JP2015230134A

JP2015230134A - 自然熱熱交換装置

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Publication number: JP2015230134A
Application number: JP2014116586A
Authority: JP
Inventors: 高杉　真司; Shinji Takasugi; 真司高杉
Original assignee: Geo System Co Ltd
Current assignee: Geo System Co Ltd
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2015-12-21
Anticipated expiration: 2034-06-05
Also published as: JP5914574B2

Abstract

【課題】より簡単でかつ安価に敷設することが可能なクローズドループ型自然熱熱交換装置を提供する。
【解決手段】地中または水中に埋設される熱交換ユニット３を有し、熱交換ユニット３は、透水性を有するフレキシブルコンテナバッグ３１を有し、フレキシブルコンテナバッグ３１内に熱媒体が循環する第１および第２熱交換シート３２ａ，３２ｂを渦巻き状に収納した状態で、充填材３３を充填する。
【選択図】図２

Description

本発明は、自然熱を熱源側の熱媒体とし、利用側の熱媒体との間で熱交換を行う自然熱熱交換装置に関し、さらに詳しく言えば、安価かつ簡単に設置することができる自然熱熱交換装置に関する。

節電などの省エネ技術の１つとして、最近では、地中熱や河川などの自然熱を採取して、エアコンなどの利用側熱源との間で熱交換する自然熱熱交換装置が注目されている。自然熱熱交換装置には、熱媒体を循環させる熱交換チューブ（もしくは熱交換シート）を用いて熱交換を行うクローズドループ型と、汲み上げた地下水を熱交換に利用し、熱交換後に再びに地中に戻すオープンループ型との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熱交換装置も提案されている。

ところで、この種の自然熱熱交換装置の敷設方法としては、ボアホール方式や基礎杭方式、水平埋設方式などがある。しかしながら、いずれの方法においても、施工は全て現場施工であり、まず最初に地表から地中に向かって熱交換井の掘削工事を行い、そこに熱交換チューブや熱交換シートを設置してから、充填材で熱交換井内を充填している。

そのため、この種の自然熱熱交換装置は、エアコンの出力や使用状況などに応じて、熱交換チューブや熱交換シートの数やその敷設方法もまちまちであり、現場に応じて調整が必要であった。また、熱交換シートの場合は、シートを縦置きに設置するか、横置きに設置するか、さらには、螺旋状（筒状）に巻いて設置するかなど、敷設作業には技術と熟練を要した。

特開２００８−２９２０３０号公報

そこで、本発明は、より簡単でかつ安価に敷設することが可能な自然熱熱交換装置を提供する。

上述した課題を解決するため、本発明は、自然熱を熱源とし、上記自然熱と利用側の熱媒体との間で熱交換を行う自然熱熱交換装置において、地中または水中に配設される熱交換ユニットを備え、上記熱交換ユニットは、所定の間隔をもって互いに平行に配置された流入側ヘッダ管と流出側ヘッダ管との間に複数本の熱交換チューブを並列に接続してなり、上記利用側の熱媒体が上記流入側ヘッダ管から上記各熱交換チューブを同一方向に流れて上記流出側ヘッダ管に至る熱交換シートと、透水性を有するフレキシブルコンテナバッグとを有し、上記フレキシブルコンテナバッグ内には、上記熱交換シートを収納した状態で、所定の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、上記熱交換器シートは、上記フレキシブルコンテナバッグ内に、上記流入側ヘッダが外周側となり、上記流出側ヘッダが中心側となるように渦巻き状に巻回された状態で収納され、上記熱媒体が上記熱交換シートの外周側から中心に向かって一方向に流れることが好ましい。

さらに好ましい態様として、上記熱交換シートは、複数枚設けられていることが好ましい。

本発明によれば、汎用品であるフレキシブルコンテナバッグの中に、熱交換チューブまたは熱交換シートを渦巻き状に配置した状態で、その内部に充填材を充填した熱交換ユニットを予め工場などで生産しておき、現場に運び込んでそのまま敷設して配管作業を行うだけで、簡単かつ安価に自然熱熱交換装置を設置することができる。

本発明の一実施形態に係る自然熱熱交換装置の構成を示す模式図。熱交換ユニットの（ａ）平面図および（ｂ）内部構造を模式的に示す要部断面図。熱交換シートの構成を示す斜視図。熱交換シートをフレキシブルコンテナバッグに収納する方法を説明する説明図。熱交換ユニットを（ａ）横積みおよび（ｂ）縦積みした場合の敷設例を示す模式図。

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、自然熱熱交換装置１（以下、単に熱交換装置１とする）は、地表面Ｇからほぼ鉛直に掘削された熱交換井２と、熱交換井２の中に沿って配置される熱交換ユニット３と、熱交換ユニット３との間で熱交換される、利用側熱源としてのヒートポンプユニット４とを備えている。

熱交換井２は、この実施形態では、地下水位線ＷＬよりも低い（深い）位置まで掘削されている。熱交換井２の数や大きさは、仕様に応じて任意に設定されてよいが、図１では１箇所のみが示されている。

この実施形態において、熱交換井２は、より熱交換効率を高めるため、地下水が湧出する地下水位線ＷＬよりも低い位置まで掘削されているが、地中熱を用いて熱交換を行うのであれば、地下水位線ＷＬよりも高い（浅い）位置であってもよく、熱交換井２の深さは、仕様に応じて任意に設定されてよい。

熱交換井２には、熱交換ユニット３が配置された状態で、その内部には、充填材２１が充填されている。充填材２は、地下水や雨水の透水性を確保するため珪砂や砂礫などが好適に用いられる。

図２を併せて参照して、熱交換ユニット３は、透水性を有するフレキシブルコンテナバッグ３１（以下、フレコンバッグ３１と略す）と、フレコンバッグ３１内に収納され、所定の熱媒体が循環する熱交換器本体３２とを有し、フレコンバッグ３１内には、熱交換器本体３２を収納した状態で、充填材３３が充填されている。

フレコンバッグ３１は、ポリエチレンやポリプロピレン等の丈夫な化学繊維で織られたシート地を用いて袋状に形成されており、上端部が開放されている。フレコンバッグ３１の上端には、クレーン等の玉掛け作業用のベルト部３１１（図５参照）が一体的に設けられている。

フレコンバッグ３１は、地下水や雨水を浸透させるため透水性を備えていることが好ましく、この実施形態では、市販の水切りコンテナバッグが用いられている。なお、より好ましくは、目合いが１〜５ｍｍ程度のより粗いタイプが透水性がよく好適である。

フレコンバッグ３１の形状や大きさなどは、仕様に応じて任意に選択されてよい。また、長期間繰り返して使用することを目的として造られたランニング用、あるいは、１回から数回の短期使用を目的として造られたクロス用のいずれであってもよい。この実施形態において、フレコンバッグ３１は、およそ直径φ１１００ｍｍ×高さ１１００ｍｍの円筒状である。

熱交換器本体３２は、内部に熱媒体が流れる熱交換シートからなり、フレコンバッグ３１内に渦巻き状に巻回された状態で、フレコンバッグ３１の底からほぼ垂直に立てた状態で収納されている。

この実施形態において、熱交換器本体３２は、第１および第２熱交換シート３２ａ，３２ｂをそれぞれ１８０°位相とした状態で渦巻き状に巻回して収納しているが、熱交換シート３２ａ，３２ｂは、少なくとも１つであればよい。

熱交換シート３２ａ，３２ｂはともに同一構成であるため、以下においてはいずれか一方の第１熱交換シート３２ａの構成について説明する。なお、説明の便宜上、他方の第２熱交換シート３２ｂの具体的な構成についての説明は省略するが、参照符号の末尾に「ｂ」を伏して区別した。

図３を参照して、第１熱交換シート３２ａは、熱媒体循環路５の流入側配管５１に接続される流入側ヘッダ管３２１ａと、熱媒体循環路５の流入側配管５２に接続される流出側ヘッダ管３２２ａと、流入側ヘッダ管３２１ａおよび流出側ヘッダパイプ３２２ａとの間に架け渡される複数の熱交換チューブ３２３とを備えている。

この実施形態において、流出側ヘッダ管３２１ａおよび流出側ヘッダ管３２２ａはともに、ポリエチレン製の管材からなる。流入側ヘッダ管３２１ａは、下端側が開放され、上端側が閉塞されている。これに対し、流出側ヘッダ管３２２ａは、上端側が開放され、他端側が閉塞されている。

熱交換チューブ３２３は、可撓性を有する合成樹脂、好ましくはポリエチレンチューブからなり、一端が流入側ヘッダ管３２１ａに差し込まれ、他端が流出側ヘッダ管３２２ａの管内に差し込まれ、それらが互いに平行に配置されている。流入側ヘッダ管３２１ａおよび流出側ヘッダ管３２２ａは熱媒体の幹管であり、熱交換チューブ３２３はそれらの枝管である。

熱交換チューブ３２３は、各ヘッダ管３２１ａ，３２２ａの軸線方向に沿って所定間隔をもって多数、この実施形態では、φ６ｍｍ×長さ５．６ｍの熱交換チューブ３２３が１１７本が配置されており、それら全体が規則的に並んで配置されることにより、見かけ上、１枚のシート状に形成される。

熱交換チューブ３２３には、熱交換チューブ３２３の並びを整然と配列するためのスペーサ３２４が、この実施形態では３箇所に設けられている。

これによれば、熱媒体は、流入側ヘッダ管３２１ａの下端から熱交換シート６内に入り、各熱交換チューブ３２３内を、同一方向に流出側ヘッダ管３２２ａに向かって流れつつ、水との間で熱交換され、流出側ヘッダ管３２２ａの上端から吐出されて熱媒体循環路５に戻る。

この実施形態において、熱交換シート６の大きさは、長さ５．６ｍ×幅０．９ｍである。この種の熱交換シート６の一例としては、ＭＡＧＥＮ（イスラエル）社製の製品名「Ｇカーペット」が好適に用いられる。

各熱交換シート３２ａ，３２ｂは、熱媒体の入口側の流入側ヘッダ管３２１ａ，３２１ｂが中心側となり、出口側の流出側ヘッダ管３２２ａ，３２２ｂが外周側となるように渦巻き状に巻回されている。

熱交換ユニット３には、熱媒体循環路５の流入側配管５１から各流入側ヘッダ管３２１ａ，３２１ｂに案内する第１中継パイプ３２５と、熱媒体を各流出側ヘッダ管３２２ａ，３２２ｂから吐出した熱媒体を、フレコンバッグ３１の底部から中心を通って熱媒体循環路５の流出側配管５２に送り出す第２中継パイプ３２６とが設けられている。

この実施形態において、熱交換ユニット３は、流入側ヘッダ管３２１ａ，３２１ｂが中心側で、流出側ヘッダ管３２２ａ，３２２ｂが外周側に配置され、熱媒体が中心から外側に向かって流れるようになっているが、流入側ヘッダ管３２１ａ，３２１ｂを外、流出側ヘッダ管３２２ａ，３２２ｂを中心に配置し、外側から中心に向かって熱媒体が流れるようにしてもよい。

充填材３３は、フレコンバッグ３１の内部に地下水などの透水性を確保しつつ、熱交換器本体３２への傷付きを予防するため珪砂が好適である。珪砂以外にも、川砂や砕石などが用いられてもよいが、熱交換器本体３２のパイプを傷つけないようにするため、粒径が揃っており、角が面取りされていることが好ましい。

ヒートポンプユニット４は、内部にコンプレッサなどの冷凍サイクル機構を備えたユニット本体４１と、室内側に配置される室内側熱交換器４２と、室外側に配置される室外側熱交換器４３とを備えている。この実施形態において、ヒートポンプユニット４は、空気調和機（エアコン）である。

本発明において、ヒートポンプユニット４は、熱媒体を介して室内側熱交換器４２と室外側熱交換器４３との間で熱を移動させる冷凍サイクル回路を有していればよく、その具体的な構成は、仕様に応じて任意に変更されてよい。

冷媒循環路５は、内部に水や不凍液などの液体の熱媒体が一方向に向かって循環するクローズドループ回路であって、熱媒体を循環させるための図示しない循環ポンプが設けられている。冷媒循環路５の具体的な構成や、熱冷媒の種類については、仕様に応じて任意に選択されてよい。

冷媒循環路５とヒートポンプユニット４とは、室外側熱交換器４３内に設けられた熱交換器４４を介して熱交換される。この実施形態において、熱交換器４４は、冷媒循環路５内を流れる熱冷媒を貯留するタンクに室外側熱交換器４３を直に浸すことにより熱交換されるようになっている。

なお、熱交換器４４を設けることなく、室外側熱交換器４３の冷媒回路を冷媒循環路５に直結して熱交換ユニット３で熱交換するようにしてもよい。

次に、フレコンバッグ３１の中に熱交換シート３２ａを渦巻き状に収納する方法としては、図４に示す専用の収納治具６を用いることが好ましい。この収納治具６は、中心から十字状に延びる第１〜第４ベースプレート６１〜６４と、第１熱交換シート３２ａを渦巻き状に巻回するための第１ガイド棒６５ａ〜６５ｌと、第２熱交換シート３２ｂを渦巻き状に巻回するための第２ガイド棒６６ａ〜６６ｋとを備えている。

第１〜第４ベースプレート６１〜６４は、地面に対して水平に設置され、金属フレーム製で中心で一体的に連結され、それらが外側に向かって十字状に形成されている。第１ガイド棒６５ａ〜６５ｌはそれぞれ、第１〜第４ベースプレート６１〜６４からほぼ垂直に立設された金属棒である。図４においては、黒丸で示す。

第１ガイド棒６５ａ〜６５ｌは、第１熱交換シート３２ａを渦巻き状に巻回した状態するための仮想インボリュート曲線上に配置されている。第１ガイド棒６５ａ〜６５ｌのうち、第１ガイド棒６５ａ，６５ｅ，６５ｉは第１ベースプレート６１に配置されている。第１ガイド棒６５ｂ，６５ｆ，６５ｊは第２ベースプレート６２に配置されている。第１ガイド棒６５ｃ，６５ｇ，６５ｋは第３ベースプレート６３に配置されている。第１ガイド棒６５ｄ，６５ｈ，６５ｌは第４ベースプレート６４に配置されている。

これによれば、第１熱交換シート３２ａ（図４では破線で示す）の内周面を第１ガイド棒６５ａ→６５ｂ→６５ｃ→・・・・→６５ｋ→６５ｌの順に当接させていくことにより、ほぼ渦巻き状に巻回することができる。

第２ガイド棒６６ａ〜６６ｋはそれぞれ、第１〜第４ベースプレート６１〜６４からほぼ垂直に立設された金属棒である。図４においては、白丸で示す。

第２ガイド棒６６ａ〜６６ｋは、第２熱交換シート３２ｂを渦巻き状に巻回した状態するための仮想インボリュート曲線上に配置されている。第２ガイド棒６６ａ〜６６ｋのうち、第２ガイド棒６６ａ，６６ｅ，６６ｉは第１ベースプレート６１に配置されている。第２ガイド棒６６ｂ，６６ｆ，６６ｊは第２ベースプレート６２に配置されている。第２ガイド棒６６ｃ，６６ｇ，６６ｋは第３ベースプレート６３に配置されている。第２ガイド棒６６ｄ，６６ｈは第４ベースプレート６４に配置されている。

これによれば、第２熱交換シート３２ａ（図４では実線で示す）の内周面を第２ガイド棒６６ａ→６６ｂ→６６ｃ→・・・・→６６ｋの順に当接させていくことにより、ほぼ渦巻き状に巻回することができる。

収納治具６に第１および第２熱交換シート３２ａ，３２ｂを巻き付けた後、第１中継パイプ３２４と第２中継パイプ３２５とを配管する。次に、フレコンバッグ３１の開口部を下となるようにして、収納治具６の上に被せたのち、全体を上下逆さまにする。

なお、第１中継パイプ３２４と第２中継パイプ３２５とを配管したあとで、収納治具６を上下をひっくり返して、各ガイド棒６５，６６の先端を下にし、図示しないフレコンバッグ３１の中に向けて差し込んでもよい。

この状態でフレコンバッグ３１内に充填材３３を半分ほど充填し、第１熱交換シート３２ａと第２熱交換シート３２ｂとの隙間に充填材３３を均等に充填する。次に、収納治具６を上に引き抜くことで、フレコンバッグ３１内に熱交換シート３２ａ，３２ｂが渦巻き状に巻回された状態で収納される。しかるのち、残りの充填材３３を充填することにより、熱交換ユニット３が形成される。

これによれば、フレコンバッグ３１の中に熱交換シート３２と充填材３３とを充填した熱交換ユニット３を予め工場などの現場外で作製しておき、施工現場に必要な数の熱交換ユニット３を運び込んで、現場の熱交換井２にクレーンによって設置した後、配管作業するだけでよく、熱交換に必要な熱容量の設計や、設置コスト、生産性が大幅に向上する。

熱交換ユニット３の設置態様としては、図５（ａ）に示すように、必要に応じて複数の熱交換ユニット３を横並びに設置する方法が一般的であるが、図４（ｂ）に示すように、深い熱交換井を設け、複数個の熱交換ユニット３を縦積みしてもよい。なお、縦積みにする場合は、配管の作業性などから、半分程度横にずらして配置することが好ましい。

この実施形態において、熱交換ユニット３は、地中熱および地下水を用いて熱交換するため、地中に設けられた熱交換井２に埋設する方法について説明したが、本発明の熱交換ユニットは、湖や海、河川などに直接沈めて用いてもよい。

さらには、熱交換器本体３２は、シート状の熱交換シート３２ａ，３２ｂを用いることが好ましいが、チューブ状の熱交換チューブを用いてもよい。その場合も、上述した専用治具６を用いて渦巻き状に巻き付け、さらにそれを軸線方向に重ね巻きすることで螺旋状に巻き付けることができる。

１自然熱熱交換装置
２熱交換井
３熱交換ユニット
３１フレキシブルコンテナバッグ（フレコンバッグ）
３２熱交換器本体
３２ａ，３２ｂ熱交換シート
３２１ａ，３２１ｂ流入側ヘッダ管
３２２ａ，３２２ｂ流出側ヘッダ管
３３充填材
４ヒートポンプユニット

Claims

自然熱を熱源とし、上記自然熱と利用側の熱媒体との間で熱交換を行う自然熱熱交換装置において、
地中または水中に配設される熱交換ユニットを備え、上記熱交換ユニットは、所定の間隔をもって互いに平行に配置された流入側ヘッダ管と流出側ヘッダ管との間に複数本の熱交換チューブを並列に接続してなり、上記利用側の熱媒体が上記流入側ヘッダ管から上記各熱交換チューブを同一方向に流れて上記流出側ヘッダ管に至る熱交換シートと、透水性を有するフレキシブルコンテナバッグとを有し、上記フレキシブルコンテナバッグ内には、上記熱交換シートを収納した状態で、所定の充填材が充填されていることを特徴とする自然熱熱交換装置。
上記熱交換器シートは、上記フレキシブルコンテナバッグ内に渦巻き状に巻回された状態で収納されていることを特徴とする請求項１に記載の自然熱熱交換装置。
上記熱交換シートは、複数枚設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の自然熱熱交換装置。