研究者データベース

葛 隆生(カツラ タカオ)
工学研究院 環境工学部門 環境工学
准教授

基本情報

所属

  • 工学研究院 環境工学部門 環境工学

職名

  • 准教授

学位

  • 博士(工学)(北海道大学)

科研費研究者番号

  • 60552411

J-Global ID

研究分野

  • ナノテク・材料 / エネルギー化学
  • 社会基盤(土木・建築・防災) / 建築環境、建築設備
  • ものづくり技術(機械・電気電子・化学工学) / 熱工学

職歴

  • 2014年04月 - 現在 北海道大学 大学院工学研究院 准教授
  • 2009年04月 - 2014年03月 北九州市立大学 国際環境工学部 講師
  • 2006年10月 - 2009年09月 株式会社藤原環境科学研究所

学歴

  • 2004年04月 - 2006年09月   北海道大学   大学院工学研究院   都市環境工学専攻 博士後期課程
  • 2002年04月 - 2004年03月   北海道大学   大学院工学研究院   都市環境工学専攻 修士課程
  • 1998年04月 - 2002年03月   千葉大学   工学部   都市環境システム学科

所属学協会

  • ASHRAE   日本地熱学会   日本建築学会   日本太陽エネルギー学会   日本冷凍空調学会   空気調和・衛生工学会   

研究活動情報

論文

  • Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Ahmed A. Serageldin, Katsunori Nagano, Motoaki Ooe
    Energies 14 7 1872 - 1872 2021年03月28日 
    The variability of ground thermal conductivity, based on underground conditions, is often ignored during the design of ground-source heat pump systems. This study shows a field evidence of such site-scale variations through thermal response tests in eight borehole heat exchangers aligned at a site on a terrace along the foothills of mountains in northern Japan. Conventional analysis of the overall ground thermal conductivity along the total installation length finds that the value at one borehole heat exchanger is 2.5 times that at the other seven boreholes. History matching analysis of underground distributed temperature measurements generates vertical partial ground thermal conductivity data for four depth layers. Based on the moving line heat source theory, the partial values are generally within a narrow range expected for gravel deposits. Darcy velocities of groundwater are estimated to be 74–204 m/y at the borehole with high conductivity, increasing in the shallow layers above a depth of 41 m. In contrast, the velocities at the other seven boreholes are one-to-two orders of magnitude smaller with no trend. These high and low velocity values are considered for the topography and permeability. However, the relatively slow groundwater velocities might not apparently increase the partial conductivity.
  • Ali Radwan, Takao Katsura, Saim Memon, Essam M. Abo-Zahhad, O. Abdelrehim, Ahmed A. Serageldin, Mohamed R. Elmarghany, Asmaa Khater, Katsunori Nagano
    Sustainable Energy and Fuels 4 12 6251 - 6273 2020年12月 
    Photovoltaic-thermal (PV/T) solar collectors convert solar radiation into electrical power and heat. Part of received solar energy can be lost to the atmosphere from the top surface of the PV/T module, especially in windy regions. Thus, in this study, a new vacuum-based photovoltaic thermal (VPV/T) collector is designed and comparatively analyzed with the conventional PV/T collector. The new design differs from the conventional PV/T design by including a vacuum layer above the silicon wafer. Besides, to enhance the heat dissipation from the silicon wafer in the VPV/T design to the thermal absorber, the thicknesses of ethylene-vinyl acetate and tedlar polyester tedlar layers underneath the silicon wafer are decreased. A comprehensive 3D conjugate thermal model is developed and validated. The comparison is conducted under steady and transient conditions. The effects of Reynolds number (Re), wind speed, glass emissivity, and vacuum pressure are investigated. And finally, exergy analysis results for both designs are compared. The results showed that the new VPV/T collector has accomplished a 26.6% increase in the thermal power without changing the electrical power gain at Re of 50 and solar irradiance of 1000 W m-2. In addition, the vacuum pressure degradation from 0.01 Pa to 10 Pa slightly decreases the gained thermal power of the new VPV/T collector. A further increase in the vacuum pressure from 10 Pa to 1.013 × 105 Pa significantly decreases the gained thermal power with a slight increase in the electrical power. Furthermore, the total predicted VPV/T and the conventional PV/T exergy efficiency are 39.6% and 32%, respectively. This journal is
  • Ali Radwan, Takao Katsura, Saim Memon, Essam M. Abo-Zahhad, Ahmed A. Serageldin, Katsunori Nagano
    Energy Reports 6 236 - 242 2020年12月 
    In this study, a new design of photovoltaic thermal (PV/T) collector is proposed. This design uses a vacuum layer above the silicon wafer and not exists in the traditional PV/T collector. This layer is used to decrease the heat loss from the top surface of the PV/T collector. The analysis is conducted using a 3D thermal modeling. The new collector design with the vacuum layer achieved a 26.6% increase in the thermal power while keeping the electrical the same at Reynolds number of 50 and solar radiation of 1000 W/m . In addition, the degradation of the vacuum pressure slightly influence the thermal performance while increasing the vacuum pressure from 0.01 Pa to 10 Pa. While further increase in the vacuum pressure from 10 Pa to 1.013×10 Pa substantially decreases the gained thermal power with insignificant increase in the electrical power. 2 5
  • Lan Ding, Takao Katsura, Ali Radwan, Katsunori Nagano
    Energy Reports 6 1409 - 1415 2020年12月 
    In this study, a new multi-segmented radiant ceiling panel with different tilt angle is proposed. The effect of segments inclination angle and panel area increase for the same coverage ratio are investigated. A 3-dimension computational fluid dynamics model is developed and validated for these comparisons. It is concluded that increasing segments angle decrease the ratio between the radiation and total heat exchange. In addition, using the multi-segments allows the air to move from the plenum area to the central zone of the room. Further, the operative temperature for the ±45° is minimum with best value for the predicted mean vote and lowest value of predicted percentage dissatisfied compared with ±30°, ±75° and 90°. And increasing the panel area with 300% increased the panel cooling capacity by around 140% for the same indoor temperature of 25.3±0.2°C and the same ceiling area. This research found that the cooling capacity is proportional to the area of the radiant panel, but under the same ceiling area, when the area ratio exceeds a certain value, the thermal performance will decrease due to the reduction of the convection heat transfer coefficient.
  • Ahmed A. Serageldin, Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    Sustainable Energy Technologies and Assessments 42 100805 - 100805 2020年12月
  • Mostafa Ahmed, Ali Radwan, Ahmed Serageldin, Saim Memon, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    Sustainability (Switzerland) 12 19 2020年10月 
    A zero-energy building (ZEB) requires an innovative integration of technologies, in which windows play a paramount role in energy reduction, storage, and generation. This study contributes to four innovative designs of sliding smart windows. It integrates air-gap (AG), phase change material (PCM), photovoltaic (PV), and vacuum glazing (VG) technologies. These smart sliding windows are proposed to generate electricity along with achieving efficient thermal insulations and heat storage simultaneously. A two-dimensional multiphysics thermal model that couples the PCM melting and solidification model, PV model, natural convection in the cavity, and the surface-to-surface radiation model in the vacuum gap are developed for the first time. The model is validated with data in the literature. The transient simulations were carried out to investigate the thermo-electrical performance of a window with an area of 1 m by 1 m for the meteorological conditions of Kuwait city on the 10th of June 2018, where the window was oriented to south direction. The results showed that the total solar heat energy gain per unit window area is 2.6 kWh, 0.02 kWh, 0.22 kWh, 1.48 kWh, and 0.2 kWh for the double AG, AG + PV + PCM + VG, PV + PCM + VG, AG + PV + PCM, and the ventilated AG + PV + PCM + VG, respectively. The results elucidate the advantages of the integration of VG in this integrated sliding smart window. The daily generated PV electrical energy in these systems is around 1.3 kWh, 1.43 kWh, and 1.38 kWh for the base case with double AG, PV + PCM + VG, and the ventilated AG + PV + PCM + VG respectively per unit window area.
  • Takao Katsura, Yoshitaka Sakata, Lan Ding, Katsunori Nagano
    Energies 13 17 2020年09月 
    The authors developed a ground heat exchanger (GHE) calculation model influenced by the ground surface by applying the superposition theorem. Furthermore, a simulation tool for ground source heat pump (GSHP) systems affected by ground surface was developed by combining the GHE calculation model with the simulation tool for GSHP systems that the authors previously developed. In this paper, the outlines of GHE calculation model is explained. Next, in order to validate the calculation precision of the tool, a thermal response test (TRT) was carried out using a borehole GHE with a length of 30 m and the outlet temperature of the GHE calculated using the tool was compared to the measured one. The relative error between the temperatures of the heat carrier fluid in the GHE obtained by measurement and calculation was 3.3% and this result indicated that the tool can reproduce the measurement with acceptable precision. In addition, the authors assumed that the GSHP system was installed in residential houses and predicted the performances of GSHP systems using the GHEs with different lengths and numbers, but the same total length. The result showed that the average surface temperature of GHE with a length of 10 m becomes approximately 2 C higher than the average surface temperature of a GHE with a length of 100 m in August. ◦
  • Hongzhi Liu, Katsunori Nagano, Takao Katsura, Yue Han
    Energies 13 12 2020年06月 
    In this study, a heat pump of 10 kW with vapor injection using refrigerant of R410A was developed. A vapor injection pipe connecting a gas-liquid separator at the outlet of the main expansion valve and the suction of a single-stage rotary compressor was designed. The heating performance of this vapor injection heat pump was investigated and analyzed at different compressor frequencies and primary temperatures. The experimental results show that for the heat pump without vapor injection, the heating capacity increased linearly with the compressor frequency, while the heating coefficient of performance (COP) decreased linearly with the compressor frequency for each tested primary temperature. The developed vapor injection technique is able to increase the heat pump system's heating capacity and heating COP when the injection ratio R falls into the range 0.16-0.17. The refrigerant mass flow rate can be increased in the vapor injection heat pump cycle due to the decreased specific volume of the suction refrigerant. The power consumption of vapor injection heat pump cycle almost remains the same with that of the conventional heat pump cycle because of the increased refrigerant mass flow rate and the decreased compression ratio. Finally, it was found that the developed vapor injection cycle is preferable to decreasing the compressor's discharge temperature.
  • Analysis of relaxation time of temperature in thermal response test for design of borehole size
    Hobyung Chae, Katsunori Nagano, Takao Katsura, Yoshitaka Sakata, Ahmed A. Serageldin, Takeshi Kondo
    Energies 2020年06月 [査読有り][通常論文]
  • Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    Geothermics 88 101881 - 101881 2020年06月 [査読有り][通常論文]
  • 人工ニューラルネットワークによる回帰モデルを用いた地下水流れを伴う地中熱交換器周囲温度応答関数の計算手法
    小司優陸, 葛隆生, 阪田義隆, 長野克則
    空気調和・衛生工学会論文集 45 279 11 - 18 2020年06月 [査読有り][通常論文]
  • Method for calculation of ground temperature in scenarios involving multiple ground heat exchangers and groundwater advection
    Takao Katsura, Yutaka Shoji, Yoshitaka Sakata, Katsunori Nagano
    Energy & Buildings 2020年04月 [査読有り][通常論文]
  • Ahmed A. Serageldin, Ali Radwan, Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    Energies 13 6 1418 - 1418 2020年03月18日 [査読有り][通常論文]
     
    New small-scale experiments are carried out to study the effect of groundwater flow on the thermal performance of water ground heat exchangers for ground source heat pump systems. Four heat exchanger configurations are investigated; single U-tube with circular cross-section (SUC), single U-tube with an oval cross-section (SUO), single U-tube with circular cross-section and single spacer with circular cross-section (SUC + SSC) and single U-tube with an oval cross-section and single spacer with circular cross-section (SUO + SSC). The soil temperature distributions along the horizontal and vertical axis are measured and recorded simultaneously with measuring the electrical energy injected into the fluid, and the borehole wall temperature is measured as well; consequently, the borehole thermal resistance (Rb) is calculated. Moreover, two dimensional and steady-state CFD simulations are validated against the experimental measurements at the groundwater velocity of 1000 m/year with an average error of 3%. Under saturated conditions without groundwater flow effect; using a spacer with SUC decreases the Rb by 13% from 0.15 m·K/W to 0.13 m·K/W, also using a spacer with the SUO decreases the Rb by 9% from 0.11 m·K/W to 0.1 m·K/W. In addition, the oval cross-section with spacer SUO + SSC decreases the Rb by 33% compared with SUC. Under the effect of groundwater flow of 1000 m/year; Rb of the SUC, SUO, SUC + SSC and SUO + SSC cases decrease by 15.5%, 12.3%, 6.1% and 4%, respectively, compared with the saturated condition.
  • The effect of groundwater flow on the thermal performance of borehole heat exchanger with a novel oval cross-section: Small scale experiments and numerical simulation
    Ahmed A. Serageldin, Ali Radwan, Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    Energies 13 6 1 - 26 2020年03月 [査読有り][通常論文]
  • A New Simulation Model for Vertical Spiral Ground Heat Exchangers Combining Cylindrical Source Model and Capacity Resistance Model
    Takao Katsura, Takashi Higashitani, Yuzhi Fang, Yoshitaka Sakata, Katsunori Nagano, Hitoshi Akai, Oe Motoaki
    Energies 13 6 1 - 17 2020年03月 [査読有り][通常論文]
  • Estimation of fast groundwater flow velocity from thermal response test results
    Hobyung Chae, Katsunori Nagano, Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Takeshi Kondo
    Energy & Buildings 206 1 - 10 2019年11月 [査読有り][通常論文]
  • Energy Conservation using New Structured-Core and Transparent Vacuum Insulation Panels: Numerical Simulation with Experimental Validation
    Takao Katsura, Ali Radwan, Zhang Yang, Makoto Nakamura, Katsunori Nagano
    Solar Energy 193 885 - 905 2019年10月 [査読有り][通常論文]
  • 地中熱ヒートポンプシステムの間接型地中熱交換器必要長さ全国500 mグリッド算定と評価
    阪田義隆, 葛隆生, 長野克則
    土木学会論文集G 74 5 I_185 - I_192 2019年09月 [査読有り][通常論文]
  • クローズド型地中熱ヒートポンプシステムの地中熱交換器規模決定に関する研究:個別シミュレーション決定法とその全国適用例
    阪田義隆, 葛隆生, 長野克則
    日本地熱学会誌 41 3 75 - 89 2019年07月 [査読有り][通常論文]
  • 阪田義隆, 葛隆生, 長野克則
    北海道自然エネルギー研究 13 13 17 - 26 2019年06月30日 [査読有り][通常論文]
  • Takao Katsura, Katsunori Nagano, Yohitaka Sakata, Hisashi Wakayama
    International Journal of Energy Research 43 4 1505 - 1520 2019年03月25日 [査読有り][通常論文]
  • Yoshitaka SAKATA, Takao KATSURA, Katsunori NAGANO
    Journal of Japan Society of Civil Engineers, Ser. G (Environmental Research) 75 5 I_177 - I_183 2019年 [査読有り][通常論文]
  • 葛隆生, 中村靖, 長野克則, 阪田義隆
    日本冷凍空調学会論文集 35 4 313‐324  2018年12月31日 [査読有り][通常論文]
  • Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    日本冷凍空調学会論文集 2018年12月 [査読有り][通常論文]
  • Ahmed A. Serageldin, Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    Energy Conversion and Management 177 406 - 415 2018年12月 [査読有り][通常論文]
  • 阪田義隆, 葛隆生, 長野克則, 丸井敦尚
    地下水学会誌 60 3 273‐288  2018年08月31日 [査読無し][通常論文]
  • 地中熱利用ヒートポンプシステム導入によるCO2排出量削減の全国評価:戸建住宅への暖房利用を例として
    阪田義隆, 葛隆生, 長野克則
    土木学会論文集G(環境) 74 5 I_359 - I_367 2018年08月 [査読有り][通常論文]
  • 葛隆生, YANG Zhang, 相原昌博, 中村真人, 長野克則
    太陽エネルギー 44 2 49‐57 - 57 一般社団法人 日本太陽エネルギー学会 2018年03月31日 [査読有り][通常論文]
     
    <p>This study aims at developing the vacuum insulation panels (VIPs) with small thickness and light transmittance to contribute retrofitting insulation for existing buildings. The authors are focus on producing the slim and translucent VIPs with vacuum layer which hold by spacers. Firstly, the outlines of vacuum layer type VIPs were introduced. Next, the structural calculation was carried out as a mechanical analysis to determine the specific array of spacers to pillars supported type. Then, the heat transfer model applying the one-dimensional calculation was developed to predict the insulation performance of VIPs. After that, the authors conducted an experiment applying the guarded hot plate method in order to verify the apparent thermal conductivity of VIP according to the set pressure. The result showed that the apparent thermal conductivity was less than 0.1 W/(m<tt>・</tt>K) and was enough low. Finally, the VIPs with different core materials were trial produced and the apparent thermal conductivity were evaluated by the heat flux method.</p>
  • 阪田義隆, 葛隆生, 長野克則, 丸井敦尚
    地下水技術 59 2,3,4 41 - 50 2018年03月30日 [査読有り][招待有り]
  • Yang Zhang, Katsura Takao, Aihara Masahiro, Nakamura Makoto, Nagano Katsunori
    ENERGIES 11 2 2018年02月 [査読有り][通常論文]
  • 阪田 義隆, 葛 隆生, 長野 克則
    日本地熱学会誌 40 1 33 - 44 日本地熱学会 2018年 [査読無し][通常論文]
     
    <p>This study proposes an indirect method to estimate the ground effective thermal conductivity in the formation of a depth over several tens to one hundred meters by averaging probability-weights of all soil/rock types. Thermal response test results are used as the in-situ measurements for determining a set of the individual effective thermal conductivities in the least square. The probability values of all soil/rock types are estimated at any location and depth through the indicator kriging interpolation with the adjacent water well data. In this study, 76 test data were used for analysis and the individual effective thermal conductivities of 8 soil/rock types, i.e., clay, sand, gravel, volcanic ash, Quaternary volcanic rock, Neogene fine rock, Neogene coarse rock, and bedrock were determined. For comparison, this study demonstrated a conventional method to estimate the ground effective thermal conductivity as a thickness-weighted average. The conventional method requires the direct geo-information such as geologic columns, which are not often obtained especially in the deep zones several meters deep. Also in this study, only 25 test data included the geologic columns. Thus, the conventional method resulted in the insufficient agreements of ground effective thermal conductivity between the estimates and the measurements. On the other hand, the analysis of the proposed method was performed in all 76 test data by using the probability estimates through the kriging system. As a result, all individual effective thermal conductivity values were reasonably obtained: the values of clay, sand and volcanic ash were almost equal to the reference values in texts. The value of gravel was relatively large probably because of the natural convection flows along the borehole during heating. The values of soft Neogene rocks were smaller than those of hard Quaternary volcanic rock and bedrock. The estimation errors of the ground effective thermal conductivity were close to the possible error by testing itself, except for the results over 3 W/(m・K). The K-fold cross validation (K= 10) also indicated the stability of the analysis results. This means the potential use of the method not only in the study area but also in other regions. This proposed method contributes to various heat transport problems in practice by providing the estimates of the ground effective thermal conductivity at any location. The method is also efficiently used to construct a database of the ground effective thermal conductivity, as shown in a case study of Sapporo City.</p>
  • Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    GEOTHERMICS 71 178 - 186 2018年01月 [査読有り][通常論文]
     
    A multilayer-concept thermal response test is proposed by incorporating the standard test with a pair of fiber-optic distributed temperature sensors in the U-tube. The heating exchange rates in any vertical segment are estimated from the sequential temperature data. The ground thermal conductivity of each sub-layer is calculated using the line heat source model, in which the heating exchange rates and the temporal temperature slopes are determined at their convergence as the thickness increases. The convergence analysis continues downward until reaching the borehole bottom to obtain the stepwise conductivity. A case study of Sapporo, Japan, is shown with the sensitivity analysis of the convergence threshold.
  • Zhang Yang, Takao Katsura, Masahiro Aihara, Makoto Nakamura, Katsunori Nagano
    Energies 10 12 2017年12月01日 [査読有り][通常論文]
     
    The authors develop slim and light-weight vacuum insulation panels (VIPs) by producing vacuum layers with spacers and plastic plates. The developed VIPs have the advantages of a low cost and easy installation, thus facilitating retrofitting insulation of existing buildings. In addition, one of the developed VIPs is slim and translucent so it can be easily used for windows in an internal installation. In this paper, the authors first propose a vacuum layer type slim translucent VIP and focus on a reasonable design method. Next, the authors introduce the design process in which the structural design is obtained with element mechanical analysis and a three-dimensional analysis is conducted for the VIP element. In the study, a heat transfer model is used to predict the insulation performance through finite element analysis (FEA). Subsequently, the authors perform an experiment to measure the thermal conductivity in a guarded hot plate apparatus to validate the performance prediction. Finally, case studies are performed to confirm how the different design conditions affect the insulation performance. The optimum design of the vacuum layer type slim and translucent VIP will have a sufficient structural strength to hold and maintain the vacuum layer. The thermal conductivity is approximately 0.007 W/(m · K), which can effectively improve the insulation performance in applications.
  • 阪田義隆, 葛隆生, 長野克則, 丸井敦尚
    地下水学会誌 59 2 105‐123 - 123 日本地下水学会 2017年05月 [査読有り][通常論文]
  • Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano, Manabu Ishizuka
    Hydrology 4 2 21 - 21 2017年03月29日 [査読有り][通常論文]
  • 阪田 義隆, 葛 隆生, 長野 克則
    土木学会論文集G(環境) 73 5 I_89 - I_98 公益社団法人 土木学会 2017年 [査読無し][通常論文]
     
    本研究の目的は,開発した全国地盤物性データベースからの有効熱伝導率の三次元情報と地中熱シミュレーションを組み合わせ,地中熱利用ヒートポンプ暖房システムを戸建て住宅に導入した場合の環境負荷低減効果を計算し,北日本全体の地中熱ポテンシャルマップとして示すことである.その際,期間平均成績係数(COP)を導入指標とし,目標COPを得るための地中熱交換器長さ<i>L</i><sub>b</sub>の決定法を提案する.その結果,標準的な<i>L</i><sub>b</sub>= 100 mのシステムを戸建て住宅に導入する場合,COPは北海道で4.0程度,東北以南で4.4程度と計算された.より合理的な導入のため,目標COPを4.25に設定する場合,東北以南で<i>L</i><sub>b</sub>= 80 m程度とより短く,北海道で130 m程度とより長く必要になると計算された.CO<sub>2</sub>排出量削減率は,45~60 %程度と電力使用時の排出係数に依存し,東北以南で高い導入効果が示された.
  • 阪田 義隆, 葛 隆生, 長野 克則, 丸井 敦尚
    地下水学会誌 59 2 105 - 123 公益社団法人 日本地下水学会 2017年 [査読無し][通常論文]
     
    <p>本論文では,コアボーリングデータが乏しくなる深度100m付近までを対象に,井戸データベースを用いた地盤情報推定システムにおいて,その基幹となる地質区分の推定手法を示す。地質区分の推定にはインディケータクリギングを用い,各推定点で最大分布確率となる地質区分をグリッド推定することで三次元情報とする。その際,井戸データの探索半径とバリオグラムのレンジの異方性比をパラメータとし,地形分類,地層分類,探索半径に応じたデータ数をカテゴリとする交差検証法にて,地質区分の平均再現率が最大となるパラメータを逐次設定する。豊平川扇状地の例では高い平均再現率を保ったまま,ほぼ全域での地質区分の推定が可能であった。</p>
  • Obara Shin'ya, Nagano Katsunori, Morel Jorge, Katsura Takao, Sakata Yoshitaka, Kikuta Kazushige
    MECHANICAL ENGINEERING JOURNAL 4 2 2017年 [査読有り][通常論文]
  • 2017 ASHRAE ANNUAL CONFERENCE PAPERS 2017年 [査読有り][通常論文]
  • 葛隆生, 山口峻
    空気調和・衛生工学会論文集 41 237 1‐10 - 10 空気調和・衛生工学会 2016年12月 [査読有り][通常論文]
     

    ヒートポンプ・冷凍サイクルの物理モデルのシミュレーションで用いられている圧縮機の消費電力の計算式から、物理モデルの計算式を簡略化することで高速化が可能であることを示し、物理モデルの計算式の簡略化を行い、冷凍サイクルを考慮したヒートポンプ空調システムの年間性能予測ツールを開発した。本ツールの特長としては、機器の仕様書や性能図書などから入力条件を与えられること、ヒートポンプ内部の一部の構成機器の変更や、冷媒の凝縮・蒸発温度を一定に保つ制御への対応が可能であること、年間性能予測に対応できる高速計算が可能であることなどが挙げられる。また、事務所ビルに導入された水冷ビルマルチを対象に、ツールによる室外機の計算結果と実測結果を比較してツールの精度検証を行った。消費電力の期間積算値の実測結果と計算結果の相対誤差は夏期で1.0%、冬期で4.8%となり、本ツールはヒートポンプ空調システムの年間性能予測を実用的な精度の範囲内で行えることが確認できた。

  • 葛隆生, 長野克則, 中村靖
    冷凍 91 1064 399‐400  2016年06月 [査読有り][通常論文]
  • 三島 潤也, 天野 雄一朗, 赤井 仁志, 岩松 俊哉, 葛 隆生, 小野坂 充央, 堀岡 建吾
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2016 69 - 72 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本研究では、電気ビルに採用した各種省エネシステムおよび蓄熱システムの適正な運用に向けた改善施策を検討し、継続的なコミッショニングによるビル全体の一次エネルギー低減手法の確立を主な目的とする。本報では、高松電気ビルの設計時における熱源機の高効率利用を目的とした中温冷温水のカスケード利用と放射成分の増加による省エネルギー性や快適性を両立したハイブリッド空調方式について実施した検討結果と今後の計測方法について報告する。

  • 赤井 仁志, 葛 隆生, 長野 克則, 草刈 洋行, 奥野 敏彦, 瀬川 和幸
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2016 193 - 196 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本報は、配電工事用建柱車を使って、浅層部の土壌に螺旋状地中熱交換器を埋設する工法の実証試験や性能評価である。フェーズ1では、換気用の円筒形ダクトのまわりにステンレス鋼フレキシブル管やアルミ三層管を巻いた地中熱交換器を利用した。フェーズ2では、換気用の円筒形ダクトを使用せず、アルミ三層管だけで地中熱交換器とした。

  • 井島 拓也, 長野 克則, 葛 隆生, 中村 真人
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2016 249 - 252 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本報は寒冷地における地中熱利用を核としたネットゼロエネルギービルの構築を目的とした研究1)の第2報である。本報では、対象建物に導入された地中熱暖房システムの性能を実測とシミュレーションを行い検証する。

  • 杉野 堯子, 長野 克則, 葛 隆生, 中村 真人
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2016 125 - 128 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本報は,北海道を含む寒冷地の園芸施設に適する低コストで実用的な地中熱提供方法を提示することを目的とした研究の第4報である.これまでは,寒冷地園芸用施設に導入した地中熱ヒートポンプシステムの概要及び1〜2年目の稼働状況,熱交換器ごとの比較・評価について報告した.本報では3年目の地中熱ヒートポンプの加温システムの加温・冷却(フリークーリング)システムの性能評価,地中温度の推移・回復状況について報告する.

  • NGUYEN HAIDANG, 葛 隆生, 長野 克則
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2016 141 - 144 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本研究では、冷凍サイクルを考慮したヒートポンプシステム性能予測ツールのヒートポンプ熱源機の計算モデルと、これまでに筆者らが開発してきたGSHPシステム設計・性能予測ツール(ツール名Ground Club)の地中熱交換器の計算モデルを組み合わせることで、地中熱ヒートポンプシステムの熱源としての優位性を年間の省エネルギー効果に反映させることを目的とする。

  • 橋本 隼樹, 阪田 義隆, 葛 隆生, 長野 克則
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2016 137 - 140 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本報では,三次元地盤・地下水データベースを用いて、地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器の規模を効率的に検討する手法を提案する。データベースの任意点の地質の深度分布を有効熱伝導率分布に変換する。WebGroundClubによるシミュレーションから、有効熱伝導率の違いによるCOPと地中熱交換器長さや本数との関係を得る。これらを組み合わせることで、任意点の地中熱交換器規模を効率的に推定できる。札幌への適用事例では、扇状地中央で住宅で100~150m、事務所で32~34本程度という試算結果が得られた。

  • 松尾 祐樹, 葛 隆生, 中村 靖, 龍 有二
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2014 37 - 40 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本研究は地中熱交換器を含めた熱融通システムが導入されている既存の建物についてシミュレーションツールを用いてシステム全体の消費エネルギーが小さくなる最適化運転の提案を行うことを目的としている。運転1年目の実測結果よりシミュレーションの性能検証を行い、改善を行ってきた。また、運転2年目の実測結果より、最適化運転による熱融通の効果が確認されたが、GSHPの性能向上は見られなかったので、昨年度の結果を踏まえて今年度の最適化運転の提案を行う。

  • 平田 統大, 葛 隆生, 龍 有二
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2014 53 - 56 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本研究では、温暖地域における戸建て住宅の基礎杭利用についての実証実験を行い、その結果を踏まえ適用可能性について検討する。具体的な内容については、基礎杭を用いたフィールド試験により地中熱交換器の使用について検討するとともに、地表面の影響について考慮した地中熱ヒートポンプシステム性能予測ツールを用いて、実際の基礎杭利用の配置と同じ条件でどのような影響が表れるか検証を行い、地中熱交換器の必要本数について検討する。

  • 山口 峻, 葛 隆生, 中村 靖, 龍 有二, 平田 統大, 松尾 祐樹
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2014 209 - 212 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本報では筆者らが確立した、ヒートポンプ機内での冷媒温度計測結果から冷媒エンタルピー法を応用して熱量を推定する熱量計測技術を適用し、実際の建物に導入したヒートポンプの熱量計測装置の概要について紹介する。また、導入した熱量計測装置により計測した熱量と積算熱量計(従来計測技術)により計測した熱量を比較することで、導入した計測装置の熱量計測精度を検証した結果について報告する。

  • NGUYEN HAI DANG, 葛 隆生, 長野 克則, 成田 樹昭
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2015 97 - 101 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本報では、温暖地において室温の確保と高効率化を両立できる地中熱ヒートポンプ(以下にGSHP)システムを確立することを目的とし、二次側の設計を行ったGSHPシステムを導入し、室温とGSHPシステムの実測を行った。また汎用の負荷計算ソフトを用いて、空調スケジュールやGSHPシステムの導入対象空間を変更した場合の地中熱交換器の必要長さの検討も行った。最後に、GSHPシステムのライフサイクルコストの計算を行い、導入拡大のための今後の課題を明らかとする。

  • 阪田 義隆, 長野 克則, 葛 隆生, 中村 真人
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2015 93 - 97 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本研究では.地中熱利用ポテンシャルマップのための,地盤・地下水情報データベースを構築すべく,既存井戸情報を用いたクリギング内挿手法を応用した手法を考案し,任意地点の地盤情報を効率的に推定できることを示した.また,その妥当性を確認する交差検証法の結果を紹介した.また光ファイバーによる温度プロファイルを用いた複層地盤における熱応答試験の簡易解析法を示し,実データへの適用事例から,その有効性を示した.

  • 久保 憲人, 長野 克則, 葛 隆生, 中村 真人
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2015 89 - 93 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    近年、再生可能エネルギーへの期待が高まっているが、依然高額な初期コストの影響で地中熱ヒートポンプシステムの導入が遅れている。そのため、普及させるために、低コストかつ高効率な機器を供給することが急務となっている。そこで、本研究では、地中熱ヒートポンプユニット高効率化のため、液ガス熱交換器とガスインジェクションを導入し、その効果を検討する。また、数値計算より1次側の不凍液循環ポンプを温度差一定流量可変式で制御し、SCOPの向上を検討する。

  • 葛 隆生, 長野 克則, 阪田 義隆, 中村 真人
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2015 85 - 89 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本稿では、NEDOの「再生可能エネルギー熱利用技術開発」事業、「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」について、開発のコンセプトと内容について概説する。また、プロジェクト1年目の研究成果について紹介し、さらに、この研究成果を含めた、地中熱ヒートポンプシステム設計・性能予測ツールの高度化の実施概要について紹介する。

  • 八木 裕紀子, 杉野 堯子, 長野 克則, 中村 真人, 葛 隆生
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2015 69 - 73 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本報は,北海道を含む寒冷地の園芸施設に適する低コストで実用的な地中熱提供方法を提示することを目的とした研究の第2報である.その1では,寒冷地園芸用施設に導入した地中熱ヒートポンプシステムの概要及び1年目の稼働状況について報告した.本報では地中熱ヒートポンプの加温システムの性能評価,地中熱交換器の性能評価,地中温度の変化について報告する.

  • 杉野 堯子, 八木 裕紀子, 長野 克則, 中村 真人, 葛 隆生
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2015 73 - 77 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本報は、北海道を含む寒冷地の園芸施設に適する低コストで実用的な地中熱提供方法を提示することを目的とした一連の研究の第3 報である。本報では、まず温室を透過する日射量や、断熱性能の分析を、実測結果を用いて行った。次に既報において紹介したシミュレーションツールの検証を行った。さらには、新たに導入したヒートポンプや地中熱交換器の性能を考慮したシミュレーションを、ツールを用いて行い本システムの導入可能性を検討した。

  • 小野坂 充央, 天野 雄一朗, 安岡 稔弘, 小林 陽一, 吉田 治典, 赤司 泰義, 住吉 大輔, 葛 隆生, 金 政秀, 宮田 征門
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2015 217 - 221 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    この研究において、ヨンデンビル新館において省資源・省エネルギーを目的とした10年の取り組みと実績に関して報告する。 古紙リサイクル率は毎年90%と高い水準である。一次エネルギー消費量については、2013年度には934[MJ/㎡・年]を達成し、10年前の竣工年度と比べ約40%削減することができ、他の一般的なオフィスビルと比較して約45%の省エネを達成した。

  • 天野 雄一朗, 安岡 稔弘, 小野坂 充央, 小林 陽一, 吉田 治典, 赤司 泰義, 住吉 大輔, 葛 隆生, 金 政秀, 宮田 征門
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2015 213 - 217 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    この研究において、ヨンデンビル新館において省資源・省エネルギーを目的とした10年の取り組みと実績に関して報告する。 土蓄蓄熱空調システムでは、測定とシミュレーションの組合せの最適化によりシステム効率は10.1を達成した。また、水蓄熱空調システムの運用改善により蓄熱効率は10%向上することができた。 その結果、一次エネルギー消費量については、934[MJ/㎡・年]を達成した。

  • 赤井 仁志, 宇佐美 勇気, 二宮 秀與, 草刈 洋行, 葛 隆生
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2014 317 - 320 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    地中熱利用ヒートポンプシステムを、中部地方各地のロードヒーティングに導入した場合の電熱式や空気熱源ヒートポンプの比較を行った。施設概要、ロードヒーティングと外気温度の関係、地盤条件、ヒートポンプの性能とエネルギー消費量等について述べる。

  • 三島 潤也, 天野 雄一朗, 赤井 仁志, 草刈 洋行, 岩松 俊哉, 宮永 俊之, 葛 隆生, 安岡 稔弘, 小野坂 充央
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2014 469 - 472 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本研究は熱源機の高効率利用を目的とした中温冷温水のカスケード利用と、ハイブリット空調方式の設計・運転手報の構築を目的としている。本報では。複数の天井放射冷暖房パネルを使用した予備実験を行い、本実験にて熱源機、空調機等を組み合わせた空調実験を行った。その結果、パネル表面と裏面での熱流束の比は5:1であること、冷水温度が一定の条件では、1次側流量がパネルの性能に大きく影響を与えること、露点温度制御がパネルの表面結露防止に有効であることがわかった。

  • 宇佐美 勇気, 赤井 仁志, 二宮 秀與, 草刈 洋行, 葛 隆生
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2014 313 - 316 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    地中熱利用ヒートポンプシステムを中部地方各所の事務所ビルの空調設備に導入したした場合を想定して、空気熱源ヒートポンプとのエネルギー消費量のシミュレーションを行った。シミュレーションの前に、まず空調対象室の諸条件や熱負荷等の考察を行った。

  • 三島 潤也, 天野 雄一朗, 赤井 仁志, 草刈 洋行, 宮永 俊之, 岩松 俊哉, 葛 隆生, 安岡 稔弘, 小野坂 充央
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2015 45 - 49 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2016年 

    本研究では、熱源機の高効率利用を目的とした冷水のカスケード利用や地中熱の直接利用等による空調設備の熱源側の省エネルギーと、放射成分の増加による省エネルギー性や快適性を標榜したハイブリッド空調方式導入のための基礎的データを収集し解析・検討することで、事務所建物に導入可能な安価で、省エネルギーに寄与する空調方式の構築につなげることを目的としている。 本報では、放射冷房が導入されているオフィスビルの一画を対象として、室内温熱環境と室内熱負荷の計算を行った結果を報告する。

  • 阪田義隆, 葛隆生, ZHAI Jian, 長野克則
    土木学会論文集 G(環境)(Web) 72 3 50‐60(J‐STAGE) - 60 公益社団法人 土木学会 2016年 [査読有り][通常論文]
     
    本研究では,地中熱交換器の熱応答試験において,2本の光ファイバー温度計をUチューブに挿入し,熱媒体の往き還りの温度挙動を測定することで,地層別の有効熱伝導率を推定する手法を提案する.従来の線熱源理論に基づく解析法を適用し,計算に必要となる温度の時間変化は光ファイバー温度計の多点測定データから層内で平均し,熱交換量は温度の深度勾配の往き還りの和から求める.その際,測定データは系統誤差の校正と偶然誤差を最小とする平均処理で補正する.北海道旭川市での解析事例では,有効熱伝導率は層厚20m以上で安定した推定値が得られ,最上位の砂礫層の値は他2層より約1.5倍高い結果となった.また3層の層厚重み付け平均は従来法の結果と整合し,スムージング,ブートストラップ法,回復時法とデータ処理を変えても結果に差はなかった.
  • Yasushi Nakamura, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    AIJ Journal of Technology and Design 21 49 1139 - 1142 2015年10月01日 [査読有り][通常論文]
     
    The authors analyzed the low flow circulation ground source heat pump system, which has the variable water volume control in the primary side, in the office building. It is confirmed that the electric power of circulation pump was reduced as 85% compared to the constant water volume. The difference between the system COP including the circulation pump and the heat pump COP was small. Additionally, the effect of energy saving compared to the conventional air source heat pump system was 33%.
  • 葛隆生, 長野克則, 中村靖
    日本冷凍空調学会論文集 32 3 325 - 334 公益社団法人 日本冷凍空調学会 2015年09月 [査読有り][通常論文]
     
    冷却塔を併用したハイブリッド地中熱ヒートポンプシステムの設計・性能予測とコミッショニングを行うために,筆者らはシステムのシミュレーションツールを開発した.そして,このツールを用いて,北九州市の新しいオフィスビルに導入されたハイブリッド地中熱ヒートポンプシステムの性能を予測した.その結果,このシステムの冷房期間の期間成績係数(SPF)は5.4 と高い値になることがわかった.また,ツールを用いて地中熱交換器と冷却塔の接続方法や,冷却塔の運転方法を検討した.その結果,冷却塔を地中熱交換器の前に接続した場合に,システムは最も高いSPF を示すことが確認された.さらに,この場合において,ヒートポンプの一次側入口温度に応じて冷却塔の運転を行うことにより,更なるSPF の向上が可能であることがわかった.
  • 葛隆生, 長野克則, 中村靖
    日本冷凍空調学会論文集 32 3 335 - 344 公益社団法人 日本冷凍空調学会 2015年09月 [査読有り][通常論文]
     
    本論文では,地下水流動存在下の地中熱交換器周囲温度を計算する手法を,深度毎に分割することで複層地盤に対応させた,地中熱交換器内部熱媒温度の計算モデルについて示した.また,計算モデルを応用して,熱応答試験時に得られる見かけ上の有効熱伝導率から,地下水流動の存在する層の全層に占める割合や地下水流速を推測する方法について検討した.結果より加熱時間50 h の熱応答試験で得られる見かけ上有効熱伝導率が4.5 W・m-1・K-1 を超えると,全層に対して25%以上の地層で300 m・ y-1 以上の地下水流動があることが示唆された.また,地下水流速が300 m・y-1 以上の地層が存在する地点での熱応答試験では,経過時間50 h から150 h における見かけ上有効熱伝導率の上昇率に対する,地下水流動の存在する層の全層に占める割合は,ほぼ一致することが確認できた.
  • 山口峻, 葛隆生, 中村靖
    日本建築学会環境系論文集 80 717 1063 - 1071 2015年 [査読有り][通常論文]
     
    The authors established a technique for measuring calorie output from a variable refrigerant flow air conditioning system by applying the refrigerant enthalpy method. In this paper, the advantages of the measuring technique and its detailed estimation process of the calorie output are introduced. In addition, the measurement with water cooled variable refrigerant flow air conditioning system was carried out in order to confirm the accuracy of technique. In this actual measurement, it was shown that measuring the appropriate pressure of refrigerant in the heat pump is important to achieve the measurement accuracy. As the another results of actual measurement, the error of estimation values of heat quantity between the established technique and the conventional one is less than 20 % for cooling and heating, respectively. Therefore, the technique for measuring calorie output that the authors established has the high measurement accuracy. In addition, the authors suggested operation improvement method by analyzing measured values such as pressure, calorie output, electric power consumption and so on. As the results, it was confirmed that COPs is improved in the cooling period by lowering the high side pressure of refrigerant in the heat pump depending on the inlet water temperature in the primary side of the pump.
  • 葛隆生, 平田統大
    空気調和・衛生工学会論文集 39 207 19 - 27 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2014年06月 [査読有り][通常論文]
     
    地中熱交換器の採放熱の影響を考慮した地中温度変化と地表面の影響による地中温度変化を重ね合わせることが可能であることを示し、地表面の影響を考慮した地中熱ヒートポンプシステム性能予測ツールを開発した。長さ30mの地中熱交換器を用いた熱応答試験を実施することによって得られた地中熱交換器出口温度の実測値と、開発したツールによる計算値を比較することにより、ツールの計算精度を検証した。その結果相対誤差は43%となり、高い再現性が得られていることが確認された。また、長さの短いボアホール型地中熱交換器を使用した地中熱ヒートポンプシステムを、温暖地域の戸建て住宅に導入した場合のシミュレーションを行った。1本あたりの地中熱交換器長さを10mに設定した場合の計算結果と、地中熱交換器長さを100mと設定した場合の計算結果を比較したところ、長さ10mの条件では地表面の影響により約23%の熱交換性能の低下が見込まれることが分かった。
  • 山口 峻, 葛 隆生, 中村 靖
    日本建築学会環境系論文集 79 702 689 - 697 Architectural Institute of Japan 2014年 [査読有り][通常論文]
     
    The authors established a technique for measuring heating or cooling output from a heat pump air conditioning system by applying the refrigerant enthalpy method. In this paper, advantages of the technique and estimation process of the heating or cooling output are introduced. In addition, field experiment with a water source heat pump unit was carried out to validate the established technique. In the experiment, the refrigerant saturation temperatures at inlet and outlet of compressor and compressor frequency, which are estimated in the technique, are firstly verified by comparing to measured values. As the result of experiments, it is confirmed that the established technique have possibility of omitting foundation of the pressure sensors and the measurement of compressors frequency in the technique. As the another results of experiments, the error of estimation values of heat quantity between the established technique and the conventional one is less than 5 % for cooling and 7 % for heating. Therefore, the technique for heat quantity measuring that the authors established has the potential to become the new measuring method for the heat pump air conditioning system.
  • 若山 尚之, 長野 克則, 葛 隆生
    日本建築学会技術報告集 19 42 645 - 648 Architectural Institute of Japan 2013年06月 [査読有り][通常論文]
     
    The subject of this paper is the heat source system with the Ground Source Heat Pump(GSHP) system in the PHC foundation piles. The thermal storage characteristics of the ground may be used to improve the GSHP system performance in this hospital by alternating the storing and restoring cycle on day-night basis in the summer season. The analysis during the commissioning shows the effectiveness of the GSHP system concept and improved system performance as a result of changing the operational condition.
  • 中村 靖, 長野 克則, 葛 隆生
    日本建築学会環境系論文集 78 684 165 - 174 Architectural Institute of Japan 2013年02月 [査読有り][通常論文]
     
    The summary of this report is shown as follows.These studies aim at development of a low flow circulation (LF) ground source heat pump (GSHP) multi-split system in order to reduce energy consumption of circulation pumps in the GSHP system. This system applies low flow circulation system in primary side and multi-split system in secondary side. This paper contributes Part 1 in the series of these studies. First, the system concept and development planning are introduced. Then verification test of operation reliability of a water source multi-split heat pump were carried out in the manufacturing factory. As the result, the authors confirmed heating operation reliability of the heat pump even on conditions of inlet temperature of 10°C and low flow circulation in primary side of 30 L/min. In addition, field test apparatus of the LF-GSHP system were constructed to investigate the optimum circulation flow rate of the LF-GSHP system and demonstrate the effect of reduction of circulation pumps' electric power consumption. When the cooling output is around 14 kW, the maximum SCOP of 5.31 is obtained on the condition that the flow rate is 30 L/min. On the other hand, the flow rate condition of 96 L/min provides the highest SCOP value of 3.78 in case where the cooling output is around 24-28 kW. These suggest that variable water volume (VWV) control of the circulation pump can reduce circulation pumps' electric power consumption the most.
  • 黒木 知世, 赤司 泰義, 住吉 大輔, 依田 浩敏, 高 偉俊, 葛 隆生, 前田 昌一郎
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集 2013 0 189 - 192 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 2013年 

    これまで本研究では、民生業務用建築物のエネルギー・水消費量等のデータベース構築を目的とし、九州地域の建物エネルギー消費データを収集してきたが、東日本大震災以降、主に夏季と冬季において節電対策が推進されるようになったことから、エネルギー消費構造が変化したと考えられる。本報では、平成18年度以降のエネルギー消費データの比較を行い、九州地域における震災前後のエネルギー消費構造の変化を明らかにする。

  • 若山 尚之, 葛 隆生, 長野 克則, 佐藤 信孝
    空気調和・衛生工学会論文集 37 189 21 - 28 社団法人空気調和・衛生工学会 2012年12月 [査読有り][通常論文]
     
    本報では、福岡県の高校校舎における現場打ち基礎杭を採熱管据付に利用した地中熱ヒートポンプ(GSHP)システムを研究対象としている。これまで、温暖なちいきにおけるGSHPシステムの採用は広がってこなかったが、本システムでの稼働実績により、夏季においても十分高い効率で運用可能であることを示し、温暖な地域におけるGSHPシステムの普及可能性について提示する。また、杭の深さが7mの地中熱システムであるため、GSHPシステムとしては採熱管埋設深さが浅い設計与条件であったが、浅層型のGSHPシステムに関する計画内容と、竣工後の実稼働データの分析結果により、杭長さ当たり、温度差当たりの採熱量などからシステムの有用性を提示する。
  • 若山 尚之, 葛 隆生, 龍 有二, 長野 克則
    日本建築学会技術報告集 18 40 999 - 1002 Architectural Institute of Japan 2012年10月 [査読有り][通常論文]
     
    This paper introduces an overview of Ohori high school building built on Mar. 2010. This building was designed as an environmental conscious school that mimics the functions of a big tree. Leaf transpiration for roof top water spray, absorbing heat from roots for the Ground Source Heat Pump system, and rain water retaining for rain water storage, etc. This paper shows the planning concept and design features of the environmental conscious building introducing the concept of biomimicry.
  • 明智 一晃, 赤司 泰義, 住吉 大輔, 吉田 治典, 葛 隆生, 天野 雄一朗, 小野坂 充央, 名倉 義行
    都市・建築学研究 : 九州大学大学院人間環境学研究院紀要 22 97 - 105 九州大学大学院人間環境学研究院都市・建築学部門 2012年07月 
    This research aims at establishing the technique of combining thermal storages by examining the combination and the efficient operating method making use of each advantage of several thermal storage air-conditioning systems that have operated individually until now. In this paper, we analyzed the measurement data, and performed the quality assessment of thermal storage air-conditioning systems. And, we developed the simulation model that reproduced the performance of the current air-conditioning system. In addition, we examined the operating method of the water and soil heat storage systems using the simulation.
  • 葛 隆生, 長野 克則, 中村 靖
    日本建築学会環境系論文集 76 659 59 - 66 Architectural Institute of Japan 2011年 [査読有り][通常論文]
     
    In this paper, the authors define the heat extraction or injection rate of ground heat exchanger (GHEX) per length and temperature difference as the coefficient of heat extraction or injection. Applying the definition, the heat extraction or injection performances of GHEXs are quantified corresponding to the conditions such as ground properties and GHEXs' specifications are changed. In addition, the authors compared to the quantified heat extraction or injection performances. When the flow condition of heat transfer medium in GHEX turns from laminar flow to turbulent flow, the heat extraction or injection performances of GHEXs increase 5-12%. On the other hand, the increase of heat extraction or injection performances of GHEXs in the range of turbulent flow is only less than 2% even in the where the flow rate is up to more than thrice. When the number of U-tubes is two and flow rate per the one U-tube is set at 6 L/min, the ratios of heat extraction performance of GHEXs using pre-casting concrete pile and steel pile compared to the borehole GHEX are 1.35-1.58 and 1.29-1.40, respectively.
  • 若山 尚之, 長野 克則, 葛 隆生, 金田一 清香, 佐藤 信孝
    空気調和・衛生工学会論文集 35 163 1 - 9 社団法人空気調和・衛生工学会 2010年10月 [査読有り][通常論文]
     
    本報では研究対象とした病院のGSHPシステムについて設計趣旨や研究結果を示すのみではなく、この技術が広く認知され、普及していくことを目標に、設計・施工のプロセスを実際の経験における知見に関して可能な限り掲載することを目指した。施工面ではPHC杭を利用した地中熱ヒートポンプシステムの設計・施工プロセスの解説と、熱応答試験の結果の提示、そしてシステムの最大の特徴である昼夜間採放熱による熱効率向上に関して、設計段階における数値解析を用いた検証結果を示した。
  • 瀬川 喜章, 小寺 優貴, 田中 絵梨香, 河野 慎平, 赤司 泰義, 渡邊 俊行, 高 偉俊, 葛 隆生, 前田 昌一郎, 依田 浩敏, 宮田 征門
    学術講演会論文集 22 3 2379 - 2382 社団法人空気調和・衛生工学会 2010年08月12日 
    This study is a part of a project that aims at making the database for energy consumption of commercial buildings on the national scale. This paper described the outline of building surveyed, the energy conservation, and actual condition of energy and water consumption in Kyushu. From 2007 to 2009, the 3559 buildings were targeted in the analysis of the energy and water consumption.
  • Takao Katsura, Katsunori Nagano, Shigeaki Narita, Sayaka Takeda, Yasushi Nakamura, Atsushi Okamoto
    APPLIED THERMAL ENGINEERING 29 5-6 906 - 919 2009年04月 [査読有り][通常論文]
     
    The authors introduce calculation algorithm of the temperatures of the ground and heat carrier fluid in multiple ground heat exchangers for pipe arrangement of ground source heat pump (GSHP) systems. First, the outline is explained. Next, in order to investigate possibility for the operation of the GSHP system with steel foundation piles and validate reproducibility of the value calculated by the design tool including the calculation algorithm, field tests of heating and heat extraction were conducted with a residential GSHP system using 25 steel foundation piles of 8 m long as ground heat exchangers. From a result of comparison between temperatures of the measurement in the test and calculation by using the design tool, it was confirmed that the tool could predict the temperatures with acceptable precision and speed for utilizing as a design tool. In addition, performance of GSHP systems with steel foundation piles in long term is predicted with the design tool. In moderate climate region, since the GSHP systems using multiple ground heat exchangers with short length can operate with high efficiency as well as the GSHP system using a single ground heat exchanger with long length, the GSHP systems with steel foundation piles have possibility to become popular. (C) 2008 Elsevier Ltd, All rights reserved.
  • Takao Katsura, Katsunori Nagano, Sayaka Takeda
    APPLIED THERMAL ENGINEERING 28 14-15 1995 - 2004 2008年10月 [査読有り][通常論文]
     
    In this paper, the authors propose a method of calculation of the ground temperature for heat extraction or injection via multiple ground heat exchangers. First, a high-speed algorithm to calculate the ground temperature is described. Next, a variation of the ground temperature calculated by using this method is compared with the one obtained by applying spatial superposition principle of the temperature responses calculated by the theoretical equations. As a result, the method's preciseness was proved and the computation time was about 1/135 compared to the method with the theoretical solution. From these, it was shown that the method has appropriate precision and computational speed to use as a design tool. Additionally, if the ground heat exchangers are short such as when foundation piles of a building are used as ground heat exchangers, it is necessary to consider the heat transfer from the edge of the ground heat exchangers. Thus we devised a method, which uses the equivalent radius obtained by multiplying the ideal ground heat exchanger radius by a modification coefficient, to obtain the average surface temperature of the ground heat exchangers influenced by the heat transfer. The temperature calculated with the modification coefficient was compared to the one calculated without the modification coefficient. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.
  • 葛 隆生, 長野 克則, 金田一 清香, 中村 靖
    空気調和・衛生工学会論文集 33 134 1 - 10 社団法人空気調和・衛生工学会 2008年05月 [査読有り][通常論文]
     
    本報は土壌熱源ヒートポンプシステム設計・性能予測ツールに関する研究の第3報である。まず、複数埋設管を有する土壌熱源ヒートポンプシステム全体の性能を予測するための、地中熱交換器の配管設計に対する熱媒温度の計算手法を示す。次にこの計算手法を用いて地中熱交換器の配管経路の違いがもたらすシステム性能の相違や、温暖地域に鋼管基礎杭を地中熱交換器として用いた場合について検討を行った。結果として、暖冷房に対して8m×20本の基礎杭を用いた場合、予想されたCOPは暖房期間平均で5.0、冷房期間平均で5.6となり、基礎杭を用いた土壌熱源ヒートポンプシステムは温暖地域でも十分に普及する可能性を十分に有していることが示された。また、温暖地域の住宅への土壌熱源ヒートポンプシステムを想定し、地中熱交換器の埋設間隔に対する、地中温度や熱媒温度、システム性能の相違を検討したところ、埋設管間隔を2m以上設ければ、温度変化や性能に大きな差が現れないことが示された。さらには採放熱が年間を通じて周期的に行われることを想定し、地中熱交換器を格子状、もしくは直線状に配列した場合について、埋設管間隔に対する温度変化を検討したところ、格子状の地中熱交換器配列で3m、直線状配列であれば2m以上の地中熱交換器間隔を設けることにより、温度変化にはほとんど差が現れないことが確認できた。以上より、上述した範囲が適切といえる埋設管間隔であると結論付けられた。
  • 葛 隆生, 長野 克則, 武田 清香, 中村 靖
    空気調和・衛生工学会論文集 32 127 1 - 9 社団法人空気調和・衛生工学会 2007年10月 [査読有り][通常論文]
     
    地下水流れによる採放熱量の増大効果を定量的に把握するため、砂槽内に模擬地下水を発生させることが可能な鋼製タンクを地中に埋設し、砂槽内に設置した地中熱交換器により採放熱実験を行った。まず、種々の地中熱交換器において、地下水流れ場の採放熱量増大効果を定量的に把握するための方法を示し、採放熱試験の結果から地下水流速の増大に応じて採熱量が増大することを確認した。さらに、Uチューブ型を使用した場合について、これまでの実証実験では明らかにされてこなかった地下水流速の比較的小さいu_<gw>=100〜350m/年の範囲においても1.2〜1.4倍程度の採放熱量増大効果があることを確認した。また、地下水流れが1400m/年程度の卓越した地盤において、二重管型の地中熱交換器を使用した際の長さ・温度差あたりの採熱量が16.12W/(m・K)と、Uチューブ型を使用した場合の3倍以上となった。これより、地下水流れが非常に大きい場合には、熱抵抗の小さい地中熱交換器を選択すると非常に大きい採熱量が得られることがわかった。採熱量について実測値が強制対流のみを考慮した計算値よりも大きくなるという結果となり、自然対流の影響も現れていることが示唆されたため、これについて考察を行った。
  • 葛 隆生, 長野 克則, 武田 清香, 中村 靖
    空気調和・衛生工学会論文集 31 115 9 - 17 社団法人空気調和・衛生工学会 2006年10月 [査読有り][通常論文]
     
    本論文では地下水流れを有する場合の、地中熱交換器周囲の地中温度の計算手法とその応用について報告する。まず、地下水流れを有する場合の土壌内の線熱源と円筒熱源の温度応答の比較検討を行った上で、円筒熱源周囲の地中温度の計算方法を示した。次に、2本の地中熱交換器を用いた場合の地中温度計算について、本計算方法と数値計算の比較を行い、本計算方法の計算精度を検証した。さらには、本計算方法を用いて地下水流れが土壌熱源ヒートポンプシステムの性能と導入効果にもたらす影響について検討を行った。札幌市の戸建住宅に、単独埋設管の土壌熱源ヒートポンプシステムを導入した場合について、運転シミュレーションとコスト分析を行った結果、全ての地層に地下水流速100m/yearが流れると仮定した場合では、地下水流速0mの場合と比較して、地中熱交換器長さを45m削減できることを示した。このことから地下水流れを設計に反映することにより、システムのイニシャルコストの削減を効果的に行えることが示唆された。
  • K Nagano, T Katsura, S Takeda
    APPLIED THERMAL ENGINEERING 26 14-15 1578 - 1592 2006年10月 [査読有り][通常論文]
     
    This paper introduces a novel design and performance prediction tool for the ground source heat pump (GSHP) system. This tool features, a user-friendly interface for data input and graphical output. First, an outline of this tool was described. Next, the authors validated temperature variation calculated by theoretical method of the developed tool compared with one measured in the thermal response test. The thermal response test was carried out in a house garden in Sapporo. Giving the calculated conditions, the calculated temperature variation almost traced the measured value. The developed tool's preciseness was proved with the results. In final, performance prediction and feasibility study of a residential GSHP system in Sapporo was performed with this tool as an example. Results of the calculations show that the life cycle CO2 emission (LCCO2) of the GSHP system is 2038 kg-CO2/year and it is less than half compared to conventional oil boiler systems. Also, the GSHP system can reduce life cycle cost (LCC) by 50,000-90,000 Japanese-yen/year. The payback time for increased investment cost of the GSHP system is about 9-14 years in comparison with other conventional systems. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.
  • 葛 隆生, 長野 克則, 武田 清香, 中村 靖
    空気調和・衛生工学会論文集 31 112 51 - 59 社団法人空気調和・衛生工学会 2006年07月 [査読有り][通常論文]
     
    地下水流れを有する場合の地中の温度応答について検討するために行ったサーマルプローブ法による砂層内連続加熱実験の概要と結果、およびその応用手法について報告する。まず、地下水流れを有する砂層内にプローブを埋設し、一定加熱を行い、プローブおよび周囲の温度変化について検討した。次に、実測値との比較によって移動線熱源温度応答理論と差分法を用いた数値計算による計算結果の再現性の確認を行った上で、地下水流れを有する場合の線熱源と円筒熱源の誤差の検討を行った。さらには、移動線熱源の温度応答を応用した地下水流速の推定方法を提案し、その一例として実験の結果を用いて地下水流速の推定を行った。結果より、推定された地下水流速は実測直と比較して、3.17×10^<-6>m/s(100m/年)以下の誤差、もしくは20%程度の相対誤差の範囲内に収まることが確認された。
  • 葛 隆生, 長野 克則, 武田 清香
    空気調和・衛生工学会論文集 31 111 43 - 51 社団法人空気調和・衛生工学会 2006年06月 [査読有り][通常論文]
     
    本報は土壌熱源ヒートポンプシステム設計・性能予測ツールの開発に関する研究の第2報として、複数埋設管への設計・性能予測ツールの拡張手法について報告する。まず、複数埋設管の高速演算手法について提案する。次に、本演算手法によって計算した温度応答を従来の無限円筒の理論解の重ね合わせと比較して、本演算手法がツールとして用いることのできる精度を満足していることを確認した。さらには、複数埋設管の例として、基礎杭を地中熱交換器として用いる際には、埋設管の口径が大きく、長さが短い場合がある。その際には、端部の影響が無視できないものとなるため、その埋設管表面の平均温度を算出するための補正係数を求めて、その計算結果と補正係数を用いない場合との比較を行った。
  • 長野 克則, 葛 隆生, 武田 清香, 中村 靖
    空気調和・衛生工学会論文集 31 108 11 - 19 社団法人空気調和・衛生工学会 2006年03月 [査読有り][通常論文]
     
    鋼管基礎杭を地中熱交換器として用いた採熱実証試験とその応用手法について報告する。まず、地中熱交換器の口径、仕様などを変更して採熱量の測定と比較を行った。次に、試験の実測値をもとに、無限円筒表面熱流応答理論を応用して、地中の有効熱伝導率の推定を行った。長さ40m、口径φ165mmの直接熱交換型地中熱交換器の実測結果に対して、熱伝導率を1.5W/m/Kとして与えた場合に、計算結果が試験結果を良く再現する事が確かめられ、これよりこの値が地中の有効熱伝導率であると推測された。さらには鋼管内部の熱抵抗値を明らかにするとともに、間接熱交換型地中熱交換器の内部熱移動計算手法を示した。この計算手法を用いて計算した地中熱交換器からの還水温度の変化は実測の還水温度とほぼ同様の結果が得られ、本計算方法が間接熱交換型地中熱交換器の計算に有効であることを裏付けた。
  • 長野 克則, 葛 隆生
    空気調和・衛生工学会論文集 30 101 11 - 20 社団法人空気調和・衛生工学会 2005年08月 [査読有り][通常論文]
     
    本研究は土壌熱源ヒートポンプシステム設計・性能予測ツールの開発を目的としたものである。本報ではその研究の第1報として、まず、単独垂直型地中熱交換器の設計・性能予測ツールを開発したため、その計算手法と特長について述べた。次に、札幌市内の戸建住宅の暖冷房に本システムを導入することを想定し、開発したツールを用いて年間の性能予測と導入効果の検討を行った。シミュレーションのライフサイクル評価によって、土壌熱源ヒートポンプシステムは灯油システムと比較して、60年のライフサイクル期間中において約56%の二酸化炭素排出量削減効果が見込まれるという結果が得られた。

その他活動・業績

受賞

  • 2016年05月 日本冷凍空調学会 学術賞論文賞
     
    受賞者: 葛 隆生
  • 2014年05月 空気調和・衛生工学会 技術賞技術振興賞
     
    受賞者: 葛 隆生
  • 2012年05月 空気調和・衛生工学会 技術賞技術振興賞
     
    受賞者: 葛 隆生
  • 2011年05月 空気調和・衛生工学会 技術賞技術振興賞
     
    受賞者: 葛 隆生
  • 2010年06月 環境省 平成22年度産学官連携功労者表彰(環境大臣賞
     
    受賞者: 葛 隆生
  • 2010年05月 空気調和・衛生工学会 論文賞
     
    受賞者: 葛 隆生

教育活動情報

主要な担当授業

  • 環境システム工学特論
    開講年度 : 2021年
    課程区分 : 修士課程
    開講学部 : 工学院
  • 大学院共通授業科目(一般科目):自然科学・応用科学
    開講年度 : 2021年
    課程区分 : 修士課程
    開講学部 : 大学院共通科目
    キーワード : natural resource, renewable energy, sustainability, integration, governance, decision making, global change
  • 大学院共通授業科目(一般科目):自然科学・応用科学
    開講年度 : 2021年
    課程区分 : 修士課程
    開講学部 : 大学院共通科目
    キーワード : heat and mass transfer, renewable energy, biomass, heat exchangers, phase change material, thermal energy storage, heat pump, geothermic, numerical simulation
  • 環境システム工学特論
    開講年度 : 2021年
    課程区分 : 博士後期課程
    開講学部 : 工学院
  • 応用数学Ⅰ
    開講年度 : 2021年
    課程区分 : 学士課程
    開講学部 : 工学部
    キーワード : 常微分方程式 ラプラス変換 フーリエ解析 偏微分方程式
  • 応用数学演習Ⅰ
    開講年度 : 2021年
    課程区分 : 学士課程
    開講学部 : 工学部
    キーワード : 常微分方程式  ラプラス変換  フーリエ解析  偏微分方程式
  • 環境工学実験Ⅲ
    開講年度 : 2021年
    課程区分 : 学士課程
    開講学部 : 工学部
    キーワード : レポートの書き方 安全教育 生体機能測定法 熱工学 エネルギー 計測・制御 数値実験 温熱環境 空気環境 音環境
  • 都市エネルギーシステム工学
    開講年度 : 2021年
    課程区分 : 学士課程
    開講学部 : 工学部
    キーワード : 都市エネルギーシステム、再生可能エネルギー、省エネルギー、ネット・ゼロ・エネルギービル(ZEB)、太陽エネルギー、ヒートポンプ


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