JP2017036939A - 土壌熱物性測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】地中の土壌の熱交換量その他の熱物性について、より短い時間で信頼性の高いデータを取得することのできる土壌熱物性測定装置を提供する。【解決手段】有底筒状で金属製のセンサ部を備えた土壌熱物性測定装置であって、センサ部２０は、センサ部を加熱するヒータ２２a,２２b,２２cと、センサ部の温度を計測する温度計測部２３a,２３b,２３c,２３d,２３eとを有し、センサ部の内部空間には珪砂が充填され、土壌熱物性測定装置は、さらに、ヒータに電力を投入するための電源部５０と、温度計測部による計測結果を所定時間ごとに記録する記録部３０とを備える。【選択図】図２
Description
本発明は、土壌の熱物性を迅速に測定することのできる測定装置に関する。
再生可能エネルギーの１つとして地中熱を利用したヒートポンプがある。これは、太陽光や風力を利用したシステムとは異なって天候等に左右されにくいことから注目されている。
このような地中熱を利用したシステムの設計においては、土壌の熱物性の測定が必要である。土壌の熱物性としては、例えば１０ｍ以下の深部地中の温度は年間に渡ってほぼ一定であるが、例えば１０ｍ未満の浅部地中では気温の影響を受けやすく、季節により変動することから、正確な測定が求められる。土壌の熱物性の方法の１つとして熱応答試験（サーマルレスポンステスト（ＴＲＴ））を用いることが増えつつある（例えば特許文献１、２）。
このような地中熱を利用したシステムの設計においては、土壌の熱物性の測定が必要である。土壌の熱物性としては、例えば１０ｍ以下の深部地中の温度は年間に渡ってほぼ一定であるが、例えば１０ｍ未満の浅部地中では気温の影響を受けやすく、季節により変動することから、正確な測定が求められる。土壌の熱物性の方法の１つとして熱応答試験（サーマルレスポンステスト（ＴＲＴ））を用いることが増えつつある（例えば特許文献１、２）。
熱応答試験は、一般に、地中熱交換器に熱媒、例えば水を循環させ、熱媒の温度や地中温度の推移によって地盤の熱特性や熱交換能力を予測する。すなわち、作図法等の解析方法を用いて有効熱伝導率を決定し、シミュレーションソフトを利用して単位長さあたりの熱交換量を決定する。
しかしながら、熱応答試験では、ヒータによって加熱した水を地中の熱交換機内に循環させ、循環水の出入口温度、流量等を６０時間以上モニタリングする必要がある。このため、ヒータの消費電力や、測定にかかる人件費が増大してしまうという問題があった。
そこで本発明は、地中の土壌の熱交換量その他の熱物性について、より短い時間で信頼性の高いデータを取得することのできる土壌熱物性測定装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の土壌熱物性測定装置は、有底筒状で金属製のセンサ部を備えた土壌熱物性測定装置であって、センサ部は、センサ部を加熱するヒータと、センサ部の温度を計測する温度計測部とを有し、センサ部の内部空間には珪砂が充填され、土壌熱物性測定装置は、さらに、ヒータに電力を投入するための電源部と、温度計測部による計測結果を所定時間ごとに記録する記録部とを備えることを特徴としている。
本発明の土壌熱物性測定装置において、センサ部はステンレス鋼を有することが好ましい。
本発明の土壌熱物性測定装置において、ヒータはアルミニウムホイルからなることが好ましい。
本発明によると、地中の土壌の熱交換量その他の熱物性について、より短い時間で信頼性の高いデータを取得することができる。
以下、本発明の実施形態に係る土壌熱物性測定装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。
図１は、本実施形態に係る土壌熱物性測定装置１０の概略構成を示す図であり、図２は、本実施形態におけるセンサ部２０の構成を示す斜視図である。図１においては、実験用の試験容器Ｃの中にセンサ部２０を配置した構成例を示すが、センサ部２０の構成はこれに限定されない。
図１は、本実施形態に係る土壌熱物性測定装置１０の概略構成を示す図であり、図２は、本実施形態におけるセンサ部２０の構成を示す斜視図である。図１においては、実験用の試験容器Ｃの中にセンサ部２０を配置した構成例を示すが、センサ部２０の構成はこれに限定されない。
図１に示すように、土壌熱物性測定装置１０は、センサ部２０と、記録部としてのデータロガー３０と、電力計としてのデジタルハイテスタ４０と、電源部としての直流安定化電源５０とを備える。
図２に示すように、センサ部２０は、ステンレス鋼その他の金属を有底の円筒状とした本体部２１を備える。
本体部２１の内周面２１ａには、本体部２１の上下方向（図２のＺ方向に沿った方向）に延びる３枚のヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃが配置されている。これらのヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、アルミニウムホイルで構成され、周方向（図２のθ方向）において、一定の間隔をあけて、本体部２１の内周面２１ａに対してほぼ等角度ごとに配置されるように、例えば耐熱性の接着剤によって貼り付けられている。また、ヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、本体部２１の上部開口２１ｂから下面２１ｃに至るように配置されている。
本体部２１の内周面２１ａには、本体部２１の上下方向（図２のＺ方向に沿った方向）に延びる３枚のヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃが配置されている。これらのヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、アルミニウムホイルで構成され、周方向（図２のθ方向）において、一定の間隔をあけて、本体部２１の内周面２１ａに対してほぼ等角度ごとに配置されるように、例えば耐熱性の接着剤によって貼り付けられている。また、ヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、本体部２１の上部開口２１ｂから下面２１ｃに至るように配置されている。
図１及び図２に示すように、ヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃには、デジタルハイテスタ４０を介して直流安定化電源５０が接続されており、ヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、直流安定化電源５０から所定の電力が供給されることによって発熱し、この熱によってセンサ部２０が加熱される。直流安定化電源５０からヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに供給される電力値はデジタルハイテスタ４０で計測される。
なお、図２では、３つのヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃからなる例を示したが、ヒータの数は３つに限定されず、例えば、本体部２１の内周面２１ａに対して、周方向において４つ以上配置した構成であってもよい。
なお、図２では、３つのヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃからなる例を示したが、ヒータの数は３つに限定されず、例えば、本体部２１の内周面２１ａに対して、周方向において４つ以上配置した構成であってもよい。
また、本体部２１の内側面２１ａ又はヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃの内面には、温度計測部として、互いに異なる長さを有する、５本の熱電対２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅが取り付けられている。これらの熱電対の取り付けは、例えば耐熱性の接着剤によって行う。熱電対２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅは、本体部２１の上部開口２１ｂから下方向に延びるようにそれぞれ配置されており、それぞれの下端が上下方向において異なる位置に配置される。したがって、熱電対２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅは、上下方向において異なる位置の温度をそれぞれが測定可能となり、これらの測定結果からセンサ部２０の温度分布や平均温度などを得ることができる。図１と図２に示すように、熱電対２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅには、データロガー３０が接続されており、各熱電対からの出力データが、一定時間ごとに記録される。
なお、熱電対は、本体部２１の上下方向の複数の位置を測定可能であれば、数や位置は図２に示す例のような数や位置に限定されない。
なお、熱電対は、本体部２１の上下方向の複数の位置を測定可能であれば、数や位置は図２に示す例のような数や位置に限定されない。
本体部２１の内部には珪砂が充填される。この珪砂は、本体部２１の内部にヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び熱電対２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅを固定したのちに充填される。この珪砂としては、例えば、天然珪砂5号，北日本珪砂株式会社，山形県大石町などを採用した。
土壌熱物性測定装置１０においては、測定対象となる土壌に杭を打ち込むなどの作業によって形成した穴の中にセンサ部２０が挿入され、直流安定化電源５０から供給する電力によってヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃを発熱させることによってセンサ部２０を加熱し、熱電対２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅによってセンサ部２０の温度が測定される。本体部２１の形状は土壌に形成した穴に合わせて任意に設定することができる。ヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、本体部２１内を均等に加熱する観点からは、本体部２１の上部開口２１ｂから下面２１ｃに至るように配置することが好ましい。
（実施例１）
次に、実施例１として、図１に示す構成による実験について説明する。図１に示す構成においては、試験容器Ｃとセンサ部２０の形状、並びに、データロガー３０、デジタルハイテスタ４０、及び、直流安定化電源５０として用いた機器を次のようにしている。
（Ａ）試験容器Ｃ
形状：幅３００ｍｍ、奥行き３００ｍｍ、高さ１５０ｍｍの直方体
材質：ステンレス鋼
試験容器Ｃは実験条件に合わせて４つ用意した。
次に、実施例１として、図１に示す構成による実験について説明する。図１に示す構成においては、試験容器Ｃとセンサ部２０の形状、並びに、データロガー３０、デジタルハイテスタ４０、及び、直流安定化電源５０として用いた機器を次のようにしている。
（Ａ）試験容器Ｃ
形状：幅３００ｍｍ、奥行き３００ｍｍ、高さ１５０ｍｍの直方体
材質：ステンレス鋼
試験容器Ｃは実験条件に合わせて４つ用意した。
（Ｂ）センサ部２０
（１）本体部２１
形状：外径４８ｍｍ、高さ１３５ｍｍの有底円筒形
材質：炭素鋼
（２）ヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ
形状（１枚あたり）：幅５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの薄板状
材質：アルミニウム箔で覆われたヒータ
（３）熱電対２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ
線径（１つあたり）：０．３２ｍｍ
センサ部２０は実験条件に合わせて４つ用意した。
（１）本体部２１
形状：外径４８ｍｍ、高さ１３５ｍｍの有底円筒形
材質：炭素鋼
（２）ヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ
形状（１枚あたり）：幅５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの薄板状
材質：アルミニウム箔で覆われたヒータ
（３）熱電対２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ
線径（１つあたり）：０．３２ｍｍ
センサ部２０は実験条件に合わせて４つ用意した。
（４）珪砂
天然珪砂5号，北日本珪砂株式会社，山形県大石町
密度：約１５００ kg/m3 文献値 熱物性ハンドブック
比熱：約８００ J/(kg・K) 文献値 熱物性ハンドブック
天然珪砂5号，北日本珪砂株式会社，山形県大石町
密度：約１５００ kg/m3 文献値 熱物性ハンドブック
比熱：約８００ J/(kg・K) 文献値 熱物性ハンドブック
（Ｃ）データロガー３０
ＵＳＢ熱電対計測デバイス
ナショナルインスツルメンツ社製ＮＩ９２１１
サンプリングレート：１サンプル／秒
ＵＳＢ熱電対計測デバイス
ナショナルインスツルメンツ社製ＮＩ９２１１
サンプリングレート：１サンプル／秒
（Ｄ）デジタルハイテスタ４０
日置電機社製デジタルハイテスタ３２３９、精度０．３％
（Ｅ）直流安定化電源５０
菊水電子工業社製、出力電圧０〜３０Ｖ、出力電流０〜５Ａ
日置電機社製デジタルハイテスタ３２３９、精度０．３％
（Ｅ）直流安定化電源５０
菊水電子工業社製、出力電圧０〜３０Ｖ、出力電流０〜５Ａ
つづいて実験の条件について説明する。
（Ａ）測定手順
（１）常温において、試験容器Ｃの内部に珪砂を充填した後に、試験容器Ｃの平面中心（Ｚ方向に直交する面の中心）とセンサ部２０の平面中心が一致するように、試験容器Ｃの珪砂中にセンサ部２０を埋め込む。
（２）直流安定化電源５０からヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに所定の電圧を投入し続けることによって、本体部２１を２時間加熱させ、その間の本体部２１内の温度変化を１秒間隔でデータロガー３０に記録する。
（Ａ）測定手順
（１）常温において、試験容器Ｃの内部に珪砂を充填した後に、試験容器Ｃの平面中心（Ｚ方向に直交する面の中心）とセンサ部２０の平面中心が一致するように、試験容器Ｃの珪砂中にセンサ部２０を埋め込む。
（２）直流安定化電源５０からヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに所定の電圧を投入し続けることによって、本体部２１を２時間加熱させ、その間の本体部２１内の温度変化を１秒間隔でデータロガー３０に記録する。
（Ｂ）測定条件
表１に測定条件を示す。表１において、「Ｐｏｗｅｒ」は直流安定化電源５０からヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに投入した電力（単位Ｗ）、「Ｄｉｓｔｉｌｌｅｄ Ｗａｔｅｒ」は試験容器Ｃに含ませた蒸留水の量（単位ｋｇ）、「Ｓａｔ ｔａｎｋ ｗｅｉｇｈｔ」は珪砂を充填した状態の試験容器Ｃの重量（単位ｋｇ）である。蒸留水は、試験容器Ｃにセンサ部２０を埋め込む前に、試験容器Ｃ中の珪砂に投入され、均一に混合される。この混合の後に、試験容器Ｃ内にセンサ部２０が埋め込まれる。
表１に示すように、実験Ｎｏ．１及びＮｏ．２は含水量０ｋｇ（乾燥条件）であり、実験Ｎｏ．３及びＮｏ．４は含水量４．６ｋｇ（湿潤条件）である。また、ヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃを加熱するための投入電力は、実験Ｎｏ．１及びＮｏ．３は２０Ｗであり、実験Ｎｏ．２及びＮｏ．４は３０Ｗである。
表１に測定条件を示す。表１において、「Ｐｏｗｅｒ」は直流安定化電源５０からヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに投入した電力（単位Ｗ）、「Ｄｉｓｔｉｌｌｅｄ Ｗａｔｅｒ」は試験容器Ｃに含ませた蒸留水の量（単位ｋｇ）、「Ｓａｔ ｔａｎｋ ｗｅｉｇｈｔ」は珪砂を充填した状態の試験容器Ｃの重量（単位ｋｇ）である。蒸留水は、試験容器Ｃにセンサ部２０を埋め込む前に、試験容器Ｃ中の珪砂に投入され、均一に混合される。この混合の後に、試験容器Ｃ内にセンサ部２０が埋め込まれる。
表１に示すように、実験Ｎｏ．１及びＮｏ．２は含水量０ｋｇ（乾燥条件）であり、実験Ｎｏ．３及びＮｏ．４は含水量４．６ｋｇ（湿潤条件）である。また、ヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃを加熱するための投入電力は、実験Ｎｏ．１及びＮｏ．３は２０Ｗであり、実験Ｎｏ．２及びＮｏ．４は３０Ｗである。
（Ｃ）パラメータの逆解析について
パラメータの逆解析に用いるケルビンの線源関数を次式（１−１）及び（１−２）に示す。
Ｔ＝（ＱＨ／４π・（ｂ・λ））・Ｅ（Ｘ） （１−１）
Ｘ＝ｒ２・（ρ・ｃ）／４λ・ｔ （１−２）
ここで、
Ｔは地層温度［単位Ｋ］であって、本実験では試験容器Ｃに入った珪砂の表面の温度である。
ＱＨはヒータに与えた熱量［単位Ｗ］である。
ｂは試料の埋設深度［単位ｍ］であって、本実験ではセンサ部２０の高さ０．１３５ｍとなる。
λは地層の熱伝導率［単位Ｗ／（ｍ・Ｋ）］である。
Ｅ（Ｘ）はベキ級数である。
ｒはセンサ部２０の中心からの半径［単位ｍ］であって、本実験ではセンサ部２０の半径０．０２４ｍとなる。
ρは地層の密度［単位ｋｇ／ｍ３］である。
ｃは地層の比熱［単位Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］である。
ｔはヒータに電力を投入している時間［単位秒］である。
パラメータの逆解析に用いるケルビンの線源関数を次式（１−１）及び（１−２）に示す。
Ｔ＝（ＱＨ／４π・（ｂ・λ））・Ｅ（Ｘ） （１−１）
Ｘ＝ｒ２・（ρ・ｃ）／４λ・ｔ （１−２）
ここで、
Ｔは地層温度［単位Ｋ］であって、本実験では試験容器Ｃに入った珪砂の表面の温度である。
ＱＨはヒータに与えた熱量［単位Ｗ］である。
ｂは試料の埋設深度［単位ｍ］であって、本実験ではセンサ部２０の高さ０．１３５ｍとなる。
λは地層の熱伝導率［単位Ｗ／（ｍ・Ｋ）］である。
Ｅ（Ｘ）はベキ級数である。
ｒはセンサ部２０の中心からの半径［単位ｍ］であって、本実験ではセンサ部２０の半径０．０２４ｍとなる。
ρは地層の密度［単位ｋｇ／ｍ３］である。
ｃは地層の比熱［単位Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］である。
ｔはヒータに電力を投入している時間［単位秒］である。
上記式（１−１）、（１−２）の計算は、本実験ではセンサ部２０の内部に逃げる熱があるため、その分を引いて行う。また、λと「ρ・ｃ」には架空の試験条件を与え、高次漸近解を用いて計算した温度変化量Ｔ１を検証データとして使用する。さらに、λと「ρ・ｃ」の任意の初期推定値を出発点として、与えたλと（ρｃ）を逆解析により同定する。
図３と図４を参照して実験の結果について説明する。
図３は、表１に示す、乾燥条件及び湿潤条件の試料にそれぞれ２０Ｗ又は３０Ｗで加熱したときの地層温度Ｔの計算結果と測定値との比較した結果を示すグラフであって、横軸は経過時間（単位秒）、縦軸は地層温度Ｔ（単位Ｋ）である。図３において、表１のＮｏ．１を■（黒い四角印）、Ｎｏ．２を＊（アスタリスク印）、Ｎｏ．３を▲（黒い三角印）、Ｎｏ．４を●（黒い丸印）でそれぞれ示している。この実験では、試験容器Ｃに珪砂を充填し、この珪砂中にセンサ部２０を埋め込んだ形態としているため、センサ部２０内に充填する充填材と、センサ部２０の外側の土層として同じ珪砂を使用していることとなる。このため、センサ部２０に与えた熱量の半分の熱量が、センサ部２０の外側の珪砂中に伝わったと仮定し、上記式（１−１）、（１−２）に基づいて計算を実行して逆解析を行った。図３において、「Ｎｏ．１」から「Ｎｏ．４」の各点は表１に示す「Ｎｏ．１」から「Ｎｏ．４」についての測定結果を示し、実線で示される「Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ」は、表１の「Ｎｏ．１」から「Ｎｏ．４」のそれぞれに対応する逆解析によって得られた計算結果である。
図３は、表１に示す、乾燥条件及び湿潤条件の試料にそれぞれ２０Ｗ又は３０Ｗで加熱したときの地層温度Ｔの計算結果と測定値との比較した結果を示すグラフであって、横軸は経過時間（単位秒）、縦軸は地層温度Ｔ（単位Ｋ）である。図３において、表１のＮｏ．１を■（黒い四角印）、Ｎｏ．２を＊（アスタリスク印）、Ｎｏ．３を▲（黒い三角印）、Ｎｏ．４を●（黒い丸印）でそれぞれ示している。この実験では、試験容器Ｃに珪砂を充填し、この珪砂中にセンサ部２０を埋め込んだ形態としているため、センサ部２０内に充填する充填材と、センサ部２０の外側の土層として同じ珪砂を使用していることとなる。このため、センサ部２０に与えた熱量の半分の熱量が、センサ部２０の外側の珪砂中に伝わったと仮定し、上記式（１−１）、（１−２）に基づいて計算を実行して逆解析を行った。図３において、「Ｎｏ．１」から「Ｎｏ．４」の各点は表１に示す「Ｎｏ．１」から「Ｎｏ．４」についての測定結果を示し、実線で示される「Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ」は、表１の「Ｎｏ．１」から「Ｎｏ．４」のそれぞれに対応する逆解析によって得られた計算結果である。
乾燥条件の砂の場合（表１のＮｏ．１とＮ０．２）のデータを用いた逆解析より得られた熱伝導率λは０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）と０．３２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。湿潤条件の砂の場合（表１のＮｏ．３とＮ０．４）の熱伝導率λは、１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）と１．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。どちらも測定結果と温度変化量の計算結果は非常に良く一致していることが分かった。
図４は、逆解析によって求めた熱伝導率λ（横軸、単位Ｗ／ｍ・Ｋ）と比熱ｃ（縦軸、単位Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））との関係を示すグラフである。
乾燥した土壌では、砂粒子間の空隙部分に空気が含まれ、熱伝導率は小さくなる。これに対して、湿潤状態の土壌の場合、砂粒子間の空隙を水が満たし、砂粒子間の接触部分の熱抵抗が著しく減少し、熱伝導率の増加を表すものと考えられる。実施例１の乾燥条件（図４の「Ｄｕｒｉｎｇ ｄｒｙｉｎｇ」、◆（黒菱形印））における熱伝導率λの実測値０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）と０．３２Ｗ／（ｍ・Ｋ）は、砂の熱伝導率０．２０〜１．８９［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］（日本熱物性学会、「新編熱物性ハンドブック」、２００８年発行、５７９ページ）の範囲内にあり、乾燥条件の砂の値として妥当な値であると考えられる。また、湿潤条件（図４の「Ｗｅｔ ｓａｎｄ」、■（黒四角印））の熱伝導率λの実測値１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）と１．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）は乾燥条件の熱伝導率λの約５倍となっているため、湿潤条件の熱伝導率についても湿潤状態の砂の値として妥当な値であると考えられる。
乾燥した土壌では、砂粒子間の空隙部分に空気が含まれ、熱伝導率は小さくなる。これに対して、湿潤状態の土壌の場合、砂粒子間の空隙を水が満たし、砂粒子間の接触部分の熱抵抗が著しく減少し、熱伝導率の増加を表すものと考えられる。実施例１の乾燥条件（図４の「Ｄｕｒｉｎｇ ｄｒｙｉｎｇ」、◆（黒菱形印））における熱伝導率λの実測値０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）と０．３２Ｗ／（ｍ・Ｋ）は、砂の熱伝導率０．２０〜１．８９［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］（日本熱物性学会、「新編熱物性ハンドブック」、２００８年発行、５７９ページ）の範囲内にあり、乾燥条件の砂の値として妥当な値であると考えられる。また、湿潤条件（図４の「Ｗｅｔ ｓａｎｄ」、■（黒四角印））の熱伝導率λの実測値１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）と１．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）は乾燥条件の熱伝導率λの約５倍となっているため、湿潤条件の熱伝導率についても湿潤状態の砂の値として妥当な値であると考えられる。
実施例１においては、試験容器Ｃに珪砂を充填して行った室内モデル実験の土壌熱物性値を、パラメータの逆解析を用いた同定により求めることができ、これにより、以下の結論を得た。
（１）乾燥条件の熱伝導率λの実測値は０．３〜０．３２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、砂の熱伝導率０．２０〜１．８９［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］の範囲内である。
（２）湿潤条件の熱伝導率λの実測値は１．４〜１．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、乾燥時の約５倍となっているので、この熱伝導率は湿潤状態の砂の値として妥当な値である。
（１）乾燥条件の熱伝導率λの実測値は０．３〜０．３２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、砂の熱伝導率０．２０〜１．８９［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］の範囲内である。
（２）湿潤条件の熱伝導率λの実測値は１．４〜１．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、乾燥時の約５倍となっているので、この熱伝導率は湿潤状態の砂の値として妥当な値である。
（実施例２）
実施例２において、試験容器Ｃとセンサ部２０の形状、並びに、データロガー３０、デジタルハイテスタ４０、及び、直流安定化電源５０として用いた機器は、実施例１と同様である。
また、測定手順についても、実施例１と同様であって、まず、試験容器Ｃの内部に珪砂を充填した後に、試験容器Ｃの平面中心とセンサ部２０の平面中心が一致するように、試験容器Ｃの珪砂中にセンサ部２０を埋め込み、つづいて、直流安定化電源５０からヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに所定の電圧を投入し続けることによって、本体部２１を２時間加熱させ、その間の本体部２１内の温度変化を１秒間隔でデータロガー３０に記録する。
さらにまた、パラメータの逆解析についても、上式（１−１）、（１−２）に示すケルビンの線源関数に基づいて行う。
実施例２において、試験容器Ｃとセンサ部２０の形状、並びに、データロガー３０、デジタルハイテスタ４０、及び、直流安定化電源５０として用いた機器は、実施例１と同様である。
また、測定手順についても、実施例１と同様であって、まず、試験容器Ｃの内部に珪砂を充填した後に、試験容器Ｃの平面中心とセンサ部２０の平面中心が一致するように、試験容器Ｃの珪砂中にセンサ部２０を埋め込み、つづいて、直流安定化電源５０からヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに所定の電圧を投入し続けることによって、本体部２１を２時間加熱させ、その間の本体部２１内の温度変化を１秒間隔でデータロガー３０に記録する。
さらにまた、パラメータの逆解析についても、上式（１−１）、（１−２）に示すケルビンの線源関数に基づいて行う。
表２に測定条件を示す。表２に示すように、実験Ｎｏ．５及びＮｏ．６は含水量０ｋｇ（乾燥条件）であり、実験Ｎｏ．７及びＮｏ．８は含水量４．６ｋｇ（湿潤条件）である。また、ヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃを加熱するための投入電力は、実験Ｎｏ．５及びＮｏ．７は１０Ｗであり、実験Ｎｏ．６及びＮｏ．８は１５Ｗである。
図５と図６を参照して実験の結果について説明する。
図５は、表２に示す、乾燥条件及び湿潤条件の試料にそれぞれ１０Ｗ又は１５Ｗで加熱したときの地層温度Ｔの計算結果と測定値との比較した結果を示すグラフであって、横軸は経過時間の自然対数（単位秒）、縦軸は地層温度Ｔ（単位Ｋ）である。図５において、表２のＮｏ．５を◆（黒い菱形印）、Ｎｏ．６を＊（アスタリスク印）、Ｎｏ．７を●（黒い丸印）、Ｎｏ．８を◇（白抜きの菱形印）でそれぞれ示している。実施例１と同様に、試験容器Ｃに珪砂を充填し、この珪砂中にセンサ部２０を埋め込んだ形態としているため、センサ部２０に与えた熱量の半分の熱量が、センサ部２０の外側の珪砂中に伝わったと仮定し、上記式（１−１）、（１−２）に基づいて計算を実行して逆解析を行った。
図５に示すとおり、乾燥条件の砂の場合（表２のＮｏ．５とＮ０．６）と、湿潤条件の砂の場合（表１のＮｏ．７とＮ０．８）とにおいて、測定結果と温度変化量の計算結果は非常に良く一致していることが分かった。
図５は、表２に示す、乾燥条件及び湿潤条件の試料にそれぞれ１０Ｗ又は１５Ｗで加熱したときの地層温度Ｔの計算結果と測定値との比較した結果を示すグラフであって、横軸は経過時間の自然対数（単位秒）、縦軸は地層温度Ｔ（単位Ｋ）である。図５において、表２のＮｏ．５を◆（黒い菱形印）、Ｎｏ．６を＊（アスタリスク印）、Ｎｏ．７を●（黒い丸印）、Ｎｏ．８を◇（白抜きの菱形印）でそれぞれ示している。実施例１と同様に、試験容器Ｃに珪砂を充填し、この珪砂中にセンサ部２０を埋め込んだ形態としているため、センサ部２０に与えた熱量の半分の熱量が、センサ部２０の外側の珪砂中に伝わったと仮定し、上記式（１−１）、（１−２）に基づいて計算を実行して逆解析を行った。
図５に示すとおり、乾燥条件の砂の場合（表２のＮｏ．５とＮ０．６）と、湿潤条件の砂の場合（表１のＮｏ．７とＮ０．８）とにおいて、測定結果と温度変化量の計算結果は非常に良く一致していることが分かった。
図６は、逆解析によって求めた熱伝導率κ［単位Ｗ／（ｍ・Ｋ）］と「Ｔ０（Ｑ／ｂ）／（ｄＴ／ｄｌｎｔ）」との関係を示すグラフである。
ここで、
Ｔ０［単位Ｋ］は地層の初期温度であって、本実験では試験容器Ｃに入った珪砂の表面の初期温度である。
Ｑ／ｂ［単位］は単位長さあたりの投入熱量である。
ｄＴ／ｄｌｎｔ［単位］はヒータに電力を投入している時間（対数）あたりの地層温度の上昇量である。
ここで、
Ｔ０［単位Ｋ］は地層の初期温度であって、本実験では試験容器Ｃに入った珪砂の表面の初期温度である。
Ｑ／ｂ［単位］は単位長さあたりの投入熱量である。
ｄＴ／ｄｌｎｔ［単位］はヒータに電力を投入している時間（対数）あたりの地層温度の上昇量である。
図６において、「乾燥したケイ砂」（●（黒丸印））は表２におけるＮｏ．５とＮｏ．６に対応し、「水を含んだケイ砂」（■（黒四角印））は表２におけるＮｏ．７とＮｏ．８に対応する。
実施例１と同様に、乾燥した土壌では、砂粒子間の空隙部分に空気が含まれ、熱伝導率は小さくなり、潤状態の土壌の場合、砂粒子間の空隙を水が満たし、砂粒子間の接触部分の熱抵抗が著しく減少し、熱伝導率の増加を表すものと考えられる。
実施例１と同様に、乾燥した土壌では、砂粒子間の空隙部分に空気が含まれ、熱伝導率は小さくなり、潤状態の土壌の場合、砂粒子間の空隙を水が満たし、砂粒子間の接触部分の熱抵抗が著しく減少し、熱伝導率の増加を表すものと考えられる。
図６に示すように、「乾燥したケイ砂」については逆解析によって得られた、次式（２−１）、（２−２）で示される直線Ｌ２−１に近似でき、「水を含んだケイ砂」についても、逆解析によって得られた、次式（２−３）、（２−４）で示される直線Ｌ２−２に近似できる。
ｙ＝１．９４２×１０−４x＋７．０５６×１０−２ （２−１）
Ｒ２＝８．９２０×１０−１ （２−２）
ｙ＝９．６３５×１０−５x＋７．８１９×１０−１ （２−３）
Ｒ２＝９．８２５×１０−１ （２−４）
ｙ＝１．９４２×１０−４x＋７．０５６×１０−２ （２−１）
Ｒ２＝８．９２０×１０−１ （２−２）
ｙ＝９．６３５×１０−５x＋７．８１９×１０−１ （２−３）
Ｒ２＝９．８２５×１０−１ （２−４）
実施例１と同様に、実施例２の乾燥条件（図６の「乾燥したケイ砂」）における熱伝導率κの実測値は、砂の熱伝導率０．２０〜１．８９［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］の範囲内にあり、乾燥条件の砂の値として妥当な値であると考えられる。また、湿潤条件（図６の「水を含んだケイ砂」）の熱伝導率κの実測値は乾燥条件の熱伝導率κの約５倍となっているため、湿潤条件の熱伝導率についても湿潤状態の砂の値として妥当な値であると考えられる。
なお、その他の作用、効果、構成等は実施例１と同様である。
なお、その他の作用、効果、構成等は実施例１と同様である。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
以上のように、本発明に係る土壌熱物性測定装置は、地中の土壌の熱交換量その他の熱物性の測定に有用である。
１０ 土壌熱物性測定装置
２０ センサ部
２１ 本体部
２１ａ 内周面
２１ｂ 上部開口
２１ｃ 下面
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ ヒータ
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ 熱電対（温度計測部）
３０ データロガー（記録部）
４０ デジタルハイテスタ（電力計）
５０ 直流安定化電源（電源部）
Ｃ 試験容器
２０ センサ部
２１ 本体部
２１ａ 内周面
２１ｂ 上部開口
２１ｃ 下面
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ ヒータ
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ 熱電対（温度計測部）
３０ データロガー（記録部）
４０ デジタルハイテスタ（電力計）
５０ 直流安定化電源（電源部）
Ｃ 試験容器
Claims (3)
- 有底筒状で金属製のセンサ部を備えた土壌熱物性測定装置であって、
前記センサ部は、
前記センサ部を加熱するヒータと、
前記センサ部の温度を計測する温度計測部とを有し、
前記センサ部の内部空間には珪砂が充填され、
前記土壌熱物性測定装置は、さらに、
前記ヒータに電力を投入するための電源部と、
前記温度計測部による計測結果を所定時間ごとに記録する記録部とを備えることを特徴とする土壌熱物性測定装置。 - 前記センサ部はステンレス鋼を有することを特徴とする請求項１に記載の土壌熱物性測定装置。
- 前記ヒータはアルミニウムホイルからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の土壌熱物性測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015156759A JP2017036939A (ja) | 2015-08-07 | 2015-08-07 | 土壌熱物性測定装置 |
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|---|---|
| JP (1) | JP2017036939A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107328815A (zh) * | 2017-07-24 | 2017-11-07 | 中国华电科工集团有限公司 | 用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪及测试方法 |
| CN108287175A (zh) * | 2017-12-14 | 2018-07-17 | 国网内蒙古东部电力有限公司经济技术研究院 | 一种实时测量土体热参数的试验方法 |
-
2015
- 2015-08-07 JP JP2015156759A patent/JP2017036939A/ja active Pending
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