日本大学工学部は2018年6月25日、一般住宅向け浅層地中熱利用システムの導入コストと運用コストを下げる技術を開発したと発表した。この研究は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の「再生可能エネルギー熱利用技術開発／一般住宅向け浅部地中熱利用システムの低価格化・高効率化の研究」事業として、日商テクノや住環境設計室と共同で実施したもの。今回開発した技術は、地中熱を取り出す「地中熱交換器」を低コストで設置する技術と、地中熱交換器とヒートポンプを連携させて最適な状態を維持するように制御して運用コスト低下を実現する技術だ。
図 日本大学工学部が日商テクノや住環境設計室と共同で開発した低コスト化技術
出所 国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
地中熱交換器を低コストで設置する技術としては、地中熱交換器で使用する鋼管を回転させながら地中に貫入させていく「回転埋設工法」を開発した。一般には鋼管を地中に貫入させてから、鋼管の中に熱交換器を設置するが、新たに開発した技術では鋼管と熱交換機能を一体化させた「2重管方式熱交換器」を利用して、1度の工事で鋼管と熱交換器を地中に貫入させる。さらに、鋼管を回転させながら地中に貫入させていく「回転埋没工法」を利用する。従来の工法では地中を掘削する際に排出残土が発生し、設置後に残土を処理する必要があったが、新たに開発した工法では排出残土が発生しない。
この工法を実現するために、幅、奥行きともに1m程度の小型軽量埋没機構を開発した。深さ20mよりも浅い層の地中熱を活用することに専門家することで、埋没機構の小型化に成功した。また、地中熱交換器が性能を発揮するには、周辺の土壌と地中熱交換器が密着していなければならない。今回は、地中熱交換器と周辺土壌を圧着させながら貫入していくために鋼管の先端で土壌を掘り進んでいく「ビット（先端錐）」の設計を工夫した。さらに、短い鋼管を接続しながら地中に貫入させていくために、鋼管同士をねじ式で接続する工法を開発した。
運用コスト低下を実現する技術としては、地中に複数貫入した熱交換器と、冷暖房機の室内機群の間で稼働するヒートポンプを制御する技術を開発した。この技術を利用することで、室内機群の運転状態に応じてヒートポンプ内の循環ポンプの流量と、地中熱交換器の稼働率を最適な状態に制御できるという。
日本大学工学部によると、新工法を利用することで一般住宅向け浅層地中熱利用システムの導入コストと運用コストが大きく下がることを確認できたという。確認のために、日本大学工学部の再生可能エネルギー共同研究施設（福島県郡山市）と、福島県葛尾村の実験場に地中熱利用システム（8m長の地中熱交換器×13本、5kWのヒートポンプ、冷暖房用室内機2台と配管など）を設置した。新開発の技術を利用したものと従来技術を利用したものを設置して比較した結果、初期導入コストを40％（既築住宅への追加設置）削減でき、運用コストを10％抑えられるとしている。
