JP2015517643A - 同軸型地中熱交換器及び地下にこのような同軸型地中熱交換器を設置する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、好ましくは熱絶縁性の被覆が設けられた中央のコア管（１１）と、コア管（１１）から半径方向外向きに延在する環状間隙（１５）を画定するジャケット管と、を備え、コア管（１１）及び環状間隙（１５）は、流動性の伝熱媒体が貫流するように形成されている同軸型地中熱交換器に関する。ジャケット管は、同軸型地中熱交換器（１０）が組み付けられた状態において地中熱交換器孔（１）の内壁（２）に直接隣接する、膨張可能なチューブ状のジャケット（１４）により形成されている。さらに本発明は、地中熱交換器孔（１）内に同軸型地中熱交換器（１０）を挿入する方法にも関する。

Description

本発明は、装置発明に係る請求項１の前提部に記載の同軸型地中熱交換器に関する。さらに本発明は、方法発明に係る独立請求項の前提部に記載の、地下に本発明に係る同軸型地中熱交換器を設置する方法にも関する。

化石エネルギ源の予測される枯渇と、空気汚染物質及びＣＯ_２の排出を削減する必要性とは、熱の発生についての発想転換を迫り、再生可能な代替エネルギ、特に有害物質を排出しない技術の使用を普及させた。熱の発生についての特に魅力的な形態は、地中熱の利用である。地中熱又は地熱エネルギは、地表面の下に熱の形で蓄えられたエネルギである。地表面から約１０〜２０ｍの深さで既に、土壌は、一年にわたって略一定の温度を有する。この温度は、深さが増すにつれて上昇する。土壌の天然の地温勾配は、約０．０３Ｋ／ｍである。この温度は、地球内部からの熱流によって決定される。採熱は、一般に地中熱交換器によりなされる。地中熱交換器は、一般に５０〜３５０ｍの深さを有する鉛直方向の、密に裏込めがなされた孔内に組み付けられる。地中熱交換器は、土壌中に存在する顕熱エネルギを、地中熱交換器内を循環する伝熱媒体に伝達するという役割を担っている。伝熱媒体は、土壌からの熱エネルギを地表面に輸送する。地表面において熱エネルギは、一般にヒートポンプ内を循環する第２の伝熱媒体に伝達される。

従来慣用の地中熱交換器は、大抵の場合、Ｕ字管型地中熱交換器として形成されている。Ｕ字管型地中熱交換器では、伝熱媒体が一方の管枝内を地表面から地中熱交換器孔の底に向かって、すなわち上から下に向かって流れる。他方の管枝内では、循環し、加熱された伝熱媒体が、ボアホール底から地表面に向かって、すなわち下から上に向かって流れる。上昇時、伝熱媒体は、常に、蓄積した熱エネルギの一部を、隣接する管枝内を下向きに循環する伝熱媒体と、周囲を取り巻く比較的低温の土壌とに放出してしまう。この望ましくない放熱の結果、Ｕ字管型地中熱交換器のエクセルギ効率は、比較的低い。それゆえ効率を改善するために、しばしば同軸型地中熱交換器が使用される。同軸型地中熱交換器の場合、伝熱媒体は、外側の環状間隙内を地表面からボアホール底に向かって流動する。このとき伝熱媒体は、土壌中に存在する潜熱エネルギを取り込む。伝熱媒体は、中央のコア管を通って再び上方に地表面に向かって環流する。このような同軸型地中熱交換器の場合、中央のコア管が断熱されると、エクセルギ効率は、Ｕ字管型地中熱交換器と比較して明らかに向上可能である。

断熱されたコア管を有する、深部まで達した同軸型地中熱交換器が、その他の公知の形態の地中熱交換器と比較して、利用可能な熱流の質に関して、エクセルギについて大きな利点を有している一方、同軸型地中熱交換器は、残念ながら伝熱媒体の大きな圧力降下の欠点も有している。このことは、地中熱交換器孔の提供可能な横断面の大部分が、中央のコア管の断熱材の横断面と、同軸型地中熱交換器のジャケット管の比較的大きな厚さと、特に地中熱交換器のジャケット管と周囲の土壌との間に地中熱交換器の組み付け後に注入される充填層、例えばベントナイトとセメントとからなる混合物とにより失われてしまうことに起因する。これにより、伝熱媒体を輸送するための正味横断面は、強く減じられてしまう。

それゆえ本発明の課題は、循環する伝熱媒体について比較的低い圧力降下を示し、周囲を取り巻く土壌の熱エネルギの、伝熱媒体へのより高い取り込みを可能にする同軸型地中熱交換器を提供することである。また本発明の課題は、可及的簡単かつ低コストに実施可能であって、環境保護及び水域保護の課題を考慮した、地中に本発明に係る同軸型地中熱交換器を設置する方法を提供することである。

これらの課題の解決手段は、中央のコア管と、コア管から半径方向外向きに延在する環状間隙を画定するジャケット管と、を備え、コア管及び環状間隙は、流動性の伝熱媒体が貫流するように形成されている同軸型地中熱交換器にある。本発明によれば、同軸型地中熱交換器のジャケット管は、同軸型地中熱交換器が組み付けられた状態において地中熱交換器孔の内壁に直接隣接している。

本発明の基本構想は、地中熱交換器が組み付けられた状態において地中熱交換器孔の内壁と同軸型地中熱交換器のジャケット管との間の環状間隙の裏込めが省略され得るように、同軸型地中熱交換器を変更することにある。同軸型地中熱交換器は、孔内壁に直接隣接するように形成されている。これにより、伝熱媒体の輸送のために提供される同軸型地中熱交換器の流動横断面は、明らかに拡大される。周囲を取り巻く土壌に含まれる熱エネルギは、直接、同軸型地中熱交換器のジャケット管を通して伝熱媒体に伝達される。裏込めの材料、一般にはベントナイトとセメントとからなる混合物による損失は、これにより回避される。ジャケット管は、中央のコア管内及び環状間隙内を循環する伝熱媒体により地中熱交換器孔の内壁に圧着され、これにより、場合によっては貫通される複数の水の層が互いに流動可能に接続されてしまう事態は、回避可能である。

本発明の一態様において、コア管及び環状間隙は、伝熱媒体として水が貫流するように形成されている。伝熱媒体としての水の使用は、環境保護及び水系保護に関する付加的な安全性を提供する。それというのも、漏れても汚染が生じないからである。このことは、本発明に係る同軸型地中熱交換器の使用をそれどころか、今までは地下水保護の理由から禁止区域に該当していた区域でも可能にする。

本発明の好ましい態様において、同軸型地中熱交換器のジャケット管は、内圧の上昇により膨張可能なチューブ状のジャケットにより形成されている。チューブ状のジャケットの膨張性及び弾性は、ジャケットを地中熱交換器孔の内壁に理想的に圧着させることを可能にし、これにより熱エネルギ伝達のための可及的良好な接触を達成するとともに、貫通される場合のある複数の水層を高い信頼性をもって封止することができる。

一例としては約４５０ｍであり、１５００ｍまでの深さに達することもある地中熱交換器孔内に同軸型地中熱交換器を設置することを容易にするために、本発明の別の態様において、チューブ状のジャケットは、折り畳まれた状態でコア管を包囲しており、地中熱交換器孔内への挿入後、超過圧力をもって供給される流動性の媒体により、安定した最終形状に膨張可能である。その際、膨張されるジャケットは、孔を安定化する「ステント」の機能を付加的に果たす。

本発明の別の態様において、チューブ状のジャケットが、地中熱交換器を設けることが予定されている孔の直径より大きな展開直径を有することにより、同軸型地中熱交換器のジャケット管を形成する、設置され、展開あるいは膨張されたジャケットが、完全に充填された状態において未だ、内向きの軽微なひだを有することが達成される。これらのひだは、不規則な形状で発生する。これらのひだは、チューブ壁を付加的に補強する。これに対して、環状間隙の同時に発生する容積縮小は、僅かにすぎず、運転中、伝熱媒体についての流動抵抗に対する影響を実質的に有しない。

同軸型地中熱交換器のチューブ状のジャケットは、最大の相対的な超過圧力の超過時に、伝熱媒体、特に水を少なくとも部分的に限られた範囲内で透過させるようになっていてもよい。これにより、ジャケットが膨張時に、地中熱交換器孔の形成時に比較的大きな材料の陥没により発生する場合のある割れ目又は空洞部内で破損する事態は、回避される。比較的小さな空洞部は、外側のジャケットを通して押し出された水で満たされる。割れ目が空であるとき、又は空洞部が比較的大きいとき、水に対するジャケットの、超過圧力に応じた透過性は、ジャケットが確実に孔内壁に密着するまでしか、ジャケットを膨張させないようにする。その際、ジャケットは、制限された範囲内でしか割れ目又は空洞部内に入り込むように膨張されない。これにより、材料の過剰な膨張は、回避される。その際、ジャケットの材料は、水がジャケットを通過するまでに達しなければならない最大の相対的な超過圧力が、約２バール〜３バールであるように形成されている。その際、水に対するジャケットの、制限された透過性は、好ましくは地中熱交換器が設置された状態において硬質の土壌、特に岩石質の地下にある領域に限られている。粗の土壌に隣接する地表面近傍の領域は、好ましくは水を透過させないように形成されている。地中熱交換器孔の形成時、粗の土壌と岩石質の地下との間の境界は、極めて正確に求めることができるので、地中熱交換器は、正確に局所的な所与の条件に適合可能である。

同軸型地中熱交換器の別の態様において、中央のコア管と外側のチューブ状のジャケットとは、一体的に互いに結合されており、無端のロール材料として存在している。同軸型地中熱交換器は、形成された地中熱交換器孔内への挿入のために所望の長さでドラムから繰り出し可能である。設置場所においては、コア管と好ましくは折り畳まれたジャケットとの配送された一体的なアッセンブリだけを地中熱交換器孔内に挿入すればよい。加えて同軸型地中熱交換器は、簡単に所望の長さでドラムから繰り出される。ドラム上にある長さが不十分であれば、地中熱交換器孔内への挿入前又は挿入中に、地中熱交換器の必要な追加長さが別のドラムから繰り出され、端部において密閉して最初の区分の端部に接続され、これにより必要な長さを得ることができる。

択一的には、中央のコア管と、中央のコア管と一体的に結合されているチューブ状のジャケットとが、裁断された切片として存在していてもよい。裁断された切片は、地中熱交換器孔内への挿入時に液密に互いに接続可能である。この態様は、特に低軟性あるいは硬性の地中熱交換器管において使用される。

同軸型地中熱交換器の別の態様において、中央のコア管と膨張可能なチューブ状のジャケットとは、互いに別々に存在している。この場合、ジャケットは、フラットな無端のロール材料により形成され、中央のコア管の挿入時に初めて中央のコア管と合体させられる。このとき、チューブ状のジャケットの長手方向の縁部は、互いに液密に結合される。

チューブ状のジャケットを形成する無端のロール材料の長辺の液密な結合は、例えば、このために特別に形成された結合装置において、互い当接する領域の縫合及び／又は溶接により実施される。

同軸型地中熱交換器のジャケット管を形成するチューブ状のジャケットは、好ましくは約３ｍｍ〜１５ｍｍの厚さを有していてよいプラスチック複合シートである。３ｍｍの厚さは、長さが約４５０ｍまでであれば、プラスチック複合シートの自重を支えるのに十分である。同軸型地中熱交換器がより長い場合は、相応に、より厚いチューブ状のジャケットが選択される。外側のジャケットは、僅かな容積しか占めないが、膨張された状態では十分に大きな自己安定性を有する。

本発明の一態様において、ジャケットは、アルミニウムエキスパンドメタルからなる補強材を有し、補強材の両側に伸縮性のあるプラスチック膜が被着されている。プラスチック膜は、例えばポリエチレン、ラテックス、ゴム又はこれに類する材料からなっており、細孔が施されている。

本発明の好ましい態様において、中央のコア管に、熱絶縁性の被覆が設けられている。熱絶縁性の被覆は、コア管内を上昇する加熱された伝熱媒体がその熱の一部を再び、環状間隙内を下向きに流動する伝熱媒体に放出してしまうことを防止する。これにより、同軸型地中熱交換器の熱効率は、向上可能である。

本発明に係る地中に同軸型地中熱交換器を設置する方法では、従来技術において公知であるように、最初にボーリング装置を用いて地中熱交換器孔を形成する。孔の深さは、例えば３００ｍ〜５００ｍであり、１５００ｍに達することもある。その後、準備した孔内に、本発明により形成された同軸型地中熱交換器を沈める。同軸型地中熱交換器を挿入した後、当初折り畳まれており、絶縁材が設けられたコア管を包囲し、同時に同軸型地中熱交換器のジャケット管の境界壁を形成するチューブ状のジャケットを、ジャケットが実質的に孔内壁に当接するように膨張させる。本発明に係る方法では、同軸型地中熱交換器は、同時に同軸型地中熱交換器のジャケット管の境界壁を形成するチューブ状の外側のジャケットが、孔内壁に直接当接するように、地中熱交換器孔内に設置される。これにより、従来技術における地中熱交換器では裏込めされねばならなかったジャケット管の境界壁と孔内壁との間の環状間隙は、回避される。これにより、本発明に係る方法では、充填材料、一般にはベントナイトとセメントとからなる混合物の注入工程は、省略される。ジャケット管の、膨張されるジャケットにより形成される境界壁と、孔内壁との直接的な接触は、同軸型地中熱交換器内を循環する本発明では好ましくは水により形成されている伝熱媒体への、土壌の熱エネルギの伝達を促進する。裏込め層の省略により、循環する伝熱媒体のために提供される流動横断面は、従来技術における地中熱交換器と比較して明らかに拡大されている。これにより、同軸型地中熱交換器の長さにわたって生じる圧力降下は、僅かであり、伝熱媒体の循環圧送のためのエネルギコストに対して直接有利に働く。

地中熱交換器孔内への同軸型地中熱交換器の挿入のために、折り畳まれた外側のジャケットは、極めて薄いシートにより包囲されていてもよい。薄いシートは、比較的低い超過圧力で裂け、その後、当初折り畳まれていたジャケットの展開を可能にするように形成されている。

本発明に係る方法の一態様において、同軸型地中熱交換器の折り畳まれたチューブ状のジャケットの膨張を、圧縮空気を用いて行う。その際、折り畳まれたジャケットは、好ましくは同軸型地中熱交換器の中央のコア管を通して超過圧力を伴って供給される圧縮空気により所定の全径に膨らまされる。中央のコア管の先端には、制御可能な熱源、好ましくは赤外線放射器が配置されている。中央のコア管は、制御可能な速度をもってボアホール底から地表面まで引っ張られ、これにより膨張されたチューブ状のジャケットを短時間ゾーン加熱することができる。超過圧力と、加熱されたゾーンにおけるジャケット材料の低くなった靱性の結果、塑性変形が生じる。その際、ジャケット材料は、孔内壁の小さな空洞部内に押し込まれる。比較的低温の土壌との熱接触の結果、ジャケット材料は、その臨界的な流れ温度を下回る温度まで冷却され、その形状を維持する。その後、コア管は、再びその当初の位置に沈められる。

孔内壁の比較的大きな空洞部の領域において、膨張されるジャケットの過剰な膨張が発生するのを回避するために、本発明の一態様において、チューブ状のジャケットに、ゾーン毎の膨張あるいは外側への折り返しを測定するセンサが配置されている。閾値に達すると、熱源の移動速度は高められる。すなわち、熱源はより高い速度で地表面に向かって動かされ、これにより塑性変形を制限することができる。これにより、ジャケットに配置されるセンサは、ジャケットの塑性変形の制御を可能にする。これにより、過剰な膨出によるジャケットの損傷は、回避される。

地中に同軸型地中熱交換器を設置する択一的な方法では、同軸型地中熱交換器の折り畳まれたチューブ状のジャケットの膨張を、中央のコア管と折り畳まれたジャケットとの間の環状間隙内に上方から充填される水を用いて行う。この方法は、特に、伝熱媒体として水を使用する同軸型地中熱交換器に好適である。この場合、まずチューブ状のジャケットの膨張あるいは展開のために使用される水が、その後、伝熱媒体としても使用可能である。チューブ状のジャケットの膨張は、ボアホール底から上に向かって地表面方向に実施される。孔の深いところの圧力は、上方に比べて大きい。チューブ状のジャケットの展開及び体積拡大により、大抵の場合、ジャケットと孔内壁との間に存在する水は、地表面方向に押される。比較的大きな空洞部の領域でジャケットは、さらに膨張し、部分的に空洞部内に侵入する。ジャケット材料は、２バール〜３バールの相対的な超過圧力から、供給される水に関して部分的に透過性であるので、水は、同軸型地中熱交換器の内部から空洞部内に流出可能である。これによりジャケット材料の過剰な膨張は、回避される。

水を用いて膨張させる方法の一変化態様において、地表面までの中央のコア管の完全な充填と、所定の待ち時間の後、中央のコア管内の水柱にかかる圧力を連続的に又は段階的に約１２バール〜約１５バールの超過圧力まで上昇させる。待ち時間は、数分から２日間かかる場合がある。待ち時間は、孔内壁の小さな空洞部を、透過性のジャケットを通して流出した水で完全に満たし、空洞部内に含まれる空気を押し出すために必要である。より大きな空洞部又は空の割れ目は、もちろん完全に水で満たされることはできない。このような場所では、ジャケットが限られた規模で空洞部又は割れ目内に膨出されれば十分である。超過圧力は、ジャケットを所望の規模で膨張させるために所定の時間にわたって維持される。この時間は、３０秒〜１時間半であってよい。中央のコア管内の水柱に対する続いて行われる圧力上昇により、チューブ状のジャケットは、孔内壁に対してさらに強く圧着される。ひだは伸ばされるか、又は部分的に縮められる。これによりジャケット材料は、この部位において伸長、すなわち漏れなしに塑性変形される。空洞部内の非圧縮性の水とジャケットの透過性とは、ジャケットの過度に強い変形を防止する。空洞部内の水の圧力が、ジャケット材料の圧入の結果として過度に大きくなると、水は、透過性のジャケット材料を通して中央のコア管とチューブ状のジャケットとの間の環状空間に流入可能であり、これにより再び圧力を平衡させることができる。

熱絶縁性の被覆が設けられている中央のコア管と、当初の折り畳まれた状態から膨張された安定状態へと移行されるチューブ状のジャケットであって、同時に同軸型地中熱交換器のジャケット管を形成し、同軸型地中熱交換器が設置された状態において地中熱交換器孔の内壁に当接するジャケットと、を備える本発明により形成される同軸型地中熱交換器は、特に伝熱媒体として水を用いた運転にとって好適である。伝熱媒体としての水は、伝熱媒体が同軸型地中熱交換器から望むと望まざるとに関わらず流出した際にも、汚染が生じ得ないという利点を有している。これにより、本発明に係る同軸型地中熱交換器は、特にこれまでは地下水保護の理由から禁止区域とされてきた区域における使用にも好適である。

本発明のその他の利点及び特徴は、以下に概略図を参照しながら行う実施の形態の説明から看取可能である。図面は、正確な縮尺で示したものではない。

従来技術における地中熱交換器を用いた温水供給の原理図である。 地中熱交換器のための孔を示す図である。 熱絶縁性の中央のコア管とジャケット管とを有する、孔内に配置された従来技術における同軸型地中熱交換器の横断面図である。 熱絶縁性の中央のコア管と膨張可能なチューブ状のジャケットとを有する、地中熱交換器孔内に配置された本発明に係る同軸型地中熱交換器の横断面図である。 設置方法を説明するための、部分的に膨張されたチューブ状のジャケットを有する、孔内に沈められた同軸型地中熱交換器の概略図である。

図１乃至図５において、同一の要素あるいは構成部分には、それぞれ、同一の符号を付した。

図１に示した概略断面図は、建造物Ｂの暖房を例に取り、公知の地中熱交換器技術の原理を示している。このために、約５０〜３５０ｍの地中熱交換器孔１内に挿入された地中熱交換器５が、引き込み線６を介してヒートポンプ７に接続されている。ヒートポンプ７は、建造物Ｂのヒーティングシステム８に必要な量の温水を供給している。孔１内に挿入された地中熱交換器５は、液体が内部を循環している熱交換器である。図示の実施の形態の地中熱交換器５は、ポリエチレンからなる４本の地中熱交換器管を有している。これらの地中熱交換器管は、対をなしてそれぞれ１つのＵ字管にまとめられており、ヒートポンプ７に通じる引き込み線６に接続されている。地中熱交換器管は、例えば３２ｍｍ又は４０ｍｍの直径を有している。地中熱交換器５は、孔の底３まで差し込まれる。地中熱交換器５と孔内壁２との間に残る中空空間は、地中熱交換器５の地中熱交換器管と孔内壁２との間の良好な熱接触を保証するために、充填材料４、一般にはベントナイトとセメントとの混合物からなる充填材料４により高密度に裏込される。充填材料４として、十分に良好な伝熱を保証する別の材料を使用することも可能である。例えば、充填材料として水を使用する態様も公知である。地中熱交換器管内を循環する液体、大抵の場合、１５〜３５％の割合の不凍液を含む水は、地下Ｇから採熱し、この地熱エネルギをヒートポンプ７に供給する。その後、ヒートポンプ７により、加熱目的に合わせて必要なレベルまで、温度が高められる。図１は、地下Ｇが、多くの場合、地表面近傍の比較的軟質の土壌Ｓと、硬質の岩石層Ｒとからなることも略示している。地中熱交換器孔１は、硬質の岩石層Ｒまで掘進される。これは、硬質の岩石層Ｒに、孔の深さにのみ依存した最も安定した温度状況を見出すことができるからである。

図２は、地中熱交換器孔１の軸方向の概略断面図である。孔内壁には、やはり符号２を付した。ボアホール底には、符号３を付した。地中熱交換器孔１の直径は、例えば約７．６２ｃｍ〜１５．２４ｃｍ（３〜６インチ）である。地下には、やはり符号Ｇを付した。もし地下が、高密度かつ均質であり、乾いていれば、断熱された中心管は、簡単に地中熱交換器孔１内に沈めることができる。中心管の壁と岩石とは、環状間隙を画定している。環状間隙は、伝熱媒体で満たされていることができ、伝熱媒体は、加熱された状態で、断熱された中心管を通して地表面に運ばれることができ、地表面において、取り込んだ熱エネルギを、熱交換器を介してヒートポンプに放出することができる。その後、低温になった伝熱媒体は、再びボアホール底３に向かって運ばれる。しかし、現実には、地中熱交換器孔は、高密度な岩石を通っているわけではなく、もろい土壌もあれば、程度の差こそあれ固い土壌もあり、例えば永続的に混じり合うことがあってはならない互いに異なる水層Ｌ，Ｗも含む様々な層を横断している。例えば水層Ｗは、汚れた水を含んでいる可能性がある一方、水層Ｌは、飲料水として用いられるより清浄な地下水を含んでいる。孔内壁２は、しばしば陥没部及び空洞部９を有している。陥没部及び空洞部９は、水に洗われることでさらに拡大してしまう場合がある。それゆえ、地中熱交換器を設置する際には、異なる水層を高い信頼性をもって互いに隔離し、陥没部及び空洞部９をこれ以上拡大することのないように安定化することに留意しなければならない。

図１に略示したＵ字管の対を有する地中熱交換器の他に、従来技術において同軸型地中熱交換器も公知である。図３に示した横断面図は、地下Ｇに設けられた地中熱交換器孔１内に設置された同軸型地中熱交換器１０′の概略横断面図である。同軸型地中熱交換器１０′は、中央のコア管１１′を有している。コア管１１′には、断熱材１２′が設けられている。断熱された中央のコア管１１′は、ジャケット管１４′により包囲されている。ジャケット管１４′の内壁は、断熱材１２′の外壁とジャケット管１４′の内壁との間を延在する環状間隙１５′を画定している。孔内壁２とジャケット管１４′の外壁との間に残る環状間隙は、充填材料１６、一般にはベントナイトとセメントとからなる混合物で満たされている。充填材料１６の役割は、ボアホール内壁２を安定化し、異なる水層を高い信頼性をもって互いに隔離し、地下に存在する熱エネルギの、同軸型地中熱交換器１０′内を循環する伝熱媒体への可及的良好な輸送を提供することである。概略図からは、伝熱媒体のために提供される流動横断面が、地中熱交換器孔の本来の横断面より比較的小さいことが、直接看取可能である。これは、充填材料がボアホール横断面の３分の１まで占めているからである。このことは、公知の同軸型地中熱交換器１０′の運転中、地中熱交換器の長さにわたって高められた圧力降下と、このことから結果として生じる、伝熱媒体の循環のための比較的高いエネルギ消費とにつながる。従来技術におけるこの同軸型地中熱交換器１０′の設置に要する手間あるいはコストは、とりわけ充填材料１６のために必要な注入工程のために比較的高い。

図４は、図３と同様の概略横断面図で本発明に係る同軸型地中熱交換器を示している。同一の構成要素には、それぞれ、図３において付したのと同じ符号、ただしアポストロフィ「′」を省いた符号を付した。全体として符号１０を付した本発明に係る同軸型地中熱交換器は、地中熱交換器孔１内に沈められている。同軸型地中熱交換器１０は、中央のコア管１１を有する。コア管１１は、断熱材１２により被覆されている。符号１４は、膨張可能なチューブ状のジャケットを示している。ジャケット１４は、図４に折り畳まれた状態で示してある。折り目あるいはひだには、符号１７を付した。チューブ状のジャケット１４は、膨張された状態において地中熱交換器孔１の内壁２に直接当接する。ジャケット１４と孔内壁２との間に展開あるいは拡開前に存在していた間隙１６は、同軸型地中熱交換器１０のジャケット管を形成するジャケット１４が膨張すると消滅し、ジャケット１４は、今や孔内壁２に直接当接する。充填材料による間隙１６の裏込めは、省略される。充填材料を省略したことにより、同軸型地中熱交換器１０を貫流する伝熱媒体のために、従来技術における同軸型地中熱交換器と比較して明らかに大きな横断面が残される。これにより、地中熱交換器孔１の横断面においてより大きな割合を占めている自由横断面１３を有するコア管１１が使用可能である。チューブ状のジャケット１４の膨張された状態では、もちろん、断熱材とジャケット１４との間の環状間隙１５も、従来技術における同軸型地中熱交換器と比較して大きな横断面を有している。

同軸型地中熱交換器１０のジャケット管を形成するチューブ状のジャケット１４は、好ましくはプラスチック複合シートであり、同軸型地中熱交換器１０の長さに応じて約３ｍｍ〜１５ｍｍの厚さを有している。プラスチック複合シートの自重を支えるために、長さが約４５０ｍまでであれば、３ｍｍの厚さで十分である。同軸型地中熱交換器１０が長くなれば、相応に、チューブ状のジャケットの厚さも、より厚いものが選択される。外側のジャケットは、僅かな容積しか占めないが、膨張された状態では十分に大きな自己安定性を有している。プラスチック複合シートの厚さが薄いことは、地下Ｇから同軸型地中熱交換器１０内を循環する伝熱媒体への伝熱も促進する。

本発明の一実施の形態では、ジャケット１４がアルミニウムエキスパンドメタルからなる補強材を有し、この補強材の両側に伸縮性のあるプラスチック膜が被着されている。プラスチック膜は、例えばポリエチレン、ラテックス、ゴム又はこれに類する材料からなっており、細孔が施されている。エキスパンドメタルは、内圧により所望の規模で変形し、ジャケット１４に所望の安定性を付与する。本発明の別の実施の形態では、外側のジャケットが、中央の内管に配置された展開可能なリブ又はウェブを介して内管に結合されるようになっていてもよい。リブ又はウェブは、内管の周囲及び長さにわたって分配配置されている。リブ又はウェブは、高められた内圧により展開可能であり、展開された状態で安定した最終位置を占める。リブ又はウェブは、外側のジャケットを付加的に半径方向で支持し、収縮を防止する。

図５は、本発明により形成された同軸型地中熱交換器１０が挿入された地中熱交換器孔１のボアホール底近傍の一区分を示しており、孔１内での地中熱交換器の設置方法を説明するためのものである。例えば約４５０ｍ〜１５００ｍの深さを有していることが可能な地中熱交換器孔の形成後、本発明に係る同軸型地中熱交換器１０を挿入し、孔１の底３まで下ろす。同軸型地中熱交換器１０は、ボアホール底３側の端部に熱交換器ヘッド２０を有する。熱交換器ヘッド２０は、熱に関して絶縁された中央のコア管１１と、膨張可能なチューブ状のジャケット１４とに接続されている。ジャケット１４は、同軸型地中熱交換器１０の下降中、折り畳まれた状態にある。熱交換器ヘッド２０内には、流動通路（図示せず）が設けられている。流動通路は、内管１１と、内管１１とジャケット１４との間の環状間隙１５とを接続する。既に他でも言及したように、同軸型地中熱交換器１０は、無端のロール材料として存在していても、裁断された切片として用意されていてもよい。裁断されている場合は、それぞれの切片は、地中熱交換器孔内に挿入する際に液密に互いに接続される。しかも、熱に関して絶縁された中央のコア管１１と、膨張可能なチューブ状のジャケット１４とは、互いに別々に存在していてもよい。この場合、ジャケットは、フラットな無端のロール材料により形成され、中央のコア管を挿入する際に初めてコア管と合体される。このとき、チューブ状のジャケットの長手方向の縁部は、互いに液密に結合される。熱交換器ヘッド２０は、その自重により同軸型地中熱交換器１０を下方に引っ張り、中央のコア管１１の伸展した位置を達成することで、同軸型地中熱交換器１０の挿入を容易にする。

熱交換器ヘッド２０が地中熱交換器孔１の底に到達した後、同軸型地中熱交換器の設置方法の第１の変化態様では、熱に関して絶縁された中央のコア管１１と、折り畳まれたジャケット１４との間の環状間隙にゆっくりと上から水が充填される。その際、折り畳まれたジャケット１４は、下から膨張し、孔内壁２に密着する。チューブ状のジャケット１４の容積拡大により、ジャケット１４と孔内壁２との間の中間スペース１６に存在する水は、ゆっくりと押し上げられる。孔内壁２が例えば空洞部９を有していると、チューブ状のジャケット１４は、空洞部９を少なくとも部分的に膨出部１８により埋めるために、部分的に空洞部９内に侵入する。空洞部９及び割れ目がより大きい場合は、ジャケット１４の過剰な膨張、それどころか破損に至るのを回避するために、チューブ状のジャケット１４は、少なくとも部分的に約２バール〜３バールの相対的な圧力差から所定の限度内で水を透過させる。ジャケット１４にこの超過圧力が作用すると直ちに、水は、ジャケット１４を通過して空洞部９内に流出する。比較的小さな空洞部であれば、こうして水で満たされる。これにより、ジャケット１４のそれ以上の膨出は回避される。より大きな空洞部又は割れ目の場合は、空洞部あるいは割れ目内へのジャケット１４の限られた範囲での膨出が実施されるにすぎず、これにより空洞部あるいは割れ目は、縁部において高い信頼性をもって封止される。ジャケットは、好ましくは膨張された状態において一般に粗の土壌に隣接する地表面近傍の領域で水を透過させないように形成されている。

ジャケット１４の膨張したときの外径は、地中熱交換器孔１の直径より若干大きく選択されている。例えば直径の差は、約３％〜１０％である。これによりチューブ状のジャケット１４は、水を完全に充填した後、未だ、不規則に配置されている小さな内向きのひだを有している。これらのひだは、ジャケット１４の付加的な補強に供する。中央のコア管１１も完全に水で満たされた後、約５分〜４８時間の待ち時間後、コア管１１内の水柱にかかる圧力は、連続的に約１２バール〜１５バールの超過圧力まで高められ、所定の時間、例えば約３０秒〜１時間半にわたって維持される。この待ち時間は、孔内壁２に存在する可能性のある比較的小さな空洞部９が、ジャケット１４の内部から漏れた水で完全に満たされ、空洞部９内に含まれていた空気が、押し出されるために必要である。より大きな空洞部又は割れ目の場合、空洞部又は割れ目内へのジャケットの制限された膨張のみが発生する。コア管１１内の水柱に対する圧力上昇により、ジャケット１４は、さらに強く孔内壁２に圧着される。未だ存在するひだは、一部では伸ばされ、一部では縮められる。ジャケット材料は、この箇所で伸長、すなわち破損することなく塑性変形される。これにより、同軸型地中熱交換器１０のジャケット管を形成する、膨張されるジャケット１４の固有剛性は、向上する。ジャケット１４と孔内壁２との間の空洞部９内の非圧縮性の水は、この箇所におけるジャケット１４の漏れ及び過剰な膨張を防止する。空洞部９内へのジャケット１４の圧入の結果、そこに存在する水の圧力が上昇し過ぎると、この水は、空洞部９からジャケット１４を通して環状間隙１５内に流入可能である。空洞部９の縁部におけるジャケット１４の強い圧着は、確実な封止に至り、水を案内するそれぞれ異なる層からの地下水の鉛直方向の循環を防止する。孔内壁２に圧着されたジャケット１４は、孔内壁２を安定化し、材料のさらなる陥没を防止する。孔内壁２に直接当接するジャケットと、未だ存在するひだとは、地下Ｇからの熱エネルギの、伝熱媒体への伝達を促進する。同軸型地中熱交換器１０は、前述の方法で孔内に設置された後、ヒートポンプの熱交換器に接続され、運転され得る。同軸型地中熱交換器１０内の伝熱媒体として、充填された水が用いられる。その間に接続された圧力容器（図示せず）は、同軸型地中熱交換器１０内に常に約２〜３バールの超過圧力が維持されているように働く。

本発明により形成された同軸型地中熱交換器１０を設置する方法の一変化態様では、当初折り畳まれたチューブ状のジャケット１４を、水の代わりに圧縮空気を用いて膨張させる。折り込まれたチューブ状のジャケット１４は、超過圧力により所定の全径まで膨らまされる。このために圧縮空気は、例えば中央のコア管１１を通して供給される。コア管の先端には、熱源、例えば赤外線放射器が取り付けられている。この熱源は、コア管１１とともにボアホール底からゆっくりと地表面に向かって引っ張られる。ゆっくりと引き上げられる熱源により、超過圧力により膨張されたジャケット１４は、ゾーン加熱される。超過圧力と、ジャケット材料の、加熱により減じられた靱性の結果、塑性変形が生じる。ジャケット材料は、これにより孔内壁２に密着され、小さな気孔及びひびに侵入する。比較的低温の地下との熱接触により、ジャケット材料は、迅速に再びその臨界的な流れ温度を下回る温度に冷却される。コア管の先端に取り付けられた熱源は、速度を制御しつつ引き上げられる。比較的大きな空洞部９の領域におけるジャケット材料の過剰な膨張を回避するために、ジャケット１４には、ジャケット１４の膨張の程度を監視するセンサが配置されている。ジャケット１４の膨張が閾値に達すると、熱源は、より高い速度で引き上げられる。これにより、該当するゾーンの塑性変形は制限される。さらに比較的大きな空洞部９及び割れ目は、何倍もの水で満たされている。水は、非圧縮性であり、これにより自動的にジャケット１４の過剰な膨出を防止する。ジャケット１４の完全な拡開及び変形後、コア管は再びボアホール底に残された熱交換器ヘッドまで差し込まれる。同軸型地中熱交換器１０は、こうして孔１内に設置され、伝熱媒体、好ましくは水が充填され、熱交換器及びヒートポンプに接続され得る。その間には、同軸型地中熱交換器１０内に常に約２〜３バールの超過圧力が維持されるように、圧力容器が接続されてもよい。

地中熱交換器孔１内への同軸型地中熱交換器１０の挿入をさらに容易にするために、折り畳まれた外側のジャケット１４は、極めて薄いシートにより包囲されていてもよい。薄いシートは、比較的小さな超過圧力で裂け、当初折り畳まれたジャケット１４の展開を可能にするように形成されている。

上で詳述した同軸型地中熱交換器１０の実施の形態と、地中熱交換器孔１内へ同軸型地中熱交換器１０を設置する方法の変化態様とは、発明を説明するためのものである。しかし、これによって、一般的発明概念が制限されるものでも、等価の実施の形態が排除されるものでもない。

Claims (21)

1. 中央のコア管（１１）と、
   前記コア管から外向きに延在する環状間隙（１５）を画定するジャケット管と、
   を備え、前記コア管（１１）及び前記環状間隙（１５）は、流動性の伝熱媒体が貫流するように形成されている同軸型地中熱交換器であって、
   前記ジャケット管は、前記同軸型地中熱交換器（１０）が組み付けられた状態において地中熱交換器孔（１）の内壁（２）に直接隣接していることを特徴とする、同軸型地中熱交換器。
2. 前記ジャケット管は、内圧の上昇により膨張可能なチューブ状のジャケット（１４）により形成されている、請求項１記載の同軸型地中熱交換器。
3. 前記チューブ状のジャケット（１４）は、折り畳まれた状態で前記コア管（１１）を包囲しており、前記地中熱交換器孔（１）内への挿入後、超過圧力を伴って供給される流動性の媒体により、安定した最終形状に移行可能である、請求項２記載の同軸型地中熱交換器。
4. 前記チューブ状のジャケット（１４）は、前記地中熱交換器（１０）を設けることが予定されている前記地中熱交換器孔（１）の直径より大きな展開直径を有する、請求項３記載の同軸型地中熱交換器。
5. 前記コア管（１１）及び前記環状間隙（１５）は、伝熱媒体として水が貫流するように形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の同軸型地中熱交換器。
6. 前記チューブ状のジャケット（１４）は、少なくとも部分的に、最大の相対的な超過圧力の超過時に、伝熱媒体、特に水を限られた範囲内で透過させる、請求項２から５までのいずれか１項記載の同軸型地中熱交換器。
7. 前記最大の相対的な超過圧力は、約２バール〜３バールである、請求項６記載の同軸型地中熱交換器。
8. 前記チューブ状のジャケットの、設置された状態において粗の土壌に隣接する地表面近傍の領域は、水を透過させないように形成されている、請求項６又は７記載の同軸型地中熱交換器。
9. 前記中央のコア管（１１）と前記膨張可能なジャケット（１４）とは、一体的に互いに結合されており、無端のロール材料として存在し、前記地中熱交換器孔（１）内への挿入のために所望の長さでドラムから繰り出し可能である、請求項３から８までのいずれか１項記載の同軸型地中熱交換器。
10. 前記中央のコア管（１１）と、該中央のコア管（１１）と一体的に結合されている前記膨張可能なジャケット（１４）とは、裁断された切片として存在し、該切片は、前記地中熱交換器孔（１）内への挿入時に液密に互いに接続可能である、請求項３から８までのいずれか１項記載の同軸型地中熱交換器。
11. 前記中央のコア管（１１）と前記膨張可能なジャケット（１４）とは、互いに別々に存在し、前記膨張可能なジャケット（１４）は、フラットな無端のロール材料により形成され、前記中央のコア管（１１）の挿入時に初めて該中央のコア管（１１）と合体可能であり、このとき前記ジャケット（１４）の長手方向の縁部は、互いに液密に結合可能である、請求項３から８までのいずれか１項記載の同軸型地中熱交換器。
12. 前記液密な結合は、縫合及び／又は溶接により形成可能である、請求項１０又は１１記載の同軸型地中熱交換器。
13. 前記膨張可能なジャケット（１４）は、約３ｍｍ〜約１５ｍｍの厚さを有するプラスチック複合シートから形成されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の同軸型地中熱交換器。
14. 前記ジャケットは、アルミニウムエキスパンドメタルからなる補強材を有し、該補強材の両側に伸縮性のあるプラスチック膜が被着されており、該プラスチック膜は、好ましくはポリエチレン、ラテックス、ゴム又はこれに類する材料からなっており、細孔が施されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の同軸型地中熱交換器。
15. 前記中央のコア管（１１）には、熱絶縁性の被覆（１２）が設けられている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の同軸型地中熱交換器。
16. 最初にボーリング装置を用いて地中熱交換器孔（１）を形成し、
    その後、準備した前記孔（１）内に同軸型地中熱交換器（１０）を沈める、
    地中に同軸型地中熱交換器を設置する方法であって、
    前記同軸型地中熱交換器（１０）を挿入した後、当初折り畳まれており、同時に前記同軸型地中熱交換器（１０）のジャケット管の境界壁を形成するチューブ状のジャケット（１４）を、該ジャケット（１４）が実質的に前記地中熱交換器孔（１）の内壁（２）に当接するように膨張させることを特徴とする、地中に同軸型地中熱交換器を設置する方法。
17. 前記同軸型地中熱交換器の折り畳まれた前記チューブ状のジャケット（１４）の膨張を、好ましくは前記同軸型地中熱交換器の中央のコア管（１１）を通して供給される圧縮空気を用いて行い、該中央のコア管（１１）に制御可能な熱源、好ましくは赤外線放射器を配置し、該熱源を制御可能な速度をもってボアホール底（３）から地表面まで移動可能とし、これにより膨張された前記ジャケット（１４）を短時間ゾーン加熱する、請求項１６記載の方法。
18. 前記膨張可能なジャケット（１４）に、ゾーン毎の膨張を測定するセンサを配置しておき、前記熱源の移動の速度を、ジャケット材料の測定された膨張に基づいて制御する、請求項１７記載の方法。
19. 前記同軸型地中熱交換器（１０）の折り畳まれた前記ジャケット（１４）の膨張を、前記コア管（１１）と折り畳まれた前記ジャケット（１４）との間の環状間隙（１５）内に上方から供給される水を用いて行う、請求項１６記載の方法。
20. 地表面までの前記中央のコア管（１１）の完全な充填と、約５分〜４８時間の待ち時間の後、前記中央のコア管（１１）内の水柱にかかる圧力を連続的に又は段階的に約１２バール〜約１５バールの超過圧力まで上昇させ、約３０秒〜１時間半の間、前記同軸型地中熱交換器（１０）内で維持する、請求項１９記載の方法。
21. 熱絶縁性の被覆（１２）が設けられている中央のコア管（１１）と、
    当初の折り畳まれた状態から膨張された安定状態へと移行されるチューブ状のジャケット（１４）であって、ジャケット管を形成し、同軸型地中熱交換器（１０）が設置された状態において地中熱交換器孔（１）の内壁（２）に直接当接するジャケット（１４）と、
    を備える同軸型地中熱交換器（１０）の、伝熱媒体として水を用いた運転方法。

Images