JP2003262430A - 地中熱利用のヒートポンプ - Google Patents

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
熱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、少なくとも２本以上の
往路配管１４と、その往路配管に連通すると共に、往路
配管の数と同数かまたは常に少ない本数の復路配管から
なる復路管１６とからなる循環管路１２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いる。地中熱との熱交換
を行って中温となった熱媒体は、復路配管内において流
速を速められ、往路配管を流下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るので、熱交換効率が大幅に向上
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、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、
熱交換媒体を循環させる循環管路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】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、大きく分けてＵ字管タイプと同軸
パイプタイプの２種類がある。これらのパイプはいずれ
も往路配管と復路配管を有して構成され、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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者ら
は、先に出願した特開2001‐289533において、Ｕ字管タ
イプの地中熱交換器を改良して、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ために、
Ｕ字形配管の復路配管の一部を縮径して、復路配管内の
熱媒体の流速を速めて、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な構造を提案した。

【０００７】図５は、このようなＵ字形配管構造を有す
るヒートポンプシステムを示しており、地中熱交換器と
しての循環管路１２を含んだヒートポンプ１０は、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。地中に掘削された坑井１８内に埋設される循環管路
１２は、往路配管１４に連通している復路配管１６の一
部が、往路配管１４に比して縮径されて、復路配管１６
を流れる熱媒体の流速を速めることができるように構成
されているが、外径および内径の異なる２本の配管１
４，１６をＵ字形の継手管１５で接続した形態のＵ字形
配管では、その設置環境によっては十分な熱変換効率を
得ることができないという問題点があった。そこで、本
発明は、従来のＵ字形配管構造が抱える上記問題点を解
消した熱変換効率に優れたヒートポンプを提供すること
を目的とする。

【０００８】

【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、本発明は、地
中に配設された往路配管と復路配管とからなる循環管路
内に、熱媒体を循環させてなる地中熱交換器を含み、か
つ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、前記循環管路は、少
なくとも２本以上の往路配管と、その往路配管に連通す
ると共に、その往路配管の数と同数または常に少ない数
の復路配管からなることを特徴とする。

【０００９】上記構成によれば、復路配管を流れる媒体
の流速を往路配管を流れる媒体の流速より速めることが
可能となるため、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して、往路管路と復路管路と
の間での熱伝達を有効に阻止することができ、循環管路
の熱交換効率を一層高めることができる。

【００１０】また、本発明によるヒートポンプにおい
て、前記往路配管の総流路断面積Ｓ１と、前記復路配管
の総流路断面積Ｓ２とが、Ｓ１＞Ｓ２の関係にあること
が望ましい。その理由は、Ｓ１が大きいほど、媒体が地
中より得る熱量が大きくなり、また、S２が小さいほ
ど、往路の影響により媒体が失う熱量が小さくなるため
である。

【００１１】上記循環管路において、前記復路配管の少
なくとも一部の内径が縮径されていることが望ましく、
それによって、復路配管内の熱媒体の流速を更に速める
ことができるので、循環管路の熱交換効率を更に一層高
めることができる。

【００１２】さらにまた、前記往路配管と復路配管との
間には、断熱材が介設されていることが望ましく、その
断熱材は発泡ポリエチレンまたは発泡スチロールである
ことが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１においては、本発明に係るヒ
ートポンプを構成する地中熱交換器としての循環管路１
２を、２本の往路配管１４と１本の復路配管１６とから
形成した第１の実施形態が概略的に示されている。すな
わち、地中熱交換器としての循環管路１２は、地中にほ
ぼ鉛直方向に掘削された坑井１８内に配設された２本の
往路配管１４と、継手管１５を介して２本の往路配管１
４に連通している１本の復路配管１６とで、ループ状の
循環水路を形成した形態であり、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て使
用される。

【００１４】上記循環管路１２が敷設（埋設）される坑
井１８は、直径が７５〜３００ｍｍであるとともに、深
さが５０〜２００ｍの範囲内に掘削されることが望まし
い。また、循環管路１２を構成する往路配管１４および
復路配管１６は、外径Ｄが２７〜５０ｍｍ、内径ｄが２
２〜４１ｍｍであるような、ポリエチレンやポリブチレ
ン等の樹脂材料から形成された配管であることが望まし
い。

【００１５】復路配管１６の内径は、図示されていない
が、地表および地表から下方に所定距離だけ離れた個所
においては、往路配管１４の内径に比して縮径した構成
とすることもできる。このような復路配管１６の縮径す
る部分は、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１４内の熱媒体の温度の影響を
受け易い個所とし、そのパイプ内径の縮径度は、地中内
のパイプ長や、パイプ外径、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までの部分の内径が縮径され、それよりも下
方に位置する部分は次第に拡径されて、往路配管１４の
内径ｄと同一に形成されることが望ましい。

【００１６】そして、２本の往路配管１４は、互いに５
〜５０ｍｍの距離だけ離間配置された状態で継手管１５
に結合され、さらに、この継手管１５には、下端部がＵ
字形に形成された１本の復路配管１６が結合された状態
で、たとえば、直径が約１５ｃｍ、深さが約１００ｍの
坑井１８内に配置されるとともに、坑井内に注入された
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１８の深度は、その坑井が位置する場
所の地下温度分布によって異なる。

【００１７】上記循環管路１２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。

【００１８】この実施形態における循環管路１２内を循
環する熱媒体の流速は、たとえば、往路配管１４の外径
を２７ｍｍ、復路配管１６の外径を３３ｍｍとした場合
には、それらの循環管路１２内を流れる熱媒体としての
循環水の流量を３ｍ^３／ｈ程度に設定し、２本の往路配
管１４内では１．４６ｍ／ｓ、復路配管１６内では１．
６４ｍ／ｓとなるように構成し、往路配管１４に流入す
る入口側の循環水温度が０℃である場合には、復路配管
１６から流出する出口側の循環水温度が２℃となるよう
に構成する。

【００１９】このような管路構造を採用することによっ
て、往路管路１４と復路管路１６との間での熱伝達が阻
止されるとともに、地表温度および地表付近の外気温度
の変化が復路管路１６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、循環管路１２の熱効率を
高めることができる。

【００２０】図１に示す循環管路１２は、２本の往路配
管１４と1本の復路配管１６とを継手管１５によって結
合した実施形態であるが、本発明に係るヒートポンプ
は、このような実施形態に限定されるものではなく、図
２に示すように、循環管路１２を、３本の往路配管１４
とそれらに連通する1本の復路配管１６とを、継手管１
５によって結合した形態、あるいは、図３に示すよう
に、循環管路１２を、３本の往路配管１４とそれらに連
通する２本の復路配管１６とを、継手管１５によって結
合した形態を採用することによって、熱交換効率を更に
向上させることができる。以下、そのような実施形態に
ついて説明する。

【００２１】図２に示す実施形態は、３本の往路配管１
４を、互いに５〜４０ｍｍの距離で等間隔に配置された
状態で継手管１５に結合し、さらに、この継手管１５に
対して、下端部がＵ字形に形成された１本の復路配管１
６を結合して循環管路１２を形成したものであり、第１
の実施形態と同様に、坑井１８内に配置されるととも
に、固定される。

【００２２】図３に示す実施形態は、３本の往路配管１
４を互いに５〜４０ｍｍの距離で等間隔に配置された状
態で、Ｕ字形に形成された継手管１５に結合すると共
に、その継手管１５に対して２本の復路配管１６を結合
して循環管路１２を形成したものであり、第１の実施形
態と同様に、坑井１８内に配置されるとともに、固定さ
れる。

【００２３】上記構造に加えて、復路配管１６の外周面
を断熱材によって包囲したり、復路配管１６に縮径部を
形成した場合には、その縮径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、その
外周面を断熱材によって包囲したり、また、往路管路１
４と復路配管１６との間に断熱材を介設することもで
き、このような断熱材を併設することによって、往路配
管１４と復路配管１６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。

【００２４】このような断熱材としては、坑井１８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、
たとえば発泡ポリエチレンや発泡スチロール等の多孔質
材が好ましい。

【００２５】上記各実施形態においては、地中熱交換器
としての循環管路１２を含んだヒートポンプ１０は、地
上側施設の冷暖房用配管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循環管路１２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４
０によって熱的に結合される。

【００２６】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の冷暖房に適用する場合の動作につ
いて、図４を参照にして説明する。まず、坑井１８に埋
設した循環管路１２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１６の縮
径された部分を通じて地上に戻り、地上側施設内に設置
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１４に流入する。こ
の際、復路配管１６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１
４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。

【００２７】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４（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。

【００２８】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、循環管路１２の復路配管１６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。

【００２９】以上の説明は、地中熱交換器としての循環
管路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４（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３
２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。

【００３０】すなわち、循環管路１２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１６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１４に流入する。

【００３１】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。

【００３２】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、
循環管路１２の復路配管１６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。

【００３３】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１４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。尚、上記の実施形態においては、
循環管路１２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、または地表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。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の地中熱を
用いたヒートポンプは、循環管路は、少なくとも２本以
上の往路配管と、その往路配管に連通すると共に、その
往路配管の数と同数かまたは常に少ない本数の復路配管
から構成する。地中熱と熱交換を行って中温となった熱
媒体は、復路配管内において流速を速められ、往路配管
を流下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る
ので、熱交換効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係るヒートポンプを構成する循
環管路の第１の実施形態を示す概略的な縦断面図であ
る。

【図２】図２は、同じく循環管路の第２の実施形態を示
す概略的な縦断面図である。

【図３】図３は、同じく循環管路の第３の実施形態を示
す概略的横断面図である。

【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、本発明に係るヒートポ
ンプを用いた冷暖房サイクルの説明図である。

【図５】従来のＵ字形配管を有するヒートポンプシステ
ム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 循環管路 １４ 往路配管 １５ 継手管 １６ 復路配管 １８ 坑井 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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桑野 恭 東京都中央区日本橋小網町８番４号 地熱 エンジニアリング株式会社内 Ｆターム(参考） 3L103 AA35 BB01 CC04 DD06 DD09

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地中に配設された往路配管と復路配管と
   からなる循環管路内に、熱媒体を循環させてなる地中熱
   交換器を含み、かつ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、 前記循環管路は、少なくとも２本以上の往路配管と、そ
   の往路配管に連通すると共に、その往路配管の数と同数
   または常に少ない数の復路配管からなることを特徴とす
   るヒートポンプ。
2. 【請求項２】 前記往路配管の総流路断面積Ｓ１と、前
   記復路配管の総流路断面積Ｓ２とが、Ｓ１＞Ｓ２の関係
   にあることを特徴とする請求項１に記載のヒートポン
   プ。
3. 【請求項３】 前記復路配管の少なくとも一部の内径が
   縮径されていることを特徴とする請求項１または２に記
   載のヒートポンプ。
4. 【請求項４】 前記往路配管と復路配管との間には、断
   熱材が介設されていることを特徴とする請求項１〜３の
   いずれかに記載のヒートポンプ。
5. 【請求項５】 前記断熱材は発泡ポリエチレンまたは発
   泡スチロールであることを特徴とする請求項４に記載の
   ヒートポンプ。