46-1
鄧 怡暉
1. め
本研究 対象建物 空気熱源 ポン (ASHP) 地 中熱 利用 水熱源 ポン (WSHP) 併用 空調
入さ い 寒冷地 設置さ 地中熱
ポン 熱源水(土壌 環水) 凍結防 観点 不凍液 使用さ こ 一般的 あ 対象建物
漏水時 環境汚染 懸念 真水 使用 こ
い 対象 運用 凍結防
図 こ 求
こ 本研究 ASHP WSHP 適 使い け
WSHP 熱源水 凍結防 省 ネ 両立 行え
制御方法 開発 効果 検証 検証 過程
ン型地中熱交換器(GHEX) 計算精度向
必要性 感 論文 後半 ニュ ネッ
ワ 用い 実測 タ 学習 GHEX 開
発 取 組 ここ 開発 GHEX 出口
水温 予測精度 い 示
2. 対象シス 概要
本研究 対象建物 富山県黒部 あ 工場 厚生施設
あ 対象 入 2階 事務室 床面積
約160m2 あ 対象 図 図1 機器 様 表
1 示 WSHP 熱源機 送風機 一体 冷
風 温風 吹 出 空気 水 ポン 方式
あ 地中熱交換器概要 図2 示 カ ッ 状 熱
交換 2枚 丸 高さ1.2m 透水性 ン ッ 中 入 隙間 砂 充填 い 埋設深度 2.5m 浅い 対象地域 地 2m付近 地 水 流 地
水 熱移流効果 期待
3. シ ュ ションモ 構築 精度検証
ュ ョン Fortran 構築 1 間隔 計算 ッ 計算 い 各機器 単体
作成 制御 ッ 組 合わ こ 全体
ュ ョン 構築 図3 全体
示 NewHASP1) 利用 非定常計算 行 求 1時間間隔 熱負荷 1 間隔 補間 タ 入力 ポン 流 WSHP 出入口水温差 く 合流水温(WSHP出口側 熱源水 合流
こ 水温) 設定値 基 制御さ い 方弁
ポン 流 WSHP 最大流 64.8L/min 越え
場合 越え 流 水熱源 ポン
限出力制御 WSHP あ 部 負荷率 能力 限 出力 抑え 方法 あ WSHP ASHP 機器 性能曲線 基 構築 あ GHEX
WSHP -2
GHEX -1 GHEX -2 GHEX -3 GHEX -4 -2.5m
GL
P-1 INV
P-2 INV
WSHP-1
ASHP-I1
ASHP-I2
ASHP-I3
ASHP-O WSHP-3
機器名 記号 台数 仕様
流量:74.0L/min,消費電力:0.64kW INV制御
冷房 能力:5.0kW,消費電力:0.68kW 暖房 能力:5.0kW,消費電力:1.20kW 入口水温:7~45℃(冷房),5~45℃(暖房)
流量:18L/min 水熱源
ポンプ
WSHP-1 WSHP-2 WSHP-3
3 熱源水ポンプ
P-1
P-2 2
空気熱源 ポンプ 室外機
ASHP-O 1
流量:26.4L/min カ ペッ :2枚
冷房 能力:5.6kW,消費電力:0.02kW 暖房 能力:6.3kW,消費電力:0.02kW
冷房 能力:16.0kW,消費電力:3.90kW 暖房 能力:18.0kW,消費電力:4.40kW 空気熱源
ポンプ 室内機
ASHP-I1 ASHP-I2 ASHP-I3
3
地中熱交換器 4
GHEX-1,GHEX-2 GHEX-3,GHEX-4
初期値設定
入力 タの読込み
熱負荷室内外温湿度
ポンプ 方 弁の変流量制御 水熱源ヒ ポンプ 限出力制御
START
水熱源ヒ ポンプの計算
地中熱交換器の計算
空気熱源ヒ ポンプの計算
集計出力 END
時刻ル プ
ポンプの計算
空気熱
地中熱複合空調シス
省エネ
制御
ニュ
ラ
ネッ
ワ
を用いた地中熱交換器モ
開発
関
る研究
表1 機器仕様 図1 対象シス 図
図2 地中熱交換器概要
a カ ペッ 状 熱交換 イプ b フ コン型地中熱交換器
46-2
熱応答試験2) 得 温度応答 近似式 用い
地温 季節変動 考慮 合わ 法3) 利用 熱源水
温度計算 行う 配管 熱損失 考慮 い い
2016年8 2016年12 実測 タ 用い
ュ ョン 精度検証 行 地中熱 ポン
各機器 単体 精度検証 WSHP
GHEX 単体 実測値 入力 出力値
実測値 比較 全体 精度検証 各単体
計算 出力値 次 単体 入力値 全体
繋い 計算 WSHP 精度検証結果 表2 GHEX 精度検証結果 表3 示 WSHP
熱負荷 室内温 度 WSHP入口水温 流 入力 WSHP 消費電力 算出 GHEX GHEX熱負荷 ポ ン 流 入力 GHEX出口水温 出力 冷房 け
WSHP電力消費 計算値 実測値 良く捉え い
暖房 い 実測値 高く い WSHP稼働時
GHEX出口水温 い 冷房 1℃未 計算値 実測
値 差 見 暖房 誤差 含 計算期間全体 両
者 差 1.29℃ 以 本計算 冬期
夏期 誤差 含 運転挙動 検討
うえ 十 精度 あ
4. シ ュ ションを用いた最適運用 検討
表4 地中熱 ポン 制御方法 示 空
調時間外 い 冬期 外気温 低 熱源水 凍
結 懸念さ ポン 稼働 GHEX 熱交換 熱源水温度 回 さ 暖房 立 通常
運転 暖房通常運転 合流水温 設定値 低く
凍結防 運転 ッ 1 移行 ッ 1 水温
低 抑制 合流水温 設定値 う ポン
流 制御 合流水温 低 く ッ 2
入 ポン 流 最大 増加 GHEX 熱交換 強化
WSHP 出力 最大能力 50% 抑え
水温 低い場合 ッ 3 入 WSHP 停 さ
ッ 2 ッ 3 60 35 間
ッ 1 戻 合流水温 設定値 高い状態
10 間 暖房通常運転 戻 表5 検討
示 Case1 Case1-1(不凍液 凍結防 制御 )
Case1-1~1-3(真水 凍結防 制御あ ) 比較 凍結
防 効果 検討 冷暖房 け WSHP 出入口水温 差 設定値(Case2) ASHP WSHP 負荷 担(Case3) 変 更 こ 省 ネ 効果 検討 ASHP WSHP 基本的 同時運転 負荷 担割合 決 計算
い 実機 両機 設定温度 差 付け こ
負荷 担割合 あ 程度調整 Case3-5 冷房負荷
WSHP 賄う Case3-2~3-4(冷暖房) 3-5(暖房)
一方 機器 負荷 最大能力 超え 場合 う一方
機器 処理 計算 行 Case3-1 ASHP 数 2倍 仮定 全部 負荷 ASHP 賄
4.1 凍結防止制御 検討
表6 WSHP出口 け 年間最低水温 示 Case1-2 凍結防 運転 ッ 1 対 Case1-3
～1-4 ッ 2 WSHP 限出力制御
行わ WSHP 出力低 未処理負荷 ASHP 賄
い い ッ 3 WSHP停
発生 Case1-1 最低水温 2.7℃ あ 対
Case1-2～1-4 合流水温 設定値 高く
最低水温 昇 傾向 あ 実測 WSHP出口水温 計算値 低い場合 見 凍結防 制御 あ
最低水温 WSHP運転 能状態 あ 限温度 2℃以
維持 こ 考え 図4 暖房期 け
電力消費 示 Case1-2～1-4 Case1-1 比 空
調時間外 け 凍結防 運転 ポン 動力や
WSHP出力抑制 伴うASHP 稼働 ASHP 電力消
費 増加 い Case1-2～1-4 中 合流水温 設定
値 高い 全体 電力消費 増加 い
単体モ 全体モ 単体モ 全体モ
計算値 341.5 348.4 377.2 374.1 実測値
誤差 -1.9% 0.0% 7.1% 7.9%
WSHP冷房電力消費量(kWh) WSHP暖房電力消費量(kWh)
348.3 349.4
単体 モ
全体 モ
単体 モ
全体 モ
単体 モ
全体 モ GHEX出口水温
均誤差[℃] 0.86 0.81 1.71 1.59 1.29 1.29
冷房期 暖房期 全期間
ス ップ 制御方法
ポ ン プ 流 量 (L/min)
外気温度が5℃以 る ポンプが 限流量 運転 10
WSHP出入口水温差が設定値 るよう流量を制御 37～74
通常 0 WSHP出入口水温差が設定値 るよう流量を制御 37～74
1 合流水温が設定値 るよう流量を制御 37～74
3 WSHPが35分間運転停止 10
74
最大流量
WSHP 限出力制御 50%
60分間運転 モ
空調時間外 冷房運転
暖房 運転
凍結 防止
2
冷 房 負 荷
暖 房 負 荷
冷 房 負 荷
暖 房 負 荷
Case1-1
-Case1-2 4
Case1-3 5
Case1-4 6
Case2-1 3 3
Case2-2 3 4
Case2-3 3 5
Case2-4 4 3
Case2-5 4 4
Case2-6 4 5
Case2-7 5 3
Case2-8 5 4
Case2-9 5 5
Case3-1 - -
-Case3-2 Case3-3 Case3-4
Case3-5 100% 70% 0 30% 凍 結 防 止
負 荷 分 担 設 定 温 度 差
WSHP出 入
口 水 温 差 (冷 房)[℃]
5
5
5 WSHP ASHP
50% 50%
4 50% 50%
70% 30% 4
0 100% 30% 70% 50% 50%
5
負 荷 分 担 設 定 温 度 差 凍 結 防 止 合 流 水 温
[℃] 項 目 ケ ス
WSHP出 入
口 水 温 差 (暖 房)[℃]
表2 WSHPモ 精度検証結果
表3 GHEXモ 精度検証結果
表4 地中熱 ポンプシス 制御方法
46-3 Case1-2 電力消費 増加 最 さく Case1-1 比
1.5%増 あ こ 合流水温 最適 設定値 4℃ あ
こ 真水 熱源水 使用 凍結防
制御 入 こ 凍結防 こ ネ
消費 不凍液 場合 比 僅 昇 抑え
こ 明
4.2 省エネ 制御 検討
WSHP 設定温度差 違い 省 ネ 効果
析 WSHP 出入口温度差 変更 Case2-1～2-9 い 析 ポン WSHP 稼働時 限流 あ WSHP出入口水温差 6℃以 流 限値
わ Case2-1～2-9 3℃～5℃ 設定
WSHP 出入口水温差 設定温度 変更 場合 年間電力
消費 (Case2-1～2-9) 図 5 示 各 変化率
Case2-1 電力消費 比較 算出 WSHP
ASHP 負荷 担割合 50% あ 負荷 一
方 機器 最大能力 超え う一方 機器 賄う
各 ASHP 冷房電力消費 同 あ 暖 房電力消費 異 い 冷房 け WSHP 出入口 水温差 設定値 変更 見 WSHP出入口水 温差 大 く 電力消費 減少 傾向 見
ポン 流 減少 WSHP 効率低 影響 ポン 動力 削減 方 大 い あ 暖房 け
WSHP 出入口水温差 設定値 変更 見
WSHP出入口水温差 大 く 電力消費 減少
傾向 あ ポン 動力 減少 ASHP 電力消費 増加 WSHP 電力消費 変化 さい こ
い Case2-9 最 省 ネ 2.6%減 あ
次 WSHP ASHP 負荷 担 変更 際 省 ネ 効果 析 Case3-1～3-5 年間電力消費 図6 示 ASHP 運転(Case3-1) 対 ASHP WSHP 負荷 担 5割 場合 電力消費 約10% 削減
冷房負荷 100% 暖房負荷 70% WSHP 処理 場合 17.3% 削減効果 見 地中熱 負荷 割 合 増や 省 ネ 性 高く こ
5. ニュ ラ ネッ ワ を用いたGHEXモ 構築
3節 GHEX 構築 地 水 流 地中
熱交換器間 熱干渉 要素 考慮 い い 精度
やや低 ニュ ネッ ワ (ANN) 要素間 非線形 相関 抽出 こ 近年 地中熱交換
器
4) 5)
含 空調 応用 注目 浴び い 本節
ANN 用い GHEX 開発 い 述
ANN 様々 構造 あ 多層 ワ
(FF)型 最 多く予測 使わ い 典型的 ANN
入力層-中間層-出力層 3層 構成 あ 3 層 FF型ANN 図7 示 MATLAB R2017a 付属
Neural Network Toolbox 利用 GHEX ANN
構 築 ッ ョ ン
Levenberg-Marquardt(LM) 採用 入力 タ 1)前時刻
GHEX熱負荷[kW] 2)現時刻 GHEX熱負荷[kW] 3)前
時刻 GHEX 出口水温[℃] 出力 タ 現時刻
GHEX出口水温[℃] 入力層-中間層-出力層 ニュ
ン数 3-12-1 設定 学習期間 教師 タ 2016 年8 2016年12 WSHP 稼働 日 実測 タ あ 計測 1 間隔 行わ 毎日WSHP
入力層
中間層
出力層
0.0%
-1.4%
-1.7%
-0.6%
-1.9%
-2.3%
-0.8%
-2.2%
-2.6%
-4.0% -2.0% 0.0%
変化率[%] 変化率
753
647
624
710
604
580
686
580
556 351
351
351
358
358
358
364
364
364 1712
1715
1714
1712
1715
1714
1712
1715
1714 670
670
670
670
670
670
670
670
670 2903
2919
2920
2903
2919
2920
2903
2919
2920 6,389
6,302
6,279
6,352
6,266
6,242
6,335
6,248
6,225
0 2,000 4,000 6,000 8,000
Case2-1
Case2-2
Case2-3
Case2-4
Case2-5
Case2-6
Case2-7
Case2-8
Case2-9
電力消費量[kWh/年]
ポンプ WSHP(冷) WSHP(暖) ASHP(冷) ASHP(暖)
0 2,000 4,000 6,000 8,000
合計 AS
HP
W
S
HP
合計 AS
HP
W
S
HP
合計 AS
HP
W
S
HP
合計 AS
HP
W
S
HP
合計 AS
HP
W
S
HP
Case3-1 Case3-2 Case3-3 Case3-4 Case3-5
電力消費量
[k
W
h
]
合計 熱源冷 熱源暖
ポンプ冷 ポンプ暖 ポンプ空調時間外
10.4% 10.3% 13.9% 17.3%
0.0%
1.5%
1.6%
1.6%
0.0% 2.0% 4.0%
変化率[%] 変化率
1715
1714
1698
1657 2920
2920
2930
2952 278
279
290
308 0
75
75
75 4,913
4,989
4,993
4,992
0 2,000 4,000 6,000 8,000
Case1-1
Case1-2
Case1-3
Case1-4
電力消費量[kWh/年]
WSHP(暖) ASHP(暖) ポンプ(暖) ポンプ(空調時間外)
ス ップ ス ップ ス ップ ス ップ
Case1-1 2.7 - -
-Case1-2 2.7 3.4 -
-Case1-3 2.8 4.0 4.9
-Case1-4 3.0 3.8 5.2
-WSHP出口水温℃
ケ ス
図5 間電力消費量(Case2-1～2-9)
図6 間電力消費量(Case3-1～3-5) 図4 暖房期 おける電力消費量 表6 WSHP出口 おける 間最低水温
46-4
稼働開始 数 水温 変化 激 く ANN こ 間 変化 確 捉え い WSHP 稼働 日 い WSHP運転開始10 後 運転停
タ 抽出 学習結果 図8 示 学習
計算値 実測値 一致 誤差 区間[-0.2,0.2) 全 タ 98% 存在 こ 十 精度 言え
学習時 前時刻 実測値 入力値 出力値 あ
次時刻 GHEX出口水温 計算 1 ッ 前 既
知 タ 次 ッ 値 予測 こ 誤差
さい 1日間や1年間 長期 亘 計算 ANN 用い 場合 前 ッ 出力値 予測値 次 ッ
入力値 GHEX 出口水温 計算 前 ッ 出力値 誤差 影響さ 次 ッ 出力値 誤差
大 く 恐 あ 誤差 蓄積 析
ANN検討 表7 示 2017年1 2017年9
実測 タ 予測 使用 計算結果 計算
値 実測値 比較 図9 誤差 図10 示 Case0
97% 誤差 0.2℃以内 収 い Case1 け
誤差 1℃以内 タ数 関 Case1_60min 83%
Case1_180min 47% Case1_1day 24% い
実測値 入力 時間間隔 長く 大
く こ 長期 予測 本ANN 適
い 言え い
6. ま め
本研究 空気熱 地中熱複合空調 ュ
ョン 構築 凍結防 制御 省 ネ 制御
検討 提案 凍結防 制御 真水 熱源水 使
用 省 ネ 凍結防 こ 明
さ WSHP出入口水温差 設定値 ASHP WSHP
負荷 担割合 変更 場合 省 ネ 効果 検
討 結果 WSHP出入口水温差 WSHP 負荷割合 大
い ネ 削減率 向 こ
ANN 用い GHEX 構築 長期 予
測 誤差 蓄積さ いく 精度 低 今後
精度高いGHEX 開発 取 組 いく必要 あ
参考文献
1) (一社)建築設備技術者協会：動的熱負荷計算 空調 計算
HASP http://www.jabmee.or.jp/hasp/ 2018年1 参照
2) NPO法人地中熱利用促進協会：一定加熱温水 環方式熱応答試験(TRT)技術書
2017年2
3) 甲藤好郎：熱伝 論 共立出版 1956年
4) 池田伸太郎 ：地域共 蓄熱層 地域熱融通 運用最適化手法 開
発 2 タ ュ びANN ッ 手法 運用最
適化 日本建築学会大会学術講演梗概集 中国 pp1175-1176 2017年8
5) Wenjie Gang, Jinbo Wang：Predictive ANN models of ground heat exchanger for the control of
hybrid ground source heat pump systems Applied Energy pp1146-1153 2013
ケ ス 内容
Case0 全部の実測値を入力値とす
Case1_60min 6 分毎に実測値を入力値とす
そ 以外の時刻に前時刻の出力値を入力値とす
Case1_180min 8 分毎に実測値を入力値とす
そ 以外の時刻に前時刻の出力値を入力値とす
Case1_1day 毎日の最初の時刻に実測値を入力値とす
そ 以外の時刻に前時刻の出力値を入力値とす
0 10 20 30 40 50
-0.7 -0.4 -0.1 0.2 0.5
頻度
[-]
誤差範囲
x103
[0,0.1) [-0.2,-0.1)
0 10 20 30 40 50
-5 -3 -1 1 3 5
頻度
[-]
誤差範囲
x103
0 10 20 30 40 50
-5 -3 -1 1 3 5
頻度
[-]
誤差範囲
x103
0 10 20 30 40 50
-5 -3 -1 1 3 5
頻度
[-]
誤差範囲
x103
[0,1) [-2,-1)
[-2,-1)
[0,1)
[-2,-1) [0,1)
0 3 6 9 12 15
-0.8 -0.4 0 0.4 0.8
頻度
[-]
誤差範囲
[0,0.2) [-0.2,0)
表7 ANN検討ケ ス 図8 学習結果
a Case0 b Case1_60min c Case1_180min d Case1_1day
図9 計算値 実測値 比較
a Case0 b Case1_60min c Case1_180min d Case1_1day
図10 誤差 分布
