再生可能エネルギー地中熱利用新型熱交換器

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新型地中熱(熱交換器)技術:地球の力を利用する
エアーコンディショナーはエネルギー消費の最大の源の一つであり、 高いエネルギー料金とエネルギー源に課税されています。しかし、地下からの自然の源を利用するより良い方法があるのでしょうか。自然エネルギーを利用することは、バーチャル・ハーモニーの最新技術のコアとなっています。 バーチャル・ハーモニーは、ヒートポンプの技術を利用して、建物や農業用の空調システムを設計、供給しています。バーチャル・ハーモニーの最新技術は、水平に設置された新しい地中熱熱交換器を肝にしています。  

この技術の核となる価値は、今日のエネルギー消費者と供給者の両方の痛みとなっている問題点に対処し、解決することにあります。一般の地中熱熱交換器技術は、最もエネルギー効率が良く、環境にやさしい暖房と冷房として勧誘されていますが、初期コストの高額さをそのままにしています。バーチャル・ハーモニーの技術は地中熱熱交換器の設置を地下深いところから地下表層部に近づけ、水平方向に設置することで、この初期コストの問題を解決しました。これにより、融雪及び農業用途に地中熱を利用することが可能になりました。
 

米国環境保護庁(
EPA)は、ヒートポンプは現在利用可能なエネルギー効率が高く、環境に優しく、費用対効果の高いエアーコンディショナーであると述べています。そのようなヒートポンプに対し、さらに地上の空気の温度と地下の土壌温度との間に自然に生じる差異を自然利用する新型地中熱熱交換器技術の利点を追加し、冷たい空気または暖かい空気を動かし、季節に応じて、構造物全体にわたって冷暖房するシステム構築を目指しています。

主な特徴と利点

1.簡単な据付
新型地中熱熱交換器はパワーショベルを使用して、地下約3m~5mの地下に水平に設置されます。対照的に、従来の地中熱熱交換器は、ボーリングマシーンを使用して、地下約50m~100mの深さのボーリング孔に垂直に設置されます。新型地中熱熱交換器はその伝熱特性、成績係数(COP)、イニシャルコスト(ランニングコスト)、ランニングコスト(運転コスト)、及び長い製品寿命において、より望ましいものになっています。水平方向の設置はパワーショベルでの掘削等により、全据付工程が容易になっています。スペックに要求された熱容量に合致するように新型地中熱熱交換器は指定場所に設置されます。

2.安い初期費用(イニシャルコスト)
新型地中熱熱交換器の費用は、従来の地中熱熱交換器の初期費用の20%~40%です。
鋼管を溶接して製造された地中熱熱交換器は、水道工事関連業者によってパワーショベルを使用して容易に水平方向に掘削され、その孔に容易に据付されます。
対照的に、従来の地中熱熱交換器を設置するプロセスは、特別な技術者によって操作されるボーリングマシーンを使用してボーリングするために、コストがかかります。
結論として、新型地中熱熱交換器の掘削費用は、現在の地中熱熱交換器の掘削費用よりもはるかに手ごろです。


3.多用途性
新型地中熱熱交換器は、建物や家屋の空調(冷暖房システム)に最適です。
また、道路や駐車場での雪を融かすように設計された融雪システムにも使用できます。さらに、農業システムや熱システムの熱交換器としても利用できます。


4.より良い性能
実際には、新型地中熱熱交換器は従来の地中熱熱交換器の性能の14倍以上であり、世界で最も良い性能です。

5.省エネルギー
新型地中熱熱交換器は、従来の地中熱熱交換器と比較してエネルギー消費量を50%以上削減する高い省エネ性製品です。

6.高いライフサイクル性
製品寿命は20年以上です。
これは、主に地下にコンクリートで埋められるという事実からです。
バーチャル・ハーモニーは再生可能エネルギーの展望をさらに発展させるため、技術指導の下、地中熱熱交換器を現地生産する企業との提携を望んでいます。また、、技術サポートを供与し、熱交換器の製造と設置に関する新型地中熱熱交換器技術をパートナー企業に移管する提携を望んでいます。
当初のコストより低いコストと高い性能を生みだしたバーチャル・ハーモニーの地中熱熱交換技術は産業界で受け入れられつつあります。


技術データ
考えられるアプリケーション

新型地中熱熱交換器は、掘削機を使用して地下深さ約3m~5mに水平方向に設置されます。一方、従来の地中熱熱交換器は、ボーリングマシーンによって掘削された地下深さ約50m~100mボーリング孔に垂直方向に設置されます。従来の地中熱熱交換器に比較して、新型地中熱熱交換器は熱特性、成績係数(COP)、初期コスト、運転コスト、製品寿命などの理由により競争上の利点を有しています。
新型地中熱熱交換器のサンプルアプリケーションは以下に述べる通りです。新型地中熱熱交換器は水平に設置されるので、パワーショベルで簡単に掘削、設置できます。新型地中熱熱交換器はスペックに要求された熱容量要件を満たさなければなりません。理想的には、ユーザーは熱交換器設置場所を確保する必要があります。


1.建物や家屋の空調(冷暖房システム)
建物や家屋の空調(冷暖房システム)に利用できます。
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2.融雪設備
道路や駐車場の雪を融かすシステムに利用できます。
(例)道路、歩道、駐車場、庭
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3.農業用システム
農業システムで利用することができます。
(例)ハウス内温度コントロール、土壌の温度コントロール、養液の温度コントロール
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4.熱交換システム
他の熱システムと組み合わせて利用することができます。
(例)工場排熱利用システム、牧舎設備内の温度コントロール、給湯・給水システム


競争上の優位性
バーチャル・ハーモニーは再生可能エネルギービジネスにおけるコストと性能について大きなアドバンテージを持っています。それは、優れたコストパフォーマンス、優れた省エネルギー、世界中で行われる簡単な製造と簡単な据付ができるという、これら3点です。この地中熱熱交換技術に関し、すでに日本特許を取得し、世界中に特許を出願しています。

1.性能
従来比10倍以上。
一定の熱負荷下での温度上昇試験において、温度上昇値は従来の技術よりも14倍以上優れていることが試験結果として記録され、確認されています

2.ランニングコスト(省エネルギー)
従来の技術の電力消費量の約50%以下。
詳細は、「性能」の項目をご参照願います。


3.初期コスト(イニシャルコスト)
従来のコストの50%未満(20%~40%)。
詳細は「性能」の項目をご参照願います。


4.製品ライフサイクル
20年以上(建物に相当)。
新型地中熱熱交換器は地下に埋め込まれ、コンクリートで覆われているために、新型地中熱熱交換器のライフサイクルは20年以上です。その製品ライフサイクルは建物と同じか、それ以上です。


5.簡単な掘削と据付
世界中の水道・管工事業者により容易に行われます。
実際には、典型的なパワーショベルによる掘削と水平孔への据付です。
非常に簡単な作業及び工程です。


6.コスト比較
(1)エアーコンディショナー用
200万円~400万円/20kW相当(初期費用)。
初期費用には、製造、掘削、及び設置費用を含んで、見積もられています。
下のグラフは、他のシステムとのコスト比較です。グラフ上の“Original ground source”は新型地中熱熱交換器のコストを示しています。新型地中熱熱交換器を備えたシステムは家庭用エアコンに比べて、初期費用の回収年は約10年と見積もられます。


(2)融雪システム用
10万円未満/m2
新新型地中熱熱交換器を使用した20年間のシステムの初期費用及びランニングコストは、融雪面積1m2当たり10万円未満と推定されます。
融雪システムのコスト比較を次のグラフに示します。グラフ上の“Original ground source”は新型地中熱熱交換器のコストを示しています。


性能

1.新技術は、従来技術の14倍以上
熱応答試験に試験に準じた試験において、新型地中熱熱交換器の温度上昇は従来型地
中熱熱交換器よりも14倍以上です。この試験結果データは、世界最高の熱交換性能を示しています。次のグラフをご参照願います。
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赤い曲線は従来型地中熱熱交換器の試験結果を示しています。
黒い曲線は従来型地中熱熱交換器の試験結果を示しています。
グラフに示されているように、連続的な熱負荷の下での8時間後において、新型地中熱熱交換器は従来型地中熱熱交換器より14.4倍優れています


2.試験結果に基づく経済合理性の根拠
(1)省エネルギー性
新型地中熱熱交換器のランニングコスト(運転コスト)は、従来型地中熱熱交換器エネルギー消費量の50%以下です。
バーチャル・ハーモニーは成績係数(COP)グラフをベースにして、新型地中熱熱交換器をヒートポンプに接続した場合のCOPを評価しました。COPグラフには、日本ピーマック社のホームページに掲載されているグラフを使用しました。
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COPグラフにはコンプレッサーを定格周波数、最大周波数、最小周波数にて運転した場合における水熱源の水温とCOPとの関係を表しています。
(ここでは、水熱源の水温は地中熱熱交換器からの水温に相当します)
定格周波数運転の場合について、評価を行います。運転当初、定格におけるCOPは14.2(水温15℃)、8時間運転後COP8.9(水温20℃)です。平均すると、COP11.2となります。
新型地中熱熱交換器は温度上昇が非常に小さいことから、最小周波数にて運転することが可能です。最小周波数運転の場合について、評価を行います。運転当初、定格におけるCOPは16.0(水温15℃)、8時間運転後COP12.2(水温20℃)です。平均すると、COP14.1となります。
従来型地中熱熱交換器においては、32℃~35℃にて運転されているため、COPは5よりも小さくなっています。通常、COPは3~4と報告されています。
従って、新型地中熱熱交換器のCOPは従来の地中熱熱交換器の3~4のCOPの少なくても2倍以上であると容易に推定できます。
以上のことから、新型地中熱熱交換器の運転コストは従来の地中熱熱交換器の50%以下と容易に見積もることができます。


(2)初期費用
新型地中熱熱交換器の初期費用(イニシャルコスト)は、従来型地中熱熱交換器の20%~40%です。
新型地中熱熱交換器は鋼管に閉止板を溶接して製作されます。掘削は水平方向で水道工事業者によって典型的なパワーショベルを使用して容易に行われます。水道工事業者は掘削された孔に新型地中熱熱交換器を設置します。
一方、従来の地中熱熱交換器における掘削はボーリングマシーンを操作する特殊技術者によってボーリングされます。
新型地中熱熱交換器の掘削費用は従来の地中熱熱交換器の掘削費用よりもはるかに安い費用です。



技術の成熟度

この技術は最先端技術です。国立研究開発法人新エネルギー・産業技術開発機構(NEDO)といわき市(福島県)は、2014年から2016年まで、バーチャル・ハーモニーをサポートしてきました。そのサポートの結果、バーチャル・ハーモニーは2016年に新型地中熱熱交換器を発明しました。2016年、NEDOの終了事業者事後評価委員会は、新型地中熱熱交換器は技術的に概ね妥当であるという判断をしました。新型地中熱熱交換器に関する特許は2017年に日本国で登録され、引き続き国際特許を申請しました。国際特許申請結果、国際事務局(WIPO)から発送された国際調査報告及び国際調査機関の見解書においては、「新規性・進歩性・産業上の利用可能性」が全て認められました。
東京のある大学が新しい地中熱熱交換器に興味を持ちました。2017年、その大学は新しい地中熱熱交換器の技術が簡単で本物であるということに確信し、かつ新型地中熱熱交換器の試験費用は少額であることを理解したため、その大学は新型地中熱熱交換器を購入しました。その大学は新しい地中熱熱交換器の技術がポスト炭素社会のステージへ導く可能性を大いに秘めていると自信を持って確信しました。その大学は、世界中の人々が新型地中熱熱交換器技術を理解し、それを実施することができると信じています。


考えられるリスク

1.漏洩
新型地中熱熱交換器製作上における溶接不良や機械加工不良により、地中熱利用システム運転中に、新型地中熱熱交換器から漏洩することが考えられます。この漏洩を防止するために、新型地中熱熱交換器の製作においては、水または空気による漏洩検査を行っています。

2.性能不良・性能低下
新型地中熱熱交換器の寸法不良や据付不良により、性能不良・性能低下の発生が考えられます。新型地中熱熱交換器の製作、据付は管理し、制御される必要があります。


ビジネス上の取引

パートナーシップ

バーチャル・ハーモニーはライセンスの提供及び技術指導の下、新型地中熱熱交換器を地元で製造し、地中熱事業を行う会社とのパートナーシップ提携を締結し、ともに活動したいと望んでいます。近い将来、新型地中熱熱交換器技術を当社の支援なしに、新型地中熱熱交換器を製造し、据付を行うパートナー業者に技術移転したいと思っています。

パテントのライセンス

1.特許
バーチャル・ハーモニーは再生可能エネルギー源である新型地中熱熱交換器技術の特許を取得しています。この特許は日本では特許登録されています。また、国際特許を出願しています。
新型地中熱熱交換器の特許とそれに関する技術を地域独占的に許諾し、実施することを世界の企業に対し提案しています。


2.排他的特許実施権者(ライセンシー)を求む
バーチャル・ハーモニーは新型地中熱熱交換器を設計、製造し、地下に埋設し、弊社の技術サポートを受ける排他的特許実施権者(ライセンシー)を求めています。最終的に、ライセンシーは彼らの地中熱事業を自ら指揮し、自国の経済発展をリードすることができます。当社はそれを望んでいます。
バーチャル・ハーモニーは、ライセンシーといっしょに協働して地中熱事業を行い、ポスト炭素社会構築に向けて、挑戦したいと思っています。



補足説明

技術に関する概略図

★技術の基本原理

新型地中熱熱交換器技術の特許は最もオーソドックスな伝統的な伝熱工学理論に基づいています。それは、熱交換量を多くするためには、熱伝導率を前よりも大きくすること、伝熱面積を前よりも大きくすることの2つです。

1.熱伝導率を大きくする
この基本原理に基づき、新型地中熱熱交換器においては、熱交換器の材質を高密度ポリエチレン(熱伝導率 0.5W/mK)から鋼管(熱伝導率 30W/mK)に変更しました。これにより、熱伝導率は60倍の改善となりました。

2.伝熱面積を大きくする
この基本原理に基づき、新型地中熱熱交換器においては、熱交換器の大きさを直径34mmから直径500mm以上に変更しました。これにより、伝熱面積は10倍以上の改善となりました。

3.他の技術による改善
新型地中熱熱交換器は地下3m~5mに、水平方向に埋設されます。
このため、次の改善を行いました。


(1)傾斜据付
熱交換器直径が大きいため、熱交換器内の高低差により熱が滞って、熱性能を劣化するため、新型地中熱熱交換器は傾斜して据付けられます。この傾斜据付により、熱交換器内に対流が起こり、熱の滞りを防ぎ、性能劣化を免れることができます。

(2)熱交換器入口管と出口菅のくい違い
熱交換器直径が大きいため、熱交換器の入口管取付位置と出口菅取付位置を熱交換器の中心からずらしています。このことにより、熱交換器内部に乱流が発生し、熱が滞ることを防いでいるため、性能の劣化を免れることができます。

(3)コンクリートによる埋め戻し
熱交換器周囲を埋め戻す際に、従来型においては、硅砂が使用されています。これは、地下水を利用するため、わざと水が通る空隙を作るためです。当社は硅砂埋め戻しには空気が混入してしまい、結果的に空気が断熱の働きをして熱性能を劣化するものと捉えています。そこで、流動的なコンクリートで熱交換器周囲を埋め戻しします。これにより、性能の劣化を免れることができます。

技術の基本原理と改善内容を以下に整理しました。

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★非常に簡単な製造・据付手順
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1.顧客要求の熱需要に従って、地中熱熱交換器を設計します。
2.町の鉄工所にて地中熱熱交換器を製造します。
3.典型的なパワーショベルを使用して、地下3m~5mに水平方向に掘削します。管工事業者が簡単に実施することができます。
4.管工事業者によって、掘削された孔に熱交換器を設置します。
5.熱交換器の周囲をコンクリートにて埋め戻します。
6.砂で孔を埋め戻しします。
7.熱交換器をヒートポンプに接続します。


★超ローテク、シンプルな技術

1.新型地中熱熱交換器は非常に簡単な構造でだれでも簡単に理解することができます。
2.新型地中熱熱交換器の基本的理論は大学生が簡単に理解できるオーソドックスな理論に基づいたものです。
3.構造は超ローテクです。新型地中熱熱交換器を用いた地中熱システムについて、誰もが理解し、それを発展させることができます。
4.ハイテクを持たない国の会社でも、ハイテク装置やハイテク技術を使用しないで、新型地中熱熱交換器を製造、据付し、地中熱事業を行うことができます。町の鉄工所による製造、管工事業者による据付が容易であるため、新工場建設、ハイテク装置の購入、高度な技術者の養成等は不要です。このため、地中熱事業開始にあたり、投資リスクは非常に小さいものになっています。途上国におけるこの地中熱ビジネスは自国の経済を発展させることができるでしょう。また、途上国の事業者でもグローバルな事業を展開、行うことができます。


★暖かい国には冷房が向いている

1. ヒートポンプのCOPに関し、冷房COPと暖房COPの関係は、
冷房COP=暖房COP-1 です。
これは、冷房は暖房よりも省エネが劣ることを示しています。
2. 暖かい国における気温は30℃以上です。この気温において、従来地中熱熱交換器におけるCOPは3~4程度です。現時点、従来型地中熱熱交換器は暖かい国には向いていません。
3.しかし、暖かい国で新型地中熱熱交換器を使用すると、冷房COPはより良くなります。もし、COPが3から6に改善できると、省エネルギーは50%になります。この省エネルギー効果は膨大です。


従来型と新型の相違 (出力 20kW 相当における比較)
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トピックス
国連工業開発機構(UNITED NATIONS INDUSTRIAL DEVELOPMENT ORGANISATION)の海外技術移転における環境技術データベースに登録されて、紹介されています。

グランド再生可能エネルギー2018国際会議(2018年6月17日~22日、パシフィコ横浜)の論文に採択(6月22日 10:45~12:15の間に発表)



会社概要
株式会社バーチャル・ハーモニー
福島県いわき市小名浜諏訪町4-1
電話 0246-52-022

メール yamanobe@3dedusoft.sak
代表取締役 山野辺久生


主な事業
1. 地中熱事業
地中熱パテントライセンス事業
地中熱利用システム、再生可能エネルギーの研究開発
地中熱利用システム(冷暖房システム、融雪、農業用、その他の熱交換器)の提供、地中熱利用に関するコンサルタント
2. 3D事業
AR(複合現実)、VR(バーチャルリアリティ)等の製作
建築、土木のパース図製作
3D図面製作、レーザー計測等による3次元モデリング及び3D-CAD化
3次元コンピュータグラフィックスによるコンテンツ等製作


マップにビジネス情報が掲載されています。
住所
日本
〒9718161 福島県
福島県いわき市小名浜諏訪町4-1
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