JP2016070597A - 地中熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の地下水流を積極的に活用して地中熱交換効率の向上を図る地中熱交換システムを提供することができる。また、地下に浸透する天水をより効率的に熱交換井に浸透させて地中熱交換効率の向上を図ることができる。さらに、地中埋設部分をコンパクトにまとめて狭い敷地内でも効率よく施工でき、維持管理を容易とすることができる。
【解決手段】
裸坑の複数の熱交換井１が清水掘りまたは圧縮空気掘りにより複数の帯水層を貫通し上端から下端にかけてそれぞれ離れる方向に伸びるよう掘削される。循環用パイプ２が各熱交換井１の内部に上端から下端方向に配置される。充填材３が各熱交換井１の内部の循環用パイプ２の周囲に充填され、間隙に水を通させる。熱交換媒体４が各循環用パイプ２の内部を循環可能に設けられる。ヒートポンプ装置が熱交換媒体４を用いて熱交換を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱を冷暖房として利用する地中熱交換システムに関する。

地中は一年を通して一定温度（約１５℃前後）であるため、夏場はヒートポンプサイクルによって暖められた熱交換媒体の熱を地中に逃がし、冬場は冷やされた熱交換媒体を地熱で暖める。このような仕組みの地中熱ヒートポンプシステムが普及しつつあり、これにより、二次交換回路に設けられた圧縮機の負担を減らして、省電力およびCO₂排出量の削減を図ることができる。

従来、地中熱交換システムの一次側は、地下水を含む場合、地盤の中に長さ約100〜200ｍ、直径130ｍｍ程度の熱交換井を形成し、その熱交換井の中に熱交換媒体を流通させるＵチューブを挿入し、さらに熱交換井の内部に砂や砂利などを満たすことによって形成されている。これにより、熱交換井の内部に地下水が満たされ、熱交換が促進されるようになっている（例えば特許文献１参照）。

これまでの地中熱交換システムは地下の熱移動を熱伝導によるものと仮定して計算されているが、地下水が存在する場合、熱移動は地下水流および不圧地下水流（表層水流）にも依存し、その効果は熱伝導に比較して大きい場合がある（非特許文献１、２参照）。

特開２０１２-２１５３７７号公報

新堀雄一, 岩田宜己, 森不可止, 深谷玄三郎：坑井を用いた地中熱利用ＨＰの設計と地下水流動との関係についての一考察.日本地熱学会誌,24(4),(2002),339-348. 岩田宜己, 小林利文, 深谷玄三郎, 横原恵一, 新堀雄一：地下水流動を考慮した地中熱利用ヒートポンプの実証試験.日本地熱学会誌,27(4),(2005),307-320

本発明は、複数の地下水流を積極的に活用して地中熱交換効率の向上を図る地中熱交換システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る地中熱交換システムは、清水掘りまたは圧縮空気掘りにより複数の帯水層を貫通し上端から下端にかけてそれぞれ離れる方向に伸びるよう掘削された裸坑の複数の熱交換井と、各熱交換井の内部に上端から下端方向に配置された循環用パイプと、各熱交換井の内部の前記循環用パイプの周囲に充填され、間隙に水を通させる充填材と、各循環用パイプの内部を循環可能な熱交換媒体と、前記熱交換媒体を用いて熱交換を行うヒートポンプ装置とを、有することを特徴とする。

本発明に係る地中熱交換システムを設置する場合、事前に、複数の帯水層の存在、地下水の流向、流速、水温等の地下水に関する情報を収集しておくことが好ましい。熱交換井の掘削は、孔壁からの地下水の浸透を妨げないように、泥水は使用せず、清水掘りまたは圧縮空気掘りにより行われる。

複数の熱交換井は、鉛直に対して０〜６０度の角度で２層以上の帯水層を貫いて設置される。傾斜した熱交換井は、鉛直方向の熱交換井に比べて、地下水の流路が長く、地下水位以浅の地中浸透水の集水量が多くなり、熱交換効率が向上する。

複数の熱交換井は、２〜９本から成って、方向、角度を変えて地上で直径３ｍ程度の狭い範囲に設置されることが好ましい。従来、複数の熱交換井を隣接して設置する場合、熱干渉を考慮してそれぞれ４〜５ｍ離れていることを必要としたが、本発明に係る地中熱交換システムでは、複数の熱交換井が上端から下端にかけてそれぞれ離れる方向に伸びるため、地表ではそれぞれ１ｍ程度離れていれば、熱干渉を生じにくい。このため、複数の熱交換井を狭い範囲に設置可能となり、限られた敷地での施工が可能となる。

各熱交換井の孔口には、維持管理と天水の収集を目的として、保護桝を設置することが好ましい。保護桝周辺の地面は、天水の地下への浸透を容易にするため、透水性舗装とすることが好ましい。この場合、地下に浸透する天水をより効率的に熱交換井に浸透させて地中熱交換効率の向上を図ることができる。

本発明に係る地中熱交換システムでは、複数の帯水層を貫通しているため、複数の地下水流を積極的に活用して地中熱交換効率の向上を図ることができる。また、上位の帯水層から下位の帯水層へ地下水の局所的な流路が形成されるので、地下水との熱交換により熱交換効率が向上する。

前記充填材は前記熱交換井の周囲の地層より間隙の透水性が高いことが好ましい。これにより、充填材の間隙に、周囲の地層より透水性の高い水道を形成することができる。充填材は、地下水を流れやすくするため、２〜１０ｍｍ径の丸味を帯びた豆砂利または同形の再生ガラス、廃碍子などの粒度調整材から成ることが好ましい。熱交換井の鉛直に対する角度が３０〜６０度の場合には、孔内での詰まりを考慮して、充填材の径を２〜５ｍｍとすることが好ましい。

各循環用パイプは、地表から２〜４ｍの深さまで保温構造を有することが好ましい。保温構造は、特に、外気温の影響を受ける地下３ｍ程度以浅の深さまで設けることが好ましい。

各熱交換井の孔口は、所定の範囲内でそれぞれ最も離れるよう配置されていることが好ましい。この場合、複数の熱交換井が効率よくコンパクトにまとまるので、狭い敷地内でも効率よく施工でき、維持管理を容易にすることができる。また、各循環用パイプは横引き管に接続され、前記横引き管は１本に集約されて前記ヒートポンプ装置に接続されていることが好ましい。この場合、横引き管をコンパクトにまとめてヒートポンプ装置までの距離を短くすることができ、横引き管の総延長を短くすることにより経済性に優れたものになる。特に、既設の建物に地中熱交換システムを構築する場合、横引き管の設置範囲が狭くなるので、煩雑な各種地下埋設物の調査範囲を狭くすることができ、工程が短縮され、経済性に優れている。
各循環用パイプはそれぞれ横引き管に接続され、各横引き管は前記ヒートポンプ装置の手前でヘッダーにより1本化して接続されてもよい。この場合にも、ヒートポンプ装置までの距離を短くすることができ、横引き管の総延長を短くすることにより経済性に優れたものになる。
地上または地表から数十センチ深さに設置する横引き管は、保温構造を有することが好ましい。

本発明によれば、複数の地下水流を積極的に活用して地中熱交換効率の向上を図る地中熱交換システムを提供することができる。また、地下に浸透する天水をより効率的に熱交換井に浸透させて地中熱交換効率の向上を図ることができる。さらに、地中埋設部分をコンパクトにまとめて狭い敷地内でも効率よく施工でき、維持管理を容易にできる。

本発明の実施の形態の地中熱交換システムの熱交換井の横断面図である。 本発明の実施の形態の地中熱交換システムの熱交換井を５本設置したときの配置を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）Ａ−Ｂ線断面図と、従来の地中熱交換システムの熱交換井を５本設置したときの配置を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）Ａ−Ｂ線断面図である。

以下図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１に示すように、地中熱交換システムは、複数の熱交換井１と、循環用パイプ２と、充填材３と、熱交換媒体４と、保護桝１１とを有している。また、図２に示すように、地中熱交換システムは、ヒートポンプ装置１４を有している。

図１に示すように、各熱交換井１は、清水掘りまたは圧縮空気掘りにより複数の帯水層を貫通して掘削された裸坑から成る。掘削する前に、地下水に関する流向、流速、水温等の諸データ、自由地下水面６、不透水層７、帯水層９等の情報を収集しておく。熱交換井１の掘削は、泥水を使用せず、清水掘りまたは圧縮空気掘りにより行われるため、孔壁からの地下水の浸透を妨げない。

複数の熱交換井１は、それぞれ鉛直より０〜６０度の角度を持ち、２層以上の帯水層を貫いて設置される。各熱交換井１は、上端から下端にかけてそれぞれ離れる方向に伸びている。例えば、中心位置の熱交換井１は鉛直方向に伸び、その周囲の熱交換井１は中心位置の熱交換井１を中心として上端から下端にかけて斜めにまっすぐ広がって放射状に伸びる。図２に示すように、各熱交換井１の孔口は所定の範囲内でそれぞれ最も離れるよう配置されている。

熱交換井１を掘削するのに適した地盤は、自由地下水面を有し、その下位に不透水層を挟んで帯水層が存在する地点である。斜めに設置された裸坑では、鉛直方向に比べて地表近くの天水が流入しやすくなる。

循環用パイプ２は、Ｕチューブまたは二重管から成る。Ｕチューブの場合、一例では、高密度ポリエチレン製で外径３４ｍｍ、近似内径２７ｍｍのものを使用できる。循環用パイプ２は、熱交換井１の内部に上端から下端方向（深さ方向）に挿入され、配置されている。循環用パイプ２は、地表下３ｍ程度まで保温材により保温されている。

充填材３は、直径２〜１０ｍｍの径の丸味を帯びた豆砂利、廃ガラスまたは廃碍子から成り、各熱交換井１の内部の循環用パイプ２の周囲に充填され、間隙に水を通させて地下水を流れやすくするようになっている。熱交換井１の鉛直に対する角度が３０〜６０度の場合には、孔内での詰まりを考慮して、２〜５ｍｍ径の充填材を用いる。充填材３は、熱交換井１の周囲の帯水層9以浅の地層より間隙の透水性が高くなっている。このため、充填材３の間隙に、周囲の地層より透水性の高い水道を形成することができる。

熱交換媒体４は、循環用パイプ２の内部に封入され、循環用パイプ２の内部を循環可能となっている。ヒートポンプ装置１４は、熱交換媒体４を用いて熱交換を行う構造を有している。図２に示すように、各循環用パイプ２は、横引き管１５に接続され、横引き管１５は１本に集約されてヒートポンプ装置１４に接続されている。横引き管１５は、地上または地表から数十センチの深さに設置する。横引き管１５は、保温材により保温されている。

熱交換井１を設置した後、維持管理のために設置箇所を明示するとともに天水の集水を目的として、各熱交換井１の孔口に保護桝１１（グレーチング１２付きのもの）を設置する。図１に示すように、保護桝１１を設置するとともに、天水の地盤への浸透を容易にするため、熱交換井１の周囲に透水性舗装１３を行う。これにより、地下に浸透する天水をより効率的に熱交換井１に浸透させて地中熱交換効率の向上を図ることができる。

地中熱交換システムでは、２つの帯水層を貫通しているため、２つの地下水流を積極的に活用して地中熱交換効率の向上を図ることができる。また、上位の帯水層から下位の帯水層へ地下水の局所的な流路が形成されるので、地下水との熱交換により熱交換効率が向上する。図１に示すように、地下水となった天水８は、裸孔から成る熱交換井１の側面から浸透する。このとき、傾斜して伸びる熱交換井１は、鉛直方向に設置されたものより受水面が大きいので集水量が多くなる。

図２に示すように、従来の熱交換井では、熱干渉を考慮して井戸間隔は４〜５ｍを必要としていたが、本実施の形態では、図２に示すように、地表で１ｍ程度離れていればよく、５本の熱交換井１でも半径約１ｍの円内に収めることができる。本実施の形態では、熱交換井１が上端から下端にかけてそれぞれ離れる方向に伸びるため、地表ではそれぞれ１ｍ程度離れていれば、熱干渉を生じにくい。このため、複数の熱交換井を狭い範囲に設置可能となり、限られた敷地での施工が可能となる。また、維持管理が容易になる。

本実施の形態の地中熱交換システムでは、熱交換媒体用の横引き管１５のヒートポンプ装置１４までの距離を短くすることができる。横引き管１５の総延長も短くなり、従来工法に比べて１／２〜２／３程度の長さに縮めることができる。既設の建物に地中熱交換システムを構築する場合には、横引き管１５の設置範囲が狭くなるので、煩雑な各種地下埋設物の調査範囲を狭くすることができ、工程が短縮され、経済性に優れている。

図１に示す熱交換井１では、周辺の地層より透水性が高いので、流速が大きくなって、天水８を吸引することになり、熱交換井周辺に水道（水脈）が形成される。熱交換井１に集水された天水は、既存の地下水と共に帯水層９に向かって流下するが、鉛直方向に設置されたものより流下区間が長くなり、熱交換効率が向上する。

1 熱交換井
2 循環用パイプ
3 充填材
4 熱交換媒体
5 循環用パイプ保温区間（GL-3m程度まで）
6 自由地下水面
7 不透水層
8 地下水となった天水の浸透
9 帯水層
10 上位の地下水層から下位の地下水層への流れ
11 保護桝
12 グレーチング
13透水性舗装
14 ヒートポンプ装置
15 横引き管

Claims (4)

1. 清水掘りまたは圧縮空気掘りにより複数の帯水層を貫通し上端から下端にかけてそれぞれ離れる方向に伸びるよう掘削された裸坑の複数の熱交換井と、
   各熱交換井の内部に上端から下端方向に配置された循環用パイプと、
   各熱交換井の内部の前記循環用パイプの周囲に充填され、間隙に水を通させる充填材と、
   各循環用パイプの内部を循環可能な熱交換媒体と、
   前記熱交換媒体を用いて熱交換を行うヒートポンプ装置とを、
   有することを特徴とする地中熱交換システム。
2. 前記充填材は前記熱交換井の周囲の地層より間隙の透水性が高いことを、特徴とする請求項１記載の地中熱交換システム。
3. 各循環用パイプは地表から２〜４ｍの深さまで保温構造を有することを、特徴とする請求項１または２記載の地中熱交換システム。
4. 各熱交換井の孔口は所定の範囲内でそれぞれ最も離れるよう配置されていることを、特徴とする請求項１、２または３記載の地中熱交換システム。

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