J. Jpn. Soc. Soil Phys. 土壌の物理性 No. 131, p.31 ∼ 36 (2015) 地盤の熱伝導率を求める熱応答試験のための 多項漸近解を用いた逆解析法 藤縄克之 1 The thermal response test and an inverse analysis method for identifying thermal conductivity of soil Katsuyuki FUJINAWA 1 Abstract: Thermal response tests (TRTs) have been widely used to identify thermal conductivity of soils. How- ever, only the first two terms of power-series expansion for the exponential integral, which appears in Kelvin’s line source function used for analyzing data of TRTs, have been used by the conventional method. This method sometimes leads to inaccurate estimation of parameters and long test- ing time. A new method, briefly introduced in this paper, evaluates much higher terms and uses an inverse method to identify thermal conductivity together with a parameter containing volumetric heat capacity. This method also en- ables to identify true thermal conductivities by using early data of TRTs and to reduce testing time. Some cases ap- plied to fields with various conditions are also shown in this paper for further application to soil physics. Key Words : thermal conductivity, thermal response test (TRT), Kelvin’s line source function, inverse analysis method, volumetric heat capacity 1. はじめに 近年,浅層地下に賦存する冷熱や温熱を建築物や農業 施設などの冷暖房に利用する地下熱ヒートポンプシステ ム(GSHP)と呼ばれる再生可能エネルギー利用技術が 注目されている.このシステムには,深度 100 m 程度 のボーリング孔に熱交換パイプを挿入して地中で熱交換 させるクローズドタイプと,地下水を揚水して地上で採 熱するオープンタイプがある.いずれのタイプでもヒー トポンプを併設する場合が多いが,ヒートポンプに利 用する熱源は暖房期では高温ほど,冷房期には低温ほど 冷暖房に要する消費エネルギーが少なくなる.したがっ て,冬期に低温となり,夏期に高温となる大気を熱源と する従来型と比べ,空調管理温度に近い熱源を利用する GSHP の方が遙かに効率的で,冷暖房に要するランニン グコストを大幅に削減することができる.なお,性質の 1 Faculty of Engineering, Shinshu University, 4-17-1 Wakasato, Nagano, 380-8553, Japan. Corresponding author:藤縄克之,信州大学工学部 2015 年 8 月 17 日受稿 2015 年 10 月 14 日受理 異なる 2 タイプの GSHP では,オープンタイプの方が 大幅にイニシャルコストを削減できるため,地下水が揚 水できる場所ではオープンタイプのシステムが勧めら れる. 従来,施設園芸では冬期に石油を用いた暖房が用いら れてきたが,温室効果気体である二酸化炭素を排出する 化石エネルギーの使用は地球温暖化の元凶となっている 上,第 1 次石油危機以来乱高下を繰り返す石油価格は 施設野菜生産現場を翻弄し,安定経営上の大きな支障と なってきた.そこで石油使用量削減の手段として,施設 園芸分野でもヒートポンプが注目されているが,現在普 及しているヒートポンプの大部分は空気を熱源としてお り,冬期暖房ではデフロスト(除霜)により暖房効率が下 がるだけでなく,暖房負荷が大きくなるほど暖房能力が 小さくなるといった欠点がある.さらに,空気熱源ヒー トポンプは,電気代が高く,燃油と比べてランニングコ ストが削減できないため,燃油ボイラーとのハイブリッ ド化が推奨されるなど模索が続いている.このため,冷 暖房効率が悪い空気熱源に代わり,1 年をとおして温度 変化が小さく,消費電力の大幅削減で貢献できる地下水 を熱源とするヒートポンプシステムが開発されてきてお り,オランダなどの先進国ではすでに多くの園芸施設に 導入されている. 筆者は,H26 · 27 年度の農水省予算により農業 · 食品 産業技術総合研究機構生物系特定産業技術研究支援セン ターが実施している「攻めの農林水産業の実現に向けた 革新的技術緊急展開事業(うち産学の英知を結集した革 新的な技術体系の確立)」において「施設園芸栽培作物 の低コスト · 高品質 · 周年安定供給技術の確立」という テーマで実証試験を実施中で,地下水熱源ヒートポンプ システムを導入した施設の H26 年度冬期暖房試験では 灯油ボイラー施設比較で大幅な消費エネルギー削減を実 現し,H27 年度の夏期冷房試験においても良好な結果を 得ている. オープンタイプにせよクローズドタイプにせよ, GSHP システムの設計には採熱量計算が必要である.特に,地
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J. Jpn. Soc. Soil Phys.土壌の物理性No. 131, p.31 ∼ 36 (2015)
地盤の熱伝導率を求める熱応答試験のための
多項漸近解を用いた逆解析法
藤縄克之 1
The thermal response test and an inverse analysis methodfor identifying thermal conductivity of soil
Katsuyuki FUJINAWA1
Abstract: Thermal response tests (TRTs) have beenwidely used to identify thermal conductivity of soils. How-ever, only the first two terms of power-series expansionfor the exponential integral, which appears in Kelvin’s linesource function used for analyzing data of TRTs, have beenused by the conventional method. This method sometimesleads to inaccurate estimation of parameters and long test-ing time. A new method, briefly introduced in this paper,evaluates much higher terms and uses an inverse methodto identify thermal conductivity together with a parametercontaining volumetric heat capacity. This method also en-ables to identify true thermal conductivities by using earlydata of TRTs and to reduce testing time. Some cases ap-plied to fields with various conditions are also shown inthis paper for further application to soil physics.Key Words : thermal conductivity, thermal responsetest (TRT), Kelvin’s line source function, inverse analysismethod, volumetric heat capacity
1. はじめに
近年,浅層地下に賦存する冷熱や温熱を建築物や農業
施設などの冷暖房に利用する地下熱ヒートポンプシステ
ム(GSHP)と呼ばれる再生可能エネルギー利用技術が注目されている.このシステムには,深度 100 m 程度のボーリング孔に熱交換パイプを挿入して地中で熱交換