特開 2021-148335 地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転設計方法および制御システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-148335(P2021-148335A)

(43)【公開日】2021年9月27日

(54)【発明の名称】地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転設計方法および制御システム

(51)【国際特許分類】

   F24F 11/63 20180101AFI20210830BHJP

   F25B 30/06 20060101ALI20210830BHJP

   F25B 27/00 20060101ALI20210830BHJP

【ＦＩ】

   F24F11/63

   F25B30/06 T

   F25B27/00 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】21

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】52

(21)【出願番号】特願2020-46596(P2020-46596)

(22)【出願日】2020年3月17日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 〔１〕 発行日： 平成３１年３月２０日 刊行物： 空気調和・衛生工学会北海道支部第５３回学術講演会論文集 第９９〜１０２頁 公益社団法人空気調和・衛生工学会北海道支部 ＜資料＞ 学術講演会論文集 第９９〜１０２頁 抜粋 〔２〕 開催日 ：平成３１年３月２０日 集会名、開催場所：空気調和・衛生工学会北海道支部第５３回学術講演会 公益社団法人空気調和・衛生工学会 主催 北海道大学工学部学術交流会館小講堂・第１会議室 ＜資料＞ 学術講演会・プログラム プリントアウト 〔３〕 発行日： 令和１年９月４日 刊行物： 令和元年度空気調和・衛生工学会大会、第１１７〜１２０頁（ＤＶＤ−ＲＯＭ） 公益社団法人空気調和・衛生工学会 ＜資料＞ 令和元年度空気調和・衛生工学会大会 第１１７〜１２０頁 抜粋 〔４〕 開催日 ：令和１年９月１９日 集会名、開催場所：令和元年度空気調和・衛生工学会大会 公益社団法人空気調和・衛生工学会 主催 北海道科学大学 Ｅ４０３講義室 ＜資料＞ 令和元年度空気調和・衛生工学会大会・プログラム

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度 国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「再生可能エネルギー熱利用技術開発／地中熱利用トータルシステムの高効率化技術開発及び規格化、および再生可能エネルギー熱利用のポテンシャル評価技術の開発／低コスト・高効率を実現する間接型地中熱ヒートポンプシステムの開発と地理地盤情報を利用した設計・性能予測シミュレーションツール・ポテンシャル評価システムの開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】306022513

【氏名又は名称】日鉄エンジニアリング株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100188592

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 洋

(72)【発明者】

【氏名】中村 靖

(72)【発明者】

【氏名】葛 隆生

【テーマコード（参考）】

3L260

【Ｆターム（参考）】

3L260AB06

3L260AB09

3L260BA46

3L260BA75

3L260CA40

3L260CB37

3L260CB40

3L260CB43

3L260CB67

3L260FA15

3L260FB51

3L260FB54

3L260HA06

(57)【要約】

【課題】HR-GSHPシステムを設計、制御する。
【解決手段】地中熱利用熱回収ヒートポンプ１１システム１０の運転設計方法は、所定の長期間において予測される負荷対象の負荷のうち、長期間を分割してなる複数の短期間ごとに複数台の地中熱ヒートポンプ１１が担う負荷を演算する第１演算工程と、分割した短期間ごとに複数台の地中熱ヒートポンプ１１における採熱量の総和と放熱量の総和とを演算する第２演算工程と、採熱量の総和と放熱量の総和が第１制限値以下となるように、短期間ごとに複数台の地中熱ヒートポンプ１１の運転を設計する運転設計工程と、を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

地盤に対して採放熱を行う地中熱交換器と、
前記地中熱交換器との間で熱媒を循環させ、負荷対象の熱負荷を処理する複数台の地中熱ヒートポンプと、
前記負荷対象の熱負荷処理について前記地中熱ヒートポンプを補助する補助熱源機と、前記地中熱交換器を補助する補助熱源と、を備える地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転設計方法であって、
所定の長期間において予測される前記負荷対象の負荷のうち、前記長期間を分割してなる複数の短期間ごとに前記複数台の地中熱ヒートポンプが担う負荷を演算する第１演算工程と、
分割した前記短期間ごとに前記複数台の地中熱ヒートポンプにおける採熱量の総和と放熱量の総和とを演算する第２演算工程と、
前記採熱量の総和と前記放熱量の総和から同時刻に発生する前記採熱量の総和と前記放熱量の総和を打ち消し合い、残る前記採熱量の総和を地中熱交換器における採熱量の総和とし、残る前記放熱量の総和を地中熱交換器における放熱量の総和とする第３演算工程と、
分割した前記短期間ごとに、前記地中熱交換器内における前記熱媒の温度変化が、前記複数台の地中熱ヒートポンプそれぞれの能力および効率を落とさない規定値以下になるような、各時刻における前記地中熱交換器採熱量の制限値および前記地中熱交換器放熱量の制限値としての第１制限値を演算する第４演算工程をさらに備え、
各時刻における前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量がそれぞれの前記第１制限値以下になるように、前記短期間ごとに前記複数台の地中熱ヒートポンプの運転を設計する運転設計工程と、を備えている運転設計方法。

【請求項2】

前記第４演算工程は、
前記地中熱交換器の単位長さあたりの採放熱量と、前記地中熱交換器を流れる熱媒の温度変化と、の関係を表す単位採放熱係数ｑ’を、分割した前記短期間ごとに演算する係数演算工程と、
前記単位採放熱係数ｑ’に基づいて前記第１制限値を演算する制限値演算工程と、を備えている請求項１に記載の運転設計方法。

【請求項3】

前記係数演算工程は、
対象となる前記短期間内における複数の採放熱のサイクルから代表サイクルを選定する工程と、
前記代表サイクルにおける採熱時間および放熱時間の合計時間ｔ_ｃ、前記代表サイクルにおける総採熱量と最大採熱量との比である総採熱量／最大採熱量で求められる採熱全負荷相当時間ｔ_ｃｅ、および、前記代表サイクルにおける総放熱量と最大放熱量との比である総放熱量／最大放熱量で求められる放熱全負荷相当時間ｔ_ｅｉに基づいて前記単位採放熱係数ｑ’を演算する工程と、を備えている請求項２に記載の運転設計方法。

【請求項4】

前記係数演算工程は、
前記地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム設置後、最初の運転開始時から前記短期間開始時までの第１演算期間における平均地中熱採放熱量を求め、前記第１演算期間中に連続して前記平均地中熱採放熱量が地盤に与えられた場合の第１地中温度変化を算出する第１演算工程と、
対象となる前記短期間を第２演算期間として前記第２演算期間における平均地中熱採放熱量を求めるとともに、前記第２演算期間内における複数の採放熱のサイクルのうち、前記第２演算期間中最も採放熱が連続し総採熱量、総放熱量が最大となるサイクルを代表サイクルとした上で、前記第２演算期間中において、前記代表サイクルにおける総採熱量と最大採熱量との比である総採熱量／最大採熱量で求められる採熱全負荷相当時間、および、前記代表サイクルにおける総放熱量と最大放熱量との比である総放熱量／最大放熱量で求められる放熱全負荷相当時間を除く期間、連続して前記平均地中採放熱量が地盤に与えられた場合の第２地中温度変化を算出する第２演算工程と、
前記採熱全負荷相当時間、前記代表サイクルにおける前記最大採熱量が地盤に与えられた場合の地中温度変化と、前記放熱全負荷相当時間、前記代表サイクルにおける前記最大放熱量が地盤に与えられた場合の地中温度変化である第３地中温度変化を算出する第３演算工程と、を備え、
前記係数演算工程では、
前記代表サイクルにおける前記最大採熱量と前記代表サイクルにおける前記最大放熱量と地中熱交換器総長から求められる単位長さあたりの採放熱量を、前記第１地中温度変化、前記第２地中温度変化、前記第３地中温度変化の和として求められる前記地中熱交換器を流れる熱媒の温度変化で除すことで、前記前記単位採放熱係数ｑ’を算出する請求項２に記載の運転設計方法。

【請求項5】

前記運転設計工程では、前記複数の短期間それぞれについて前記複数台の地中熱ヒートポンプの運転を設計することで、前記長期間での前記複数台の地中熱ヒートポンプの運転を設計する請求項１から４のいずれか１項に記載の運転設計方法。

【請求項6】

地盤に対して採放熱を行う地中熱交換器と、
前記地中熱交換器との間で熱媒を循環させ、負荷対象の熱負荷を処理する複数台の地中熱ヒートポンプと、
前記負荷対象の熱負荷処理について前記地中熱ヒートポンプを補助する補助熱源機と、前記地中熱交換器を補助する補助熱源と、を備える地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムであって、
所定の第１期間についての前記地中熱交換器内における前記熱媒の温度変化が、前記複数台の地中熱ヒートポンプそれぞれの能力および効率を落とさない規定値以下になるような、各時刻における前記地中熱交換器採熱量の制限値および前記地中熱交換器放熱量の制限値としての第１制限値を演算し、
常に前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量がそれぞれの前記第１制限値以下になるように、前記複数台の地中熱ヒートポンプの運転を制御する一方で、前記複数台の地中熱ヒートポンプそれぞれの熱量の過不足分を補助するように、前記補助熱源機と前記補助熱源を制御する制御システム。

【請求項7】

前記制御システムは、
前記地中熱交換器および前記複数台の地中熱ヒートポンプから計測データを取得する取得部と、
前記計測データに基づいて制御パラメータを演算するパラメータ演算部と、
前記制御パラメータに基づいて前記地中熱交換器および前記複数台の地中熱ヒートポンプを制御する制御部と、を備えている請求項６に記載の制御システム。

【請求項8】

前記計測データは、
前記複数台の地中熱ヒートポンプの一次側の出口温度と、
前記複数台の地中熱ヒートポンプの一次側の入口温度と、
前記複数台の地中熱ヒートポンプの一次側の循環流量と、
前記複数台の地中熱ヒートポンプの二次側の出口温度と、
前記複数台の地中熱ヒートポンプの二次側の入口温度と、
前記複数台の地中熱ヒートポンプの二次側の循環流量と、
前記複数台の地中熱ヒートポンプの消費電力と、
前記地中熱交換器の出口温度と、
前記地中熱交換器の入口温度と、
前記地中熱交換器の循環流量と、
前記地中熱交換器の出口温度と、
前記地中熱交換器の入口温度と、
前記地中熱交換器の循環流量と、のうちの少なくとも１つを含む請求項７に記載の制御システム。

【請求項9】

前記制御パラメータは、
前記地中熱交換器の採熱量の上限値と、
前記地中熱交換器の放熱量の上限値と、を含む請求項７または８に記載の制御システム。

【請求項10】

前記第１制限値の演算に際し、
前記地中熱交換器の単位長さあたりの採放熱量と、前記地中熱交換器を流れる熱媒の温度変化と、の関係を表す単位採放熱係数ｑ’を演算する係数演算工程と、
前記単位採放熱係数ｑ’に基づいて前記第１制限値を演算する制限値演算工程と、を実行する請求項６に記載の制御システム。

【請求項11】

前記係数演算工程として、
対象となる前記第１期間よりも前の所定の第２期間内における複数の採放熱のサイクルから代表サイクルを選定する工程と、
前記代表サイクルにおける採熱時間および放熱時間の合計時間ｔ_ｃ、前記代表サイクルにおける総採熱量と最大採熱量との比である総採熱量／最大採熱量で求められる採熱全負荷相当時間ｔ_ｃｅ、および、前記代表サイクルにおける総放熱量と最大放熱量との比である総放熱量／最大放熱量で求められる放熱全負荷相当時間ｔ_ｅｉに基づいて前記単位採放熱係数ｑ’を演算する工程と、を実行する請求項１０に記載の制御システム。

【請求項12】

前記係数演算工程として、
前記地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム設置後、最初の運転開始時から前記短期間開始時までの第１演算期間における平均地中熱採放熱量を求め、前記第１演算期間中に連続して前記平均地中熱採放熱量が地盤に与えられた場合の第１地中温度変化を算出する第１演算工程と、
対象となる前記短期間を第２演算期間として前記第２演算期間における平均地中熱採放熱量を求めるとともに、前記第２演算期間内における複数の採放熱のサイクルのうち、前記第２演算期間中最も採放熱が連続し総採熱量、総放熱量が最大となるサイクルを代表サイクルとした上で、前記第２演算期間中において、前記代表サイクルにおける総採熱量と最大採熱量との比である総採熱量／最大採熱量で求められる採熱全負荷相当時間、および、前記代表サイクルにおける総放熱量と最大放熱量との比である総放熱量／最大放熱量で求められる放熱全負荷相当時間を除く期間、連続して前記平均地中採放熱量が地盤に与えられた場合の第２地中温度変化を算出する第２演算工程と、
前記採熱全負荷相当時間、前記代表サイクルにおける前記最大採熱量が地盤に与えられた場合の地中温度変化と、前記放熱全負荷相当時間、前記代表サイクルにおける前記最大放熱量が地盤に与えられた場合の地中温度変化である第３地中温度変化を算出する第３演算工程と、を実行し、
前記係数演算工程では、
前記代表サイクルにおける前記最大採熱量と前記代表サイクルにおける前記最大放熱量と地中熱交換器総長から求められる単位長さあたりの採放熱量を、前記第１地中温度変化、前記第２地中温度変化、前記第３地中温度変化の和として求められる前記地中熱交換器を流れる熱媒の温度変化で除すことで、前記前記単位採放熱係数ｑ’を算出する請求項１０に記載の制御システム。

【請求項13】

前記複数台のヒートポンプには、熱源系統が複数系統設けられ、
前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量がそれぞれの前記第１制限値より大きい場合に、前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量からそれぞれの前記第１制限値を差し引くことにより、地中熱交換器採熱抑制量および地中熱交換器放熱抑制量を算出する第１演算工程と、
前記補助熱源が熱媒温度に対し採放熱可能な場合に、前記地中熱交換器採熱抑制量および前記地中熱交換器放熱抑制量から前記補助熱源で採放熱できる採熱量および放熱量を差し引き、残る前記地中熱交換器採熱抑制量および前記地中熱交換器放熱抑制量を算出する第２演算工程と、
前記第２演算工程の結果、残った前記地中熱交換器採熱抑制量および前記地中熱交換器放熱抑制量の一部または全部を、所定の運転出力抑制順位が高い前記熱源系統の地中熱ヒートポンプ採熱量および地中熱ヒートポンプ放熱量から差し引くことで、地中熱ヒートポンプ暖房出力および地中熱ヒートポンプ冷房出力を算定する第３演算工程、
前記第３演算工程の結果、さらに残る前記地中熱交換器採熱抑制量および前記地中熱交換器放熱抑制量を算出する第４演算工程と、
を実行し、
前記地中熱交換器採熱抑制量および前記地中熱交換器放熱抑制量が０になるまで第３演算工程と第４演算工程を繰返し、前記複数系統、複数台の地中熱ヒートポンプの出力を制御することにより前記地中熱ヒートポンプの運転を抑制制御する一方で、前記複数系統、複数台の地中熱ヒートポンプそれぞれの熱量の過不足分を補助するように、前記補助熱源機の出力と前記補助熱源の採放熱量を制御する請求項６に記載の制御システム。

【請求項14】

前記複数台のヒートポンプには、熱源系統が複数系統設けられ、
前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量がそれぞれの前記第１制限値より小さい場合に、それぞれの前記第１制限値から前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量を差し引くことにより、前記地中熱交換器採熱促進量および前記地中熱交換器放熱促進量を算出する第１演算工程と、
複数系統の前記熱源系統のうち、その熱源系統に対応する前記地中熱ヒートポンプを補助する前記補助熱源機が運転していて、かつ、その熱源系統に対応する前記地中熱ヒートポンプ出力が定格出力未満であるという2つの条件を満たす前記熱源系統において、所定の運転出力抑制順位が最も低い熱源系統から順番に、地中熱ヒートポンプ採熱量および地中熱ヒートポンプ放熱量に前記地中熱交換器採熱促進量および前記地中熱交換器放熱促進量の一部または全部を加え、地中熱ヒートポンプ暖房出力および地中熱ヒートポンプ冷房出力を算定する第２演算工程と、
前記第２演算工程において加えた分の採熱量および放熱量を前記地中熱交換器採熱促進量および前記地中熱交換器放熱促進量から差し引くことで、残る前記地中熱交換器採熱抑制量および前記地中熱交換器放熱抑制量を算出する第３演算工程と、
を実行し、
前記地中熱交換器採熱促進量および前記地中熱交換器放熱促進量が０になるまで第２演算工程と第３演算工程を繰返し、前記複数系統、複数台の地中熱ヒートポンプの出力を制御することにより地中熱ヒートポンプの運転を促進制御する一方で、前記複数系統、複数台の地中熱ヒートポンプそれぞれの熱量の過不足分を補助するように、前記補助熱源機の出力と前記補助熱源の採放熱量を制御する請求項６に記載の制御システム。

【請求項15】

前記運転出力抑制優先順位は、COPが低い順に、加熱運転系統と冷却運転系統で別々に設定する請求項１３または１４に記載の制御システム。

【請求項16】

前記各熱源系統の暖房運転総負荷および冷房運転総負荷と地中熱ヒートポンプ暖房合計定格能力および地中熱ヒートポンプ冷房合計定格能力を各々比較し、その小さい方から地中熱ヒートポンプ合計採熱量Q’g1eおよび地中熱ヒートポンプ合計放熱量Q’g1iを求め、その大きい方の運転状態を地中熱熱回収ヒートポンプシステムの運転状態と判断し、前記運転状態の判断に基づいて、前記地中熱ヒートポンプの冷房および暖房出力のどちらを抑制するか促進するかを判断し制御を行う請求項１３または１４に記載の制御システム。

【請求項17】

制御時点における実測の地中熱ヒートポンプ採熱量および地中熱ヒートポンプ放熱量から地中熱交換器採熱量および地中熱交換器放熱量を算出し、前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量と前記第１制限値を比較することで地中熱ヒートポンプ出力を抑制するか促進するかを判断し制御を行う請求項１３または１４に記載の制御システム。

【請求項18】

前記地中熱交換器が前記地盤に採放熱を行うときに、前記第１期間での前記地盤の温度変化が一定に抑えられるような前記第１制限値を設定する請求項７から１３のいずれか１項に記載の制御システム。

【請求項19】

地中熱ヒートポンプ採熱量および地中熱ヒートポンプ放熱量の、任意の短時間の平均値、および任意の長時間の平均値を計算する第１演算工程と、
暖房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度および冷房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の短時間の平均値、および任意の長時間の平均値を計算する第２演算工程と、
前記暖房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の短時間の平均値が、所定の採熱許容温度を下回った場合、および前記冷房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の短時間の平均値が放熱許容温度を上回った場合、（１）前記暖房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の短時間の平均値と前記採熱許容温度による初期地中温度からの温度変化量の比、および（２）前記冷房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の短時間の平均値と前記放熱許容温度による初期地中温度からの温度変化量の比を、前記地中熱ヒートポンプ採熱量および前記地中熱ヒートポンプ放熱量の任意の短時間の平均値に乗ずることにより算出される地中熱ヒートポンプ採熱量および地中熱ヒートポンプ放熱量を算出する第３演算工程と、
前記暖房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の長時間の平均値が、所定の採熱準許容温度を下回った場合、および前記冷房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の長時間の平均値が、所定の放熱準許容温度を上回った場合、（１）前記暖房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の長時間の平均値と前記採熱許容温度による初期地中温度からの温度変化量の比、および（２）前記冷房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の長時間の平均値と前記放熱許容温度による初期地中温度からの温度変化量の比を、前記地中熱ヒートポンプ採熱量および前記地中熱ヒートポンプ放熱量の任意の長時間の平均値に乗ずることにより算出した地中熱ヒートポンプ採熱量および地中熱ヒートポンプ放熱量を算出する第４演算工程と、を実行し、
前記第３演算工程および前記第４演算工程で算出した前記地中熱ヒートポンプ採熱量および前記地中熱ヒートポンプ放熱量のうち小なる方の値を前記第１制限値に置換え、
常に前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量がそれぞれの前記第１制限値以下になるように、前記複数台の地中熱ヒートポンプの運転を制御する一方で、前記複数台の地中熱ヒートポンプそれぞれの熱量の過不足分を補助するように、前記補助熱源機と前記補助熱源を制御する請求項１３または１４に記載の制御システム。

【請求項20】

前記地中熱ヒートポンプが安定的、かつ連続的に運転可能な熱媒温度を前記採熱許容温度、および前記放熱許容温度とし、前記採熱許容温度に任意の温度余裕を加えた温度を前記採熱準許容温度、および前記放熱許容温度に任意の温度余裕を減じた温度を前記放熱準許容温度とする請求項１９に記載の制御システム。

【請求項21】

前記運転出力抑制優先順位は暖房採熱運転地中熱ヒートポンプにおいてはCOPが高い順に、冷房放熱運転地中熱ヒートポンプにおいてはCOPが低い順に、加熱運転系統と冷却運転系統で別々に設定する請求項１９に記載の制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地中熱ヒートポンプ（GSHP）システムの設計に関する。この方法を用いることにより、例えば、温熱供給と冷熱供給を行う2種類以上のGSHPの一次側配管をGHEXに接続し、それぞれのヒートポンプを同時に運転もしくは短期間で繰り返し運転を行うHR-GSHPシステムについて、任意に設定した地中熱交換器（GHEX）長さに対して、最大限のGSHPシステムの導入効果などが得られる。その結果として、高効率なGSHPシステムの導入拡大に繋がり、CO₂排出量の抑制や、省エネルギー効果をもたらす。

【背景技術】

【0002】

温熱供給と冷熱供給を行う2種類以上のヒートポンプの一次側配管を共通の熱源水配管に接続し、それぞれのヒートポンプを同時に運転する熱回収ヒートポンプが知られている。熱回収ヒートポンプでは、温熱供給の際に発生する冷排熱と冷熱供給の際に発生する温排熱をそれぞれで熱源として熱回収利用する。これにより、例えば冷熱供給では冷却塔による冷却水温度（30℃余り）より低い温度の熱源水を利用でき、ヒートポンプを効率よく運転することができる。ただし、温熱供給と冷熱供給が同時に生じなければ、この熱回収利用による運転効率化は行うことができず、熱回収利用は断続的で限られたものとなる。
しかしながら、2種類以上のヒートポンプをGSHPとし、その一次側配管をGHEXに接続すれば、温熱供給と冷熱供給が同時ではなく時間差があっても地中の持つ蓄熱性の利用によって冷温排熱を一時的に地盤に蓄熱し、時間差をもってGHEXを介して採放熱供給することができる。そのため、熱需要の時間差を吸収でき、熱回収利用を連続的に、より長い時間行うことができる。
また、従来のGSHPシステムは、夏期の放熱と冬期の採熱による年単位の季節間蓄熱による長期熱回収（例えば、下記特許文献１参照）であった。従来のGSHPではGHEX設置に地盤の掘削を伴うため、GHEX設置費が高く、これをいかにコストダウンできるかが大きな課題であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４６９４９３２号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Nagano K., T. Katsura, S. Takeda：Development of a Design and Performance Prediction Tool for the Ground Source Heat Pump System, Applied Thermal Engineering, 2006, Volume 26, Issues 14-15, pp.1578-1592

【非特許文献2】Katsura T., K. Nagano, S. Takeda：Method of Calculation of the Ground Temperature for Multiple Ground Heat Exchangers, Applied Thermal Engineering, 2008, Volume 28, pp.1995-2004

【非特許文献3】Katsura T., K. Nagano, S. Narita, S. Takeda, Y. Nakamura, A. Okamoto：Calculation Algorithm of the Temperatures for Pipe Arrangement of Multiple Ground Heat Exchangers, Applied Thermal Engineering, 2009, Volume 29, pp. 906-919

【非特許文献4】H.-J.G. Diersch, D. Bauer, W. Heidemann, W. Ruhaak, P. Schatzl ：Finite element modeling of borehole heat exchanger systems Part 1, Fundamentals Computers & Geosciences, 2011, pp .1122-1135

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

HR-GSHPシステムにおいては、従来のGSHPシステムに比べ、冷排熱の時間差を吸収するような運転をするため、時間単位や日単位の短期間で地中熱交換器の採放熱を繰り返すことになる。このような使い方では地中の蓄熱性により採放熱に対する温度変化を緩和する効果があり、従来の長期熱回収のGSHPシステムと比較するとGHEXの必要長さを大幅に削減することが期待できる。
さらに、従来のGSHPシステム同様、熱回収ループに設置した補助熱源機の運転を最小限に抑えること、すなわち「補機動力の低減」も可能である。さらに、排熱回収利用により、熱源水中温化によるヒートポンプ運転の高効率化、すなわち、前者よりも大きな効果が期待できる「主機動力の低減」が可能な短期的な熱回収利用への転換も図ることができる。
しかしながら、HR-GSHPシステムについては、GHEXの必要長さを大幅に削減できるという観点から、導入拡大が有望であるものの、その導入効果や設計手法が確立されていないのが現状である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

（１）本発明の一態様は、地盤に対して採放熱を行う地中熱交換器と、前記地中熱交換器との間で熱媒を循環させ、負荷対象の熱負荷を処理する複数台の地中熱ヒートポンプと、前記負荷対象の熱負荷処理について前記地中熱ヒートポンプを補助する補助熱源機と、前記地中熱交換器を補助する補助熱源と、を備える地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転設計方法であって、所定の長期間において予測される前記負荷対象の負荷のうち、前記長期間を分割してなる複数の短期間ごとに前記複数台の地中熱ヒートポンプが担う負荷を演算する第１演算工程と、分割した前記短期間ごとに前記複数台の地中熱ヒートポンプにおける採熱量の総和と放熱量の総和とを演算する第２演算工程と、前記採熱量の総和と前記放熱量の総和から同時刻に発生する前記採熱量の総和と前記放熱量の総和を打ち消し合い、残る前記採熱量の総和を地中熱交換器における採熱量の総和とし、残る前記放熱量の総和を地中熱交換器における放熱量の総和とする第３演算工程と、分割した前記短期間ごとに、前記地中熱交換器内における前記熱媒の温度変化が、前記複数台の地中熱ヒートポンプそれぞれの能力および効率を落とさない規定値以下になるような、各時刻における前記地中熱交換器採熱量の制限値および前記地中熱交換器放熱量の制限値としての第１制限値を演算する第４演算工程をさらに備え、各時刻における前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量がそれぞれの前記第１制限値以下になるように、前記短期間ごとに前記複数台の地中熱ヒートポンプの運転を設計する運転設計工程と、を備えている。

【0007】

（２）上記（１）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転設計方法では、前記第４演算工程は、前記地中熱交換器の単位長さあたりの採放熱量と、前記地中熱交換器を流れる熱媒の温度変化と、の関係を表す単位採放熱係数ｑ’を、分割した前記短期間ごとに演算する係数演算工程と、前記単位採放熱係数ｑ’に基づいて前記第１制限値を演算する制限値演算工程と、を備えていてもよい。

【0008】

（３）上記（２）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転設計方法では、前記係数演算工程は、対象となる前記短期間内における複数の採放熱のサイクルから代表サイクルを選定する工程と、前記代表サイクルにおける採熱時間および放熱時間の合計時間ｔ_ｃ、前記代表サイクルにおける総採熱量と最大採熱量との比である総採熱量／最大採熱量で求められる採熱全負荷相当時間ｔ_ｃｅ、および、前記代表サイクルにおける総放熱量と最大放熱量との比である総放熱量／最大放熱量で求められる放熱全負荷相当時間ｔ_ｅｉに基づいて前記単位採放熱係数ｑ’を演算する工程と、を備えていてもよい。

【0009】

（４）上記（２）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転設計方法では、前記係数演算工程は、前記地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム設置後、最初の運転開始時から前記短期間開始時までの第１演算期間における平均地中熱採放熱量を求め、前記第１演算期間中に連続して前記平均地中熱採放熱量が地盤に与えられた場合の第１地中温度変化を算出する第１演算工程と、対象となる前記短期間を第２演算期間として前記第２演算期間における平均地中熱採放熱量を求めるとともに、前記第２演算期間内における複数の採放熱のサイクルのうち、前記第２演算期間中最も採放熱が連続し総採熱量、総放熱量が最大となるサイクルを代表サイクルとした上で、前記第２演算期間中において、前記代表サイクルにおける総採熱量と最大採熱量との比である総採熱量／最大採熱量で求められる採熱全負荷相当時間、および、前記代表サイクルにおける総放熱量と最大放熱量との比である総放熱量／最大放熱量で求められる放熱全負荷相当時間を除く期間、連続して前記平均地中採放熱量が地盤に与えられた場合の第２地中温度変化を算出する第２演算工程と、前記採熱全負荷相当時間、前記代表サイクルにおける前記最大採熱量が地盤に与えられた場合の地中温度変化と、前記放熱全負荷相当時間、前記代表サイクルにおける前記最大放熱量が地盤に与えられた場合の地中温度変化である第３地中温度変化を算出する第３演算工程と、を備え、前記係数演算工程では、前記代表サイクルにおける前記最大採熱量と前記代表サイクルにおける前記最大放熱量と地中熱交換器総長から求められる単位長さあたりの採放熱量を、前記第１地中温度変化、前記第２地中温度変化、前記第３地中温度変化の和として求められる前記地中熱交換器を流れる熱媒の温度変化で除すことで、前記前記単位採放熱係数ｑ’を算出してもよい。

【0010】

（５）上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転設計方法における前記運転設計工程では、前記複数の短期間それぞれについて前記複数台の地中熱ヒートポンプの運転を設計することで、前記長期間での前記複数台の地中熱ヒートポンプの運転を設計してもよい。

【0011】

（６）本発明の一態様は、地盤に対して採放熱を行う地中熱交換器と、前記地中熱交換器との間で熱媒を循環させ、負荷対象の熱負荷を処理する複数台の地中熱ヒートポンプと、前記負荷対象の熱負荷処理について前記地中熱ヒートポンプを補助する補助熱源機と、前記地中熱交換器を補助する補助熱源と、を備える地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムであって、所定の第１期間についての前記地中熱交換器内における前記熱媒の温度変化が、前記複数台の地中熱ヒートポンプそれぞれの能力および効率を落とさない規定値以下になるような、各時刻における前記地中熱交換器採熱量の制限値および前記地中熱交換器放熱量の制限値としての第１制限値を演算し、常に前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量がそれぞれの前記第１制限値以下になるように、前記複数台の地中熱ヒートポンプの運転を制御する一方で、前記複数台の地中熱ヒートポンプそれぞれの熱量の過不足分を補助するように、前記補助熱源機と前記補助熱源を制御する。

【0012】

（７）上記（６）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムは、前記地中熱交換器および前記複数台の地中熱ヒートポンプから計測データを取得する取得部と、前記計測データに基づいて制御パラメータを演算するパラメータ演算部と、前記制御パラメータに基づいて前記地中熱交換器および前記複数台の地中熱ヒートポンプを制御する制御部と、を備えている。

【0013】

（８）上記（７）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムでは、前記計測データは、前記複数台の地中熱ヒートポンプの一次側の出口温度と、前記複数台の地中熱ヒートポンプの一次側の入口温度と、前記複数台の地中熱ヒートポンプの一次側の循環流量と、前記複数台の地中熱ヒートポンプの二次側の出口温度と、前記複数台の地中熱ヒートポンプの二次側の入口温度と、前記複数台の地中熱ヒートポンプの二次側の循環流量と、前記複数台の地中熱ヒートポンプの消費電力と、前記地中熱交換器の出口温度と、前記地中熱交換器の入口温度と、前記地中熱交換器の循環流量と、前記地中熱交換器の出口温度と、前記地中熱交換器の入口温度と、前記地中熱交換器の循環流量と、のうちの少なくとも１つを含んでもよい。

【0014】

（９）上記（７）または（８）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムでは、前記制御パラメータは、前記地中熱交換器の採熱量の上限値と、前記地中熱交換器の放熱量の上限値と、を含んでもよい。

【0015】

（１０）上記（６）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムでは、前記第１制限値の演算に際し、前記地中熱交換器の単位長さあたりの採放熱量と、前記地中熱交換器を流れる熱媒の温度変化と、の関係を表す単位採放熱係数ｑ’を演算する係数演算工程と、前記単位採放熱係数ｑ’に基づいて前記第１制限値を演算する制限値演算工程と、を実行してもよい。

【0016】

（１１）上記（１０）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムでは、前記係数演算工程として、対象となる前記第１期間よりも前の所定の第２期間内における複数の採放熱のサイクルから代表サイクルを選定する工程と、前記代表サイクルにおける採熱時間および放熱時間の合計時間ｔ_ｃ、前記代表サイクルにおける総採熱量と最大採熱量との比である総採熱量／最大採熱量で求められる採熱全負荷相当時間ｔ_ｃｅ、および、前記代表サイクルにおける総放熱量と最大放熱量との比である総放熱量／最大放熱量で求められる放熱全負荷相当時間ｔ_ｅｉに基づいて前記単位採放熱係数ｑ’を演算する工程と、を実行してもよい。

【0017】

（１２）上記（１０）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムでは、前記係数演算工程として、前記地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム設置後、最初の運転開始時から前記短期間開始時までの第１演算期間における平均地中熱採放熱量を求め、前記第１演算期間中に連続して前記平均地中熱採放熱量が地盤に与えられた場合の第１地中温度変化を算出する第１演算工程と、対象となる前記短期間を第２演算期間として前記第２演算期間における平均地中熱採放熱量を求めるとともに、前記第２演算期間内における複数の採放熱のサイクルのうち、前記第２演算期間中最も採放熱が連続し総採熱量、総放熱量が最大となるサイクルを代表サイクルとした上で、前記第２演算期間中において、前記代表サイクルにおける総採熱量と最大採熱量との比である総採熱量／最大採熱量で求められる採熱全負荷相当時間、および、前記代表サイクルにおける総放熱量と最大放熱量との比である総放熱量／最大放熱量で求められる放熱全負荷相当時間を除く期間、連続して前記平均地中採放熱量が地盤に与えられた場合の第２地中温度変化を算出する第２演算工程と、前記採熱全負荷相当時間、前記代表サイクルにおける前記最大採熱量が地盤に与えられた場合の地中温度変化と、前記放熱全負荷相当時間、前記代表サイクルにおける前記最大放熱量が地盤に与えられた場合の地中温度変化である第３地中温度変化を算出する第３演算工程と、を実行し、前記係数演算工程では、前記代表サイクルにおける前記最大採熱量と前記代表サイクルにおける前記最大放熱量と地中熱交換器総長から求められる単位長さあたりの採放熱量を、前記第１地中温度変化、前記第２地中温度変化、前記第３地中温度変化の和として求められる前記地中熱交換器を流れる熱媒の温度変化で除すことで、前記前記単位採放熱係数ｑ’を算出してもよい。

【0018】

（１３）上記（６）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムでは、前記複数台のヒートポンプには、熱源系統が複数系統設けられ、前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量がそれぞれの前記第１制限値より大きい場合に、前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量からそれぞれの前記第１制限値を差し引くことにより、地中熱交換器採熱抑制量および地中熱交換器放熱抑制量を算出する第１演算工程と、前記補助熱源が熱媒温度に対し採放熱可能な場合に、前記地中熱交換器採熱抑制量および前記地中熱交換器放熱抑制量から前記補助熱源で採放熱できる採熱量および放熱量を差し引き、残る前記地中熱交換器採熱抑制量および前記地中熱交換器放熱抑制量を算出する第２演算工程と、前記第２演算工程の結果、残った前記地中熱交換器採熱抑制量および前記地中熱交換器放熱抑制量の一部または全部を、所定の運転出力抑制順位が高い前記熱源系統の地中熱ヒートポンプ採熱量および地中熱ヒートポンプ放熱量から差し引くことで、地中熱ヒートポンプ暖房出力および地中熱ヒートポンプ冷房出力を算定する第３演算工程、前記第３演算工程の結果、さらに残る前記地中熱交換器採熱抑制量および前記地中熱交換器放熱抑制量を算出する第４演算工程と、を実行し、前記地中熱交換器採熱抑制量および前記地中熱交換器放熱抑制量が０になるまで第３演算工程と第４演算工程を繰返し、前記複数系統、複数台の地中熱ヒートポンプの出力を制御することにより前記地中熱ヒートポンプの運転を抑制制御する一方で、前記複数系統、複数台の地中熱ヒートポンプそれぞれの熱量の過不足分を補助するように、前記補助熱源機の出力と前記補助熱源の採放熱量を制御してもよい。

【0019】

（１４）上記（６）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムでは、前記複数台のヒートポンプには、熱源系統が複数系統設けられ、前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量がそれぞれの前記第１制限値より小さい場合に、それぞれの前記第１制限値から前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量を差し引くことにより、前記地中熱交換器採熱促進量および前記地中熱交換器放熱促進量を算出する第１演算工程と、複数系統の前記熱源系統のうち、その熱源系統に対応する前記地中熱ヒートポンプを補助する前記補助熱源機が運転していて、かつ、その熱源系統に対応する前記地中熱ヒートポンプ出力が定格出力未満であるという2つの条件を満たす前記熱源系統において、所定の運転出力抑制順位が最も低い熱源系統から順番に、地中熱ヒートポンプ採熱量および地中熱ヒートポンプ放熱量に前記地中熱交換器採熱促進量および前記地中熱交換器放熱促進量の一部または全部を加え、地中熱ヒートポンプ暖房出力および地中熱ヒートポンプ冷房出力を算定する第２演算工程と、前記第２演算工程において加えた分の採熱量および放熱量を前記地中熱交換器採熱促進量および前記地中熱交換器放熱促進量から差し引くことで、残る前記地中熱交換器採熱抑制量および前記地中熱交換器放熱抑制量を算出する第３演算工程と、を実行し、前記地中熱交換器採熱促進量および前記地中熱交換器放熱促進量が０になるまで第２演算工程と第３演算工程を繰返し、前記複数系統、複数台の地中熱ヒートポンプの出力を制御することにより地中熱ヒートポンプの運転を促進制御する一方で、前記複数系統、複数台の地中熱ヒートポンプそれぞれの熱量の過不足分を補助するように、前記補助熱源機の出力と前記補助熱源の採放熱量を制御してもよい。

【0020】

（１５）上記（１３）または（１４）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムでは、前記運転出力抑制優先順位は、COPが低い順に、加熱運転系統と冷却運転系統で別々に設定してもよい。

【0021】

（１６）上記（１３）または（１４）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムでは、前記各熱源系統の暖房運転総負荷および冷房運転総負荷と地中熱ヒートポンプ暖房合計定格能力および地中熱ヒートポンプ冷房合計定格能力を各々比較し、その小さい方から地中熱ヒートポンプ合計採熱量Q’g1eおよび地中熱ヒートポンプ合計放熱量Q’g1iを求め、その大きい方の運転状態を地中熱熱回収ヒートポンプシステムの運転状態と判断し、前記運転状態の判断に基づいて、前記地中熱ヒートポンプの冷房および暖房出力のどちらを抑制するか促進するかを判断し制御を行ってもよい。

【0022】

（１７）上記（１３）または（１４）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムでは、制御時点における実測の地中熱ヒートポンプ採熱量および地中熱ヒートポンプ放熱量から地中熱交換器採熱量および地中熱交換器放熱量を算出し、前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量と前記第１制限値を比較することで地中熱ヒートポンプ出力を抑制するか促進するかを判断し制御を行ってもよい。

【0023】

（１８）上記（７）から（１３）のいずれか１つに記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムでは、前記地中熱交換器が前記地盤に採放熱を行うときに、前記第１期間での前記地盤の温度変化が一定に抑えられるような前記第１制限値を設定してもよい。

【0024】

（１９）上記（１３）または（１４）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムでは、地中熱ヒートポンプ採熱量および地中熱ヒートポンプ放熱量の、任意の短時間の平均値、および任意の長時間の平均値を計算する第１演算工程と、暖房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度および冷房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の短時間の平均値、および任意の長時間の平均値を計算する第２演算工程と、前記暖房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の短時間の平均値が、所定の採熱許容温度を下回った場合、および前記冷房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の短時間の平均値が放熱許容温度を上回った場合、（１）前記暖房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の短時間の平均値と前記採熱許容温度による初期地中温度からの温度変化量の比、および（２）前記冷房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の短時間の平均値と前記放熱許容温度による初期地中温度からの温度変化量の比を、前記地中熱ヒートポンプ採熱量および前記地中熱ヒートポンプ放熱量の任意の短時間の平均値に乗ずることにより算出される地中熱ヒートポンプ採熱量および地中熱ヒートポンプ放熱量を算出する第３演算工程と、前記暖房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の長時間の平均値が、所定の採熱準許容温度を下回った場合、および前記冷房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の長時間の平均値が、所定の放熱準許容温度を上回った場合、（１）前記暖房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の長時間の平均値と前記採熱許容温度による初期地中温度からの温度変化量の比、および（２）前記冷房運転地中熱ヒートポンプ熱媒入口温度の任意の長時間の平均値と前記放熱許容温度による初期地中温度からの温度変化量の比を、前記地中熱ヒートポンプ採熱量および前記地中熱ヒートポンプ放熱量の任意の長時間の平均値に乗ずることにより算出した地中熱ヒートポンプ採熱量および地中熱ヒートポンプ放熱量を算出する第４演算工程と、を実行し、前記第３演算工程および前記第４演算工程で算出した前記地中熱ヒートポンプ採熱量および前記地中熱ヒートポンプ放熱量のうち小なる方の値を前記第１制限値に置換え、常に前記地中熱交換器採熱量および前記地中熱交換器放熱量がそれぞれの前記第１制限値以下になるように、前記複数台の地中熱ヒートポンプの運転を制御する一方で、前記複数台の地中熱ヒートポンプそれぞれの熱量の過不足分を補助するように、前記補助熱源機と前記補助熱源を制御してもよい。

【0025】

（２０）上記（１９）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムでは、前記地中熱ヒートポンプが安定的、かつ連続的に運転可能な熱媒温度を前記採熱許容温度、および前記放熱許容温度とし、前記採熱許容温度に任意の温度余裕を加えた温度を前記採熱準許容温度、および前記放熱許容温度に任意の温度余裕を減じた温度を前記放熱準許容温度としてもよい。

【0026】

（２１）上記（１９）に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム用の制御システムでは、前記運転出力抑制優先順位は暖房採熱運転地中熱ヒートポンプにおいてはCOPが高い順に、冷房放熱運転地中熱ヒートポンプにおいてはCOPが低い順に、加熱運転系統と冷却運転系統で別々に設定してもよい。

【発明の効果】

【0027】

本発明によれば、HR-GSHPシステムの運転効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】HR-GSHPシステム構成図

【図2】HR-GSHPシステム制御システムフロー

【図3】HR-GSHPシステムの概念図

【図4】時刻別のQ_g2h、Q_g2cの例

【図5】時刻別のQ_g1e、Q_g1iの例

【図6】GHEX採放熱量の計算の例

【図7】採放熱の繰り返しの一例（CASE1-2の負荷）

【図8】フィールド試験系統図

【図9】CASE1-2における暖冷房出力、採放熱量、地中熱交換器出入口平均温度T_pm

【図10】t_cに対するq’（CASE1）

【図11】t_cに対するq’（CASE2）

【図12】t_cに対するq’（CASE3）

【図13】GSHP採放熱量(上)と採放熱打ち消し後のGHEX採放熱量(下)

【図14】期間内平均採放熱量と最大採熱量の履歴

【図15】実際のGHEX採放熱による温度変化と平均採放熱量、最大採熱量による温度変化

【図16】HR-GSHPシステムの設計フロー

【図17】期間内GHEX採放熱量調整フロー

【図18】某複合施設の年間熱負荷

【図19】某複合施設の1月の一週間におけるGSHP熱負荷

【図20】某複合施設の1月の一週間におけるGSHP採放熱量

【図21】某複合施設の1月の一週間における地中熱交換器採放熱量

【図22】期間内GHEX上限採放熱量決定フロー

【図23】採放熱サイクル推定フロー

【図24】地中熱の採放熱サイクルとtc

【図25】サイクル内の全負荷と全負荷相当運転時間

【図26】評価変数の変更の手順とそれによる目的関数の変化の一例

【図27】GSHP処理負荷の設計フロー

【図28】HR-GSHPシステムの概念図

【図29】HR-GSHPシステム、制御パラメータ決定フロー

【図30】PLC出力制御フロー(全体)

【図31】PLC出力制御、COPによる抑制順位決定フロー

【図32】PLC出力制御、総負荷による採放熱運転判断フロー

【図33】PLC出力制御、冷却側出力抑制フロー

【図34】PLC出力制御、冷却側出力促進フロー

【図35】PLC出力制御、加熱側出力抑制フロー

【図36】PLC出力制御、加熱側出力促進フロー

【図37】PLC側の採放熱バランスを考慮した制御フロー

【図38】採熱・放熱片側のみを行った場合の単位採放熱係数

【図39】PLC側の温度補償制御フロー（放熱）

【図40】PLC側の温度補償制御フロー（採熱）

【図41】PLC側の温度補償制御フロー時のCOPによる抑制順位決定フロー

【図42】複合建物の年間時刻別負荷

【図43】HR-GSHPシステムを導入する時刻別負荷および従来のGSHPシステムを導入する時刻別負荷

【図44】各負荷に対するT_poutの計算結果

【図45】フィールド試験系統図

【図46】CASE1におけるGSHP熱源機およびASHP熱源機出力

【図47】CASE2におけるGSHP熱源機出力

【図48】CASE3におけるGSHP熱源機およびASHP熱源機出力

【図49】HR-GSHPにおける短期熱回収効果（採放熱周期の違いによる地中温度変化）

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、図1から図37を参照し、本発明の一実施形態に係る地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム１０を説明する。なお本実施形態では、「地中熱利用熱回収ヒートポンプ」を「HR-GSHP」ということがある。「地中熱ヒートポンプ」を「GSHP」や「ヒートポンプ」ということがある。「地中熱交換器」を「GHEX」ということがある。

【0030】

［HR-GSHPシステム１０の構成］
図1に制御対象となるHR-GSHPシステム１０の構成図を示す。制御対象となるHR-GSHPシステム１０は、複数種類のGSHP１１と、補助熱源機１２（例えば、空冷ヒートポンプ（ASHP）・電気ボイラ等）と、各測定点の計測と構成機器の運転制御を行うプログラマブルコントローラー１３（以下、「PLC」という。）と、制御パラメータを決定する制御システムソフトウェア１４（以下、「ソフトウェア」という。）と、GHEX１５と、を備えている。ＰＬＣ１３およびソフトウェア１４は、HR-GSHPシステム１０を制御する制御システム１６を形成する。ソフトウェア１４は、コンピュータに実装されている。

【0031】

次に制御システムのフローを図2に示す。PLC１３から計測データを、例えば５日間程度の短期間ごとにソフトウェア１４に送信し、ソフトウェア１４において制御パラメータを決定し、シミュレーションを実行する。決定した制御パラメータはPLC１３に、例えば５日間程度の短期間ごとに送信され、PLC１３が各構成機器の運転制御を実施する。制御パラメータは、例えば、HR-GSHPシステム１０を構成するGSHP１１の出力の上限値や、補助熱源機１２の起動開始設定温度などとなっている。

【0032】

［HR-GSHPシステム１０の設計方法、制御方法］
以下では、このHR-GSHPシステム１０の設計方法、およびこのHR-GSHPシステム１０の制御方法について説明する。
これらの説明に先立ち、まず、HR-GSHPシステム１０のモデリングについて説明する。なお、以下のモデリングにおいて、各種記号および添え字は下記の各事項を示す。

【0033】

［記号］
d：地中熱交換器口径 [m]
Q：出力負荷 [kW]
t：時間 [h]
t_c：繰り返し（サイクル）時間 [h]
T：温度 [℃]
q’：単位採放熱係数 [W/（m・K）]
L：長さ [m]
λ_e：地盤の有効熱伝導率 [W/（m・K）]

【0034】

［添え字］
c：冷房
e：採熱側
end：最後の時刻
g：GSHP
h：暖房
i：放熱側
j：時間単位 [月]
l：採熱と放熱で時間が長い方
min：最小
max：最大
p：GHEX
pm：GHEX出入口の平均
s：採熱と放熱で時間が短い方
s0：地中の初期条件
1：GSHPシステムの一次側
2：GSHPシステムの二次側

【0035】

［HR-GSHPシステム１０のモデリング］
図3にHR-GSHPシステム１０の概念図を示す。まず、前提条件として、GSHP１１−GHEX15間で発生したり、冷排熱と温排熱が混合することによって発生したりする熱取得・熱損失は考慮しないものとする。また、HR-GSHPシステム１０に接続されているGSHP１１には補助熱源機１２があり、負荷対象２０の全負荷はGSHP１１と補助熱源機１２によって賄われるものとする（詳細な例は実施例に示す）。

【0036】

＜ｉ．温度変化予測のモデリング＞
後述する設計方法におけるGSHP１１負荷の最適化の手順などを示す前段階として、以下にGSHPシステム１０の温度変化予測（熱媒の温度変化予測）のモデリングの手順について示す。モデリングでは、（１）負荷対象２０の負荷から決定されるGSHP１１の負荷の合計値を算出し、（２）（１）で使用したGSHP１１の負荷からGSHP１１に求められる採放熱量を算出し、（３）その採放熱量からGHEX１５に求められる採放熱量を算出し、（４）その採放熱量からGHEX１５における熱媒の温度変化を算出する。これらの各種算出結果に基づいて、後述するようにGSHP１１負荷を最適化することができる。モデリングにおける各種演算は、コンピュータにより実施される。

【0037】

（1）GSHP合計熱負荷の算出
まず、ある時刻の全てのGSHP１１の合計温熱負荷、冷熱負荷を以下の（１）式、（２）式によって求める。

【0038】

【数1】

【0039】

【数2】

【0040】

ここで、（1）式は合計温熱負荷、（2）式は合計冷熱負荷である。例えば図3の1番目（i=1）のGSHP１１が温熱供給を行っているのであれば、1番目のGSHP１１の熱負荷が温熱側に加算され（（１）式）、GSHP１１が冷熱供給を行っているのであれば、熱負荷が冷熱側に加算される（（２）式）。図4に時刻別のQ_g2h、Q_g2cの例を示す。全てのGSHP１１の熱負荷が温熱側、もしくは冷熱側に加算されて図4のようになる。
なお例えば、これらのQ_g2h、Q_g2cの最大化を図ることで、GHEX１５使用の最適化（地中熱利用の最適化）を図ることができる。

【0041】

（2）GSHP合計採放熱量の算出
次に、各GSHP１１のCOP（成績係数：Coefficient of. Performance）を仮定して、各時刻における複数台のGSHP１１全体での採熱量、放熱量（各GSHP１１の採熱量、放熱量）を求める。これらの採熱量、放熱量は、上記（1）でGSHP合計熱負荷を算出した際に用いた各GSHP１１の負荷に基づいて求められる。なお、COPはヒートポンプの運転効率を示す指標であり、冷却または加熱出力（処理能力）を電力消費量で除して求めるものである。

【0042】

図3のi番目のGSHP１１（以下、「ヒートポンプi」という場合がある。）が温熱供給運転の場合、ヒートポンプiは採熱を行うこととなる。採熱量は以下（３）式となる。

【0043】

【数3】

【0044】

図3のi番目のヒートポンプiが冷熱供給運転の場合、ヒートポンプiは放熱を行うこととなる。放熱量は以下（４）式となる。

【0045】

【数4】

【0046】

さらには、各時刻における複数台のGSHP１１全体の合計採熱量、合計放熱量を以下の（５）式、（６）式により求める。

【0047】

【数5】

【0048】

【数6】

【0049】

図5に時刻別のQ_g1e、Q_g1iの例を示す。

【0050】

（3）GHEX採放熱量の算出
上記（２）で算出した合計採放熱量Q_g1eとQ_g1iより、GHEX採放熱量Q_pを求める。GHEX採放熱量の計算例を図6に示す。図6の例では、（ａ）に示すように同時刻に発生するQ_g1eとQ_g1iを打ち消し合い、（ｂ）に示すように残るQ_g1がGHEX採放熱量Q_pとなる。すなわち、GSHP１１の採放熱量という観点では、あくまで個々のGSHP１１が採熱または放熱をどの程度必要としているかを認識する必要があるものの、GHEX１５の採放熱量という観点では、複数のGSHP１１全体の採放熱量の各時点での合計値を認識すれば足りる。

【0051】

（4）GHEX内熱媒温度変化、ヒートポンプ入口温度の計算
上記（３）で算出したGHEX15の時刻別採放熱量Q_pをもとにGHEX内熱媒温度変化（すなわち、図３に示す熱媒のGHEX15における入口温度T_pinと出口温度T_poutとの間での変化）、更にはヒートポンプ一次側入口温度T_1inの計算を行う。GHEX内熱媒温度変化については、計算時間の観点より、熱媒の最大温度変化のみを簡易的に以下の（７）式、（８）式により求める。（７）式は、採熱時の熱媒の最大温度変化である。（８）式は、放熱時の熱媒の最大温度変化である。

【0052】

【数7】

【0053】

【数8】

【0054】

ここで、Q_pemaxは最大採熱量[kW]、Q_pimaxは最大放熱量[kW]、q’_pe、q’_piは採熱時、放熱時それぞれの単位採放熱係数[W/（m・K）]（詳細は後述の＜ｉｉ．熱回収周期に基づく単位採放熱係数q'推定手法の確立＞を参照）、L_pは地中熱交換器総長[m]である。なお、最大採放熱量Q_pemax、Q_pimaxは、GHEX15が地中に対して採放熱することができる採放熱量の最大値である。また、単位採放熱係数q’_pe、q’_pi（以降、q’_pe、q’_piをまとめてq’と表すことがある）は、地中熱交換器単位長さあたり、熱媒の温度を単位温度だけ変化させるために必要な採放熱量を表している。単位採放熱係数q’が大きいほど、短い長さや少ない温度変化で多くの採放熱をすることが可能になり、高効率なGHEX１５であると言える。

【0055】

上記（７）式、（８）式における最大温度変化ΔT_pmmin、ΔT_pmmaxをもとに、ヒートポンプ一次側入口温度の最低値T_1inmin、最高値T_1inmaxを以下の（９）式、（１０）式により求める。

【0056】

【数9】

【0057】

【数10】

【0058】

なお、T_s0は初期地中温度、ΔT₁はヒートポンプ出入口温度差（一般的には5℃）である。

【0059】

以上により、HR-GSHPシステム１０の温度変化予測（GHSP１１の負荷から熱媒のGHEX15における温度変化の予測をすること）が可能となる。

【0060】

＜ｉｉ．熱回収周期に基づく単位採放熱係数q'推定手法の確立＞《設計・制御の共通事項》
上記の方法によってHR-GSHPシステム１０の温度変化予測を行うためには、GHEX１５の採熱時、放熱時それぞれの単位採放熱係数q'を求める必要がある。

【0061】

（単位採放熱係数の着想）
発明者は、HR-GSHPシステム１０においては、数時間〜数日の短時間でGHEX１５の採放熱が繰り返し行われるため、短時間での採放熱の繰り返しがもたらす短期蓄熱の効果（例えば、後述の「補足：単位採放熱係数q'に関する考察」の欄参照）による採放熱量の増大を加味する必要があることを見出した。そこで、熱回収周期に基づく単位採放熱係数q'という概念について検討した。単位採放熱係数q’は、周期（例えば、採熱する期間、放熱する期間、採熱および放熱の１サイクルの期間）や有効熱伝導率がパラメータとなる。

【0062】

（単位採放熱係数の計算）
本実施形態では、GSHPシステム性能予測ツール（例えば、上記非特許文献１から３参照）を用いてシミュレーションにより、単位採放熱係数を求めた。シミュレーションについては、採放熱の繰り返し運転の計算精度向上のためにボアホール内部熱容量を加味した（例えば、上記非特許文献４参照）。

【0063】

単位採放熱係数の計算は以下の手順ステップ１〜３で実施した。

【0064】

ステップ１：GHEX１５の合計の採放熱量が同等であり、一定の周期で繰り返し運転を行う条件を複数設定する。繰り返しの間隔は各条件で変更する。

【0065】

ステップ２：上記ステップ１．の条件でシミュレーションを行う。

【0066】

ステップ３：初期地中温度T_s0 [℃]からシミュレーションによって得られる、地中熱交換器内部熱媒温度T_pm [℃]の最小値（最大値）と、地中熱交換器単位長さあたりの採熱量q [W/m]から、以下の（１１）式により単位採放熱係数q' [W/（m・K）]を計算する。

【0067】

【数11】

【0068】

すなわち、単位採放熱係数q'は、地中熱交換器（GHEX１５）の単位長さあたりの採放熱量と、地中熱交換器（GHEX１５）を流れる熱媒の温度変化と、の関係を表す。単位採放熱係数q'が大きいほど、熱媒の小さい温度変化で大きな採放熱をすることが可能になり、地中熱交換器（GHEX１５）の効率が高いと言える。

【0069】

（シミュレーションの実施）
間接熱回収効果定量化のためのシミュレーション（すなわち、上記ステップ２のシミュレーション）の条件（すなわち、上記ステップ１の条件）を表1及び表2に示す。

【0070】

【表1】

【0071】

【表2】

【0072】

図7に一例としてCASE1-2における熱負荷の変化を示す。
図7に示すように、t_ceは1サイクルの採熱（暖房）時間、t_ciは1サイクルの放熱（冷房）時間、t_cは1サイクルの採熱時間及び放熱時間の合計時間、Q_hは1サイクルの採熱量、Q_cは1サイクルの放熱量、図４に示すように、Q_g2hは暖房出力（上記（１）式）、Q_g2cは冷房出力（上記（２）式）、図５に示すように、Q_g1eは採熱量（上記（５）式）、Q_g1iは放熱量（上記（６）式）を表す。周期（1サイクル）の採放熱量の合計値が等しくなるように熱負荷（熱出力Q_g2h、Q_g2c）を設定した。

【0073】

表１に示すように、CASE1は採放熱のうち長時間側の運転時間t_lを短時間側の運転時間t_sの1倍に設定し、また、採放熱（採熱量Q_h、放熱量Q_c）のうち長時間側の採熱量（放熱量）Q_lを短時間側の放熱量（採熱量）Q_sの1倍に設定し、t_l / t_s＝1、| Q_l| / | Q_s |＝1とした。CASE2はt_l / t_s＝3、| Q_l| / | Q_s |＝1/3となるように設定し、CASE3はt_l / t_s＝5、| Q_l| / | Q_s |＝1/5となるように設定した。

【0074】

表1に示す各条件において、表2のように地盤の有効熱伝導率（土壌有効熱伝導率）を一般的な値の範囲である1.0、1.5、2.0 W/（m・K）に変更した。また、ボアホールシングルUチューブを1本使用し長さは80 m、T_s0 =11.2 ℃とした。シミュレーションはt_cを1サイクルとし3サイクル行った。各CASEの3サイクルの内、最後のサイクルの単位採熱量の平均値をqとし、T_s0 -T_pmについては各CASEの3サイクルの内、最後のサイクルの最大値とした。それらと上記（１１）式により、q’を計算した。

【0075】

（シミュレーションの再現性の検証）
上記シミュレーションにより得られた計算値を、図8に示される北海道大学構内で行われたHR-GSHPシステムのフィールド試験によって得られた暖冷房出力・採放熱量・地中熱交換器出入口温度の変化の実測値と比較し、シミュレーションの再現性の検証を行った。

【0076】

フィールド試験については、図8に示される通り、HR-GSHPシステム１０Ａは、複数本数のボアホール型地中熱交換器１５Ａと、複数台のGSHP１１Ａと、模擬負荷装置２０Ａ（タンク+ASHP）と、などにより構成されている。模擬負荷装置２０Ａは、冷房負荷、暖房負荷双方を0〜30 kWの範囲内で模擬することが可能であり、GSHP１１Ａの暖冷房の繰り返し運転にも対応可能である。

【0077】

フィールド試験ではCASE1-2を想定し、地中熱交換器１５Ａ1本とGSHP１１Ａ2台を用いて暖冷房運転を繰り返し行った。GSHP二次側、GSHP一次側、地中熱交換器の出入口温度変化や採放熱量を把握するため、GSHP二次側、GSHP一次側、地中熱交換器の出入口に温度センサーを各系統に電磁流量計を設置して計測を行った。

【0078】

図9にCASE1-2における暖冷房出力・採放熱量・地中熱交換器出入口平均温度T_pmの変化の実測値と計算値の比較を示す。暖房出力Q_g2h（図９（ａ）における”Heat load”が0以上の範囲）・採熱量Q_g1e（図９（ｂ）における”Heat extraction or injection”が0以上の範囲）では、実測値と計算値とがほぼ一致しており、冷房負荷Q_g2c（図９（ａ）における”Heat load”が0以下の範囲）・放熱量Q_g1i（図９（ｂ）における”Heat extraction or injection”が0以下の範囲）では若干実測値が大きいものの、実測値と計算値とが概ね一致している。また、T_pm（図９（ｃ））については、計算値の変化量が実測値の変化量よりも大きい。その原因としては、冷房時においては放熱量が若干大きくなっていること、暖房・冷房双方において実測は地中熱交換器とヒートポンプの間に設置されている横引き管（10 m程度）があることなどが挙げられる。これらの要因を除いた場合、概ね再現性が得られているものと考えられる。
以上より、実測によらずとも、シミュレーションに基づいて単位採放熱係数q'を算出するために必要なパラメータが演算できることが確認された。

【0079】

（単位採放熱係数q'の近似式）
単位採放熱係数q’_pe（採熱側）、q’_pi（放熱側）はt_c、λ_e、t_s、t_lの以下の関数近似式（１２）式、（１３）式で表される。（１２）式、（１３）式は、上記シミュレーションを経て具体的に求めることができる。なお、近似式による計算の際には、t_ce、t_ciのうち大きい方をt_l、小さい方をt_sとして評価を行う。

【0080】

【数12】

【0081】

【数13】

【0082】

（補足：単位採放熱係数q'に関する考察）
次に、図10〜図12にCASE1〜CASE3暖冷房交互運転のシミュレーションの単位採放熱係数の計算結果を示す。

【0083】

図10〜図12の各グラフの読み方について補足する。各図における（ａ）のグラフはいずれも長時間側（本実施形態では暖房側、採熱側）の運転時間t_lにおけるt_cとq’（すなわちq’_pe）との関係を表し、各図における（ｂ）のグラフはいずれも短時間側（本実施形態では冷房側、放熱側）の運転時間t_sにおけるt_cとq’（すなわち、q’_pi）との関係を表す。

【0084】

各グラフ中、上側に位置する３つのグラフ線は、横軸t_cに対応する縦軸q’の各値を表している。これらの３つのグラフ線では、前提とするλ（地盤有効熱伝導率λ_e）がそれぞれ異なっていて、３つのグラフ線は、上側から下側に向けて順に、λ＝2.0、1.5、1.0の場合を表している。

【0085】

各グラフ中、下側に位置する３つのグラフ線は、上側に位置する３つのグラフ線と比較するための値を表示している。下側の３つのグラフ線は、いずれもt_cの値によらずq’が一定であるかのように見えるが、これらの３つのグラフ線は、単にt_c＝8760（1年）の場合におけるq’を指しているに過ぎない。すなわち、これらの３つのグラフ線は、横軸t_cの位置によらず、t_c＝8760の場合におけるq’を表している。これらの３つのグラフ線では、前提とするλ（地盤有効熱伝導率λ_e）がそれぞれ異なっていて、３つのグラフ線は、上側から下側に向けて順に、λ＝2.0、1.5、1.0の場合を表している。

【0086】

図１０に示すCASE1では、上側の３つのグラフ線における紙面左側の端、すなわちサイクル（t_c）の時間が最も短いt_c＝6と、下側の３つのグラフ線が示す最も長いt_c＝8760（１年）のq’を比較すると、採熱側（図１０（ａ））で2.6〜4.3倍、放熱側（図１０（ｂ））で2.5〜4.4倍になっていることがわかる。
同様に、図１１に示すCASE2ではサイクルの時間が最も短いt_c＝12と最も長いt_c＝8760のq’を比較すると、採熱側（図１１（ａ））で2.2〜3.5倍、放熱側（図１１（ｂ））で2.5〜4.4倍になっていることがわかる。
また、図１２に示すCASE3ではサイクルの時間が最も短いt_c＝18と最も長いt_c＝8760のq’を比較すると、採熱側（図１２（ａ））で1.8〜3.1倍、放熱側（図１２（ｂ））で2.5〜4.4倍になっていることがわかる。
この結果より、サイクルt_cが短いほうが単位採放熱係数q’の値が大きく、短期の蓄熱効果が定量的に示されたことが確認できた。

【0087】

短期の蓄熱効果について、図４９に示す他の例に基づいて補足する。
図49（ａ）は、GHEXにおける短期的な採熱・放熱の繰返しを示す。図４９（ｂ）は、ヒートポンプ一次側入口温度の採放熱に対する短期間の温度変化を示す。図４９（ｃ）は、短期的な地中熱熱回収を前提とした場合における、ヒートポンプ一次側入口温度の年間の温度変化を示す。図49（ｄ）は、GHEXにおける長期的な採熱・放熱の繰返しを示す。図49（ｅ）は、長期的な地中熱熱回収を前提とした場合における、ヒートポンプ一次側入口温度の年間の温度変化を示す。

【0088】

図49（ｃ）に示すように、短期的（例えば、1サイクル＝1日〜3日）な地中熱熱回収を前提とした場合における、ヒートポンプ一次側入口温度の年間の温度変化は、12℃〜22℃である。その温度変化幅は10℃である。
図49（ｅ）に示すように、長期的（例えば、1サイクル＝1年）な地中熱熱回収を前提とした場合における、ヒートポンプ一次側入口温度の年間の温度変化は、7℃〜26℃である。その温度変化幅は19℃である。
すなわち、地中熱熱回収を短期的にした場合におけるヒートポンプ一次側入口温度の温度変化幅は、地中熱熱回収を長期的にした場合におけるヒートポンプ一次側入口温度の温度変化幅よりも小さい。

【0089】

ここで、地中熱熱回収が長期間でも短期間でも、同じHR-GSHPシステム１０であれば、ヒートポンプ一次側入口温度の上下限値は同一であり、その上下限値まで熱媒の温度変化を許容することができる。地中熱熱回収が短期間の場合、すなわちヒートポンプ一次側入口温度の温度変化幅が小さい場合には、ヒートポンプ一次側入口温度の上下限値までまだ余裕がある。したがって、短期間では長期間よりも採放熱量を大きくすることができる。このため採放熱効率が高くなる。

【0090】

＜iii．地中熱採放熱量履歴を考慮した平均温度変化に基づく単位採放熱係数q'推定手法の確立＞《設計・制御の共通事項》
（採放熱履歴考慮単位採放熱係数の着想）
iiに記されているようにHR-GSHPシステムにおいては、数時間〜数日の短時間で採放熱が繰り返し行われるが、その採熱量と放熱量が図13のように片方が少ない場合、短期蓄熱の効果が少なくなるため、iiで確立した単位採放熱係数の推定手法を用いて温度変化予測を行うと単位採放熱係数が過小評価され、温度変化予測が過剰に評価される可能性がある。

【0091】

また、iiの手法ではコミッショニング期間内の採放熱量を元に推定を行っており、それ以前の地中熱利用状況を考慮していないため、採熱に偏った運転を行った後の期間で温度変化予測を行うと単位採放熱係数が採熱側では過剰、放熱側では過小評価される可能性がある。そこで、地中熱採放熱履歴を考慮した温度変化予測を行い、その予測結果から単位採放熱係数を推定する手法を考案した。

【0092】

（採放熱履歴考慮単位採放熱係数の計算）
地中熱採放熱履歴を考慮した平均温度変化に基づく単位採放熱係数の推定手法を以下に記載する。また、地中温度変化量の算出に関しては、GSHPシステム性能予測ツール（例えば、上記非特許文献１〜３）でも使用している円筒表面熱流境界の温度応答理論解の重ね合わせを使用する。単位採放熱係数の計算は以下の手順ステップ１〜５で実施した。

【0093】

ステップ１：図14に示すようにHR-GSHPシステム稼働日〜単位採放熱係数を求めるコミッショニング期間までの平均地中熱採放熱量を求め、図15に示すようにその平均地中熱採放熱量による地中温度の平均温度変化を算出する。

【0094】

ステップ２：図14に示すように単位採放熱係数を求めるコミッショニング期間内での平均地中熱採放熱量を求め、図15に示すようにその平均地中熱採放熱量による地中温度の平均温度変化を算出する。

【0095】

ステップ３：図14に示すように単位採放熱係数を求める期間中最も採放熱が連続する期間での地中熱採放熱量ΣQ_pec、ΣQ_picを求め、図15に示すようにその地中熱採放熱量による地中温度変化を算出する。

【0096】

ステップ４：ステップ１、ステップ２、ステップ３では地中熱交換器の表面温度変化となっており、単位採放熱係数を求めるためには地中熱交換器内部熱媒温度T_pmが必要となるため、ボアホールの熱抵抗、及び最大採放熱量から期間内の地中熱交換器表面から内部熱媒への最大温度変化を算出する。

【0097】

ステップ５：図15に示すようにステップ１、ステップ２、ステップ３、ステップ４で求めた温度変化を足した値を期間内の最大熱媒体温度変化ΔT_pmmin、ΔT_pmmaxとし、図14に示す期間内最大採放熱量Q_pemax、Q_pimaxによりその変化量に相当する単位採放熱係数を式(14)(15)から求める。なお（１４）式が採熱時の単位採放熱係数であり、（１５）式が放熱時の単位採放熱係数である。

【0098】

【数14】

【0099】

【数15】

【0100】

＜iv.期間内GHEX合計採放熱量の算出＞《設計・制御の共通事項》
上記で示したモデル化を行ったHR-GSHPシステム１０について、期間内（今回は月単位とする）のGHEX１５の合計採放熱量を調整した上で、最適化手法を用いて、任意に設定した地中熱交換器総長L_pに対して、HR-GSHPシステム１０のGSHP処理熱量（期間内における全てのGSHPの負荷を合計した値）を最大化とする。言い換えると、上記＜ｉ．温度変化予測のモデリング＞の「（1）GSHP合計熱負荷の算出」において算出される（１）式、（２）式の値を、「（2）GSHP合計採放熱量の算出」〜「（4）GHEX内熱媒温度変化、ヒートポンプ入口温度の計算」において算出される各種の値などを用いて最大化する。これにより、例えば、総長L_pのGHEX15に対して、補助熱源機１２の使用負荷を最小化したHR-GSHPシステム１０の最適な運転条件を設定することができる。以下に示す各演算は、コンピュータにより実施される。

【0101】

図16にHR-GSHPシステム１０の設計フローを示す。ここで、計算条件（入力条件）は地中熱交換器総長L_p、初期地中温度T_s0、地盤有効熱伝導率λ_e、ヒートポンプ入口温度許容値T_1inmax、T_1inminとする。
以下では、図17〜図21を用い、図16の中に記載されている、期間内GHEX合計採放熱量の調整とGHEX長さ、GSHP負荷の最適化について詳細に説明する。

【0102】

図17に設計フローの期間内GHEX合計採放熱量の調整フローを示す。図18に某複合施設（負荷対象２０）の年間の熱負荷を示す。図19に某複合施設の1月における熱負荷を示す。

【0103】

ステップ１：GSHP１１の最大出力Q_g2cmax、Q_g2hmaxを仮定する。（図19参照）なお、GSHP１１の出力の不足分は、補助熱源機１２によって補うことができる。GSHP１１の出力の不足分は、図19に示す例では採熱量の不足分であり、言い換えると、熱負荷の正の範囲であってQ_g2hmaxよりも値が大きい部分である。

【0104】

ステップ２：上記ステップ１の仮定とは別に、各GSHP１１の冷房運転COP（COP_c,i）と暖房運転COP（COP_h,i）を仮定する。以下の（１６）式、（１７）式を用い、各GSHP１１の採放熱量を計算する（図19、図20参照）。なお図19は、某複合施設の1月の一週間におけるGSHP熱負荷であり、上記モデリングの説明における図4（（1）GSHP合計熱負荷の算出）に相当する。図20は、某複合施設の1月の一週間におけるGSHP採放熱量であり、上記モデリングの説明における図5（（2）GSHP合計採放熱量の算出）に相当する。

【0105】

【数16】

【0106】

【数17】

【0107】

ステップ３：ステップ１、２における仮定に基づいてGHEX15の合計採放熱量を調整するため、期間内における各GSHP１１の合計採放熱量を計算する（図20参照）。合計採放熱量Q_g1eとQ_g1iより、GHEX採放熱量Q_pを求める。GHEX採放熱量の計算例を図20および図21に示す。同時刻に発生するQ_g1eとQ_g1iを打ち消し合い、残るQ_g1がGHEX採放熱量Q_pとなる。

【0108】

また、Qpに対して各GSHPの循環ポンプ発熱量が無視できないほど大きい場合、Qg1e、Qg1iをポンプ発熱量を算入した採放熱量に調整する必要がある。

【0109】

上記＜iv．期間内GHEX合計採放熱量の算出＞で得られたGSHP１１の負荷は、負荷対象２０が必要とする熱負荷の観点からは最適化されていると言えるが、GHEX１５の採放熱に関する能力の観点や、土中への採放熱の影響の観点が考慮されていない。以下では、これらの観点についても考慮して、GSHP処理負荷の最適化設計を実施する。このとき、上記モデリングの説明における「（4）GHEX内熱媒温度変化、ヒートポンプ入口温度の計算」以下に記載した考え方を利用する。

【0110】

＜v.期間内GHEX採放熱量上限値（Qpemaxset、Qpimaxset）の決定＞《設計・制御の共通事項》
ここでは、ivで算出したGHEX採放熱量Q_pを元に、ヒートポンプ一次側入口温度が上下限値を超えないGHEX採放熱量上限値Q_pemaxset、Q_pimaxsetを決定する。図22に期間内GHEX上限採放熱量の決定フローを示す。
各処理の詳細な内容を以下に記載する。

【0111】

(1)採放熱サイクルの推定
図23に採放熱サイクルの推定フローを示す。ここでは GHEX１５の採放熱性能（単位採放熱係数）を計算する（上記＜ｉｉ．熱回収周期に基づく単位採放熱係数q'推定手法の確立＞、＜iii．地中熱採放熱量履歴を考慮した平均温度変化に基づく単位採放熱係数q'推定手法の確立＞参照）ために必要となるGHEX１５の採放熱の繰り返しのサイクルの時間を推定する。本実施形態では、１年間の採放熱パターン（熱負荷の変遷、熱負荷の長期的な周期）を、負荷性状により7日〜4週間程度の短期周期に分解して採放熱サイクルのモデル化を行い、この短期周期の期間の採放熱サイクルを推定する。なお、採放熱サイクルを推定する「期間」と採放熱パターンの「採放熱サイクル」（サイクルt_c）とは別の概念であり、前者の「期間」は負荷性状によらず任意に設定できるのに対して、後者の「採放熱サイクル」は、負荷性状により決定される。

【0112】

詳細の手順ステップ１〜２を以下に説明する。

【0113】

ステップ１：単位採放熱係数を定量化するために期間内（ここでは前述したように月単位）におけるGHEX１５の採熱、放熱の発生時間サイクルt_cの推定を行う。さらには、単位採放熱係数を定量化するため、図24および図25のように採放熱量の形状を簡略化する。推定方法はここでは、期間内の最大時間サイクル、すなわち単位採放熱係数が最小で最も安全側となる値をt_cとするが、期間内の各発生時間サイクルの平均値をt_cとしても良い。

【0114】

ステップ２：図25に示すように上記ステップ１の簡略化を行い、1サイクルあたりの採放熱量積算値ΣQ_gec、ΣQ_gicを採放熱量最大値Q_g1emax、Q_g1imaxで除すことによって、1サイクルあたりの採熱の時間t_ce、放熱の時間t_ciを以下の(18)式、(19)式によって推定する。なお、t_ce、t_ciの短い方をt_s、長い方をt_lとする。

【0115】

【数18】

【0116】

【数19】

【0117】

なお、上記ステップ１．における簡略化は必須ではない。例えば、ステップ１．における簡略化に代えて、当該期間中において一番長い周期における単位放熱係数ｑ’を採用することも可能である。また、各周期についてのｑ’を算出して平均を算出してもよい。

【0118】

(2)採放熱量の打ち消し判定によるq'算出方法の決定
単位採放熱係数q'の算出方法に関しては、後述(5)単位採放熱係数q’_pe、q’piの決定に示すように(3)熱回収周期に基づく単位採放熱係数q’_cycleの算出で求めるq’_cycleと(4)地中熱採放熱量履歴を考慮した平均温度変化に基づく単位採放熱係数q’_historyで求めるq’_historyからq'を算出するが、iiの手法で求めるq’_cycleはGHEX採放熱量Q_pe、Q_piのうち片方が極端に小さい場合過小評価される可能性がある。そのため、GSHP合計採放熱量積算値とGHEX採放熱量積算値を比較し、式(20)(21)の条件のどちらかを満たした場合、q’_cycleの算出は行わずq’_historyを単位採放熱係数q'として使用する。

【0119】

【数20】

【0120】

【数21】

【0121】

また、式(20)(21)では打ち消し後、残った採放熱量が1割以下の場合（式（２０）は残った採熱量が１割以下の場合、式（２１）は残った放熱量が１割以下の場合）を条件としているが、より上限値を超えないよう安全側の判定を行う場合は、式(20)(21)の右項の値を0.1〜1.0に変更し調整を行う。

【0122】

(3)熱回収周期に基づく単位採放熱係数q’_cycleの算出
(1)で求めたt_ce、t_ciのうち大きい方をt_l、小さい方をt_sとする。単位採放熱係数q’_pecycle、q’_picycleを、t_c、λ_e、t_s、t_lの関数近似式(22)式（採熱側）、(23)式（放熱側）より求める。

【0123】

【数22】

【0124】

【数23】

【0125】

なお、単位採放熱経緯数を求める関数近似式はシミュレーションにより得られた結果から予め計算しておく。

【0126】

(4)地中熱採放熱量履歴を考慮した平均温度変化に基づく単位採放熱係数q’_historyの算出
HR-GSHPシステム稼働開始日から次の運転期間中までの採放熱量から地中温度変化量を算出し、単位採放熱係数q’_pehistory、q’_pihistoryを計算する。
詳細の手順を以下に説明する。

【0127】

ステップ１：図14に示すようにHR-GSHPシステム稼働開始日からコミッショニング開始までの採放熱量の平均値Q_pbeforeave、及びコミッショニング期間中の採放熱量の平均値Q_paveを算出する。(HR-GSHPシステム稼働日に行う初回コミッショニング時は、Q__pbeforeave=0となる。)

【0128】

ステップ２：図15に示すようにQ_pbeforeave、及びQ_paveによる地中温度変化量を円筒表面熱流境界の温度応答理論解の重ね合わせにより算出し、算出した温度をHR-GSHPシステム稼働開始日からコミッショニング開始までの平均地中温度変化△T_sbeforeave、及びコミッショニング期間中平均地中温度変化△T_saveとする。

【0129】

【数24】

【0130】

【数25】

【0131】

ステップ３：(1) 採放熱サイクルの推定で求めたt_ce、t_ciの時間中Q_pemax、Q_pimaxで採放熱が行われたときの地中温度変化量が地中温度が最も変化するものする。すなわち図14に示すように単位採放熱係数を求める期間中最も採放熱が連続する期間での地中熱採放熱量は図25のΣQ_pec 、ΣQ_pic となり、その採放熱量による変化量を期間中最大地中温度変化△T_smax、△T_sminとする。

【0132】

【数26】

【0133】

【数27】

【0134】

ステップ４：△T_sbeforeaveと△T_saveと△T_smax、△T_sbeforeaveと△T_saveと△T_sminを合計した値に、ボアホール熱抵抗R_pと最大採放熱量Q_pemax、Q_pimaxによる地中熱交換器の熱媒体温度変化を加え、熱媒体最大温度変化量△T_pmmax、△T_pmminを算出する。

【0135】

【数28】

【0136】

【数29】

【0137】

ステップ５：式(30)(31)から、地中採放熱履歴を考慮した平均温度変化に基づく単位採放熱係数q’_pehistory、q’_pihistoryを算出する。

【0138】

【数30】

【0139】

【数31】

【0140】

(5)単位採放熱係数q'_pe、q'_piの決定
(3)、(4)でもとめた各単位採放熱係数から、本設計および制御に使用するq'_pe、q'_piを求める。ここでは、q'_pecycleとq’_pehistory、q'_picycleとq’_pihistoryのうち、式(32)(33)に示すように大きい値を単位採放熱係数q’_pe、q’_piとして決定する。

【0141】

【数32】

【0142】

【数33】

【0143】

ただし、(2)に示した条件のどちらかを満たす場合は式(34)(35)に示すようにq’_pehistory、q’_pihistoryを単位採放熱係数q’_pe、q’_piとして決定する。

【0144】

【数34】

【0145】

【数35】

【0146】

(6)GHEX内部熱媒温度変化の算出によるヒートポンプ一次側入口温度の算出
GHEX内部熱媒温度変化T_pmmin、T_pmmaxを計算し、これらよりT_1inmin、T_1inmaxを計算し、許容範囲であるか判定する。許容範囲外となる場合には、図26に示すように採放熱量（ヒートポンプの負荷）を調整する。例えば、採熱側をt_l、放熱側をt_sとすると、T_pmmin、T_pmmaxは以下の式によって計算できる。

【0147】

【数36】

【0148】

【数37】

【0149】

ΔT₁をGSHP一次側出入口温度差(一般的には5℃)、T_pmを出入口平均温度とすれば、T_1inmin、T_1inmaxは以下の式で計算できる。

【0150】

【数38】

【0151】

【数39】

【0152】

以上により、ヒートポンプ一次側入口温度T_1inmin、T_1inmaxが上下限条件に納まるGHEX採放熱量Q__pemax、Q_{_pimax} を求めることにより、GHEX採放熱量上限値Q__pemaxset、Q__pimaxsetを決定することができる。

【0153】

GHEX採放熱量上限値は、以降の設計手法におけるGSHP処理能力の設定、制御システムにおけるGSHP出力制御値の基となる値であり、GHEX採放熱量を、GHEX１５の採熱量最大値・放熱量最大値以下に調整することは、ヒートポンプ運転許容範囲による制約ということとなる。すなわち、上記＜iv．期間内GHEX合計採放熱量の算出＞において算出した図21のGHEX採放熱量は、GSHP１１の負荷の最適化の観点からGHEX１５の採放熱量を算出しただけであり、実際のGHEX１５の能力は考慮されていない。言い換えると、上記＜iv．期間内GHEX合計採放熱量の算出＞において算出したGHEX採放熱量が、GHEX１５の採熱量最大値・放熱量最大値よりも大きい場合、GHEX１５の能力の観点から、GHEX採放熱量を実現することができない。

【0154】

＜vi．GSHP処理負荷の設計＞《設計手法の単独事項》
図27にGHSP処理負荷の設計フローを示す。GSHP処理負荷設計ブロックにおいては、各GSHPの合計採放熱量がvで決定したGHEX採放熱量上限値以下となるようQ_pe,i、Q_pi,iを調整して各GSHP毎の処理負荷を算出する。
設計時は、ここで算出した各GSHP毎の処理負荷がHR-GSHPシステム導入時に必要なGSHPの能力を設定する際の基準となる。また、補助熱源機の能力に関しては全負荷からGSHP処理負荷を引いた値を基準として能力を設定する。

【0155】

詳細な手順を以下に説明する。
ステップ１：Q_pとQ_pemaxset、Q_pimaxsetから採放熱抑制量Q_pegap、Q_pigapを算出する。

【0156】

【数40】

【0157】

【数41】

【0158】

ステップ２：Q_pegap、Q_pigapが採熱、放熱両方とも0以下の場合はQ_g2h,i、Q_g2c,iをGSHP処理負荷として終了する。

【0159】

ステップ３：Q_pegap、Q_pigapのどちらかが0より大きい場合は、0より大きい方の採放熱量を抑制する。

【0160】

ステップ４：冷却塔等の補助熱源が運転している場合は、Q_pegap、Q_pigapから補助熱源の採放熱量Q_ahse、Q_ahsiを引く。

【0161】

【数42】

【0162】

【数43】

【0163】

ステップ５：全GSHPの中でCOPが最も低いGSHPの採放熱量から採放熱抑制量を引き調整を行う。

【0164】

【数44】

【0165】

【数45】

【0166】

ステップ６：ステップ５で調整を行ったGSHPlの放熱量に相当するGSHPlの負荷を算出する。

【0167】

【数46】

【0168】

【数47】

【0169】

上記のステップ５、ステップ６に関してはCOPが低いGSHPから順番に処理を行っていき、採放熱抑制量が0以下となるまで繰り返しGSHPの出力を調整していく。

【0170】

以上により、期間内GHEX合計採放熱量の調整とGHEX長さ、GSHP負荷の最適化を実現することができる。

【0171】

［HR-GSHPシステム１０の制御方法］
＜ｖ．GSHP処理負荷の調整制御＞《制御システムの単独事項》
次にHR-GSHPシステム１０の制御システム１６について説明する。図28にHR-GSHPシステムの概念図、図29にHR-GSHPシステム１０の制御パラメータ決定フローを示す。制御システム１６は、設計が変化しない固定された前提条件下において年間を通じてGSHP処理負荷を最適化していくシステムとは異なる。制御システム１６は、建物等で実際にHR-GSHPシステム１０を運転しながら、実測データからソフトウェア１６により逐次変化していく有効熱伝導率λeや熱負荷Q、ヒートポンプの運転効率COPの補正を行うことで精度よく制御パラメータ(GHEX採放熱量上限値Q_pemaxset、Q_pimaxset)の決定を行えるようにしている。また、決定したGHEX採放熱量上限値Q_pemaxset、Q_pimaxsetを元に、PLC１３がGSHPの処理負荷を制御することで、地中熱を最大限利用した最適運転を実現する。そしてHR-GSHPシステム１０は、設計同様、評価変数を逐次変更し、制約条件を維持するように制御する。

【0172】

(1)PLC出力制御
PLCによるGSHP処理負荷制御の詳細を以下に説明する。
GSHP処理負荷の調整制御であるPLCによるGSHPの温熱供給・冷熱供給の同時運転時の出力制御について説明する。CGC（ソフトウェア１４）からPLCに出力される制御パラメータをGHEX採放熱量上限値とし、地中採放熱量を参照しながら出力を制御する仕組みとしている。そのため、暖冷房同時運転時についても、図30に示す全体フロー、および図31〜図36に示す各詳細フローの通りPLC側でGHEXの採放熱量(間接採放熱量)を算出し、それとGHEX採放熱量上限値との比較を行うことで、GSHP出力を増加・減少できるように対応した。
フローの内容は以下で説明する。

【0173】

ステップ１：図31に示すように、各熱源系統に出力抑制する優先順位(抑制順位)をCOPが低い順に設定する。抑制順位は加熱運転系統と冷却運転系統で別々に設定する。

【0174】

ステップ２：図32に示すように、各熱源系統の総負荷と定格能力から、全GSHPの合計採放熱量Q’_g1i、Q’_g1eを算出する。

【0175】

ステップ３：ステップ２で算出したQ’_g1i、Q’_g1eの大小関係により式(48)(49)のように制御後のHR-GSHPシステムの運転が冷却運転なのか加熱運転なのかを判断する。

【0176】

【数48】

【0177】

【数49】

【0178】

ステップ４：HR-GSHPシステムの運転が冷却運転時の加熱運転熱源系統、または加熱運転時の冷却運転熱源系統に関しては、ステップ２で算出した各熱源系統毎の総負荷から求めたGSHP熱量Q’_g2c,i、Q’_g2h,iをその熱源系統の負荷分配値として設定する。

【0179】

ステップ５：HR-GSHPシステムの運転が冷却運転時の冷却運転熱源系統、または加熱運転時の加熱運転熱源系統に関しては、図32に示すように制御時点での実測GSHP採放熱量からGHEX採放熱量を算出し、GHEX採放熱量と制御パラメータを比較することで出力の抑制を行うか促進を行うかを判断し制御を行う。

【0180】

ステップ６：抑制を行う場合は、図33、図35に示すフローに沿って以下のように制御を行っていく。
ア）GHEX採放熱量と制御パラメータから採放熱抑制量を算出する。
イ）採放熱抑制量から冷却塔や蓄熱タンク等の補助熱源で賄える採放熱量を引く。これにより採放熱抑制量が0となった場合は抑制制御を終了し、ステップ２で算出した各熱源系統毎の総負荷から求めたGSHP熱量Q’_g2c,i、Q’_g2h,iをその熱源系統の負荷分配値として設定する。なお補助熱源は、補助熱源機とは異なる。補助熱源機は、熱を作る機械であるのに対し、「補助熱源」は、熱交換を促進するファン等は付いているものの、基本的には熱交換器である。
ウ）残った採放熱抑制量を抑制順位が高い(順位が1の)熱源系統の採放熱量から引くことで採放熱量を抑制する。この時、抑制順位が最も高い熱源系統の採放熱量よりも採放熱抑制量が大きい場合は、その熱源系統の出力を0にし残った採放熱抑制量を次に抑制順位の高い熱源系統から引いていき、採放熱抑制量が0になるまで続ける。また、GSHPは各機器毎に定められた最低出力以下の出力で運転することが出来ないため、抑制後に残った熱源系統の採放熱量がその熱源系統の最低出力に相当する最低採放熱量よりも小さい場合は、その熱源系統の最低採放熱量まで抑制した後、次に抑制順位の高い熱源系統から残りの採放熱抑制量を引いていく。
エ）ウ）で抑制した採放熱量に相当する負荷を求め、その値を負荷分配値とする。

【0181】

ステップ７：促進を行う場合は、図34、図36に示すフローに沿って以下のように制御を行っていく。
ア）GHEX採放熱量と制御パラメータから採放熱促進量を算出する。
イ）抑制順位が最も低い(順位が最大の)熱源系統から順番に下記2つの条件を満たす系統を確認し、条件を満たした系統に採放熱促進量を加え、加えた分採放熱促進量を減らしていく。この処理を採放熱促進量が0になるまで続ける。
・補助熱源機が運転している。
・現状のGSHP出力がGSHP定格出力未満である。
ウ）イ）で促進した採放熱量に相当する負荷を求め、その値を負荷分配値とする。

【0182】

ステップ８：各熱源系統のGSHP処理負荷がステップ１〜７で求めたGSHP負荷分配値Q_g2hd、Q_g2cdとなるようにPLCにて地中熱ヒートポンプの出力制御を行う。

【0183】

ここまで（上記ステップ８まで）においては、ヒートポンプ１１側の採放熱量のバランスしか考慮しておらず、GHEX１５側に過剰な採熱もしくは放熱となる場合もある。これを防ぐため、CGC（ソフトウェア１４）側、PLC１３側において、図37に示すように、以下のGHEX１５の採放熱バランスを考慮した制御を加える。

【0184】

(2)CGC側での採放熱量の設定
CGC（ソフトウェア１４）では、長期的に地中温度が変化しないように出力制御を行うまでの採放熱量の許容積算値-Q_It_n、Q_It_nを設定しておく。採放熱量-Q_It_n、Q_It_nについては、1サイクルあたりの全負荷(採放熱量)-QT_gicj、QT_gecjと設定する。

【0185】

(3)PLC側の採放熱バランス制御運転
(2)で設定した採放熱量許容積算値-Q_It_n、Q_It_nより、実測する採放熱量の積算値が許容積算値を上回らないようにHR-GSHPシステム１０の制御運転を行う。制御フローは図36に示す通りとなる。以下にフローの内容について説明する。

【0186】

ステップ１：採放熱量実測値の積算を計算する。なお積算値は、下記式（Ａ）で表される。

【0187】

【数50】

【0188】

ステップ２：下記式（Ｂ）の判定を行う。

【0189】

【数51】

【0190】

ステップ３：実測の採放熱量の積算値が許容積算値を上回る(下回る)場合に、採熱量上限値Q_pemaxset (放熱量上限値Q_pemaxset)の修正を行う。採放熱上限値は以下の式により計算する。なお、Q_pemaxset、Q_pemaxsetはCGCから出力される値であるが、これを変更することとなる。

【0191】

【数52】

【0192】

【数53】

【0193】

ここで、単位採放熱係数q’は暖房(冷房)片側のみの運転を想定し、以下の（５２）式で計算する(図37参照)。

【0194】

【数54】

【0195】

(4)PLC側の温度補償制御運転
(1)や(3)による出力制御を行うことで、GSHP熱源水側入口温度が最適に運転可能な温度（以降、「許容値」とする。）を超えないようGSHPの出力を調整するが、GSHPの故障等により採放熱バランスが極端に崩れた場合は(1)や(3)の制御だけではGSHP熱源水側入口温度が許容値を超えてしまう可能性がある。そのため、図39、図40に示すフローの通り、出力抑制制御時に用いる制御パラメータをGSHP熱源水側入口温度を使用して補正する熱源水温度補償制御（以降、「温度補償制御」とする。）を行うことでGSHP熱源水側入口温度が許容値を超えないようGSHP出力を制御する。

【0196】

また、ここでいうGSHP熱源水側入口温度許容値T_1inmaxlimit、T_1inminlimitとは制御パラメータ決定時に使用している許容値T_1inmax、T_1inminとは異なりHR-GSHPシステムが稼働できる限界温度を指す。T_1inmax、T_1inminとT_1inmaxlimit、T_1inminlimitの関係は式(53)(54)のようになる。

【0197】

【数55】

【0198】

【数56】

【0199】

フローの内容は以下で説明する。

【0200】

ステップ１：GSHP採放熱量の10分、及び1時間平均値を計算する。

【0201】

ステップ２：地中熱ヒートポンプ熱源水入口温度の10分、及び1時間平均値を計算する。

【0202】

ステップ３：地中熱ヒートポンプ熱源水入口温度の10分平均値が温度許容値T_1inmaxlimit(採熱時はT_1inminlimit)を超えた場合、熱源水往温度10分平均値と温度許容値による温度変化量の比、及び安全率β_h、β_cにより制御パラメータの補正を行う。

【0203】

ステップ４：熱源水往温度の1時間平均値が温度許容値T_1inmaxlimit−X_c℃(採熱時はT_1inmaxlimit＋X_c℃)を超えた場合、熱源水往温度1時間平均値と温度許容値による温度変化量の比、及び安全率α_ｈ、α_Ｃにより制御パラメータの補正を行う。

【0204】

ステップ５：制御パラメータの補正を行った後、10分平均値での抑制の場合は10分間、1時間平均値での抑制の場合は1時間、ステップ３、４で補正した制御パラメータで出力制御を行い熱源水往温度の回復を待つ。

【0205】

安全率α_ｈ、α_Ｃと安全率β_h、β_cは式(55)(56)の関係となり、10分平均値が温度許容値を超えた方がより抑制をかけるようになっている。

【0206】

【数57】

【0207】

【数58】

【0208】

さらに、温度補償制御はGSHP熱源水側入口温度を許容値以下に抑えることが目的のため、温度補償制御時の出力制御抑制順位は図41に示すフローの通りGSHP出力をより抑制できるようGSHPの運転状況により以下のように決定する。
加熱運転GSHP：COPが高い順に抑制順位を設定
冷却運転GSHP：COPが低い順に抑制順位を設定

【0209】

［本実施形態に係るHR-GSHPシステム、設計方法、制御方法のまとめ］
＜構成要件＞
本実施形態に係るHR-GSHPシステムの設計方法は、温熱供給と冷熱供給を行う2種類以上のGSHPの一次側配管をGHEXに接続する地中熱利用熱回収ヒートポンプ（HR-GSHP）システムにおいて、各々のGSHPの出力を調整することにより、期間内のGHEXの周囲地盤の温度上昇を任意の温度以内に抑えることができる、HR-GSHPシステムの設計手法である。

【0210】

本実施形態に係るHR-GSHPシステムの設計方法は、上記の設計手法であって、GHEXの採放熱量を調整した上で、最適化手法を用いて、任意の地中熱交換器長さに対して、HR-GSHPシステムの費用対効果＝GSHP処理熱量（期間内における全てのGSHPの負荷を合計した値）を最大とする、GHEX長さとGSHPの負荷を計算する、HR-GSHPシステムの設計手法である。

【0211】

本実施形態に係るHR-GSHPシステムの設計方法は、短期間の採熱・放熱交互繰り返し運転を行う地中熱ヒートポンプにおいて、採熱・放熱サイクル時間t_c、採熱・放熱時間比t_l／t_cと地盤有効熱伝導率λ_eをもとに単位採放熱係数（地中熱交換器長さあたり、初期地中温度からの熱源水地中熱交換器出入口平均温度差あたりの採放熱量）q’を算定し、さらに短期間内の地中熱ヒートポンプ入口温度T_1inmin、T_1inmaxが規定の最低値以上最高値以下になるように、初期地中温度T_s0からの地中熱交換器出入口平均温度変化ΔT_pmmin、ΔT_pmmaxを算定し、地中熱交換器総長L_p、単位採放熱係数q’、地中熱交換器出入口平均温度変化ΔT_pmmin、ΔT_pmmaxより、それぞれの地中熱ヒートポンプの採熱量の総和又は放熱量の総和の制限値Q_pemax、Q_pimaxを（１８）式,（１９）式により定め、この制限値以内になるように地中熱ヒートポンプの運転を設定する。

【0212】

GSHPシステムの温度変化予測を行うために用いる単位採放熱係数q’は、地中熱交換器長さあたり、初期地中温度からの熱源水地中熱交換器出入口平均温度差あたりの採放熱量である。本実施形態では、短期間の採熱・放熱交互繰り返し運転を行うHR-GSHPにおいて、採放熱サイクル時間t_c、採熱・放熱時間比t_l／t_cと地盤有効熱伝導率λ_eをもとに求めることができるように、単位採放熱係数q’の推定手法を確立した。
具体的な方法の一つは、無限円筒理論等の伝熱理論を用いたシミュレーション計算を用い、採放熱による地中熱交換器出入口温度変化を求めることにより、単位採放熱係数q’を推定する。
与条件では、固定値として、地中熱交換器長さL_p、地盤有効熱伝導率λ_e、初期地中温度T_s0がある。時々刻々の変動条件として、表1や図9（ｂ）に示すような採熱量Q_e、放熱量Q_iおよび循環流量Gがある。時系列的には、運転開始直後の地中熱交換器出口温度T_poutは初期地中温度T_s0に等しく、地中熱交換器出口温度T_poutはヒートポンプ入口温度T_1inにも等しい。
変動条件として与えられた採熱量Q_e、放熱量Q_iは、下記式で得られる。
Q_e＝C_pρG（T_1in−T_1out）
Q_i＝C_pρG（T_1in−T_1out）
（ここで、C_p：定圧比熱[kJ/(kg・K)]、ρ：密度[kg/m³]、G：熱媒流量[m³/s]）
そのため、ヒートポンプが採熱量Q_e、放熱量Q_iで運転した場合、ヒートポンプ出口温度は、下記式で得られる。
T_1out＝T_1in−Q_e／C_pρG
T_1out＝T_1in−Q_i／C_pρG
地中熱交換器入口温度T_pinはヒートポンプ出口温度T_1outに等しく、初期地中温度T_s0から変化している。非特許文献1〜3に示すような無限円筒理論式を用いた近似手法を利用すれば、地中熱交換器入口温度T_pinと熱媒流量Gを与えることで、時々刻々と変化する地中熱交換器出口温度T_poutを求めることができる。
具体的な方法のもう一つは、地中熱採放熱履歴を考慮した平均温度変化に基づき単位採放熱係数q’を推定する。以下においても地中温度変化量の算出に関しては、無限円筒理論等の伝熱理論を用いたシミュレーション計算を使用する。
まず、HR-GSHPシステム稼働日〜単位採放熱係数を求める期間までの平均地中熱採放熱量を求め、その平均地中熱採放熱量による地中温度の平均温度変化を算出する。
次に、単位採放熱係数を求める（コミッショニング）期間内での平均地中熱採放熱量を求め、その平均地中熱採放熱量による地中温度の平均温度変化を算出する。
さらに、単位採放熱係数を求める期間中最も採放熱が連続する期間での地中熱採放熱量ΣＱ_ｇ１ｅｃ、ΣＱ_ｇ１ｉｃを求め、図15に示すようにその地中熱採放熱量による地中温度変化を算出する。
1番目、2番目の期間平均地中熱採放熱量による算出値は地中熱交換器の表面温度変化となっており、単位採放熱係数を求めるためには地中熱交換器内部熱媒温度が必要となるため、ボアホールの熱抵抗、及び最大採放熱量から期間内の地中熱交換器表面から内部熱媒への最大温度変化を算出する。
以上で求めた温度変化を合算することにより、期間内の最大熱媒体温度変化による地中熱交換器出口温度T_poutを求めることができる。
さらに、熱源水地中熱交換器出入口平均温度T_pmは以下により求めることができる。
T_pm=（T_pin＋T_pout）／2
表1のCASE1-2の採放熱繰り返し条件にて、以上のシミュレーションを行い得られた熱源水地中熱交換器出入口平均温度T_pmの変化が図9（ｃ）である。また、与条件として与えた採熱量Q_e、放熱量Q_iより地中熱交換器単位長さあたり採放熱量は以下のように求められる。
q_e＝Q_e×1000／L_p
q_i＝Q_i×1000／L_p
以上により、単位採放熱係数q’は以下により算定できる。
q'＝q／(T_s0−T_pm)
表1におけるt_cが採放熱サイクル時間、t_lをt_cで除したものが採熱・放熱時間比である。

【0213】

本実施形態に係るHR-GSHPシステムの制御システムは、温熱供給と冷熱供給を行う2種類以上のGSHP熱源機の一次側配管をGHEXに接続するHR-GSHPシステムにおいて、ソフトウェアにより地中熱交換器の採放熱性能を評価し、その結果をもとに温熱供給もしくは冷熱供給どちらかのみの運転を行った場合のGSHP熱源機の出力上限値を決定し、それに合わせてGSHP熱源機の出力制御を行うことで、熱源水の過度な上昇・低下を抑制することができる制御システムである。

【0214】

本実施形態に係るHR-GSHPシステムの制御システムは、上記HR-GSHPシステムにおいて、2種類以上のGSHP熱源機から温熱供給と冷熱供給双方を行った場合に、PLCにより一次側の熱回収熱量を評価し、その結果をもとにGSHP熱源機の出力上限値を変更し、熱源水の過度な上昇・低下を抑制した上で、HR-GSHPシステムの利用熱量を最大限に増やすことができる制御システムである。

【0215】

＜作用効果＞
これまでのGSHPシステムの設計は、季節間（冬季・夏季）の採熱・放熱のバランスを取るように行っていたため、比較的小さな季節間の蓄熱効果しか得られないものであった。本実施形態においては、短期（1か月以内の範囲）の採熱・放熱のバランスととる設計を行うことによって、季節間の蓄熱効果よりも大きな短期の蓄熱効果を得ることが可能となる。これと温熱供給と冷熱供給を行うそれぞれのヒートポンプを同時に運転することによる熱回収の運転を組み合わせることで、地中熱を利用するヒートポンプから供給する熱量に対する必要な地中熱交換器長さを大幅に削減することが可能となる。
さらに、中期的な地中熱採放熱履歴を考慮した設計を行うことにより、短期的には採熱・放熱のバランスが完全には取れない場合でも完全な短期の蓄熱効果には劣るものの季節間の蓄熱効果よりは大きな蓄熱効果を得ることも可能とし、適用負荷形態を拡げている。

【0216】

本実施形態では、HR-GSHPシステムについて、独自の方法で最適化手法を応用することにより、任意に設定したGHEX長さで、最大限のGSHPシステムの導入効果が得られるよう、最適化を行うものである。

【0217】

任意に設定したGHEX長さで、最大限のGSHPシステムの導入効果が得られるようになるため、地中熱ヒートポンプシステムの導入の費用対効果を最大化することや、コスト回収年数を最小化することが可能となる。

【0218】

本実施形態に係るHR-GSHPシステムの設計方法を用いることにより、HR-GSHPシステムについて、必要最小限のGHEX長さで、最大限のGSHPシステムの導入効果が得られるようになる。その結果として、HR-GSHPシステムの導入の費用対効果を最大化することや、コスト回収年数を最小化することが可能となる。

【実施例】

【0219】

［設計に関する実施例］
上記に説明した設計手法を用い、HR-GSHPシステム必要長さ検討のケーススタディを行った。図42に実施例の対象となる某複合建物の年間時刻別負荷を示す。複合建物の年間合計は44,506 MWであり、年間負荷の特徴は冬期でも冷熱負荷、夏期でも温熱負荷が発生することである。

【0220】

本実施例では某複合施設の負荷を利用して、i〜viのHR-GSHPシステム設計手法を用いて、各期間の各GSHPの時刻別負荷の最適化を実施した。さらには表3に示す計算条件でシミュレーションを行った。

【0221】

【表3】

【0222】

なお、地中熱交換器総長は両設計手法におけるGSHP年間処理負荷量が同等になるように試算した結果の長さとしており、図43にその場合のHR-GSHPシステムを導入する場合の年間時刻別負荷および、夏期に冷房、冬期に暖房運転を行う従来のGSHPシステムを導入する場合の年間時刻別負荷を示す。HR-GSHPシステムは、Lp = 1,600 m で2,551MWhの温熱負荷と1,870MWhの冷熱負荷の合計4,421MWの熱負荷を処理でき、従来のGSHPシステムは、Lp = 14,400 m で2,606MWの温熱負荷と1,766MWの冷熱負荷の合計4,372 MWの熱負荷を処理できる。すなわち、HR-GSHPシステムの場合は従来のGSHPシステムの場合の約11%の長さで同等の熱負荷を処理できる結果が得られた。

【0223】

また、シミュレーションの結果として得られる、HR-GSHPシステムと従来のGSHPシステムの期間平均COPも表3に示している。HR-GSHPシステムの期間平均COPは暖房時が5.97、冷房時が8.42であり、従来のGSHPシステムの期間平均COPは暖房時が4.00、冷房時が5.00である。従って、HR-GSHPシステムは効率においても従来のGSHPシステムと比較して優位性を有している結果となった。

【0224】

さらには、HR-GSHPシステム１０とGSHPシステムのエネルギー消費量およびランニングコスト（電気料金）についても表3に示す。なお、HR-GSHPシステム１０の処理熱量に対するGSHPシステムの処理熱量の不足分は暖房は補助熱源のガスボイラで賄い、冷房は補助熱源機のASHP（冷房COP5.8）で賄うこととした。また、電気料金は1kW=15円として計算を行った。
この結果より同じ熱量を処理した場合、本事例においてはHR-GSHPシステム１０は従来のGSHPシステムと比較してイニシャルコストで71%、ランニングコストを35％削減できる結果が得られた。

【0225】

図44に各負荷に対するGHEXの出口温度T_poutの計算結果を示す。各負荷に対するT_poutの温度が0℃<T_pout<35℃の範囲内に収めるが、HR-GSHPシステム１０の場合、温度変化が少ない。結果よりHR-GSHPシステム１０の場合は地中温度の変化が少ないことがわかった。

【0226】

［制御システムに関する実施例］
上記＜ｖ）GSHP処理負荷の調整制御＞に説明した制御運転を北海道大学構内に設置したフィールド試験装置により検証を行った。図31にフィールド試験系統図を、表4に試験装置構成機器概要を示す。

【0227】

【表4】

【0228】

フィールド試験装置１０Ｂは、主に複数台の地中熱ヒートポンプ１１Ｂ（GSHP）と、補助熱源機である空気熱源ヒートポンプ１２Ｂ（ASHP）と、地中熱交換器１５Ｂと、任意に設定した暖房・冷房負荷を模擬できる模擬負荷装置２０Ｂ（模擬負荷タンクとASHP）と、で構成される。表5に設定負荷を示す。

【0229】

【表5】

【0230】

まず、ソフトウェアからのGSHP熱源機の出力上限値を暖房時、冷房時それぞれで4 kWと設定した。
そしてCASE1では全体の冷房負荷を11 kWと設定したGSHPを冷房片側運転とした。従ってCASE1ではGSHPの出力は4 kWとなり、残りの7 kWはASHPが負担することになる。
CASE2では全体の暖房負荷を15 kW、冷房負荷を9 kWとした。この場合には、図25に示すPLC側出力制御により、判定出力が小さくなるため、温熱供給用、冷熱供給用いずれのGSHP出力とも4 kW以上となる。
CASE3では全体の暖房負荷を4 kW、冷房負荷を10kWとした。この場合には、温熱供給用GSHP出力は、4 kWなるが、図25に示すPLC側出力制御により、冷熱供給用のGSHP出力はおよそ6kWとなり、残りの4kWはASHPが負担することになる。

【0231】

図32にCASE1におけるGSHP熱源機およびASHP熱源機の出力を、図33にCASE2におけるGSHP熱源機の出力を、図34にCASE3におけるGSHP熱源機およびASHP熱源機の出力を示す。図32、図34には図25に示すPLC側で計算される判定出力値も示す。
CASE1では冷房片側の運転のため、ソフトウェアの出力上限値である4 kWにGSHP出力が抑制されていることが確認できた。一方で、CASE2は温熱供給、冷熱供給両方が行われることにより、PLC側で計算される判定出力値が出力上限値よりも小さくなっているため、ASHPの運転が起こらず、GSHPのみで全ての負荷が賄われていることが確認できた。CASE3では温熱供給、冷熱供給両方が行われているが、PLC側で計算される判定出力値が冷房側にて出力上限値よりも大きくなっているため、GSHP出力が抑制されていることが確認できた。
以上より、本制御の有効性が確認された。

【符号の説明】

【0232】

１０ 地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム
１１ 地中熱ヒートポンプ
１２ 補助熱源機
１５ 地中熱交換器
１６ 制御システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40】

【図41】

【図42】

【図43】

【図44】

【図45】

【図46】

【図47】

【図48】

【図49】