JP2014224665A - 地中熱熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシング内に配置された熱交換チューブの熱交換効率を高めた地中熱熱交換装置を提供する。
【解決手段】地表Ｇから地中に向けて掘削された熱交換井２に沿って挿入される円筒状のケーシング３の一部にスリット３１を設けて、ケーシング３内に地下水を貯留させ、その中に熱交換チューブ４を挿入するとともに、熱交換チューブにスペーサ５を設けて熱交換チューブ４同士が絡まないようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、利用側熱源で生成される熱と、地中熱とを所定の熱媒体を介して熱交換する地中熱熱交換装置に関し、さらに詳しく言えば、地下水を利用してより熱交換効率を高めた地中熱熱交換装置に関する。

地中熱の利用形態としては、熱媒体を循環させる熱交換チューブを地中に設けられた熱交換井に埋設して熱交換を行う地中熱利用型と、地下水を汲み上げて熱交換に利用する地下水利用型の２種類に大別されるが、最近では、両者を合わせたハイブリッド型の地中熱熱交換装置も提案されている。

すなわち、例えば特許文献１に記載されているように、ハイブリッド型の地中熱熱交換装置では、地表面から地中に形成された熱交換井に沿って差し込まれるケーシングの一部にスリットなどの透水処理を施すことで、ケーシング（鋼管）内に地下水が流れるようにし、そこに熱交換チューブを差し込んで地下水との間で熱交換させるようにしている。

これによれば、常に一定温度の地下水がケーシング内に流れるため、熱交換チューブと地下水との間で安定した熱交換が行われるようになっている。

しかしながら、このハイブリッド型地中熱熱交換装置には、以下のような問題が残されている。すなわち、従来のハイブリッド型は、ケーシング内部の地下水位面から地表面までの間が中空（すなわち、熱伝導率が最も悪い空気層）であるため、その間では熱交換はほとんど行われていなかった。

また、従来の熱交換チューブには、一本の熱交換チューブをＵ字状に折り曲げて、束ねたＵチューブをケーシング内に挿入して熱交換を行っているが、Ｕチューブを束ねているため、往路側と復路側が接触しやすく、その部分での熱交換効率が落ち、その結果、装置全体の熱交換効率が低下することがある。

特開２００８−２９２０３０号公報

そこで、本発明の課題は、ケーシング内に配置された熱交換チューブの地下水との熱交換効率を高めた地中熱熱交換装置を提供することにある。

上述した課題を解決するため、本発明は以下に示すいくつかの特徴を備えている。すなわち、本発明は、利用側熱源で生成された熱と、地中熱とを所定の熱媒体を介して熱交換する地中熱熱交換装置において、上記地中熱熱交換装置は、地表面から地中に向けて掘削される熱交換井と、上記熱交換井に沿って挿入される筒状のケーシングと、上記熱媒体が流れる熱交換チューブとを有し、上記ケーシングには、上記地中内を流れる地下水の一部を上記ケーシング内に流すための透水孔が施されており、上記熱交換チューブには、上記熱交換チューブ同士を所定の間隔をもって保持するためのスペーサが設けられていることを特徴としている。

より好ましい態様として、上記ケーシングの地下水位線よりも上の上部側には、仕切り板を介して充填材が充填されていることを特徴としている。

より好ましい態様として、上記充填材は、コンクリート、モルタルまたは土のいずれかが充填されていることを特徴としている。

また、上記透水孔は、上記地下水の帯水層の全域にわたって設けられていることを特徴としている。

これによれば、熱交換チューブの往路側と復路側とがスペーサを介して一定間隔をもって支持されることにより、常に一定の熱交換効率を確保することができる。また、ケーシングの上部に充填材を充填することで、地下水が存在しないケーシングの上部側での熱交換を促し、システム全体の熱交換効率を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る地中熱熱交換装置の全体図。 上記地中熱熱交換装置のケーシングの上部側を拡大した部分拡大断面図。 上記地中熱熱交換装置の部分横断面図。 （ａ），（ｂ）上記ケーシングのスリットの形状を示す模式図。 スペーサの斜視図。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、この地中熱熱交換装置１には、複数の地中熱熱交換器１ａ〜１ｉが含まれている。各地中熱熱交換器１ａ〜１ｉは、地表面Ｇから地中に向かってほぼ垂直に掘削されており、この例では所定の間隔をもって９箇所に配置されている。なお、各地中熱熱交換器１ａ〜１ｉの基本的な構成は同一である。

各地中熱熱交換器１ａ〜１ｉは、地表面Ｇから地中に向かって垂直に掘削された熱交換井２と、熱交換井２に沿って挿入されるケーシング３と、ケーシング３の内部に挿入される熱交換チューブ４とを備えている。

各地中熱熱交換器１ａ〜１ｉのうち、地中熱熱交換器１ａの熱交換井２ａ（以下、一番熱交換井２ａ）は、その底部が地下の帯水層Ａよりもさらに不透水層まで至る深さまで掘削されている。

すなわち、一番熱交換井２ａは、まず最初に掘削される試掘用の熱交換井であり、帯水層Ａの正確な位置の把握や、以降に掘削される地中熱熱交換器１ｂ〜１ｉの各熱交換井２の掘削深さや帯水層Ａにおける温度変化や地下水の流速などを計測するためのＴＲＴ／ＴＣＰテスト（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｔｅｓｔ／Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｔｅｓｔ）に供するために帯水層Ａよりも深く（不透水層Ｂに到達する位置）なるように形成されている。

この一番熱熱交換井２ａには、上述したＴＲＴ／ＴＣＰテストに供するため専用のケーシング３ａが挿入されている。ケーシング３ａは、地表面Ｇから底部に至るまでの長さを有する鋼管からなり、その表面には透水処理としてのスリット３１が多数設けられている。

この例において、スリット３１は、図４（ａ）に示すように、ケーシング３ａの軸線方向に沿って平行なスリットを千鳥状に配置したものからなり、ケーシングの下端側から上端側のほぼ全域にわたって形成されている。

なお、図４（ｂ）に示すように、スリット３１に代えて丸孔３１ｂであってもよいし、角穴などであってもよい。さらに、その配置も千鳥状や格子状など、使用に応じて任意に選択されてよい。

これによれば、ケーシング３ａの全周に渡ってスリット３１が設けられていることにより、ケーシング３ａを一番熱交換井２ａに沿って埋め込むと、スリット３１を通ってケーシング３ａの内側に地下水が流れる。

その際、ケーシング３ａの上端から底部にかけて一定間隔で温度センサを配置し、ＴＲＴ／ＴＣＰテストによって温度分布変化を計測することにより、帯水層Ａの正確な範囲と、帯水層Ａの中で地下水がどのように流れているかを計測することができ、その結果、熱交換がより効果的となる位置を判別することができる。

この測定データに基づいて、二番熱交換井２ｂ以降のケーシング３は、その長さが地表面Ｇから帯水層Ａのほぼ下端にかけての長さとなるように形成され、さらに帯水層Ａに対応した最適な位置にスリット３１を設けることで、ケーシング３の施工コストを抑えることができる。

より好ましい態様としては、地下水が積極的に流れる位置でスリットの本数や面積を増やすことにより、さらに熱交換効率を高めた運転が可能となる。

ケーシング３の上部側（地下水位線ＷＬよりも上方となる位置）には、充填材（グラウト）３２が充填されている。図２を併せて参照して、ケーシング３の上部側には、充填材３２を充填するための蓋部材（パッカー）３３と、蓋部材３３を押さえるストッパー３４とを備えている。

ストッパー３４は、ケーシング３の内周面に沿って形成されたフランジ状を呈し、例えば溶接などによってケーシング３の内周面に一体的に固定されている。この例において、ストッパはリング状に形成されているが、これ以外の形状であってもよく、少なくとも蓋部材３３の抜け落ちを防止できればよい。

蓋部材３３は、例えば鋼板やグレーチングなどからなり、後述する熱交換チューブ４が挿通される挿通部３３１を備えている。蓋部材３３の材質は、少なくとも充填材３２が下に落ちないような形状を備えていればよい。

充填材３３は、コンクリートやモルタル、熱交換井２を掘削した際の残土などを充填したものからなり、熱交換チューブ４に沿って密着するように設けられている。また、充填材３３に透水性を持たせて、充填材３３に水を染みこませてより熱交換効率を高めるようにしてもよい。

これによれば、ケーシング３の上部側を充填材３３で満たすことで、地下水位線ＷＬよりも上方に配置された熱交換チューブ４の熱交換を促すことができ、より熱交換効率を高めることができる。

さらに、図３に示すように、ケーシング３の内周面には、スリット３１を介して土砂がケーシング３の内側に流れ込まないようにするための土砂防止シート３５が設けられている。土砂防止シート３５は、透水性を有するシートからなり、ケーシング３の内周面に沿って密着するように貼り合わせられている。

この例において、土砂防止シート３５はケーシング３の内周面に貼り合わせられているが、ケーシング３の外周面に沿って貼り付けられていてもよい。

次に、熱交換チューブ４は、直管チューブをＵ字状に折り曲げて、一方を往路側、他方と復路側としたＵ字管が用いられ、その折り曲げた先端がケーシング３の底部に向けて挿入されている。この例において、熱交換チューブ４は、１つの熱交換井２に対して１本の熱交換チューブ４を備えているが、例えば２つのＵ字状の熱交換チューブ４をＸ字状に交差させて挿入してもよい。

熱交換チューブ４の入口側と出口側はともに、図示しない熱交換装置に接続されている。本発明において、熱交換装置は特に限定されないが、代表例としては、ヒートサイクルを利用した給湯やエアコンなどが利用側熱源として用いられる。

本発明の熱交換チューブ４には、熱交換チューブ４の往路側と復路側とを所定の間隔をもって支持するためのスペーサ５が設けられている。図３および図５を参照して、スペーサ５は、平板のベース５１を有し、その両端にコ字型のクリップ部５２，５２を備えたスパナ状に形成されている。この例において、スペーサ５は、熱交換チューブ５の長さ方向に沿って所定間隔をもって複数設けられている。

各クリップ部５２，５２は、熱交換チューブ４の外径に合致するように半円状に形成されており、そこに熱交換チューブ４が嵌合されるようになっている。この例において、各クリップ部５２，５２は、その先端がＣ字状に形成されているが、熱交換チューブ４を保持可能な形状であれば、その形態は仕様に応じて任意に選択されてよい。

また、この実施形態において、スペーサ５は、Ｕ字管の熱交換チューブ４を一本配置する場合に用いられるが、例えば十字状のベース５１を設け、各先端にクリップ部５２を４箇所に設けておくことで、上述したＸ字状の熱交換チューブ４にも用いることができる。

これによれば、スペーサ５によって熱交換チューブ４の往路側と復路側とが所定の間隔をもって支持されるため、熱交換チューブ４と地下水との熱交換効率を常に一定とすることができ、その結果、システム全体の熱交換効率を高めることができる。

１ａ〜１ｉ 地中熱熱交換器
２（２ａ〜２ｉ） 熱交換井
３（３ａ〜３ｉ） ケーシング
３１ スリット
３２ 充填材（グラウト）
３３ 蓋部材（パッカー）
４ 熱交換チューブ
５ スペーサ
Ａ 帯水層
ＷＬ 地下水位面

Claims (4)

1. 利用側熱源で生成された熱と、地中熱とを所定の熱媒体を介して熱交換する地中熱熱交換装置において、
   上記地中熱熱交換装置は、地表面から地中に向けて掘削される熱交換井と、上記熱交換井に沿って挿入される筒状のケーシングと、上記熱媒体が流れる熱交換チューブとを有し、上記ケーシングには、上記地中内を流れる地下水の一部を上記ケーシング内に流すための透水孔が施されており、上記熱交換チューブには、上記熱交換チューブ同士を所定の間隔をもって保持するためのスペーサが設けられていることを特徴とする地中熱熱交換装置。
2. 上記ケーシングの地下水位線よりも上の上部側には、仕切り板を介して充填材が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の地中熱熱交換装置。
3. 上記充填材は、コンクリート、モルタルまたは土のいずれかが充填されていることを特徴とする請求項２に記載の地中熱熱交換装置。
4. 上記透水孔は、上記地下水の帯水層の全域にわたって設けられていることを特徴とする請求項１，２または３に記載の地中熱熱交換装置。

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