地球の地下は、地表での天候の日々および季節的な変化にもかかわらず、特定の深さで比較的安定した温度に保たれています。岩石や土には、熱エネルギーを長期間蓄える能力もあります。
地中結合型ヒート ポンプ (GCHP) システムは、ボアホール熱交換器 (BHE) または地中結合型熱交換器と呼ばれる、一連のボアホールを通して汲み上げられる加熱または冷却された水を使用して、地下から熱エネルギーを貯蔵または抽出できます。 .建物からのエネルギーは、夏季に冷却のために地下に蓄えられます。エネルギーは、冬に暖房のために地下から建物に移動することもできます。ヒートポンプは、エネルギーをある場所から別の場所に移動するだけなので効率的です。 GCHP システムの場合、冷暖房用の循環流体を介して地面と建物の間で熱が伝達されます。
大規模な GCHP システムは、大学、政府機関、企業などの機関が二酸化炭素排出量を削減し、ワークスペースをより効率的に冷暖房する方法を見つけるにつれて、ますます一般的になっています。ミズーリ科学技術大学、ボール州立大学、ロバート ストックトン カレッジ、およびコロラド州議会議事堂とミシガン州議会議事堂の最近のシステムは、これらの大規模な GCHP システムを完成させました。ミズーリ科学技術大学のシステムは、老朽化した石炭火力発電所を置き換えて以来、エネルギー消費量を 57% 削減し、二酸化炭素排出量を 25,000 トン削減し、水消費量を年間 1,870 万ガロン削減したと報告しています。 .
これらの大規模システムの建設が急増しているにもかかわらず、建設前の地下水の状態にはほとんど注意が払われていません。システムの設計は、通常 48 時間にわたって実施される単一の熱応答テスト (TRT) に依存します。 TRT は、地下の岩石と土壌の全体的な熱特性を決定します。これにより、掘削孔の深さや数など、BHE のサイズが決まります。
最近の 2 つの論文では、「カルスト帯水層における大規模なボアホール熱交換器の有効性に対する季節的な地下水飽和の影響」と「大規模な地盤結合ヒート ポンプのボアホール熱交換器に対する地下水の流れの変化の観察された影響」があります。両方とも最近 Geothermics に掲載されました 、David Smith、A.C. Elmore、および Jordan Thompson は、飽和や地下水の流れなどの長期にわたる帯水層の変化が、これらの大規模 GCHP システムの性能に大きな影響を与える可能性があることを示しています。
この研究は、ミズーリ科学技術大学にある大型の 144 ウェル BHE の数年間にわたる性能に焦点を当てています。 BHE は、非常に生産性の高いカルスト ドロマイトと砂岩の帯水層に建設されました。この帯水層は、通常、水位が 30 ～ 40 フィートの間で変化し、サイト周辺で大規模な市営井戸が稼働しているため、流量もわずかに変化します。
この研究では、帯水層の水位が低下し、飽和度が低下する乾期には、BHE の有効性も 50% も低下することが示されました。 BHE は、最近の降雨により水位が最も高くなった晩春に最高の効率を持つ傾向がありました。地下水の流れも BHE の性能に影響を与えることが示されましたが、流れの変化は小さく、BHE への影響も地下水位の変化の影響と比較して小さかった.
これらの論文は、業界標準の単一の熱応答テストだけでは、これらの大規模で高価なシステムを適切に設計するには十分ではない可能性があるという強力な証拠を示しています。単一の熱応答テストは、実施時期によっては、システムのオーバーサイジングまたはアンダーサイジングにつながる可能性があります。岩相、長期的な地下水位、地下水の流れなどの地下の適切な特性評価と、複数の熱応答テストを組み合わせることで、これらのシステムの設計者は、システムを設計できるさまざまな地下条件を得ることができます。
これらの調査結果は、「カルスト帯水層における大規模なボアホール熱交換器の有効性に対する季節的な地下水飽和の影響」および「大規模な地盤結合熱のボアホール熱交換器に対する地下水の流れの変化の観測された影響」というタイトルの記事で説明されています。ポンプ システム、どちらもジャーナル Geothermics に最近掲載されました .この作業は、ミズーリ科学技術大学の David Smith、A.C. Elmore、および Jordan Thompson によって実施されました。
参考文献:
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