JP2007017138A - 熱交換井形成方法及び地中熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】 住宅密集地や狭小地でも低コストで埋設施工でき、かつ効率的な熱交換を行える熱交換井形成方法及び地中熱システムを提供する。
【解決手段】 熱交換媒体が流れる先端Ｕ字状の熱交換パイプ７１を、オーガー方式の掘削機３０で地表面６Ａからの熱影響を受けない地中６内部まで略垂直に掘削した掘削孔７０内に挿入し、熱交換パイプ７１の挿入後、掘削孔７０の深部側７０Ａから地表面６Ａ近くまでの所定範囲Ｈ１に熱伝導性部材７３を充填し、同掘削孔の残りの部分Ｈ２に掘削時に発生した発生土７４を充填して熱交換井７を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地中内に形成する熱交換井の形成方法及びこの熱交換井を備えた地中熱システムに関する。

地中に掘削した掘削孔あるいは埋設した鋼管杭の中に熱交換パイプを導入し、導入した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吸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、熱交換パイプを導入する掘削孔の掘削や鋼管杭の埋設に費用を要してしまうので、システムが高価になってしまう。そこで、地中に穴を掘削して形成し、掘削形成した穴の内部に熱交換パイプをループ状に巻いて水平に埋設して熱交換井を形成する方法が知られている。

しかしながら、ループ状の熱交換パイプを埋設する場合、穴を掘削形成するに際し、水平方向への空間が必要なため、住宅密集地や狭小地においては穴を掘削形成するのが困難であり、実質施工することができなかった。この埋設用の穴は、地表面から２メートル前記に形成されるので、地表面からの温度の影響を受け易かった。これを回避するには掘削深度を深くすることが考えられるが、掘削深度が深くなると、掘削時の発生土が多くなり、その処分費用が嵩んでしまうという課題がある。

また、地中熱システムにおいては、ヒートポンプで熱交換された熱を熱交換井で熱交換する関係上、ヒートポンプの出力や熱交換井の性能に応じて熱交換井（掘削孔）や１つの掘削孔に挿入する熱交換パイプの本数をそれぞれ決定するが、複数の本の熱交換井あるいは、複数の本の熱交換パイプを設ける場合、熱交換パイプの接続を工夫しないと、ヒートポンプの接続箇所が多く、その作業も煩雑になってコストアップとなってしまう。
本発明は、住宅密集地や狭小地でも低コストで埋設施工でき、かつ効率的な熱交換を行える熱交換井形成方法及び地中熱システムを提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る熱交換井形成方法は、熱交換媒体が流れる先端Ｕ字状の熱交換パイプを、オーガー方式の掘削機で地表面からの熱影響を受けない地中内部まで略垂直に掘削した掘削孔内に挿入し、熱交換パイプの挿入後、掘削孔の深部側から地表面近くまでの所定範囲に熱伝導性部材を充填し、同掘削孔の残りの部分に掘削時に発生した発生土を充填して熱交換井を形成することを特徴としている。

本発明に係る熱交換井形成方法では、熱交換パイプを掘削孔内に複数本挿入する場合、少なくとも最初の熱交換パイプの導入側の端部とｎ本目の熱交換パイプの回収側の端部とを除いて、各熱交換パイプが連通するように掘削孔の頂部側で各熱交換パイプの導入側と回収側の端部をそれぞれ接続することを特徴としている。

本発明に係る熱交換井形成方法では、掘削機で複数本の掘削孔を掘削する場合、最初の掘削孔に挿入される熱交換パイプの導入側の端部とｎ本目の掘削孔に挿入される熱交換パイプの回収側の端部とを除いて、各掘削孔に挿入された熱交換パイプが連通するように掘削孔の頂部側で各熱交換パイプの導入側と回収側の端部をそれぞれ接続することを特徴としている。

本発明に係る、熱交換井と、この熱交換井を構成する熱交換パイプの導入側と回収側とが接続されるヒートポンプとを備えた地中熱システムでは、熱交換井として上記説明の何れかに記載の熱交換井を用いることを特徴としている。

本発明によれば、熱交換媒体が流れる先端Ｕ字状の熱交換パイプを、オーガー方式の掘削機で地表面からの熱影響を受けない地中内部まで略垂直に掘削した掘削孔内に挿入するので、水平方向への空間が少ない住宅密集地や狭小地においても熱交換パイプを埋設する孔が掘削可能となり、熱交換パイプの埋設施工が行える。熱交換パイプの挿入した掘削孔の深部側から地表面近くまでの所定範囲には熱伝導性部材が充填され、残りの部分に掘削時に発生した発生土を充填するので、地表面からの熱影響を受けない掘削孔の深部側での熱交換パイプからの熱伝導効率が向上し、熱交換井の性能を高めることができる。また、熱伝導性部材が充填された掘削孔の残りの部分には発生土が充填されるので、掘り起こした発生土の処理量も少なくなり、コスト低減を図ることができる。

本発明によれば、熱交換パイプを掘削孔内に複数本挿入する場合、少なくとも最初の熱交換パイプの導入側の端部とｎ本目の熱交換パイプの回収側の端部とを除いて、各熱交換パイプが連通するように掘削孔の頂部側で各熱交換パイプの導入側と回収側の端部をそれぞれ接続するので、複数の熱交換パイプが１本化されて、熱交換パイプの導入側端部と回収側端部とがそれぞれ１つになり、熱交換パイプの配管構造を簡素化することができる。

本発明によれば、掘削機で複数本の掘削孔を掘削する場合、最初の掘削孔に挿入される熱交換パイプの導入側とｎ本目の掘削孔に挿入される熱交換パイプの回収側とを除いて、各掘削孔に挿入された熱交換パイプが連通するように掘削孔の頂部側で各熱交換パイプの導入側と回収側とを接続するので、複数の掘削孔の熱交換パイプが１本化されて、熱交換パイプの導入側端部と回収側端部とがそれぞれ１つになり、熱交換パイプの配管構造を簡素化することができる。

本発明にかかる、熱交換井と、この熱交換井を構成する熱交換パイプの導入側と回収側とが接続されるヒートポンプとを備えた地中熱システムにおいて、本発明にかかる熱交換井を用いるので、住宅密集地や狭小地でも低コストで埋設施工でき、かつ効率的な熱交換を行える。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。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、室内２に設置される空調機器３、ヒートポンプ４、ヒートポンプ４の水冷式の熱交換機５と接続され、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で熱交換する熱交換井７を備えている。

ヒートポンプ４は、水冷式の熱交換機５と空冷式の熱交換機８とを備えている。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９が接続されている。この媒体流路９を循環する媒体としては、ＣＦＣ系、ＨＣＦＣ系、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電磁バルブなどの切換手段を切換えることで、水冷式の熱交換機５と空冷式の熱交換機８とに熱交換媒体を選択的に案内して水冷と空冷により冷媒と熱交換媒体との熱交換をする。本形態では冷却水として不凍液を用いている。本形態ではヒートポンプ４として水冷式の熱交換機５と空冷式の熱交換機８を備えたハイブリッド方式のものを例示したが、水冷式の熱交換機５のみを備えた周知の水冷式ヒートポンプであってもよい。

熱交換井７は、地中６に掘削した掘削孔７０と、掘削孔７０内に挿入された熱交換パイプ７１とを備えている。熱交換パイプ７１上には、冷却水を熱交換パイプ７１で循環させる循環ポンプ１０と、熱交換パイプ７１内を流れる冷却水の流量を測定する流量計１１と、熱交換パイプ７１内を流れる冷却水の流量を調整する流量調整弁１２と、冷却水の温度変化による増減を許容する膨張タンク１３とを備えている。熱交換パイプ７１の一端７１Ａは膨張タンク１３、流量調整弁１２、流量計１１を介して循環ポンプ１０の吐出側に接続され、熱交換パイプ７１の他端７１Ｂは水冷式の熱交換機５を介して循環ポンプ１０の吸入側に接続されている。すなわち、一端７１Ａは熱交換パイプ７１の導入側端部を構成し、他端７１Ｂは熱交換パイプの回収側端部をそれぞれ構成している。熱交換パイプ７１はポリエチレン、架橋ポリエチレン等の樹脂製であり、その先端７１Ｃが地上において予めＵ字形状に形成されている。
図１において、符号７２は水冷式の熱交換機５で熱交換された冷却水を地中６内に入れる導入側の流路を示し、符７３は地中６内で熱交換された冷却水を水冷式の熱交換機５へ戻す回収側流路を示す。本形態において、熱交換パイプ７１と循環ポンプ１０を含む流路系は密閉回路として構成したが、開放回路としてもよい。

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、最初、循環ポンプ１０が駆動されて、水冷式の熱交換機５を用いた熱交換が行われる。そして所定の条件となると、図示しない電磁バルブにより回路が切換えられ、空冷式の熱交換機８へと熱交換媒体が導入され、空冷により熱交換媒体が熱交換される。電磁バルブによる回路切換は、空冷式の熱交換機８に熱交換媒体を導入し、所定の条件となると水冷式の熱交換機５に導入するように切換えてもよい。

（第１の実施形態）
地中熱システム１を導入する敷地内の土地６に設けられた掘削孔７０は、オーガー方式の掘削刃３１を有する掘削機３０で地表面６Ａからの熱影響を受けない地中内部まで略垂直に掘削されている。このような方式で掘削された掘削孔７０内には、先端７１ＣがＵ字状の熱交換パイプ７０が挿入されている。掘削孔７０内には熱交換パイプ７０の挿入後に、掘削孔７０の深部側となる孔底部７０Ａから地表面６Ａまでの所定範囲Ｈ１に熱伝導性部材７４を充填されると共に、孔の残りの部分、すなわち、熱伝導性部材７４の上から地表面６Ａまでの孔の領域Ｈ２には、掘削時に発生した発生土７５が充填されることで熱交換井７が形成される。

熱影響を受けない地中内部とは、地表面６Ａの温度変化があっても内部温度が変化しない深度であり、本形態では２メール以上としている。掘削孔７０の深さＨは、例えば５〜８メートルとする。所定範囲Ｈとは、孔底部７０Ａから少なくとも孔の深さＨ１の１／２以上としている。例えば、掘削孔７０の深さＨ１を６ｍとした場合、所定範囲Ｈ１は３ｍ以上とする。この掘削孔７０の深さＨは、オーガー方式の掘削刃３１の一般的な全長相当とすると、特別な刃を用いることなく掘削孔７０を掘削することが出来るのでコスト低減を図れる。熱伝導性部材７４としては、例えば、硅砂や山砂が挙げられる。

このような構成の熱交換井形成方法によると、先端Ｕ字状の熱交換パイプ７１を、オーガー方式の掘削刃３１を用いる掘削機３０で地表面６Ａからの熱影響を受けない深度まで略垂直に掘削した掘削孔６内に挿入するので、水平方向への空間が少ない住宅密集地や狭小地においても熱交換パイプ７０を埋設する孔が掘削可能となり、熱交換パイプ７０の埋設施工が行える。熱交換パイプ７０の挿入した掘削孔７０の孔底部７０Ａから地表面６Ａまでの地表面６Ａからの温度の影響が少ない領域となる所定範囲Ｈには熱伝導性部材７４が充填されるので、熱交換パイプ７０からの地中６への熱伝導効率が向上し、熱交換井７の性能を高めることができる。また、熱伝導性部材７４が充填された掘削孔７の領域Ｈ２には掘削時に発生した発生土７５を充填するので、掘り起こした発生土の処理量が少なくなり、コスト低減を図ることができる。

（第２の形態）
本形態は、図２に示すように、１つの掘削孔７０内に複数本の熱交換パイプ７０・・を挿入する場合の熱交換パイプの接続手法に関するものである。本形態は、熱交換パイプ７０・・を、掘削孔７０に対して３本入れた例とし、各熱交換パイプを符号７１１，７１２，７１３でそれぞれ示す。

熱交換パイプ７１１〜７１３は、掘削孔７０内のＵ字部分の間に位置しないように配置されている。熱交換パイプ７１１〜７１３は、最初の熱交換パイプ７１１の導入側端部７１１Ａと３本目の熱交換パイプ７１３の回収側端部７１３Ｂとを除いて、各熱交換パイプが連通するように掘削孔７０の頂部側となる地表面６Ａ側で各熱交換パイプが接続されている。

すなわち、熱交換パイプ７１１の回収側端部７１１Ｂと熱交換パイプ７１２の導入側端部７１２Ａ及び、熱交換パイプ７１２の回収側端部７１２Ｂと熱交換パイプ７１３の導入側端部７１３Ａとは、それぞれＵ字型または門型の連結部材８０で接続されている。このため、熱交換パイプ７１１から７１３は、熱交換パイプ７１１の導入側端部７１１Ａから熱交換パイプ７１３の回収側端部７１３Ｂまで１本化されて、ヒートポンプ４との接続端が、熱交換パイプ７１１の導入側端部７１１Ａと熱交換パイプ７１３の回収側端部７１３Ｂとの２箇所になり、熱交換パイプ７１１〜７１３とヒートポンプ４との配管構造を簡素化することができる。

（第３の形態）
本形態は、図３に示すように、複数の掘削孔７０・・内に熱交換パイプ７０をそれぞれ挿入する場合の熱交換パイプの接続手法に関するものである。本形態では、５つの掘削孔にそれぞれ熱交換パイプ７０を１本ずつ挿入することとし、各掘削孔には符号７０１、７０２，７０３，７０４，７０５を、各掘削孔に挿入した熱交換パイプには符号７１１，７１２，７１３，７１４，７１５をそれぞれ付すものとする。

掘削孔７０１，７０２，７０３，７０４，７０５には、熱交換パイプ７１１，７１２，７１３，７１４，７１５がそれぞれ挿入されていて、第１の実施形態同様、熱伝導性部材７４と発生土７５が充填されて熱交換井７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅが形成されている。

熱交換パイプ７１１〜７１５は、掘削孔７０１に挿入された熱交換パイプ７１１の導入側端部７１１Ａと掘削孔７０５に挿入された熱交換パイプ７１５の回収側端部７１５Ｂとを除いて、各熱交換パイプが連通するように、各掘削孔の頂部側となる地表面６Ａ側で各熱交換パイプが接続されている。

すなわち、熱交換パイプ７１１の回収側端部７１１Ｂと熱交換パイプ７１２の導入側端部７１２Ａとは、Ｕ字型または門型の連結部材８０で接続され、熱交換パイプ７１２の回収側端部７１２Ｂと熱交換パイプ７１３の導入側端部７１３Ａとは、連結部材８０で接続されている。同様に、熱交換パイプ７１３の回収側端部７１３Ｂと熱交換パイプ７１４の導入側端部７１４Ａ及び、熱交換パイプ７１４の回収側端部７１４Ｂと熱交換パイプ７１５の導入側端部７１５Ａとはそれぞれ連結部材８０で接続されている。
このため、熱交換パイプ７１１から７１５は、熱交換パイプ７１１の導入側端部７１１Ａから熱交換パイプ７１５の回収側端部７１５Ｂまで１本化されて、ヒートポンプ４との接続端が、熱交換パイプ７１１の導入側端部７１１Ａと熱交換パイプ７１３の回収側端部７１５Ｂとの２箇所になり、複数の熱交換井を形成する場合の熱交換パイプ７１１〜７１５とヒートポンプ４との配管構造を簡素化することができる。

本発明の一形態であるヒートポンプと熱交換井を備えた地中熱システムの概略構成図である。 １つの掘削孔に複数本の熱交換パイプを挿入する場合のパイプの接続構造を示す概念図である。 複数の掘削孔に挿入した熱交換パイプを挿入する場合のパイプの接続構造を示す概念図である。

符号の説明

１ 地中熱システム
４ ヒートポンプ
６ 地中
６Ａ 地表面
７，７Ａ〜７Ｅ
３０ オーガー方式の掘削機
７０，７０１〜７０５ 掘削孔
７１，７１１〜７１５ 熱交換パイプ
７４ 熱伝導性部材
７５ 発生土
７１１Ａ 熱交換パイプの導入側端部
７１３Ｂ，７１５Ｂ 熱交換パイプの回収側端部
Ｈ１ 所定範囲
Ｈ２ 掘削孔の残りの部分

Claims (4)

1. 熱交換媒体が流れる先端Ｕ字状の熱交換パイプを、オーガー方式の掘削機で地表面からの熱影響を受けない地中内部まで略垂直に掘削した掘削孔内に挿入し、
   前記熱交換パイプの挿入後、前記掘削孔の深部側から地表面近くまでの所定範囲に熱伝導性部材を充填し、同掘削孔の残りの部分に掘削時に発生した発生土を充填して熱交換井を形成することを特徴とする熱交換井形成方法。
2. 請求項１記載の熱交換井形成方法において、
   前記熱交換パイプを前記掘削孔内に複数本挿入する場合、少なくとも最初の熱交換パイプの導入側の端部とｎ本目の熱交換パイプの回収側の端部とを除いて、各熱交換パイプが連通するように前記掘削孔の頂部側で各熱交換パイプの導入側と回収側の端部をそれぞれ接続することを特徴とする熱交換井形成方法。
3. 請求項１記載の熱交換井形成方法において、
   前記掘削機で複数本の掘削孔を掘削する場合、最初の掘削孔に挿入される熱交換パイプの導入側の端部とｎ本目の掘削孔に挿入される熱交換パイプの回収側の端部とを除いて、各掘削孔に挿入された熱交換パイプが連通するように前記掘削孔の頂部側で各熱交換パイプの導入側と回収側の端部をそれぞれ接続することを特徴とする熱交換井形成方法。
4. 熱交換井と、この熱交換井を構成する熱交換パイプの導入側と回収側とが接続されるヒートポンプとを備えた地中熱システムにおいて、
   前記熱交換井として請求項１乃至４の何れかに記載の熱交換井を用いることを特徴とする地中熱システム。

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