JP2005337569A - 地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造とその構築方法および地中熱利用システム運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 地中熱交換器周囲地盤中に放熱又は採熱による熱エネルギーを蓄積可能とする地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造とその構築方法および地中熱利用システム運転方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造において、地中に設置された地中熱交換器とヒートポンプとの間で熱交換可能とし、地中熱交換器から放熱又は採熱しながら冷暖房・冷温水運転をする時、地盤の短期的及び長期的蓄熱を効率的に行うために地中熱交換器の周囲地盤を地中断熱壁で囲繞することを特徴とする。地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造を複数設け、それぞれの地中断熱壁構造に分けて期間蓄熱する地中熱利用システム運転方法としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造とその構築方法および地中熱利用システム運転方法に関する。

外気に左右されず年間を通して安定した温度に保たれる地中に、地中熱交換器を設置し、地中熱交換器とヒートポンプとの間で熱交換可能として被空調空間を冷暖房し、給水設備等の水を加熱又は冷却する地中熱利用システムが開発されている。
地中熱利用システムは、年間を通じて安定した温度の大地を熱源として利用するため、空気熱源等の他システムに比べ成績係数（ＣＯＰ）（冷暖房能力／使用電力）の高いシステムである。
「地球熱利用システム・地中熱利用ヒートポンプシステムの特徴と課題」新エネルギー産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）発行パンフレット９ページ。

従来の地中熱利用システムは、地中に設置された地中熱交換器とヒートポンプとの間で冷暖房・冷温水運転のための放熱又は採熱の熱交換が続くと、時間の経過にともない地中熱交換器周辺の地中温度が上昇又は下降し、地中熱交換器の放熱又は採熱能力は減少する。
このため、標準的な戸建住宅では、冷暖房・冷温水運転負荷等を地中熱でまかなう場合、一般的に１００ｍ程度のボアホール型地中熱交換器が必要になっており、また、住宅以外の業務用建築物では、敷地内に設置し得る数量の地中熱交換器で安定的に得られる冷暖房・冷温水運転能力が建物全体の負荷に満たない場合が多く、成績係数の高い地中熱利用は部分的にしか使用できず、空調熱源等成績係数の劣る他の空調システムと併用して採用しなければならない事例が多い。
採放熱量を増加させ、ＣＯＰをさらに上げるためには、蓄熱を兼用することが必要であり、次の二方法が考えられる。
（１）夜間電力を利用して地盤を冷（暖）房して昼間の冷（暖）房に用いる。
ヒートポンプを使用しないで、循環水のみで冷（暖）房できるため、ＣＯＰ、採放熱量が向上する。
（２）大きな温度差で冷（暖）房運転して、地中に期間蓄熱を行う。
次の季節の始めはヒートポンプを使用しないで循環水のみで暖（冷）房できるため、ＣＯＰ、採放熱量が向上する。
上記運転を可能とするために地盤の蓄熱効率を上げる必要がある。そのためには、地下水の移動を止めることができ、かつ断熱性能の高い地中壁が必要となる。

本発明は、従来の地中熱利用システムの持つ問題点を解消するために、地中熱交換器周囲地盤中に放熱又は採熱による熱エネルギーを蓄積可能とする地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造とその構築方法および地中熱利用システム運転方法を提供することを目的とする。

本第１発明は、前記課題を解決するために、地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造において、地中に設置された地中熱交換器とヒートポンプとの間で熱交換可能とし、地中熱交換器から放熱又は採熱しながら冷暖房・冷温水運転をする時、地盤の短期的及び長期的蓄熱を効率的に行うために地中熱交換器の周囲地盤を地中断熱壁で囲繞することを特徴とする。

本第２発明は、本第１発明の地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造において、前記地中熱交換器が基礎杭と兼用されることを特徴とする。

本第３発明は、本第１又は第２発明の地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造において、前記地中断熱壁を前記地中熱交換器の設置深さと同等以上の深さまで形成することを特徴とする。

本第４発明は、本第１〜第３発明のいずれか１つの発明の地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造において、前記地中断熱壁を断熱材を混入したソイルセメントで形成することを特徴とする。

本第５発明は、本第１〜第４発明のいずれか１つの発明の地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造において、前記断熱材を、一定粒度分布を有するように成形され非吸水性独立気泡体の弾性体である熱可塑性合成樹脂系発泡粒子とし、前記熱可塑性合成樹脂系発泡粒子はポリオレフィン系樹脂及びポリスチレン系樹脂から選ばれた熱可塑性合成樹脂を発泡させ粒子化し、その表面に高分子エマルジョン、セメント高流動化剤を付着させて形成することを特徴とする。

本第６発明は、地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造の構築方法において、本第１〜第５発明のいずれか１つの発明の地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造を原位置土とセメントスラリー及び断熱材を混合・攪拌して構築することを特徴とする。
本第７発明は、第１発明〜第６発明の地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造を複数設け、それぞれの地中断熱壁構造に分けて期間蓄熱することを特徴とする地中熱利用システム運転方法である。

本発明の地中に設置された地中熱交換器とヒートポンプとの間で熱交換可能とし、地中熱交換器から放熱又は採熱しながら冷暖房・冷温水運転をする時、地盤の短期的及び長期的蓄熱を効率的に行うために地中熱交換器の周囲地盤を地中断熱壁で囲繞する構成により、地下水の移動を止めることができ、夜間電力を利用して地盤に蓄熱された熱エネルギーの拡散を防止でき蓄熱効率が向上し、結果としてヒートポンプを使用しないで循環水のみで冷暖房ができるため、ＣOＰ、採放熱量を向上することが可能となる。
地中熱交換器を基礎杭と兼用することにより地中熱利用システムの施工コストが低減化する。
地中断熱壁を地中熱交換器の設置深さと同等以上の深さまで形成する構成により、蓄熱された熱エネルギーの拡散が防止され地中熱交換器周辺地盤の蓄熱効率を向上させることができる。
地中断熱壁を断熱材が混入したソイルセメントで形成することにより、構築の容易な地中断熱壁構造とすることができる。
断熱材としての一定粒度分布を有するように成形され非吸水性独立気泡体の弾性体である熱可塑性合成樹脂系発泡粒子を、ポリオレフィン系樹脂及びポリスチレン系樹脂から選ばれた熱可塑性合成樹脂を発泡させ粒子化し、その表面に高分子エマルジョン、セメント高流動化剤を付着させて形成することにより、セメントスラリー、原位置土と混合・攪拌する際、セメント高流動化剤が緩やかに溶け出し、非吸水性の発泡粒子の表面を親水性とする高分子エマルジョンが離脱することがなく、発泡粒子とセメントとの親和性が維持され発泡粒子の浮き上がりによる分離が防止でき、断熱材がソイルセメント中に均等に安定して分散し、強度にむらがなく断熱性の高い地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造とすることができる。
地中断熱壁構造の構築方法を、原位置土とセメントスラリー及び断熱材とを混合・攪拌する方法とすることにより、既存の施工装置を使用でき、施工期間が短く、施工コストが安価となる。
地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造を複数設け、それぞれの地中断熱壁構造に分けて期間蓄熱する地中熱利用システム運転方法とすると、中空断熱壁で囲繞された地盤にそれぞれ独立して温熱または冷熱を短期的または長期的な期間蓄熱できるため、短期的に安価な夜間電力を利用して昼間の運転に温熱（または冷熱）を一方の断熱囲繞地盤に蓄熱する一方、他方の断熱囲繞地盤に冷熱（または温熱）を効率的に長期的な蓄熱することができる。そのため、前記一方の断熱囲繞地盤に夜間電力を利用して蓄熱した温熱（または冷熱）をヒートポンプを使用せずに昼間の暖房（または冷房）運転の熱源に利用することができるばかりでなく、夏季に前記他方の断熱囲繞地盤に蓄熱した温熱を冬季にヒートポンプを使用せずに暖房運転の熱源に利用したり、冬季に前記他方の断熱囲繞地盤に蓄熱した冷熱を夏季にヒートポンプを使用せずに冷房運転に使用したりすることができるため、効率的な運転ができるばかりでなくＣＯＰおよび採放熱量を向上させることができる。

本発明の実施の形態を図により説明する。図１、図２は、本発明の地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造の一実施形態の概略を示す図である。図３（ａ）（ｂ）は、地中熱交換器を２グループに分割した実施例である。図４は、夜間電力を利用した地中熱利用システムの夏（冬）季の冷（暖）房・冷（温）水運転時の一実施形態を示す図である。図５は、大きな温度差で夏（冬）に冷（暖）房運転して地中に期間蓄熱を行い、次シーズンの始めには、ヒートポンプを使用しないで循環水のみで暖（冷）房する実施例である。

図１、図２及び図３（ａ）（ｂ）に示されるように、本発明の地中熱利用システム１は、建物１３の地下に複数の地中熱交換器２が設置される。建物１３の地下に設置される地中熱交換器２は、地中に形成されるボアホール、杭基礎、直接基礎、地中連続壁等の地中地盤と接するすべての部材に適用可能であるが、周囲地盤との熱交換性等を考慮すると鋼管杭が望ましい。建物１３地下に設置された複数の地中熱交換器２の周囲には、地中断熱壁５が形成される。地中断熱壁５の形成深さは、地中熱交換器２の設置深さと同等以上とすることが望ましい。図３（ａ）（ｂ）に示されるように、地中熱交換器２を２つの地中熱交換器のグループ２、２’に区画し、夫々のグループの地中熱交換器２、２’を地中断熱壁５で区分して配置してもよい。なお、地中断熱壁５を建物の基礎として利用することも可能である。

地中断熱壁５は、ソイルセメント連続壁工法により形成される。ソイルセメント連続壁工法は、セメント・ベントナイト・水の混合流体であるセメントスラリーが原位置土と混合・攪拌して形成される。本発明の地中断熱壁５は、セメントスラリーに断熱材を混入して原位置土と混合・攪拌して形成される。断熱材として、一定粒度分布を有するように成形され非吸水性独立気泡体の弾性体である熱可塑性合成樹脂系発泡粒子を、ポリオレフィン系樹脂及びポリスチレン系樹脂から選ばれた熱可塑性合成樹脂を発泡させ粒子化し、その表面に高分子エマルジョン、セメント高流動化剤を付着させたものが望ましい。

セメントスラリー、原位置土と断熱材を混合・攪拌する際、セメント高流動化剤は緩やかに溶け出し、非吸水性の発泡体粒子の表面を親水性とする高分子エマルジョンが離脱しないので、発泡粒子とセメントスラリーとの親和性が維持され発泡粒子の浮き上がりによる分離も防止でき、断熱材がソイルセメント中に均等に安定して分散し、強度のむらのない、断熱性の高い地中断熱壁５とすることができる。

高分子エマルジョンとしては、エポキシ系樹脂エマルジョン、アクリル系樹脂エマルジョン、酢酸ビニル系樹脂エマルジョン、エチレン−酢酸ビニル共重合体エマルジョン、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）ラテックス、クロロプレンゴム（ＣＲ）ラテックス、アスファルトエマルジョン、これらの混合物などが挙げられる。なかでも、セメント混和用に調整したアスファルトエマルジョンとアクリル樹脂エマルジョンの混合物が、熱可塑性樹脂系発泡粒子の表面への付着性に優れ、経済性にも優れているので好ましい。

セメント高流動化剤は、セメントと水、セメントと砂と水、或いはセメントと砂と砂利と水を混合する際のセメントペースト、モルタル又はコンクリートの流動性を向上するために用いるものであり、ナフタリンのスルフォン化物、メラミン誘導体、リグニンスルフォン酸塩、これらの混合物などである。これらのセメント高流動化剤は、セメントの規定量に相当する量を、高分子エマルジョンに混合して熱可塑性合成樹脂系発泡粒子表面に付着させても、高分子エマルジョンを熱可塑性合成樹脂系発泡粒子表面に付着させた後、セメント高流動化剤を付着させてもよい。

図４は、本発明の地中熱利用システム１を、夜間電力を利用した地中熱利用システムの夏（冬）季の冷（暖）房・冷（温）水運転時の一実施形態を示す図である。地中熱利用システム１は、地中断熱壁５で周囲を囲繞された地中に設置される複数の地中熱交換器２、ヒートポンプ３、被空調空間４及びブライン（熱媒体液体又は熱媒体気体）を循環させるブライン配管６を有する。この実施形態では地中熱交換器２として下端に羽根１４を有する回転圧入鋼管杭としたものである。ヒートポンプ３は、圧縮機７と凝縮器８と膨張弁９と蒸発器１０とそれらを接続し冷媒を循環する冷媒配管１１と冷媒の流れを正逆方向に切り替える四方弁１２から構成される。

さらに、図４に示す形態では、地盤（地中）はそれぞれ独立して区画形成されるように囲繞された地中断熱壁５を用いて断熱されたＡ地盤部（地中部）とＢ地盤部（地中部）との２つに分割されている。
夏期冷房運転時は昼間冷房運転するために、夜、安価な夜間電力を利用してＡ地盤部を冷やす冷房運転を行う。夜間電力運転時には地中熱交換機２を冷房する一方、クーリングタワー１５を介して放熱する。このときクーリングタワー１５で放熱する熱を放熱しないで、地中熱交換機２´を介してＢ地盤部に期間蓄熱し冬季に利用することも出来る。Ａ地盤部は夜間に十分な冷熱が蓄積され昼間の冷房時にはヒートポンプ３を使用することなく、ブライン配管６を循環する循環水により直接被空調空間４を冷房できるため、ＣＯＰ及び採放熱量を向上させることが出来る。
冬期暖房運転時は昼間暖房運転するために、夜、安価な夜間電力を利用してＡ地盤部を暖める暖房運転を行う。夜間電力運転時には地中熱交換機２を暖める一方、地中熱交換機２´を介してＢ地盤部を冷やすことになり、冷熱を期間蓄熱し夏季に利用することも出来る。Ａ地盤部は夜間に十分な温熱が蓄積され、昼間の暖房時にはヒートポンプ３を使用することなく、ブライン配管６を循環する循環水により直接被空調空間４を暖房できるため、ＣＯＰ及び採放熱量を向上させることが出来る。
このように、地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造を複数設け、それぞれの地中断熱壁構造に分けて期間蓄熱する地中熱利用システム運転方法とすると、中空断熱壁で囲繞された地盤にそれぞれ独立して温熱または冷熱を短期的または長期的な期間蓄熱できるため、短期的に安価な夜間電力を利用して昼間の運転に温熱（または冷熱）を一方の断熱囲繞地盤に蓄熱する一方、他方の断熱囲繞地盤に冷熱（または温熱）を効率的に長期的な蓄熱することができる。そのため、前記一方の断熱囲繞地盤に夜間電力を利用して蓄熱した温熱（または冷熱）をヒートポンプを使用せずに昼間の暖房（または冷房）運転の熱源に利用することができるばかりでなく、夏季に前記他方の断熱囲繞地盤に蓄熱した温熱を冬季にヒートポンプを使用せずに暖房運転の熱源に利用したり、冬季に前記他方の断熱囲繞地盤に蓄熱した冷熱を夏季にヒートポンプを使用せずに冷房運転に使用したりすることができるため、効率的な運転ができるばかりでなくＣＯＰおよび採放熱量を向上させることができる。なお、Ａ地盤部およびＢ地盤部がそれぞれ複数あってもよい。

図５は、地中熱交換機２に投入する循環水の夏と冬の温度差を大きくする事により、夏(冬)期の冷(暖)房運転の放(採)熱量を十分に確保し、かつ地中により多くの温(冷)熱を期間蓄熱をして、次シーズンの初めにはヒートポンプ３を使用しないで循環水のみで暖(冷)房する実施例である。このように、地中熱交換機２に投入する循環水の夏と冬の温度差を大きくする運転をして期間蓄熱すると、蓄熱効率等を上げることができるばかりでなく、ＣＯＰ及び採放熱量を向上させることが出来る。
夏(冬)の中旬から終わりにかけて、地中熱交換機２への投入温度を高(低)くして冷(暖)房運転すれば、冷(暖)房運転に支障を来すことなく地中温度を上(下)げることが出来る。冬(夏)の初めにはその地中熱を利用してヒートポンプ３を介することなく暖(冷)房を行うことが出来る。
下記表１に、図５中の（イ）（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）（ヘ）の６箇所の配管内を流れる循環水の温度例を示す、Ｓｓは夏の始めの温度（℃）を、Ｓｅは夏の中旬〜終りの温度（℃）を、Ｗｓは冬の初めの温度（℃）を、Ｗｅは冬の中旬〜終りの温度（℃）を、ｓは始めを、ｅは季節の中旬〜終りを、それぞれ示している。

本発明の一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態を示す図である。 （ａ）（ｂ）本発明の一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態を示す図である。

符号の説明

１：地中熱利用システム
２：地中熱交換器
２’：地中熱交換器
３：ヒートポンプ
４：被空調空間
５：地中断熱壁
６：ブライン用配管
７：圧縮機
８：凝縮器
９：膨張弁
１０：蒸発器
１１：冷媒用配管
１２：四方弁
１３：建物
１４：羽根
１５：クーリングタワー

Claims (7)

1. 地中に設置された地中熱交換器とヒートポンプとの間で熱交換可能とし、地中熱交換器から放熱又は採熱しながら冷暖房・冷温水運転をする時、地盤の短期的及び長期的蓄熱を効率的に行うために地中熱交換器の周囲地盤を地中断熱壁で囲繞することを特徴とする地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造。
2. 前記地中熱交換器が基礎杭と兼用されることを特徴とする請求項１に記載の地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造。
3. 前記地中断熱壁を前記地中熱交換器の設置深さと同等以上の深さまで形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造。
4. 前記地中断熱壁を断熱材を混入したソイルセメントで形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造。
5. 前記断熱材を、一定粒度分布を有するように成形され非吸水性独立気泡体の弾性体である熱可塑性合成樹脂系発泡粒子とし、前記熱可塑性合成樹脂系発泡粒子はポリオレフィン系樹脂及びポリスチレン系樹脂から選ばれた熱可塑性合成樹脂を発泡させ粒子化し、その表面に分子エマルジョン、セメント高流動化剤を付着させて形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造を原位置土とセメントスラリー及び断熱材を混合・攪拌して構築することを特徴とする地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造の構築方法。
7. 請求項１〜請求項６の地中熱利用システムにおける地中断熱壁構造を複数設け、それぞれの地中断熱壁構造に分けて期間蓄熱することを特徴とする地中熱利用システム運転方法。

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