2016 Fiscal Year Research-status Report
土壌の熱的物理特性を考慮した地中熱ヒートポンプの採・放熱効率の向上
| Project/Area Number |
15K07672
|
|---|
| Research Institution | National Agriculture and Food Research Organization |
|---|
Principal Investigator |
岩田 幸良 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農村工学研究部門 農地基盤工学研究領域, 上級研究員 (70370591)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
|
| Keywords | 地中熱ヒートポンプ / 熱交換器 / 熱伝導率 / 省エネルギー / 熱容量 / 熱利用効率 / 不飽和土壌 / 地温 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
圃場試験に関しては、前年度設置した従来型のスリンキータイプの熱交換器ならびにの地中熱ヒートポンプの熱交換器を埋設した圃場のそれぞれに対し、地温ならびに土壌水分量の鉛直プロファイルの測定を開始した。熱交換器の直上と熱交換器と熱交換器の間、ならびに熱交換器の影響を受けない、熱交換器から離れた地点の計7か所について、熱交換器を埋設した深さである1.5 m まで掘削し、温度計と土壌水分センサーを設置した。機材設置後に暖房運転をして地温や熱交換媒体である不凍液の温度を測定したところ、従来型のスリンキータイプに比べ、本試験で提案した直管タイプの熱交換器の方が、熱交換器周囲の地温ならびに不凍液の温度が日平均で２℃以上低くなる観測結果を得た。このことから、直管タイプの熱交換器の方が従来のスリンキータイプよりも、浅層地中熱ヒートポンプの熱交換器としてより適切であることが示唆された。
土壌中の熱の移動に関する数値シミュレーションに関しては、本年度においては、降雨による土壌水分移動により生じうる移流による熱移動が、どの程度熱交換器埋設深度付近の熱環境に影響を与えるかを検討した。土壌中の物質移動の数値シミュレーションアプリケーションであるＨＹＤＲＵＳ－１Ｄを用い、土壌水分移動の鉛直一次元の数値解析を実施した結果、試験圃場に相当する土壌物理性を有する圃場の場合、１日あたり５０ｍｍ程度の降雨までは、熱交換器が存在する深さへの土壌水分移動が生じないと計算された。このことから、豪雨時を除き、移流による熱の移動が地中熱ヒートポンプの利用効率に与える影響は少なく、熱伝導のみで熱の移動を考えて良いことが明らかになった。特に降水量が少ない冬季の暖房時については、降雨による熱の移流の影響はほとんど考えなくても良いことが示唆された。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
土壌水分計と地温計を埋設するために試験圃場を掘削した際、前年度埋設した直管タイプの地中熱交換器が予定の深さよりも0.3 m 程度浅い箇所があり、掘削に用いたバックホーで熱交換器を破損してしまった。これの修理に時間がかかり、予定よりもヒートポンプの運転開始が遅れてしまい、実質的には３月からの暖房のデータしか本年度はデータを取得できなかった。次年度は、夏の冷房と冬の長期的な暖房のデータをとり、今年度の観測で明らかになった本研究で提案する熱交換器の優位性をについて、実際にどれくらい効果が高いかを観測データから定量的に評価していく予定である。
機器の故障から十分なデータが取得できなかったため、本年度は熱移動に関する数値シミュレーションが実施できなかった。本年度の数値シミュレーションにより、移流による熱移動を考慮しなければならない大まかな閾値を特定することができたため、この結果を用いて次年度は効率的にシミュレーションを実施していく予定である。
|
| Strategy for Future Research Activity |
熱交換器の修理も終わり、観測データを取得する体制が完全に整ったため、夏の冷房ならびに冬の暖房についてデータを取得する。従来型のスリンキータイプと本研究で提案する直管型のヒートポンプについて、熱交換器を埋設した圃場の地温プロファイルを比較することで、本研究で提案した熱交換器の優位性を観測データから定量的に明らかにする予定である。
数値シミュレーションについては、本年度得られたデータ、ならびに次年度に得られるデータを用い、二次元の数値シミュレーションを実施する予定である。これまで実施した試験結果から、本研究で提案した熱交換器は従来法に比べ効率よくに地中熱を利用できることが示唆されたが、実際に施工をした結果、使用する硬質塩ビパイプが硬く、取り扱いが難しいことから、深さ１．５ｍに直管を均一に埋設することが困難であることが明らかになった。弾丸暗渠やトレンチャーのようなもので施工できればこの問題は解決できると思われるが、これらの機械では最大でも深さ１ｍ程度までしか熱交換器を埋設できないことが、文献等の調査により明らかになった。そこで、数値シミュレーションモデルによりどの程度浅くまで熱交換器を埋設しても十分な性能が得られるかを明らかにし、より簡便で確実な、本研究で提案する熱交換器の施工方法の実現可能性について検討する。
|
| Causes of Carryover |
地中熱ヒートポンプの熱交換器の故障により、本年度は熱移動の２次元シミュレーションが実施できなかった。そのため、数値シミュレーションを外部委託するための経費を次年度に繰り越すことにした。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
圃場データ取得後の数値シミュレーションのための外部委託費として使用する。
|
