JP2007327731A - アースリソース熱サイフォンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 精度の高いシステム設計を行なえるとともに最適な機器の選定が可能なアースリソース熱サイフォンシステムを提供する。
【解決手段】 表面波探査手段４を用いて非破壊的に調査対象の地盤３の状況を検出し、データ解析手段５で、表面波探査手段４で検出された検出データに基づき地盤３のＳ波速度構造を算出し、算出されたＳ波速度構造を基にしてＳ波速度と土相との対応に関して予め設定された土相判定標準表を用いて地盤の土相分布を特定すると共に、Ｓ波速度とＮ値との対応に関して予め設定されたＮ値換算式またはＮ値換算表を用いて地盤のＮ値分布を特定し、土相と熱量の関係及びＮ値と熱量の関係に関して予め設定された熱量換算表から特定した土相分布及びＮ値分布に基づきパラメータとなる地盤３の単位厚さ当たりの単位吸放熱量を推定し、この推定した単位吸放熱量と予め入力された空調負荷情報とに基づき、熱サイフォンを利用した熱サイフォン空調システムの設計を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱を空調に利用するアースリソース熱サイフォンシステムに関する。

地球資源の１つである地中熱を熱源として利用して冷房や暖房を行なう熱交換システムとしてヒートポンプシステムが知られている。このシステムは、地中に設けた井戸に熱交換器を配設すると共に、この熱交換器と地上に配置したヒートポンプの熱交換器との間で熱交換媒体を循環させ、空調機器とヒートポンプの熱交換器との間を循環する冷媒との間で熱交換している。通常、熱交換システムを設計するには、空調・給湯・暖房などの空調側負荷の計算に加え、地盤の土相、地中温度、比熱、熱伝導率、地下水位、地下水流速を見極め、地盤の吸熱・放熱量を判定し、ヒートポンプの容量を選定している。
このように熱交換システムの設計は、様々な要素を考慮して行われるが、中でも吸熱・放熱量と空調側負荷がシステム設計においては重要である。このため、従来は、調査対象の地盤を直接ボーリング調査し、地盤の土相分布、Ｎ値分布をつかみ、システム設計に必要にパラメータを推定している。

一方、地盤探査法には、ボーリング調査のような破壊的な調査方法の他に、振動の伝達状態から地盤構造を知る非破壊的な調査手法がある。非破壊的調査手法としては、表面波探査法が知られている。表面波探査法は、受振手段となる複数の振動センサを等間隔に直線状に配置した測線を設け、この測線の端部からオフセット距離をとった加振点で加振し、発生した弾性波の全波動（表面波、直達波、屈折波、反射波等）を前記測線上の振動センサで受振して記憶手段で記憶し、この記憶した波動記録の中から表面波を識別して測線下におけるＳ波速度構造を解析して地下構造を推定している。
このような表面波探査法により測定したデータを地中熱の設計に用いるものとして、本出願人から既に特許文献１で提案されている。

特許第３５７９０４３号

特許文献１では地盤から得られる吸放熱量をパラメータとしてシステム設計に用いているが、より精度の高いシステム設計が要望されている。また、住宅、空調の分野においては、空調機器の種類も多種であり、その利用形態に応じて最適に機器の選定やデザイン性なども要望されている。
本発明は、精度の高いシステム設計を行なえるとともに最適な機器の選定が可能なアースリソース熱サイフォン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、本発明にかかるアースリソース熱サイフォンシステムは、表面波探査手段を用いて非破壊的に調査対象の地盤の状況を調査し、前記表面波探査手段で検出された検出データに基づき前記地盤のＳ波速度構造を解析し、この解析されたＳ波速度構造に基づき、前記地盤の地中熱を熱源として用いる熱サイフォン空調システムの設計に必要なパラメータを導出する地中熱を利用するものであって、表面波探査手段が検出データを記憶すると共に、この記憶された検出データを表面波探査手段と接続された探査通信部を介して検出データの処理・解析を行なうデータ解析手段へ送信し、データ解析手段が、探査通信部によって送信された検出データに基づき、周波数・位相速度関係曲線を算出し、この算出結果によりＳ波速度構造を解析し、解析したＳ波速度構造を基にして、Ｓ波速度と土相との対応に関し予め設定された土相判定標準表を用いて地盤の土相分布を特定すると共に、Ｓ波速度とＮ値との対応に関して予め設定されたＮ値換算式またはＮ値換算表を用いて地盤のＮ値分布を特定し、特定した土相と熱量の関係及びＮ値と熱量の関係に関し予め設定された熱量換算表を用いて、土相分布及び前記Ｎ値分布に基づきパラメータとなる地盤の単位厚さ当たりの単位吸放熱量を推定し、この推定した単位吸放熱量と予め入力された空調負荷情報とに基づき、熱サイフォンを利用した空調システムの設計を行なうことを特徴としている。

本発明にかかるアースリソース熱サイフォンシステムにおいて、システム設置場所の地盤内に設けた井戸と、この井戸内に配設された地中内熱交換器と、地中内熱交換器と接続されて地表側に配設されたヒートポンプと、ヒートポンプの凝縮側の熱交換器と地中内熱交換器とに間に接続され、熱交換媒体を熱交換器と地中内熱交換器との間で循環させる熱源回路と、熱交換媒体を貯留する貯留手段と、ヒートポンプの蒸発側の熱交換器と貯留手段とに間に接続され、貯留手段の熱交換媒体を熱交換器と貯留手段との間で循環させる熱交換媒体循環回路と、熱サイフォンと貯留タンクとの間で熱交換媒体を循環する室内側循環回路とを備えたことを特徴としている。

本発明にかかるアースリソース熱サイフォンシステムにおいて、システム設置場所の地盤内に設けた井戸と、この井戸内に配設された地中内熱交換器と、地中内熱交換器と接続されて地表側に配設されたヒートポンプと、ヒートポンプの凝縮側の熱交換器と地中内熱交換器とに間に接続され、熱交換媒体を熱交換器と地中内熱交換器との間で循環させる熱源回路と、熱交換媒体を貯留する貯留手段と、ヒートポンプの蒸発側の熱交換器と貯留手段とに間に接続され、貯留手段の熱交換媒体を熱交換器と貯留手段と熱サイフォンとの間で循環させる熱交換媒体循環回路とを備えた構成としてもよい。

本発明にかかるアースリソース熱サイフォンシステムにおいて、熱サイフォン空調システムの設計は、ヒートポンプの機種を決定するものであることを特徴としている。

本発明によれば、表面波探査手段で検出された検出データに基づき算出される周波数・位相速度関係曲線からＳ波速度構造を解析し、Ｓ波速度構造を基にしてＳ波速度と土相との対応に関し予め設定された土相判定標準表を用いて、地盤の土相分布が特定され、Ｓ波速度とＮ値との対応に関し予め設定されたＮ値換算式またはＮ値換算表を用いて地盤のＮ値分布が特定され、特定された土相分布及びＮ値分布を用いて、土相と熱量の関係及びＮ値と熱量の関係に関し予め設定された熱量換算表からパラメータとなる地盤の単位厚さ当たりの単位吸放熱量の精度を高く推定することができる。また、この推定した単位吸放熱量と予め入力された空調負荷情報とに基づき、熱サイフォンを利用した空調システムの設計を行なうので、精度の高いシステム設計を行なえるとともに、地中熱と空調負荷情報とのバランスを考慮した最適な機器の選定を行なうことができる。

本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１に示すアースリソース熱サイフォンシステム１は、非破壊的に調査対象の地盤３の内部状況を検出する手段として表面波探査手段４を用いたものである。アースリソース熱サイフォンシステム１は、表面波探査手段４と、表面波探査手段４により検出された検出データに基づき地盤３のＳ波速度構造を解析すると共に、このＳ波速度構造を基に地盤３の地中熱を熱源として利用する後述のる熱サイフォン空調システムの設計に必要なパラメータを導出するデータ解析手段５とを備えている。

表面波探査手段４は、検出データを記憶すると共に表示機能を有する探査記憶部６と、探査記憶部６に記憶された検出データをデータ解析手段５へ送信すると共にデータ解析手段５から送信される再調査及び調査終了を促す指示データを受信する探査通信部７とを備えている。探査通信部７とデータ解析手段５とは、ネットワークの一形態であるインターネット８に接続されており、互いに交信可能とされている。

表面波探査手段４は、加振手段としてのハンマー１１と、地盤３に配置されてハンマー１１によって叩かれることで加振点を成す鉄板１２と、受信点を構成する複数の受振手段としての受振センサ１３・・を備えている。受振センサ１３は、所定の間隔（例えば０．５〜２．０ｍ）を空けて直線状に配置されており、探査記憶部６とケーブル６ａで接続されている。ハンマー１１で打撃される部位が加振点となる鉄板１２は、受振センサ１３の列と同一直線上に配置され、最近接する受信センサ１３ａとの間にオフセット距離Ｌが設けられている。オフセット距離Ｌは、通常２〜３０ｍ程度である。本形態では、ハンマー１１で叩かれる部材を鉄板１２としたが、硬質樹脂やこれに類したものを用いても良い。

表面波探査手段４は、鉄板１２をハンマー１１で打撃することにより地盤３を起振し、発生した弾性波の全波動（表面波、直達波、屈折波、反射波）を受振センサ１３で受振して探査記憶部６に記憶する。探査記憶部６は、受振センサ１３が受振した検出データである波動データを記憶し、この記憶した波形データを、到達走時を基に表示される波形データとして、図示しないディスプレイ装置に表示するなど目的に応じて、受振点下部の地下構造を反映した波動伝播特性を表示すると共に、受振した検出データを記憶するものである。

各受振センサ１３の設置間隔、およびオフセットＬの距離については、地盤３の特性に対応した最適な波動データ（検出データ）を得るため適宜設定するもので、特定の値に限定されるものではない。図２は、地盤３にセットした受振センサ１３による検出データを記憶した際の波形記録を示す。

データ解析手段５は、演算回路やメモリ等を備えた周知のコンピュータであって、図示しないが表示手段となるモニター、操作手段となるキーボートやマウス等を備えている。データ解析手段５は、図１に示すように、表面波探査手段４の探査通信部７との間で検出データを送受信できる解析通信部９と、データ解析手段５側の各種情報を記憶する解析記憶部１０と、表面波探査手段４で得られた検出データからＳ波速度構造を解析するＳ波解析部２０と、Ｓ波解析部２０で解析されたＳ波速度構造を基に地盤の土相分布、Ｎ値分布を特定する土相・Ｎ値判定部２１と、土相・Ｎ値判定部２１で特定した土相分布及びＮ値分布とからパラメータとなる単位吸放熱量を推定する熱量解析部２２と、表面波探査手段４で得られた検出データの品質を評価するデータ品質評価部２３を備えている。データ解析手段５は、解析通信部９を介してインターネット８にアクセスでき、探査通信部７との間でデータの送受信が行なえるように構成されている。

本形態において、解析記憶部１０は、表面波探査手段４の探査通信部７から送信されて解析通信部９で受信した検出データ、Ｓ波解析部２０での解析結果、土相・Ｎ値判定部２１での特定結果、熱量解析部２２での推定結果及びデータ品質評価部２３での品質評価結果をそれぞれ記憶するように構成されている。

データ解析手段５は、データ品質評価基準に基づいてデータ品質評価部２３でなされた検出データの品質評価結果を指示データとして、解析通信部９を介して探査通信部７へ送信する機能を備えている。データ解析手段５は、データ品質評価部２３で、検出データが品質不良と判断された場合には、調査対象地盤の再調査を促す内容を指示データとし、検出データの品質が良好と判断された場合には、調査対象の地盤３の調査終了を促す内容を指示データとして、解析通信部９から探査通信部７を介して表面波探査手段４へ送信する機能を備えている。

検出データの品質とは、各受振センサ１３の配置の良し悪しにより得られるデータの質のことである。各受振センサ１３の配置の方角または位置が良好な場合と悪い場合とでは検出によって得られる波形データが異なる。また、調査対象の地盤３の周囲に雑音の原因となる土木・建築工事や重車両の通行等の状況がある場合には検出によって得られる波形データは不良となり、この場合には測定時間帯を変えて再調査しなければならない。このため、本形態ではデータ品質評価基準として、各受振センサ１３の配置が悪い場合と良い場合の波形データのパターンを類型化して標準波形、標準Ｆ−Ｋスペクトルの形として、データ解析手段５に設けた記憶手段２４に記憶されてデータベース化されている。

記憶手段２４には、観測分散曲線に対応する初期構造モデルがデータベース化されて記憶されている。この初期構造モデルは、観測分散曲線が特定されることで自動的に選択設定されるように構成されている。Ｓ波解析部２０は、観測分散曲線と理論分離曲線との一致度を目標化した所定の基準値が設定され、この基準値に達するまでＳ波速度構造の解析試行を繰り返すようになっている。この基準値は通常、１．０００に近い値とするが、調査対象の地盤３に応じて決めるもので（例えば０．９３５、０．９５０、０．９８０）、図示しないキーボードから入力して設定する。

土相・Ｎ値判定部２１は、Ｓ波速度から土相を特定するためのデータベース化された図４に示す土相判定標準表から土相を特定するためのものである。土相判定標準表は、記憶手段２４にデータベース化されて記憶されている。一般に、地盤３の土相は非常に様々で、それぞれの土相に対応してＳ波速度はすべて異なる。例えば、沖積世（地質時代名）の地盤において、土質が細粒砂であるか粗粒砂であるか、シルトであるか砂混りシルトであるか、粘土であるか砂混り粘土であるか、または砂礫であるか同じ砂礫でも礫分が多いか少ないか、その礫は大きいか小さいか、その礫は硬いか軟いかで、すべてＳ波速度は異なり、また、同じ土質でも地質時代が沖積世か、より古い洪積世か、第三紀かでもＳ波速度は違ってくる。さらに、地盤が岩盤である場合、強風化岩の岩相か弱風化岩の岩相かでもＳ波速度は違ってくる。また、地域特性が異なることでも対応は違い、軟弱地盤地域であるか扇状地性堆積地であるか河岸段丘であるか火山山麓であるかでも、Ｓ波速度と土相の対応は異なってくる。図４に示す土相判定標準表は、このような様々な土相、岩相に対応したＳ波速度を具体的、総合的にまとめたものである。

土相・Ｎ値判定部２１は、Ｓ波速度からＮ値を特定するための周知のＮ値換算式または図５に示すＮ値換算表等の換算手段を用いてＮ値を特定するものである。周知のＮ値換算式としては、例えば（Ｓ波速度／９１）^２．９７の式が挙げられる。しかし、この式は土相の多様性や地域特性を無視して算出した平均的な統計式であり、異なる土相に応じて換算方法を適宜補正しなければならない作業を省いて作られており、あらゆる地盤に適用して正確であるかという面で限界をもっている。Ｎ値換算式またはＮ値換算表は、いろいろな地域での様々な土相における数多くの表面波探査実測データによって構築されたデータベースを基にして作られたもので、Ｓ波速度からＮ値を高精度に特定できる特徴を有しており、記憶手段２４に記憶されている。熱量解析部２２には、Ｎ値分布及び土相分布から導き出した地盤の単位厚さ当たりの単位吸放熱量をデータベース化した図６に示す熱量換算表から推定するものである。熱量換算表は記憶手段２４にデータベース化されて記憶されている。

データ解析手段５での処理内容の流れを図７、図８に示すフローチャートを用いて説明する。図７及び図８は一連のフローであるが、便宜上それぞれ端子（１）の部分で分割している。図７のステップＡ２〜ステップＡ８までの処理はＳ波解析部２０での流れを示す。ステップＡ１では検出データ（波形データ）が入力され、ステップＡ２及びＡ３において、Ｆ−Ｋスペクトルの算出の経過を経て図２にドット状の線で示す観測分散曲線が特定される。

ステップＡ４では、記憶手段２４に記憶されたデータベースを参照して初期構造モデルが設定される。ステップＡ５では、設定された初期構造モデルから表面波理論に基づき図２に実線で示す理論分離曲線が算出されてステップＡ６に進む。ステップＡ６では、算出された理論分離曲線とステップＡ３で算出した観測分散曲線とが一致するか否かが目標基準値との対比によって判断される。観測値と理論値という性質上、両曲線が最初から一致することは少なく、両曲線が一致しない場合には、ステップＡ７に進んで、理論分離曲線が観測分散曲線に近づくように構造モデルの修正を行い、ステップＡ５に戻り、再度理論分離曲線を算出する。

このステップＡ５〜Ａ７のステップは、理論分離曲線と観測分散曲線とが一致するまで繰り返される。ステップＡ６において、理論分離曲線と観測分散曲線との一致度が目標基準値に達すると、ステップＡ８に進んで、Ｓ波速度構造を解析する。このＳ波速度構造と分散曲線との関係を図３に示す。図３において、縦軸は深度、横軸は表面波の位相速度及びＳ波速度を示す。

次に、ステップＡ８でＳ波速度構造が解析されると、図８のステップＡ９に進み、解析したＳ波速度構造を解析記憶部１０に記憶することで取り込み、ステップＡ１０において、データベース化されたＳ波速度構造に応じた図４に示す土相判定標準表と解析記憶部１０に記憶されているＳ波速度構造とから地盤３の土相分布を特定し、特定した結果を一旦解析記憶部１０に記憶する。

ステップＡ１１では、Ｓ波速度構造とＮ値換算式によりＮ値分布を算出し、算出した値を解析記憶部１０に記憶する。なお、Ｎ値換算式ではなく、図５に示すＮ値換算表からＮ値分布を選択・特定してもよい。これらステップＡ９〜Ａ１１は、土相・Ｎ値判定部２１で処理される。

ステップＡ１２では、熱量解析部２３により、記憶手段２４に記憶してあるＮ値分布と土相分布に対応してデータベースされている図６に示す熱量換算表が参照されて地盤３の単位厚さ当たりの単位吸放熱量（熱サイフォン空調システムの設計に用いるバラメータ）を推定し、推定した値を解析記憶部１０に記憶する。

ステップＡ１３からステップＡ１５では、記憶手段２４に予め記憶した空調負荷情報を読み出し、後述する熱サイフォン２００を利用した熱サイフォン空調システム１００に用いるヒートポンプを選択する。

ここで言う空調負荷情報とは、表面波探査手段４で計測した地盤３の上に建設された、あるいは建設される建築物の冷暖房などの空調負荷（ワット）を指す。これら空調負荷は、空間容積と周知の計算式を用いて予め算出しておき、記憶手段２４に記憶しておく。記憶手段２４には、ヒートポンプの機種とその出力（ワット）の一覧表がベータベース化されて記憶されている。データ解析手段５では、ステップＡ１４において、空調負荷情報の出力相当のヒートポンプを選択すべくベータベースから該当機種を選択する。ヒートポンプのデータベースは電力を駆動源として利用した場合に得られる機種のデータで構成されている。

選択されたヒートポンプの情報は一旦、図示しないＲＡＭなどのメモリに記憶される。またここでのヒートポンプの情報は、電力単体を駆動源として利用した場合に得られる出力相当の機種が選択されているため、ステップＡ１５において単位吸放熱量を補正係数として、選択されたヒートポンプの大きさを変更（補正）する。すなわち、例えば単位吸放熱量が５０Ｗ／ｍとした場合、地中に対して５０Ｗ／ｍの吸放熱を行なえる。これに対し単位吸放熱量が１００Ｗ／ｍの場合、地中に対して２倍となる１００Ｗ／ｍの吸放熱を行なえる。これは、単位吸放熱量が５０Ｗ／ｍの場合と単位吸放熱量が１００Ｗ／ｍにおいて、ヒートポンプに対する負荷が異なることになるので、同一環境化でヒートポンプを運転した場合、単位吸放熱量１００Ｗ／ｍの方が単位吸放熱量５０Ｗ／ｍよりもヒートポンプの消費電力を低くできる。また別な見方をすると、単位吸放熱量が高い事は低い場合よりもヒートポンプでの熱交換効率を高められるので、同一機器である場合、単位吸放熱量が高い方がより高い出力を得られる。このため、ステップＡ１５では、ステップＡ１３で選択したヒートポンプよりも小さなヒートポンプが選択され、一連の処理を終了する。

このように、快適表面波探査手段４で検出された波形データに基づき地盤３のＳ波速度構造を算出し、算出されたＳ波速度構造に基づき地盤３の地中熱を熱源として用いるアースリソースシステムの設計に必要なパラメータである地盤３の単位厚さ当たりの単位吸放熱量をデータ処理手段５で導出（推定）することができるとともに、検出データの収集から単位吸放熱量の推定までの工程を全て非破壊的な作業で行なうことができる。このため、ボーリング調査等の破壊的な地盤調査方法に比べて調査にかかる時間や費用や労力が低減すると共に、熱サイフォン空調システムの設計に不可欠な地盤情報を精度の良く推定することができる。

推定した単位吸放熱量と予め入力された空調負荷情報とに基づき、熱サイフォンを利用した空調システムの設計を行なうので、精度の高いシステム設計を行なえるとともに、地中熱と空調負荷情報とのバランスを考慮した最適な機器の選定を行なうことができる。

表面波探査手段４により検出されて探査記憶部６に記憶された波形データを、探査記憶部６と接続された探査通信部７を介してデータ処理手段５へ送信するので、表面波探査手段４からの波形データ処理をデータ処理手段５で一括処理でき、データ処理時間の短縮を図ることができるとともに、地盤情報の解析結果のバラツキや解析人員配置数を低減することができる。

本形態においては、データ品質評価基準、土相判定標準表、Ｎ値換算式、Ｎ値換算表、熱量換算表及び観測分散曲線に対応する初期構造モデルが、共通の記憶手段２４に予め記憶されてデータベース化されているが、Ｓ波解析部２０、土相・Ｎ値判定部２１、熱量解析部２２、データ品質評価部２３にそれぞれ記憶手段を接続し、各記憶手段に各部で用いる情報をそれぞれデータベース化して記憶させる形態としてもよい。

図９、図１０は、地中熱を利用した熱サイフォン空調システム１００の一例である。図９は加熱時の状態を示し、図１０は冷却時の状態を示す。

この熱サイフォン空調システム１００は、設置場所の地盤３内（地中）に設けた井戸１０１と、井戸１０１内に配設された地中内熱交換器１０２と、地中内熱交換器１０２と接続されて地表側に配設されたチラー方式のヒートポンプ１０３と、ヒートポンプ１０３の凝縮側の熱交換器１０４と地中内熱交換器１０２とに間に接続され、熱交換媒体を熱交換器１０４と地中内熱交換器１０２との間で循環させる熱源回路１０７と、熱交換媒体を貯留する貯留手段としての冷温水タンク１０８と、ヒートポンプ１０３の蒸発側の熱交換器１０５と冷温水タンク１０８とに間に接続され、冷温水タンク１０８の熱交換媒体を熱交換器１０５と冷温水タンク１０８との間で循環させる熱交換媒体循環回路１１０と、建築物３００の内部に設置された熱サイフォン２００と冷温水タンク１０８との間で熱交換媒体を循環する室内側循環回路１３０とを備えている。

ヒートポンプ１０３は、熱交換器１０４と熱交換器１０５とが拡張弁１１１，１１２及び圧縮機１１３と四方弁１１４とを備えた冷媒回路１１５上に設けられた周知の構成である。図中符号１０６，１０９，１３１は、各回路に設けられたポンプを示す。

ここで熱サイフォン２００の構成について説明する。熱サイフォン２００は、図１１〜図１３に示すように、外管２１０と、外管内を長手方向に貫通配置された内管２１２と、内管２１２を外管２１０に対して配置支持しつつ外管内を密封する栓体２１４とを備えている。

図１２に示すよう、外管２１０と内管２１２との中間空隙部分には、作動媒体Ｑが充填されて作動空間とされ、真空とした該作動空間内での作動媒体の蒸発、凝縮作用を通じて外管１０の外部を加温あるいは冷却する。本実施形態において、外管１０は例えばアルミニウム合金を素材として両端を開口し、例えば管外形５０ｍｍ、内径４７ｍｍ、管長６００ｍｍ〜４０００ｍｍ程度のサイズで中空円筒形状に構成され、種々の用途に適用される際には横長状態で配置されて使用される。そして、この外管２１０に平行に外管と同材質の内管２１２が外管２１０を長手方向に貫通して配設されている。

外管２１０は熱サイフォン全体の外形を決めて種々の支持物や支持構造に支持されるとともに、内部に作動媒体を封止して作動媒体Ｑによる伝達熱を外管２１０の外域と熱交換して周囲を直接的に加温、あるいは冷却させる。本形態において、外管２１０の外形は筒状に限定されるものではなく、例えば中空角パイプを用いた四角形であっても良いし、別な多角形でも良い。ただコストの事を考えると、既製品で形状が多く生産されている筒状または四角形が好ましい。

内管１２内には、冷温水タンク１０８から熱交換媒体（熱源水）となる冷温水が供給され、図９、図１０のポンプ１３１が駆動されることで熱交換媒体が冷温水タンク１０８との間で循環される。図１に示すように、内管２１２は外管の内径よりも小さい外径を有し、外管内に貫通挿入時に形成される外管内壁と内管外壁との間の空隙内に作動媒体を保持させる。内管２１２の管径は作動媒体Ｑによる熱伝達効率が良い大きさに設定している。本実施形態において、内管２１２は、外管内部で中心から若干下方に偏心した位置に配置されている。本実施形態において、内管２１２は、その管長が外管の管長よりも長く設定されており、この部分が内管の接続用突設部２１６とされる。内管２１２は、後述する栓体２１４の内管通係用孔２１５を貫通しさらに外管２１０内を長手方向に貫通した状態で栓体１４に支持される。

外管２１０の両端開口２１０ａ，２１０ｂは、栓体２１４によって封止され、外管内部が密閉されている。栓体２１４は、外管や内管と同様のアルミニウム合金から構成されている。本実施形態において、熱サイフォン２００は、外管２１０の両端開口２１０ａ，２１０ｂの内部に栓体２１４を嵌合させた状態での図示しない外部加圧手段による外管への外部からの加圧により外管２１０と栓体２１４とを固定させて構成される。

詳細には、栓体２１４は、外管２１０と同一外径の外栓部２２０と、外栓部２２０から段差状に縮径されて一体連結され外管内に挿入されて内壁２１０ｃに密着嵌合する内栓部２２２とを備えている。外栓部２２０は、外管２１０の両端開口２１０ａ、２１０ｂを封止する部分であり、両端開口２１０ａ，２１０ｂに外部から当てがわれてそれらの縁部に密着する。内栓部２２２は、外管２１０の内壁面に嵌合状に突入される中実円筒体からなり、実施形態では、この内栓部２２２において外部からの加圧を受け、さらに、外管内の密閉確保のためのシール部を形成させる。外栓部２２０と内栓部２２２とは同心の中実円筒で結合されている。

図１２において、内栓部２２２にはシール手段が設けられている。シール手段は、作動空間Ｓを外部から直接的に密封させる密封手段であり、特に、弾性部材を用いてその形状復元力により作動空間を密封する。本実施形態において、シール手段は内栓部２２２の挿入端側寄りに周状に刻設された第１の溝２２４と、該溝内に嵌着される弾性密封部材としてのオーリング２２６とを含む。栓体２１４を外管２１０に挿入嵌合させたときにはオーリング２２６は圧縮されてその弾発付勢力により管内外の水密、気密状態を保持させる。

栓体２１４には、内管２１２を貫通して挿通させる孔２１５が設けられている。この孔２１５には内管２１２を気密状に貫通させる孔を有するシール用栓体２３０が嵌着される。そして、このシール用栓体２３０の孔を貫通し支持された状態で外管２１０内を内管２１２が長手方向に貫通して配設される。シール用栓体２３０の挿入端側にもオーリング２３２が介在されて栓体２１４の孔２１５と内管２１２との気密が確保される。符号２３４は、栓体２１４で外管２１０の両端開口２１０ａ，２１０ｂを閉鎖して内部を真空吸引し、さらにアルコール等の作動媒体Ｑを充填する際に用いられる孔２１５を封止する止め栓であり、作動媒体の充填後に嵌合されて内部を閉鎖させる。

熱サイフォン２００の作用について説明する。作動空間Ｓに充填される作動媒体Ｑは、密閉空間の蒸発部と凝縮部とで相変化しながら熱輸送を行なう作動流体である。使用に際しては、熱サイフォン２００を空調対象となる、例えば建築物の空間に横置き状態で配置し、内管２１２の両端に、室内側循環回路１３０を構成する供給側パイプ１３２と戻り側パイプ１３３を接続して冷温水を流す。

外管２１０内は、作動液が封入されて両端開口部分は栓体により密閉され、さらに真空状態に保持されている。したがって、低温で蒸発、凝縮サイクルを繰り返しかつ外管２１０の管断面範囲でこれを高速に行なう。例えば図９に示すように、冷温水タンク１０８から温水が供給されて内管２１２内を通流すると、外管内の真空状態での作動媒体、すなわち、作動液、あるいは作動流体は、低温で蒸発し外管内の上端側に至り、放熱して凝縮し、管内を流下する循環を外管２１２の断面形状の範囲で行なう。したがって、この循環サイクルは外管２１２の管長全体について行なわれ、しかも、高速で行なわれる。したがって、温水の熱は外管表面から建築物３００の空間に伝わり、室内暖房が効果的に行われる。

冷温水タンク１０８から図１０に示すように冷水が供給されると、暖房の場合と逆の作用をして外管表面が冷却されて建築物３００の空間に伝わり、室内冷房が効率的に行われる。

本形態において、熱サイフォン２００は、１本の場合を例に説明したが、このような本数に限定されものではなく、例えば複数本の熱サイフォン２００を水平に等間隔で配置して１つのユニットとして構成し、このユニットに対して冷温水タンク１０８から冷水や温水を供給して冷房または暖房を行なうようにしてもよい。

アースリソース熱サイフォンシステムの概略構成を示す図である。 探査記憶部に表示される波形データの一例を示す図である。 分散曲線とＳ波速度構造との関係を示す図である。 Ｓ波速度から土相を特定するための土相判定標準表の一例を示す図である。 Ｓ波速度からＮ値を特定するためのＮ値換算表の一例を示す図である。 Ｎ値分布及び土相分布から導き出した地盤の単位厚さ当たりの単位吸放熱量を導出するための熱量換算表の一例を示す図である。 データ処理手段のパラメータ処理部によるデータ処理の流れを示すフローチャートである。 図７の端子（１）に続くデータ処理の流れを示すフローチャートである。 熱サイフォン空調システムの構成と発熱時の状態を示す図である。 熱サイフォン空調システムの冷却時の状態を示す図である。 熱サイフォン空調システムに用いる熱サイフォンの一部切欠斜視説明図である。 図１１に示す熱サイフォンの縦断面図である。 図１１に示す熱サイフォンの分解斜視説明図である。

符号の説明

１ アースリソース熱サイフォンシステム
３ 地盤
４ 表面波探査手段
５ データ解析手段
６ 探査記憶部
７ 探査通信部
９ 解析通信部
１０ 解析記憶部
１１ 加振手段
１３ 受振手段
２０ Ｓ波解析部
２１ 土相・Ｎ値判定部
２２ 熱量解析部
２３ データ品質評価部
１００ 熱サイフォン空調システム
２００ 熱サイフォン

Claims (3)

1. 表面波探査手段を用いて非破壊的に調査対象の地盤の状況を調査し、前記表面波探査手段で検出された検出データに基づき前記地盤のＳ波速度構造を解析し、この解析されたＳ波速度構造に基づき、前記地盤の地中熱を熱源として用いる熱サイフォン空調システムの設計に必要なパラメータを導出する地中熱を利用するアースリソース熱サイフォンシステムであって、
   前記表面波探査手段は、前記検出データを記憶すると共に、この記憶された検出データを前記表面波探査手段と接続された探査通信部を介して前記検出データの処理・解析を行なうデータ解析手段へ送信し、
   前記データ解析手段は、前記探査通信部によって送信された検出データに基づき、周波数・位相速度関係曲線を算出し、この算出結果により前記Ｓ波速度構造を解析し、解析したＳ波速度構造を基にして、Ｓ波速度と土相との対応に関し予め設定された土相判定標準表を用いて前記地盤の土相分布を特定すると共に、前記Ｓ波速度と前記Ｎ値との対応に関して予め設定されたＮ値換算式またはＮ値換算表を用いて前記地盤のＮ値分布を特定し、特定した土相と熱量の関係及びＮ値と熱量の関係に関し予め設定された熱量換算表を用いて、前記土相分布及び前記Ｎ値分布に基づき前記パラメータとなる前記地盤の単位厚さ当たりの単位吸放熱量を推定し、
   この推定した単位吸放熱量と予め入力された空調負荷情報とに基づき、熱サイフォンを利用した熱サイフォン空調システムの設計を行なうことを特徴とするアースリソース熱サイフォンシステム。
2. 請求項１記載のアースリソース熱サイフォンシステムにおいて、
   システム設置場所の地盤内に設けた井戸と、この井戸内に配設された地中内熱交換器と、前記地中内熱交換器と接続されて地表側に配設されたヒートポンプと、前記ヒートポンプの凝縮側の熱交換器と前記地中内熱交換器とに間に接続され、熱交換媒体を前記熱交換器と前記地中内熱交換器との間で循環させる熱源回路と、熱交換媒体を貯留する貯留手段と、ヒートポンプの蒸発側の熱交換器と前記貯留手段とに間に接続され、前記貯留手段の熱交換媒体を前記熱交換器と前記貯留手段との間で循環させる熱交換媒体循環回路と、前記熱サイフォンと前記貯留タンクとの間で熱交換媒体を循環する室内側循環回路とを備えたことを特徴とするアースリソース熱サイフォンシステム。
3. 請求項１または２記載のアースリソース熱サイフォンシステムにおいて、
   前記熱サイフォン空調システムの設計は、前記ヒートポンプの機種を決定するものであることを特徴とするアースリソース熱サイフォンシステム。

Images