成果報告書詳細
管理番号20110000001048
タイトル平成21年度成果報告書 エコイノベーション推進事業「地中地熱利用ヒートポンプの地中熱交換量を増加させる新技術の開発」
公開日2011/6/29
報告書年度2009 - 2009
委託先名三菱マテリアルテクノ株式会社 国立大学法人九州大学
プロジェクト番号P07026
部署名研究開発推進部
和文要約 地中熱利用ヒートポンプ(GeoHP)システムにおいて,地中熱交換井は最も重要な要素のひとつである。地中熱交換井の設置コストはシステム全体の設置価格に占める割合が大きいため,その設計によりイニシャルコストは大きく変動する。すなわち,熱交換井単位長さあたりの地中熱交換量が増加すれば地中熱交換井の本数や長さが少なくて済むため,イニシャルコストの低減が可能である。
 GeoHPシステムにおける地中熱交換井では,掘削後の裸孔中にU字管などの地中熱交換器を挿入した後に,孔内をセメントや砂などのグラウト材を用いて充填するが,透水性を有するグラウト材を用いて孔井内を充填する場合には,地層条件により浅層の土壌・地下水汚染が地下深部へ広がることが懸念される。このような場合,土壌汚染対策を含めた設置基準として浅部の難透水層から上部を確実に遮水し,地表部の地下水が深部の帯水層に移動しないように仕上げる必要がある。
 本事業では地中熱交換井内に地中熱交換器と一緒に設置した揚水システムで地下水を汲み上げることにより,地中熱交換井における熱交換量の改善を目指すためのフィールド試験と数値シミュレーションを行なった。フィールド試験では,熱交換量の増進を試みると共に土壌汚染対策としての熱交換井仕上げ方法を提案し,充填方法の違いを評価した。このような地下水汲み上げによる熱交換量の改善は初の試みであり,新しいタイプの地中熱交換井の実用性と経済性を評価することを目的とした実証試験事業である。
 地中熱交換井における地中熱交換量は,井戸を設置した地層の熱物性値により変動し,地下水の流動が存在する場合には熱交換量が増加する。本研究において評価方法として用いた温度応答試験(サーマルレスポンス試験,以下TRT)は,このような地層の熱物性値等を評価することを目的として行った。地下水流速が遅い地域では,地中熱交換井内の地下水を汲み上げることで地下水流動が発生すると考え,充填材,揚水量,揚水位置の違いによる熱交換量の違いをTRT結果より評価した。
 井戸仕上げ方法による地中熱交換量の差はTRT結果に顕著に見られ,井戸全体を難透水性のモルタル充填する場合と比べて,地下水が直接熱交換器と接する珪砂充填(ただし,土壌汚染対策として地表部のみモルタル充填)により熱交換量を増加できることが分かった。なお,本事業にてフィールド試験を行った地域では,地盤中に流速の大きい地下水流れが存在すると考えられるため,揚水による熱交換量の増加率は20L/minの場合で6.93%と少量であったものの,一定の効果が認められた。さらに,フィールド試験の結果に基づいて,地下水流動解析シミュレーションモデルを構築し,感度計算を行なった。その結果,揚水量に伴い熱交換量が増加すること,地下水流速の遅い地域での揚水効果が期待できることを確認した。
 経済性の評価では,揚水による熱交換量の増加が熱交換井全長を削減できることを考慮して試算を行った。フィールド試験結果に基づいた場合,揚水が19L/min以上であれば揚水設備を含めたイニシャルコストの低減に繋がるが,ランニングコストを含めた費用対効果は小さい結果となった。
 一方,シミュレーション結果を利用した地下水流速の遅い地域を想定した場合は,大幅に地中熱交換井全長を削減でき,揚水量が20L/minの場合でイニシャルコストが約43%削減され,揚水した地下水の再利用を考慮すると,さらなる経済的効果が期待できることも確認できた。
 今後,透水係数が高いが地下水流速の遅い熱伝導型地盤において試験を重ね,本システムの有効性・経済性をさらに評価する必要がある。これらの試験により,地中熱交換井を利用した地中熱利用ヒートポンプシステムの普及が促進されると期待する。本事業では試験対象地盤における地下水流速が予想外に速かったことから,揚水による熱交換量の増加は期待した量には至らなかったものの,揚水により地中熱交換量が増加することは実証され,本システムが実用化に至る可能性を有することを確認することができた。
英文要約In Geothermal Heat Pump (GHP) systems, a ground heat exchange well is one of the most important components of the system. Since large portion of the total cost is spent on the installation cost of the heat exchange well, the design of heat exchange wells strongly affects the initial cost of the system. When a heat exchange rate per unit length is increased, the total length of the heat exchange wells can be shortened, which leads to low initial cost.
Heat exchange wells in GHP system are completed using grouting materials such as cement or sand after setting ground heat exchangers such as U-tube in a borehole. Using permeable grouting materials in the borehole, it is concerned that the pollution of soil and groundwater in shallow ground is spread to the deeper formation depending on formation conditions. In such cases, it is necessary to set low-permeable material at shallow section of the well to prevent the movement of polluted water between aquifers as an installation standard including soil contamination countermeasures.
In this research, we carried out field tests and numerical simulations for improving the heat exchange rates by pumping groundwater from a ground heat exchange well during heat exchange operations. The efficiency of this method has not been tested through field test in the past researches of GHP systems. The new types of heat exchange wells are evaluated in terms of utility and economic efficiency.
Heat exchange rates depend on the thermophysical properties of the formation, and the existence of groundwater flow enhances the heat exchange rates when the velocity is high enough. It is possible to estimate the thermophysical properties through Thermal Response Tests (TRTs). Since it would be possible to cause an artificial water flow by pumping groundwater in wells drilled in a formation with low groundwater velocity, the difference of heat exchange rates was evaluated in terms of rout type, pumping rate, and depth of pumping from TRTs data.
Through TRTs, it was clarified that the grouting with silica sand, which enables the direct contact of groundwater flow with heat exchange pipes, was more effective than the grouting with mortar. Since the groundwater velocity was faster than expected in this area, the increase of heat exchange rates by pumping effects was not very high, 6.93%. Groundwater flow simulation model was developed on the basis of field tests and was verified through the results of TRTs. As a result of sensitivity studies using the simulation model, it was estimated that the increase in pumping rates enhances heat exchange rates where groundwater velocity is slow.
Economic efficiency was estimated by taking account of the characteristic that the increase of heat exchange rate per unit length by pumping leads to short total length of heat exchanger.
When more than 19L/min pumping rates were kept, initial cost including pumping facilities could be decreased based on the result of TRTs, however cost-benefit performance with running cost was low.
Based on the results of simulation, if the area with slow groundwater velocity was considered, total costs could be greatly reduced. When pumping rate was 20L/min, initial cost was reduced by around 43%. It was confirmed that further economical effect was expected by the reuse of groundwater pumping.
Based on the results of this research, we are planning field test in a conduction-dominant formation with high permeability, and evaluate the validity and economic efficiency of the water pumping. It is expected that installation of GHP systems is promoted using the proposed method. Though the increase of heat exchange rates by water pumping did not reach the expected rates since groundwater velocity was faster than expected in the tested area, it was demonstrated that the new GHP system could be in practical use in the future.
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