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地中熱ヒートポンプって自宅に使えるの? 採算が取れるか調査

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家づくりでの地熱発電について調べていたのですが、どう考えても家づくりの知識としては壮大すぎたので、きっと私は「地中熱利用」と勘違いしていたんだと思います。

地熱発電と日本の家づくりの関係性を考える
地熱発電と家づくりに関する情報をまとめています。

このページでは、再生可能エネルギーを取り入れて家づくりをしたい方のために、というよりも私の数年後なりのリフォームの参考資料として「本当に家づくりに役立つのは地中熱ヒートポンプ、なのか?」というあたりについて掘り下げて情報をまとめていきます。

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地中熱を家づくりに利用するとは

まずは、基本的なこととして「地中熱って何なの?」というあたりについて考えていきたいと思います。地熱発電と地中熱利用は、同じ地面の話でしたが、熱源も利用方法も全く異なりました。

地中熱とは

地中熱は地下200mまでの地中にある熱のこと。気温と違い、どの季節でも安定した温度が保たれており、年間の平均気温程度〜やや高い程度です。夏や冬に、地中と地上の温度差を利用して熱を排出したり吸収したりして利用します。

他の再生可能エネルギーと比較した地中熱

京都議定書の目標となっていた2020年が終わり、2021年からは2030年のパリ協定で掲げられた「脱炭素社会」に向かって本格的に動き出すことになります。新しいエネルギーについては別記事でも紹介しています。

知っておきたい「世界のエネルギーの話」、家づくりの参考
家づくりをしていると、いろいろなことを調べなくていけなくて頭がパンクしそうになります。今、エネルギー問題があるのはわかるけど、この先、どうなるかはわかりづらい。というわけで、エネルギーの今後について関連しそうな情報をまとめました。

また、家づくりに関してのエネルギーの考え方についてもまとめてみました。

これからの時代の「新築とエネルギー」の考え方
私の「家づくり」は反省の多い結果になりましたが、家は建てたら終わりではないと言うことも学んでいるところです。今後も新しい技術が開発されていくことを期待すると、「現在の完璧」は、数年後の標準でしかなく、さらには未来のスタンダードから...

再生可能エネルギーという言葉の認知度は高まりましたが、「実際、何なの?」と聞かれて答えられる人は少ない。最低限、家づくりに関するエネルギーの話だけは知っておくと「未来で損することはない」ということで、簡単に情報をまとめておきました。

家庭用燃料電池

家庭用燃料電池としてエネファームの利用が進んでいますが、水素を使った家庭での発電には注目したいところです。

水素発電が可能な燃料電池は普及するのか|家づくりと補助金の話
エネファームを躊躇なく購入できる人生が良かった。私はコストの面から家庭用燃料電池であるエネファームの搭載は見送りましたが、世の中はどう考えても「再生可能エネルギーを取り入れる」方向に動いています。ぶちくま今後、電気代は高くなると...
小型風力発電

自宅に風力発電は実現可能性は低いですが、我々新潟県民は「冬場の日射量は期待できない」ため、太陽光発電と太陽熱利用が難しい地域と言えます。少しでも発電の助けにならないかと、風力発電についても調べてみました。

自宅で風力発電は可能か「売電や投資で儲かる」
太陽光発電が「どうせ冬場は曇るからな」と躊躇していたのですが、世の中の動向を考えると再生可能エネルギーに一枚噛んでおきたい。そんな中、小型風力発電なら個人宅にも導入できそうだけど、どうなの?
太陽光発電

太陽光は年中安定して利用できるエネルギーではなく地域格差が生じるので「冬も晴れ間が広まる地位行きが羨ましい」と指を加えてみているだけですが、そんな太陽光発電に関する情報も別記事にあります。

新潟で太陽光発電は大損?【各市町村の支援制度を利用すべし】
最初に言うべきなのは、雪国は太陽光発電のデメリットは大きい。倍増と言ってもいい。ただ、設置に反対するわけではなく、メリットも多いということは知っておくべきかと思います。意外と夏場は新潟も東京よりも日照量があるのが盲点。
太陽熱利用

太陽光を期待できる地域の場合、太陽光発電だけではなく、太陽熱を利用することも可能です。太陽熱利用は昔から存在する技術ですが、太陽光発電との相性も考えてハイブリッドに活用する方法についても開発が進められています。

太陽熱利用給湯システムってなんだ? 自然エネルギーと家づくり
太陽熱利用自体は新しい技術ではありませんが、太陽光発電の売電価格が今後も下がることを考えると、シンプルに「給湯・暖房」のための熱源として有用だと気づきました。

地中熱の利用方法

地中熱っていうのは、実際のところ、どうやって利用するのか。基本は、地中と地上の温度差です。

地中熱を利用したシステム

  • ヒートポンプシステム
  • 空気循環
  • 熱伝導
  • 水循環
  • ヒートパイプ

地中熱利用事例

  • 鈴廣かまぼこ株式会社 鈴廣かまぼこ惠水工場
  • イケア・ジャパン株式会社 IKEA長久手
  • 大和電機工業株式会社 松本事業所 第7工場
  • 有限会社ゆの香 奥日光 ゆの森
  • 川崎市 南河原こども文化センター
  • 三菱マテリアル株式会社大宮新館
  • 株式会社秀建コンサルタント本社事務所
  • 学校法人森村学園
  • 川田工業株式会社富山本社

利用するために知っておきたい基礎知識

地中熱は年間を通してだいたい同じで、仮に15度程度だとします。夏場の外気は35度まで上昇した場合でも、地中の温度は概ね15度をキープしています。

普通の冷房を利用する場合

空気熱源ヒートポンプのイメージ

夏場に冷房を利用する場合、普通は室外機の中で熱交換を行なって冷たい空気を作ります。コンプレッサーによって冷媒を気化させると高音の気体になります。この熱は室外機の中で外の空気を取り入れて冷媒の温度を下げます。

ぶちくま
ぶちくま

室外機から出てくる空気がもわーっとしているのは、コンプレッサーで温度が高まった冷媒を冷やすために、外気を当てているからです。熱くなった冷媒の粗熱をとっていることと、冷媒が液体に戻るときに熱を放出するため、室外機から出てくる風はすごくあつい。

では、これが地中熱ヒートポンプを利用するとどう変わるのか。

地中熱ヒートポンプの場合

地中熱ヒートポンプは、先程の冷房の話でいう、「冷媒を冷ます外気」と室外機の「排熱」に関係しています。

地中熱ヒートポンプを理解するための図

先ほど、室外機の中で「冷媒」を冷ますのは外気だと説明しました。夏場は、この外気がすごく暑い。そのため、冷媒を冷たくするためのヒートポンプの仕事量がすごく増えます。

これが、地中だと15度くらいで外気に比べると冷たい温度が保たれています。この温度を利用して不凍液の温度を外気よりも下がったもので冷媒を冷やします。すると、ヒートポンプの仕事量が減ります。つまり、省エネとなります。

例題としてエアコンにも普及している「ヒートポンプ」を事例に出しましたが、基本的には地中と地上(外気)の温度差を利用して、なるべくエネルギーを使わないようにすることが地中熱の利用方法ということになります。

似たような説明を太陽熱利用システムでも解説しました。

太陽熱利用給湯システムってなんだ? 自然エネルギーと家づくり
太陽熱利用自体は新しい技術ではありませんが、太陽光発電の売電価格が今後も下がることを考えると、シンプルに「給湯・暖房」のための熱源として有用だと気づきました。
しろくまさん
しろくまさん

ちなみに、地中熱は家庭用の空調設備だけではなく、道路の融雪・凍結防止のシステムとしても利用されています。

地中熱は利用しやすい再生可能エネルギーか

再生可能エネルギーとしての「地中熱」の立ち位置的なことを考えていきます。

利用できない地域はある?

地中熱利用のためには掘削制限を突破する必要がある

幸いにして、我が新潟県の地中熱利用研究会の方の資料がネットに落ちていました。地下水採取の規制が関与しそうです。

資料の通りですが、地中熱ヒートポンプは比較的深い地中まで掘る場合はあるのですが、一般家庭用の場合は浅くても水平に伸ばしたり、それほどの深度を要求しない場合もあります。

耐久性は大丈夫?

地震による耐久性
地震の揺れは地表近くの軟弱な地盤や建物を通して増幅されるため、地下は地上に比べて揺れが少ない。地震により地中の採熱管の破損が起きた場合、地上の建物自体の崩壊等もっと大きな被害が生じるため、耐久性は問題ないとされている。

環境に及ぼす影響
地熱利用により地熱変化が数箇所で報告されている。 地熱利用が地下環境に及ぼす影響、生物に与える影響などの研究例が少なく、環境負荷について正しい評価ができない状態である[11]

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%B0%E4%B8%AD%E7%86%B1

Wikipedia情報ですが。家と隣接して掘削する影響というか、地盤を弱めたりが少し心配ですよね。地下水を利用する場合は使用分を戻すのですが、どれくらいの影響になるのかは、やはり環境に依存しそうな感じはしますね。

省エネ効率は?

地中熱利用でどれくらいの省エネ効果があるか、省エネ性を表すグラフ
地中熱利用でどれくらいの省エネ効果があるか、空気熱源ヒートポンプや油焚きボイラーとの比較
地中熱利用でどれくらいの省エネ効果があるか、新潟市内事務所の実績

省エネ効率としては、温度の移動くらいしかしていないので、基本的にはイニシャルコストさえ乗り越えればあとは割と長く省エネ効果が続きます。

空気熱源に比較すると21%程度の電気料金の節約になっていますが、大規模な油焚きボイラーの場合は77%の削減となっています。燃料費が高いというのもありますが。

家庭の省エネ効果試算

創エネに代表される太陽光発電のように、全てのエネルギー消費を賄うような汎用性はありませんが、エネルギー量の必要な暖房・急騰を補うだけでも削減効果はかなり大きく出ているような感じがしますね。

普及率を調べる

地中熱の利用は広まっていると言えます。山形県に異様に多いのは融雪目的の利用とのことで、ヒートポンプ式ではなく水循環式。千葉県では熱伝導式での事例が多いとのこと。

住宅利用も意外と多い

国内でのヒートポンプを用いた地中熱の利用用途
地中熱利用にあたってのガイドラインより引用

大規模な施設関連で、地盤掘り返したときに設置するもんだと思っていたら、施設関連よりも小〜中規模での利用もあり、かなり幅広い印象ですね。地中熱、やっぱり使いやすいんですね。

諸外国との比較
地中熱利用ヒートポンプ設備容量、海外との比較
地中熱利用にあたってのガイドラインより引用
  1. アメリカ
  2. 中国
  3. スウェーデン
  4. ノルウェー
  5. ドイツ

アメリカと中国は人口の問題もありそうですが、北欧での利用が目立つのは「空気熱源」が使用できないほどに外気が冷たいからでしょうか。

ぶちくま
ぶちくま

地中熱ヒートポンプは氷点下15度以下でも使用できるのはメリットで、北海道での導入事例は多いですよね。

設置件数
地中熱利用ヒートポンプ設備の国内設置件数
地中熱利用にあたってのガイドラインより引用

地盤調査・工事と相性が良さそう?

以前、地盤調査についても記事を書いたのですが、こちらはずいぶん前の記事なのでご覧いただかなくても大丈夫です。

地盤調査と地盤改良を体験したのでデメリットを共有する|プラス100万円の横暴
新築の際に、地盤検査と地盤改良をすることになったので共有します。地盤改良すると土地の価値がいかにもあがりそうですが、むしろ土地の価値をさげ、しかも公害の原因となる可能性まであります。自分の土地にあった改良法、基礎づくりをしてもらうことで家の寿命は変わってきます。

素人考えで「どうせ家を建てるときに地盤調査・必要時は工事が必要になるんだから、一緒にやればいいんじゃないか」と思ったら、すでに我らが新潟の宝であるコロナがパイルフォーシステムというものを開発していました。

パイルフォーシステム、コロナの地中熱ヒートポンプ

初期導入費用の大幅な削減を実現

ちなみに、我が家も地盤改良したのですけども、支持杭というものを地盤にうつパターンがあります。この鋼管杭を余分に打ち込み、この杭に採熱管を入れることで一回の地盤工事でほとんどの地中熱ヒートポンプの工事が終わってしまう、ということです。

地中熱に関する研究などの資料

ちょっと私が読みながら面白いと思った文献を一部抜粋しながら情報共有します。

自然エネルギーの中での優位性

浅深度地中熱利用の研究 地中熱の住宅冷暖房への利用
  • 基本的にはどこでも利用可能
  • 気候・日照時間などに影響を受けにくい
  • 比較的簡易で建築時の地盤関連調査と相性がいい
  • 目的別・地形など合わせて形態が多様に選択できる
  • 利用頻度の高い電力用途である「空調」との相性がいい

熱源と冷暖房方式のマトリクス図

浅深度地中熱利用の研究 地中熱の住宅冷暖房への利用

ヒートアイランドとの関連は「太陽熱利用」の記事でも触れましたが、私も「排熱処理まで考えられる地中熱が有利か」とは思いました。

太陽熱利用給湯システムってなんだ? 自然エネルギーと家づくり
太陽熱利用自体は新しい技術ではありませんが、太陽光発電の売電価格が今後も下がることを考えると、シンプルに「給湯・暖房」のための熱源として有用だと気づきました。

地中熱利用に関しては、「ヒートポンプ」に引っ張られてエアコンに関しての情報が多かったのですが、「放射冷暖房」についても開発は進められているようです。融雪道路などの構造を考えても、「ほんのり暖かい床」や「ひんやりするパネル」などが効果的に配置された家は心地良さそうです。

日本で普及しない理由

  • 機種が高い
  • 地盤に対して調査・掘削などの工事が必要
  • 消費者の地中熱ヒートポンプの認知度が低い
  • 施工側も選択肢としてあまり考えていない
  • 法律で地中掘削が禁じられている地域もある

浅深度地中熱利用の研究 地中熱の住宅冷暖房への利用

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利用可能な地中熱ヒートポンプ製品

ながながと記事を書きましたが、結局、ヒートポンプを実際に利用すると「どんな製品」があって「いくらくらいかかるものなのか」が気になるところだと思います。

CORONA GEOSIS

CORONAの本気を見ましたね。GEOSISはかなり実用性に優れた商品が見受けられます。まぁ、新潟県民の地元贔屓ですけども。

ジオシス製品一覧

温水ルームヒーターは、我が家ではガス式のものを導入しました。妻としては放射・輻射熱でじんわりと温もりが来るような、床暖房がいいみたいですけど、私は暖かい風が出るほうが好きです。

温水ルームヒーターの温もりったら床暖房の比じゃない【導入の判断を褒めてやりたい】
新築の我が家の熱源確保は温水ルームヒーターです。 ガスで不凍液を温めて、その熱を使って熱風をつくるのですが、 その温度がかなり心地よくてお勧めしたいと思いレビュー記事を書きました。 ガス代は高いですが、床暖房よりも心地よくてメンテナンスが楽チンです。

家庭用地中熱ヒートポンプエアコン GeoSIS(ジオシス)

部屋に合わせて使える冷暖房端末

私のように「直に温もりが欲しい」場合と、妻のように輻射熱でじんわり温まりたい、という要望に答えられるように、冷暖房端末のバリエーションが本当に豊富です。

ジオシスってどんな製品?

ハイブリッド製品もある
コロナの地中熱ヒートポンプと空気熱ヒートポンプのハイブリッド品

ここまでくると、やりすぎなんじゃないかという気もしてきますが。コロナは元々エアコン作っている会社なので今後も継続してアップデートされた製品が出てくると思いますが、この室外機ヒートポンプシステムがどれくらい使えるもんなんでしょうかね。

ジオシスハイブリッドとは

サンポット株式会社

戸建てから規模の大きな地中熱ヒートポンプシステムに対応する製品をリリースしています。

GSHP-1040X

-20度以下には対応しないが、私の住む地域は-20度は完全に異常気象なので、北海道の一部以外の地域には対応していると考えて良さそうです。

ぶちくま
ぶちくま

サイズ感は、かなり使いやすそうですし、融雪用にも使えるので、一般家庭で検討しやすいモデルですね。

GSHP-3003UR F

  • 最大冷暖房出力30kW
  • 複数台連結運転可能
  • タイマー付きの個別リモコン
  • 奥行き550mmのコンパクトな形状

ゼネラルヒートポンプ工業

ゼネラルヒートポンプ工業は愛知県の会社です。北信越営業所が富山だったので、(新潟在住の私としては)何となく縁がなさそうな気はします。

製品ラインナップとしては「ビル」や「工場」など大型の施設・建築物などに使用する製品が多いようです。

地中熱ヒートポンプシステム

透析熱回収ヒートポンプシステムとは

医療従事者としては、ちょっと触れておきたかった「透析熱回収ヒートポンプシステム」、こんなのあるんだ。

透析熱回収ヒートポンプシステム

完全に、地中熱関係ないんですけどね。

透析熱回収ヒートポンプシステム Smart E System

三菱電機

何やら海外向けの製品があるようではありますが、ちょっと論文に目を通す時間がなく今日はこのくらいで。

海外向け地中熱対応BTW

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