JP2014206035A - 孔内を完全分割化した同じ帯水層の採水と還元を要する採熱井 - Google Patents

Abstract

【課題】地下熱を利用した地下水の水循環装置において、一つの帯水層の上部に注入し、同じ帯水層の下部から採水する為に、孔内を完全分割化し、帯水層下部から採水する地下水を冷却することなく地上に揚水可能にした水循環装置の採熱井を提供する。
【解決手段】孔内を揚水側と注入側に対して、ケーシングパイプ３の内側を二重管１１で分割し、そしてケーシングパイプ外側は、ケーシングパイプと掘削壁面との隙間を固結セメント７で遮水し、同じ帯水層１８，１９を上部と下部に完全分割化する。注入水は帯水層の上部に圧力注入され、同帯水層の地下水と混合しながら下部の方にゆっくりと流下し、同帯水層の下部からの地下水を採水し揚水する。この際、冷却された注入水は二重管の外側を通るために、揚水管１４と一切、接触する事もないので、温度の高い地下水は冷却する事もなく地上に揚水できる。
【選択図】図−１

Description

本発明は、孔内を完全分割し、一帯水層の下層部と上層部層をそれぞれ採水層と還元層にし、地盤沈下防止と地下熱を利用した採熱井として提供する。

従来、孔内を分割し還元井戸を不要とし、地下熱を採熱した地下水を地上で循環して、複管を通して、同孔内に流入させ、流入した還元水は上部の別帯水層に注入する方法として提供されている。（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

特許文献１では、太陽エネルギーを地中に蓄積しながら、孔内に水封パッキングで、揚水と注入を遮断し、下部帯水層から採水し、上部の別の帯水層に注入する方法である。

又、特許文献２では、太陽エネルギーからの熱を蓄積する事は記されてないが、特許文献１と同じ方法で孔内を遮水材で遮断し、下部帯水層から採水し、上部の別の帯水層に注入する方法である。しかし、特許文献１により、特許庁の経過情報として出願項目記事に査定種別として拒絶査定となっている。

特開昭５７−１０４０５１号公報 特開２００３−３０７０８９号公報 特開２００４−３１７１０２号公報

発明が解決しようとする課題

しかしながら、特許文献１も特許文献２、及び特許文献３も従来の孔内を分割する方法には大きな欠点がある。それは分割といっても、井戸の中を遮断しているにすぎず、井戸の構造は、井戸ケーシングパイプ外径より、さらに大き口径で掘削する為に孔壁とケーシングパイプに隙間を生じる。その隙間を利用して、砂利を充填し井戸周辺の地層の砂が井内に流入することを防止したりするのが一般的な井戸の掘削完成の構造である。しかしながら、特許文献１、特許文献２、特許文献３とも掘削孔壁とケーシングパイプの隙間に関しては一切、示しておらず、仮に砂利を充填しても、上部帯水層に注入する為には孔内は加圧されており、逆に、下部帯水層から採水するには遮断された孔内下部は負圧が働き、上部孔内に流入してきた水は上部帯水層に注入されるよりむしろ、充填した砂利を浸透し、直接、下部孔内に注入水が引っ張られることが多い。特に砂利も充填されていなければ、上部管内に流入した水はケーシングパイプ外側の隙間を直接、流下し下部の穴開き管（ストレーナーパイプ）に到達して、この冷却水が汲み出されることになる。このように外気温で冷却されてきた注入水が、ケーシングパイプの外側を移動して、直に流下して下部のストレーナーから採水されるのであれば、孔内を上下分割した意味がまったくなくなるのである。よって、孔内を完全分割するという事は、ケーシングパイプ内も、ケーシングパイプ外面と孔壁の隙間も完全に遮断することとなることが、本発明が解決しようとする課題である。

また、特許文献１も特許文献２、そして特許文献３の従来の工法では、同じ孔内であっても、採水する帯水層と、注入する帯水層は別々の帯水層に分割されており、採水も注入も同じ帯水層に注入されなければ、地盤沈下につながる危険性は大である。さらに、別々の帯水層は地下水圧力も異なったり、透水係数も異なり、従来、揚水井と還元井の２本の井戸を設置しても、少しでも設置位置が離れていれば、同じ帯水層に還元しようとしても、帯水層の透水係数と距離間により、還元量はかなり減少し、還元井を２本、もしくは３本

確保をしなければならない不便さが生ずる。採水と注入を同時に行うことは、本発明のように帯水層が同じであれば地下水圧力も同じであり、採水する地点は、同じ帯水層の下部で、注入する地点は上部ということにより、地下水圧力が低下した分だけ、注入する帯水層も地下水圧力は低下しているので、注入は充分に可能である。

特許文献１には、深度７メートル〜１０メートルが上部地下水層、さらに３０メートル〜４０メートルが下部地下水層と記されているが、１０メートル〜３０メートル間に、粘土層とかの不透水層が挟んでいれば、特許文献１では注入水は上部地下水層を貫通して下部層に達すると記されているが、不透水層であれば注入水は下部帯水層に達することはありえない話であり、特許文献２も、特許文献３も、特許文献１と同じことである。
しかし、本発明は採水層も注入層も同じ帯水層であり、層厚１０メートル前後から、それ以上の帯水層の厚さであれば、帯水層の上部に注入した水は一気に下部に流下することはなく、井戸周辺の帯水層の地下水と混じりあいながら時間をかけて流下していくことになる。当然、地下水の流れや帯水層の透水係数の影響もあるが、従来の方法のようなケーシングパイプの外側面と孔壁面との隙間があったり、仮に砂利充填を施してあったとしても、

ケーシングパイプの外側の完全遮水により、ゆっくりと井戸周辺の帯水層の全体の中を浸透しながら流下していくので、地下熱を採熱し、冷却された注入水の温度回復率も高くなる。

問題を解決する為の手段

請求項１は孔内の完全分割化にするために、井戸ケーシングパイプ内に、二重管を挿入し、二重管の重量による押しつぶしパッカー材にて遮水し、ケーシングパイプ外側の隙間は、セメントミルクを流し込み固結させて完全遮水する。還元水は二重管と井戸ケーシングパイプの間を流下させ、上部ストレーナーパイプを通過させ、同じ帯水層の上部に注入する。この二重管による分割方法を利用することにより、環元水は井戸ケーシングパイプと二重管の外側の隙間を通って還元層に注入するので、揚水管に冷却されている注入水と接触する事は一切なく、地下温度の高いまま揚水される。

請求項２は、本発明の二重管設置は、採水する下部のストレーナーパイプと注入する上部のストレーナーパイプを分割する為に設置しており、地上で冷却された還元水は複管を通して孔内に流入し、二重管とケーシングパイプとの間を通過して帯水層に注入することとなっている。特許文献１、特許文献２、特許文献３は、ケーシングパイプ内で下部ストレーナーパテイプと上部ストレーナーパイプを分割しており、地上で冷却された還元水は、複管よりそのまま分割された上部のケーシングパイプ内に流入し、上部のケーシングパイプ内には冷却された還元水が満杯に溜り、そして加圧されて帯水層に注入されていく方法である。この際、揚水管は地上に伸びているので特許文献１、特許文献２、特許文献３は、上部のケーシングパイプ内に溜っている還元水で常に揚水管が冷やされた状態となり、温度の高い地下水は地上に上昇してくるまでに冷やされ温度の低下を生じる。本発明は二重管の設置により、冷却された還元水と揚水管の接触は全くない為に、温度の高い地下水は冷却されることもなく、そのまま地上に揚水されるため地上に設置されているヒートポンプ設備、あるいは舗装融雪設備にも熱効率が高く、特許文献１、特許文献２、特許文献３とは全く異なる孔内完全分割型の採熱井である。

完全分割となった採熱井は、同じ帯水層の上部から注入した水は井戸周囲の帯水層の地下水と混じり合って採熱しながら水は下部の方に浸透流下して行くことになる。

発明の効果

本発明は、井戸のケーングパイプ内、及びケーシングパイプの外側面と孔壁面との隙間も遮水することによって井戸の完全分割化となり、従来の方法のようなケーシングパイプの外側面と孔壁面との隙間を注入冷却水を通過することがないので、下部の熱源である地下熱を急激に冷ます事なく、下部の熱源の高い地下水だけを採水できる。

請求項１の二重管利用の完全分割化の方法では、冷却された注入水が揚水管に接触する事もなく、特許文献１、特許文献２、特許文献３のそれぞれの井戸ケーシングパイプ内とは全く異なる分割方法で、下部の温度の高い地下水をそのまま、地上部へと送り込むことが可能となる。

本発明の実施形態に係る二重管の完全分割方式の採熱井装置の模式図である。 ケーシングパイプ外側への遮水セメンチング方法と孔内断面図である。 発明を実施するための形態 本発明の舗装融雪施設の実施形態

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る完全分割化した採熱井装置の模式図である。採熱井１は、一般的に掘削孔壁面である掘削口径２に対して約１００ｍｍ以内程度の小さなケーシングパイプ３を孔内に挿入し、ケーシングパイプ３と掘削孔壁面との間に、砂流入防止の為に砂利を充填した構造である。

本発明の実施形態の説明を図−１、図−２に従って説明すれば、井戸のケーシングパイプ３を挿入する際、本発明とする採水と注入を完全分割化する為に、図−２のケーシングパイプ３と、セメンチング用のチュービングパイプ２４と共に挿入し、先に、図−１の下部の砂利６を採水する下部ストレーナーパイプ４の上部まで充填する。

次に、図−２のセメンチング用ポンプ２６にて、チュービングパイプ２４に、セメントミルク２５の計算量をケーシングパイプ３の注入用の上部ストレーナーパイプ５の下部の方まで圧入する。

セメントミルク２５がケーシングパイプ３の周辺に置換され、固結セメント７となり、固結後、図−１の注入用の上部の砂利８をケーシングパイプ３の頭部まで充填することにより、ケーシングパイプ３の外側の採水側と注入側とは完全分割化されたことになる。

ケーシングパイプ３の内部には、二重管１１がセットさせる為の受け皿９を取り付けてあり、二重管１１の底部には、遮水用パッキング１０をセットして、受け皿９に二重管１１の低部が着くと、遮水用パッキング１０が二重管１１の重量により圧着され、二重管１１をセット後、二重管１１とケーシングパイプ３の上部に井戸蓋１２で、溶接、またはボルト締め等で密閉して、二重管１１とケーシングパイプ３の間を加圧注入可能とし、管内も完全に遮水することにより、ケーシングパイプ３の内部も採水側と注入側が完全分割化される。

以上のように、孔内を完全に分割化する為には、本発明のように、ケーシングパイプ３の外側も内側も完全分割化となり、上部ストレーナーパイプ５から帯水層上部１８に注入水は浸透して行く、この際、上部に不透水層２１があり、注入水は帯水層のみ中の地下水と混じりながら下部の方にゆっくりと流下して浸透水の流れ２０となり、帯水層下部１９まで流下すると、下部ストレーナーパイプ４から採水され、水中ポンプ１３、または図−３の地上の循環ポンプ２３に吸い込まれ、地下温度で温められた温度の高い地下水は揚水管１４で地上に送水させられる。

地上に送水させられた地下水は往管１５を通り、ヒートポンプ１６への配管と接続し、ヒートポンプ１６を介して冷却した循環水は複管１７を通り、ケーシングパイプ３と、二重管１１の間を流下して上部ストレーナーパイプ５から帯水層上部１８に注入されることになる。この際、ケーシングパイプ３の上部は閉塞されているので、注入の際は加圧注入となる。

＜他の実施形態＞
なお、本発明で得られた地下温度で温められた地下水はヒートポンプ１６に配管することに限定されるものでなく、上記実施形態の他、図−４に示した温度の高い地下水は直接、舗装融雪部配管２２に配管接続し、融雪部配管内を循環し融雪利用として使用し、融雪配管から複管を通して孔内に還元となる。

また、図−３は、図−１の水中ポンプ１３に代わり、自然水位が高く、地上ポンプでも吸い上げられる場合は循環ポンプ２３を使用する。

地盤沈下防止など地下水くみ上げ規制地域では、還元井戸の掘削も禁止されている地域もあり、また、同じ井戸内の同じ帯水層に還元するのであれば許可するという地域もある。本発明は還元井戸を掘削せず、さらに同じ井戸の同じ帯水層に還元する採熱井であり地下水くみ上げ規制地域でも、充分に適合するものである。その為には、孔内を完全分割化し、還元される注入水は同じ帯水層内をゆっくりと流下し、帯水層の温度の高い地下水と混合しながら下部帯水層に流れ、温度の高い下部地下水と共に、再度、揚水される採熱井である。また、二重管によって、ケーシングパイプ内を分割しているので、冷却して返ってくる注入水に揚水管は触れる事もないので、温度の高い地下水は、直接的に地上に揚水可能となり、従来の孔内分割の水循環方式と異なり、孔内の完全分割によって、地下熱エネルギーをより多く使用できるものである。また、地下水くみ上げ規制地域でなくても、還元井を必要とせず、より温度の高い地下水を汲み上げることにより、ヒートポンプや融雪の循環水としても、効率の高い採熱井である。

１ 採熱井
２ 井戸掘削口径
３ ケーシングパイプ
４ 下部ストレーナーパイプ
５ 上部ストレーナーパイプ
６ 下部の砂利
７ 固結セメント
８ 上部の砂利
９ 受け皿
１０ 遮水用パッキング
１１ 二重管
１２ 井戸蓋
１３ 水中ポンプ
１４ 揚水管
１５ 往管
１６ ヒートポンプ
１７ 複管
１８ 帯水層上部
１９ 帯水層下部
２０ 浸透水の流れ
２１ 不透水層
２２ 舗装融雪部配管
２３ 循環ポンプ
２４ チュービングパイプ
２５ セメンとミルク
２６ セメンチングポンプ

Claims (2)

1. 採熱井を完全分割化する方法として、ケーシングパイプ３の途中の管内壁に受け皿９を取り付けて、ケーシングパイプを挿入設置後、揚水側と注入側を分割する為に、二重管１１の底部に取り付けた遮水用パッキング１０が、受け皿９に圧着させて揚水側と注入側を完全に分割し、ケーシングパイプ３の外側も、固結セメント７で、同じ帯水層を、帯水層上部１８と帯水層下部１９とに分割し、孔内に還元する注入水は同じ帯水層の上部に注入され、帯水層上部１８から帯水層下部１９へ浸透流下して行き、下部ストレーナーパイプ４から採水されて、地上に揚水する孔内完全分割化の採熱井である。
2. ケーシングパイプ３の内部に二重管１１を設置することで、複管１７から流出する注入水は、ケーシングパイプ３と二重管１１の間を通って帯水層上部に注入していく為、地下温度の高い地下水を送水する揚水管と、冷却された注入水とは一切、触れる事もなく、揚水温度は温度の高い下部層からの地下水は冷却される事もなく、地上に揚水される。

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