JP2001074316A - 地中熱利用設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 地中からの採熱効率や地中への放熱効率を効
果的に向上させる。 【解決手段】 器体内に熱媒Ｒを通過させる地中熱交換
器１を地中Ｇに埋設して、その通過熱媒Ｒの対地熱交換
により地中Ｇからの採熱又は地中Ｇへの放熱を行う地中
熱利用設備において、地中熱交換器１の埋設箇所に、吸
水性樹脂を分散状態で土壌中に混入した保水用土壌域
Ｘ、又は、隣接材どうしの間に保水用空隙ｅを形成する
成形滞水材８の集積域Ｘ′を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、器体内に熱媒を通
過させる地中熱交換器を地中に埋設して、その通過熱媒
の対地熱交換により地中からの採熱又は地中への放熱を
行う地中熱利用設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の地中熱利用設備では、地
盤に縦抗を形成して、この縦抗に地中熱交換器を挿入す
る形態で地中熱交換器を地中埋設しているが、埋設した
地中熱交換器と周囲土壌との間の熱抵抗を軽減するた
め、上記縦抗の内面と地中熱交換器との間に珪砂やセメ
ント、あるいは、粘土の充填層を形成する方式も提案さ
れている（例えば、特開平７−２６９９６０号公報参
照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の如き珪
砂やセメント、あるいは、粘土の充填層を形成して、地
中熱交換器と周囲土壌との間の熱抵抗を軽減するにして
も、一般に土壌の比熱（降水直後を除く通常含水状態で
の比熱）は水の１／５程度と小さく、熱交換対象である
周囲土壌そのものの温度伝導率ａ（熱拡散係数）が大き
い（すなわち、周囲土壌の熱容量が小さい）ことから、
熱媒と周囲土壌との熱交換による地中からの採熱や地中
への放熱の効率が低く制限され、この為、所要の採熱量
や放熱量を得るのに、地中熱交換器の埋設長が長くなっ
たり埋設本数が多くなって設備の構築コストが嵩む問題
があった。

【０００４】また、土壌の比熱は地域や天候のみならず
土壌中の各部によっても異なることから、地中熱交換器
の埋設箇所における土壌の比熱を的確に判定することは
難しく、この為、所要の採熱量や放熱量を確実に得るの
に安全率を高く見込む必要が生じ、このことからも、地
中熱交換器の埋設長の長尺化や埋設本数の増加を招いて
いた。

【０００５】なお、温度伝導率ａ（熱拡散係数）は次式
により与えられる。 ａ＝λ／ｃρ λ：熱伝導率，ｃ：比熱，ρ：密度

【０００６】以上の実情に鑑み、本発明の主たる課題
は、地中熱交換器周りの熱容量を大きく確保して、地中
からの採熱効率や地中への放熱効率を効果的に高めると
ともに、その高い効率を安定的に維持できるようにする
点にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】〔１〕請求項１に係る発
明では、器体内に熱媒を通過させる地中熱交換器を地中
に埋設して、その通過熱媒の対地熱交換により地中から
の採熱又は地中への放熱を行う地中熱利用設備におい
て、前記地中熱交換器の埋設箇所に、吸水性樹脂を分散
状態で土壌中に混入した保水用土壌域を形成する。

【０００８】つまり、この構成によれば、地中熱交換器
の埋設箇所に形成した上記保水用土壌域の含水率を、土
壌中に分散状態で混入した吸水性樹脂の吸水性をもって
高くかつ安定的に保つことで、地中における地中熱交換
器周りの平均的な比熱を大きくして（水の比熱に近づけ
て）、地中熱交換器周りの平均的な温度伝導率を小さく
する（すなわち、地中熱交換器周りの熱容量を大きくす
る）ことができ、これにより、地中熱交換器の器体内を
通過させる熱媒の対地熱交換において、その熱交換効率
を高め、地中からの採熱や地中への放熱の効率を高める
ことができる。

【０００９】そして、吸水性樹脂の吸水性をもって上記
保水用土壌域の含水率を高く保つから、通常の土壌はも
とより、先述の如き珪砂やセメントあるいは粘土の充填
層に比べても、また、単なる礫の集積層からなる高空隙
率の保水層に比べても、上記保水用土壌域の含水率をよ
り高く、かつ、より安定的に保つ（例えば５０％以上の
含水率を保つ）ことができ、この点で、上記の如き地中
熱交換器周りの熱容量増加による採熱効率や放熱効率の
向上を極めて効果的なものにし得るとともに、その高い
採熱効率や放熱効率を極めて安定的に維持することがで
きる。

【００１０】このことから、請求項１に係る発明によれ
ば、地中熱交換器を地盤に形成の縦抗に挿入して単に地
中埋設するだけの従来設備や、その縦抗と地中熱交換器
との間に珪砂やセメントあるいは粘土の充填層を形成し
て地中熱交換器と周囲土壌との間の熱抵抗を軽減するだ
けの従来設備に比べ、また、地中熱交換器の周囲に礫の
集積層からなる高空隙率の保水層を形成して効率向上を
図るに比べても、所要の採熱量や放熱量を確実に得るの
に要する地中熱交換器の埋設長や埋設本数を軽減するこ
とができて、設備の構築コストを低減できる。

【００１１】〔２〕請求項２に係る発明では、器体内に
熱媒を通過させる地中熱交換器を地中に埋設して、その
通過熱媒の対地熱交換により地中からの採熱又は地中へ
の放熱を行う地中熱利用設備において、前記地中熱交換
器の埋設箇所に、隣接材どうしの間に保水用空隙を形成
する成形滞水材の集積域を形成する。

【００１２】つまり、この構成によれば、地中熱交換器
の埋設箇所に形成した上記成形滞水材の集積域における
含水率を、隣接する成形滞水材どうしの間に形成される
保水用空隙により高くかつ安定的に保つことで、地中に
おける地中熱交換器周りの平均的な比熱を大きくして
（水の比熱に近づけて）、地中熱交換器周りの平均的な
温度伝導率を小さくする（すなわち、地中熱交換器周り
の熱容量を大きくする）ことができ、これにより、地中
熱交換器の器体内を通過させる熱媒の対地熱交換におい
て、その熱交換効率を高め、地中からの採熱や地中への
放熱の効率を高めることができる。

【００１３】そして、保水に適した空隙形成構造に成形
する成形滞水材を用いて、その集積域の含水率を高く保
つから、通常の土壌はもとより、先述の如き珪砂やセメ
ントあるいは粘土の充填層に比べても、また、単なる礫
の集積層からなる高空隙率の保水層に比べても、上記成
形滞水材の集積域における含水率をより高く、かつ、よ
り安定的に保つ（例えば５０％以上の含水率を保つ）こ
とができ、この点で、上記の如き地中熱交換器周りの熱
容量増加による採熱効率や放熱効率の向上を極めて効果
的なものにし得るとともに、その高い採熱効率や放熱効
率を極めて安定的に維持することができる。

【００１４】このことから、請求項２に係る発明によれ
ば、請求項１に係る発明と同様、地中熱交換器を地盤に
形成の縦抗に挿入して単に地中埋設するだけの従来設備
や、その縦抗と地中熱交換器との間に珪砂やセメントあ
るいは粘土の充填層を形成して地中熱交換器と周囲土壌
との間の熱抵抗を軽減するだけの従来設備に比べ、ま
た、地中熱交換器の周囲に礫の集積層からなる高空隙率
の保水層を形成して効率向上を図るに比べても、所要の
採熱量や放熱量を確実に得るのに要する地中熱交換器の
埋設長や埋設本数を軽減することができて、設備の構築
コストを低減できる。

【００１５】〔３〕請求項３に係る発明では、請求項１
又は２に係る発明の実施において、前記地中熱交換器
を、地上側の基部から複数の熱交換部が斜め下向きに伸
びる構造にし、これら複数の熱交換部を前記保水用土壌
域又は前記成形滞水材の集積域に埋設する。

【００１６】つまり、この構成によれば、上記複数の熱
交換部を保水用土壌域又は成形滞水材の集積域に埋設す
ることで、これら複数の熱交換部の夫々について地中か
らの採熱効率や地中への放熱効率をそれら熱交換部周り
の前述の如き熱容量増加により効果的に高め、これによ
り、地中熱交換器全体としての採熱効率や放熱効率の向
上を確実かつ効果的なものにすることができる。

【００１７】そして、このように地中熱交換器全体とし
ての採熱効率や放熱効率の向上をより確実かつ効果的な
ものとしながらも、１本の直線的構造の地中熱交換器を
縦姿勢で保水用土壌域又は成形滞水材の集積域に埋設し
て同等の効率を得るに比べ、複数の熱交換部の斜め下向
きに伸びる姿勢により、地中熱交換器を埋設する保水用
土壌域や成形滞水材の集積域の形成に要する掘削深さを
浅くすることができ、設備の構築コストをさらに低減す
ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】〔第１実施形態〕図１は地中熱利
用の空調設備を示し、１は地中熱交換器、２は屋内熱交
換器、３は給湯器、４は空気側の熱源熱交換器、５は液
側の熱源熱交換器である。

【００１９】６はヒートポンプ装置であり、このヒート
ポンプ装置６は屋内熱交換器２、給湯器３における加熱
用熱交換器３ａ、空気側及び液側の両熱源熱交換器４，
５を圧縮式ヒートポンプ回路の構成熱交換器としてい
る。

【００２０】空気側の熱源熱交換器４は外気Ａを採熱又
は放熱の対象とし、一方、液側の熱源熱交換器５は、循
環路７を通じて地中熱交換器１との間で循環させるブラ
イン等の熱媒Ｒを介し地中Ｇを採熱又は放熱の対象とす
る。

【００２１】ヒートポンプ装置６は弁による冷媒流れ経
路の切り換えにより、基本的に、暖房を主目的とする採
熱運転と、冷房を主目的とする放熱運転との選択実施を
可能にしてあり、さらに、採熱運転については、液単独
採熱モードと空気単独採熱モードと液・空気採熱モード
との選択実施を可能にし、また、放熱運転については、
液単独放熱モードと空気単独放熱モードと液・空気放熱
モードとの選択実施を可能にしてある。

【００２２】すなわち、採熱運転における液単独採熱モ
ードでは、屋内熱交換器２及び給湯器３における加熱用
熱交換器３ａを凝縮器として機能させて暖房及び給湯を
行うのに対し、空気側の熱源熱交換器４に対する冷媒供
給を停止した状態で、液側の熱源熱交換器５のみを蒸発
器として機能させ、これにより、循環熱媒Ｒを介して地
中Ｇからのみ採熱する。

【００２３】また、採熱運転における空気単独採熱モー
ドでは、屋内熱交換器２及び給湯器３における加熱用熱
交換器３ａを凝縮器として機能させて暖房及び給湯を行
うのに対し、液側の熱源熱交換器５に対する冷媒供給を
停止した状態で、空気側の熱源熱交換器４のみを蒸発器
として機能させ、これにより、外気Ａからのみ採熱す
る。

【００２４】そして、採熱運転における液・空気採熱モ
ードでは、屋内熱交換器２及び給湯器３における加熱用
熱交換器３ａを凝縮器として機能させて暖房及び給湯を
行うのに対し、液側の熱源熱交換器５及び空気側の熱源
熱交換器４の両方を蒸発器として機能させ、これによ
り、循環熱媒Ｒを介して地中Ｇから採熱するとともに外
気Ａからも採熱する。

【００２５】一方、放熱運転における液単独放熱モード
では、屋内熱交換器２を蒸発器として機能させて冷房を
行うのに対し、空気側の熱源熱交換器４に対する冷媒供
給を停止した状態で、液側の熱源熱交換器５及び給湯器
３における加熱用熱交換器３ａを凝縮器として機能さ
せ、これにより、冷房排熱の一部を給湯器３での湯生成
に回収利用しながら、冷房排熱の他部を循環熱媒Ｒを介
して地中Ｇへのみ放熱する。

【００２６】また、放熱運転における空気単独放熱モー
ドでは、屋内熱交換器２を蒸発器として機能させて冷房
を行うのに対し、液側の熱源熱交換器５に対する冷媒供
給を停止した状態で、空気側の熱源熱交換器４及び給湯
器３における加熱用熱交換器３ａを凝縮器として機能さ
せ、これにより、冷房排熱の一部を給湯器３での湯生成
に回収利用しながら、冷房排熱の他部を外気Ａへのみ放
熱する。

【００２７】そして、放熱運転における液・空気放熱モ
ードでは、屋内熱交換器２を蒸発器として機能させて冷
房を行うのに対し、液側の熱源熱交換器５、空気側の熱
源熱交換器４、及び、給湯器３における加熱用熱交換器
３ａの三者を凝縮器として機能させ、これにより、冷房
排熱の一部を給湯器３での湯生成に回収利用しながら、
冷房排熱の他部を循環熱媒Ｒを介して地中Ｇへ放熱する
とともに外気Ａへも放熱する。

【００２８】地中熱交換器１は、図１及び図２に示す如
く、地上側の基部から２本の熱交換部１ａ，１ｂが斜め
下方向きに伸びる二股構造にするとともに、これら熱交
換部１ａ，１ｂの各々を、有底の外管ｏｐとその内部に
配置の内管ｉｐとからなる二重管構造にし、これによ
り、循環路７の往路７ａから送られる熱媒Ｒを各熱交換
部１ａ，１ｂの内管ｉｐに分流して、これら内管ｉｐの
内部を下向きに通過させ、これに続き、これら熱媒Ｒを
各熱交換部１ａ，１ｂの外管底部で上向きに反転させ
て、各熱交換部１ａ，１ｂにおける外管ｏｐと内管ｉｐ
の間の隙間流路を上向きに通過させ、その後、これら熱
媒Ｒを合流させて循環路７の復路７ｂへ送り出す構造に
してある。

【００２９】すなわち、この地中熱交換器１では、各熱
交換部１ａ，１ｂにおける外管ｏｐと内管ｉｐの間の隙
間流路の通過過程で熱媒Ｒを各外管ｏｐの管壁を伝熱壁
として対地熱交換させる。

【００３０】また、この地中熱交換器１の埋設にあたっ
ては、高吸水性樹脂（例えばポリアクリル酸及びその部
分塩などの高度に親水性のポリマーを部分架橋した構造
の不水溶性の高分子ゲル）を分散状態で土壌中に混入し
た保水用土壌域Ｘを、平面視で地中熱交換器１周りの全
周にわたらせる円筒状ないし角筒状の領域にして地中熱
交換器１の埋設箇所に形成し、この保水用土壌域Ｘに両
熱交換部１ａ，１ｂを埋設する状態に地中熱交換器１を
設置してある。

【００３１】つまり、この保水用土壌域Ｘにより地中Ｇ
における地中熱交換器１周りの含水率を高くかつ安定的
に保って、地中熱交換器１周りの地中熱容量を大きく確
保し、これにより、地中熱交換器１の器体内を通過させ
る熱媒Ｒの対地熱交換において、その熱交換効率を高
め、地中Ｇからの採熱効率や地中Ｇへの放熱効率を高め
るようにしてある。

【００３２】なお、上記の保水用土壌域Ｘは、地表温度
などの地表状態の影響を強く受ける地表層部分Ｌ１（例
えば地表からの深度が３ｍ程度までの部分）を除いて、
地中熱交換器１の最下部よりある程度深いところまでの
部分Ｌ２に形成してある。

【００３３】〔第２実施形態〕図３及び図４は、地中熱
交換器１の構造を変更し、また、吸水性樹脂を用いた保
水用土壌域Ｘに代え成形滞水材８の集積域Ｘ′を地中熱
交換器１の埋設箇所に形成した例を示す。

【００３４】つまり、この例において、地中熱交換器１
は、１本の有底外管ｏｐの内部に内管ｉｐを配置した外
観的には１本の直線的構造となる二重管構造してあり、
この地中熱交換器１を縦姿勢で地中Ｇに埋設した状態に
おいて、循環路７の往路７ａから送られる熱媒Ｒを、内
管ｉｐの内部に続き外管ｏｐと内管ｉｐの間の隙間流路
を通過させて循環路７の復路７ｂへ送り出すようにする
ことで、外管ｏｐと内管ｉｐの間の隙間流路の通過過程
において熱媒Ｒを対地熱交換させる。

【００３５】また、この地中熱交換器１の埋設にあたっ
ては、隣接材どうしの間に保水用空隙を形成する成形滞
水材８の集積域Ｘ′を、平面視で地中熱交換器１周りの
全周にわたらせる角筒状ないし円筒状の領域にして地中
熱交換器１の埋設箇所に形成し、これにより、前述の第
１実施形態における保水用土壌域Ｘと同様、この成形滞
水材８の集積域Ｘ′により地中Ｇにおける地中熱交換器
１周りの含水率を高くかつ安定的に保って、地中熱交換
器１周りの地中熱容量を大きく確保することで、対地熱
交換の熱交換効率を高めて地中Ｇからの採熱効率や地中
Ｇへの放熱効率を高めるようにしてある。

【００３６】成形滞水材８は、図５に示す如き複数の峰
部ｍを有するうつ伏せパレット状の樹脂製成形物であ
り、この成形滞水材８を同図５に示す如く１段毎に峰部
ｍの稜線方向を９０度異ならせて積み上げることによ
り、上下方向で隣接する成形滞水材８どうしの間に保水
用空隙ｅを形成して、大きな空隙率（例えば９０％以上
の空隙率）を有する上記集積域Ｘ′を形成する。

【００３７】なお、この成形滞水材８の集積域Ｘ′は、
前記の保水用土壌域Ｘと同様、地表温度などの地表状態
の影響を強く受ける地表層部分Ｌ１（例えば地表からの
深度が３ｍ程度までの部分）を除いて、地中熱交換器１
の最下部よりある程度深いところまでの部分Ｌ２に形成
してある。

【００３８】〔別実施形態〕次に別実施形態を列記す
る。

【００３９】保水用土壌域Ｘの形成において、土壌中に
分散状態で混入する吸水性樹脂には、橋かけポリアクリ
ル酸塩系やポリビニルアルコール／ポリアクリル酸塩系
の高吸水性ポリマー、あるいは、橋かけポリビニルアル
コール系やイソブチレン／マレイン酸塩系の高吸水性ポ
リマーなど、種々の分子構造のものを使用できる。ま
た、その吸水性樹脂の土壌中への混入割合は条件に応じ
適宜決定すればよい。

【００４０】隣接材どうしの間に保水用空隙を形成する
成形滞水材８には、図５に示した構造のものに限らず、
種々の形状・構造のものを使用でき、また、その材質も
樹脂やセラミックスを初め、種々の材質を採用できる。

【００４１】保水用土壌域Ｘや成形滞水材８の集積域
Ｘ′は、通常状態での含水率が５０％以上のものにする
のが望ましいが、必ずしも含水率が５０％以上のものに
限られるものでない。

【００４２】前述の実施形態では、保水用土壌域Ｘや成
形滞水材８の集積域Ｘ′を地中熱交換器１周りの全周に
わたらせて形成したが、場合によっては、これら保水用
土壌域Ｘや成形滞水材８の集積域Ｘ′を地中熱交換器１
周りの周方向における部分的箇所に形成するようにして
もよい。

【００４３】保水用土壌域Ｘや成形滞水材８の集積域
Ｘ′を地中熱交換器１に対しどの程度の容積規模のもの
にするかは、条件に応じ適宜決定すればよく、また、保
水用土壌域Ｘや成形滞水材８の集積域Ｘ′とともに、珪
砂やセメントあるいは粘土の充填層や礫の集積層を適当
な配置関係で地中熱交換器１の埋設箇所に形成するよう
にしてもよい。

【００４４】地中熱交換器１には、二重管式に限らずＵ
字管式のものなど種々の構造のものを使用でき、また、
地中熱交換器１の器体内に通過させる熱媒Ｒも、ブライ
ンや水、あるいは、ヒートポンプ装置の冷媒など、どの
ようなものであってもよい。

【００４５】地中熱交換器１を、地上側の基部から複数
の熱交換部１ａ，１ｂが斜め下向きに伸びる構造にする
場合、それら斜め下向きに伸びる熱交換部の本数は２本
に限らず３本以上にしてもよい。

【００４６】本発明は、地中からの採熱だけを行う設備
や、地中への放熱だけを行う設備、あるいは、地中から
の採熱と地中への放熱とを選択的に行う設備のいずれに
も適用でき、また、それら採熱や放熱の目的は、冷房や
暖房に限らずどのようなものであってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態を示す設備構成図

【図２】第１実施形態を示す要部の平面図

【図３】第２実施形態を示す要部の側面図

【図４】第２実施形態を示す要部の平面図

【図５】第２実施形態における成形滞水材の集積構造を
示す斜視図

【符号の説明】

１ 地中熱交換器 １ａ，１ｂ 熱交換部 ８ 成形滞水材 ｅ 保水用空隙 Ｇ 地中 Ｒ 熱媒 Ｘ 保水用土壌域 Ｘ′ 成形滞水材の集積域

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 器体内に熱媒を通過させる地中熱交換器
   を地中に埋設して、その通過熱媒の対地熱交換により地
   中からの採熱又は地中への放熱を行う地中熱利用設備で
   あって、 前記地中熱交換器の埋設箇所に、吸水性樹脂を分散状態
   で土壌中に混入した保水用土壌域を形成してある地中熱
   利用設備。
2. 【請求項２】 器体内に熱媒を通過させる地中熱交換器
   を地中に埋設して、その通過熱媒の対地熱交換により地
   中からの採熱又は地中への放熱を行う地中熱利用設備で
   あって、 前記地中熱交換器の埋設箇所に、隣接材どうしの間に保
   水用空隙を形成する成形滞水材の集積域を形成してある
   地中熱利用設備。
3. 【請求項３】 前記地中熱交換器を、地上側の基部から
   複数の熱交換部が斜め下向きに伸びる構造にし、これら
   複数の熱交換部を前記保水用土壌域又は前記成形滞水材
   の集積域に埋設してある請求項１又は２記載の地中熱利
   用設備。