JP2013253743A - 地中熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換の効率低下を抑制できるようにした地中熱交換器を提供する。
【解決手段】地中に埋設されて使用される地中熱交換器１０であって、鋼管杭１１の杭頭側から杭先端側へ循環水を流すための往管３１と、往管３１を通って杭先端側に到達した循環水を、該杭先端側から杭頭側へ流すための復管３２と、地中深部において往管３１と復管３２とを接続する折り返し部３３とからなる、循環水配管４０と、復管３２の杭頭側の部位３２ａと往管３１の杭頭側の部位３１ａとを離隔する杭頭キャップ１５と、を備える。復管３２の杭頭側の部位３２ａと、往管３１の杭頭側の部位３１ａとが直接接触することを防ぐことができ、該部位３１ａ、３２ａ同士が互いに熱干渉することを抑制することができる。地中熱交換器１０から出ていく循環水が、地中熱交換器１０に入ってくる循環水の影響を受けて温度が変化することを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換の効率低下を抑制できるようにした地中熱交換器に関する。

従来、地中熱を利用する技術としては、地中にボーリング等で孔を開け、この孔に先端の折り返し部がＵ字状に形成された管を埋設し、その管内で循環水を循環させて、循環水と地盤との間で熱交換を行う方法が知られている。循環水配管は鋼管やポリエチレン管等が用いられ、孔壁と循環水配管の間にグラウト材などを充填して形成される。また、ボーリング孔の代わりに、地中に埋設された杭の内部空間を活用する方法も知られている。

図１３（ａ）は、従来例に係る地中熱交換器４１０の構成例を示す概念図である。図１３（ａ）に示すように、この地中熱交換器４１０は、鋼管杭４１１と、この鋼管杭４１１内に配設された循環水配管４２０と、を有する。循環水配管４２０は、地中深部で折り返されて略Ｕ字状を呈し、その内部で循環水が循環するようになっている。また、この地中熱交換器４１０では、鋼管杭４１１の内部空間に充填材４３０が充填されている。
この充填材４３０が水の場合は、水の対流効果により優れた熱交換性能を発揮することが知られている。

一方、充填材４３０を熱伝導性の良い物質とする場合もある。例えば特許文献１は、杭内部に充填するグラウト材を熱伝導率の高い部材とし、必要に応じて循環水配管の出口付近に断熱手段を設けたものである。この発明では、グラウト材に熱伝導率の高い部材を用いるため、熱交換器内部の温度分布は周囲の地盤と同様になる。例えば冬季では、地表付近は外気の影響を受けるため、地中熱交換器の地表から数メートルの範囲で温度が低く、下部の温度は比較的高い状態になり、出口側で熱損失が生じる構造となる。また、地中交換器内部で採熱した循環水は、グラウト材の熱伝導率が高いため、出口側で、入口側の循環水温の影響を受けて熱損失が生じる。そのため、当該出口側の配管に断熱手段を設けて、熱損失を防止する構造としている。

特開２００４−１６９９８５号公報

一般に、地表から１００ｍ程度の範囲において、地中温度は年平均気温程度で一定であると言われているが、地表付近には外気温によく連動して、暖房時には温度が低く、冷房時には温度が高い、採放熱には不適な領域があり、地表からおよそ３ｍ〜５ｍの範囲を中心に、夏季には温度が低く冬季には温度が高い、温度変化の位相が外気より約半年遅れる採放熱に適した領域がある。充填材４３０に砂やグラウト材を使用した場合、地中熱交換器の前記領域に相当する範囲の温度も同様の状態となる。

本発明者は、地中熱交換器の効率を検証するために、図１３（ａ）に示したような地中熱交換器４１０の運転時において、鋼管杭４１１に充填された充填材４３０と、鋼管杭４１１の外周に位置する地盤４０１及び、循環水配管４２０内を一方向に循環する循環水の各温度と、地表からの深さとの関係について調査を行った。
この調査では、地表から地中に向けて長さ３０ｍの深さまで埋設された鋼管杭４１１内に循環水配管４２０が配設されると共に、この鋼管杭４１１内に充填材４３０として水が充填された地中熱交換器を備えた地中熱空調システムを用いた。この地中熱空調システムを冬季に暖房運転し、暖房運転を開始してから４時間が経過した段階での充填材４３０の温度と、循環水の温度と、地下３０ｍまでの地盤４０１の温度（即ち、地中温度）とを測定した。これらの測定は、地表から地中深部に向けて各地層毎に行った。これらの測定結果をプロットした図が図１２である。図１２の縦軸は地表からの深さ［ｍ］を示し、横軸は温度［℃］を示している。また、図１２中に記載した矢印は、循環水配管４２０内で循環水が流れる方向を示している。

図１２に示したように、砂やグラウト材を充填した場合にその温度分布が地盤４０１と同じになるのとは異なり、充填材４３０に水を使用した場合には、上部ほど温度が高くなっている。一方で、復路の出口側の循環水温度は復路の中間地点よりも温度が低い、という結果を得た。循環水は充填材４３０と熱交換を行うので、この結果は、充填材４３０の温度が上部ほど高くなっている測定結果と矛盾する。

そこで、本発明者は、この矛盾が生じた理由について鋭意調査を行った。そして、図１３（ｂ）に示すように、地中熱交換器４１０の地表に近い側において、循環水配管４３０の往管４２１と、復管４２２とが互いに接触していることを確認した。この事実から、本発明者は、（最も温度が低い）往管４２１の入口側の循環水によって、（最も温度が高くなるはずの）復管４２２の出口側循環水が冷却されている、と考えるに至った。

地中熱交換器について、一般に示される概念図では、図１３（ａ）に示したように、往管４２１と復管４２２は互いに離隔された状態で示されている。しかしながら、先端部を略Ｕ字状に接続された循環水配管４２０の往管４２１と復管４２２相互の離隔距離は元々小さい。また、循環水配管４２０は可撓性を有するため、運送の利便性から一般に、大きく巻かれた状態で施工現場に搬入される。

このため、実際の施工現場においては、循環水配管４２０の搬入時の巻癖によって、往管４２１と復管４２２とが互いに接触した状態のまま鋼管杭４１１内に配設されてしまう可能性があった。また、配設当初は離隔していても、その後に充填材４３０の施工時圧力を受けて、往管４２１と復管４２２とが接触してしまう可能性もあった。何れの場合も、往管４２１と復管４２２とが接触することによって、当該部分で往管４２１と復管４２２の管壁を通じて、相互の循環水同士が意図せず熱交換を行うことにより、地中熱交換器４１０の熱交換効率が低下するおそれがあった。

ここで、復管４２２を流れる循環水の温度を維持するには、例えば特許文献１に開示されているように循環水配管の地上への出口付近が断熱材に覆われた構造とすれば可能となる。しかし特許文献１に対し、鋼管杭を地中熱交換器として用い、充填材にグラウト材ではなく水を用いた場合には、鋼管杭の内部で対流が起こり、前述のように上部は最も温度が高くなるが、循環水配管の地上への出口付近に断熱措置をすると、熱干渉による損失を防止する一方で、杭内に水を充填した場合の特徴である、「上部の最も温度の高い部分で採熱できる」という恩恵を受けることができなくなる。
そこで、この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、充填材の種類に関わらず熱交換効率の低下を抑制する地中熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る地中熱交換器は、地表側から地中深部の側へ熱媒を流すための往管と、前記往管を通って前記地中深部の側に到達した前記熱媒を該地中深部の側から前記地表側へ流すための復管と、前記地中深部において前記往管と前記復管とを接続する折り返し部とからなる、循環水配管と、前記地表から予め設定された深さまでの範囲の前記往管と前記復管とを離隔する離隔治具と、を備えることを特徴とする。ここで、「地表から予め設定された深さ」とは、少なくとも図１２の地中温度の変曲点に相当する部分を含む範囲とするのが望ましく、最も望ましくは地中熱交換器の全長の範囲内で設定された深さとする。

また、上記の地中熱交換器において、地盤に埋設された管、をさらに備え、前記往管と前記復管及び前記折り返し部とからなる循環水配管が前記管の内部に収容され、前記離隔治具は、前記管の前記地表側の端部を覆うキャップを含み、前記キャップには、前記往管が貫通する第１の貫通孔と、前記復管が貫通する第２の貫通孔とを有し、前記第１の貫通孔は、該第１の貫通孔を貫通した前記往管が前記管の内壁に接するように形成され、前記第２の貫通孔は、該第２の貫通孔を貫通した前記復管が前記管の内壁に接するように形成されていることを特徴としてもよい。

また、上記の地中熱交換器において、前記離隔治具は、前記予め設定された深さの位置で前記往管と前記復管との間に配置されたブリッジと、前記ブリッジの一方の端部を前記往管に連結する第１の連結部と、前記ブリッジの他方の端部を前記復管に連結する第２の連結部と、を有することを特徴としてもよい。
また、上記の地中熱交換器において、前記ブリッジは合成樹脂からなることを特徴としてもよい。

また、上記の地中熱交換器において、前記ブリッジは金属からなり、前記ブリッジの前記往管と前記復管とを連結する連結方向における単位長さ当たりの面積は、前記一方の端部及び前記他方の端部の何れよりも、前記一方の端部と前記他方の端部との間に位置する中間部の方が大きいことを特徴としてもよい。
また、上記の地中熱交換器において、前記ブリッジは板状であり、該板状のブリッジは、その表面及び裏面が前記地表から前記地中深部に向かう深さ方向と平行となるように配置されていることを特徴としてもよい。

本発明によれば、往管の地表側の部位と、復管の地表側の部位とが直接接触することを防ぐことができ、該部位同士が互いに熱干渉することを抑制することができる。地中熱交換器から出ていく熱媒が、地中熱交換器に入ってくる熱媒の影響を受けて温度が変化することを抑制することができる。これにより、充填材の種類に関わらず地中熱交換器の熱交換の効率の低下を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る地中熱交換器１０の構成例を示す図。 杭頭キャップ１５の構成例を示す図。 第１実施形態の変形例を示す図。 本発明の第２実施形態に係る地中熱交換器１１０の構成例を示す図。 スペーサー４０の一例を示す図。 スペーサー４０の他の例を示す図。 スペーサー４０の他の例を示す図。 第２実施形態の変形例を示す図。 第２実施形態の変形例を示す図。 第２実施形態の変形例を示す図。 本発明の第３実施形態に係る地中熱交換器２１０の構成例を示す図。 本発明者が行った調査の結果を示す図。 従来例に係る地中熱交換器４１０の構成と課題を示す図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
〔第１実施形態〕
（構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係る地中熱交換器１０の構成例を示す概念図である。図１に示すように、この地中熱交換器１０は、地盤１に埋設された鋼管杭１１と、この鋼管杭１１の内部に配された往管３１、復管３２及び折り返し部３３からなる循環水配管３０と、鋼管杭１１の杭頭を覆う杭頭キャップ１５と、を有する。また必要に応じて、杭頭部から地表に開口するように掘り下げた第１の孔２を設けても良い。

鋼管杭１１は、例えば円筒状であり、その内部は空洞（即ち、中空）になっている。また、鋼管杭１１は、その杭頭が開口し、杭底部の先端が閉塞した形状となっている。鋼管杭１１は、その杭頭が地表側に位置し、且つ杭先端が地中深部の側に位置するように地盤１に埋設されている。鋼管杭１１の外径（直径）は例えば１６５．２ｍｍ、鋼管杭１１の例えば板厚は７．１ｍｍ、その長さは例えば３０ｍである。

循環水配管３０は、地表側（即ち、杭頭側）から地中深部の側（即ち、杭先端側）へ循環水を流すための往管３１と、往管３１を通って杭先端側に到達した循環水を該杭先端側から杭頭側へ戻すための配管である復管３２とを備え、地中深部において往管３１と復管３２とを接続する折り返し部３３を有する。即ち、鋼管杭１１の杭先端付近で往管３１の端部と復管３２の端部とが直接（又は、連結管を介して間接的に）接続しており、その接続部である折り返し部３３は、例えば、略Ｕ字状に折り返した形状となっている。往管３１、復管３２及び折り返し部３３は、例えば鋼管又は高密度架橋ポリエチレン樹脂など、互いに同一の材料で構成されている。

また、この鋼管杭１１の内部には充填材１８が充填されている。充填材１８は、例えば水、又は、砂若しくはグラウト材等、任意のものが選択できるが、ここでは水を充填した。この場合は、鋼管杭１１の内部で充填水の対流が生じる。具体的には、充填水の全体的な挙動は、夏季には循環水配管３０の表面近傍では上方に向かい、鋼管杭１１の内壁近傍では下方に向かう比較的強い全体対流、冬季にはその逆方向の比較的弱い対流が発生する。これにより、充填水の温度は、図１２に示したように下部である鋼管杭１１の杭先端付近よりも、上部である杭頭付近で高くなる。

図２は、杭頭キャップ１５の構成例を示す平面図と断面図である。図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、杭頭キャップ１５には、平面視で、その外周に隣接する位置に、杭頭キャップ１５の中心を挟んで対向する位置に、往管３１を通す第１の貫通孔１６と復管３２を通す第２の貫通孔１７とがそれぞれ設けられている。往管３１は、第１の貫通孔１６に通されることにより、その杭頭側の部位３１ａにおいて、鋼管杭１１の内壁に接するように配置されている。同様に、復管３２は、第２の貫通孔１７に通されることにより、その杭頭側の部位３２ａにおいて、鋼管杭１１の内壁に接するように配置されている。

第１の貫通孔１６と第２の貫通孔１７のそれぞれの直径は、例えば、ＪＩＳ規格２５Ａの循環水配管３０の外径に相当する３５ｍｍとなっている。杭頭キャップ１５の材料はここではポリプロピレンを用いたが、鋼材、アルミニウム、塩化ビニル、ポリエチレン、ナイロンなど吸水性の低い材料を任意に選択することができる。
この第１実施形態では、杭頭キャップ１５により、地表から予め設定された深さの位置ｄまで往管３１と復管３２とが離隔されている。「地表から予め設定された深さ」とは、少なくとも、地盤温度の変曲点に相当する部分である地表から３ｍ〜５ｍの範囲を確実に離隔するようにすると良く、ここでは地表から５ｍとした。往管３１と復管３２の離隔距離は、循環水配管３０の呼び径の２倍の５０ｍｍ以上を目安とするが、任意に設定可能である。杭頭キャップ１５によって、往管３１の杭頭側の部位３１ａと復管３２の杭頭側の部位３２ａは、それぞれ保持されて位置が固定されている。当該部位では、往管３１の杭頭側の部位３１ａは鋼管杭１１の内壁に接触し、且つ、復管３２の杭頭側の部位３２ａも鋼管杭１１の内壁に接触し、少なくとも地表から予め設定された深さまで、両部位３１ａ、３２ａが互いに接触しないように５０ｍｍ以上離隔されている。

（動作）
図１に示した地中熱交換器１０において、鋼管杭１１の内部は充填材１８で充填されている。また、循環水配管３０の内部には循環水が充填されている。この循環水は、図１中の矢印で示すように、往管３１の杭頭側の部位３１ａから入って杭先端側の部位３１ｂへ流れ、折り返し部３３を通って復管３２の杭先端側の部位３２ｂへ流れ、杭頭側の部位３２ａから出ていく。

ここで、冬季の暖房運転では、循環水は、地中熱交換器１０の内部に配された循環水配管３０と、充填材１８及び鋼管杭１１を介して、地盤１から採熱する。これにより、復管３２の杭頭側の部位３２ａを流れる循環水（即ち、地中熱交換器１０から出ていく循環水）は、往管３１の杭頭側の部位３１ａを流れる循環水（即ち、地中熱交換器１０に入ってくる循環水）よりも温度が高くなる。一方、夏季の冷房運転では、循環水は、地中熱交換器１０の内部に配された循環水配管３０と、充填材１８及び鋼管杭１１を介して、地盤１に放熱する。これにより、地中熱交換器１０から出ていく循環水は、地中熱交換器１０に入ってくる循環水よりも温度が低くなる。
第１実施形態では、鋼管杭１１が本発明の「地盤に埋設された管」に対応し、杭頭キャップ１５が本発明の「離隔治具」「キャップ」に対応している。

（第１実施形態の効果）
第１実施形態は、次のような効果を奏する。
（１）杭頭キャップ１５が有する第１の貫通孔１６に往管３１を通すことにより、その杭頭側の部位３１ａを鋼管杭１１の内壁に接触した状態で位置を固定する。また、杭頭キャップ１５が有する第２の貫通孔１７に復管３２を通すことにより、その杭頭側の部位３２ａを鋼管杭１１の内壁に接触した状態で位置を固定する。これにより、往管３１の杭頭側の部位３１ａと復管３２の杭頭側の部位３２ａとを最大限に離隔することができ、その下部においても所定の離隔距離を確保することができる。よって、両部位３１ａ、３２ａが接触して熱交換することを防ぐことができる。
更に、杭頭部での往管３１と復管３２相互の熱干渉を最小にでき、その下部においても所定の離隔距離を確保することにより、往管３１と復管３２相互の熱干渉を抑制することができる。

（２）往管３１の杭頭側の部位３１ａと復管３２の杭頭側の部位３２ａとを最大限に離隔し、その下部においても所定の離隔距離を確保したので、杭頭部での往管３１と復管３２相互の熱干渉を最小にでき、その下部においても所定の離隔距離を保持する確保することにより、往管３１と復管３２相互の熱干渉を抑制することができる。（１）（２）により、地中熱交換器１０から出ていく循環水が、地中熱交換器１０に入ってくる循環水の影響を受けて、温度が変化する（即ち、暖房運転の場合は温度が低下し、冷房運転の場合は温度が上昇する）ことを防ぐので、地中熱交換器１０の熱交換効率の低下を抑制することができる。

（３）往管３１の杭頭側の部位３１ａと、復管３２の杭頭側の部位３２ａとが接触および熱干渉することを防ぐために、該部位３１ａ、３２ａに断熱材を巻きつける必要がない。このため、両部位３１ａ、３２ａにおいても、採放熱することができる。以上から、充填材１８の種類に関わらず地中熱交換器１０の熱交換の効率低下を抑制するとともに、断熱材を巻き付ける方法と比較して熱交換効率を高めることができる。

（４）特に、充填材１８として充填水を用いた場合は、鋼管杭１１の内部で対流が起こるため、上部の温度が高くなる傾向はあるが、地中交換器の上下方向での温度分布は、周辺地盤と比較して極めて小さくなる。よって、熱伝導率の高いグラウト材を用いる場合と異なり、地表付近で断熱する必要がない。本発明の第１実施形態及び、後述の第２、第３実施形態では、循環水配管３０の地上への出口付近、即ち、復管３２の杭頭側の部位３２ａに断熱材を配していないので、出口付近においても、有効に採放熱を行うことができる。

（５）「地盤に埋設された管」として、一方の先端が閉塞している鋼管杭１１を有することにより、後述のコンクリート既製杭に比較して熱拡散性能に優れるため、地中熱交換器１０の内部と地盤１との間において迅速な熱交換が期待できる。先端を閉塞した鋼管杭とその施工方法は、公知技術として広く利用されており、本発明の各実施形態への活用が最も容易となるであろう選択である。

（変形例）
（１）上記の第１実施形態では、「地盤に埋設された管」として、一方の先端が閉塞した鋼管杭１１を用いる場合について説明した。しかしながら、本発明の各実施形態では、一方の先端が閉塞した鋼管杭１１の代わりに一方の先端を閉塞した既製杭を用いてもよい。既製杭は公知のものを使用でき、例えば、ＲＣ杭（遠心力成形の鉄筋コンクリート杭）、ＰＣ杭（遠心力成形のプレストレストコンクリート杭）、ＰＨＣ杭（遠心力成形の高強度プレストレストコンクリート杭）、ＰＲＣ杭（遠心力成形の高強度プレストレスト鉄筋コンクリート杭）、ＳＣ杭（遠心力成形の外殻鋼管付コンクリート杭）などがある。強度の決定や埋設作業は公知技術を流用できるので、安全かつ効率的に施工できる。

（２）ここまで「地盤に埋設された管」として、一方の先端を閉塞した杭を用いた事例について説明してきたが、両端が開口していても良い。更に、「地盤に埋設された管」は、必ずしも杭である必要はなく、素管を用いてもよい。素管先端部は、杭の場合と同様に、一方の先端が閉塞されていても両端が開口していてもよい。素管の材質は、伝熱性、強度、充填材の材質等を考慮して適宜決定すればよく、公知の材料としては、ポリブデン、塩化ビニル、ポリエチレンなどの合成樹脂、コンクリート、鋼、およびこれらを組み合わせたものなどが使用可能である。

（３）上記の第１実施形態では、図２に示したように、第１の貫通孔１６と第２の貫通孔１７とが一対に形成されている場合について説明した。しかしながら、１つの杭頭キャップ１５に形成される第１の貫通孔１６と第２の貫通孔１７は、一対に限定されるものではない。図３に示すように、第１の貫通孔１６と第２の貫通孔１７は、二対又は三対以上形成されていてもよい。
このような構成であれば、往管３１、復管３２及び折り返し部３３からなる循環水配管３０を一つの鋼管杭１１の内部に複数配置することができる。また、鋼管杭１１の内部に配置される複数の循環水配管３０の各々において、往管３１の杭頭側の部位３１ａと復管３２の杭頭側の部位３２ａとをそれぞれ離隔すると共に、該部位３１ａ、３２ａを鋼管杭１１の内壁にそれぞれ接触させることができる。

〔第２実施形態〕
上記の第１実施形態では、鋼管杭１１の杭頭に取り付けられた杭頭キャップ１５により、往管３１の杭頭側の部位３１ａと復管３２の杭頭側の部位３２ａとを離隔する場合について説明した。しかしながら、本発明の実施形態において、これら両部位３１ａ、３２ａを離隔するための離隔治具は、杭頭キャップ１５に限定されるものではない。離隔治具はスペーサーであってもよい。第２実施形態では、このような形態について説明する。

（構成）
図４は、本発明の第２実施形態に係る地中熱交換器１１０の構成例を示す概念図である。この地中熱交換器１１０は、鋼管杭１１と、この鋼管杭１１の内部に配された往管３１、復管３２及び折り返し部３３からなる循環水配管３０と、往管３１と復管３２とを離隔するための複数のスペーサー４０と、を有する。

図４に示すように、複数のスペーサー４０は杭頭側から杭先端側まで複数箇所で取り付けられており、それらの配置間隔Ｓは杭頭側から杭先端側までほぼ同一の大きさとなっている。また、複数のスペーサー４０の各々によって、往管３１と復管３２との離隔距離Ｌも確保される。杭頭側から杭先端側まで、離隔距離Ｌはほぼ同一の大きさとなっている。この離隔距離Ｌは、地中熱交換器の直径を考慮して決定するとよいが、ここでは、循環水配管３０の呼び径の２倍の５０ｍｍ以上離隔した。スペーサー４０の材料には、例えば合成樹脂を用いることができ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンなど吸水性の低い材料を用いることが好ましい。これにより、スペーサー４０の膨張、収縮を抑制すると共に耐久性を維持し、その熱抵抗が含水により低下することを防ぐことができる。

図５は、スペーサー４０の一例を示す概念図である。図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、スペーサー４０は、往管３１と復管３２との間に配置されるブリッジ４１と、ブリッジ４１の一方の端部を往管３１に連結する第１の連結部４２と、ブリッジ４１の他方の端部を復管３２に連結する第２の連結部４３と、を有する。このような構成であれば、往管３１と復管３２との離隔範囲Ｌをブリッジ４１の長さで任意に設定、調整することができる。

図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１、第２の連結部４２、４３は、例えば、往管３１と復管３２にそれぞれ嵌合するクリップでもよい。又は、図５（ｃ）に示すように、第１、第２の連結部４２、４３は、例えば、往管３１と復管３２をそれぞれ外側から固定するクランプでもよい。クランプは、配管の一部又は全部を囲んで外周から締め付けて固定するものである。第１、第２の連結部４２、４３は、合成樹脂製に限定されず、金属製でもよい。

或いは、第１、第２の連結部４２、４３は、クリップとクランプを併用したものでもよい。何れの場合も、配管にファスナー（ねじ等）を取り付けなくてもよいし、ファスナを取り付けて第１、第２の連結部４２、４３の滑り止めとしてもよい。なお、図５（ａ）〜（ｃ）において、ブリッジ４１と第１、第２の連結部４２、４３は、同一材料あるいは異種材料を用いて、別体で形成されてもよいし、一体で形成されていてもよい。

或いは、図５（ｄ）に示すように、第１、第２の連結部４２、４３は、例えば、ブリッジ４１の一端又は他端に設けられた貫通孔４４、４５に通されて、往管３１又は復管３２を結束する結束バンドでもよい。結束バンドは、例えば合成樹脂からなる。当該結束バンドは、バンド部とその一端に設けられた固定部からなり、固定部に、結束バンドのもう一端を挿通し、固定部とバンド部が嵌合することによって結束できる。固定部は嵌合によるほか、ネジによる方法でもよく、ここで示した合成樹脂によるもののほか、金属製でもかまわない。又は、第１、第２の連結部４２、４３として、結束バンドの他に、紐や金属線を芯材とした被覆結束線を用いてもよい。
なお、図５（ａ）〜（ｄ）に示したスペーサー４０において、ブリッジ４１は、合成樹脂からなる。合成樹脂は金属と比べて伝熱性が低いため、ブリッジ４１を介して往管３１と復管３２とが互いに熱干渉することを抑制することができる。

図６は、スペーサー４０の他の例を示す概念図である。図６（ａ）に示すように、このスペーサー４０は、金属製のブリッジ４１と、このブリッジ４１の一方の端部を往管３１に連結する第１の連結部４２と、ブリッジ４１の他方の端部を復管３２に連結する第２の連結部４３と、を有する。
ここで、ブリッジ４１は、薄鋼板としたが、ステンレス、アルミニウムなど任意の金属板を選択してよい。また、第１の連結部４２と第２の連結部４３は、図５（ａ）〜（ｄ）に示した例と同じでよい。

さらに、この例では、図６（ａ）に示すように、ブリッジ４１の中間部の高さｈ１は、ブリッジ４１の両端部の高さｈ２よりも大きく設定されている（ｈ１＞ｈ２）。ここで、中間部とは、ブリッジ４１の一方の端部と他方の端部との間に位置する部分のことである。また、高さとは、地表から地中深部に向かう深さ方向（即ち、上下方向であり、Ｚ軸方向）の寸法のことである。ｈ１は３０ｍｍであり、ｈ２は１０ｍｍである。
このようにブリッジ４１の各部の高さｈ１、ｈ２を調整し、第１の連結部４２とブリッジ４１との接続部の断面積、及び、第２の連結部４３とブリッジ４１との接続部の断面積よりも、ブリッジ４１の面積を大きくしている。

これにより、第１、第２連結部４２、４３からブリッジ４１への伝熱面積を減らして熱流を小さくすることができる。また、伝熱性の良いブリッジ４１の面積を大きくしたため、ブリッジ４１と充填材１８との接触面積を増やすことができ、ブリッジ４１と充填材１８との間で熱交換を積極的に行うことができる。よって、ブリッジ４１を介した往管３１と復管３２の熱伝導よりも、充填材１８とブリッジ４１との熱交換が支配的になるので、ブリッジ４１を介して往管３１と復管３２とが熱干渉することを抑制することができる。

また、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、板状のブリッジ４１は、その最大面が上下方向（即ち、Ｚ軸方向）と平行となるように配置されている。充填材１８が水の場合、その対流は主に上下方向に沿って生じる。このため、板状のブリッジ４１を上記のように配置することで、充填水の対流と直交する面積を最小限にすることができ、充填水の対流をできるだけ妨げないようにすることができる。

また、図示しないが、ブリッジ４１には、その表面から裏面に至るスリット等を少なくとも一つ以上設けてもよい。このような構成であれば、往管３１と復管３２の伝熱経路を減少させることが出来る。
図７は、スペーサー４０の他の例を示す概念図である。図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、このスペーサー４０は、ブリッジ４１と、このブリッジ４１を往管３１に連結する第１の連結部４２と、ブリッジ４１を復管３２に連結する第２の連結部４３と、を有し、これらが一体となって形成されている。

ブリッジ４１と、第１、第２の連結部４２、４３は弾性を有する金属製である。また、第１、第２の連結部４２、４３は、往管３１と復管３２にそれぞれ嵌合するクリップである。この例でも、スペーサー４０の高さｈ１は、クランプの高さｈ２よりも大きい（ｈ１＞ｈ２）。このような構成であれば、図６（ａ）及び（ｂ）に示した例と同様に、ブリッジ４１を介した往管３１と復管３２の熱伝導よりも、充填材１８とブリッジ４１との熱交換が支配的になるので、ブリッジ４１を介して往管３１と復管３２とが熱干渉することを抑制することができる。また、図６（ａ）及び（ｂ）に示した例と比較して、スペーサー４０の部品点数が少ないため、スペーサー４０を安価に製造することができる。
なお、図４に示した地中熱交換器１１０の動作は、図１に示した地中熱交換器１０の動作と同様である。第２実施形態では、スペーサー４０が本発明の「離隔治具」「スペーサー」に対応している。その他の対応関係は第１実施形態と同じである。

（第２実施形態の効果）
本発明の第２実施形態によれば、予め設定した範囲内に、設定した離隔距離を有する複数のスペーサー４０を、往管３１及び復管３２の複数個所に取り付けることにより、当該範囲内で、予め設定された往管３１と復管３２との離隔距離を確実に保持することができる。よって、第１実施形態の効果（２）〜（５）をより確実にする効果を奏する。

（変形例）
（１）上記の第２実施形態では、図４に示したように、複数のスペーサー４０の配置間隔Ｓは、側面視の上下方向でほぼ同一となっている場合について説明した。また、複数のスペーサー４０の各々によって確保される、往管３１と復管３２との離隔距離Ｌも、ほぼ同一となっている場合について説明した。しかしながら、第２実施形態において、スペーサー４０の配置間隔Ｓと離隔距離Ｌはこれに限定されるものではない。

例えば、図８に示すように、複数のスペーサー４０の配置間隔Ｓを、杭頭側から杭先端側に向けて徐々に大きくなるように設定してもよい。即ち、スペーサー４０の配置間隔Ｓを地表から地中深部に向けて順にＳ１、Ｓ２、Ｓ３…としたとき、Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３…としてもよい。また、複数のスペーサー４０の各々によって確保される離隔距離Ｌを、杭頭側から杭先端側に向けて徐々に小さくなるように設定してもよい。即ち、離隔距離Ｌを地表から地中深部に向けて順にＬ１、Ｌ２、Ｌ３…としたとき、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３…としてもよい。

このような構成であれば、往管３１及び復管３２からなる循環水配管３０の離隔距離を、鋼管杭１１の杭先端に近い位置ほど小さくすることができる。つまり、循環水配管３０を地中深部に向けて凸状にすることができる。また、この循環水配管３０に取り付けられるスペーサー４０の数も、鋼管杭１１の杭先端に近づくほどその数を少なくすることができる。鋼管杭１１の内壁には各節の接続部ごとに溶接の裏当て金が設けられているが、循環水配管３０を鋼管杭１１内に挿入するのに際し、先端部ほど通過する裏当て金の数が多くなるので、杭先端に近い位置ほどスペーサー４０の数を少なくすれば、スペーサー４０が裏当て金に接触して脱落する可能性を低くすることができる。

（２）上記の第２実施形態では、図４に示したように、複数のスペーサー４０杭頭側から杭先端側まで複数箇所で取り付ける場合について説明した。しかしながら、第２実施形態において、スペーサー４０が取り付けられる範囲はこれに限定されない。例えば、図９に示すように、スペーサー４０は、地表から予め設定された深さの位置ｄに取り付けられていればよい。上述したように、「地表から予め設定された深さ」とは、少なくとも図１２の地中温度の変曲点に相当する部分を含む範囲とするのが望ましく、最も望ましくは地中熱交換器の全長の範囲内で設定された深さとする。また、スペーサー４０の数は複数に限定されず、単数（１個）でもよい。このような構成でも、往管３１の杭頭側の部位３１ａと復管３２の杭頭側の部位３２ａとが直接接触することを防ぐことができる。

（３）また、上記の第２実施形態においても、第１実施形態の変形例と同様に、往管３１、復管３２及び折り返し部３３からなる一つの循環水配管３０を鋼管杭１１の内部に複数配置してもよい。例えば、鋼管杭１１の内部に循環水配管３０を二つ配置する場合は、図１０に示すように、複数のスペーサー４０を平面視で直交するように配置すればよい。
（４）また、上記の第１、２実施形態では、鋼管杭１１内部の中空部への充填材１８として水を充填して地中熱交換器１０、１１０を構築する場合について説明した。しかしながら、本発明の第２実施形態では、鋼管杭１１を用いずに、第１実施形態で例示した管のほか、往管３１と復管３２及び折り返し部３３からなる循環水配管３０を直接地中に埋設して地中熱交換器を構築してもよい。このような構成であっても、地中において、往管３１と復管３２とが直接接触することを防ぐことができるので、地中熱交換器の熱交換の効率低下を抑制することができる。

〔第３実施形態〕
本発明の実施形態では、上記の第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせてもよい。
図１１は、本発明の第３実施形態に係る地中熱交換器２１０の構成例を示す概念図である。図１１に示すように、この地中熱交換器２１０は、往管３１の杭頭側の部位３１ａと復管３２の杭頭側の部位３２ａとを離隔する離隔治具として、杭頭キャップ１５とスペーサー４０の両方を備えている。このような構成であれば、第１実施形態と第２実施形態の両方の効果を奏する。

１ 地盤（地中）
２ 第１の孔
１０、１１０、２１０地中熱交換器
１１ 鋼管杭
１５ 杭頭キャップ
１６ 第１の貫通孔
１７ 第２の貫通孔
１８ 充填材
３０ 循環水配管
３１ 往管
３１ａ （往管の）杭頭側の部位
３２ 復管
３２ａ （復管の）杭頭側の部位
４０ スペーサー
４１ ブリッジ
４２ 第１の連結部
４３ 第２の連結部
４４、４５ 貫通孔

Claims (6)

1. 地表側から地中深部の側へ熱媒を流すための往管と、前記往管を通って前記地中深部の側に到達した前記熱媒を該地中深部の側から前記地表側へ流すための復管と、前記地中深部において前記往管と前記復管とを接続する折り返し部とからなる、循環水配管と、
   前記地表から予め設定された深さまでの範囲の前記往管と前記復管とを離隔する離隔治具と、を備えることを特徴とする地中熱交換器。
2. 地盤に埋設された管、をさらに備え、
   前記往管と前記復管及び前記折り返し部が前記管の内部に収容され、
   前記離隔治具は、前記管の前記地表側の端部を覆うキャップを含み、
   前記キャップには、前記往管が貫通する第１の貫通孔と、前記復管が貫通する第２の貫通孔とを有し、
   前記第１の貫通孔は、該第１の貫通孔を貫通した前記往管が前記管の内壁に接するように形成され、
   前記第２の貫通孔は、該第２の貫通孔を貫通した前記復管が前記管の内壁に接するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の地中熱交換器。
3. 前記離隔治具は、
   前記予め設定された深さの位置で前記往管と前記復管との間に配置されたブリッジと、
   前記ブリッジの一方の端部を前記往管に連結する第１の連結部と、
   前記ブリッジの他方の端部を前記復管に連結する第２の連結部と、を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の地中熱交換器。
4. 前記ブリッジは合成樹脂からなることを特徴とする請求項３に記載の地中熱交換器。
5. 前記ブリッジは金属からなり、
   前記ブリッジの前記往管と前記復管とを連結する連結方向における単位長さ当たりの面積は、前記一方の端部及び前記他方の端部の何れよりも、前記一方の端部と前記他方の端部との間に位置する中間部の方が大きいことを特徴とする請求項３に記載の地中熱交換器。
6. 前記ブリッジは板状であり、該板状のブリッジは、その表面及び裏面が前記地表から前記地中深部に向かう深さ方向と平行となるように配置されていることを特徴とする請求項３から請求項５の何れか一項に記載の地中熱交換器。

Images