JP2015152236A - 地中熱採熱システム及び地中熱冷暖房又は給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来のクローズド型水平式の地中熱採熱システムよりも熱交換量が多く実用的な地中熱採熱システムを提供する。
【解決手段】地中浅層部に埋設した熱交換パイプに熱交換媒体を循環させることにより地中熱を採熱するクローズド型水平式の地中熱採熱システムであって、地中浅層部Ｇ１に設置され、水浸透性を有する熱交換層１００と、熱交換層１１０内に埋設された熱交換パイプ１２０と、熱交換パイプ１２０の上方から熱交換層１１０に地下水を供給する地下水供給装置１３０とを備える地中熱採熱システム１００。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱採熱システム及び地中熱冷暖房又は給湯システムに関する。

地中熱採熱システムは、採熱装置の構造によりオープン型の地中熱採熱システムとクローズド型の地中熱採熱システムに大別される。このうち、クローズド型の地中熱採熱システムは、例えば、特許文献１及び２に記載されている。このうち、特許文献１に記載されたクローズド型の地中熱採熱システムは、垂直式の地中熱採熱システム（クローズド型垂直式の地中熱採熱システム）であり、特許文献２に記載されたクローズド型の採熱装置は、水平式の地中熱採熱システム（クローズド型水平式の地中熱採熱システム）である。

これらの地中熱採熱システムのうち、オープン型の地中熱採熱システムは、地下水を直接採取しその熱エネルギーを交換するものであるため、クローズド型の地中熱採熱システムよりも利用可能な熱交換量が多く実用的であるが、地下水を涵養するための設備が別途必要であり、配管内にたまるスケール等のメンテナンスが必要でありメンテナンス性に劣るという問題がある。

クローズド型の地中熱採熱システムは、上記のような問題はないが、クローズド型の地中熱採熱システムのうち、クローズド型垂直式の地中熱採熱システムは、施工コスト（建設コスト）が高いという問題があるため、クローズド型垂直式の地中熱採熱システムよりも施工コスト（建設コスト）が安いクローズド型水平式の地中熱採熱システムの普及が期待されている。

特開２０１１−１９１０１４号公報 特開２０１３−２１７６０３号公報

しかしながら、クローズド型水平式の地中熱採熱システムにおいては、大気中の気候変動に伴う気温変化の影響を受けやすく、また、地下水が存在しないか非常に少ない地中浅層部で熱交換を行うため、利用可能な熱交換量が少なく実用的でないという問題がある。

そこで、本発明は、そのような問題を解決するためになされたもので、従来のクローズド型水平式の地中熱採熱システムよりも利用可能な熱交換量が多く実用的な地中熱採熱システムを提供することを目的とする。

本発明者らは、上述した目的を達成すべく鋭意努力を重ねた結果、本来は、大気中の気候変動に伴う気温変化の影響を受けやすく、また、地下水が存在しないか非常に少ない地中浅層部で熱交換を行わざるを得ないクローズド型水平式の地中熱採熱システムであっても、そのような地中浅層部に十分な量の地下水を供給して熱交換を行わせるとともに、熱交換された後の熱ポテンシャルが低下した地下水を徐々に地下浸透させることこととすれば、利用可能な熱交換量を増大することが可能となり、もって、従来のクローズド型水平式の地中熱採熱システムよりも利用可能な熱交換量が多く実用的な地中熱採熱システムを提供することが可能となることに思い至り、本発明を完成させるに至った。

［１］本発明の地中熱採熱システムは、地中浅層部に埋設した熱交換パイプに熱交換媒体を循環させることにより地中熱を採熱するクローズド型水平式の地中熱採熱システムであって、地中浅層部に設置され、水浸透性を有する熱交換層と、前記熱交換層内に埋設された前記熱交換パイプと、前記熱交換パイプの上方から前記熱交換層に地下水を供給する地下水供給装置とを備えることを特徴とする。

［２］本発明の地中熱採熱システムにおいては、前記熱交換層が、人工土砂層からなることが好ましい。

［３］本発明の地中熱採熱システムにおいては、前記人工土砂層が、細粒土分を含まない人工土砂層（すなわち人工砂礫層）であることが好ましい。

［４］本発明の地中熱採熱システムにおいては、前記熱交換層の底面及び／又は前記熱交換層の内部には、土木シート（土木安定シートということもある。）が配設されていることが好ましい。

［５］本発明の地中熱採熱システムにおいては、前記熱交換層が、ポーラスコンクリート層及び当該ポーラスコンクリート層の上部に設けられた人工土砂層からなることが好ましい。

［６］本発明の地中熱採熱システムにおいては、前記熱交換層の底面には、土木シートが配設されていることが好ましい。

［７］本発明の地中熱採熱システムにおいては、前記地下水供給装置は、井戸と、当該井戸から前記熱交換層に地下水を移送するポンプ及び導管と、前記導管から前記熱交換層に地下水を供給する供給口を有することが好ましい。

［８］本発明の地中熱採熱システムにおいては、前記熱交換層には、地下水の水位をモニターするための水位計と、熱交換層の温度をモニターするための温度計とが配設されており、前記地下水供給装置は、前記水位計によりモニターされた水位情報及び前記温度計によりモニターされた温度情報に基づいて、前記地下水の供給動作を制御する機能を有することが好ましい。

［９］本発明の地中熱採熱システムにおいて、前記熱交換層においては、地下水の地盤浸透の速度をｖｇとし、地下水の自然対流の速度をｖｆとしたとき、ｖｇ＞ｖｆなる関係を満たすことが好ましい。

［１０］本発明の地中熱冷暖房又は給湯システムは、本発明の地中熱採熱システムと、前記地中熱採熱システムの熱交換媒体を用いて熱交換するヒートポンプとを備えることを特徴とする。

本発明の地中熱採熱システムによれば、上記したように、熱交換パイプの上方から熱交換層に地下水を供給する地下水供給装置を備えることから、地中浅層部に十分な量の地下水を供給して熱交換を行わせるとともに、熱交換された後の熱ポテンシャルが低下した地下水を徐々に地下浸透させることが可能となる。その結果、本発明の地中熱採熱システムは、利用可能な熱交換量を増大することが可能となり、従来のクローズド型水平式の地中熱採熱システムよりも利用可能な熱交換量が多く実用的な地中熱採熱システムとなる。また、本発明の地中熱冷暖房又は給湯システムは、本発明の地中熱採熱システムの場合と同様に、従来のクローズド型水平式の地中熱採熱システムを用いた地中熱冷暖房又は給湯システムよりも利用可能な熱交換量が多く実用的な地中熱冷暖房又は給湯システムとなる。

実施形態１に係る地中熱採熱システム１００及び地中熱冷暖房又は給湯システム１０の断面図である。 実施形態１に係る地中熱採熱システム１００の要部を示す断面図である。 実施形態１に係る地中熱採熱システム１００の要部を示す断面図である。 実施形態２に係る地中熱採熱システム２００の断面図である。 実施形態２に係る地中熱採熱システム２００の要部を示す断面図である。 実施形態３に係る地中熱採熱システム３００の断面図である。 実施形態３に係る地中熱採熱システム３００の要部を示す断面図である。

本発明の地中熱採熱システム１００及び地中熱冷暖房又は給湯システム１０を図に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

［実施形態１］
１．地中熱採熱システム及び地中熱冷暖房又は給湯システムの構成
図１は、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００及び地中熱冷暖房又は給湯システム１０の断面図である。図１中、符号Ａ_１は熱交換パイプ１２０を熱交換媒体が流れる方向を示し、符号Ａ_２は熱交換層１１０を地下水が浸透する方向を示す。以下の図面においても同様である。
図２は、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００の要部を示す断面図である。図２（ａ）は熱交換層１１０の内部における熱交換パイプ１２０の敷設状態を示す縦断面図であり、図２（ｂ）は熱交換層１１０の内部における水位計１４１，１４２及び温度計１４３の敷設状態を示す縦断面図である。なお、図２においては、土木シート１１２の図示を省略している。
図３は、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００の要部を示す断面図である。図３（ａ）は熱交換層１１０の内部における熱交換パイプ１２０の敷設状態を示す横断面図であり、図３（ｂ）は熱交換層１１０の内部における導管１３３の敷設状態を示す横断面図である。

実施形態１に係る地中熱冷暖房又は給湯システム１０は、図１〜図３に示すように、地中熱採熱システム１００（実施形態１に係る地中熱採熱システム１００）と、地中熱採熱システム１００の熱交換媒体を用いて熱交換するヒートポンプ２１と、建物内の空調機（冷暖房機）又は給湯器２２とを備える地中熱冷暖房又は給湯システムである。ヒートポンプ２１は、蒸発器と凝縮器とを含む間接式のヒートポンプ式熱交換器である。

そして、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００は、図１〜図３に示すように、地中浅層部に埋設した熱交換パイプに熱交換媒体を循環させることにより地中熱を採熱するクローズド型水平式の地中熱採熱システムであって、地中浅層部Ｇ１に設置され、水浸透性を有する熱交換層１１０と、熱交換層１１０内に埋設された熱交換パイプ１２０と、熱交換パイプ１２０の上方から熱交換層１１０に地下水を供給する地下水供給装置１３０とを備える。

地中浅層部Ｇ１とは、概ね地面から１０ｍよりも浅い部分の層又は地盤をいい、後述する地中深層部Ｇ２とは、地中浅層部よりも深い部分であって、帯水層を含む層又は地盤をいい、後述する地盤Ｇ３とは、地中浅層部Ｇ１よりも下方の地盤をいう。

熱交換層１１０は、細粒土分を含まない人工土砂層（すなわち人工砂礫層）からなる。人工土砂層としては、例えば、砕石又は河川産洗い砂利を用いる。中でも砂利の角がとがっていなくて、熱交換パイプ１１０や土木シート１１２を損傷する可能性の小さい河川産洗い砂利を用いるのが好ましい。

熱交換層１１０の底面及び熱交換層１１０の内部には、図１〜図３に示すように、土木シート１１１，１１２が配設されている。土木シート１１１，１１２は、熱交換層１１０全体としての透水係数を所定の透水係数内に調整するために用いる。土木シート１１１，１１２としては、繊維間に適度な空隙を有する汎用の土木シート（例えば、ポリエステル繊維を用いた一般土木用織布。）を用いることができる。なかでも、厚さ０．１９〜１．１４ｍｍで透水係数が５×１０^−３ｃｍ／ｓ〜５×１０^−２ｃｍ／ｓの土木シートを用いることが好ましい。

熱交換層１１０の側面には、図１及び図２に示すように、遮水シート１１３が配設されている。遮水シート１１３は、熱交換層１１０と周囲の地盤Ｇ１との間の水の流通を防止するために用いる。遮水シート１１３としては、例えば、汎用の遮水シート（例えば、塩化ビニル製の土木工事用遮水シート、加硫ゴム系の土木工事用遮水シートなど。）を用いることができる。

熱交換層１１０の上面には、図１及び図２に示すように、遮水シート及び断熱材１１４が配設されている。遮水シート及び断熱材１１４は、雨水が熱交換層１１０にしみ込まないように、かつ、熱交換層１１０の温度が地表の温度に影響されにくくするようにするために用いる。遮水シート及び断熱材１１４としては、上記した汎用の遮水シート及び汎用の断熱材（例えば、厚さ１０ｃｍの発泡スチロール製の板材）を用いることができる。

熱交換層１１０の大きさは、ヒートポンプの出力に応じた必要採取熱エネルギー量に見合う地下水および地中の熱量を貯熱し得る大きさとする。

熱交換層１１０を設置する場所としては、ある程度、地下水が豊かな地盤で、かつ、地下水を浸透し易い地盤（例えば、砂礫層、なかでも河川の近くの砂礫地盤）がある場所を選択することが好ましい。

熱交換パイプ１２０は、例えば、外径２７ｍｍ〜５０ｍｍ、内径２１ｍｍ〜４１ｍｍ程度の高密度ポリエチレン製のパイプである。熱交換パイプ１２０としては、市販の地中熱交換システム用パイプを用いることができる。熱交換パイプ１２０は、図３に示すように、例えば、ループ状に敷設する。また、熱交換パイプ１２０は、図１、図２及び図３（ｂ）に示すように、鉛直方向に複数段になるように敷設する。また、熱交換パイプ１２０は、ヒートポンプの出力に応じて複数の熱交換パイプを並列に敷設したものであってもよい（図３（ａ）参照。）。

地下水供給装置１３０は、図１に示すように、井戸１３１と、当該井戸１３１から熱交換層１１０に地下水１３７を移送するポンプ１３２及び導管１３３と、導管１３３（導管先端部１３４）から熱交換層１１０に地下水を供給する供給口１３５とを有する。なお、図１中、符号１３６は地下水の水位をモニターするための水位計を示す。当該水位計は投入水位計である。井戸１３１の深さは、地下水の賦存形態によるが、例えば１０ｍ〜５０ｍとする。

熱交換層１１０には、図２（ｂ）に示すように、地下水の水位をモニターするための水位計１４１，１４２と、熱交換層１１０の温度をモニターするための温度計１４３が配設されている。そして、地下水供給装置１３０は、水位計１４１，１４２によりモニターされた水位情報及び温度計１４３によりモニターされた温度情報に基づいて、地下水の供給動作を制御する機能を有する運転制御部１４０を備える。なお、水位計１４１は投入水位計であり、水位計１４２は電極水位計である。

２．地中熱採熱システムの使用例
（１）ヒートポンプとの接続
まず、図１に示すように、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００をヒートポンプ２１に接続し、ヒートポンプ２１を建物内の空調機（冷暖房機）又は給湯器２２に接続しておく。夏季の冷房時、冬季の暖房時、給湯時には、以下のようにして、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００及び地中熱冷暖房又は給湯システム１０を使用する。

（２）夏季
夜間に地下水（例えば１５℃）を熱交換層１１０に供給して、熱交換層１１０の温度を下げておく。日中室内の温度が上がってきたら、熱交換媒体（例えば、水、不凍液など。）を介して、熱交換層１１０の冷熱と室内の温熱との熱交換を行うことにより、室内を冷房するとともに、室内の温熱を熱交換層１１０に排出する。すると熱交換層１１０が徐々に暖まってくるが、その暖まった水が当該熱交換層１１０の下方に位置する土砂層（地盤Ｇ３）に徐々に浸透する過程で、温熱が当該土砂層（地盤Ｇ３）に排出される。従って、熱交換層１１０の温度が上がり難くなり、従来のクローズド型水平式の地中熱採熱システムよりも熱交換量が多く実用的な地中熱採熱システムとなる。

（３）冬季
夜間に地下水（例えば１５℃）を熱交換層１１０に供給して、熱交換層１１０の温度を上げておく。日中又は夜間に室内の温度が下がってきたら、熱交換媒体（例えば、水、不凍液など。）を介して、熱交換層１１０の温熱と室内の冷熱との熱交換を行うことにより、室内を暖房するとともに、室内の冷熱を熱交換層１１０に排出する。すると熱交換層１１０が徐々に冷えてくるが、その冷えた水が当該熱交換層１１０の下方に位置する土砂層に徐々に浸透する過程で、冷熱が当該土砂層（地盤Ｇ３）に排出される。従って、熱交換層１１０の温度が下がり難くなり、従来のクローズド型水平式の地中熱採熱システムよりも熱交換量が多く実用的な地中熱採熱システムとなる。

（４）給湯器貯湯槽昇温時
地下水（例えば１５℃）を熱交換層１１０に供給して、熱交換層１１０の温度を地下水の温度に近づけておく。給湯器貯湯槽昇温時には、熱交換層１１０で熱交換された熱交換媒体（例えば、水、不凍液など。）の熱エネルギーをヒートポンプで昇温して貯湯槽に温水を蓄えるとともに、熱交換媒体（例えば、水、不凍液など。）の冷熱を熱交換層１１０に排出する。すると熱交換層１１０が徐々に冷えてくるが、その冷えた水が徐々に下方の熱交換層１１０に浸透する過程で、冷熱が熱交換層１１０の下方に位置する土砂層（地盤Ｇ３）に排出される。従って、熱交換層１１０の温度が下がり難くなり、従来のクローズド型水平式の地中熱採熱システムよりも熱交換量が多く実用的な地中熱採熱システムとなる。また、夏季においては冷房による排熱と給湯器貯湯槽昇温による吸熱が相殺され好都合である。

（５）地下水供給のタイミング
実施形態１に係る地中熱採熱システム１００において、熱交換層１１０内の地中熱エネルギーが不足（低下）した場合は、昼間に熱交換層に地下水を供給してもよい。地下水供給装置１３０による地下水の供給動作の制御は、熱交換層１１０内に設置した水位計１４１，１４２や温度計１４３によりモニターされた水位情報や温度情報並びにヒートポンプの運転状況に基づいて行う。

３．地中熱採熱システムの作用・原理
本発明は、地下水の流れを地表面近くの地盤（地中浅層部Ｇ１）内に人為的に実現し、そこに設置費用が安価ないわゆる水平ループ型の採熱管（熱交換パイプ１２０）を布設し、採熱効率に優れ設置費用が廉価なシステムを実現するものである。まず、流動する地下水を地中浅層部Ｇ１に実現する方法を図１を用いて説明する。地中に設置した１本の井戸１３０で地中深層部Ｇ２に滞水する熱エネルギーの高い地下水を例えば水中ポンプ１３２により揚水する。揚水した地下水を地表面近くに構築した熱交換層１１０の天端部分に供給（散水、給水)する。熱交換槽１１０の内部には例えば透水性の高い砕石が充填されていて、かつ、底面には浸透性の高い地盤Ｇ３に直に接しているため、熱交換槽１１０の上部に供給された地下水は、重力の作用により熱交換層１１０内を流下し下方の地盤に浸透してゆく。最終的には、地下浸透が進み地中深層部Ｇ２の滞水層に還元される。このような機構により、熱交換層１１０の内部には、鉛直方向に下向きの地下水流れが実現されることになる。これにより高効率の地中採熱が可能となる（効果Ａ）。

本発明の地中熱採熱システム１００においては、この鉛直方向の地下水流れに直交する形で例えば水平ループ状の熱交換パイプ１２０を配設して、地下水の熱エネルギーを採取する構造とする。このように地表面近くに水平ループ方式で熱交換パイプ１２０を敷設することで、施工コストの低減化を図ることができる（効果Ｂ）。

熱交換層１１０の内部の地下水は自由水面を有し、基本的に水位変動を許容するものとする。この水位は、熱交換層１１０の内部に設置した水位計により変動が計測され、かつ、熱交換層１１０の内部に設置した温度計により温度変化情報が得られる仕組みとする。この水位と温度の情報にヒートポンプの運転情報を加味して、ポンプの運転が最適となるように制御を行う。制御の例として、夏季の冷房需要を想定した場合には、電力に余剰がある夜間に水中ポンプを稼動させて熱交換層１１０内を満水状態とし、熱交換層内の熱エネルギーを高める。冷房需要で電力が逼迫する昼間はポンプの稼動を抑制し、運転効率の高いヒートポンプの稼動で昼間帯のピーク電力の抑制を実現する。このようにして、夜間の余剰電力により地下水を揚水し、空調が必要な昼間帯のエネルギーとして供給することで、日サイクルの中にエネルギーの有効活用を実現することができる（効果Ｃ）。

熱交換層１１０は、供給された地下水の熱エネルギーを蓄積し地下水ととも熱交換パイプ１２０に熱エネルギーを供給するばかりでなく、熱交換層１１０内の地下水の自由対流を抑制して、熱交換パイプ１２０内の熱交換媒体と交換された熱負荷(夏季冷房使用時の地下水の温度上昇)が水面上部に蓄積することを防止する機能を有する。熱交換後の地下水の温度上昇が例えば５℃〜１０℃であると仮定した場合、熱交換層１１０の下方にある地盤Ｇ３の透水係数を１×１０^−４ｃｍ／ｓ程度とすることで、地下浸透による強制対流を卓越させ、温度上昇による自然対流の発生を防ぐことができる。すなわち、熱交換後の排熱は、熱交換層１１０内に留まることなく、地下に浸透処理されるのである(効果Ｄ)。透水係数は、後述する式を用いて算出することが出来る。

本発明の地中熱採熱システム１００においては、地下水は地表には出ることなく、水循環が地下の密閉空間で完結している。つまり、地中の地下水の流れを人為的に実現したものであるから、地下水の揚水には該当しない。従って、今後予想される、地下水の取水制限や、地下水汚濁（汚染）防止の規制にも適用性の高いシステムとなる（効果Ｅ）。

現在わが国で普及している地中熱ヒートポンプの種類には、間接方式と直膨式がある。間接方式とは、ヒートポンプと地中熱交換器の間に樹脂または金属製の熱交換器を設置し、その中を循環する水又は不凍液を介して間接的に地中から採熱する方法で、わが国ではこの方式が一般的に普及している。一方、直膨式はヒートポンプの採熱管を地中に埋設し、直接土壌と熱交換する方式で、間接方式に比べてヒートポンプの運転効率は高いといわれている。しかしながら、配管長や分配形式によっては圧力損失が大きくなることや、熱交換媒体の漏出のリスクや封入技術等に難点があり高い施工精度が必要とされ、わが国では普及していない。

本発明の地中熱採熱システムは、上記効果Ａ及び効果Ｂにより、長さが短くかつ圧力損失の少ないループ状の採熱管を地上の開空間で十分管理された状況で施工が可能となる。このため、従来のボアホール型に比して直膨式の熱交換媒体の封入に適していることから、直膨式の安価で熱交換効率に優れるヒートポンプシステムの実現に適している（効果Ｆ）。

以上により、本発明の地中熱採熱システムは、従来技術と比して高い性能を有するものとなる。

以下、本発明で重要な、自然対流（熱対流ということもある）と強制対流との関係を説明する。
熱の移動には、空間を通して離れた物体間に熱が移動する放射、物質の移動を伴わないで熱が物体の高温部から低温部へ移動する伝導、そして流体の実質の流れによって熱が移動する対流の３形態がある。土砂のような多孔質体内が水で飽和している場合には、熱の移動は伝導と対流が主体となる。このうち対流には、飽和水内の不均質な温度分布に起因する自然対流とそれ以外の要因で起こる強制対流がある。自然対流は、水温の変化で生じた水の質量の変化（例えば温度上昇に伴う密度低下による浮力）による対流で、強制対流は密度変化に起因しない対流であり、例えば、重力作用による地盤Ｇ３への浸透により発生する対流（地下浸透流）である。水のみの場合（水槽等）は温度変化に伴い自然対流が発生し、上層部が高温、下層部が低温となる。これに対して飽和土砂中の水の移動は土砂中の空隙が僅かであることから対流が発生し難い。この度合いは土砂の透水係数と水の温度差に比例し、かつ、土砂の間隙率の逆数に比例し、自然対流の速度ｖｆは次式で示される。

この場合、飽和土砂内の水温の変化に伴い発生する自然対流の速度ｖｆを上回る地下地盤浸透による強制対流があれば、飽和土砂内の自然対流の発生を抑えることができる。言い換えれば、自然対流を生じさせないためには、ｖｇ＞ｖｆとなるように地下浸透による強制対流の速度ｖｇを自然対流の速度ｖｆよりも卓越させれば良い。これにより、土砂層内の蓄熱（いわゆる熱枯れ）を回避することができる。

上式で明らかなように自然対流の速度ｖｆのコントロールは土砂中の間隙率と透水係数の調整で可能となる。これは土砂材料の粒度調整または土木シート(織布)若しくは両者の組み合わせにより実現できる。強制対流の速度ｖｇは土砂部より下の地盤の当該地固有の特性である透水係数に支配されるが、透水係数が大きく土砂内の水が大量に地盤内に浸透するような場合には、地盤と土砂との境界面に土木シートを布設し浸透速度を調整することも可能である。このような人工的な土砂層と地盤からなる装置を地下水循環型地中熱土槽と呼ぶ。この土槽内に地中熱ヒートポンプの一次側の採熱管を敷設した地中熱採熱装置を地下水循環型地中採熱システムと呼ぶ。

ゆえに、本発明は、地下水の未利用熱エネルギーを効率的に取得することを目的とする、自然対流を発生させないように人工的に造った土槽内で常に新しい熱エネルギーを持つ地下水の連続若しくは間欠供給を受ける採熱装置を提供するものである。

４．地中熱採熱システム及び地中熱冷暖房又は給湯システムの効果
実施形態１に係る地中熱採熱システム１００によれば、熱交換パイプ１２０の上方から熱交換層１１０に地下水を供給する地下水供給装置１３０を備えることから、地中浅層部に十分な量の地下水を供給して熱交換を行わせるとともに、熱交換された後の熱ポテンシャルが低下した地下水を徐々に地下浸透させることが可能となる。その結果、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００は、利用可能な熱交換量を増大することが可能となり、従来のクローズド型水平式の地中熱採熱システムよりも利用可能な熱交換量が多く実用的な地中熱採熱システムとなる。その結果、同じ採熱量を確保するのに従来のクローズド型水平式の地中熱採熱システムの場合よりも狭い敷地面積で済むという効果もある。

特に、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００によれば、地下水供給装置１３０の運転を夜間に行うこととすれば、安価な深夜電力を使用できるため、エネルギー使用量を抑制することが可能となり、また、日中の電力のピークカットにも資するものとなる。

また、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００は、地下水を活用するシステムであるが、元来クローズド型の地中熱採熱システムであることから、オープン型の地中採熱システムのように配管内にたまるスケール等をメンテナンスする必要がなく、メンテナンス性にも優れたものとなる。また、地下水を涵養するための設備を別途準備する必要がなく、自然への負担も小さい。

また、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００によれば、元来水平式の地中熱採熱システムであることから、高価な垂直式のボアホールが不要となるなど、垂直式の地中熱採熱システムと比較して、工事難易度が低く容易に施行でき施工コストも低いものとなる。

また、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００によれば、熱交換層１１０が、人工土砂層からなることから、土砂の粒度を調整することで透水係数を調整することが可能となる。これにより、自然対流（熱対流ということもある）の速さよりも、地下水が下方の土砂層に浸透する速さを速くすることが可能となり、熱交換層に排出された排熱（温熱又は冷熱）を熱交換層の下方に位置する土砂層（地盤Ｇ３）にスムーズに排出することが可能となる。

なお、地盤浸透が遅すぎると熱交換層１１０に排熱がこもり、採取できる熱エネルギーが少なくなる一方において、地盤浸透が速すぎると地下水の供給量を多くしないといけなくなる。これらの観点から言えば、熱交換層１１０の透水係数は５×１０^−２ｃｍ／ｓ〜５×１０^−３ｃｍ／ｓ程度であることが好ましい。

また、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００によれば、地下水供給装置１３０が、井戸１３１と、当該井戸１３１から熱交換層１１０に地下水を移送するポンプ１３２及び導管１３３と、導管１３３から熱交換層１１０に地下水を供給する供給口１３４を有することから、地下水が地表に出ることなく、また、地下水がそのまま下方の地盤３に浸透していくことから、別途地下水の涵養設備を準備する必要がない。

また、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００によれば、地下水供給装置１３０が、水位計１４１，１４２によりモニターされた水位情報及び温度計１４３によりモニターされた温度情報に基づいて、地下水の供給動作を制御する機能を有することから、常に最適なタイミングで最適な量の地下水を熱交換層に供給することが可能となり、利用可能な熱交換量を最大限に増大することが可能となる。

以上説明したように、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００は、熱交換層１１０における、水の地盤浸透の速度をｖｇとし、水の自然対流の速度をｖｆとしたとき、ｖｇ＞ｖｆなる関係を満たすこと、すなわち、熱交換層１１０内の水温の変化に伴って発生する「水の自然対流」の速度ｖｆよりも「水の地盤浸透」の速度ｖｇを卓越させる条件で地中熱を採熱するようにしたことから、熱交換層１１０内における蓄熱（いわゆる熱枯れ）を回避することができ、従来のクローズド型水平式の地中熱採熱システムよりも利用可能な熱交換量が多く実用的な地中熱採熱システムとなる。

［実施形態２］
図４は、実施形態２に係る地中熱採熱システム２００を説明するために示す図である。図４（ａ）は地中熱採熱システム２００の縦断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）とは直交する方向から見た地中熱採熱システム２００の縦断面図である。なお、図４（ｂ）においては、地下水供給装置２３０の図示は省略している。
図５は、実施形態２に係る地中熱採熱システム２００の要部を示す斜視図である。なお、図５においては、地下水供給装置２３０、接続管２３４、土木シート２１１，２１２、遮水シート２１３並びに遮水シート及び断熱材２１４の図示は省略している。

実施形態２に係る地中熱採熱システム２００は、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００と同様に、地中浅層部に埋設した熱交換パイプに熱交換媒体を循環させることにより地中熱を採熱するクローズド型水平式の地中熱採熱システムである。そして、図４に示すように、地中浅層部Ｇ１に設置され、水浸透性を有する熱交換層２１０と、熱交換層２１０内に埋設された熱交換パイプ２２０と、熱交換パイプ２２０の上方から熱交換層２１０に地下水を供給する地下水供給装置２３０とを備える。

実施形態２に係る地中熱採熱システム２００が、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００と大きく異なるのは、熱交換パイプの構成である。すなわち、実施形態２に係る地中熱採熱システム２００においては、熱交換パイプ２２０として、ポリエチレン製の細いパイプがシート状に構成されたシート状熱交換パイプ２２３（例えば幅９００ｍ、長さ５６００ｍｍ）及び接続管２２４を用いる。そのようなシート状熱交換パイプとしては、市販の樹脂製シート状熱交換パイプ（例えば、Ｇ−カーペット）を用いることができる。熱交換パイプ２２０は、図４及び図５に示すように、鉄筋製又は樹脂製の架台２５０，２５１を用いて、シートを縦方向に折り返して、鉛直方向に３段になるように敷設する。

熱交換層２１０は、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００の場合と同様に、細粒土分を含まない人工土砂層（すなわち人工砂礫層）を用いる。人工土砂層は、熱交換層２１０の底面及び熱交換層２１０の内部には、図４に示すように、土木シート２１１，２１２が配設されており、熱交換層２１０の側面には、遮水シート２１３が配設されており、熱交換層２１０の上面には、遮水シート及び断熱材２１４が配設されている。

熱交換層２１０の大きさは、ヒートポンプの出力に応じた必要採取熱エネルギー量に見合う地下水及び地中の熱量を貯熱し得る大きさとする。また、ヒートポンプの出力に応じてシート状熱交換パイプを複数枚直列もしくは並列に連結し使用することもある。

なお、実施形態２に係る地中熱採熱システム２００において、地下水供給装置２３０による地下水の供給動作の制御は、実施形態１の場合と同様に、熱交換層２１０内に設置した水位計や温度計（ともに図示せず）によりモニターされた水位情報や温度情報並びにヒートポンプの運転状況に基づいて行う。

このように、実施形態２に係る地中熱採熱システム２００は、熱交換パイプの構成が、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００の場合とは異なるが、地中浅層部Ｇ１に設置され、水浸透性を有する熱交換層２１０と、熱交換層２１０内に埋設された熱交換パイプ２２０と、熱交換パイプ２２０の上方から熱交換層２１０に地下水を供給する地下水供給装置２３０とを備えることから、実施形態１に係る地中熱採熱システム１００の場合と同様に、従来のクローズド型水平式の地中熱採熱システムよりも利用可能な熱交換量が多く実用的な地中熱採熱システムとなる。

［実施形態３］
図６は、実施形態３に係る地中熱採熱システム３００を説明するために示す図である。図６（ａ）は地中熱採熱システム３００の縦断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）とは直交する方向から見た地中熱採熱システム３００の縦断面図である。なお、図６（ｂ）においては、地下水供給装置３３０の図示は省略している。
図７は、実施形態３に係る地中熱採熱システム３００の要部を示す斜視図である。なお、図７においては、人工土砂層３１５、地下水供給装置３３０、接続管２３４、土木シート３１１、遮水シート３１３及び遮水シート及び断熱材３１４の図示は省略している。

実施形態３に係る地中熱採熱システム３００は、実施形態２に係る地中熱採熱システム２００と同様に、地中浅層部に埋設した熱交換パイプに熱交換媒体を循環させることにより地中熱を採熱するクローズド型水平式の地中熱採熱システムである。そして、図６に示すように、地中浅層部Ｇ１に設置され、水浸透性を有する熱交換層３１０と、熱交換層３１０内に埋設された熱交換パイプ３２０と、熱交換パイプ３２０の上方から熱交換層３１０に地下水を供給する地下水供給装置３３０とを備える。

実施形態３に係る地中熱採熱システム３００が、実施形態２に係る地中熱採熱システム１００と大きく異なるのは、熱交換層の構成である。すなわち、実施形態３に係る地中熱採熱システム３００においては、熱交換層３１０として、ポーラスコンクリート層３１５と、当該ポーラスコンクリート層の上部に設けられた人工土砂層３１６からなる熱交換層を用いる。

熱交換パイプ３１０は、実施形態２に係る地中熱採熱システム２００の場合と同様に、ポリエチレン製の細いパイプがシート状に構成されたシート状熱交換パイプ３２３（例えば、幅９００ｍ、長さ５６００ｍｍ）及び接続管３２４を用いる。

熱交換層３１０のポーラスコンクリート層３１５の内部には、シート状熱交換パイプ３２３が埋設され、熱交換層３１０の人工土砂層３１６には、地下水供給装置３３０の導管先端部３３４及び供給口３３５が配設されている。

熱交換層３１０の底面には、図６に示すように、土木シート３１１が配設されており、熱交換層３１０の側面には、遮水シート３１３が配設されており、熱交換層３１０の上面には、遮水シート及び断熱材３１４が配設されている。

なお、実施形態３に係る地中熱採熱システム３００において、地下水供給装置３３０による地下水の供給動作の制御は、実施形態１及び２の場合と同様に、熱交換層３１０内に設置した水位計や温度計（ともに図示せず）によりモニターされた水位情報や温度情報並びにヒートポンプの運転状況に基づいて行う。

このように、実施形態３に係る地中熱採熱システム３００は、熱交換層の構成が、実施形態２に係る地中熱採熱システム２００の場合とは異なるが、地中浅層部Ｇ１に設置され、水浸透性を有する熱交換層３１０と、熱交換層３１０内に埋設された熱交換パイプ３２０と、熱交換パイプ３２０の上方から熱交換層３１０に地下水を供給する地下水供給装置３３０とを備えることから、実施形態２に係る地中熱採熱システム２００の場合と同様に、従来のクローズド型水平式の地中熱採熱システムよりも利用可能な熱交換量が多く実用的な地中熱採熱システムとなる。

実施形態３に係る地中熱採熱システム３００は、熱交換パイプ３２０が配設されたポーラスコンクリート層３１５を半製品として工場で製造しておき、そのようにして製造されたポーラスコンクリート層３１５を用いて現場で残りの施工作業をすることも可能である。このようにすることによって、現場での作業を簡略化することが可能となる。

なお、実施形態３に係る地中熱採熱システム３００においては、セメント、混和剤、細骨材、粗骨材の配合比率を調整してポーラスコンクリートのポーラス度を調整することで熱交換層３１０の透水係数を調整することが可能である。また、適切な透水係数を有する土木シートを用いることで熱交換層３１０全体としての透水係数を調整することも可能である。これにより、自然対流の速さよりも、地下水が下方の土砂層（地盤Ｇ３）に浸透する速さを速くすることで、熱交換層に排出された排熱（温熱又は冷熱）を熱交換層の下方に位置する土砂層にスムーズに排出することが可能となる。

以上、本発明の地中熱採熱システム及び地中熱冷暖房又は給湯システムを上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

（１）実施形態１又は２においては、人工土砂層として、細粒土分を含まない人工土砂層（すなわち人工砂礫層）からなる人工土砂層を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。細粒土分を含む人工土砂層を用いることもできる。

（２）実施形態１〜３においては、熱交換層の底面及び／又は熱交換層の内部に土木シートが配設された熱交換層を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。土木シートが配設されていない熱交換層を用いることもできる。粒度調整をすれば、土木シートは必ずしも必要ない。

（３）実施形態１〜３においては、熱交換層の側面に遮水シートが配設された熱交換層を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。遮水シートが配設されていない熱交換層を用いることもできる。

（４）実施形態１〜３においては、熱交換層の上面に遮水シート及び断熱材が配設された熱交換層を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。遮水シート及び断熱材が配設されていない熱交換層を用いることもできる。

（５）実施形態１に係る地中熱採熱システム１００は、熱交換パイプとして、ループ状の熱交換パイプを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。スパイラル状、蛇行状、螺旋状、リング状又はバスケット状の熱交換パイプを用いることもできる。

（６）実施形態１に係る地中熱採熱システム１００は、熱交換パイプとして、高密度ポリエチレン製の熱交換パイプを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。ポリブテン製の熱交換パイプやステンレス製の熱交換パイプを用いることもできる。

（７）実施形態１〜３においては、地下水供給装置として、導管先端部に供給口が形成された地下水供給装置を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。導管先端部が透水性のある素材でできた地下水供給装置を用いることもできる。

（８）実施形態１に係る地中熱冷暖房又は給湯システム１０は、ヒートポンプとして、間接式のヒートポンプ２１を備えるものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。直膨式のヒートポンプを備えるものであってもよい。

（９）実施形態１に係る地中熱冷暖房又は給湯システム１０は、ヒートポンプを備えるものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。ヒートポンプを備えないパッシブ型の地中熱冷房システムであってもよい。

（１０）河川・池等の水源の近傍で水の流れがある場所でにおいて、河川水等を導水する装置が付加できる場合には、井戸水の揚水装置を用いないで本採熱装置を使用することができる。

１０…地中熱利用冷暖房又は給湯システム、２１…ヒートポンプ、２２…建物内の空調機（冷暖房機）又は給湯器、１００，２００，３００…地中熱採熱システム、１１０，２１０，３１０…熱交換層、１１１，１１２，２１１，２１２，３１１…土木シート、１１３，２１３，３１３…遮水シート、１１４，２１４，３１４…遮水シート及び断熱材、１１５，２１５，３１５…マンホール蓋、１２０，２２０，３２０…熱交換パイプ、１２１…導入部、１２２…導出部、１３０，２３０，３３０…地下水供給装置、１３１，２３１，３３１…井戸、１３２，２３２，３３２…ポンプ、１３３，２３３，３３３…導管、１３４，２３４，３３４……導管先端部、１３５，２３５，３３５…供給口、１３６，２３６，３３６…水位計、１３７，２３７，３３７…地下水、１４０…運転制御部、２２３，３２３…シート状熱交換パイプ、２２４，３２４…接続管、３１５…ポーラスコンクリート層、３１６…人工土砂層、Ｂ…建物、Ｇ…地面、Ｇ１…地中浅層部、Ｇ２…地中深層部

Claims (10)

1. 地中浅層部に埋設した熱交換パイプに熱交換媒体を循環させることにより地中熱を採熱するクローズド型水平式の地中熱採熱システムであって、
   地中浅層部に設置され、水浸透性を有する熱交換層と、
   前記熱交換層内に埋設された前記熱交換パイプと、
   前記熱交換パイプの上方から前記熱交換層に地下水を供給する地下水供給装置とを備えることを特徴とする地中熱採熱システム。
2. 請求項１に記載の地中熱採熱システムにおいて、
   前記熱交換層が、人工土砂層からなることを特徴とする地中熱採熱システム。
3. 請求項２に記載の地中熱採熱システムにおいて、
   前記人工土砂層が、細粒土分を含まない人工土砂層であることを特徴とする地中熱採熱システム。
4. 請求項２又は３に記載の地中熱採熱システムにおいて、
   前記熱交換層の底面及び／又は前記熱交換層の内部には、土木シートが配設されていることを特徴とする地中熱採熱システム。
5. 請求項１に記載の地中熱採熱システムにおいて、
   前記熱交換層が、ポーラスコンクリート層及び当該ポーラスコンクリート層の上部に設けられた人工土砂層からなることを特徴とする地中熱採熱システム。
6. 請求項５に記載の地中熱採熱システムにおいて、
   前記熱交換層の底面には、土木シートが配設されていることを特徴とする地中熱採熱システム。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の地中熱採熱システムにおいて、
   前記地下水供給装置は、井戸と、当該井戸から前記熱交換層に地下水を移送するポンプ及び導管と、前記導管から前記熱交換層に地下水を供給する供給口を有することを特徴とする地中熱採熱システム。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の地中熱採熱システムにおいて、
   前記熱交換層には、地下水の水位をモニターするための水位計と、熱交換層の温度をモニターするための温度計とが配設されており、
   前記地下水供給装置は、前記水位計によりモニターされた水位情報及び前記温度計によりモニターされた温度情報に基づいて、前記地下水の供給動作を制御する機能を有することを特徴とする地中熱採熱システム。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の地中熱採熱システムにおいて、
   前記熱交換層においては、地下水の地盤浸透の速度をｖｇとし、地下水の自然対流の速度をｖｆとしたとき、ｖｇ＞ｖｆなる関係を満たすことを特徴とする地中熱採熱システム。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の地中熱採熱システムと、
    前記地中熱採熱システムの熱交換媒体を用いて熱交換するヒートポンプとを備える地中熱利用冷暖房又は給湯システム。