JP2006010098A

JP2006010098A - 地中熱利用家屋冷暖房装置

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Publication number: JP2006010098A
Application number: JP2004183392A
Authority: JP
Inventors: Masao Kondo; 正生近藤
Original assignee: TRUSTY HOME KK
Current assignee: TRUSTY HOME KK
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】地中熱を利用した通常住宅の冷暖房装置であって、特に蓄熱槽を設けることなく、地中熱を一旦ベタ基礎コンクリート層に貯熱し、この熱を部屋の空気と熱交換するようにする。
【解決手段】家屋を支える鋼管杭１１中に第１熱交換体３０が沈設してあり、ベタ基礎コンクリート層１４中には第２の熱交換体３１が埋設してあり、これらニつの熱交換体３０及び３１は液体循環ポンプ３３を有する液体循環ポンプ３３で液体回路３５が形成してある。床１８下空間Ｓと部屋２６とは空気循環路３５中には第２冷熱媒体液がそれぞれ液張してある。
【選択図】図１

Description

この発明は地熱利用の一般住宅の冷暖房装置に関する。

従来の地熱利用としては、杭の中に空気を送り込み、地熱と熱交換された空気を冷暖房に利用する装置が特許文献１に示されている。また杭の中を特殊な形状にし、この中に水を直接送り込み、この水を冷暖房に利用しているものが特許文献２によって知られている。
しかしながら、文献1のものは、空気を熱媒体に使用しているため、熱効率が余りよくなく、実用的ではない。文献２に示すものは基礎杭を特殊な形状にするため価格が高価になり、一般住宅においては基礎工事費が高くなり、殆ど普及しないものであった。
特開２００１−１４７０５６号特開２００１−２５５０８１号

この発明は前記の公知の方法及び装置の欠点を改善し、通常の基礎杭として鋼管杭を用い、家屋の強固な支持と同時にこれを地熱利用の主要な構成に使用し、別個の蓄熱槽を不要とし、構造を簡単にし、メンテナンスを容易とし、且つ価格の上昇を出来るだけ抑制した装置を市場に提供することを目的とする。

この発明は前記の課題を達成するために特許請求の範囲に示した手段としたものである。即ち
前記の課題を達成するためにこの特定発明は家屋の外壁及び屋根が断熱材で形成してある家屋の地熱利用の冷暖房装置であって、
家屋の近傍乃至真下に軸線が垂直にして地中に埋設してある鋼管杭の中に第1冷媒液が蓄えてあり、この鋼管杭中に熱伝導体よりなる密閉型の第1熱交換体が沈設してあり、
他方前記鋼管杭に支持されたベタ基礎コンクリート層の表層中には不錆材よりなる密閉型の第２熱交換体が埋設してあり、前記第1及び第２の熱交換体は適宜のパイプ及び送水ポンプを介して循環液路が形成してあり、
これら循環液路には第２の冷熱媒液が液張りしてあり、前記第２の熱交換体を含むベタ基礎コンクリート層が少なくとも蓄熱層としてあり、床下空間は外気遮断型空間としてあり、この床下空間と負荷部たる屋内とは循環空気路で連通してあることを特徴とする地中熱利用家屋冷暖房装置する。

また前記の課題を達成するために、この地中熱利用家屋冷暖房装置の前記鋼管は家屋を支持する基礎杭の全部乃至一部は鋼管製杭としてあり、家屋の輪郭部分の基礎外周起立面は断熱層で被覆してあることを特徴とすることが好ましい。

また前記の課題を達成するために、この地中熱利用家屋冷暖房装置の前記第1熱交換体は熱良導体パイプよりなるコイルばね形状であることを特徴とする。

また前記の課題を達成するために、この地中熱利用家屋冷暖房装置の前記鋼管杭の下端は水密的に塞いであることを特徴とすることが好ましい。

また前記の課題を達成するために、この地中熱利用家屋冷暖房装置の前記鋼管杭内と鋼管杭外の井戸と第２の液体循環ポンプを備えた循環液路によって連結してある補助装置が付設してあることを特徴とする場合もある。

また前記の課題を達成するために、この地中熱利用家屋冷暖房装置の前記第2熱交換体の不錆材とは、銅、アルミニウムパイプのうちの一種に不錆加工（メッキを含む）を施したもの、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミドで代表される合成樹脂製パイプであることを特徴とする。

また前記の課題を達成するために、この地中熱利用家屋冷暖房装置の前記鋼管杭の上端には機械的支持力の大きな材料よりなるフランジが固着してあり、このフランジに前記ベタ基礎コンクリート層が支持されており、前記鋼管杭部分のベタ基礎コンクリート層には上下に貫通したメンテナンス通穴が穿孔してあり、この通穴には開閉型蓋が設けてあることを特徴とする。
発明の作用

請求項１記載の発明においては、鋼管杭中に第１冷熱媒液は概ね地中温度となっており、この中に沈設されている第１熱交換体中の第２の冷熱媒液も概ね地中温度に近い温度となっている。
夏期に於いて、冷房すべき上部の部屋の温度が例えば２５℃を越えた時前記液体循環ポンプを運転すると、ベタ基礎コンクリート層中の第２熱交換体も冷却されて、熱容量の大きいベタ基礎コンクリート層も次第にゆっくりと冷却されこの冷却されたベタ基礎コンクリート層によって、これと床材及びこれらと外壁周面で囲まれた空間の空気も冷却される。
次に空気循環ファンを運転することによって、床下の空間の冷却された空気は負荷部たる部屋を冷房し、再び床下の空間に戻り、再度冷却され循環する。
外気温が高いとき、及び鋼管杭の外周の地下水が低いときは、鋼管内の第１冷熱媒液の温度が、幾分上昇し、冷房が不完全となる傾向にはあるが、冷房すべき部屋の温度が幾分でも低下すれば、本来の冷房に要する電気エネルギーを節約できる作用を為す。
冬季或いは寒冷地においても、日本国内においては地中熱の温度は一年中殆ど変化なく、地中熱は外気温より充分に高いから、前記液体循環ポンプを運転することによって、ベタ基礎コンクリート層の温度は地中温度近くまでゆっくりと上昇し、前記空間の空気温度を温め自然対流若しくは空気ファンを運転することによって、負荷部たる部屋を暖房する。

請求項２記載の発明においては、特に前記鋼管杭は家屋を支持する基礎杭の一部若しくは全部を使用するものであるから、第１冷熱媒液を貯える液槽を別途に設ける必要がなく、蓄熱槽を設ける資材を別途要せず、また家屋輪郭部の基礎外周起立面からの外気温の影響は少なく、全体としての蓄熱効果率を向上させている。

請求項３記載の発明においては特に第１熱交換体は熱良導体の金属パイプよりなるコイル形状としてあるから、全体として、可撓性に富み、この第１熱交換体を鋼管杭内に設置したり、メンテナンスのために、鋼管杭からの引き出し、挿入時においても曲げ易く、狭隘な床下の前記空間においても容易にこれらの作業ができる作用を為す。

請求項４記載の発明においては特に鋼管杭の下端は水密的に閉塞してあるから地下水との出入はなく、第１冷媒液として最も熱効率の良好な液体が使用できる。
請求項５記載の発明においては、特に外部の井戸と送水ポンプ付の循環液路によって連結してあるから、万一鋼管杭の外側の地下水脈の水位が低く充分に鋼管杭の熱が地中熱と熱交換され難いとき、この送水ポンプを運転することによって、鋼管杭内の温度を井戸水温度に維持することができる。勿論この場合の第１冷熱媒液は井戸水となる。

請求項６記載の発明においては、特にベタ基礎コンクリート層中に埋設してある第２熱交換体は不錆材として前記の材質であるから、殆ど家屋が老朽化するまで錆びることがなく、メンテナンス不要となる。

請求項７記載の発明においては、特に鋼管杭フランジが強固に固着して、これにベタ基礎コンクリート層が支持してあるから、家屋は充分に鋼管杭に支持されまた杭上端は開閉型蓋が設けてあるから、第１熱交換体の設置時やメンテナンス時の出入が容易であるし、蓋付であるから、第１冷熱媒液の不必要な蒸発を阻ぎ、かつ床下空間の湿度を上昇させない。

この請求項１記載の発明においては、前述のように構成し、作用をする発明においては地中熱が冷暖房に係らず、まず第１熱交換体３０と、第２熱交換体３１とこの中を循環する第２冷熱媒液によって、熱容量の大きいベタ基礎コンクリート層１４に蓄熱（冷却含む）される。
またこのベタ基礎コンクリート層１４は面積が広いから、この部分の上面が空気との熱交換面として利用でき、外気遮断型の空間Ｓ内において、強制気流を起すことによって順次空気を冷却又は暖められ、この空気を空気ファン２７によって負荷たる上部の部屋２６に供給することによって冷房又は暖房の効果ないしはこの補助効果が得られる。

またこの装置においては、基礎杭たる鋼管杭を用いるためこの中に入れる第１熱交換体３０、とベタ基礎コンクリート層１４内に埋設する第２熱交換体３２及び液循環ポンプ３３があれば、特別な蓄熱槽などが不要となり、資材の節約にもなり、また設備費のコストが、従来の地中熱利用のものよりも半減でき、経済負担も少ない。
またベタ基礎コンクリート層１４に熱容量が大きいから一度地中熱温度に近づけば、急激な温度変化はなく、その効果が持続する。

請求項２記載の発明においては鋼管杭を用いているから、この鋼管杭自体が地中との熱交換を行い第１冷熱媒液を地中熱湿度に対しより近づける効果を有し、かつ、基礎外周起立面は断熱材で被覆してあるから外気温が床下の空間に与える影響を少なくしている。

第１熱交換体は熱良導体の金属パイプをコイルばね形状に形成したものであるから、全体として曲げ易くこれを前記交換杭内に挿入抜去する設置若しくはメンテナンス時の作業が狭隘な前記床下の空間でも作業者が入れる程度の空間があれば充分にできる。或いは床１８にメンテナンス口１８aを設けることによって容易にできる。

請求項４記載の発明においては、鋼管杭の下端は水密的に閉塞してあるから、第１冷熱媒液と鋼管杭１１下端が、第１冷熱媒液としては最も効率のよい液体を選んでも、そのまま長期に使用できる。

請求項５記載の発明においては、地下水位の低いところでも充分な効果が得られる。
請求項６記載の発明においてもベタ基礎コンクリート層に第２熱交換体が永久的に埋設されたとしても、腐蝕することなく、メンテナンス不要である。
請求項７記載の発明においては、鋼管杭にはフランジが強固に固定され、これにベタ基礎コンクリート層が結合されているから、鋼管杭は家屋による荷重を充分に支持している。

また、鋼管杭の上部開口部位置のベタ基礎コンクリート層及びメンテナンス口が設けてあり、これに開閉自在の蓋が取り付けてあるから、第１冷熱媒液の蒸発が少なく、また第１熱交換体の手入れや、交換などのメンテナンスが容易となる。

実施の形態１
請求項１、３、４及び６、７記載の発明を含む実施の形態である。
図において、１０は一般住宅用の家屋であり、１１は鋼管杭であり、通常２乃至６本用いる、この鋼管杭は打ち込み時に先端にオーガースクリュー１２を固着し、施工地盤に所望深さまでねじ込み施工する鋼管杭１１の上端部には、荷重支持用のフランジ１３を固着し、これがベタ基礎コンクリート層１４に強固に一体化してある。
杭の外径は通常１３９ｍｍ、長さ６ｍのものを用いるが、これに限定されるわけではない。鋼管杭１１の外周面に、この周りの地盤との熱交換率を向上させるため、オーガースクリュー１２と同一リード角の不連続な翼片１２ａを設ける場合もある。

家屋１０の外周壁部分を支持するベタ基礎コンクリート層１４の外周基礎起立壁１５の外周面には地上部から地下部にわたって、基礎断熱材１６で被覆してあり、厚さ約５ｃｍの独立発泡のウレタンホーム層によって被膜してある。
この外周起立壁１５及び外周起立壁１５以外の連続フーチン上に土台１７が設置され、この上に前記家屋１０が建設される。

前記土台１７の高さ若しくはこれよりも若干上位レベルに、水平方向の根太が設けられ、これに床１８が形成される。
前記ベタ基礎コンクリート層１４、床１８及び外周起立壁１５で囲まれた空間Ｓは外部と空気遮断型のとしてある。

前記家屋１０の家屋外周壁１９や、天井裏乃至屋根２０内に、第２断熱層２１及び第３断熱層２２を含み、家屋１０全体が断熱構造にしてある。
また、家屋外周壁１９と内装壁材２８の内には空気ダクト２３となる隙間が設けてあり、この一部に空気ファン２７を設ける。また必要場所に、負荷部たる部屋２６には空気吹き出し口２４が設けてある。前記ダクト２３の一部の天井裏又は床１８下には空気ファン２７を設け、夏期は床下空気を天井裏へ、冬期は天井裏空気を床下へ送り込む。
家屋１０の必要箇所には、通常外気との間に熱交換型の換気装置２９が通常設置してある。

鋼管杭１１の中には、実施の形態においては、連続した銅パイプをコイルねじ形状に巻いて形成した第１熱交換体３０が挿入してあって、この両端が鋼管杭１１の上端より上部空間Ｓ内に位置させてある。
鋼管杭１１の上端には開閉型の蓋３１が設けてあって、前記第１熱交換体３０の上端部分はこの蓋３１が貫通した状態としてある（図３参照）。

３２は第２熱交換体であり、実施例においては架橋ポリエチレン管を用い、直径（内径）１０ｍｍ長さ約３００ｍのものを蛇行させて、ベタ基礎コンクリート層１４の施工時に埋設施工してある。
第２熱交換体３２として、鋼、アルミニウムなどの細管を用いる場合には表面に合成樹脂などの不錆材料で充分に被覆した後に前記ベタ基礎コンクリート層１４に埋設する。
前記第１熱交換体３０と第２熱交換体３２とは液体循環ポンプ３３及び膨張タンク３４を介して、循環液路３５が形成してあり、結合部分において着脱自在とし、第１熱交換体３０液体循環ポンプ３３などのメンテナンスが可能としてある。
前記メンテナンスをするため、床１８下の空間が狭隘な場合はその真上の床１８に一辺が４５乃至５０ｃｍの蓋床１８ａ付のメンテナンス口１８ｂを設け、メンテナンスが容易にしてある。

実施の形態２
図１に示すものである。実施の形態１に更に次の施設を付設にしたものである。
実施形態１の住宅の近くに、既設の井戸３７があればこれを利用し、この井戸水と前記鋼管杭１１の中の第１冷熱媒液との液体循環ポンプ３３を備えた第２循環液路３８によって接続する。よってこの場合は第１冷熱媒液としては井戸水と云うことになる。
既設の井戸がないときは、この発明として打込型の井戸３７を設けることを妨げるものではない。

この外部の井戸を使用する場合は地下水質が低い場合である。一般に一般住宅において鋼管杭を使用する場合には軟弱地盤が多く、地下水位は高く、この外部井戸を用いることは殆ど必要ではないが、丘陵地区、局部的台地など地下水位の低い場合は鋼管杭１１の外側の地盤が乾燥しがちであり、地盤と鋼管杭との間の熱交換が不充分な事が起ることを防ぐためである。

実施の形態１の説明図実施形態２の説明図鋼管杭部分の説明図

符号の説明

１０家屋
１１鋼管杭
１２スクリューオーガー
１３フランジ
１４ベタ基礎コンクリート
１５外周起立壁
１６基礎断熱材
１７土台
１８床
１９家屋外周壁
２０天井
２１第２断熱層
２２第３断熱層
２４吹き出し口
２５吸排気口
２６部屋
２７空気ファン
２８内装壁材
２９換気装置
Ｓ空間
３０第１熱交換体
３１蓋
３２第２熱交換体
３３液体循環ポンプ
３４膨張タンク
３５循環液路
３６第２の液体循環ポンプ
３７井戸
３８第２循環液路

Claims

家屋の外壁及び屋根が断熱材で形成してある家屋の地熱利用の冷暖房装置であって、
家屋の近傍乃至真下に軸線が垂直にして地中に埋設してある鋼管杭の中に第1冷媒液が蓄えてあり、この鋼管杭中に熱伝導体よりなる密閉型の第1熱交換体が沈設してあり、
他方前記鋼管杭に支持されたベタ基礎コンクリート層の表層中には不錆材よりなる密閉型の第２熱交換体が埋設してあり、前記第1及び第２の熱交換体は適宜のパイプ及び送水ポンプを介して循環液路が形成してあり、
これら循環液路には第２の冷熱媒液が液張りしてあり、前記第２の熱交換体を含むベタ基礎コンクリート層が少なくとも蓄熱層としてあり、床下空間は外気遮断型空間としてあり、この床下空間と負荷部たる屋内とは循環空気路で連通してあることを特徴とする地中熱利用家屋冷暖房装置。
前記鋼管杭は家屋を支持する基礎杭の全部乃至一部は鋼管製杭としてあり、家屋の輪郭部分の基礎外周起立面は断熱層で被覆してあることを特徴とする請求項１記載の地中熱利用家屋冷暖房装置。
前記第1熱交換体は熱良導体パイプよりなるコイルばね形状であることを特徴とする請求項１、又２記載の地中熱利用家屋冷暖房装置。
前記鋼管杭の下端は水密的に塞いであることを特徴とする請求項１、２又は３記載の地中熱利用家屋冷暖房装置。
前記鋼管内の熱冷媒液はこの鋼管外の井戸と第２の液体循環ポンプを備えた循環液路によって連結してある補助装置が付設してあることを特徴とする請求項４記載の地中熱利用家屋冷暖房装置。
前記第２熱交換体の不錆材とは、銅、アルミニウムパイプのうちの一種に不錆加工（メッキを含む）を施したもの、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミドで代表される合成樹脂製パイプであることを特徴とする請求項１、２、４又は５記載の地中熱利用家屋冷暖房装置。
前記鋼管杭の上端部には機械的支持力の大きな材料よりなるフランジが固着してあり、このフランジに前記ベタ基礎コンクリート層が支持されており、前記鋼管杭部分のベタ基礎コンクリート層には上下に貫通したメンテナンス通穴が穿孔してあり、この通穴には開閉型蓋が設けてあることを特徴とする請求項３、４、５又は６記載の地中熱利用家屋冷暖房装置。