JP2006002539A

JP2006002539A - 無散水融雪システム及びそのシステムの運転方法

Info

Publication number: JP2006002539A
Application number: JP2004182837A
Authority: JP
Inventors: Teruyuki Fukuhara; 輝幸福原; Ryuji Morimoto; 竜司守本
Original assignee: MORIMOTO KK; University of Fukui NUC
Current assignee: MORIMOTO KK; University of Fukui NUC
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2024-06-21
Also published as: JP3928085B2

Abstract

【課題】蓄熱した熱の利用効率を高めると共に、構造を簡略化して設置コストを小さくすることができる無散水融雪システムを提供する
【解決手段】融雪エリアに敷設され、その内部を熱媒Ｍが流れる吸放熱パイプ１と、地中に埋設され、前記熱媒Ｍを貯蔵し得る浄化槽２と、この浄化槽２内の熱媒Ｍを前記吸放熱パイプ１の入口部１ａに送ると共に、当該吸放熱パイプ１の出口部１ｂからの熱媒Ｍを前記浄化槽２内に戻すポンプ部３とを備えた無散水融雪システムＳ。
【選択図】図１

Description

本発明は無散水融雪システム及びそのシステムの運転方法に関する。さらに詳しくは、融雪エリアに敷設したパイプ内に熱媒を循環させることで融雪を行う無散水融雪システム及びそのシステムの運転方法に関する。なお、本明細書において「融雪エリア」とは、建物の入口付近、駐車場及び歩道等、積雪した雪を溶かしたい領域ないしは範囲のことをいう。

従来より、寒冷地においては、主として積雪による交通障害を防ぐために種々の融雪システムが採用されており、そのうち比較的狭いエリア、例えば個々の建物の入口付近に積もった雪を溶かすシステムとして、夏期に太陽熱を地中に蓄え、この蓄えた熱を熱媒にのせて融雪エリアに敷設したパイプに供給するものがある（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載されているシステムでは、地表を掘削して所定深さを有する埋設部を設け、この埋設部の周囲に断熱層を形成し、この断熱層で囲まれた空間にステンレス製パイプで形成した採熱管を配管すると共に前記空間に蓄熱部材を充填している。また、前記採熱管と接続される放集熱管を融雪エリアに敷設し、採熱管及び採熱管内に循環液を封入すると共に、この循環液が採熱管から放集熱管を通って放集熱管に戻り再び循環するようにポンプ装置を設けている。

特開平７−２７９１１４号公報（図１）

しかしながら、前記特許文献１記載のシステムは、蓄熱部材に蓄えた熱を、採熱管を介して循環液に伝達しているため、熱効率が悪いという問題がある。また、蓄熱する部分として、地表を掘削して形成した凹所の底部や壁部に断熱層を形成し、ついで採熱管及び蓄熱部材を前記凹所内に設けており、設置コストが高くつくという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、蓄熱した熱の利用効率を高めると共に、構造を簡略化して設置コストを小さくすることができる無散水融雪システム及びそのシステムの運転方法を提供することを目的としている。

本発明の無散水融雪システムは、融雪エリアに敷設され、その内部を熱媒が流れる吸放熱パイプと、地中に埋設され、前記熱媒を貯蔵し得る浄化槽と、この浄化槽内の熱媒を前記吸放熱パイプの入口部に送ると共に、当該吸放熱パイプの出口部からの熱媒を前記浄化槽内に戻すポンプ部と、を備えたことを特徴としている。

前記ポンプ部を、前記吸放熱パイプの入口部と浄化槽内部とを接続する送り管と、前記吸放熱パイプの出口部と浄化槽内部とを接続する戻り管と、前記送り管の管路に配設された循環ポンプとで構成することができる。

本発明では、浄化槽内に貯蔵した熱媒（水、ブライン等）を、直接にポンプで吸放熱パイプ内を循環させているので、熱媒が有する熱を効率よく利用することができる。

また、本発明では、熱媒を貯蔵する手段として浄化槽を利用している。この浄化槽は、従来より、下水道が整備されていない地域における家庭や小規模事業所から排出されるし尿や生活雑排水を接触ばっ気等により処理した後に河川等に放流するのに用いられているが、近年、水質環境保全の観点から公共下水道や農業集落排水設備が積極的に整備されている。これに伴い、今後は既存の浄化槽が解体又は処分され、大型の産業廃棄物が大量に発生することが考えられるが、本発明はかかる浄化槽を熱媒貯蔵手段として再利用するものであり、システムを構築するためのコストを低く抑えることができると共に、産業廃棄物の発生をなくして環境保全に寄与することもできる。

さらに、これまで有効に利用されていなかった浅層地中熱（地表から３ｍ程度の深さまでの地中熱）を、太陽熱と共に利用しており、システムの構造が簡単であることと相俟って維持管理コストを非常に小さくすることができる。こうして、イニシャルコスト及びランニングコストが大幅に削減されたことにより、従来よりコストの点で普及が遅れていた、暖地積雪地域における個人を対象とした融雪システムを広く普及させることが可能になる。

本発明では、前記浄化槽内に貯蔵された熱媒の表面を覆う断熱材層を設けるのが好ましく、これにより熱媒から地表に熱が逃げたり、又は逆に地表から熱媒に熱が流入するのを抑制して、前記浅層地中熱の利用効率を高めることができる。
また、前記融雪エリア内に設けられた温度センサと、この温度センサからの信号に基づいて前記吸放熱パイプへの熱媒の供給を制御する制御手段と、をさらに備えているのが好ましい。
さらに、本発明の無散水融雪システムの運転方法は、融雪エリアに敷設され、その内部を熱媒が流れる吸放熱パイプと、地中に埋設され、前記熱媒を貯蔵し得る浄化槽と、この浄化槽内の熱媒を前記吸放熱パイプの入口部に送ると共に、当該吸放熱パイプの出口部からの熱媒を前記浄化槽内に戻すポンプ部と、前記融雪エリア内に設けられた温度センサと、この温度センサからの信号に基づいて前記吸放熱パイプへの熱媒の供給を制御する制御手段とを備えた無散水融雪システムの運転方法であって、前記温度センサにより検出された温度が、地中温度より低くかつ氷点より高い第１の温度以下であるときは、前記熱媒を吸放熱パイプに送って前記融雪エリアの温度を昇温させる融雪運転を行い、前記温度が、地中温度より低くかつ第１の温度より高い第２の温度になると融雪運転を停止し、さらに前記温度が、地中温度より高い第３の温度以上であるときは、前記熱媒を吸放熱パイプに送って前記融雪エリアの温度を下降させる冷却運転を行い、前記温度が、地中温度より高くかつ第３の温度より低い第４の温度になると冷却運転を停止することを特徴としている。
このように、融雪運転に加えて冷却運転を行うことにより、夏期等における融雪エリアの温度上昇を抑えて、当該融雪エリア及びその近傍の環境を快適にすることができると共に、冬期においても、日中蓄えておいた熱を融雪運転に利用することで、融雪の効率を高めることができる。

本発明の無散水融雪システムは、浄化槽内の熱媒を直接吸放熱パイプに送っているので、熱媒が有する熱を効率よく利用することができると共に、既存の浄化槽を熱媒貯蔵手段として再利用するのでイニシャルコストを小さくすることができる。また、これまで有効に利用されていなかった浅層地中熱を利用しており、システムの構造が簡単であることと相俟って維持管理コストを非常に小さくすることができる。
また、本発明の無散水融雪システムの運転方法は、融雪運転と冷却運転とを併用することにより、夏期においては融雪エリアを冷却することができ、また冬期においても、日中蓄えた熱を融雪に利用することができる。

以下、添付図面に基づいて、本発明の無散水融雪システム（以下、単にシステムという）及びその運転方法の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明のシステムの一実施の形態の全体説明図であり、このシステムＳは、個人住宅の入口付近及び駐車場の積雪を溶かすのに用いられている。前記システムＳは、融雪エリアＥに敷設された吸放熱パイプ１と、前記住宅の敷地内に埋設された浄化槽２と、前記吸放熱パイプ１内に熱媒Ｍを循環させるポンプ部３とを備えている。

吸放熱パイプ１は、その内部を水、ブライン等の熱媒Ｍが流れるものであり、ポリエチレン、テフロン（商品名。デュポン社製ポリテトラフルオロエチレン）等の合成樹脂で作製することができる。吸放熱パイプ１のサイズは、本発明において特に限定されるものではなく、当該吸放熱パイプ１の敷設ピッチや熱媒Ｍの流量等に応じて適宜選定することができるが、通常１２〜１６ｍｍ（内径）程度のものを用いることができる。また、その敷設ピッチも、積雪量や熱媒Ｍの温度等の条件に応じて適宜選定されるが、通常は１０〜２０ｃｍ程度である。コスト、取り扱い易さ、耐食性及び施工性の点からは、かかる吸放熱パイプ１として前記ポリエチレン等の合成樹脂製パイプを用いるのが好ましいが、大きい熱伝導率が得られるという点より、ステンレス等の金属製パイプを用いてもよい。

前記吸放熱パイプ１は、図１〜２に示されるように、融雪エリアＥに所望のパターンで敷設される。本実施の形態における敷設パターンはジグザグ状であるが、融雪エリアＥの形状に応じて、渦巻き状等他の敷設パターンを採用することもできる。吸放熱パイプ１は、通常、地表面から３〜８ｃｍ程度の深さのところに敷設されるが、その敷設は例えば次のようにして行うことができる。すなわち、まず融雪エリアＥを１０〜２０ｃｍの深さまで掘削し、この掘削した部分全面に５〜１０ｃｍ程度の厚さの一次コンクリート９を打設し、その上を歩行可能となった時点で一次コンクリート９の表面を粗くするとともに当該一次コンクリート９の上に補強用メッシュ１０を敷設し、さらにこの補強用メッシュ１０の上に所定のパターンで吸放熱パイプ１を配設する。ついで、その上から５〜１０ｃｍ程度の厚さの二次コンクリート１１を打設し、所定の期間養生をすることで吸放熱パイプ１を敷設することができる。

前記浄化槽２としては、不要となった既設の浄化槽を再利用することができ、この場合、熱媒Ｍを貯蔵しておく設備を新たに構築しなくてもよいので、システムＳのイニシャルコストを大幅に抑えることができる。既設の浄化槽の多くは、ＦＲＰ製又はコンクリート製であり、その容量は５人槽で４ｍ²程度、１０人槽で８ｍ²程度が一般的である。この程度の容量があれば、当該浄化槽を設置している住宅等の入口付近及び駐車場の融雪を十分に行うことができる。なお、利用に際し、浄化槽内のろ材や接触材等の部材を撤去すると共に浄化槽内部を洗浄しておくのが好ましい。

浄化槽２内には、水中ポンプからなる循環ポンプ４が設けられており、当該浄化槽２に貯蔵されている熱媒Ｍは前記循環ポンプ４により浄化槽２内から取り出され、融雪エリアＥに敷設された吸放熱パイプ１内を通過した後に浄化槽２内に戻される。前記吸放熱パイプ１の入口部１ａと浄化槽２の内部とは送り管５で接続されており、一方、前記吸放熱パイプ１の出口部１ｂと浄化槽２の内部とは戻り管６で接続されている。そして、前記送り管５の管路（本実施の形態では送り管５の端部）に前記循環ポンプ４が配設されている。なお、前記送り管５及び戻り管６の材質としては、前述した吸放熱パイプ１と同様のものを用いることができる。また、本実施の形態では、循環ポンプ４として水中ポンプを用いているが、通常の地上設置型のポンプを浄化槽内の上部空間又は浄化槽外の適宜の箇所に配設することもできる。この場合、循環ポンプ４は送り管５の管路の途中に配設されることになる。

本実施の形態では、浄化槽２内に、当該浄化槽２に貯蔵されている熱媒Ｍの表面を覆う断熱材層７が設けられている。この断熱材層７は、融雪時において、熱媒Ｍの熱が浄化槽２内上方の空間から地表へ逃げるのを抑制すると共に、後述する冷却時において、地表からの熱が浄化槽２内上方の空間を介して熱媒Ｍに伝わるのを抑制する役割を果たす。かかる断熱材層７は、例えば発泡スチロール、発泡ポリエチレン、発泡ポリウレタン等の発泡合成樹脂を球状等の適宜の形状に成形したものを，例えば５ｃｍ程度の厚さに積層することで得ることができる。なお、図２において、８は浄化槽２のマンホールの蓋であり、浄化槽２内を点検や清掃したりするのに利用される。

本発明では、太陽エネルギーと共に地表付近の地中熱を融雪に利用している。融雪が必要となる冬期の場合、浄化槽が埋設されている付近の地中温度は、地域により異なるが、最も低くなる２月においても６〜８℃程度であり、融雪エリアＥの表面下（表面より１０ｍｍの深さの部分）の温度よりも相対的に高い。このため、吸放熱パイプ１を通過する過程で冷却された熱媒Ｍは浄化槽２に流入し、当該浄化槽２内に貯蔵されている熱媒Ｍの温度を低下させるが、相対的に温度の高い周辺地盤から浄化槽２への熱移動が生じ、熱媒Ｍは温められる。その後、温められた熱媒Ｍは、循環ポンプ４により吸放熱パイプ１に送られ、その熱エネルギーを当該吸放熱パイプ１から放出し、融雪エリアＥの表面温度の低下を抑制する。そして、この過程で冷却された熱媒Ｍは再び浄化槽２に戻り、周辺地盤から熱エネルギーの供給をうける（融雪運転）。

一方、夏期の場合、浄化槽が埋設されている付近の地中温度は、融雪エリアＥの表面下の温度よりも相対的に低い。このため、吸放熱パイプ１を通過する過程で昇温された熱媒Ｍは浄化槽２に流入し、貯蔵されている熱媒Ｍの温度を上昇させるが、相対的に温度の低い周辺地盤に対して浄化槽２からの熱移動が生じ、熱媒Ｍは徐々に温度が低下する。その後、冷やされた熱媒Ｍは循環ポンプ４により吸放熱パイプ１に送られ、当該吸放熱パイプ１から熱エネルギーを吸収し、融雪エリアＥの表面温度の上昇を抑制する。そして、この過程で加熱された熱媒Ｍは再び浄化槽２に戻り、周辺地盤へ熱エネルギーを放出する（冷却運転）。なお、夏期以外の時期、例えば冬期においても、太陽の照射によって融雪エリアＥの表面温度が地中温度よりも高くなることがあり、この場合は、融雪エリアＥの表面温度の上昇を抑制する冷却運転が行われる。そして、この冷却運転によって浄化槽２内の熱媒Ｍに蓄えられた熱は融雪に利用されることになり、昇温された分だけより効率よく融雪をすることができる。

図３は、本発明のシステムを用いた融雪実験における、吸放熱パイプの入口部及び出口部の水温変化を示している。図３において、実線及び破線はそれぞれ吸放熱パイプの入口部及び出口部の水温Ｔ１、Ｔ２を示しており、また一点鎖線は融雪エリアの表面下（表面より１０ｍｍの深さの部分）の温度Ｔ３を示している。この実験では、融雪エリアの温度Ｔ３が５℃以下であると融雪運転を行っており、データの採取時から午前１０時頃までがそれに該当する。１９時頃に強い降雪があった際には融雪エリアＥの表面にわずかな残雪が見られたが、その後降雪強度が弱まったこともあり、２０時頃には融雪が完了し、２３時以降では路面の乾燥が進行した。その間、吸放熱パイプの入口部の水温Ｔ１は７℃程度、同じく出口部の水温Ｔ２は５℃程度であり、吸放熱パイプにおいて約２℃の熱損失が確認された。前記融雪エリアＥの表面下の温度Ｔ３は、観測の間常に氷点（０℃）以上にあり、安定した地中熱エネルギーの供給が十分な融雪機能を保証していると考えられる。

前述した融雪運転と冷却運転の制御は、システムＳ内に種々のセンサを設け、このセンサからの信号に基づいて、マイクロプロセッサ等の制御手段を用いて行うことができる。例えば、融雪エリアＥの表面下（表面より、例えば１０ｍｍの深さの部分）に温度センサを設置しておき、この温度センサで検出された温度が地中温度より低くかつ氷点より高い第１の温度以下であるときは、前記熱媒Ｍを吸放熱パイプ１に送って前記融雪エリアＥの温度を昇温させる融雪運転を行い、前記温度が、地中温度より低くかつ第１の温度より高い第２の温度になると融雪運転を停止させることができる。すなわち、地中温度が８℃程度である場合、例えば前記温度が５℃（第１の温度）以下になると融雪運転を開始し、７℃（第２の温度）以上になると融雪運転を停止させることができる。一方、前記温度が、地中温度より高い第３の温度以上であるときは、前記熱媒Ｍを吸放熱パイプ１に送って前記融雪エリアＥの温度を下降させる冷却運転を行い、前記温度が、地中温度より高くかつ第３の温度より低い第４の温度になると冷却運転を停止させることができる。すなわち、前記温度が１５℃（第３の温度）以上になると冷却運転を開始し、１３℃（第４の温度）以下になると冷却運転を停止するという制御を行うことができる。このように、それぞれについて運転開始及び停止温度を設定して、融雪運転及び冷却運転を行うことにより、夏期等における融雪エリアの温度上昇を抑えて、当該融雪エリア及びその近傍の環境を快適にすることができると共に、冬期においても、日中蓄えておいた熱を融雪運転に利用することで、融雪の効率を高めることができる。
なお、融雪エリアＥの近傍に降雪（積雪）センサを設置し、このセンサからの信号に基づいて融雪運転を行うこともできる。また、前述した運転の開始及び停止温度や運転のタイミングを含む制御は、単なる例示に過ぎず、システムＳの設置場所や浄化槽２の容量等の条件によって種々変更することができる。

本発明のシステムの一実施の形態の全体説明図である。図１に示されるシステムにおける融雪エリア付近の断面説明図である。本発明のシステムを用いた融雪実験における、吸放熱パイプの入口部及び出口部の水温変化を示すグラフである。

符号の説明

１吸放熱パイプ
２浄化槽
３ポンプ部
４循環ポンプ
５送り管
６戻り管
７断熱材層
Ｓシステム
Ｍ熱媒

Claims

融雪エリアに敷設され、その内部を熱媒が流れる吸放熱パイプと、地中に埋設され、前記熱媒を貯蔵し得る浄化槽と、この浄化槽内の熱媒を前記吸放熱パイプの入口部に送ると共に、当該吸放熱パイプの出口部からの熱媒を前記浄化槽内に戻すポンプ部と、を備えたことを特徴とする無散水融雪システム。
前記ポンプ部が、前記吸放熱パイプの入口部と浄化槽内部とを接続する送り管と、前記吸放熱パイプの出口部と浄化槽内部とを接続する戻り管と、前記送り管の管路に配設された循環ポンプとで構成されている請求項１に記載の無散水融雪システム。
前記浄化槽内に、この浄化槽内に貯蔵された熱媒の表面を覆う断熱材層が設けられている請求項１〜２のいずれかに記載の無散水融雪システム。
前記融雪エリア内に設けられた温度センサと、この温度センサからの信号に基づいて前記吸放熱パイプへの熱媒の供給を制御する制御手段と、をさらに備えている請求項１〜３のいずれかに記載の無散水融雪システム。
融雪エリアに敷設され、その内部を熱媒が流れる吸放熱パイプと、地中に埋設され、前記熱媒を貯蔵し得る浄化槽と、この浄化槽内の熱媒を前記吸放熱パイプの入口部に送ると共に、当該吸放熱パイプの出口部からの熱媒を前記浄化槽内に戻すポンプ部と、前記融雪エリア内に設けられた温度センサと、この温度センサからの信号に基づいて前記吸放熱パイプへの熱媒の供給を制御する制御手段と、を備えた無散水融雪システムの運転方法であって、
前記温度センサにより検出された温度が、地中温度より低くかつ氷点より高い第１の温度以下であるときは、前記熱媒を吸放熱パイプに送って前記融雪エリアの温度を昇温させる融雪運転を行い、前記温度が、地中温度より低くかつ第１の温度より高い第２の温度になると融雪運転を停止し、さらに前記温度が、地中温度より高い第３の温度以上であるときは、前記熱媒を吸放熱パイプに送って前記融雪エリアの温度を下降させる冷却運転を行い、前記温度が、地中温度より高くかつ第３の温度より低い第４の温度になると冷却運転を停止することを特徴とする無散水融雪システムの運転方法。