JP2014025638A - 地中熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来の二重管方式の地中熱交換システムにおいて低いとされた外管外周部の温度勾配を高めるとともに、表面積の大きい外管の内面に沿って薄層状態で熱媒体を下降させることによって、Ｕチューブ方式の地中熱交換システムにおけるＵチューブ外周面積の少なさによる熱交換効率の低さをも一挙に解消できる地中熱交換システムを提供する。
【解決手段】地中に埋設した筒状体の外管と、前記外管内に挿設された柱状体の流路制限体と、前記外管の内壁面と前記流路制限体の外周面との間に形成された熱媒体流路用の第１の間隙とからなり、前記流路制限体には縦長に貫通孔が内設され、前記流路制限体の底面と前記外管の底面との間に熱媒体流路用の第２の間隙が設けられ、熱媒体が上方から第１の間隙に導入され、熱交換し終えた熱媒体が第２の間隙と前記貫通孔を経由して地上に導出される地中熱交換システムによる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地中熱を地中に埋設された地中熱交換器に循環させた熱媒体によって取り出し、建物の冷暖房や路面の融雪等に利用する地中熱交換システムに関する。

地中熱交換システムとしては、図４の概念図で示すように、中空円筒でなる埋設外管１１の上方から熱媒体を流入させ、前記外管１１の管底から熱交換し終えた熱媒体を回収する内管１２を備えた二重管方式と、水と砂が充填された埋設外管１１内、又は直接地中に挿入したＵチューブ１５に熱媒体を流通させて熱交換を行うＵチューブ方式とが実施されており、それぞれの方式による地中熱交換器の発明も、例えば二重管方式では特許文献１や２、またＵチューブ方式では特許文献３、４等多数開示されている。

しかし、二重管方式では外管１１内壁面に接する熱媒体においては熱交換が行われるが内管に近づくにつれて熱交換は行われにくくなり、外管１１外周部の温度勾配は小さくなって、熱交換効率は低下する。これを改善するためには熱交換器内で熱媒体を攪拌して埋設外管１１の内壁面に当接する熱媒体の量を増やすことが好ましいが、熱媒体を水平方向に攪拌するのは容易でないという問題がある。
特許文献１においては、その対策として〔請求項３〕に
「地中に埋設された外管と前記外管内に前記外管との間に隙間を設けて内設された内管との２重管からなり、前記隙間と前記内管内とが内部で連通し熱媒体が前記隙間と前記内管内とを逆方向に流れて地上設備との間を循環する地中熱交換器において、突起を前記外管の内周面上及び又は前記内管の外周面上に軸方向に間隔を設けて連続的に配設したこと」
そして〔請求項４〕に
「前記突起を前記外管の内周面上及び又は前記内管の外周面上に周方向に略等間隔に複数個を配設したこと」
が記載され、この突起によって「外管と内管との隙間を流れる熱媒体を高乱流化させてその熱伝達係数を大きくしていること（段落〔００２３〕）が示されている。

一方Ｕチューブ方式においては、内径が２０ｍｍ程度のＵチューブ１５を使用することが多く、Ｕチューブ１５の外周における温度勾配は高くとれるが外周面積が小さいため熱交換効率は低く抑えられるという問題がある。
特許文献４においては、その要約において、
「Ｕ字状に屈曲した熱交換パイプを複数本を筒状に束ね、各パイプの一端はユニット上部の円形の液体槽に接続し、他端は液体槽の中心を貫いて下方に延びるポンプ室筒体の下部に接続する。……」
と記載され、熱交換パイプを複数本使用することによって熱交換効率の向上を図っている。

特開２００４−３０９１２４号公報 特許第２７００９９８号公報 特開２００３−３４３８８４号公報 特開２００５−３３７５９０号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたもので、筒状体の外管内に柱状体の流路制限体を内挿して熱媒体の流路を外管内面近傍に制限し、従来の二重管方式で低いとされた外管外周部の温度勾配を高めるとともに、表面積の大きい外管の内面に沿って薄層状態で熱媒体を下降させ、Ｕチューブ方式における表面積の少なさによる熱交換効率の低さをも一挙に解消できる地中熱交換システムを提供する。

本発明者は、上記課題を下記の手段で解決した。
（１）地中に埋設した有底筒状体からなる外管と、前記外管内に挿設された柱状体からなる流路制限体と、前記外管の内壁面と前記流路制限体の外周面との間に形成された熱媒体流路用の第１の間隙とからなり、かつ前記流路制限体には縦長に貫通孔が内設されてなり、さらに前記流路制限体の底面と前記外管の底面との間には熱媒体流路用の第２の間隙が設けられて構成され、
熱媒体が上方から第１の間隙に導入され、次いで外管を介して地中熱と熱交換された熱媒体が第２の間隙を経由し、さらに前記貫通孔を上昇して地上に導出されるようにしたことを特徴とする地中熱交換システム。
（２）地中に埋設した筒状体からなる外管と、前記外管内に挿設された筒状体からなる内管と、前記外管の内周面と前記内管の外周面との間に形成され底部が閉止された熱媒体流路と、前記外管の底部壁面又は内管の底部壁面に穿設された熱媒体取出口に接続された熱媒体の取出流路としての断熱性を有する管体とからなり、かつ、前記内管の内側に土が詰められて構成され、
熱媒体が上方から熱媒体流路用の間隙に導入され、次いで外管及び内管を介して地中熱と熱交換された熱媒体が、外管の底部壁面又は内管の底部壁面に穿設された熱媒体取出口から熱媒体の取出流路としての管体を上昇して地上に導出されるようにしたことを特徴とする地中熱交換システム。
（３）前記第１の間隙又は熱媒体流路が、１．５ｍｍ〜１０．０ｍｍであることを特徴とする前項（１）又は（２）に記載の地中熱交換システム。
（４）前記第１の間隙又は熱媒体流路に突起物や粒状体を配して熱媒体に乱流を起こさせ、熱媒体が外管内壁に接触する機会を増やしてなることを特徴とする前項（１）〜（３）のいずれか１項に記載の地中熱交換システム。
（５）前記流路制限体が、内部での空気対流が少ない独立発泡材、連続発泡材、又はグラスウール等の断熱効果を有する素材で形成されてなることを特徴とする前項（１）、（３）、（４）のいずれか１項に記載の地中熱交換システム。
（６）前記熱媒体が、不凍液又は水であることを特徴とする前項（１）〜（５）のいずれか１項に記載の地中熱交換システム。

本発明の地中熱交換システムによって下記の効果が発揮できる。
〈１〉地中に埋設した有底筒状体からなる外管と、前記外管内に挿設された柱状体からなる流路制限体と、前記外管の内壁面と前記流路制限体の外周面との間に形成された熱媒体流路用の第１の間隙とからなり、かつ前記流路制限体には縦長に貫通孔が内設され、さらに前記流路制限体の底面と前記外管の底面との間には熱媒体流路用の第２の間隙が設けられているので、
熱媒体が上方から、外管内に挿設された流路制限体によって狭められた第１の間隙に導入され、外壁内面に沿って薄層状態で下降するため地中熱との熱交換が効果的に行われることから、導入時との温度差の大きい熱媒体が導出できる。
また、本発明においては外周面の大きい外管に熱媒体を接触させているので、Ｕチューブ方式に比べて、前記導入時との温度差が大きい熱媒体を多量に得ることができる。
〈２〉地中に埋設した筒状体からなる外管と、前記外管内に挿設された筒状体からなる内管と、前記外管の内壁面と前記内管の外周面との間に形成され底部が閉止された熱媒体流路と、前記外管の底部壁面又は内管の底部壁面に穿設された熱媒体取出口に接続された熱媒体の取出流路としての断熱性を有する管体とからなり、かつ、前記内管の内側に土が詰められて構成されているので、
熱媒体が上方から前記外管と内管との間に形成された狭隘な媒体流路に導入され、薄層状態で下降するため、外管及び内管を介して地中熱と熱交換効果的に行われ、導入時との温度差の大きい熱媒体が大量に導出できる。
また、外管と内管の間の間隔を変化することなく外管と内管の大きさを変えることによって、導入時との温度差の大きい熱媒体を必要量導出することができる。
〈３〉前記第１の間隙が１．５ｍｍ〜１０．０ｍｍであるので、既成杭の内上記〈１〉の効果を実効あるものとし、熱交換効率の高い地中熱交換システムが実現できる。
〈４〉前記第１の間隙に突起物や粒状体を配して熱媒体に乱流を起こさせ、熱媒体が外管内壁に接触する機会を増やしているので、上記〈１〉〜〈２〉の効果に加え、より熱交換効率の高い地中熱交換システムが実現できる。
〈５〉前記流路制限体が、内部での空気対流が少ない独立発泡材、連続発泡材、又はグラスウール等の断熱効果を有する素材で形成されているので、地中熱との熱交換を終えた熱媒体が前記流路制限体に内設された貫通孔を上昇する際、前記流路制限体との熱交換が行われることなく地上に取り出せ、上記〈１〉、〈３〉、〈４〉の効果と相まって熱交換効率の高い地中熱交換システムが実現できる。
〈６〉前記熱媒体が、不凍液又は水であるので、外管や流路制限体を腐食させるおそれがない。

本発明の地中熱交換システムの一実施例の概念図 本発明の地中熱交換システムの他の実施例の概念図 地中熱と熱交換された熱媒体と空気との間で直接熱交換を行ってなる地中熱交換システムの概念図 従来の地中熱交換システムの概念図（ａ）二重管方式（ｂ）Ｕチューブ方式

本発明の地中熱交換システムを実施するための形態を、実施例の図に基づいて説明する。
図１は本発明の地中熱交換システムの概念図であり、図１において１は外管、２は流路制限体、３は第１の間隙、４は第２の間隙、５は貫通孔、６は断熱チューブを、そして図２において１１は外管、１２は内管、１３は熱媒体流路、１４は管体を、また図３においては２１は外管、２２は内管、２３は流路制限体、２４は熱媒体流路、２５は空気流路を示す。
なお、図に示した細線の矢印は熱媒体の流れる方向を、白抜き矢印は空気の流れる方向を示す。

本発明の地中熱交換システムは、図１の概念図に示すように、地中に埋設した有底筒状体からなる外管１と、前記外管１内に挿設された柱状体からなる流路制限体２と、前記外管１の内壁面と前記流路制限体２の外周面との間に形成された熱媒体流路用の第１の間隙３とからなり、かつ前記流路制限体２には縦長に貫通孔５が内設されてなり、さらに前記流路制限体２の底面と前記外管１の底面との間には熱媒体流路用の第２の間隙４が設けられ、熱媒体が上方から第１の間隙３に導入され、次いで外管１を介して地中熱と熱交換した熱媒体が第２の間隙４を経由し、さらに前記貫通孔５を上昇して地上に導出されるように構成されている。
そして前記第１の間隙３が熱交換効率を高めるため１．５ｍｍ〜１０．０ｍｍに設定されてなり、また該第１の間隙３に突起物や粒状体を配して、下降する熱媒体に乱流を起こさせて熱媒体が外管１の内壁に接触する機会を増やせるよう構成することも好ましい。
なお、図１においては流路制限体２に内設された貫通孔５を１本として記載したが、１本に限られるものでなく、複数本設けることがあってもよい。

そして、前記流路制限体２が、内部での空気対流が少ない独立発泡材、連続発泡材、又はグラスウール等の断熱効果を有する素材で形成され、地中熱との熱交換を終えた熱媒体が前記流路制限体２に内設された貫通孔５を上昇する際、前記流路制限体２との間で熱交換が行われることなく地上に取り出せるよう配慮されている。
また、前記貫通孔５に、図１に示すように断熱チューブ６を挿入して、より断熱効果を高めることがあってよい。
さらに外管１には耐腐食性、耐久性等を考慮してステンレス管、高密度ポリエチレン管、又は硬質塩化ビニル管を用いることが好ましい。さらにまた、外管として既成杭を用いることがあってもよい。

なお、図１の概念図においては、前記外管１を地中に垂直に埋設するよう表示したが、傾斜地など垂直に埋設孔を掘削するのが困難な地形にあっては、斜め又は水平に掘削された埋設孔に埋設することがあってよい。

地中熱と熱交換され地上に導出された熱媒体は、ヒートポンプ等地上の熱交換器に導かれ、地中で得た熱を地中とは逆方向の熱交換を空気や水との間で行って、冷暖房や道路の融雪などに利用される。そして地中で得た熱を放出した熱媒体は、再度前記第１の隙間３に導入され、循環して使用される。

図２に本発明の地中熱交換システムの第２の実施例の概念図を示した。
本実施例は、地中に埋設した筒状体からなる外管１１と、前記外管１１内に挿設されたの筒状体からなる内管１２と、前記外管１１の内壁面と前記内管１２の外周面との間に形成された熱媒体流路１３と、前記外管１１の底部壁面又は内管１２の底部壁面に穿設された熱媒体取出口に接続された熱媒体流路用の断熱性を有する管体１４とからなり、かつ、前記内管１２の内側に土が詰められて構成され、
熱媒体が上方から熱媒体流路１３に導入され、次いで外管１１及び内管１２を介して地中熱と熱交換された熱媒体が、外管１１の底部壁面又は内管１２の底部壁面に穿設された熱媒体取出口から熱媒体流路用の断熱性を有する管体１４を上昇して地上に導出されるよう構成されている。
そして前記熱媒体流路１３が熱交換効率を高めるためその幅を１．５ｍｍ〜１０．０ｍｍに設定されてなり、また該熱媒体流路１３に突起物や粒状体を配して、下降する熱媒体に乱流を起こさせて熱媒体が外管１１内壁および内管の外壁に接触する機会を増やせるよう構成されることも好ましい。
また、外管１１と内管１２の間の間隔を１．５ｍｍ〜１０．０ｍｍに保持して外管１１と内管１２の大きさを変えれば、外管１１及び内管１２を介して地中熱との熱交換を行える熱媒体の量も変化するので、導入時との温度差の大きい熱媒体を必要とする量を得られる。
さらに外管１１及び内管１２には耐腐食性、耐久性等を考慮してステンレス管、高密度ポリエチレン管、又は硬質塩化ビニル管を用いることが好ましい。さらにまた、外管１１として既成杭を用いることがあってもよい。
なお、導出中の熱媒体からの熱損失を防ぐため、熱媒体流路用の管体１４には断熱チューブ等断熱性を有するものが用いられるのが好ましい。
地中熱と熱交換され地上に導出された熱媒体は、ヒートポンプ等地上の熱交換器に導かれ、地中で得た熱を地中とは逆方向の熱交換を空気や水との間で行って、冷暖房や道路の融雪などに利用される。そして地中で得た熱を放出した熱媒体は、再度前記熱媒体流路１３に導入され、循環して使用される。

図３には、地中熱と熱交換された熱媒体と空気との間の熱交換を、ヒートポンプ等地上の熱交換器で行うのでなく、地下に埋設された熱交換システム内で、熱媒体が地中熱と熱交換を行うと同時に、熱交換し終えた熱媒体と空気との間で直接熱交換を行う仕組みの地中熱交換システムの概念図を示した。
本実施例は図３に示すように、地中に水平に埋設された筒状体からなる外管２１と、前記外管２１内に挿設された筒状体の内管２２と、前記内管２２内に挿設された柱状体からなる流路制限体２３と、前記外管２１の内壁面と前記内管２２外壁面との間に形成された熱媒体流路２４と、前記内管２２の内面と前記流路制限体２３の外周面との間に形成された空気流路２５とからなり、
熱媒体が前記熱媒体流路２４の左右いずれかの一端に導入され、外管２１を介して地中熱と熱交換された熱媒体が他端から導出されるように構成されるとともに、前記空気流路２５に、前記熱媒体の流れの向きとは逆の向きに空気を流し、前記内管２２を介して地中熱と熱交換された熱媒体との間で熱交換を行わせるように構成されている。そして、前記熱媒体流路２４は、外管の内面と内管の外面との間隙が、実施例１及び実施例２と同様に１．５ｍｍ〜１０．０ｍｍに設定され、空気流路は２．０ｃｍ〜３．０ｃｍに設定されるのが好ましい。
さらに外管２１及び内管２２には耐腐食性、耐久性等を考慮してステンレス管、高密度ポリエチレン管、又は硬質塩化ビニル管を用いることが好ましい。
この地中熱交換システムは、地中に水平に配置されるので、この地中熱交換システムを複数個並置して接続し、或いは蛇行させるなどして設置面積の狭い土地においても地中熱と空気との間で熱媒体を介しての効果的な熱交換が実現できる。

１：外管
２：流路制限体
３：第１の間隙
４：第２の間隙
５：貫通孔
６：断熱チューブ
１１：外管
１２：内管
１３：熱媒体流路
１４：管体
１５：Ｕチューブ
２１：外管
２２：内管
２３：流路制限体
２４：熱媒体流路
２５：空気流路

Claims (6)

1. 地中に埋設した有底筒状体からなる外管（１）と、前記外管（１）内に挿設された柱状体からなる流路制限体（２）と、前記外管（１）の内壁面と前記流路制限体（２）の外周面との間に形成された熱媒体流路用の第１の間隙（３）とからなり、かつ前記流路制限体（２）には縦長に貫通孔（５）が内設されてなり、さらに前記流路制限体（２）の底面と前記外管（１）の底面との間には熱媒体流路用の第２の間隙（４）が設けられて構成され、
   熱媒体が上方から第１の間隙（３）に導入され、次いで外管（１）を介して地中熱と熱交換された熱媒体が第２の間隙（４）を経由し、さらに前記貫通孔（５）を上昇して地上に導出されるようにしたことを特徴とする地中熱交換システム。
2. 地中に埋設した筒状体からなる外管（１１）と、前記外管（１１）内に挿設された筒状体からなる内管（１２）と、前記外管（１１）の内壁面と前記内管（１２）の外周面との間に形成され底部が閉止された熱媒体流路（１３）と、前記外管（１１）の底部壁面又は内管（１２）底部壁面に穿設された熱媒体取出口に接続された熱媒体の取出流路としての断熱性を有する管体（１４）とからなり、かつ、前記内管（１２）の内側に土が詰められて構成され、
   熱媒体が上方から熱媒体流路（１３）に導入され、次いで外管（１１）及び内管（１２）を介して地中熱と熱交換された熱媒体が、外管（１１）の底部壁面又は内管（１２）の底部壁面に穿設された熱媒体取出口から熱媒体の取出流路としての管体（１４）を上昇して地上に導出されるようにしたことを特徴とする地中熱交換システム。
3. 前記第１の間隙（３）又は熱媒体流路（１３）の幅が、１．５ｍｍ〜１０．０ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の地中熱交換システム。
4. 前記第１の間隙（３）又は熱媒体流路（１３）に突起物や粒状体を配して熱媒体に乱流を起こさせ、熱媒体が外管内壁に接触する機会を増やしてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の地中熱交換システム。
5. 前記流路制限体（２）が、内部での空気対流が少ない独立発泡材、連続発泡材、又はグラスウール等の断熱効果を有する素材で形成されてなることを特徴とする請求項１、３、４のいずれか１項に記載の地中熱交換システム。
6. 前記熱媒体が、不凍液又は水であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の地中熱交換システム。
   

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