2015 Fiscal Year Research-status Report
土壌の熱的物理特性を考慮した地中熱ヒートポンプの採・放熱効率の向上
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15K07672
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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, 農村工学研究部門農地基盤工学研究領域, 上級研究員 (70370591)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 地中熱ヒートポンプ / 熱交換器 / 熱伝導率 / 省エネルギー / 熱容量 / 熱利用効率 / 不飽和土壌 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
圃場試験に関しては、既存の温室に地中熱ヒートポンプを設置し、本課題で提案する広範囲に土壌中の熱交換を実施するための熱交換器を隣接する試験圃場に埋設した。また、新たに同じ規格の温室を建設し、従来型のスリンキータイプの熱交換器ならびにボアホールタイプの熱交換器を設置した。当初の予定では１棟の温室に地中熱ヒートポンプ１台を設置し、上記の３つのタイプの熱交換器を切り替えながら使うことを計画していたが、さらにもう１棟の温室を建てることで、計画よりも多くのデータを取得できる体制が整った。一方、地中熱交換器を施工後、熱交換器内の不凍液が流出する故障により、埋設した熱交換器の修理が必要になり、本年度中の地中熱ヒートポンプの運転ができなかった。これにより、地温計等の計測機器の設置も次年度に先送りとなった。一方、現場周辺圃場から土壌を採取し、現有する土壌水分センサー1台を用い、センサーの出力値から土壌水分量を推定するための補正式を求めた。また、同様のサンプルを用いて、ヒートプローブ法により対象圃場の熱伝導率や熱容量などの熱的物性値を測定した。
土壌中の熱移動に関する数値シミュレーションによる解析に関しては、現場の近隣圃場から採取した土壌、ならびにいくつかの現場から採取した土壌の熱伝導率や体積熱容量を測定し、鉛直一次元の数値シミュレーションを実施することで、どの土壌タイプが地中熱ヒートポンプの採熱に有利であるかを調べた。その結果、調査した土壌の中では粘土＞黒ボク土＞砂の順に熱交換効率が良いと考えられた。また、圃場試験を実施するつくばの気象データから、温室に必要であると考えられる熱量を既存のモデルを用いて計算し、これを採熱するために必要な面積を数値シミュレーションモデルを用いて計算した。その結果、効率的に採熱するために必要な面積は、温室の建坪の3～6倍程度であると考えられた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
地中熱ヒートポンプの熱交換器埋設後に、熱交換器から不凍液が流出するトラブルに見舞われたため、今年度は圃場試験が実施できず、圃場における観測計画に遅れが生じた。一方、当初計画では、ハウス一棟で3つの熱交換器を切り替えながら試験をする予定であったが、ハウス2棟で実験する体制が整ったため、計画よりも多くのデータが短期間に取得することができる体制が整った。故障したヒートポンプの熱交換器の修理も終わったため、次年度以降は予定よりも早いペースで研究がすすめられると考えている。このことから、今年度の遅れを次年度以降に挽回できると考えている。シミュレーションに関しては、鉛直一次元のシミュレーションを実施することで、一定の成果が確認できた。シミュレーションに必要な基本的な熱物性のデータも整備されつつあり、ほぼ計画通りに進歩していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
圃場における観測ならびに数値シミュレーションについて、本年度に試験に必要な環境の整備が整ったため、次年度以降はほぼ計画通りに試験が実施できると考えている。三次元の数値シミュレーションについては、本年度鉛直一次元の数値シミュレーションを実施した結果、必ずしも必要ないという感触を得た。二次元のシミュレーションを実施するか、一次元のシミュレーションにとどめるか、次年度以降、検討していきたい。なお本年度の調査の結果、効率的な作業のため、二次元もしくは三次元のシミュレーションについては、本年度の調査の結果、特別なソフトウエアを購入する必要があることが明らかになった。ソフトウエアの購入、もしくは解析業務の外部委託により、この問題の解決を検討している。
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| Causes of Carryover |
地中熱ヒートポンプの熱交換器の故障により、本年度は圃場における観測体制を整えることができなかった。そのため、センサー購入のための費用等、観測に必要な経費を次年度に繰り越すことにした。また、２次元もしくは３次元の数値シミュレーションについては、専門的なソフトウエアの購入、あるいは外部委託を検討しているが、圃場データを取得してからシミュレーションを実施する必要がある。そこで、そのための費用を次年度以降に繰り越すことにした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
センサーの購入等、圃場における測定に利用する。また、圃場データ取得後の数値シミュレーションのための、ソフトウエア購入費もしくは外部委託費として使用する。
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Research Products
(2 results)
