JP2009097831A - 地熱収集ブロック及び杭並びに地熱利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】地中に埋設したコンクリート杭によって地熱を収集して、融雪や暖房の熱源として利用する技術に関し、融雪装置や一般家庭用の給水装置では、水が間歇的に利用されることが多いことに鑑み、地中深い箇所の地熱をより経済的な設備で、より合理的に利用することが可能な技術を提供する。
【解決手段】一本の又は長手方向に接続した複数本の杭状のコンクリートブロック内に、杭の長手方向に細長い長尺容器４を形成して、この長尺容器内に貯留した水にコンクリート躯体１を通して地熱を伝熱し、地熱によって暖められ又は冷やされたた水を間歇的に使用ないし循環させる。杭内に貯留される水の量を多くでき、ブロックを接続することによって、杭を地中深くまで打ち込むことができる。
【選択図】図５

Description

この発明は、地中に埋設したコンクリート杭によって地熱を収集して、融雪や暖房の熱源として利用する技術に関するものである。

地中に埋設される杭状のコンクリートブロックに水を循環する配管を設けることによって地熱を収集する技術として、従来次のようなものが提唱されている。

特許文献１には、コンクリート製基礎杭の中空部にＵ字形状の熱交換パイプを挿入し、この熱交換パイプと前記中空部の空間部分を熱伝導の良い適宜の材料で埋めた熱交換杭が提案されている。また、特許文献２には、コンクリート製中空杭のコンクリート層内に螺旋状の熱媒体流入側の吸熱パイプを埋設し、該吸熱パイプの下端と連結した熱媒体流出側の流出パイプを中空杭の中空部を直線状に昇って杭の上部へ導き出した熱交換機能を有する基礎杭が提案されている。

また、特許文献３、４には、コンクリート製中空杭の本体内に、熱媒体が流動する往路パイプと復路パイプとを交互に巻き回した螺旋状の熱交換パイプ２を埋設した熱交換杭が提案されている。また、特許文献５には、基礎杭内に管体を埋設した構造が提案されている。

また、地下に埋設したタンクに水を貯留する技術は、一般的なものであり、これらも貯留タンクが地下に埋設されていることから、タンク内の水に地熱が伝熱されるから、これらの水を使って融雪や暖房を行うシステムでは、結果的に地熱を利用しているということができる。
特開昭６０−８６５９号公報 特開平３−８３２２６号公報 特開平１１−３３６００８号公報 特開２００４−３２４９１３号公報 特開２００７−２４３９５号公報

前述した各特許文献に記載された地熱収集ブロック（地熱収集コンクリート杭）は、総て杭状のコンクリート内に水を通過させる配管を埋設したものである。ブロック内の配管を螺旋状としたものは、コンクリート躯体と配管内の水の伝熱面積を大きくして、単位時間当たりの伝熱量を増大させることを意図したものである。ブロック内の配管の長さを長くすることによって伝熱面積が大きくなるため、特許文献１のように杭内に配管を単純なＵ字状に配置したものに比べて、配管を流れる水により効率よく地熱を吸収させることができる。

配管を流れる流量が一定であるとすれば、ブロック内の管路長さを長くしたものほどブロックに入る水と出て来る水との温度差を大きくすることができる。しかし、管路を長くすれば、流動抵抗が増すので、管路に水を循環させる循環ポンプとして、より吐出圧の高いものが必要になり、ポンプの消費動力も増加する。

一方、地下の貯水タンクは、杭状の地熱収集ブロックに比べて設置工事に費用がかかる。すなわち、杭状のブロックは、アースオーガで掘削した孔にブロックを打ち込むことにより、容易に地中に埋設することができ、工事等に必要とする地表の面積も小さい。一方、地下埋設タンクは、広い面積で地表を掘削してその中にタンクを設置し、その後、掘削した孔を埋め戻す必要があり、工事に多大な費用が必要である。地熱は、深いほど地表との温度差が大きいが、貯水タンクは、杭のように深く埋設することができないので、地中深い部分の熱を有効に利用することができない。

従来の地熱収集ブロックは、ブロック内の配管に水を循環させながら地熱を吸収しようという発想に基づくもので、ブロック内の配管を螺旋状にして地熱の収集量を大きくしようという発想も、単位時間当たりの伝熱量を増大させることを意図したものであり、配管に水を循環させながら地熱を収集するときの収集量を大きくすることを意図したものである。

また、従来の地熱収集ブロックは、複数本のブロックを長手方向に接続することができない。ブロックは、製造や運搬の関係で、成形や現場へ運搬できる長さに制限がある。従って、接続することができない地熱収集ブロックは、杭としての打込み深さがブロック一本の長さにしかならず、地表との温度差が大きい地中深くの地熱を有効に利用できない。

この発明は、連続的に地熱を使用し続ける場合もあるが、融雪装置や一般家庭用の給水装置では、水が間歇的に利用されることが多いことに着目して、地中深い箇所の地熱をより経済的な設備で、より合理的に利用することが可能な技術を提供することを課題としている。

この発明は、一本の又は長手方向に接続した複数本の杭状のコンクリートブロック内に、杭の長手方向に細長い長尺容器４を形成して、この長尺容器内に貯留した水にコンクリート躯体１を通して地熱を伝熱し、地熱によって暖められ又は冷やされたた水（以下、単に「冷温水」と言う。）を間歇的に使用ないし循環させることにより、上記課題を解決している。

この発明の請求項１の発明に係る地熱収集ブロックは、断面中心部に合成樹脂又は金属の有底筒体３ａを埋込み成形した長尺鉄筋コンクリート成形体からなり、前記有底筒体３ａの開口側の端部３１がコンクリート躯体１の一端１１から突出している地熱収集用のブロックである。

また、本願の請求項２の発明に係地熱収集ブロックるは、上記の地熱収集ブロックに継ぎ足して長さの長い地熱収集杭を得るためのブロックで、断面中心部に両端３１、３２が開口された合成樹脂又は金属の無底筒体３ｂを埋込み成形した長尺鉄筋コンクリート成形体からなり、前記筒体の一端３１がコンクリート躯体１の一端１１から突出しており、他端３２が当該他端側のコンクリート躯体の端部に形成した凹所１３の底部に突出しており、当該筒体の一端３１と他端３２の突出長さを加えた長さが前記凹所の深さを越えない長さである地熱収集用のブロックである。

本願の請求項３の発明は、請求項１記載の地熱収集ブロックのみからなる地熱収集杭の発明であって、請求項１記載の地熱収集ブロック１０ａの筒体３ａが開口する側の端部を地表に露出させた状態で地中に鉛直に埋設し、有底筒体３ａを冷温水を貯留する長尺容器４とした地熱収集用の杭である。

また、本願の請求項４の発明は、請求項１記載の地熱収集ブロックの上端に１本又は複数本の請求項２記載の地熱収集ブロックを接続してなる地熱収集杭の発明であって、請求項１記載の地熱収集ブロック１０ａの筒体３ａが開口する側の端部に、１本又は上端と下端とを接続した複数本の請求項２記載の地熱収集ブロック１０ｂの凹所１３を設けた側の端部を、それらのコンクリート躯体１の端部相互を接続金具６で接続すると共にそれらの筒体３ａ、３ｂの端部相互を管継手５で接続して、最上部の請求項２記載の地熱収集ブロック１０ｂの上端を地表に露出させた状態で地中に鉛直に埋設し、下端の有底筒体３ａとその上方に接続された一本又は複数本の無底筒体３ｂで長尺容器４を形成した地熱収集用の杭である。

本願の請求項５の発明は、請求項３又は４記載の地熱収集杭を用いた地熱利用システムの発明であって、請求項３又は４記載の地熱収集杭の長尺容器４の露出端に、一方が長尺容器４の底部に開口し他方が上部で開口する長さの吐出管及び吸引管２２ａ、２２ｂを備えた筒蓋２が嵌着され、当該吐出管と吸引管を介して長尺容器４内に水を循環させることを特徴とする地熱利用システムである。

本願の請求項５の発明は、請求項３又は４記載の地熱収集杭を用いた無散水融雪システムの発明であって、上記吐出管及び吸引管２２ａ、２２ｂが循環ポンプ７を介して地表面に敷設した舗装ブロック８内の循環パイプに接続されていることを特徴とする地熱利用の無散水融雪システムである。

冷温水を間歇的に利用する場合には、杭内の水に対する単位時間当たりの伝熱量と杭内に貯留される水の量とのバランスが重要である。すなわち、冷温水の使用を止めてから、次に冷温水を使用するまでの時間間隔が長ければ長いほど単位時間当たりの伝熱量の大小は問題にならなくなる。従って、１回毎の冷温水の使用量に見合う量の水を杭内に貯留しておくことができれば、杭内に配管を螺旋状に配置したものより伝熱面積が小さいとしても、地熱を効果的に利用することができる。

すなわち、杭内に配管を埋設する従来構造では、長尺容器４を形成したこの発明の地熱収集杭ほど杭内に貯留する水の量を大きくできない。また、ブロックの接続部で配管を接続する有効な手段がないので、杭の長さを長くできない。従って、冷温水の使用を開始すると、杭内に貯留された冷温水がすぐに使用し尽くされてしまい、新たに流入した冷たい水が配管内を循環することとなるので、これを継続的に冷やし又は暖めるために大きな伝熱面積が必要である。

一方、この発明の地熱収集ブロックでは、杭内に螺旋状に配管を設けたものに比べて、杭内に貯留される水の量を遥かに多くすることができる。しかも構造が簡単になるから、ブロックを経済的に生産できる。そして、その構造上、縦方向に連続した杭内に１本の長尺容器４を形成することが容易であるため、１回の冷温水の使用量に応じて貯留される水の量を多くすることが容易にできる。

更にブロックを接続することによって、杭を地中深くまで打ち込むことができるので、地中の深い所の、従って、より温度差の大きい地熱を利用することが可能になる。本願発明者の試算によれば、一般的な土木機械（アースオーガやパイルハンマー）を用いて、直径３０ｃｍ×長さ４ｍの筒体３ａ、３ｂを設けたブロックを５本接続して、２０ｍの深さまで打ち込むことができ、この場合のブロック１０本当りの貯水量は２５０リットルで、長尺容器全体として１２５０リットルの冷温水を貯留できる。

筒体３ａ、３ｂとしては、水道配管用の塩ビ管をブロック成型時にモールドすればよく、材料費及び成型費も極めて安価で済む。ブロックを接続して長尺容器を形成するときの塩ビ管の接続には、従来から広く使用されているベルパイプと呼ばれる水封用のシールの付いた管継手５をそのまま用いることができ、コンクリート躯体１相互の接続は、これも従来から行われているように接続金具６を用いて簡単に接続することができる。

次に図面を参照して、この発明の実施形態を説明する。図１は、１本で使用する場合及び複数本接続した場合の最下部のブロック１０ａと、長尺容器４の上端を閉鎖する筒蓋２を示した斜視図である。ブロック１０ａは、長さ４ｍの八角断面の鉄筋コンクリートブロックで、その成型時に型枠内に基端を盲栓で閉鎖した直径３０ｃｍの塩ビ管３ａを配置して成型したものである。基端を閉鎖した塩ビ管３ａは、このブロック一本のみで杭を形成するときの長尺容器４となる。塩ビ管３ａの開口端３１は、ブロック躯体１の端部１１から突出している。

１本で使用する場合のブロック１０ａは、地表に現れたこの突出端３１に配管挿入孔２１ａ、２１ｂを設けた筒蓋２を嵌着する。複数本接続して杭とする場合の最下段のものとしてブロック１０ａを使用するときは、この突出端３１と、図２に示すブロック１０ｂの下端とをベルパイプ５で接続する。ブロック躯体１の筒体開口側の端部１１に隣接して、ブロックを複数本接続する場合にコンクリート躯体相互の接続金具６を固定するための埋め込みナット１２が設けられている。

図２は、複数本接続して使用する際の上端及び中間部に使用されるブロック１０ｂの斜視図である。図１のブロック１０ａの有底筒体３ａと接続して長尺容器４を形成する塩ビ管３ｂは、両端３１、３２が開口しており、その一端（埋設したときに上端となる端部）３１は図１のものと同様にコンクリート躯体１ｂの一端１１から突出している。塩ビ管３ｂの他方の端部（下端）３２は、ブロック躯体１ｂの他端１５に設けた短円筒状の凹所１３の底部に突出している。ブロック躯体１ｂの外周面の上端部と下端部には、コンクリート躯体相互を接続する接続金具６を取り付けるための埋め込みナット１２が設けられている。

図１のブロック１０ａと図２のブロック１０ｂを接続する場合、図１のブロック１０ａの上端の塩ビ管の突出端３１が図２のブロック１０ｂの下端の凹所１３に挿入され、塩ビ管の上端突出端３１と下端の突出端３２とが凹所１３内でベルパイプ５により接続される（図３参照）。このとき、ブロック１０ａのコンクリート躯体１の上面１１とブロック１０ｂのコンクリート躯体１の下面１５とが密着することが必要である。従って、凹所１３の深さは、塩ビ管の上端突出端３１の突出寸法と、塩ビ管の下端突出端３２の凹所底面からの突出寸法を加えた寸法より深く、かつその内径は、ベルパイプ５を収容可能な径としなければならない。

ブロック１０ｂの上端突出端３１には、上述したと同様な構造で、更にその上にブロック１０ｂが接続されるか、又は筒蓋２が嵌着される。

図４は、ブロック１０ａを１本だけ用いた地熱利用システムの模式的な断面側面図である。ブロック１０ａは、アースオーガで掘削した孔にパイルハンマーを用いて打ち込まれ、その上端は地表面Ｇに臨出している。塩ビ管３の上端の突出端３１に嵌着された筒蓋２に２本の配管２２ａ、２２ｂが１本を長尺容器４の底部４１近くに開口させ、また他方２２ｂを長尺容器４の上部近くに開口させて設ける。そして、いずれか一方の配管の地表部に循環ポンプ７が設けられている。配管２２ａと２２ｂとは地表部において融雪ブロックや熱交換器を経て接続されている。また、図には示してないが、長尺容器４及び配管２２内に水を供給する供給管が設けられる。

図５は、ブロック１０ａと１０ｂとを接続して地中に埋設した構造の模式的な側面図である。ブロック１０ｂの塩ビ管の下端がブロック１０ａの塩ビ管の上端と接続されることにより、長さ８ｍの長尺容器がコンクリート杭内に形成される。地表面側のブロック１０ｂの上端の突出部１１に嵌着した筒蓋２を通して２本の配管２２ａ、２２ｂが一方を長尺容器４の底部４１近くに開口させ、他方を上部近くに開口させ、その一方の地表部に循環ポンプ７を設けていることは、図４と同様である。

図５には、配管２２ａ、２２ｂに無散水融雪ブロック８が接続された状態が模式的に示されている。気温によっても異なるが、本願発明者の試算では、１本の地熱収集ブロックにより、１０ｍ×１０ｍの路面の融雪を行うことができる。

２本の配管２２ａ、２２ｂの間に図６のようにポンプ７と切換弁９ａ〜９ｆを設けることにより、長尺容器４内の水の誘導方向を逆にすることができる。暖められた水は比重が軽くなるので、地熱を吸収して温まった水は長尺容器４の上方に移動する。従って、地熱を冷温水として利用するときは、図４、５の配管の２２ｂ側から長尺容器４内の水を汲み上げ、長尺容器の底部に開口する配管２２ａから長尺容器４内に水を戻すようにするのが合理的である。また、地上温度が地下温度より高いときに地熱を冷房用の低温源として利用するときは、長尺容器４の底部から水を汲み上げて上部へ戻すようにする方が合理的である。図６のように、開閉弁９ａ〜９ｆを設けることにより、それらの開閉により冷温水を利用する場合と冷水を利用する場合との長尺容器４内の水の流れの方向を逆にすることができる。

長尺容器を設けたブロックの斜視図 長尺容器の上部ないし中間部となる筒体を設けたブロックの斜視図 ブロック接続部の模式的な断面図 １本のブロックを用いた地熱利用システムの模式的な断面側面図 ２本のブロックを接続して用いた地熱融雪システムの模式的な断面図 管路の切換手段の一例を示した配管図

符号の説明

１ コンクリート躯体
２ 筒蓋
3a 塩ビ管（有底筒体）
3b 塩ビ管（無底筒体）
４ 長尺容器
５ 管継手（ベルパイプ）
６ 接続金具
７ 循環ポンプ
８ 無散水融雪ブロック
10 ブロック
11 ブロック躯体の端部
12 埋め込みナット
13 凹所

Claims (6)

1. 断面中心部に合成樹脂又は金属の有底筒体(3a)を埋込み成形した長尺鉄筋コンクリート成形体からなり、前記有底筒体(3a)の開口側の端部(31)がコンクリート躯体(1)の一端(11)から突出している、地熱収集ブロック。
2. 断面中心部に両端(31,32)が開口された合成樹脂又は金属の無底筒体(3b)を埋込み成形した長尺鉄筋コンクリート成形体からなり、前記筒体の一端(31)がコンクリート躯体(1)の一端(11)から突出しており、他端(32)が当該他端側のコンクリート躯体の端部に形成した凹所(13)の底部に突出しており、当該筒体の一端(31)と他端(32)の突出長さを加えた長さが前記凹所の深さを越えない長さである、地熱収集ブロック。
3. 請求項１記載の地熱収集ブロック(10a)の筒体が開口する側の端部を地表に露出させた状態で地中に鉛直に埋設し、有底筒体(3a)を長尺容器(4)とした、地熱収集杭。
4. 請求項１記載の地熱収集ブロック(10a)の筒体(3a)が開口する側の端部に、一本又は上端と下端とを接続した複数本の請求項２記載の地熱収集ブロック(10b)の凹所(13)を設けた側の端部を、それらのコンクリート躯体(1)の端部相互を接続金具(5)で接続すると共にそれらの筒体(3a,3b)の端部相互を管継手(5)で接続して、最上部の請求項２記載の地熱収集ブロック(10b)の上端を地表に露出させた状態で地中に鉛直に埋設し、下端の有底筒体(3a)とその上方に接続された一本又は複数本の無底筒体(3b)で長尺容器(4)を形成した、地熱収集杭。
5. 請求項３又は４記載の地熱収集杭の長尺容器(4)の露出端に、一方が長尺容器(4)の底部に開口し他方が上部で開口する長さの吐出管及び吸引管(22a,22b)を備えた筒蓋(2)が嵌着され、当該吐出管と吸引管を介して長尺容器(4)内に水を循環させることを特徴とする、地熱利用システム。
6. 上記吐出管及び吸引管(22a,22b)が循環ポンプ(7)を介して地表面に敷設した舗装ブロック(8)内の循環パイプに接続されている、地熱利用の無散水融雪システム。

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