JP6913449B2 - 地中熱利用システム - Google Patents

Description

本発明は、地中熱利用システムに関する。

下記特許文献１に記載された地中熱利用システムでは、地盤に埋設した多重管内に循環させた流体と地中熱とを熱交換させている。これにより、建物の冷暖房に地中熱を利用している。

特開２０１０−２６１６３３号公報

上記特許文献１の地中熱利用システムでは、例えば冬季に地中熱を建物の暖房用熱源として利用する場合、地盤は地中熱を奪われることにより次第に冷却される。このため、暖房の使用量が多い場合などは、熱交換に必要な熱量が不足する虞がある。

本発明は上記事実を考慮して、建物の空調、給湯等のために用いる地中熱量が不足しにくい地中熱利用システムを提供することを目的とする。

請求項１の地中熱利用システムは、複数の建物にそれぞれ設けられ、ループ状の循環管を用いてそれぞれの前記建物から排熱を地中へ送り蓄熱させる熱供給手段と、前記排熱が蓄熱された前記地中を取り囲む遮水壁と、前記熱供給手段とは異なるループ状の循環管を用いて形成され、前記地中に蓄熱された地中熱を取り出し複数の前記建物へ送って利用する熱利用手段と、を有する。

請求項１の地中熱利用システムでは、複数の建物から送られた排熱が、地中に蓄熱される。そして、蓄熱された地中熱を取り出して利用することができる。このため、何れかの建物から排出された温熱を地中に蓄え、蓄えられた温熱を他の建物の暖房用熱源や給湯用熱源として利用することができる。また、何れかの建物から排出された冷熱を地中に蓄え、蓄えられた冷熱を他の建物の冷房用熱源として利用することができる。

このように、何れかの建物からの排熱を地中に蓄熱し、他の建物の空調、給湯用熱源として利用できる。このため、建物の空調、給湯等のために用いる地中熱量が不足しにくい。

また、請求項１の地中熱利用システムでは、蓄熱された地中が遮水壁で取り囲まれている。このため、蓄えられた熱が周囲の地中へ流出することが抑制され、遮水壁がない場合と比較して蓄熱効率が高められる。

請求項２の地中熱利用システムは、前記遮水壁に取り囲まれた地中部分が複数形成されている。

請求項２の地中熱利用システムでは、温熱を蓄える地中部分と冷熱を蓄える地中部分とを遮水壁で区画できる。この区画間で地下水の流れが遮断されるので、地中に蓄熱された温熱と冷熱とが混ざりにくく、蓄熱効率が高められる。
請求項３の地中熱利用システムは、前記遮水壁に取り囲まれた複数の地中部分が、前記建物のうち、何れかの前記建物の冷排熱装置から送られた冷熱を蓄熱する蓄熱槽及び別の前記建物の温排熱装置から送られた温熱を蓄熱する蓄熱槽を含んで構成されている。

請求項４の地中熱利用システムは、前記熱利用手段によって取り出された前記地中熱の温度を検出する温度検出手段と、検出された前記地中熱の温度に基づき、前記熱利用手段が取り出す地中熱量を制御する制御装置と、を有する。

請求項４の地中熱利用システムでは、熱利用手段によって取り出された地中熱の温度を検出し、地中から取り出す地中熱量を制御することで、蓄熱された地中熱を無駄なく有効に利用できる。
請求項５の地中熱利用システムは、それぞれの前記建物における前記熱供給手段は、前記建物の温排熱装置から温熱を前記地中へ送る第一熱供給手段及び前記建物の冷排熱装置から冷熱を前記地中へ送る第二熱供給手段の何れか一方、を備え、前記熱利用手段が、前記第一熱供給手段によって蓄熱された温熱を循環する温熱管と、前記第二熱供給手段によって蓄熱された冷熱を循環する冷熱管と、を備えている。

本発明に係る地中熱利用システムによると、建物の空調、給湯等のために用いる地中熱量が不足しにくい。

本発明の実施形態における地中熱利用システムを示す立断面図である。

（全体構成）
本発明の実施形態における地中熱利用システム２０は、複数の建物１２から排出された排熱を地中に蓄熱して利用するためのシステムであり、建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄにおける各熱源機器１４からの排熱を地中へ送る熱供給手段３０（熱供給手段３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ）と、地中から地中熱を取り出し利用する熱利用手段４０と、地中に設置された遮水壁５０と、を備えている。

（遮水壁）
地盤１０は地下水が流れる帯水層１０Ｗ及び地下水が流れない不透水層１０Ｙを備えている。地盤１０にはソイルセメントで構成された遮水壁５０が設置されており、遮水壁５０の下端は不透水層１０Ｙに根入れされている。また遮水壁５０は、図１に示す左右の遮水壁５０間に亘って手前側、奥側にも配置されている。これにより、帯水層１０Ｗにおいて遮水壁５０に囲まれた部分とそれ以外の部分の地下水は、相互に影響を及ぼさないようにされている。

遮水壁５０によって区画された内側の部分は、さらにソイルセメントで構成され、下端が不透水層１０Ｙに根入れされた遮水壁５２によって区画されている。これにより、遮水壁５０、５２に取り囲まれた地中部分が複数形成される。すなわち、地下水の流れの影響を受けにくく熱が流出しにくい蓄熱槽１０Ａと、蓄熱槽１０Ｂ及び蓄熱槽１０Ｃと、蓄熱槽１０Ｄとが形成されている。詳しくは後述するが、蓄熱槽１０Ａ、１０Ｂは温熱を蓄熱し、蓄熱槽１０Ｃ、１０Ｄは冷熱を蓄熱する蓄熱槽である。また、蓄熱槽１０Ｂ、１０Ｃの間には遮水壁５２は形成されていない。

なお、不透水層１０Ｙの透水係数は概ね１×１０^−８ｍ／ｓ以下とされているが、適当な深度に不透水層１０Ｙがない地盤においては、不透水層１０Ｙに代えて、透水係数が概ね１×１０^−６〜１０^−７ｍ／ｓの低透水層に根入れしてもよい。また、適当な深度に不透水層１０Ｙ、低透水層の何れもない地盤においては、遮水壁５０、５２は長めに形成し、根入れはしなくともよい。

また、本実施形態において、建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄは互いに隣接して（直列配置で）建てられており、蓄熱槽１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄは、遮水壁５０とその内部を仕切る遮水壁５２とによって隣接して形成されているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄが離れて（直列配置でなく）建てられている場合、それぞれの建物直下の地盤１０を、敷地境界線や建物の外形線に沿って構築された遮水壁によって取り囲み、互いに離れた蓄熱槽１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄを構成してもよい。

（熱源機器）
地中熱利用システム２０においては、複数の建物１２の熱源機器１４からの排熱が利用される。熱源機器１４のうち温排熱を排出する温排熱装置１４Ｈの一例としては、冷房機器、給湯機器（ガス給湯器）、焼却場における燃焼機器などが挙げられる。また、冷排熱を排出する冷排熱装置１４Ｃの例としては、暖房機器、給湯機器（ヒートポンプ給湯器）などが挙げられる。

各建物１２においては熱源機器１４として冷房機器、暖房機器、給湯機器などが複合的に使用されるため、各建物１２からは、温排熱、冷排熱の何れも排出される。また、居室を備えた建物においては、冬季には暖房使用が多くなり夏季には冷房使用が多くなることから、温排熱、冷排熱の割合は季節によって変動する。さらに、物流倉庫、データセンター、オフィスビル、ホテル、体育施設、温浴施設、動植物園などの用途によっても温排熱、冷排熱の割合は変動する。

なお、本実施形態において建物１２Ａは焼却場であり熱源機器１４は複数設けられているが、説明を簡略化するため、排熱量が多い温排熱装置１４Ｈから温排熱が地中へ送られるものとする。

また、建物１２Ｂはデータセンターであり、複数の熱源機器１４のうち排熱量が多い温排熱装置１４Ｈからの温排熱が地中へ送られるものとする。

また、建物１２Ｃはオフィスビルであり、複数の熱源機器１４のうち排熱量が多い冷排熱装置１４Ｃからの冷排熱が地中へ送られるものとする。

また、建物１２Ｄはホテルであり、複数の熱源機器１４のうち排熱量が多い冷排熱装置１４Ｃからの冷排熱が地中へ送られるものとする。

（熱供給手段）
熱供給手段３０は、建物１２における熱源機器１４（温排熱装置１４Ｈ、冷排熱装置１４Ｃ）からの排熱を地中へ送る循環管３２と、地盤１０に形成され循環管３２が挿入された堅穴３４とを備えている。

循環管３２の内部には熱媒としての循環水が循環しており、往路管と復路管の端部が互いに接合されて形成された一方の端部３２Ａから、熱源機器１４の排熱を取り入れる。なお、本実施形態において熱媒は水とされているが、不凍液、油、空気など各種の熱媒を用いることができる。

循環管３２の他方の端部３２Ｂは地盤１０を掘削して形成された堅穴３４の内部に挿入され、循環水は往路管及び復路管を通過する過程で、地中へ排熱を放出する。そして地盤１０には、循環水によって運ばれた熱源機器１４からの排熱が蓄熱される。なお、堅穴３４と循環管３２の間には珪砂が充填されている。

なお、本実施形態においては熱供給手段３０として循環管３２を用いている（所謂クローズドループ）が、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば、熱源機器１４からの排熱によって暖められた（又は冷やされた）水を地中に注入する（所謂オープンループ）ことで地盤１０に蓄熱してもよい。クローズドループの熱供給手段３０はメンテナンスが容易であり、オープンループの熱供給手段は採熱しやすい。このため、地中熱利用システム２０において熱効率を高める場合はオープンループの熱供給手段を用いることが好適である。

熱供給手段３０のうち、熱供給手段３０Ａは建物１２Ａの温排熱装置１４Ｈから地中へ温熱を送り、熱供給手段３０Ｂは建物１２Ｂの温排熱装置１４Ｈから地中へ温熱を送り、熱供給手段３０Ｃは建物１２Ｃの冷排熱装置１４Ｃから地中へ冷熱を送り、熱供給手段３０Ｄは建物１２Ｄの冷排熱装置１４Ｃから地中へ冷熱を送っている。

これにより建物１２Ａ、１２Ｂ直下の蓄熱槽１０Ａ、１０Ｂには温熱が蓄熱され、建物１２Ｃ、１２Ｄ直下の蓄熱槽１０Ｃ、１０Ｄには冷熱が蓄熱される。

（熱利用手段）
熱利用手段４０は、地中から取り出した地中熱を、複数の建物１２にそれぞれ設置された熱利用装置１４Ｅで利用するための熱共有システムである。

熱利用手段４０は、各建物１２に設けられた熱利用装置１４Ｅと、地中から各熱利用装置１４Ｅへ地中熱を送る送熱管４２と、地中から各熱利用装置１４Ｅへ送る地中熱量を制御する中央制御装置４６と、を備えている。

送熱管４２の内部には熱媒が流れており、この熱媒に地中の地中熱を担持させることで熱が移動する。なお、本実施形態において熱媒は水（循環水）とされているが、不凍液、油、空気など各種の熱媒を用いることができる。

送熱管４２は、温熱管４２Ｈと冷熱管４２Ｃとが別系統とされている。温熱管４２Ｈは、内部に流れる循環水が、建物１２Ａの温排熱が蓄熱された蓄熱槽１０Ａ、建物１２Ｂの温排熱が蓄熱された蓄熱槽１０Ｂ、建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄの各熱利用装置１４Ｅを循環するようにループ状に配設されている。

これにより、温熱管４２Ｈ内の循環水は、蓄熱槽１０Ａと蓄熱槽１０Ｂから温熱を採取し、採取された温熱は、各熱利用装置１４Ｅで利用される。

同様に冷熱管４２Ｃは、内部に流れる循環水が、建物１２Ｃの冷排熱が蓄熱された蓄熱槽１０Ｃ、建物１２Ｄの冷排熱が蓄熱された蓄熱槽１０Ｄ、建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄの各熱利用装置１４Ｅを循環するようにループ状に配設されている。

これにより、冷熱管４２Ｃ内の循環水は、蓄熱槽１０Ｃと蓄熱槽１０Ｄから冷熱を採取し、採取された冷熱は、各熱利用装置１４Ｅで利用される。

温熱管４２Ｈ、冷熱管４２Ｃにおける採熱部分は、熱供給手段３０の循環管３２と同様に、地中に形成され珪砂が充填された堅穴４４の内部に挿入されており、管内の循環水が堅穴４４を通過する過程で、蓄熱された地中熱を取り出す。

温熱管４２Ｈ、冷熱管４２Ｃの内部には、地中から温熱又は冷熱を取り込んだ後の循環水の温度を計測する温度センサーＣＴが設けられている。また、堅穴４４を通さずに循環水を流すためのバイパスＢＰと、循環水の流路を切り替えるための電磁弁Ｍ１が設けられている。

これにより、例えば蓄熱槽１０Ｂから温熱を取り込んだ循環水の温度が所定の値より低い場合、後述する中央制御装置４６が、蓄熱槽１０Ｂの地中熱量が不足していると判断し、電磁弁Ｍ１を操作して循環水がバイパスＢＰを通るようにする。これにより蓄熱槽１０Ｂからの採熱を中断し蓄熱を促進する。蓄熱槽１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｄについても同様である。

また温熱管４２Ｈ、冷熱管４２Ｃの内部には、建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄの各熱利用装置１４Ｅへの循環水の流量を計測する流量計ＣＶ、この流量を調整する電磁弁Ｍ２が設けられている。これにより、各熱利用装置１４Ｅへ流す循環水の流量を調整することができる。

なお、本実施形態においては、送熱管４２は地中と各熱利用装置１４Ｅとの間にループ状に敷設されているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば各蓄熱槽１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄにおける堅穴４４から蓄熱された地下水を揚水し、この地下水を熱利用装置１４Ｅへ送って熱源として利用してもよい。この場合、熱利用装置１４Ｅによって熱を取り出された後の地下水は、地表や地中などへ再放流する。

中央制御装置４６は、地域冷暖房プラント１６に設けられた熱移動管理装置であり、地中から取り出す地中熱量と、取り出した地中熱の各熱源機器１４への分配量とを制御して、建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、蓄熱槽１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄの間の熱移動を管理する。

地中から取り出す地中熱量を制御するために、中央制御装置４６は、温度センサーＣＴからの電気信号を受信して電磁弁Ｍ１を制御する。

また、取り出した地中熱の各熱源機器１４への分配量を制御するために、中央制御装置４６は、流量計ＣＶからの電気信号を受信して電磁弁Ｍ２を制御する。

また、温熱管４２Ｈ、冷熱管４２Ｃには図示しないバイパスと電磁弁が各所に設けられており、中央制御装置４６は、これらのバイパス及び電磁弁を制御している。これにより、地中熱を取り出す蓄熱槽１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄと、取り出した地中熱を利用する建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄとを、任意の組み合わせで設定することができる。例えば蓄熱槽１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄから取り出した地中熱を、全て建物１２Ａで使用することもできるし、あるいは、建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄで使用する温熱を、全て蓄熱槽１０Ａから取り出すこともできる。

（地中熱分配量制御方法）
中央制御装置４６による地中熱分配量の制御方法の一例を示す。建物１２Ｃにおける熱利用装置１４Ｅは、平常時、冷熱源として建物１２Ｃ直下の蓄熱槽１０Ｃの地中熱（冷熱）を用いている。しかし、例えば夏季において熱利用装置１４Ｅが蓄熱槽１０Ｃの地中熱（冷熱）を使用し続けると、蓄熱槽１０Ｃが暖められて冷熱源が不足する場合がある。

蓄熱槽１０Ｃの冷熱源が不足したことは、蓄熱槽１０Ｃを通った直後の冷熱管４２Ｃ内の循環水の温度を温度センサーＣＴが測定し、この温度が所定の温度よりも高くなることで検知される。

蓄熱槽１０Ｃの冷熱源が不足すると、中央制御装置４６は、冷熱管４２Ｃ内に設けられた電磁弁Ｍ１を制御して、蓄熱槽１０Ｃから取り出す地中熱量を少なくすると共に、建物１２Ｃの熱利用装置１４Ｅに、蓄熱槽１０Ｄから取り出した地中熱（冷熱）を送る。これにより、建物１２Ｃの熱源機器１４の熱源が確保され、蓄熱槽１０Ｃは冷熱の取得が制限されて冷熱を蓄熱できる。

このように中央制御装置４６は、蓄熱槽１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄから取り出した地中熱の温度に基づき、蓄熱槽１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄから取り出す地中熱量を制御して、建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄの各熱源機器１４の熱源が不足するのを抑制できる。

なお、本実施形態において熱利用装置１４Ｅと温排熱装置１４Ｈとは、それぞれ異なる装置として記載しているが、本発明の実施形態はこれに限らず、熱利用装置１４Ｅと温排熱装置１４Ｈとは、同じ装置としてもよい。例えば冷房機器は、熱源として冷熱を利用する熱利用装置１４Ｅとして用いられるが、温排熱を排出するので温排熱装置１４Ｈとして用いることもできる。熱利用装置１４Ｅと冷排熱装置１４Ｃも、同様に同じ装置としてもよい。

（作用・効果）
本実施形態に係る地中熱利用システム２０では、建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄにそれぞれ設置された熱源機器１４から熱供給手段３０によって送られた排熱が、地中に蓄熱される。そして蓄熱された地中熱を熱利用手段４０によって取り出して利用することができる。

このため、建物１２Ａ、１２Ｂから排出された温熱を蓄熱槽１０Ａ、１０Ｂに蓄え、蓄えられた温熱を建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄの暖房用熱源や給湯用熱源として利用することができる。また、建物１２Ｃ、１２Ｄから排出された冷熱を蓄熱槽１０Ｃ、１０Ｄに蓄え、蓄えられた冷熱を建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄの冷房用熱源として利用することができる。

このため、建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄの空調、給湯等のために用いる地中熱量が不足しにくい。

なお、本実施形態においては蓄熱槽１０Ａ、１０Ｂには建物１２Ａ、１２Ｂの温排熱装置１４Ｈから排出された温熱が蓄熱されるものとしたが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば蓄熱槽１０Ａ、１０Ｂには建物１２Ａ、１２Ｂから排出された冷熱を蓄熱してもよいし、建物１２Ｃ、１２Ｄから排出された温熱又は冷熱を蓄熱してもよい。

蓄熱槽１０Ｃ、１０Ｄについても、建物１２Ｃ、１２Ｄから排出された温熱を蓄熱してもよいし、建物１２Ａ、１２Ｂから排出された温熱又は冷熱を蓄熱してもよい。このように、建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄからの排熱は、それぞれの直下の蓄熱槽１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄだけではなく、任意の蓄熱槽に蓄熱することができる。

また、本実施形態に係る地中熱利用システム２０では、蓄熱槽１０Ａ、１０Ｄが遮水壁５０で取り囲まれている。このため、蓄熱槽１０Ａ、１０Ｄに蓄えられた熱が周囲の地中へ流出することが抑制され、遮水壁５０がない場合と比較して蓄熱効率が高められる。なお、蓄熱槽１０Ｂと蓄熱槽１０Ｃの間には遮水壁５０が設置されていない。このように、地下水の流れが少ない土壌などにおいては、各蓄熱槽は必ずしも遮水壁５０で区画しなくてもよい。

また、本実施形態に係る地中熱利用システム２０では、温度センサーＣＴによって温熱管４２Ｈ、冷熱管４２Ｃによって取り出された地中熱の温度を検出し、中央制御装置４６が地中から取り出す地中熱量を制御する。これにより、地中熱を無駄なく有効に利用できる。

なお、本実施形態において中央制御装置４６は地域冷暖房プラント１６に設けられているが、本発明の実施形態はこれに限らず、例えば建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄの何れかに設けてもよい。また、地中に排熱を送る建物の数は建物１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄの４棟に限定されるものではなく、２棟以上であればよい。

また、本実施形態においては遮水壁５０、５２の材質をソイルセメント壁としている。このため遮水壁５０、５２を例えば鋼製矢板（シートパイル）で形成する場合と比較して断熱性能が高く、遮水壁５０、５２に囲まれた部分を保温しやすい。なお、本発明の実施形態はこれに限らず遮水壁２８の材質としては、粘土、コンクリート、鋼製矢板（シートパイル）等を用いることができる。

１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ 建物
１２ 建物
３０ 熱供給手段
４０ 熱利用手段
４６ 中央制御装置（制御装置）
５０、５２ 遮水壁
ＣＴ 温度センサー（温度検出手段）

Claims (5)

1. 複数の建物にそれぞれ設けられ、ループ状の循環管を用いてそれぞれの前記建物から排熱を地中へ送り蓄熱させる熱供給手段と、
   前記排熱が蓄熱された前記地中を取り囲む遮水壁と、
   前記熱供給手段とは異なるループ状の循環管を用いて形成され、前記地中に蓄熱された地中熱を取り出し複数の前記建物へ送って利用する熱利用手段と、
   を有する地中熱利用システム。
2. 前記遮水壁に取り囲まれた地中部分が複数形成されている、請求項１に記載の地中熱利用システム。
3. 前記遮水壁に取り囲まれた複数の地中部分が、
   前記建物のうち、何れかの前記建物の冷排熱装置から送られた冷熱を蓄熱する蓄熱槽及び別の前記建物の温排熱装置から送られた温熱を蓄熱する蓄熱槽を含んで構成されている、請求項２に記載の地中熱利用システム。
4. 前記熱利用手段によって取り出された前記地中熱の温度を検出する温度検出手段と、
   検出された前記地中熱の温度に基づき、前記熱利用手段が取り出す地中熱量を制御する制御装置と、
   を有する請求項１〜３の何れか１項に記載の地中熱利用システム。
5. それぞれの前記建物における前記熱供給手段は、
   前記建物の温排熱装置から温熱を前記地中へ送る第一熱供給手段及び前記建物の冷排熱装置から冷熱を前記地中へ送る第二熱供給手段の何れか一方、を備え、
   前記熱利用手段が、
   前記第一熱供給手段によって蓄熱された温熱を循環する温熱管と、前記第二熱供給手段によって蓄熱された冷熱を循環する冷熱管と、を備えている、
   請求項１〜４の何れか１項に記載の地中熱利用システム。

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