JP2001289533A

JP2001289533A - 地中熱利用のヒートポンプ

Info

Publication number: JP2001289533A
Application number: JP2000103121A
Authority: JP
Inventors: Ken Ikeuchi; 研池内; Shinji Takasugi; 真司高杉
Original assignee: JMC GEOTHERMAL ENGINEERING CO; JMC GEOTHERMAL ENGINEERING CO Ltd
Current assignee: JMC GEOTHERMAL ENGINEERING CO; JMC GEOTHERMAL ENGINEERING CO Ltd
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2001-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｕ字管タイプの地中熱交換器を改良し、高い
変換効率で地中熱を取り出すことが可能なヒートポンプ
を実現すること。【解決手段】ヒートポンプは、地中に配設された往路
配管１８と復路配管２０とからなるＵ字形配管１４内に
熱媒体を循環させてなる地中熱交換器１２を含み、地上
側の熱利用施設２２の熱交換器に熱的に結合されてい
る。Ｕ字形配管１４は、その復路配管２０の一部が縮径
されてなり、熱媒体はその縮径部２３において流速を速
めるように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地中熱を利用した
ヒートポンプシステムに関し、特に地中に配設されたＵ
字形配管を含んでなる地中熱交換器を有するヒートポン
プに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地層・大地および地下水等の地中
の熱を熱源として、地中に設置した熱交換器の役割をし
ているパイプ内に水やブライン、エタノール等の不凍液
を循環させて、地中から熱を取出したり、地中に熱を放
出する地熱ヒートポンプシステムが、優れた経済性(省
エネ)や自然環境への汚染がない（ＣＯ₂排出量削減）等
の観点から注目されている。

【０００３】このような地熱ヒートポンプシステムは、
一般に普及しているエアコンのような、空気を熱源とし
た空気熱源ヒートポンプとは異なり、地層・地下水等を
温熱源（ヒートソース）とみなして、そこから熱エネル
ギーを取出して、暖房施設や融雪施設などに温熱供給を
行ったり、逆に、冷熱源(ヒートシンク)とみなして、そ
こに熱を放出して、冷房・冷却施設に冷熱供給を行うシ
ステムであり、地中に設置されたパイプ内に循環される
不凍液を媒体（熱伝達媒体）として得られる熱源からの
熱エネルギーは、ヒートポンプ内を循環する代替フロン
のような作動媒体との間で熱交換するように構成され
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記地熱ヒートポンプ
システムにおいて、地中熱交換器をなしている熱伝達媒
体としての不凍液を循環させるパイプは、図４に示すよ
うに、大きく分けてＵ字管タイプ（図４（ａ）参照）と
同軸パイプタイプ（図４（ｂ）参照）の2種類がある。
これらのパイプはいずれも往路配管１と復路配管２を有
して構成され、前者は、パイプそのものが安価に製造で
きるため、特に米国や欧州で広く用いられているが、十
分な熱変換効率を得ることが難しいという欠点があり、
一方、後者は、前者に比べて熱交換効率に優れているが
高価であり、かつ取り扱いが面倒であるという欠点があ
る。

【０００５】特に、このような新しい発想から生まれた
地熱ヒートポンプシステムを、一般家庭を含めて広く普
及させるためには、比較的低コストであるＵ字管タイプ
の地中熱交換器の熱変換効率を向上させることが不可欠
である。そこで、この発明は、Ｕ字管タイプの地中熱交
換器を改良し、高い効率で地中の熱を取り出すことが可
能なヒートポンプを実現することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】発明者らは、上記目的を
達成するために鋭意研究を行った結果、以下の内容を要
旨構成とする発明に想到した。すなわち、この発明は、
地中に配設された往路配管と復路配管とからなるＵ字形
配管内に熱媒体を循環させてなる地中熱交換器を含み、
地上側の熱利用施設の熱交換器に熱的に結合されてなる
地中熱利用の地熱ヒートポンプにおいて、上記Ｕ字形配
管は、その復路配管の一部が縮径されてなることを特徴
とする。

【０００７】上記構成によれば、地中熱交換器のＵ字形
配管の復路配管の一部が縮径されているので、復路配管
内の熱媒体の流速を速めることができ、往路配管側の温
度の影響を復路配管内の熱媒体に与えないようにするこ
とができる。すなわち、往路管路と復路管路との間での
熱伝達を阻止して、Ｕ字管の熱効率を高めることができ
る。

【０００８】また、上記発明において、縮径されたＵ字
形配管は、断熱材で包囲されていることが望ましく、そ
の断熱材としては、発泡ポリエチレンや発泡スチロール
等の多孔質材や緩衝材テープが好ましい。さらに、上記
Ｕ字形配管の往路配管と復路配管との間に、断熱材が介
設されていることが望ましく、その断熱材としては、発
泡ポリエチレンや発泡スチロール等の多孔質材や緩衝材
テープが好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明によるヒートポン
プ１０を地上側の冷暖房施設に適用した一実施形態を示
す概略図、図２は、地中熱交換器１２のＵ字形配管１４
の構造を説明するための概略図、図３は、本発明による
ヒートポンプ１０を用いた冷暖房サイクルの説明図であ
る。図１において、地中熱交換器１２としてのＵ字形配
管１４は、地中にほぼ鉛直方向に掘削された坑井１６内
に配設された、往路管路１８と復路管路２０とを含んだ
ループ状の循環水路をなし、後述するように、地上側施
設２２の冷暖房用の熱交換器に熱的に結合される。

【００１０】このようなＵ字形配管１４は、ポリエチレ
ンやポリブチレン等の材料から形成された外径が２７〜
５０ｍｍ、内径が２１〜４１ｍｍの２本の配管をＵ字形
の曲り管で接続したものを採用し、直径がほぼ１０ｃ
ｍ、深さが約１００ｍの坑井１６内に配置されるととも
に、坑井１６内に注入されたセメントやベントナイト等
を固化することにより固定される。なお、坑井１６の深
度は、坑井１６が位置する場所の地下温度分布によって
異なる。

【００１１】さらに、この発明におけるＵ字形配管１４
は、図２（ａ）に示すように、その復路配管２０の地表
付近から所定の距離だけ下方に位置する部分までの間
が、縮径されている。このような復路配管の縮径する部
分２３は、特に、地表やその付近の外気の温度変化を受
け易い個所や、往路配管内の熱媒体の温度の影響を受け
易い個所とし、そのパイプの縮径度は、地中内のパイプ
長、パイプ内（外）径、循環熱媒体の流速等を考慮して
決定され、たとえば、坑井長１００ｍに対して地表から
３０ｍ〜５０ｍまでの部分の外径が４２ｍｍから２７ｍ
ｍに、内径が３５ｍｍから２１ｍｍに縮径されている。

【００１２】上記Ｕ字形配管１４内で循環する熱伝達媒
体としては、水やブライン、エタノール等の不凍液が望
ましく、特に、粘性や摩擦抵抗の観点から高濃度エタノ
ールが望ましい。またこのようなＵ字形配管１４内を循
環する熱媒体の流速は、たとえば、熱媒体としての循環
水の流量を１．２ｍ^３／ｈ程度に設定し、縮径されない
往路配管１８および復路配管２０内では０．３６ｍ／
ｓ、復路配管２０の縮径された部分２３では１ｍ／ｓと
なるように構成される。

【００１３】このように復路配管に縮径構造を採用する
ことによって、往路管路１８と復路管路２０との間での
熱伝達を阻止するとともに、地表温度および地表付近の
外気温度の変化が復路管路２０内の熱媒体の温度に与え
る影響を少なくすることができるので、Ｕ字形配管１４
の熱効率を高めることができる。

【００１４】また、上記縮径構造に加えて、図２（ｂ）
に示すように、上記縮径部２３の個所にほぼ対応して、
地表付近から所定の距離だけ下方に位置する部分まで、
復路配管２０の外周面を断熱材２４によって包囲した
り、図２（ｃ）に示すように、地表付近から所定の距離
だけ下方に位置する部分まで、往路管路１８と復路配管
２０との間に断熱材２６を介設することもでき、このよ
うな断熱材２４または２６を併設することによって、往
路配管１８と復路配管２０との間での熱伝達をより効果
的に阻止することができる。

【００１５】このような断熱材としては、坑井１６内へ
のセメントやベントナイト等の注入時に水分に接して湿
潤しないような材料、すなわち水分を含まず、熱遮断効
率に優れた空気バリアを有するような材料が望ましく、
たとえば発泡スチロール等の多孔質材や、緩衝材テープ
が好ましい。

【００１６】この実施形態においては、地中熱交換器１
２としてのＵ字形配管１４を含んだヒートポンプ１０
は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、地上側
施設２２の冷暖房用配管３０に熱的に結合されている。
すなわち、地中から地表に現われたＵ字形配管１４は、
ヒートポンプ１０まで延長されて、その熱源側熱交換器
３２に熱的に結合され、一方、地上側施設２２の冷暖房
用熱交換器としての配管３０は、ヒートポンプ１０の負
荷側熱交換器３４に熱的に結合され、これらの熱源側熱
交換器３２と負荷側熱交換器３４は、圧縮器３６と膨張
弁３６とを介して代替フロン等の冷媒が封入された冷媒
管路４０によって熱的に結合される。

【００１７】次に、本発明にかかる地中熱利用のヒート
ポンプを地上側施設２２の冷暖房に適用する場合の動作
について説明する。まず、坑井１６に配設したＵ字形配
管１４内の熱媒体としての循環水を、図示しない循環ポ
ンプによって循環させて、この循環水と地下熱源（地
熱）との間で熱交換が行われ、熱交換によって熱を得た
循環水は中温水となって、復路配管２０の縮径された部
分２３を通じて地上に戻り、地上側施設２２内に設置さ
れたヒートポンプ１０の内部を通過し、その熱源側熱交
換器３２において代替フロン等の熱媒体との間で熱交換
を行って低温水となり、往路配管１８に流入する。この
際、復路配管２０内を流れる循環水は、その途中にある
縮径された部分において流速を増すため、往路配管１８
内を流れる低温水の影響を受けることはなく、中温水の
まま熱源側熱交換器３２において熱交換されるので、熱
変換効率が向上する。

【００１８】そして、ヒートポンプ１０の熱源側熱交換
器において、中温水から熱を吸収して蒸発した代替フロ
ン等の熱媒体は、図３（ａ）に示すように、圧縮機３６
において圧縮されると高温となり、負荷側熱交換器３４
に送られ、そこで地上側施設２２の冷暖房用配管内３０
を循環する熱媒体としての水との間で熱交換を行ない、
熱を得た水は温水となって配管３０内を循環し、地上側
施設２２の床暖房用に利用される。

【００１９】一方、冷暖房用配管内３０の水と熱交換し
た代替フロン等の熱媒体は冷却され、膨張弁３８によっ
て減圧されることによって、さらに低温となって熱源側
熱交換器３２に戻る。ここで、低温の代替フロン等の熱
媒体は、Ｕ字形配管１４の復路配管２０を通って再び熱
源側熱交換器３２に戻った中温水と熱交換を行なって、
地上側施設２２の床暖房用に利用される。

【００２０】以上の説明は、地中熱交換器１２で得られ
た熱を地上側施設２２の床暖房に利用する場合である
が、図３（ｂ）に示すように、代替フロン等の熱媒体を
逆方向に循環させて熱源側熱交換器３２の熱交換を逆に
することにより、その熱エネルギーを冷房用として用い
ることもできる。

【００２１】すなわち、Ｕ字形配管１４内の循環水と地
下熱源（地熱）との間で熱交換が行われ、熱交換によっ
て熱を得た循環水は中温水となって、復路配管２０を通
じて地上に戻り、地上側施設２２内に設置されたヒート
ポンプ１０の内部を通過し、その熱源側熱交換器３２に
おいて代替フロン等の熱媒体との間で熱交換を行って高
温水となり、往路配管１８に流入する。

【００２２】そして、ヒートポンプ１０の熱源側熱交換
器において、中温水に熱を与えて凝縮した代替フロン等
の熱媒体は、膨張弁３８によって減圧されて低温とな
り、負荷側熱交換器３４に送られ、そこで地上側施設２
２の冷房用配管内３０を循環する熱媒体としての水との
間で熱交換を行ない、熱を失った水は冷水となって配管
３０内を循環し、地上側施設２２の冷房用に利用され
る。この冷房用配管３０は、暖房用の場合は床下に広く
敷設されるが、冷房用の場合には、室内熱交換器の形態
で用いることもでき、適切な送風装置や送風調節装置を
併設して室内に冷風を送ることができる。

【００２３】一方、冷房用配管内３０の水と熱交換した
代替フロン等の熱媒体は、そこで吸熱して蒸発し、圧縮
器３６において圧縮されて高温となって熱源側熱交換器
３２に戻る。ここで、高温の代替フロン等の熱媒体は、
Ｕ字形配管１４の復路配管２０を通って再び熱源側熱交
換器３２に戻った中温水と熱交換を行なって、地上側施
設２２の冷房用に利用されることになる。

【００２４】なお、この発明の地中熱利用のヒートポン
プを、冷房用に利用する場合に、高温の代替フロン等の
熱媒体と熱交換をして高温水となった循環水の熱エネル
ギーは、往路配管１８を介して地中に放出されるが、こ
の熱エネルギーを給湯やプールの温水造成に再利用する
こともでき、さらには、このような温水を道路の下に敷
設した配管内に循環させて、道路の融雪や凍結防止に利
用することもできる。また、上記の実施形態において
は、Ｕ字形配管は地中にほぼ鉛直方向に配設されている
が、配設方向はこれに限られるものではなく、例えば、
地中に斜め方向に、または地上に沿って水平方向に坑井
が掘削された場合にも適用可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の地中熱
を用いたヒートポンプは、地中に配設されたＵ字形配管
の復路配管の一部が縮径された構成とし、地中熱との熱
交換を行って中温となった熱媒体は、復路配管内の縮径
された部分において流速を速めるようになっているの
で、往路配管内に流入する高温または低温の熱媒体の影
響を受けることなく、中温のまま地上側施設の熱交換器
と熱交換され、熱変換効率が向上する。さらに、縮径さ
れた復路配管を断熱材によって包囲し、あるいは往路配
管と縮径された復路配管との間に、断熱材を介設するこ
とによって、熱変換効率をさらに向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す概略図である。

【図２】Ｕ字形配管の構造を説明するための概略図であ
る。

【図3】冷暖房サイクルの説明図である。

【図４】従来のＵ字形配管を説明するための概略図であ
る。

【符号の説明】

１０ヒートポンプ１２地中熱交換器１４Ｕ字形配管１６坑井１８往路配管２０復路配管２３縮径部分２４，２６断熱材３０冷暖房用配管３２熱源側熱交換器３４負荷側熱交換器３６圧縮器３８膨張弁４０冷媒配管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】地中に配設された往路配管と復路配管と
からなるＵ字形配管内に熱媒体を循環させてなる地中熱
交換器を含み、地上側の熱利用施設の熱交換器に熱的に
結合される地中熱利用のヒートポンプにおいて、前記Ｕ字形配管は、その復路配管の一部が縮径されてな
ることを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】前記縮径された復路配管は、断熱材によ
って包囲されていることを特徴とする請求項１に記載の
ヒートポンプ。
【請求項３】前記往路配管と縮径された復路配管との
間に、断熱材が介設されていることを特徴とする請求項
１に記載のヒートポンプ。