JP2003004680A

JP2003004680A - 地中熱交換器の熱応答試験方法および同装置

Info

Publication number: JP2003004680A
Application number: JP2001186707A
Authority: JP
Inventors: Akimi Suzawa; 昭已洲澤
Original assignee: Misawa Kankyo Gijutsu KK
Current assignee: Misawa Kankyo Gijutsu KK
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2003-01-08

Abstract

(57)【要約】【課題】地盤の熱伝導率を求めることによって、地中
熱交換器による採熱量を推定し、熱交換パイプの埋設長
さを決定するために行なう熱応答試験方法および同装置
を提供する。【解決手段】本発明に係る地中熱交換器の熱応答試験
方法は、地熱より高温の水を、地中に埋設した熱交換パ
イプ１内を循環させ、その放熱量と水温から地盤Ｅの熱
伝導率を算出し、熱伝導率から熱交換パイプ１の埋設長
さを求める。また、地中熱交換器の熱応答試験装置は、
熱交換パイプ１に地上において連通パイプ２を連通し、
連通パイプ２に、少なくとも、水を加熱するヒーター３
と、その水を循環させる循環パイプと、その水の循環量
を測定する流量計５と、熱交換パイプ１の入口側に配置
した入口水温計６と、熱交換パイプ１の出口側に配置し
た出口水温計７とを設け、熱交換パイプ１の外側に垂直
方向に複数の地熱温度計８を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地盤の熱伝導率
を求めて、地中熱交換器の採熱量を推定し、それによっ
て地中熱交換器の地中に埋設する部分である熱交換パイ
プの埋設長さを求めるために行なう熱応答試験方法およ
び同装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から量的に豊富である地熱を利用
して空調、給湯、温水プール、植物栽培、動物飼育ある
いは融雪等を行なうことが考えられており、そのための
具体的手段として地中熱交換器が使用されるようになっ
ている。

【０００３】この地中熱交換器はその熱交換パイプを地
中に埋設し、その熱交換パイプ内に熱媒を循環させ、熱
媒と地熱とを熱交換させることによって地熱を採取する
ものである。当該地中熱交換器は天然資源である地熱を
採取して使用するのできわめて経済的であるといった大
きな利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、地熱は場所
によって熱伝導率が異なるため、一定量の地熱を採取す
るためにどの程度の規模（埋設深さ）にすべきかを決定
することが困難である。

【０００５】本発明はこうした点に鑑み、地盤の熱伝導
率を求めることによって、地中熱交換器による採熱量を
推定し、熱交換パイプの埋設長さを決定するために行な
う熱応答試験方法および同装置を提供することを課題と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】図面を参考にして説明
する。本発明に係る地中熱交換器の熱応答試験方法は、
地熱より高温の水Ｗを、地中に埋設した熱交換パイプ１
内を循環させ、その放熱量と水温から地盤Ｅの熱伝導率
を算出し、該熱伝導率から熱交換パイプ１の埋設長さを
求めることを特徴とするものである。

【０００７】また、本発明に係る地中熱交換器の熱応答
試験装置は、地熱より高温の水Ｗを、地中に埋設した熱
交換パイプ１内を循環させ、その放熱量と水温から地盤
Ｅの熱伝導率を算出し、該熱伝導率から熱交換パイプ１
の埋設長さを求める装置であって、前記熱交換パイプ１
に地上において連通パイプ２を連通し、当該連通パイプ
２に、少なくとも、前記水Ｗを加熱するヒーター３と、
その水Ｗを循環させる循環パイプと、その水Ｗの循環量
を測定する流量計５と、前記熱交換パイプ１の入口側に
配置した入口水温計６と、当該熱交換パイプ１の出口側
に配置した出口水温計７とを設け、前記熱交換パイプ１
の外側に垂直方向に複数の地熱温度計８を設けてなるこ
とを特徴とするものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】最初に、本発明に係る地中熱交
換器の熱応答試験装置の実施形態を説明する。この装置
は、地熱より高温の水Ｗを、地中に埋設した熱交換パイ
プ１内を循環させ、その放熱量と水温から地盤Ｅの熱伝
導率を算出し、該熱伝導率から熱交換パイプ１の埋設長
さを求めるものである。

【０００９】そして、熱交換パイプ１に地上において連
通パイプ２を連通し、当該連通パイプ２に、前記水Ｗを
加熱するヒーター３と、その水Ｗを循環させる循環パイ
プと、その水Ｗの循環量を測定する流量計５と、前記熱
交換パイプ１の入口側に配置した入口水温計６と、当該
熱交換パイプ１の出口側に配置した出口水温計７とを設
けている。また、前記熱交換パイプ１の外側に垂直方向
に複数の地熱温度計８を設けている。さらに、本実施形
態においては、二つの逆止弁１１と電力計９および圧力
計１０を設けている。なお、想像線で示すように、連通
パイプ２に延長管１２を設け、当該延長管１２に補助ヒ
ーター３ａを複数設けて水Ｗをさらに高温に加熱するよ
うにしても良い。

【００１０】

【実施例】次に、この放熱試験装置を利用して行なっ
た本発明に係る地中熱交換器の熱応答試験方法について
説明する。この熱応答試験方法の目的は、地盤Ｅの熱伝
導率を求め、その地盤Ｅに設置する地中熱交換器の採熱
量を推定し、既往の採熱試験結果と比較することによ
り、測定結果や計算モデルの妥当性を検証し、最終的に
熱交換パイプ１の埋設長さを決定できるようにすること
にある。

【００１１】この試験は、５ｋｗのヒーター３を使用し
て行なった。なお、図１に示すように、別に２ｋｗおよ
び３ｋｗのヒーター３を設け、１０ｋｗで行なうことも
できる。他の主な機器の仕様は以下の通りとし、循環ポ
ンプ４や連通パイプ２等の全てを入念に断熱し、外気の
影響を受けないようにした。循環ポンプ…０．４ｋｗ×
５０ｌ／ｍｉｎ×１５ｍ（３相２００Ｖ）；電力計…１
０ｋｗ相当（パルス発振付、検定付）；ヒーター…５ｋ
ｗ（３相２００Ｖ）；水温計および地熱温度計…熱伝
対。

【００１２】まず、既往の採熱試験結果を表１に示す。
この試験における水Ｗの循環流量は３０ｌ／ｍｉｎで測
定間隔は５分である。なお、表中の「ＧＬ」は地表を意
味し、従って、例えば「ＧＬ−１２ｍ」は地下１２メー
トルを意味する。

【００１３】

【表１】

【００１４】次に、本発明装置を使用して行なった計測
結果を示す。この試験は、平成１３年２月２２日１１時
に循環流量３０ｌ／ｍｉｎで開始し、２３日の９時から
循環流量を５０ｌ／ｍｉｎに変えて同日１９時３０分ま
で行なった。その後、２６日６時まで地中温度の回復状
況を追跡した。

【００１５】図２および図３に各計測結果の経時変化を
示す。図２における「放熱量（測温）」および「放熱量
（熱電）」は次式によって算出した。ｑ＝（ｔ_ｉｎ−ｔ_ｏｕｔ）×Ｑ×Ｃ×ρ ここで、ｑ：放熱量（ｋｃａｌ／ｈ）ｔ_ｉｎ：入口水温計の温度（℃）ｔ_ｏｕｔ：出口水温計の温度（℃）Ｑ：循環流量（ｍ^３／ｈ）Ｃ：水の比熱（１．０ｋｃａｌ／ｋｇ） ρ：水の密度（１０００ｋｇ／ｍ^３）

【００１６】また、図３のグラフ中に示す「５ｍ地中−
１２ｍ」や「１５ｍ地中−１２ｍ」等は、本放熱試験に
よる周辺地盤への影響を確認するため、隣接する地中熱
交換器に設置された地中温度センサーで測定した地中温
度を示す。例えば、「５ｍ地中−１２ｍ」は、埋設長さ
１２ｍの地点における地盤Ｅの温度を５ｍ離れた箇所で
測定したことを意味する。

【００１７】また、図４は時間軸を対数にして循環水温
度の測定値をプロットしたものである。なお、出入口温
度のうち、測温抵抗体の測定値は出口温度が外気温の低
下に伴って低下しており、外気温の影響を受けているこ
とが考えられるため、出入口温度には熱伝対による測定
値を採用した。また、放熱量は図２および図６より電力
計９による測定値が６．８３ｋｗでほぼ安定しているこ
とから、これを採用した。なお、地中温度の回復状況を
図５に示す。

【００１８】これらの実験結果から、地盤Ｅの熱伝導率
を（１）Line source method および（２）Numerical m
ethodによって計算した。

【００１９】（１）Line source method 図７に示すグラフで傾きが安定している８〜２１．５時
間の平均水温の傾きを採用し、次式で求めた。放熱量は
消費電力の測定値を用いた。ｋ＝Ｑ／４πｍここで、ｋ：熱伝導率（ｗ／ｍ・ｋ）Ｑ：放熱量（６８３０ｗ）ｍ：傾き（図７の「case２（熱電対）」のグラフの傾き
より１．４８）従って、ｋ＝６８３０／（４×π×１．４８）＝３．６
７ｗ／ｍ・ｋとなる。

【００２０】なお、試験開始から７時間あたりで対数グ
ラフの傾きが変化しており、変化の前後のグラフをそれ
ぞれ直線で近似した。ここでcase１は、変化前の３５分
〜４時間４５分までのグラフを近似したものであり、ca
se２は、変化後の８時間５分〜２９時間のグラフを近似
したものである。また、ΔＴは温度を示す。ΔＴ＝ａ＋
ｂ・ｌｎ（ｔ）でそれぞれの近似直線を表わした。ｂは
グラフの傾きである。また、ｌｎ（ｔ）はｌｏｇ_ｅ（時
間）である。

【００２１】（２）Line source method U.S. Department of Energy Oak Ridge National Labor
atory の熱伝導率計算ソフト"gpm"によって熱伝導率を
求めた。平均水温は０〜２１．５時間の測定値を用い
た。放熱量は、循環流量と出入口温度差から計算したも
のと電力計９による６．８３ｋｗの二種類を使用して比
較した。その結果を表２に示す。

【００２２】

【表２】

【００２３】ここでは熱伝対による測定値を用いたた
め、水温の変動が大きくなり、精度がやや悪くなったと
考えられる。また、"gpm"で計算したLine source metho
dの結果を併せて示すが、水温の変動が大きいため循環
流量を用いた場合は計算不可能となった。

【００２４】上記の熱伝導率を用い、表１に示した既往
の採熱試験の条件を再現し、GLDe-signによって熱交換
パイプ１の埋設長さを求めた。その結果を表３に示す。

【００２５】

【表３】

【００２６】この結果から、消費電力の測定値を使用し
たNumerical methodの場合に、最も実際の掘削長さ（１
００ｍ）に近い値となることが判明した。従って、今回
の実験から消費電力の測定値を使用したNumerical meth
odによって熱交換パイプ１の掘削長さを得ることが好ま
しいことを確認した。

【００２７】

【発明の効果】本発明に係る地中熱交換器の熱応答試
験方法においては、地熱より高温の水Ｗを地中に埋設し
た熱交換パイプ１内を循環させ、その放熱量と水温から
地盤Ｅの熱伝導率を算出し、その熱伝導率から熱交換パ
イプ１の埋設長さを求めることができる。従って、必要
な採熱量に対応した埋設長さの熱交換パイプ１を設置す
ることができる。

【００２８】また、本発明に係る地中熱交換器の熱応答
試験装置においても、放熱量と水温から地盤Ｅの熱伝導
率を算出し、その熱伝導率から熱交換パイプ１の埋設長
さを求めることができるので、必要な採熱量に対応した
埋設長さの熱交換パイプ１を設置することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る地中熱交換器の熱応答試験装置
の実施形態を示す正面図である。

【図２】本発明に係る地中熱交換器の熱応答試験方法
における循環水温度の経時変化を示すグラフである。

【図３】本発明に係る地中熱交換器の熱応答試験方法
における地中温度の経時変化を示すグラフである。

【図４】本発明に係る地中熱交換器の熱応答試験方法
における循環水温度の経時変化（対数表示）を示すグラ
フである。

【図５】本発明に係る地中熱交換器の熱応答試験方法
における地中温度の回復状況を示すグラフである。

【図６】本発明に係る地中熱交換器の熱応答試験方法
における電力計の測定結果を示すグラフである。

【図７】本発明に係る地中熱交換器の熱応答試験方法
における平均水温の傾きを示すグラフである。

【符号の説明】

１熱交換パイプ２連通パイプ３ヒーター３ａ補助ヒーター４循環ポンプ５流量計６入口水温計７出口水温計８地熱温度計９電力計１０圧力計１１逆止弁１２延長管Ｗ水Ｅ地盤

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】地熱より高温の水（Ｗ）を、地中に埋設
した熱交換パイプ（１）内を循環させ、その放熱量と水
温から地盤（Ｅ）の熱伝導率を算出し、該熱伝導率から
熱交換パイプの埋設長さを求めることを特徴とする地中
熱交換器の熱応答試験方法。
【請求項２】地熱より高温の水（Ｗ）を，地中に埋設
した熱交換パイプ（１）内を循環させ，その放熱量と水
温から地盤（Ｅ）の熱伝導率を算出し，該熱伝導率から
熱交換パイプの埋設長さを求める装置であって、前記熱
交換パイプに地上において連通パイプ（２）を連通し，
該連通パイプに，少なくとも，前記水を加熱するヒータ
ー（３）と，該水を循環させる循環ポンプ（４）と，該
水の循環量を測定する流量計（５）と，前記熱交換パイ
プの入口側に配置した入口水温計（６）と，該熱交換パ
イプの出口側に配置した出口水温計（７）とを設け、前
記熱交換パイプの外側に垂直方向に複数の地熱温度計
（８）を設けてなることを特徴とする地中熱交換器の熱
応答試験装置。