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地中熱ヒートポンプ（地熱ヒートポンプとも呼ばれる）は、地中との間で熱を移動させるためにヒートポンプを使用する建物の冷暖房システムで、季節を通して地中の温度が比較的安定していることを利用します。地中熱ヒートポンプ（GSHP）は、北米では一般的に地熱ヒートポンプ（GHP）と呼ばれていますが、抵抗式電気ヒーターよりも少ないエネルギーで、HVAC（冷暖房空調）や給湯を行うための最もエネルギー効率の高い技術の一つです。
効率は成績係数（CoP）で表され、通常は3～6の範囲です。これは、機器が使用する電力1単位あたり3～6単位の熱を供給することを意味します。設置コストは、広い範囲に地中ループを設置したり、ボーリング孔を掘削したりする必要があるため、他の暖房システムよりも高くなります。[ 1 ]空気源ヒートポンプは設置コストは低いですが、非常に寒いまたは非常に暑い天候ではCoPが低くなります。
地中熱ヒートポンプは、外気温と地中の様々な深さにおける温度差を利用する。
地表付近の地盤の熱特性[ 2 ] [ 3 ]は次のように説明できます。
「浸透深さ」[ 3 ]は、温度変数が地表面での変動の0.01未満となる深さとして定義されます。これは土壌の種類にも依存します。
ヒートポンプは1853年にケルビン卿によって記述され、 1855年にペーター・リッター・フォン・リッティンガーによって開発されました。ハインリヒ・ツェリーは1912年に、地中から熱を取り出すためにヒートポンプを使用するというアイデアの特許を取得しました。[ 4 ]
冷凍庫での実験の後、ロバート・C・ウェバーは1940年代後半に最初の直接交換式地中熱ヒートポンプを製作したが、彼の発明の正確な時期については資料によって意見が分かれている。 [ 4 ] [ 5 ]最初の商業的に成功したプロジェクトは1948年にコモンウェルス・ビルディング（オレゴン州ポートランド）に設置され、ASMEによって国家歴史的機械工学ランドマークに指定されている。[ 6 ]オハイオ州立大学のカール・ニールセン教授は1948年に自宅に最初の住宅用オープンループバージョンを製作した。[ 7 ]
1973年の石油危機の結果、地中熱ヒートポンプはスウェーデンで人気を博し、その後技術の向上に伴い世界的に徐々に普及していった。1979年にポリブチレンパイプが開発され、閉ループシステムが経済的に実現可能になるまでは、開放ループシステムが市場を支配していた。 [ 6 ]
2004 年現在、世界中で 100 万台以上が設置されており、 年間 10% の成長率で 12 GW の熱容量を提供しています。[ 8 ]毎年 (それぞれ 2011 年と 2004 年現在)、米国では約 80,000 台[ 9 ]、スウェーデンでは 27,000 台が設置されています。[ 8 ]フィンランドでは、2006 年と 2011 年の間に、地熱ヒートポンプが新築戸建て住宅で最も一般的な暖房システムの選択肢であり、市場シェアは 40% を超えました。[ 10 ] 2021 年、ヒートポンプは世界の暖房機器販売の 10% を占めました。[ 11 ]
英国では、2022年のボイラーアップグレードスキームにより、地中熱ヒートポンプの需要が高まっています。[ 12 ] 2023年には、英国で2,469台の地中熱ヒートポンプが設置されました。[ 13 ]このスキームは2027年に終了します。[ 12 ]
ヒートポンプは、建物の冷暖房の中核となる装置です。通常、主に2つの種類があります。
液対水ヒートポンプ（水対水とも呼ばれる）は、配管を通して建物全体に暖房または冷房を運び、従来のラジエーター、床暖房、ベースボードラジエーター、温水タンクに送る温水システムです。これらのヒートポンプは、プールの暖房にも好まれます。ヒートポンプは通常、水を約55 °C (131 °F)までしか効率的に加熱しませんが、ボイラーは通常65～95 °C (149～203 °F)で動作します。ボイラーで達成されるより高い温度用に設計されたラジエーターのサイズは、ヒートポンプで使用するには小さすぎる場合があり、住宅をボイラーからヒートポンプに改造する場合は、より大きなラジエーターに交換する必要があります。冷房に使用する場合、循環水の温度は通常、ラジエーターに大気中の湿気が結露しないように露点より高く保つ必要があります。
液対空気ヒートポンプ（水対空気とも呼ばれる）は強制送風式で、従来の強制送風式暖房炉やセントラル空調システムの代替として最も一般的に使用されています。分離型システム、高速システム、ダクトレスシステムなど、さまざまなバリエーションがあります。ヒートポンプは従来の暖房炉ほど高い流体温度を達成できないため、それを補うためにより多くの空気流量が必要です。
地中熱ヒートポンプは、地中または地下水と接触する地中熱交換器を用いて熱を抽出または放散します。地中ループの配管は通常、高密度ポリエチレン管でできており、水と不凍液（プロピレングリコール、変性アルコール、またはメタノール）の混合物を含んでいます。モノプロピレングリコールは、地中に漏れた場合でも最も被害が少ないため、ヨーロッパの多くの国で地中熱ヒートポンプに使用できる唯一の不凍液となっています。
水平閉ループフィールドは、地面に平面状に並べられたパイプで構成されます。凍結線よりも深い長い溝を掘り、その溝の中にU字型またはスリンキー型のコイルを広げます。浅い3～8フィート（0.91～2.44m ）の水平熱交換器は、地表での太陽熱の獲得と周囲の空気への伝達損失により、季節的な温度サイクルを経験します。これらの温度サイクルは熱慣性により季節に遅れるため、熱交換器は数ヶ月前に太陽によって蓄積された熱を回収しますが、冬の終わりと春には蓄積された冬の寒さのために重くなります。湿った地面または水中のシステムは、水が砂や土の固体よりも熱を伝導および蓄積する能力が高いため、一般的に乾燥した地中ループよりも効率的です。地面が自然に乾燥している場合は、地中ループを湿った状態に保つために散水ホースを地中ループと一緒に埋めることができます。
垂直システムは、深さ約50 ～ 400 フィート (15 ～ 122 m)の複数のボーリング孔で構成され、U 字型のパイプが取り付けられており、そのパイプ内を熱を運ぶ流体が循環し、地中から熱を吸収 (または放出) したり、地中へ熱を放出したりします。[ 14 ] [ 15 ]ボーリング孔は少なくとも 5 ～ 6 m 間隔で配置され、深さは地盤と建物の特性によって異なります。あるいは、パイプは建物を支える基礎杭と一体化することもできます。垂直システムは、夏の間や余剰熱が利用可能なその他の時期に補充されない限り、周囲の地質からの熱の移動に依存しています。
垂直システムは、水平システムを設置するのに十分な土地がない場合によく使用されます。例えば、10 kW (3トン) の暖房能力が必要な戸建て住宅では、深さ80 ～ 110 m (260 ～ 360フィート)のボーリング孔が 3 つ必要になる場合があります。[ 16 ]
溝掘りの代替手段として、ミニ水平方向掘削（ミニHDD）によるループの設置も可能です。この工法では、庭、私道、庭園、その他の構造物を傷つけることなく配管を敷設でき、費用は溝掘りと垂直掘削の中間程度です。また、このシステムは水平・垂直掘削とは異なり、ループは中央のチャンバーから設置されるため、必要な地盤面積をさらに削減できます。ラジアル掘削は、使用する機器が小型で既存の構造物の下にも掘削できるため、建物が完成した後に後付けで設置されることがよくあります。
開放ループシステム（地下水ヒートポンプとも呼ばれる）では、二次ループが井戸または水域から天然水をヒートポンプ内部の熱交換器に送り込みます。水の化学組成は制御されないため、熱交換器とポンプに異なる金属を使用することで、機器を腐食から保護する必要がある場合があります。時間の経過とともに石灰スケールがシステムを汚染し、定期的な酸洗浄が必要になる場合があります。これは、暖房システムよりも冷房システムでより大きな問題となります。[ 17 ]スタンディングカラム井戸システムは、深い岩盤井戸の底から水を汲み上げ、ヒートポンプを通過させて井戸の上部に戻す特殊なタイプの開放ループシステムです。[ 18 ]地表に排水する開放ループシステムは帯水層を枯渇させたり井戸を汚染したりする可能性があるため、ますます多くの管轄区域で禁止されています。これにより、より環境に優しい注入井戸または閉鎖ループシステムの使用が強制されます。
閉鎖型池ループは、フレームに取り付けられたスリンキーループに似たパイプのコイルで構成され、適切なサイズの池または水源の底に設置されます。人工池は、一部の中央太陽熱暖房プラントで熱貯蔵（最大90%の効率）として使用され、その後、大型ヒートポンプを介して熱を抽出（地中蓄熱と同様）して地域暖房に供給します。[ 19 ] [ 20 ]
直接交換式地熱ヒートポンプ（DX）は、冷媒自体が地中ループを通過する、最も古いタイプの地熱ヒートポンプ技術です。1980年代に開発されたこの方式は、特に1989年のCFC冷媒禁止以降、冷媒とオイルの管理システムに問題が生じ、現在ではDXシステムはほとんど使用されていません。
システムの適切な設計とサイズ決定（および熱融着が必要な場合は配管の設置）に必要な技術的知識と機器のため、GSHP システムの設置には専門家のサービスが必要です。いくつかの設置業者は、最近の住宅設置のオンライン コミュニティでシステムの性能のリアルタイム ビューを公開しています。国際地中熱ヒートポンプ協会 ( IGSHPA ) [ 21 ] 、地熱交換機構 (GEO) [ 22 ] 、カナダ地中熱交換連合、および地中熱ヒートポンプ協会は、米国、カナダ、および英国の資格のある設置業者のリストを維持しています。[ 23 ]さらに、水平システムの場合は土壌の熱伝導率、垂直システムの場合は地層の熱伝導率の詳細な分析により、一般的に、より正確に設計された、より高い効率のシステムが得られます。[ 24 ]
冷房性能は通常、エネルギー効率比(EER)として BTU/hr/watt の単位で表され、暖房性能は通常、成績係数(COP) として無次元単位に縮小されます。変換係数は 3.41 BTU/hr/watt です。ヒートポンプは消費する電気エネルギーの 3 ～ 5 倍の熱エネルギーを移動させるため、総エネルギー出力は電気入力よりもはるかに大きくなります。これにより、放射電気暖房の効率が 100% であるのに対し、正味熱効率は 300% を超えます。従来の燃焼炉や電気ヒーターは、 100% の効率を超えることはありません。地中熱ヒートポンプは、標準的な空調機器を使用した電気抵抗暖房と比較して、エネルギー消費量とそれに伴う大気汚染物質の排出量を最大 72% 削減できます。[ 25 ]
効率的なコンプレッサー、可変速コンプレッサー、大型の熱交換器はすべてヒートポンプの効率に貢献します。現在市販されている住宅用地中熱ヒートポンプの標準COPは2.4～5.0、EERは10.6～30です。[ 26 ] [ 27 ]エネルギースターラベルを取得するには、ヒートポンプは地中熱交換器の種類に応じて、特定の最小COPおよびEER定格を満たす必要があります。クローズドループシステムの場合、ISO 13256-1暖房COPは3.3以上、冷房EERは14.1以上でなければなりません。[ 28 ]
ARI 210 および 240 規格では、季節変動が空気源ヒートポンプに与える影響を考慮するために、季節エネルギー効率比(SEER) および暖房季節性能係数(HSPF) を定義しています。これらの数値は通常、適用されず、地中熱源ヒートポンプの評価と比較すべきではありません。ただし、カナダ天然資源省は、このアプローチを採用して、カナダの地中熱源ヒートポンプの典型的な季節調整済み HSPF を計算しています。[ 16 ] NRC の HSPF は、カナダで最も人口の多い地域で 8.7 ～ 12.8 BTU/hr/watt (無次元係数で 2.6 ～ 3.8、季節平均電力利用効率で 255% ～ 375%) の範囲でした。
ヒートポンプ機器を他のシステムコンポーネントとは独立して比較するために、米国冷媒協会(ARI) および最近では国際標準化機構によっていくつかの標準試験条件が確立されています。標準 ARI 330 定格は、閉ループ地中熱ヒートポンプを対象としており、二次ループ水の温度を冷房の場合は25 °C (77 °F) 、暖房の場合は0 °C (32 °F)と想定しています。これらの温度は、米国北部の設置で一般的です。標準 ARI 325 定格は、開放ループ地中熱ヒートポンプを対象としており、地下水温度10 °C (50 °F)と21 °C (70 °F)の 2 つの定格が含まれています。ARI 325 は、ARI 330 よりも多くの電力を揚水用に予算化しています。これらの標準はいずれも季節変動を考慮していません。標準 ARI 870 定格は、直接交換地中熱ヒートポンプを対象としています。ASHRAEは2001年にISO 13256-1に移行し、ARI 320、325、330を置き換えた。新しいISO規格では、ウォーターポンプ用の電力を予算に計上しなくなったため、わずかに高い評価が得られる。[ 26 ]
人工的な熱の加減を行わない土壌は、数メートル以上の深さでは年間を通して比較的一定の温度を保ちます。この温度は、おおよそその場所の年間平均気温に相当し、米国北部では深さ6メートル（20フィート）で通常7～12 ℃（45～54 °F）です。この温度は季節を通して気温よりも安定しているため、地中熱ヒートポンプは、極端な気温の時でもエアコンや空気熱ヒートポンプよりもはるかに高い効率で動作します。
地中熱交換器 (GHE) [ 29 ]の熱応答を予測する際の課題は、関与する時間スケールと空間スケールの多様性です。GHE の熱伝達には、4 つの空間スケールと 8 つの時間スケールが関与します。実用上重要な最初の空間スケールは、ボーリング孔の直径 (約 0.1 m) であり、関連する時間は 1 時間程度で、その間、埋め戻し材の熱容量の影響が大きくなります。2 番目に重要な空間次元は、隣接する 2 つのボーリング孔間の距離の半分であり、数メートル程度です。対応する時間は 1 か月程度で、その間、隣接するボーリング孔間の熱的相互作用が重要になります。最大の空間スケールは、ボーリング孔の半分の長さや GHE クラスターの水平スケールなど、数十メートル以上になることがあります。関与する時間スケールは、GHE の寿命 (数十年) と同じくらい長いです。[ 30 ]
地中熱ヒートポンプシステムのエネルギー解析、および最適な制御と運転には、地中の短期的な時間単位の温度応答が不可欠です。一方、長期的な応答は、ライフサイクルの観点からシステムの全体的な実現可能性を決定します。
GHEの設計初期段階でエンジニアが尋ねる主な質問は、(a)循環流体と地中との特定の温度差が与えられた場合、GHEの熱伝達率は時間の関数としてどうなるか、(b)必要な熱交換率が与えられた場合、温度差は時間の関数としてどうなるか、というものです。熱伝達の言葉で言えば、この2つの質問はおそらく次のように表現できます。
ここで、T fは循環流体の平均温度、T 0は地盤の有効で乱されていない温度、q lは単位時間・単位長さあたりの GHE の熱伝達率 (W/m)、Rは総熱抵抗 (m . K/W) です。R ( t )は多くの場合、熱伝達解析によって決定する必要のある未知の変数です。R ( t )は時間の関数ですが、解析モデルでは解析を簡略化するために、それを時間非依存部分と時間依存部分にのみ分解します。
時間によらないRと時間に依存するRのさまざまなモデルは、参考文献に記載されています。[ 14 ] [ 15 ]さらに、特に大規模な商業サイト（例えば、10以上の井戸）では、ループフィールドのサイズを最適化するために、地盤の熱伝導率の決定論的解析を行うために、熱応答テストがよく実行されます。
地中熱ヒートポンプの効率は、季節的な熱エネルギー貯蔵と季節間の熱伝達を利用することで大幅に向上させることができます。[ 31 ]夏に蓄熱バンクに回収・貯蔵された熱は、冬に効率的に取り出すことができます。蓄熱効率は規模とともに向上するため、この利点は商業用または地域暖房システムで最も顕著になります。
地中太陽熱複合システムは、帯水層を蓄熱源として温室の暖房と冷房に使用されています。[ 20 ] [ 32 ]夏には、温室は冷たい地下水で冷やされます。これにより帯水層の水が温められ、冬には暖房用の温水源として利用できます。[ 32 ] [ 33 ]冷熱貯蔵とヒートポンプの組み合わせは、水/湿度調節と組み合わせることができます。これらの原理は、あらゆる種類の建物に再生可能な熱と再生可能な冷房を提供するために使用されています。 [ 34 ]
また、既存の小型ヒートポンプ設備の効率は、大型で安価な水入り太陽熱集熱器を追加することで向上させることができます。これらは、改修予定の駐車場や、外層に1インチのPEパイプを設置することで壁や屋根の構造物に組み込むことができます。
米国環境保護庁（EPA）は、地中熱ヒートポンプを、最もエネルギー効率が高く、環境に優しく、費用対効果の高い空調システムと呼んでいます。[ 35 ]ヒートポンプは、再生可能資源から電力が生産される場合、大幅な排出量削減の可能性を秘めています。
地中熱ヒートポンプ（GSHP）は比類のない熱効率を誇り、地域での排出量はゼロですが、100％再生可能エネルギーでない限り、その電力供給には温室効果ガス排出量の多い部品が含まれます。したがって、その環境への影響は、電力供給の特性と利用可能な代替手段によって異なります。
ヒートポンプによる従来の炉に対するGHG排出量の削減は、次の式に基づいて計算できます。[ 39 ]
地中熱ヒートポンプは、エアコン、石油暖房、電気暖房よりも常に温室効果ガスの排出量が少ないが、地域の電力供給の温室効果ガス排出強度によっては、天然ガス暖房も競争力を持つ可能性がある。カナダやロシアのように電力インフラの排出量が少ない国では、家庭用ヒートポンプは石油暖房に比べて年間5トンの二酸化炭素を削減でき、これは平均的な乗用車を道路からなくすのとほぼ同等の効果がある。しかし、北京やピッツバーグのように発電を石炭に大きく依存している都市では、ヒートポンプは天然ガス暖房よりも1～2トン多くの二酸化炭素を排出する可能性がある。ただし、電力会社の天然ガスインフラが整備されていない地域では、これより良い代替手段は存在しない。
閉ループで使用される流体は生分解性で無毒になるように設計されているが、ヒートポンプキャビネットおよび直接交換ループで使用される冷媒は、最近までオゾン層破壊物質であるクロロジフルオロメタンであった。 [ 26 ]封じ込められている間は無害であるが、漏洩や使用済み時の不適切な廃棄はオゾンホールの拡大につながる。新規建設では、この冷媒はオゾン層に優しいが強力な温室効果ガスであるR410Aに置き換えられつつある。開放ループシステム（つまり、ボアホール熱交換器を使用する閉ループシステムとは対照的に地下水を汲み上げるシステム）は、使用済みの水を再注入してバランスを取る必要がある。これにより、帯水層の枯渇や、地下からの塩水やその他の化合物による土壌や地表水の汚染を防ぐことができる。
掘削前には、地下の地質を理解する必要があり、掘削者は地層間の水の浸入を防ぐなど、掘削孔を密閉する準備をする必要があります。ドイツのシュタウフェン・イム・ブライスガウの地熱暖房プロジェクトは、歴史的建造物にかなりの損害を与えたようで、不幸な例です。2008年には、市の中心部が最初に数ミリメートル沈下した後、12 cm (4.7インチ)上昇したと報告されました。 [ 40 ] [ 41 ]掘削によって自然に加圧された帯水層が掘削孔から水が入り込み、この水は無水石膏の層に入り込みました。無水石膏は濡れると膨張して石膏を形成します。膨張は無水石膏が完全に反応すると止まり、市の中心部の再建は「隆起が止まるまで適切ではない」とされています。2010年までに掘削孔の密閉は完了していませんでした。[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] 2010年までに、町の一部は30cm （12インチ）上昇した。[ 45 ]
地中熱ヒートポンプは、他のHVACシステムと比較して、初期費用が高く、運転費用が低いという特徴があります。その全体的な経済的メリットは、主に電気と燃料の相対的なコストに依存しますが、これらは時間とともに、また世界中で大きく変動します。最近の価格に基づくと、地中熱ヒートポンプは現在、世界のほぼすべての場所で、他のどの従来の暖房源よりも運転コストが低くなっています。運転コストが競争力のある燃料は天然ガスのみで、しかも天然ガスが非常に安い国、または電気が非常に高い国に限られます。[ 39 ]一般的に、住宅所有者は、通常のシステムから地中熱システムに切り替えることで、光熱費を年間 20% ～ 60% 節約できます。[ 46 ] [ 47 ]
設備投資費用とシステムの寿命については、最近まであまり研究されておらず、投資収益率も大きく変動します。システムの価格が急上昇する一方で、効率と信頼性も急速に向上しています。設備投資費用は規模の経済の恩恵を受けることが知られており、特にオープンループシステムでは、大規模な商業ビルや厳しい気候条件において費用対効果が高くなります。初期費用は、新築または既存の住宅のほとんどの用途において、従来の暖房システムの2～5倍になる可能性があります。改修の場合、設置費用は居住面積、住宅の築年数、断熱特性、地域の地質、物件の場所によって左右されます。適切なダクトシステムの設計と機械式換気は、初期システム費用に考慮する必要があります。
資本コストは政府の補助金で相殺される可能性があります。たとえば、オンタリオ州は2009会計年度に設置された住宅用システムに対して7000ドルを提供しました。一部の電力会社は、建物の暖房または冷房用に地中熱ヒートポンプを設置する顧客に特別料金を提供しています。[ 48 ]発電所は夏季に負荷が大きく、冬季に遊休設備があるため、冬季の電力販売が増加します。ヒートポンプは、ヒートポンプの効率が高いため、夏季の負荷ピークも下げ、新しい発電所の建設費用を回避します。同様の理由で、他の電力会社も顧客の住宅への地中熱ヒートポンプの設置費用を負担し始めています。彼らは顧客にシステムを月額料金でリースし、顧客は全体として節約できます。
システムの寿命は、従来の暖房および冷房システムよりも長い。技術が新しすぎるため、システムの寿命に関する適切なデータはまだ入手できないが、多くの初期のシステムは、定期的なメンテナンスにより、25～30年後も現在も稼働している。ほとんどのループフィールドには25～50年の保証が付いており、少なくとも50～200年は持つと予想されている。[ 46 ] [ 49 ]地中熱ヒートポンプは、電気を使用して家を暖める。従来の石油、プロパン、または電気システムよりも高い投資は、米国の住宅用システムでは2～10年でエネルギー節約によって回収できる可能性がある。[ 50 ] [ 47 ] [ 49 ]米国の大規模な商業用システムの回収期間は、天然ガスと比較しても1～5年である。[ 47 ]さらに、地熱ヒートポンプは通常、屋外コンプレッサーや冷却塔がないため、破壊行為のリスクが軽減または排除され、システムの寿命が延びる可能性がある。[ 51 ]
地中熱ヒートポンプは、市場で最も効率的な暖房および冷房システムの1つとして認識されています。地中温度による熱効率の低下にもかかわらず、極端な気候では（コージェネレーションに次いで）2番目に費用対効果の高いソリューションとなることがよくあります。（強力な冷房が必要な気候では地中熱源は暖かく、強力な暖房が必要な気候では地中熱源は冷たくなります。）これらのシステムの経済的実現可能性は、地中熱交換器（GHE）の適切なサイズに依存しており、GHEは一般的にGSHPシステムの全体的な資本コストに最も大きく寄与します。[ 52 ]
米国の商業用システムのメンテナンス費用は、歴史的に1996年ドル換算で1平方メートルあたり年間0.11ドルから0.22ドルの間で、従来のHVACシステムの平均である1平方メートルあたり年間0.54ドルよりもはるかに低い。[ 6 ]
再生可能エネルギーを推進する政府は、消費者（住宅）市場または産業市場に対してインセンティブを提供する可能性が高い。例えば、米国では、州政府と連邦政府の両方でインセンティブが提供されている。[ 53 ]
![{\displaystyle q_{l}=[T_{f}(t)-T_{0}]/R(t)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3219a6a4b98c827283b5d8ef9e77ab61e7c6f711)
