JP2015141015A

JP2015141015A - 地中熱交換構造

Info

Publication number: JP2015141015A
Application number: JP2014026995A
Authority: JP
Inventors: 悟司安本; Satoshi Yasumoto; 輝幸福原; Teruyuki Fukuhara; 寛章寺▲崎▼; Hiroaki Terasaki
Original assignee: ECO PLANNER KK
Current assignee: ECO PLANNER KK
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2015-08-03

Abstract

【課題】冬期路面の積雪や凍結を防止するための熱源として、またヒートポンプと組み合わせた家屋の冷暖房の熱源としての、地中熱の熱交換構造を提供する。【解決手段】採熱管３周囲の土砂や砕石４の空隙部に、液体を充填させる。地中熱は当該地盤に埋め込まれた採熱管を流れる熱媒体９に伝達される。工事コストを抑える場合には、路面に平行に採熱管を埋め込む場合もある。トンネル内で採熱する場合には、壁面に平行に採熱管を配置する場合もある。【選択図】図１

Description

本発明は、冬期路面の積雪や凍結を防止するための熱源として、またヒートポンプと組み合わせた家屋の冷暖房の熱源としての、地中熱の熱交換構造である。

寒冷地の舗装道路や駐車場などの路面は、雨水や雪解け水などが残る場合、気温低下によって凍結することがある。
その対策のために、凍結防止剤の散布が多く用いられている。
多くの凍結防止剤の主成分は、塩化ナトリウム又は塩化カルシウムなど塩化化合物であるため、トンネル内のコンクリートや鋼材、更に、防災設備や電気配線などに悪影響を及ぼす。

また、散水法が用いられる場合もある。散水法は、道路に給水パイプを配設し、散水ノズルから路面に地下水や温水等を散布して、融氷、融雪を行うものである。しかし、排水溝を必要とする上に、散布した水が再度凍結する可能性がある。地下水を用いる場合には、地盤沈下の原因にもなる。

加熱法は、路面内部に温水パイプや電熱ヒーター等を配設して、これから供給される熱により路面の凍結防止と融雪を行うものであるが、設備やそれを運転するためのエネルギーコストが高い。

地中熱を利用して路面の凍結防止する方法もある。これは、地中又はトンネル壁面に埋設された採熱管と舗装面近くの放熱管を繋ぎ、熱媒体を通して地熱を循環させるものである。地中熱を活用するため、運転エネルギーが少なく、環境に与える負荷は少ない。ただ敷設費用がかさみ、単位凍結防止面積（ｍ^２）あたり６〜１２万円となる。

参考文献

特許公開平８−５３８０７

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。その目的は、低コストで効率よく路面の凍結防止を行う舗装構造を提供することで、［０００５］に記載した、地中熱を活用する工法を改善するものである。

また、この構造を採用することで効率的に家屋冷暖房用の熱源を採取することができる。

前記課題を解決するため、本発明は以下の如き手段を採用する。
地中熱を利用した熱交換構造において、採熱管周囲の砕石・砕砂の空隙に、液体を充填したことを特徴とするものである。

また、地中熱を利用した熱交換構造において、蓄熱水槽周囲の砕石・砕砂の空隙に、液体を充填したことを特徴とするものである。

前記［０００８］、［０００９］いずれかに記載の地中熱交換構造において、充填させる液体に蒟蒻粉を混合させることを特徴とするものである。

また、前記［０００８］、［０００９］いずれかに記載の地中熱交換構造において、充填させる液体に珪酸ナトリウムを混合させることを特徴とするものである。

また、前記［０００８］、［０００９］、［００１０］、［００１１］いずれかに記載の地中熱交換構造において、採熱管または蓄熱層周囲の砕石に、珪石を使用することを特徴とするものである。

本発明の請求項１に記載の発明によれば、地中熱は当該地盤に埋め込まれた採熱管を流れる熱媒体に伝達される。前記採熱管は地盤に垂直にたとえば、１５ｍほどの深さに埋め込まれる。
工事コストを抑える場合には、路面に平行に採熱管を埋め込む場合もある。トンネル内で採熱する場合には、壁面に平行に採熱管を配置する場合もある。

前記採熱管から地熱を採取した熱媒体は、凍結又は積雪した路面の下に設置された放熱管に移動し、路面の氷又は雪を融かす。

また、本発明の請求項２に記載の発明によれば、地中に埋め込まれた蓄熱水槽には、周囲の地中熱が伝達される。

前記蓄熱水槽で地熱を採取した熱媒体は、凍結又は積雪した路面の下に設置された放熱管に移動し、路面の氷又は雪を融かす。

この場合、前記採熱管及び前記蓄熱水槽の周囲が、伝熱効率の良い物質で覆われていれば、地中熱は効率よく採熱管又は蓄熱水槽に移動することができる。

採熱管又は蓄熱水槽が地中に埋められる場合、その周囲は砕石で埋戻しされ、そのままでは空隙が生ずる。その空隙（空気の熱伝導率０．０２４ｗ／ｍ・ｋ）が水（熱伝導率０．６３ｗ／ｍ・ｋ）などの液体で充填されているほうが伝熱効率は高く、地中の熱源は効率よく採熱管に届く。

実験（福井大学・寺崎寛章・Ｈ２５年８月）によれば、乾燥土（現場土５０％＋珪石、珪砂５０％）の熱伝導率０．４７ｗ／ｍ・ｋに対し、同湿潤土（質量含水率５〜１０％）の熱伝導率は１．０〜１．７ｗ／ｍ・ｋであった。

また、本発明の請求項３によれば、重鎮されている液体に蒟蒻粉を混合しゲル状となっているため、液体が流出することなく、路盤や路床の空隙に留まっていることになる。

そして、本発明の請求項４によれば、液体に珪酸ナトリウムを混ぜることによって、安定したゲル状となり、路盤や路床の空隙に留まっていることになる。

実験（福井大学・寺崎寛章・Ｈ２５年８月）によれば、蒟蒻粉を混合した湿潤土（現場土４５％＋珪石、珪砂４５％＋蒟蒻水１０％）の熱伝導率は、２．０ｗ／ｍ・ｋであり、［００１８］に記載した同乾燥土及び水だけの同湿潤土より高い。

本発明の請求項５によれば、路盤の砕石（通常砕石の熱伝導率０．９ｗ／ｍ・ｋ）に熱伝導率の高い珪石（熱伝導率５．０ｗ／ｍ・ｋ）を用いることによって、さらに熱伝導が良好になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係わる路面の凍結防止構造の一実施形態を示す。本発明は、１．地盤、２．掘削穴、３．採熱管、４．砕石部、５．充填材、６．放熱管、７．路盤、８．路面、９．熱媒体、１０ポンプで構成される。
以下、図１において、この作動を順次説明する。

図１において、厳冬期でも１．地盤の熱は１０℃〜１５℃に保たれている。その熱は、１．地盤から２．掘削穴に埋められた４．砕石部を通して３．採熱管に伝達される。３．採熱管の中には、１０．ポンプにより９．熱媒体が循環しており、３．採熱管から地中熱を伝達された９．熱媒体は、７．路盤中に設けられた６．放熱管に至り、８．路面の温度を引き上げ、氷や雪を融かす。

この場合、８．路面に至るまでの熱量の多少によって、８．路面の温度が左右される。すなわち、８．路面への環境からの冷却作用に対して、１．地盤から８．路面に至る熱量が少なければ、８．路面は凍結する。
また、８．路面への環境からの冷却作用に対して、１．地盤から８．路面に至る熱量が多ければ、８．路面は凍結しない。

この８．路面の氷結を左右する熱量は、４．砕石部、９熱媒体、７．路盤を通って８．路面へ至るまでの伝熱効率が大きく影響する。

一般に４．砕石部、７．路盤には、空隙があるため、これが熱移動を阻害する要因となる。しかし、この空隙に液体、例えば水を重鎮しておくことによって、空隙が無くなり、その部分の伝熱効率が高くなり、８．路面に多くの熱量が移動する。

ただ、水のような流動性の高い液体だと、４．砕石部の空隙に保持されず流出する。そこで、液体をゲル状に硬化させ、流出を防ぐ。

液体をゲル状に維持するための方法として、水に蒟蒻粉又は珪酸ナトリウムを混合させ、それを充填する。

充填工法として、水に蒟蒻粉又は珪酸ナトリウムが混合された液体を、砕石とミキシングして充填する方法や、一定間隔で注入針から注射する充填工法がある。

２．掘削穴に埋め戻される４．砕石部の砕石を、熱伝導率の高い珪石及び珪砂にすれば、その部分の伝熱効率が高くなり、８．路面に多くの熱量が移動する。

図１において、３．採熱管を、蓄熱水層に置き換えても、作用は同じである。

本発明は、冬季の舗装道路や駐車場において、路面の凍結を防止するための構造として用いられる。

また本発明は、ヒートポンプと組み合わせて、家屋の冷暖房の熱源を採取する構造として用いられる。

家屋の冷暖房には空気熱源ヒートポンプが一般的に利用されているが、冬期の寒冷地域では湿度が高く、デフロスト（霜取り）などにより効率が低下している。また、夏期の都市部では室外機から放出される熱によって、ヒートアイランドの要因ともなっていることから、地中熱利用冷暖房が普及しつつある。地中熱利用ヒートポンプ冷暖房は、空気熱源ヒートポンプ冷暖房に比べ熱源が安定していることから、エネルギー利用効率（成績係数；ＣＯＰ）が高く、化石燃料を使用する暖房に比べ二酸化炭素排出量を大幅に削減できるため、ランニングコストは安価である。しかし、イニシャルコストが高額で有り空気熱源ヒートポンプ冷暖房の５〜１０倍となる。ランニングコストの差がイニシャルコストの差を追い越すのには、利用方法にもよるが１５年〜２０年程度必要で有り、熱交換効率を上げることで、イニシャルコスト及び、ランニングコストを下げる必要がある。

本発明に係わる地中熱交換構造の一実施形態を正面側から見た断面図

１．地盤
２．掘削穴
３．採熱管
４．砕石部
５．充填材
６．放熱管
７．路盤
８．路面
９．熱媒体
１０．ポンプ

Claims

地中熱を利用した熱交換構造において、採熱管周囲の砕石・砕砂の空隙に、液体を充填した地中熱交換構造
地中熱を利用した熱交換構造において、蓄熱水槽周囲の砕石・砕砂の空隙に、液体を充填した地中熱交換構造
請求項１、２いずれかに記載の地中熱交換構造において、充填させる液体に蒟蒻粉を混合させることを特徴とする地中熱交換構造
請求項１、２いずれかに記載の地中熱交換構造において、充填させる液体に珪酸ナトリウムを混合させることを特徴とする地中熱交換構造
請求項１、２、３、４いずれかに記載の地中熱交換構造において、採熱管周囲の砕石に珪石を使用することを特徴とする地中熱交換構造