土壌熱容量を用いる外気負荷低減システムに関する研究

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土壌熱容量を用いる

外気負荷低減システムに関する研究

名古屋大学

尹奎英

紹介内容

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クール/ヒートチューブについて

クール/ヒートチューブの熱交換特性

クール/ヒートチューブの導入事例と性能

（T社研修棟、健康センター）

クール/ヒートチューブ導入に関する検討事例

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クール

クール/

/ヒートチューブについて

ヒートチューブについて

地中埋設管内に室内空気あるいは外気を通して、

夏には冷熱を冬には温熱を得るパッシブ手法である

夏には冷熱を冬には温熱を得るパッシブ手法である。

re

Ambient air temp.

Air in _{Air out}

Cooling Te m pe ra tu Soil temp

Air in _{Air out}

Cool/ h e at tu be Time Soil temp. クール/ヒートチューブの概念 Heating クルトチブの概念

Ground-coupled (air) heat exchanger, Earth-air heat exchanger, Ground tube heat exchanger, Air-to-earth heat exchanger, Cool tube, Air-earth exchanger, Earth to air heat e changer Soil heat e changer クル/ヒトチ ブ アス 3

Earth-to-air heat exchanger, Soil heat exchanger, クール/ヒートチューブ, アース

チューブとも呼ばれる。 3

ク

ル

ク

ル/

/ヒ

ヒ

トチュブの利用形態別分類

クール

クール/

/ヒートチューブの利用形態別分類

ヒートチューブの利用形態別分類

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クール/ヒートチューブの熱交換特性

クル/ヒトチュブの熱交換特性

○ ○設計要求と制限

設計要求と制限

○ ○設計要求と制限

設計要求と制限

・新鮮外気風量

・設置コスト

Building

・地中埋設スペース

・チューブの熱交換量

チュ

ブ出口温度

チュ

ブ出口温度

Building

・チューブ出口温度

○ ○地域条件

地域条件

○ ○地域条件

地域条件

・土質

・地下水（土壌含水率）

_管径

チューブ埋設間隔、深さ

_{管材質チ}

_ブの本数

・地下水（土壌含水率）

・外気条件

管径、管材質,チューブの本数

_{○性能パラメーター}

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外気条件（地域条件）

••

チューブシステムの熱交換効

果は外気温の年較差また

果は、外気温の年較差また

は日較差が大きい地域ほど

大きい。

••

多湿な外気条件では、熱交

換の潜熱成分が多くなる。

札幌札幌東京～大阪那覇 v=2.2m/s

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管内風速（導入風量）

• • チューブ内風速を速くするほど取チューブ内風速を速くするほど取得熱量は大きくなるが、チューブ出得熱量は大きくなるが、チューブ出地域：東京配管長さ：20m 管径：0.5m 得熱量は大きくなるが、チュブ出得熱量は大きくなるが、チュブ出入口温度差は小さくなる。入口温度差は小さくなる。 • • 外気温が低いとき、風量を大きく外気温が低いとき、風量を大きくしたほうが、冷却効果は大きく、したほうが、冷却効果は大きく、外気温が高い場合、風量を小さく外気温が高い場合、風量を小さくしたほうが冷却効果は大きい。したほうが冷却効果は大きい。 • • 適切な管内風速は、管内の空気適切な管内風速は、管内の空気抵抗による圧力損失を考慮すると抵抗による圧力損失を考慮すると 2 0m/s 2 0m/sであるである 2.0m/s 2.0m/sである。である。 • • 管内風速は、管内風速は、2.0m/s2.0m/s～～2.5m/s2.5m/s が適切と提示している。が適切と提示している。出典：石原ら、クールチューブの冷却効果チュブの冷却効果に関する実大住宅実験およびシミュレーション 8

配管長さ

• • 配管長さは長いほど出入り口の配管長さは長いほど出入り口の温度差は大きくなる。また、長さは温度差は大きくなる。また、長さは十分である場合管内空気温度十分である場合管内空気温度十分である場合、管内空気温度十分である場合、管内空気温度は土壌温度に収束してしまいそれは土壌温度に収束してしまいそれ以上の冷却以上の冷却//加熱効果は期待で加熱効果は期待できない。きない。 • • 管径と管内導入風量によって適管径と管内導入風量によって適切な長さは異なる切な長さは異なる切な長さは異なる。切な長さは異なる。 • • 適切な配管長さは管径と管内風適切な配管長さは管径と管内風速により異なり、速により異なり、40m40m以上の長さ以上の長さでは管径は大きいケースのみ効果では管径は大きいケースのみ効果のよい挙動を見せる。また、冷却のよい挙動を見せる。また、冷却効果の効果の80%80%となる配管長さが最となる配管長さが最適である。適である。管内風速：2.0m/s固定

出典：Early design guidance for low energy cooling technologies

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埋設深さ

配管径

管径が大きくなれば取得熱量は多くなるが管径が大きくなれば取得熱量は多くなるが • • 埋設深さは深いほど取得熱量は大埋設深さは深いほど取得熱量は大きくなる。きくなる。 • • 管径が大きくなれば取得熱量は多くなるが、管径が大きくなれば取得熱量は多くなるが、熱交換効率は低下する。熱交換効率は低下する。 • • 同じ風量であれば、管径を大きくするより風同じ風量であれば、管径を大きくするより風 • • 通常において、最低通常において、最低1.8m1.8m、最適、最適 2.5m 2.5m～～3.0m3.0mの埋設深さが適当での埋設深さが適当であると提示している。あると提示している。速を速くする方が良いと指摘する文献もあれ速を速くする方が良いと指摘する文献もあれば、管内風速より管径を大きくした方が良いば、管内風速より管径を大きくした方が良いと指摘するものもあると指摘するものもあると指摘するものもある。と指摘するものもある。 • • 最適な管径はチューブ長さ、コスト、管内風最適な管径はチューブ長さ、コスト、管内風速、導入風量によって様々であるが、適切と速、導入風量によって様々であるが、適切とされる管径はされる管径は0.15m0.15m～～0.5m0.5mであると提示してであると提示している。いる。

出典：Analytical and numerical investigation of the characteristics of a soil heat exchanger for ventilation systems 10

配管材質

土壌物性

• • 熱伝導性の優れた材料の採用は熱伝導性の優れた材料の採用はチューブの熱交換性能向上に効果がチューブの熱交換性能向上に効果があるある • • 土壌の熱伝導率が大きいほど熱交換性能は向上す土壌の熱伝導率が大きいほど熱交換性能は向上する。る。ある。ある。 • • 金属製（アルミ、鋼管）、ｺﾝｸﾘｰﾄや金属製（アルミ、鋼管）、ｺﾝｸﾘｰﾄや素焼粘土製、樹脂製の順に熱交換素焼粘土製、樹脂製の順に熱交換 • • 熱拡散率の大きな土壌ではチューブの埋設深さが、熱拡散率の大きな土壌ではチューブの埋設深さが、熱拡散率の小さい土壌ではチューブの長さが重要で熱拡散率の小さい土壌ではチューブの長さが重要であるある性能が高い。性能が高い。 • • チューブの材質による熱交換性能のチューブの材質による熱交換性能の違いにはわずかであり安価の塩化違いにはわずかであり安価の塩化ある。ある。 • • 土壌の違いによってチューブの熱交換性能は土壌の違いによってチューブの熱交換性能は10%10%～～ 30% 30%程度異なるまた、この傾向は各土質の熱物性か程度異なるまた、この傾向は各土質の熱物性か違いにはわずかであり、安価の塩化違いにはわずかであり、安価の塩化ビニルの採用例が多い。ビニルの採用例が多い。らなるらなるcpcp --11_λ_λ--11_{と比例関係にある。}_{と比例関係にある。} 11

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チューブ直上部被土条件

シミュレーションによる実測システムの熱交換性能検討

• • チューブ直上部の地表面には日射チューブ直上部の地表面には日射が当たらないほうがチューブの冷が当たらないほうがチューブの冷却性能によい却性能によい

（チューブを建物下部に埋設したことによる建物への影響）

建物却性能によい。却性能によい。 • • 地被条件が芝生の場合に比べて、地被条件が芝生の場合に比べて、裸地がチューブの加熱性能によい裸地がチューブの加熱性能によいアスファルト地表面室内床貫流負荷増加量 2 6GJ/年 と指摘している。と指摘している。 • • チューブの熱交換性能を向上させチューブの熱交換性能を向上させるためには管周囲土壌の温度をるためには管周囲土壌の温度をチューブ 2.6GJ/年 取得熱量 冬期：11.2GJ 夏期：10.8GJ 冬期：12.5GJ取得熱量 夏期：19.2GJ るためには、管周囲土壌の温度をるためには、管周囲土壌の温度を冬期には高く、夏期には低く保つ冬期には高く、夏期には低く保つ必要があるといえる。必要があるといえる。アスファルト：23.0GJ/年←建物下部の約73% 建物部年省エネ効果：31.7GJ/年 ○地被条件と取得熱量 ○地被条件と取得熱量 ○省エネ効果と床熱損失_{○省エネ効果と床熱損失} 建物下部：31.7GJ/年 _{床熱損失：2.6GJ/年←省エネ効果の約6%} 12

複数管の配管パターンと熱性能

一列等間隔配置 X１埋設断面積を揃えたケス同士埋設断面積を揃えたケス同士 a Y１

A

埋設断面積を揃えたケース同士埋設断面積を揃えたケース同士に対して年間取得熱量の大きさを比較に対して年間取得熱量の大きさを比較一列等間隔が最も取得熱量の多い一列等間隔が最も取得熱量の多い配管パターンであった配管パターンであった一列非等間隔配置 b _c 30 配管パターンであった。配管パターンであった。二列配置

A

20 J ) 管内風速：3.0m/s 二列配置 a 10 20 間取得熱量(G J *埋設断面積 d Y２

A

0 10 年一列等間隔一列非等間隔二列配置　X1・Y1＝X2・Y2=A X２

検討対象の配管パターン

0 0.8m 1.0m 1.2m 1.4m 一列等間隔の配管間隔、a（m)

配管パターンと年間取得熱量

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クール

クール/

/ヒートチューブの運用方法

ヒートチューブの運用方法

クール

クール/

/ヒートチューブの運用方法

ヒートチューブの運用方法

50 50 率 (% ) チューブの取得熱量が最もチューブの取得熱量が最も 30 40 量（G J ) 30 40 気負荷低減率多かったのは多かったのはCASECASE- -3(CASE 3(CASE--11に対して年間に対して年間 11.6% 11.6%増増))であり、外気負荷であり、外気負荷低減率の向上が最も大き低減率の向上が最も大き 10 20 省エネ量 10 20 績係数( -) 、外気省エネルギー量外気負荷低減率(%) システムCOP 低減率の向上が最も大き低減率の向上が最も大きかったのは

かったのはCASECASE--4(CASE4(CASE- -1 1に対して年間に対して年間3.63.6ポイントポイント増増))であった。であった。本システム現行の運転導入外気は常にチューブを通す（一日10時間、土、日、祝日の休館日は運停） 0

CASE-1 CASE-2 CASE-3 CASE-4

0 成績システムCOP 館日は運停）夏期のみ24時間運転（10 時間冷房、14時間換気）、ほかはCASE-1と同様中間期に導入外気をチブを通さない外気温度制御（冬期13℃以上、夏期 23℃以下のとき導入外気をチューブを通さない）する。ほかはC S と同様チューブを通さないシステム運転効率の観点からはチューブによる送風ファン動力増加を小さくできる運転方法がシステム運転効率の観点からはチューブによる送風ファン動力増加を小さくできる運転方法が有効となり、システムの成績係数は

有効となり、システムの成績係数はCASECASE--44ととCASECASE--33で大きくなったで大きくなった

外気取入を選択的に行うためには、チューブシステムを介さない別途の外気取入口や換気経路、そして外気取入を選択的に行うためには、チューブシステムを介さない別途の外気取入口や換気経路、そしてダンパーや制御装置などの計画が必要となり、設備投資の増加に対する綿密な検討を要する。ダンパーや制御装置などの計画が必要となり、設備投資の増加に対する綿密な検討を要する。 14 ＣＡＮＡＤＡ、温室

クール/ヒートチューブ

導入事例

韓国オフィス韓国、オフィス日本住宅ドイツ、オフィス日本、住宅日本、福祉施設 _{ドイツ、オフィス} _{ドイツ、オフィス} 15

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土壌熱容量を用いる外気負荷低減システムに関する研究