JP2015098966A - 管部材の建て込み方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表層部の崩壊を防止しつつ作業工程の低減を図る。【解決手段】地中熱交換器に係る管部材を地盤に形成された掘削孔に建て込む管部材の建て込み方法であって、地盤の表層部に掘削孔よりも大きい径の表層孔を形成する表層孔形成工程と、表層孔の孔壁を保護する孔壁保護材であって、中空部を有する筒形状の孔壁保護材を表層孔に設置する孔壁保護材設置工程と、中空部に掘削管を貫入させて、掘削管によって所定深度の掘削孔を形成する掘削孔形成工程と、掘削孔に管部材を建て込む管部材建て込み工程と、掘削管を掘削孔から引き抜く掘削管引き抜き工程と、孔壁保護材を表層孔に残した状態で、孔壁保護材の少なくとも一部が埋まるまで、掘削孔に充填材を充填する充填材充填工程と、を有する。【選択図】図６

Description

本発明は、地中熱交換器に係る管部材の建て込み方法に関する。

通年の温度変動の小さい地中熱を利用して建物の冷暖房等を行う地中熱利用システムが注目されている。この地中熱利用システムでは、地盤との間で採・放熱を行うべく地中に地中熱交換器が設置される。そして、地中熱交換器は、管部材（例えばチューブ）に水を通すことで、例えば、夏場には地盤に放熱し、冬場には地盤から採熱する。

この地中熱交換器は、地盤に鉛直に埋設される管部材を有する。そして、この管部材内に熱媒体を流し込むとともに、地中熱と熱交換後に当該熱媒体を取り出す等して、ヒートポンプ等へ送出して利用する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１３８２８号公報

このような地中熱交換器を地中に設置するべく、地盤を鉛直方向に掘削して掘削孔を形成している。この掘削の際に、地盤の表層部は柔らかいので崩壊しやすいという問題がある。また、表層部の崩壊を防止する対策を行うと、後述するように、地中熱交換器の設置の作業工程が増加するという問題がある。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたもので、その主な目的は、表層部の崩壊を防止しつつ作業工程の低減を図ることにある。

かかる目的を達成するために本発明の管部材の建て込み方法は、
地中熱交換器に係る管部材を地盤に形成された掘削孔に建て込む管部材の建て込み方法であって、
前記地盤の表層部に前記掘削孔よりも大きい径の表層孔を形成する表層孔形成工程と、
前記表層孔の孔壁を保護する孔壁保護材であって、中空部を有する筒形状の孔壁保護材を前記表層孔に設置する孔壁保護材設置工程と、
前記中空部に掘削管を貫入させて、前記掘削管によって所定深度の前記掘削孔を形成する掘削孔形成工程と、
前記掘削孔に前記管部材を建て込む管部材建て込み工程と、
前記掘削管を前記掘削孔から引き抜く掘削管引き抜き工程と、
前記孔壁保護材を前記表層孔に残した状態で、前記孔壁保護材の少なくとも一部が埋まるまで、前記掘削孔に充填材を充填する充填材充填工程と、
を有することを特徴とする。
このような管部材の建て込み方法によれば、孔壁保護材により表層部の崩壊を防止できる。また、孔壁保護材を表層孔から引き抜がないことにより作業工程の低減を図ることが可能である。

かかる管部材の建て込み方法であって、前記孔壁保護材の上端まで前記充填材を充填することが望ましい。
かかる管部材の建て込み方法であって、前記充填材充填工程の後、前記孔壁保護材の上面を覆う蓋部材を設置する蓋部材設置工程をさらに有することが望ましい。
このような管部材の建て込み方法によれば、より確実に養生することが可能である。

かかる管部材の建て込み方法であって、前記孔壁保護材は樹脂製であることが望ましい。
このような管部材の建て込み方法によれば、孔壁保護材を表層孔に残しておくことが可能である。

かかる管部材の建て込み方法であって、前記蓋部材は樹脂製であることが望ましい。
このような管部材の建て込み方法によれば、既製品を利用でき、養生を簡易に行うことが可能である。

本発明によれば、表層部の崩壊を防止しつつ作業工程の低減を図ることが可能である。

本実施形態に係る地中熱交換器２１を用いた地中熱利用システム１１の説明図である。 図２Ａは、地盤Ｇの竪孔２３を透視して見た地中熱交換器２１の概略側面図であり、図２Ｂは、図２Ａ中のＢ−Ｂ断面図である。 図３Ａ〜図３Ｅは、比較例における地中熱交換器２１の設置工事の施工手順の説明図である。 掘削の作業工程を示す概略図である。 掘削管２４の連結構造を説明するための概略拡大縦断面図である。 図６Ａ〜図６Ｄは、本実施形態における地中熱交換器２１の設置工事の施工手順の説明図である。

＝＝＝本実施形態＝＝＝
＜＜＜地中熱交換器について＞＞＞
図１は、本実施形態に係る地中熱交換器２１を用いた地中熱利用システム１１の説明図である。図２Ａは、地盤Ｇの竪孔２３を透視して見た地中熱交換器２１の概略側面図であり、図２Ｂは、図２Ａ中のＢ−Ｂ断面図である。

この地中熱利用システム１１は、地盤Ｇとの間で熱交換を行う地中熱交換器２１と、地中熱交換器２１の熱媒体２６からの熱を利用して建物１の暖房のための温水や冷房のための冷水を生成するヒートポンプ１５と、循環ポンプ１７とを有する。なお、ヒートポンプ１５の構成は周知なので、その説明は省略する。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、この地中熱交換器２１は、所謂「ボアホール方式」である。すなわち、地盤Ｇに形成された掘削孔としての竪孔２３と、竪孔２３に挿入されるＵ字管３０と、竪孔２３とＵ字管３０との間の空間ＳＰ２３に充填される充填材２７と、を有している。そして、Ｕ字管３０の一方の管端開口３５ａには、ヒートポンプ１５から熱媒体２６として水又は不凍液等が送り込まれ、当該熱媒体２６は、Ｕ字管３０を流れる間に地盤Ｇの地中熱により加熱又は冷却され、しかる後に、Ｕ字管３０の他方の管端開口３５ｂから、循環ポンプ１７によりヒートポンプ１５へ向けて送られて、ヒートポンプ１５にて温水生成や冷水生成に供される。

竪孔２３は、地面Ｇにほぼ垂直に掘削された孔であり、その直径は１００〜２００ｍｍ、深さは３０〜１５０ｍである。また、竪孔２３の上部（地盤Ｇの表層部）には表層孔２３ａが形成されている。表層孔２３ａの直径は竪孔２３の直径よりも大きく、深さは１〜５ｍ程度である。また、表層孔２３ａの側壁（孔壁）には、樹脂製養生管２８が設けられている。樹脂製養生管２８は、表層孔２３ａの側壁を保護し、掘削の際の崩壊を防止するものである。樹脂製養生管２８の詳細については後述する。

Ｕ字管３０は、例えば高密度ポリエチレン等の樹脂製のＵ字形状の管である。詳しくは、当該Ｕ字管３０は、熱媒体２６の流路の折り返し部分をなすＵ字継手部３１と、Ｕ字継手部３１に連結される二本の単管３５，３５とを有し、当該Ｕ字継手部３１を竪孔２３の最深部に位置させつつ、２本の単管３５，３５の各管端開口３５ａ，３５ｂを、それぞれ竪孔２３の外に突出させている。そして、これら管端開口３５ａ，３５ｂのうちの一方（ここでは管端開口３５ａ）は、ヒートポンプ１５から送られる熱媒体２６の取入口となり、他方（ここでは管端開口３５ｂ）は、地盤Ｇとの間で熱交換した熱媒体２６をヒートポンプ１５へ送り出す送出口となる。

なお、図示例では、一つの竪孔２３につき、かかるＵ字管３０，３０が一対設けられている。つまり、図２Ａでは、奥側に隠れて見えないが、先端のＵ字継手部３１，３１を重ね合わせた状態で、一対のＵ字管３０，３０が竪孔２３内に建て込まれており、これにより、図２Ｂに示すように計４本の単管３５，３５，３５，３５が配されている。なお、Ｕ字管３０（より具体的には各々の単管３５）は管部材に相当する。

充填材２７は、例えば、モルタル、川砂や山砂、珪砂等を基材とし、Ｕ字管３０と竪孔２３との間の空間ＳＰ２３に密実に充填される。これにより、充填材２７を介して、Ｕ字管３０内の熱媒体２６と地盤Ｇとの間で熱交換が行われる。なお、この熱交換効率を高めるべく、充填材２７に対して、１〜２０％の容積含有率（＝長粒物の総容積／充填材２７の総容積）で、炭化ケイ素、アルミナ、及び高炉スラグのうちの少なくとも何れか１種からなる長粒物を混入しても良い。

＜＜＜地中熱交換器の設置工事について＞＞＞
本実施形態について説明する前に、比較例について説明する。

＜比較例＞
図３Ａ〜図３Ｅは、比較例における地中熱交換器２１の設置工事の施工手順の説明図である。

先ず、図３Ａに示すように口元掘削管２２にて地盤Ｇの表層部の掘削を行いつつ、口元掘削管２２を表層部に建て込む。なお、口元掘削管２２による掘削の方法は、後述する掘削管２４を用いたものと同様である。この口元掘削管２２は、竪孔２３形成の際に地盤表層部の崩壊を防ぐ役割をなすものであり、その長さ（管軸方向の長さ）は、例えば１〜５ｍの短尺なものである。但し、口元掘削管２２の管径（内径）は、その内周側に竪孔２３が形成されることから、竪孔２３の孔径（直径）よりも若干大きく設定されている。

次に、図３Ｂに示すように、掘削管２４を用いて口元掘削管２２の内側の地盤Ｇの部分を掘削し、最終的に孔径１００〜２００ｍｍ、深さ３０〜１５０ｍの竪孔２３を形成する。

図４は、掘削の作業工程を示す概略図である。ここでは、一部の構成を側面視で示し、それ以外の構成は縦断面視で示している。

竪孔２３の掘削は、ボーリングマシン６０によってなされる。ボーリングマシン６０は、ドリルとしての鋼製掘削管２４を管軸周りに回転可能に把持するアーム６２を有する。そして、掘削管２４の管軸方向を掘削方向たる略鉛直方向に向けながら管端面を地盤Ｇの掘削面に押し付けて管軸周りに回転させることにより地盤Ｇに竪孔２３を形成する。そして、所定の掘削深さまで達したら、地中の掘削管２４の上方に更に掘削管２４を継ぎ足して同芯に連結し、当該連結を繰り返して目標の掘削深さまで竪孔２３を掘り進めていく。そのため、竪孔２３が完成した際には、竪孔２３内にはその略全長に亘って掘削管２４，２４…の連結体が挿入された状態になっている。

なお、上下の掘削管２４，２４同士を同芯に突き合わせて連結する連結構造としては、ここでは、ねじ構造が使用されている。

図５は、掘削管２４の連結構造を説明するための概略拡大縦断面図である。図５に示すように、掘削管２４の上端部たる上側管端部２４ｅｕの内周面には、雌ねじ２５ｆが形成されており、他方、その上方に継ぎ足される掘削管２４の下端部たる下側管端部２４ｅｄの外周面には、雄ねじ２５ｍが形成されている。そして、これら雌ねじ２５ｆと雄ねじ２５ｍとが螺合することにより、これら掘削管２４，２４同士は上下に連結一体化される。

また、先頭たる最下端の掘削管２４の管端面からは、高圧の削孔水２３ｗが掘削面へ向けて噴射されるようになっており、これにより掘削性が向上されている。なお、この削孔水２３ｗの用途は、掘削に限らない。すなわち、掘削土を泥状にしつつ上方へ浮上させて排土することにも用いられる。よって、掘削終了時には、一般に竪孔２３内には、当該使用済みの削孔水が充満している。この掘削水はポンプ（不図示）などによって除去する。

このように竪孔２３を形成した後、図３Ｃに示すように、竪孔２３の掘削管２４内にＵ字管３０を建て込む。この際、Ｕ字管３０の管軸方向（単管３５の管軸方向のこと）たる長手方向を、掘削管２４の管軸方向たる鉛直方向に沿わせつつ建て込む。そして、Ｕ字管３０を目標の建て込み深さまで建て込んだら、Ｕ字管３０を切断する。

次に、図３Ｄに示すように、掘削管２４（詳しくは掘削管２４の連結体）を上方へ引き抜いて竪孔２３から取り出し、竪孔２３内に充填材２７を充填する。その後、図３Ｅに示すように、口元掘削管２２を引き抜きつつ、表層孔２３ａの内部をセメントモルタル４０で埋め戻す。

この比較例の場合、充填材を充填した後に、口元掘削管２２を引き抜き、さらに、セメントモルタル４０で表層孔２３ａを埋め戻す必要があるため作業工程が増加してしまう。そこで、以下に示す本実施形態では、作業工程の低減を図っている。

＜本実施形態＞
図６Ａ〜図６Ｄは、本実施形態における地中熱交換器２１の設置工事の施工手順の説明図である。

先ず、図６Ａに示すように、対象地盤Ｇに比較例と同様の表層孔２３ａを形成し（「表層孔形成工程」に相当）、当該表層孔２３ａに土留め用の塩化ビニル製等の樹脂製養生管２８（孔壁保護材に相当）を、管軸方向を鉛直方向に向けつつ圧入する（「孔壁保護材設置工程」に相当）。この樹脂製養生管２８は、表層孔２３ａの側壁（孔壁）を保護し、地盤表層部の崩落を防ぐものであり、中空部を有する円筒形状の部材である。樹脂製養生管２８の長さ（管軸方向の長さ）や管径は、比較例の口元掘削管２２と同様に設定されている。

次に、図６Ｂに示すように、樹脂製養生管２８の中空部に掘削管２４を貫入させ、比較例と同様に掘削管２４を管軸周りに回転させて、樹脂製養生管２８の内側の地盤Ｇの部分を掘削する。また、比較例と同様に、所定の掘削深さまで達したら、地中の掘削管２４の上方に更に掘削管２４を継ぎ足して同芯に連結し、当該連結を繰り返して目標の掘削深さまで竪孔２３を掘り進めていく。このようにして、竪孔２３を形成する（「掘削孔形成工程」に相当）。

その後、図６Ｃに示すように、竪孔２３の掘削管２４内にＵ字管３０を、その管軸方向（単管３５の管軸方向のこと）たる長手方向を、掘削管２４の管軸方向たる鉛直方向に沿わせつつ建て込む（「管部材建て込み工程」に相当）。Ｕ字管３０を目標の建て込み深さまで建て込んだら、各Ｕ字管３０を各リール装置７０から分離すべくＵ字管３０（単管３５）を切断する。

次に、掘削管２４（詳しくは掘削管２４の連結体）を上方へ引き抜いて竪孔２３から取り出す（「掘削管引き抜き工程」に相当）。そして、この掘削管２４の引き抜き作業が終わったら、図６Ｄに示すように竪孔２３内に充填材２７を入れてＵ字管３０，３０を埋める（「充填材充填工程」に相当）。なお、本実施形態（図６Ｄ）では、樹脂製養生管２８の上端まで充填材２７を充填しているが、少なくとも、表層孔２３ａ（言い換えると、樹脂製養生管２８）の一部が埋まるまで充填材２７を埋めればよい。すなわち、充填材２７の上方に空洞があってもよい。

最後に、樹脂製養生管２８（及び表層孔２３ａ）の上面を覆うように樹脂製養生蓋２９を取り付ける（「蓋部材設置工程」に相当）。ここで、樹脂製養生蓋２９は、例えば樹脂製養生管２８と同様の塩化ビニル製の蓋であり、樹脂製養生管２８の上面の形状に応じた形状のものが用いられる。例えば、本実施形態の樹脂製養生管２８は円筒形状であるので、樹脂製養生蓋２９は円形の蓋である。

なお、設備配管（例えば、図１のヒートポンプ１５への配管など）は、後で別途行われる（後工事）。このように樹脂製養生蓋２９を取り付けておくことにより、後工事までの間に他の工事などによって単管３５が傷つけられることを防止でき、確実に養生することができる。また、樹脂製養生蓋２９には既製品を利用でき、簡易に養生することができる。ただし、単管３５が傷ついたり汚れたりするおそれがなく、保護する必要のない場合は、樹脂製養生蓋２９は取り付けなくてもよい。

以上、説明したように、本実施形態では、地盤Ｇの表層部に竪孔２３よりも大きい径の表層孔２３ａを形成し、中空部を有する円筒形状の樹脂製養生管２８を表層孔２３ａに設置して表層孔２３ａの側壁（孔壁）を保護している。

そして、樹脂製養生管２８の中空部に掘削管２４を貫入させて、掘削管２４によって所定深度の竪孔２３を形成し、竪孔２３にＵ字管３０を建て込んだ後、掘削管２４を竪孔２３から引き抜いている。その後、樹脂製養生管２８を表層孔２３ａに残した状態で、樹脂製養生管２８が埋まるまで、竪孔２３に充填材２７を充填している。

これにより、樹脂製養生管２８により表層部の崩壊を防止することができる。また、樹脂製養生管２８は表層孔２３ａから引き抜かずに残しておくため、セメントモルタル４０などで表層孔２３ａを埋め戻す必要がない。よって、比較例と比べて地中熱交換器２１の設置工事の作業工程を低減することができる。

＝＝＝その他の実施の形態＝＝＝
上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。

＜Ｕ字管について＞
前述の実施形態では、竪孔２３にはＵ字管３０が一対（単管３５が４本）挿入されているが、これには限られない。例えば、挿入するＵ字管３０が１つ（単管３５が２本）であってもよい。

また、管形状は何等Ｕ字状に限るものではない。例えば、二重管式の地中熱交換器の場合には、同熱交換器の本体として、外筒と、外筒内に挿入配置される内筒とが使用され、そして、外筒としては、下端部が密閉封止された単管状の管部材が竪孔２３に建て込まれることになるが、当該単管状の管部材であっても本発明に係る建て込み方法を適用可能である。なお、この単管状の管部材の一例としては、コルゲート管（corrugated pipe：波形管）が挙げられ、当該管によれば、その外周面及び内周面の螺旋波形形状に基づく表面積の拡大効果により、地盤Ｇとコルゲート管内の熱媒体との熱交換効率を高めることができる。

＜掘削管について＞
前述の実施形態では、掘削管２４，２４同士の連結構造としてねじ構造を例示したが、何等これに限るものではなく、これ以外の周知の管継ぎ手構造を用いても良い。また、前述のねじ構造の説明の中では、掘削管２４の上側管端部２４ｅｕに雌ねじ２５ｆを設け、下側管端部２４ｅｄに雄ねじ２５ｍを設けていたが、この設置位置関係を上下逆さまにしても良い。すなわち、上側管端部２４ｅｕに雄ねじ２５ｍを設け、下側管端部２４ｅｄに雌ねじ２５ｆを設けても構わない。

また、前述の実施形態では、掘削管２４を管軸周りに回転させて掘削を行っていたがこれには限らない。例えば、振動を与えて掘削するものであってもよい。

＜樹脂製養生管、樹脂製養生蓋について＞
前述の実施形態では、樹脂製養生管２８及び樹脂製養生蓋２９は塩化ビニル製であったが、これには限られず他の樹脂を用いたものであってもよい。また、樹脂以外の材料を用いてもよい。

１ 建物、１１ 地中熱利用システム、
１５ ヒートポンプ、１７ 循環ポンプ、
２１ 地中熱交換器、２２ 口元掘削管、
２３ 竪孔（掘削孔）、２３ａ 表層孔、
２４ 掘削管、２４ｅｄ 下側管端部、２４ｅｕ 上側管端部、
２５ｍ 雄ねじ、２５ｆ 雌ねじ、２６ 熱媒体、
２７ 充填材、２８ 樹脂製養生管、２９ 樹脂製養生蓋
３０ Ｕ字管、３１ Ｕ字継手部、３５ 単管、
３５ａ 管端開口、３５ｂ 管端開口、
６０ ボーリングマシン、６２ アーム、
ＳＰ２３ 空間、Ｇ 地盤（地面）

Claims (5)

1. 地中熱交換器に係る管部材を地盤に形成された掘削孔に建て込む管部材の建て込み方法であって、
   前記地盤の表層部に前記掘削孔よりも大きい径の表層孔を形成する表層孔形成工程と、
   前記表層孔の孔壁を保護する孔壁保護材であって、中空部を有する筒形状の孔壁保護材を前記表層孔に設置する孔壁保護材設置工程と、
   前記中空部に掘削管を貫入させて、前記掘削管によって所定深度の前記掘削孔を形成する掘削孔形成工程と、
   前記掘削孔に前記管部材を建て込む管部材建て込み工程と、
   前記掘削管を前記掘削孔から引き抜く掘削管引き抜き工程と、
   前記孔壁保護材を前記表層孔に残した状態で、前記孔壁保護材の少なくとも一部が埋まるまで、前記掘削孔に充填材を充填する充填材充填工程と、
   を有することを特徴とする管部材の建て込み方法。
2. 請求項１に記載の管部材の建て込み方法であって、
   前記孔壁保護材の上端まで前記充填材を充填する
   ことを特徴とする管部材の建て込み方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の管部材の建て込み方法であって、
   前記充填材充填工程の後、前記孔壁保護材の上面を覆う蓋部材を設置する蓋部材設置工程をさらに有することを特徴とする管部材の建て込み方法。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の管部材の建て込み方法であって、
   前記孔壁保護材は樹脂製である、
   ことを特徴とする管部材の建て込み方法。
5. 請求項３に記載の管部材の建て込み方法であって、
   前記蓋部材は樹脂製である、
   ことを特徴とする管部材の建て込み方法。