ＢＲＩ－Ｈ２７講演会テキスト

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
環境研究グループ 主任研究員

Ⅰ はじめに西澤 繁毅設計した地中熱交換器の熱交換能力のタイプ選択

平成 25 年に一次エネルギー消費量による総合的な省エネルギー性能評価手法が建築物の省エネルギー基準に導入され・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)

が及んでいない評価技術は存在しており、地中熱を利用した空調技術もその一つである。地中熱利用技術は、自然に存在する熱源を有効に利用する技術として期待されており、定量的に効果を把握する手法の確立が望まれていたことから、検討を進めてきた。本報は、地中熱利用技術のうち地中熱ヒートポンプシステムについて一次エネルギー消費量計算法の確

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’の数表より作成ているが、一次エネルギー消費量算定において定量的な評価

・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立に向けて検討した結果について報告するものである。地中地中熱HPタイプ1～5
地中熱HP＋補機・定格能力 ・定格消費電力

熱ヒートポンプシステムの評価にあたっては、その他の空＋地域・建物・設備等 の設定

調・熱源設備の評価にならい、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

Webプログラムで計算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・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)
等デルを構築した。本報は、評価手法の枠組を示すとともに、検討の中心となった還水温度予測モデル構築に向けた内容に年間計算
空調負荷(日毎)ついて示すものである。

還水温度予測式の決定

Ⅱ 地中熱ヒートポンプシステムの評価フロー

・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)

図 1 に評価フローの原案を示す。現在運用している非住宅建築物の一次エネルギー消費量算定プログラムに組み込んで、地中熱ヒートポンプシステム(地中熱 HP)の評価を行えるように構成している。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 の能力に対応して、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ととしている。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)に応じて外気外気温

日平均還水温度

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

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。
Ⅲ 還水温度予測モデルの検討
8 地域区分、5 つの用途を想定したモデル建物の空調負荷－ 127 －

図 1 地中熱 HP システムの評価フロー原案

20
暖房

トポンプシステム性能予測プログラム Ground Club で計算し重心位置 X 座標、②重心位置 Y 座標、③線形回帰式の傾きについてモデル化の検討を行ったところ、①重心位置X 座標：暖房、冷房期間平均外気温度θoa,H,ave, θoa,C,ave②重心位置のY座標：θ’w,C

10

暖房

5y = 0.3397x + 2.3035
R² = 0.6643
0 ②θ’w,H①重心位置X座標：
θoa,C,ave－ θoa,ave①θoa,H,ave－ θoa,ave‐10‐15‐20‐5で代表してモデル化できた③kH

20用途に適用可能とするために、図 2 の線形関係における、①冷房15(図 2)。この関係について、複合した室用途も含めた各種室③近似直線の傾き：kC

5

温度を外気温度の線形近似として求められることを確認した

Q'=80W/m

0

還水温度の間に、最大 2～4℃程度の差異を含むものの、還水

冷房

15‐5

平均還水温－年平均外気温[℃]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

y = 0.6718x + 5.3981
R² = 0.8456

事務所事務室(6地域)

10(動的負荷計算プログラム NewHASP を使用)から、地中熱ヒー

日平均外気温－年平均外気温[℃] (年平均外気温15.7℃)②重心位置 Y 座標：空調時還水温度の期間平均値は、年平均

図 2 還水温度と外気温度の関係整理された(図 3 左)③線形回帰式の傾き：RQ との関係でモデル化し(図 3 右)、一次式の係数 c, d を同定できたことから還水温度予測モデルを構築できることが確認され、その後、評価フロー(図 1)におけるパラメータの同定を行っている。

20Q'[W/m]
10080
60

1540

102030冷房

2550-5-10-15-20-250.8

暖房
Q'[W/m]
20
40
6080
100

1地域
4地域
7地域

2地域
5地域
8地域

3地域
6地域

00.2 0.4 0.6 0.8

3地域
6地域

冷房

Q'[W/m]10080

Q'[W/m]0.6
100
0.50.4

80
600.3

400.2

2001

2地域
5地域
8地域

※プロットは暖房,Q'=60W/mについて

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

1地域
4地域
7地域

10.9

還水温度予測式傾き[‐]日積算空調負荷の期間最大値 QH, QC に関する比 RQ により

日平均還水温期間平均値－年平均外気温[℃]

外気温度との差(θ’w,H, θ’w,C)でとらえると、暖房、冷房期のRQ [-]604020暖房-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2

00.2 0.4 0.6 0.8

1RQ [-]

図 3 θ’w,H, θ’w,C(左)、kH, kC(右)の回帰式

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30なった(図 4 左)。しかし、この還水温度を用いて計算した地
中熱 HP システムの消費電力量においては、差異は小さくなり(図 4 右)、年間積算値においてはほぼ一致する結果が得られた(図 5)。以上から、本評価法による地中熱 HP の一次エネル

252015105

ギー消費量算定の妥当性を確認することができた。

10※不易層温度設定19.7℃(計測した外気温の年平均値より)モデル(タイプ4)(暖房)
モデル(タイプ4)(冷房)5101520253035

日平均還水温度【実測値より】[℃]

算法において地中熱 HP の評価を行う手法を検討し、地中熱交換器からの還水温度を予測するモデルの構築を行った。
現在、実装に向けた検討を実施しているところである。

参考文献
1) 住宅・建築物の省エネルギー基準及び低炭素建築物の認定基準に関する技術情報, http://www.kenken.go.jp/becc/

6420

モデル(タイプ4)(暖房)
モデル(タイプ4)(冷房)0246

図 4 実測値との比較(左：還水温度、右：消費電力量)
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
07,103

暖房

2,801

冷房

7,0862,745

図 5 実測値との比較(年間消費電力量)－ 128 －

8

室外機消費電力【実測値より】[kWh]実測値

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

年間消費電力量[kWh]Ⅴ まとめ8

タイプ4
計算値

35

還水温度予測値[℃]

東京都千代田区の S ビルの実測結果と比較したところ、還室外機消費電力【COPモデル適用】[kWh]

Ⅳ 実測値との比較検証

10