト第7回委員会 令和元年12月2日（月） 北海道大学

研究背景

研究背景

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、高い成績係数を得ることに成功してきた。

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①住宅用鋼管杭、②ボアホール内に挿入したケーシング管、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。

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。

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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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
能力目安

4.0kW、2.2kW
14畳、6畳日本冷凍空調学会調査研究プロジェクト第7回委員会 令和元年12月2日（月） 北海道大学

4初期の実験装置（空調利用）

最初の熱交換器（５－１型）

本実験での実験装置は，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である．

地中熱交換器上部

室内機
出力:4kW
設定温度：27℃(冷房)
20℃(暖房)地中熱交換器底部

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

冷媒圧力

 運転開始直後は，圧縮機出口及び地中熱交換器入口の冷媒温度が約70℃まで上昇した．
 その後30℃程度まで低下するが運転時間の経過とともに上昇し，各々24時間で約8～15K上昇した．

 圧縮機出口及び地中熱交換器入口の圧力が2.1MPaまで上昇した．
 その後1.8MPa程度まで低下するが運転時間の経過とともに上昇し，24時間
で約0.5MPa上昇した．

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Fin-type heat exchanger
in the air-source-type
air conditioner

Heat
Transfer Area

3.889605(m2)1.525306(m2)Capacity

0.004136(m3)0.002512(m3)
約1.6倍

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性能及び地中温度変化（冷房運転）

冷媒温度及び圧力変化（冷房運転）
冷媒温度

Underground Heat
Exchanger

出力，COP，消費電力 出力は4.0 kW程度で安定し，COPは10～12を得た．

地中熱交換器温度

BH 10m 地中熱交換器の放熱量は約133W/mであった．
 地中熱交換器の温度変化から，30m付近での放熱は確認できないことから，凝縮過程は20m～30mの間でほぼ終了していることが予想される．

7BH 20m

BH 30m

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8性能及び地中温度変化（暖房運転）

冷媒温度及び圧力変化（暖房運転）
冷媒圧力

 圧縮機入口および地中熱交換器出入口温度はほぼ一定である．

 圧 縮 機 出 口 圧 力 は 約 1.9MPa ～2.4MPaの間で変動するが，平均では約2.1MPaである．

 圧縮機出口温度は約34℃～51℃の間で変動し，これに伴い圧縮機出入口の温度差が変動するため，圧縮機に負荷がかかっている状態になっいると推測される．

地中熱交換器温度

性能評価

冷媒温度

 出力は2.0～3.8 kWの間を僅かに増大して行くが，COPは最大で8.5，低い
ところで6程度であり，その平均値は7.2 で あ っ た ． 消 費 電 力 は 約 0.3 ～0.5kWであった．

 圧縮機の入口，地中熱交換器出入口
圧力はほぼ一定である．

BH 10m

BH 20m 冷房運転の場合と同様に熱交換器単位長さ当りの採熱量は約100W/mであった．
9日本冷凍空調学会調査研究プロジェクト第7回委員会 令和元年12月2日（月） 北海道大学

BH 30m10日本冷凍空調学会調査研究プロジェクト第7回委員会 令和元年12月2日（月） 北海道大学

冷暖房運転（設定温度27℃，20℃，運転期間24時間）

地中温度変化

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。

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。

COP13（平均値）

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冷媒循環方向Output Power

1.00.81412108消費電力
0.3kWh（平均値）

0.60.4

640.2

2

取得熱量
3.8kW（平均値）

00.00:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00

Operating Time
凝縮器の時の冷媒循環
方向は5⇒1放熱1098765432
100:00COP

1本→5本

Integral Power Comsumption

2.0
1.8
1.6
1.4
1.2COP
取得熱量
1.07（平均値）
3kW（平均値）
0.8
0.6
0.40.2
消費電力
0.00.4kWh（平均値）
3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00
Operating Time

暖房・給湯運転時のCOPは約7であり、これは冷媒循環時の流動抵抗が影響している。
これを解決することでCOP向上が見込める。

蒸発器の時の冷媒循環方向は1⇒5冷房運転時
BH 10m40

BH 20m

暖房運転時
BH 10m

BH 30m3530252015100:00

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．

採熱

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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。

11161412108642
給湯専用機の試作機
00:00
6:00

BH 20m

BH 30mTemperature [℃]

Output Power(kW)，COP

18

5本→1本

Integral Power Consumption

Temperature [℃]

COP

Integral Power Comsumption(kWh)

冷媒循環方向Output Power

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．

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並列地中熱交換器（４－１型）

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℃)

 直接膨張方式地中熱ヒートポンプでは，これまでの実験により，高性能化を実証してきたが，熱交換性能が優れているため，地中熱交換器深さを短縮できることから，逆に地中熱交換器1本辺りの地盤環境負荷が大きくなることが課題である．
 本実験での実験装置は，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である．

 地中熱交換器を4m間隔で並列に2本設置し，その中間に地盤への環境負荷影響を調べるため観測孔を設けた．

 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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日本冷凍空調学会調査研究プロジェクト第7回委員会 令和元年12月2日（月） 北海道大学観測孔内の温度変化（水平方向の熱拡散による影響）暖房運転時

出力，COP，消費電力と地中温度の変化

HP

暖房運転(室内機設定温度20℃)
10m

BH ①15m
20m

COP 9
COP 6

1 kW
0.6kW

BH 5m
BH 10m

注水
BH 15m
BH 20m 長期にわたる連
続負荷運転時にはボアホール内に水を注水し，ボアホール内の水を少し動かす等の補助的な除熱システムを考える必要がある．

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BH ② 複数の地中熱交換器を設置した場合には，互いの熱干渉を避けるため，約4m以上の距離が必要とされる．
 実験結果より，地中熱交換器間の距離が2mあれば，地中熱交換器間の熱干渉による地中温度変化への影
響は比較的小さい．
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地中熱交換器

給湯専用実験装置
Refrigerant flow
Water flow

ケーシング管

Cu
Insulating material

Temperature measuring point
Pressure measuring point
Heat Pump(SGP管)

⼆号珪砂

Line pumpCondenser

緩衝液（H2O）

30m

Hot watertank(460L)

Compressor

採熱管（Cu）
断熱材（架橋ポリエチレン発泡体）

Drain

Expansion valve

耐圧材

165.2mm30m

10m20m

ヒートポンプ
給湯能⼒︓5.0kW
冷媒︓R32（1.0kg）

30m155.2mm

平面図

側面図
⽔-冷媒熱交換器
キャピラリー抱合伝熱管
個数︓2個
材質︓銅
熱交換⽅式︓対交流

冷媒循環⽅向地中温度計測点

貯湯タンク
貯湯容量︓460L 17

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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採熱管
（1本側）

6.53mm

4.35mm

採熱管（3本側）

6.35 mm

4.35 mm18

理論成績係数︓TCOP

7⽇間（2018/10/15〜10/21）

1𝑇𝐶𝑂𝑃

23:00（深夜電⼒を使⽤）

運転開始時刻155.2 mm

Theoretical Coefficient of Performance

⼭梨⼤学甲府東キャンパス
中間期

内径165.2mmシステムの性能（垂直埋設型）

実験場所・⽇時
実験場所

外径ケーシング管

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実験条件

実験期間

冷媒1

利⽤側
⼊⽔温度

⽔道⽔温度[ºC]

沸上温度
沸上⽔量

68.5[ºC]
460[L]

𝑇𝑇
𝑇
𝑇

7⽇間のTCOPの平均値︓7.0

Ta︓蒸発器出⼝の冷媒温度[K]Tb︓圧縮機出⼝の冷媒温度[K]Tc︓凝縮器出⼝の冷媒温度[K]67％

システム成績係数︓SCOP

System Coefficient of Performance :𝑆𝐶𝑂𝑃c

ρ

q

TT

P

7⽇間のSCOPの平均値︓2.3

c︓⽔の⽐熱 4.2 [kJ/(kg・K)]
ρ︓⽔の密度 1.0×103[kg/m3 ]Tout︓⽔冷媒熱交換器出⼝⽔温[ºC]q︓⽔の循環流量[m3/s]
Tin︓⽔冷媒熱交換器⼊⼝⽔温[ºC] P : システム全体の消費電⼒[kW]4⼈家族１⽇のお湯使⽤量（⼭梨県甲府市）︓380〜510L
68.5ºCの温⽔460Lをすべて40℃として給⽔する場合

7⽇間のTCOPの平均値︓約7.0➡地中熱ヒートポンプとして⼗分な性能を発揮している
TCOPとSCOPで約67％の差➡利⽤側での熱損失が⼤きい➡⽔冷媒熱交換器の伝熱⾯積を拡⼤し、温度効率を⾼めることでさらなる性能向上が⾒込める＜夏季＞ 例 混合する⽔道⽔温度23℃ ➡1231L⽣成(40℃)＜中間期＞例 混合する⽔道⽔温度14℃ ➡964L⽣成（40℃）＜冬季＞ 例 混合する⽔道⽔温度3℃➡814L⽣成（40℃）➡最⼤負荷条件での7⽇間の運転
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𝑇 ln19日本冷凍空調学会調査研究プロジェクト第7回委員会 令和元年12月2日（月） 北海道大学

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7日間の地中温度変化

３並列の地中熱交換器を用いた場合：運転期間
地中熱ヒートポンプを山梨県の主要産業である農業分野にも導入するため，県が主導となり，環境省の補助金を利用して，これまで山梨大学で研究開発を進めてきた，直接膨張方式地中熱ヒートポンプによる夏秋イチゴのハウス冷暖房事業を実施している．

運転開始時の地中温度が低下

計画地(北杜市大泉町)は標高800mの高地であり，これまでは夏季の冷房が不要であった．近年の温暖化の影響で、特に夜間の気温が下がらず，作物の結実に影響があることから，冷房の必要性が生じた．これにより，直接膨張方式地中熱ヒートポンプが導入されることになった．
そこで，既築の高断熱式ビニールハウス（8×27=216m2）に対して，主に夏季の冷房用として地中熱ヒートポンプを2台導入し，φ100mm×30mの3本のボアホール内にそれぞれ地中熱交換器を収め，3本1組として，2組用いて稼働させている．
「廃熱・湧水等の未利用資源の効率的活用による低炭素社会システム整備推進事業」

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(室内機＋送風ダクト)
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夏秋イチゴのハウス冷暖房実証試験装置(室外機)(ハウス内)

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３並列型地中熱交換器（３－１型）

 機器能力は，栽培する夏秋イチゴの要求する温度を維持するための能力と仮定し，冷房出力12.5kW，暖房出力14kWとした．
 高負荷時の地中への採放熱が地中温度に大きな影響を及ぼさないように，注水用の井戸を併設してボアホール内へ注水することにより，採熱量を補う方法を採用した．
 注水に用いる井戸の揚水量は各熱交換器あたり最大でも3ℓ/分として全体でも18ℓ/分とすることから，家庭用の井戸と比べても少ない．
 注水後の溢水は浸透させて地下に還元させることとした．

室内機HP

30m×3本井間距離2m

ビニールハウス(8×27ｍ）
HP能力；暖房能力14.0kW；冷房能力12.5kW(2台)ボアホール30×3本(2組)

注水井戸「廃熱・湧水等の未利用資源の効率的活用による低炭素社会システム整備推進事業」

井間距離2mP

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地中熱交換器（３－１型）

地中熱交換器の設計例
３並列銅管熱交換器の設計例

暖房
冷房

Cross section
Thermal insulting material

改造ヒートポンプ

Heat transfer tube
Pressure resistant material
30m

3分岐ディストリビュータの例

Steel gas pipe
銅管

断熱材

珪砂

水

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
・冷媒循環方向冷房運転時：3本⇒1本
暖房運転時：1本⇒3本Silica sand105.3mm

SGP 100～150A
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計測点

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熱量計測

0m
温度計
5m




Levelmonitor

10m

製造者（株）チノー
型式：側温抵抗体仕様：pt100クラスA（JIS規格）
保護管SUS316
データロガー

湿度計


15m

製造者：トウプラスエンジニアリング（株）
仕様：計測精度±2%(10~90%RH at25℃)±3%(2~10%RH，90~100%
RH at25℃)



製造者：日置電機（株）
仕様：測定精度±0.25%

20m
15m

室内機吐出温度(4点)室内機吐出風速(4点)Indoor unit

30m

P

Heat exchanger

室内機吐出湿度(2点)WellHP11340142647273950582124115254828385159

Temperature of the water in the boreholes(28points)

31142162449

29375260

Temperature of the heat exchanger wall(39points)

41043

1723503036535944

182251313554845

1952

32

3455
56

62146
753
20

3330m

61

室内吸込出温度(2点)
室内吸込出湿度(2点)

Well

6263P

64P2m2m
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令和元年12月2日（月）
北海道大学

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試運転の結果

運転結果（暖房運転）
性能評価

ハウス内温度

6月14日
 外気温が2℃程度まで低下した場合の暖房試験では，ハウス内温度を約14℃以上に維持することが可能であり，COPは約4であった．

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実験装置（初期の鋼管杭システム）

運転結果（冷房運転）
ハウス内温度30

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性能評価

Air conditioner

Cooling capacity 2.2kW
Heating capacity 3.2kW ×5

 外気温度が約35℃の場合，ハウス内温度は約32℃に保つことができた．
 参考までに外気温度が約31℃の場合に，冷房運転を行わない場合は，ハウス内温度が35℃まで上昇した．

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Heat pump
Cooling capacity 6.8kW
Heating capacity 9.0kW
Refrigerant：
R410A(7.5kg)+Oil(0.5L)

Underground heat exchanger(Foundation pile)

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Arrows and number; Flow direction

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地中熱交換器

実験装置
地中熱交換器鋼管杭ヒートポンプ

外径：114.3 mm
内径：110.8 mm
12 m×1本,15 m×6本
20 m×8本 計15本

冷媒：R410A (7.5kg)
冷房能力：6.8 kW
暖房能力：9.0 kW

採放熱管
銅管×1本
外径：4.0 mm
内径：3.2 mm
長さ：12 m鋼管杭銅管×2本
外径：4.6 mm
内径：3.8 mm
長さ：12 m

外径 : 114.3mm
内径 : 110.8mm
12m×1本，15m×6本，20m×8本

地中熱交換器
材質 : 銅長さ : 12m
戻り側×1
外径 : 4.0mm
内径 : 3.2mm

往き側 ×2
外径 : 4.6mm
内径 : 3.8mm

室内機
空調面積：15.3 𝑚冷房能力：2.2 kW×5台
暖房能力：3.2 kW

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12m×1,令和元年12月2日（月）15m×2, 20m×2 北海道大学
15m×2, 20m×3

冷媒の均等流量確認

15m×2, 20m×334

性能評価（冷房運転）
成績係数 COP h    A COP P6⊿h；2次系室内機出口・入口のエンタルピー差（kJ/kg） ρ；空気密度（kg/m3）
A；空調機出口ダクト面積（m2）V；風速（m/s）
P；圧縮機の消費電力（10分間の積算値）（kW）

3分岐部分

Study on Ground Source Heat Pump That Use Direct Expansion
Method Using Foundation Pile
Shuhei ISHIGURO, et al.
2018年12月31日，日本冷凍空調学会論文集，Vol.35，No.4

冷房運転(9:00～18:00 設定温度27℃)

5.4kW
5.0kW

 誤差約2% 3分岐ではほぼ均等に冷媒が流れていると想定される

1h

COP：7.5

1h約16%減
COP：6.30.7kW
外径6.35㎜(3分岐)①

外径6.35㎜(3分岐)②0.8kW

外径6.35㎜(3分岐)③ディストリビュータ

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性能評価（暖房運転）

水平方向の地盤温度上昇への影響（冷房運転）

成績係数 COP
COP  h    A P6⊿h；2次系室内機出口・入口のエンタルピー差（kJ/kg） ρ；空気密度（kg/m3）
A；空調機出口ダクト面積（m2）V；風速（m/s）
P；圧縮機の消費電力（10分間の積算値）（kW）

冷房運転では地中熱交換器が凝縮器となり、地中に熱を放熱する

暖房運転(8:30～17:00) 設定温度20℃)

室内機
鋼管杭

HP

観測孔

鋼管杭内

放熱

3m

鋼管杭から3m離れた地点の地中温度変化は1℃未満であり，地盤温度上昇への影
響は小さい．
3m

4.2kW
3.9kW

1h

COP：5.7

1h約7%減

COP：5.3

運転期間

運転期間
0.7kW

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水平方向の地盤温度降下への影響（暖房運転）
暖房では地中熱交換器が蒸発器となり、地中から熱を採熱する

鋼管杭内

室内機
鋼管杭

採熱

HP

3m

38

日本冷凍空調学会調査研究プロジェクト第7回委員会 令和元年12月2日（月） 北海道大学

直接膨張方式地中熱ヒートポンプのシステム構成

鋼管杭から3m離れた地点の地中温度変化は1℃未満であ観測孔 り ， 地 盤 温 度 降 下への影響は小さい．

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(家庭用・産業用)
Indoor Unit
Heat Pump

Borehole system

3m

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)
地中熱交換器

運転期間

日本冷凍空調学会調査研究プロジェクト第7回委員会 令和元年12月2日（月） 北海道大学

運転期間

39

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

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

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

日本冷凍空調学会調査研究プロジェクト第7回委員会 令和元年12月2日（月） 北海道大学

ボアホール温度計測点

深さ5m毎40