JP2016023914A - 多段的地下水熱利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】地下水との効率的な熱交換を行うと共に、冷暖房負荷を削減可能な構成を有することで揚水地下水量を削減可能な地下水熱利用システムの提供をすること。
【解決手段】地表から帯水層に達する深さ以上にまで掘削された揚水井戸から汲み上げられた地下水を、熱交換器で熱交換後に排水路を通して外部に排水する地下水熱利用システムであって、前記排水路には、前記熱交換器で熱交換後の地下水を補足熱源として利用可能とする排水再利用予熱器を備えると共に、前記排水再利用予熱器で熱交換後の地下水を、建築物の屋上、又は壁面に散水する散水部を有することで、地下水を多段的に利用可能な構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、地下から汲み上げた地下水の熱を冷暖房、融雪等のために利用する地下水熱利用システムに関する。

地下水や地中は、空気よりも熱容量が大きい。そして、それらの温度は年間を通じて比較的安定していると共に、外気温に比べて、夏は冷たく、冬は暖かい。そのため、地下水や地中の熱を利用することは、空気を熱源とするエアコンや冷蔵庫よりも効率的にエネルギーを利用できることに他ならない。また、空気を熱源とするエアコンの冷房などとは異なり、外気に熱を放出しないため、ヒートアイランド現象の緩和にも貢献できることから、地下水や地中の熱は、環境にやさしい再生可能エネルギーとして注目されている。

そして、オープンループ方式と呼ばれる、井戸から揚水した地下水をヒートポンプで熱交換させる方法は、熱容量が大きい地下水を利用することから熱効率が高く、導入費用が比較的安価なため普及しつつある。

そして、オープンループ方式を利用した装置としては、地中に２本の井戸を掘削し、一方の井戸から地下水を揚水し、その地下水をヒートポンプと熱交換後に、他方の井戸に戻すようにした地下水熱交換装置が、特許文献１などで提案されている。

特開２０１１−２１８０４号公報

特許文献１で提案されるような、汲み上げた地下水をヒートポンプで熱交換後に排水する構成では、熱交換に使用する地下水量が多く、初期費用として井戸掘削に多額の費用がかかるほか、周辺地下水への影響（周辺地下水の水位の低下）等も懸念され、普及上の大きな課題となっている。特に原理上、暖房時には暖房での採熱量からヒートポンプの消費電力を引いた熱量が地下水と熱交換されるのに対し、冷房時には、冷房での吸熱量とヒートポンプの消費電力の和が地下水と熱交換される。そのため、暖房時に比べて冷房時の使用地下水量が非常に大きくなる傾向があり、普及上の大きな課題となっている。また、還元能力を確保するために複数本の井戸を設置する場合、多大な手間と高い導入費用がかかる。そして、熱交換効率を高めるために大型の熱交換器を導入し、地下水からの採熱、地下水への吸熱効率を上げ、使用地下水量の削減を図ることもある程度は可能だが、熱交換器の熱交換量にも限界があり、単純に大型の熱交換器を導入しても十分な効果が得られないことは自明である。

本発明は上記実情を基に開発されたもので、地下水との効率的な熱交換を行うと共に、冷暖房負荷を削減可能な構成を有することで、熱交換に使用する揚水地下水量を削減可能な地下水熱利用システムの提供をすることを目的としている。

前記の課題を解決するための本発明は、地表から帯水層に達する深さにまで掘削された揚水井戸から汲み上げられた地下水を、熱交換器で熱交換後に排水路を通して外部に排水する地下水熱利用システムであって、前記排水路には、前記熱交換器で熱交換後の地下水を補足熱源として利用可能とする排水再利用予熱器を備えたことを特徴とする。

そして、より効率的な熱交換を行うためには、前記排水再利用予熱器の熱交換量は、前記熱交換器の熱交換量の１/４から１/２であることが好ましい。

また、熱交換に利用する地下水量を更に削減するためには、前記排水再利用予熱器で熱交換後の地下水を、建築物の屋上、又は壁面に散水する散水部を有することが好ましい。

本発明によれば、熱交換器で熱交換後の地下水を更に再利用して熱交換を行うため、揚水する地下水量を削減することが可能である。特に、フェーン現象等の地形的特性により夏季に非常に高温となり、大陸からの寒気の影響で冬季に非常に低温となる北陸地方等の日本海側地域においては、通常の地域に比較して地下水温と夏季若しくは冬季の気温との差が非常に大きいため、本発明の効果は非常に高い。

そして、排水再利用予熱器の熱交換量を、熱交換器の熱交換量の１/４から１/２にした場合、最も顕著な効果を有し、熱交換器だけを使用した場合に比べて、揚水地下水量を２０パーセント以上削減できる。

また、排水再利用予熱器で熱交換後の地下水を、建築物の屋上、又は壁面に散水する散水部を有する構成にし、地下水を多段的に利用した場合、夏季であれば室内温度を１〜４℃程度低下させ、冷房負荷自体を削減することできる。このことにより、相対的に地下水熱交換量の削減ができ、結果的に揚水する地下水量の削減を図ることができる。そして、それに加えて冬季であれば、屋根に積もった雪などを溶かすことが可能であるため、高齢化の進む降雪地域において、雪下ろしの負担を軽減させることができる。

本発明の一実施形態に係る多段的地下水熱利用システムの回路構成を示す図である。 本発明の多段的地下水熱利用システムの制御装置に係るブロック図である。 本発明の多段的地下水熱利用システムの熱交換器と排水再利用予熱器が熱交換の際に利用する範囲を示す概念図である。 （イ）、（ロ）図は、熱交換器での地下水と熱媒と間の熱交換の説明図と、排水利用予熱器による使用地下水量の削減効果説明図である。 （イ）、（ロ）図は、冷房時に本発明の多段的地下水熱利用システムの排水再利用予熱器における熱交換率を変えた場合の地下水の最小使用揚水量、及び、使用比の変動を示すグラフである。 （イ）、（ロ）図は、暖房時に本発明の多段的地下水熱利用システムの排水再利用予熱器における熱交換率を変えた場合の地下水の最小使用揚水量、及び、使用比の変動を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図１から図６を参照して説明する。本発明の多段的地下水熱利用システムは、図１に示すように、地表から帯水層に達する深さ以上にまで掘削された揚水井戸１から汲み上げられた地下水を利用するものであって、揚水井戸１の内部には、揚水井戸１の壁面の崩壊防止にケーシング２が備えられている。

そして、ケーシング２の内部には揚水ポンプ３と、水位センサー５が設置されており、揚水ポンプ３によって揚水された地下水は、揚水管４を通じて地上まで汲み上げられる。なお、揚水ポンプ３は、後述する制御装置３０によって起動、及び、停止が制御されるものであることが望ましい。また、前記水位センサー５は、地下水の水位を検出するために設置されるものであって、ケーシング２内の地下水の水位が万一、予め設定した水位（運用時の最低水位）まで下降した際に、それを検出し、その検出信号を制御装置３０に出力可能なものである。

揚水管４は、その上端部には、第一電動三方弁６の第一ポート６aが接続されている。なお、第一電動三方弁６の第二ポート６ｂには、放流管７が接続されており、本発明の地下水熱利用システムは、放流管７から泥水を含む地下水を放流可能となっている。そして、第一電動三方弁６の第三ポート６ｃには、吸採熱管路２３が接続されており、吸採熱管路２３には、砂等の固形物を除去するためのストレーナ８が設置されている。そして、ストレーナ８が設置されている箇所より先の吸採熱管路２３には、熱交換器９が接続される。そのため、揚水した地下水は清純な状態で、熱交換器９に導かれる。なお、第一電動三方弁６も揚水ポンプ３同様、制御装置３０によって制御することが望ましいが、地下水が元々清純な場合には手動の弁であってもよい。

そして、熱交換器９は、地下水と、第二熱媒流路１９を通過した熱媒間の熱交換、図３に示す第一採熱利用範囲αを利用した熱交換を行うために使用されるものであって、前記した吸採熱管路２３の他に、地下水側の流路として第一排水路１０が接続されている。なお、地下水をヒートポンプ２１の熱媒として直接使用できれば最も効率的に熱交換が可能であるが、この場合は、地下水質に起因する配管等の設備の腐食やスケール生成を防止するために水質基準に適合する必要があり、実現可能なケースは稀なため、通常は本発明の実施例のように熱交換器９を設置して、それを介してヒートポンプ２１と熱交換を行うことが望ましい。

熱交換器９に接続された第一排水路１０は、熱交換器９にて熱交換を行った後の地下水を、その先に接続された排水再利用予熱器１１に導くためのものである。そして、排水再利用予熱器１１は、熱交換器９にて熱交換後の地下水と、第一熱媒流路１８を通過した熱媒間の熱交換、図３に示す第二採熱利用範囲βを利用した熱交換を行うために使用されるものであって、前記した第一排水路１０の他に、地下水側の流路として第二排水路１２が接続されている。そして、第二排水路１２は、熱交換器９と排水再利用予熱器１１で熱交換を行った後の地下水を第二電動三方弁１６側に導く。

なお、本実施例では、ヒートポンプ２１の熱媒（２５％エチレングリコール溶液の不凍液など）は、図１に示すように、排水再利用予熱器１１に接続する第一熱媒流路１８から流入し、排水再利用予熱器１１で予熱され、その後、第二熱媒流路１９に導かれる構成となっている。そして、その後、ヒートポンプ２１の熱媒は、熱交換器９で地下水と熱交換を行い、第三熱媒流路２０を通じて、ヒートポンプ２１へと導かれる。そして、熱交換器９を介して地下水から吸採熱した熱量はヒートポンプ２１により、二次側の循環回路２４を通じてバッファータンク２２に移送された後、冷温水回路２５へと導かれる構成となっている。そして、熱交換器９における熱交換は、図４（イ）に示す通りのものであって、地下水側では、地下水温Ｔ_in（℃）の地下水が揚水地下水量ｑ_１（ｍ^３／sec）で熱交換器９に流入し、冷暖房等に必要となる熱量を熱交換した後に排水温Ｔ_out（℃）で排水される。一方、ヒートポンプ２１側では設計ＣＯＰに基づいた熱媒循環流量ｑ’（ｍ^３／sec）で熱交換後温度Ｔ’_out（℃）となるように熱交換が行われ、従属的に熱交換前温度Ｔ’_inが決定される。そして、この時の地下水側吸採熱量Ｑ_１（Ｗ）は、地下水の密度（kg/m³）ρ×地下水の比熱（J/kg/℃）Ｃ×揚水地下水量（ｍ^３／sec）ｑ_１×（排水温（℃）Ｔ_out−地下水温（℃）Ｔ_in）の式で示すことができ、一方、ヒートポンプ側吸採熱量Ｑ’_１（Ｗ）は、熱媒の密度（kg/m³）ρ’×熱媒の比熱（J/kg/℃）Ｃ’×熱媒循環流量（m³/sec) ｑ’×（熱交換後温度（℃）Ｔ’_out−熱交換前温度（℃）Ｔ’_in）の式で示すことができる。そして、冷暖房に必要な冷暖房採熱量Ｑ₀は、熱交換器９での熱交換のみを用いる場合は、地下水側吸採熱量Ｑ_１と、ヒートポンプ側吸採熱量Ｑ’_１のスカラー値に等しい。そして、本発明の多段的地下水熱利用システムでは、図４（ロ）に示すように、熱交換器９で熱交換に使用した地下水を更に再利用するものであるので、排水再利用予熱器１１での排水再利用予熱器の熱交換量（Ｗ）Ｑ_２、予熱後の温度（℃）Ｔ’_in2とすると、その分だけ相対的に使用する地下水量を削減可能になる。なお、本発明により削減された揚水地下水量（m³/sec) ｑ₂は、ｑ_１−Ｑ_２/ρＣ（Ｔ_ｏｕｔ−Ｔ_ｉｎ）の式で示すことができる。つまり、本発明は、排水再利用予熱器１１を採用することにより、Ｑ_２/ρＣ（Ｔ_out−Ｔ_in）分の地下水量を削減可能である。そして、冷房時に、株式会社ディンプレックスジャパン社製水冷式ヒートポンプSI30TER+(50Hz)を用い、任意の設計条件下で排水再利用予熱器１１での熱交換量と、熱交換器９での熱交換量の比率を変化させると、図５に示すように地下水の最小使用揚水量が変動する。なお、ここでいう最小使用揚水量とは、排水温Ｔ_out＝熱交換後温度Ｔ’_outとなる時の揚水量のことである。そして、排水再利用予熱器１１での熱交換比率が１/３から１/２の時に最も使用地下水量が少なく済み、排水再利用予熱器１１の熱交換率が０％または１００％の時の最小使用揚水量を基準に、排水再利用予熱器１１の熱交換量を、熱交換器９の熱交換量の１/４から約１/２にした場合、少なくとも２０％以上削減できることがわかった。また、暖房時に、株式会社ディンプレックスジャパン社製水冷式ヒートポンプSI130TUR+(50Hz)を用い、任意の設計条件下で排水再利用予熱器１１での熱交換量と、熱交換器９での熱交換量の比率を変化させると、図６に示すように地下水の最小使用揚水量が変動する。そして、排水再利用予熱器１１での熱交換比率が１/４から１/３の時に最も使用地下水量が少なく済み、排水再利用予熱器１１の熱交換率が０％または１００％の時の最小使用揚水量を基準に、排水再利用予熱器１１の熱交換量を、熱交換器９の熱交換量の１/４から１/２にした場合、２０％以上削減できることがわかった。

そして、第二電動三方弁１６は、第一ポート１６ａに第二排水路１２を接続すると共に、第二ポート１６ｂには、排水管２６を、第三ポート１６ｃには、送水路２７を接続している。なお、この第二電動三方弁１６は、降水による運転切り替え制御等を行わない場合には、手動のものでも問題ない。そして、屋根散水を実施する際には、熱交換器９と排水再利用予熱器１１で熱交換を行った後の地下水は、送水路２７から排水槽１３へ導かれる。なお、屋根から散水をしない場合には、熱交換器９と排水再利用予熱器１１で熱交換を行った後の地下水は、排水管２６より外部に排水される構成となっている。

そして、排水槽１３は、熱交換後の地下水が過剰に流入した際に排水するための越流管１５を備えると共に、本実施例では、内部に送水ポンプ１４が設置されている。そして、排水槽１３に流入する、熱交換器９と排水再利用予熱器１１で熱交換を行った後の地下水は、送水ポンプ１４により汲み上げられ、散水部１７に導かれる。

散水部１７は、所謂、散水ノズルやスプリンクラー等のことであって、建築物の屋根や壁面等に、熱交換器９と排水再利用予熱器１１で熱交換を行った後の地下水を散水するものである。この散水部１７を本発明は有することにより、夏季であれば室内温度を１〜４℃程度低下させ、冷房負荷自体を削減することが可能であり、冬季であれば、屋根に積もった雪などを溶かすことが可能である。

そして、本発明の多段的地下水熱利用システムの各部は図２に示すような制御装置３０によって制御されていることが望ましい。なお、本実施例では、この制御装置３０は、例えば、図示しないリレー回路等によって、揚水ポンプ３と、水位センサー５と、第一電動三方弁６と、第二電動三方弁１６と、送水ポンプ１４と、ヒートポンプ２１と、非常用スイッチ２８と、電気的に接続されている。このような構成であれば、例えば、初期排水運転として、制御装置３０により、第一電動三方弁６を動作し、あらかじめ設定した時間だけ地下水を放流管７より外部に放流することができるため、熱交換器９に万が一にも汚れた地下水が流入する危険を排除することが可能であり、又、水位センサー５が検知した揚水井戸１の水位が極端に低く、揚水の際にエアが流入するような場合は、ヒートポンプ２１や、揚水ポンプ３、送水ポンプ１４の作動を停止することで、エアを吸い込むことに起因するトラブルを回避することもできる。なお、制御装置３０に接続された非常用スイッチ２８は、不慮の事故発生を防止するためのものであり、揚水ポンプ３、送水ポンプ１４、ヒートポンプ２１などの全ての電源を一度にオフにするためのものであり、災害時等の非常時用に利用されるものである。

なお、上記開示された本発明の実施形態の構成は、あくまで例示である。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示されると共に、当該記載と均等と評価される技術的構成まで含むものである。例えば、ヒートポンプ２１はインバータ制御のものでも、問題ないし、インバータ制御のヒートポンプ２１を採用する際には、バッファータンク２２がない構成でもよい。そして、揚水ポンプ３は、本発明の実施例ではケーシング２内に設置されるものとして示されているが、地上に設置されるものであっても問題ない。また、送水ポンプ１４に関しても揚水ポンプ３同様、地上に設置されるものであっても問題ない。

１ 揚水井戸
２ ケーシング
３ 揚水ポンプ
４ 揚水管
５ 水位センサー
６ 第一電動三方弁
６ａ 第一ポート
６ｂ 第二ポート
６ｃ 第三ポート
７ 放流管
８ ストレーナ
９ 熱交換器
１０ 第一排水路
１１ 排水再利用予熱器
１２ 第二排水路
１３ 排水槽
１４ 送水ポンプ
１５ 越流管
１６ 第二電動三方弁
１６ａ 第一ポート
１６ｂ 第二ポート
１６ｃ 第三ポート
１７ 散水部
１８ 第一熱媒流路
１９ 第二熱媒流路
２０ 第三熱媒流路
２１ ヒートポンプ
２２ バッファータンク
２３ 吸採熱管路
２４ 循環回路
２５ 冷温水回路
２６ 排水管
２７ 送水路
２８ 非常用スイッチ
３０ 制御装置
α 第一採熱利用範囲
β 第二採熱利用範囲
ρ 地下水の密度
ρ’ 熱媒の密度
ｑ₁ 揚水地下水量
ｑ₂ 本発明により削減された揚水地下水量
ｑ’ 熱媒循環流量
Ｑ₀ 冷暖房採熱量
Ｑ_１ 地下水側吸採熱量
Ｑ’_１ ヒートポンプ側吸採熱量
Ｑ_２ 排水再利用予熱器の熱交換量
Ｃ 地下水の比熱
Ｃ’ 熱媒の比熱
Ｔ_in 地下水温
Ｔ’_in 熱交換前温度
Ｔ’_in2 予熱後の温度
Ｔ_out 排水温
Ｔ’_out 熱交換後温度

Claims (3)

1. 地表から帯水層に達する深さ以上にまで掘削された揚水井戸から汲み上げられた地下水を、熱交換器で熱交換後に排水路を通して外部に排水する地下水熱利用システムであって、
   前記排水路には、前記熱交換器で熱交換後の地下水を補足熱源として利用可能とする排水再利用予熱器を備えたことを特徴とする、多段的地下水熱利用システム。
2. 前記排水再利用予熱器の熱交換量は、前記熱交換器の熱交換量の１/４から１/２であることを特徴とする、請求項１記載の多段的地下水熱利用システム。
3. 前記排水再利用予熱器で熱交換後の地下水を、建築物の屋上、又は壁面に散水する散水部を有することを特徴とする、請求項１、又は、２記載の多段的地下水熱利用システム。

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