2013.10.8 地中熱利用普及セミナーin十日町

地中熱利用に必要な地盤情報
について

1

内 容
地中熱交換器の設置方法
必要な地盤情報2

地中熱ヒートポンプシステム
地下水を利用するかどうかで方式が分かれる。
地中熱ヒートポンプシステム

地下水揚水なし
あり

クローズドループ方式

垂直型

クローズドループ
水平型

オープンループ

オープンループ方式
図：「地中熱ヒートポンプシステム」（オーム社）より
3

地中熱利用の深さ
クローズドループ方式では、深度200m程度までの地中熱を地中熱交換器により採熱する。

地中熱エネルギーと地熱エネルギーのイメージ
4

地中温度の年変化
深さ10m程度までは地中温度が安定しないので、地中熱交換器は深さ100m前後まで設置されることが多い。
温度（℃）

0010

冬

春

20

秋30

夏

深さ（m）

51015

約10m以深の地中の温度は年中一定

20
地中温度の垂直変化
図：NPO法人地中熱利用促進協会より5地中熱交換器の設置手順
ボーリングを行い採熱管（Uチューブ）を挿入する。
掘削開始掘削完了

採熱管挿入

抜管・
砂利充填

完成

6

手順① 掘さく（ボーリング）
掘削コスト低減のため、出来るだけ短期間で掘削できるボーリングマシンが選定される。掘削は100mで2日程度。

リングビット（φ179㎜）

高速振動掘削機（ソニックドリル）

掘削ロッド（長さは3m）

7

手順② Uチューブ挿入
Uチューブに水を注入し、さらに錘を取り付け、掘削ロッド内に挿入していく。準備から挿入完了まで1時間程度。

錘（枠内）の取り付け作業

Uチューブの挿入作業※※写真は、W-Uチューブ（黒いパイプ）と、温度計測管（青いパイプ）の挿入状況
8

手順③ 砂利挿入
ボーリング孔に、砂利（もしくは硅砂）を充填する。

充填砂利充填状況9手順④ 設置完了
ケーシングロッドを抜き、最後に水圧試験によりUチューブの破損がないことを確認して、設置完了となる。

抜管作業

熱交換器の設置完了

さて、どのくらい採熱できるのだろう？
水圧試験

10

地盤情報整備の重要性
採熱量は地盤の熱特性や地下水状況などにより異なる。
ここで、熱負荷に対するバランスが崩れると、設備が過大になったり、過小になったりする。
不確定要素多い

熱負荷【必要となる熱負荷情報】◆空調・給湯必要熱量◆融雪必要熱量◆運転時間・日運転
・季間運転

比較的決めやすい

採熱量【必要となる地盤情報】◆地質断面図・地質図◆地盤の温度・地域的偏り・季節変化◆地盤の有効熱伝導率
・地層の比熱・地層の密度＋・地下水の動き（流動変化、水位変化）
11地質断面図の整備状況
新潟県内では、地質図、地質断面図、水理地質断面図は良く整備されている。
ただし、地中熱利用の観点で整理されていないので、採熱深度（100m）までの地質が不明な地域もある。

深部の情報がない◆既往調査の水理地質断面図の集約◆深井戸（消雪井戸）データの活用による、深度100m程度までの水理地質断面図の整備（図：（社）新潟県地質調査業協会2002：新潟県地盤図）

12

地盤の温度（地域的偏り）
六日町盆地では、狭い範囲で11～20℃と変化している（さく井記録の整理結果）。

六日町の地下水温分布（図：平成18年度新潟県南魚沼市における地盤沈下低減対策検討調査報告書 平成19年3月 新潟県南魚沼市、環境省委託業務）
13地盤の温度（地域的偏り）小千谷市でも、地下水温が10～22℃と大きな偏りがある（冬期測定結果）。
システム設計において、「地中温度は一般的にその地域の年平均気温＋２℃と考えてよい 」とされているが ※ 、地域の地下水温の偏りに注意する。

◆さく井記録（揚水試験）記録の地下水温情報の収集整理◆地下水温度（地中温度）の実測

小千谷市の地下水温（図：新潟県小千谷地域地下水利用適正化調査（水理解析編）報告書
平成6年3月 通産省関東通産局）※「地中熱ヒートポンプシステム」（平成19年オーム社、p.89)
14地盤の温度（季節変化）
長岡市街地では、消雪用地下水の汲み上げによる河川水の引き込みにより、冬期地下水温の低下がみられる。
地中温度は、「 一般に、深さ10mより深い地点の水位も大きく低下している！

温度は外界の気温変動によらず年間を通じてほぼ一定である。」※とされるが、地下水が大量に揚水される地域では、そのより深層での温度変化にも注意する。
◆地下水位観測井への温度計設置

S59.9.10～11
S60.2.25～26
長岡平野の地下水温鉛直分布図 （図：藤縄克之「長岡平野における消雪用地下水利用、アーバン久保田27号、1988年）※「地中熱ヒートポンプシステム」（平成19年オーム社、p.11)

15

-4-6-2
018m

12m

-10

2008年1月
2008年3月
2008年5月
2008年7月
2008年9月
2008年11月
2009年1月
2009年3月
2009年5月
2009年7月
2009年9月
2009年11月
2010年1月
2010年3月
2010年5月
2010年7月
2010年9月
2010年11月-2

柏崎（新橋43m井）柏崎（東部公園120m井）深い帯水層は12月まで水位は回復せず

42

高田平野

高田G2（137m井）

高田地区館（52m）

-10
-8

-12

降雪期直前の12月まで水位は回復せず
月最低水位（海抜 m）

柏崎平野

月最低水位（海抜 m）

2010年11月

2010年9月

2010年7月

2010年5月

2010年3月

2010年1月

2009年11月

2009年9月

2009年7月

2009年5月-6

2009年3月-4

2009年1月

2008年11月

2008年9月

2008年7月

2008年5月

2008年3月

2008年1月

0

2008年1月
2008年3月
2008年5月
2008年7月
2008年9月
2008年11月
2009年1月
2009年3月
2009年5月
2009年7月
2009年9月
2009年11月
2010年1月
2010年3月
2010年5月
2010年7月
2010年9月
2010年11月

2008年1月
2008年3月
2008年5月
2008年7月
2008年9月
2008年11月
2009年1月
2009年3月
2009年5月
2009年7月
2009年9月
2009年11月
2010年1月
2010年3月
2010年5月
2010年7月
2010年9月
2010年11月

月最低水位（海抜 m）

月最低水位（海抜 m）

冬期地下水位低下状況（県内各地）

430225-88620

151050-5155

150

越後平野
（長岡）

38m

-1019m140

長岡（日越小97m井）長岡（前川小22m井)長岡（四郎丸小22m井）-15

新潟（黒鳥170m井）-20

降雪期直前の12月まで水位は回復せず

165

160

魚沼盆地
（南魚沼）

145
南魚沼（河原崎60.5m井）

135

130

融雪期には水位が回復し、ピークとなる（新潟県県民生活・環境部：長岡地区の地盤沈下（35），新潟平野の地盤沈下，上越地区の地盤沈下(40)、柏崎地区の地盤沈下(23)平成23年3月 より作成）

16冬期地下水位低下状況（十日町）
十日町市内では大雪時に60mも水位低下することがある。

平成22年度 十日町市地下水観測記録 図：データは十日町市地下水対策協議会
17面的に見た冬期地下水位低下状況（魚沼市）降雪時には、市街地で地下水位が大きく低下し（目玉の出現）、地下水の流動方向も変化している。
H22.12.1

H23.2.16

地下水面図（降雪期前と降雪期）
図：魚沼市の地下水保全に関する調査報告（魚沼市役所ホームページ）

18

地盤の見掛け熱伝導率
大幅な地下水位の低下は、採熱性能（地盤の有効熱伝導率）に影響する場合がある。
有効熱伝導率は、地層の土壌・岩盤の有効熱伝導率
地質

有効熱伝導率（W/(m・K）
飽 和

不飽和

砂

1.53

1.19

砂 礫

2.0

シルト

1.44

粘 土

1.270.92

火山灰

1.180.90

泥 炭

1.220.88

ローム層

1.0

0.72

岩（重量）

3.1

岩（軽量）

1.4

花崗岩

3.5

表：地中熱ヒートポンプシステム（オーム社）p.92より層相（比熱と密度）と地下水の状態で変化する。
表中の「飽和」は、地下水あり、「不飽和」は地下水がない状態。地下水位が低下
し不飽和になると有効熱伝導率が低下する。

◆県内地下水位観測データの集約（特に市町村独自観測分）◆地下水位変動状況（夏期・冬期）の把握
19熱応答試験（ＴＲＴ）
地盤の有効熱伝導率は、熱応答試験により求めることができる。これを、熱需要時期に合わせ実施する。
TRT試験機
ヒーター電力データロガー

循環水タンク

循環流量

ヒーター

ポンプ

流量計
循環水出口温度

循環水入口温度

熱交換器（W-U）（黒いパイプ）
W-Uでは地表に4本ある。
温度計測管（青いパイプ）
地中の温度変化を計測（2mピッチ）【熱応答試験】
地中に一定負荷を掛けた時の温度応答の変化から、有効熱伝導率と、熱交換器の熱抵抗を求めるもの。

Uチューブ

地中熱交換器20熱応答試験の結果

地下水の流動がある場所では、加熱中の温度上昇は小さく、加熱停止後の温度回復が早い。採熱・放熱に有利となる。
27℃

循環時法

26℃
25℃
24℃

回復時法
0地質柱状図010102020203030304040405050

50

60

60

70

70

70

80

80

90

90

100

1000

無負荷試験

熱負荷試験

回復試験

帯水層では、有効熱伝導率が高い。

23℃
22℃

10

帯水層

21℃
20℃
19℃
18℃
17℃
16℃
15℃

7/10 4:00

7/9 16:00

7/9 4:00

7/8 16:00

7/8 4:00

7/7 16:00

7/6 16:00

7/6 4:20

7/5 16:20

7/5 4:20

7/4 4:20

7/3 16:20

7/3 4:20

7/2 16:20

7/2 4:20

7/4 16:20

温度測定結果直線解析 1.80W/mk

7/7 4:00

80

90

100
0 1 2 3 4 5 6
見掛け熱伝導率，W/m℃

78

見掛け熱伝導率解析結果

深度別有効熱伝導率解析結果
図：新潟県内での実施例深度，m

帯水層

60

7/1 16:23

深度，m

14℃

○消雪井戸の揚水により、地下水流動が加速されれば、有効熱伝導率はさらに良くなる。
21

地下水位低下と採熱性能の変化
消雪井戸が普及している新潟県ならではの課題
消雪井

消雪井

熱交換井

熱交換井

消雪井

熱交換井

地下水位

不飽和熱伝導PP

地下水流動

消雪井の停止↓地下水位の低下なし↓
通常の地下水流動↓
有効熱伝導率の安定（定常状態）

PP

消雪井の適度な稼働↓
地下水位の低下↓
地下水流動活性化↓
有効熱伝導率向上（採熱率向上）PP

消雪井の過度な稼働↓
地下水位の大幅低下↓
不飽和帯の拡大↓
有効熱伝導率低下（採熱率低下）◆夏期・冬期の熱応答試験の実施（一部実施済）

22

地中熱ポテンシャルマップの整備
新潟県のような消雪用地下水の普及地域では、夏期と冬期で地盤の有効熱伝導率が変化することが予想される。

◆夏期・冬期の有効熱伝導率データの蓄積◆有効熱伝導率マップの整備

地中熱利用システムの最適設計

有効熱伝導率マップの整備イメージ
図ベース：産総研地質図navi
23

オープンループ方式のための水質調査
地下水規制地域以外では、オープンループ方式も設備検討の対象となる。
地下水を設備に直接通水する場合は、熱交換器の腐食、スケール防止の観点から、一定の水質※を満たす必要がある。

◆地下水質調査の実施◆地下水質調査結果の整理（既往地下水調査報告書、消雪井工事の水質試験記録など）

新潟県内における地下水採取規制地域※冷凍空調器用水質ガイドライン（pH、電気伝導率、塩化物イオン、硫酸イオン、Mアルカリ度、全硬度、カルシウム硬度、イオン状シリカ）

24

地中熱利用に必要な地盤情報
新潟県における地中熱利用に必要な地盤情報の現状と課題
項 目

現 状

今後の課題

地質断面図

新潟県内ではほぼ整備されているが、深度100m級のデータが不足している地域もある。

・既往の水理地質断面図の集約
・断面図深度の浅い地域は、消雪用さく井記録で補完

地下水温（分布）

地下水温の地域的偏りの存在は明らかになっているが、その把握は一部に限られている。

・公共用消雪井戸のさく井記録等から、全県の地下水温マップを作成

地下水温（変動）

地下水温の季節変動はほとんど明らかになっていない。

・地下水位観測井に温度計を追加するなどし、温度変化を把握

地下水位

県内各地に地下水位観測井があり、点のデータはある。ただし、冬期の地下水位低下範囲など、面的な把握は一部に限られる。

・県内観測井記録の集約
・面的な地下水位の低下状況の把握・効率的な熱交換器設置深度

有効熱伝導率

県内の熱応答試験実施数は少ない。また、冬期の地下水位低下による影響については、一部の把握に留まっている。

・冬期と夏期にそれぞれ熱応答試験を行う。また、熱応答試験データを蓄積し、公開する。

地下水質

オープンループ方式の場合、一定の水質が要求されるが、その水質データの把握は行われていない。

・水質試験の実施
・さく井工事水質試験データの収集整
理25

まとめ
◆深度１００ｍまでの地質断面図の完備◆地下水温（地中温度）の地域的偏りの把握◆冬期地下水位低下状況と有効熱伝導率に与える影響の把握◆各地の有効熱伝導率データの蓄積◆地下水質の把握
26

御清聴ありがとうございました。

27