JP2007139370A

JP2007139370A - 地中熱交換器

Info

Publication number: JP2007139370A
Application number: JP2005336737A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ogiwara; 健荻原; Takumi Matsumoto; 巧松本
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2007-06-07
Anticipated expiration: 2025-11-22
Also published as: JP4606312B2

Abstract

【課題】復路の温まった熱媒と、往路の冷えた熱媒との間の熱移動を防止すると共に、建設コストを抑制する。
【解決手段】地中の縦穴１内に、下端部を閉止した外管４と、該外管４内に配置され、かつ、下端部を開放した内管５とより成る２重管状の熱交換器を埋設し、かつ、前記外管４から前記内管５内へ又は前記内管５から前記外管４内へ熱媒液ａが循環するようにした地中熱交換器である。前記内管５の地表側の部分２５に、内管５内の熱媒液ａと外管内の熱媒液ａとの熱交換を防止する断熱材２６を設ける。また、前記外管４の地表側の部分を大径にして熱媒液ａの流動を妨げないようにし、かつ、前記外管４の大径部４１と先端小径部４２とを漏斗状の継手部４３によって接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱の採取中に地中熱をロスしないようにした地中熱交換器に関するものである。

地中は、年間を通じて温度がほぼ一定であるため、夏期には地上の熱を地中に放出し、冬期には地熱を吸収して地上で利用することができる。地中熱の利用形態は、地中熱をそのまま採取して冷暖房などに利用するもの、或いは、外気が地中よりも高温になる夏期に地上で採取した温熱を地中に蓄熱し、外気が地中よりも低温になる冬期にそれを地中から採取して暖房や融雪に利用するものなどがある。

例えば、垂直式の地中熱交換器は、地中に縦穴を掘削し、この縦穴内に鋼管や樹脂管などから成る管材を挿入し、この管材と前記縦穴との間にグラウト材や土砂を充填した構造とするのが一般的である。この管材を用いるものにも各種の方式があるが、例えば、同軸式と呼ばれるものは、外管と、この外管内に配置させた内管の同軸２重管により構成されている。

そして、地上から供給された不凍液などの熱媒体は、外管と内管の隙間を通って地下深くまで降下し、その間に地中との間で熱交換する。そして、外管の最下部で反転し、内管を地上に戻る。あるいは、その逆の経路を採るものもある。地上では、地中熱交換器から排出された熱媒体が融雪器などの熱交換器に供給される。この熱交換器で熱交換を終えた熱媒体は、再び、地中熱交換器へ戻される（例えば、特許文献１乃至３参照。）。

このように、地中熱は、環境汚染のない極めてクリーンなエネルギーである。また、天然資源をそのまま利用するものであるから極めて経済的であるという利点がある。

しかし、２重管は、その構造上、地中で温まった水や不凍液などの熱媒体が地中から地表に上昇して行く過程で、地表から地中へと降下して行く低温の媒体と内管を介して間接的に接触することによって保有熱が奪われるという問題がある。

Ｕ字管の場合は、管の構造上、往路と復路とが分離しているので、復路の地表部に保温用の断熱手段を講じた例がある（例えば、特許文献４参照。）。
特開平５−１１３１０１号公報特開２００３−３０７３５２号公報特開２００４−３０９１２４号公報特開平１１−１８２９４３号公報

しかしながら、２重管の場合は、管の構造上、往路と復路とが分離していないので、断熱構造を採用するに際して制約が多いという問題があった。また、断熱構造を採用するに際してコストが嵩むことから、コストダウンの工夫が必要であった。

本発明は、このような要望に応えるためになされたものであり、その目的とするところは、復路の温まった熱媒と、往路の冷えた熱媒との間の熱移動を防止すると共に、建設コストを抑制することができる地中熱交換器を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、次のように構成されている。
請求項１に記載の発明に係る地中熱交換器は、地中に縦穴を掘削し、該縦穴内に、下端部を閉止した外管と、該外管内に配置され、かつ、下端部を開放した内管とより成る２重管状の熱交換器を埋設し、更に、前記外管から前記内管内へ又は前記内管から前記外管内へ熱媒液が循環するようにした地中熱交換器において、前記内管の地表側の部分に、内管内の熱媒液と外管内の熱媒液との熱交換を防止する断熱材を設けると共に、前記外管の地表側の部分を大径にして熱媒液の流動を妨げないようにし、かつ、前記外管の大径部と先端小径部とを漏斗状の継手部によって接続したことを特徴としている。

請求項２に記載の発明に係る地中熱交換器は、前記内管の全長をＬとした場合、前記断熱材の設置長さＬ₁を０．１Ｌ〜０．３Ｌの範囲とすることを特徴とする請求項１記載の地中熱交換器である。

請求項３に記載の発明に係る地中熱交換器は、前記内管に合成樹脂管製のパイプを適用することを特徴とする請求項１又は２記載の地中熱交換器である。

請求項４に記載の発明に係る地中熱交換器は、前記内管の下端部とストレーナーとの間にチューブ状のウエイトを設けたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の地中熱交換器である。

請求項５に記載の発明に係る地中熱交換器は、前記外管を角型とすることを特徴とする請求項１記載の地中熱交換器である。

上記のように、請求項１に記載の発明は、地中に縦穴を掘削し、該縦穴内に、下端部を閉止した外管と、該外管内に配置され、かつ、下端部を開放した内管とより成る２重管状の熱交換器を埋設し、更に、前記外管から前記内管内へ又は前記内管から前記外管内へ熱媒液が循環するようにした地中熱交換器において、前記内管の地表側の部分に、内管内の熱媒液と外管内の熱媒液との熱交換を防止する断熱材を設けたので、地熱によって温められた復路の熱媒液と、往路の冷えた熱媒液との間の熱の移動を防止することが可能となった。

従って、外管と内管から成る２重管式の地中熱交換器において、地熱によって温められた復路の熱媒液の温度低下を防止することができ、地熱の利用度を高めることが可能となった。

また、請求項１に記載の発明は、前記外管の地表側の部分を大径にして熱媒液の流動を妨げないようにし、更に、前記外管の大径部と先端小径部とを漏斗状の継手部によって接続したしたので、段差のある外管を簡単に製造することが可能となった。このため、外管の製造コスト、強いては、地中熱交換器の建設コストを抑制することが可能となった。

請求項２に記載の発明に係る地中熱交換器は、前記内管の全長をＬとした場合、前記断熱材の設置長さＬ₁を０．１Ｌ〜０．３Ｌの範囲としたので、地中熱交換器の建設コストを抑制すると共に、地熱によって温められた復路の熱媒液と、往路の冷えた熱媒液との間の熱移動を防止することが可能となった。

また、請求項３に記載の発明は、前記内管に安価な合成樹脂管製のパイプを適用したので、地中熱交換器の建設コストを抑制することができると共に、合成樹脂管製の内管によって地熱によって温められた復路の熱媒液と、往路の冷えた熱媒液との間の熱移動を抑制することが可能となった。

また、請求項４に記載の発明は、前記内管の下端部とストレーナーとの間にチューブ状のウエイトを設けたので、上端部のみで支持した内筒の振動を防止することができるようになった。

請求項５に記載の発明は、前記外管を角型にしたので、円管より表面積が大きくなり、その分、地熱による熱媒液の加熱度を高めることが可能となった。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明に係る地中熱交換器の一部断面を含む側面図、図２は図１のＸ−Ｘ断面図である。

図１において、符号１は、地中に掘削した縦穴であり、この縦穴１の中に２重管形の熱交換器２を挿入すると共に、この熱交換器２と前記縦穴１との間に珪砂などの熱抵抗の小さい充填材３を充填している。

上記熱交換器２は、鋼管製の外管４と、この外管４内に同軸状に設けた合成樹脂製の内管５により構成されている。この例では、外管として、例えば、ステンレススチール製の円管を使用し、内管として、合成樹脂製の円管、例えば、ポリブデン製のパイプを使用するが、外管は、所望により、円管よりも表面積が大きくなる角管を使用してもよい。

上記外管４の上端は、第１ヘッダ６に接続され、内管５の上端は、第１ヘッダ６の上部に装着した第２ヘッダ７に接続されている。この第１ヘッダ６及び第２ヘッダ７は、基盤８上に設置した鉄筋コンクリート製のボックス１０内に位置している。このボックス１０は、その上部に作業用の開口部１１を有している。この開口部１１は、通常、蓋体１２によって閉鎖されている。また、ボックス１０の底部１３に設けた貫通孔１４と外管４との隙間には、発泡スチロールなどの断熱性の素材によって形成された保温筒１５を挿入している。なお、上記基盤８の上面９は、地表１６と面一となっている。

更に、第１ヘッダ６には、水や不凍液などの熱媒液ａを供給する熱媒液供給管１７を接続し、第２ヘッダ７には、前記熱媒液ａを排出する熱媒液排出管１８を接続している。

図２に示すように、熱媒液供給管１７には、挿入型温度センサ１９を設けている。他方、熱媒液排出管１８には、挿入型温度センサ２０及び着脱型流量計２１を設けている。

また、図１に戻って説明すると、外管４の底部は、ボトムキャップ２２によって閉止している。また、内管５の下端部とストレーナー２３との間には、円筒状のウエイト２４を設けて内管５の振動を防止するようにしている。

図３に示すように、内管５は、その地表側の部分（根幹部とも言う。）２５の外面を断熱材２６で覆って内管５の管壁を介する熱の移動を防止するようになっている。この断熱材２６は、発泡剤の吹き付けによって形成する。更に、この断熱材２６の外側には、テープ２７などによって防水加工を施している。断熱材としては、発泡スチロールなどが好ましい。

更に詳しく説明すると、断熱材２６を設ける部分（設置箇所）３０は、内管５の上端（第２ヘッダ７に接続する部分）３１から前記内管５の先端部（下端部）側に所定の長さＬ₁（ｍ）だけ離れている箇所３２までの範囲である。なお、断熱材の設置長さＬ₁（ｍ）は、内管５の全長をＬ（ｍ）とした場合、０．１Ｌ（ｍ）〜０．３Ｌ（ｍ）の範囲が好ましい。

ここで、断熱材の設置長さＬ₁（ｍ）が０．１Ｌ（ｍ）未満の場合は、内管５の管壁を通過する熱の移動を抑制することが困難である。これとは逆に、断熱材の設置長さＬ₁（ｍ）が０．３Ｌ（ｍ）を超える場合には、内管５の管壁を通過する熱の移動を抑制することができるが、材料費や加工費などが嵩む恐れがある。

他方、前記外管４は、図３に示すように、大径部４１と小径部４２により形成され、両者は、漏斗状（テーパー管状）の継手部（レジューサ）４３を介して互いに接続されている。

前記外管４は、第１ヘッダ６に接続する上端部４４から前記断熱材２６の下端部３２に相当する部分４５が大径部４１となっており、水や不凍液などの熱媒液の流量を確保するようになっている。

ここで、断熱材２６の厚さｔ（ｃｍ）は、断熱材２６の性能に左右されるが、通常、１０〜２０ｍｍの範囲が好ましい。また、上記継手部（レジューサ）４３の長さＬ₂は、外管４の大径部４１と小径部４２の直径差に左右されるが、大径部４１の直径Ｄが１３９．８ｍｍ、小径部４２の直径ｄが１０１．６ｍｍの場合には、１２７〜２００ｍｍの範囲が好ましい。

そして、地上の第１ヘッダ６から供給された冷たい熱媒液ａ’は、外管４と内管５との隙間を通って地下深くまで降下し、その間に地熱によって温められる。そして、外管４の最下部で反転し、内管５内を上昇して地上に戻る。

その際、内管５は、地表側の部分２５の外面が断熱材２６によって覆われているため、内管５内を上昇する温かい熱媒液ａ”は、第１ヘッダ６から外管４内に供給された冷たい熱媒液ａ’によって冷却される恐れがない。

地上では、第２ヘッダ７から排出された温かい熱媒液ａ”が図示しない暖房器や融雪器などの熱交換器に供給される。この熱交換器で熱交換を終えた冷たい熱媒液ａ’は、再び、地中熱交換器２へ戻される。

上記の説明では、外管４と内管５との隙間を冷たい熱媒液ａ’が流下し、内管５内を地熱で温められた熱媒液ａ”が上昇する場合について説明したが、その逆の経路を採る場合もある。

本発明に係る地中熱交換器の一部断面を含む側面図である。図１のＸ−Ｘ断面図である。本発明に係る地中熱交換器の要部拡大断面図である。

符号の説明

ａ熱媒液
１縦穴
２２重管状の熱交換器
４外管
５内管
２５内管の地表側の部分
２６断熱材
４１外管の大径部
４２外管の小径部
４３継手部

Claims

地中に縦穴を掘削し、該縦穴内に、下端部を閉止した外管と、該外管内に配置され、かつ、下端部を開放した内管とより成る２重管状の熱交換器を埋設し、更に、前記外管から前記内管内へ又は前記内管から前記外管内へ熱媒液が循環するようにした地中熱交換器において、前記内管の地表側の部分に、内管内の熱媒液と外管内の熱媒液との熱交換を防止する断熱材を設けると共に、前記外管の地表側の部分を大径にして熱媒液の流動を妨げないようにし、かつ、前記外管の大径部と先端小径部とを漏斗状の継手部によって接続したことを特徴とする地中熱交換器。
前記内管の全長をＬとした場合、前記断熱材の設置長さＬ₁を０．１Ｌ〜０．３Ｌの範囲とすることを特徴とする請求項１記載の地中熱交換器。
前記内管に合成樹脂管製のパイプを適用することを特徴とする請求項１又は２記載の地中熱交換器。
前記内管の下端部とストレーナーとの間にチューブ状のウエイトを設けたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の地中熱交換器。
前記外管を角型とすることを特徴とする請求項１記載の地中熱交換器。