計測自動制御学会東北支部 第 312 回研究集会 (2017.11.24)
資料番号 312-1

地中熱利用エネルギーシステムの IoT 化に関する研究- 温度, 不凍液流量, 電力量を計測する IoT システムの動作検証 Study on IoT for ground source heat pump system.
- Verification of IoT system for measurement oftemperature,brine volumetric flow and electric power ○三村啓智 ∗ ，武藤伸洋 ∗ ，柿崎隆夫 ∗ ，小熊正人 ∗○ Keichi Mimura∗ , Shin-yo Muto∗ , Takao Kakizaki∗ ,Oguma Masahito∗*日本大学工学部*College of Engineering, Nihon University
キーワード : IoT (Internet of Things)，地中熱利用システム(ground source heat pump system)，

データロガー (data rogger)，PLC(programmable logic controller)連絡先 : 〒 963-1165 福島県郡山市田村町徳定中河原 1
日本大学 工学部 機械工学科 サステナブルシステムズデザイン研究室
三村啓智，Tel.: (024)956-8775，E-mail: keichi.mimura.ss.lab@gmail.com

1.

はじめに表される地上の空気を熱源とした熱利用システ

世界的なエネルギー需要の増大や日本における度重なる震災の影響から，災害に強い地域コミュニティ創成のため，自然共生可能な再生可能エネルギーを活用した地域のエネルギー自立が求められている．福島県においても，再生可能エネルギーの活用を推進しており，県内エネルギー需要の 100%相当量を再生可能エネルギーで生み出すことを目標としている 1) ．これに際し，持続可能な自然共生住環境エネルギーシス
テムの一部として地中熱を利用したエネルギーシステムが研究されている 2) ．このシステムは
地下 0-20 m 程度の比較的浅層域の恒温層土壌を熱源としてヒートポンプを稼働させることで，冷暖房，給湯といった各種熱利用サービスの提供が可能となるシステムであり，エアコンに代ムが苦手な極端な高・低温において効率的に熱利用が可能とされている 3) ．現在までに地中熱利用エネルギーシステムの一般住宅への普及を目指し全国数か所の試験場でシステムの検証が行われている．

Fig. 1 に地中熱利用エネルギーシステム IoT化のコンセプト図を示す．本研究では，地中熱の研究推進と研究設備の保守の効率化を目的として，地中熱利用エネルギーシステムの IoT 化を提案している．地中熱利用エネルギーシステムに設備状態把握のため設置された計測端末に PCを接続することで計測データを取り出し，ネットワークを介して拠点のデータベースサーバにデータを保存，蓄積することで各試験場の計測データの一括管理の実現を目的としている．現–1–

Fig. 1 地中熱利用エネルギーシステム IoT 化のコンセプト．Concept of the introduction of
the IoTsystem to the ground source HP system.

Fig. 2 IoT システムの構成．Schematic of theIoT system.
トポンプ制御等で利用されている KEYENCE社製の PLC（KV-3000）を使用したほか，デー在までに，基礎システムとして，データロガーとタ送信用 PC として MOUSE 社製小型ボックス

PLC，PC を使用したデータの取り出しとサーPC（MousePro-C100PV）を，サーバ PC としバへの送信を行うデータ送信プログラムの作成て DELL 社製のデスクトップ PC（DELL Pre-および，各種データを蓄積とその閲覧が可能なcision Tower 5810）を使用している．

ネットワークサーバを構築した．
本稿では，構築したシステムを利用し，屋内

2.1

データ送信プログラム

外の温度データの蓄積に関する動作を検証する
データ送信プログラムは，計測端末から計測とともに，暖房の運用時間，人の入退室と関連させたデータの見える化について検討した結果データを一定時間ごとに抽出するデータ抽出部と，データをサーバに送信するデータ送信部かを報告する．

ら構成されている．データ抽出部は，計測端末毎に計測データの取り扱いが違うため，データ

2.

IoT システム

ロガーと PLC の端末別に送信プログラムを 2

Fig. 2 に IoT システムの構成を示す．本シス

種類作成した．各データ送信プログラムにより，テムは地中熱利用エネルギーシステムに設置さ抽出した計測データをネットワークを介し，研れた計測端末とデータ送信用の PC，およびネッ究室内に設置されたネットワークサーバへ送信トワークサーバにより構成されている．PC 上する．現状では，データロガーを利用したプロでデータ送信プログラムを動作させることで計グラムでは温度 4 点，流量 2 点，電力量 4 点の測端末から各種センサの計測データを取り出し，計測データ送信が可能である．また，データロサーバに計測データを送信する．サーバでは受ガーを利用したプログラムは送信するデータを信した計測データを統合，処理しリクエストに一時的に記録する仕様のため，データが送信で応じた情報の提示を可能としている．

きない場合にその時のデータを保持しておくリ

今回のシステム構築には，試験場で実際に使用カバリ機能を搭載している．PLC を利用したプ

している計測端末と同様の機器である GRAPH-ログラムでは温度 4 点のみのデータ送信を実現

TEC 社製のデータロガー（GL840）と，ヒーしており，リカバリ機能は実装していない．

–2–

Fig. 3 データロガーを使用した計測装置．
Measuring device using the data logger.

2.2

ネットワークサーバ

Fig. 4 PLC を使用した計測装置．Measuring
device using the PLC.
大学側で電源を操作するスチームヒーターと任ネットワークサーバは，送信された計測デー

意に使用することのできる灯油式の石油ストー

タを蓄積する RDB サーバ，データを表やグラブを使用している．実験期間は 11 月 17 日（金）フ形式で閲覧可能にする WEB サーバより構成の 0 時から 11 月 22 日（水）の 23 時 59 分までされている．の 6 日間で温度を屋内 2 点，屋外 2 点の計 4 点を 10 分ごとに計測した．データ送信プログラム

3.

では屋内外の温度 4 点以外の計測においてはダ温度計測実験

ミーデータを送信するよう調整を加えた．

IoT システムの動作検証のため，各計測端末による温度データの取得実験を行った．実験で3.2

PLC を使用した計測実験

は各計測端末に 4 つの熱電対を取り付け，屋内の温度と屋外の温度を連続で計測し，同時にマFig. 4 に PLC を用いた計測装置を示す．計測

ニュアルで部屋の解錠，施錠の時刻や，暖房を装置は計測端末である PLC と計測用のセンサ，使用した時間等を記録した．この時屋外は各部

PLC 用の送信プログラムを入れたボックス PC屋の窓の外，外気温を計測している．

から構成される．実験にあたり，データロガーを使用する計測実験には同大学の 15 号館 107 号3.1室を使用した．107 号室は人の出入りが比較的データロガーを使用した計測実験

少なく 106 号室の半分程度の広さの部屋である．

Fig. 3 にデータロガーを用いた計測装置を示

実験ではスチームヒーター近くの窓際にこれらす．計測装置は計測端末であるデータロガーと装置を設置した．実験の期間は 11 月 17 日（金）

計測用のセンサ，ロガー用の送信プログラムをの 0 時から 11 月 22 日（水）の 23 時 59 分まで入れたボックス PC から構成される．実験にあたの 6 日間で温度を屋内 2 点，屋外 2 点の計 4 点

り，データロガーを使用する計測実験には日本を 10 分ごとに計測した．

大学工学部 15 号館 106 号室を使用した．106 号室は人の出入りが多い部屋である．今回は窓際にこれら装置を設置した．この時，暖房として–3–

Table 1 106 号室解錠と施錠の時刻．Unlock andlock time of room106.
date
open close
Fri,Nov,17Sat,Nov,18
Sun,Nov,19
Mon,Nov,20
Tue,Nov,21
Wed,Nov,224.

10:00
9:30
10:30
11:30
9:35

Table 2 107 号室解錠と施錠の時刻．Unlock andlock time of room107.
dateopen close

17:00
19:00
19:00
20:30
22:00

Fri,Nov,17Sat,Nov,18Sun,Nov,19Mon,Nov,20
Tue,Nov,21
Wed,Nov,22

実験結果と考察

今回一部屋に対し屋内外の温度 4 点を 1 セットとして 10 分ごとに計測したため，1 日に 144

12:30
14:30
16:15
14:50

17:00
15:30
18:50
16:00

Table 3 スチームヒーターの稼働時間．Operating time of steam heater.
Operating time of steam heater
8:00〜9:20
9:50〜10:40
11:10〜12:00
12:40〜13:40
14:10〜15:00
15:30〜16:20
16:50〜17:40

セット，6 日間で 864 セットの温度データがサーバへ送信されることとなる．しかしながら，11
月 18 日（土）の午前 1 時頃にネットワークサーバが意図せぬ再起動により停止してしまったた
め，同日 12 時 30 分頃の復旧まで一部計測データが失われてしまうこととなった．以上より各計測実験の計測データ総セット数は，データロ
ガーを使用した計測では 864 セット，PLC を利記録されていない日は部屋は使用されていない．

用した計測では 796 セットとなった．データロ

Table 3 にスチームヒーターの稼働時間を示す．

ガーについては送信プログラムに計測データのスチームヒーターは平日のみ稼働するため，土ログが残る仕組みであったため，サーバ復旧時に曜と日曜は稼働していない．また，稼働時間は手作業でログから計測データを送信しなおすこ目安であり，その時の気温と操作者の判断で電とでサーバ停止時の計測データを復元すること源が投入される．今回の実験において，スチーができた．このため，人の操作が途中で入ること

ムヒーターの操作には著者らは関わっていない．となったが予定していた全計測データをサーバFig. 5 にデータロガーと PLC で計測された各部に蓄積することができた．PLC では送信プログ

屋の温度のグラフを示す．各日付ごとに上のグラムにログを残す仕組みがなかったため 68 セッ

ラフが 106 号室の計測データ，下のグラフが 107

ト，約 11 時間分のデータをサーバに保存するこ号室の計測データとなる．グラフは縦軸が温度，とができなかった．サーバ停止時以外に各計測横軸が計測時刻であり，同様の屋内 2 点，屋外においてデータの欠損はなかった．

2 点を計測した．また，スチームヒーターが稼次に得られた計測データと各部屋の使用状況，暖房の使用状況を確認した．Table 1 に 106 号働していた日についてはその稼働予定時間を枠で囲んでいる．

室の解錠と施錠の時刻を，Table 2 に 107 号室

11 月 17 日（金）のデータを見ると，106，107の解錠と施錠の時刻を示す．実験に使用した両号室室内ではスチームヒーター稼働予定時刻と部屋においては解錠から施錠までは人が滞在し同時に大きく温度が上昇しているのが見て取れており，石油ストーブを使用していた．時間のる．また，107 号室の室内温度から 5 回スチー–4–

ムヒーターが稼働したものと思われる．この日的な温度変化は確認できなかった．

は平均の外気温が高かったためにヒーターを予以上より各部屋の使用状況，特にスチームヒー定の 7 回でなく，5 回に回数を減らして稼働さターの稼働によって大きく室内温度が変化するせたものと思われる．両部屋の室外温度についことがわかった．また，107 号室に対し 106 号ては，よく似た波形のデータを得られた．各部

室の温度変化が緩やかなのは，106 号室に人が屋の使用状況からは温度への大きな影響は見ら

長く滞在していたことと石油ストーブを使用しれなかった．

ていたことが影響していると考えられる．106

11 月 18 日（土）と 11 月 19 日（日）は休日

号室では人と石油ストーブの熱量により温度がのためスチームヒータは稼働していない．18 日

低下しにくくなっていたが，107 号室は人の滞（土）においては，106 号室には少数の人員が長在時間が少なく，スチームヒーターが切れるご時間滞在していた．温度変化の大きな特徴は見とに激しく温度が低下したものと推測した．て取れないが，施錠した 19 時直後に温度が低下

室外の計測においては十分に計測が行えなかっし始めているのがわかる．107 号室については，た日以外は各部屋ほぼ同様の波形を得られた．全

サーバ PC の停止のため PLC の計測データが体で 106 号室の室外気温が 107 号室の室外気温

一部欠損してしまい他のデータと比較ができなより常に 2 ℃程度高くなっているのは，計測端かった．19 日（日）では，両部屋に滞在者はお末および熱電対の器差や熱電対設置箇所によりらず，計測データは屋内外ともによく似た波形生じた系統誤差と考えられる．

を示した．

今回の実験により，プログラムの一部改善が11 月 20 日（月），21 日（火），22 日（水）必要であるが，蓄積した屋内外の温度計測デー

においてはともに，スチームヒーター稼働予定

タと暖房の稼働時間，人の入退室とを関連させ時刻の開始とともに大きく温度が上昇しているることで，計測データからの簡易な見える化がことがわかる．またこの 3 日，特に 21 日（火）実現できたと考えられる．これを発展させるこの 107 号室計測において 7 つの特徴的な山形のとで，目的である地中熱利用エネルギーシステ波形が表れており，スチームヒーターの稼働にムの IoT 化に必要なヒートポンプの稼働状態を，よって室内温度が大きく上昇していることがわ

計測した温度や，その他設備の計測データから

かる．106 号室についても，107 号室のデータよ把握するのに十分な機能を具備可能であるとのり顕著には表れていないがほぼ同様の時刻に温見通しを得た．

度が上昇していることが見て取れる．この 3 日
間の外気温においてもそれぞれよく似た波形を示している．

5.

おわりに

20 日（月）の 106 号室においては 10 時 30 分

本研究では，地中熱利用エネルギーシステムの解錠後に特徴的な波形は表れてはいないが，の IoT 化に際し，構築した IoT システムの動19 時の施錠後には急激に温度が低下しているの作検証のため，屋内外の温度計測実験についてがわかる．また，20 日（月）の 107 号室におい報告した．今回の計測実験により以下の知見をても滞在していた 14 時 30 分から 15 時 30 分の得た．

間で温度が特徴的に変化している．これは，滞在者によって換気が行われたために温度が一時的に低下したものと考えられる．21 日（火），22 日（水）については各部屋の使用による特徴–5–• 本システムは仕様上ではデータの欠損なく計測データをサーバに送信できることを確認した．

• 意図せぬネットワークサーバの停止等に対してプログラム側でデータを保護する機能が必要であることが確認できた．

• 屋内外の温度データを蓄積し，暖房の運転時間，人の入退室と関連されたデータの見える化が可能であることを示した．
屋内外温度計測データの蓄積による見える化の実現により，実際の地中熱利用システムの設備状態の把握に IoT システムが利用できるとの見通しを得た．今後の展望としては，地中熱利用エネルギーシステムへの本システムの導入および，得られた計測データの利用による，より詳細な閲覧システムの構築やデータマイニング，機械学習，AI の手法を用いた地中熱研究への貢献を目指す．

参考文献
1) 福島県エネルギー課: 再生可能エネルギーさきがけの地アクションプラン（第 2 期）（2016）2) 小熊正人: 一般住宅向け地中熱利用システムとその設計手法，福島大学 地域創造支援センター（2016）
3) 北海道大学 地中熱利用システム工学講座: 地中
熱ヒートポンプシステム，オーム社 (2007)–6–

Fig. 5 データロガーと PLC で計測された各部屋の温度のグラフ．Graph of the temperature ofeach room measured by data logger and PLC .

–7–