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
Last Updated :2025/01/11

■研究者基本情報

学位

  • 博士(工学), 北海道大学

Researchmap個人ページ

研究者番号

  • 60552411

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

■経歴

経歴

  • 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

■研究活動情報

受賞

  • 2016年05月, 日本冷凍空調学会, 学術賞論文賞               
    葛 隆生
  • 2014年05月, 空気調和・衛生工学会, 技術賞技術振興賞               
    葛 隆生
  • 2012年05月, 空気調和・衛生工学会, 技術賞技術振興賞               
    葛 隆生
  • 2011年05月, 空気調和・衛生工学会, 技術賞技術振興賞               
    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               
    葛 隆生
  • 2010年05月, 空気調和・衛生工学会, 論文賞               
    葛 隆生

論文

  • Double envelope vacuum insulation panel to contribute to the long-term thermal insulation performance
    Takao Katsura, Katsunori Nagano
    Vacuum, 2024年11月
    研究論文(学術雑誌)
  • Investigation of the Optimal Operation Method of the Heat Recovery Ground Source Heat Pump System Installed in an Actual Building and Evaluation of Energy Saving Effect
    Takao Katsura, Yasushi Nakamura, Tomoya Ohara, Ken Kinouchi, Katsunori Nagano
    Energies, 2024年07月19日
    研究論文(学術雑誌)
  • Installation Cost and Heat Extraction Performance Analysis of H-Shaped PC Pile Ground Heat Exchangers for Small Buildings
    Takao Katsura, Katsuya Saito, Motoaki Oe, Katsunori Nagano
    Energies, 2024年02月14日
    研究論文(学術雑誌)
  • Analyzing the Performance of Double Spiral Tube Ground Heat Exchangers in a Zero-Energy Building Using Measurement Data
    Kunning Yang, Takao Katsura, Shigeyuki Nagasaka, Katsunori Nagano
    Energies, 16, 19, 2023年10月
    研究論文(学術雑誌), A ground-source heat pump (GSHP) system is a renewable energy technology that effectively reduces greenhouse gas emissions and consequently mitigates the progression of global warming. The thermal efficiency of ground heat exchangers (GHEs) is a critical component in the GSHP system that must be accurately estimated for its long-term operationality. Therefore, in this study, the thermal performance of double-spiral GHEs incorporated within the thermal piles of a zero-energy building in Sapporo, Japan, was investigated using the actual measured data obtained from the site and a novel metric, namely, the coefficient of heat extraction/injection, for a more precise evaluation. Moreover, this study assessed the coefficient of performance (COP) of the GSHP units during various periods of cooling or heating. The temperature of the circulating fluid remained within an ideal operational range over an operational period of 2 years, and the COP calculations indicated a high operational efficiency. The results derived in this study substantially exceeded those of traditional U-tube GHEs, indicating the enhanced efficiency and superior performance of large-diameter thermal piles with augmented thermal capacity. Our findings suggest that GSHP systems with double-spiral-tube GHEs have superior efficiency than conventional GHEs.
  • Development and application of a new calculation method for double spiral ground heat exchangers
    Kunning Yang, Takao Katsura, Shigeyuki Nagasaka, Katsunori Nagano
    Energy and Buildings, 291, 2023年07月
    研究論文(学術雑誌), This study provides a new calculation method for double spiral pipe ground heat exchangers (GHEs) and involves the combination of the analytical, infinite line source (ILS), and infinite cylindrical source (ICS) models with the capacity resistance model (CaRM). Method adopts the concept of fin efficiency, enabling it to calculate underground temperature changes easily and accurately, followed by integration into a simulation tool for ground source heat pump (GSHP) systems. Verification was done by comparing simulation results with actual operating data, measured from a zero-energy building (ZEB) in Sapporo, Japan. Analyses conducted using the new calculation method prove that simulation results can be obtained with increased precision and validity. Under conditions of instantaneous large heat injection, significant differences were observed between the simulation and the actual measurements during the initial 50 h. The number of temperature nodes in the network was increased to effectively reduce the error between simulations and measurements. Moreover, it was seen that the efficiency of double spiral pipe GHEs can be potentially improved by shortening the spiral pitch. This study thus confirms that the proposed new calculation method can be applied to future designs of GSHP systems by using thermal piles with double spiral pipe GHEs.
  • Experimental investigation of methods to reduce outgassing from core materials in the fabrication process of transparent vacuum insulation panels
    Takato Miyata, Erkki Hirvonen, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    E3S Web of Conferences, 396, 2023年06月16日
    研究論文(国際会議プロシーディングス), The notion that modern buildings should strive to be net-zero energy buildings (NZEBs) is widely accepted. In order to improve window's insulation in existing buildings, structured-core transparent vacuum insulation panels (TVIPs) are proposed. TVIPs mainly consist of the structured core material, the low-emissivity film, and the transparent gas barrier envelope. TVIPs have high insulation performance and are inexpensive to manufacture and can be easily installed. However, it is necessary to overcome the issue of preventing the pressure rise inside TVIP after vacuum sealing. The authors constructed an experimental setup by applying the pressure-rate-of-rise-method to establish the fabrication process for TVIPs that prevents the pressure rise. In this experiment, a gas barrier film with a straw was used as the vacuum chamber. This could reproduce the pressure increase in the TVIP after sealing and the gas flow rate in the TVIP is evaluated. The experimental results showed that the internal pressure of TVIP could be reduced to about 1 Pa after vacuuming while heating for 8 hours, coating the core material, and sealing the getter material.
  • Experimental study on insulation performance of structured-core transparent vacuum insulation panels for different core materials
    Erkki Hirvonen, Takato Miyata, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    E3S Web of Conferences, 396, 2023年06月16日
    研究論文(国際会議プロシーディングス), The conversion of existing buildings to ZEH and ZEB requires increased thermal insulation, in which the insulation of window surfaces is particularly important. This study focused on measuring and comparing the changes in thermal conductivity of transparent vacuum insulation panels (TVIP), which could be used as simple and easy to install insulation to building windows. These changes were later compared with the results obtained from previous studies conducted by other research group members. The measured thermal conductivity values ranged between 0.017 W/(m∗K) of the best performing frame-type with the thickness of 5.1 mm, and 0.011 W/(m∗K) of the best performing double-layered peak-type core with the thickness of 7.8 mm. The calculated U-values of the samples ranged between 4.1 W/(m2∗K) and 1.4 W/(m2∗K). From the experimental results it could be seen that changing the core composition had a larger effect on the overall thermal conductivity of the sample than the added parameters of coating, getter agent, and heating had. These parameters, however, have had a substantial effect on the longevity of the vacuum inside the sample envelopes, and will thus be experimented further.
  • Investigation on Longer Service Life of Vacuum Insulation Panels by Applying Double Envelopes
    Takao Katsura, Katsunori Nagano
    E3S Web of Conferences, 396, 2023年06月16日
    研究論文(国際会議プロシーディングス), The conversion of existing buildings to ZEB requires high thermal insulation. Vacuum insulation panels (VIPs) have a potential to be used for retrofitting thermal insulation of existing buildings from the viewpoint of low thermal conductivity, small thickness, and light weight. However, in order to realize vacuum insulation panels applicable to building insulation, it is necessary to overcome the challenge of maintaining the low pressure at which the high insulation performance can be achieved for several decades. The authors applied the double envelopes to VIPs and investigated longer service life of VIPs. The double envelope VIP is fabricated by fabricating a normal VIP, then wrapping the VIP with core materials, and then inserting it into the envelope for vacuum sealing. By applying the double envelopes, the pressure difference and the permeation of gas in inner VIP can be drastically reduced, resulting in a longer VIP lifetime. In this paper, the gas permeabilities of the gas barrier envelopes were experimentally estimated. Then, the pressure ageing in the double envelope VIP is calculated. The inner pressure after 25 years was 1.6 Pa for the envelope of aluminium composite film and 59.3 Pa for the envelope of transparent gas barrier film, indicating that long-term insulation performance could be improved. Next, the authors carried out acceleration test, in which the double envelope VIPs were put in a chamber at 80oC and remove once a month to measure the thermal conductivity. Even after 136 weeks, one sample showed only a 9.1% decrease in thermal resistance. From this result, it was confirmed that long-term insulation performance can be greatly improved by fabricating double envelope VIPs with the getter agent inside and the desiccant agent outside.
  • Experimental analysis of vacuum pressure and gas flow rate in structured-core transparent vacuum insulation panels
    Takao Katsura, Takato Miyata, Saim Memon, Ali Radwan, Katsunori Nagano
    ENERGY REPORTS, 9, 1071, 1078, ELSEVIER, 2023年03月
    英語, 研究論文(学術雑誌), The notion that modern buildings should strive to be net-zero energy buildings (NZEBs) is widely accepted. One of the causes leading to high energy usage for space heating, resulting in avoidable carbon emissions, is heat loss via building windows. In order to improve window's insulation in existing buildings, structured-core transparent vacuum insulation panels (TVIPs) are proposed. TVIPs mainly consist of the structured core material, the low-emissivity film, and the transparent gas barrier envelope. TVIPs have high insulation performance and are inexpensive to manufacture and can be easily installed. Therefore, TVIPs have the potential to improve window's insulation in existing buildings at a low cost. However, it is necessary to overcome the issue of preventing the pressure rise inside TVIP after vacuum sealing. The authors constructed an experimental setup to quantify the effect of reduction of gas flow rate in TVIP after evacuation by applying the pressure-rate-of-rise-method. In this experiment, a gas barrier film with a straw was used as the vacuum chamber. This could reproduce the pressure increase in the TVIP after sealing and the gas flow rate in the TVIP is evaluated. The experimental result shows that the coated core material and the enclosing getter agent lowered the pressure rise and gas flow rate in TVIP by combining concurrent evacuation and heating. Furthermore, after extending the simultaneous vacuuming and heating period to 8 h and applying the coated core material, and enclosing the getter agent, the internal pressure in TVIP may be lowered to around 1 Pa after 30 min after halting vacuuming. It was confirmed that this pressure satisfied the performance required for TVIPs, and the result was much closer to the realization of TVIPs. (c) 2022 The Author(s). Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
  • Evaluating Long-Term Performance of a Residential Ground-Source Heat Pump System under Climate Change in Cold and Warm Cities of Japan
    Yoshitaka Sakata, Yuma Akeyama, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    Energies, 16, 6, 2742, MDPI, 2023年03月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), A residential ground-source heat pump system often requires a long payback time to recover the capital cost. Long-term uncertainty in such a system's performance increases as the climate changes. This study compares 20-years hourly heating/cooling demands of a typical residence in the present (2000-2020) and in the future (2076-2095) for two locations in Japan. This study also calculated soil temperatures as heat sources through 1D heat-transfer simulation based on the A1B climate scenario in the Intergovernmental Panel on Climate Change's Special Report. System performance and simple payback times were compared in one cold and one warm city in Japan (Sapporo and Tokyo, respectively). Soil temperatures at a middle depth of a borehole heat exchanger were predicted to increase in the future by similar to 1 degrees C, with insignificant effects on a borehole heat exchanger. Seasonal performance factors increased in Sapporo because thermal demands would be kept even in the future, but decreased in Tokyo, which has a higher ratio of the energy used in operating the system in cooling mode compared with its small heating demand. The simple payback time was estimated at 16.2 and >20 years in Sapporo and Tokyo, respectively, both in the present and future, with the constant energy prices. If oil and gas prices doubled, the payback time would be halved in Sapporo to 8.4 years but remain around 20 years or more in Tokyo.
  • Evaluation of Core Material in Structured-core Transparent Vacuum Insulation Panels For Windows: Numerical and Experimental Analysis
    Erkki Hirvonen, Takao Katsura, Takato Miyata, Saim Memon, Ali Radwan, Katsunori Nagano
    2023 10th International Conference on Power and Energy Systems Engineering, CPESE 2023, 352, 358, 2023年
    研究論文(国際会議プロシーディングス), The conversion of existing buildings to net zero-energy houses and net zero-energy buildings requires increased overall thermal insulation, in which the insulation of window surfaces is particularly important and effective route. The authors' research group has proposed a form of transparent vacuum insulation panels (TVIP), which could be used as simple and easy to install insulation to building windows. In this study, several 3D-printed core types were simulated and experimentally measured to compare the effectiveness of different core architectures as well as added vacuum layers. It was found that while there were differences between frame and peak type cores, these became negligible with smaller core spans, and largely disappeared when attached to a windowpane. A second layer of vacuum improved the sample core's overall heat transfer by 50 percent, while a third layer brought only a 24 percent improvement. Added benefits brought by the additional layers thus need to be balanced with the additional thickness inherent in the decision. It was also proven from experiments, that UTVIP of a single frame type core with double low-E films was 1.7 [W/(m2K)], and the UTVIP of double vacuum layer TVIP were 1.4 [W/(m2K)]. Higher insulation performance can thus be achieved in both ways. The created ANSYS model's predictions followed physical test results closely, validating said model as a tool for further structured-core experiments.
  • Experimental Evaluation of Thermal Performance of A New Multi-segmented Minichannel-based Radiant Ceiling Cooling Panel
    Takao Katsura, Lan Ding, Ali Radwan, Katsunori Nagano
    2023 10th International Conference on Power and Energy Systems Engineering, CPESE 2023, 339, 345, 2023年
    研究論文(国際会議プロシーディングス), In this paper, a new multi-segmented minichannel heat exchanger based radiant ceiling panel (M-RCP) is proposed. Experiments to evaluate M-RCPs' performance with different tilt angles were conducted. The result showed that the M-RCPs had an advantage compared to the conventional RCP from the viewpoint of cooling output per panel area and temperature difference. In addition, by providing the forced convection with fans, the cooling output from the M-RCP increased 3.6 times compared to that from the M-RCP without the forced convection. Furthermore, 3D computational fluid dynamics (CFD) models of M-RCPs were produced and the CFD models were validated by comparing with the experimental results. The result of comparisons indicated that the CFD models can predict the cooling output with high accuracy.
  • Improvement of accuracy with uncertainty quantification in the simulation of a ground heat exchanger by combining model prediction and observation
    Yutaka Shoji, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    GEOTHERMICS, 107, PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD, 2023年01月
    英語, 研究論文(学術雑誌), With the utilization of shallow geothermal heat as a renewable energy source in recent times, several studies have focused on ground heat exchanger simulation. Ground heat exchanger simulation is an important factor that contributes to the design and control of shallow geothermal systems. Thus far, various models and parameter estimation methods have been proposed to represent actual phenomena; however, errors inevitably occur be-tween the model predictions and actual values. Hence, a method that can explicitly account for this uncertainty is desirable. Thus, in this study, we show that data assimilation-a method that combines simulation and obser-vation for more accurate state estimation and uncertainty quantification-can be applied to ground heat exchanger simulation. To this end, we perform an in situ transient heating experiment using a single-borehole heat exchanger, and we assimilate the actual observations using an ensemble Kalman filter for a reproductive simulation. The results of the data assimilation experiment indicate that the model parameter, i.e., the soil effective thermal conductivity, is modified from 1.19 W m-1 K-1 estimated from the geologic column to 1.70 +/- 0.05 W m-1 K-1, and it reproduces the standard estimate of 1.69 W m-1 K-1 from the thermal response test. Further, for the ground heat exchanger inlet/outlet temperature, simulation without data assimilation yielded a maximum error of approximately 2.0 K, whereas simulation with data assimilation produced a highly accurate state estimate with a standard deviation of 0.08 K. The proposed method allows a posteriori estimation of soil properties from the operational data of ground heat exchanger systems installed without thermal response tests as well as the correction of deviations between the model and observation values through statistical support and uncertainty quantification.
  • Hybrid ground source heat pump system capable of year-round heating and its application in liquid natural gas vaporization
    Takao Katsura, Yutaka Shoji, Kunning Yang, Hitoshi Akai, Jun Shishido, Mitsuhiro Ishikawa, Yuichi Yashima, Koji Tanifuji, Katsunori Nagano
    INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY RESEARCH, 46, 15, 23388, 23406, WILEY-HINDAWI, 2022年12月
    英語, 研究論文(学術雑誌), One of the challenges in using a ground source heat pump (GSHP) system is the long-term increase or decrease in underground temperature due to an imbalance between heat extraction and injection. To eliminate this imbalance, we proposed a hybrid GSHP (HGSHP) system combined with air-water heat exchangers (AWHEs) capable of year-round heating and applied it to the hot water supply for liquid natural gas (LNG) vaporization in a satellite station. In this paper, the authors demonstrate the year-round heating capability of the HGSHP system and the energy conservation benefits of installing the HGSHP system for LNG vaporization. First, a field experimental apparatus was constructed for a gas vaporization system with the HGSHP; thereafter, an experimental proof of gas vaporization was obtained. The experimental results showed that it was possible to stably vaporize liquid nitrogen that was used instead of LNG by supplying hot water at 25 degrees C. Additionally, in the gas vaporization experiment with the HGSHP system in the summer season, the SCOP measured was over ten. A calculation model for the AWHE was then established using the field test data; thereafter, a simulation tool for the HGSHP system was developed by combining it with one for the GSHP system. The simulation results indicated that the average surface temperature of all GHEs in the HGSHP system decreases from first year to second year. However, the average surface temperature of all GHEs stabilizes at a reduced level after the third year. These results indicate that the HGSHP system can operate long-term for year-round heating because the average surface temperature stabilize in the long-term.
  • 地中熱ヒートポンプシステムにおける地中熱交換器仕様の設計方法に関する研究(その2):システムの運転条件に応じた採放熱量の定量化とシステム設計への応用
    葛 隆生, 長野 克則, 中村 靖
    日本建築学会環境系論文集, 87, 800, 668, 676, 日本建築学会, 2022年10月01日
    日本語, In this paper, the authors introduce the calculation method for the heat extraction/injection coefficient of ground heat exchangers (GHEs) (heat extraction/injection rate per length and temperature difference) according to the operating conditions of ground source heat pump system. Then, the heat extraction/injection coefficients of GHEs with the different specifications and the different system operating conditions were calculated. The result indicated that the heat extraction/injection coefficient with the operating time of the GSHP system per day of 8 h was approx. 1.6 times compared to the coefficient with the operating time of the GSHP system per day of 24 h.
  • An inverter-driven heat pump with a multi-tubular tube-in-tube heat exchanger for domestic hot water supply
    Hongzhi Liu, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    JOURNAL OF BUILDING ENGINEERING, 54, ELSEVIER, 2022年08月
    英語, 研究論文(学術雑誌), An inverter-driven heat pump prototype to supply domestic hot water (DHW) was built, within which a multi-tubular tube-in-tube counter-flow heat exchanger as condenser was installed including a desuperheater section and a condenser section. The heating coefficient of performance (COP) is reduced approximately 10% if the feed water temperature increases from 9 degrees C to 24 degrees C. When the inlet temperature of primary brine is 24 degrees C, the compressor frequency does not show any effect on the heating COP. While when the inlet temperatures of primary fluid are 5, 10, and 17 degrees C, the COP increases with the rise of the compressor frequency at first, but it stays almost constant when the compressor frequency is within 40-55 Hz. It is considered that the effects of opposite dependencies of heat transfer and the pressure drop in the condenser onto COP tend to cancel each other out to obtain a constant heating COP. When the produced hot water is 65 degrees C, the heating COP of our developed heat pump for DHW is the largest among those of other three different heat pumps.
  • Life cycle cost analysis of ground source heat pump system based on multilayer thermal response test
    Hobyung Chae, Katsunori Nagano, Takao Katsura, Yoshitaka Sakata, Ahmed A. Serageldin
    Energy and Building, 261, 111427, 111427, ELSEVIER SCIENCE SA, 2022年04月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), The purpose of this study was to determine the life cycle cost (LCC) of a ground source heat pump (GSHP) system based on the results of a multilayer thermal response test (TRT). Previous studies by our research team suggested the possibility of significantly reducing the total borehole length, based on the results of the multilayer TRT to identify the partial groundwater flow. In the present study, it was validated that the borehole heat exchangers reduced by the results of the partial groundwater flow could operate with a sustainable performance of the GSHP system over an extended period. LCCs of the GSHP system for 30 years were analyzed in three areas with different climatic and geological conditions. Based on these results, the proposed method demonstrates a reasonable cost reduction advantage compared with conventional TRT analysis. The multilayer TRT analysis was validated using root mean square error and temperature error, obtained from temperature comparison between the numerical simulation results and the TRT data. The required total borehole length was achieved when the performance of the GSHP system attained the target performance for heating, after 30 years of operation. The GSHP system, designed by considering the partial groundwater flow, can reduce 30-40% of the total borehole length and 15-20% of the LCC, compared with the system designed based on conventional TRT analysis.(c) 2021 Elsevier B.V. All rights reserved.
  • MICS-ANN model: An artificial neural network model for fast computation of G-function in moving infinite cylindrical source model
    Yutaka Shoji, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    GEOTHERMICS, 100, PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD, 2022年03月
    英語, 研究論文(学術雑誌), Model of the temperature field around the ground heat exchanger is a critical part of shallow geothermal system simulation. Some models have not yet obtained an analytical solution due to the presence of groundwater flow or the complex geometry of the ground heat exchanger. For such models, numerical analysis is performed and the computational cost is an issue. Here we show a method to reproduce the finite volume method solution of the moving infinite cylindrical source model quickly and accurately using an artificial neural network. Using the obtained artificial neural network model, the hourly 20-year temperature response function of the moving infinite cylindrical source model can be computed in only 5.726 s. The mean squared error of the artificial neural network model for the finite volume method solution was 2.158 x 10(-6) in dimensionless temperature, indicating a sufficiently small error. The fast and accurate calculation of the moving infinite cylindrical source model is expected to contribute to the optimal design of shallow geothermal systems with a groundwater flow field. In addition, this method of reproducing a temperature response function by artificial neural network may be applicable not only to the moving infinite cylindrical source model but also to other models.
  • Design and thermal analysis of a new multi-segmented mini channel based radiant ceiling cooling panel
    Ali Radwan, Takao Katsura, Lan Ding, Ahmed A. Serageldin, Ahmed I. EL-Seesy, Katsunori Nagano
    Journal of Building Engineering, 40, 102330, 102330, Elsevier BV, 2021年08月
    研究論文(学術雑誌)
  • Parametric analysis, response surface, sensitivity analysis, and optimization of a novel spiral-double ground heat exchanger
    Ahmed A. Serageldin, Ali Radwan, Takao Katsura, Yoshitaka Sakata, Shigeyuki Nagasaka, Katsunori Nagano
    Energy Conversion and Management, 240, Elsevier Ltd, 2021年07月15日
    英語, 研究論文(学術雑誌), This paper proposes a novel spiral-double ground heat exchanger (GHX) that decreases conventional construction costs, facilitates installation, promotes heat transfer, and reduces thermal resistance. In this study, a new and effective installation procedure was proposed. Three-dimensional, transient, and conjugated finite volume simulations were conducted to compare the thermo-hydraulic performance of the traditional single U-tube and spiral GHXs with the proposed spiral-double GHX under two different flow rates. Moreover, a parametric analysis was conducted to study the impact of the design, operating, and geological parameters on the thermal performance of the new spiral-double GHX. Finally, surface response and sensitivity analyses, as well as optimization, were carried out using the ANSYS workbench. The comparison revealed that the spiral-double GHX yields higher thermal effectiveness (E) and heat transfer rate (Q) than single-U tubes GHX by 40.8% and 44.1%, respectively. In addition, it has a lower thermal resistance of 75.3% than the single-U tube GHX under turbulent flow conditions. Furthermore, the parametric study and sensitivity analysis concluded that the spiral radius has the most significant impact, followed by flow velocity, tube diameter, and pitch distance. Moreover, the recommended fluid velocity does not exceed 0.21 m/s, pitch distance of 0.0625 m, a spiral radius of 0.2 m, and grout conductivity of 2.1 W/m.K.
  • Evaluating Variability of Ground Thermal Conductivity within a Steep Site by History Matching Underground Distributed Temperatures from Thermal Response Tests
    Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Ahmed A. Serageldin, Katsunori Nagano, Motoaki Ooe
    Energies, 14, 7, 1872, 1872, MDPI AG, 2021年03月28日
    研究論文(学術雑誌), 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.
  • Nationwide Determination of Required Total Lengths of Multiple Borehole Heat Exchangers under Variable Climate and Geology in Japan.
    Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    ISPRS International Journal of Geo-Information, 10, 4, 205, 205, 2021年
    研究論文(学術雑誌)
  • Development of a new vacuum-based photovoltaic/thermal collector, and its thermal and exergy analyses
    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
    研究論文(学術雑誌), 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
  • Analysis of a vacuum-based photovoltaic thermal collector
    Ali Radwan, Takao Katsura, Saim Memon, Essam M. Abo-Zahhad, Ahmed A. Serageldin, Katsunori Nagano
    Energy Reports, 6, 236, 242, 2020年12月
    研究論文(学術雑誌), 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
  • Thermal performance analyses of a new multi-segmented minichannel-based radiant ceiling cooling panel
    Lan Ding, Takao Katsura, Ali Radwan, Katsunori Nagano
    Energy Reports, 6, 1409, 1415, 2020年12月
    研究論文(学術雑誌), 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.
  • Performance enhancement of borehole ground source heat pump using single U-tube heat exchanger with a novel oval cross-section (SUO) and a novel spacer
    Ahmed A. Serageldin, Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    Sustainable Energy Technologies and Assessments, 42, 100805, 100805, Elsevier BV, 2020年12月
    研究論文(学術雑誌)
  • Erratum to “Method for calculation of ground temperature in scenarios involving multiple ground heat exchangers and groundwater advection” [Energy Build. 220 (2020) 110000] (Energy & Buildings (2020) 220, (S0378778819336564), (10.1016/j.enbuild.2020.110000))
    Takao Katsura, Yutaka Shoji, Yoshitaka Sakata, Katsunori Nagano
    Energy and Buildings, 227, Elsevier Ltd, 2020年11月15日
    英語, 研究論文(学術雑誌), The publisher regrets the following part was disappeared in the article published in Energy &
    Building, 220 (2020) 110000. <
    3.2. Experimental calculation In order to examine the calculation with the developed method, we conducted an experimental calculation of the underground temperature for the case with multiple GHEs and time-variable heat flux conditions. In this experimental calculation, we considered 8 GHEs, each of length 100 m. Fig. 11 shows the arrangement of the multiple GHEs. Table 3 indicates the soil properties considered for the experimental calculation. To compare the difference due to the groundwater flow existence, we conducted the calculation assuming the groundwater velocity conditions of 0 m year−1 and 100 m year−1. The hourly annual heat extractions shown in Fig. 12 were divided according to the number of GHEs, and the ground temperature was calculated by considering the divided values. The experimental calculation was conducted for 2 years (17,520 h). Fig. 13 shows the calculated hourly average temperature variation of the surfaces of the GHEs. The result for the case with groundwater flow demonstrates the restrained temperature variation compared to that without groundwater flow. With reference to the calculation speed, we used a popular laptop computer with a 2.8 GHz single core processor and 16 GB memory for the experimental calculation. The required calculation time of the experimental simulation with multiple GHEs and time-variable heat flux conditions was 94.0 s for the 2-year simulation period. Therefore, the results of the experimental calculation indicate that the calculation time can be significantly reduced by using the developed method compared to the numerical analysis. In addition, it is possible to use a simple interface, as shown in Fig. 14, if the developed calculation method is applied. In other words, we can input the conditions mentioned in this section without the need for a complex procedure. Also, it is easy to change the calculation conditions, such as the number of GHEs, their arrangement, groundwater advection velocity, and angle of groundwater flow.>
    The publisher would like to apologise for any inconvenience caused.
  • Thermal analysis of a new sliding smart window integrated with vacuum insulation, photovoltaic, and phase change material
    Mostafa Ahmed, Ali Radwan, Ahmed Serageldin, Saim Memon, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    Sustainability (Switzerland), 12, 19, 2020年10月
    研究論文(学術雑誌), 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.
  • Development of simulation tool for ground source heat pump systems influenced by ground surface
    Takao Katsura, Yoshitaka Sakata, Lan Ding, Katsunori Nagano
    Energies, 13, 17, MDPI, 2020年09月
    英語, 研究論文(学術雑誌), 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. ◦
  • Thermal and electrical performances of semi-transparent photovoltaic glazing integrated with translucent vacuum insulation panel and vacuum glazing
    Ali Radwan, Takao Katsura, Saim Memon, Ahmed A. Serageldin, Makoto Nakamura, Katsunori Nagano
    Energy Conversion and Management, 215, Elsevier Ltd, 2020年07月01日
    英語, 研究論文(学術雑誌), The development of smart windows must provide low solar heat gain with a low overall heat transfer coefficient, avoid humidity and condensation in cold regions, generate clean electricity, and admit comfortable levels of daylight. Therefore, methods for integrating semi-transparent (or 50.8% transparent) CdTe solar cell strings-based glazing with structured-cored mesh translucent vacuum insulation panels and indium sealed vacuum glazing are described for modernizing smart windows. This study reports experimental and theoretical studies on the thermal and electrical performances of six different glazing systems. These systems include semi-transparent photovoltaic glazing (GPV), vacuum glazing (VG), translucent vacuum insulation panel (GVIP), semi-transparent PV with VG (VGPV), and semi-transparent PV with translucent vacuum insulation panel (VIPPV), and their performances will be compared with that seen with single glazing (SG). These glazing systems are designed, constructed, and tested using a hot box calorimeter, and with and without the effects of simulated indoor solar radiation. The center-of-pane U-values, the transient temperature variations of the inner and outer surfaces of the glazing systems, the open circuit voltages, the short circuit currents, the fill factors, and the steady-state temperature contours were determined. For the first time, the moisture condensation pattern is also depicted for these systems and will be of value for applications in harsh, cold regions. A 3D finite-volume heat transfer model is developed and validated with the experimental results, allowing comparison of the thermal performances of these glazing systems under ASTM boundary conditions. The results showed that the VGPV system achieved a lower U-value than did the VIPPV system. The steady-state center-of-pane temperature differences seen with a solar irradiation level of 1000 W·m−2 are 55 °C, 32.5 °C and 5 °C for the VGPV, VIPPV, and GPV systems, respectively. The validated center-of-pane U-values for the VG, VGPV, VIPPV, and GPV systems, each with dimensions of 15 cm × 15 cm, are predicted to be 1.3, 1.2, 1.8, and 6.1 W·m-2K−1, respectively. The results also show that the use of either the VGPV or VG systems eliminates moisture condensation. It is concluded that VGPV and VIPPV generate comparatively less power but provide higher thermal insulation.
  • Analysis of Relaxation Time of Temperature in Thermal Response Test for Design of Borehole Size
    Hobyung Chae, Katsunori Nagano, Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Ahmed A. Serageldin, Takeshi Kondo
    Energies, 13, 13, 3297, 3297, {MDPI} {AG}, 2020年06月27日, [査読有り]
    研究論文(学術雑誌)
  • ハイブリッド地中熱ヒートポンプシステムにおけるシミュレーションを応用した長期運用に関する研究
    葛 隆生, 中村 靖, 長野 克則
    空気調和・衛生工学会論文集, 279, 1, 9, 2020年06月, [査読有り]
    日本語, 研究論文(学術雑誌)
  • Experimental investigation on a vapor injection heat pump system with a single-stage compressor
    Hongzhi Liu, Katsunori Nagano, Takao Katsura, Yue Han
    Energies, 13, 12, 2020年06月
    研究論文(学術雑誌), 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.
  • Estimation of ground thermal conductivity through indicator kriging: Nation-scale application and vertical profile analysis in Japan
    Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    Geothermics, 88, 101881, 101881, Elsevier BV, 2020年06月, [査読有り]
    研究論文(学術雑誌)
  • 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]
  • 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, 220, ELSEVIER SCIENCE SA, 2020年04月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), The calculation of the ground temperature considering groundwater advection is one of the most noteworthy challenges for the simulation and design of a shallow geothermal system. This paper proposes a new method to calculate the temperature considering the groundwater advection in a scenario involving multiple ground heat exchangers and the time-variable heat flux condition. The superposition principle of the moving infinite cylindrical source solution and the moving infinite line source solution was applied in combination. Furthermore, a regression analysis was performed for various numerical calculation results obtained using a moving infinite cylindrical source model, and a simple and fast calculation solution for the problem was established. The proposed method demonstrated a maximum error of 0.0879 for the dimensionless temperature compared with the numerical calculation result. (c) 2020 Elsevier B.V. All rights reserved.
  • The Effect of Groundwater Flow on the Thermal Performance of a Novel Borehole Heat Exchanger for Ground Source Heat Pump Systems: Small Scale Experiments and Numerical Simulation
    Ahmed A. Serageldin, Ali Radwan, Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    Energies, 13, 6, 1418, 1418, MDPI AG, 2020年03月18日, [査読有り]
    研究論文(学術雑誌), 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.
  • Thermal performance analysis of a new structured-core translucent vacuum insulation panel in comparison to vacuum glazing: Experimental and theoretically validated analyses
    Takao Katsura, Saim Memon, Ali Radwan, Makoto Nakamura, Katsunori Nagano
    SOLAR ENERGY, 199, 326, 346, PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD, 2020年03月
    英語, 研究論文(学術雑誌), The notion at which, nowadays, building sector is being recognized to be nearly zero-energy buildings (NZEBs) relies partly on the thermal performance of its fabric insulation. Vacuum glazing (VG) technology attracted the research interest as an option to reduce heat loss through windows. However, the total glazing thermal transmittance (U-value) for VG increases with the use of smaller glazing area due to the edge-seal effects, due to the thermal short-circuit around the edges and the overall construction cost of VG leading to an unaffordable option to deal with energy conservation of buildings. Therefore, this study aims to propose a new structured core transparent vacuum insulation panel (TVIP) to accomplish insulation for the windows without edge sealing effect, with lower cost and can be easily retrofitted to the conventional windows of the existing buildings. To do this, VG and TVIP were constructed and their thermal conductivity were measured using heat flow meter apparatus. In addition, a 3D finite volume model considering the effect of surface to surface radiation, gas conduction, and thermal bridges through the spacer material and sealing material is developed. The model is validated with the experiments in this work and with the data for VG in the literature. The effect of vacuum pressure increase is simulated to mimic the vacuum deterioration problem and the effect of glazing size on the insulation performance of both VG and TVIP were investigated. The results indicate that for a smaller glazing area of less than 30 cm x 30 cm, the TVIP accomplished lower U-value compared with the VG at vacuum pressure of 0.1 Pa and 1 Pa. While, at a vacuum pressure of 10 Pa, the TVIP attained a lower U-value over the entire range of the investigated glazing sizes. Further, the edge-seal effect in the VG is diminished with the use of TVIP. Furthermore, the material cost per unit area of the TVIP is three times less than the cost of VG at laboratory scale. The results of the current study can guide vacuum window designers and researchers to further enhance the performance of TVIP based window to compete for the VG in the markets.
  • 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]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • 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, MDPI, 2020年03月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), Considering the heat capacity inside vertical spiral ground heat exchanger (VSGHEX) in the simulation is one of the most noteworthy challenge to design the ground source heat pump (GSHP) system with VSGHEXs. In this paper, a new simulation model for VSGHEXs is developed by combining the ICS model with the CaRM. The developed simulation model can consider the heat capacity inside VSGHEX and provide dynamic calculation with high speed and appropriate precision. In order to apply the CaRM, the equivalent length was introduced. Then, the equivalent length was approximated by comparing the results of the CaRM and the numerical calculation. In addition, the calculation model of the VSGHEX was integrated into the design and simulation tool for the GSHP system. The accuracy of the tool was verified by comparing with the measurements. The error between supply temperatures of the measurements and calculation is approximately 2 degrees C at the maximum. Finally, assuming GSHP systems with VSGHEXs, whose spiral diameter was 500 mm and depth was 4 m, were installed in residential houses in Japan, the required numbers of VSGHEXs were estimated. The results showed a strong correlation between the total heating or cooling load and the required number. Therefore, the required number can be estimated by using the simplified approximate equation.
  • 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]
    英語
  • 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, PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD, 2019年10月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), The rate of heat gain or heat loss from the windows of existing buildings represents a large portion of building energy consumption in harsh hot or cold regions, respectively. Therefore, several thermal insulation technologies have been applied in new buildings. However, these technologies are difficult to implement in existing buildings. Therefore, this study proposes a new, low-cost insulation method using slim, transparent panels with structured cores, for the windows of existing buildings. To do this, five new distinct designs of vacuum insulation panels (VIPs) are proposed to retrofit insulation for the windows of existing buildings. The VIPs comprise a hollow-frame structured-core material encapsulated in a transparent multi-layered polymeric envelope. The effective thermal conductivity of VIPs with different spacers, namely, peek, modified peek, mesh, silica aerogel, and frame, are evaluated at different pressure levels. The spacers are 3D-printed and experimentally-examined. A 3D thermal model is developed and validated using the experimental results of the present work and results from the literature. First, the influences of spacer structure and vacuum pressure on the centre-of-panel thermal conductivity, light transparency, and VIP production costs are evaluated. Second, three different trial manufacturing methods for these VIPs are proposed and compared. Finally, the annual building heat gain and heat loss in two different harsh hot and cold regions, respectively, in Japan are estimated while applying these new proposed VIP designs to the existing windows. The results indicate that VIPs with frame and mesh spacers accomplish better insulation performance, with a centre-of-panel thermal conductivity of 7 x 10(-3) W/m K at a pressure of 1 Pa. Further, the VIP with the peek spacer accomplishes the highest light transparency (0.88). Furthermore, using a frame-type VIP with a total thickness of 3 mm attached to an existing window as a curtain decreases the space heat loss by approximately 69.5%, whereas the light transparency decreases to 75%. In that regard, using a frame-type VIP attached to 3 mm-glass windows decreases window insulation costs by 72% compared with vacuum glazing thermal insulation.
  • 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]
  • 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]
    日本語, 研究論文(学術雑誌)
  • 地中熱ヒートポンプシステム:北海道における導入可能性の評価
    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]
    日本語
  • A design and simulation tool for ground source heat pump system using energy piles with large diameter
    Takao Katsura, Katsunori Nagano, Yohitaka Sakata, Hisashi Wakayama
    International Journal of Energy Research, 43, 4, 1505, 1520, Wiley, 2019年03月25日, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), Calculation of the underground temperature resulting from heat injection/extraction into/from ground heat exchangers (GHEXs) with hourly variation is one of the most noteworthy challenges to address when simulating and designing a ground source heat pump (GSHP). In order to overcome this challenge, the authors introduce a method to calculate the underground temperature, by considering heat injection/extraction into/from GHEXs with hourly variation. The method applies the superposition of the infinite cylindrical source (ICS) solution and the infinite line source (ILS) solution to calculate the temperature change due to heat injection/extraction into/from the considered GHEX and other neighboring GHEXs, respectively. The calculation method also considers heat injection/extraction from GHEXs with different heat injection/extraction rates and is able to accommodate GHEXs with large diameters such as energy piles. The calculation method was evaluated by applying it to calculate the temperature variation of the heat carrier fluid in a GSHP system with energy piles.
  • 500 M-GRIDDED ESTIMATION OF REQUIRED LENGHS FOR A CLOSED-TYPE BOREHOLE HEAT EXCHANGER IN A GROUND-SOURCE HEAT PUMP SYSTEM
    Yoshitaka SAKATA, Takao KATSURA, Katsunori NAGANO
    Journal of Japan Society of Civil Engineers, Ser. G (Environmental Research), 75, 5, I_177, I_183, Japan Society of Civil Engineers, 2019年, [査読有り]
    研究論文(学術雑誌)
  • 少水量対応地中熱ヒートポンプビルマルチシステム設計・性能予測ツールの開発とその応用
    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]
    日本語
  • Importance of groundwater flow on life cycle costs of a household ground heat pump system in Japan
    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]
    英語
  • Thermo-hydraulic performance of the U-tube borehole heat exchanger with a novel oval cross-section: Numerical approach
    Ahmed A. Serageldin, Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    Energy Conversion and Management, 177, 406, 415, Elsevier BV, 2018年12月, [査読有り]
    研究論文(学術雑誌)
  • 井戸データベースを用いた地盤情報推定システムの開発 その2:確率加重平均による平均透水係数推定法の評価
    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
    日本語
  • 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]
    日本語
  • 光透過性を有する薄型真空断熱材の開発に関する研究 第1報 構造計算と伝熱計算による芯材検討および真空断熱材の試作と性能評価
    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]
    日本語, 研究論文(学術雑誌), <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>
  • 全国地中熱ポテンシャルマップ構築への取り組み-大阪平野における地中熱利用の可能性と課題-
    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]
    日本語
  • Investigation into Window Insulation Retrofitting of Existing Buildings Using Thin and Translucent Frame-Structure Vacuum Insulation Panels
    Yang Zhang, Katsura Takao, Aihara Masahiro, Nakamura Makoto, Nagano Katsunori
    ENERGIES, 11, 2, 2018年02月, [査読有り]
  • Development of simulation tool for the shallow ground source heat pump system using vertical spiral ground heat exchangers and its application               
    Takashi Higashitani, Takao Katsura, Katsunori Nagano, Hitoshi Akai, Motoaki Oe
    ACRA 2018 - 9th Asian Conference on Refrigeration and Air-Conditioning, Asian Conference on Refrigeration and Air Conditioning (ACRA), 2018年
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス), Vertical spiral ground heat exchanger(VSGHEX) is paid attention for cost reduction of ground source heat pump(GSHP) systems. However, VSGHEX has huge thermal capacity so that the temperature calculation around a VSGHEX needs to take account for the thermal capacity. In this paper, an approach based on capacity resistance model(CaRM) was presented. The model was validated comparing with numerical model. In addition, the case study of GSHP installation by VSGHEXs was carried out.
  • Simulation Tool for Ground-Source Heat Pump System with Multiple Ground Heat Exchangers               
    Takao Katsura, Katsunori Nagano
    ASHRAE Transactions, 124, 92, 101, 2018年, [査読有り]
    英語
  • 確率加重平均法による地盤の有効熱伝導率の推定に関する研究
    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
    日本語, <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>
  • Multilayer-concept thermal response test: Measurement and analysis methodologies with a case study
    Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    GEOTHERMICS, 71, 178, 186, PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD, 2018年01月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), 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.
  • Development of numerical heat transfer and the structural model to design slim and translucent vacuum layer type insulation panels to retrofitting insulation in existing buildings
    Zhang Yang, Takao Katsura, Masahiro Aihara, Makoto Nakamura, Katsunori Nagano
    Energies, 10, 12, MDPI AG, 2017年12月01日, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), 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.
  • 井戸データベースを用いた地盤情報推定システムの開発:地質区分のクリギング推定と逐次パラメータ決定法
    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]
    日本語, 研究論文(学術雑誌)
  • Field Analysis of Stepwise Effective Thermal Conductivity along a Borehole Heat Exchanger under Artificial Conditions of Groundwater Flow
    Yoshitaka Sakata, Takao Katsura, Katsunori Nagano, Manabu Ishizuka
    Hydrology, 4, 2, 21, 21, MDPI AG, 2017年03月29日, [査読有り]
    研究論文(学術雑誌)
  • 524 双方向インバータを用いた蓄電池制御を伴うスマートエネルギーハウス運用最適アルゴリズムの開発に関する研究
    相澤 峻, 小原 伸哉, 佐藤 克彰, 植村 勇太, モレル ホルへ, 長野 克則, 葛 隆生, 阪田 義隆
    北海道支部講演会講演概要集, 2017.55, 105, 106, 一般社団法人 日本機械学会, 2017年
    日本語
  • 双方向インバータを用いたスマートハウスの経済運用に関する研究
    相澤 峻, 小原 伸哉, 佐藤 克彰, 植村 勇太, モレル ホルヘ, 長野 克則, 葛 隆生, 阪田 義隆
    動力・エネルギー技術の最前線講演論文集 : シンポジウム, 2017.22, C123, 一般社団法人 日本機械学会, 2017年
    日本語, Introduction of the renewable energy and energy-saving technologies that contribute to reducing environmental impact, this research have focused on smart house systems. There is few research on the economics of smart houses involving storage batteries, and the optimal operation method of a battery introduced into an individual houses based on economical efficiency is not clear. Therefore, in this research, the authors try to optimize operation method of storage battery on an individual house of one day by bi-directional inverter for smart house system. In the proposed system, purchase from the commercial power system is minimized by optimal operation of the bi-directional inverter on the predicted data of the energy balance and solar radiation amount of the next day. In addition, surplus electric power obtained by solar power generation is sold to electric power company. The proposed system consists of solar cells, storage battery, bi-directional inverters and simulated load. A bi-directional inverter optimization algorithm is installed into the controller of the proposed system. The operation of the controller is optimized by the genetic algorithm (GA), and the objective function gives the minimization of the amount of purchase electric power per one day.
  • 蓄電池予測制御を伴うスマートハウスの最適運用に関する研究
    相澤 峻, 小原 伸哉, 佐藤 克彰, 植村 勇太, モレル ホルヘ, 長野 克則, 葛 隆生, 阪田 義隆
    環境工学総合シンポジウム講演論文集, 2017.27, 401, 一般社団法人 日本機械学会, 2017年
    日本語, In this research, the authors try to optimize operation method of storage battery on an individual house of one day by bi-directional inverter for smart house system. In the proposed system, purchase from the commercial power system is minimized by optimal operation of the bi-directional inverter on the predicted data of the energy balance and solar radiation amount of the next day. In addition, surplus electric power obtained by solar power generation is sold to electric power company. The proposed system consists of solar cells, storage battery, bi-directional inverters and simulated load. A bi-directional inverter optimization algorithm is installed into the controller of the proposed system. The operation of the controller is optimized by the genetic algorithm (GA), and the objective function gives the minimization of the amount of purchase electric power per one day. As a result, compared to the conventional method (when the proposed system is not introduced), the purchase amount was reduced by 16.4%, 33.2%, and 13.7% in January, April and July. In addition, the electricity charges were reduced by 32.4%, 44.6%, and 56.1% in January, April and July.
  • 全国地盤物性データベースを用いた地中熱利用ヒートポンプ暖房システムの導入効果分析
    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
    日本語, 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.
  • 井戸データベースを用いた地盤情報推定システムの開発:地質区分のクリギング推定と逐次パラメータ決定法
    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
    日本語, <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>
  • A microgrid comprising an interconnected solid oxide fuel cell and hydraulic generator for use in a sustainable city
    Obara Shin'ya, Nagano Katsunori, Morel Jorge, Katsura Takao, Sakata Yoshitaka, Kikuta Kazushige
    MECHANICAL ENGINEERING JOURNAL, 4, 2, 2017年, [査読有り]
  • Investigation of a Design and Operation Method for a Heat Recovery Ground Source Heat Pump System
    Takao Katsura, Katsunori Nagano, Yasushi Nakamura
    2017 ASHRAE ANNUAL CONFERENCE PAPERS, AMER SOC HEATING, REFRIGERATING AND AIR-CONDITIONING ENGS, 2017年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス), A method for the design and operation of a heat-recovery ground-source heat pump (HR-GSHP) system has been investigated. In this paper, a design method for the HR-GSHP system by applying the optimization method was first introduced. By applying the design method, the total heating and cooling loads of each ground-source heat pump (GSHP) unit in the HR-GSHP system were maximized in response to an arbitrarily set total length of the ground heat exchanger (GHEX). This means that the HR-GSHP system designed with the design method could yield the maximum energy saving effect for a given GHEX total length. Next, it was assumed that the HR-GSHP system with a 7,200-m total GHEX borehole length was installed in a large scale complex building, which required both heating and cooling at the same time throughout the year, and the hourly heating and cooling loads of each GSHP unit was determined using the design method. As a result, it was confirmed that the HR-GSHP could cover approximately 4.3 times the heat load of a conventional GSHP system. In addition, the simulation of annual HR-GSHP system operation was performed using the design and performance prediction tool for the GSHP system. The hourly heat load determined by the design method was given in the simulation. The average coefficients of performance (COP) for the HR-GSHP system were 4.6 for heating and 10.3 for cooling. Thus, the HR-GSHP system was advantageous in not only the amount of heat load that could be covered but also the COP compared to the conventional GSHP system.
  • 冷凍サイクルを考慮したヒートポンプシステム年間性能予測ツールに関する研究 第1報―開発した性能予測ツールの概要と検証
    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]
    日本語, 研究論文(学術雑誌),

    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。

  • 複層地盤を考慮した地中熱交換器のシミュレーションツールの開発とその応用
    葛隆生, 長野克則, 中村靖
    冷凍, 91, 1064, 399‐400, 2016年06月, [査読有り]
    日本語
  • 複合化蓄熱方式とハイブリット空調を採用した事務所建物におけるエネルギーの評価・改善に関する研究 (第3報)天井放射空調システムの設計時の検討と計測概要
    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
    日本語,

    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。

  • 螺旋状地中熱交換器による浅層部地中熱利用技術の開発 (第1報)開発の目的と1次・2次実証試験
    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
    日本語,

    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。

  • 寒冷地におけるネット・ゼロ・エネルギービルの構築に関する研究 その2 ローエネルギー子どもセンターにおける地中熱暖房システムの性能評価
    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
    日本語,

    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。

  • 寒冷地園芸施設向けの低コストで実用的な地中熱提供方法の開発 その4 地中熱ヒートポンプ加温・冷却システムの性能および地中温度の経年変化の評価
    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
    日本語,

    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.

  • ヒートポンプシステム年間予測ツールによる地中熱ヒートポンプシステムの導入効果の検討に関する研究
    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
    日本語,

    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。

  • 三次元地盤・地下水データベースを用いた地中熱交換器の必要規模の評価とマッピング
    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
    日本語,

    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。

  • 地中熱ヒートポンプシステム性能予測ツールを用いた地中熱を含めた熱融通システムのコミッショニング その2 2年間の性能検証および運転3年目の最適運転検討シミュレーション
    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
    日本語,

    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。

  • 温暖地域の戸建て住宅への基礎杭利用地中熱ヒートポンプの導入可能性に関する検討
    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
    日本語,

    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。

  • ヒートポンプ熱量計測技術の検証および性能検証手法の確立に関する研究
    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
    日本語,

    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。

  • 温暖地域の戸建て住宅における地中熱ヒートポンプシステム設計に関する研究
    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
    日本語,

    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。

  • 地中熱ヒートポンプシステムの低コスト・高効率化と設計・評価手法の開発に関する研究 その3 地中熱利用ポテンシャルマップに向けた,地盤・地下水情報データベースの構築
    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
    日本語,

    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.

  • 地中熱ヒートポンプシステムの低コスト・高効率化と設計・評価手法の開発に関する研究 その2 地中熱源ヒートポンプの暖房時における高効率化検討
    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
    日本語,

    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。

  • 地中熱ヒートポンプシステムの低コスト・高効率化と設計・評価手法の開発に関する研究 その1 研究プロジェクトの全体概要とプロジェクト1年目の研究成果概要
    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
    日本語,

    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。

  • 寒冷地園芸施設向けの低コストで実用的な地中熱提供方法の開発 その2 地中熱ヒートポンプ加温システムおよび地中熱交換機の性能評価
    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
    日本語,

    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.

  • 寒冷地園芸施設向けの低コストで実用的な地中熱提供方法の開発 その3 実測結果との比較によるシミュレーションの検証とその応用
    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
    日本語,

    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。

  • ヨンデンビル新館の継続的な省エネルギー・負荷平準化への取り組み (第2報) 省資源・省エネルギーを目的とした継続的な取り組みと実績
    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
    日本語,

    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。

  • ヨンデンビル新館の継続的な省エネルギー・負荷平準化への取り組み (第1 報)建物概要とコミッショニングの取り組みについて
    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
    日本語,

    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。

  • 地中熱利用ヒートポンプの建築設備への適用手法に関する調査研究 (第3報)ロードヒーティングでのエネルギー消費特性
    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
    日本語,

    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。

  • 空調用冷温水のカスケード利用による放射式空調に関する研究 (第1報)カスケード利用による天井放射冷房の性能評価
    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
    日本語,

    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。

  • 地中熱利用ヒートポンプの建築設備への適用手法に関する調査研究 (第2報)空気調和設備でのエネルギー消費特性
    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
    日本語,

    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。

  • 空調用冷温水のカスケード利用による放射式空調に関する研究 (第2報)放射冷房を施した事務所ビルの室内温熱環境シミュレーション
    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
    日本語,

    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。

  • 地中熱交換器内の熱媒体温度挙動を用いた地層別有効熱伝導率の推定
    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]
    日本語, 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.
  • Installing the low flow circulation ground source heat pump system in the technology center and its performance analysis
    Yasushi Nakamura, Takao Katsura, Katsunori Nagano
    AIJ Journal of Technology and Design, 21, 49, 1139, 1142, Architectural Institute of Japan, 2015年10月01日, [査読有り]
    日本語, 研究論文(学術雑誌), 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%.
  • 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・性能予測ツールの開発とその応用
    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]
    日本語, 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.
  • 被層地盤を考慮した地中熱交換器のシミュレーションツールの開発とその応用
    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]
    日本語, 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.
  • 冷媒エンタルピー法を応用した個別分散型ヒートポンプ空調システムの熱量計測技術の確立および実建物に導入した水冷ヒートポンプビル用マルチを用いた検証
    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, Architectural Institute of Japan, 2015年, [査読有り]
    日本語, 研究論文(学術雑誌), 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.
  • 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の開発
    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]
    日本語, 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。
  • 冷媒エンタルピー法を応用したヒートポンプ熱量計測技術の確立および水冷ヒートポンプを用いた検証試験
    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]
    日本語, 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.
  • 給湯予熱を組み合わせた基礎杭利用型地中熱ヒートポンプシステムの運用改善
    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]
    日本語, 研究論文(学術雑誌), 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.
  • 少水量対応地中熱ヒートポンプビルマルチシステムの開発に関する研究:(第1報) システムの概要およびフィールド試験によるシステムの最適循環流量の検討
    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]
    日本語, 研究論文(学術雑誌), 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.
  • 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の開発
    平田 統大, 葛 隆生
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集, 2013.2, 217, 220, 公益社団法人 空気調和・衛生工学会, 2013年
    日本語, 地中熱交換器の浅層利用の利点として、土壌が一定の条件のため掘削が容易に行えることで、深層と比べ掘削コストを抑えられる。しかし、浅層での利用では、若干ではあるが日射や気温などの影響を受けることが考えられる。そこで、本研究では従来の地中熱利用システム設計・性能予測ツールに改良を加え、地表面からの影響について考慮したプログラムの開発および検証を行った。さらに地表面の温度変化がGSHPシステムの性能に与える影響について検討した。
  • 冷凍サイクルを考慮したヒートポンプ空調システムの性能予測ツールの検証
    山口 峻, 葛 隆生
    空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集, 2013.2, 141, 144, 公益社団法人 空気調和・衛生工学会, 2013年
    日本語, 本報では筆者らが新たに開発した冷凍サイクルを考慮したヒートポンプ空調システムの性能予測ツールの概要を説明するとともに、当ツールの予測精度を確認するために実施した予測精度検証実験およびケーススタディの結果を示している。精度検証実験の結果としてCOPに関する実測値とツールを用いた予測値との誤差は1%以内であった。また、ケーススタディの結果としてCOPに関する実測値とツールを用いた予測値との誤差は6%以内であった。
  • 非住宅(民生業務部門)建築物のエネルギー消費量データベース構築に関する研究 九州地域における震災前後のエネルギー消費の比較分析
    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
    日本語,

    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。

  • 現場打ち基礎杭を利用した地中熱ヒートポンプシステムに関する研究 : 浅層採熱管の導入可能性について
    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]
    日本語, 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。
  • 大樹の機能を模倣したエコスクールの計画:(バイオミミクリー概念の建築計画への適用)
    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]
    日本語, 研究論文(学術雑誌), 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.
  • 蓄熱方式を複合した空調システムの効率的運用に関する研究 : 運転データの解析とシミュレーションによる運転方法の検討
    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
    日本語, 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.
  • 地中熱ヒートポンプシステムにおける地中熱交換器仕様の設計方法に関する研究:その1 地中熱交換器の採放熱量の定量化とその応用
    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]
    日本語, 研究論文(学術雑誌), 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.
  • 昼夜間蓄熱を活用した基礎杭利用型地中熱ヒートポンプシステムの研究
    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]
    日本語, 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。
  • H-55 非住宅(民生業務部門)建築物のエネルギー消費量データベース構築に関する研究 : 九州地域における平成19〜21年度調査に基づくエネルギー・水消費量分析
    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
    日本語, 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.
  • Calculation algorithm of the temperatures for pipe arrangement of multiple ground heat exchangers
    Takao Katsura, Katsunori Nagano, Shigeaki Narita, Sayaka Takeda, Yasushi Nakamura, Atsushi Okamoto
    APPLIED THERMAL ENGINEERING, 29, 5-6, 906, 919, PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD, 2009年04月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), 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.
  • Method of calculation of the ground temperature for multiple ground heat exchangers
    Takao Katsura, Katsunori Nagano, Sayaka Takeda
    APPLIED THERMAL ENGINEERING, 28, 14-15, 1995, 2004, PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD, 2008年10月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), 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.
  • 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 : 第3報-地中熱交換器の配管仕様に応じた温度計算手法とその応用
    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]
    日本語, 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。
  • 地下水流れを有する砂槽内採放熱実証実験
    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]
    日本語, 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。
  • 地下水流れを有する地中温度の計算方法とその応用
    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]
    日本語, 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。
  • Development of a design and performance prediction tool for the ground source heat pump system
    K Nagano, T Katsura, S Takeda
    APPLIED THERMAL ENGINEERING, 26, 14-15, 1578, 1592, PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD, 2006年10月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), 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.
  • サーマルプローブ法による地下水流速と温度応答の関係に関する考察
    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]
    日本語, 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。
  • 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 : 第2報-複数埋設管への設計・性能予測ツールの拡張
    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]
    日本語, 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。
  • 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
    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]
    日本語, 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。
  • 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 : 第1報-単独垂直型地中熱交換器の設計・性能予測ツールの開発
    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]
    日本語, 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

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               

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 熱分散のマルチスケール実証解明と汎用化による地中熱利用極限ポテンシャル評価
    科学研究費助成事業
    2024年04月01日 - 2028年03月31日
    阪田 義隆, 葛 隆生, 藤井 光
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 金沢大学, 24K00979
  • 大規模地中蓄熱を伴う第5世代地域熱供給の計画・設計・最適運用に関する研究
    科学研究費助成事業
    2021年04月01日 - 2024年03月31日
    長野 克則, 阪田 義隆, 葛 隆生
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 21H01485
  • 既存建築の高断熱化に寄与する薄型・透明真空断熱材とその適用方法の開発
    科学研究費助成事業
    2015年04月01日 - 2018年03月31日
    葛 隆生, 長野 克則
    本研究では、まず、建築物において最も断熱性能の劣る窓面に着目し、簡易設置が可能な光透過性を有する軽量・薄型の真空断熱材の開発を行った。具体的には真空層を保持しつつ、十分な断熱性能と光透過性を得られる設計手法を確立するとともに、光透過性を設けることが可能と考えられる5 種類の芯材を用いた真空断熱材を試作し、断熱性能と光透過性の評価を行った。
    建築物への適用については、真空断熱材の薄型・軽量である点に着目して壁面や天井面に直接貼り付けて適用する方法を提案し、実フィールドにて断熱改修に要する作業量低減効果を示すとともに、更には隙間に生じる熱橋に対して、複層化を行うことにより低減可能であることを示した。
    日本学術振興会, 若手研究(A), 北海道大学, 15H05538

担当教育組織