JP2007177434A - 地下水熱利用設備における地中装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 一本のケーシング（井戸）を利用して、地熱・地下水熱を利用し、その利用した地下水を同じ帯水層に容易に戻すことができる地中装置を提供する。
【解決手段】 地中の所定深度に存在する水脈に達するケーシング１を植設せしめ、地下水熱を熱源として利用する密閉回路式地上設備１７における地中装置であって、
前記ケーシング１は、長さ方向の所定位置の周面に吸・排水用の開口を有したストレーナ部６を設け、同密閉上端を地表又は地中所定深度まで没入させた状態で地中に挿入植設し、前記ケーシング内には、地上設備に接続された往管２と還管３を挿入配置すると共に、前記ストレーナ部の範囲内に該ケーシングの内部を上下に分断する遮水管４を配置し、遮水管より上部の空間内に往管または還管の何れか一方を配置し、他方を該遮水管を介して下方に配置した。
【選択図】 図１

Description

本発明は地下水熱利用設備における地中装置に関し、例えば冷暖房設備、あるいは屋上・屋根や路面その他の地上において、降雪を融かす融雪設備等の循環密閉回路式地上設備への地下水熱を直接または間接的に循環供給するために地中に構築される地中装置（井戸）に関する。

従来の一本の井戸で揚水と還元を行っている先行技術は、揚水層と還元層を別々として考え、各々揚水する帯水層と、還元する帯水層としているが、現実的には、ケーシング（井戸）の上端部が大気開放型若しくは、密閉状態にしている。
そして、その二次側の利用方法は、開放回路、密閉回路に限定しておらず、あくまでも揚水量が還元量と同じになるとの前提でシステムが構築されている（例えば、特許文献１，２参照）。

しかし、本来、別々の層同士が連通されておらず、帯水層と帯水層の間には、層の厚み、幅は別として、不透水層が存在する。即ち、不透水層が存在するから帯水層が存在する。
揚水側の帯水層の出水量と還元側の帯水層の浸透量、又は各帯水層(水脈)の水圧、又は各帯水層の上下に挟まっている不透水層の土圧等々が、全く同等、同水量の揚水、還元が出来なければ、おたがい同じ量の揚水・還元は絶対不可能である。

何故ならば、一本のケーシング（井戸）をして、揚水と還元の循環をなすと言う事は、各々が全く僅差無く同じ条件にならなければ、揚水量分と同量の還元は不可能である。
即ち、どちらか上か下の帯水層を揚水し、他方の帯水層に還元する訳だから、上下で既に層の幅、水圧・土圧・上下の落差抵抗など、必ず条件が違うからである。

その状態で揚水と還元の循環運動を行った場合、揚水量が多く、還元量が少なければ、結局、還元量分しか水量は利用できない。
又、逆とするも不可能で、本来水脈が違う帯水層に、他から移動してきた水量は、一定量しか帯水層には還元できない。
なぜならば、帯水層は一定の流れがあるにせよ、ひとつの大きな水瓶と考えると、その水瓶から揚水した分しか還元できないのは物理的に当り前で、器以上には還元できない。

揚水することは帯水層の水脈の量に応じて、相当量の水量を確保は可能であるが、何十年何百年何千年の雨水・雪解け水などの水が浸透して水脈が構成され、様々な因果関係から各帯水層、不透水層などの層の重なり深さが、地球の歴史と供に自然的に構成されて来たわけで、地中内の土圧、水圧に押し上げられてきた地下水を揚水することは、多少の動力ポンプにより簡単に出来る。自噴している帯水層があるくらいだから。
しかし、逆に還元すると言う事は、地中内の土圧、水圧以上に大きな圧力をして押し込まなければ還元できない。
まれにある程度の浸透しやすい帯水層が仮にあったとしても、もともとの水量分しか構成しない(一定の水瓶)層に、それ以上の水量を還元できたとしても、バランスが崩れ、地中内で帯水層が崩落する事になり還元層は成立しない事になる。

一般的には浸透しやすい帯水層は考えにくく、上下に粘土層などの不透水層に挟まれて物理的に水瓶となる水脈帯水層が自然的に出来てきている訳だから、本発明においては、浸透しやすい浸透層的な帯水層はありえない事を前提に考えるとすれば、特許文献１、２の技術では100％揚水、還元を一本のケーシング（井戸）で継続的に運転利用する事が無理で実用的でないことが分かる。

特開平６−８８３２７号公報 特開平９−２８０６８９号公報

従って、上記したように別々の帯水層同士に揚水した地下水を還元する為には、浸透しない限り不可能である。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、一本のケーシング（井戸）を利用して、地熱・地下水熱を利用し、その利用した地下水を同じ帯水層に容易に戻すことができる地中装置を提供することにある。
それにより、地下水の枯渇を防ぎ、地盤沈下を防ぎ、環境にやさしい、自然エネルギーを有効利用する無散水方式の融雪装置並びに、冷房装置の提供することにある。
更に、地中深く構築させる井戸内の地下水熱の放熱ロスを抑制し、しかも、井戸内への水脈圧（地圧）による地下水の上昇高さを高め、尚且つ水脈から井戸内上部側への温度差に地下水の対流（上下移動）を促進せしめて、地下水熱の地上設備への熱移動を合理的且つ効率的に実施し、一層の有効帯水層から揚水・還元、即ち単に「循環」行程として構成し、限りある地下水を空気に触れさせないで循環移動する、地下水「熱」だけを無駄なく効率的に実用的に取り出せる装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために本発明は、水脈が存在する地中の所定深度に達するようにケーシングを植設せしめることにより構築される井戸の地下水熱を熱源として利用する密閉回路式地上設備における地中装置であって、前記ケーシングは、長さ方向の所定位置の周面に吸・排水用の開口を有したストレーナ部を設け、同密閉上端を地表又は地中所定深度まで没入させた状態で地中に挿入植設し、前記ケーシング内には、地上設備に接続された往管と還管を挿入配置すると共に、前記ストレーナ部の範囲内に該ケーシングの内部を上下に分断する遮水管を挿入配置し、遮水管より上部の空間内に往管または還管の何れか一方を配置し、他方は該遮水管に連結して下方に配置したことを特徴とする（請求項１）。
そして、往管を遮水管より上方の空間に配置する場合は、遮水管を還管に連結する（請求項３）。
上記ケーシングにおけるストレーナ部の形態としては、ケーシングの周壁に内外貫通する所定長さのスリット、或いは丸孔、角孔等の開口が挙げられる。

上記請求項３記載の手段によれば、最も水量のある水脈、即ち帯水層を遮水管で上下に分断し、且つ循環する為に遮水管より上方に吸水口を、遮水管より下方に排水口が離れ距離を保ち、地上設備で放熱して温度が下がった地下水は、還管で帯水層の下部流れ方向に行き、同時にその温度差により、温度が高い地下水は帯水層の上部に移動する対流も発生する。従って、循環して戻った地下水を再度汲み上げない構造、環境が構成される。
しかも、帯水層側から見て、ストレーナ部の真中1/3程が遮水管で遮水されているので、遮水管より上のストレーナ部1/3と遮水管より下のストレーナ部1/3が有効で、帯水層側から地下水が流通する。しかし、上のストレーナ部から流入し往管と連通している地上設備で放熱して、温度が低下し還管と連通された遮水管を経由し、下のストレーナ部を経由して戻ってきた地下水は、温度低下により帯水層の下部に下がり、本来の帯水層の流れに乗り、這うように流れ方向に移動する。従って温度差が発生してくると、帯水層内で温度の高い地下水は上昇し、遮水管より上方に自然的にながれ、温度の低い地下水は帯水層の下部、底部に滞留しながら、帯水層の流れ方向に移動して行く。

又、前記装置には、ケーシング内部から滞留空気を抜気又は真空状態まで抜気せしめると共に、同内部を抜気減圧状態又は−1〜−700mmHgの範囲抜気・真空度に制御維持するための抜気装置を具備してもよい（請求項２）。
本来、絶対真空は-760mmHgで有るがその環境は地上においては汎用的ではなく、実務的機械的な限界が−700mmHgであるから、密閉回路において又それらに連通されたケーシング、密閉回路式地上設備、往・還管、遮水管から、空気をしめだす為に、管内を一定圧力例えば、水柱1kg/cm²以上の水圧で満水し、空気を一旦抜気すれば、何れ水位が下がったその空間の環境は既に軽微な真空状態となる。又、機械的に真空ポンプを設置して常に、空気を進入させない密閉回路を構成し、特に好ましい範囲は-300〜-600mmHgである。

ケーシング内の空気を抜く、詳しくは、ケーシング内を遮水管で分断した上側の空間に空気が侵入しない密閉回路を構成するということで、連通されているケーシング内は、遮水管の上部も下部も水脈ドーム(水圧)と同圧になる。
従って、ケーシング内の水位が、真空度により０〜９ｍ位まで上がり、循環がよりスムースになり、ケーシングの酸化を防止でき、且つ、真空断熱効果も期待出来る。
その条件下で、本来開放型、気密が取れていないの井戸は、くみ上げた水量が瞬時に一定水位迄湧き出る。それは、井戸の深さ分の水頭圧力、即ち、水脈、水脈ドームの水圧(地圧)があり、一定水位迄押し上げている圧力(地圧)があるからで、理論的には１０ｍ水頭圧で１kg/cm²だから、100ｍの井戸で有れば約10kg/cm²、500ｍで50kg/cm²の水頭圧が掛かって、GLより−4〜−10ｍで水位を保っている訳で、その様な水頭圧が掛かっているケーシング内に、気密性が無く、大気圧と均衡を保っているケーシング内の底の部分まで、一旦、吸い上げた地下水を還元するとすれば、その水頭圧以上の圧力をもって押し込まなければ還元できない事になる。
それらの問題を解決する為に本発明は、ケーシング内上部に溜まる空気を抜き、密閉回路を保ち抜気、真空状態にし、大気圧が掛からない状態(大気が進入しない状態)を保持することにより、ケーシングと接続連通されている循環密閉回路式地上設備とをどこも同圧状態にする事により、汲み上げ水量を同圧で還元、即ち循環できる。即ち、水頭圧以上の圧力を有せずとも簡単に還流できるわけである。

更に、還管(又は往管)の同軸上に接続する遮水管は、有効な帯水層の中心部付近でケーシングの内径に対して、移動可能な程度の外径とし、その外側に含水性のパッキン(コルク材)、遮水ゴム等の遮水材を装着して密着する程度の太さにし、帯水層の深さに応じた任意の長さに形成する。又、遮水管の下方には排出口(又は吸入口)が設けられている（請求項４）。
ここで、遮水管の長さは帯水層の厚さの略１／３位とし、その遮水管の上下１／３づつが吸水側往管、排水側還管の割合で構成する。
尚、帯水層の厚さは略２〜12ｍ若しくはそれ以上で、薄い不透水層を挟み連続的20ｍ前後の帯水層を構成している場合があり、その場合でも遮水管の長さは４〜５ｍ位で充分である。

又、前記往管の下端に水中ポンプを接続してもよい（請求項５）。
この場合には、帯水層の地下水を強制的に吸水して地上設備に供給できるため、安定した熱源利用が可能となる。

更に、前記ケーシング内には、地下水の強制対流装置が熱交換器と共に挿設され、前記強制対流装置は、循環密閉回路式熱交換器が挿設されるケーシングの遮水管の上部側途中部位において吸込み側を開口させ、吐出し口側を、遮水管下部に即ちケーシング下方に排出されるポンプを備えたパイプラインにて構成してもよい（請求項８）。
前記ポンプは、地中又は陸上設置のどちらでもよいが、ケーシング（井戸）の自然水位がたとえ抜気、真空にしても-７ｍ以下になると、陸上ポンプは使えない。又、地下水の成分により直接に密閉回路式地上設備に地下水を循環できない場合などに熱交換方式として構成される。

又、前記往管と還管の位置を遮水管を間にして上下逆に配置することもできる。例えば、前記ケーシング内に水中ポンプを挿設する場合で、ケーシング（井戸）の径により遮水管の下方に植設しなければ成らない構成のとき、水中ポンプの出口を往管に接続し、それを遮水管と連通接続し、その管を地上設備の往管とし、反対に還管は遮水管より上部に位置する構成とし、遮水管より下方で吸水し、遮水管より上方に排水する逆循環で同じ効果を得ることを特徴とする（請求項６）。

更に、前記遮水管は、地中の深度の異なる複数の帯水層の地下水を利用する場合、それらの地下水が干渉しないよう上下方向に間隔を置いて複数配置し、その遮水管にそれぞれの帯水層の地下水を吸水する往管と、排水を行う還管を配置してもよい（請求項７）。
この手段によれば、一本のケーシング（井戸）の中で、例えば地下水温が１３℃前後の有効な帯水層と、更に深度の深い地下水温度が２０℃以上（３０℃〜５０℃でもよい）の有効な帯水層に各々配置し、密閉回路式地上設備において地下水温度の低い温度域で利用する時期と、高い温度域で利用する時期が異なる場合、同時に温度差を利用する設備などの二極化、またはそれ以上の複数利用方法が可能となる。

また、本発明は直接地下水を密閉回路式地上設備において循環させずに、熱媒体を地上設備に循環させるようにしてもよい。具体的には、前記請求項１記載のケーシング内に、地下水の強制対流装置を熱交換器と共に挿設し、前記強制対流装置は、循環密閉回路式熱交換器が挿設されるケーシングの遮水管の上部側途中部位において吸込み側を開口させ、吐出し口側を遮水管の上部に連結し、該遮水管を介してケーシング下方に排出される水中ポンプを備えたパイプラインにて構成されてなることを特徴とする（請求項８）。

本発明の地中装置は請求項１、３記載の構成により、同じ帯水層で揚水と還元（排水）することにより、循環を容易に行うことができる。それは、その帯水層を大きな水瓶とすれば、同じ器の中で、同圧で、瞬時に吸った分を排出、排出した分を吸水する事によりスムースに循環ができる。
又、請求項２記載の構成により、ケーシング管内及びそれに接続されている密閉回路式地上設備も連通しているので、遮水管の上部・下部も水脈ドーム(水圧)と同圧になる。
同圧の状態のケーシング内遮水管上部で揚水した同容量を、同時に同圧の遮水管下部に還元させると全て連通しているので、ポンプを稼動させると「循環運動」をスムースに行うことができる。

更に、請求項４記載の構成により、遮水管を目的の帯水層の位置に自由に移動配置して、帯水層を上下に分断でき、同一の帯水層で吸水（揚水）と排水を行うことができる。
また、請求項５記載の構成により、吸水（揚水）を確実に行うことができる。
また、請求項６記載の構成により、遮水管より下方で吸水し、遮水管より上方に排水する逆循環で同じ効果を得ることができる。
更に、請求項７記載の構成により、一本のケーシング（井戸）の中で、例えば地下水温が１３℃前後の有効な帯水層と、更に深度の深い地下水温度が２０℃以上（３０℃〜５０℃でもよい）の有効な帯水層に各々配置し、密閉回路式地上設備において地下水温度の低い温度域で利用する時期と、高い温度域で利用する時期が異なる場合、同時に温度差を利用する設備などの二極化、またはそれ以上の複数利用方法が可能となる。
さらに、請求項８記載の構成により、地下水の成分により直接に密閉回路式地上設備に地下水を循環できない場合などに熱交換方式として有効である。

以下、本発明に係る地中装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、陸上ポンプ仕様の地下水熱利用設備の全体図を示し、図中、１は井戸を構成するケーシングで、そのケーシング１の内部に、所定深度の帯水層の地下水を地上設備（図面は融雪装置を図示）１７に輸送する往管２と、前記地上設備１７で熱交換されて温度が低くなった地下水を前記帯水層に戻す還管３が挿入配置され、更に前記還管３の下部には前記帯水層の範囲内に位置する該ケーシング１の内部を上下に分断する遮水管４が連通接続されている。
そして、前記ケーシング１の上端は密閉蓋５で閉鎖され、その密閉蓋５を貫通して前記往管２と還管３が外部に突出され、その往管２が前記地上設備の入口側に、還管３が前記地上設備の出口側にそれぞれ接続されると共に、地上設備の入口側より上流の往管２配管中には往き水量計Ｍ１とポンプＰ１が接続され、地上設備の出口側より下流の還管３配管中には戻り水量計Ｍ２が接続されている。
帯水層の略中間部に遮水管４があり、その遮水管４より上方に往管２の吸い口があり、遮水管４より下方には連通された還管３の出口が位置し、ケーシング１のストレーナ部（排水口）より排出された戻り地下水は、帯水層の底部分で水脈の下手流れ方向に這うように移動し、一方、帯水層上部の吸水口付近は水脈の上手方向より、温度の高い地下水が水中ドームを形成し、上昇しながらケーシング１のストレーナ部（吸水口）よりケーシング内に導入され、往管２の吸い口より上部のポンプに吸引循環され、密閉回路式地上設備で放熱し、還管３にて上記帯水層に戻される。

前記ケーシング１は、金属製のパイプで構成され、その口径は地下水の必要循環量に応じて１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍから適宜選択して使用する。そして、選択した口径のケーシングは目的の帯水層の深度に合わせて複数本を順次連結して使用するが、目的の帯水層と対応する位置には、周壁にストレーナ部６が形成
されたケーシング１’を接続配置する。

前記ストレーナ部６は、帯水層を流れる地下水がケーシング１内に流入し、及びケーシング１外に流出する為の開口で、ケーシング１の周壁にスリット６ａを軸芯と平行ならしめて周方向に等間隔をおいて形成されており、そのスリット６ａの長さは帯水層の上下端よりそれぞれ１〜２ｍ突出する長さとする。尚、ストレーナ部６は、スリットに限定されず、丸孔、或いは角孔等、地下水が出入りすることが出来る開口であればよい。

前記ストレーナ部６の長さ方向を上下に分断する遮水管４は、有効帯水層に位置したケーシング１’のストレーナ部６を往管２の位置する吸水側と還管３の位置する排水側に分けることと、前記吸水側と排水側が距離をおいて干渉しない位置に位置するよう、ある程度の長さ（例えば、３〜５ｍ位）に形成され、ケーシング１’内に往管２と還管３の二重管構造を容易に構成し得るようになっている。
尚、ケーシング１、１’の内径が１００ｍｍで、水中ポンプを利用した時のみ、有効帯水層内で往管２の一部に遮水管４を構成する事になるが、それ以外の基本的な構成は有効帯水層内で還管３の一部に遮水管４を接続構成する。

上記遮水管４は、あくまでもストレーナ部６を有したケーシング１’内部に挿入され、帯水層のベストポジションに配置され、ストレーナ部６の1/3〜1/4を遮水し、地下水の上下流通を遮断する。その為に、ケーシング１’内の凡その位置に確実に配置され機能するように、ケーシング１’内の定位置に移動してから多少の時間をおいて密着性の効果が出る様にする。従って、遮水管４の外周面にはケーシング１’の内面と密着して地下水の上下流通を遮断する遮水材７が長さ方向に間隔をおいて複数装着されている。

上記遮水材７は、遮水管４がケーシング１’内面に接触しながらある程度移動が出来る様な多少の柔軟性があり、時間の経過と共に含水することにより体積膨張しケーシング内面と遮水管外面の密着度を高める材料、例えば含水性のあるコルク、ゴム(遮水専用)、膨潤ゴムなどを用いることができる。
上記遮水材７の取り付け位置は、図示するように遮水管４の上端側と下端側、及び遮水管４の長さ方向の中程の３箇所に配置しているが、これに限らず、遮水管の上・下端側２箇所に配置したり、遮水管全体に遮水材を取り付ける事も任意である。

上記構成により、井戸自体の水脈に到達させているケーシング管を密閉状態にし、遮水管４より上側にある空気を空気抜き弁又は真空ポンプ８などで抜気して、ケーシング内部に大気圧力の影響をする空気を入り込まないように密閉回路を構成し、外気から遮断する。
それにより、同圧内では温度差による水流移動が望めるので、熱交換器を直接ケーシング内にドブ付けし、熱交換して直接地下水を外部に出さないで、ケーシングと水脈ドーム間で循環運動させて、熱移動を容易にするも可能である。

その結果、帯水層の上場から吸水し、放熱して温度が下がった地下水を下場に排水する事が出来、温度差が生じる事により、排水された低温部分は帯水層の下部を這うように、流れ方向に移動し、温度のある上場の地下水が、遮水管の上場に入り込むように成る。

下記に、上記した地中設備のボーリング施工手順等について説明する。
（１）各都道府県の土木地質調査の記録（ホームページ等で一般的に公開されているとこ
ろもある）などから、目的地に一番近い過去調査書などの資料に基づいて、有効な
帯水層となる浸透性の地質（砂礫・砂・粗砂・小石・砂利）を分析し、層の深さな
ど考慮しながらボーリング深度を決定する。５０ｍ、７５ｍ、１００ｍ、１５０ｍ
等、必要に応じてそれ以上の深度で、凡その帯水層を予測する。又、ケーシングの
口径は地下水の必要循環量に応じて１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１５０ｍｍ、２００
ｍｍ、３００ｍｍから適宜選択する。

（２）深度を決めながら掘削を開始し、掘削深度により変化してくる、コア（掘削した際
の土、砂、石、砂利等の排出されてきた削りカス）の量、大きさ、深さなどにより
、層の地質を確認、検収しながら柱状図、検層図を作成する。

（３）ボーリング中は土質により掘削穴が崩れないように、ベットナイト（潤滑・遮水用
の専用材料）を混入して、遮水しながら予定深度まで掘削を進める。

（４）予定深度まで掘削した後、速やかに電流計測装置等により、各層の掘削時の検層と
の修正を施し、深度に対しての地層の分布を把握し、有効帯水層の確定をする。

（５）確定した帯水層の位置決めをし、それに合わせて帯水層の深さ以上に上下に各々１
〜２ｍ長めにスリット６ａが入ったストレーナ部６を有したケーシング１’をケー
シング１に位置決め連結して挿入準備をする。

（６）ボーリング後に（４）〜（５）の作業は同日に同時進行する位に速やかに行なけれ
ば、掘削坑が崩れるので、速やかに（５）のケーシングを挿入する。

（７）ケーシング挿入後、掘削時のベッドナイト交じりの泥水を排出させながら、帯水層
の地下水の濁りがおさまるまで地下水を排出する。ベッドナイトが抜けきれ、地下
水の揚水状態が目的水量までの出水能力が有るか確認しながら、一定量排出させ帯
水層内に水中ドーム（仮称）が形成されて行く効果を期待しながら井戸を洗う。( 帯水層とケーシング内面やスリット部分の目地に挟まっている砂・泥・ベットナイ
ト等を洗い流す為と、その帯水層の水量が安定する事を確認する）

（８）（７）の行程を経て、暫定的に必要以上の揚水量を出せるテスト用の水中ポンプを
入れ、揚水水位（循環ではないので汲み上げ時には水位が下がるので、どこまで下
がるかの位置）と、自然水位（地圧、地下水圧などの水柱圧力と大気圧の均衡が取
れた位置）の深さを調査し、地上に設置するポンプか水中ポンプの仕様の選定をす
る。

（９）（８）の結果により、揚水水位がGLから−７ｍより更に低くなる場合は水中ポンプ
、−７ｍより高い場合は、設計水量が間に合う範囲で地上設置のポンプを選定する
。これらの選定により、地上ポンプ（水中ポンプでもケーシング内径が１２５ｍｍ
以上の場合は同様）が選定される場合は、帯水層の中心部に長さが３〜４ｍ程度の
遮水管４（遮水管の長さの目安は帯水層の深さの略１／３〜１／４）を設置し、遮
水管の位置の調整が出来る様に遮水管４の下端に連通された還管の先がケーシング
の底に着かないように上下の調整余裕を持たせる。その還管の周壁には排水用のス
リット３ａが形成されている（図２参照）。

（10）遮水管４より上側で揚水水位より深い位置に往管２の吸水口（又はケーシング内径
が１２５ｍｍ以上の場合は水中ポンプ）を配置し、往管２、還管３が並行に地上の
密閉回路式地上設備に向かうが、ケーシング上部の蓋は密閉状態で、往管２、還管
３のケーシング１外部に出る接続部分は密閉を維持できる接続構造とし、空気の進
入を防ぎ、地上設備との接続も同じく、全体が密閉回路を構成する（図１、図３参
照）。

（11）ケーシング１の内径が１００ｍｍの場合は、水中ポンプの外径が９７ｍｍ位なので
、該ケーシング１の内面と水中ポンプ１０外周面との隙間が殆どなく、その為に還
管３を前記隙間を通して下方に案内することはできない。そこで、この場合は、遮 水管４の下に水中ポンプが配置され、遮水管より上側に還管を位置させ、水中ポン
プと遮水管と連通された管が、往管２となり、（10）とは反対方向に循環される。
しかし往管２、還管３の役割は同じで、並行に地上の密閉回路式地上設備に向かう
。（10）と同様である（図４参照）。

上記した実施の形態は、単一の有効な帯水層において吸水、排水を行なう構成であるが、１本の井戸で同時に複数の帯水層を利用する構成とすることもできる。
以下、その構成を図６及び図７に基づいて簡単に説明する。
１本のケーシング１内に、３個の遮水管１１、１２、１３を挿入配置し、最上位の遮水管１１は上層の帯水層Ａ内に位置させ、最下位の遮水管１３は下層の帯水層Ｂ内に位置させ、更に真中の遮水管１２は上層の帯水層Ａと下層の帯水層Ｂとの間の不透水層Ｃ内に位置させる。真中の遮水管１２は、上層の帯水層Ａと下層の帯水層Ｂの地下水が干渉しないように遮水するためのものである。
そして、上層の帯水層Ａ内に配置した遮水管１１には、下層の帯水層Ｂ内に配置した遮水管１３の往管２Ｂと還管３Ｂが貫通して配管されると共に、該遮水管１１の下端に往管２Ａが接続されている。
又、不透水層Ｃ内に配置した遮水管１２には、下層の帯水層Ｂ内に配置した遮水管１３の往管２Ｂと還管３Ｂが貫通して配管されている。
更に、下層の帯水層Ｂ内に配置した遮水管１３には、往管２Ｂのみが接続されている。

そして、上記構成により、１本の井戸の中で地下水温度が１３℃前後の有効な帯水層（比較的浅い深度１００ｍ以内）と、更に深度の深い地下水温度が２０℃以上（３０〜５０℃でもよい）の有効な帯水層の水脈を、密閉回路式地上設備において地下水温度の低い温域で利用する時期と高い温域で利用する時期を異にして使用する場合、或いは温度差を利用する設備などの二極化、またはそれ以上の複数利用が可能となる。

図１〜７に示した各装置は直接地下水を密閉回路式地上設備において循環する装置であるが、図８は下記の目的理由により、直接地下水を地上で循環させずに、ケーシング内で水中ポンプを利用し強制循環させ、熱交換器となるパイプラインより熱吸収させた熱媒体(例えば不凍液)を地上設備に循環させて地下水熱を取り出す装置である。

１．地上設備において、地下水の成分上、直接熱媒体として使用に耐え難い場合もある。例えば鉄分、硫黄分が多すぎて、冷水利用のファンコイルの細い銅管を腐蝕、酸化させて目詰まり、劣化等で耐用年数を短くしてしまう虞れがある。
２．融雪システムに利用する場合、必要温度に達しない地下水温度の場合、地上設備で直接利用すると、凍結の可能性があるとすれば、先に不凍液を熱媒体にして熱交換した方が安全である。
３．地上に熱交換器をおくよりも最短距離で熱交換できるので、熱ロスを防げることと、地上設備に熱交換器のスペースをはぶける。
４．各都道府県の地盤沈下、公害規制などにより「地下水の汲み上げ規制」のある地域において、その地下水を全く地上に汲み上げずに対応できる。即ち、揚水しないで地下ケーシング内だけで循環させ、熱交換できる事により、規制に関わらない、地下水熱の利用方法となる。
５．熱交換器となるパイプラインが地上設備と連通するので、直接地下水が循環するわけではないので、帯水層内の地下水圧・地圧等に影響しないため、この場合の地上設備は必ずしも密閉回路でなくとも、半密閉・若しくは開放回路でもどちらでも有効利用できる。

以下、図８について簡単に説明する。尚、前示実施例で示したと同じ部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
前示実施例で示したケーシング１内の遮水管４上部に、熱交換器１４のパイプライン１４’を挿入配置し、そのパイプラインを地上設備１６に連通接続する。そして、そのパイプライン１４’内には媒体液（例えば不凍液）を注入し、地上設備１６で放熱した後、ケーシング内の熱交換器１４の下部より入り熱交換されながら上昇し、地上設備１６への循環行程を行なう。
強制対流装置１７は熱交換器１４より上方位置には水中ポンプ１０が付設され、帯水層の上部の地下水が、ケーシングのストレーナ部６より流入し、熱交換器１４の隙間を通り、熱交換しながら上部水中ポンプに強制的に吸い込まれ、水中ポンプ出口に連通され下部に向かって折り返した還管１５を通り、更に連通されている遮水管４を通り、還管１５のスリットよりケーシングのストレーナ部６より排水される。
ケーシング１内だけでの水中ポンプの運転による熱交換のために、水流の速度は速く、熱交換は容易となり、地下水もケーシング内だけに留まっていることになるので、空気にも触れず、且つ流失も無く汚染も地盤沈下の心配もない地下水熱利用設備における地中装置を提供できる。

本発明に係る地中装置の一例を示す地下水熱利用設備の全体概略図。 （ａ）は図1の遮水管の付近の拡大図、（ｂ）はケーシングに対する遮水管の挿入状態を示す説明図。 ケーシングの内径が１２５ｍｍ以上で、遮水管より上方に位置する往管の下端に水中ポンプを接続した形態を示す全体概略図。 ケーシングの内径が１００ｍｍで、遮水管の下に水中ポンプを連結して往管を構成し、還管を遮水管の上側に配置した全体概略図。 （ａ）は図４の遮水管と水中ポンプの取り合いの拡大図、（ｂ）は遮水管に連結された水中ポンプをケーシングに挿入する状態を示す説明図。 １本のケーシング（井戸）で、深度を異にする複数の帯水層の地下水を利用する地下水熱利用設備の全体概略図。 （ａ）は図６の部分拡大図、（ｂ）は遮水管に対する往管、還管の配管状態を示す一部切欠拡大図。 ケーシング内に強制対流装置と熱交換器を挿入配置した地中装置の全体概略図。

符号の説明

Ａ，Ｂ…帯水層 Ｃ…不透水層
１，１’…ケーシング ２…往管
３…還管 ４…遮水管
５…密閉蓋 ６…ストレーナ部
７…遮水材 ８…真空ポンプ
１０…水中ポンプ １１,１２,１３…遮水管
１４…熱交換器 １４’…パイプライン
１６…地上設備 １７…強制対流装置

Claims (8)

1. 地中の所定深度に存在する水脈に達するケーシングを植設せしめ、地下水熱を熱源として利用する密閉回路式地上設備における地中装置であって、
   前記ケーシングは、長さ方向の所定位置の周面に吸・排水用の開口を有したストレーナ部を設け、同密閉上端を地表又は地中所定深度まで没入させた状態で地中に挿入植設し、前記ケーシング内には、地上設備に接続された往管と還管を挿入配置すると共に、前記ストレーナ部の範囲内に該ケーシングの内部を上下に分断する遮水管を配設し、遮水管より上部の空間内に往管または還管の何れか一方を配置し、他方を該遮水管を介して下方に配置したことを特徴とする地下水熱利用設備における地中装置。
2. 前記ケーシング内部から滞留空気を抜気又は真空状態まで抜気せしめると共に、同内部を抜気減圧状態又は−1〜−700mmHgの範囲抜気・真空度に制御維持するための抜気装置が具備されていることを特徴とする請求項１記載の地下水熱利用設備における地中装置。
3. 前記遮水管を還管に連結し、遮水管より上部の空間内に往管を挿入配置し、更に前記往管の下端は前記ストレーナ部の範囲内に配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の地下水熱利用設備における地中装置。
4. 前記遮水管は、前記ストレーナ部の範囲内の中心部付近でケーシングの内周面に密着する程度の太さで、且つ所定の長さを有し、外周面にはケーシングの内周面に密着して止水効果を発揮する遮水材を装着し、ケーシング内を上下移動可能としたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の地下水熱利用設備における地中装置。
5. 前記往管の下端に水中ポンプが接続されていることを特徴とする請求項３記載の地下水熱利用設備における地中装置。
6. 前記ケーシング内に挿入配置した遮水管の下方に水中ポンプを連設し、該水中ポンプの出口を前記遮水管を介して往管に接続してその先端を地上設備の往管とし、還管が遮水管より上部に位置することを特徴とする請求項１記載の地下水熱利用設備における地中装置。
7. 前記遮水管を、地中の深度の異なる複数の帯水層の地下水が干渉しないよう上下方向に間隔を置いて複数配置し、その遮水管にそれぞれの帯水層の地下水を吸水する往管と、排水を行う還管を配置したことを特徴とする請求項１記載の地下水熱利用設備における地中装置。
8. 前記請求項１記載のケーシング内に、地下水の強制対流装置を熱交換器と共に挿設し、前記強制対流装置は、循環密閉回路式熱交換器が挿設されるケーシングの遮水管の上部側途中部位において吸込み側を開口させ、吐出し口側を遮水管の上部に連結し、該遮水管を介してケーシング下方に排出されるポンプを備えたパイプラインにて構成されてなることを特徴とする地下水熱利用設備における地中装置。

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