JP5334221B1 - Analysis method and analysis program for thermal response test and pumping test - Google Patents

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Abstract

【課題】短時間で精度良く、熱応答試験結果に基づき地層の熱伝導率を求めることができる熱応答試験の解析方法を提案すること。
【解決手段】熱応答試験の解析方法では、コンピュータに熱応答試験による測定値を入力する。コンピュータにはパラメータ同定プログラムがインストールされており、当該同定プログラムにより、パウエルの共役傾斜法に基づく非線形最適化法を用いて、同定対象のパラメータに任意の値を設定して、指数関数の積分形で与えられる熱応答試験用の解析解を第30項まで計算して地層の温度上昇量を算出する温度上昇量の算出し、算出値と熱応答試験によって得られた測定値との誤差を算出し、この誤差が最小となるようにパラメータの値を変更する処理を繰り返すことでパラメータを同定する。同定後のパラメータを用いて地層の熱伝導率を算出できる。
【選択図】図4
The present invention proposes a thermal response test analysis method capable of obtaining the thermal conductivity of a formation based on the thermal response test results in a short time and with high accuracy.
In an analysis method of a thermal response test, a measured value by a thermal response test is input to a computer. A parameter identification program is installed in the computer, and by using the nonlinear optimization method based on Powell's conjugate gradient method, an arbitrary value is set for the parameter to be identified, and the integral form of the exponential function. Calculate the temperature rise amount for calculating the temperature rise amount of the formation by calculating the analytical solution for the thermal response test given in step 30 up to the 30th term, and calculate the error between the calculated value and the measured value obtained by the thermal response test The parameter is identified by repeating the process of changing the parameter value so that the error is minimized. The thermal conductivity of the formation can be calculated using the parameters after identification.
[Selection] Figure 4

Description

本発明は熱応答試験および揚水試験の解析方法および解析プログラムに関する。さらに詳しくは、共役傾斜法を適用してパラメータ同定による逆解析を行って、短時間で精度良く地盤の熱交換特性および地下水流動特性を評価できる解析方法および解析プログラムに関する。   The present invention relates to an analysis method and an analysis program for a thermal response test and a pumping test. More specifically, the present invention relates to an analysis method and an analysis program that can perform a reverse analysis by parameter identification by applying a conjugate gradient method, and can accurately evaluate the heat exchange characteristics and groundwater flow characteristics of the ground in a short time.

近年、原子力や火力に代わるクリーンなエネルギーとして、自然エネルギー(再生可能エネルギー)の利用が見直されてきている。その1つとして、地中熱の利用に関心が高まってきている。季節によって変動する外気温に対して、地中の温度は年間を通して約15℃で安定している。このような特性を持つ地中の熱を有効利用したものとして、地中熱ヒート・ポンプ(Geothermal Heat Pump、以下GeoHPと略す)システムがある。これは、地中熱を利用した冷暖房・給湯システムのことである。安定した熱の供給が行なえる地中熱の特性に着目し、夏場には冷房として地中に熱を放出し、冬場には暖房の熱源として利用する。   In recent years, the use of natural energy (renewable energy) has been reviewed as a clean energy alternative to nuclear power and thermal power. One of them is increasing interest in the use of geothermal heat. In contrast to the outside air temperature, which varies with the season, the underground temperature is stable at about 15 ° C throughout the year. An example of an effective use of underground heat having such characteristics is a underground heat pump (hereinafter referred to as GeoHP) system. This is an air-conditioning / hot-water supply system using geothermal heat. Focusing on the characteristics of geothermal heat that can supply stable heat, it releases heat into the ground as a cooling in the summer and uses it as a heat source for heating in the winter.

しかしながら、日本ではGeoHPシステムの普及は、欧米に比べ、遅れているのが実情である。その理由としては、認知度の低さ、井戸の掘削等における初期費用の問題、および、日本では欧米とは違い、その土地の風土によって熱物性値が異なるため、経済的なシステムづくりが依然として確立されていない、などが挙げられる。そのため、GeoHPシステムの普及には初期費用を抑えるためのシステムの効率化が必要不可欠である。   However, in Japan, the spread of the GeoHP system is delayed compared to Europe and America. Reasons for this are low recognition, problems of initial costs in drilling wells, etc. and, unlike Europe and the United States, thermophysical values differ depending on the climate of the land, so an economic system is still established. It is not done. For this reason, in order to popularize the GeoHP system, it is essential to improve the efficiency of the system in order to reduce the initial cost.

システムの効率化を図るための地盤調査試験として、熱応答試験が知られている。熱応答試験は主に地層の熱伝導率と熱交換井の熱抵抗を評価するための試験であり、地中熱交換井の熱交換挙動を予想する上で不可欠な情報である。熱応答試験を実施して、適正な井戸の本数・長さを決定することは、GeoHPシステムの初期費用の削減に極めて重要である。   A thermal response test is known as a ground investigation test for improving the efficiency of the system. The thermal response test is mainly a test for evaluating the thermal conductivity of the formation and the thermal resistance of the heat exchange well, and is essential information for predicting the heat exchange behavior of the underground heat exchange well. Performing a thermal response test to determine the appropriate number and length of wells is extremely important for reducing the initial cost of the GeoHP system.

地盤調査のための熱応答試験は、主にクローズド型方式における垂直型地中熱交換井を対象としている。このための熱応答試験装置は、地上部の水タンク内で電気ヒーターによって熱媒体を加熱し、循環ポンプにより配管内を循環させる。加熱された熱媒体は地中部を通過する際に放熱するため、U字管の入口・出口の温度差を測定し、その地層の熱交換特性を評価する。このような熱応答試験装置は、特許文献1に開示されており、熱応答試験装置を用いた熱応答試験方法は非特許文献1に開示されている。   The thermal response test for ground investigation is mainly targeted at the vertical underground heat exchange well in the closed type. A thermal response test apparatus for this purpose heats a heat medium with an electric heater in a water tank on the ground and circulates the inside of a pipe with a circulation pump. Since the heated heat medium dissipates heat when passing through the underground part, the temperature difference between the inlet and outlet of the U-shaped tube is measured to evaluate the heat exchange characteristics of the formation. Such a thermal response test apparatus is disclosed in Patent Document 1, and a thermal response test method using the thermal response test apparatus is disclosed in Non-Patent Document 1.

特開2004−301750号公報JP 2004-301750 A

「ボアホール型地中熱交換機に対する加熱法による熱応答試験の標準試験方法ver.2」、長野克則著、地下熱利用とヒートポンプシステム研究会編、財団法人ヒート・ポンプ・蓄熱センター"Standard test method of thermal response test by heating method for borehole type underground heat exchanger ver.2", Katsunori Nagano, edited by the study group of underground heat utilization and heat pump system, heat pump and heat storage center

ここで、熱応答試験の代表的な解析法としてはKelvinの線源関数や円筒型熱源関
数に基づく解析的手法、および有限差分法や有限要素法を用いた数値モデルによる解析法がある。熱応答試験の解析的手法において最も一般的に用いられている手法としては、データ観測の簡便さや解析の容易さより、Kelvinの線源関数に基づいた作図法が挙げられる。作図法では循環時における熱媒体の温度データの経時変化を用いる方法と循環停止後の地中温度の回復データを用いる方法があるが、循環時のデータを用いる解析が一般的に行われている。以下にKelvinの線源関数に基づいた熱応答試験の解析理論を説明する。
Here, as a typical analysis method of the thermal response test, there are an analytical method based on a Kelvin source function or a cylindrical heat source function, and an analysis method based on a numerical model using a finite difference method or a finite element method. The most commonly used method in the analytical method of the thermal response test is a drawing method based on the Kelvin source function because of the ease of data observation and the ease of analysis. There are two methods of plotting, one is the method using time-dependent change of temperature data of the heat medium during circulation and the other is the method using the recovery data of underground temperature after the circulation stop, but analysis using the data at the time of circulation is generally performed. . The analysis theory of the thermal response test based on the Kelvin source function will be described below.

地下水流れのない均質、等方性、等圧で無限の広がりをもつ地層へ完全貫入している井戸へ一定量Qで熱負荷を与えているものとする。非定常の熱伝導方程式は円筒座標系に変換すると、式(1)で表される。 Homogeneous with no groundwater flow, isotropic, it is assumed that the given heat load at a constant amount Q H isobaric into the well that fully penetrate into the formation with infinite extent. When the unsteady heat conduction equation is converted into a cylindrical coordinate system, it is expressed by equation (1).

一方、井戸の半径をrとすると、初期条件および境界条件は次式(2)〜(4)で与えられる。 On the other hand, assuming that the radius of the well is r w , the initial conditions and boundary conditions are given by the following equations (2) to (4).

地層の温度上昇量をT=T−Tとして、式(1)と初期条件および境界条件を書き直すと次式(5)〜(8)のようになる。 When the temperature rise amount of the formation is set to T r = T−T 0 , the following equations (5) to (8) are obtained by rewriting equation (1), initial conditions, and boundary conditions.

以上の初期条件、境界条件のもとで式(5)を解くと次式(9)〜(11)のようになる。   When equation (5) is solved under the above initial conditions and boundary conditions, the following equations (9) to (11) are obtained.

式(9)をKelvinの線源関数といい、E(X)は指数積分である。式(11)におけるE(X)はXが十分に小さい場合、一般にはX<0.05で誤差が2.5%以下の場合に、次式(12)により近似される。   Equation (9) is called a Kelvin source function, and E (X) is an exponential integral. E (X) in equation (11) is approximated by the following equation (12) when X is sufficiently small, generally when X <0.05 and the error is 2.5% or less.

したがって、式(9)は次式(13)により近似される。   Therefore, the equation (9) is approximated by the following equation (13).

式(13)において、熱交換量一定条件の下で時間とともに変化する変数は時間tのみなので、時間に依存する項としない項に整理すると、式(13)は次式(14)のように
なる。
In equation (13), the only variable that changes with time under the condition that the heat exchange amount is constant is only time t. Therefore, when arranged into terms that do not depend on time and terms that do not depend on time, equation (13) can be expressed as Become.

式(14)において、ln(x)=2.3log(x)とすると、自然対数が常用対数に変換され次式(15)となる。   In Expression (14), when ln (x) = 2.3log (x), the natural logarithm is converted into a common logarithm, and the following Expression (15) is obtained.

ここで、式(15)の傾きmを次式(16)で表す。   Here, the slope m of the equation (15) is expressed by the following equation (16).

この場合、地層の見かけ熱伝導率λは次式(17)で表される。   In this case, the apparent thermal conductivity λ of the formation is expressed by the following equation (17).

循環時データを用いた作図法では式(16)に基づいて、熱媒体平均温度の経時変化を示す片対数グラフの傾きよりm値を決定し、式(17)より地層の熱伝導率λを求める。また、近似解を用いて解析を行っていること、初期段階は地中熱交換器や充填剤の影響を受けることを考慮して、試験開始から十分な時間が経過した区間のデータよりm値を決定する。しかしながら、解析を行うデータ区間の選定に明確な基準は無く、解析を行なう人によって判断される。   In the plotting method using the circulation data, the m value is determined from the slope of the semilogarithmic graph showing the temporal change of the heat medium average temperature based on the equation (16), and the thermal conductivity λ of the formation is calculated from the equation (17). Ask. In addition, considering that analysis is performed using approximate solutions and that the initial stage is affected by underground heat exchangers and fillers, the m value is obtained from data in a section where sufficient time has elapsed since the start of the test. To decide. However, there is no clear standard for selecting the data section to be analyzed, and it is determined by the person performing the analysis.

このように、一般的に行われている熱応答試験の作図法による解析では、熱媒体平均温度の経時変化を示す片対数グラフの傾きよりm値を決定し、上記の式(17)より地層の見かけ熱伝導率λを求める。ここでいうグラフの傾きとは、試験開始から数十時間以上経過した後に見られる直線部のデータである。しかしながら、作図法による解析には以下のような問題点がある。
(1)誤差が許容範囲とされている2.5%となる時間tか不明のため、傾きmを決定する直線区間の選定に明確な基準は無く、どの区間のデータを直線部と定めるかは解析を行う人の主観によるため、解析結果が人によって異なる。
(2)初期段階のデータは全て捨ててしまうため、試験期間を長くとる必要があり、コストアップにつながる。
(3)作図法に用いられている解析解は、地下水流動、地温勾配を考慮していない。そのため、地下水流れがある場合、地温勾配がある場合には、正確な熱伝導率を求めることができない。したがって、熱応答試験の解析により求まる熱伝導率は、しばしば誤差を含んだ見かけの熱伝導率となる。
Thus, in the analysis by the drawing method of the thermal response test that is generally performed, the m value is determined from the slope of the semilogarithmic graph showing the change with time of the heat medium average temperature, and the formation is calculated from the above equation (17). The apparent thermal conductivity λ is obtained. The slope of the graph here is data of a straight line portion that is seen after several tens of hours have passed since the start of the test. However, there are the following problems in the analysis by the drawing method.
(1) Since the time t when the error is within the allowable range of 2.5% is unknown, there is no clear standard for selecting the straight section for determining the slope m, and which section of data is determined as the straight section Since this depends on the subjectivity of the person performing the analysis, the analysis results vary from person to person.
(2) Since all data in the initial stage is discarded, it is necessary to take a long test period, leading to an increase in cost.
(3) The analytical solution used in the drawing method does not take into account groundwater flow and ground temperature gradient. Therefore, when there is a groundwater flow or when there is a ground temperature gradient, it is not possible to obtain an accurate thermal conductivity. Therefore, the thermal conductivity obtained by the analysis of the thermal response test is often an apparent thermal conductivity including an error.

本発明の課題は、このような点に鑑みて、地盤の熱交換特性評価の時間短縮および精度向上を図るために、共役傾斜法を適用したパラメータ同定による熱応答試験の解析法および解析プログラムを提案することにある。   In view of these points, an object of the present invention is to provide a thermal response test analysis method and analysis program based on parameter identification to which a conjugate gradient method is applied in order to shorten time and improve accuracy of heat exchange characteristics evaluation of the ground. It is to propose.

また、本発明の課題は、透水量係数、貯留係数等の地下水流動パラメータを求めるための原位置試験として一般的に行われる揚水試験の解析解と熱応答試験の解析解との同一性に着目し、地盤の地下水流動特性評価の時間短縮および精度向上を図るために、共役傾斜法を適用したパラメータによる揚水試験の解析法および解析プログラムを提案することにある。   Another object of the present invention is to focus on the sameness between the analytical solution of the pumping test and the analytical solution of the thermal response test that are generally performed as an in-situ test for determining groundwater flow parameters such as the permeability coefficient and the storage coefficient. Then, in order to shorten the time and improve the accuracy of groundwater flow characteristics evaluation of the ground, it is to propose an analysis method and analysis program for pumping tests using parameters to which the conjugate gradient method is applied.

上記の課題を解決するために、本発明の熱応答試験の解析方法および解析プログラムでは、地盤の温度上昇量を規定するKelvinの線源関数において、その指数積分E(X)のべき級数展開式を少なくとも第16項、好ましくは第30項まで考慮すると、熱応答試験の初期段階において実測値に近い計算値(準解析解)が得られることに着目し、熱応答試験の初期段階において得られる実測値に対して、パウエルの共役傾斜法による逆解析を用いた非線形最適化手法を適用して、温度上昇量を規定するKelvinの線源関数の未知のパラメータを同定して、地盤の熱伝導率を算出している。すなわち、パウエルの共役傾斜法に基づく非線形最適化法を用いて、未知のパラメータを所定の値に設定した場合に得られる温度上昇量の計算値と、熱応答試験によって測定された温度上昇量の実測値との誤差が最小となるように、パラメータの逆解析を行っている。   In order to solve the above-mentioned problems, in the thermal response test analysis method and analysis program of the present invention, in the Kelvin source function that defines the temperature rise of the ground, the power series expansion formula of the exponential integral E (X) If at least the 16th term, preferably the 30th term, is taken into consideration, the calculation value (semi-analytical solution) close to the actual measurement value is obtained in the initial stage of the thermal response test, and is obtained in the initial stage of the thermal response test. By applying a nonlinear optimization method using Powell's conjugate gradient inverse analysis to the measured values, the unknown parameters of the Kelvin source function that defines the temperature rise are identified, and the heat conduction of the ground The rate is calculated. That is, using the nonlinear optimization method based on Powell's conjugate gradient method, the calculated value of the temperature rise obtained when the unknown parameter is set to a predetermined value and the temperature rise measured by the thermal response test Inverse analysis of the parameters is performed so that the error from the measured value is minimized.

また、本発明の揚水試験の解析方法および解析プログラムでは、熱応答試験解析解と揚水試験解析解の同一性に着目すると共に、地盤の地下水位低下量を規定するタイスの井戸関数において、その指数積分W(u)のべき級数展開式を少なくとも第16項、好ましくは第30項まで考慮すると、揚水試験の初期段階において実測値に近い計算値(準解析解)が得られることに着目して、揚水試験の初期段階において得られる実測値に対して、パウエルの共役傾斜法による逆解析を用いた非線形最適化手法を適用して、地下水位低下量を規定するタイスの井戸関数の未知のパラメータを同定して、地盤の透水量係数を算出している。   Also, in the pumping test analysis method and analysis program of the present invention, attention is paid to the identity of the thermal response test analysis solution and the pumping test analysis solution, and in the well function of Tyce that defines the groundwater level drop amount of the ground, the index Considering that the power series expansion formula of the integral W (u) takes into account at least the 16th term, preferably the 30th term, a calculated value (semi-analytical solution) close to the actual measured value can be obtained in the initial stage of the pumping test. An unknown parameter of the well function of Tyce that defines the groundwater level drop by applying a nonlinear optimization method using Powell's conjugate gradient inverse analysis to the measured value obtained in the initial stage of the pumping test And the water permeability coefficient of the ground is calculated.

(パウエルの共役傾斜法)
本発明においては熱応答試験あるいは揚水試験の解析方法では、最適化手法による逆解析を利用している。先に述べたように、地下水モデルによる正解析は透水量係数や熱伝導率あるいは分散係数などを既知パラメータとして、地下水位、地下水温、物質の濃度などを計算する構造になっている。しかし、こうしたパラメータを直接精度よく測定することは難しく、むしろ解として得られるべき濃度や地下水温の方が容易に、精度よく観測・測定が可能である。本発明では、地下水位や地下水温などの実測値に計算値が一致するように非線形最適化手法を用いて、各種パラメータを同定する逆解析を採用している。逆解析では、まず目的関数を設定し、それらを最小化することによって各パラメータが得られる。
(Powell's conjugate gradient method)
In the present invention, in the analysis method of the thermal response test or the pumping test, the inverse analysis by the optimization method is used. As described above, the positive analysis based on the groundwater model has a structure that calculates the groundwater level, the groundwater temperature, the concentration of substances, etc. using the water permeability coefficient, thermal conductivity, or dispersion coefficient as known parameters. However, it is difficult to directly measure these parameters with high accuracy. Rather, the concentration and groundwater temperature that should be obtained as a solution can be measured and measured more easily and accurately. In the present invention, inverse analysis is used to identify various parameters using a non-linear optimization method so that the calculated values coincide with actual measured values such as groundwater level and groundwater temperature. In the inverse analysis, each parameter is obtained by first setting objective functions and minimizing them.

最適化手法によって最小化される目的関数F(x)には、次式(20)で示す実測値と計算値の2乗和などが用いられる。   For the objective function F (x) minimized by the optimization method, the square sum of the measured value and the calculated value represented by the following equation (20) is used.

本発明では、非線形最適化手法として、パウエル(Powell)の共役傾斜法を採用する。パウエル(Powell)の共役傾斜法は、他の多くの最適化手法で必要とされる目的関数の各パラメータに関する微係数を必要とせず、目的関数のみを用いて、その最適パラメータを求めることができ、高い汎用性を持つ。   In the present invention, the Powell conjugate gradient method is adopted as a nonlinear optimization method. Powell's conjugate gradient method does not require a derivative for each parameter of the objective function required by many other optimization techniques, and can determine the optimal parameter using only the objective function. High versatility.

パウエル(Powell)の共役傾斜法では、2つの離れた点からvの方向に正値2次形式の最小点を見つけ出すとき、各々で求めた最小点x1,x2を結ぶベクトルは、vと共役であるという性質を利用している。この性質を利用して、n回直接探索を繰り返すことにより、最小点を見つけ出すことができる。図1.1に共役方向の概略図を示し、図1.2にパウエル(Powell)の共役傾斜法の基本アルゴリズムを示す。   In Powell's conjugate gradient method, when a minimum point of positive quadratic form is found in the direction of v from two distant points, the vector connecting the minimum points x1 and x2 obtained by each is conjugate with v. It takes advantage of the nature of being. Using this property, the minimum point can be found by repeating the direct search n times. Fig. 1.1 shows a schematic diagram of the conjugate direction, and Fig. 1.2 shows the basic algorithm of Powell's conjugate gradient method.

(熱応答試験の準解析解)
熱応答試験の解析解は以下の式(21)〜(23)で表せる。
(Semi-analytical solution of thermal response test)
The analytical solution of the thermal response test can be expressed by the following equations (21) to (23).

従来における熱応答試験の解析法では、Kelvinの線源関数の漸近解を第2項まで近似する近似解が用いられている。Kelvinの線源関数の漸近解の項を増加させると正確解に近づく。図2.1は、縦軸をE(X)、横軸を1/Xとして、漸近解の項を第2項から徐々に増加させたグラフを示す。グラフから、漸近解の項を増加させると、近似解と正確解が同じ曲線を示す期間が長くなり、正確解に近づいていくことが分かる。このグ
ラフでは漸近解の項を第30項まで増加させたグラフを描かせているが、第16項以降は正確解とほとんど一致している。
In the conventional analysis method of the thermal response test, an approximate solution that approximates the asymptotic solution of the Kelvin source function to the second term is used. Increasing the term of the asymptotic solution of Kelvin's source function approaches the exact solution. FIG. 2.1 shows a graph in which the vertical axis is E (X), the horizontal axis is 1 / X, and the asymptotic solution term is gradually increased from the second term. From the graph, it can be seen that when the term of the asymptotic solution is increased, the period in which the approximate solution and the exact solution show the same curve becomes longer and approaches the accurate solution. In this graph, a graph in which the term of the asymptotic solution is increased to the 30th term is drawn, but the 16th term and thereafter are almost coincident with the accurate solution.

図2.2は、漸近解を第30項まで近似した近似解に対する相対誤差の一覧表である。全体として、1/Xの値が小さくなるほど誤差は大きくなる傾向にあるが、近似する項数によって誤差の大小が異なり、項数が増加するにつれて誤差が小さくなることが分かる。なお、「−」の表示がある部分は、誤差の値が大きくなりすぎるため省略してある。   FIG. 2.2 is a list of relative errors with respect to the approximate solution obtained by approximating the asymptotic solution up to the 30th term. As a whole, the error tends to increase as the value of 1 / X decreases, but it can be seen that the error varies depending on the number of terms to be approximated, and the error decreases as the number of terms increases. It should be noted that the portion with “−” is omitted because the error value becomes too large.

以上のことから、漸近解の項数を増加させることで、従来の近似解よりも正確解に近い準解析解が求められることが分かる。本発明においては、Kelvinの線源関数の漸近解を少なくとも第16項まで、好ましくは、第30項まで近似した漸近解(準解析解)を用いている。   From the above, it can be seen that by increasing the number of terms in the asymptotic solution, a semi-analytical solution closer to the accurate solution than the conventional approximate solution is obtained. In the present invention, an asymptotic solution (quasi-analytical solution) that approximates the asymptotic solution of the Kelvin source function to at least the 16th term, preferably to the 30th term is used.

(熱応答試験の解析における同定対象のパラメータ)
次に、熱応答試験においてΔT、Q、bは観測データとして既知であり、r、ρc、λが未知の状態である。本発明では、求めるパラメータを次のようにα1、α2として、共役傾斜法を組み込んだ同定プログラムにより逆解析を行う。
(Parameters to be identified in analysis of thermal response test)
Next, in the thermal response test, ΔT, Q H and b are known as observation data, and r, ρc and λ are unknown. In the present invention, α1 and α2 are obtained as follows, and the inverse analysis is performed by an identification program incorporating a conjugate gradient method.

ここで、α、αを用いて式(21)を書き直すと、以下の式(24)〜(26)のように表せる。 Here, when formula (21) is rewritten using α 1 and α 2 , the following formulas (24) to (26) can be obtained.

また、評価尺度としては、次式(27)と式(28)を用いることができる。式(27)は、計算値と実測値の2乗誤差の総和を1/2乗したユークリッドノルムである。式(28)は、計算値と実測値の絶対値誤差の総和を総データ数で除しており、データ1つあたりの誤差を表す。   Further, as the evaluation scale, the following expressions (27) and (28) can be used. Expression (27) is an Euclidean norm obtained by raising the sum of the square error of the calculated value and the actually measured value to the power of 1/2. Formula (28) divides the sum of the absolute value errors of the calculated value and the actually measured value by the total number of data, and represents the error per piece of data.

(揚水試験解析への適用:揚水試験解析解と熱応答試験解析解の同一性)
次に、熱応答試験と揚水試験は、両者とも熱伝導理論を基として、解析解を導いている。そのため、本発明の熱応答試験の解析方法および解析プログラムは揚水試験の解析にも適応することが可能である。以下に、揚水試験解析解と熱応答試験解析解の同一性を説明する。
(Application to pumping test analysis: identity between pumping test analysis solution and thermal response test analysis solution)
Next, the thermal response test and the pumping test both derive analytical solutions based on the heat conduction theory. Therefore, the thermal response test analysis method and analysis program of the present invention can be applied to the pumping test analysis. Below, the identity of the pumped water test analysis solution and the thermal response test analysis solution will be described.

揚水試験は現場においては、透水量係数や貯留係数といった地下水流動系パラメータを求めるための原位置試験として最も一般的に行われている。ここでは、被圧帯水層にスクリーンを持つ井戸から揚水を行った時の非定常の地下水流動方程式に対する解析解として現在も広く利用されているタイス(Theis, 1935)の正確解を誘導し、熱応答試験解析解との同一性を確認する。   The pumping test is most commonly performed in the field as an in-situ test for determining groundwater flow system parameters such as a permeability coefficient and a storage coefficient. Here, we derive the exact solution of Thais (Theis, 1935), which is still widely used as an analytical solution for the unsteady groundwater flow equation when pumping water from a well with a screen in a confined aquifer, Confirm the identity with the thermal response test analysis solution.

均質、等方性、等圧で無限の広がりをもつ地層へ完全貫入している井戸から一定量Q地下水が揚水されているものとする。均質・等方性の被圧帯水層における水平2次元の地下水の流れを円筒座標系に変換すると次式(31)で表される。 Homogeneous isotropic certain amount Q W groundwater from the well that fully penetrate into the formation with infinite extent at equal pressure is assumed to be pumped. When the horizontal two-dimensional groundwater flow in the homogeneous and isotropic confined aquifer is converted into a cylindrical coordinate system, it is expressed by the following equation (31).

一方、井戸の半径をrとすると、初期条件および境界条件は次式(32)〜(34)で与えられる。 On the other hand, assuming that the well radius is r W , the initial conditions and boundary conditions are given by the following equations (32) to (34).

地下水位低下量をs=h−hとして式(31)と初期条件および境界条件を書き直すと次式(35)〜(38)のようになる。 When the groundwater level lowering amount is set to s = h 0 −h, the equation (31), the initial condition, and the boundary condition are rewritten as the following equations (35) to (38).

ここで、
とおくと、Theis(1935)は式(34)を上記の初期および境界条件の下で解き
次式を得た。以上の初期条件、境界条件のもとで式(31)を解くと次式(39)〜(41)のようになる。
here,
In particular, Theis (1935) solved Equation (34) under the above initial and boundary conditions to obtain the following equation. When equation (31) is solved under the above initial conditions and boundary conditions, the following equations (39) to (41) are obtained.

式(39)はタイスの井戸関数と呼ばれている。また式(39)におけるW(u)は指数積分であり、uが十分に小さい範囲において(一般u>0.05で誤差が2.5%以下)、次式(42)により近似される。   Equation (39) is called the Ties well function. W (u) in equation (39) is an exponential integral, and is approximated by the following equation (42) in a range where u is sufficiently small (generally u> 0.05 and error is 2.5% or less).

したがって、式(39)は次式(43)により近似される。   Therefore, the equation (39) is approximated by the following equation (43).

式(43)はヤコブの近似解と呼ばれている。   Equation (43) is called Jacob's approximate solution.

以上のように熱応答試験解析解と揚水試験解析解は、元を辿れば熱伝導理論によるものであり、熱応答試験解析解のb(ρc)、bλが、揚水試験解析解ではS、Tとなるが、式の形自体は同じであり、両者の同一性を確認することができた。これにより、本発明による熱応答試験の解析法を揚水試験にも同様に適応できることが分かる。 As described above, the thermal response test analysis solution and the pumping test analysis solution are based on the heat conduction theory if traced back to the original, and b (ρc) and bλ of the thermal response test analysis solution are S c , Although T, the form of the formula is the same, and the identity of both was confirmed. Thereby, it turns out that the analysis method of the thermal response test by this invention can be similarly applied to a pumping test.

本発明によれば、従来の作図法に比べて、短時間で(すなわち、熱移動が安定して、温度上昇量の経時変化を表す曲線の傾きが一定になるまで待たずに)、客観的に、しかも精度良く、地盤の熱伝導率を求めることができる。また、本発明によれば、揚水試験による透水量係数の算出においても同様な作用効果を得ることができる。具体的には、本発明の解析方法および解析プログラムによれば次の効果を得ることができる。
(1)Powellの共役傾斜法を適用した逆解析を用いることで、従来の作図法とは異
なり、客観的かつ精度良く、熱応答試験および揚水試験におけるパラメータを評価することができる。
(2)熱応答試験の解析においては、熱伝導率に加えて、従来の解析では求めることのできなかった体積熱容量も求めることが可能である。
(3)準解析解を用いることで従来の近似解では評価できなかった初期段階の試験結果を再現できるので、従来の作図法に比べて、試験期間の大幅な短縮を図ることができ、これにより、コスト縮減も図ることができる。
(4)本発明の解析プログラムを用いることにより、従来手法に比べてパーソナルコンピュータを用いて簡便にパラメータを同定できる。
(5)地温勾配、地下水流動によるf/N値、熱伝導率への影響を確認できる。
(6)試験の初期段階のデータを用いることで、流動や地温勾配に影響されない熱伝導率を求めることができる。
(7)本発明の熱応答試験の解析方法および解析プログラムによって得られる解析結果を用いて、準解析解により熱移動分布を描かせることで、適正な井戸配置を決定できる。
According to the present invention, compared with the conventional drawing method, it is objective in a short time (that is, without waiting for the heat transfer to be stable and the slope of the curve representing the change over time in the temperature rise to be constant). In addition, the thermal conductivity of the ground can be obtained with high accuracy. Moreover, according to this invention, the same effect can be acquired also in calculation of the water permeability coefficient by a pumping test. Specifically, according to the analysis method and analysis program of the present invention, the following effects can be obtained.
(1) By using the inverse analysis to which Powell's conjugate gradient method is applied, the parameters in the thermal response test and the pumping test can be evaluated objectively and accurately unlike the conventional drawing method.
(2) In the analysis of the thermal response test, in addition to the thermal conductivity, the volumetric heat capacity that could not be obtained by the conventional analysis can be obtained.
(3) By using a semi-analytical solution, it is possible to reproduce the initial test results that could not be evaluated with the conventional approximate solution. Therefore, the test period can be greatly shortened compared to the conventional drawing method. Thus, cost reduction can also be achieved.
(4) By using the analysis program of the present invention, parameters can be easily identified using a personal computer compared to the conventional method.
(5) The influence on the f / N value and thermal conductivity due to ground temperature gradient, groundwater flow can be confirmed.
(6) By using the data at the initial stage of the test, it is possible to obtain the thermal conductivity that is not affected by the flow and the earth temperature gradient.
(7) By using the analysis result of the thermal response test of the present invention and the analysis result obtained by the analysis program, it is possible to determine an appropriate well arrangement by drawing the heat transfer distribution by the quasi-analytic solution.

パウエルの共役傾斜法における共役方向を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the conjugate direction in the conjugate gradient method of Powell. パウエルの共役傾斜法の基本アルゴリズムを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the basic algorithm of the conjugate gradient method of Powell. Kelvinの線源関数と近似解を比較したグラフである。It is the graph which compared the source function of Kelvin and the approximate solution. Kelvinの線源関数の漸近解を第30項まで近似した近似解に対する相対誤差を示す一覧表である。It is a table | surface which shows the relative error with respect to the approximate solution which approximated the asymptotic solution of the source function of Kelvin to the 30th term. 本発明による同定プログラムの妥当性を検証するためのテストケースの条件を示す一覧表である。It is a list which shows the conditions of the test case for verifying the validity of the identification program by this invention. テストケース1におけるF値とDIF値の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of F value and DIF value in the test case 1. FIG. テストケース1におけるbλの値とbr(ρc)の値の変化を示すグラフである。7 is a graph showing changes in the value of bλ and the value of br 2 (ρc) in test case 1. テストケース1における計算値と設定値の比較結果を示すグラフである。6 is a graph showing a comparison result between a calculated value and a set value in test case 1. テストケース1の解析結果の一覧表である。6 is a list of analysis results of test case 1. テストケース2におけるF値とDIF値の変化を示すグラフである。7 is a graph showing changes in F value and DIF value in test case 2. テストケース2におけるbλの値とbr(ρc)の値の変化を示すグラフである。7 is a graph showing changes in the value of bλ and the value of br 2 (ρc) in test case 2. テストケース2における計算値と設定値の比較結果を示すグラフである。6 is a graph showing a comparison result between a calculated value and a set value in test case 2. テストケース2の解析結果の一覧表である。10 is a list of analysis results of test case 2. 熱応答試験装置の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of a thermal response test apparatus. 第1地点周辺の水理地質断面図である。It is a hydrogeological sectional view around the first point. 第1地点の第1回目の熱応答試験条件の一覧表である。It is a list of the 1st thermal response test conditions of the 1st point. 第1地点の第2回目の熱応答試験条件の一覧表である。It is a list of the 2nd thermal response test conditions of the 1st point. 第1地点の熱応答試験の測定機器と試験装置の諸元の一覧表である。It is a list of the specifications of the measuring device and test device of the thermal response test of the 1st point. 第1地点の第1回目の熱応答試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the 1st thermal response test result of a 1st point. 第1地点の第1回目の熱応答試験の逆解析による同定結果の一覧表である。It is a table | surface of the identification result by the reverse analysis of the 1st thermal response test of a 1st point. 第1地点の第1回目の熱応答試験の計算値と実測値の比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the calculated value and actual value of the 1st thermal response test of a 1st point. 第1地点の第1回目の熱応答試験の作図法による解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result by the drawing method of the 1st thermal response test of a 1st point. 第1地点の第2回目の熱応答試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the 2nd thermal response test result of the 1st point. 第1地点の第2回目の熱応答試験の逆解析による同定結果の一覧表である。It is a table | surface of the identification result by the reverse analysis of the 2nd thermal response test of a 1st point. 第1地点の第2回目の熱応答試験の計算値と実測値の比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the calculated value and actual value of the 2nd thermal response test of a 1st point. 第1地点の第2回目の熱応答試験の作図法による解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result by the drawing method of the 2nd thermal response test of a 1st point. 第2地点の温度検層結果を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature logging result of the 2nd point. 第2地点の熱応答試験条件の一覧表である。It is a list of the thermal response test conditions of the 2nd point. 第2地点の熱応答試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the thermal response test result of the 2nd point. 第2地点の熱応答試験の逆解析による同定結果の一覧表である。It is a table | surface of the identification result by the reverse analysis of the thermal response test of a 2nd point. 第2地点の熱応答試験の計算値と実測値の比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the calculated value and actual value of the thermal response test of a 2nd point. 第2地点の熱応答試験の作図法による解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result by the drawing method of the thermal response test of the 2nd point. 第3地点の熱応答試験条件の一覧表である。It is a list of the thermal response test conditions of the 3rd point. 第3地点の熱応答試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the thermal response test result of the 3rd point. 第3地点の熱応答試験の逆解析による同定結果の一覧表である。It is a table | surface of the identification result by the reverse analysis of the thermal response test of a 3rd point. 第3地点の熱応答試験の計算値と実測値の比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the calculated value and actual value of the thermal response test of a 3rd point. 第1地点での第1回目と第2回目の熱応答試験の解析結果の一覧表である。It is a table | surface of the analysis result of the 1st time in a 1st point, and the 2nd thermal response test. 第1地点の第2回目と第2地点の熱応答試験の解析結果の一覧表である。It is a table | surface of the analysis result of the 2nd time of a 1st point, and the thermal response test of a 2nd point. 第1地点の第2回目と第2地点の温度検層結果を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature logging result of the 2nd time of a 1st point, and a 2nd point. 第1地点の第2回目と第3地点の熱応答試験の解析結果の一覧表である。It is a table | surface of the analysis result of the 2nd time of a 1st point, and the thermal response test of a 3rd point. 第1地点の第2回目の熱応答試験における解析データ区間を変化させた場合の解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result at the time of changing the analysis data area in the 2nd thermal response test of the 1st point. 第3地点の熱応答試験における解析データ区間を変化させた場合の解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result at the time of changing the analysis data area in the thermal response test of the 3rd point. 第1地点の第2回目において初期段階データと後半部データを用いた場合の解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result at the time of using initial stage data and latter half part data in the 2nd time of the 1st point. 第2地点において初期段階データと後半部データを用いた場合の解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result at the time of using an initial stage data and latter half part data in a 2nd point. 第3地点において初期段階データと後半部データを用いた場合の解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result at the time of using initial stage data and latter half part data in a 3rd point. 第1地点の第1回目における試験期間に対する熱伝導率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the heat conductivity with respect to the test period in the 1st time of a 1st point. 第1地点の第1回目における試験期間に対するf/N値の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of f / N value with respect to the test period in the 1st time of the 1st point. 第1地点の第1回目における各試験期間の解析結果の一覧表である。It is a list of the analysis result of each test period in the 1st time of the 1st point. 第1地点の第1回目における試験期間に対する解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result with respect to the test period in the 1st time of the 1st point. 第1地点の第2回目における試験期間に対する熱伝導率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the heat conductivity with respect to the test period in the 2nd time of a 1st point. 第1地点の第2回目における試験期間に対するf/N値の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of f / N value with respect to the test period in the 2nd time of the 1st point. 第1地点の第2回目における各試験期間の解析結果の一覧表である。It is a table | surface of the analysis result of each test period in the 2nd time of a 1st point. 第1地点の第2回目における試験期間に対する解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result with respect to the test period in the 2nd time of the 1st point. 第2地点における試験期間に対する熱伝導率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the heat conductivity with respect to the test period in a 2nd point. 第2地点における試験期間に対するf/N値の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of f / N value with respect to the test period in a 2nd point. 第2地点における各試験期間の解析結果の一覧表である。It is a table | surface of the analysis result of each test period in a 2nd point. 第2地点における試験期間に対する解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result with respect to the test period in a 2nd point. 第3地点における試験期間に対する熱伝導率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the heat conductivity with respect to the test period in a 3rd point. 第3地点における試験期間に対するf/N値の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of f / N value with respect to the test period in a 3rd point. 第3地点における各試験期間の解析結果の一覧表である。It is a table | surface of the analysis result of each test period in a 3rd point. 第3地点における試験期間に対する解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result with respect to the test period in a 3rd point. 第1帯水層の揚水試験条件の一覧表である。It is a table | surface of the pumping test conditions of a 1st aquifer. 第2帯水層の揚水試験条件の一覧表である。It is a table | surface of the pumping test conditions of a 2nd aquifer. 第1帯水層の揚水試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the pumping test result of a 1st aquifer. 第1帯水層についての逆解析による同定結果の一覧表である。It is a table | surface of the identification result by the reverse analysis about a 1st aquifer. 第1帯水層についての計算値と実測値の比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the calculated value and actual value about a 1st aquifer. 第2帯水層の揚水試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the pumping test result of a 2nd aquifer. 第2帯水層についての逆解析による同定結果の一覧表である。It is a table | surface of the identification result by the reverse analysis about a 2nd aquifer. 第2帯水層についての計算値と実測値の比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the calculated value about a 2nd aquifer, and a measured value.

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

[共役傾斜法を用いたパラメータの同定プログラムの検証]
本発明者等は、熱応答試験の解析法として採用した共役傾斜法によるパラメータ同定の手法を実行するために開発した同定プログラムをテストケースに適用し、当該同定プログラムの妥当性を検証した。
[Verification of parameter identification program using conjugate gradient method]
The present inventors applied the identification program developed to execute the parameter identification method by the conjugate gradient method adopted as the analysis method of the thermal response test to the test case, and verified the validity of the identification program.

(検証手順)
開発した共役傾斜法を用いたパラメータの同定プログラムの妥当性の検証は以下の手順で実施した。
1)図3.1に一覧表として示す2つのテストケースにおいて、2つのパラメータα1、α2に対して予め任意の値を与え、計算ソフト「Excel」で準解析解(式(24)〜(26)、第30項まで考慮)を用いて計算する。時間当たりの温度変化量を検証データに用いる。
2)同定パラメータとするα1(=br(ρc))とα2(=bλ)について、予め与えた任意の値以外の値を初期値として与える。
3)逆解析によりパラメータα1、α2を同定する。
4)DIF≦0.0000001を計算終了条件とする。
(DIF=F−Fi−1:i番目のF値とi−1番目のF値の差分)
(Verification procedure)
Verification of the validity of the parameter identification program using the developed conjugate gradient method was performed according to the following procedure.
1) In the two test cases shown as a list in FIG. 3.1, arbitrary values are given in advance to the two parameters α1 and α2, and the semi-analytical solution (formulas (24) to (26) is calculated by the calculation software “Excel”. ), Considering up to the 30th term). The amount of temperature change per hour is used as verification data.
2) With respect to α1 (= br 2 (ρc)) and α2 (= bλ) as identification parameters, values other than arbitrary given values are given as initial values.
3) Parameters α1 and α2 are identified by inverse analysis.
4) DIF ≦ 0.0000001 is set as the calculation end condition.
(DIF = F i −F i−1 : difference between i-th F value and i−1th F value)

(パラメータの評価)
<テストケース1>
図3.2は探索回数におけるF値、DIF値を示すグラフであり、図3.3は探索回数におけるbλ、br(ρc)を示すグラフであり、図3.4は逆解析より求めたパラメータα1、α2を使った計算値と設定値との比較を示すグラフである。また、図3.5は解析結果の一覧表である。
(Evaluation of parameters)
<Test case 1>
Fig. 3.2 is a graph showing the F value and DIF value at the number of searches, Fig. 3.3 is a graph showing bλ, br 2 (ρc) at the number of searches, and Fig. 3.4 was obtained by inverse analysis. It is a graph which shows the comparison with the calculated value using parameter (alpha) 1 and (alpha) 2, and a setting value. FIG. 3.5 is a list of analysis results.

F値が最小値となるように探索を繰り返し、これ以上値が変化しなくなったところで探索を終了する。またDIF値は1つ前のF値との差分を表しており、F値の値が変わらなくなったところで限りなく零に近い値を示す。   The search is repeated so that the F value becomes the minimum value, and the search is terminated when the value no longer changes. The DIF value represents the difference from the previous F value, and shows a value close to zero where the F value does not change.

テストケース1では、設定値に対して初期推定値を2倍の大きさにして解析を行った。図3.3より、探索を繰り返して、パラメータの値が設定値に近づいていくことが分かり、図3.4より、計算値と設定値は非常に良く一致していることが分かる。また、図3.5に示すようにf/N値(データ1つ当たりの誤差)もほぼ零に等しく、精度の高い結果を得ることが出来たことが分かる。   In test case 1, the initial estimated value was doubled with respect to the set value and analyzed. From FIG. 3.3, it can be seen that the search is repeated and the parameter value approaches the set value, and from FIG. 3.4, the calculated value and the set value agree very well. Further, as shown in FIG. 3.5, the f / N value (error per data) is almost equal to zero, and it can be seen that a highly accurate result can be obtained.

<テストケース2>
図3.6は探索回数におけるF値、DIF値を示すグラフであり、図3.7は探索回数におけるα2(=bλ)、α1(=br(ρc))を示すグラフであり、図3.8は逆解析より求めたパラメータα1、α2を使った計算値と設定値との比較を示すグラフである。また、図3.9は解析結果の一覧表である。
<Test case 2>
3.6 is a graph showing the F value and DIF value in the number of searches, and FIG. 3.7 is a graph showing α2 (= bλ) and α1 (= br 2 (ρc)) in the number of searches. .8 is a graph showing a comparison between the calculated value using the parameters α1 and α2 obtained by the inverse analysis and the set value. FIG. 3.9 is a list of analysis results.

テストケース2では設定値に対する初期推定値を1/2の大きさにして解析を行った。図3.7より、探索を繰り返して、パラメータα1、α2の値が設定値に近づいていくことが分かる。図3.8より、テストケース2においてもテストケース1と同様に設定値と計算値は非常に良く一致していることが分かる。また、図3.9に示すように、f/N値(データ1つ当たりの誤差)もほとんど零に等しく、精度の高い結果が得られたことが分かる。   In test case 2, the initial estimated value for the set value was halved for analysis. From FIG. 3.7, it can be seen that the values of the parameters α1 and α2 approach the set values by repeating the search. From FIG. 3.8, it can be seen that the test value in Test Case 2 also matches the calculated value very well as in Test Case 1. Further, as shown in FIG. 3.9, the f / N value (error per data) is almost equal to zero, and it can be seen that a highly accurate result was obtained.

設定値に対する初期設定の値や有効深度などを変えた2つのテストケースによって検証したが、双方のテストケース共に非常に高い精度の結果が得られ、本発明の同定プログラムの妥当性を検証することが出来た。また、準解析解を用いることで、初期段階の結果も再現できることが確認できた。   Although verification was performed using two test cases with different default values and effective depths for the set values, very high accuracy results were obtained in both test cases, and the validity of the identification program of the present invention was verified. Was made. It was also confirmed that the results of the initial stage can be reproduced by using the semi-analytical solution.

1.原位置熱応答試験
本発明者等は、3地点で実施した熱応答試験について、本発明による共役傾斜法を用いたパラメータの同定プログラムを用いて解析を行った。以下に、使用した熱応答試験装置の構成および試験の実施手順を説明し、次に、熱応答試験を行った3箇所での現場サイトの地質条件、試験条件および解析結果を説明する。
1. In-situ thermal response test The present inventors analyzed a thermal response test conducted at three points using a parameter identification program using the conjugate gradient method according to the present invention. Below, the structure of the used thermal response test apparatus and the implementation procedure of the test will be described, and then the geological conditions, test conditions, and analysis results of the site sites at the three locations where the thermal response test was performed will be described.

[熱応答試験装置の構成]
図4は、熱応答試験の実測値から地盤の熱伝導率を算出するための熱応答試験装置の一例を示す全体構成図である。熱応答試験装置1は、主にクローズド型方式における垂直型地中熱交換井Aを対象とした公知の構成のものであり、熱媒体を加熱し、循環を行うための循環系2と、熱媒体温度・消費電力・循環流量などを計測する計測系3より構成される。循環系2の主な構成要素は循環ポンプ4、電気ヒーター5、水タンク6などで、計測系3は温度センサー7、8、9、流量計10、データロガー11、パーソナルコンピュータ12などである。
[Configuration of thermal response test equipment]
FIG. 4 is an overall configuration diagram showing an example of a thermal response test apparatus for calculating the thermal conductivity of the ground from the actual measurement value of the thermal response test. The thermal response test apparatus 1 has a known configuration mainly for a vertical underground heat exchange well A in a closed type, and heats a heat medium and circulates the circulation system 2 and heat. It consists of a measurement system 3 that measures medium temperature, power consumption, circulating flow rate, and the like. The main components of the circulation system 2 are a circulation pump 4, an electric heater 5, a water tank 6, and the like, and the measurement system 3 is a temperature sensor 7, 8, 9, a flow meter 10, a data logger 11, a personal computer 12, and the like.

この構成の熱応答試験装置1では、地上部の水タンク6内で電気ヒーター5によって熱媒体を加熱し、循環ポンプ4により熱媒体を配管13内に循環させる。加熱された熱媒体は、試験対象の地盤14に形成されているボアホール孔15を通過する際に放熱するため、U字管16の入口・出口の温度差を温度センサー8、9でそれぞれ測定し、その地層の熱交換特性を評価する。   In the thermal response test apparatus 1 having this configuration, the heat medium is heated by the electric heater 5 in the water tank 6 on the ground, and the heat medium is circulated in the pipe 13 by the circulation pump 4. Since the heated heat medium dissipates heat when passing through the borehole hole 15 formed in the ground 14 to be tested, the temperature difference between the inlet and outlet of the U-shaped tube 16 is measured by the temperature sensors 8 and 9, respectively. Evaluate the heat exchange characteristics of the formation.

計測計3のパーソナルコンピュータ12には、キーボード、マウスなどの入力装置17と、液晶表示器などのモニター、プリンターなどの出力装置18が接続されている。パーソナルコンピュータ12には、本発明による熱応答試験の解析プログラム(以下の説明では、これを「同定プログラム」と呼ぶ場合もある。)がインストールされている。解析プログラムを実行することにより、データロガー11から取り込んだ計測データに基づき、試験対象の地盤の熱交換特性の評価(地盤の熱伝導率の算出処理等)を行う。   Connected to the personal computer 12 of the measuring instrument 3 are an input device 17 such as a keyboard and a mouse, a monitor such as a liquid crystal display, and an output device 18 such as a printer. The personal computer 12 is installed with a thermal response test analysis program according to the present invention (in the following description, it may be referred to as an “identification program”). By executing the analysis program, the heat exchange characteristics of the ground to be tested (e.g., the calculation process of the thermal conductivity of the ground) is performed based on the measurement data captured from the data logger 11.

ここで、熱負荷には、電圧の安定した電源に接続した電気ヒーター5を使用する。電気ヒーター5は、GeoHPシステム実使用時と同等程度の熱負荷を掛けることのできる容量を有する必要がある。また、電気ヒーター5には安全装置としてサーモスタットと温度ヒューズを設け、加熱事故を防止する。循環ポンプ4は実使用時と同等の流量を循環可能な能力を有し、流量を調整するバルブかインバータを設置する。流量計10は±0.5%以下の精度を持つ電磁流量計が望ましい。また、熱交換井出入口温度を測定する温度センサー8、9には白金側温抵抗体を用いる。精度は想定される温度範囲において±0.1℃以下が望ましい。   Here, an electric heater 5 connected to a power source having a stable voltage is used as the heat load. The electric heater 5 needs to have a capacity capable of applying a thermal load equivalent to that in the actual use of the GeoHP system. Further, the electric heater 5 is provided with a thermostat and a thermal fuse as a safety device to prevent a heating accident. The circulation pump 4 has the ability to circulate a flow rate equivalent to that in actual use, and is provided with a valve or an inverter for adjusting the flow rate. The flow meter 10 is preferably an electromagnetic flow meter with an accuracy of ± 0.5% or less. Also, platinum temperature resistors are used for the temperature sensors 8 and 9 for measuring the heat exchange well inlet / outlet temperature. The accuracy is desirably ± 0.1 ° C. or less in the assumed temperature range.

地上部の配管13の断熱が不十分だと負荷が安定しないため、地上部の配管13の長さは最小限にし、保温材を巻いて十分な断熱と防水を施す。配管頂部には空気抜き弁19を設置し、熱媒体の熱膨張による漏水を防ぐために、膨張タンク20を設ける。さらに、気液分離器21により、循環サイクル内で入り混じった気体と液体を分離する。データロガー11に、熱交換井出入口温度、外気温度、流量のデータを記録させる。   If the heat insulation of the above-ground pipe 13 is insufficient, the load is not stable. Therefore, the length of the above-ground pipe 13 is minimized, and a heat insulating material is wound to provide sufficient heat insulation and waterproofing. An air vent valve 19 is provided at the top of the pipe, and an expansion tank 20 is provided to prevent water leakage due to thermal expansion of the heat medium. Further, the gas-liquid separator 21 separates the mixed gas and liquid in the circulation cycle. The data logger 11 is made to record heat exchange well inlet / outlet temperature, outside air temperature, and flow rate data.

[熱応答試験の実施手順]
熱応答試験装置1を用いた、垂直型U字管式地中熱交換井における熱応答試験の実施手順を以下に示す。
(1)熱交換井掘削・仕上げ後は最低3日間熱交換井を放置し、地温を自然状態へ回復させる。試験を行う熱交換井周辺において、他の掘削工事が行なわれていないことを確認し、近隣での地下水のくみ上げが行われている場合にはそれを休止しておく。
(2)熱応答試験装置1を設計する前に、±0.1℃も感度を持つ温度計を用いて坑位内温度(自然地温)を地表から坑底まで測定する。測定深度感覚は10m以下が望ましい。(3)断熱を施したホース等で熱応答試験装置1と熱交換井Aを接続し、配管3内を熱媒体で満たした後、エア抜きをする。熱媒体としては、安価で取り扱いが容易な水が適当であるが、システム完成後に実際に使用する熱媒体を使用してもよい。
(4)温度センサー7〜9、流量計10をデータロガー11に接続する。熱媒体の熱交換井出入口温度の測定は熱交換井の出入口にできるだけ近い位置(可能ならば地表面以下)で行うのが望ましい。
(5)熱媒体を充填して数時間放置し、熱媒体温度が地層温度と等しくなった後、ヒーター5への通電、熱媒体の循環を開始する。流速はシステム実使用時と同等の流速とするが、熱媒体の流速が乱流域(U字管16の直径長さを代表長さとして計算したレイノルズ数が2,300以上)となること、温度測定の測定誤差(±0.1℃)を考慮して可能であれば熱交換井出入口での温度差が4℃以上生じるよう設定することが望ましい。
(6)ヒーターによる熱負荷は実際に設置予定のGeoHPシステムの負荷に近い大きさとし、加熱期間は標準で60時間、最短で48時間が推奨されている。
(7)循環終了後は熱応答試験装置1と地上配管13の水抜きをし、熱応答試験装置1を撤収する。
[Procedure for thermal response test]
The execution procedure of the thermal response test in the vertical U-tube type underground heat exchange well using the thermal response test apparatus 1 is shown below.
(1) After excavating and finishing the heat exchange well, leave the heat exchange well for at least 3 days to restore the soil temperature to the natural state. Make sure that no other excavation work is being conducted in the vicinity of the heat exchange well to be tested, and if there is any groundwater pumping in the vicinity, stop it.
(2) Before designing the thermal response test apparatus 1, the temperature inside the mine (natural ground temperature) is measured from the ground surface to the bottom of the pit using a thermometer having a sensitivity of ± 0.1 ° C. The measurement depth sensation is desirably 10 m or less. (3) The thermal response test apparatus 1 and the heat exchange well A are connected with a heat-insulated hose or the like, and after the inside of the pipe 3 is filled with a heat medium, the air is vented. As the heat medium, water that is inexpensive and easy to handle is suitable, but a heat medium that is actually used after the system is completed may be used.
(4) The temperature sensors 7 to 9 and the flow meter 10 are connected to the data logger 11. It is desirable to measure the temperature of the heat exchange well entrance / exit of the heat medium at a position as close as possible to the entrance / exit of the heat exchange well (possibly below the ground surface).
(5) Fill the heat medium and leave it for several hours. After the heat medium temperature becomes equal to the formation temperature, energization of the heater 5 and circulation of the heat medium are started. The flow rate is the same as that used in actual system use, but the flow rate of the heat medium is in the turbulent region (reynolds number calculated with the diameter length of the U-shaped tube 16 as the representative length is 2,300 or more), temperature In consideration of measurement error (± 0.1 ° C.), if possible, it is desirable to set the temperature difference at the heat exchange well entrance / exit to be 4 ° C. or more.
(6) It is recommended that the heat load by the heater be close to the load of the GeoHP system to be actually installed, and the heating period is 60 hours as a standard and 48 hours as the shortest.
(7) After the circulation is completed, the thermal response test apparatus 1 and the ground pipe 13 are drained, and the thermal response test apparatus 1 is withdrawn.

[実施例1:第1地点での熱応答試験とパラメータ同定結果]
(1)地質条件
図5.1は、熱応答試験を行った第1地点における深井戸の掘削データを元にした断面図である。第1地点付近の地質は主に砂礫層から構成されており、所々に粘土層・粘土混り砂層砂礫層を挟んでいる。このうち砂礫層が帯水層となり、粘土層・粘土混り砂層砂礫層が不(難)透水層となっている。
[Example 1: Thermal response test and parameter identification results at the first point]
(1) Geological conditions Figure 5.1 is a cross-sectional view based on deep well drilling data at the first point where the thermal response test was conducted. The geology near the first point is mainly composed of gravel layers, and sandwiched between clay layers and clay-mixed sand layers. Of these, the gravel layer is an aquifer, and the clay layer and clay mixed sand layer is a non-permeable permeable layer.

熱応答試験を実施したボーリング孔は深度76mまでUチューブが挿入されており、ほぼ第1帯水層および第2帯水層に相当する。図5.1に示す電気検層結果より、同じ帯水層内にも異なる比抵抗値を示す部分があり、地盤の透水性に不均一性が見られる。   The borehole in which the thermal response test was performed has a U-tube inserted to a depth of 76 m, and substantially corresponds to the first aquifer and the second aquifer. From the results of the electrical logging shown in Fig. 5.1, there are parts with different specific resistance values even within the same aquifer, and the water permeability of the ground is uneven.

(2)熱応答試験条件
第1地点における熱応答試験は2回実施し、試験実施期間は、1回目が2011年3月25〜28日であり、2回目が2011年11月17〜20日である。図5.2および図5.3に、それぞれの加熱期間、平均加熱量、平均流量、地中熱交換井有効深度、地中熱交換井初期温度、充填剤、調査孔直径、使用したUチューブを示す。また、図5.4に、使用した測定機器と熱応答試験装置の諸元を示す。第1回目、第2回目とも同様の測定機器を用いて試験を実施している。
(2) Thermal response test conditions The thermal response test at the first point was conducted twice, and the test implementation period was March 25-28, 2011, and the second was November 17-20, 2011. It is. Fig. 5.2 and Fig. 5.3 show the heating period, average heating amount, average flow rate, effective depth of underground heat exchange well, initial temperature of underground heat exchange well, filler, survey hole diameter, U tube used Indicates. Fig. 5.4 shows the specifications of the measurement equipment and thermal response test equipment used. The test is carried out using the same measuring equipment for the first time and the second time.

(3)測定結果と同定結果
<第1地点での第1回目(2011年3月25日〜28日)>
図5.5は、熱応答試験により得られた測定データ(往き温度、還り温度、平均温度、流量、加熱量、外気温)を示すグラフである。加熱期間は2011年3月25日〜28日の3日間で、平均加熱量は3557(W)、平均流量は20.9(L/min)、有効深度は76.0(m)であった。加熱前の地層温度は約14.1(℃)で安定していたが、試験開始72時間後には往き温度約26.5(℃)、還り温度約23.5(℃)となった。
(3) Measurement results and identification results <First time at the first point (March 25-28, 2011)>
FIG. 5.5 is a graph showing measurement data (forward temperature, return temperature, average temperature, flow rate, heating amount, outside temperature) obtained by the thermal response test. The heating period was 3 days from March 25 to 28, 2011, the average heating amount was 3557 (W), the average flow rate was 20.9 (L / min), and the effective depth was 76.0 (m). . The formation temperature before heating was stable at about 14.1 (° C.), but after 72 hours from the start of the test, the going-out temperature was about 26.5 (° C.) and the return temperature was about 23.5 (° C.).

図5.6は逆解析による同定結果を示す一覧表であり、図5.7は同定結果を用いた準解析解の計算値と現地実測値との比較を示すグラフである。逆解析より得られた熱伝導率の値は2.33(W/m/K)で、この値を用いた計算値と実測値のグラフは非常によく一致している。また逆解析時に使用したデータ数は4320(個)で、f/N値(データ1つ当たりの誤差)は0.075(℃)であった。   Fig. 5.6 is a list showing the identification results by inverse analysis, and Fig. 5.7 is a graph showing a comparison between the calculated value of the semi-analytical solution using the identification result and the actually measured value. The value of the thermal conductivity obtained from the inverse analysis is 2.33 (W / m / K), and the calculated value and the measured value graph using this value agree very well. The number of data used in the reverse analysis was 4320 (pieces), and the f / N value (error per data) was 0.075 (° C.).

図5.8は、従来から用いられている作図法によって解析を行った結果を示すグラフである。作図法より得られた熱伝導率の値は2.40(W/m/K)で、逆解析により求めた結果と近い値を示した。解析に用いたデータ区間は10.3(h)〜72.0(h)である。   Fig. 5.8 is a graph showing the result of analysis by a conventional drawing method. The value of thermal conductivity obtained by the drawing method was 2.40 (W / m / K), which was close to the result obtained by inverse analysis. The data interval used for the analysis is 10.3 (h) to 72.0 (h).

<第1地点での第2回目(2011年11月17日〜20日)>
図5.9は、熱応答試験により得られた計測データ(往き温度、還り温度、平均温度、流量、加熱量、外気温)を示すグラフである。加熱期間は2011年11月17日〜20日の3日間で、平均加熱量は3,964(W)、平均流量は20.2(L/min)、有効深度は76.0mであった。加熱前の地層温度は約14.1℃で安定していたが、試験開始72時間後には往き温度約27.0℃、還り温度約24.0℃であった。
<The second at the first point (November 17 to 20, 2011)>
FIG. 5.9 is a graph showing measurement data (forward temperature, return temperature, average temperature, flow rate, heating amount, outside temperature) obtained by the thermal response test. The heating period was 3 days from November 17 to 20, 2011. The average heating amount was 3,964 (W), the average flow rate was 20.2 (L / min), and the effective depth was 76.0 m. The formation temperature before heating was stable at about 14.1 ° C, but after 72 hours from the start of the test, the going-out temperature was about 27.0 ° C and the return temperature was about 24.0 ° C.

図5.10は逆解析による同定結果を示す一覧表であり、図5.11は同定結果を用いた準解析解の計算値と現地実測値との比較を示すグラフである。第1回目の結果と同様に計算値と実測値は非常によく一致しており、逆解析より得られた熱伝導率の値は2.52(W/m/K)で、第1回目の結果よりも少し大きい値となった。ちなみに逆解析時に使用したデータ数は4320(個)で、データ1つ当たりに対する誤差は0.056(℃)であった。   Fig. 5.10 is a list showing the identification results by inverse analysis, and Fig. 5.11 is a graph showing a comparison between the calculated values of the quasi-analysis solution using the identification results and the actual measured values. Similar to the first result, the calculated value and the measured value are in good agreement, and the thermal conductivity value obtained from the inverse analysis is 2.52 (W / m / K). It was a little larger than the result. Incidentally, the number of data used in the inverse analysis was 4320 (pieces), and the error per one data was 0.056 (° C.).

図5.12に作図法を用いて解析を行った結果を示す。作図法より得られた熱伝導率の値は2.59(W/m/K)で、逆解析により求めた結果と近い値を示した。なお、解析に用いたデータ区間は24.0(h)〜72.0(h)である。   Figure 5.12 shows the result of analysis using the drawing method. The value of thermal conductivity obtained by the drawing method was 2.59 (W / m / K), which was close to the result obtained by inverse analysis. The data interval used for the analysis is 24.0 (h) to 72.0 (h).

[実施例2:第2地点での熱応答試験とパラメータ同定結果]
第2地点における熱応答試験は2010年12月24日〜29日に実施されものである。以下に、現場サイトの地質条件、熱応答試験条件、同定結果について説明する。
[Example 2: Thermal response test and parameter identification results at the second point]
The thermal response test at the second point is conducted from December 24 to 29, 2010. Below, the geological conditions at the site, thermal response test conditions, and identification results will be described.

(1)地質条件
熱応答試験を行った第2地点ではコアボーリングによる地質確認は実施されていないため、採掘時の状況および既存資料などから、地質が想定されている。今回の掘削により想定される地質は、粘土や玉石などを混入する砂礫層を主体として構成されているものとみられるが、図6.1に示すように、深度80m付近以降で温度検層による温度上昇勾配が高くなる現象が認められることから、基盤岩とみられる新第三系の岩盤に変化している可能性が高い。なおUチューブ設置深度は143.75mである。
(1) Geological conditions Since geological confirmation by core boring has not been carried out at the second point where the thermal response test was conducted, the geology is assumed from the mining situation and existing data. The geology assumed by this excavation seems to be mainly composed of a gravel layer mixed with clay, cobblestone, etc., but as shown in Fig. 6.1, the temperature by temperature logging at a depth of around 80m or later. Since the phenomenon of increasing ascending slope is observed, it is highly likely that the rock has changed to a Neogene rock that is considered to be a basement rock. The U tube installation depth is 143.75 m.

図6.2は、試験時の加熱期間、平均加熱量、平均流量、地中熱交換井有効深度、地中
熱交換井初期温度、充填剤、調査孔直径、使用したUチューブを示す一覧表である。なお、使用した測定機器と熱応答試験装置の諸元は、第1地点における場合と同様である(図5.4参照)。
Fig. 6.2 is a list showing the heating period, average heating amount, average flow rate, effective depth of underground heat exchange well, initial temperature of underground heat exchange well, filler, survey hole diameter, and U tube used during the test. It is. The specifications of the measuring instrument and the thermal response test apparatus used are the same as those at the first point (see FIG. 5.4).

(2)測定結果と同定結果
図6.3は、熱応答試験により得られた計測データ(往き温度、還り温度、平均温度、流量、加熱量、外気温)を示すグラフである。加熱期間は2010年12月24日〜27日の3日間で、平均加熱量は5,716(W)、平均流量は10.4(L/min)、有効深度は143.75mであった。加熱前の地層温度は約16.8℃で安定していたが、試験開始72時間後には往き温度約34.0℃、還り温度約26.0℃となった。
(2) Measurement Result and Identification Result FIG. 6.3 is a graph showing measurement data (forward temperature, return temperature, average temperature, flow rate, heating amount, outside air temperature) obtained by the thermal response test. The heating period was 3 days from December 24 to 27, 2010, the average heating amount was 5,716 (W), the average flow rate was 10.4 (L / min), and the effective depth was 143.75 m. The formation temperature before heating was stable at about 16.8 ° C, but after 72 hours from the start of the test, the going-out temperature was about 34.0 ° C and the return temperature was about 26.0 ° C.

図6.4は逆解析による同定結果を示す一覧表であり、図6.5は同定結果を用いた準解析解の計算値と現地実測値との比較を示すグラフである。計算値と実測値はよく一致している。逆解析より得られた熱伝導率の値は1.79(W/m/K)であり、第1地点での2回の試験における同定結果(2.33kW、2.51kW)と比較すると、小さい値となった。また、f/N値(データ1つ当たりに対する誤差)は0.158(℃)であり、第1地点での同定結果に比べ、大きい結果を示した。これは、熱伝導理論で考慮されていない地下条件もしくは熱移動現象が存在するためだと考えられる。なお、逆解析時に使用したデータ数は4,320(個)である。   Fig. 6.4 is a list showing the identification results by inverse analysis, and Fig. 6.5 is a graph showing a comparison between the calculated values of the quasi-analytical solution using the identification results and the actually measured values. The calculated values and the measured values are in good agreement. The value of thermal conductivity obtained from the inverse analysis is 1.79 (W / m / K), and compared with the identification results (2.33 kW, 2.51 kW) in the two tests at the first point, It became a small value. Further, the f / N value (error with respect to one piece of data) was 0.158 (° C.), which was larger than the identification result at the first point. This is thought to be due to the presence of underground conditions or heat transfer phenomena that are not considered in heat conduction theory. The number of data used at the time of reverse analysis is 4,320 (pieces).

図6.6は作図法を用いて解析を行った結果を示すグラフである。作図法より得られた熱伝導率の値は1.53(W/m/K)であった。ちなみに解析に用いたデータ区間は17.2(h)〜72.0(h)である。   Fig. 6.6 is a graph showing the results of analysis using the drawing method. The value of thermal conductivity obtained by the drawing method was 1.53 (W / m / K). Incidentally, the data interval used for the analysis is 17.2 (h) to 72.0 (h).

[実施例3:第3地点での熱応答試験とパラメータ同定結果]
第3地点における熱応答試験は、2011年10月13日〜16日に実施された。以下に、地質条件、熱応答試験条件、同定結果について説明する。
[Example 3: Thermal response test and parameter identification results at the third point]
The thermal response test at the third point was conducted from October 13 to 16, 2011. The geological conditions, thermal response test conditions, and identification results will be described below.

(1)地質
第3地点は地下水が豊富であること、また地下水流れが存在することが予測される地点である。今回熱応答試験を実施した井戸は深度99mまでUチューブが挿入されている。また、地質構造については詳細な資料が得られなかったため、ここでは記述しない。
(1) Geology The third point is a point where groundwater is abundant and groundwater flow is expected to exist. In the well where the thermal response test was conducted this time, a U tube was inserted to a depth of 99 m. In addition, detailed information on the geological structure was not obtained, so it will not be described here.

(2)熱応答試験条件
図7.1は、加熱期間、平均加熱量、平均流量、地中熱交換井有効深度、地中熱交換井初期温度、充填剤、調査孔直径、使用したUチューブを示す一覧表である。なお、使用した測定機器と熱応答試験装置の諸元は、第1地点における場合と同様である(図5.4参照)。
(2) Thermal response test conditions Figure 7.1 shows the heating period, average heating amount, average flow rate, effective depth of underground heat exchange well, initial temperature of underground heat exchange well, filler, investigation hole diameter, U tube used It is a list which shows. The specifications of the measuring instrument and the thermal response test apparatus used are the same as those at the first point (see FIG. 5.4).

(3)測定結果と同定結果
図7.2は、熱応答試験により得られた計測データ(往き温度、還り温度、平均温度、流量、加熱量、外気温)を示すグラフである。加熱期間は2011年10月13日〜16日の3日間で、平均加熱量は4,667(W)平均流量は10.4(L/min)であった。有効深度は99.0mである。加熱前の地層温度は約17.8℃で安定していたが、試験開始72時間後には往き温度約28.8℃、還り温度約25.8℃となった。
(3) Measurement Result and Identification Result FIG. 7.2 is a graph showing measurement data (forward temperature, return temperature, average temperature, flow rate, heating amount, outside air temperature) obtained by the thermal response test. The heating period was 3 days from October 13 to 16, 2011, the average heating amount was 4,667 (W), and the average flow rate was 10.4 (L / min). The effective depth is 99.0 m. The formation temperature before heating was stable at about 17.8 ° C., but after 72 hours from the start of the test, the going-out temperature was about 28.8 ° C. and the return temperature was about 25.8 ° C.

図7.3は逆解析による同定結果を示す一覧表であり、逆解析より得られた熱伝導率の値は3.01(W/m/K)であった。図7.4は同定結果を用いた準解析解の計算値と現地実測値との比較を示すグラフである。計算値と実測値のグラフは、一部において一致していない箇所もあるが、全体としてはほぼ一致している。また、f/N値(データ1つ
当たりに対する誤差)は0.187(℃)で、第1地点での結果と比較すると、大きい結果を示した。これは、熱伝導理論で考慮されていない地下条件もしくは熱移動現象が存在するためだと考えられる。なお、今回の逆解析時に使用したデータ数は4,338(個)である。
FIG. 7.3 is a list showing identification results by inverse analysis, and the value of thermal conductivity obtained by inverse analysis was 3.01 (W / m / K). Fig. 7.4 is a graph showing a comparison between the calculated value of the semi-analytical solution using the identification result and the actually measured value. The graphs of the calculated value and the actually measured value have some portions that do not coincide with each other, but almost coincide as a whole. The f / N value (error per data) was 0.187 (° C.), which was a large result compared to the result at the first point. This is thought to be due to the presence of underground conditions or heat transfer phenomena that are not considered in heat conduction theory. The number of data used at the time of this reverse analysis is 4,338 (pieces).

[試験結果についての考察]
(1)解析精度および体積熱容量の算出
第1地点における2回の熱応答試験と、その結果の逆解析法による解析結果からは、非常に誤差が小さく、精度の高い解析結果が得られていることが分かる。また、従来は求めることのできなかった体積熱容量も、r(井戸からの距離)が分かれば求められる。
[Consideration of test results]
(1) Calculation of analysis accuracy and volumetric heat capacity From the two thermal response tests at the first point and the analysis results by the inverse analysis method of the results, there are very small errors and highly accurate analysis results are obtained. I understand that. Also, the volumetric heat capacity that could not be obtained conventionally can be obtained if r (distance from the well) is known.

(2)地下水位が熱伝導率に与える影響
図8.1は、第1地点における2回の熱応答試験の解析結果を示す一覧表である。それぞれの結果を比較すると、第1回目では熱伝導率が2.33(W/m/K)であるのに対して、第2回目では熱伝導率が2.51(W/m/K)とやや大きくなっている。2回共に同井戸で試験を行っているため、その違いについて考察する。両試験日の地下水位は季節変動により、第1回目の方が第2回目の場合よりも1.5(m)の地下水位が深かったことが確かめられている。
(2) Effect of groundwater level on thermal conductivity Figure 8.1 is a list showing the results of two thermal response tests at the first point. Comparing the results, the thermal conductivity is 2.33 (W / m / K) in the first round, whereas the thermal conductivity is 2.51 (W / m / K) in the second round. A little bigger. Since the same well is being tested twice, the difference will be discussed. It has been confirmed that the groundwater level on both test days was 1.5 (m) deeper in the first round than in the second round due to seasonal variations.

文献値によると、水の熱伝導率と空気の熱伝導率はそれぞれ0.594(W/m/K)、0.0241(W/m/K)で、水の熱伝導率の方が高いため、地下水位が高くなると熱伝導率は大きくなる。このため、飽和部が厚い第2回目の方が第1回目より大きい熱伝導率となったと考えられる。   According to literature values, the thermal conductivity of water and the thermal conductivity of air are 0.594 (W / m / K) and 0.0241 (W / m / K), respectively, and the thermal conductivity of water is higher. Therefore, the thermal conductivity increases as the groundwater level increases. For this reason, it is thought that the thermal conductivity of the 2nd time with a thick saturated part was larger than the 1st time.

(3)地温勾配が熱伝導率に与える影響
図8.2は、第1地点における第2回目の解析結果と第2地点の解析結果を示す一覧表である。両者を比較すると、第2地点の熱伝導率は1.79(W/m/K)、第1地点の第2回目の熱伝導率は2.51(W/m/K)で、第2地点の熱伝導率の方が小さい値となった。また、f/N値(データ1つ当たりの誤差)は第2地点が0.158(℃)、第1地点の第2回目は0.056(℃)で、第2地点の方がデータ1つ当たり約3倍の誤差となった。
(3) Influence of Geothermal Gradient on Thermal Conductivity Fig. 8.2 is a list showing the second analysis result at the first point and the analysis result at the second point. Comparing the two, the thermal conductivity at the second point is 1.79 (W / m / K), the second thermal conductivity at the first point is 2.51 (W / m / K), the second The thermal conductivity at the point was smaller. Further, the f / N value (error per data) is 0.158 (° C.) at the second point, 0.056 (° C.) at the second point of the first point, and data 1 at the second point. The error was about 3 times per hit.

そこで、両者の試験開始前の地温分布を調べ、図8.3にその結果を示す。図8.3より、第1地点の地温分布は深度によらずほぼ一定であるのに対して、第2地点の地温分布は不均一で、深度60m付近から深度が増すと温度が上昇している。深度20mと140mの地温を比べると、20m地点の約15℃に対して140m地点では約20℃となり、5℃の温度差がある。そのため、深度が増すごとに地中熱交換量が小さくなる。また、地温勾配は0.03(℃/m)が一般的であるが、第2地点の地温勾配は0.053(℃/m)で少し大きい傾向にある。   Therefore, the ground temperature distribution before the start of both tests was examined, and the results are shown in Fig. 8.3. From Fig. 8.3, the ground temperature distribution at the first point is almost constant regardless of the depth, whereas the ground temperature distribution at the second point is non-uniform, and the temperature increases as the depth increases from around 60m depth. Yes. Comparing the ground temperature of 20m and 140m in depth, it is about 20 ° C at 140m point compared to about 15 ° C at 20m point, and there is a temperature difference of 5 ° C. Therefore, the amount of underground heat exchange decreases as the depth increases. The ground temperature gradient is generally 0.03 (° C./m), but the ground temperature gradient at the second point is 0.053 (° C./m) and tends to be a little large.

第2地点のように地温勾配がある場合は、深度が増すごとに地温が上昇し、地中熱交換量が小さくなる。そのため、不均一な地温分布を示す第2地点の方が第1地点より小さい熱伝導率を示したと考えられる。線源理論の深度方向に対して地中熱交換量は一定であるという前提条件に反しているため、f/N値(データ1つ当たりの誤差)が第1地点の結果と比べて、大きくなったことが考えられる。   When there is a ground temperature gradient as in the second point, the ground temperature rises as the depth increases, and the amount of underground heat exchange decreases. Therefore, it is thought that the 2nd point which shows non-uniform ground temperature distribution showed the heat conductivity smaller than the 1st point. The f / N value (error per data) is larger than the result at the first point because it is contrary to the precondition that the underground heat exchange amount is constant in the depth direction of the source theory. It is thought that it became.

(4)地下水流動が熱伝導率に与える影響
図8.4は、第1地点の第2回目の解析結果と第3地点の解析結果を示す一覧表である。両者を比較すると、第3地点の熱伝導率は3.01(W/m/K)、第1地点の熱伝導率は2.51(W/m/K)で、第3地点の熱伝導率の方が大きい値を示した。また、f
/N値(データ1つ当たりの誤差)は、第3地点が0.186(℃)、第1地点が0.056(℃)で、第3地点の方が理論解と実測値の乖離大きくなった。
(4) Influence of groundwater flow on thermal conductivity Fig. 8.4 is a list showing the second analysis result of the first point and the analysis result of the third point. Comparing the two, the thermal conductivity at the third point is 3.01 (W / m / K), the thermal conductivity at the first point is 2.51 (W / m / K), and the thermal conductivity at the third point. The rate showed a larger value. F
/ N value (error per data) is 0.186 (° C) at the third point, 0.056 (° C) at the first point, and the difference between the theoretical solution and the measured value is larger at the third point. became.

第3地点の地形条件を見ると、周辺に2つの川の合流地点があり、豊富な地下水と地下水流動が存在することが考えられる。   Looking at the topographical conditions at the third point, there is a confluence of two rivers in the vicinity, and there is abundant groundwater and groundwater flow.

図8.5と図8.6は、第1地点と第3地点において、解析に用いるデータ区間を、全区間、後半部、初期段階の3段階に変化させた場合の解析結果を示すグラフである。   Fig. 8.5 and Fig. 8.6 are graphs showing the analysis results when the data section used for the analysis is changed to the three sections of the whole section, the latter half, and the initial stage at the first point and the third point. is there.

第1地点の場合は、どのデータ区間で解析を行っても、熱伝導率とf/N値(データ1つ当たりの誤差)にあまり違いは見られない。それに対して第3地点の場合は、解析を行うデータ区間によって、熱伝導率とf/N値(データ1つ当たりの誤差)に明確な差が表れている。初期段階のデータのみを用いた解析結果と、後半部分のデータを用いた解析結果を比較すると、熱伝導率に1.31(W/m/K)の差があり、f/N値(データ1つ当たりの誤差)は、それぞれ0.09(℃)と0.144(℃)で、初期段階のデータを用いた場合の方がf/N値(データ1つ当たりの誤差)は小さく、熱伝導理論により合致していることが分かる。   In the case of the first point, no difference is seen between the thermal conductivity and the f / N value (error per data) regardless of the data section. On the other hand, in the case of the third point, there is a clear difference between the thermal conductivity and the f / N value (error per data) depending on the data section to be analyzed. Comparing the analysis results using only the initial stage data and the analysis results using the latter half of the data, there is a difference of 1.31 (W / m / K) in thermal conductivity, and the f / N value (data The error per one) is 0.09 (° C.) and 0.144 (° C.), respectively, and the f / N value (error per data) is smaller when using the initial stage data, It can be seen that the heat conduction theory agrees.

図8.6のようにデータ区間によって異なる結果が得られた理由として、地下水流動による影響が考えられる。熱伝導理論では、熱の移動は全て熱伝導によって行われると仮定されているため、地下水流動に伴う移流の影響が大きくなるほど、実測値と計算値の差は大きくなってしまう。第3地点では、地形的条件から地下水流動が存在することが考えられるが、熱伝導が支配的な初期段階のデータを用いた場合はf/N値(データ1つ当たりの誤差)が小さく、地下水流動の影響が大きくなる後半部分のデータを用いた場合はf/N値(データ1つ当たりの誤差)が大きくなることが分かる。   As shown in Fig. 8.6, the effect of groundwater flow can be considered as the reason why different results were obtained depending on the data section. In the heat conduction theory, since it is assumed that all heat transfer is performed by heat conduction, the difference between the measured value and the calculated value increases as the influence of advection accompanying groundwater flow increases. At the third point, groundwater flow is considered to exist due to topographical conditions, but the f / N value (error per data) is small when using the initial stage data where heat conduction is dominant, It can be seen that the f / N value (error per piece of data) increases when using the latter half of the data where the influence of groundwater flow increases.

(5)解析データ区間による熱伝導率への影響
考察(4)で述べたように、今回の解析では、熱の移動は全て熱伝導によって行われると仮定しているため、熱伝導以外の移動がある場合、計算値と実測値の差は大きくなってしまう。しかしながら、熱伝導率以外の移動がある場合でも、温度が立ち上がり始めた初期段階では温度勾配が大きいため、熱伝導による移動が支配的である。従って、初期段階のデータを用いて解析を行うことで、真の熱伝導率を求めることができる。
(5) Influence on the thermal conductivity by the analysis data section As mentioned in the discussion (4), in this analysis, it is assumed that all heat transfer is performed by heat conduction. If there is, there will be a large difference between the calculated value and the measured value. However, even when there is a movement other than the thermal conductivity, the movement due to thermal conduction is dominant because the temperature gradient is large at the initial stage when the temperature starts to rise. Therefore, the true thermal conductivity can be obtained by performing analysis using the data at the initial stage.

図8.7、図8.8および図8.9に、それぞれ、第1地点の第2回目、第2地点および第3地点において、それぞれ初期段階のデータを用いた解析結果と後半部のデータを用いた解析結果を示す。   Figures 8.7, 8.8, and 8.9 show the analysis results and data in the second half of the data at the initial stage at the second, second, and third points, respectively. The analysis result using is shown.

第1地点の第2回目の値は、解析データ区間が変化しても熱伝導率とf/N値(データ1つ当たりの誤差)に対する影響は見られない。一方、第2地点および第3地点は、後半部のデータを用いて解析を行った場合、それぞれ地温勾配と地下水流動による影響を受けている。かつ、初期段階のデータを用いた解析結果では、3ケースとも近い値の熱伝導率を示しており、f/N値(データ1つ当たりの誤差)も小さい結果が得られた。   The second value at the first point has no effect on the thermal conductivity and f / N value (error per data) even if the analysis data section changes. On the other hand, the second point and the third point are affected by the ground temperature gradient and the groundwater flow, respectively, when the analysis is performed using the data in the latter half. In addition, in the analysis results using the data at the initial stage, the thermal conductivity was close to the value in all three cases, and the f / N value (error per data) was small.

以上の結果より、地温勾配や地下水流動に影響されない真の熱伝導率を求めたい場合には、熱伝導が支配的な初期段階のデータを用いる方が良いことが分かる。   From the above results, it can be seen that it is better to use data at the initial stage where heat conduction is dominant when it is desired to obtain true thermal conductivity that is not affected by ground temperature gradient or groundwater flow.

[試験期間を短縮した場合の解析結果の精度の検討]
本発明の逆解析による解析法では、準解析解を用いることで、従来の近似解では評価できなかった初期段階の試験結果が活用できる。このため、従来の方法よりも短い試験期間で良好な解析結果を得られる可能性がある。ここでは、逆解析法で使用していたデータ数
を段階的に減らして解析を行った場合の解析結果の精度の検討を行う。
[Examination of accuracy of analysis results when test period is shortened]
In the analysis method according to the inverse analysis of the present invention, the test result at the initial stage that cannot be evaluated by the conventional approximate solution can be utilized by using the semi-analytical solution. For this reason, there is a possibility that a good analysis result can be obtained in a test period shorter than the conventional method. Here, the accuracy of the analysis result when the analysis is performed by reducing the number of data used in the inverse analysis method step by step is examined.

(1)第1地点の第1回目
試験期間を0.5日刻みで、3.0日,2.5日,2.0日,1.5日,1.0日と段階的に減らした場合の熱伝導率とf/N値(データ1つ当たりの誤差)をそれぞれ図9.1と図9.2に示す。図9.3は解析結果のまとめである。図9.3より、試験期間を短縮した場合でも熱伝導率λ(W/m/K)に大きな違いは見られず、f/N値(データ1つ当たりの誤差)も0.077〜0.071(℃)と小さく、精度の高い解析結果が得られた。
(1) First test at the first point The test period was gradually reduced to 3.0 days, 2.5 days, 2.0 days, 1.5 days, and 1.0 days in 0.5 day increments. The thermal conductivity and f / N value (error per data) are shown in Fig. 9.1 and Fig. 9.2, respectively. Figure 9.3 summarizes the analysis results. From Fig. 9.3, even when the test period is shortened, there is no significant difference in the thermal conductivity λ (W / m / K), and the f / N value (error per data) is also 0.077-0. .071 (° C.), a highly accurate analysis result was obtained.

図9.4は同定結果を用いた準解析解の計算値と現地実測値との比較である。計算値と現地実測値は非常に良く一致しており、準解析を用いることで従来の近似解では評価できなかった初期段階の試験結果を活用できた。   Fig. 9.4 shows a comparison between the calculated value of the semi-analytical solution using the identification result and the actual measured value. The calculated values and the actual measured values are in good agreement, and by using semi-analysis, the test results at the initial stage that could not be evaluated by the conventional approximate solution could be used.

(2)第1地点の第2回目
試験期間を0.5日刻みで、3.0日,2.5日,2.0日,1.5日,1.0日と段階的に減らした場合の熱伝導率とf/N値(データ1つ当たりの誤差)をそれぞれ図9.5と図9.6に示す。図9.7は解析結果のまとめである。
(2) The second test period at the first point was reduced in steps of 0.5 days in steps of 3.0 days, 2.5 days, 2.0 days, 1.5 days, and 1.0 days. The thermal conductivity and f / N value (error per one data) are shown in FIG. 9.5 and FIG. 9.6, respectively. Figure 9.7 summarizes the analysis results.

図9.7より、試験期間を減らしても得られた熱伝導率λ(W/m/K)に大きな違いは見られない。試験期間3.0日間と1.0日間の熱伝導率を比較すると、それぞれ2.51(W/m/K)、2.58(W/m/K)で、その差は1.028%と小さい。また、f/N値(データ1つ当たりの誤差)は0.060(℃)〜0.053(℃)と小さく、試験期間を短縮した場合でも、精度の高い解析結果が得られた。   From Fig. 9.7, no significant difference is observed in the thermal conductivity λ (W / m / K) obtained even when the test period is reduced. When the thermal conductivities of the test period of 3.0 days and 1.0 day are compared, they are 2.51 (W / m / K) and 2.58 (W / m / K), respectively, and the difference is 1.028%. And small. Further, the f / N value (error per data) was as small as 0.060 (° C.) to 0.053 (° C.), and a highly accurate analysis result was obtained even when the test period was shortened.

図9.8は同定結果を用いた準解析解の計算値と現地実測値との比較である。第1地点での第1回目の結果と同様に計算値と現地実測値は非常に良く一致しており、準解析を用いることで従来の近似解では評価できなかった初期段階の試験結果を活用できた。   Fig. 9.8 shows a comparison between the calculated value of the semi-analytical solution using the identification result and the actually measured value. Similar to the first result at the first point, the calculated value and the actual measured value are in good agreement, and by using the semi-analysis, the test results at the initial stage that could not be evaluated by the conventional approximate solution are utilized. did it.

(3)第2地点(2010年12月24〜27日)
第2地点で実施された別応答試験において、試験期間を0.5日刻みで3.0日,2.5日,2.0日,1.5日,1.0日と段階的に減らした場合の熱伝導率とf/N値(データ1つ当たりの誤差)をそれぞれ図9.9と図9.10に示す。図9.11は解析結果のまとめである。
(3) Second point (December 24-27, 2010)
In another response test conducted at the second point, the test period was gradually reduced to 3.0 days, 2.5 days, 2.0 days, 1.5 days, and 1.0 days in 0.5 day increments. Fig. 9.9 and Fig. 9.10 show the thermal conductivity and f / N value (error per one piece of data), respectively. Figure 9.11 summarizes the analysis results.

図9.11より、同定された熱伝導率の値は1.79(W/m/K)〜2.09(W/m/K)で、試験期間を長くするにつれて熱伝導率の値が小さくなっている。試験が実施された地層では温度検層の結果より、地温勾配が確認されている。そのため、ボーリング孔下部で熱が供給され、見かけ熱伝導率が小さくなると考えられる。   From Fig. 9.11, the identified thermal conductivity value is 1.79 (W / m / K) to 2.09 (W / m / K), and the thermal conductivity value increases with increasing test period. It is getting smaller. In the formation where the test was conducted, the temperature gradient was confirmed from the results of temperature logging. Therefore, it is considered that heat is supplied at the bottom of the borehole and the apparent thermal conductivity is reduced.

図9.9より、熱伝導率の値は安定していないことが分かる。そのため、試験期間を延長すると、見かけ熱伝導率はさらに小さくなると予測される。また、f/N値(データ1つ当たりの誤差)は0.112(℃)〜0.168(℃)であった。これは、試験結果についての考察(4)で述べたように、初期段階のデータでは熱伝導が支配的であることによる。   From Fig. 9.9, it can be seen that the value of thermal conductivity is not stable. Therefore, when the test period is extended, the apparent thermal conductivity is expected to be further reduced. Moreover, f / N value (error per one data) was 0.112 (degreeC)-0.168 (degreeC). This is because the heat conduction is dominant in the initial stage data as described in the discussion (4) regarding the test results.

図9.12は同定結果を用いた準解析解の計算値と現地実測値との比較である。初期段階のデータを用いた方がf/N値(データ1つ当たりの誤差)は小さくなり、計算値と現地実測値は良く一致している。準解析を用いることで従来の近似解では評価できなかった初期段階の試験結果を活用できた。   Fig. 9.12 shows a comparison between the calculated value of the semi-analytical solution using the identification result and the actually measured value. The f / N value (error per piece of data) is smaller when the data at the initial stage is used, and the calculated value and the actually measured value are in good agreement. By using quasi-analysis, the test results at the initial stage that could not be evaluated by the conventional approximate solution could be utilized.

(4)第3地点(2011年10月13〜16日)
第3地点で実施された熱応答試験において、試験期間を0.5日刻みで3.0日,2.5日,2.0日,1.5日,1.0日と段階的に減らした場合の熱伝導率とf/N値(データ1つ当たりの誤差)をそれぞれ図9.13と図9.14に示す。図9.15は解析結果のまとめである。
(4) Third point (October 13-16, 2011)
In the thermal response test conducted at the third point, the test period was gradually reduced to 3.0 days, 2.5 days, 2.0 days, 1.5 days, and 1.0 days in 0.5 day increments. Fig. 9.13 and Fig. 9.14 show the thermal conductivity and f / N value (error per piece of data), respectively. Fig. 9.15 summarizes the analysis results.

図9.15より、熱伝導率の値は2.42(W/m/K)〜3.01(W/m/K)で、試験期間を長くするにつれて熱伝導率の値が大きくなっている。f/N値(データ1つ当たりの誤差)は0.107(℃)〜0.187(℃)で、試験期間が長いほど大きくなっている。これは、地下水流動の影響だと考えられる。温度が立ち上がり始めた初期段階では温度勾配が大きいため熱伝導が支配的になるが、後半部では移流が支配的となり、f/N値(データ1つ当たりの誤差)は大きく、見かけ熱伝導率の値も大きくなったと考えられる。   From Fig. 9.15, the value of thermal conductivity is 2.42 (W / m / K) to 3.01 (W / m / K), and the value of thermal conductivity increases with increasing test period. Yes. The f / N value (error per one piece of data) is 0.107 (° C.) to 0.187 (° C.), and becomes larger as the test period is longer. This is considered to be the effect of groundwater flow. In the initial stage when the temperature starts rising, the thermal gradient is dominant because the temperature gradient is large, but in the latter half, the advection is dominant, the f / N value (error per data) is large, and the apparent thermal conductivity. The value of is considered to have increased.

図9.13より、熱伝導率の値はまだ安定しておらず、試験期間を延長すると、見かけの熱伝導率はさらに大きくなると予測され、地下水流動がある場合は試験期間が多いほど真の熱伝導率と乖離していく。   From Fig. 9.13, the value of thermal conductivity is not yet stable, and it is predicted that the apparent thermal conductivity will be further increased if the test period is extended. Deviation from thermal conductivity.

図9.16は同定結果を用いた準解析解の計算値と現地実測値との比較である。初期段階のデータを用いた方がf/N値(データ1つ当たりの誤差)は小さくなり、計算値と現地実測値は良く一致している。準解析を用いることで従来の近似解では評価できなかった初期段階の試験結果を活用できた。   Fig. 9.16 shows a comparison between the calculated value of the semi-analytical solution using the identification result and the actually measured value. The f / N value (error per piece of data) is smaller when the data at the initial stage is used, and the calculated value and the actually measured value are in good agreement. By using quasi-analysis, the test results at the initial stage that could not be evaluated by the conventional approximate solution could be utilized.

2.揚水試験解析
次に、熱応答試験が行われた第1地点において、2011年1月18日に行われた揚水試験に本発明の同定プログラムを適応した場合の結果について考察する。
2. Pumping test analysis Next, the results of applying the identification program of the present invention to the pumping test conducted on January 18, 2011 at the first point where the thermal response test was performed will be considered.

(1)試験概要
第1帯水層、第2帯水層、それぞれの井戸能力を把握するため、層別揚水試験を行った。実施日は2011年1月18日である。図10.1と図10.2に、各帯水層における揚水時間、揚水量、帯水層厚、揚水井と観測井との距離について示す。
(1) Test outline In order to grasp the well capacity of the first aquifer and the second aquifer, a pumping test for each layer was conducted. The implementation date is January 18, 2011. Figures 10.1 and 10.2 show the pumping time, pumping volume, aquifer thickness, and distance between pumping well and observation well in each aquifer.

(2)揚水試験結果と同定結果
a)第1帯水層
第1帯水層での揚水試験結果を図10.3に示す。揚水井から3.8mの距離にある観測井の地下水位の変動を表している。地下水位は1min後から減少を続け、65minで、0.246mの水位降下が確認されている。65min以降は水位の変化がほとんど見られなくなったため、120minで試験を終了している。
(2) Pumping test results and identification results a) First aquifer A pumping test result in the first aquifer is shown in Fig. 10.3. It represents the fluctuation of the groundwater level of the observation well at a distance of 3.8m from the pumping well. The groundwater level continued to decrease after 1 min, and a water level drop of 0.246 m was confirmed at 65 min. Since almost no change in the water level was observed after 65 min, the test was completed in 120 min.

図10.4は逆解析による同定結果である。図10.5は同定結果を用いた準解析解の計算値と現地実測値との比較を示している。この図より計算値と現地実測値は一致して見えるが、図10.4よりf/N値(データ1つ当たりに対する誤差)は0.045(m)で少し大きい値を示した。逆解析で得られた透水量係数は1.39(m/min)となった。また、透水量係数1.39(m/min)を帯水層厚32.7(m)で除して、透水係数は0.042(m/min)となった。この値は一般的な透水係数の値よりも大きい。これらから、第1帯水層は漏水していることが考えられる。帯水層が漏水している場合は、Theisの式ではなく、Hantush−Jacobの式が一般的に用いられているため、f/N値(データ1つ当たりに対する誤差)も大きくなったと考えられる。 FIG. 10.4 shows the identification result by inverse analysis. FIG. 10.5 shows a comparison between the calculated value of the semi-analytical solution using the identification result and the actually measured value. From this figure, the calculated value and the actually measured value seem to agree with each other, but from FIG. 10.4, the f / N value (error with respect to one piece of data) is 0.045 (m), showing a slightly large value. The water permeability coefficient obtained by the inverse analysis was 1.39 (m 2 / min). Further, the water permeability coefficient was 1.39 (m 2 / min) divided by the aquifer layer thickness of 32.7 (m), and the water permeability coefficient was 0.042 (m / min). This value is larger than the general hydraulic conductivity value. From these, it is considered that the first aquifer is leaking. When the aquifer is leaking, it is considered that the f / N value (error per one piece of data) has increased because the Hantus-Jacob equation is generally used instead of the Theis equation. .

なお、今回の揚水試験では、揚水井と観測井の距離が分っていたので、貯留係数も求めることができた。逆解析時に使用したデータ数は29(個)である。   In this pumping test, since the distance between the pumping well and the observation well was known, the storage coefficient could be obtained. The number of data used at the time of reverse analysis is 29 (pieces).

b)第2帯水層
第2帯水層での揚水試験結果を図10.6に示す。揚水井から3.8mの距離にある観測井の地下水位の変動を表している。地下水位は1min後から減少を続け、90minで、0.240mの水位降下が確認されている。90min以降は水位の変化がほとんど見られなくなったため、160minで試験を終了している。
b) Second aquifer Fig. 10.6 shows the pumping test results in the second aquifer. It represents the fluctuation of the groundwater level of the observation well at a distance of 3.8m from the pumping well. The groundwater level continued to decrease after 1 min, and a water level drop of 0.240 m was confirmed in 90 min. Since the change in the water level was hardly seen after 90 min, the test was completed in 160 min.

図10.7は逆解析による同定結果であり、図10.8は同定結果を用いた準解析解の計算値と現地実測値との比較を示している。図10.8より計算値と現地実測値は一致して見えるが、第1帯水層と同様にf/N値(データ1つ当たりに対する誤差)は0.069(m)で大きい値を示した。逆解析で得られた透水量係数は0.92(m/min)となった。また、透水量係数0.92(m/min)を帯水層厚21.2(m)で除して、透水係数は0.043(m/min)となった。この値は一般的な透水係数の値よりも大きい。これらから、第2帯水層は漏水していることが考えられる。帯水層が漏水している場合は、Theisの式ではなく、Hantush−Jacobの式が一般的に用いられているため、f/N値(データ1つ当たりに対する誤差)も大きくなったと考えられる。なお逆解析時に使用したデータ数は34(個)である。 FIG. 10.7 shows the identification result by inverse analysis, and FIG. 10.8 shows a comparison between the calculated value of the semi-analytical solution using the identification result and the field measurement value. Figure 10.8 shows that the calculated value and the actual measured value agree with each other, but as with the first aquifer, the f / N value (error relative to one piece of data) is 0.069 (m), indicating a large value. It was. The water permeability coefficient obtained by the inverse analysis was 0.92 (m 2 / min). Moreover, the water permeability coefficient of 0.92 (m 2 / min) was divided by the aquifer thickness of 21.2 (m), and the water permeability coefficient was 0.043 (m / min). This value is larger than the general hydraulic conductivity value. From these, it is considered that the second aquifer is leaking. When the aquifer is leaking, it is considered that the f / N value (error per one piece of data) has increased because the Hantus-Jacob equation is generally used instead of the Theis equation. . The number of data used at the time of reverse analysis is 34 (pieces).

1 熱応答試験装置
2 循環系
3 計測系
4 循環ポンプ
5 電気ヒーター(加熱用ヒーター)
6 水タンク
7〜9 温度センサー
10 流量計
11 データロガー
12 パーソナルコンピュータ
1 Thermal Response Test Equipment 2 Circulation System 3 Measurement System 4 Circulation Pump 5 Electric Heater (Heating Heater)
6 Water tank 7-9 Temperature sensor 10 Flow meter 11 Data logger 12 Personal computer

Claims (12)

熱応答試験によって測定された調査対象の地盤における温度上昇量の経時変化に基づき前記地盤の熱交換特性を評価する熱応答試験の解析方法であって、
地盤の温度上昇量を式(A)で表されるKelvinの線源関数で規定し、当該線源関数の近似式として、指数積分E(X)のべき級数展開式における少なくとも第16項まで採用した近似式を使用し、
パウエルの共役傾斜法に基づく非線形最適化法を用いて、前記近似式に含まれる未知のパラメータを所定の値に設定した場合に得られる温度上昇量の計算値Trと、前記熱応答試験によって測定された温度上昇量の実測値Triとの誤差が最小となるように、前記パラメータの逆解析を行い、
当該逆解析においては、同定対象の前記パラメータを、前記線源関数における未知量である半径r、密度ρ、比熱cおよび熱伝導率λを用いて、次式(B)、(C)で表されるα1およびα2とし、
前記逆解析によって同定された前記パラメータα1およびα2を用いて、前記地盤の熱伝導率λおよび体積熱容量ρcのうち、少なくとも熱伝導率λを算出することを特徴とする熱応答試験の解析方法。
A thermal response test analysis method for evaluating a heat exchange characteristic of the ground based on a change over time of a temperature rise amount in a ground to be investigated measured by a thermal response test,
The temperature rise of the ground is defined by the Kelvin source function expressed by equation (A), and up to at least the 16th term in the power series expansion equation of exponential integral E (X) is adopted as an approximation formula of the source function. Using the approximate expression
Using a nonlinear optimization method based on Powell's conjugate gradient method, a calculated value Tr of a temperature rise obtained when an unknown parameter included in the approximate expression is set to a predetermined value, and measured by the thermal response test Inverse analysis of the parameters is performed so that an error from the measured value Tri of the measured temperature rise is minimized.
In the inverse analysis, the parameters to be identified are expressed by the following equations (B) and (C) using the radius r, the density ρ, the specific heat c, and the thermal conductivity λ, which are unknown quantities in the source function. Α1 and α2
An analysis method of a thermal response test, wherein at least the thermal conductivity λ is calculated from the thermal conductivity λ and the volumetric heat capacity ρc of the ground using the parameters α1 and α2 identified by the inverse analysis.
請求項1において、
Kelvinの線源関数の近似式として、指数積分E(X)のべき級数展開式における第30項まで採用した近似式を用いることを特徴とする熱応答試験の解析方法。
In claim 1,
An analysis method of a thermal response test, characterized in that an approximate expression employed up to the 30th term in the power series expansion expression of exponential integral E (X) is used as an approximate expression of a Kelvin source function.
請求項1または2において、
同一地点について異なる時点において行われた少なくとも2回の熱応答試験の実測値を用いて、それぞれの時点における同一地点における地層の熱伝導率を算出し、
それぞれの時点における地下水位の変化の有無を判断するための指標として、算出された前記熱伝導率の差を求めることを特徴とする熱応答試験の解析方法。
In claim 1 or 2,
Using the measured values of at least two thermal response tests conducted at different times for the same point, calculate the thermal conductivity of the formation at the same point at each time point,
An analysis method of a thermal response test, wherein a difference in the calculated thermal conductivity is obtained as an index for determining whether or not there is a change in groundwater level at each time point.
請求項1ないし3のうちのいずれかの項において、
前記熱応答試験によって得られた実測値を、試験開始時点から所定時間経過した時点までの初期段階データと、当該時点以後の後半部データに分け、
前記初期段階データを用いて熱伝導率および、式(D)により表されるデータ1つ当りの誤差であるf/N値を算出すると共に、前記後半部データを用いて熱伝導率および、前記f/N値を算出し、
地層深度方向の地熱勾配の有無、あるいは、地下水流動の有無を判断するための指標として、算出した2つの熱伝導率の差、および算出した2つのf/N値の差をそれぞれ求めることを特徴とする熱応答試験の解析方法。
In any one of claims 1 to 3,
The actual measurement value obtained by the thermal response test is divided into initial stage data from the test start time to the time when a predetermined time has passed, and the latter half data after the time,
The initial stage data is used to calculate the thermal conductivity and the f / N value that is an error per data represented by the formula (D), and the latter half data is used to calculate the thermal conductivity and the f / N value is calculated,
The difference between the two calculated thermal conductivities and the difference between the two calculated f / N values is obtained as an index for determining the presence or absence of a geothermal gradient in the formation depth direction or the presence or absence of groundwater flow. Analysis method of thermal response test.
熱応答試験によって測定された調査対象の地盤における温度上昇量の経時変化に基づき前記地盤の熱交換特性を評価するために用いる熱応答試験の解析プログラムであって、
コンピュータを、地盤の温度上昇量を、式(A)で表されるKelvinの線源関数の近似式として、指数積分E(X)のべき級数展開式における少なくとも第16項まで採用した近似式を用いて演算を行う演算手段として機能させ、
コンピュータを、パウエルの共役傾斜法に基づく非線形最適化法を用いて、前記近似式に含まれる未知のパラメータを所定の値に設定した場合に得られる温度上昇量の計算値Trと、前記熱応答試験によって測定された温度上昇量の実測値Triとの誤差が最小となるように、前記パラメータの逆解析を行う逆解析手段として機能させ、
当該逆解析手段においては、同定対象の前記パラメータを、前記線源関数における未知量である半径r、密度ρ、比熱cおよび熱伝導率λを用いて、式(B)、(C)で表されるα1およびα2とし、
さらに、コンピュータを、前記逆解析によって同定された前記パラメータα1およびα2を用いて、前記地盤の熱伝導率λおよび体積熱容量ρcのうち、少なくとも熱伝導率λを算出する算出手段として機能させることを特徴とする熱応答試験の解析プログラム。
A thermal response test analysis program used for evaluating the heat exchange characteristics of the ground based on the change over time of the temperature rise in the ground to be measured measured by the thermal response test,
Approximate expression using computer up to at least the 16th term in exponential integral E (X) power series expansion expression as the approximate expression of Kelvin's source function represented by expression (A) with the temperature rise of the ground Function as a computing means to perform computations using
The computer uses a nonlinear optimization method based on Powell's conjugate gradient method to calculate a temperature rise amount Tr obtained when an unknown parameter included in the approximate expression is set to a predetermined value, and the thermal response. In order to minimize the error from the actual measured value Tri of the temperature rise measured by the test, it functions as an inverse analysis means for performing an inverse analysis of the parameters,
In the inverse analysis means, the parameters to be identified are expressed by equations (B) and (C) using the radius r, density ρ, specific heat c, and thermal conductivity λ, which are unknown quantities in the source function. Α1 and α2
Furthermore, using the parameters α1 and α2 identified by the inverse analysis, causing the computer to function as calculation means for calculating at least the thermal conductivity λ of the ground thermal conductivity λ and the volumetric heat capacity ρc. An analysis program for thermal response tests.
請求項5において、
Kelvinの線源関数の前記近似式として、指数積分E(X)のべき級数展開式における第30項まで採用した近似式を用いることを特徴とする熱応答試験の解析プログラム
In claim 5,
An analysis program for a thermal response test, characterized in that an approximate expression adopted up to the 30th term in the power series expansion expression of exponential integral E (X) is used as the approximate expression of the Kelvin source function.
請求項5または6において、
前記逆解析手段および前記算出手段によって、同一地点について異なる時点において行われた少なくとも2回の熱応答試験の実測値を用いて、それぞれの時点における同一地点における地層の熱伝導率を算出し、
さらに、コンピュータを、それぞれの時点における地下水位の変化の有無を判断するために、算出された熱伝導率の差を算出する熱伝導率差算出手段として機能させることを特徴とする熱応答試験の解析プログラム。
In claim 5 or 6,
By using the measured values of at least two thermal response tests performed at different times for the same point by the inverse analysis means and the calculation means, the thermal conductivity of the formation at the same point at each time point is calculated,
Furthermore, in order to determine whether there is a change in the groundwater level at each time point, the computer functions as a thermal conductivity difference calculation means for calculating the calculated thermal conductivity difference. Analysis program.
請求項5ないし7のうちのいずれかの項において、
前記逆解析手段は、前記熱応答試験によって得られた実測値を、試験開始時点から所定時間経過した時点までの初期段階データと、当該時点以後の後半部データに分け、前記初期段階データを用いて熱伝導率および、式(D)により表されるデータ1つ当りの誤差であるf/N値を算出すると共に、前記後半部データを用いて熱伝導率および、前記f/N値を算出し、
さらに、コンピュータを、地層深度方向の地熱勾配の有無、あるいは、地下水流動の有無を判断するために、算出した2つの熱伝導率の差、および算出した2つのf/N値の差をそれぞれ求める差分算出手段として機能させることを特徴とする熱応答試験の解析プログラム。
In any one of claims 5 to 7,
The inverse analysis means divides the actual measurement value obtained by the thermal response test into initial stage data from a test start time to a time when a predetermined time has elapsed and second half data after the time, and uses the initial stage data. F / N value, which is an error per one piece of data represented by the formula (D), and the thermal conductivity and the f / N value are calculated using the latter half data. And
Further, in order to determine the presence or absence of a geothermal gradient in the depth direction of the formation or the presence or absence of groundwater flow, the computer obtains the difference between the two calculated thermal conductivities and the difference between the two calculated f / N values. An analysis program for a thermal response test, characterized in that it functions as a difference calculation means.
揚水試験によって測定された調査対象の地盤における地下水位低下量の経時変化に基づき前記地盤の地下水流動特性を評価する揚水試験の解析方法であって、
地盤の地下水位低下量を式(E)で表されるタイスの井戸関数で規定し、当該井戸関数の近似式として、指数積分W(u)のべき級数展開式における少なくとも第16項まで採用した近似式を使用し、
パウエルの共役傾斜法に基づく非線形最適化法を用いて、前記近似式に含まれる未知のパラメータを所定の値にそれぞれ設定した場合に得られる地下水位低下量の計算値と、前記揚水試験によって測定された地下水位低下量の実測値との誤差が最小となるように、前記パラメータの逆解析を行い、
当該逆解析においては、同定対象の前記パラメータを、前記井戸関数における未知量である半径r、透水量係数Tおよび貯留係数Scを用いて、次式で表されるα1およびα2とし、
α1=rSc
α2=T
前記逆解析によって同定された前記パラメータα1およびα2から、前記地盤の透水量係数Tおよび貯留係数Scのうち、少なくとも透水量係数Tを算出することを特徴とする揚水試験の解析方法。
An analysis method of a pumping test for evaluating the groundwater flow characteristics of the ground based on the change over time of the groundwater level drop in the ground to be investigated measured by the pumping test,
The groundwater level lowering amount of the ground is defined by the Ties well function expressed by the equation (E), and at least the 16th term in the power series expansion formula of the exponential integral W (u) is adopted as an approximation formula of the well function. Use an approximate expression,
Using a nonlinear optimization method based on Powell's conjugate gradient method, calculated by calculating the groundwater level drop when the unknown parameter included in the approximate expression is set to a predetermined value, and the pumping test. In order to minimize the error with the actual measured value of the groundwater level drop that was made, perform the inverse analysis of the parameters,
In the inverse analysis, the parameters to be identified are set to α1 and α2 represented by the following equations using the radius r, the water permeability coefficient T, and the storage coefficient Sc that are unknown quantities in the well function,
α1 = r 2 Sc
α2 = T
An analysis method for a pumping test, wherein at least the water permeability coefficient T is calculated from the parameters α1 and α2 identified by the inverse analysis, among the water permeability coefficient T and the storage coefficient Sc of the ground.
請求項9において、
タイスの井戸関数の前記近似式として、指数積分W(u)のべき級数展開式における第30項まで採用した近似式を用いることを特徴とする揚水試験の解析方法。
In claim 9,
An analysis method of a pumping test characterized by using an approximate expression adopted up to the 30th term in a power series expansion expression of exponential integral W (u) as the approximate expression of the well function of Ties.
揚水試験によって測定された調査対象の地盤における地下水位低下量の経時変化に基づき前記地盤の地下水流動特性を評価するために用いる揚水試験の解析プログラムであって、
コンピュータを、地盤の地下水位低下量を式(E)で表されるタイスの井戸関数の前記近似式として、指数積分W(u)のべき級数展開式における少なくとも第16項まで採用した近似式を用いて演算を行う演算手段として機能させ、
コンピュータを、パウエルの共役傾斜法に基づく非線形最適化法を用いて、前記近似式に含まれる未知のパラメータを所定の値にそれぞれ設定した場合に得られる地下水位低下量の計算値と、前記揚水試験によって測定された地下水位低下量の実測値との誤差が最小となるように、前記パラメータの逆解析を行う逆解析手段として機能させ、
当該逆解析手段においては、同定対象の前記パラメータを、前記井戸関数における未知量である半径r、透水量係数Tおよび貯留係数Scを用いて、次式で表されるα1およびα2とし、
α1=rSc
α2=T
さらに、コンピュータを、前記逆解析によって同定された前記パラメータα1およびα2から、前記地盤の透水量係数Tおよび貯留係数Scのうち、少なくとも透水量係数Tを算出する算出手段として機能させることを特徴とする熱応答試験の解析プログラム。
A pumping test analysis program used to evaluate the groundwater flow characteristics of the ground based on the change over time of the groundwater level drop in the ground subject to survey measured by the pumping test,
As an approximation formula for the well function of the Ties expressed by equation (E), the computer uses an approximation formula that employs up to at least the 16th term in the power series expansion formula of the exponential integral W (u). Function as a computing means to perform computations using
The computer uses a nonlinear optimization method based on Powell's conjugate gradient method to calculate a groundwater level drop obtained when each unknown parameter included in the approximate expression is set to a predetermined value, and the pumping In order to minimize the error from the actual measured value of the groundwater level drop measured by the test, it functions as an inverse analysis means for performing the inverse analysis of the parameters,
In the inverse analysis means, the parameters to be identified are α1 and α2 represented by the following equations, using the radius r, the water permeability coefficient T, and the storage coefficient Sc that are unknown quantities in the well function,
α1 = r 2 Sc
α2 = T
Further, the computer is caused to function as a calculation means for calculating at least the water permeability coefficient T among the water permeability coefficient T and the storage coefficient Sc of the ground from the parameters α1 and α2 identified by the inverse analysis. Analysis program for thermal response test.
請求項11において、
タイスの井戸関数の前記近似式として、指数積分W(u)のべき級数展開式における第30項まで採用した近似式を用いることを特徴とする揚水試験の解析プログラム。
In claim 11,
An analysis program for a pumping test characterized in that an approximate expression employed up to the 30th term in the power series expansion expression of exponential integral W (u) is used as the approximate expression of the well function of Ties.
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