成層化土層を用いたATESのための基礎実験

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ATES(Aquifer Thermal Energy Storage)と呼ばれる蓄熱技術の効率的な運用のためには,地下土壌中の熱と水の同時移動現象に関する知見が必要となる。本研究では,帯水層からの熱損失抑制(蓄熱効率の向上)に注目し,不飽和帯を通って損失する熱の流れが熱伝導率の低い低水分土層によって抑制されるのではないかと考え,室内実験を行った。実験には大型カラムを用い,細砂(中央粒径0.2mm)と粗砂(中央粒径0.8mm)による2層の成層土層を対象とした.基本的に,所定の地下水位を設定したカラム上下端にさまざまな温度勾配を与え,カラム内の温度,圧力水頭,熱フラックスを測定した。以下に,得られた知見の概要を述べる。1.不飽和帯中の水分移動に伴う熱移動の大きさを評価するため,カラム内土壌の真の熱伝導率とこれに水分移動に伴う熱移動分も含めた見かけの熱伝導率を計算した。その結果,低水分量に設定された粗砂層内で両者の差が大きく,土層内に低水分量領域が設定され真の熱伝導率が小さく抑えられても,水分移動に伴う熱移動が補完的に働き,不飽和帯での熱損失はそれほど抑制されないことが推察された。2.ほぼ定常に達した時点での実験結果から,熱・水移動成分の大きさを検討した。その結果,これまでの研究例でみられる以上に,低水分量の粗砂層内での,温度勾配を駆動力とする水蒸気移動量が大きく,水蒸気が拡散以外の形態で移動していることが推測された。3.有限要素法による非定常解析を行い,実験データの再現性を試みた。その結果,不飽和透水係数,圧力水頭の温度係数,熱的水蒸気拡散係数といった各種土壌特性パラメータが複雑に絡み合って影響しており、とくに非線形性が大きい低水分量領域での,これらのパラメータの正確な把握が重要であることが明らかになった。