博 士 （ 工 学 ） 濱 田 靖 弘
学 位 論 文 題 名
土壌熱を利用した暖冷房方式の評価と エネルギー自律型住宅への応用に関する研究
学位論文内容の要旨
工 ネ ル ギ ー の 有 効 利 用 お よ び 地 球 環 境 負 荷 の 低 減 化 の 観 点 か ら ， 住 宅 や 個 々 の 建 築 物 に お け る 自 然 エ ネ ル ギ ー の 適 正 な 導 入 手 法 と エ ネ ル ギ ー 自 律 化 の た め の 新 た な 技 術 開 発 が 必 要 不 可 欠 で あ る ． 普 遍 的 に 存 在 し ， 膨 大 な 熱 容 量 を 有 す る 大 地 （ 土 壌 ） は ， 暖 房 お よ び 冷 房 用 の 熱 源 と し て 優 れ た 特 性 を 有 し て い る ． し か し ， 複 雑 な 地 盤 性 状 を 有 す る 日 本 国 内 に お い て は ， 既 往 の 技 術 の 援 用 は 困 難 で あ り ， 特 に 地 中 熱 交 換 器 と そ の 周 囲 土 壌 の 伝 熱 特 性 ， 地 盤 内 の 凍 結 ・ 融 解 過 程 ， お よ び 地 下 水 の 流 動 性 な ど を 総 合 的 に 評 価 し 得 る 独 自 の プ ロ グ ラ ム 開 発 と 実 証 の た め の 実 験 が 必 須 と な る ． さ ら に ， 土 壌 熱 利 用 を 導 入 し た ェ ネ ル ギ ー 自 律 型 住 宅 の 可 能 性 を 明 ら か に す る た め に は ， 地 盤 内 の 熱 挙 動 ， 自 然 エ ネ ル ギ ー の 複 合 的 活 用 ， 暖 冷 房 方 式 ， お よ び 建 物 を 統 合 し た ト 一 夕 ル シ ス テ ム と し て の 評 価 を 行 う こ と が 必 要 で あ る ．
本 論 文 は ， 熱 源 と し て ， あ る い は 蓄 熱 体 と し て の 多 様 な 利 用 形 態 の 可 能 性 を も つ 大 地 を 利 用 し た ェ ネ ル ギ ー シ ス テ ム の 評 価 方 法 を 確 立 し ， そ の 特 性 と 実 用 可 能 性 を 明 ら か に す る と と も に ， 戸 建 て 住 宅 に お け る 導 入 効 果 を 総 合 的 に 評 価 し ， 土 壌 熱 の 利 用 を 中 心 に 据 え た ェ ネ ル ギ ー 自 律 化 の あ り 方 に つ い て 提 案 す る こ と を 目 的 と し て い る ． ま ず ， 札 幌 に お け る 実 態 調 査 に 基 づ き ， 現 状 の 戸 建 て 住 宅 の エ ネ ル ギ ー 消 費 量 に 関 す る 寒 冷 地 型 の 特 性 を 明 ら か に し た ． 次 に ， 土 壌 熱 利 用 に と っ て 基 本 と な る 地 中 温 度 の 長 期 測 定 を 行 い ， 全 国 に 適 用 可 能 な 予 測 方 法 を 確 立 し た ．
土 壌 熱 利 用 シ ス テ ム に つ い て は ， 地 下 水 流 お よ び 複 数 管 の 相 互 干 渉 の 影 響 を 明 確 化 す る と と も に ，2つ の 利 用 形 態 す な わ ち ヒ ー ト ポ ン プ の 熱 源 利 用 と 蓄 熱 利 用 に 分 類 し た 新 し い 指 標 に 基 づ き ， 省 工 ネ ル ギ ー 性 評 価 方 法 を 提 案 し た ． 次 い で ， 土 壌 熱 利 用 シ ス テ ム の 導 入 可 能 性 の 実 証 に 当 た っ て は ， 実 規 模 の 実 験 施 設 を 建 設 し ， 長 期 間 の 運 転 実 績 に 基 づ い て 暖 冷 房 へ の 適 用 性 の 評 価 を 行 っ た ． 暖 房 は ， 低 温 水 利 用 に よ る 成 績 係 数 向 上 を 可 能 と す る 床 暖 房 方 式 を 取 り 上 げ ， 地 中 熱 交 換 器 の 必 要 規 模 の 算 定 方 法 を 示 し た ． さ ら に ， 土 壌 熱 利 用 シ ス テ ム を 導 入 し た ェ ネ ル ギ ー 自 律 型 住 宅 の 設 計 と 評 価 方 法 を 示 し ， 採 用 し た 要 素 技 術 を 実 測 と 解 析 の 両 面 か ら 評 価 す る と と も に ， シ ス テ ム の 適 正 規 模 と 省 工 ネ ル ギ ー 効 果 に つ い て 明 ら か に し た ．
本 論 文 は 10章 よ り 構 成 さ れ ， 各 章 の 概 要 は 以 下 の 通 り で あ る ． 第1章 で は ， 環 境 負 荷 低 減 化 を 考 慮 し た 自 律 型 エ ネ ル ギ ー シ ス テム の方 向性 を示 し，
大 地 を 利 用 し た シ ス テ ム の 導 入 効 果 と 住 宅 に お け る エ ネ ル ギ ー 自 律 化 を 研 究 対 象 と す る こ と の 意 義 を 述 べ る と と も に ， 本 論 文 の 構 成 を 示 し た ．
第2章 で は ， 世 界 の エ ネ ル ギ ー 自 律 型 住 宅 の 事 例 を 要 約 し ， 要 素 技 術 の デ ー タ ベ ー ス 化 を 行 い ， 寒 冷 地 の 温 熱 需 要 へ の 適 用 技 術 と そ の 問 題 点 を 述 べ た ． ま た ， 土 壌 熱 利 用 シ ス テ ム を 導 入 す る た め の 従 来 の 地 中 温 度 資 料 を 取 り 上 げ ， そ の 欠 点 と 詳 細 な 測 定
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値に 基づく予 測手法の 構築の必 要性を述 べた．さら に，土壌熱利用システムの既往の 研究 を要約し ，新しい 評価方法 を提案す ることの意 義を明確化し，本論文の位置づけ を示した．
第3章は，現 状の戸建 て住宅に おけるエ ネルギー消 費量とそ の特性に 関する調 査を 目 的 とし て お り， 札 幌に お け る世帯あ たりの年間 エネルギ ー消費量 が約94GJであ る こと を示すと ともに， 灯油への 依存度が 高く，環境 負荷の面からも自律化が必須であ るこ とを述べ た，また ，工ネル ギー消費 量は断熱性 の向上により，過去の調査結果に 対 し て低 下 し てい る もの の ， 本州と比 較すると依 然として 大きいこ とを確認 した．
第4章は，土 壌熱利用 のための 基礎資料 の作成を目 的として ，地中温 度の長期 測定 と予 測手法の 開発を行 ったもの である． まず，地中 温度測定基地を建設し，詳細な地 質調 査を行っ た．次い で，長期 間にわた る測定値の データベース化を行い，不易層温 度が約10.3℃であることを示した．さらに，積雪地に適用可能なプ口グラムを開発し，
実測 値との比 較を行い ，地中温 度，積雪 深の計算値 が実測値をよく再現することを示 し た ． ま た ， 国 内 主 要 都 市 の 地 中 温 度 解 析 を 行 い ， 設 計 用 の 指 針 を 与 え た ． 第5章では， 土壌熱利 用システ ムの設計 方法を示し ，熱源型 と蓄熱型 の利用形 態が 考え られるこ とを示し た．また 年間サイ クル特性を 標準熱回収率および採放熱比と温 度条 件により 評価する 新たな方 法を提示 した．次い で，これらの手法により単管方式 は地 下水の流 動性に関 わらず熱 源型，複 数管におい ては蓄熱型が有効であり，現実の 応 用 では ， 両 者の 組 み合 わ せ も考 え られ る こ とを 示 した ． さらに 低コストU字管型 地中 熱交換器 の伝熱特 性につい て解析を 行い，従来 の鋼管井戸型熱交換器に匹敵する 性能が得られることを明らかにした．
第6章では， 実規模の 土壌熱利 用システ ム実験施設 を建設し ，長期間 にわたる 運転 実 績に基づ く評価を 行った． まず，U字 管型地中熱 交換器の 伝熱特性 に関する 実験結 果が 計算値と ほぽ一致 すること を示した ．また，土 壌熱源ヒートポンブの実証試験を 行い ，安定し た採・放 熱温度に より，長 期的な暖冷 房利用が可能であることを明らか に し た． 暖 房 期間 の 単位 埋 設 管長さあ たりの平均 採熱量は 約3 6W/mに達し た．さら に， 地下水流 の影響に よる熱特 性の解析 によって， 地下水流速の面からも，熱源型と しての利用に適していることを示した．
第7章は，土 壌熱利用 を想定し た低温水 床暖房実験 と戸建て 住宅への 応用につ いて 検討 したもの である． 試験室に おいて形 成される床 暖房の温熱環境を測定し，高断熱 仕様 では室内 の温度分 布がほぼ 一様とな る良好な環 境が得られるとともに，省エネル ギー 効果が高 いことを 確認した ．また， 高断熱住宅 において床暖冷房を導入した場合 の 熱 負 荷 解 析 を 行 い ， 土 壌 熱 源 ヒ ー ト ポ ン プ の 必 要 規 模 の 算 定 方 法 を 示し た ． 第8章では， まず，戸 建て住宅 における 建築的対応 と土壌熱 を中心と した自然 エネ ルギ ー・未利 用エネル ギーの活 用を考慮 したエネル ギー自律型住宅の概念を示し，さ まざまな組み合わせの実験が行える住宅の基本計画を行った．次いで，それに基づき，
実験 住宅を建 設し，断 熱・気密 性能，お よびェネル ギー自律化のための設備機器とそ の 特 性を 明 ら かに し た． そ の 中で ， 暖冷 房 設 備に お いて は ，冷媒R134aを使用し た 土 壌熱源ヒ ートポン プを試作 し，その 性能評価を 行い，採 熱温度がO℃を下回 る悪条 件下におしゝても成績係数が3を上回ることを示した．
第9章では， エネルギ ー自律型 住宅に導 入した要素 技術の運 転実績に ついてま とめ た ．土壌熱 を利用し た暖冷房 に関して は，冷房時 システム 成績係数9.1，暖房期 間成 績 係 数4.0と 高 い値 が 得ら れ た． 総工ネル ギー利用の うち土壌 熱は36%を占 め，年間 購入工ネルギー量が従来型住宅の12.5ワ。に低減化するとともに，二酸化炭素削減率は 77ワ。に達することを示した．次いで，エネルギー自律型住宅評価プ口グラムを開発し，
運転 実績によ る検証を 行った結 果，本計 算の再現性 が非常に高いことを示した．さら に， 暖冷房の エネルギ ー消費が 最小とな る地中熱交 換器の設計方法を示し，ベイバッ
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クタイムによる評価を行い，工ネルギー消費量，二酸化炭素排出量に関しては早い段 階で回収が可能となることを明らかにした．
第10章では，本研究で得られた結果を要約して述べた．
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学 位 論 文 審 査の 要 旨 主 査 教 授 落 藤 澄 副 査 教 授 持 田 徹 副 査 教 授 繪 内 正 道 副 査 教 授 工 藤 一 彦 副査 助教授 横山真太郎
学 位 論 文 題 名
土 壌 熱 を 利用 し た 暖 冷房 方 式 の 評価 と エ ネ ル ギ ー 自 律 型 住 宅 への 応 用 に 関す る 研 究
本論 文は，熱 源として ，あるい は蓄熱体と しての多様な利用形態の可能性をもつ大 地を 利用した 暖冷房方 式の評価 方法を確立 し，その 温熱特性と省エネルギー性を明ら かに するとと もに，戸 建て住宅 における導 入効果を 総合的に評価し，土壌熱の利用を 中 心 に 据 え た ェ ネ ル ギ ー 自 律 化 の あ り 方 に つ い て 研 究 し た も の で あ る ． まず ，戸建て 住宅のエ ネルギ一 消費量の実 態を詳細に調査し，寒冷地における消費 構造 を明らか にしてい る．次い で，土壌熱 利用にと って基本となる地中温度の長期測 定を 行い，全 国に適用 可能な予 測方法を確 立してい る．土壌熱利用システムについて は，地下水流，凍結・融解，および複数管の相互干渉の影響を明らかにするとともに，
利用 形態とし て蓄熱利 用とヒー トポンプの 熱源利用 に分類されることを示し，新しい 指標 に基づく 省エネル ギー性の 評価方法を 提案して いる．次いで，土壌熱源ヒートポ ンプ の実験施 設を建設 し，長期 間の運転実 績に基づ いて暖冷房への可能性を実証して いる ．また， 室内の暖 房方式の 被験者実験 を行って ，低温水床暖房の優位性を明らか にし ている． 次に，土 壌熱利用 システムを 導入した エネルギー自律型住宅を建設し，
各種 要素技術 の特性を 実測と解 析の両面か ら究明す るとともに，省エネルギ一効果と シス テムの適 正規模を 明らかに している． また，太 陽光発電など，他の自然エネルギ ー活 用技術と 組み合わ せたトー タルシステ ムにおけ る土壌熱利用の位置づけとシステ ムの 総合的な 評価法を 提示し， 工ネルギー と環境負 荷の削減にとって，本方式が有効 であることを明らかにしている．以下に各章の要旨を示す．
第1章は，本論文の目的と構成を述べている．
第2章 は，エネ ルギー自 律型住宅 ，土壌熱利 用システ ムおよび 地中温度 に関する既 往 の 研 究 を 述 べ ， 本 研 究 の 意 義 お よ び 位 置 づ け を 明 ら か に し て い る ． 第3章 は，現状 の戸建て 住宅にお けるエネル ギー消費 量とその 特性に関 する調査を 行 っ てお り ，札 幌 に おけ る世 帯あたり の年間エネ ルギー消 費量が約94GJであるこ と ‑ 127一
を 示す とともに，灯油への依存度が極めて高く，環境負荷の面からも自律化が必須で あることを述べている．
第4章で は， 土壌熱 利用 にと って 基本となる地中温度について長期測定を行い，積 雪 の影 響を考慮した予測式を提案している，予測式による計算値は，実測値をよく再 現 して いる．また，国内各都市の地中温度予測に適用可能であることを示している．
第5章では，土壌熱利用システムの特性を明らかにし，設計上の指針を与えている．
蓄 熱型 と熟源型の利用形態が考えられ，蓄熱の利用可能性を表す指標として，年間サ イ クル 特性を標準熱回収率および採放熱比と温度条件によって評価する新たな方法を 提 示し ている．次いで，埋設管の伝熱量に及ぼす地下水流，凍結・融解，および複数 管 の相 互干渉による影響を定量的に明らかにしている．これらの手法により単管方式 は 地下 水の流動性に関わらず熱源型，複数管においては蓄熱型が有効であることを示 している．
第6章で は， 実規模 の土 壌熱 源ヒ ー卜ポンプの実験施設を建設し，その適用可能性 を 明 ら か に し てい る． まず ，低 コス トU字 管型 地中 熱交 換器 の伝 熱特 性に つい て，
従 来の 熱交換器に匹敵する性能が得られ，実験結果が予測値とほぼ一致することを示 し てい る．また，土壌熱源ヒートポンプは，安定した採・放熱温度が得られ，単位埋 設 管長 さあ たり の平 均採 熱量 は約3 6W/mに 達し， 長期 的な 暖冷 房利用の有効性を定 量的に示している．
第7章は ，土 壌熱利 用を 想定 した 低温水床暖房の被験者実験と戸建て住宅への応用 に つい て検 討し てい る． 高断 熱仕 様で は30℃以下 の低 温水 にお いても，良好な温熱 環 境が 形成され，省エネルギー効果が高いことを確認している．また，低温水床暖房 を導入した場合の熱負荷解析から，地中熱交換器の必要規模の算定方法を示している．
第8章で は， 土壌熱 利用 シス テム を導入したエネルギ一自律型住宅の建設と実験計 画 につ いて述べている．高断熱・高気密住宅における自然エネルギー利用技術の目標 値 と構 成を示し，各種設備機器の性能特性を求めている．特に新冷媒によるヒートポ ン プを 試作 し，0℃以 下の 採熱 温度 においても高性能が得られることを示している．
第9章で は， エネル ギー 自律 型住 宅の実験結果をまとめ，太陽光発電などを含めた 各 種要 素技術の特性と省工ネルギー効果を明らかにしている．土壌熱利用システムに 関 して は，高い成績係数が得られ，土壌から得られる年間の熱量はエネルギー総供給 量の36％に達している．また住宅の年間購入工ネルギー量は従来型住宅の12.5 010に低 減 し ， 二 酸 化 炭素 削減 率は77%に達す るこ とを 示し てい る． 次い で， エネ ルギ ーと 二 酸化 炭素に関する総合的な評価プ口グラムを開発し，計算値と実験値がよく一致す る こと を検証している．さらに，土壌熱源ヒートポンプの最適容量および償却年数を 求 め， エネルギー消費量，二酸化炭素排出量に関して，早い段階での回収が可能であ り，本方式の有効性を明らかにしている．
第 10章 で は ， 本 研 究 で 得 ら れ た 結 果 を 要 約 し て 述 べ て い る ． これ を要するに，著者は，土壌熱を利用した暖冷房方式の評価方法を確立し，その 熱 特性 と有効性を具体的に明らかにするとともに，戸建て住宅におけるエネルギ一自 律 化の 指針について知見を得たものであり，暖冷房工学，建築環境工学，工ネルギー 利用工学に貢献するところ大なるものがある．
よって著者は，北海道大学博士（工学）の学位を授与される資格あるものと認める．
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