Evaluating acceptable conditions of soils around heat exchanger for geothermal heat pump system

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K06327
• 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, 上級研究員 (70370591)
• 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)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 地中熱ヒートポンプ / 不飽和帯 / 多孔質体 / 数値シミュレーション / 地温 / コンタクト資材 / 黒ボク土

Outline of Annual Research Achievements

１．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
コンタクト資材である砂を熱交換器の周囲に施工した試験区と、コンタクト資材を使わず、原位置の黒ボク土をそのまま埋め戻した試験区で採・放熱効率を比較した。2021年の夏は冷媒の不凍液の温度の欠測により両者の比較はできなかったが、深さ1.5 m に設置した温度計の比較から、コンタクト資材の使用の有無により冷房時の放熱効率に明確な差は認められないと考えられた。2021年の冬は例年よりも気温が低く、不凍液の温度は夜間にマイナスになった。コンタクト資材を用いない場合は、熱交換器の周囲に霜柱ができて土壌と熱交換器の密着性が悪くなり熱交換効率が低下することが予想されたが、不凍液の温度がマイナスになっても試験区間で不凍液の温度に違いが認められないことから、不凍液の温度が一日中マイナスになるような極端な条件で使用しない限りは、コンタクト資材は必ずしも必要ないと考えられた。これらのことから、コンタクト資材を省略することで熱交換器の設置費用が削減できると共に、コンタクト資材を用いずに熱交換器を自動埋設しても、大きな問題にはならないと結論された。
２．数値シミュレーションによる熱交換効率の評価
数値シミュレーションを実施したところ、厳寒期に1～2℃程度、数値シミュレーションの結果が実測値よりも低く計算されることが明らかになった。この原因として、温室内の気温が上昇する日中に、地上部において相当量の熱量を地中に供給していることが主な原因であることが、温室内における流路のバルクの熱収支の計算から推察された。また、熱交換器周囲の熱伝導率の感度解析を実施した結果、熱伝導率が半分以下になるような、埋設時に密着がかなり悪くなるような条件を除けば、十分な採熱効率が確保できることから、自動埋設をしても実用上採熱効率が問題になることはないと考えられた。