JP2007017137A - 熱交換井の配管構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 施工性がよく、複数の地中熱交換井における熱交換性能のバラツキを抑えるとともに、熱交換媒体の搬送動力を小さくすることが可能な地中熱交換井の配管構造を提供する。
【解決手段】 熱交換媒体が流れる複数の熱交換パイプ７６Ａ〜７８Ａと複数の熱交換パイプ７６Ｂ〜７８Ｂをそれぞれ直列に接続して２系統の流路７３，７４を形成し、各流路をそれぞれ構成する熱交換パイプを、建物２下方の地中６に埋設される複数の中空状杭７０，７１，７２内にそれぞれ挿入して熱交換井７，８，９を形成すると共に、各流路の端部をそれぞれヒートポンプ４につながる配管部１０に接続し、各流路を流れる熱交換媒体の向きを互いに逆向きとなるようにしている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地中内に形成する熱交換井の配管構造に関し、特に熱交換井に搬送される熱交換媒体の流動方向に関する。

地中に埋設した中空状の杭の中に熱交換パイプを導入して地中熱交換井（以下「熱交換井」と記す）を形成するとともに熱交換パイプにヒートポンプを接続し、ヒートポンプで熱交換された熱交換媒体を地中に搬送して放熱または採熱する地中熱システムが種々提案されている。このような地中熱システムにおいては、ヒートポンプの能力と熱交換井の能力とのバランスから、熱交換井を複数形成することがある。中空状杭の中に熱交換パイプを挿入して熱交換井を構成するものとしては特許文献１が挙げられる。
特開２００４−３３２３３０

複数の熱交換井で熱交換を行う際には、熱交換井１本当リの熱交換量の最大化と熱交換機に流す熱交換媒体の搬送動力の最小化とともに、各熱交換井からヒートポンプまで伸びる配管施工の省力化という課題がある。
各熱交換井の接続方法には、熱交換井を並列に接続する方法と直列に接続する方法がある。並列に接続する方法では、全ての熱交換井の熱交換能力が等しく熱交換能力を最大化できる。ただし、各熱交換井には、ある一定量の熱交換媒体を流さなければ熱交換能力を確保できない。このため、熱交換媒体の涜量は熱交換井の数に比例し、搬送動力が大きくなる。
直列に接続する方法では、熱交換媒体が初めに通過する熱交換井にかかる負荷が最も大きく、末端の熱交換井の負荷が最も小さくなり、熱交換能力に偏りが生じる。ただし、熱交換井に流す熱交換媒体は熱交換井の数に比例しないので搬送動力が小さくて済む。

このように、それぞれの方式には長短があるが、特に熱交換井の長さが短い鋼管杭を使用する場合には、多くの熱交換井を接続しなければならないので、熱交換能力のバラツキを抑えるとともに、熱交換媒体の搬送動力を小さくする必要がある。
本発明は、熱交換媒体の搬送動力を小さくしながら施工性がよく、複数の地中熱交換井における熱交換のバラツキを抑えることが可能な地中熱交換井の配管構造を提供することを、その目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る地中熱交換井の配管構造は、直列接続を採用し、熱交換媒体の搬送動力を最小化し、熱交換能力のバラツキを最低減にするために、熱交換井に２組の熱交換器を設置し、２系統の熱媒体流路を形成し、この２系統に流れる熱交換媒体の方向を逆向きとしている。

本発明によれば、熱交換媒体が流れる複数の熱交換パイプを直列に接続して２系統の流路を形成し、各流路をそれぞれ構成する熱交換パイプを、建物下方の地中に埋設される複数の中空状杭内にそれぞれ挿入して熱交換井を形成し、各流路の両端部をそれぞれヒートポンプにつながる配管部に接続するとともに、各流路を流れる熱交換媒体が複数の熱交換井に対して異なる順序で導入されるように各流路を接続したので、熱交換媒体の搬送動力を小さくしながらヒートポンプにつながる配管との接続箇所が低減して施工性が向上するとともに、熱交換井に対する熱交換媒体の導入順序が逆になるので、熱交換井間に対する負荷を分散させることができ、各熱交換井での熱交換量の均一化を図り易くなって熱交換のバラツキを抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１において、符号１は地中熱システムを示す。この地中熱システム１は、建物２に設置される空調機器３、空調機器３と接続する室外機であるヒートポンプ４、ヒートポンプ４の熱交換機５につながる配管部１０に接続され、この熱交換機５で熱交換された熱交換媒体としての冷却水を地中６で熱交換する複数の熱交換井７，８，９を備えている。

ヒートポンプ４は、水冷式の熱交換機５を備えている。ヒートポンプ４には、空調機器３と接続されて媒体の循環経路を構成する媒体流路１１が接続されている。この媒体流路１１を循環する媒体としては、ＣＦＣ系、ＨＣＦＣ系のＨＦＣ系等の周知の科学冷媒、あるいは冷水や温水等が挙げられる。ヒートポンプ４は、その運転状況に応じて図示しないコンプレッサ等の周知の冷凍サイクル構成部品が適宜作動して熱交換機５内で冷媒と冷却水とが熱交換される。本形態では冷却水として不凍液を用いている。ヒートポンプ４としては種々のものが適用することができる。

熱交換井７，８，９は、建物２の下の地中に埋設された中空状杭としての複数の鋼管杭７０，７１，７２と、鋼管杭７０，７１，７２内に冷却水を搬送する複数の流路７３，７４とで構成されている。流路７３は、鋼管杭７０，７１，７２に挿入された先端Ｕ字形状の複数の熱交換パイプ７６Ａ，７７Ａ，７８Ａを、図２に示すように直列に接続して形成され、流路７４は鋼管杭７０，７１，７２に挿入された先端Ｕ字形状の複数の熱交換パイプ７６Ｂ，７７Ｂ，７８Ｂを流路７３と同様に直列に接続して形成されている。各熱交換パイプには、ポリエチレン、架橋ポリエチレン等の樹脂製のものを採用している。

流路７３，７４の一端７３Ａ，７４Ａは熱交換機５の入力端５Ａに連結された配管部１０Ａに接続され、流路７３，７４の他端７３Ｂ，７４Ｂは熱交換機５の出力側５Ｂに連結さ配管部１０Ｂに接続されている。配管部１０Ａは、分岐部となるヘッダー１０１Ａと入力端５Ａとを繋ぐ配管１０２Ａと、流路７３，７４の一端７３Ａ，７４Ａがそれぞれ接続されたヘッダー１０３Ａ，１０４Ａとヘッダー１０１Ａとを繋ぐ配管１０５Ａ、１０６Ａとを備えている。配管部１０Ｂは、分岐部となるヘッダー１０１Ｂと入力端５Ｂとを繋ぐ配管１０２Ｂと、流路７３，７４の他端７３Ｂ，７４Ｂがそれぞれ接続されたヘッダー１０３Ｂ，１０４Ｂとヘッダー１０１Ｂとを繋ぐ配管１０５Ｂ、１０６Ｂとを備えている。配管１０２Ｂには、冷却水を循環さるポンプ７９が装着されている。

本形態において流路７３の冷却水は、熱交換機５の出力側５Ｂから配管１０２Ｂを介してヘッダー１０１Ｂで２つに分岐され、配管１０６Ｂからヘッダー１０４Ｂを経て熱交換パイプ７０へ導入される。そして、熱交換パイプ７１、熱交換パイプ７２と順に通ってヘッダー１０４Ａ案内され、配管１０６Ａからヘッダー１０１Ａ、配管１０２Ａを介してヒートポンプ４の熱交換機５へと戻される。

本形態において流路７４の冷却水は、熱交換機５の出力側５Ｂから配管１０２Ｂ、ヘッダー１０１Ｂを介して配管１０５Ｂからヘッダー１０３Ｂを経て熱交換パイプ７２へ導入される。そして、熱交換パイプ７１、熱交換パイプ７０と順に通ってヘッダー１０３Ａに案内され、配管１０５Ａからヘッダー１０１Ａ、配管１０２Ａを介してヒートポンプ４の熱交換機５へと戻される。すなわち、各流路７３，７４を流れる冷却水が複数の熱交換井７，８，９に対して異なる順序で導入されるように各流路が接続されている。鋼管杭７０，７１，７２の内部には、各熱交換パイプの挿入後に、熱伝導性に優れる粒状部材または流体が充填されている。流体としては水が好ましい。

図２に示すように、建物２の周囲であり、各鋼管杭よりも外側に位置する地中６Ａ内には断熱部材８１が配置されている。この断熱部材８１は、各鋼管杭が埋設されている領域を四方から覆うように配置されている。断熱部材８１の埋設深さとしては、少なくとも地表面６Ａからの熱の影響を受けて地中内温度が変化する領域まで埋設されていれば良く。本形態では、各鋼管杭の長さは６メートルであり、断熱部材８１の長さは３メートルの長さで少なくと地表面６Ａから３メートルの深さまで埋設されている。

このような地中熱システム１では、空調機器３の電源が投入されると、空調機器３が作動すると共にポンプ７９が駆動される。そして、流路７３では冷却水が熱交換パイプ７６Ａ，７７Ａ，７８Ａの順に流れて熱交換井７，８，９の順でそれぞれ熱交換されて熱交換機５に戻され、流路７４では冷却水が熱交換パイプ７８Ｂ，７７Ｂ，７６Ｂの順に流れて熱交換井９，８，７の順で熱交換されて熱交換機５に戻される。

本形態においては、流路７３を構成する熱交換パイプ７６Ａ，７７Ａ，７８Ａ及び流路７４を構成する熱交換パイプ７６Ｂ，７７Ｂ，７８Ｂをそれぞれ直列に接続しているので、流路７３，７４とヒートポンプ４との接続箇所は２箇所となる。このため、鋼管杭７０，７１，７２それぞれに熱交換パイプを独立して挿入して各熱交換パイプをそれぞれ熱交換機５と接続する場合に比べて、ヒートポンプ４との接続箇所が少なくなり、施工性が向上する。流路７３，７４を流れる冷却水が熱交換井７，８，９に対して異なる順序で導入されるため、熱交換井７，８，９に対する冷却水の導入順序が逆になり、各熱交換井に対して負荷を分散させることができ、各熱交換井での熱交換量の均一化が図り易くなって熱交換のバラツキを抑制することができる。また、２系統の直列の流路７３，７４に対して１つのポンプ７９で搬送動力を得ているので、冷却水の搬送動力を小さくしながらも各経路にポンプを装着する場合に比べて部品点数を低減することができ、低コスト化を図ることができる。

本形態では、熱交換井７，８，９の外側に地表面６Ａ側から地中６内に向かって断熱部材８１を埋設して配置しているので、地表面６Ａから地中６内への熱伝導を抑制することができ、比較的地中浅部に埋設される熱交換井７，８，９に対する地表面６Ａからの熱の影響を最小限にとどめることができ、地中浅部に埋設した熱交換井７，８，９であっても設定した熱交換性能を得ることができる。
本形態においては、ヒートポンプ４と接続する配管部１０に対して、互いに直列に接続した流路７３，７４で２系統として接続する形態として説明したが、配管部１０に接続する系統としては、これら２つの流路に限定されるものではなく、１系統の流路を例えば２本の流路で構成し、合計４本の経路で２系統の流路を構成するようにしても良い。

本発明の一形態である地中熱交換井の配管構造の概略構成を示す平面図である。 地中熱交換井の配管構造と断熱部材との関係を示す側面図である。

符号の説明

２ 建物
４ ヒートポンプ
６ 地中
７，８，９ 熱交換井
１０ 配管部
７０，７１，７２ 複数の中空状杭
７３，７４ 流路
７３Ａ，７３Ｂ，７４Ａ，７４Ｂ 流路の両端部
７６Ａ〜７８Ａ 複数の熱交換パイプ
７６Ｂ〜７８Ｂ 複数の熱交換パイプ
８１ 断熱部材

Claims (2)

1. 熱交換媒体が流れる複数の熱交換パイプを直列に接続して２系統の流路を形成し、各流路をそれぞれ構成する熱交換パイプを、建物下方の地中に埋設される複数の中空状杭内にそれぞれ挿入して熱交換井を形成し、各流路の両端部をそれぞれヒートポンプにつながる配管部に接続するとともに、各流路を流れる熱交換媒体が複数の熱交換井に対して異なる順序で導入されるように各流路を接続したことを特徴とする地中熱交換井の配管構造。
2. 請求項１記載の地中熱交換井の配管構造において、
   前記建物の周囲であり、前記複数の中空状杭よりも外側に位置する地中内に、断熱部材を配置したことを特徴とする地中熱交換井の配管構造。

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