研究の概要

地中熱ヒートポンプ（GSHP）は住宅・建物の暖冷房を電化・脱炭素化する重要技術であるが、ボアホール熱交換器（BHE）フィールドの最適設計（深さ・配置・本数）は複雑な地熱・熱水力学モデルを必要とし、現場での実践的な計画を困難にしている。本研究はスタンフォード地熱ワークショップ2026で発表された、解析的モデルを活用した実用的な設計最適化手法を提案するものである。

提案手法は2つの解析モデルを統合している：①有限線熱源（FLS）モデルによる地中温度変化のシミュレーション、②ボアホール内の熱輸送解析モデル。これらを組み合わせることで、液体温度制約（法規制基準）を満足しながらBHEフィールドの配置を最適化する。

主な発見・成果

  • 複雑な数値シミュレーションなしに解析的モデルで実践的な最適化が可能であることを実証
  • 温度制約（規制基準）を明示的に組み込んだ設計最適化を実現
  • 現実的な計画シナリオへの適用可能性を示し、「現行のBHEシステムの計画・設計実務の改善が期待できる」と結論
  • 計算効率が高く、設計段階での迅速な検討に対応

実務への応用

建物設備設計者・エネルギーコンサルタント・住宅デベロッパーにとって、本研究は地中熱ヒートポンプシステムの設計計画を大幅に簡略化するツールを提供する。特に都市部の住宅・集合住宅開発でのGSHP導入検討において、法規制を遵守しながら最適なBHEフィールド構成を決定するための方法論として活用できる。ZEH（ネット・ゼロ・エネルギー・ハウス）認証取得やSBT達成に向けた建物脱炭素計画の技術基盤として参照できる。