JP2005003272A

JP2005003272A - ヒートポンプと冷却循環坑井を備えた岩盤内地下貯蔵空間

Info

Publication number: JP2005003272A
Application number: JP2003167546A
Authority: JP
Inventors: Hisao Sasaki; 久郎佐々木; Hideo Naka; 秀男中
Original assignee: Akita University NUC
Current assignee: Akita University NUC
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2005-01-06
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: JP3887666B2

Abstract

【課題】本発明は、地下採石跡等の岩盤空間に設けた岩盤内地下貯蔵空間に関するものである。
【解決手段】本発明のヒートポンプと冷却循環坑井を備えた岩盤内地下貯蔵空間は、地下採石跡等の岩盤内地下貯蔵空間１の周辺岩盤に水平坑井４又は垂直坑井２を掘削し、該坑井に伝熱性Ｕ字管３を埋設し、該Ｕ字管３を直列又は並列に連結して前記Ｕ字管３に冷水又は冷却液を循環させることで冷熱を岩盤に蓄熱し、また地下採石跡等の岩盤内地下貯蔵空間１の出入口を密閉断熱壁１９で塞ぎ、前記岩盤内地下貯蔵空間１にヒートポンプ７と送風機能をもつ熱交換器２１を配置して、前記岩盤と前記ヒートポンプとによって前記岩盤内地下貯蔵空間の空間温度を制御するものである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下採石跡等の岩盤空間に設けた岩盤内地下貯蔵空間に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、岩盤空洞を利用した貯蔵システムが、温度及び湿度を調整しやすいことから公知となっている。
このものとして、簡易な構造によって貯蔵空間を確保すると共に、該貯蔵空間内を貯蔵に最適な温度及び湿度に安定保持できる貯蔵システムとして特開平８−１１３３３０号公報がある。
【特許文献】
上記特開平８−１１３３３０号公報は、図２に示すように、岩盤空洞内に貯蔵物を入荷貯蔵すると共に、貯蔵した貯蔵物を適時出荷し得る貯蔵システムであって、岩盤空洞の内面に防水層を形成して確保した貯蔵空間１３と、該貯蔵空間１３内に貯蔵物を入荷する搬入手段１１と、上記貯蔵物空間１３内に貯蔵した貯蔵物を出荷する搬出手段１２と、上記貯蔵空間１３内の温度及び湿度を調節する調節手段１６、１７とを備えてなることを特徴とする貯蔵システムである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、冬季に岩盤に冷熱を蓄積し夏季に取り出すことで、あるいは岩盤温度を低下させることで周辺領域から貯蔵空間への熱の流入を防止することで地下岩盤内に設けた貯蔵空間の温度制御を行うヒートポンプと冷却循環坑井を備えた雰囲気温度変化が極めて少ない岩盤内地下貯蔵空間を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明のヒートポンプと冷却循環坑井を備えた岩盤内地下貯蔵空間は、地下採石跡あるいは掘削することで設けた岩盤内地下内の貯蔵空間の周辺岩盤中にほぼ水平方向の坑井、又はほぼ上方向、あるいはほぼ下方向に坑井を複数掘削し、該坑井に鉄や銅などの良好な伝熱性材料で製作したＵ字管を埋設し、該Ｕ字管を直列又は並列に連結して前記Ｕ字管に冷水又は冷却液を循環させることで冷熱を岩盤に蓄熱し、また地下採石跡等の岩盤内地下貯蔵空間の出入口を密閉断熱壁で塞ぎ、その密閉断熱壁の一部に搬出入用のドアを設置し、前記岩盤内地下貯蔵空間に送風機能をもつ熱交換器を配置して、前記岩盤と前記ヒートポンプとによって前記岩盤内地下貯蔵空間の空間温度を制御するものである。
さらに、前記岩盤内地下貯蔵空間の床部に十和田石等の凝灰岩の石粉や子割石を敷き詰めることにより防カビ性を持たせたものである。
【０００５】
【実施例】
本発明のヒートポンプと冷却循環坑井を備えた岩盤内地下貯蔵空間の一実施例を図面に基づいて、以下に説明する。
図１に示すように、例えば秋田県北部の十和田石（凝灰岩）の地下採石跡の岩盤内地下貯蔵空間１は、幅３〜３０ｍ、高さ２〜２０ｍのほぼ断面矩形状の岩盤空洞からなり、出入口を除く３側面の側壁岩盤面及び天井の天井岩盤面にほぼ垂直な垂直坑井２が深さ５〜１５ｍで掘削される。
前記垂直坑井２は、岩盤内地下空間を構成する岩盤面に０．３〜２ｍの間隔で多数本掘削し、各垂直坑井２には鉄や銅などの熱伝導率の高い材料を用いて製作したＵ字管３を挿入した後にポルトランドセメントに熱伝導率の高い材料を２０〜４０％程度加え、孔内にセメンチングし前記垂直坑井２内に前記Ｕ字管３を固定する。
なお、破線で示すように前記垂直坑井２に代えて側壁あるいは上下の岩盤面にほぼ平行な水平坑井４を出入口側の搬入・搬出用坑道５から掘削し、水平坑井４内に前記Ｕ字管３を設置することも出来る。
多数本掘削した前記垂直坑井２および水平坑井３の内部に固定した前記Ｕ字管３は連結管６によって直列に接続し、ヒートポンプ７で冷却された−５℃〜−１０℃の不凍性の冷却液を送液管８の途中に送液ポンプ９を配設し、送液連結管１０から前記連結管６および前記Ｕ字管３に循環させて岩盤を冷却し、排出される冷却液は排液連結管１１と液戻り管１２を通り前記ヒートポンプ７に戻る。前記送液管８および前記液戻り管１２の途中にそれぞれ接続した送液ストップ弁１３の開閉によって前記Ｕ字管３への送液の有無を設定する。
冬季において０〜２℃の沢水などの低温度熱源が確保できる場合には、前記ヒートポンプ７で岩盤を冷却する前に、送水管１４にごみフィルター１５、送水ポンプ１６を接続し、前記連結管６と前記Ｕ字管３に接続し、岩盤を冷却したあとに水戻り管１７から排水することで、前記Ｕ字管３に沢水を循環させることもできる。
このとき、前記送水管１４および前記水戻り管１７の途中にはそれぞれ送水ストップ弁１８を配設し、前記送液ストップ弁１３の開閉と反対に設定し、冷却水と沢水のいずれかのラインを使用可能とする。
ただし、沢水による冷却は坑井周辺の岩盤温度が３℃程度まで低下し、冷却効率が低下した段階で前記ヒートポンプ７からの冷却水に切替える。
さらに、前記Ｕ字管３を前記連結管６で直列に接続したが、並列に接続することも可能である。
【０００６】
そして、前記岩盤内地下貯蔵空間１の出入口には、厚さ１０〜２０ｃｍの密閉断熱壁１９を設けて断熱層と密閉層を形成し、その一部分に断熱材で製作して密閉性を付加した密閉断熱ドア２０を設置し、貯蔵物の搬出入用を行う。
ただし，前記送液管８および液戻り管１２は前記密閉断熱壁１９を断熱と密閉性が保たれるように貫通させるものとする。
さらに、前記岩盤内地下貯蔵空間１の内部に送風機能をもつ熱交換器２１を設置し、前記送液管８および前記液戻り管１２で前記ヒートポンプ７と接続し、前記送液ポンプ９で温度調節された冷却液を前記送風機能をもつ熱交換器２１に循環させる。
このとき、前記岩盤内地下貯蔵空間１の雰囲気温度の計測のため、低温度用温度センサー２２を空間内部に設置し、計装線２３で温度制御器２４に接続し、さらに計装線２５で前記ヒートポンプ７へ、計装線２６で前記送液ポンプ９へ、および計装線２７で前記送液管８の途中に接続された送液流量制御弁２８に接続し、これらの機器の運転を制御することで、前記岩盤内地下貯蔵空間１の雰囲気温度を設定温度に近づける最適な制御システムを構成することができる。
さらに、前記送風機能をもつ熱交換器２１の送風量は雰囲気温度と設定温度の差に基づいて制御する機能を与えることも可能である。
また、比熱容量が大きい岩盤特性と外部からの熱流入が防止できることを利用することで、一旦雰囲気温度が設定温度になるとその変動は極めて少ない状況となる。
前記搬入・搬出坑道５外の低温熱源となる沢水の中にある排熱用熱交換器２９と前記ヒートポンプ７を排熱連結管３０によって連結し、ヒートポンプで生成される高温水を循環させることで、春季から秋季にかけて沢などの低温熱源へ排熱したり、前記排熱用連結管３０の途中から分岐された熱供給用連結管３１で工場内やオフィスに設置する送風機能を有する熱供給用熱交換器３２に連結することで工場やオフィスへの冬季における暖房用などの熱供給を可能にし、本システムの熱効率を高めることができる。
このとき前記排熱連結管３０および熱供給用連結管３１の途中に流量調節弁３３を設け、排熱量の使用割合を調節する。
ただし、通常ヒートポンプには排熱用の送液ポンプが内蔵されるが、圧力損失が大きい場合には、前記排熱用連結管３０の途中に排熱用送水ポンプ３４を付加することもできる。
また、前記岩盤内地下貯蔵空間１の床部に十和田石等の凝灰岩の石粉や子割石を敷き詰め、その上にある程度の空間を設けた上で野菜や果実など貯蔵物を貯蔵することで、貯蔵物周辺の湿度を８５〜９５％に制御し、防カビ性を付加できることが寒天培地を用いた実験結果から期待できることがわかった。
この実験では、直径１ｍｍ程度の石粉の場合は１．８ｋｇ／ｍ^２以上、直径１０ｍｍ程度の子割石を使用する場合は１８ｋｇ／ｍ^２以上を使用することで効果がある結果が得られた。
【０００７】
次に、本発明のヒートポンプ７と水平坑井４又は垂直坑井２を備えた岩盤内地下貯蔵空間１の利用の仕方について述べると、冬季には、５〜１０ｍほどの岩盤中に掘削した水平坑井４又は垂直坑井２に、沢水、雪、氷などの自然冷熱源から容易に得られる冷水あるいは冷気を循環供給して地盤・岩盤の温度を冷却低下させ、さらにはヒートポンプ７から−５〜−１０℃程度の冷却液を循環させることで冷熱を地盤・岩盤に蓄熱し、外気温が岩盤内地下貯蔵空間１の雰囲気温度より高い季節における熱の侵入を防止する役割をもつ。
また、冬季には岩盤内地下貯蔵空間１周辺岩盤固有の大きな比熱容量と外部からの熱流入を防止できるこという特性によって、気象条件に左右されずに冬季には氷結しない環境、それ以外の季節には太陽光の熱輻射の影響を受けない環境を容易に実現できる。
また、ヒートポンプ７を作動させることにより、岩盤内地下貯蔵空間１内部の熱の吸収や内部への熱供給を実施することで雰囲気温度を０℃〜１０℃のある一定温度に容易に制御でき、温度変化を極めて少なくできる。
一方、夏季には出入口部および周辺岩盤から岩盤内地下貯蔵空間１の空気層に侵入する熱をヒートポンプ７を利用して汲上げ、沢水などの低熱源へ放出することで岩盤内地下貯蔵空間１内を夏季でも０℃〜１０℃の範囲で制御することができる。
【０００８】
【発明の効果】
以上のように、各季節に応じて自然冷熱とヒートポンプによって岩盤内地下貯蔵空間内の熱の吸収又は岩盤内地下貯蔵空間内への熱放出により目標温度範囲に制御する蓄冷熱貯蔵システムが構築でき、比熱容量が大きい岩盤特性と外部からの熱流入を防止できることを利用することで、温度変動を極めて抑えた岩盤内地下貯蔵空間が実現できる。
さらに、岩盤内地下貯蔵空間の床部に十和田石などの凝灰岩の石粉や子割石を敷き詰めることで、十和田石の吸湿・放湿性を利用して岩盤内地下貯蔵空間の湿度を８５〜９５％の範囲に制御し、十和田石の防カビ性特性を利用して野菜や果実などを長期に新鮮な状態で貯蔵することを可能とする。
また、岩盤内地下貯蔵空間は通常の地上空間に比較して密閉性を付与することも極めて容易であり、岩盤内地下貯蔵空間に野菜や果実を貯蔵することで酸素が消費され、空間内雰囲気の酸素濃度が１７〜５％に低下し、炭酸ガス濃度が３〜１５％まで自然に上昇し、野菜や果実の保存性を高めることができる。
空間内雰囲気の酸素および炭酸ガス濃度が前述した濃度範囲ない場合は、岩盤内地下貯蔵空間の内部に酸化剤を入れ、岩盤内地下貯蔵空間の外から炭酸ガスを注入し、前述した濃度範囲にすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の岩盤内地下貯蔵空間の概念図である。
【図２】従来の貯蔵システムの概略側面図である。
【符号の説明】
１岩盤内地下貯蔵空間
２垂直坑井
３Ｕ字管
４水平坑井
５搬入・搬出用坑道
６連結管
７ヒートポンプ
８送液管
９送液ポンプ
１０送液連結管
１１排液連結管
１２液戻り管
１３送液ストップ弁
１４送水管
１５ごみフィルター
１６送水ポンプ
１７水戻り管
１８送水ストップ弁
１９密閉断熱壁
２０密閉断熱ドア
２１送風機能をもつ熱交換器
２２低温度用温度センサー
２３計装線
２４温度制御器
２５計装線
２６計装線
２７計装線
２８送液流量制御弁
２９排熱用熱交換器
３０排熱用連結管
３１熱供給用連結管
３２熱供給用熱交換器
３３流量調節弁
３４排熱用送水ポンプ

Claims

地下採石跡等の岩盤内地下貯蔵空間の周辺岩盤に水平坑井又は垂直坑井を掘削し、該坑井に伝熱性Ｕ字管を埋設し、該Ｕ字管を直列又は並列に連結して前記Ｕ字管に冷水又は冷却液を循環させることで冷熱を岩盤に蓄熱し、また地下採石跡等の岩盤内地下貯蔵空間の出入口を密閉断熱壁で塞ぎ、前記岩盤内地下貯蔵空間にヒートポンプと送風機能をもつ熱交換器を配置して、前記岩盤と前記ヒートポンプとによって前記岩盤内地下貯蔵空間の空間温度を制御することを特徴とするヒートポンプと冷却循環坑井を備えた岩盤内地下貯蔵空間。
前記岩盤内地下貯蔵空間の床部に十和田石等の凝灰岩の石粉や子割石を敷き詰めることにより防カビ性を持たせたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプと冷却循環坑井を備えた岩盤内地下貯蔵空間。