JP2013250040A - 地中熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】別途断熱材を配することなく熱交換の効率低下を抑制できるようにした地中熱交換器を提供する。
【解決手段】地中に埋設されて使用される地中熱交換器１０であって、鋼管杭１１の杭頭側から杭先端側へ循環水を流すための往管３１と、往管３１を通って杭先端側に到達した循環水を、該杭先端側から杭頭側へ流すための復管３２と、地中深部において往管３１と復管３２とを接続する折り返し部３３とからなる、循環水配管３０を備える。復管３２は、地表から予め設定された深さの範囲に位置する杭頭側の部位３２ａと、この杭頭側の部位３２ａの下端から地中深部までの範囲に位置する杭先端側の部位３２ｂと、を有する。杭頭側の部位３２ａの内径は、杭先頭側の部位３２ｂの内径と同一であり、且つ、杭頭側の部位３２ａの外径は、杭先頭側の部位３２ｂの外径よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱交換器の熱交換の効率低下を抑制できるようにした地中熱交換器に関する。

従来、地中熱を利用する技術としては、地中にボーリング等で孔を開け、この孔に先端の折り返し部がＵ字状に形成された管を埋設し、その管内で循環水を循環させて、循環水と地盤との間で熱交換を行う方法が知られている。循環水配管は鋼管やポリエチレン管等が用いられ、孔壁と循環水配管の間にグラウト材などを充填して形成される。また、ボーリング孔の代わりに、地中に埋設された杭の内部空間を活用する方法も知られている。

図９は、従来例に係る地中熱交換器４１０の構成例を示す概念図である。図９に示すように、この地中熱交換器４１０は、鋼管杭４１１と、この鋼管杭４１１内に配設された循環水配管４２０と、を有する。循環水配管４２０は、地中深部で折り返されて略Ｕ字状を呈し、その内部で循環水が循環するようになっている。また、この地中熱交換器４１０では、鋼管杭４１１の内部空間に充填材４３０が充填されている。この充填材４３０に水を用いた場合には、その対流効果によって優れた熱交換性能を発揮することが知られている。

一方、充填材４３０を熱伝導性の良い物質とする場合もある。例えば特許文献１は、杭内部に充填するグラウト材を熱伝導率の高い部材とし、必要に応じて循環水配管の出口付近に断熱手段を設けたものである。この発明では、グラウト材に熱伝導率の高い部材を用いるため、熱交換器内部の温度分布は周囲の地盤と同様になる。例えば冬季では、地表付近は外気の影響を受けるため、地中熱交換器の地表から数メートルの範囲で温度が低く、下部の温度は比較的高い状態になり、出口側で熱損失が生じる構造となる。また、地中交換器内部で採熱した循環水は、グラウト材の熱伝導率が高いため、出口側で、入口側の循環水温の影響を受けて熱損失が生じる。そのため、当該出口側の配管に断熱手段を設けて、熱損失を防止する構造としている。

特開２００４−１６９９８５号公報

一般に、地表から１００ｍ程度の範囲において、地中温度は年平均気温程度で一定であると言われているが、地表付近には外気温によく連動して、暖房時には温度が低く、冷房時には温度が高い、採放熱には不適な領域があり、地表からおよそ３ｍ〜５ｍの範囲を中心に、夏季には温度が低く冬季には温度が高い、温度変化の位相が外気より約半年遅れる採放熱に適した領域がある。充填材４３０に砂やグラウト材を使用した場合、地中熱交換器の前記領域に相当する範囲の温度も同様の状態となる。

本発明者は、地中熱交換器の効率を検証するために、図９に示したような地中熱交換器４１０の運転時において、鋼管杭４１１に充填された充填材４３０と、鋼管杭４１１の外周に位置する地盤４０１及び、循環水配管４２０内を一方向に循環する循環水の各温度と、地表からの深さとの関係について調査を行った。
この調査では、地表から地中に向けて長さ３０ｍの深さまで埋設された鋼管杭４１１内に循環水配管４２０が配設されると共に、この鋼管杭４１１内に充填材４３０として水が充填された地中熱交換器を備えた地中熱空調システムを用いた。この地中熱空調システムを冬季に暖房運転し、暖房運転を開始してから４時間が経過した段階での充填材４３０の温度と、循環水の温度と、地下３０ｍまでの地盤４０１の温度（即ち、地中温度）とを測定した。これらの測定は、地表から地中深部に向けて各地層毎に行った。これらの測定結果をプロットした図が図８である。図８の縦軸は地表からの深さ［ｍ］を示し、横軸は温度［℃］を示している。また、図８中に記載した矢印は、循環水配管４２０内で循環水が流れる方向を示している。

図８に示したように、砂やグラウト材を充填した場合にその温度分布が地盤４０１と同じになるのとは異なり、充填材４３０に水を使用した場合には、上部ほど温度が高くなっている。一方で、復路の出口側の循環水温度は復路の中間地点よりも温度が低い、という結果を得た。循環水は充填材４３０と熱交換を行うので、この結果は、充填材４３０の温度が上部ほど高くなっている測定結果と矛盾する。

そこで、本発明者は、この矛盾が生じた理由について鋭意調査を行った。そして、この調査により、夏季には、冬季と逆の現象が起こり、循環水温度の復路の出口側と中間地点の温度差が、充填材４３０の同一範囲の温度差よりも高くなっていることを別途確認した。そして、上記の測定で用いた地中熱交換器４１０の地表に近い側において、復路に相当する循環水配管（即ち、復管）４２２は、往路に相当する循環水配管（即ち、往管）４２１から熱的な影響を受けて、その温度が低下した、と考えるに至った。

ここで、特許文献１には、地中熱交換器の地表に近い側において、復管の外周に断熱材を付設することが開示されている。この特許文献１に開示された技術を図９に示した地中熱交換器４１０に適用すれば、復管４２２の外周に断熱材が付設される。これにより、往管４２１からの熱的な影響を断熱材で遮ることができるので、復管４２２の温度が意図しない方向に変動することを抑制できるはずである。

しかしながら、特許文献１に開示されている断熱材を管の外周に付設する方法では、断熱材の特性上、含水するとその性能をほとんど失うという課題があった。例えば、断熱材に多数の気泡が存在し、この気泡が断熱機能を発揮している場合、この気泡の内部に水が入りこむと、水を介して熱が伝わるため、断熱材としての機能をほとんど失う。このため、管の外周に断熱材を付設する方法は、地下水位が高い場合や雨水が容易に浸透する環境下では好ましくない。特許文献１は一切想定していないが、図９に示したような地中熱交換器（即ち、地中に杭が埋設され、この杭内部の空洞に充填水が充填され、そこに循環水配管が配置された構造の地中熱交換器）では、往管及び復管が充填水に常時浸かるため、断熱材の性能低下が特に進み易いという課題があった。
そこで、この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、別途断熱材を配することなく熱交換の効率低下を抑制できるようにした地中熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る地中熱交換器は、地表側から地中深部の側へ熱媒を流すための往管と、前記往管を通って前記地中深部の側に到達した前記熱媒を該地中深部の側から前記地表側へ流すための復管と、前記地中深部において前記往管と前記復管とを接続する折り返し部とからなる、循環水配管を備え、前記復管は、前記地表から予め設定された深さまでの範囲に位置する第１の部位と、前記第１の部位の下端から前記地中深部までの範囲に位置する第２の部位とを有し、前記第１の部位の内径は前記第２の部位の内径と同一で、且つ前記第１の部位の外径は前記第２の部位の外径よりも大きいことを特徴とする。ここで、「地表から予め設定された深さ」とは、例えば、地表から５ｍの範囲内であり、好ましくは地表から３ｍ〜５ｍの範囲内である。また、「外径」とは管の外周面の直径のことであり、「内径」とは管の内周面の直径のことである。

また、上記の地中熱交換器において、前記第１の部位は、前記内径を有する内管と、前記内管を囲む外管と、前記内管と前記外管との間にある間隙部と、を有し、前記第１の部位の内径は前記内管の径であり、前記第１の部位の外径は前記外管の径であり、前記間隙部の前記地表側は閉塞しており、且つ、前記地中深部の側は開口していることを特徴としてもよい。
また、上記の地中熱交換器において、前記間隙部の地表側の閉塞部に、前記地中深部側の開口面積よりも小さい貫通孔を設けていることを特徴としてもよい。

本発明によれば、復管において、地表から予め設定された深さに位置する第１の部位は、該第１の部位よりも地中深部の側に位置する第２の部位よりも、管壁の厚さが大きい。このため、地表側において、復管と往管とが互いに熱干渉することを抑制することができ、地中熱交換器から出ていく熱媒が、地中熱交換器に入ってくる熱媒の影響を受けて温度が変化することを抑制することができる。これにより、断熱材を別途使わなくても、地中熱交換器の熱交換の効率低下（例えば、暖房運転の場合は採熱性能低下、冷房運転の場合は放熱性能低下）を抑制することができる。
また、復管において、第１の部位の管壁は他の部位の管壁と同じ吸水性の極めて低い材料で構成されている。このため、第１の部位の熱抵抗が含水により低下することを回避することができる。

本発明の第１実施形態に係る地中熱交換器１０の構成例を示す図。 本発明の第１実施形態に係る復管３２の構成例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る地中熱交換器１１０の構成例を示す図。 本発明の第２実施形態に係る復管１３２の構成例を示す図。 第２実施形態に係る復管１３２の他の例を示す図。 第２実施形態に係る復管１３２の他の例を示す図。 本発明の第３実施形態に係る地中熱交換器２１０の構成例を示す概念図。 本発明者が行った調査の結果を示す図。 従来例に係る地中熱交換器４１０の構成と課題を示す図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
〔第１実施形態〕
（構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係る地中熱交換器１０の構成例を示す概念図である。図１に示すように、この地中熱交換器１０は、地盤１に埋設された鋼管杭１１と、この鋼管杭１１の内部に配された往管３１、復管３２及び折り返し部３３からなる循環水配管３０と、を有する。また必要に応じて、杭頭部から地表に開口するように掘り下げた第１の孔２を設けても良い。

鋼管杭１１は、例えば円筒状であり、その内部は空洞（即ち、中空）になっている。また、鋼管杭１１は、杭頭が開口し、杭底部の先端が閉塞した形状となっている。鋼管杭１１は、その杭頭が地表側に位置し、且つ杭先端が地中深部の側に位置するように地盤１に埋設されている。鋼管杭１１の外径（直径）は例えば１６５．２ｍｍ、鋼管杭１１の例えば板厚は７．１ｍｍ、その長さは例えば３０ｍである。

循環水配管３０は、地表側（即ち、杭頭側）から地中深部の側（即ち、杭先端側）へ循環水を流すための往管３１と、往管３１を通って杭先端側に到達した循環水を該杭先端側から杭頭側へ戻すための配管である復管３２とを備え、地中深部において往管３１と復管３２とを接続する折り返し部３３を有する。即ち、鋼管杭１１の杭先端付近で往管３１の端部と復管３２の端部とが直接（又は、連結管を介して間接的に）接続しており、その接続部である折り返し部３３は、例えば、略Ｕ字状に折り返した形状となっている。往管３１、復管３２及び折り返し部３３は、例えば鋼管又は高密度架橋ポリエチレン樹脂など、互いに同一の材料で構成されている。

また、この鋼管杭１１の内部には充填材１８が充填されている。充填材１８は、例えば水、又は、砂若しくはグラウト材である。充填材１８が水（即ち、充填水）の場合は、鋼管杭１１の内部で充填水の対流が生じる。具体的には、充填水の全体的な挙動は、夏季には循環水配管３０の表面近傍では上方に向かい、鋼管杭１１の内壁近傍では下方に向かう比較的強い全体対流、冬季にはその逆方向の比較的弱い対流が発生する。これにより、充填水の温度は、図８に示したように下部である鋼管杭１１の杭先端付近よりも、上部である杭頭付近で高くなる。

ところで、上記の復管３２は、地表から予め設定された深さまでの範囲に位置する第１の部位３２ａと、この杭頭側の部位３２ａの下端から地中深部までの範囲に位置する第２の部位３２ｂと、を有する。ここで、「地表から予め設定された深さ」とは、例えば、地表から５ｍの範囲内であり、好ましくは地表から３ｍ〜５ｍの範囲内である。一例を挙げると、鋼管杭１１の杭頭は地表から地中深部の方向へ１ｍの位置にある。また、復管３２の杭頭側の部位３２ａは、鋼管杭１１の杭頭から地中深部の方向へ２ｍの範囲となっている。つまり、復管３２の杭頭側の部位３２ａの長さは２ｍであり、その位置は地表から地中深部の方向へ１ｍ〜３ｍの範囲である
また、第１の部位である杭頭側の部位３２ａの内径は、第２の部位である杭先端側の部位３２ｂの内径と同一で、且つ杭頭側の部位３２ａの外径は杭先端側の部位３２ｂの外径よりも大きくなっている。

図２は、本発明の第１実施形態に係る復管３２の構成例を示す断面図である。図２において、循環水配管３０のサイズは、例えばＪＩＳ規格で２５Ａである。即ち、復管３２の内径をＲ１としたとき、Ｒ１は例えばＪＩＳ規格２５Ａの内径に相当する２５ｍｍである。また、復管３２の杭先端側の部位３２ｂの外径をＲ２としたとき、Ｒ２は例えばＪＩＳ規格２５Ａの外径に相当する３５ｍｍである。さらに、復管３２の杭頭側の部位３２ａの外径をＲ２としたとき、Ｒ２は例えば６０ｍｍである。復管３２の杭頭側の部位３２ａの内表面と外表面の距離（管壁の厚さ）をＴ１とし、杭先端側の部位３２ｂの管壁の厚さをＴ２としたとき、厚さＴ１は厚さＴ２よりも大きい（Ｔ１＞Ｔ２）。Ｔ１は例えば１７〜１８ｍｍ、Ｔ２は例えば５ｍｍである。これにより、杭頭側の部位３２ａは、杭先端側の部位３２ｂと比較して、外部から内部へ（又は、内部から外部へ）熱が伝わり難くなっている。即ち、杭頭側の部位３２ａは、杭先端側の部位３２ｂと比較して、熱抵抗が高くなっている。
また、復管３２において、杭頭側の部位３２ａは、杭先端側の部位３２ｂなど他の部位と同じ吸水性の極めて低い材料で構成されている。このため、杭頭側の部位３２ａの熱抵抗が含水により低下することがない。

（動作）
図１に示した地中熱交換器１０において、鋼管杭１１の内部は充填材１８で充填されている。また、循環水配管３０の内部には循環水が充填されている。この循環水は、図１中の矢印で示すように、往管３１の杭頭側の部位３１ａから入って杭先端側の部位３１ｂへ流れ、折り返し部３３を通って復管３２の杭先端側の部位３２ｂへ流れ、杭頭側の部位３２ａから出ていく。

ここで、冬季の暖房運転では、循環水は、地中熱交換器１０の内部に配された循環水配管３０と、充填材１８及び鋼管杭１１を介して、地盤１から採熱する。これにより、復管３２の杭頭側の部位３２ａを流れる循環水（即ち、地中熱交換器１０から出ていく循環水）は、往管３１の杭頭側の部位３１ａを流れる循環水（即ち、地中熱交換器１０に入ってくる循環水）よりも温度が高くなる。一方、夏季の冷房運転では、循環水は、地中熱交換器１０の内部に配された循環水配管３０と、充填材１８及び鋼管杭１１を介して、地盤１に放熱する。これにより、地中熱交換器１０から出ていく循環水は、地中熱交換器１０に入ってくる循環水よりも温度が低くなる。

（第１実施形態の効果）
第１実施形態は、次のような効果を奏する。
（１）本発明の第１実施形態によれば、復管３２において、地表から予め設定された深さまでの範囲に位置する第１の部位は、該第１の部位の下端から地中深部までの範囲に位置する第２の部位よりも、管壁が厚くなっている。ここで、第１の部位は杭頭側の部位３２ａであり、第２の部位は杭先端側の部位であり、杭頭側の部位３２ａは杭先端側の部位３２ｂよりも管壁が厚くなっている。

このため、地表側の杭頭側の部位３２ａの深さの範囲において、復管３２と往管３１とが互いに熱干渉することを抑制することができ、地中熱交換器１０から出ていく循環水が、地中熱交換器１０に入ってくる循環水の影響を受けて、温度が変化する（即ち、暖房運転の場合は温度が低下し、冷房運転の場合は温度が上昇する）ことを抑制することができる。これにより、断熱材を別途使わなくても、地中熱交換器の熱交換の効率低下（例えば、暖房運転の場合は採熱性能低下、冷房運転の場合は放熱性能低下）を抑制することができる。

（２）復管３２において、杭頭側の部位３２ａは他の部位と同じ吸水性の極めて低い材料で構成されている。このため、杭頭側の部位３２ａが水分を吸収することはない。このため、杭頭側の部位３２ａの熱抵抗が含水により低下することがない。
（３）「地盤に埋設された管」として、一方の先端が閉塞している鋼管杭１１を有することにより、後述のコンクリートを使用した既製杭に比較して熱拡散性能に優れるため、地中熱交換器１０の内部と地盤１との間において迅速な熱交換が期待できる。先端を閉塞した鋼管杭とその施工方法は、公知技術として広く利用されており、本発明の各実施形態への活用が最も容易となるであろう選択である。

（変形例）
（１）上記の第１実施形態では、「地盤に埋設された管」として、一方の先端が閉塞した鋼管杭１１を用いる場合について説明した。しかしながら、本発明の各実施形態では、一方の先端が閉塞した鋼管杭１１の代わりに一方の先端を閉塞した既製杭を用いてもよい。既製杭は公知のものを使用でき、例えば、ＲＣ杭（遠心力成形の鉄筋コンクリート杭）、ＰＣ杭（遠心力成形のプレストレストコンクリート杭）、ＰＨＣ杭（遠心力成形の高強度プレストレストコンクリート杭）、ＰＲＣ杭（遠心力成形の高強度プレストレスト鉄筋コンクリート杭）、ＳＣ杭（遠心力成形の外殻鋼管付コンクリート杭）などがある。強度の決定や埋設作業は公知技術を流用できるので、安全かつ効率的に施工できる。

（２）ここまで「地盤に埋設された管」として、一方の先端を閉塞した杭を用いた事例について説明してきたが、両端が開口していても良い。更に、「地盤に埋設された管」は、必ずしも杭である必要はなく、素管を用いてもよい。素管の先端部は、杭の場合と同様に、一方の先端が閉塞されていても両端が開口していてもよい。素管の材質は、伝熱性、強度、充填材の材質等を考慮して適宜決定すればよく、公知の材料としては、ポリブデン、塩化ビニル、ポリエチレンなどの合成樹脂、コンクリート、鋼、およびこれらを組み合わせたものなどが使用可能である。

（３）上記の第１実施形態では、一方の先端が閉塞した鋼管杭１１内部の中空部への充填材１８として水を充填して地中熱交換器１０を構築する場合について説明した。しかしながら、本発明の各実施形態では、充填材１８は、水に限定するものではなく、砂、グラウト材など任意に選択が可能である。また、充填材１８に水を用いなければ、一方の先端が閉塞した鋼管杭１１を用いずに、本実施の形態の循環水配管３０を直接地中に埋設して地中熱交換器を構築してもよい。これらいずれの構成であっても、断熱材を別途使うことなく、地中熱交換器の熱交換の効率低下を抑制することができる。

（４）上記の第１実施形態では、往管３１、復管３２及び折り返し部３３が同一の材料で構成されている場合について説明した。しかしながら、本発明の各実施形態において、往管３１、復管３２及び折り返し部３３は、互いに熱伝導率が異なる材料で構成されていてもよい。また、復管３２の杭頭側の部位３２ａと、先端側の部位３２ｂも、熱伝導率が異なる材料で構成されていてもよい。ここで、図８に示した実験の結果から、熱伝導率が異なる複数の材料を用いて、往管３１及び復管３２を構成することが好ましい場合があるということがわかった。この点について、以下に説明する。

本発明者は、実験の結果から、冬季においては地中熱交換器１０の稼働時間内では、杭先端付近の充填水温度が低くなり、杭頭付近の充填水温度が高くなることを確認した。また、循環水は、杭先端付近で折り返した後も熱交換によってその温度（循環水温度）が上昇することを確認した（図８参照）。そこで、地中熱交換器１０を暖房主体で使用する場合は、鋼管杭１１の内部に配された循環水配管３０の杭先端側の部位を、他の部位と比べて、熱伝導率が若干低い材料で構成するとよい。これにより、往管３１で温められた循環水が、杭先端付近の冷水域で放熱することを抑制することができるので、復管３２へ導入する循環水の温度低下を抑制することができ、杭頭側の部位３２ａの出口側の循環水温度をより高めることができる。

また、地中熱交換器を冷房主体で使用する場合は、往管３１を熱伝導率が高い材料で構成し、復管３２を熱伝導率が低い材料で構成するとよい。これにより、循環水は、往路においては積極的に放熱することができ、復路においては採熱を抑制することができるので、循環水をより効率良く冷やすことができる。

〔第２実施形態〕
上記の第１実施形態では、復管３２の杭頭側の部位３２ａの内径を杭先端側の部位３２ｂと同じくし、かつ、外径を大きくした形態について、当該部位の管壁が増厚されている構造について説明した。しかしながら、本発明の実施形態において、復管の杭頭側の部位の構造はこれに限定されるものではない。

（構成）
図３は、本発明の第２実施形態に係る地中熱交換器１１０の構成例を示す概念図である。図３に示す地中熱交換器１１０は、鋼管杭１１と、この鋼管杭１１の内部に配された往管３１、復管１３２及び折り返し部３３からなる循環水配管３０と、を有する。ここで、復管１３２は、第１実施形態で説明した復管３２と同様、一端が折り返し部３３により往管３１に接続しており、往管３１を通って杭先端側に到達した循環水を該杭先端側から杭頭側へ流すための配管である。復管１３２を構成する材料は、第１実施形態で説明した復管３２と同様である。但し、復管１３２の杭頭側の部位１３２ａは、第１実施形態で説明した復管３２と異なり、二重管構造となっている。

図４は、本発明の第２実施形態に係る復管１３２の構成例を示す断面図である。図４に示すように、復管１３２の杭頭側の部位１３２ａは上部を閉塞した二重管構造となっている。即ち、復管１３２の杭頭側の部位１３２ａは、内管（即ち、管本体）１３３と、内管１３３を囲む外管１３４と、内管１３３と外管１３４との間の間隙部１３６の上側を閉塞する閉塞部１３５とを有する。杭頭側の部位１３２の内径は内管１３３の径であり、杭頭側の部位１３２の外径は外管１３４の径である。また、間隙部１３６の下側には管壁等は設けられておらず、開口している。なお、内管１３３と外管１３４及び閉塞部１３５は、例えば一体で形成されているなど、気密化されている。図４において、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｔ１、Ｔ２の各値は例えば第１実施形態と同じである。また、外管１３４の厚さＴ３は例えば３．２ｍｍである。

図３に示した地中熱交換器１１０では、例えば、循環水配管３０を鋼管杭１１の内部に配置した後に充填材１８を鋼管杭１１の内部に充填する。このとき、間隙部１３６の上側（即ち、地表側）は閉塞されており、間隙部１３６に空気が封止された状態で、循環水配管３０は充填材１８の中に配置され、間隙部１３６内の封止された空気が断熱的に作用する。この第２実施形態において、間隙部１３６の幅Ｌは、２０ｍｍ以下であることが好ましい。間隙部１３６の幅Ｌが２０ｍｍ以下であれば、間隙部１３６内の空気の対流を抑制することができ、当該空気を静止空気層として断熱的に作用させることができる。
なお、図３に示した地中熱交換器１１０の動作は、図１に示した地中熱交換器１０の動作と同様である。

（第２実施形態の効果）
本発明の第２実施形態によれば、復管１３２の杭頭側の部位１３２ａは、内管１３３と、内管１３３を囲む外管１３４と、内管１３３と外管１３４との間にある間隙部１３６および、外管１３４の上部で内管１３３と接続し、かつ上面を気密に閉塞する閉塞部１３５を有する。
循環水配管３０の復管１３２の杭頭側の部位１３２ａをこのような構成として、鋼管杭１１内部の中空部へ充填材１８を配置して地中熱交換器１１０を構築すると、間隙部１３６内部に空気が封止されて断熱的に作用させることができ、当該部分の熱損失を抑制することができ、往路側からの熱影響を軽減できる。

また、第１実施形態で説明した変形例（２）のように、鋼管杭１１を用いずに循環水配管３０を直接地中に埋設して地中熱交換器１１０を構築する場合も同様に、充填材１８の施工により、間隙部１３６内部に空気が封止されて断熱的に作用し、一定レベルの断熱性を確保し、往路側からの熱影響を軽減できる。
何れの方法においても、間隙部１３６に封止された空気が断熱的に作用するため、第１実施形態の効果（１）〜（３）と同等以上の効果を奏する。

（変形例）
（１）上記の第２実施形態では、図４に示したように、間隙部１３６の上側を覆う閉塞部１３５が、復管１３２の長手方向（即ち、Ｚ方向）に垂直な平板状となっており、間隙部１３６の上側を地表面に水平となるように閉塞する場合について示した。しかしながら、閉塞の形態はこれに限定されるものではない。例えば図５に示すように、閉塞部１３５は、間隙部１３６の上側を、円錐の先端や多角形の角に向かうように、絞り込むように閉塞してもよい。このような構成であっても上記の第２実施形態と同様の効果を奏する。

（２）上記の第２実施形態では、復管１３２の杭頭側の部位１３２ａを構成する内管１３３と外管１３４及び閉塞部１３５が、一体に形成されている場合について説明した。しかしながら、本発明の実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、内管１３３に対して、閉塞部１３５と外管１３４とが別々に用意されており、外管１３４と閉塞部１３５との間、及び閉塞部１３５と内管１３３との間をそれぞれ任意のタイミングで接合するようにしてもよい。この接合は、溶接、接着剤などを任意に用いることができる。

或いは、図６に示すように、閉塞部１３５と外管１３４とが一体で形成されており、閉塞部１３５にはネジ溝が形成されており、内管１３３にもこれに螺合するネジ溝が形成されていてもよい。また、図示していないが、閉塞部１３５と外管１３４をネジで螺合する形状としてもよい。これらの場合、気密性確保のため、接続部にガスケットなどの気密措置を併用するとより望ましい。このような構成であれば、閉塞部１３５と外管１３４を、管本体に対して着脱可能に取り付けることができる。
（３）第１実施形態で説明した変形例（１）〜（４）を、第２実施形態に適用してよい。

〔第３実施形態〕
上記の第２実施形態では、復管３２の杭頭側の部位３２ａの内径を杭先端側の部位３２ｂと同じくし、かつ、外径を大きくした形態について、当該部位を内管１３３と外管１３４とで間隙部１３６を有する二重管構造とし、当該間隙部１３６の上側が閉塞部１３５で閉塞されている場合について説明した。しかしながら、本発明の実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、間隙部１３６の上側は開口していてもよい。充填材１８に水を用いた場合（即ち、充填水）、間隙部１３６の上側が開口している場合、間隙部１３６には充填水が入り込む。

（構成）
図７は、本発明の第３実施形態に係る復管２３２の構成例を示す断面図である。図７に示す復管２３２は、第１、第２実施形態で説明した復管３２、１３２と同様、循環水配管３０の一部であり、一端が折り返し部３３により往管３１に接続しており、往管３１を通って杭先端側に到達した循環水を該杭先端側から杭頭側へ流すための配管である。また、復管２３２を構成する材料は、第１、第２実施形態で説明した復管３２、１３２と同様である。

図７に示すように、この復管２３２の閉塞部１３５には、その下面１３５ａから上面１３５ｂの側に至る貫通孔（空気孔）１３５ｃが少なくとも１つ以上設けられている。この貫通孔１３５ｃは、後述の対流抑制の観点から小さい方が好ましい。各貫通孔１３５の開口面積は、間隙部１３６の地中深部側の開口面積よりも小さい。各貫通孔１３５の直径は例えば３ｍｍ以下である。また、間隙部１３６から空気を抜き易くするために、閉塞部１３５の下面１３５ａは例えばＺ方向に対して傾斜しており、その傾斜した下面１３５ａの上端付近（即ち、最後まで空気が残り易い位置）に少なくとも１つ以上の貫通孔１３５ｃが配置されている。

（第３実施形態の効果）
本発明の第３実施形態によれば、間隙部１３６の地表側の閉塞部１３５に、地中深部側の開口面積よりも小さい貫通孔１３５を設けている。このような構成であれば、鋼管杭１１内部の中空部に充填材１８として水を充填して地中熱交換器２１０を構築する場合、間隙部１３６は充填水で満たされる。充填水の全体的な挙動は、夏季には循環水配管３０の表面近傍では上方に向かい、鋼管杭１１の内壁近傍では下方に向かう比較的強い全体対流、冬季にはその逆方向の比較的弱い対流が発生するが、間隙部１３６内に侵入した充填水は管壁の抵抗などが勝り、内部で対流が生じない。即ち、内管１３３の管壁の熱抵抗に、間隙部１３６内に侵入した静止した充填水の熱抵抗と外管１３４の熱抵抗とが付加されるので、熱損失が抑制され往路側の影響を軽減することができる。これにより、第１実施形態の効果（１）〜（３）と同様の効果を奏する。

（変形例）
（１）第１実施形態で説明した変形例（１）〜（４）、第２実施形態で説明した変形例（１）、（２）を、第３実施形態に適用してよい。
（２）なお、本発明の各実施形態では、復管の杭頭側の部位の断面（即ち、径方向に平行な面で切断した断面：ＸＹ断面）の形状が円形である場合を想定して説明した。しかしながら、この断面形状は円形に限定されるものではない。本発明の各実施形態において、上記の断面形状は矩形、円周にエンボスを形成した略歯車形など、任意の断面形状としてよい。

１ 地盤（地中）
２ 第１の孔
１０、１１０地中熱交換器
１１ 鋼管杭
１８ 充填材
３０ 循環水配管
３１ 往管
３１ａ、３１ｂ （往管の）杭頭側の部位
３２、１３２、２３２ 復管
３２ａ、１３２ａ、２３２ａ （復管の）杭頭側の部位
３３ 折り返し部
１３３ 内管
１３４ 外管
１３５ 閉塞部
１３５ａ 下面
１３５ｂ 上面
１３５ｃ 貫通孔
１３６ 間隙部

Claims (3)

1. 地表側から地中深部の側へ熱媒を流すための往管と、前記往管を通って前記地中深部の側に到達した前記熱媒を該地中深部の側から前記地表側へ流すための復管と、前記地中深部において前記往管と前記復管とを接続する折り返し部とからなる、循環水配管を備え、
   前記復管は、前記地表から予め設定された深さまでの範囲に位置する第１の部位と、前記第１の部位の下端から前記地中深部までの範囲に位置する第２の部位とを有し、
   前記第１の部位の内径は前記第２の部位の内径と同一で、且つ前記第１の部位の外径は前記第２の部位の外径よりも大きいことを特徴とする地中熱交換器。
2. 前記第１の部位は、前記内径を有する内管と、前記内管を囲む外管と、前記内管と前記外管との間にある間隙部と、を有し、
   前記第１の部位の内径は前記内管の径であり、前記第１の部位の外径は前記外管の径であり、
   前記間隙部の前記地表側は閉塞しており、且つ、前記地中深部の側は開口していることを特徴とする請求項１に記載の地中熱交換器。
3. 前記間隙部の地表側の閉塞部に、前記地中深部側の開口面積よりも小さい貫通孔を設けていることを特徴とする請求項２に記載の地中熱交換器。

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