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直接交換型（DX）地熱ヒートポンプは、地中に埋設された銅管を通して冷媒が循環する地中熱ヒートポンプの一種であり、他の地中熱ヒートポンプでは冷媒がヒートポンプ内部に限定され、地中の二次ループには水と不凍液の混合物が充填されているのに対し、DX地中熱ヒートポンプでは冷媒が地中に埋設された銅管を通して循環する。[ 1 ]
DX設計のシンプルさは、埋設チューブを短く、少量に抑えることで高い効率を実現し、設置面積と設置コストを削減できることです。[ 2 ]
その他の呼称
この技術には、他にもさまざまな名前や名称があります。
- 直接交換地熱ヒートポンプ
- DX
- 直接地中熱交換ヒートポンプ -空調暖房冷凍研究所（AHRI）が使用。2016年11月18日にWayback Machineにアーカイブされ、略称はDGX。
- 直接膨張式地中熱ヒートポンプ –アメリカ暖房冷凍空調学会（ASHRAE）が使用
- 直接地熱ヒートポンプ
- 冷媒ベースの地熱システム
- 無水地熱
歴史
最初の地熱ヒートポンプは、1940年代後半にロバート・C・ウェバーによって建設されたDXシステムでした。[ 3 ]このシステムでは、効率を高めるためにフロンガスと地中埋設銅管が使用されました。
その後、地熱ヒートポンプの設計には、セメント工場などの大規模産業用途に十分な熱を集めるために、深井戸の水を循環させるためのプラスチック製のパイプループが追加されるようになりました。このように、産業界の関心によって水源技術は進歩しましたが、小規模企業や個人住宅などの住宅や軽商業プロジェクトに適したDXは遅れをとりました。
80年代から90年代にかけて技術が発展していく中で、初期のDX地熱発電メーカーの中には、冷媒とオイル管理システムに問題を抱える企業もありました。かつて、DX地熱発電メーカーの中には、現在市販されている一般的なヒートポンプに似た設計の機器を製造していたところもありました。こうした古いDX地熱発電の設計の中には、問題なく動作するものもあれば、オイルの戻りに問題を抱えるものもありました。
2016年には、将来のシステムのうちDX技術を使用するのは少数派になると示唆されました。[ 4 ]
運用原則
直接交換ヒートポンプは、直径1/4インチから1-1/8インチの銅管を用いて地中と熱交換を行う閉ループ型の地熱システムです。銅管は地中に設置され、地中ループ（アースループまたは冷媒ループとも呼ばれる）を形成します。このループ内で循環する冷媒は、地中との熱交換によって相転移を起こします。加熱モードでは冷媒は熱を吸収して液体から気体（蒸発）に変化し、冷却モードでは冷媒は熱を放出して気体から液体（凝縮）に変化します。
アプリケーション
直接交換システムは、比較的シンプルな冷媒ベースのシステムで、凍結防止剤、システムフラッシング、循環ポンプ、井戸掘削、配管工事を必要とせずに稼働します。直接交換地熱システムは、地熱システムの中で最も環境負荷が低く、アースループのサイズが小さいのが特徴です。そのため、比較的狭い地域や比較的浅い土壌にも設置可能で、典型的なループの深さは100フィート（約30メートル）を超えません。アースループシステムのコンパクトさは、掘削量が少なく、ボーリングホールも小さいため、よりシンプルで、設置コストと時間を削減できます。
銅の使用
直接交換システムでは、銅が優れた地中熱交換器材料であり、製造が容易なため使用されます。銅管は強度と延性を備え、耐腐食性があり、非常に高い熱伝導率を有し、様々な直径と長いコイル長で利用可能です。銅接続部はろう付けが可能で、曲げ加工も可能であり、経済的にも入手可能です。
さらに、銅は空調や冷蔵に長年使用されており、地下や建物内に埋設された水道管の飲料水として選ばれる素材でもあります。
銅は貴金属であり、地中に自然に存在する数少ない金属の一つであるため、古代から建築物に使用されてきました。そのため、銅は耐久性、耐候性、耐腐食性に優れ、ほとんどの土壌において永久的に使用できる素材です。
銅は地中から採掘される貴金属であるため、世界中の土壌ではほぼ完全に腐食しませんが、異常に腐食性の高い土壌では多少の腐食が生じる可能性があります。[ 5 ]一般的に腐食が始まるには酸化環境が必要ですが、ほとんどの土壌は還元性であるため、銅に電子を供給し、腐食から保護します。腐食性環境が存在する可能性のある地域では、銅は自然に表面に保護膜を形成し、ほとんどの土壌条件下ではそのまま残ります。
特に腐食性の高い土壌を想定し、DXシステムには陰極防食システムが搭載されています。このシステムの原理は、金属表面を電気化学セルの陰極として腐食から保護することです。このプロセスでは、金属（銅）を犠牲金属に接続し、犠牲金属が代わりに腐食します。金属の腐食は、電子が水や酸素と反応して失われることで生じる電気化学的劣化プロセスです。アースループ保護システムから電流が流れると、保護対象の金属表面に均一な負電位が与えられ、過酷な環境下でもアースループの腐食を防ぎます。
グランドループ構成
グランドループシステムは、いくつかの異なる構成で設置できます。最も一般的な3つの構成は次のとおりです。
- 垂直
- 対角線
- 水平
斜め構造および垂直構造では、通常、掘削孔への掘削とグラウト充填が必要です。グラウトは地表下の土壌を再封し、天然の地下水帯水層が遮断されないようにします。斜め構造および垂直構造のシステムはすべて、下から上までグラウト充填する必要があります。
対角線システムのフットプリントは通常、非常に小さくなります。
水平構成では、通常、掘削した溝やピットに溝を掘るだけで済みます。水平システムでは、方向性掘削の場合を除き、通常、グラウトは必要ありません。
システムのサイズ設定
DXシステムは現在、2トン（7.03kW）から6トン（21.10kW）までのサイズで製造されています。複数のユニットを設置することで、より大規模なプロジェクトにも対応可能です。
参照
参考文献
- ^ 「地熱ヒートポンプのアースループ流体に使用される不凍液の種類」 。 2016年11月17日閲覧。
- ^ 「用途：チューブ、パイプ、継手：直接交換地熱暖房／冷房技術」 copper.org . 2016年11月17日閲覧。
- ^ 「About Us | What is IGSHPA?」 www.igshpa.okstate.edu . 2013年5月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年11月17日閲覧。
- ^ 「地熱産業、急成長へ」Earthlinked Technologies 2016年11月28日2016年11月28日閲覧。
- ^ 「腐食防止と耐性：地下銅腐食の原因となる条件」 www.copper.org 2016年11月17日閲覧。