地中熱ヒートポンプの光熱水費節減効果と導入事例６選

前回の記事では、近年再注目を集め、全国各地で新たな施工事例が増えている「地中熱ヒートポンプ」について、その原理や仕組みを解説しました。
しかし、地中熱ヒートポンプがいくら原理的に優れているからといっても、初期価格や維持費用がどれくらいかかるかが分からなければ、経営上の意味がありませんよね。また、地中熱ヒートポンプは、様々な工法があるとともに、電気代など光熱水費の節減効果は設置対照ハウスにより異なることも明らかになっています。
そこでこの記事では、地中熱ヒートポンプの最新の施工方法を簡単に説明した後、デメリットとして考えられる初期投資価格や寿命、具体的な導入事例をランニングコストの削減効果とともに紹介します。

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１.地中熱ヒートポンプの最新の施工方法

地中熱ヒートポンプ自体は40年前以上に開発され、約30年前から施工事例がありましたが、その後の施工コスト削減を目指した工法開発や、設置地域での地下水の分布状況によって、以下の方式を組合せて施工されます。

クローズドループとオープンルーフ方式

地中熱ヒートポンプの施工方式を決めるうえでもっとも重要な基本構造ですが、表１のとおりクローズドループ方式とオープンルーフ方式に分けられます。なお、前回の記事で説明に出した地中熱ヒートポンプはクローズドループ方式であり、農業生産によく用いられる空気熱源ヒートポンプ（≒エアコン）と構造的によく似ています。

また、2021年時点では、農業分野で用いられる地中熱ヒートポンプの6割がオープンルーフ方式であり、残り4割がクローズドループ方式になっています。空気熱源ヒートポンプも含めて、実際の導入に際しては、以下の考え方に基づいて選定するとよいでしょう。

△引用：農研機構,ハウス暖冷房に地中熱ヒートポンプの導入をお考えの皆様へ「フローチャート「地中熱ヒートポンプを検討する余地があるか？」より」

クローズドループとオープンルーフ方式

クローズドループ方式の地中熱ヒートポンプは、熱交換器の埋設方法により、表２のように水平埋設型と垂直埋設型に大別されます。なお、農業分野の場合は、設置費用節減と暗渠排水の設置のノウハウや機材を活かすため、国機関である農研機構は深さ1.5～2ｍに熱交換器を埋める水平埋設型を中心に研究しています。

オープンループ方式における地下水の回収方式

オープンループ方式の地中熱ヒートポンプは、地下水の回収方式により、表３のように還元方式と放流方式に大別されます。特に放流方式の場合は、地下水の水量が豊富な地域での利用が前提となります。

２.地中熱ヒートポンプの初期投資費用

これまで地中熱ヒートポンプの利点や施工法について説明してきました。冒頭でも述べたように、従来型の暖房機や空気熱源ヒートポンプに比べて費用がどれくらいかかるかが分からなければ、施設園芸の経営上意味がありません。そこで、地中熱ヒートポンプの初期投資価格を試算してみます。

計算を簡単にするため、試算の前提となるハウスは、以下の特徴を持つと仮定します。

以上の条件で計算した結果、ハウス温度を維持するのに必要な熱出力は7.8万kcal/hrとなります。実際のハウスの暖房施設導入時には、不測の寒波等に備えて必要な熱出力を20％程度多めに見積もりますので、約10万kcal/hrとなります。そして、10万kcal/hrと同等の暖房能力を持つヒートポンプの規格は、おおむね出力28kwとなります。

まず、農研機構が発表した「施設園芸におけるCO2ゼロエミッションを実現するためのヒートポンプおよびゼロエネルギーグリーンハウス（ZEG）の開発」という発表要旨によりますと、各種ヒートポンプの初期投資価格は以下のように示されています。

費用の内訳を細かく見ていくと、地中熱ヒートポンプは掘削関係の費用に500～1000万円かかるので高額になります。また、参考までに「熊本県農業経営指標」を見ると、一般のハウス用暖房機価格は12.5万kcal/hrで概ね1台120万円程度と試算されています。

このことから、地中熱ヒートポンプは初期費用が非常にかかり、何らかの補助金を受けることが導入の前提条件となると考えられます。

なお、地中熱ヒートポンプの地下部に設置される採熱管は、強度や耐久性に優れる高性能ポリエチレン管（PE100）が用いられており、寿命は40年以上が見込まれています。

３.導入事例別に見た地中熱ヒートポンプの費用削減効果

地中熱ヒートポンプは、初期費用がかかる代わりにランニングコスト（ほぼ電気代）が減少します。ランニングコストがどれくらい減少するかはハウスの構造、対象作物、設置地域、メーカーの仕様によって大きく異なるので一概には言えません。 ですが、通常の暖房機を同時期に使用した場合にランニングコスト（≒電気代）がどうなるのかを比較できた事例を以下の表に整理しました。

※空気熱源ヒートポンプは、耐雪性や気温が非常に寒い場合の運転性能に問題があるため、実用化されている事例も北海道が多くなっています。

※注：HP＝地中熱ヒートポンプ、油＝燃油暖房、数字は万円、かっこ内は燃油暖房を100とした場合のHPの割合

以上、この記事では地中熱ヒートポンプの具体的な構造を説明するとともに、初期投資費用や事例別に見たランニングコストについて解説しました。
国は「2050年までに施設園芸においてに化石燃料を使用しない施設への完全移行化」を政策目標に掲げています。これまで見てきたように、地中熱ヒートポンプの利用は化石燃料の使用を大幅に節減できるため、今後も技術開発が継続され、補助金メニューなども出現するかもしれません。そして、技術開発の進展次第では現状よりもっと安価な施工方式が開発されることが期待できますので、今後も目が離せない技術になるでしょう。

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▼参考サイト
〇J-STAGE,地下水学会誌第53巻第1号83～90（2011）,地下熱利用技術2.地下熱利用技術とは
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jagh/53/1/53_1_83/_pdf
〇環境省,地下熱利用にあたってのガイドライン（第4版）令和5年3月
https://www.env.go.jp/content/000122667.pdf
〇農研機構,ハウス暖冷房に地中熱ヒートポンプの導入をお考えの皆様へ
https://www.naro.go.jp/laboratory/nire/introduction/files/hp_guideline20170509.pdf
〇農林水産技術会議,1（1）地下熱利用のための積雪寒冷地向け施工技術
https://www.affrc.maff.go.jp/docs/project/pdf/seika/before2015/thermal_energy-1.pdf
〇ネポン株式会社,ヒートポンプを活用した収益向上へのご提案施設園芸用ヒートポンプのご紹介
https://www.tohokunouden.com/common/pdf/%E6%96%BD%E8%A8%AD%E5%9C%92%E8%8A%B8%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%88%E3%83%9B%E3%82%9A%E3%83%B3%E3%83%95%E3%82%9A%E3%81%AE%E3%81%93%E3%82%99%E7%B4%B9%E4%BB%8B.pdf
〇農研機構, 令和５年度 第８回関東農政局みどりの食料システム戦略勉強会－11月のテーマ ゼロエミッション型施設園芸を目指して－,2023.11.27
https://www.maff.go.jp/kanto/kikaku/midori_syokuryou/attach/pdf/setsumeikai_shiryou_5-8_2.pdf
〇AGRIくまもと,行政情報, 熊本県農業経営指標を改訂しました
https://agri-kumamoto.jp/administration/data/%e7%86%8a%e6%9c%ac%e7%9c%8c%e8%be%b2%e6%a5%ad%e7%b5%8c%e5%96%b6%e6%8c%87%e6%a8%99%e3%82%92%e6%94%b9%e8%a8%82%e3%81%97%e3%81%be%e3%81%97%e3%81%9f/
〇福島市,〔付属・補足〕2.食農分野への地中熱・温度差熱利用の事例
https://www.city.fukushima.fukushima.jp/kankyo-o/machizukuri/shizenkankyo/saiseenergy/fukyukehatsu/documents/c02.pdf
〇J-STAGE,地中熱ヒートポンプを用いた加温・冷却システムの農業用ハウスへの適用（第 2 報） 2 年目の実測評価と土壌温度の分析
https://www.jstage.jst.go.jp/article/shasetaikai/2013.2/0/2013.2_225/_pdf
〇農研機構, 地中熱利用ヒートポンプシステムによる冬期ハウス暖房のCO２排出量削減
https://www.naro.affrc.go.jp/org/tarc/seika/jyouhou/H19/yasai/H19yasai042.html
〇農林水産省,７．環境対策（施設園芸のグリーン化）
https://www.maff.go.jp/j//seisan/ryutu/engei/sisetsu/attach/pdf/index-37.pdf