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第12回「CO2削減とイノ             ベーション」研究会             2011年8月17日地中熱利用の普及に向けた課題 NPO法人 地中熱利用促進協会       笹田政克
地熱と地中熱• 地熱とは、地球内部に保有され  ている熱の総称(地学事典)• 火山のある我が国では、高温の  地熱を利用して、地熱発電が行  われている。地熱発電では一般  に1000m級の孔井を掘削して、  蒸気・熱水が利用されている。   ...
地中熱は再生可能エネルギー• 地中熱は、太陽及び地球内部からの  熱に由来する再生可能エネルギーであ  る。• 地表近辺では気温の影響により地温  は変化するが、地下10~15mの深さに  なると、年間通して地温の変化が見ら  れなくなる。• ...
地中熱  (特徴)  ・ 季節間の温度変化の小さい地中の熱的特性を活用したエネルギー  ・ 日本中どこでも利用できる自然エネルギー  ・ 気象条件に左右されず、いつでも利用できる自然エネルギー                          ...
(地中熱利用促進協会)
地中熱の普及状況 (すべてのタイプの地中熱利用施設)地中熱利用施設種別の設置割合熱伝導・空気循環・ヒートポンプなどの総計 (環境省 2010)
地中熱の利用形態と設備容量熱伝導      住宅の保温                  kWt                         8000空気循環     住宅等の保温・換気       7000                ...
地中熱ヒートポンプシステム    クローズドループ               オープンループ    (地中熱交換型)              (地下水利用型)地中で熱交換するために流体(水/不凍液)を                    ...
地中熱ヒートポンプシステム            クローズドループで使用する地中熱交換器ボアホール方式                        杭方式               鋼管杭(新日鉄エンジニアリング資料)  Uチューブ(イノア...
地中熱ヒートポンプの設置件数
住宅・建物・プール・地域冷暖房等への導入                     店舗(びっくりドンキー)トステム住宅研究所(フィアスホーム)                                            東京スカイツリ...
地中熱利用は省エネルギー  NEDOの高効率エネルギーシステム導入促進事業で実証された        地中熱ヒートポンプの省エネルギー効果2004‐2007年の調査対象:87件、うち地中熱6件NEDO  住宅・建築物高効率エネルギーシステム導入...
CO2 排出量削減に効果的                                   北海道の住宅                                      暖房                           青...
地中熱利用でヒートアイランド対策•   地中熱ヒートポンプシステムでは、冷房排熱を大気中に放出せず、地中    に吸収させる。•   従って、都市圏でのヒートアイランド現象の緩和に寄与する。•   ヒートアイランド現象の緩和により、さらなるエネ...
地中熱ヒートポンプは節電効果大                          暖房比較                      冷房比較             14                       (2010年3月2日)  ...
環境負荷低減の事例紹介一番町笹田ビルの地中熱ヒートポンプシステム                     1階から3階までの                      オフィス階の空調                      各階の床面積:...
年間の運転実績                                        一番町笹田ビル:平成20年11月ー21年11月                                                    ...
稼働に伴う地中温度の変化                   一番町笹田ビル:平成20年11月ー21年11月                                暖房運転主体                              ...
地中熱利用システムの持続性                                    一番町笹田ビルでの実績と予測               35                          実績       予測     ...
地中熱ヒートポンプの普及状況                                       世界の状況  TJ/年250000                                      米国            ...
普及課題と対応策   普及課題                    対応策                ・普及が進む価格帯を実現コスト(とくに初期コスト)   ・設備費回収期間の大幅な短縮                ・国・地方の助成策 ...
住宅用地中熱システムの費用構造                        最近の施工例と概算額地中熱交換器                                    関東 1)ヒートポンプ                    ...
ライフサイクルコストの考え方           (長野 2010)
国の基本文書に明記                平成22年• 「新成長戦略」(平成22年6月) 「固定価格買取制度」の導入等による再生可能エネル ギー・急拡大  第四に、木質バイオマスの熱利用、空気熱利用、地中熱・太陽熱の温水利 用等の普及を...
経済産業省による導入支援策    クリーンな熱利用の拡大 43億円 (平成23年度予算案)    再生可能エネルギーの中でもエネルギー変換効率が高    い太陽熱、バイオマス熱、地中熱等の熱資源に関し、そ    の利用拡大に向けた計測技術の確立...
次世代型ヒートポンプシステム研究開発        (NEDO)• 地中熱を軸にしたハイブリッド熱源CO2ヒートポンプ温水暖房  システムの研究開発  サンデン(株)・大和ハウス工業(株)・早稲田大学• 多様な未利用熱の活用を可能とした最適熱源...
地球温暖化対策技術開発等事業             (平成22年度 環境省)• 太陽熱と地中熱を利用する水循環ヒートポンプに関する技  術開発: 東京大学・鹿島建設 水循環による熱のネットワークを構成し,太陽熱,地中熱,放射冷却などの再生可能...
農林水産政策を推進する実用技術開発事業       (平成21年~23年 農林水産省)低炭素時代にむけた自然エネルギー利用率を最大限に高める施設栽培用ヒートポンプシステムの開発 農村工学研究所・山形県・宮城県・新潟大学・ジオシステム(株)・日本...
ヒートアイランド対策での             実証事例の蓄積                                               実証件数環境技術実証事業 環境省 平成21・22年             実証単位 ...
技術の普及   NPO法人 地中熱利用促進協会の活動• 基礎講座地中熱ヒートポンプの利用技術の基礎を習得することが目的平成22年は、3回実施毎回40名程度の参加者平成23年の第1回は、6月23、24日に実施 第2回は10月18~20日に実施• ...
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magicc掲載用/笹田氏資料抜粋

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  1. 1. 第12回「CO2削減とイノ ベーション」研究会 2011年8月17日地中熱利用の普及に向けた課題 NPO法人 地中熱利用促進協会 笹田政克
  2. 2. 地熱と地中熱• 地熱とは、地球内部に保有され ている熱の総称(地学事典)• 火山のある我が国では、高温の 地熱を利用して、地熱発電が行 われている。地熱発電では一般 に1000m級の孔井を掘削して、 蒸気・熱水が利用されている。 (NEDO パンフレット)• 一方、地中熱とは浅い地盤中に 存在する低温の熱エネルギーで あり、地中熱は昼夜間又は季節 間の温度変化の少ない地中の熱 的特性を活用して利用される。 外気温と地中の温度の関係
  3. 3. 地中熱は再生可能エネルギー• 地中熱は、太陽及び地球内部からの 熱に由来する再生可能エネルギーであ る。• 地表近辺では気温の影響により地温 は変化するが、地下10~15mの深さに なると、年間通して地温の変化が見ら れなくなる。• その温度はその地域の平均気温より 一般に1~2℃高い。それより深い場所 の温度は、一般に100mにつき2~3℃ 程度の割合で上昇するが、地温は安定 した状況にある。• 地中熱は、日本中どこでも利用でき、し かも天候等に左右されず安定的に利 季節ごとの地温の分布 用できる。
  4. 4. 地中熱 (特徴) ・ 季節間の温度変化の小さい地中の熱的特性を活用したエネルギー ・ 日本中どこでも利用できる自然エネルギー ・ 気象条件に左右されず、いつでも利用できる自然エネルギー (自然エネルギーの比較) 地中熱 地熱 太陽熱 太陽光 風力 小水力 バイオマス 雪氷 積雪地近 火山・温泉 風況調査 落差のある 場所の制約 なし なし なし (要搬送) 傍 の近傍 が必要 河川 (要搬送) 風の吹く時 渇水期以 時間の制約 なし なし 昼間 昼間 (要搬送) (要搬送) 間帯 外 自家用発 事業用発 主に事業用 主に事業用 電 電 主に事業用 主に事業用 電気 ― ― 発電 発電 事業用発 自家用発 発電 発電エネルギー 電 電利用形態 冷暖房 暖房 給湯 (冷)暖房 冷蔵 熱 給湯 給湯 ― ― ― (冷)暖房 給湯 冷房 融雪 融雪
  5. 5. (地中熱利用促進協会)
  6. 6. 地中熱の普及状況 (すべてのタイプの地中熱利用施設)地中熱利用施設種別の設置割合熱伝導・空気循環・ヒートポンプなどの総計 (環境省 2010)
  7. 7. 地中熱の利用形態と設備容量熱伝導 住宅の保温 kWt 8000空気循環 住宅等の保温・換気 7000 6000 5000水循環 道路等の融雪等 4000 3000 2000ヒートパイプ 道路等の融雪 1000 0 ヒートポンプ 水循環(融雪) 地中熱換気 住宅・学校・病院・ビル等 の冷暖房・給湯 地中熱利用システム設備容量 kWt 2006年累計(新エネルギー財団)ヒートポンプ プール・温浴施設の給湯 道路等の融雪 グリーンハウスの冷暖房
  8. 8. 地中熱ヒートポンプシステム クローズドループ オープンループ (地中熱交換型) (地下水利用型)地中で熱交換するために流体(水/不凍液)を 揚水した地下水と熱交換する方法循環させる方式地中熱交換器の設置が必要であり、通常はボ 揚水した地下水を同じ帯水層に戻す方法のほアホール(ボーリング孔)あるいは基礎杭の中に、 か、別の帯水層に注入する方法などがある。チューブを挿入したものが用いられている。 都市圏では工業用水法・ビル用水法等の規制 を受ける。
  9. 9. 地中熱ヒートポンプシステム クローズドループで使用する地中熱交換器ボアホール方式 杭方式 鋼管杭(新日鉄エンジニアリング資料) Uチューブ(イノアック資料) PHC杭 場所打ち杭 (日本設計資料) (大成建設資料)
  10. 10. 地中熱ヒートポンプの設置件数
  11. 11. 住宅・建物・プール・地域冷暖房等への導入 店舗(びっくりドンキー)トステム住宅研究所(フィアスホーム) 東京スカイツリー 地域冷暖房 (東武エネルギーマネー温水プール(森村学園/ミサワ環境技術) 赤平オーキッド(日伸テクノ) ジメント/大林組・大成建設)
  12. 12. 地中熱利用は省エネルギー NEDOの高効率エネルギーシステム導入促進事業で実証された 地中熱ヒートポンプの省エネルギー効果2004‐2007年の調査対象:87件、うち地中熱6件NEDO  住宅・建築物高効率エネルギーシステム導入促進事業(建築物に係るもの)2009 事業成果紹介2009年11月作成による
  13. 13. CO2 排出量削減に効果的 北海道の住宅 暖房 青森県の公共施設 冷暖房・融雪 GJ/年 2006年 ton/年 2006年 GJ/年 2004年-2008年 ton/年 2004年-2008年 一次エネルギー 60 4 500 灯油換算 30 一次エネルギー 400 CO2発生量 CO2発生量 1470 L 3 300 在来システム 40 20 ・空冷チラー 2 200 ・灯油ボイラー 20 100 C10 ・電熱線融雪 1 0 在来 地中熱 0 0 0 システム 在来 地中熱 灯油 地中熱 灯油 地中熱 システムヒートポンプ暖房出力6.2kW,  ボアホール50m x 3本(150m) ヒートポンプ冷暖房用15HP(対象床面積329m2), 融雪用30HP(歩道360m2) COP(期間平均)3.4,  住宅床面積129m2,  Q値1.6W/(m2・K),  C値0.8cm2/m2 ボアホール90m x 16本(1440m),  COP4.3(年平均)3.5 (暖房)5.8(冷房) 富良野市木造3階建住宅2005年10月竣工(北海道大学地中熱講座 2007) 6.8(融雪) 弘前市まちなか情報センター2004年4月運転開始(石上ほか 2010) 山口県の中学校 冷暖房 東京都のオフィスビル 冷暖房 GJ/年 2007年 2007年 電力量 kWh 2008年-2009年 ton/年 1200 80 3000 空調更新 CO2削減量 一次エネルギー 1000 2500 空気熱 → 地中熱 3.8 ton/年 60 CO2発生量 800 2000 600 40 地中熱 400 200 20 1500 1000 C H20‐H21 空気熱 0 0 500 H17‐H19 空気熱 地中熱 空気熱 地中熱 0 +灯油 +灯油 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 ヒートポンプ20HP冷房58.3kW, 暖房65.6kW,  ボアホール75m x 8本(600m) ヒートポンプ冷却能力308kW, 加熱能力270kW,  ボアホール100m x 30本 オフィス床面積303m2(101m2 x 3),  COP4.3(年平均)3.6(暖房)5.8(冷房) 下関市立豊北中学校2006年4月開校(栫 2010) 一番町笹田ビル2008年11月運転開始(笹田 2010)
  14. 14. 地中熱利用でヒートアイランド対策• 地中熱ヒートポンプシステムでは、冷房排熱を大気中に放出せず、地中 に吸収させる。• 従って、都市圏でのヒートアイランド現象の緩和に寄与する。• ヒートアイランド現象の緩和により、さらなるエネルギー消費量が削減さ れる。 (環境省資料)• 東京都中央区日本橋地区をモデルとした試算によると、オフィスビルで使用して いるエアコンをすべて地中熱システムに換えた場合、最高気温が1.2℃低下する 結果になっている(玄地,  2001) 。
  15. 15. 地中熱ヒートポンプは節電効果大 暖房比較 冷房比較 14 (2010年3月2日) (2009年7月15日) この夏は東京電力管内で850万kWの 12 19% 不足が予想されているが、ピーク時 間帯において全エアコンの消費電力日消費電力(kWh) 10 39% 1000万kWを3分の1削減すれば330万 8 6 kWの節約ができる。 4 また廃熱を地中に放出するため 空 地 空 地 2 気 中 気 中 ヒートアイランド現象の緩和が期待さ 熱 熱 熱 熱 0 れ、都内のオフィスビル街区を地中熱 (資料提供:JFE鋼管株式会社) kWh 空調電力消費量 利用ヒートポンプに置き換えた場合、3000 空気熱 2005-07年の平均 最高気温で1.2℃程度のヒートアイラ 地中熱 2008-09年 ンド緩和効果が試算されている(玄2000 年間 49%削減 地、2001)。 仮に気温を1℃下げることができれ1000 ば170万kWの節約ができ、両者の効 果によって夏のピーク負荷を500万 0 kW低減させることが可能となる。 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10月 (日本地熱学会地中熱利用技術専門部会の提言) 地中熱と空気熱の年間運転実績の比較(笹田, 2010)
  16. 16. 環境負荷低減の事例紹介一番町笹田ビルの地中熱ヒートポンプシステム  1階から3階までの オフィス階の空調 各階の床面積: 約100 m2  空水冷ヒートポンプ 暖房63.0kW 冷房56.0kW 地中熱には水冷を利用  地中熱交換器 ボーリング孔 75 m x 8本 U字管(ダブル) ・年間の電力量49% 削減 ・CO2削減量で3.8 t
  17. 17. 年間の運転実績 一番町笹田ビル:平成20年11月ー21年11月 暖房運転主体 4/9 冷房運転主体 10/27 暖房運転主体 350 14 HP稼働時間(地中熱) ヒートポンプ電力累積(地中熱) ポンプ電力累積 負荷側熱量日累積 8/3~9 単体COP 熱源システムCOP 300 空気熱源試験 12 2/1~7 負荷側熱量 空気熱源試験日稼働時間(h)、熱量(kWh)、電力(kWh) 250 10 単体COP、熱源システムCOP 200 8 単体COP 150 6 システム 100 4 ヒートポンプ稼働時間 50 5/5,8 2 暖房運転主体 ヒートポンプ電力 0 0 10/29 11/28 12/28 1/27 2/26 3/28 4/27 5/27 6/26 7/26 8/25 9/24 10/24 11/23 12/23 月日 ポンプ電力 ヒートポンプ稼働状況(1日毎)
  18. 18. 稼働に伴う地中温度の変化 一番町笹田ビル:平成20年11月ー21年11月 暖房運転主体 冷房運転主体 暖房運転主体 4/9 10/27 40 外気温 A室温平均 B室温平均 C室温平均 熱源水往稼働時平均 熱源水還稼働時平均 8/3~9 35 室 30 2/1~7 25温度(℃) 20 熱源水温度 15 5/5,8 10 暖房運転主体 外気温 5 0 10/29 11/28 12/28 1/27 2/26 3/28 4/27 5/27 6/26 7/26 8/25 9/24 10/24 11/23 12/23 月日 ヒートポンプ稼働時室温、熱源水温の変化(1日毎)
  19. 19. 地中熱利用システムの持続性 一番町笹田ビルでの実績と予測 35 実績 予測 熱源水温度実績 熱源水温度予測 30 25熱源水温度往復平均(℃) 20 15 10 Uチューブ表面温度予測 4号井温度実績 5 0 2008/1 2009/1 2010/1 2011/1 2012/1 2013/1 2014/1 2015/1 2016/1 2017/1 2018/1 2019/1 年
  20. 20. 地中熱ヒートポンプの普及状況 世界の状況 TJ/年250000 米国 中国200000 スウェーデン ノルウェー150000 ドイツ オランダ100000 カナダ スイス 50000 フランス 日本 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 1995年 2000年 2005年 2010年 設備容量(MWt)* 地中熱ヒートポンプ *: 欧米においては家庭用の地中熱ヒートポンプの平均的 世界の利用量 なサイズが12kWtであることから、各国の設備容量をこの値 (Lund, 2010) で除した値をもって、その国における地中熱ヒートポンプの 普及台数とみなすことができる。 このように換算すると米国 での普及台数はおよそ百万台となる。 (Lund,  2010)
  21. 21. 普及課題と対応策 普及課題 対応策 ・普及が進む価格帯を実現コスト(とくに初期コスト) ・設備費回収期間の大幅な短縮 ・国・地方の助成策 ・地中熱利用を多くの市民・行政担当者が理解認知度 ・知名度の高い建築物に地中熱利用設備を導入 ・実証事例の蓄積による信頼性の醸成 ・国の政策の中に地中熱を明確に位置付ける国及び地方の政策 ・助成制度等の政策の充実 ・公共部門での市場創出 ・システム性能の向上技術開発 ・低コスト化の実現 ・将来的には、ゼロ・エミッション・ビル/住宅の実現地質情報整備 ・地質情報のデータベースの整備。設計リスクの軽減環境影響評価 ・環境影響評価により地中熱の望ましい利用法を定着 ・技術水準を確保技術水準 ・高品質な地中熱利用システムを提供
  22. 22. 住宅用地中熱システムの費用構造 最近の施工例と概算額地中熱交換器 関東 1)ヒートポンプ (実例 380万円 ) 北海道 2) (概算 290万円)室内機・配管 0 50 100 150 200 万円 住宅用10kWのクローズドループ(150m掘削)のコスト 1) 関東地方での施工例は、室内機にファンコイ ルユニットを4台設置した冷暖房システム(2010年 (NEDOパンフレット 2006) 実績) 2)北海道での概算例は、室内機には放熱器を用 いた暖房用システム(長野, 2010)
  23. 23. ライフサイクルコストの考え方 (長野 2010)
  24. 24. 国の基本文書に明記 平成22年• 「新成長戦略」(平成22年6月) 「固定価格買取制度」の導入等による再生可能エネル ギー・急拡大 第四に、木質バイオマスの熱利用、空気熱利用、地中熱・太陽熱の温水利 用等の普及を推進する。 これにより、2020 年までに再生可能エネルギー関 連市場10 兆円を目指す。 (地中熱関連部分の文章を抜粋)• 「エネルギー基本計画」(平成22年6月) 再生可能エネルギーの利用拡大 さらに、空気熱の導入促進及び地中熱等の温度差エネルギーの利用促進 のため、産業用・業務用・家庭用の給湯・空調等におけるヒートポンプの利 用促進を図る。 (地中熱関連部分の文章を抜粋)
  25. 25. 経済産業省による導入支援策 クリーンな熱利用の拡大 43億円 (平成23年度予算案) 再生可能エネルギーの中でもエネルギー変換効率が高 い太陽熱、バイオマス熱、地中熱等の熱資源に関し、そ の利用拡大に向けた計測技術の確立、導入支援を行う。• 再生可能エネルギー熱利用加速化支援対策費補助金 35億円 -再生可能エネルギー熱利用設備を導入する民間事業者や地方自治体等 に対して、事業費の一部について補助を行うもの• 再生可能エネルギー熱利用計測技術実証事業 8億円 -再生可能エネルギー熱利用設備における各種データを収集・分析し、簡 便でコストパフォーマンスに優れた熱量の計測方法及び熱量の正確な計測方法 等に関する実証を実施すもの
  26. 26. 次世代型ヒートポンプシステム研究開発 (NEDO)• 地中熱を軸にしたハイブリッド熱源CO2ヒートポンプ温水暖房 システムの研究開発 サンデン(株)・大和ハウス工業(株)・早稲田大学• 多様な未利用熱の活用を可能とした最適熱源切替型高効率 高温循環ヒートポンプシステムの研究開発 (株)前川製作所・早稲田大学・大成建設(株)• 地下水制御型高効率ヒートポンプシステムの研究開発 清水建設(株)・信州大学 地中熱・未利用熱・地下水関連部分を抜粋(平成22年6月28日NEDO発表)
  27. 27. 地球温暖化対策技術開発等事業 (平成22年度 環境省)• 太陽熱と地中熱を利用する水循環ヒートポンプに関する技 術開発: 東京大学・鹿島建設 水循環による熱のネットワークを構成し,太陽熱,地中熱,放射冷却などの再生可能エネルギーを利用 して,暖冷房,給湯,冷凍など多目的な熱供給と排熱利用を高効率に実現するヒートポンプシステム技 術の開発を行う。• 地中熱利用ヒートポンプシステムのイニシャルコスト低減と 効率化に関する技術開発: 三菱マテリアルテクノ株式会社 九州大学大学院、九州電力 地中熱利用ヒートポンプシステムのイニシャルコストの低減と効率化を目的に,水平型熱交換器と水- 空気ヒートポンプを組み合わせた技術開発を行う。• 杭打ち機を用いた井戸,熱交換杭の開発と地中熱利用等へ の適用: 福井県雪対策・建設技術研究所、三谷セキサ ン、岡山大学大学院、北海道大学 沖積平野で井戸と熱交換杭の設置費を汎用杭打ち機の利用で各々従来の1/3 に縮減する施工技術を 開発し,オープンループ(揚水・涵養)とクローズドの地中熱利用の冷暖房,給湯,融雪などに適用し実用 化する。
  28. 28. 農林水産政策を推進する実用技術開発事業 (平成21年~23年 農林水産省)低炭素時代にむけた自然エネルギー利用率を最大限に高める施設栽培用ヒートポンプシステムの開発 農村工学研究所・山形県・宮城県・新潟大学・ジオシステム(株)・日本地下水開発(株)・(有)グリテック・(財)東京都農林水産振興財団 水熱源 水熱源 Closed 区低温水からの集熱が可能なヒート 空気熱源 Open 区ポンプも用いた施設栽培用システ Air 区ムを設計・試作し、基本的特性を明らかにする。また、周年生産のための環境制御手法の開発と実証栽培試験を行う。 対照 井戸水 農業用水 シミュレーション
  29. 29. ヒートアイランド対策での 実証事例の蓄積 実証件数環境技術実証事業 環境省 平成21・22年 実証単位 平成21年 平成22年「地中熱・下水熱等を利用したヒートポンプ空 A システム全体 1 件 3 件 調システム」実証機関: NPO法人 地中熱利用促進協会 B ヒートポンプ 1 件 3 件 C地中熱交換部 1 件 1 件実証機関はその試験要領に従って計測データを取得し、地中での熱交換量、ヒートポンプのCOP、地中熱交換器の熱抵抗、地層の熱伝導率等を求める。川崎市南河原こども文化センターに設置された地中熱ヒートポンプ
  30. 30. 技術の普及 NPO法人 地中熱利用促進協会の活動• 基礎講座地中熱ヒートポンプの利用技術の基礎を習得することが目的平成22年は、3回実施毎回40名程度の参加者平成23年の第1回は、6月23、24日に実施 第2回は10月18~20日に実施• マニュアル地中熱ヒートポンプの施工管理マニュアルを、現在地中熱利用促進協会で作成中。市場の拡大にともない着実な施工と、施工の標準化が求められている。このマニュアルでは現場で効率的な施工が行えるように、これまで施工実績の多い企業、それぞれの専門分野の企業の知見と技術を集約する。 30

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