JP2011179693A

JP2011179693A - 地中熱利用システム

Info

Publication number: JP2011179693A
Application number: JP2010041500A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Onuma; 和弘大沼
Original assignee: Hazama Gumi Ltd; Hazama Corp
Current assignee: Hazama Ando Corp
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: JP5731127B2

Abstract

【課題】ボーリング孔の周辺地盤の地下水を上昇させ、周辺地盤を水飽和状態とし、また、ボーリング孔の周辺地盤の地下水を流動させて、地中での熱交換効率を高める。
【解決手段】この地中熱利用システムＳでは、Ｕ字形の密閉配管１を有する採熱装置２とともに地下水揚水管３及び地下水環水管４をボーリング孔Ｂに設置し、充填材６により固定して、Ｕ字形の密閉配管１内の熱媒体の循環とともに、地上のポンプ５により地下水揚水管３から地下水を揚水し、地下水環水管４を通じて環水して、ボーリング孔Ｂ内に充填材６を通して地下水を循環させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中の熱を熱源として利用する地中熱利用システムに関し、特に、採熱効率に優れた地中熱利用システムに関する。

近年、地中の熱を熱源として、地中に採熱装置として設置した配管内に水やエチルグリコールなどの不凍液を循環させて、地中から熱を取り出したり、地中に熱を放出したりする地中熱利用システムが、優れた経済性（電力消費の抑制）、地球環境保護（化石燃料消費を減らしてＣＯ₂発生量の削減）などの観点から注目されている。

図２に一般に知られている地中熱利用システムの概要を示している。図２に示すように、採熱装置２には、ポリエチレン管などからなるＵ字形の密閉配管１が用いられ、この密閉配管１が長さ８０−１００ｍ程度の坑（ボーリング孔）に挿入され、坑に充填材６が充填されて固められる。このようにしてＵ字形の密閉配管１内に熱媒体（水やエチルグリコールなどの不凍液）が循環され、地中の熱を温熱源として利用する場合は、そこから熱エネルギーを取り出して、暖房設備や融雪設備などの熱利用装置に温熱を供給し、地中の熱を冷熱源として利用する場合は、そこに熱を放出して、冷房設備などの熱利用装置に冷熱を供給するようになっている。

この種の地中熱利用システムが例えば特許文献１に開示されている。この文献１のシステムは、図３に示すように、地中Ｇに埋設された地下水流動筒１０と、地下水流動筒１０の上部を覆うように配設された外筒１３と、地中Ｇの地下水ｗが保有する熱を利用する熱利用機器としての熱交換器２０と、地下水ｗ（第１の領域Ｇ１の地下水ｗ１）を熱交換器２０に導入する地下水揚水管２５、及び熱交換器２０において熱が利用された地下水ｗ（ｗ２）を地下水流動筒１０（第２の領域Ｇ２）に導出する地下水還水管２６と、熱利用設備としてのヒートポンプチラー３０と、ヒートポンプチラー３０で利用される熱の媒体である熱媒体ｕを流す熱媒体管３３とを備え、地下水流動筒１０において、地下水の流れを作り出すことによって、有効に利用できる地中の熱を継続して採取できるようになっている。

特開２００８−２９２０３０公報

ところで、このような地中熱利用システムでは、地中での熱交換効率が坑の周辺地盤の有効熱伝達率に支配されるため、坑の周辺地盤が水不飽和である場合や水飽和であっても地下水の流動がなければ、熱交換効率は低くなる（その結果、ボーリング長さを長くする必要がある。）。また、同じ坑の周辺地盤でも、地下水面以上のところと地下水面以下のところとでは地下水の流動の有無により熱交換効率が大きく異なってくる。
また、特許文献１のシステムは、地下水流動筒内に地下水揚水管及び地下水環水管を設置して、地下水からの採熱を行う装置で、地下水流動筒内で地下水を循環させることにより、地下水流動筒内における熱交換効率の向上を企図するものであるが、周辺地盤が水不飽和である場合や水飽和であっても地下水の流動がない場合の発生効果は不明である。

本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、この種の地中熱利用システムにおいて、特に、坑の周辺地盤の地下水を上昇させ、周辺地盤を水飽和状態とし、また、坑の周辺地盤の地下水を流動させて、地中での熱交換効率を高めること、を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の地中熱利用システムは、配管を有する採熱装置を備え、前記採熱装置が地中に掘削された坑内に配設され、前記坑内に充填材が充填されて固定される型式の地中熱利用システムにおいて、前記坑内に設置され、地下水を揚水するための地下水揚水管と、前記坑内に設置され、環水口を坑口付近に配置されて、前記坑内に地下水を環水するための地下水環水管と、前記地下水揚水管と前記地下水環水管との間に接続され、地下水を吸引吐出するポンプとを備え、前記坑内に前記充填材を通して地下水を循環させる、ことを要旨とする。

また、この地中熱利用システムは各部が次のように具体化されることが好ましい。
（１）地下水揚水管の揚水口は複数の小孔により形成され、充填材を通さないフィルタ材で被覆される。
（２）地下水環水管の環水口は複数の小孔により形成され、充填材を通さないフィルタ材で被覆される。
（３）充填材に不透水性の材料又は透水係数の小さい材料を含み、前記不透水性の材料又は前記透水係数の小さい材料が坑口に充填される。
（４）充填材に不透水性の材料又は透水係数の小さい材料を含み、前記不透水性の材料又は前記透水係数の小さい材料が坑内の地下水位レベル付近に充填される。

本発明の地中熱利用システムによれば、上記の構成により、坑の周辺地盤の地下水を上昇させて、周辺地盤を水飽和状態とし、また、坑の周辺地盤の地下水を流動させて、地中での熱交換効率を高めることができる、という格別な効果を奏する。

本発明の一実施の形態における地中熱利用システムを示す一部断面正面図一般に知られている地中熱利用システムの概要を示す一部断面正面図従来の地中熱利用システムを示す模式的系統図

次に、この発明を実施するための形態について図を用いて説明する。図１に地中熱利用システムを示している。図１に示すように、この地中熱利用システムＳは、配管１を有する採熱装置２を備え、この採熱装置２が地中に掘削された坑内に配設され、坑内に充填材６が充填されて固定される型式になっている。
この場合、採熱装置２の配管１にポリエチレン管などからなるＵ字形の密閉配管が使用され、この密閉配管１がボーリング孔Ｂに挿入される。そして、ボーリング孔Ｂに砂などの充填材６が充填される。このようにしてＵ字形の密閉配管１内に熱媒体（水やエチルグリコールなどの不凍液）が循環される。

また、この地中熱利用システムＳでは、坑内の地下水を揚水するための地下水揚水管３と、坑内に地下水を環水するための地下水環水管４と、これら地下水揚水管３と地下水環水管４との間に接続され、地下水を吸引吐出する循環ポンプ５とを備え、Ｕ字形の密閉配管１とともに坑内に配設される。
この場合、地下水揚水管３にポリエチレン管などが使用される。この揚水管３はボーリング孔Ｂの底Ｂ１付近に到達可能な長さを有し、下端数メートル程度の長さに揚水口３００として有孔区間が設けられる。この有孔区間には複数の小孔が形成され、この有孔区間にさらにボーリング孔Ｂ内の充填材を通さない不織布などのフィルタ材３０１が被覆されて、揚水口３００（小孔）の目詰まりの防止が施される。この地下水揚水管３はボーリング孔ＢにＵ字形の密閉配管１の片側一方に沿って設置され、下端の揚水口３００がボーリング孔Ｂの底Ｂ１付近に配置され、上端側は所定の長さで地上に取り出される。地下水環水管４にポリエチレン管などが使用される。この環水管４はボーリング孔Ｂの孔口Ｂ２の下方所定の位置に到達可能な長さを有し、下端数メートル程度の長さに環水口４００として有孔区間が設けられる。この有孔区間には複数の小孔が形成され、この有孔区間にさらにボーリング孔Ｂ内の充填材を通さない不織布などのフィルタ材４０１が被覆されて、環水口４００（小孔）の目詰まりの防止が施される。この地下水環水管４はボーリング孔ＢにＵ字形の密閉配管１の片側他方に沿って設置され、下端の環水口４００がボーリング孔Ｂ内の孔口Ｂ２付近（地表付近）に配置され、上端側は所定の長さで地上に取り出される。そして、循環ポンプ５が地上に設置され、循環ポンプ５の吸引口側に地下水揚水管３の上端の口が接続され、循環ポンプ５の吐出口側に地下水環水管４の上端の口が接続される。このように地下水揚水管３と地下水環水管４が採熱装置２とともにボーリング孔Ｂ内に配設されて、このボーリング孔Ｂに充填材６が詰められる。

この地中熱利用システムＳでは、充填材６に、砂などの透水性を有する材料６０１と、土質材料（粘性土）などの不透水性を有する材料又は透水係数が小さい材料６０２が使用される。
この充填材６の施工では、ボーリング孔Ｂに充填材６を詰めた後の充填部Ｂ６において地下水位の上昇、地下水の流動を促進するために、まず、ボーリング孔Ｂの底Ｂ１から孔口Ｂ２付近の所定の高さまで砂などの透水性を有する材料６０１を充填し、そして、地表からの雨水の浸透を防ぎ、またボーリング孔Ｂ内に充填した砂などの透水性の材料６０１の沈下に追随するために、孔口Ｂ２に土質材料などの不透水性の材料又は透水係数の小さい材料６０２を充填するのを基本とし、この透水性の材料６０１の充填部Ｂ６１において地下水の流れが特に大きい場合（循環流量が特に大きい場合）は、ボーリング時に測定される地下水面Ｗ１付近に土質材料などの不透水性の材料又は透水係数の小さい材料６０２を所定の高さまで充填する。
したがって、このシステムＳでは、ボーリング孔Ｂに充填材６が、ボーリング孔Ｂの底Ｂ１から孔口Ｂ２付近の所定の高さまでが砂などの透水性の材料６０１の層、孔口Ｂ２が土質材料などの不透水性の材料又は透水係数の小さい材料６０２の層の２層構造に充填される場合と、ボーリング孔Ｂの底Ｂ１から地下水位（地下水面Ｗ１）当たりまでが砂などの透水性の材料６０１の層、この地下水位の当たりから上方所定の高さまで、すなわち透水性の材料６０１の上、所定の高さまでが土質材料などの不透水性の材料又は透水係数の小さい材料６０２の層、この不透水性の材料又は透水係数の小さい材料６０２の上、孔口Ｂ２付近の所定の高さまでが砂などの透水性の材料６０１の層、孔口Ｂ２が土質材料などの不透水性の材料又は透水係数の小さい材料６０２の層の多層構造に充填される場合がある。なお、図１には後者の構造を例示している。

このようにこのシステムＳでは、採熱装置２とともに地下水揚水管３及び地下水環水管４が地中に設置され、Ｕ字形の密閉配管１内の熱媒体の循環とともに、地上のポンプ５が駆動されて、地下水揚水管３から地下水が吸い上げられ、この地下水が地下水環水管４を通して環水される。
ボーリング孔Ｂ内の充填材６が２層構造の場合、ボーリング孔Ｂ内の充填材充填部Ｂ６の底（Ｂ１）付近に配置された地下水揚水管３の揚水口３００から地下水が吸い上げられて地下水揚水管３に導入され、この地下水は地下水揚水管３から地下水環水管４に導出されて、ボーリング孔Ｂ内の充填材充填部Ｂ６の孔口（Ｂ２）付近に配置された地下水環水管４の環水口４００から注水され、この地下水がボーリング孔Ｂ内の充填材充填部Ｂ６、さらにその周辺の地盤を通じて循環される。この地下水の循環により、ボーリング孔Ｂの周辺地盤の地下水が上昇して、周辺地盤は水飽和状態となり、また、ボーリング孔Ｂの周辺地盤の地下水が適宜流動して、周辺地盤の有効熱伝達率が高められる。
例えば、長さ１００メートルのボーリングにおいて、地下水位がＧＬ−２０メートルの位置にある場合、砂地盤の見かけ熱伝導率（Ｒａ）は次のとおりとなる。
（Ｒａ）＝（１．５３×８０＋１．１９×２０）／１００＝１．４６［Ｗ／ｍ・Ｋ］
そして、このシステムＳを導入した場合、不飽和区間（２０メートル）の水位状況が見込まれ、砂地盤の見かけ熱伝導率（Ｒｂ）は次のようになる。
（Ｒｂ）＝１．５３×１００／１００＝１．５３［Ｗ／ｍ・Ｋ］
以上から、Ｒｂ／Ｒａ＝１．５３／１．４６＝１．０５
よって、従来の採熱量より５パーセントの向上が見込まれることが分かる。
また、ボーリング孔Ｂ内の充填材６が多層構造の場合、地下水面Ｗ１付近に土質材料などの不透水性の材料又は透水係数の小さい材料６０２の層が介在されるので、充填材充填部Ｂ６が２層構造では、ボーリング孔Ｂの周辺地盤の地下水の上昇や地下水の流れが期待できないような場合でも、周辺地盤の地下水が上昇して、周辺地盤が水飽和状態となり、また、周辺地盤の地下水が適宜流動して、周辺地盤の有効熱伝達率が高められる。
このシステムＳの地下水の循環作用により、採熱装置２の採熱量は向上し、これにより、ボーリング長を短縮し、コストの低減を図ることが可能となる。

以上説明したように、この地中熱利用システムＳでは、Ｕ字形の密閉配管１を有する採熱装置２とともに地下水揚水管３及び地下水環水管４をボーリング孔Ｂに設置し、充填材６により固定して、Ｕ字形の密閉配管１内の熱媒体の循環とともに、地上のポンプ５により地下水揚水管３から地下水を揚水し、地下水環水口４を通じて環水して、ボーリング孔Ｂ内に充填材６を通して地下水を循環させるようにしたので、ボーリング孔Ｂの周辺地盤の地下水を上昇させて、周辺地盤を水飽和状態とし、また、ボーリング孔Ｂの周辺地盤の地下水を流動させて、地中での熱交換効率を高めることができる。

また、この地中熱利用システムＳでは、さらに次のような効果を奏する。
（１）地下水揚水管３の揚水口３００及び地下水環水管４の環水口４００を複数の小孔により形成し、この揚水口３００及び環水口４００をボーリング孔Ｂ内の充填材６を通さない不織布などのフィルタ材３０１、４０１で被覆したので、これら揚水口３００及び環水口４００の小孔を充填材６で目詰まりするのを防止することができ、このシステムＳを確実かつ円滑に動作させることができる。
（２）ボーリング孔Ｂの孔口Ｂ２に土質材料などの不透水性の材料又は透水係数の小さい材料６０２を充填するので、ボーリング孔Ｂ内に地表からの雨水の浸透を防ぎ、またボーリング孔Ｂ内に充填した砂などの透水性の材料６０１の沈下に追随させることができる。
（３）ボーリング孔Ｂに充填材６を充填する場合に、地下水位の上昇、地下水の流動を促進するために、ボーリング孔Ｂの底Ｂ１から孔口Ｂ２付近の所定の高さまで砂などの透水性を有する材料６０１を充填し、地表からの雨水の浸透を防ぎ、またボーリング孔Ｂ内に充填した砂などの透水性の材料６０１の沈下に追随するために、孔口Ｂ２に土質材料などの不透水性の材料又は透水係数の小さい材料６０２を充填する２層構造を基本とし、この透水性の材料６０１の充填部Ｂ６１において地下水の流れが特に大きい場合に、地下水面Ｗ１付近に土質材料などの不透水性の材料又は透水係数の小さい材料６０２を充填するようにしたので、充填材６の２層構造では、ボーリング孔Ｂの周辺地盤の地下水の上昇や地下水の流れが期待できないような場合でも、周辺地盤の地下水を上昇させて、周辺地盤を水飽和状態とし、また、周辺地盤の地下水を適宜流動させて、周辺地盤の有効熱伝達率を高くすることができる。

Ｓ地中熱利用システム
１配管（Ｕ字形の密閉配管）
２採熱装置
３地下水揚水管
３００揚水口
３０１フィルタ材
４地下水環水管
４００環水口
４０１フィルタ材
５ポンプ
６充填材
６０１透水性を有する材料
６０２不透水性を有する材料又は透水係数が小さい材料
Ｂボーリング孔
Ｂ１底
Ｂ２孔口
Ｂ６充填材充填部
Ｂ６１透水性の材料の充填部
Ｗ１地下水面

Claims

配管を有する採熱装置を備え、前記採熱装置が地中に掘削された坑内に配設され、前記坑内に充填材が充填されて固定される型式の地中熱利用システムにおいて、
前記坑内に設置され、地下水を揚水するための地下水揚水管と、
前記坑内に設置され、環水口を坑口付近に配置されて、前記坑内に地下水を環水するための地下水環水管と、
前記地下水揚水管と前記地下水環水管との間に接続され、地下水を吸引吐出するポンプとを備え、
前記坑内に前記充填材を通して地下水を循環させる、
ことを特徴とする地中熱利用システム。
地下水揚水管の揚水口は複数の小孔により形成され、充填材を通さないフィルタ材で被覆される請求項１に記載の地中熱利用システム。
地下水環水管の環水口は複数の小孔により形成され、充填材を通さないフィルタ材で被覆される請求項１又は２に記載の地中熱利用システム。
充填材に不透水性の材料又は透水係数の小さい材料を含み、前記不透水性の材料又は透水係数の小さい材料が坑口に充填される請求項１乃至３のいずれかに記載の地中熱利用システム。
充填材に不透水性の材料又は透水係数の小さい材料を含み、前記不透水性の材料又は透水係数の小さい材料が坑内の地下水位レベル付近に充填される請求項１乃至４のいずれかに記載の地中熱利用システム。