衝突噴流を利用した地中熱交換器のバイパスファクタ低減化に関する研究

2014 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25420609
• 研究機関: 山口大学
• 研究代表者: 小金井 真 山口大学, 理工学研究科, 教授 (60555738)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 衝突噴流 / 地中熱交換器 / 地中熱換気システム / バイパスファクタ / 自然エネルギー

研究実績の概要

25年度に実施した小型試験装置を用いた実験により、従来の地中熱採熱パイプを用いた場合に比して高い熱伝達係数が得られるものの、本研究で採用する多孔板吹出しの場合、ノズルから吹き出した理想的な2次元平板垂直衝突噴流の平均熱伝達係数には及ばないことが分かった。多孔板吹出しの気流が拡散しやすいこと及び衝突後の空気の逃げ道が少なく、冷却された衝突後の気流が別の吹き出し気流と混合してしまうことが主な原因であると考えた。
26年度は計画書に記載の通り、空気の逃げ道の確保のために多孔内管にめくら部を設けた地中熱採熱パイプの実機を用いた実験を行い、衝突後の気流の逃げ道確保の効果を調べた。内管と外管の間の流路の4箇所（円周方向45°×4箇所）に気流の逃げ道を確保した冬季実験の結果、温度上昇度が25％上昇することが分かった。また、実機で想定される吹き出し部長さ2mおよび3mの場合について夏季に温度降下度を調べた結果、吹き出し部長さ2mの場合の温度降下度の方が大きくなることが分かった。これは吹き出し部が短い方が衝突後の冷却された空気と他の小孔から吹き出された高温空気が混じりにくいためと考えられる。しかし吹出し部が短くなり過ぎると、衝突噴流域における熱交換面積の減少により熱交換性能が低下すると考えられるため、吹出し部長さには最適値が存在すると考えられる。
26年度は25年度に実施した小型試験装置による実験で得られた多孔板吹出しの衝突噴流の熱伝達係数の値を用いて、衝突噴流パイプの性能予測を行うことが可能なシミュレーションプログラムを構築した。今後はこのプログラムを用いて衝突噴流を利用した地中熱交換パイプの種々の条件における熱交換性能やバイパスファクタの予測を行い、衝突噴流パイプの最適化をはかる予定である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の予定通り、26年度の主目的であった地中熱採熱パイプの実機を用いた実験による衝突後の空気の逃げ道確保の効果および吹き出し部長さの影響をほぼ明らかにすることが出来た。また、衝突噴流パイプの性能予測を行うためのシミュレーションプログラムを構築した。計画書記載の26年度実施内容は、実機試験については概ね達成できたものと考えている。シミュレーションについては、その構築といくつかの条件における試算結果を求める段階で終了した。種々の条件下における予測および最適化は27年度に実施する予定である。

今後の研究の推進方策

シミュレーションの計算精度をさらに高めた後に、小型試験装置を用いた試験や埋設試験では実施できなかった種々の条件における衝突噴流パイプの熱交換性能やバイパスファクタの予測を行い、衝突噴流を利用した地中熱交換パイプの最適化をはかる予定である。地中熱交換パイプの最適化をはかったうえで、その能力を定量的に明らかにし、特許申請を行う予定である。

次年度使用額が生じた理由

特許申請を計画したため、学会発表を控えた。そのため、学会発表に伴う旅費を使用しなかったことが主原因である。

次年度使用額の使用計画

次年度に学会発表を行う際の旅費、また特許申請が可能になった場合には特許申請費用の一部に充てる予定である。