JP2007064549A - 地中熱利用空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】 地中熱利用空調システムにおける地中配管の埋設を経済的に施工する。
【解決手段】 地中に埋設した地中配管１内と地上の熱交換器３との管に液体を循環させ、熱交換器３から得られる熱により建物内の被空調空間Ｒを冷暖房する地中熱利用空調システムにおいて、前記地中配管１が建物の下部を横断して略円弧状に敷設されるものとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地中熱を利用する無公害で経済的な空調システムに関する。

表層部を除く地盤（以下、「恒温層」という）内の地中温度が年間を通じてほぼ１５〜１６℃であることに着目して、恒温層内に埋設した地中配管内と地上の熱交換器との間に液体を循環させ、熱交換器から得られる熱により建物内を冷暖房する地中熱利用空調システムが種々提案されている。１５〜１６℃という温度範囲は、暖房用の目標温度としてはやや低めであるが、冷房時の目標温度としては低すぎるほどであり、建物の室内を効率よく上記の温度に保持することができれば、年間を通じて理想的な空調システムが実現する。

まず特許文献１に記載された空調システムを図面により簡単に説明する。
図３は特許文献１に記載された空調システムの構成図で、１は地中配管（地中埋設パイプ）、２は液体の循環ポンプ、３は熱交換器、４は送風機である。この空調システムでは地中配管１に液体を通し、その液体に地中熱を与えて熱交換器３に循環させ、送風機４により液体と熱交換した空気を建物の床下、壁体内部、屋根裏等に循環させることにより建物の内部を冷暖房するのである。地中配管１の敷設は、地下の中深部に垂直にボーリングを行なうとしている。液体は、例えば水である。

つづいて特許文献２に記載された地中熱利用システムを図面により簡単に説明する。図４は特許文献２に記載された地中熱利用空調システムの実施例のうち、（ａ）は冷房運転の状態、（ｂ）は暖房運転の状態を示す構成図で、５は圧縮機、６は四方弁、８は凝縮器、９は膨張弁、１０は蒸発器、１１は冷媒用配管、Ｒは被空調空間である。
この地中熱利用空調システムは、地中に埋設された地中熱交換器（地中配管）１とヒートポンプとの間を熱交換可能に連結し、ヒートポンプと被空調空間および大気との熱交換器とを切り換え可能に連結し、地中熱交換器、ヒートポンプ、被空調空間とを連結して地中に放熱、あるいは採熱しながら被空調空間を冷暖房するもので、ヒートポンプは圧縮機５、凝縮器８、膨張弁９、蒸発器１０、これらを接続して冷媒を循環させる冷媒用配管１１ならびに冷媒の流れを正逆に切り換える四方弁６で構成され、（ａ）では地中熱交換器内１に満たされた充填材と熱交換する冷媒用配管１１がヒートポンプの凝縮器８として機能し、地中に放熱し、ヒートポンプの蒸発器１０と被空調空間７との間で熱交換して被空調空間７を冷房する。また（ｂ）では、地中熱交換器内に満たされた充填材と熱交換する冷媒用配管１１がヒートポンプの蒸発器１０として機能し、地中から採熱し、ヒートポンプの凝縮器８と被空調空間７との間で熱交換して被空調空間７を暖房する。

なお、地中熱交換器１は、地中に形成されるボアホール、杭基礎、直接基礎、地中連続壁等の地中地盤に接するすべての部材に適用可能であるとしており、また充填材は地中熱交換器１内に満たされる水やグラウト等である。
一方、特許文献３には、フィン付きの二重管を地中に埋設し、この二重管の内管に冷媒循環ポンプ、リザーバ、熱交換器をこの順に接続し、外管に前記の熱交換器を接続し、これらの循環系に冷媒を封入して循環させる地中熱利用冷暖房装置が記載されている。図５によりこれを簡単に説明する。1aは地中に埋設されたフィン付きの二重管、２は循環ポンプ、３は熱交換器、４は送風機、8aは冷媒のリザーバである。循環ポンプ２により二重管1aの内管に送り込まれた冷媒は、外管に回って周囲の地盤と熱交換しながら地上の熱交換器３に戻り、ここで送風機４により被空調空間と熱交換して空調を行い、リザーバ8aで液化して再び循環ポンプ２で二重管1aに送り込まれる。

この他、これまでの地中熱交換器に代えて２基の井戸を掘り、一方を地中熱採取用の揚水井戸、他方を戻り水の還元井戸として使用する地中熱利用システムも一部で実施されている。
ところで、従来提案されているこれらの地中熱利用システムにおいては、地盤との熱交換を行なう地中配管について、単に「地中管を埋設する」としてその形態を特定していないものや、あるいは基礎杭の内部空間等を利用するもの、別個に井戸を掘削するなどがみられたが、いずれも施工に多大な費用を要したり、すでに完成している建物には適用できないものであった。別個に井戸を掘削する方式では揚水井戸においては地下水位低下の問題があり、還元井戸においては周辺の地盤汚染の問題がある。

既設の構造物の下部に配管を埋設するには、一般に配管の両端となる位置に立坑を設け、ここから水平ボーリングや推進工法等によって水平方向に管体を敷設するのであるが、立坑の設置には膨大な工事費がかかり、周辺の交通にも障害が発生するなど、さまざまな問題点がある。
ところが近年米国で、可撓性の連結用ロッドを備えた非開削式ボーリング機が開発され、立坑を設けなくても任意の形状で、例えば円弧状などのボーリングが可能となった。このようなボーリング機の一例ならびにそれを使用する工法が特許文献４に記載されている。

このボーリング機には、先端部が軸に対して斜めにカットされた特殊な形状の掘進ヘッドが取り付けられており、これを回転させながら前進させれば直線状の削孔が行なわれるが、回転させずに前進させると斜めにカットされた面が土圧を受けるので斜め方向に進むという特徴がある。図６は掘進機60を使用して既設の構造物Ｓの直下をボーリングする場合の概念図で、50は掘進ヘッド、51は可撓性の連結用ロッド、65は掘進機60のクランプ、66は同じくチャックである。また、図７は掘進機60の外観図で、61は前進フレーム、62は回転用モータ、63はチェーン、64は前進用モータ、Ｐは掘進させる管体、Ｍは滑剤等を使用する場合の薬液タンクである。前進フレーム61には前記のクランプ65およびチャック66が設けられており、クランプ65で管体Ｐの回転を拘束したまま前進させると先端の掘進ヘッド50は斜め方向に向かい、チャック66で回転自在に保持して前進させると先端の掘進ヘッド50は直進する。
特開２００３−３４３８８４号公報 特開２００５−４８９７２号公報 実開昭６０−１１３４６０号公報 特公昭６１−２５７５０１号公報

本発明は、立坑の設置や井戸の掘削などの施工場所に制約を受ける工事を必要とせず、また既設の建物の下部にも施工が可能な地中配管による地中熱利用システムを実現することを目的とする。

本発明は、このようなボーリング機により円弧状の配管を地中に埋設する地中熱利用システムである。
すなわち、本発明は、地中に埋設した地中配管内と地上の熱交換器との間に液体を循環させ、熱交換器から得られる熱により建物内の被空調空間を冷暖房する地中熱利用空調システムにおいて、前記地中配管が、建物の敷地の外側から地中に進入し建物の下部に自在の形状に敷設されたものであることを特徴とする地中熱利用空調システム、あるいは、地中に埋設した地中配管と、地上の膨張弁、熱交換器、圧縮機、四方弁とを切り換え可能に接続して冷媒を循環させ、熱交換器から得られる熱により建物内の被空調空間を冷暖房する地中熱利用空調システムにおいて、前記地中配管が、建物の敷地の外側から地中に進入し建物の下部に自在の形状に敷設されたものであることを特徴とする地中熱利用空調システムである。

本発明によれば、地中熱を利用する経済的な空調システムが、既存の建物等においても容易に採用できることとなり、省エネルギーとコスト削減が実現するという、すぐれた効果を奏する。

本発明は、建物の敷地の外側から地中に進入し建物の下部に自在の形状に敷設された地中配管、例えば建物の下部を横断して略円弧状に敷設された地中配管を熱交換器とする地中熱利用空調システムである。このような地中配管は、前記した特殊な掘進ヘッドと可撓性の連結用ロッドを使用するボーリングで実現することができる。すなわち、建物の敷地の外側から斜め方向にボーリングし、深さが恒温層に到達したらボーリング方向を水平に転じ、建物の下部を通過したら再び地上に向けて斜め方向とし、略円弧状にボーリングを行なうことができる。このように斜め−水平−斜めの組合せで略円弧状としてもよいし、終始一定の曲率で円弧状にボーリングしてもよい。また、伝熱面積を大きくするため、建物の下部にＳ字状や渦巻き状に配管を敷設してもよい。要は立坑なしの屈曲ボーリングで、建物の下部の恒温層内に管体を埋設すればよいのである。

掘進に使用する可撓性のロッドを管状体として地中に残しそのまま配管に使用してもよいし、貫通後に掘進ヘッドに新たな管体を連結して引き戻し、この新たな管体を地中に敷設してもよい。
この工法によれば立坑を設ける必要がないので経済的であるばかりでなく、既設の建物に対して施工できるのは大きな利点である。

本発明の第１の実施例を図１により説明する。この図は第１の実施例の空調システムの構成図で、各符号はこれまでの説明と同じであり、１は地中配管、２は循環ポンプ、３は熱交換器、４は送風機、７は循環タンク、Ｒは被空調空間である。
すなわち、地中（いうまでもなく恒温層内である）に埋設した地中配管１内と地上の熱交換器３との間に液体を循環させ、熱交換器３から得られる熱により建物内の被空調空間Ｒを冷暖房する地中熱利用空調システムであって、前記地中配管１が、建物の敷地の外側から地中に進入し、建物の下部を横断して略円弧状に敷設されている。地中配管の管体としては、金属管、樹脂管等の強度ならびに熱伝導のよいものが好適である。管体の形状も通常の円筒状のほか、ひれ付き管や星型断面のものなど、表面積を大きくして十分に熱交換を行なえるようにしたものは、より好適である。場合によっては、図５で説明したような二重管を使用してもよい。

なお、地中配管１ならびに熱交換器３を結ぶ一連の配管内を循環させる液体としては、例えば水、あるいは流動性にすぐれ、比熱の小さい薬液などがよい。地中配管１を経由して地盤内の地下温度となった液体が熱交換器３に流入するので、送風機４により熱交換を促進すれば、夏季であれば室温よりもはるかに低い約15℃の冷風が吹き出し、冬季であれば外気よりも高く、目標温度に近い約15℃の温風が吹き出すことになる。しかし地中温度にほぼ等しい温度の液体を循環させるだけであるから、これを超える高温や低温での空調は実現できない。

本発明の第２の実施例を図２により説明する。この図は第２の実施例の空調システムの構成図で、各符号はこれまでの説明と同じであり、５は圧縮機、６は管路を切り換える四方弁、９は膨張弁、１１は冷媒用配管である。
この実施例では、地中に埋設した地中配管１と、地上の膨張弁９、熱交換器３、圧縮機５、四方弁７とを切り換え可能に接続して内部にフレオン、アンモニア、二酸化炭素等の冷媒（塩化カルシウム等のいわゆる「ブライン」を含む）を循環させ、熱交換器３から得られる冷熱あるいは温熱により建物内の被空調空間Ｒの冷暖房を行なう。冷媒を使用していわゆるヒートポンプの運転サイクルを実施するので、冷房運転時と暖房運転時とでは四方弁７によって冷媒の循環方向を切り換える必要がある。図２において矢印ａは冷房運転時、矢印ｂは暖房運転時である。循環させる液体として冷媒を使用し、気化した冷媒を圧縮機で高圧に圧縮するため、地中温度に直接左右されない任意の温度が実現でき、建物内の空調だけでなく冷凍庫等にも採用できる。

この実施例でも、地中配管は建物の敷地の外側から地中に進入し、建物の下部を横断して略円弧状に敷設されたものであるが、前記したように配管の形状は必要に応じてこの他にも任意に選定することができる。

本発明第１の実施例における地中熱利用の空調システムの構成図である。 本発明第２の実施例における地中熱利用の空調システムの構成図である。 従来の技術における地中熱利用の空調システムの構成図である。 他の従来の技術における地中熱利用の空調システムの構成図である。 さらに他の従来の技術における地中熱利用の空調システムの構成図である。 従来の技術における曲線状のボーリング工法の概念図である。 図６のボーリング工法における掘進機の外観図である。

符号の説明

１ 地中配管（地中熱交換器）
1a 二重管
２ 循環ポンプ
３ 熱交換器
４ 送風機
５ 圧縮機
６ 四方弁
７ 循環タンク
８ 凝縮器
8a リザーバ
９ 膨張弁
１０ 蒸発器
１１ 冷媒用配管
５０ 掘進ヘッド
５１ 連結用ロッド
６０ 掘進機
６１ 前進フレーム
６２ 回転用モータ
６３ チェーン
６４ 前進用モータ
６５ クランプ
６６ チャック
Ｍ 薬液タンク
Ｐ 管体
Ｒ 被空調空間
Ｓ 構造物

Claims (2)

1. 地中に埋設した地中配管内と地上の熱交換器との間に液体を循環させ、熱交換器から得られる熱により建物内の被空調空間を冷暖房する地中熱利用空調システムにおいて、前記地中配管が、建物の敷地の外側から地中に進入し建物の下部に自在の形状に敷設されたものであることを特徴とする地中熱利用空調システム。
2. 地中に埋設した地中配管と、地上の膨張弁、熱交換器、圧縮機、四方弁とを切り換え可能に接続して冷媒を循環させ、熱交換器から得られる熱により建物内の被空調空間を冷暖房する地中熱利用空調システムにおいて、前記地中配管が、建物の敷地の外側から地中に進入し建物の下部に自在の形状に敷設されたものであることを特徴とする地中熱利用空調システム。

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