JP2002054857A - 地下水を利用したヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 地盤沈下等の弊害を生じさせることなく、
しかも構造が簡単で安価な地下水を利用したヒートポン
プシステムを提供する。 【解決手段】 このヒートポンプシステムでは、打込工
法によって地盤(11)に浅井戸(12)(13)を設けて、冷房時
において、一方の井戸(12)から汲み上げた地下帯水層(3
0)の地下水を、冷媒の熱交換に利用した後、他方の井戸
(13)に注入して地下帯水層(30)に還元し、暖房時におい
て、他方の井戸(13)から汲み上げた地下帯水層(30)の地
下水を、冷媒の熱交換に利用した後、一方の井戸(12)に
注入して地下帯水層(30)へ還元する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、主に住宅に適し
た地下水を利用したヒートポンプシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】地球環境温暖化防止の観点からエネルギ
ー消費に伴うＣＯ2排出量の削減が急務であるが、民生
部門のエネルギー消費は年々増加しており、住宅の新築
から解体・廃棄に至る全エネルギーのうち、約８０％は
居住(使用)時に消費される。さらに、このうち約６０％
は冷暖房、給湯による消費が占め、そのほとんどが化石
燃料で賄われていることから、その消費量の削減又は自
然エネルギーへの代替が望まれている。

【０００３】住宅における自然エネルギーの利用手段と
して現在確立し普及しているのは、太陽エネルギーのみ
である。しかし、太陽エネルギーの利用は、天候に左右
され易く、また住宅密集地では十分な日射の確保ができ
ない等の不確実性がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これに対し、自然エネ
ルギーのひとつである地熱は、年間を通じてほぼその地
域の年平均気温付近で安定した温度を保つことから、夏
季は外気より低温、冬季は高温となる。このような地熱
の利用は、ビルや公共施設等で試行的に実施されている
が、その利用方法は、熱媒管敷設による熱回収が一般的
で、大掛かりな工事が必要であり、しかもイニシャルコ
ストが高いことから、住宅用としては不向きである。

【０００５】一方、地熱の汲み上げ媒体としての地下水
は、全国的に広く分布しており、井戸を施工することで
容易に取得することができる。このような地下水を利用
すれば、地中に多数の熱媒管を敷設する熱回収法と比べ
て簡便でイニシャルコストも低く抑えることができる。
地下水を利用した冷房は、ヒートポンプが出回る以前に
井戸水ファンコイルクーラーとして普及しており、さく
井及び冷房技術はある程度確立されている。また、最近
では、井戸から汲み上げた地下水を融雪や温室の保温の
ために利用するといった試みもなされている。

【０００６】しかし、現在主流のボーリング式井戸で
は、一般の住宅に広く普及させるには施工コストがまだ
まだ高く、しかも地下水を大量に汲み上げると地盤沈下
等の弊害が生じるといった問題がある。また、地下水を
利用した暖房は、全く行われていない。従って、地下水
を利用した住宅用の冷暖房・給湯システムは、未だ確立
されていないのが現状である。

【０００７】そこで、この発明は、上記に鑑み、熱利用
効率が高く、地盤沈下等の弊害も生じさせることがな
く、しかも構造が簡単で安価なヒートポンプシステムの
提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明のヒートポンプシステムは、地盤に複数の
井戸を設け、冷房時において、それら井戸のうち一部の
井戸から汲み上げた地下帯水層の地下水を、冷媒との熱
交換に利用した後、他の井戸に注入して地下帯水層に還
元し、暖房時において、前記の他の井戸から汲み上げた
地下帯水層の地下水を、冷媒との熱交換に利用した後、
前記の一部の井戸に注入して地下帯水層へ還元するよう
にしたことを特徴とする。

【０００９】具体的に、各井戸は、深さ１０ｍ以内の浅
井戸とされて、ストレーナー付きのケーシングを地上か
ら直接打ち込む打込工法によって施工されている。ま
た、各井戸は、少なくとも８ｍの間隔をあけて設けられ
ている。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を図面
に基づいて詳細に説明する。図１及び図２は、この発明
の一実施形態に係る住宅に適用したヒートポンプシステ
ムの全体回路を示している。図において、(１)は、冷媒
を圧縮する圧縮機、(２)は、冷房サイクルと暖房サイク
ルとを切り換える四方弁、(３)は、室外熱交換器、(４)
は、住宅の室内に配されたファンコイルクーラー等の室
内熱交換器であり、これらが配管(５)によって接続され
て冷媒回路(６)を構成している。なお、室内熱交換器
(４)を除く圧縮機(１)、室外熱交換器(３)といった冷媒
回路(６)の主要部分は、室外機として単一のパッケージ
に納められている。

【００１１】そして、室外熱交換器(３)には、地下水回
路(10)が接続されている。この地下水回路(10)は、地盤
(11)に設けた２つの井戸(12)(13)を、ポンプ(14)を備え
た地下水用配管(15)で繋ぐことによって構成されてい
る。

【００１２】一般に、井戸の施工には、ボーリング工法
と打込工法がある。ボーリング工法は、口径の大きな深
さ１０ｍを越える深井戸の施工に用いられ、地盤を予め
ボーリングで掘削し、ストレーナー付きのケーシングを
挿入後、隙間に砂利等の濾過材を充填して施工する。こ
のボーリング工法では、ストレーナーを帯水層へ確実に
設置でき、優れた濾過性能を有する深井戸施工が可能で
あり、この深井戸からは水質の良好な地下水を得ること
ができるが、施工コストが高いといった問題がある。一
方、打込工法は、口径の小さな深さ１０ｍ以内の浅井戸
の施工に用いられ、ストレーナ付きのケーシングを地上
から打ち込むだけの簡易工法のため、施工コストは半減
する。しかし、浅井戸からは近年良質の地下水が得難く
なっており、水質が安定しないといった問題がある。家
庭用井戸の場合、特に水質の安定が重視されるため、現
在のところボーリング工法による深井戸が主流となって
いる。

【００１３】ところが、この発明のヒートポンプシステ
ムでは、上記のように２つの井戸(12)(13)を必要とする
ことから、他の機器を含めたイニシャルコストを考慮す
ると、井戸施工費の削減が重要である。また、地下水の
熱だけを利用することから、水道水程の水質基準をクリ
アする必要はなく、必要水量が得られれば十分利用可能
である。従って、２つの井戸(12)(13)は、打込工法によ
って施工した深さ１０ｍ以内の浅井戸とされている。

【００１４】ここで、打込工法による井戸(12)(13)の施
工について説明すると、まず地盤(11)の表面層を簡単に
掘削して、その掘削部分に図３に示すようなストレーナ
ー(20)付のケーシング(21)を直接打ち込む。ストレーナ
(20)は、外周に多数の集水口(22)(22)を有し、その外周
には砂侵入防止用金網(24)が巻き付けられ、先端には矢
尻(25)が取り付けられている。上記の打込時には、スト
レーナー(20)が地盤(11)の帯水層(30)に到達するまで打
ち込む。

【００１５】そして、打ち込みが完了すると、揚水量等
を確認して、問題がなければ掘削部分を埋め戻す。これ
により、汲上・還元兼用の井戸(12)(13)の施工が完了す
る。

【００１６】このような浅井戸(12)(13)の場合、注入水
の温度影響は比較的短時間に広範囲まで及び、特に汲上
側へは水位勾配も発生して水が流れ易くなるため、温度
影響は大きくなる。浅井戸(12)(13)において熱影響を全
く受けなくするには、井戸間隔を１５ｍ以上確保しなけ
ればならないが、一般の戸建住宅の敷地では、このよう
な井戸間隔を確保することができない。かといって、４
ｍ程度以下の井戸間隔では、注入水の熱による冷暖房効
率への影響が無視できなくなることは実験により判明し
ている。従って、井戸(12)(13)の間隔を、一般の戸建住
宅で確保可能であり、しかも冷暖房効率への影響を受け
にくいように、少なくとも８ｍ以上に設定している。

【００１７】地下水用配管(15)は、一方の井戸(12)内に
挿入した揚水・注入管(35)と、他方の井戸(13)内に挿入
した揚水・注入管(36)とを連結管(37)で接続した構造と
なっている。そして、連結管(37)には、前記のポンプ(1
4)、地下水用配管(15)内の地下水の流れを切り換える切
換手段(45)、さらには図示しない砂取器等の各種機器が
設けられている。そして、この連結管(37)が前記の室外
熱交換器(３)に接続されている。

【００１８】切換手段(45)は、一方の井戸(12)から他方
の井戸(13)へ地下水を導く第１姿勢と、他方の井戸(13)
から一方の井戸(12)へ地下水を導く第２姿勢との間で切
換可能とされた四方弁であって、地下水用配管(15)にお
ける地下水の循環を逆転するようになっている。すなわ
ち、この四方弁(45)を第１姿勢とすることによって、一
方の井戸(12)を汲上井戸、他方の井戸(13)を還元井戸と
して利用し、第２姿勢とすることによって、一方の井戸
(12)を還元井戸、他方の井戸(13)を汲上井戸として利用
することになる。

【００１９】上記構成のヒートポンプシステムでは、夏
季の冷房時には、図１に示すように、圧縮機(１)により
圧縮された冷媒が、四方弁(２)を通って室外熱交換器
(３)に導かれ、凝縮熱を発散させながら液化状態とな
る。他方、地下水回路(10)において、ポンプ(14)の駆動
により一方の井戸(12)から汲み上げられた地下帯水層(3
0)の地下水が、第１姿勢の四方弁(45)を通って室外熱交
換器(３)に導かれる。そして、室外熱交換器(３)におい
て、冷媒回路(６)側の液化状態の高温冷媒と地下水回路
(10)側の低温地下水との間で熱交換が行われる。この熱
交換後の冷媒は、膨張しながら室内熱交換器(４)に導か
れてガス化状態となり、このときの気化熱によって室内
を冷房し、再び四方弁(２)を通って圧縮機(１)に戻され
る。熱交換後の温められた地下水は、四方弁(45)を通っ
て他方の井戸(13)に注入され、地下帯水層(30)に還元さ
れる。そして、この地下水の温熱は、他方の井戸(13)周
辺の地盤(11)に蓄熱される。

【００２０】暖房時には、図２に示すように、冷媒回路
(６)側の四方弁(２)が切り換わり、圧縮機(１)により圧
縮された冷媒が、四方弁(２)を通って室内熱交換器(４)
に導かれ、凝縮熱を発散させながら液化状態となり、こ
のときの凝縮熱によって室内を暖房する。この暖房後の
冷媒は、膨張してガス化状態となって、室外熱交換器
(３)に導かれる。他方、地下水回路(10)においても、四
方弁(45)が切り換わり、他方の井戸(13)から汲み上げら
れた地下帯水層(30)の地下水が、第２姿勢の四方弁(45)
を通って室外熱交換器(３)に導かれる。そして、室外熱
交換器(３)において、冷媒回路(６)側のガス化状態の低
温冷媒と地下水回路(10)側の高温地下水との間で熱交換
が行われる。このときの地下水は、夏季の間に温熱を蓄
熱しておいた他方の井戸(３)側から汲み上げられている
ので、熱交換効率を高めることができる。熱交換後の冷
媒は、四方弁(２)を通って圧縮機(１)に戻される。熱交
換後の冷やされた地下水は、四方弁(45)を通って一方の
井戸(12)に注入され、地下帯水層(30)に還元される。そ
して、この地下水の冷熱は、一方の井戸(12)周辺の地盤
(11)に蓄熱され、上記の夏季の冷房時に利用されること
になる。

【００２１】このような地下水を利用したヒートポンプ
システムの場合、電力消費量の約６倍の熱エネルギーを
得ることができる。すなわち、成績係数(ＣＯＰ)は
「６」となり、成績係数が「３」である外気を利用した
空気熱源ヒートポンプシステムに比較して、熱交換効率
の高い省エネルギー効果に優れたヒートポンプシステム
とすることができる。また、帯水層(30)から汲み上げた
地下水を冷媒の熱交換用熱源として利用した後、再び地
下帯水層(30)望ましくは同じ地下帯水層(30)に戻すよう
にしていることから、地下水の汲み上げによる地盤沈下
等を防ぐことができる。

【００２２】図４及び図５は、他の切換手段(50)を示し
ている。この切換手段(50)は、連結管(37)の両端から分
岐して両井戸(12)(13)の揚水・注水管(35)(36)に夫々接
続された合計４本の枝管(51)(51)…に、開閉弁(52)〜(5
5)を夫々設けることによって構成されている。そして、
図４に示すように、第１及び第４の開閉弁(52)(55)を開
状態、第２及び第３の開閉弁(53)(54)を閉状態とするこ
とで、一方の井戸(12)を汲上井戸、他方の井戸(13)を還
元井戸として利用し、これとは逆に、図５に示すよう
に、第１及び第４の開閉弁(52)(55)を閉状態、第２及び
第３の開閉弁(53)(54)を開状態とすることで、一方の井
戸(12)を還元井戸、他方の井戸(13)を汲上井戸として利
用することになる。

【００２３】なお、この発明は上記実施形態に限定され
るものではなく、この発明の範囲内で上記実施形態に多
くの修正及び変更を加え得ることは勿論である。例え
ば、室内熱交換器に代えて給湯用熱交換器として、ヒー
トポンプシステムを冷暖房用だけでなく住宅における給
湯用に利用しても良い。また、２つの井戸は、ともに単
一の井戸とは限らず、複数の井戸によって構成しても良
い。また、地下水回路側の切換手段として、地下水の流
れ方向を切換可能とする機能を備えたポンプを用いるよ
うにしても良い。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明では、地盤に複数の井戸を設けて、地下帯水層から汲
み上げた地下水を再び地下帯水層へ還元しているので、
地盤沈下等の弊害を生じさせることなく、年間を通じて
安定した温度を保つ地下水を冷媒の熱交換用の熱源とし
て有効に利用した熱交換効率の高いヒートポンプシステ
ムを提供することができる。しかも、冷房時と暖房時で
地下水の流れを逆転させて、汲上側と還元側の井戸を切
り換えているので、夏季に他方の井戸周辺の地盤に蓄え
ておいた温熱を回収して冬季の暖房や給湯に再利用し、
冬季に一方の井戸周辺の地盤に蓄えておいた冷熱を回収
して夏季の冷房に再利用することができ、熱利用効率を
増大した省エネルギー効果に優れたヒートポンプシステ
ムを提供することができる。

【００２５】さらに、各井戸は、ストレーナー付のケー
シングを直接打ち込む打込工法によって施工した浅井戸
であることから、ボーリング工法によって深井戸を施工
するときと比べて、簡単な施工で済ますことができ、し
かも施工コストの大幅な削減を実現することができる。
これによって、一般の住宅にも広く普及させることがで
きるシステムとすることができる。また、汲上側と還元
側の井戸を切り換えることで、ストレーナの目詰まりを
防止して井戸の寿命を延ばすことができ、長期間安定し
た性能を維持することができる。

【００２６】さらに、井戸間隔を８ｍ以上確保している
ことから、還元側の井戸へ地下水を還元しても、その地
下水の熱影響が汲上側の井戸にまで及び難くなり、冷暖
房、給湯効率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態に係るヒートポンプシス
テムの冷房時の全体回路を示す図である。

【図２】同じくその暖房時の全体回路を示す図である。

【図３】打込工法によって施工した井戸を示す図であ
る。

【図４】他の切換手段の冷房時の状態を示す図である。

【図５】同じくその暖房時の状態を示す図である。

【符号の説明】

(11) 地盤 (12)(13) 井戸 (20) ストレーナー (21) ケーシング (30) 地下帯水層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地盤に複数の井戸を設け、冷房時におい
   て、それら井戸のうち一部の井戸から汲み上げた地下帯
   水層の地下水を、冷媒との熱交換に利用した後、他の井
   戸に注入して地下帯水層に還元し、暖房時において、前
   記の他の井戸から汲み上げた地下帯水層の地下水を、冷
   媒との熱交換に利用した後、前記の一部の井戸に注入し
   て地下帯水層へ還元するようにしたことを特徴とする地
   下水を利用したヒートポンプシステム。
2. 【請求項２】 各井戸は、深さ１０ｍ以内の浅井戸とさ
   れている請求項１記載の地下水を利用したヒートポンプ
   システム。
3. 【請求項３】 各井戸は、ストレーナー付きのケーシン
   グを地上から直接打ち込む打込工法によって施工されて
   いる請求項１又は２記載の地下水を利用したヒートポン
   プシステム。
4. 【請求項４】 各井戸は、少なくとも８ｍの間隔をあけ
   て設けられている請求項１乃至３のいずれかに記載の地
   下水を利用したヒートポンプシステム。