新制御理論に基づくライニング地中熱交換器を利用したGSHPシステムの高度化検討

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本研究はライニング地中熱交換器(LBHE)を用いた地中熱ヒートポンプ(GSHP)システムの初期コストおよび消費電力量の削減を両立させるために提案した流量制御方法に関して，実証実験および数値解析の両面からその有効性を明らかにすることが目的である．本年度は実証実験の結果から，流量制御下におけるGSHPシステムの省エネ効果を検討した．さらに，LBHEにおける最適な制御方法を検討する前段として，数値解析によりLBHEの基礎的な熱交換性能を評価した．実証実験に関して，2020年度に実施された冷房実験の結果を基に，本システムの消費電力量を実験施設に導入する前に利用されていた従来の冷暖房システム(空冷式ヒートポンプシステム)と比較し，省エネ効果を評価した．その結果，本試算条件下では空冷式ヒートポンプシステムから本システムへと更新した場合の日積算消費電力量の削減率は約30%，さらにヒートポンプの省エネ機能である能力上限セーブ制御を組み合わせることで約46%となり，流量制御下における本システムの省エネ効果を確認した．数値解析に関して，伝熱解析モデルを用いた数値シミュレーションによりLBHEの熱交換性能を一般的な地中熱交換器であるダブルUチューブ(DUT)と比較した．まずLBHEおよびDUTの伝熱解析モデルの妥当性を検証した後，LBHEの仕様条件(直径および長さ)がその熱交換性能に与える影響を把握した上で，LBHEおよびDUTを対象に空調利用を想定した数値シミュレーションを実施した．性能を比較する際は地中熱交換器の性能指標である単位採放熱係数を用いた．その結果，1日当たりの空調運転時間が短いほど，また地盤の有効熱伝導率が大きいほどLBHEの熱交換性能はDUTと比較して増大することが分かった．これらの研究成果は特にLBHEの設計などの実用面においても大きな意義を持つと考えられる．