2019 Fiscal Year Research-status Report
Database construction and generalization for potential utility of shallow geothermal energy through numerical modeling of underground environments in urbanized areas
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19K15485
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
阪田 義隆 北海道大学, 工学研究院, 助教 (10754236)
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2019-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 地中熱 / 地下水 / 気候変動 / 地球温暖化 / シミュレーション / 地下熱収支 / 透水係数 / 井戸揚水 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
２０１９年度（初年度）では，気候変動下の都市における地中熱利用システムの長期予測評価法確立を目的とし，温暖地の代表として東京，寒冷地の代表として札幌を選定し，観測井戸での地下水温分布を現地測定し，浅層で高く深くなるほど低下する都市特有の地下温度プロファイルを確認した。このプロファイルを，過去３０年間の気象条件を地表面境界条件として与えた熱・水分移動数値シミュレーションにより再現することを確認した上で，気象庁地球温暖化予測情報のデータ（２０７６～２０９５年）を用い，地中熱システム稼働シミュレーションを行った。将来の気温上昇で冷房熱負荷が増大し暖房熱負荷が低下することで，従来の空気熱源システムは性能が低下する一方，地中熱システムでは鉛直型地中熱交換器を採用した場合，深部地温は安定するため高効率を維持し，有利なシステムになることを示した。一方，浅い水平型熱交換器を採用した場合，増大する日射の影響で，地表面並びに浅部地温が上昇し，システム効率は低下する可能性を示した。今回用いた手法を一般化させることで，全国各都市での将来地中熱ポテンシャル評価を可能とする。これら成果は，空気調和・衛生工学会北海道支部学術講演会にて発表された。
併せて都市の地下水流動環境，揚水環境を考慮した地中熱ポテンシャル評価のための数値モデルを，札幌扇状地流域で構築した。応募者が開発した確率加重平均法による透水係数のマクロ不均質場，高速計算のためのユニフォームドグリッド化，既存モデルからの揚水条件の再入力，河川水理境界の修正を施した。今後，水位再現計算でチューニングした上で，観測地下温度分布並びに熱収支の現況を評価し，更に気候変動下の気象予測条件から地表面熱・涵養条件の基づく予測計算を行い，将来の地下温度環境の予測を行う。この成果と上記評価法を組み合わせ，気候変動下の地中熱ポテンシャル評価へと発展させる。
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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
気候変動下における都市の地中熱システムの性能予測手法を確立するため，温暖地の代表として東京，寒冷地の代表として札幌をそれぞれ選定し，都市特有の地下水温度プロファイルを再現する熱・水分シミュレーションによるモデルから，将来の地下温度環境を，気象庁地球温暖化予測情報のデータを地表面境界条件として，予測する手法を構築した。この地中温度プロファイルに対し，地中熱シミュレーションを実施し従来の空気熱源システムに比べ，地中熱システムは，鉛直型地中熱交換器を使う場合に有利となるが，水平型地中熱交換器では不利になる可能性を示した。
併せて都市の地下水流動環境，揚水環境を再現する三次元数値モデルを，札幌扇状地流域にて構築した。本モデルでは，応募者が開発した確率加重平均法による透水係数のマクロ不均質場，高速計算のためのユニフォームドグリッド化，既存モデルからの揚水条件の再入力，河川水理境界の修正を施した。これらは計画段階における研究スケジュールに概ね則しており，順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
気候変動下における地中熱システムの評価手法として，熱・水移動シミュレーションによる現状の地中温度再現したモデルから将来気象予測からの地中温度将来予測し，それを条件として地中熱システム性能予測を行う一連の手法を開発した。２０２０年度（２年度目）では，この手法を自動化できるよう全体アルゴリズムを構築し，わが国の各主要都市にて地中熱ポテンシャルを評価することを目指す。
併せて，札幌扇状地で構築した三次元数値モデルについては，水位再現計算のチューニングにより，透水係数と地下揚水量の空間分布を最適化したうえで，地表面に浸透・温度境界を設定した場合の，現況の人口地下揚水環境での地下温度環境の再現並びに，将来の気象予測情報を用いた都市部の人口揚水条件を含む地下水環境を考慮した地中熱ポテンシャル評価を行う。これら一連の成果をまとめ，国内外の学術誌にて発表する。
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| Causes of Carryover |
地中熱ポテンシャル評価を用いるための統計データ（内閣府統計センター）について，最新となるデータが，２０１９年３月後半に公開されるとの情報を得たため，２０１９年度内に古いデータを購入することなく，データ作成手数料見込みを次年度費用に繰越計上した。
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Research Products
(2 results)
