JP2007120297A5

JP2007120297A5 -

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Publication number: JP2007120297A5
Application number: JP2006350859A
Authority: JP
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-11-13

Description

地熱利用構造物

本発明は、地熱を建築物の冷暖房等に利用する地熱利用構造物に関する。

従来の地熱利用には、例えば空気又は水を熱媒体とした熱交換用のダクト又はパイプを、地下室、地中埋設パイプ等から建築物内へと延ばし、地中内で加温又は冷却した熱媒体を建築物内に循環させて冷暖房の用に供したり、熱交換により作動する装置により動力を取出す態様のものが多かった。また、低温の地中恒温層（年間を通じて温度変化の少ない地中部分）を利用して、この地中恒温層に達する洞窟に食料等を保存したり、保存物を穴に収納し、覆土埋設する等して、地熱を利用していた。

地中の温度変化は、主として太陽熱の照射により地表面から一定深さの範囲で生じている。前記一定深さより深い地中では、季節によって温度変化がほとんどない地中恒温層になっており、深くなるほどに熱エネルギーは上昇する。地表面から一定の深さ、すなわち地中恒温層表層は、相対的に、夏季においては地表面より低温で、冬季においては地表面より高温である。こうした地中恒温層の熱エネルギーを建築物内へ導くと、夏季には冷房、冬季には暖房の用に供することができる。

そして、前記地中恒温層の熱エネルギーは事実上無尽蔵な自然エネルギーであり、他の自然エネルギー（太陽熱又は光、風力、水力等）に比べて安定かつ利用しやすい利点（建築物直下に存在するため、熱エネルギーを導きやすい点）がある。上記地熱利用の例は、こうした地熱の利点に着目したものであるが、まだ十分に利用されているとは言い難い。そこで、限りある石油、ガス、石炭等、化石エネルギーの枯渇を防止するため、ヒータ、エアコンディショナー等や、太陽熱又は光、風力、水力等の自然エネルギーを補助的に用いながら、地中恒温層の熱エネルギーをより有効に利用する手段について検討した。

検討の結果開発したものが、地表面から地中恒温層まで延びる断熱壁が建築物を囲んで埋設してなる地熱利用構造物である。具体的には、断熱壁は、建築物の基礎を囲んで埋設する。この場合、断熱壁は、基礎の地上露出部位又は地下埋設部位から離隔して埋設する。更に、断熱壁を基礎の地上露出部位から離隔して埋設した場合、地表面から突出する断熱壁上部と基礎との間に空間ができる。

本発明は、地中の深度方向における温度分布に従って、温度変動が安定する地中恒温層まで埋設した断熱壁で建築物の四方を囲むことにより、建築物内と建築物下の地面との熱交換範囲を建築物直下の領域に限定し、建築物内の温度変化をもたらす無駄な熱交換を抑制する。夏季における断熱壁は、建築物周囲の地面、とりわけ建築物周囲の地表面に照射する太陽熱による熱エネルギーが地中を介して基礎から建築物内に取込まれる熱交換を遮断し、建築物直下の地面を建築物に対して相対的低温に保つことで、建築物内の冷房効果を高める。また、冬季における断熱壁は、基礎を通じて建築物周囲の地中に逃げようとする暖房の熱エネルギーの離散を防止し、建築物内の暖房効果を高める。

表１は日本各地の１月（冬季）及び７月（夏季）における地表面（深さ０．０ｍ）〜地中恒温層（３．０ｍ）の範囲での温度分布をまとめたものであり、広島における冬季の地中温度分布を図３３に、そして同じく広島における夏季の地中温度分布を図３４に示す。例えば広島（表１中太枠線内）の冬季１月平均温度は、表１及び図３３に見られるように、地表面３９で５．０℃、深さ１ｍ層４０で７．４℃、深さ２ｍ層４１で１３．９℃、そして深さ３ｍ層（＝地中恒温層）４２で１６．０℃で、地中恒温層４２は地表面３９に比べて１１．０℃の高温である。しかし、外気との熱交換が盛んな床下４７は２．３℃と地表面より低温になっている。また、広島の夏季７月平均温度は、表１及び図３４に見られるように、地表面４３では２９．６℃、深さ１ｍ層４４で２５．４℃、深さ２ｍ層４５で１９．５℃、そして深さ３ｍ層（＝地中恒温層）４６で１７．３℃で、地中恒温層４６は地表面４３に比べて１２．３℃の低温である。この夏季においても、熱交換が盛んな床下４９は２４．３℃であり、地表面４３からの熱輻射等により日陰であるにも拘わらず、かなり温度が高くなっている。

表１から明らかなように、各地域共に深さ２〜３ｍ付近で夏季及び冬季の地中温度が略等しくなっている。土壌の種類や周辺環境によっても異なるが、およそ深さ２〜３ｍを地中恒温層と見ることができる。逆に言えば、これより浅い地中及び地表面は周辺の地中の温度変化、特に外気の影響を受ける地表面からの熱交換の影響を受ける。これから、特に太陽光に曝されない建築物直下の地面の前記熱交換を防ぎ、地中恒温層より上層、すなわち地表面から地中恒温層までの温度変化を抑制することとした。

こうした本発明の適用可能な建築物は、（１）建築物底面が断熱壁に囲まれた地表面に直接接触していてもよいし、（２）建築物底面と断熱壁に囲まれた地表面との間に砕石を充填していてもよいし、（３）建築物底面の部分又は全部に及ぶベタ基礎が断熱壁に囲まれた地表面に直接接触していてもよいし、更に（４）建築物底面の部分又は全部に及ぶベタ基礎と断熱壁に囲まれた地表面との間に砕石を充填していてもよい。このように、本発明による建築物内と建築物周囲の地面との熱交換の遮断は建築物周囲の断熱壁によって実現するため、建築物の基礎部分がどのようであっても本発明は利用可能である。

本発明を特徴付ける断熱壁は、（Ａ）合成樹脂製断熱パネルである場合を基本とする。具体的には、断熱壁は複数の合成樹脂製断熱パネルを連接してなり、各合成樹脂製断熱パネルは相互に連接する突き合せ縁の一方に嵌合条、残る他方に嵌合溝を有する構造とする。この合成樹脂製断熱パネルには、断熱壁の内外を連通する通湿孔を設けてもよい。一般に、断熱パネルは通気性又は通水性が劣り、建築物周囲を断熱パネルで囲むと建築物直下の水はけが悪くなる虞れがあるため、通湿孔を設けるとよい。このほか、断熱壁は、（Ｂ）合成樹脂又は金属製中空パイプを相互に密着状態で連設して構成してもよい。この合成樹脂又は金属製中空パイプにも、断熱壁の内外を連通する通湿孔を設けることができる。複数本のパイプを建築物内外方向に並べて断熱壁を構成する場合、各パイプの通湿孔は直線状に連通する必要はなく、各パイプの通湿孔が互い違いになっても、断熱壁全体として通気性又は通水性を発揮できればよい。

本発明により、地中恒温層を利用した冷暖房が可能となり、外部エネルギーの節約が可能である。しかも、本発明では、室内と地中恒温層とが熱平衡するための熱エネルギーの移動（熱交換）を利用しているから、なんら動力を用いず、振動又は騒音が発生しない利点がある。また、断熱壁Ａの構築は最初の施工時のみで後は通常の建築物同様の維持管理しか必要なく、しかも熱交換する一方の熱源が地中恒温層で事実上無尽蔵であるため、他の冷暖房設備の利用に比べて運用コストが極めて低コストで、永続的に利用し続けることができる利点もある。

室内と地中恒温層との熱平衡は、両者の熱エネルギーが均等になる状態に向けて収束するため、室内又はハウス内と地中恒温層とが同一温度になるわけではないが、夏季においては室内は室外よりも相対的に低温となり、冬季においては室内は室外よりも相対的に高温となる。例えば、上記表１において、広島の地中高温層（深さ３ｍ層）の温度は年間を通じて１６〜１７℃とみることができ、これは５〜６月の気温に等しい。これから、この地中高温層の温度に室内温度を近付けることができれば、仮に冷暖房を用いなくても比較的過ごしやすい室内を提供できるようになる。これは、ストレスの抑制や病気発生の予防等、健康維持に貢献するほか、植物の生長を安定かつ促進する。本発明は、こうした効果を建築物又はビニールハウス全体に対して均一に与える点にも、従来のエネルギー利用とは異なる特徴を有する。

近年、石油、ガス、石炭等を利用した化石エネルギー消費によって生活基盤を支えてきた状況に対し、資源の減少、エネルギー消費に伴う副産物ＣＯ_２等の排出量増大に伴う温暖化等の問題が危惧され続けている。そのため、太陽熱、光、風力、水力、地熱等の自然エネルギーを利用する研究、開発又は導入が急がれている。これら自然エネルギーの中で、地熱は利用に際して動力を必要とせず、２４時間恒常的に利用できる利点がある。本発明は、こうした地熱を建築物の冷暖房に利用することで、従来の冷暖房に用いる化石エネルギーの必要量が大幅に削減され、省エネルギーを実現するわけである。

以下、図面に示す実施の形態により本発明を詳細に説明する。図１は本発明に用いる断熱パネルを示した斜視図、図２は別例の断熱パネルを示した斜視図、図３は断熱パネルを埋設して断熱壁を構築した状態を示す断面図、図４は断熱パネルを埋設して断熱壁を構築した状態を示す平面図、図５は別例の断熱パネルを示した斜視図、図６は別例の断熱パネルを示した斜視図、図７は別例の断熱パネルを埋設して断熱壁を構築した状態を示す断面図、図８は別例の断熱パネルを埋設して断熱壁を構築した状態を示す平面図、図９は別例の断熱パネルを示した斜視図で、図１０は別例の断熱パネルを示した斜視図、図１１は別例の断熱パネルを埋設して断熱壁を構築した状態を示す断面図、図１２は別例の断熱パネルを埋設して断熱壁を構築した状態を示す平面図、図１３は建築物の基礎から離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図、図１４は別例の建築物の基礎から離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図、図１５は別例の建築物の基礎から離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図、図１６は地中梁を有する基礎に密接して断熱壁を構築した状態を示す断面図、図１７は地中梁を有する基礎から離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図、図１８は地中梁を有する基礎から離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図、図１９は地中梁を有する基礎から離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図、図２０は地熱利用地上構造物から離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図、図２１はビニールハウスから離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図、図２２は断熱壁と地中温度分布との関係を表した別例の断面図、図２３は断熱壁と地中温度分布との関係を表した別例の断面図、図２４は断熱壁と地中温度分布との関係を表した別例の断面図、図２５は断熱壁と地中温度分布との関係を表した別例の断面図、図２６はより実際的な本発明の別の適用例を示す断面図、図２７は耐震構造の建築物の断面図、図２８は本発明を適用した耐震構造の建築物の断面図、図２９は別例の耐震構造建築物の断面図、図３０は本発明を適用した別例の耐震構造の建築物の断面図、図３１は建築物外壁に沿って断熱壁を延長した別例を示す断面図、図３２は広島における冬期地中温度分布帯を示す断面図であり、そして図３３は広島における夏期地中温度分布帯を示す断面図である。

本発明では、図１及び図２に見られる合成樹脂断熱パネル１を用いて、図３及び図４に見られる断熱壁Ａを構築する。図１及び図２に例示する断熱パネル１は、地表面４から地中３に向けて深く埋設できる高さを有する合成樹脂製断熱パネルであって、左側縁（図１中奥）及び上縁に嵌合条５０、右側縁（図１中手前）に嵌合溝５１を有し、横並びの断熱パネル１，１相互を嵌合状態で連接する。また、断熱パネル面には内外に連通する通湿孔２を設けている。図２の例は、図１の断熱パネル１に対して下右角部を切り欠いている。

断熱パネル１相互は連接できればよく、嵌合条及び嵌合溝は必須の構成ではない。よって、図１又は図２の断熱パネル１に代えて、上縁の嵌合条を省いた図５又は図６の断熱パネル１を用いて、図７及び図８に見られる断熱壁Ａを構築してもよい。また、湿度の低い地域であれば、地中３における通気性又は通水性を気にしなくてもよいので、図５又は図６の断熱パネルから更に通湿孔を省いた図９又は図１０の断熱パネル１を用いて、図１１及び図１２に見られる断熱壁Ａを構築してもよい。

断熱パネル１を基礎５から空間１１を設けて離隔すると、図１３に見られるように地中３から地表面４に至る連続した１枚の断熱パネル１で断熱壁Ａを構築できる。この場合、空間１１は断熱壁Ａと建築物２２との間における空気断熱層を構成して、本発明の作用、効果を高める働きを有する。また、図１４に見られるように、基礎５から空間１１を設けて断熱パネル１を離隔して断熱壁Ａを構築してもよい。更に、湿気の少ない場所では、図１５に見られるように、通湿孔を省略した断熱パネル１で断熱壁Ａを構築してもよい。

本発明は上記布基礎５に限らず、他の基礎についても適用できる。本発明は、図１６及び図１７に見られるように、地中梁５２を有する基礎５に対しても上述同様適用できる。この場合、地中梁５２下、基礎５内を土壌で満たすことができ、建築物２２としての安定性が増すほか、建築物２２と地中３との熱的一体性を確保できる。この場合も、図１８及び図１９に見られるように、基礎５から断熱壁Ａを離隔して構築する。

基礎のない簡易な建築物２２に対しても、本発明は適用可能である。例えば、図２０に見られるように、外壁９から空間１１を設けて離隔した断熱壁Ａとする。このほか、図２１に見られるように、畝１６をハウス２５内に有するビニールハウス１５にも、上述同様本発明を適用できる。

次に、本発明の具体的な働きを説明する。図２２、図２３は一般家屋の建築物２２を、図２４、図２５はビニールハウス１５を用いた例である。図２２に見られる例は、地中梁５２を有する基礎５上に土台６を築き、この土台６上に床１７、建築物壁２７、天井２４に囲まれた室内１８を構成し、及び屋根２３からなる建築物２２を建築した例である。断熱壁Ａは、地表面４から深さ１ｍ層１９、深さ２ｍ層２０を突き抜けて深さ３ｍ層（地中恒温層）２１に達する断熱パネル１を、基礎５から離隔した状態で地中３に埋設して構成している。断熱壁Ａ上端は水切１０で塞いでいる点は上述の各例と同様である。

断熱壁Ａは、地中３における建築物２２周囲と断熱壁Ａに囲まれた建築物２２直下の深さ１ｍ層１９、深さ２ｍ層２０及び深さ３ｍ層（地中恒温層）２１の熱交換を遮断している。これにより、室内１８は深さ１ｍ層１９及び深さ２ｍ層２０を介して深さ３ｍ層（地中恒温層）２１との間での熱交換をするようになる。すなわち、夏季では、外気に対して相対的に低温な深さ３ｍ層（地中恒温層）２１との熱交換により室内１８は冷却され、逆に冬季では、外気に対して相対的に高温な深さ３ｍ層（地中恒温層）２１との熱交換により室内１８は暖房され、それぞれ室内１８の冷房又は暖房に要する外部エネルギー（電気やガス）を低減できることになる。この場合、基礎５の地上露出部位における外気との熱交換の影響を抑制するには、図２２に見られるように、基礎５から空間１１を開けて断熱パネル１を埋設するとよい。

このように、断熱壁Ａは建築物周囲の地中と建築物直下の地中との熱交換を遮断することにより、室内に対して相対的低温（夏季）又は相対的高温（冬季）となる地中恒温層と室内との熱交換による冷房又は暖房を図るものである。よって、基本的には断熱壁Ａの埋設深さが深いほど好ましいわけであるが、前記作用が実現されるのであれば、断熱壁Ａの埋設深さは浅くてもよく、例えば図２３に見られるように、深さ２ｍ層２０に達する程度の断熱壁Ａであってもよい。

また、上記断熱壁Ａの作用は、あくまで建築物周囲に断熱パネルを埋設することにより実現するものであるから、図２４及び図２５に見られるように、建築物がビニールハウス１５に変ったとしても、断熱壁Ａの作用はハウス内２５に及ぶ。この結果、ハウス内２５の温度維持に必要な外部エネルギーが低減されるから、従来に比べて低コストでのビニールハウス１５の利用が可能となる効果が得られる。

上述までの例示で、建築物又は基礎と断熱壁との間に空間を設けた場合、断熱壁の作用は前記空間にも及ぶ。

（削除）

より実際的な建築物２２に本発明を適用した場合、図２６に見られるように、まず割栗石３３を敷き、基礎コンクリート３２を打設して基礎５を構成するため、断熱壁Ａは割栗石３３を超えた深さにまで達することが望ましい。また、例えば図２７に見られるような基礎コンクリート３２及び基礎５を囲み、地中梁５２までの範囲を満たす割栗石３３の充填層を構成した耐震構造の建築物２２に本発明を適用する場合は、図２８に見られるように、前記割栗石３３の充填層を囲み、この充填層より深い地中３に達する断熱壁Ａを構築するとよい。本例（図２９）のように、基礎コンクリート３２及び基礎５との間及び地中梁５２下面に沿って防湿シート３４を配した耐震構造の建築物２２に対しても、図３０に見られるように本発明を適用することができる。

本発明の断熱壁による作用、効果をよりよく発揮するには、建築物自体が外気と直接熱交換せず、地中恒温層との間でだけ熱交換する状態にするとよい。例えば、図３１に見られるように、断熱壁Ａに上部断熱パネル３５を継ぎ足して断熱壁Ａ全体として上方に延設した構成とし、建築物２２側面全体を断熱壁Ａで覆うようにするとよい。これにより、室内１８は下方、地中３に向けてのみ熱交換できるようになり、本発明を適用した場合の作用、効果がよりよく発揮できる。

本発明に用いる断熱パネルを示した斜視図である。別例の断熱パネルを示した斜視図である。断熱パネルを埋設して断熱壁を構築した状態を示す断面図である。断熱パネルを埋設して断熱壁を構築した状態を示す平面図である。別例の断熱パネルを示した斜視図である。別例の断熱パネルを示した斜視図である。別例の断熱パネルを埋設して断熱壁を構築した状態を示す断面図である。別例の断熱パネルを埋設して断熱壁を構築した状態を示す平面図である。別例の断熱パネルを示した斜視図である。別例の断熱パネルを示した斜視図である。別例の断熱パネルを埋設して断熱壁を構築した状態を示す断面図である。別例の断熱パネルを埋設して断熱壁を構築した状態を示す平面図である。建築物の基礎から離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図である。別例の建築物の基礎から離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図である。別例の建築物の基礎から離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図である。地中梁を有する基礎に密接して断熱壁を構築した状態を示す断面図である。地中梁を有する基礎から離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図である。地中梁を有する基礎から離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図である。地中梁を有する基礎から離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図である。地熱利用地上構造物から離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図である。ビニールハウスから離隔して断熱壁を構築した状態を示す断面図である。断熱壁と地中温度分布との関係を表した別例の断面図である。断熱壁と地中温度分布との関係を表した別例の断面図である。断熱壁と地中温度分布との関係を表した別例の断面図である。断熱壁と地中温度分布との関係を表した別例の断面図である。より実際的な本発明の別の適用例を示す断面図である。耐震構造の建築物の断面図である。本発明を適用した耐震構造の建築物の断面図である。別例の耐震構造建築物の断面図である。本発明を適用した別例の耐震構造の建築物の断面図である。建築物外壁に沿って断熱壁を延長した別例を示す断面図である。広島における冬期地中温度分布帯を示す断面図である。広島における夏期地中温度分布帯を示す断面図である。

符号の説明

１断熱パネル
２通湿孔
３地中
４地表面
５基礎
６土台
７柱
８内壁
９外壁
１０水切
１１空間
１２床下
１３鉄骨
１４土間
１５ビニールハウス
１６畝
１７床
１８室内
１９深さ１ｍ層
２０深さ２ｍ層
２１深さ３ｍ層（地中恒温層）
２２建築物
２３屋根
２４天井
２５ハウス内
２６外気
２７建築物壁
２８空気浄化装置
２９換気装置
３０ダクト
３１熱媒体
３２基礎コンクリート
３３割栗石
３４防湿シート
３５上部断熱パネル
３６中空パイプ
３７建築物上部
３９地表面（５．０℃）
４０深さ１ｍ層（７．４℃）
４１深さ２ｍ層（１３．９℃）
４２深さ３ｍ層（１６．０℃、地中恒温槽）
４３地表面（２９．６℃）
４４深さ１ｍ層（２５．４℃）
４５深さ２ｍ層（１９．５℃）
４６深さ３ｍ層（１７．３℃、地中恒温槽）
４７床下（２．３℃）
４９床下（２４．３℃）
５０嵌合条
５１嵌合溝
５２地中梁
Ａ断熱壁

Claims

地表面から温度変動が安定する地中恒温層まで延びる断熱壁が地中恒温層の上方に存在する建築物の基礎又は建築物の外壁を四方から囲んで埋設してなる地熱利用構造物であって、該断熱壁が建築物の外壁から連続的かつ一体的に地中恒温層に到達するよう埋設され、該断熱壁は複数の合成樹脂製断熱パネルを継ぎ合わせて構成され、基礎の地上露出部位又は地下埋設部位から離隔して埋設されてなる地熱利用構造物。
建築物は、該建築物底面が断熱壁に囲まれた地表面に直接接触している請求項１記載の地熱利用構造物。
建築物は、該建築物底面と断熱壁に囲まれた地表面との間に砕石を充填している請求項１記載の地熱利用構造物。
建築物は、建築物底面の部分又は全部に及ぶベタ基礎が断熱壁に囲まれた地表面に直接接触している請求項１記載の地熱利用構造物。
建築物は、建築物底面の部分又は全部に及ぶベタ基礎と断熱壁に囲まれた地表面との間に砕石を充填している請求項１記載の地熱利用構造物。
合成樹脂製断熱パネルは、断熱壁の内外を連通する通湿孔を設けた請求項１記載の地熱利用構造物。
地中の深度方向における温度分布に従って、複数の合成樹脂製断熱パネルを連接してなる断熱壁を温度変動が安定する地中恒温層まで埋設して地中恒温層より上に存在する建築物の四方を離隔して囲んで空間を建築物基礎と断熱壁の間に形成し、建築物内と建築物下の地面との熱交換範囲を建築物直下の領域に限定し、夏季においては室内は室外よりも相対的に低温となり、冬季においては室内は室外よりも相対的に高温となることを特徴とする地熱利用構造物の建造方法。