JP2013064597A

JP2013064597A - 地中熱採熱装置

Info

Publication number: JP2013064597A
Application number: JP2012250754A
Authority: JP
Inventors: Yoshihito Sakamoto; 義仁坂本; Masahiro Hayashi; 正宏林; Satoru Kimizuka; 哲君塚; Morio Hashizume; 茂利雄橋爪; Norihiko Koma; 憲彦小間
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Welded Pipe Manufacturing Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Welded Pipe Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: JP5486070B2

Abstract

【課題】建物の新築、既設を問わずに地中熱利用を可能とするために、建物外の土地に採熱専用杭を施工するのに際し、採熱専用杭の杭頭部分での熱損失を防止して、熱交換効率の低下を抑制することができる地中熱採熱装置を提供する。
【解決手段】中空既製杭１の上端１ｂから地中熱交換用の循環水配管２を挿入し、中空既製杭１の内部に水４を充填し、中空既製杭１の外周部に、地表５ａから所定の深さまで、杭１の外周部に中空部６を形成するとともに、中空部６の上部を杭頭蓋３で閉塞している。
【選択図】図１

Description

本発明は、先端を閉塞した既製杭を利用した地中熱採熱装置に関する。

地中温度は、ある深度以上になると、ほぼ年平均気温程度の温度で推移し、夏季は外気温よりも低く、冬季は外気温よりも高い。この地中と外気温の温度差を利用して、少ないエネルギーで建物の冷暖房や路面融雪に必要な熱を得る地中熱利用システムがある。このシステムは、欧米では既に広く普及し、わが国でも徐々に普及され始めた。

地中熱利用システムにおいては、基礎杭を地中熱交換器として兼用する方法が注目されているが、基礎杭の本数だけで空調負荷をまかなうことができない場合もあり、部分使用や採熱専用杭を別途施工する方法が考えられる。

採熱専用杭は、一般に、建物外の土地に施工される場合、外気温の変動や日射の影響を受けて熱損失が大きくなるため、特許文献１が提案され、特許文献１にも示されるように、地中熱交換用の循環水往復配管（熱媒体流動配管）のうち、出口側の配管周囲に断熱材を被覆して熱損失を防止するように対策がなされている。

しかし、夏季の地表面温度は、４５℃程度まで上昇するのに対し、地中熱交換器入り口部分での循環水温度は４５℃よりも低い場合が多く、地中熱交換器入り口部分で循環水は地盤から熱取得し、循環水温度が上昇することになる。よって、地中熱交換器には、空調排熱と入り口部分で取得した熱が導入されるため、効率が低下する。また、冬季には放射冷却によって地表面は外気温度以下になることもあり、循環水は地中熱交換器入り口部分で冷却され、効率が低下する問題がある。また、断熱材を施工する範囲について具体的な開示がないため、どの程度まで断熱をするのが有効か示されていない。

この問題点を解決する方法として、特許文献２が提案され、採熱専用杭を建築物の床下に、基礎杭とは別に施工することで、外気温や日射の影響を受けにくくしている。

特開２００４−１６９９８５号公報特開２００６−３４３００４号公報

前記特許文献２の方法では、熱媒体流動配管の取り出し口が杭の上端部となるが、床下空間に設けるため、メンテナンス性が高いとはいえない。また、この方法は、新築時には施工可能だが、既存の建物においては、建物内部に新たに杭打ちすることはできないため採用することはできない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、建物の新築、既設を問わずに地中熱利用を可能とするために、建物外の土地に採熱専用杭を施工するのに際し、採熱専用杭の杭頭部分での熱損失を防止し、若しくは地中熱交換器の負荷を低減し、熱交換効率の低下を抑制することができる地中熱採熱装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］先端を閉塞した中空管を地中に貫入し、前記中空管の内部に採熱用の循環配管を配置し、前記中空管の内部に充填材を施工した地中熱採熱装置において、
前記中空管の外周部に、地表から所定の深さまで空間を形成し、かつ、その上部を閉塞したことを特徴とする地中熱採熱装置。

［２］前記中空管の外周部に形成した空間に、断熱材を施工したことを特徴とする前記［１］に記載の地中熱採熱装置。

［３］前記中空管の外周部に形成した空間に、保水材を充填したことを特徴とする前記［１］に記載の地中熱採熱装置。

［４］前記中空管の外周部に形成した空間の深さが５０ｃｍ以上であることを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれかに記載の地中熱採熱装置。

［５］前記中空管の外周部に形成した空間の深さが３ｍ以下であることを特徴とする前記［１］〜［４］のいずれかに記載の地中熱採熱装置。

本発明では、先端を閉塞した中空管（杭）を地中（地盤）に貫入し、前記中空管の内部に採熱用の循環配管を配置し、前記中空管の内部に充填材を施工した地中熱採熱装置において、前記中空管の外周部に、地表から所定の深さまで空間を形成し、かつ、その上部を閉塞しているので、杭頭部分が地盤と絶縁され、熱影響を緩和することができる。その結果、杭頭部分での熱損失を防止して、熱交換効率の低下を抑制することができる。

さらに、前記中空管の外周部に形成した空間に断熱材を施工することにより、上記効果をより確実にすることができる。

また、前記中空管の外周部に形成した空間に保水材を充填することにより、降雨あるいは散水によって保持された保水材内部の水が上部から蒸発することで、日射等によって上昇した地表面部分の熱影響を除去することができる。

本発明の実施の形態１に係る地中熱採熱装置の説明図である。季節毎の地中温度分布を示した図である。本発明の実施の形態２に係る地中熱採熱装置の説明図である。本発明の実施の形態３に係る地中熱採熱装置の説明図である。本発明の実施の形態４に係る地中熱採熱装置の説明図である。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係る地中熱採熱装置の説明図である。

図１に示すように、この実施の形態１に係る地中熱採熱装置の構造は、先端（下端）１ａを閉塞して地盤５に貫入した中空既製杭１を地中熱交換体として利用する中空既製杭の杭頭部の構造であって、中空既製杭１の後端（上端）１ｂから地中熱交換用の循環水配管２を中空既製杭１内に挿入し、中空既製杭１の内部に充填材（ここでは、水）４を充填し、その上、杭頭部の外周部（中空既製杭１の外周部）に、地表５ａから所定の深さまで、杭１の外周よりも所定量（例えば、５ｃｍ程度）大きな中空部（空間部）６を形成するとともに、中空部６の上部を杭頭蓋３で閉塞している。

この中空部６の形成方法としては、中空既製杭１の貫入前に掘削することが望ましく、孔壁保護のために、鋼管、樹脂管などのケーシング（図示せず）を用いてもよい。なお、前述したように、中空部６の上部は杭頭蓋３で閉塞するが、杭頭（中空既製杭１の上端）１ｂを地盤面５ａより下方にするか、またはケーシングの上端を地盤面５ａより上方にするなどして、杭頭１ｂと杭頭蓋３を接触させないようにする。

このようにして、この実施の形態１においては、中空既製杭１の外周部に、地表５ａから所定の深さまで中空部６を形成し、かつ、その上部を杭頭蓋３で閉塞しているので、杭頭部分が地盤５と絶縁され、熱影響を緩和することができる。その結果、杭頭部分での熱損失を防止して、熱交換効率の低下を抑制することができる。

なお、中空既製杭１のサイズ、循環水配管２のサイズおよび数量は、必要に応じて決定すれば良く、ここでは規定しない。

また、杭頭外周部に設ける中空部６の深さは５０ｃｍ以上で、最深でも３ｍ以下が望ましく、地中熱交換装置の全長と比較して過大にならないように、概ね全長の５分の１以下とすることが望ましい。中空部６の径は任意に定めることができる。

ちなみに、地表面部分の熱影響は、概ね深さ５０ｃｍ程度までが大きいことが地中温度観測によってわかっており、その影響範囲において対策を施すことによって、低コストで熱影響を有効に排除することができるので、中空既製杭１の外周部に形成する中空部６の深さを５０ｃｍ以上とすることが望ましい。

しかし、地中熱交換装置は、地盤５と接触することで熱伝導により採熱または排熱を行うため、断熱等の範囲を大きくしすぎると地中熱交換装置の有効長が不足してしまうため、その範囲を明確に設定する必要がある。図２に示すように、地表から５ｍ程度以上の深部の地中温度は、外気温等の影響がほとんど無く、ほぼ一定の温度（以下、深部温度と記す）を保っている。一方、地表から５ｍ程度までの地表に近い部分の地中温度は外気温等の影響を受けているが、１月、７月のデータをみると地表からおよそ３ｍの深さで変曲点があり、この部分の地中温度は、夏は深部温度よりも低く、冬は深部温度よりも高くなっている。この部分を有効に活用することで、採熱に効果的な設計ができるため、中空既製杭１の外周部に形成する中空部６の深さを３ｍ以下とすることによって、夏季には深部よりも低温の部分、冬季には深部よりも高温の部分を活用することができる。

［実施の形態２］
図３は本発明の実施の形態２に係る地中熱採熱装置の説明図である。

図３に示すように、この実施の形態２に係る地中熱採熱装置は、実施の形態１の地中熱採熱装置における中空部６に断熱材７を施工したものである。

これによって、この実施の形態２においては、杭頭部分への熱影響を緩和するという実施の形態１の効果をより確実にすることができる。

なお、断熱材７は、吸水性の低い樹脂系断熱材が望ましいが、孔壁にケーシングを用いて地盤面よりも高くした場合（図示せず）は、グラスウール、ロックウールなど繊維系断熱材を用いてもよい。断熱材７の厚さは樹脂系断熱材では２．５ｃｍ以上、繊維系断熱材では５ｃｍ以上が望ましい。また、断熱材７は、杭１外周の中空部６のほか、杭頭蓋３と杭頭１ｂの間にも施工することが望ましい。さらに、循環水配管２の地上部分を断熱するとより効果的である。

［実施の形態３］
図４は本発明の実施の形態３に係る地中熱採熱装置の説明図である。

図４に示すように、この実施の形態３に係る地中熱採熱装置は、実施の形態２の地中熱採熱装置に対して、杭頭部１ｂを地盤面５ｂより高い位置に配置したものである。この場合は、地上に出る部分についても連続して断熱材７を施工する。循環水配管２も併せて断熱を行い、断熱材７表面にはアルミ箔などを施工し、日射の影響を軽減するとより望ましい。

［実施の形態４］
図５は本発明の実施の形態４に係る地中熱採熱装置の説明図である。

図４に示すように、この実施の形態４に係る地中熱採熱装置は、実施の形態１の地中熱採熱装置における中空部６に保水材８を施工したものである。

これによって、この実施の形態４においては、降雨あるいは散水によって保持された保水材８内部の水が上部から蒸発することで、日射等によって上昇した地表面５ａ部分の熱影響を除去することができる。したがって、冷房用の地中熱採熱装置に有効な形態である。

なお、保水材８は、高分子ポリマー、無機系多孔質体などを任意に選択するが、無機系多孔質体が最も望ましく、製鋼スラグやロックウール発泡体等を必要に応じてセメントを混入して充填施工する。

また、この実施の形態４では、杭頭蓋３を地盤面５ａより下方の位置に配置し、その上部にも保水材８を施工することで、効率を向上させている。さらに、散水装置を設けて保水材８部分に散水してもよい。

１中空既製杭
１ａ中空既製杭の先端（下端）
１ｂ中空既製杭の後端（上端）
２循環水配管
３杭頭蓋
４充填材（充填水）
５地盤
５ａ地表面
６中空部
７断熱材
８保水材

Claims

先端を閉塞した中空管を地中に貫入し、前記中空管の内部に採熱用の循環配管を配置し、前記中空管の内部に充填材を施工した地中熱採熱装置において、
前記中空管の外周部に、地表から所定の深さまで空間を形成し、かつ、その上部を閉塞したことを特徴とする地中熱採熱装置。
前記中空管の外周部に形成した空間に、断熱材を施工したことを特徴とする請求項１に記載の地中熱採熱装置。
前記中空管の外周部に形成した空間に、保水材を充填したことを特徴とする請求項１に記載の地中熱採熱装置。
前記中空管の外周部に形成した空間の深さが５０ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の地中熱採熱装置。
前記中空管の外周部に形成した空間の深さが３ｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の地中熱採熱装置。