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地中熱利用システム

地中熱利用のイメージ

地中熱利用とは、水熱源ヒートポンプを用いて、地中から熱を取り出したり、熱を放出したりするシステムです。地中の温度は、夏期は外気温より低く、冬期は外気温より高いことから、こうした性質を利用し、エネルギー消費効率を大幅に向上させることが可能なシステムです。

さらに大気に熱を放出せず、ヒートアイランド抑制にも寄与するものです。

欧米では広く普及しており、我が国においても施工方法等について研究・開発が進み、実用化の取り組みがなされております。本地区においては、「基礎杭利用方式」、「ボアホール方式」の両方法を採用、それぞれの特長を活かし、地中の熱を効率的に採放熱し、エネルギー消費効率を高めてまいります。

しくみ

地中に熱交換用のチューブ(高密度ポリエチレン管)を敷設し、そのチューブ内に水を循環させ、地中の熱と熱交換(採放熱)を行うことで、大気との熱交換と比較して、より効率的な冷暖房が可能になるシステムです。

これは、気温は季節で変わりますが、地中の温度が年間を通じてほぼ一定であることから、大気と比べ、数段効率的な熱交換が可能になることによります。

加えて、熱交換用チューブ内を循環し、熱交換(採放熱)され、冷たくなったり、温かくなった水を、「水熱源ヒートポンプ」を用いて、さらに冷たい「冷水」、さらに温かい「温水」に変換、冷暖房用に供給するものです。

なお、「ヒートポンプ」とは、大気中や地中の熱(=ヒート)をくみ上げて(=ポンプ)、その熱エネルギーをより高いレベルに上げたり、低いレベルに下げる技術(コンプレッサー、凝縮器、膨張弁、蒸発器)を用いて、エネルギー効率の高い冷暖房を可能にする装置であり、近年、技術進歩により顕著な性能向上が図られています。

【ポイント】
(1)大気と比較して効率的な熱交換(採放熱)が行えることから、一層の省エネルギー、省CO2化が
   図れます。
(2)大気に熱を放出しないシステムであり、ヒートアイランド抑制に効果を発揮します。
(3)熱交換用チューブ内に水を循環するシステムであり、地下水を汲み上げないことから、地盤沈下等
   悪影響を及ぼすことはありません。

当地区のシステム概要

(1)全体概要

当地区地域冷暖房の供給区域、メインプラント、サブプラント位置、並びに地中熱の採放熱場所は、左の図の通りです。

また、両プラントに設置する主要機器は、下記の表と図の通りです。

この中の「水熱源ヒートポンプ」、「熱交換用チューブ」が地中熱利用システムです。

地域冷暖房システム主要機器一覧
  機器名称 基数 仕様
メインプラント
(東京スカイツリータウン
 ウエストヤード地下2F)
ターボ冷凍機 2 冷却能力:1,350RT<冷凍トン>
(17,089MJ<メガジュール>/h) ×2
インバータターボ冷凍機 1 冷却能力:1,350RT(17,089MJ/h)
ヒーティングタワーヒートポンプ 1 冷却能力:1,000RT(12,658MJ/h)
加熱能力:11,520MJ/h
ヒーティングタワーヒートポンプ 1 冷却能力:960RT(12,152MJ/h)
加熱能力:12,240MJ/h
ヒーティングタワーヒートポンプ 1 冷却能力:480RT(6,076MJ/h)
加熱能力:6,120MJ/h
水熱源ヒートポンプ
(地中熱利用)
1 冷却能力:50RT(632MJ/h)
加熱能力:800MJ/h
水蓄熱槽 温度成層型 冷水槽・冷温水槽
合計水量:7,000トン
蓄熱容量:冷水260GJ、温水160GJ
サブプラント
(東武鉄道(株)本社ビル
 地下1F)
ターボ冷凍機 2 冷却能力:350RT(4,430MJ/h) ×2
温水ボイラー 4 加熱能力:3,348MJ/h ×4

地域冷暖房システムフロー

(2)熱交換用チューブの敷設方式

当地区では、地中において採放熱する熱交換用チューブを敷設する方式として、基礎杭を利用し、杭に採放熱用の熱交換チューブを取り付ける「基礎杭利用方式」、地下に掘削した垂直孔の中に採放熱用の熱交換用チューブを挿入する「ボアホール方式」の両方式を採用いたしました。

「基礎杭利用方式」
項目 内容
基礎杭利用本数 6本(杭径:1,900〜2,200mmΦ 杭長:18.6m)
Uチューブ10対方式
採放熱量 基礎杭1本当たり 最大 冷熱:300W/m、温熱:235W/m
「ボアホール方式」
項目 内容
ボアホール利用本数 21本(掘削径:179mmΦ×深さ120m)
ダブルUチューブ方式(2対)
採放熱量 ボアホール1本当たり 最大 冷熱:48W/m、温熱:40W/m
充填材 珪砂
(3)特長
○当地区の地中熱利用システム
国内DHCで初めての地中熱利用
・DHC全国約140地区で初めての利用となります。
都内大規模複合開発で初めての地中熱利用
・全国では、公共施設、事務所ビル、病院、大学、住宅等の建物への導入事例があります。
 未だ普及途上にあります。融雪目的で道路等でも用いられています。
○「基礎杭利用方式」
建物の基礎杭を有効利用します。
・建物を支える杭に、環境的な機能をも持たせられます。
・建物直下の地盤を活用できます。
・当地区、逆打ち工法建物での基礎杭利用方式の施工は、全国で初めてとなります。
(4)導入効果
○予想採放熱量
・予想採放熱量:1,477GJ / 年 ・冷熱:674GJ / 年 ・温熱:803GJ / 年
○省エネ効果
同規模の従来式システム(冷熱:空冷チラー、温熱:ガス焚きボイラー)と比べ、エネルギー消費量を年間約48%削減。
・従来式システムエネルギー消費量:1,588GJ / 年
・地中熱利用システムエネルギー消費量:830GJ / 年(約48%減)
○省CO2効果
同規模の従来式システムと比べ、CO2排出量を年間約40%削減。
・従来式システムCO2排出量:78t / 年
・地中熱利用システムCO2排出量:47t / 年(約40%減)
○ヒートアイランド抑制効果
地中熱利用システムは、大気放熱が「0」
・従来式システム大気放熱量:7,176MJ / 日 その分を抑制。