JP2011226755A - 地下水利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】地下水を効率的かつ有効に利用可能なシステムを提供する。
【解決手段】地下水を汲み上げるための揚水井１と、地下水の保有熱エネルギーを利用して冷暖房を行う冷暖房設備３と、冷暖房設備により利用した後の地下水を地中に還元するための注水井４と、利用前および／または利用後の地下水を処理して注水井の目詰まりを防止する目詰まり防止装置８とを有する。冷暖房設備は、地下水を熱源とする水熱源ヒートポンプによるヒートポンプ冷暖房システム３Ａや、地下水を冷水として直接利用する放射冷房システム３Ｂが好適である。注水井より汲み上げた地下水の一部を洗浄水等の雑用水として利用するための中水給水システム９を備える。目詰まり防止装置は懸濁物質を沈殿により除去する一次処理装置８Ａと濾過膜により除去する高度処理装置８Ｂとにより構成し、重金属イオン処理装置や有機物処理装置、脱気装置を付加しても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は地下水を利用して冷暖房を行うシステムに関する。

周知のように、地中熱エネルギーを利用して冷暖房を行うシステムとしては、
（Ａ）坑井（ボアホール）内にＵチューブ等の熱交換器を設置して坑井内に不凍液などを循環させることによって地盤との熱交換によりヒートポンプを駆動するもの、
（Ｂ）上記の坑井に代えて鋼管杭や場所打ち杭等の中空の基礎杭を利用して（Ａ）と同様に熱交換を行うもの、
（Ｃ）地下水を汲み上げて冷却水および熱源水として利用してヒートポンプを駆動するもの、
が周知である。
特に、（Ｃ）については多くの発明があり、たとえば特許文献１に示されるように利用後の地下水を地中に還元する地下水循環型のシステムの提案がある。

特開２００７−３０３６９５号公報

しかし、上記（Ａ）〜（Ｃ）の各システムはいずれも以下のような問題があり、いずれも広く一般に普及するに至っていない。
（Ａ）坑井内で熱交換効率が必ずしも高くないことから大規模システムでは多数の坑井を掘削する必要があり、そのために多大なコストを要して経済性の点で現実的ではない場合が多い。
（Ｂ）基礎杭を坑井として利用する点で合理的であるが、所要本数の基礎杭を確保し得ること、および基礎杭内での効率的な熱交換を保証し得ることが前提であり、そのような条件をクリアし得る場合に限定される。
（Ｃ）地下水を汲み上げて直接利用するので（Ａ）、（Ｂ）に比べて効率的であり、揚水井の所要本数は少なくて済むが、地下水揚水による地盤沈下が生じる懸念がある場合には揚水量が制限されるし、立地条件によっては適用できない。

また、地盤沈下を防止するうえでは特許文献１に示されるような地下水循環型のシステムが有利ではあるが、利用後の地下水を地中に還元することは必ずしも容易ではなく、通常は注水井が早期に目詰まりを起こしてしまうので定期的に逆洗作業が必要であるし、頻繁に逆洗を繰り返しても注水井の周辺の地層に目詰まりが生じてしまっていずれは注水効率が低下することが不可避であり、システム全体としての長期的な安定性や信頼性が十分ではない。

上記事情に鑑み、本発明は上記従来の各システムの問題点を解決し得て地下水を効率的にかつ有効に利用可能なシステムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明の地下水利用システムは、地中より地下水を汲み上げるための揚水井と、前記揚水井から汲み上げた地下水の保有熱エネルギーを利用して冷暖房を行う冷暖房設備と、前記冷暖房設備により利用した後の地下水を地中に還元するための注水井と、利用前および／または利用後の地下水を処理して前記注水井およびその周辺の地層の目詰まりを防止する目詰まり防止装置とを有することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の地下水利用システムであって、前記冷暖房設備は、地下水を熱源とする水熱源ヒートポンプによるヒートポンプ冷暖房システムを有することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の地下水利用システムであって、前記冷暖房設備は、地下水を冷水として直接利用する放射冷房システムを有することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の地下水利用システムであって、前記注水井より汲み上げた地下水の一部を洗浄水や雑用水として利用するための中水給水システムを有することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の地下水利用システムであって、前記目詰まり防止装置は、地下水中の懸濁物質を沈殿により除去する一次処理装置と濾過膜により除去する高度処理装置とを有し、前記一次処理装置を前記揚水井の後段に設置して利用前の地下水を処理し、前記高度処理装置を前記注水井の前段に設置して利用後の地下水を処理する構成とすることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項にに記載の地下水利用システムであって、前記目詰まり防止装置は、地下水中の重金属イオンを酸化させてその水酸化物を除去する重金属イオン処理装置を有することを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の地下水利用システムであって、前記目詰まり防止装置は、地下水中の有機物を活性炭により除去する有機物処理装置を有することを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の地下水利用システムであって、前記目詰まり防止装置は、利用後の地下水中の溶存ガスを脱気する脱気装置を有することを特徴とする。

本発明の地下水利用システムによれば、地中熱エネルギーを効率的に有効利用して優れた省エネルギー効果が得られることはもとより、地下水循環型のシステムであるので地盤沈下の懸念がないばかりでなく、特に目詰まり防止装置を備えたことにより注水井やその周辺の地層が目詰まりを生じることを確実に防止でき、したがって従来の地下水循環型システムにおいては注水井に対して頻繁に行う必要のある逆洗を省略ないし大幅に軽減することが可能であって、長期にわたって安定な運転が可能である。

また、本発明の地下水利用システムは、中水給水システムを備えて地下水の一部を中水として利用することにより、地下水の保有熱エネルギーのみならず地下水そのものを水資源としても利用できる複合システムとなり、冷暖房コストのみならず上水の使用量削減による水道料金のコスト削減も図ることができる。

さらに、目詰まり防止装置を一次処理装置と高度処理装置とにより多段に構成したり、目詰まり防止装置に重金属イオン処理装置や有機物処理装置、利用後の地下水中の溶存ガスを脱気する脱気装置を有するものとすれば、注水井の目詰まりやその周辺の地層の目詰まりをより確実に防止することができる。

本発明の地下水利用システムの概要を示す図である。 同、目詰まり防止装置の構成例を示す図である。

図１は本発明の地下水利用システムの概要を示す図である。これは特許文献１に示されるような地下水循環型のシステムであって、基本的には揚水井１（図には１本のみを図示）から地下水を汲み上げて建物２内の冷暖房設備３において利用し、利用後の地下水を注水井４（図には２本のみを図示）から地中に注水して還元するようにしたものである。

冷暖房設備３としては、地下水の保有熱エネルギーを熱源として利用し得るものであれば適宜のシステムが採用可能であるが、本実施形態では冷暖房設備３としてヒートポンプ冷暖房システム３Ａと放射冷房システム３Ｂとを並設している。
ヒートポンプ冷暖房システム３Ａは、地下水を熱源とする水熱源ヒートポンプによって冷房用の冷水（もしくは冷風）と暖房用の温水（もしくは温風）を調製し、それを建物２内に供給して冷暖房を行うものである。放射冷房システム３Ｂは夏期においても比較的低温（たとえば１８℃程度）である地下水を冷輻射パネルに冷水として直接供給して冷輻射による冷房効果を得るものである。
本実施形態では、揚水井１から水中ポンプ５によって汲み上げた地下水を上記のヒートポンプ冷暖房システム３Ａと放射冷房システム３Ｂとに分配して季節毎に所望の冷暖房を行うようにしており、そのための一連の管路網を設けるとともにその要所に設置した送水ポンプ６やバルブ７を適宜操作して配管経路を開閉したり切り換えることで負荷に応じた最適な冷暖房を行うように構成されている。

ところで、上述したようにこの種の地下水循環型システムにあっては、利用後の地下水を地中に還元するための注水井４が早期に目詰まりを起こし、またその周辺の地層がいずれは目詰まりを起こしてしまうことから、本発明ではそのような注水井４の目詰まりや周辺地層の目詰まりを確実に防止して利用後の地下水を確実にかつ長期にわたって安定に地中に還元するべく、そのための目詰まり防止装置８を備えることを主眼とする。

特に、本発明における目詰まり防止装置８としては特許第３４５５８６０号公報に示されている「目詰まり発生防止型注水装置」が好適に採用可能であり、本実施形態における目詰まり防止装置８はそれに準じて、揚水した地下水を冷暖房設備３で利用する前に一次処理する一次処理装置８Ａと、利用後の地下水を注水に先立ってさらに処理する高度処理装置８Ｂとからなる多段構成としている。

一次処理装置８Ａは、後段の高度処理装置８Ｂでの処理に対する前処理として、かつ冷暖房設備３および中水給水システム９（後述）での要求水質に応じて、揚水した地下水中の比較的大きな懸濁物質を沈殿により除去するものである。
高度処理装置８Ｂは注水井４およびその周辺の地層の目詰まりを防止するべく、利用後の地下水中の微細な沈殿物や不純物を濾過膜により除去するもので、この高度処理装置８Ｂとしては、たとえば精密濾過膜による二次処理と、超精密濾過膜により三次処理とを多段に行う構成とすることが好ましい。
さらに、本発明における目詰まり防止装置８としては、上記の一次処理装置８Ａおよび高度処理装置８Ｂに加えて、あるいはそれら一次処理装置８Ａや高度処理装置８Ｂの要素として、地下水中の重金属イオンを酸化させてその水酸化物を除去する重金属イオン処理装置や、地下水中の有機物を活性炭により除去する有機物処理装置、適宜の薬品を添加するための薬品添加装置、地中に還元するべき地下水中の溶存ガスを脱気する脱気装置を備えることも好ましい。

また、本発明の地下水利用システムでは、揚水した地下水の全量を地中に注水して還元することを基本とするが、全量を還元せずとも地盤沈下の恐れがないような場合には、揚水した地下水の一部を還元せずに水資源として消費することも可能であり、本実施形態では地下水の一部を洗浄水や雑用水として使用可能な中水として建物内各所に給水するための中水給水システム９を備えている。

上記構成のもとに、本発明の地下水利用システムは、地下水の保有熱エネルギーを有効利用して省エネルギー効果が得られることはもとより、基本的には上述したように地下水を汲み上げて直接利用する（Ｃ）タイプのシステムであるから、ボアホールや基礎杭内での間接的な熱交換による（Ａ）タイプや（Ｂ）タイプのシステムに比べて熱効率の点で有利であって、揚水井１の所要本数が少なくて済み、経済的な運用が可能である。

また、本発明の地下水利用システムは、基本的に揚水した地下水を地中に還元する地下水循環型のシステムであるので、地盤沈下の懸念がないばかりでなく、上記のような目詰まり防止装置８を備えたことにより注水井４が早期に目詰まりを生じたり、周辺の地層がいずれは目詰まりを生じてしまうようなことを確実に防止でき、したがって従来の地下水循環型システムにおいては注水井４に対して頻繁に行う必要のある逆洗処理を省略ないし大幅に軽減することが可能であるし、長期にわたって安定な運転が可能である。
しかも、従来の地下水循環型システムでは注水井４の逆洗処理のためにその周囲に豆砂利等を充填してフィルター層を設ける必要があるが、本発明における注水井４では逆洗を省略可能であることからフィルター層を省略することも可能であり、それにより注水井４の施工コストを削減することができる。

さらに、本発明の地下水利用システムは、中水給水システム９を備えて地下水の一部を中水として利用することにより、地下水の保有熱エネルギーのみならず地下水そのものを水資源としても利用できる複合システムとなり、冷暖房コストのみならず上水の使用量削減による水道料金のコスト削減も図ることができる。

以上で本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態はあくまで基本的な一例に過ぎず、本発明は上記実施形態に限定されることなくたとえば以下に列挙するような様々な変形や応用が可能である。

図１に示した実施形態では１本の揚水井１と２本の注水井４を図示するに留めたが、それら揚水井１や注水井２の所要本数や深さ、配置間隔、相互の位置関係は、必要とされる揚水量や注水量はもとより、帯水層の位置や帯水量等の水理条件を考慮して最適に設計すれば良い。
なお、図１では揚水井１からの揚水を水中ポンプ５により行うものとしたが、揚水井１が浅井戸の場合には地上ポンプにより汲み上げることでも勿論良い。

上記実施形態では、地下水を利用する冷暖房設備３として、地下水を熱源とする水熱源ヒートポンプによるヒートポンプ冷暖房システム３Ａと、地下水を直接利用する放射冷房システム３Ｂを採用したが、それに限るものでは勿論なく、地下水を利用して冷暖房を行い得るものであれば様々な冷暖房システムが任意に採用可能であり、建物の用途や使用形態に応じて最適設計すれば良い。

上記実施形態では冷暖房設備３の後段に中水給水システム９を設置して、冷暖房設備３で利用した後の地下水の一部を中水としてさらに利用するようにしたが、揚水した地下水の一部を直接的に中水給水システム９に供給して他で利用することなく直ちに中水として利用することでも勿論良い。

上記実施形態では目詰まり防止装置８を一次処理装置８Ａと高度処理装置８Ｂとにより構成して、地下水を冷暖房設備３で利用する前に一次処理し、さらに利用後の注水直前に高度処理するようにしたが、必ずしもそうすることはなく、揚水した地下水の水質や注水するべき地下水に要求される水質、また冷暖房設備３や中水給水システム９での利用に際して必要とされる水質条件を考慮して、各段階で最適な処理を適宜行えば良く、その限りにおいてたとえば利用前に処理するに留めたり、利用後に処理するに留めることでも良いし、上述したように必要に応じて重金属イオン処理装置や有機物処理装置、薬品注入装置、脱気装置をはじめとして所望の処理装置を適所に付加すれば良い。
勿論、目詰まりが自ずと生じ難いような良好の水質の場合や、注水井４の周辺の地層自体が目詰まりを生じ難いような場合には、目詰まり防止のための処理を軽減しても良く、その場合はたとえば簡易な一次処理のみとして高度処理を省略することも可能である。
また、必要に応じて、冷暖房設備３の前段や中水給水システム９の前段にそれらの要求水質条件に応じた適宜の水処理装置を上記の目詰まり防止装置８とは独立に設置しても良い。

いずれにせよ、地下水の再注入による注水井やその周辺の地層の目詰まりは、砂などの濁質成分の混入に起因するばかりでなく、地下水中に溶解している鉄やマンガン等の溶解性物質や有機性のフミン鉄等が次のような反応を生じることが目詰まりの大きな要因になっていると考えられることから、それを考慮した処理を行うべきである。
（１）地下水中に溶解している各種の溶解性物質（たとえば鉄やマンガンなど）が地下水の利用過程において空気中の酸素と反応することにより懸濁物質（たとえば酸化鉄や酸化マンガンなど）を析出し、それらの懸濁物質が注水井のスクリーンや注水井周辺の地層に付着することで目詰まりを生じる。
（２）地下水が揚水されて利用される間に空気が混入して溶存酸素濃度が高くなり、それが注水井から地中に再注入されることで地層中に溶解している溶解性物質を酸化してしまい、それにより析出した懸濁物質によって地層自体が閉塞を引き起こす。

したがって、本発明において目詰まりを確実に防止するためには、その原因物質である砂などの濁質成分、鉄やマンガンなどの溶解性物質、さらには有機性のフミン鉄などを対象としてそれらを含む地下水の水質に対応した最適な処理を行うことはもとより、さらに利用後の地下水を地層へ還元する際にはその溶存酸素濃度を低下させて地層の酸化を防止するために脱気を行うことが必要であり、そのためにはたとえば図２に示すように、濁質成分のろ過やＭＦ膜による除去、鉄やマンガン等の溶解性物質の除去、有機鉄やマンガン等の酸化処理等を適宜組み合わせて行い、さらに地中に再注入するべき地下水に対してＰＳＡ装置などにより空気中の酸素を分離除去して窒素ガスを供給するともに、減圧しながら超音波で溶存ガスを放出するような脱気処理を行うことが好ましい。
勿論、本発明において用いる脱気装置としては、地下水を地層へ還元する際にその溶存酸素濃度を低下させて地層の酸化を防止し得るものであれば良く、その限りにおいて適宜構成の脱気装置を任意に採用可能であることはいうまでもない。

１ 揚水井
２ 建物
３ 冷暖房設備
３Ａ ヒートポンプ冷暖房システム
３Ｂ 放射冷房システム
４ 注水井
５ 水中ポンプ
６ 送水ポンプ
７ バルブ
８ 目詰まり防止装置
８Ａ 一次処理装置
８Ｂ 高度処理装置
９ 中水給水システム

Claims (8)

1. 地中より地下水を汲み上げるための揚水井と、前記揚水井から汲み上げた地下水の保有熱エネルギーを利用して冷暖房を行う冷暖房設備と、前記冷暖房設備により利用した後の地下水を地中に還元するための注水井と、利用前および／または利用後の地下水を処理して前記注水井およびその周辺の地層の目詰まりを防止する目詰まり防止装置とを有することを特徴とする地下水利用システム。
2. 請求項１記載の地下水利用システムであって、
   前記冷暖房設備は、地下水を熱源とする水熱源ヒートポンプによるヒートポンプ冷暖房システムを有することを特徴とする地下水利用システム。
3. 請求項１または２記載の地下水利用システムであって、
   前記冷暖房設備は、地下水を冷水として直接利用する放射冷房システムを有することを特徴とする地下水利用システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の地下水利用システムであって、
   前記注水井より汲み上げた地下水の一部を洗浄水や雑用水として利用するための中水給水システムを有することを特徴とする地下水利用システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の地下水利用システムであって、
   前記目詰まり防止装置は、地下水中の懸濁物質を沈殿により除去する一次処理装置と濾過膜により除去する高度処理装置とを有し、
   前記一次処理装置を前記揚水井の後段に設置して利用前の地下水を処理し、前記高度処理装置を前記注水井の前段に設置して利用後の地下水を処理する構成とすることを特徴とする地下水利用システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の地下水利用システムであって、
   前記目詰まり防止装置は、地下水中の重金属イオンを酸化させてその水酸化物を除去する重金属イオン処理装置を有することを特徴とする地下水利用システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の地下水利用システムであって、
   前記目詰まり防止装置は、地下水中の有機物を活性炭により除去する有機物処理装置を有することを特徴とする地下水利用システム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の地下水利用システムであって、
   前記目詰まり防止装置は、前記注水井の前段に設置されて利用後の地下水中の溶存ガスを脱気する脱気装置を有することを特徴とする地下水利用システム。

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