鋼管杭型浅部地中熱交換井群の杭内温度分布に及ぼすSUS製採熱管の部分断熱の影響

摘要

地中熱は，地表から深さ100m程度までの地中に蓄えられた太陽光由来の熱であり，通年利用できる再生可能熱エネルギーとして欧米を中心に普及が進hでいる［1］．多くの工法では，ボアホール型熱交換井を設置して年間を通じて温度がほぼ一定な不易層（概ね深さ10m以深）から採熱するが，日本ではその設置コストが高くほとhど普及していない．そこで日本大学工学部では，主に不易層以浅（以下，浅部地中）から採熱する浅部地中熱ヒートポンプシステムの研究を2008年度より進めており，住宅基礎用の鋼管杭群を熱交換井群としても活用することにより初期コストの大幅な低減を実現している［2］．ここで熱交換井として用いられる鋼管杭［3］は閉塞杭であり，内部には水が満たされている．浅部地中熱利用では熱交換井長が短いため、熱伝導率の高い採熱管を用いないと地中と十分な熱交換ができない場合がある。採熱管の材質を，ボアホール型熱交換井で一般的な架橋ポリエチレン（以下，PEX）に替えて，ステンレス鋼（以下，SUS）とすることでこの課題の改善が期待できる．ただし，浅部地中温度は主に外気温度の影響を受けて季節変動し，福島県郡山地域における厳冬期の地表面温度は0°C付近にまで低下する．この時期に浅部地中から過剰に採熱すると，さらに温度が低下して効率的で安定した採熱ができないばかりか，熱交換井に設置した採熱管周辺が凍結する危険すらある．これを防止するため，採熱管自体は熱伝導に優れたSUS製とし，地表面付近の一部を断熱することによる改良を試みた．本報では，内部に水を満たした鋼管杭型熱交換井群において、採熱による鋼管杭内水温の変化を，材質や構造が異なる3種類の採熱管について実測し，比較解析した結果を報告する．