JP2006038256A

JP2006038256A - 地中熱交換器

Info

Publication number: JP2006038256A
Application number: JP2004214184A
Authority: JP
Inventors: Toko Hashimoto; 東光橋本
Original assignee: Tokoh Kogyo
Current assignee: Tokoh Kogyo
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】
一戸建て住宅、集合住宅、ビルなどの建物に適用することができる地中熱交換器に係わ
るものであり、更に詳しくは、エネルギーの成績係数ＣＯＰが極めて優れた地中熱交換器
の構造に関する。
【解決手段】
先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた構造の二重管の、該外管の先端を下にして地下に埋入して、内管と外管の隙間に空気を流して地熱と熱交換させる構造の地中熱交換器において、該外管は地下５ｍの深さまで埋入してなると共に、地表から地下0.3〜１ｍの深さまで、該外管外周部とその周辺区域に断熱材を敷設してなることを特徴とする。また地表から地下0.5〜１ｍの深さまで、該外管外周と地面の間に断熱材を介挿して断熱してなることを特徴とする
【選択図】図２

Description

本発明は、一戸建て住宅、集合住宅、ビルなどの建物に適用することができる地中熱交換器に係わるものであり、更に詳しくは、エネルギーの成績係数ＣＯＰが極めて優れた地中熱交換器の構造に関するものである。

従来の地中熱の利用は地中深く10m以上になると略その地中の平均気温となり夏は比較的涼しく、冬は比較的暖かい温度になる事からこの熱を回収する為、地中50mから100mの深さまでも掘り下げて熱媒体を長いパイプに通し、ヒートポンプ形式で熱回収をしていた。例えば日本では、平均気温15℃の地中では、夏場に32℃、冬場にマイナス0.5℃の気温の時でも、10m以上の深さで15℃になる。この温度差を利用して冷暖房に使用しているが、この方法は地中深くまで掘り下げる必要があり、コストが極めて高くなる欠点がある。

最近、地下5mから20m程度の深さでも熱回収出来るとして改良した発明（特許文献１）も出願されているが、エネルギーの成績係数COPは3.2程度である。
この技術では、掘削のコストは改善されるもののエネルギー的には従来と同じレベルである。
従来の50mから100mの深さまで掘り下げるヒートポンプ形式では、ＣＯＰは3.5程度である。
この様に熱媒体を使用した従来構造の地中熱交換器では十分な熱効率が得られない為に、やむなく地中深くまで掘削して伝熱面積を増やす必要があった。
なお、エネルギーの成績係数COPとは、エネルギーを１投入して何倍の冷暖房効果が得られるかを表す指数である。ＣＯＰ10とは、エネルギーを１投入して10倍の冷暖房効果が得られることを示す。つまり、電気やガスのエネルギーを投入して得られる冷暖房システム、冷凍機やヒートポンプの効率を表す指標として用いられている。

特開2004-177013号

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、地熱の特徴を最大限に活用して、従来構造のエネルギーの成績係数COPを大幅に改善できる新しい構造の地中熱交換器を提供せんとするものである。

本発明者らは上記課題に関して鋭意研究を行い下記の知見を得た。
すなわち、地下5mまでの深さでは、太陽熱の伝熱の時間遅れから、夏は地下深度10ｍ以上の地中の平均気温よりも更に低い温度になること、そして冬は同じく地下深度10ｍ以上の地中の平均気温よりも更に高い温度になることに着目し、地下5m以下での熱交換が熱効率的にも掘削経費の点からもより効率的であることを見出した。

また更に、地下の温度が安定するのは、ある深さ（２m程度）以上の深さからであって、２m 程度の深さまでは大気温の影響を受けてかなり高い温度で変動している。従って、二重管構造の熱交換器を埋入しても、地表に近い部分は、空気の熱交換には寄与していない現状に鑑みて、熱交換の容量不足を大幅に改善するためには、地中熱の深さ方向の温度分布を改善して地表近くまで外気温の影響を受けないようにすることが必須であることに思い至った。
本発明は上記知見に基づいてなされたものであって下記（１）〜（９）の構成からなる。
すなわち、
先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた構造の二重管の、該外管の先端を下にして地下に埋入して、内管と外管の隙間に空気を流して地熱と熱交換させる構造の地中熱交換器において、該外管は地下５ｍの深さまで埋入してなると共に、地表から地下0.5〜１ｍの深さまで、該外管外周と地面の間に断熱材を介挿して断熱してなることを特徴とする地中熱交換器。
先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた構造の二重管の、該外管の先端を下にして地下に埋入して、内管と外管の隙間に空気を流して地熱と熱交換させる構造の地中熱交換器において、該外管は地下５ｍの深さまで埋入してなると共に、地表から地下0.3〜１ｍの深さまで、該外管外周部とその周辺区域に断熱材を敷設してなることを特徴とする地中熱交換器。
上記外管外周の、地中２〜５ｍの深さに埋入した区間に、外管の中心軸と同じ方向に良熱伝導性フィンを取り付け、外管と一体的に地中に埋入してなることを特徴とする上記１あるいは２に記載の地中熱交換器。
上記地中熱交換器を埋入する地中とその周辺区域の地中に良熱伝導性の物質、鉱物あるいは金属塊、粒を密に埋入してなる事を特徴とする上記１〜３のいずれかに記載の地中熱交換器。
上記物質、鉱物あるいは金属塊、粒は、地中深さ２〜５ｍの区間に埋入してなることを特徴とする上記４に記載の地中熱交換器。
上記断熱材が、発泡樹脂である上記１〜２のいずれかに記載の地中熱交換器。
上記良熱伝導性の物質、鉱物が石炭あるいはコークスである上記４〜５のいずれかに記載の地中熱交換器。
上記外管の底に結露水を滞留させ、該滞留した結露水の中に内管の下端を浸漬せしめてなることを特徴とする上記１〜７のいずれかに記載の地中熱交換器。
上記地中熱交換器を地面に埋入するに際して、地中熱交換器の周囲に地中熱交換器を包囲するように熱遮断壁を埋め込んで、地中熱交換器の周囲の大地と屋外の大地を熱的に遮断してなることを特徴とする上記１〜８のいずれかに記載の地中熱交換器。

本発明は下記の効果を有する。
自然エネルギーの回収効率に極めて優れており、省エネ効果が極めて大である。
（ＣＯＰは10以上が得られる）
地表に近く、経済的に安価に施工できる。

本発明の構造とその作用機能を図面で説明する。
図８は、地中温度の一日の変化を示した図である。
大地の表層部、0.5mの深さまでは、大気温の日中変化の影響を受けて、大きく変動し、0.5ｍから２ｍまでは、ほぼ指数曲線的に低下する。
地中温度は６ｍ以上の深さでほぼ一定（平均温度）してくるが、夏場では２〜５ｍの深さ部分はこれよりも低く、冬場では逆に高くなる。現在使用されている地中埋入型熱交換パイプは、地下十数ｍまで埋入するタイプと、地下２〜５ｍの深さ部分の地中熱を選択的に回収するタイプのものが主流を占めているが、いずれにしても地表から２ｍの深さまでは、効率よく熱回収には利用できないのが現状である。

図１は地中熱交換器を埋入した区域の地面表層部とその周辺区域を断熱した構造の説明図である。図２はその時の地中の深さ方向の温度分布を示す図である。
地面表層部の断熱は、地面表層部に直接、断熱材を敷設しても良いし、あるいは表層部300〜500ｍｍ掘削して、掘削した後の凹部に断熱材を埋めても良い。
地面表層部に直接、断熱材を敷設する時は、敷設してない地表からの熱拡散によって影響を受けるので、熱交換器を埋入した区域よりも相当広い範囲を断熱する必要がある。
断熱材を敷設してない区域の地表からの熱拡散を最小限に留めるためには、表層部300〜500ｍｍ掘削して、掘削した後に断熱材を埋め込む構造が好ましい。
図１はこのときの説明図である。
断熱材には、多孔質の樹脂、天然鉱物、無機質焼成体等が好ましい。とりわけ発泡樹脂が好適である。
断熱材の厚さは、断熱材の種類によっても変わってくるが、発泡樹脂、珪藻土のような天然鉱物の場合で、少なくとも300mm以上あれば大気温の影響を遮断できる。500mm以上は不経済である。
図２は、地面を500ｍｍ掘削、除去した後の凹所に、厚さ500ｍｍの発泡樹脂を埋め込んだときの樹脂の下面から深さ方向の温度分布を示した図である。
断熱してない場合（点線の曲線）に比べて、表層断熱（実線の曲線）によって、熱交換可能なパイプの長さが１ｍ以上長くなることがわかる。
これによって約ＣＯＰは１．４倍向上する。

図３は屋外大地の表層部の熱が屋内の大地に拡散するのを防ぐために、地中熱交換器の周囲を包囲するように断熱材を埋め込んで断熱したときの説明図である。
断熱材には、上記した様に、多孔質の樹脂、天然鉱物、無機質焼成体等が好適である。とりわけ発泡樹脂が好ましい。厚さ50mmの断熱板を、垂直方向、深さ300〜500mmまで、地中熱交換器の周囲を包囲するように埋め込んで断熱することが好ましい。

地表から500〜1000mm深さ部分は夏季温度が高く、冬季温度が低いために、地面に埋入した熱交換パイプの地表から500〜1000mm深さ部分はこの熱影響を受ける。通常、パイプ材料には熱伝導性に優れたアルミ合金が使用されているために、この熱影響はパイプのより深い部分にも伝播して、パイプが接触する地面よりも高くなる部分が発生する。
当然パイプの熱交換効率を下げることとなる。
図４は、地面と熱交換パイプの間の隙間に、断熱材を入れて断熱した構造の説明図であ
る。断熱材は、熱交換パイプを包囲するように、500〜1000mm程度の深さまで差し込む。
500mm未満では、地表面の熱影響を受けるので好ましくない。1000mmを超えると不経済である。
断熱材の厚さは、100〜200mm程度の厚さが好ましい。アルミパイプが熱影響を受けな
いように断熱するためには、少なくとも100ｍｍ以上の厚さが必要である。また200mm以上は不経済である。
本構造の場合、地中の温度分布は変化しないが、熱交換に寄与するパイプの長さが長く
なることによってＣＯＰが２〜３改善される。

図５は、地面に埋入した熱交換パイプの外表面にフィンを取り付けた構造の説明図である。
熱交換パイプの熱交換面積を広げるための構造であって、フィンは、パイプの長さ方向に金属の板を溶接等の方法で取り付ける。
フィンは、熱交換パイプの外管を作るときに一体成形して製造したものでも良いし、後から溶接で取り付けた構造でも良い。
フィンは地下温度の最も低い区間、地下深さ２〜５ｍの間に取り付けると最も効率が良くなる。
また、フィンの根本は太くして熱の伝導を良くするほうが望ましい。
フィンの面積を広げることによって、大地との接触面積を２〜３倍程度までに容易に増やすことが可能になる。

大地は一年を通じてほぼ一定した温度の無限の熱容量を持つ物体であるが、土の成分は無機質の酸化物で、熱伝導が悪い欠点がある。
熱交換パイプの効率をあげるためには、大地の熱が速やかに熱拡散する構造にしなければならない。つまり大地の熱伝導度を大きくする必要がある。
図６の構造は、良熱伝導性の物質、鉱物、メタルスラグ等を地下に密に埋め込んで大地の熱の良好な熱伝達を図るものである。
良熱伝導性の物質としては、熱伝導性に優れた炭素材料が好ましい。炭素材料は地中に埋入されても腐食して変質することなく、安価である点が優れている。塊状、粒状にして隙間なく密に埋め込む。隙間はできるだけなくすように、これらの材料の微粒を使って、あるいは通常の土で埋めても良い。いずれにせよ、隙間なく密に広い体積で埋めるほうが良い。これら良熱伝導材料は地下温度の夏場で最も低く、冬場で最も高い区間、地下深さ２〜５ｍの間に埋入すると最も効率が良くなる。
炭素材料としては安価な石炭、コークス等が好ましい。

図７は本発明構造の地中熱交換器を家屋に適用した時の一例を説明した図である。
地中熱交換器の周辺を厚さ20cm深さ50cmの発泡スチロールの熱遮断壁を埋め込んで、地中熱交換器の周辺の大地と屋外の大地を熱的に遮断する。
家屋床下の地下2~5ｍの区間に、石炭、コークスの塊を密に埋め込む。数ミリ、数センチから十数センチの大きさの塊を密に積み上げて埋め込み隙間は土で充填する。

外管がアルミパイプからなるパイプ熱交換器は地中深さ５ｍまで埋入する。
外管（アルミパイプ）の周囲、長さ方向２〜５ｍの区間に幅100mm×長さ3000ｍｍ ×厚さ10ｍｍのアルミ製のフィンを５〜10枚、溶接で取り付けて地中に埋入する。
屋内の空気は、パイプ熱交換器の外管と内管（ポリエチレンパイプ）の隙間に吹き込まれて、地中熱と熱交換されて、外管の底に衝突して、内管を通って上に吹き上がる。
夏季には冷やされた空気が、冬季には暖められた空気が、屋内に放出されることとなる。
空気はファンで送入される。地中熱を回収するために投入されるエネルギーはファンの駆動に必要な電気代と結露水を間欠的に排出する電気代のみでよい。これをもとにしてＣＯＰが計算できる。

外管パイプの底には結露水がたまるが、内管の下端を結露水の中に浸けることによって、内管の底で空気のバブリングが起こる。このとき、水のOH⁻イオンが発生して空気と一緒に上昇して、室内に送り込まれる。いわゆるマイナスイオン効果を発生させることができる。同時に、水の中に有害物質、すなわち、ＶＯＣ，花粉、粉塵等を水に吸着させて空気中から除去する機能も有する。

実施例１（図４の構造）
外管がアルミ製の外径250mm、長さ4.5mの中に、外径150mmのポリエチレン製の管を入れた構造の2重管を深さ4.5mまで埋入して、中に風量730m3/Hrの空気を吹き込んだところ、夏場に32.3℃の空気が26.8℃まで下がり、冬場では4.1℃の送入空気が10℃まで上がった。この成績係数COPは夏場で11.3、冬場で12.1と非常に良い成績が得られた。

地表面の温度は、外気の温度の影響を受けるために、1日の温度変化で、冬で4℃以上、夏で8℃以上の温度変化があるが、地表から深さ0.5mまで、外管の周囲に断熱材（発泡スチロールのシート）を50mmの厚さに巻回することにより、外管上部の管壁温度が地中0.5mの温度に近くなり、夏場では入ロの空気温度が32.3℃のときに、断熱材を巻く前の出ロ温度26.8℃が26.0℃まで下がり、15%の回収熱量アップが図られた。その時のCOPは13.0であった。
又、冬場では入ロの空気温度が4.1℃の時に断熱材なしでは出ロ温度が10.0℃であったのが断熱材を巻くと11℃まで上昇し、熱量的には17%の回収熱量アップが得られた。その際のCOPは14.2であった。

フィンの追加による伝熱面積の上昇では、外径250mmのアルミのパイプに10mm幅で長さ700mm、厚さ10ｍｍのアルミ板を8枚溶接して夏の気温32℃の状態でテストをすると、出ロ温度は26.3℃に下がり、効率のアップは17%、その際のCOPは11.7が得られた。
以上の様に、本発明は、従来から使用されている地中深い深度（十数メートル）に埋入した熱交換器に比較して、効率的にも、作業コストの上からも優れた発明であり、省エネ効果が極めて大で、温暖化の原因となるニ酸化炭素発生の抑制に大きく寄与するものである。

建築物全般の冷暖房に利用できる。
冷房排気熱風ガスの冷却
水、その他の流体の冷却等、産業上発生する気体、液体の冷却に利用できる。

図１は、実施例の説明図。地表面断熱構造の説明図。図２は、地表面断熱時の地中温度分布の説明図である。図３は、実施例の説明図。地中熱交換器の周囲を断熱するときの説明図である。図４は、実施例の説明図。外管周囲を断熱するときの説明図である。図５は、実施例の説明図。外管周囲にフィンを取り付けた構造の説明図である。図６は、実施例の説明図。地中に良熱伝導鉱物を埋入したときの説明図である。図７は、総合的な実施例の説明図である。図８は、地中温度の一日の変化を示した図である。

Claims

先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた構造の二重管の、該外管の先端を下にして地下に埋入して、内管と外管の隙間に空気を流して地熱と熱交換させる構造の地中熱交換器において、該外管は地下５ｍの深さまで埋入してなると共に、地表から地下0.5〜１ｍの深さまで、該外管外周と地面の間に断熱材を介挿して断熱してなることを特徴とする地中熱交換器。
先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた構造の二重管の、該外管の先端を下にして地下に埋入して、内管と外管の隙間に空気を流して地熱と熱交換させる構造の地中熱交換器において、該外管は地下５ｍの深さまで埋入してなると共に、地表から地下0.3〜１ｍの深さまで、該外管外周部とその周辺区域に断熱材を敷設してなることを特徴とする地中熱交換器。
上記外管外周の、地中２〜５ｍの深さに埋入した区間に、外管の中心軸と同じ方向に良熱伝導性フィンを取り付け、外管と一体的に地中に埋入してなることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の地中熱交換器。
上記地中熱交換器を埋入する地中とその周辺区域の地中に良熱伝導性の物質、鉱物あるいは金属塊、粒を密に埋入してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の地中熱交換器。
上記物質、鉱物あるいは金属塊、粒は、地中深さ２〜５ｍの区間に埋入してなることを特徴とする請求項４に記載の地中熱交換器。
上記断熱材が、発泡樹脂である請求項１〜２のいずれかに記載の地中熱交換器。
上記良熱伝導性の物質、鉱物が石炭あるいはコークスである請求項４〜５のいずれかに記載の地中熱交換器。
上記外管の底に結露水を滞留させ、該滞留した結露水の中に内管の下端を浸漬せしめてなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の地中熱交換器。
上記地中熱交換器を地面に埋入するに際して、該熱交換器の周囲に該熱交換器を包囲するように熱遮断壁を埋め込んで、屋外の大地と該熱交換器の周囲の大地を熱的に遮断してなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の地中熱交換器。