2021 Fiscal Year Final Research Report

Database construction and generalization for potential utility of shallow geothermal energy through numerical modeling of underground environments in urbanized areas

Research Project

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Project/Area Number	19K15485
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 31020:Earth resource engineering, Energy sciences-related
Research Institution	Kanazawa University (2021) Hokkaido University (2019-2020)
Principal Investigator	Sakata Yoshitaka 金沢大学, 地球社会基盤学系, 准教授 (10754236)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	地中熱 / 地下水 / 地中温度 / 井戸揚水 / 気候変動 / ヒートポンプ / 回帰モデリング / 数値シミュレーション
Outline of Final Research Achievements	This study calculated spatial-temporal distributions of ground temperatures in an alluvial fan, Sapporo, Japan, during a one-century duration, 1921-2020, indicating that the low-temperature plume of groundwater moves from a losing section of a river in the alluvial fan downward to the center of the city due to extensive extractions of groundwater. The numerical study realized that the ground temperatures were affected by natural and artificial impacts in the long term. This study also estimated the required lengths of a borehole heat exchanger in residence on a regular 500-m grid across the land of Japan, considering groundwater flow effects. Finally, this study developed the regression models based on Gaussian processes as an efficient method to estimate the required length of the borehole heat exchangers at any location. This approach without computational costs is applicable in practice for the design and planning of ground-source heat pump systems.
Free Research Field	地盤環境エネルギー工学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	わが国には豊富な地下水資源があり，特に地形勾配の大きい地域も多い。また都市部では井戸揚水が積極的に行われ，それに伴う地下水流れも活発である。こうした自然的・人為的地下水流れの双方が複合するとともに気候変動の長期的な影響を合わさり，都市部の地下温度分布が形成されることを示すことができた点に学術的価値がある。また豊富な地下水流れに着目することで地中熱システムのコストの主要因である地中熱交換器長さをデータベース化するとともに，回帰モデルによる簡易評価手法を開発した。これにより従来よりリーズナブルな地中熱設計が可能となり今後，再生可能エネルギーである地中熱利用の更なる普及に繋がることが期待される。