JP2016223270A - 地中熱採熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地中熱を採熱して地表に取り出すための装置において、施工性と熱交換効率の良い地中熱採熱装置を提供する。【解決手段】地中に打ち込むための先端が閉塞された先鋭部２を有する中空の鋼管杭１を設け、採熱管を複数に分岐させた該鋼管杭１内に位置させるための熱交換器１０を設け、以上の鋼管杭１と熱交換器１０との組み合わせよりなる。【選択図】図４

Description

この発明は、地中熱を採熱して地表に取り出すための装置に関する。

地中熱ヒートポンプシステム等構築のため、地中熱を採熱するための地中熱交換器を埋設する方法として代表的なものに、ボアホール方式と基礎杭方式がある。ボアホール方式とは地下数十メートル〜百数十メートルに掘削された垂直孔に熱交換器を入れて採熱する方法である。基礎杭方式とは建築物等の基礎杭を利用し、その中に熱交換器を入れて採熱する方法である。さらに基礎杭方式の杭としては、場所打ち杭、ＰＨＣ杭、鋼管杭が用いられている。いずれの基礎杭も杭内部に熱交換器を入れる必要があるため、杭打ち時には杭内部への土壌等雑物の侵入を防止する工夫が必要である。鋼管杭において杭内部に雑物の侵入を防止する方法としては杭先端に螺旋状の羽を付けて杭先端を閉塞させ、回転して地盤にねじ込む回転貫入鋼管杭がある。しかし回転貫入鋼管杭は先端形状が複雑であり、かつ、杭打ち時の重機も特殊なものが必要となる。なお、熱交換器としてはいずれの方法でもＵチューブと呼ばれる合成樹脂管を用いられることが一般的である。

上記のように回転貫入鋼管杭は先端形状が複雑であることからコストが高く、さらには特殊な重機が必要のためバイブロハンマー工法等の打撃工法と比較し汎用性が低いものである。

そして上記したＵチューブは、長Ｕ形の高密度ポリエチレン樹脂管であって、その施工はほとんどが現場作業となるために、施工に時間と労力とを必要とし、また、単なるＵ形の管体内に伝熱流体を循環させる方式のために、採熱効率の高いものではない。
本発明は以上に鑑み、打撃工法での施工が可能であり、先端が閉塞されている鋼管杭を打設し、そこに複数分岐の採熱管を挿入設置することにて、コストと施工性と採熱性の向上に寄与しうる手段を提供することを目的として発明されたものである。

課題を解決する手段として本発明は以下の構成とした。
すなわち、地中に打ち込むための先端が閉塞された先鋭形状を有する中空の鋼管杭を設け、該鋼管杭内に位置させるための熱交換器を設け、以上の鋼管杭と熱交換器を組み合わせる。本発明は以上の構成よりなる地中熱採熱装置である。

本発明は下記の効果を有する。
１．先端が先鋭形状を有する鋼管杭を用いるので、バイブロハンマー工法等の汎用性の高い打撃工法での打設が可能である。
２．先端が閉塞されているので、地中への打ち込み時の鋼管杭内への雑物侵入を防ぐことができる。
３．先鋭形状が単純のため低コストである。
４．多分岐の採熱管を用いるので、伝熱効率を向上させることができる。
５．鋼管杭内径と熱交換器外径は近似であり熱交換器外径がやや小さいため、挿入するだけで位置が決まり、施工が向上する。
６．熱交換器は鋼管杭の底部まで落とし込み非固定のため、そのセッティングは容易であり、施工が向上する。
７．採熱管等に高密度ポリエチレン樹脂を用いることにて、耐腐食性および耐久性を維持し、比較的安価に製作することができる。

本発明の鋼管杭の斜視図 本発明の熱交換器の構造説明図 本発明の熱交換器の設置説明図 本発明の熱交換器の設置説明図 本発明の設置説明図 本発明の上部分配管の構造説明図 本発明の平面図

以下、本発明の実施形態について説明する。
図において、１は鋼管杭で、所定厚にて全長約１０ｍほどの外径３００〜４００ｍｍ程度の鋼管である。この鋼管杭下端には同材質による中空円錐形の先鋭部２が、その大径部が鋼管杭下端に固着され、該先鋭部の最大径は鋼管杭外径と一致している。

１０は熱交換器である。１１は所定長の高密度ポリエチレン樹脂製の採熱管で外径２７ｍｍほどであり、平面視六等配に配備され、その全長は約８ｍである。この採熱管の上下には上部エルボ１２および下部エルボ１３が接合されるとともに、該エルボには上部接合管１４および下部接合管１５が各々接合される。１６は上部分配管で、中央の有底の大径管部１７に六等配に直交して小径管部１８が連通接合している。前記の上部接合管はこの小径管部に接合される。

２０は下部分配管で、上部分配管と同一構成物であって、同様に下部接合管が小径管部に接合される。２１は外径４２ｍｍ程の流入管で、その下端は下部分配管の大径管部に連通接合され、他方は上方へ伸びて各管配置の間隙より上方へ伸延している。
２２は流出管で、その下端は上部分配管の大径管部に接合され、他方は上方へ伸延している。

図７に示すように、この熱交換器全体の外径は鋼管杭内径よりやや小さい。従って、鋼管杭内にこの熱交換器を挿入するだけで各採熱管は管内での平面方向の位置が強制的に決まる。
さらには図４にて示すように、熱交換器の下端外径は鋼管杭の先鋭部内面に接してその上下位置が定まる。

上記の接合はエルボ、分配管等の各継ぎ手に内蔵されている電熱線に通電させて、継ぎ手と管を溶着させることにより行う。
以上が本発明の一実施形態である。

次に、本発明の機能と作用について説明する。
本発明の設置に際しては、まず地中に前記の鋼管杭を打設する。その後に鋼管杭内に熱交換器を挿入位置させる。挿入後に伝熱のためのグラウト材が鋼管杭内に注入される。注入位置上縁は、熱交換器の採熱管が埋まる程度である。グラウト材としては一般的に、水、硅砂、川砂、山砂等が適宜に選択して用いられる。
本発明の使用に際しては、採熱管内を循環液（伝熱媒体）が循環するが、低温地域では不凍液などが用いられる。また、該循環のためのポンプが別設される。（図示略）

地中の温度は深さ１０ｍより深い位置では外界の気温変動によらず年間を通じてほぼ一定であり、地域によっても異なるが、北海道では約１０℃程度であり、地表との温度差を利用することができる。
地中熱はまず鋼管杭からグラウト材を経て採熱管に伝わり、この採熱管内を循環する循環液に伝わって加温され、加温された循環液は流出管より外部へ取り出され、ヒートポンプの熱交換器等の放熱体などにて有効利用される。採熱管へは流入管にて循環液が供給されて、連続的に採熱を行うことができる。

以上、本発明について記したが、本発明は従来法に比べて施工性と採熱性を高めたところにその特徴を有するものである。鋼管杭を用いた従来工法の一例としては回転貫入鋼管杭を用いたものがあるが、先端形状が複雑であり高コストである。さらには特殊な重機が必要のためバイブロハンマー工法等の打撃工法と比較すると汎用性に欠けるが、本発明では打撃工法で打設可能であるため施工性に優れている。

前述のＵチューブは多用されている熱交換器の一つであるが、一本の鋼管杭に複数本のＵチューブを挿入する場合はＵチューブ自身がお互いに接触しないように位置決めをして施工する必要がある。また、現場での配管の引き回しなど、多くの時間と労力を有する。しかし本発明では工場内にてあらかじめ組み上げた採熱装置部を現場に運び、土中の鋼管杭にセットするだけでよい。
また、このセッティングについては、図示のごとく熱交換器の外径が鋼管杭内径よりもやや小さいことから平面方向の位置が決まり、先鋭部がその上下位置のガイドとなり、単なる載置のみで熱交換器の位置決めを行う利点を有している。

またＵチューブは、単なる長Ｕ形の管体であるために、熱交換効率に問題がある。すなわち、熱交換効率は熱交換器の表面積の影響を受けるが、ボアホール方式ほど深く埋設出来ない基礎杭方式ではＵチューブでは能力不足になる可能性がある。一般に、地中温度はある程度地表から下方でなければ一定温度とはならない。
従って、地表から所定深さにおける熱交換器効率を高めることが必要であるが、そのためにはそれなりの熱交換面積が必要である。しかるに、本発明では既述のごとく六等配の採熱管を用いて熱交換面積の拡大を図り、従来手段に比べて熱交換効率を向上させたものとしている。また、等配のため周囲全方向からの均一な熱交換を得ることができる。

以上のごとく、本発明は数々の利点を有しているが、施工についての具体条件としては、鋼管杭の上部は地表近傍のため、熱交換器上縁は地表下方２ｍ以上が好ましい。また、流出管と流入管ともに冬期では低温域を通過するために、外周に断熱材を巻くなどの断熱処理が必要となる。

既述の先鋭部はその先端のなす角度範囲が重要で、４５度以上になると打ち込み時の抵抗が大きく、４０度以下が好ましいがその角度があまりにも小さいと強度的に好ましくなく、留意が必要である。
なお、熱交換器は既述の六等配に限定することなく、四等配や八等配などの他角度を用いてもよいが、その外径サイズは鋼管杭内径よりわずかに小さいことが好ましく、これにて熱交換器の設置位置が安定する。
以上のごとく、本発明によって採熱性と施工性に優れた地中熱採熱装置を得ることができる。

１ 鋼管杭
２ 先鋭部
１０ 熱交換器
１１ 採熱管
１２ 上部エルボ
１３ 下部エルボ
１４ 上部接続管
１５ 下部接続管
１６ 上方分配管
１７ 大径管部
１８ 小径管部
２０ 下部分配管
２１ 流入管
２２ 流出管

Claims (3)

1. 地中に打ち込むための先鋭部を有する中空の鋼管杭を設け、該鋼管杭内に位置させるための熱交換器を設け、以上の鋼管杭と熱交換器との組み合わせよりなることを特徴とする地中熱採熱装置。
2. 熱交換器の採熱管が複数に分岐され、熱交換効率が向上する、請求項１記載の地中熱採熱装置。
3. 熱交換器の採熱管の分岐形状が平面視で放射状となり、鋼管杭内での位置決めが容易となる、請求項２記載の地中熱採熱装置。

Images