JP2010281494A - Recovery utilization system of geothermal heat - Google Patents

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Akihiko Iwasawa
昭彦 岩澤
Masaaki Furukawa
雅章 古川
Hiromi Higashikata
陽 東方
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new, convenient, and low-cost geothermal heat recovery utilization system excellent in the efficiency and rationality of utilizing heat by considerably mitigating burdens such as the cost of construction and equipment and an effort for the construction. <P>SOLUTION: The geothermal heat recovery utilization system is characterized in that: an area to 6m of an underground depth is set to be an effective heat collecting area; and a heat collecting tube is buried in the ground by being inserted into a dug underground opening and by filling the opening with dug soil; a heat collecting tube unit is connected and buried in the ground in a U-shaped manner to arrange the heat collecting tube; a liquid medium circulates in the heat collecting tube; and the geothermal heat is recovered for utilizing the geothermal heat. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は地中熱を回収してこれを冷暖房等として利用するための新規なシステム、並びにこのシステムを採用した地下室等の構造に関するものである。   The present invention relates to a novel system for recovering geothermal heat and utilizing it for air conditioning and the like, and a structure of a basement or the like that employs this system.

近年、地球温暖化への対策として自然エネルギーの利用が大きな社会的テーマになっており、このような自然エネルギーの利用方策の一つとして地中熱の利用がある。しかしながら、この地中熱利用に際しては地下に地中熱採熱設備を埋設する必要がありそのための埋設費用が高いことが大きなネックとなって、わが国の現状においてはその普及が阻害されている。   In recent years, the use of natural energy has become a major social theme as a countermeasure against global warming, and the use of geothermal heat is one of such measures for using natural energy. However, when using this geothermal heat, it is necessary to embed a geothermal heat collection facility underground, and the high burial cost for that has become a major bottleneck, which has hindered its spread in Japan.

これまで地中熱の利用について先例とされてきたのは、およそ100mという長尺の採熱管を地中に埋設するというものである。このように100mという長い採熱管を使う理由は、もともと地中熱利用が北欧等の寒冷地で暖房用として普及したことに見ることができる。これら寒冷地では極寒期には地表に近いところが凍ってしまい地表付近からは熱が採れないという事状があった。そしてこのような北欧等の寒冷地での地中熱利用のあり方が先例となって、地中熱の利用では地中深く採熱管を埋設することが望ましいとされてきた歴史がある。   The precedent for the use of geothermal heat has been to embed a long heat collection tube of about 100 m in the ground. The reason for using a heat collecting tube as long as 100 m in this way can be seen from the fact that the use of geothermal heat has become widespread for heating in cold regions such as Northern Europe. In these cold regions, there was a situation that the part near the surface was frozen in the extreme cold season, and heat could not be taken from the vicinity of the surface. And this kind of use of geothermal heat in cold regions such as Scandinavia is a precedent, and there is a history that it is desirable to embed a heat collecting pipe deeply in the ground for the use of geothermal heat.

この100mの採熱管の場合には、鞘管としてスチールパイプを地中深く垂直に埋設し、その内部に長尺の特製の樹脂パイプを挿入し、熱媒体を流通させて採熱している。このためその埋設の施工、そして設備品のためのコスト負担は大きく、施工そのものが容易ではないという問題があった。   In the case of this 100 m heat collecting tube, a steel pipe is buried deeply and vertically in the ground as a sheath tube, a long special resin pipe is inserted into the inside, and a heat medium is circulated to collect heat. For this reason, there is a problem that the cost of the construction for the burial and the equipment is large and the construction itself is not easy.

一方、このような寒冷地における地中熱利用の先例を踏まえての工夫も提案されている。たとえば、地上建物の近傍の地中に鋼管を打ち込み、この鋼管内に空気や不凍液等の熱媒体を循環させて熱交換し、鋼管に伝わる地中熱を熱媒体で採熱し、建物内の空気と熱交換させて冷暖房に利用すること(特許文献1−3)等が提案されている。   On the other hand, the idea based on the precedent of using geothermal heat in such a cold region is also proposed. For example, a steel pipe is driven into the ground in the vicinity of a ground building, a heat medium such as air or antifreeze is circulated in the steel pipe, heat is exchanged, and the ground heat transmitted to the steel pipe is collected by the heat medium, and the air in the building It has been proposed to use it for air conditioning by exchanging heat with it (Patent Documents 1-3).

しかしながら、これらはいずれも鋼管を用いての採熱であって、地中深部へのその打ち込み施工は必ずしも簡便でなく、振動、騒音等の問題を生じる。しかもこのような鋼管打込みによる採熱では、深い地中ほど地中熱利用の面では効果があるとの先験性から、どうしても深い打ち込みになり、施工のコスト、労力の負担は大きい。つまり、従来では、地表面や地中浅いところでは外気温の影響を受けやすいので、地中深く、年間を通じて安定した温度域の深さで採熱管を埋設するのが望ましく、しかもより深く埋設するためにも、強度のある鋼管を打込むことが必須であると考えられてきている。また、できるだけ多くの地中熱を利用するためには地中に打込む鋼管の数を多くするのが必要であるとされてきた。このため、採熱管の埋設施工の大きな負担は、実際的な地中熱利用の普及を困難にしてきたと言える。   However, these are all heat collection using a steel pipe, and the installation work into the deep underground is not always simple, and causes problems such as vibration and noise. Moreover, the heat collection by such steel pipe implantation is inevitably deep due to the a priori nature that the deeper underground is more effective in terms of the use of underground heat, and the construction cost and labor burden are large. In other words, in the past, it was easy to be affected by the outside air temperature on the ground surface and shallow in the ground, so it is desirable to bury the heat collection pipe deep in the ground and at a stable temperature range throughout the year, and bury it deeper. For this reason, it has been considered essential to drive a strong steel pipe. In order to use as much geothermal heat as possible, it has been necessary to increase the number of steel pipes that are driven into the ground. For this reason, it can be said that the large burden of the construction of the heat collection pipe has made it difficult to spread the practical use of geothermal heat.

特開2004−177013号公報JP 2004-177013 A 特開2006−10098号公報JP 2006-10098 A 特開2006−207919号公報JP 2006-207919 A

本発明は、前記のとおりの背景から、従来の問題点を解消して、施工や設備のコスト、並びに施工上の労力等の負担を大幅に軽減して、簡便に低コストで、しかも熱利用の効率、合理性にも優れた新しい地中熱の回収利用システムを提供することを課題としている。   The present invention eliminates the conventional problems from the background as described above, greatly reduces the cost of construction and equipment, and the labor on construction, etc., easily and at low cost, and uses heat. The objective is to provide a new geothermal heat recovery and utilization system that excels in efficiency and rationality.

本発明者は、北欧寒冷地での先例を踏まえつつも、わが国の実状に沿った地中熱の利用について検討を進めてきた。その過程において、人口が集中する首都圏では夏季に温められた地表温度は冬季にもさほど下らずむしろ地表に近いところのほうが採熱は有利であって、主として首都圏以西では地中熱採熱による冷暖房を行う場合には採熱管は短くてよく、実際的な平均の有効採熱域を地表から6mまでを目安としてよいとの極めて重要な知見を得た。また、しかもこの採熱には、熱効率、そして地中強度等の観点からも従来のような鋼管とすることなく通常の、市販品としての樹脂製管でよいとの確認も得ている。   The present inventor has been studying the use of geothermal heat in line with the actual situation in Japan, based on precedents in the cold regions of Northern Europe. In the process, in the Tokyo metropolitan area where the population is concentrated, the surface temperature heated in the summer is not much lower in the winter, but rather it is closer to the ground surface. In the case of heating and cooling by heat, the heat collection pipes can be short, and we have obtained extremely important knowledge that a practical average effective heat collection area may be 6 m from the surface. In addition, it has also been confirmed that this heat collection is not limited to a conventional steel pipe from the viewpoint of thermal efficiency, underground strength, and the like, and a normal, commercially available resin pipe may be used.

このような、これまでに知られていない知見に基づいて、本発明の地中熱の回収利用システムは以下のことを特徴としている。   Based on such knowledge that has not been known so far, the geothermal heat recovery and utilization system of the present invention is characterized by the following.

第1:地中深さ6mまでを有効採熱域とし、掘削した地中開口への挿入と掘削残土の埋め戻しによって地中埋設される採熱管による地中熱の回収利用システムであって、採熱管ユニットが連結されてU字状に地中埋設されることで前記採熱管が配置されるとともに、採熱管には液媒体が流通されて地中熱の回収が行われ地中熱の利用が可能とされる。   First: An effective heat collection area up to a depth of 6 m in the ground, and a ground heat recovery and utilization system using a heat collection pipe buried underground by insertion into the excavated underground opening and backfilling of excavated residual soil, The heat collection tube unit is connected and buried in a U-shape so that the heat collection tube is arranged, and a liquid medium is circulated through the heat collection tube to recover the ground heat, thereby using the underground heat. Is possible.

第2:採熱管ユニットは、樹脂製、金属製またはその複合体により形成されており、直管状、曲管状、もしくは蛇腹状である。   Second: The heat collecting tube unit is made of resin, metal, or a composite thereof, and has a straight tube shape, a curved tube shape, or a bellows shape.

第3:鋼材の打込みにともなうアースドリル地中開口への挿入と掘削残土埋め戻しによって、鋼材に寄り添って採熱管が地中埋設されて配置される。   Third: By inserting the earth drill into the underground opening and backfilling the excavated residual soil when the steel material is driven, the heat-collecting pipe is buried and arranged close to the steel material.

第4:地下室構築のための鋼材の打込みである。   Fourth: Driving steel for building the basement.

第5:採熱管ユニットは、エルボにより連結されている。   5th: The heat collecting pipe unit is connected by an elbow.

第6:採熱管中には液媒体の流れを乱流にする流形調整部が設けられている。   6th: The flow shape adjusting part which makes the flow of a liquid medium turbulent is provided in the heat collecting pipe.

第7:採熱管の地中埋設域もしくはその周囲には地中熱伝導率上昇のための散水が行われる散水部が配置されている。   Seventh: A water sprinkling section for spraying water for increasing the ground heat conductivity is disposed in or around the underground buried area of the heat collecting pipe.

第8:採熱管は、建物への循環パイプシステムに連結され、液媒体の供給利用が行われる。   Eighth: The heat collection pipe is connected to the circulation pipe system to the building, and the liquid medium is supplied and used.

第9:住宅の床下に配設した循環パイプシステムによって床放射冷暖房が行われる。   Ninth: Floor radiant cooling and heating are performed by a circulation pipe system arranged under the floor of a house.

第10:採熱管はヒートポンプに連結され、ヒートポンプによって液媒体の供給利用のための温度調整が行われる。   Tenth: The heat collection tube is connected to a heat pump, and temperature adjustment for supplying and using the liquid medium is performed by the heat pump.

第11:採熱管は液媒体の蓄熱槽と連結され、混合バルブによって蓄熱槽からの液媒体の供給利用のための温度調整が行われる。   Eleventh: The heat collection tube is connected to a heat storage tank for the liquid medium, and temperature adjustment for supplying and using the liquid medium from the heat storage tank is performed by a mixing valve.

第12:採熱管は液媒体の蓄熱槽とともにヒートポンプに連結され、採熱管と蓄熱槽の少くとも一方からの液媒体はヒートポンプによって供給利用のための温度調整が行われる。   Twelfth: The heat collection tube is connected to a heat pump together with a liquid medium heat storage tank, and the temperature of the liquid medium from at least one of the heat collection pipe and the heat storage tank is adjusted for supply and use by the heat pump.

第13:液媒体の蓄熱槽は、地下室構築にともなう地下構造の一部として一体配置されている。   Thirteenth: The liquid medium heat storage tank is integrally arranged as a part of the underground structure accompanying the construction of the basement.

第14:採熱管は地下室構築にともなう外壁の周囲または近傍に配置されている。   14th: The heat collection pipe is arranged around or in the vicinity of the outer wall accompanying the construction of the basement.

また、本発明は、以上の特徴を有する地中熱の回収利用システムを採用した建造物、特に地下室の構造をも提供する。   The present invention also provides a structure, particularly a basement structure, that employs the geothermal heat recovery and utilization system having the above characteristics.

前記第1の発明の地中熱回収利用システムによれば、従来の地中深部への打込みによる鋼管埋設での採熱管システムとは本質的に相違して、採熱管は、
1)地中深さ6mまでを有効採熱域とし、
2)アースドリル等による簡便な掘削により開口した穴に挿入し、掘削残を埋め戻すだけの施工で埋設されるU字状とする
ことで、従来に比べて施工、設備のコストを大幅に低減し、施工を容易とし、住宅、地下構造体、地下室等の各種の構造に付設し、あるいは独立の採熱ステーションとして広く採用可能とされる。
According to the underground heat recovery and utilization system of the first aspect of the present invention, unlike the conventional heat collection pipe system in steel pipe embedment by driving into the deep underground, the heat collection pipe is:
1) The effective heat collection area is up to 6m underground depth.
2) By inserting into a hole opened by simple excavation with an earth drill or the like and embedding it by refilling the excavation residue, the cost of construction and equipment is greatly reduced compared to conventional methods. However, it is easy to construct, and can be attached to various structures such as houses, underground structures, basements, etc., or widely used as an independent heat collection station.

また、第2の発明によれば、地中深さが従来に比べてはるかに浅いので樹脂製の採熱管ユニットでも強度的十分であり、金属製であっても、これらの施工は低コストで容易となる。   Further, according to the second invention, since the underground depth is much shallower than that of the conventional one, the resin heat collecting tube unit is sufficient in strength, and even if it is made of metal, the construction thereof is low cost. It becomes easy.

そして第3の発明によれば、各種の目的、用途で地中に打込まれる鋼材に寄り添って、採熱管が簡便かつ容易な施工として地中配置されることになる。さらに具体的には、第4の発明のように、この鋼材の打込みは、地下室構築の施工として簡便かつ容易に、しかも地中熱利用の利便性の良好なものとして可能となる。   And according to 3rd invention, a heat-collection pipe | tube will be arrange | positioned underground as simple and easy construction, snuggling up to the steel material driven into the ground for various purposes and uses. More specifically, as in the fourth aspect of the present invention, this steel material can be driven in a simple and easy manner for construction of a basement and with good convenience in using geothermal heat.

第5の発明では、採熱管ユニットの連結を、エルボを用いることで、施工性、そして伝熱液媒体の流通精度の向上が図られる。   In 5th invention, the improvement of workability | operativity and the distribution | circulation precision of a heat-transfer liquid medium is achieved by using an elbow for the connection of a heat collecting pipe unit.

採熱管中で乱流形成するための流形調整部を設ける第6の発明によれば液媒体の伝熱効率はより向上される。   According to the sixth aspect of the present invention in which the flow shape adjusting portion for forming the turbulent flow in the heat collecting tube is provided, the heat transfer efficiency of the liquid medium is further improved.

第7の発明では、散水によって地中熱伝熱性の上昇がより図られることになる。   In 7th invention, a raise of underground heat-transfer property is achieved by watering more.

第8ないし第12の発明では、循環パイプシステムやヒートポンプ、さらには液媒体の蓄熱槽の配置と採熱管との連結によって、住宅等の冷暖房をはじめとして各種目的、用途のための地中熱利用がより効率的、効果的なものとなる。   In the eighth to twelfth inventions, the use of geothermal heat for various purposes and applications such as cooling and heating of houses, etc., by connecting a circulation pipe system, a heat pump, and a heat storage tank of a liquid medium and a heat collecting pipe. Will be more efficient and effective.

第13の発明では、地下室構築と蓄熱槽とを構造一体化することで、施工性、利便性の向上が図られる。   In the thirteenth invention, the construction and convenience are improved by integrating the basement construction and the heat storage tank.

そして、第14の発明によれば、本出願人が開発してきた、いわゆる鋼製地下室の構造をはじめとする地下室構造の新しい展開が図られる。   And according to 14th invention, the new expansion | deployment of the basement structure including the structure of what is called a steel basement which the present applicant has developed is achieved.

季節による気温と地中温度の関係を示した概要図である。It is the schematic which showed the relationship between the temperature by season and underground temperature. 採熱管のH型鋼の打込みにともなう配設について例示した概要斜視図である。It is the general | schematic perspective view illustrated about arrangement | positioning accompanying driving of the H-shaped steel of a heat collecting tube. 採熱管による回収利用システムの概要構成図である。It is a schematic block diagram of the collection | recovery utilization system by a heat collecting tube. 地下室構築にともなう採熱管の配置と住宅用冷暖房システムとしての利用を例示した概要断面図である。It is a general | schematic sectional drawing which illustrated arrangement | positioning of the heat collection pipe | tube accompanying the basement construction, and utilization as a housing air conditioning system. 図4のシステムの構成概要図である。FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the system of FIG. 4.

<深さ6mの有効採熱域>
本発明においては、地中熱の有効採熱域の深さを6mまでとしている。その理由についてまず説明する。
<Effective heat collection area of depth 6m>
In the present invention, the depth of the effective heat collection area for underground heat is set to 6 m. The reason will be described first.

(1)地中熱を利用する場合においても暖房・給湯に有利な部分から採熱することが必要である。   (1) Even when using geothermal heat, it is necessary to collect heat from a portion advantageous for heating and hot water supply.

今まで地中熱使用の採熱は年間安定した部分から行うこととされている。地中10m以深で年間温度の変化が0.1℃以下の部分を不易層と呼び採熱管は不易層以深へ通常100m埋設している。   Until now, it has been assumed that heat collection using geothermal heat is performed from a stable part of the year. The part where the annual temperature change is 0.1 ° C. or less at a depth of 10 m or less in the ground is called a non-prone layer, and the heat collecting tube is normally buried 100 m deep in the non-prone layer.

不易層の温度は広田知良の提案の式から(「身近な気象・気候調査の基礎」牛山素行著)
Ts=0.97Ts+0.23(Ts:不易層温度 Ta:年間平均気温)
その地域の年間平均気温から地中温度を計算できる。(実測との誤差0.1℃以内)
年間平均気温より少し低い温度が地中の不易層の温度である。
The temperature of the incompetent layer is based on the formula proposed by Tomohiro Hirota (“Fundamental weather and climate survey basics” by Noriyuki Ushiyama)
Ts = 0.97Ts + 0.23 (Ts: non-prone layer temperature Ta: annual average temperature)
Underground temperature can be calculated from the annual average temperature of the area. (Error from actual measurement is within 0.1 ° C)
A temperature slightly lower than the annual average temperature is the temperature of the underground layer.

地表から10mより浅い部分では太陽熱の影響を受けて年間規則的に温度が変化している。   In the area shallower than 10 m from the surface of the earth, the temperature changes regularly every year under the influence of solar heat.

アメリカの学者 ウイリアム・ジェリーとロバート・ホートンの提案(「土壌物理学」築地書館刊)から、地中の温度の年間の変化は、年間平均気温を横軸中心として、深度に応じて遅れる正弦曲線で説明できるとされている。しかし実態はどうかを知るために、実際の測定データから年間の温度変化曲線より冷暖房時に使用する地中熱を検討した。   From the American scholar William Jerry and Robert Horton's proposal ("Soil Physics" published by Tsukiji Shoten), the annual change in the underground temperature is a sine curve that lags with the average temperature in the horizontal axis, depending on the depth. Can be explained. However, in order to know the actual situation, the geothermal heat used for cooling and heating was examined from the actual temperature change curve from the actual measurement data.

(2)住宅では暖房と冷房を行う期間がほぼ決まっているから、その期間の地中の温度を検討した。   (2) Since the period for heating and cooling is almost fixed in the house, the underground temperature during that period was examined.

■暖房は11月2日から4月29日まで(172日)、平均気温が15℃以下を想定して運転する。   ■ Heating is operated from November 2 to April 29 (172) assuming an average temperature of 15 ° C or lower.

■冷房は6月22日から9月19日まで(90日)、日最高気温26℃以上を想定して運転する。   ■ Air conditioning will be operated from June 22 to September 19 (90th) assuming a daily maximum temperature of 26 ° C or higher.

日本の気象データ内容で地中熱温は1982年以降は公表されていない。冷暖房時における地中温度を、入手できた3資料から検討した。深さ3m部分の温度を求めた。   The geothermal temperature in Japan's weather data has not been published since 1982. We examined the underground temperature at the time of air conditioning from three available materials. The temperature at a depth of 3 m was determined.

<a>東京地方(自然エネルギー利用のための「パッシブ建築設計手法」彰国社)
暖房時地中温度
11月2日の地中3mの温度は18.6℃、4月29日では同じく13.2℃で平均15.9℃
東京地方年間平均気温が14.4℃、前記式より地中年間温度は14.2℃
地中3m部分の暖房期間の平均温度は不易層部分より1.7℃高い。
<a> Tokyo Region (“Passive Architectural Design Method for Natural Energy Use” Shokokusha)
Underground temperature during heating The temperature of the underground 3m on November 2 was 18.6 ° C, and on April 29 it was also 13.2 ° C, averaging 15.9 ° C
Tokyo area annual average temperature is 14.4 degrees Celsius, underground temperature is 14.2 degrees Celsius from the above formula
The average temperature during the heating period in the 3m section of the ground is 1.7 ° C higher than the non-prone section.

<b>水戸市(1982年農業気象資料)
暖房時地中温度
11月2日の地中3mの温度は17.4℃、4月29日では同じく13.3℃で、平均15.4℃
水戸地方年間平均気温は13.4℃、前記式より地中年間温度は13.2℃
地下3m部分の暖房期間の平均温度は不易層部分より2.2℃高い。
<B> Mito City (1982 Agricultural Meteorological Data)
Underground temperature during heating The temperature of 3m underground on November 2 was 17.4 ° C, and on April 29 it was 13.3 ° C, averaging 15.4 ° C.
The average annual temperature in the Mito region is 13.4 ° C. From the above formula, the annual underground temperature is 13.2 ° C.
The average temperature during the heating period in the 3m underground part is 2.2 ° C higher than the non-prone layer part.

<c>橿原市(高松塚古墳における30年間の気温変動・保存科学No.44)
農林水産省・気象庁:農業気象資料 第3号 地中温度に関する資料(1972)
中央気象台:累年気候表(日本および極東地域)(1954)
暖房時地中温度
11月2日の地中3mの温度は18.8℃、4月29日では同じく12.8℃で平均15.8℃
橿原市地方年間平均気温は14.4℃、前記式より 地中年間温度は14.2℃
地下3m部分の暖房期間の平均温度は不易層部分より1.6℃高い。
<C> Kashihara City (Thirty Years of Temperature Fluctuation and Conservation Science No. 44 in Takamatsuzuka Tumulus)
Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries / Japan Meteorological Agency: Agricultural Meteorological Data No. 3 Data on Underground Temperature (1972)
Central Meteorological Observatory: Annual Climate Table (Japan and Far East) (1954)
Underground temperature during heating The temperature of the underground 3m on November 2 is 18.8 ° C, and on April 29, it is also 12.8 ° C, with an average of 15.8 ° C.
The average annual temperature in Kashihara City is 14.4 ° C. From the above formula, the annual underground temperature is 14.2 ° C.
The average temperature during the heating period in the 3m underground section is 1.6 ° C higher than the non-prone section.

(3)一方、深さが3mより浅い地表近傍について見ると地上温度の影響を受けやすく暖房期間は3m部分より地中温度が低い傾向である。   (3) On the other hand, when it sees about the ground surface shallower than 3 m, it is easy to be influenced by the ground temperature, and the underground temperature tends to be lower than the 3 m portion during the heating period.

また3mより深いところについて見ると不易層温度に近い傾向にあり3m部分より地中温度は低い傾向である。   Moreover, when it sees about a place deeper than 3 m, it tends to be close to the non-prone layer temperature, and the underground temperature tends to be lower than the 3 m portion.

このことから、地中熱の利用については深さ3mを中心域として、その倍数としての6mまでを地中熱回収のための有効域とすることが考慮される。   For this reason, it is considered that the use of geothermal heat has a depth of 3 m as a central area and a multiple of up to 6 m as an effective area for geothermal heat recovery.

このことを暖房、冷房の観点から整理してみると次のように言える。   This can be said from the viewpoint of heating and cooling as follows.

1)暖房運転
図1に示したように、地下3m地点は夏季の外気温のピークから3か月程度経過した時期に温度がピークを迎える。暖房を運転開始する時期がちょうどこの時期に当るため、地中が一番暖まっている時期に地中熱を使用することになる。暖房運転の期間の中間における地中温度は地中の不易層の年間変わらない温度より1.6〜2.0℃以上高い傾向にある。暖房運転では短い6mの採熱管は不易層以下に入れる長い採熱管より有利である。
1) Heating operation As shown in FIG. 1, the temperature reaches a peak at a point of about 3 months from the peak of the outdoor temperature in summer in the 3m basement. Since the time when the heating operation starts is just this time, the underground heat is used when the underground is warmest. The underground temperature in the middle of the heating operation period tends to be higher by 1.6 to 2.0 ° C. than the annually unchanged temperature of the underground easy layer. In heating operation, a short 6-meter heat collection tube is more advantageous than a long heat collection tube that is placed below the non-prone layer.

2)冷房運転
地下3mの位置は冬季の気温が最低になる時期から4か月ほど遅れて地中温度が一番低くなる。冷房はそれから2か月ほど経過した時期に運転を始めるから、地中が2℃ほど温まった時期に冷房運転を行う。冷房運転を行う期間の中間における地下3mの温度は不易層の温度より2.5℃程度高い傾向にある。地中温度の比較からは冷房運転に6mの採熱管は不易層以下に入れる長い採熱管より不利である。
2) Air-cooling operation The underground temperature is the lowest at 3m underground, about four months after the winter temperature is lowest. Since the cooling operation starts at the time when about two months have passed since then, the cooling operation is performed when the underground is warmed by about 2 ° C. The temperature of the underground 3 m in the middle of the cooling operation period tends to be about 2.5 ° C. higher than the temperature of the non-prone layer. From the comparison of the underground temperature, the 6m heat collecting tube is more disadvantageous for the cooling operation than the long heat collecting tube put below the uneasy layer.

しかし家庭内の暖房と冷房に使用するエネルギー比率20:1と暖房と冷房の期間比が約2:1であること、また給湯にも地中熱を採用することも考慮すべきである。   However, it should be considered that the energy ratio used for heating and cooling in the home is 20: 1, the period ratio of heating and cooling is about 2: 1, and that geothermal heat is also used for hot water supply.

東京地区で暖房に使う地熱温度は平均15.9℃で、床暖房に使用するために作る温水は40℃程度であるから温度差は24℃程度である。冷房時に使用する地熱温度の平均は16.7℃で作る冷水は22℃程度で温度差は5℃程度であるから、冷房時のヒートポンプの仕事量は非常に小さい。地中熱の採熱においては暖房と冷房を比較すると、暖房の採熱を優先して採熱方式を決めるべきである。   The geothermal temperature used for heating in the Tokyo area is 15.9 ° C on average, and warm water made for use in floor heating is about 40 ° C, so the temperature difference is about 24 ° C. The average of the geothermal temperature used at the time of cooling is 16.7 ° C. The cold water produced is about 22 ° C. and the temperature difference is about 5 ° C. Therefore, the work of the heat pump at the time of cooling is very small. When comparing geothermal heat collection with heating and cooling, the heat collection method should be decided with priority given to the heat collection of heating.

以上のように、今まで採熱管は不易層を考慮して地下10mから100mまでに入れることが常識的と言われてきたが、採熱管に短い6mの長さを使用することは採熱量だけでなく住宅の地中熱利用では打ち込みの容易さやコストを考えるとむしろ有利であり、今後身近な技術として6m程度の採熱管を使用して、住宅の温熱環境の省エネ化に貢献させるべきである。
<採熱管とその埋設>
本発明の地中熱の回収利用システムにおいては、採熱管としては、樹脂製であってもよいし、スチール等の金属製あるいはこれらの複合体によって形成されたものであってよい。その形状は直管、曲管、蛇腹状でもよい。
As mentioned above, it has been said that it is common sense that the heat collection tube is placed from 10m to 100m underground considering the uneasy layer, but using a short 6m length for the heat collection tube is only the amount of heat collected. Rather, the use of underground heat in the house is rather advantageous in view of the ease and cost of driving, and it should contribute to energy saving in the thermal environment of the house by using a 6m heat collecting tube as a familiar technology in the future. .
<Heat collection tube and its burial>
In the ground heat recovery and utilization system of the present invention, the heat collection tube may be made of resin, metal such as steel, or a composite of these. The shape may be a straight tube, a curved tube, or a bellows shape.

たとえば、樹脂製の、一般品としてのポリエチレン管等の採熱管ユニットを連結して深さ直下方向にU字状になるように地中埋設することができる。   For example, a heat collecting pipe unit such as a polyethylene pipe made of resin as a general product can be connected and buried in the ground so as to be U-shaped in a direction directly below the depth.

図2は、この採熱管の埋設を、地中への鋼材打込みとして山留めH型鋼3を用いた場合として例示している。採熱管ユニット1は、この例においては直管形状を有し、その下端部において樹脂製のエルボ2を介して連結し、U字状に地中埋設される。採熱管10を構成する採熱管ユニット1については施工現場への搬入、埋設施工等の点からは、より低コストでの入手と施工が可能な直管形状とすることが好ましく考慮されるが、これに限定されることはなく、あらかじめU字状に成形されたものであってもよい。   FIG. 2 exemplifies the burying of the heat collecting tube as a case where the mountain-mounted H-shaped steel 3 is used as a steel material driven into the ground. The heat collecting pipe unit 1 has a straight pipe shape in this example, and is connected to the lower end portion of the heat collecting pipe unit 1 via a resin elbow 2 so as to be buried in a U shape. Regarding the heat collecting tube unit 1 constituting the heat collecting tube 10, from the viewpoint of carrying in to the construction site, embedding construction, etc., it is preferably considered to be a straight tube shape that can be obtained and constructed at a lower cost. It is not limited to this, and may be formed in a U shape in advance.

図2の例では、山留めH型鋼3の打込みにともなうアースドリル地中開口4内への樹脂製の採熱管10を挿入し、次いで掘削残土を埋め戻す。採熱管10は、山留めH型鋼3に寄り添うように地中埋設されることになる。その施工は簡便である。山留めH型鋼3の存在によって施工が容易となるだけでなく、採熱管10の地中強度も補強されることになる。   In the example of FIG. 2, the resin-made heat collecting pipe 10 is inserted into the ground drill underground opening 4 with the driving of the mountain retaining H-shaped steel 3, and then the excavated residual soil is backfilled. The heat collection tube 10 is buried in the ground so as to be close to the mountain-mounted H-shaped steel 3. Its construction is simple. The presence of the mountain retaining H-shaped steel 3 not only facilitates the construction, but also strengthens the underground strength of the heat collecting tube 10.

本発明の地中熱の回収利用システムでは、図3の例のように、鋼材の打込みと組合わせて配置してもよいが、前記のとおりの有効採熱域として深さ6mを目安とすると、補強の観点からの鋼材等は必須ではなく、採熱管10を単独で地中埋設してもよい。採熱管ユニット1やエルボ2に用いる一般の樹脂製部材の強度は、通常、深さ6m、さらに施工上10m未満程度までの地中深さには耐えることができる。このような場合も、掘削した地中開口への採熱管10の挿入と掘削残土の埋め戻しという簡便な施工として埋設が可能とされる。   In the geothermal heat recovery and utilization system of the present invention, as shown in the example of FIG. 3, it may be arranged in combination with the driving of the steel material. However, when the effective heat collection area is as described above, the depth is 6 m. Further, the steel material or the like from the viewpoint of reinforcement is not essential, and the heat collecting pipe 10 may be buried alone in the ground. The strength of a general resin member used for the heat collecting tube unit 1 and the elbow 2 can withstand a depth of 6 m in depth, and an underground depth of less than about 10 m in construction. In such a case as well, embedding can be performed as a simple construction of inserting the heat collecting pipe 10 into the excavated underground opening and backfilling the excavated residual soil.

図3にも示したように、U字形の採熱管10は、そのU字形ユニットが所要数連結されたものとすることができる。採熱管ユニット1の上端部において、下端部のエルボ2Aとは別のエルボ2Bや、さらには樹脂製パイプを介して相互に連結されたものとすることができる。   As shown in FIG. 3, the U-shaped heat collecting tube 10 can be formed by connecting a required number of U-shaped units. The upper end portion of the heat collecting tube unit 1 may be connected to each other via an elbow 2B different from the elbow 2A at the lower end portion, or via a resin pipe.

ここで、図3に示した採熱管の地表からの埋設深さHについては、前記のとおり、有効採熱域を深さ6mを目安とすることから、6m前後とすることが好適に考慮される。ただ、地中熱伝導を左右する含水率や土質、あるいは施工現場の地中状況、本発明システムの全体の規模等の観点から、10m未満程度まで深くすること、あるいは4m程度まで短くすることも適宜に考慮される。   Here, about the embedment depth H from the ground surface of the heat collection tube shown in FIG. 3, as described above, the effective heat collection area is set to a depth of 6 m. The However, from the viewpoint of moisture content and soil quality that influence underground heat conduction, underground conditions at the construction site, overall scale of the system of the present invention, etc., it may be deepened to less than 10 m or shortened to about 4 m. Considered accordingly.

複数のU字状ユニットが連結される採熱管10においての全長や、図3に示したU字形を構成する採熱管での幅W1、そしてU字形ユニットの隣接幅W2 については、管径や内部に流通させる液媒体の種類と流速、さらには、地中での熱拡散や回収の効率等も考慮して、回収された地中熱の利用目的や規模に応じて必要とされる熱量、利用効率から設計、施工されることになる。   Regarding the overall length of the heat collection tube 10 to which a plurality of U-shaped units are connected, the width W1 of the heat collection tube constituting the U-shape shown in FIG. 3, and the adjacent width W2 of the U-shaped unit, In consideration of the type and flow rate of the liquid medium to be circulated, and the efficiency of heat diffusion and recovery in the ground, the amount of heat required for the purpose and scale of the recovered underground heat It is designed and constructed from efficiency.

図2および図3に示したエルボ2、2A、2Bと樹脂製の採熱管ユニット1との連結を行う場合には、通常の接着、あるいは電気加熱等による溶着、もしくは連結のための止着具等の周知の各種手段を用いることができる。採熱管ユニット1相互の連結の場合も同様である。電気溶着の場合には現場処理が可能であって、簡便で、かつ密着性も良好であることから好適なものとして考慮される。   When the elbows 2, 2A and 2B shown in FIGS. 2 and 3 are connected to the heat collecting tube unit 1 made of resin, welding by normal bonding or electric heating, or a fastener for connection Various known means such as these can be used. The same applies to the connection of the heat collecting tube units 1. In the case of electrowelding, on-site processing is possible, and it is considered convenient because it is simple and has good adhesion.

熱伝導を良好にするとの観点からは、採熱管10の流路には適宜な箇所に液媒体の流れを乱流にするためのじゃま板部やスパイラル部、あるいは羽根部等の流形調整部を設けることも有効性のあるものとして考慮される。   From the viewpoint of improving heat conduction, a flow shape adjusting unit such as a baffle plate portion, a spiral portion, or a blade portion for making the flow of the liquid medium turbulent in an appropriate place in the flow path of the heat collecting tube 10 It is also considered to be effective.

そしてまた、本発明の地中熱の回収利用システムについては、深さ6mまでを有効採熱域としていることにおいて、採熱管10の配置周囲の土中に散水することが有効であることも注目される。散水としての雨水の利用も考慮されてよく、適宜な散水部の設置がなされてよい。   In addition, regarding the ground heat recovery and utilization system of the present invention, it is also noted that it is effective to sprinkle the soil around the arrangement of the heat collecting pipe 10 in an effective heat collecting area up to a depth of 6 m. Is done. Use of rainwater as watering may be considered, and an appropriate watering part may be installed.

土の熱伝導率は含水率によって変化するからである。通常の土の地中での体積含水率は約16%程度であるが、これが散水によって25%程度まで上げられる。すると、この含水率の上昇にともなって、熱伝導率は20%程度向上させることができるからである。地中熱の回収効率はこれによって大幅に向上することになる。   This is because the thermal conductivity of the soil changes depending on the moisture content. The volumetric water content in normal soil is about 16%, which is raised to about 25% by watering. Then, as the moisture content increases, the thermal conductivity can be improved by about 20%. This will greatly improve the recovery efficiency of geothermal heat.

以上のような地中熱利用のシステムとしては冷暖房、あるいは給湯、冷水等としての様々な利用が可能とされるが、たとえば図3に例示したように、採熱管10内を伝熱媒体としての水や不凍液等の液媒体5を循環させるとともに、ポンプ6により冷暖房、給湯等として液媒体5を介して地中熱を外部利用7することができる。また液媒体5は、タンク8に貯留しておき、前記循環と組合わせることもできる。タンク8には、液媒体の外部からの新たな供給と外部への排出のための交換システムも適宜に採用される。なお、液媒体としては水や不凍液、さらには、管内へのスケール付着等を防止する成分を混合した調整水等の各種であってよい。   The geothermal heat utilization system as described above can be used for various purposes such as air conditioning, hot water supply, cold water, etc. As shown in FIG. 3, for example, the inside of the heat collecting pipe 10 is used as a heat transfer medium. While circulating the liquid medium 5 such as water or antifreeze, the ground heat can be externally utilized 7 through the liquid medium 5 for cooling and heating, hot water supply or the like by the pump 6. The liquid medium 5 can be stored in the tank 8 and combined with the circulation. In the tank 8, a replacement system for newly supplying and discharging the liquid medium from the outside is also appropriately adopted. The liquid medium may be various types such as water and antifreeze liquid, and adjusted water mixed with a component that prevents the scale from adhering to the inside of the tube.

もとろん液媒体の種類については、採熱管循環のためのものと、ポンプやタンク利用にともなう熱交換による循環利用のためのもの等を別としてもよい。   Of course, the type of the liquid medium may be different from the one for circulating the heat collecting pipe and the one for circulating use by heat exchange accompanying the use of a pump or a tank.

ポンプ6については、地中熱を回収した液媒体の液温をその利用の目的、用途にあわせて温度調整するためのヒートポンプ機能を有するものとしてもよい。また、ポンプ6には、その機能として、あるいは別体として混合バルブを配置し、循環する液媒体5と、タンク8からの液媒体とのミキシングによって所要の外部利用温度に調整できるようにしてもよい。タンク8は、蓄熱槽としての機能を有するものとすることができる。
<回収利用システムの例>
本発明の地中熱の回収利用システムは、その回収利用のための集中ステーションとして配置し、広く公共利用できるようにしてもよいし、個別の住宅、工場、事業所等向けに配置してもよい。住宅等の建物に付設する省エネルギーシステムとして、地下室構築と組合わせることも考慮される。この地下室の構築については、コンクリートRC造の場合にも組合わせ利用できるが、本出願人が開発して数多くの施工実績を有している、いわゆる鋼製地下室構造との組合わせが積極的に考慮される。この地下室構造においては、H型鋼の打込みによる土留めと、これに続く外面に鉄板を貼った鉄骨パネルの構造躯体を採用し、従来のRC造地下室に比べて、はるかに防水、防湿性に優れ、しかも施工性をも向上させていることを大きな特徴としている。
The pump 6 may have a heat pump function for adjusting the liquid temperature of the liquid medium from which the underground heat has been recovered in accordance with the purpose and use of the liquid medium. Further, the pump 6 may be provided with a mixing valve as a function thereof or as a separate body so that it can be adjusted to a required external use temperature by mixing the circulating liquid medium 5 and the liquid medium from the tank 8. Good. The tank 8 can have a function as a heat storage tank.
<Example of collection and utilization system>
The geothermal heat recovery and use system of the present invention may be arranged as a central station for its recovery and use and may be widely used for public use, or may be arranged for individual houses, factories, offices, etc. Good. As an energy saving system attached to a building such as a house, it is also considered to combine it with the basement construction. The construction of this basement can be used in combination with concrete RC construction, but the combination with the so-called steel basement structure, which has been developed by the applicant and has many construction results, is positive. Be considered. This basement structure employs a steel frame structure frame with steel retaining on the outer surface, and a steel frame with a steel plate on the outer surface, which is far more waterproof and moisture-proof than conventional RC basements. In addition, the main feature is that the workability is improved.

この鋼製地下室においては、前記の土留め用に打込まれるH型鋼の配置にともなって、たとえば図1のように配置してもよいし、あるいは、前記の鉄骨パネルの鉄骨材に沿って配置されるようにしてもよい。   In this steel basement, it may be arranged as shown in FIG. 1, for example, according to the arrangement of the H-shaped steel driven for the earth retaining, or arranged along the steel frame of the steel panel. You may be made to do.

たとえば図4および図5は、土留のH型鋼3の打込みにともなって、U字状の採熱管10を配置した場合の鋼製地下室構造と、地中熱を住宅床における放射冷暖房に利用したシステムの例を示している。   For example, FIGS. 4 and 5 show a steel basement structure in which a U-shaped heat collecting tube 10 is arranged in accordance with the implantation of the H-shaped steel 3 of the earth retaining, and a system in which underground heat is used for radiant cooling and heating on a residential floor. An example is shown.

採熱管10より液媒体5に回収された地中熱は、ヒートポンプ60によって所定の温度に設定され、また、蓄熱槽80に連結され、循環ポンプ6並びに循環パイプ11を通じて床70での放射冷暖房を実現する。ここで蓄熱槽80は地下室構造の一部として一体化されることで、施工も簡便かつ容易となる。   The underground heat recovered in the liquid medium 5 from the heat collecting pipe 10 is set to a predetermined temperature by the heat pump 60 and is connected to the heat storage tank 80, and the radiant cooling and heating on the floor 70 is performed through the circulation pump 6 and the circulation pipe 11. Realize. Here, the heat storage tank 80 is integrated as a part of the basement structure, so that the construction is also simple and easy.

地中熱は、液媒体の循環によって直接冷暖房に使用してもよいが、いったん液媒体として地中熱を回収した冷温水を地下の蓄熱槽(水槽)に貯蔵し、これを循環してもよい。後者においては深夜に貯えた冷温水に対して深夜電力を利用して加温、もしくは冷却して、より電気代を低減させての冷暖房が可能ともなる。試算によればトータルとして30%以上の電気代の削減が可能となる。   The geothermal heat may be used directly for cooling and heating by circulation of the liquid medium, but once the geothermal heat is recovered as a liquid medium, the cold / warm water is stored in an underground heat storage tank (water tank) and can be circulated. Good. In the latter case, it is possible to heat or cool the cold / hot water stored in the middle of the night by using late-night power to further reduce the electricity cost. According to the trial calculation, it is possible to reduce the electricity bill by 30% or more in total.

1 採熱管ユニット
2 エルボ
2A 下端部エルボ
2B 上端部エルボ
3 H型鋼
4 アースドリル地中開口
5 液媒体
6 ポンプ
7 外部利用
8 タンク
9 外部交換システム
10 採熱管
11 循環パイプ
60 ヒートポンプ
70 床
80 蓄熱槽
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat collection pipe unit 2 Elbow 2A Lower end elbow 2B Upper end elbow 3 H type steel 4 Earth drill underground opening 5 Liquid medium 6 Pump 7 External use 8 Tank 9 External exchange system 10 Heat collection pipe 11 Circulation pipe 60 Heat pump 70 Floor 80 Thermal storage tank

Claims (15)

地中深さ6mまでを有効採熱域とし、掘削した地中開口への挿入と掘削残土の埋め戻しによって地中埋設される採熱管による地中熱の回収利用システムであって、採熱管ユニットが連結されてU字状に地中埋設されることで前記採熱管が配置されるとともに、採熱管には液媒体が流通されて地中熱の回収が行われ地中熱の利用が可能とされることを特徴とする地中熱の回収利用システム。   An effective heat collection area with a depth of up to 6m in the ground, and a heat collection pipe unit that collects ground heat by using a heat collection pipe that is buried underground by insertion into the excavated underground opening and backfilling of excavated soil. Are connected and embedded in the U shape in the ground, the heat collecting pipe is arranged, and the liquid medium is circulated in the heat collecting pipe so that the ground heat can be recovered and the use of the ground heat can be performed. A system for recovering and using geothermal heat. 採熱管ユニットは、樹脂製、金属製またはその複合体により形成されており、直管状、曲管状、もしくは蛇腹状であることを特徴とする請求項1に記載の地中熱の回収利用システム。   2. The ground heat recovery and utilization system according to claim 1, wherein the heat collection tube unit is made of resin, metal, or a composite thereof, and has a straight tube shape, a curved tube shape, or a bellows shape. 鋼材の打込みにともなうアースドリル地中開口への挿入と掘削残土埋め戻しによって、鋼材に寄り添って採熱管が地中埋設されて配置されることを特徴とする請求項1に記載の地中熱の回収利用システム。   The ground heat pipe according to claim 1, wherein the heat collecting pipe is buried in the ground and placed close to the steel material by insertion into the ground drill underground opening and backfilling of the excavated residual soil when the steel material is driven. Collection and utilization system. 地下室構築のための鋼材の打込みであることを特徴とする請求項3に記載の地中熱の回収利用システム。   The system for recovering and using geothermal heat according to claim 3, wherein the steel material is driven for construction of a basement. 採熱管ユニットは、エルボにより連結されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の地中熱の回収利用システム。   The heat collection pipe unit according to any one of claims 1 to 4, wherein the heat collection pipe units are connected by an elbow. 採熱管中には液媒体の流れを乱流にする流形調整部が設けられていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の地中熱の回収利用システム。   The geothermal heat recovery and utilization system according to any one of claims 1 to 5, wherein a flow shape adjusting unit for turbulent flow of the liquid medium is provided in the heat collecting tube. 採熱管の地中埋設域もしくはその周囲には地中熱伝導率上昇のための散水が行われる散水部が配置されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の地中熱の回収利用システム。   The underground water according to any one of claims 1 to 6, wherein a water sprinkling part for spraying water for increasing underground heat conductivity is arranged in or around the underground buried area of the heat collecting pipe. Heat recovery and utilization system. 採熱管は、建物への循環パイプシステムに連結され、液媒体の供給利用が行われることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の地中熱の回収利用システム。   The heat collection pipe is connected to a circulation pipe system to a building, and the supply and use of a liquid medium is performed. The ground heat recovery and use system according to any one of claims 1 to 7, 住宅の床下に配設した循環パイプシステムによって床放射冷暖房が行われることを特徴とする請求項8に記載の地中熱の回収利用システム。   The ground heat recovery and utilization system according to claim 8, wherein floor radiant cooling and heating are performed by a circulation pipe system disposed under a floor of a house. 採熱管はヒートポンプに連結され、ヒートポンプによって液媒体の供給利用のための温度調整が行われることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の地中熱の回収利用システム。   The ground heat recovery and use system according to any one of claims 1 to 9, wherein the heat collection pipe is connected to a heat pump, and temperature adjustment for supply and use of the liquid medium is performed by the heat pump. 採熱管は液媒体の蓄熱槽と連結され、混合バルブによって蓄熱槽からの液媒体の供給利用のための温度調整が行われることを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の地中熱の回収利用システム。   The underground pipe according to any one of claims 1 to 10, wherein the heat collection pipe is connected to a heat storage tank for the liquid medium, and temperature adjustment for supplying and using the liquid medium from the heat storage tank is performed by a mixing valve. Heat recovery and utilization system. 採熱管は液媒体の蓄熱槽とともにヒートポンプに連結され、採熱管と蓄熱槽の少くとも一方からの液媒体はヒートポンプによって供給利用のための温度調整が行われることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の地中熱の回収利用システム。   12. The heat collecting tube is connected to a heat pump together with a liquid medium heat storage tank, and the temperature of the liquid medium from at least one of the heat collecting tube and the heat storage tank is adjusted for supply and use by the heat pump. The geothermal heat recovery and use system as described in any of the above. 液媒体の蓄熱槽は、地下室構築にともなう地下構造の一部として一体配置されていることを特徴とする請求項11または12に記載の地中熱の回収利用システム。   The geothermal heat recovery and utilization system according to claim 11 or 12, wherein the liquid medium heat storage tank is integrally arranged as part of an underground structure associated with the construction of the basement. 採熱管は地下室構築にともなう外壁の周囲または近傍に配置されていることを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の地中熱の回収利用システム。   The heat collection pipe according to any one of claims 1 to 13, wherein the heat collection pipe is disposed around or in the vicinity of the outer wall associated with the basement construction. 請求項1から14のいずれかに記載のシステムが採用されていることを特徴とする地下室構造。   A basement structure in which the system according to any one of claims 1 to 14 is adopted.
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