JP2004271129A

JP2004271129A - 地中熱交換システム

Info

Publication number: JP2004271129A
Application number: JP2003065508A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Nagura; 克博名倉; Yoshio Akiyama; 良雄秋山; Tamotsu Kurimoto; 保栗本
Original assignee: Tone Boring Co Ltd
Current assignee: Tone Boring Co Ltd
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】地中熱交換システムにおいて、地中への蓄熱を防止して熱交換効率を高めると共に低コストで製造・施工できるようにする。
【解決手段】地下水層域の地中熱を利用した熱交換システムにおいて、複数の削孔に採熱管と水管を併設し、一つの削孔から吸い上げた地下水を他の削孔の同じ地下水層に還流して地中への蓄熱を防止し、採熱管の入口と出口の温度差を長期間維持できるようにする。異なる地下水層の混合を防止し、環境に影響を与えないようにした。採熱管周囲に充填するグラウトに粒度調整した石英質の多い珪砂を混入して熱伝導度をあげ、熱交換量を増大させる。更に、採熱管の表面を波形にして表面積を大きくすると共に可撓性を利用してロール状に巻き取って運搬・保管を容易にし、巻き取った波形管を繰り出して削孔に挿入することによって継目のない採熱管として施工を容易にし、継目からの漏液を解消した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下１０〜２００ｍの地中の比較的浅い部分に存在する低温域の熱源を有効利用するものであり、この熱をヒートポンプ等の熱交換器を用いて融雪、冷暖房及びハウス栽培等に利用する地中熱交換システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球温暖化に対し、化石燃料に代わるエネルギーとしてクリーンな自然エネルギーが脚光を浴びている。地下１０ｍ以下の温度は年間を通じてほぼ一定であり、エネルギー密度は低いが量的に期待できるエネルギー源である。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２８９５３３号公報（特許請求の範囲、要約、図１）
【０００４】
既往の地中熱交換方式をブラインの循環形式で分類すると次の方式が挙げられる。（図１４参照）
▲１▼二重管方式
▲２▼Ｕチューブ方式
▲３▼ＷＵチューブ方式
二重管方式は、内管と外管の二重管から構成されており、外管を流下する循環ブラインが最下端から内管を通って再びヒートポンプ（熱交換器）に返送される循環方式である。ブラインが外管から内管を通って循環する方式も可能である。
【０００５】
Ｕチューブ方式は、２本の高密度ポリエチレンチューブをＵチューブで連結してあり、錘を付して削孔内に降ろし、チューブ周辺にグラウトで充填して固定したものであり、Ｕチューブの一方の入口から他方の入口にブラインを通して熱交換するものである。
【０００６】
ＷＵチューブ方式は、二組のＵチューブを直角に配置したものを削孔内に降ろし、チューブ周辺にグラウトを充填して固定するもので、ブラインをＷＵチューブ内に通して熱交換をおこなう方式であり、Ｕチューブ方式の熱交換量を増大させたものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
地中熱交換システムにおいて、熱交換量を大きくするためには、採熱管内を通過するブライン入口温度と出口温度の差を大きくする必要がある。熱交換効率を大きくするためには、採熱管の表面積を大きくすることは有効であるが、細管を多く配置して表面積を増大させようとすると複雑な構造となり、チューブ同士の結合箇所が多くなり、採熱管の継目からの漏液等に対する対策を必要とする。更には、複雑な構造の採熱管を削孔に設置する施工が煩雑となり、製造コスト及び施工コストが高くなるという問題があった。
【０００８】
また、採熱管は、各地層を貫通して設置される。この場合、地下水流が速い砂礫層の熱交換量は大きいが、地下水がほとんど流れない粘性土層の熱交換量は小さい。
ヒートポンプ等の熱交換システムの稼働時間経過と共に採熱管及び周辺に温（冷）熱が供給されると、地下水がほとんど流れていない地層に徐々に蓄熱されることになり、熱交換システムの入口温度と出口温度の差が徐々に小さくなる。したがって、熱交換効率が季節初めには高いが、季節の終わりには熱交換効率が低下する。
【０００９】
更に、複数の地下水層が存在する場所では、地下水層が削孔で貫通され、削孔を通じて地下水流が各層間を移動して混合され、地下水の物性を変化させる恐れがある。そのため、採熱管の周囲を砂、または、ベントナイトセメントのグラウトを充填してシールし、地下水の混合を防止している。
従来、グラウトは、採熱管と削孔の隙間に地上から直接投入したり、グラウト注入管を採熱管の下端まで延ばして採熱管の下端から注入し、採熱管外壁と削孔壁の間を充填していた。
【００１０】
採熱管は、径が４〜１０インチ（約１０〜２５ｃｍ）であり、５〜８インチ（約１３〜２０ｃｍ）のものが多用され、その長さは、２０〜２００ｍである。
削孔内に二重管やＵチューブ等の採熱管を挿入すると削孔と採熱管との間隙は非常に小さく、しかも、細長いのでベントナイトセメントのような流動性の高いグラウトを使用しなければならない。しかし、ベントナイトセメントの流動性を高めるためには水分を８５〜９５％の配合にする必要があり、殆どが水であるため密度が低く、グラウトの熱伝導率は、１Ｗ／ｍ・Ｋ以下でしかなく、非常に小さいものであった。
本発明は、採熱管の入口と出口の温度差を適切に維持するようにして、削孔内に熱の蓄積がおこらないようして採熱管の熱交換量を大きくし、地中熱交換システムの初期投資費用を減少させようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
地下水層域の地中熱を利用した熱交換システムにおいて、複数の削孔に採熱管と水管を併設し、一つの削孔から吸い上げた地下水を他の削孔の同じ地下水層に還流して地層への蓄熱が発生しないようにすることによって採熱管の入口と出口の温度差を大きくし、大きな温度差を長時間維持できるようにすると共に、異なる地下水層の混合を防止し、環境に影響を与えないようにした。
採熱管の近傍に流体を充填した気密管を配置し、管内を減圧することによって流体を気化させ、その際の気化熱によって採熱管を冷却すると共に、熱エネルギーを回収するものである。
採熱管周囲に充填してあるグラウトに粒度調整した石英質の多い珪砂を混入してグラウトの密度を高め、その結果グラウトの熱伝導度が高まり、熱交換量を増大させた。
更に、採熱管の熱交換量を大きくするため金属管の表面を部分的にまたは全面的に波形に加工して表面積を大きくすると共に可撓性を利用してロール状に巻き取って運搬・保管を容易にし、巻き取ったロールから波形管を繰り出して削孔に挿入することによって継目なしの採熱管として施工を容易にすると共に、採熱管の継目からの漏液を解消した。
【００１２】
【実施例】
図１に本発明の基本的概念図を示す。
２つの削孔１０、１１を地中に形成し、Ｕチューブ２０、２１を削孔１０、１１に設置する。Ｕチューブ２０内には通常のヒートポンプシステムと同様にポンプ３０によってブラインを循環させる熱交換器３１が設置してある。
Ｕチューブの中心には水管４０、４１が設置してあり、水管４０、４１の地下水層５に位置する部分には、スリット４２、４４が形成してある。水管４０、４１は、ポンプ４３を介して連結してあり、一つの削孔の水管４０のスリット４２からポンプ４３によって吸引された特定の層の地下水は、他の削孔１１の水管４１に送られ、同じ地下水層５に位置するスリット４４から放出される。同じ地下水層に還流させるので、異なる地下水層の混合による環境問題等を引き起こすことがない。
【００１３】
水管４０、４１を通じて送られる地下水量は少量で十分であり、ポンプ４３を電気モータで駆動する場合、供給電力は太陽電池で十分間に合う程度であり、電源設備を簡略化できる。
また、図２に示すように、地下水を吸引する削孔の周囲に他の削孔を複数配置し、一つの水管から複数の削孔に地下水を流下還流させることも可能である。
更に、一つの水管から、複数のＵチューブに地下水を通し、還流した地下水を集めて、遠く離れた同一地下水層などの還流させることも可能である。
【００１４】
削孔内に設置する採熱管は、図３に示すようにフレキシブルな金属製の波形パイプを使用する。継目のない連続するフレキシブルパイプ２２をドラム２４に巻き取って保管及び運搬することが可能である。採熱管に継目が形成されないことから、従来の採熱管のような継目からの漏液の恐れが少なくなった。
図４に示すように削孔の周囲に採熱管のドラム２４を図５に示すように８本対向して配置し、対向するフレキシブルパイプ２２の先端を連結し、図６に示すスペーサ２６で相互の間隔を保持しながら連続的に削孔内に設置する。フレキシブルパイプ２２は結束バンド２８によってスペーサ２６に固定されている。従来のように、直管の採熱管を継手を介して接続する必要がないため、施工時間を大幅に短縮することができる。
【００１５】
波形のフレキシブルパイプ２２は、ステンレスやチタン製の耐食性金属で、熱伝導率は１９〜２０（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度あり、従来、採熱管として使用されている高密度ポリエチレンチューブの約４０倍であり、伝熱特性が優れている。また、波形であるので、表面積が直管の数倍となり、伝熱面積の増大によって熱交換量が大きくなる。
【００１６】
採熱管の全長を波形管とすると高価となり、また、損失水頭が大きくなるので、図７に示すように直管２３とフレキシブルパイプ２２を交互に連結し、フレキシブルパイプ２２部分でおり曲げて図８に示す角型ドラム２５に巻き取ってコンパクトにし、長尺の採熱管をトラックで運搬できるようにする。
削孔内に設置する場合は、図５に示すように、削孔の周囲にフレキシブルパイプ２２を巻き取った角型ドラム２５を対向して配置し、角型ドラム２５から折り曲げた部分を直線に延ばしながら、かつ、複数本を組合せながら削孔内に建込む。
図８に示すように、直管とフレキシブルパイプが交互に接続してある採熱管を巻き取ってある角型ドラム２５をクランク機構、または、摺動機構によって採熱管の削孔内への挿入に同期させて削孔に近づいたり遠ざかるように左右に移動させて直管部分が垂直に削孔内に挿入されるようにする。
【００１７】
フレキシブルパイプ２２の先端は、中央部分に水管を通すために図１及び図２に示すように、２本の管の先端を円周方向に曲げて連結する。その他のフレキシブルパイプ２２も同様に曲げて結合し、削孔中上下方向の同一断面に設置する。
【００１８】
削孔内に設置した採熱管の周囲にはグラウトを充填する。このグラウトの密度を高めることによって熱交換量に大きく寄与するグラウトの熱伝導率を高くすることが可能である。
グラウトに使用する砂として熱伝導率が大きい石英質に富む珪砂を使用する。グラウトの密度を最大にするため、予め所定の粒度範囲毎に分級しておく。充填密度が最大になるようにするため、分級した珪砂を２種以上混合して粒度調整する。
【００１９】
珪砂を多く配合するには、各粒度を適宜配合した粒度過積曲線の通過率６０％の粒径であるＤ６０と通過率１０％のＤ１０の比である均等係数（Ｄ６０／Ｄ１０）を大きくするのが望ましく、粒度曲線に段差が出現しないように滑らかな曲線となるように各粒度配合を調整する。
図９に４号珪砂、５号珪砂、６号珪砂、及び７号珪砂の粒度分布と４、５、７号の３種類の珪砂を用いて粒度調整した２つの例を示す。同じ流動性のグラウトとしたとき、当然であるが、粒度曲線に段差のない３種の珪砂を１／３づつ配合したものの方が珪砂含有量が多く、密度も大きくなっている。更に、グラウトに炭酸カルシウムや石英粉からなるフィラーを添加して細粒分の粒度調整をおこない、これにセメント等の固化材と混和剤及び水を加えて混練りしてグラウトを製造する。
【００２０】
更に、グラウトの密度が２トン／ｍ^３以上、スランプフロー（日本道路公団規格ＪＨＳＡ３１３−１９９２）が２３０ｍｍ以上となるようにセメント等の固化材、細粒分としてフィラー、さらには、分離防止のためのセルロース系増粘剤及び水を加えて混練りし、熱伝導度の高い充填用グラウトを得る。
スランプフロー値が２３０ｍｍ以上であると、狭い空隙にも効率よく充填することが可能である。また、グラウトの材料分離を小さくするためには、ブリージング率（ＪＳＣＥ―Ｆ５５２−１９９２による）を５％以下とするのが好ましい。
【００２１】
図１０の配合例では、密度を大きくしていくと熱伝導率が約３Ｗ／ｍ・Ｋとなり、一般的なモルタルまたはコンクリートの１．０〜１．５Ｗ／ｍ・Ｋの２倍程度のものが得られた。
このグラウトを地中熱交換システムに使用することにより、採熱管と地盤との熱交換率は飛躍的に向上し、熱交換システムにおける熱効率が高まる。
【００２２】
削孔内に設置した採熱管の周囲のグラウトの充填度を高めることによって充填領域の熱伝導率は高くなる。グラウトの充填時に空隙を発生させないようにしなければならない。そのためには、グラウトが分離せず、かつ、施工性を高めるために高い流動性を要求される。
そのため、水中不分離性混和剤を添加することが望ましい。水中不分離性混和剤は、セルロース系とアクリル系のものがあり、これらを１〜１０ｋｇ／ｍ^３程度添加するとセルフレベリング性が高まるので、小さな空隙にもグラウトが充填され、グラウトの熱伝導率が向上する。
【００２３】
グラウトの配合において、水分を多くすると流動性が大きくなり施工性は向上するが、密度が小さくなり熱伝導率が小さくなる。水分量をできるだけ少なくしながらもグラウトの流動性を維持するには、減水剤を添加する。
減水剤は、メラミンスルフォン酸塩系（トリアジン系）ナフタリンスルフォン酸塩系、ポリカルボン酸塩系があり、添加量は２〜２０ｋｇ／ｍ^３である。
【００２４】
【他の実施例】
図１１に示すように、Ｕチューブ２０の近傍に流体を充填した気密管６を配置し、削孔内が蓄熱されてきたら、気密管６の内部を真空ポンプ６１で減圧することによって流体を気化させ、その際の気化熱によって削孔内を冷却すると共に、熱エネルギーを回収するものである。
【００２５】
【他の実施例】
図１２及び図１３に示すように採熱管のＵチューブ２０に囲まれた領域に蓄積される熱を放出するために、フィン２７をＵチューブ２０を固定するスペーサ２６に取り付ける。Ｕチューブ２０はスペーサ２６に結束バンド２８で固定されている。フィン２７は腐蝕しにくい金属薄片を加工したもので放射状に配置されており、蓄熱された部分の熱を採熱孔周辺に速やかに放出することにより、熱交換効率を大きくするものである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明では、一つの採熱管の地下水層から地下水を少量吸い上げ、他の削孔の採熱管において、吸水したのと同じ地下水層等の地下水環境に影響を与えない層に還元することにより、熱交換効率を高め、かつ、地盤の蓄熱速度を抑制することができるので、季節の終わりにおいても十分な熱量を得ることができる。
また、熱交換効率を高めるために地下水を他の削孔に注入する手法を採用しているが、同じ地下水層内でしか地下水を移動させないので、地下水の物性を変化させることがなく、環境破壊をおこすことがない。
【００２７】
更に、採熱管を封止するグラウトに石英を多く含む粒度調整した珪砂を混入し、材料不分離剤、減水剤を添加することによりグラウトの流動性を維持したまま密度を増大させ、グラウトの熱伝率を高め、地中熱の熱交換効率を高めた。
採熱管にフレキシブルな連続波形管を採用してドラムに巻き取り可能としたので、従来の直管からなる採熱管と異なり、継目が皆無であると共に保管・運搬が容易である。採熱管に継目がないため、削孔内への挿入を連続的にすることが可能であり、施工コスト及び施工期間を短縮することができる。
また、採熱管が継目を有していないため漏液の心配がなく、管理、運転コストを減少させることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】地中熱交換システムの概念図。
【図２】複数の削孔に地下水を還流する地中熱交換システムの概念図。
【図３】波形フレキシブルパイプの正面図。
【図４】フレキシブルパイプの削孔への挿入説明図。
【図５】フレキシブルパイプの建込み時の平面図。
【図６】複数のフレキシブルパイプの断面図。
【図７】波形管と直管からなるフレキシブルパイプの正面図。
【図８】フレキシブルパイプの建込み時の正面図。
【図９】粒度調整した珪砂の粒度分布図。
【図１０】グラウト密度と熱伝導率のグラフ。
【図１１】他の実施例の断面図。
【図１２】放熱フィンの平面断面図。
【図１３】放熱フィンの正面図。
【図１４】採熱管の種類の説明図。
【符号の説明】
１０、１１削孔
２０、２１Ｕチューブ
２２フレキシブルパイプ
３０ポンプ（ブライン用）
３１熱交換器
４０、４１水管
４２、４４スリット
４３ポンプ
５地下水層

Claims

地下水層域の地中熱を利用した熱交換システムにおいて、複数の削孔に採熱管と水管を併設し、一つの削孔から吸い上げた地下水を他の削孔の同じ地下水層に還流する地中熱交換システム。
採熱管の近傍に流体を充填した気密管を配置した地中熱交換システム。
請求項２において、気密管には真空ポンプが接続してある地中熱交換システム。
請求項１〜３のいずれかにおいて、採熱管のまわりにスペーサに固定したフィンを取り付けた地中熱交換システム。
請求項１〜４のいずれかにおいて、採熱管の周囲を包囲する充填用グラウトに珪砂が混入してある地中熱交換システム。
珪砂が混入してある地中熱交換システム用グラウト。
請求項６において、珪砂が粒度調整してある地中熱交換システム用グラウト。
請求項７において、珪砂は粒度範囲ごとに分級してあり、分級した珪砂を２種以上混合した地中熱交換システム用グラウト。
請求項８において、スランプフロー（日本道路公団規格：ＪＨＳＡ３１３−１９９２）が２３０ｍｍ以上であり、密度が２トン／ｍ^３以上である地中熱交換システム用グラウト。
請求項６〜９のいずれかにおいて、水中不分離性混和剤が添加してある地中熱交換システム用グラウト。
請求項６〜１０のいずれかにおいて、減水剤を添加してある地中熱交換システム用グラウト。
フレキシブルパイプを巻きつけた複数のロールを削孔周囲に配置し、フレキシブルパイプをスペーサで相互の間隔を保持して削孔内に挿入して採熱管とする地中熱交換システムの施工法。
請求項１２において、フレキシブルパイプが金属製の波形管である地中熱交換システムの施工法。
請求項１２において、フレキシブルパイプが金属製の波形管と直管が交互に接続してある地中熱交換システムの施工法。