JP2016145664A - 地中熱熱交換装置および地中熱熱交換装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換チューブの熱交換効率をより高めた地中熱熱交換装置を提供する。
【解決手段】利用側機器の運転休止中に、循環ポンプＰを用いて熱交換チューブ３に熱媒体を循環させて、充填材層３と地中熱との間で熱交換を行い、利用側機器の運転中に充填材層３に蓄熱された熱を地中熱に逃がす。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、地下水を熱源側（一次側）の熱媒体とし、利用側（二次側）の熱媒体との間で熱交換を行う地中熱熱交換装置およびその制御方法に関し、さらに詳しく言えば、小規模の井戸を用いて効率的な熱交換を行うことができる地中熱熱交換装置およびその制御方法に関する。

地中熱の利用形態としては、利用側機器で発生した熱を搬送する熱媒体を循環させる熱交換チューブを地中に設けられた熱交換井に埋設し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、熱媒体との間で熱交換した後に再びに地中に戻すオープンループ型の２種類に大別される。

例えば非特許文献１に記載されているように、クローズドループ型地中熱熱交換器は、オープンループ型に比べて、熱交換効率は劣るが、地下水を揚水しないため、揚水規制のある地域でも導入可能であり、設備負担が少なくて済むというメリットがある。

オープンループ型地中熱熱交換装置は、熱容量が大きい地下水を利用することから、熱交換効率が高いが、地下水が豊富な地域でしか採用できず、揚水規制のある地域などでは利用することができない。

また、クローズドループ型地中熱熱交換装置は、ケーシング内部の地下水位面から地表面までの空間が中空（すなわち、熱伝導率が最も悪い空気層）であるため、その間では熱交換はほとんど行われていなかった。

そこで、本件出願人は、ケーシング内部の地下水位面から地表面までの空間に充填材を充填して、中空部における熱交換効率を向上させたクローズドループ型の地中熱熱交換器を提案している（特願２０１３−２５３９７１）。

しかしながら、ケーシング内の一部に充填材を充填した地中熱熱交換装置は、利用側機器を長時間にわたって運転し続けたり、高い運転負荷をかけると、充填材層に熱が蓄熱され、翌日にまで熱が残る場合があり、再稼働時させた時にＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：成績係数）が低下することがある。

環境省「地中熱利用にあたってのガイドライン」、平成２４年３月

そこで、本発明の課題は、利用側機器の運転停止中に、充填材層に蓄積された熱を地中熱と熱交換して、利用側機器の再起動時に熱交換効率を高めることができる地中熱熱交換装置およびその制御方法を提供することにある。

上述した課題を達成するため、本発明は、地表から地中に向けて掘削され、少なくとも地表側の一部分に透水性の充填材層を有する熱交換井と、上記充填材層を貫通して上記熱交換井内に引き込まれた熱交換チューブからなる熱交換器と、上記熱交換器に利用側機器の熱媒体を循環させる循環手段とを含み、上記熱交換器を介して上記熱交換井内の地中熱と上記利用側機器の熱媒体との間で熱交換を行う地中熱熱交換装置の制御方法であって、上記利用側機器の運転停止中において、上記充填材層内の温度が所定の閾値以上もしくは閾値以下となった場合には、上記循環手段を駆動して上記熱交換器に上記熱媒体を循環させることを特徴としている。

より好ましい態様として、上記閾値が上記地中熱温度または上記熱媒体温度のいずれかであることが好ましい。

本発明には、地中熱を熱源とし、上記地中熱と利用側機器の熱媒体との間で熱交換を行う地中熱熱交換装置において、地表から地中に向けて掘削され、少なくとも地表側の一部分に透水性の充填材層を有する熱交換井と、地表から上記熱交換井内の深部にかけて配管された熱交換チューブからなる熱交換器と、上記充填材層内の温度を検出する温度センサーと、上記熱交換器内に上記利用側の熱媒体を循環させる循環手段と、上記循環手段を制御する制御部とを備え、上記制御部は、上記利用側機器の運転停止中において、上記温度センサーにて上記充填材層内の温度を計測し、上記充填材層内の温度が所定の閾値以上もしくは閾値以下となった場合には、上記循環手段を駆動して上記熱交換チューブに上記熱媒体を循環させることを特徴とする地中熱熱交換装置も含まれる。

より好ましい態様として、上記閾値が上記地中熱温度または上記熱媒体温度のいずれかであることが好ましい。

さらに好ましい態様として、上記熱交換井には、上記充填材層に水を注入する注水手段が設けられており、上記制御部は、上記利用側機器の運転休止時に、上記循環手段を駆動するに伴って上記注水手段により上記充填材層に水を注水することが好ましい。

本発明によれば、利用側機器の運転休止中に、循環手段を用いて熱交換チューブに熱媒体を循環させて、充填材層に蓄積された熱と地中熱との間で熱交換を行うことにより、利用側機器の運転中に充填材層に蓄熱された熱を上記地中熱に逃がすことができ、利用側機器を再起動させた際のＣＰＯを向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る地中熱熱交換装置の構成を模式的に示した全体図。 上記第１実施形態に係る地中熱熱交換装置の変形例を示した全体図。 本発明の第２実施形態に係る地中熱熱交換装置の構成を模式的に示した全体図。 本発明の第３実施形態に係る地中熱熱交換装置の構成を模式的に示した全体図。 本発明の各実施形態に係る地中熱熱交換装置の制御方法を説明するフローチャート。

次に、本発明の各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ない。

図１Ａに示すように、第１実施形態に係る地中熱熱交換装置１Ａは、地表面Ｇからほぼ鉛直に掘削された筒状の熱交換井２Ａと、熱交換井２Ａの中に沿って配置される熱交換チューブ（熱交換器）３と、地中熱熱交換ユニットＨＰと、地中熱熱交換装置１Ａを制御する制御部７とを備えている。

熱交換井２Ａは、地表面Ｇからほぼ鉛直に掘削ボーリングされた円筒状を呈し、この実施形態では、地下水位線ＷＬを貫くように掘削されている。熱交換井２Ａは、通常、複数箇所に設けられているが、説明の都合上、１箇所のみが示されている。

この第１実施形態における熱交換井２Ａには、内周面に沿ってケーシング２１が挿通されている。ケーシング２１は、熱交換井２Ａの内径とほぼ同径の鋼管からなり、内部は所定の仕切部材（パッカー）２２を介して上下に区画されている。この第１実施形態において、ケーシング２１は、一部にスリット孔２１１が設けられたいわゆる孔明管が用いられている。

仕切部材２２は、例えば溶接などによってケーシング２１の内周面に一体的に固定された金属板であり、その一部には、熱交換チューブ３を挿通する挿通孔２２１が設けられている。この実施形態において、仕切部材２２は、熱交換井２Ａが掘削された地層の地下水位線ＷＬに該当する位置とほぼ同じ位置に配置されている。

この実施形態において、仕切部材２２は、金属板からなるが、上部の充填材層２３に注水された水が、仕切部材２２を通って下側の貯水空間に逃がすため透水性を備えていてもよい。仕切部材２２としては、金属板のほか、パンチングメタルやグレーチングパネルなどの透水孔を設けたものが用いられても良い。その場合、透水孔から充填材２３１がこぼれ落ちないようにするため、仕切部材２２と充填材２３１との間に荒い充填材を充填することが好ましい。

仕切部材２２を挟んでケーシング２１の下側には、スリット孔２１１が設けられている。スリット孔２１１は、ケーシング２１の軸線方向に沿って開口されてた縦長孔であって、ケーシング２１の円周方向に沿って所定の間隔をもって多数配置されている。このスリット孔２１１を通して地層から染み出した地下水がケーシング２１の内部に一時的に貯留される。

この実施形態において、ケーシング２１には直線状のスリット孔２１１が形成されているが、例えば丸孔であってもよいし、メッシュ状の孔や一部を切り欠いてグレーチングパネルなどを一体的に溶接したものであってもよく、熱交換井２Ａの内壁の崩落を防ぎつつ、地下水を透過することができる透水孔であれば、その仕様は任意に変更されて良い。

仕切部材２２を挟んでケーシング２１の上側には、充填材層２３が形成されている。充填材層２３は、砂礫などの比較的荒い粒状物からなる充填材２３１を仕切部材２２からほぼ地表面に至るまで充填して適度な透水性を備えた透水層である。充填材２３１は、充填材層２３が適度な透水性を備えることができるのであれば、仕様に応じて任意に選択可能である。

熱交換チューブ３には、直管チューブをＵ字状に折り曲げて、一方を往路側、他方と復路側としたＵ字管が用いられ、その折り曲げた先端が熱交換井２Ａの底部に向けて挿入されている。熱交換チューブ３の底部の折返部には、図示しない錘が吊り下げられており、錘により、熱交換チューブ３が常に熱交換井２に沿って鉛直となるように配置されている。

この例において、熱交換チューブ３は、１つの熱交換井２に対して１本の熱交換チューブ３を備えているが、例えば２つのＵ字状の熱交換チューブ３を上面視Ｘ字状に交差させて挿入してもよい。

熱交換チューブ３の入口側と出口側はともに、利用側装置としての地中熱熱交換ユニットＨＰに接続されている。本発明において、地中熱熱交換ユニットＨＰは、ヒートサイクルを利用した給湯装置やエアコンなどが利用側機器として用いられ、その利用側の熱源と熱交換チューブ３内を流れる熱媒体とが、図示しない熱交換器によって熱交換されるようになっている。地中熱熱交換ユニットＨＰは、熱媒体が閉ループ回路を循環する基本態様を備えていればよく、その具体的な形態は特に限定されない。

地中熱熱交換ユニットＨＰには、熱交換チューブ３に熱媒体を循環させるための循環ポンプＰが設けられている。この実施形態において、循環ポンプＰは、地中熱熱交換ユニットＨＰの運転中に熱媒体を循環させる循環装置であるが、循環ポンプＰとは別に、地中熱熱交換ユニットＨＰの運転休止中に熱媒体を循環させるための予備の循環ポンプをさらに備えていても良い。これによれば、２台の循環ポンプを用いて熱媒体を循環させて循環量を増やすことができる。

熱交換チューブ３には、熱交換チューブ３の往路側と復路側とを所定の間隔をもって支持するための図示しないスペーサが設けられていることが好ましい。

地中熱熱交換ユニットＨＰの熱交換チューブ３の流出側には、熱媒体の流出側温度を計測する第１温度センサＳ１が設けられている。熱交換チューブ３の流入側には、熱媒体の流入側温度を計測する第２温度センサＳ２が設けられている。各温度センサＳ１，Ｓ２はともに制御手段７によって制御され、測定データを制御部７に送信する。

ここで、より好ましい態様として、図１Ｂに示すように、充填材層２３に水を注入して、熱交換チューブ３の熱交換効率を向上させるための第１注水手段４が設けられていることが好ましい。本発明において、注水手段は任意的な構成要素である。第１注水手段４は、水を貯留するための貯水タンク４１と、貯水タンク４１から熱交換井２Ａに水を送る第１送水管４２と、充填材層２３内に設置される第１注水パイプ４３とを備えている。

貯水タンク４１は、内部に所定量の水を貯水可能なタンクであって、この実施形態では地上に設置されている。貯水タンク４１は、地下に設置されてもよい。貯水タンク４１は、例えば池や川などに置き換えることもできる。タンクに貯留される水については、上水や中水のほか、雨水、池や川などの自然水であってもよい。

第１送水管４２は、例えば塩ビパイプなどの一般的な送水管であって、貯水タンク４１から地中に向けて引き出され、その一部には図示しない制御手段により開閉制御される第１開閉バルブ４２１が設けられている。

第１注水パイプ４３は、熱交換井２Ａの形状に合わせて環状に形成されたパイプからなり、図示しない注水孔が所定間隔で設けられている。この実施形態において、第１注水パイプ４３は、それぞれ独立した環状パイプであって、それらが軸線方向に沿って所定間隔で３箇所設けられている。

各第１注水パイプ４３には、所定の継手を介して第１送水管４２が接続されており、貯水タンク４１から送水管４２を通って第１注水パイプ４３に送られた水が透水層２３に注水されるようになっている。透水層２３には、温度センサ２４が一緒に埋設されており、各温度センサＳ１，Ｓ２または透水層２３に埋設された温度計２４による温度情報を元に制御部が上述した第１開閉バルブ４２１を制御する。

図１Ｂにおいて、第１注水パイプ４３は、３つの環状パイプを等間隔に配置し、それらを第１送水管４２に継手を介して連結したものからなるが、例えば第１送水管４２のみを透水層２３に差し込み、その外周に注水孔を設けても良い。さらには、透水層２３の下から上に向かって螺旋状に形成した注水パイプを用いても良い。

次に、図２を参照して、本発明の第２実施形態に係る地中熱熱交換器１Ｂについて説明する。なお、上記第１実施形態の地中熱熱交換器１Ａと同一もしくは同一と見なされる箇所には同じ参照符号を付した。この地中熱熱交換器１Ｂは、第１実施形態の熱交換井２Ａと実質的に同一な構成を備えた熱交換井２Ｂを備えている。

この地中熱熱交換器１Ｂには、熱交換井２Ｂの内側に水を注水するする第１注水手段４とともに、熱交換井２Ｂの外側に水を注水する第２注水手段５が設けられている。第２注水手段５は、貯水タンク４１からの水を地中に送る第２送水管５１と、熱交換井２Ｂの外周に沿って配置される第２注水パイプ５２とを備えている。

この変形例において、第２送水管５１は、第１送水管４２の一部から分岐された分岐管であり、その一部には、制御部７により開閉制御される第２開閉バルブ５１１が設けられている。この第２開閉バルブ５１１も各温度センサＳ１，Ｓ２または透水層２３に埋設された温度計２４の温度データに基づき制御手段により制御される。

第２注水パイプ５２は、主管である送水管５１に接続された枝管で、熱交換井２Ｂの外径よりも大径な環状に形成されたパイプからなる。第２注水パイプ５２には、図示しない注水孔が所定間隔をもって多数設けられている。この変形例において、第２注水パイプ５２は、熱交換井２Ｂの透水層２３に沿って所定間隔で３箇所設けられている。

これによれば、熱交換井２Ｂの内側と外側の両方に水を注入することにより、透水層２３における熱交換効率をより一層高めることができる。この第２実施形態においても、第２注水パイプ５２は、環状に限定されず、直管を地面から鉛直に差し込んだものであってもよいし、螺旋管であってもよい。さらには、地中に埋設せずに地表面から水を散水するようにしてもよい。

次に、図３を参照して、本発明の第３実施形態に係る地中熱熱交換器１Ｃについて説明する。この地中熱熱交換装置１Ｃは、地表面Ｇから鉛直方向に沿って地下水位線ＷＬよりも深くなるように掘削された熱交換井２Ｃを備えている。

熱交換井２Ｃの内側には、熱交換井２Ｃの底部から地下水位線ＷＬに至る高さまで所定の充填材が充填された第１充填材層２３ａと、地下水位線ＷＬから地表付近に至るまで所定の充填材が充填された第２充填材層２３ｂとを有する２層の充填構造になっており、その中に熱交換チューブ３が配設されている。

この第３実施形態において、熱交換井２Ｃは、第１実施形態に記載されたケーシング２１を持たず、その掘削面が剥き出しとなっているため、そのままでは熱交換井２Ｃの内壁が崩落してしまうおそれがある。そこで、熱交換井２Ｃの内部に充填材を充填することにより、内壁の崩落を防いでいる。

第１充填材層２３ａは、例えば小石や砕石など充填することにより多くの空隙が形成される粗粒状物からなり、地下水位線ＷＬとほぼ同じ位置か、若干上方となる位置まで充填されている。これによれば、熱交換井２Ｃの表面から染み出した地下水が熱交換井２Ｃの内部に流れるようになっている。

第１充填材層２３ａの上部には、第１実施形態と同じ仕切部材２２が設けられており、その上部に第２充填材層２３ｂが形成される。第２充填材層２３ｂは、上述した第１実施形態の充填材層２３と同じであってよく、砂礫などの比較的荒い粒状物を仕切部材２２からほぼ地表面に至るまで充填して適度な透水性を備えた透水層である。

この熱交換井２Ｃの第２充填材層２３ｂには、第１注水手段４が設けられており、注水によって、地下水位線ＷＬよりも上方に位置する熱交換チューブ３の熱交換効率を高めることができる。

なお、この第３実施形態の熱交換装置１Ｃは、第１注水手段４によって熱交換井２Ｃの内部にのみ注水しているが、変形例のように第２注水手段５をさらに設けてもよく、熱交換井２Ｃの内側と外側の両方に注水しても良い。

次に、図４に示すフローチャートを参照して、本発明の第１〜第３実施形態に係る地中熱熱交換装置１Ａ〜１Ｃの運転手順の一例を説明する。なお、この実施形態において、利用側機器はエアコンで、運転モードは冷房運転とする。

図示しないエアコン機器の運転が開始されると（ステップＳＴ１）、制御部７は、地中熱熱交換ユニットＨＰと循環ポンプＰをＯＮして、熱交換チューブ３に熱媒体を循環させる（ステップＳＴ２）。併せて、制御部７は、温度センサ２４から充填材層２３内の温度を温度センサ２４で計測する（ステップＳＴ３）。

次に、制御部７は、第１および第２温度センサＳ１，Ｓ２から流入側温度と流出側温度を計測し（ステップＳＴ４）、その測定温度データを元に運転を制御する。本発明の特徴は、利用側機器の停止後の運転制御にあり、利用側機器の運転中の制御方法については任意的事項である。

次に、制御部７は、利用側機器であるエアコンが停止されたかどうかを確認し（ステップＳＴ５）、継続運転中の場合には、ステップＳＴ１に戻り運転を継続する。エアコンが停止されたと判断した場合には、地中熱交換ユニットＨＰを停止する（ステップＳＴ６）。

エアコン（利用側機器）の停止を受け、制御部７は、地中熱熱交換ユニットＨＰを停止したのち、第１および第２温度センサＳ１，Ｓ２から流入側温度と流出側温度を計測し、その温度差から充填材層２３の蓄熱状況を計測する（ステップＳＴ７）。その際、設定温度の閾値の温度範囲内（例えば２２℃以上２７℃以下）であると判断した場合は（ステップＳＴ８）、循環ポンプＰを停止して完全に停止する（ステップＳＴ８）。この実施形態において、閾値は平均地下水温１７℃±５℃であるが、閾値は仕様や環境に応じて任意に選択されて良い。

逆に、設定温度の閾値温度を越えた場合、制御部７は、充填材層２３内に熱が蓄熱されていると判断し、循環ポンプＰの駆動する。この実施形態において、閾値は、冷房運転であるため、閾値の上限値をいい、暖房運転時は閾値の下限値をいう。なお、第１注水手段４を備えている場合には、循環ポンプＰの駆動と併せて充填材層２３に所定量の注水を行っても良い。

次に、制御部７は、図示しないタイマー手段により運転時間が一定時間経過したかどうかを判別し（ステップＳＴ８ｂ）、一定時間経過した場合には、再び温度センサ２４で充填材層２３内の温度を計測する（ステップＳＴ８ｃ）。

制御部７は、再び第１および第２温度センサＳ１，Ｓ２から計測した温度が設定温度の範囲内になるかどうかを判断し、設定温度の範囲内であると判断した場合は、設定温度の範囲内であると判断した場合は、循環ポンプＰを停止し（ステップＳＴ９）、完全停止となる。他方、設定温度の範囲外であると判断した場合は、ステップＳＴ８ａに戻り、循環ポンプＰを継続する。

本発明によれば、利用側機器の運転休止中に、循環手段を用いて熱交換チューブに熱媒体を循環させて、充填材層と地中熱との間で熱交換を行い、利用側機器の運転中に充填材層に蓄熱された熱を地中熱に逃がすことにより、熱交換器に蓄えられた熱を地中に逃がしてＣＰＯを向上させることができる。

１Ａ〜１Ｃ 地中熱熱交換装置
２Ａ〜２Ｃ 熱交換井
２１ 孔明管
２１１ スリット
２２ 仕切部材（パッカー）
２３ 充填材層
２４ 温度計
２５，２６ 透水層
３ 熱交換チューブ
４ 第１注水手段
４１ 貯水タンク
４２ 送水管
４３ 注水パイプ
５ 第２注水手段
５１ 第２送水管
５２ 第２注水パイプ
６ 第３注水手段
６１ 貯水タンク
６２ 送水管
６３ 注水パイプ
７ 制御部
ＨＰ 地中熱熱交換ユニット
Ｓ１ 第１温度センサ
Ｓ２ 第２温度センサ

Claims (5)

1. 地表から地中に向けて掘削され、少なくとも地表側の一部分に透水性の充填材層を有する熱交換井と、上記充填材層を貫通して上記熱交換井内に引き込まれた熱交換チューブからなる熱交換器と、上記熱交換器に利用側機器の熱媒体を循環させる循環手段とを含み、上記熱交換器を介して上記熱交換井内の地中熱と上記利用側機器の熱媒体との間で熱交換を行う地中熱熱交換装置の制御方法であって、
   上記利用側機器の運転停止中において、上記充填材層内の温度が所定の閾値以上もしくは閾値以下となった場合には、上記循環手段を駆動して上記熱交換器に上記熱媒体を循環させることを特徴とする地中熱熱交換装置の制御方法。
2. 上記閾値が、上記地中熱温度または上記熱媒体温度のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の地中熱熱交換装置の制御方法。
3. 地中熱を熱源とし、上記地中熱と利用側機器の熱媒体との間で熱交換を行う地中熱熱交換装置において、
   地表から地中に向けて掘削され、少なくとも地表側の一部分に透水性の充填材層を有する熱交換井と、地表から上記熱交換井内の深部にかけて配管された熱交換チューブからなる熱交換器と、上記充填材層内の温度を検出する温度センサーと、上記熱交換器内に上記利用側の熱媒体を循環させる循環手段と、上記循環手段を制御する制御部とを備え、
   上記制御部は、上記利用側機器の運転停止中において、上記温度センサーにて上記充填材層内の温度を計測し、上記充填材層内の温度が所定の閾値以上もしくは閾値以下となった場合には、上記循環手段を駆動して上記熱交換チューブに上記熱媒体を循環させることを特徴とする地中熱熱交換装置。
4. 上記閾値が、上記地中熱温度または上記熱媒体温度のいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の地中熱熱交換装置。
5. 上記熱交換井には、上記充填材層に水を注入する注水手段が設けられており、上記制御部は、上記利用側機器の運転休止時に、上記循環手段を駆動するに伴って上記注水手段により上記充填材層に水を注水することを特徴とする請求項３または４に記載の地中熱熱交換装置。

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