地中熱利用のための地盤条件の抽出と熱及び水力による独立電源型システムの開発

ヒートポンプシステムは，特に海外において積極的に導 入されているが，国内ではその導入事例は海外ほど多く はないのが現状である （内藤，2012）。しかしながら，地 中熱の利用は，エネルギー基本計画に再生エネルギーと して取り上げられたことから，今後，国内においても積 極的に導入されていくことが想定されている。 地中熱ヒートポンプは地中にある熱，すなわち地盤 （固相，液相と気相） の温度が一年を通じて安定であるこ 1 ．はじめに 近年，二酸化炭素削減，ヒートアイランド対策や省エ ネルギーの促進として，地中熱利用のヒートポンプ （GSHP; Ground Source Heat Pump） システムや汲み上げ

た地下水を蓄熱槽に貯蔵して熱エネルギーを取り出すシ ステム （GSS； Groundwater Storage System） の実用化・ 導入が急速に進んでいる。このような地中熱を利用した

竹村 貴人

_{・中里 勝芳}

_{・田島 丈雅}

_{・高野 洋一}

In recent years, the Ground Source Heat Pump (GSHP) system and the groundwater storage system (GSS), which stores pumped groundwater in a heat storage tank and extracts thermal energy, have introduce as a way to reduce carbon dioxide, counter heat island problems, and promote energy conservation. The most important advantage of using a GSHP lies in the significant reduction in electricity (about 40%) compared to conventional air conditioning which relies on air heat sources. If the electricity necessary to operate the GSHP can be supplied from an independent source, air condition-ing (coolcondition-ing and heatcondition-ing) can be provided without uscondition-ing existcondition-ing electric power transmission networks.

While sunlight is viewed as an appropriate source for electric power supply in metropolitan areas, supplying electric power is also believed to be feasible by using small water power generators with irrigation canals in the suburbs, such as in agricultural fields. The ultimate objective of this study was to obtain basic knowledge in order to develop an indepen-dent source-based air conditioning system based on the integration of a GSHP and a small water power generator. Then, we studied the following two topics: 1) Evaluation of the potential used to determine whether a ground heat source can be introduced and utilized effectively in a given region and 2) Development of the water-flow power generator based on lift force to examine the feasibility of electric power supply by the small water power generator as one way to operate an inde-pendent source-based GSHP. Our results indicate that we can estimate performance of GSHP by using existing boring data based on local government documents at the stage of GSHP introduction plan. This study also demonstrates that the output of the small water power generator can be increased by increasing the number of blades in the system. In addition, this study shows that, theoretically, the output can exceed 1kW,which is enough power to control an area of 30-50 square meters, by increasing the area of the blades.

Keywords: Ground source heat pump, small water power generator, independent system

地中熱利用のための地盤条件の抽出と熱及び

水力による独立電源型システムの開発

Extraction of Geological Conditions for Ground Heat Utilization and the Development of

an Independent Source System Utilizing Heat and Water Power

Takato TAKEMURA

_{, Katsuyohi NAKAZATO}

_{, Takemasa TAJIMA}

_{and Youichi TAKANO}

＊ _{Dep. Geosystem Sciences, College of Humanities and sciences, Nihon}

University: 3-25-40 Sakurajyosui, Setagaya-ku, Tokyo 156-8550, Japan

＊＊ _{Dep. Integrated Sciences in Physics and Biology, College of}

Humanities and sciences, Nihon University: 3-25-40 Sakurajyosui, Setagaya-ku, Tokyo 156-8550, Japan

＊＊＊ _{Graduate School of Basic Sciences, Nihon University: 3-25-40}

Sakurajyosui, Setagaya-ku, Tokyo 156-8550, Japan

＊ _{日本大学文理学部地球システム科学科：} 〒156-8550 東京都世田谷区桜上水3-25-40 ＊＊ _{日本大学文理学部物理生命システム科学科：} 〒156-8550 東京都世田谷区桜上水3-25-40 ＊＊＊ _{日本大学大学院総合基礎科学研究科：} 〒156-8550 東京都世田谷区桜上水3-25-40

とを利用したものであり，夏場は地中へ熱を放出し冬場 は地中から熱を採取することで，熱交換を通じて対象と なる室温を制御するものである。また，空気熱源の空調 と異なり，室外機に相当する部分が地下に埋設されるた め，地中熱ヒートポンプの大気への排熱はゼロであり， 都市部においてはヒートアイランド現象を緩和させるた めの具体的な解決策となる。さらに，その利点でもっと も大きなものは空調の使用電力の大幅低減であり，地中 熱ヒートポンプは従来の空気熱源の空調に比べ使用電力 量で約40％の削減が可能である。ここで，空気熱と地 中熱いずれのヒートポンプシステムにおいても，主とな る消費電力は冷媒を圧縮膨張および循環させるコンプ レッサーの稼働電力である。従って，GSHPの稼働効率 を決めるものとして熱交換を行う地盤の有効熱伝導率が もっとも重要なパラメータとなる。地盤の有効熱伝導率 は地盤を構成する岩相，間隙率や地下水の有無，流速な どがパラメータとなっており，有効熱伝導率がより高い 地盤のほうがGSHPの稼働効率が高くなる。 地中熱ヒートポンプによる空調では，冷媒を循環させ て地下水と熱交換を行うことで，冷房・暖房を行う。そ の稼働原理は逆カルノーサイクルで熱力学の第二法則に 従う事より，冷房・暖房の対象となる空間の初期温度と 熱交換を行う空間（空気熱源であれば室外機，地中熱源 であれば地下水）の温度差が小さいほど，少ない電力で 冷暖房を行うことができる。例えば，30−50m2_の空間 を地中熱ヒートポンプで空調を行う際，約1kWの電力 でコンプレッサーを稼働する必要がある。この地中熱 ヒートポンプの稼働に必要な電力を，独立電源で供給す ることができれば，既存の送電網を使う事なく，冷暖房 を行うことができる。都市部においては，その電力供給 は太陽光が適当であると考えられるが，農地など郊外に おいては用水路などを利用した小型水力発電の利用によ り電力供給が可能となると考えられる。 本研究では，地中熱ヒートポンプと小型水力発電シス テムを融合させることにより，独立電源型空調システム の開発のための基礎的な知見を得ることを最終的な目的 とし，次の2 つの項目について研究を行った。1） 地中 熱を効率的に導入・利用することができる地域であるか どうかの目安となるポテンシャル量の評価，2） 地中熱 ヒートポンプを独立電源型で稼働させるための一つの方 法として小型水力発電装置による電力供給を検討するた め揚力型流水発電装置の開発を行ったので報告する。 2 ．地中熱の高効率利用のための地盤条件の評価 本研究での調査の対象地は，下末吉面の淀橋台地西端 に位置するとされる （稲子ほか 1978, 1979） 東京都世田 谷区の日本大学文理学部を中心とした5kmグリッドの 領域を対象とした （図 1）。本領域での模式的な地質構成 は浅部から盛土，関東ローム層，礫層，上総層群相当層 である。また，本領域の標高はT.P22∼55mである。中 36 35 35 139 140

1km

率は地盤の熱伝導率が最も重要なパラメータとなる。こ こで，熱伝導率は地盤自体の熱伝導率とし，地中熱利用 を前提とした熱交換チューブを介した時の地盤の熱伝導 を有効熱伝導率とする。地盤の有効熱伝導率を求める際 に，直接的な方法として，ボーリング孔を用いた熱応答 試験 （TRT:Thermal respons test） がある （藤井・駒庭， 2011）。実際に地中熱ヒートポンプを導入するには，事 前にTRTを行うことで，導入時の設計に必要な有効熱 伝導率を測定することができる。しかしながら，TRTを 行うためのコストを考えると，TRTの実施は地中熱ヒー トポンプの導入を検討する段階では現実的ではない。 従って，検討段階では既存のボーリングコア資料による 岩相区分を元に地盤の熱伝導率を推定するのが現実的で あろう。本研究では，既存のボーリング資料として東京 都土木研究所がまとめている東京都土木技術支援・人材 育成センター （2012） によるデータを用いて平均熱伝導 心部の日本大学文理学部構内には80mの観測井があり， 井戸内には12点の水温計が設置されている。また，観 測井設置時に採取したボーリングコアより，観測井の地 質構成は，盛土，関東ローム層，礫層，上総層群相当層 であった （船引ほか，2011）。図 2 に2011年8月から2013 年2月までの地下温度 （地盤温度と地下水温度を合わせ た温度） の月変動を示す。地下温度の変動は表層部の盛 土層およびローム層で顕著に見られるが，礫層以下では 外気温の影響を受けず安定して 15℃であることがわか る。地中熱利用において，その効率は外気温との差が大 きいほど高くなるため，安定した地下温度の深度の把握 は重要であり，本領域においても，同様に礫層以下では 年間安定した地下水温であることと考えられる。 地盤中に熱交換チューブを挿入し，チューブ内の循環 液と地盤 （土粒子と地下水） で熱交換をすることで， ヒートポンプの稼働を行うことを考えると，熱交換の効

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深

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(GL

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2012年8月

2012年9月

2012年10月

2012年11月

2013年11月

2012年12月

2013年1月

2013年2月

それぞれの熱伝導率はGale （2004） によるものを使っ た （表 1）。 図 3 にボーリング資料から推定した平均熱 伝導率の分布を示す。平均熱伝導率の高い地域は，図4 にある地下水面の標高分布と比較すると，地下水面の標 高が低い地域であることがわかる。また，図1 の地質図 にある後期更新世ー完新世の海成または非海成堆積岩類 に相当する谷地形の部分に沿って平均熱伝導率が高く なっており，地形による影響がでている。これは熱伝導 率の値が比較的に低いロームが少ないことや，熱伝導率 の高い礫・砂層が厚く堆積しているためと考えられる。 また，図5 には領域内の礫層の上面深度が示されてお り，本領域での礫層は南東および北東方向の傾斜をもっ ており，礫層中の水には水頭差が生じていることから水 の流れがあると考えられる。地下水に流速がある場合は 放熱の効果が高くなり地中熱利用の効率はさらに上がる ため，実際には先に求めた平均熱伝導率よりも高い平均 熱伝導率が期待できる。 率 （K） を以下の式から求めた。 K ＝Σ(Li×Ki)/ΣLi （1） ここで，Li は i 番目の層の厚さを，Ki は i 番目の層の熱 伝導率である。また，本研究では，岩相を礫，砂，シル ト，粘土とし，それぞれの熱伝導率を表1 にまとめた。 表1  平均熱伝導率の測定に用いた岩相ごとの 熱伝導率（Gala, 2004） 熱伝導率 （W/（m・K）） 不飽和 飽和 礫，砂 0.77 2.5 シルト 1.67 1.67 粘 土 1.11 1.67 ローム 0.91 0.91 図3  ボーリング資料から推定した平均熱伝導率 （W/（mK）） の分布

図4  ボーリング資料から収集した孔内水位 （GL-m） の分布

業を頻繁に行う必要がある （大友，2010）。従って，さま ざまな物が流下する自然環境下の流水を活用する発電で は，水車の効率が高いだけでは実用化が困難であり，羽 根に浮遊物が付着しにくい構造の水車または羽根の付着 物を容易に除去できる機能を備えた水車を開発する必要 がある。水車効率が比較的高い水車にするためには抗力 を用いるよりも，揚力を主に用いる方が有利であると考 えられている。プロペラ水車はすべての水車の中で最も 機械効率が高い揚力型水車ではあるが，上記したように 浮遊物が羽根に絡まり易いという致命的な欠点を持つ。 そこで，この研究では，水深方向に配置した複数の羽 根が流路幅方向に設けたシャフトに沿って主に揚力によ り往復直線運動を繰り返すときの力を高い機械効率で回 転運動に変換させて発電する装置を開発することにし た。この水力発電装置を河川や用水路に設置すると，羽 根の下端を下流方向に傾けるだけで羽根に付着したさま ざまな浮遊物を流水により容易に除去することが可能と なる。図6 は羽根 2 枚が設置されている本装置の写真で 3 ．揚力型流水発電装置の効率化 3.1 装置概要 我が国には，比較的流速の早い中小河川や灌漑用水路 が多く，その潜在的発電力能力は数百万kWになると推 定されている。また，四方を海に囲まれた我が国は，海 流や潮流の流水エネルギーを利用しやすい環境にあり， これらの莫大な流水エネルギーを発電に活用するための 流水発電装置の開発は重要な課題となっている （例え ば，NEDO, 2010）。 河川，用水路，潮流や海流等の自然環境の流水をその まま用いて発電を行う場合，河川や用水路では，流体中 の草木，紐や袋等の浮遊物，海洋ではそれらに加えて長 い海藻が水車の羽根に徐々に付着する。特に，プロペラ 水車やダリウス水車のように羽根が流水により一定方向 に回転するタイプの水車では，浮遊物が羽根に絡みやす く一旦付着すると除去されにくく，水車のパワー係数は 徐々に低下する。このため，羽根に付着した物の除去作 図6  本研究で用いた揚力型流水発電装置 （田島，2013）

低かった。この原因は負荷が少し大き過ぎたことによる ものと思われる。羽根3 枚の結果を除けば，出力は羽根 の枚数にほぼ比例して増しているように見える。一方， 流水速度が1.25m/sのときは，羽根 1 枚でも翼角の反転 ができたので，往復直線運動を繰り返すことが可能にな り，出力5Wが得られた。この流速では，出力は羽根の 個数にほぼ比例して増加し，羽根5 枚のときの出力は 78Wとなった。この発電機効率を考慮しない結果から は，羽根の枚数にほぼ比例して出力は増加するように見 える。 3.3 発電機効率を考慮した出力 前記したように，出力は発電機効率に依存するため， 使用した発電機SKY-HR250の発電機効率を考慮したを 出力を算出した。表2 は流速 1.25m/sの時の各出力が得 られたときの回転数を考慮した発電機効率である。実際 に測定された出力値をその出力が得られたときの発電効 率で割った値が図7 の○であり，発電機効率が1 （100％） と仮定したときの出力である。実際には，発電機効率1 は有り得ないので，発電機効率が0.8であると仮定した 場合に，流速1.25m/sで得られる出力は図 6 の△にな る。5 枚の羽根を用いたときの出力は85W，4枚では 68W，3 枚では57Ｗになり，それぞれのエネルギー抽出 率 （出力/入力） は，0.21，0.22，0.24となる。これらの エネルギー抽出率はプロペラ水車の効率 （0.3） （平本， 2000） には及ばないが，下掛け水車の効率 （0.15） よりも 高い値となった。 ある。羽根の翼型はNACA0015であり，翼弦長 10cm， 翼長90cmの羽根を用いた。羽根を含めた装置の詳細に ついては田島 （2013） に詳しい。 3.2 回流水槽を用いた実験 本研究では，稼働時の出力データを取得するために， 三井造船株式会社昭島研究センターの回流水槽 （五十嵐 工業株式会社製，垂直循環型 （水面加速装置付き）） を用 いた。この回流水槽は測定部の両側面と底面に観測窓 が設けられており，水中での羽根の運動を観察できる。 発電実験は羽根を水面下に80cm浸し，1.0m/sまたは 1.25m/sの流速で行い，羽根の数を変えて発電量 （出力） を浪越エレクトロニクスDW-777を用いて測定した。こ こで，測定される出力値は発電機の効率に依存するた め，測定される出力値については注意を払わなければな らない。本研究では，SKY-HR250という 1 つの発電機 を用いてすべての発電実験を行っているため，個々の実 験から得られた出力値については発電機効率を考慮する 必要がある。ここでは，実際に電力計で測定された出力 値を報告し，そのあとで発電機効率を考慮した出力につ いて述べることにする。 図7 は流水速度が 1.25m/sのときの羽根の数と得られ た最大出力の関係を示している。羽根が流水により往復 直線運動を繰り返すため，出力がかなり変動することが 予想されたが，フライホイールを用いることにより比較 的安定した出力が得られた。羽根が2 枚から 5 枚までは 出力は徐々に増加したが，羽根3 枚のときの出力はやや

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出力(w)

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サー稼働用電力として利用できる。しかしながら，羽根 にかかる抵抗による部材の曲げなどを考えると，面積を 増大させた時の羽根の素材の強度を設計に十分に考慮す る必要がある。そのための評価手法の一つとして本研究 を行った粒子法による流体シミュレーションは，剛体に かかる力の計算を加えて行うことで，小型水力発電装置 の設計に十分，寄与できるものになると考えられる。 謝辞 本研究は，平成23,24年度の日本大学文理学部自然科学研 究所総合研究費課題「地中熱と水力による独立電源型空調シ ステムの開発とその最適設置地点の探索に関する基礎研究」 により行われたものの一部をとりまとめたものである。共同 研究者である地理学科の関根智子教授と羽田麻美助教および 本学工学部機械工学科の船引彩子博士には地理情報の扱い方 教えて頂きました。ここに記して，感謝いたします。 ４．おわりに 本研究では，地中熱ヒートポンプと小型水力発電シス テムを融合させることにより，独立電源型空調システム を開発することを最終目標に設定し，そのための設置条 件と小型水力発電装置の効率化に関する評価手法の開発 を行った。その結果，地中熱ヒートポンプの設置の導入 時に判断するためには，既存のボーリング資料を活用す ることで，検討することができることを示した。また，小 型水力発電装置に関しては，羽根の枚数により出力を増 やすことができることが実証された。さらに，本研究で 得られた結果から，羽根の面積を4 倍にし，流速 2m/s の用水路に設置することで，1kWを超える出力が得ら れると考えられる。従って，この電力は30−50m2_の空 間を地中熱ヒートポンプで空調を行う際のコンプレッ 藤井 光・駒庭義人 （2011）地下熱利用技術 7. サーマルレ スポンス試験の原理と解析方法，調査事例．地下水学会 誌，Vol. 53，pp.391-400. 船引彩子・千葉 崇・納谷友規・植木岳雪・竹村貴人（2011） 東 京 都 世 田 谷 区 で 掘 削 さ れ た ボ ー リ ン グ コ ア CRE-NUCHS-1の堆積相と堆積物物性，日本第四紀学会講演 要旨集，pp.148-149.

Gale, I. (2004) GSHP Site Characterisation . Carbon Trust re-search, development and demonstation projects, 2002-08-026-4-3, Final project report.

稲子 誠・辻 誠一郎・遠藤邦彦（1978）淀橋台西縁地域の 関東ローム層と段丘地形．日本大学文理学部自然科学研 究所研究紀要，Vol.13，pp.31-42. 稲子 誠・辻 誠一郎・遠藤邦彦（1979）：淀橋台西縁地域 の関東ローム層と段丘地形（第二報）．日本大学文理学 部自然科学研究所研究紀要，Vol.14，pp.31-38. 平本敏弥（2000）「潮流発電装置に関する研究」海上保安庁 研究成果報告書WEB U0011A, http://www.kaiho.mlit.go.

引用文献 jp/syoukai/soshiki/soumu/seika/h11/pdf/e06.pdf 内藤春雄（2012）地中熱利用ヒートポンプの基本がわかる 本，オーム社，167p. NEDO (2010) NEDO 再生可能エネルギー技術白書「 6 波力 発電の技術の現状とロードマップ」pp.311-358. 大友哲（2010）「農業用水路に設置した水力発電機のメイン テナンスについて」太陽/風力エネルギー講演論文集， pp.415-418. 産業技術総合研究所地質調査総合センター（編）（2012）20 万分の1 日本シームレス地質図データベース（2012年 7月3日版） 東京都土木技術支援・人材育成センター（2012）東京の地盤 （Web版），http://doboku.metro.tokyo.jp/start/03-jyouhou/ geo-web/00-index.html 田島 丈雅（2013）翼への付着物を容易に除去できる新規揚 力型流水発電装置の開発，日本大学大学院総合基礎科学 研究科相関理化学専攻 修士論文． 表2  流速1.25m/sの時の発電機回転数を考慮した発電機効率 羽根の数 （個） 流 速 （m/s） 出 力 （w） 発電機回転数 （rpm） 発電機効率 （％） 5 1.25 78 583 73 4 1.25 60 475.2 71 3 1.25 40 537.1 56 2 1.25 23 500.7