2019 Fiscal Year Research-status Report
Evaluating acceptable conditions of soils around heat exchanger for geothermal heat pump system
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19K06327
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| Research Institution | National Agriculture and Food Research Organization |
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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, 上級研究員 (70370591)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 芳樹 日本工営株式会社中央研究所, 総合技術開発第2部, 課長 (60463577)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 地中熱ヒートポンプ / 不飽和帯 / 水蒸気移動 / 熱伝導率 / コンタクト資材 / 砂 / ローム / 乾燥密度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．熱交換器周囲の不飽和帯の熱移動メカニズムの解明
水平型地中熱ヒートポンプ（以下、HGHP）の熱交換器の採熱メカニズムを解明するため、既存の観測データを用い、３次元の数値シミュレーションを実施した。温室を暖房する冬季と、HGHPが稼働しない期間は、熱媒体である不凍液の温度の計算結果と実測値が概ね一致した。一方、温室を夜間冷房することで熱交換器周囲の地温が上昇する夏季には、不凍液の温度は計算結果の方が実測値よりも高かった。この理由として、不飽和土壌では高温時に水蒸気移動に伴う潜熱輸送量が無視できないことが考えられた。そこで、潜熱輸送量を考慮して土壌の見かけの熱伝導率を補正して再計算したところ、計算結果が観測値に近づいた。両者が一致しなかったことから、今後、さらに不飽和帯の熱移動メカニズムの詳細な検討が必要であると考えられた。
２．コンタクト資材の有無による熱交換器の採・放熱特性の違いの検討
HGHPの熱交換器を自動埋設する場合、熱交換器と土壌との密着性を向上するためのコンタクト資材である砂の充填が難しい。そこで、上記と同様に３次元数値シミュレーションを実施し、コンタクト資材の有無による熱交換器の採・放熱効率の違いを検討した。その結果、コンタクト資材の有無に関わらず、日本の代表的な畑地である黒ボク土圃場に熱交換器を埋設した場合には、熱交換器内の不凍液の温度にほとんど違いがみられないことが明らかになり、コンタクト資材を省略しても大きな問題は生じないことが示唆された。
３．コンタクト資材の有無による採熱効率の違いの野外観測試験の実施
コンタクト資材を使わないで水平型ヒートポンプの熱交換器を埋設した地中熱ヒートポンプシステムを新たに設置した。課題申請者が従来から使用している、コンタクト資材を使用した地中熱ヒートポンプシステムを併用し、同じ大きさの温室を暖房し、暖房時の観測データを取得した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初は想定していなかった、不飽和帯の熱移動において、水蒸気移動による潜熱輸送を考慮する必要があることが数値シミュレーションを実施する過程で明らかになった。これまで、地中熱ヒートポンプの熱交換器周辺の熱移動特性にこの要因を考慮した事例はないことから、冷房時の水平型地中熱ヒートポンプシステムの採・放熱効率を従来よりも正確に評価できるようになったことは大きな進歩だと考えている。また、コンタクト資材である砂を熱交換器周辺に充填しなくても、充填した場合と同様の採・放熱効率が得られる可能性を数値シミュレーション結果から明らかにしたことで、水平型熱交換器の自動埋設の実現に向けて重要な根拠が得られたことから、本課題の目的の達成に向けて、順調に研究が進行していると判断している。一方、フィールド試験については、諸事情によりコンタクト資材を使わない熱交換器の埋設工事が今年の１月までずれ込み、若干の遅れを生じている。しかし、2月から暖房を開始し、観測データを取得できたことから、来年度の解析への支障はほとんどないと考えている。以上のことを総合的に判断し、本課題はおおむね順調に進行していると考えた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今回明らかにした不飽和帯における水蒸気移動を考慮したヒートポンプによる冷房時の土壌中の熱の移動メカニズムについて、詳細な解析を実施し、水蒸気移動に関する補正パラメータの決定方法の開発等を行うことで、数値シミュレーションに実装するための手法を確立する。また、雨水の浸透等による移流による熱輸送等、不飽和土壌中の熱移動に関与する可能性がある他の要因についても検討し、不飽和土壌中に熱交換器を埋設したときの集・放熱メカニズムを解析するためのシミュレーション手法を確立する。また、コンタクト資材の有無による温室の冷暖房効率に関するフィールドにおける比較試験を実施し、観測データを解析することで、今回数値シミュレーションで明らかにした、コンタクト資材がなくても熱交換器による集・放熱効果に違いがないことを実証する。さらに、熱交換器を自動埋設した際に生じると予想される土壌の密度変化に伴う熱交換効率の変化について検討し、土壌の密度の減少に伴う熱交換器周囲の熱伝導率や熱容量の低下が地中熱ヒートポンプの運用にとって致命的な影響を受けないかを検討する。
これらの研究を推進することにより、最終的には地中熱ヒートポンプの自動埋設が実現可能であることを科学的に明らかにする。
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| Causes of Carryover |
今回得られた不飽和土壌中における水蒸気移動に伴う地中熱ヒートポンプによる冷房時の熱移動特性について、2020年11月に開催される予定の国際学会 American Society of Soil Science Annual Meeting で研究発表を予定している。そのための旅費として、不足分を議なうために予算を繰り越した。
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