JP2016223081A - エネルギー交換システムおよびエネルギー交換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地下水が自噴しない場所にも適用でき、電力を必要とせず、しかも簡便かつ効率よくエネルギーを交換できるエネルギー交換システムおよびエネルギー交換方法の提供。【解決手段】掘削穴Ｈに装入された保護管１１と、保護管１１内に設置されたエネルギー交換手段１２とを備え、掘削穴Ｈは帯水層Ｘと透水層もしくは被圧帯水層Ｙとに到達する竪穴であり、保護管１１は特定の位置に形成された取水口１１ａと排水口１１ｂとを有し、エネルギー交換手段１２は取水口１１ａと排水口１１ｂとの間に設置され、ポンプを使用することなく地下水を取水口１１ａから排水口１１ｂへ移動させるエネルギー交換システム１０、およびポンプを使用することなく、帯水層Ｘ中の地下水を取水口１１ａから保護管１１内に取り込み、エネルギー交換手段１２を通過させ、排水口１１ｂから透水層もしくは被圧帯水層Ｙへ排水させてエネルギー交換するエネルギー交換方法。【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギー交換システムおよびエネルギー交換方法に関する。

近年、地下水をエネルギー源として利用したエネルギー交換システムが提案されている。
例えば、地下水を熱エネルギー源として利用したシステムとしては、以下のものが知られている。
（１）上部帯水層と下部帯水層との間に不透水性土層が存在している地盤に、不透水性土層を貫通して下部帯水層に達する井戸を施工し、不透水性土層の位置にパッカー（遮水盤）を配置して井戸内を上下に仕切り、パッカーの上下にスクリーンをそれぞれ設け、パッカー近傍に熱交換器を含むヒートポンプ装置を配置し、パッカーの上下にポンプを設置したヒートポンプ設備（特許文献１参照）。
（２）帯水層に到達する井戸を施工し、井戸の所定の位置にストレーナを設け、該ストレーナの位置に遮水管（遮水盤）を配置して井戸内を上下に仕切り、井戸内に熱交換器を設け、地上または井戸内にポンプを配置した地下水熱利用設備における地中装置（特許文献２参照）。
（３）帯水層に到達する井戸を施工し、可動式分離装置（遮水盤）を配置して井戸内を上下に仕切り、可動式分離装置の上下にスクリーンをそれぞれ設け、地上に熱交換器およびポンプを設置した地下水熱交換装置（特許文献３参照）。
（４）砂礫層に到達する井戸を施工し、環状受座（遮水盤）を配置して井戸内を上下に仕切り、環状受座の上側に還流スリットを設け、環状受座の下側に吸水スリットを設け、地上または環状受座の下側に熱交換槽を配置し、環状受座の下側にポンプを配置した熱交換式井戸装置（特許文献４）。

また、地下水を発電エネルギー源として利用したシステムとしては、以下のものが知られている。
（５）井戸水を案内する導水手段と、案内された井戸水により回転されるタービンを備えた発電手段とを有する、自噴する井戸水の水力エネルギーを利用した発電システム（特許文献５）。
（６）ポンプにより井戸内の地下水を汲み上げた際に発生する水の流れの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するタービン発電機を備えた発電システム（特許文献６）。
（７）地下水を汲み上げる揚水設備と、汲み上げた地下水を熱源に利用する冷房設備と、利用後の地下水を排水する排水設備と、排水設備に設けられた水力発電設備とを備えた発電システム（特許文献７）。
（８）揚水井と、注入井と、一端を揚水井の地下水に挿入し、他端を注入井内の、揚水井の水面より下方の位置まで挿入したサイホン管と、サイホンの作用でサイホン管に流れる地下水により回転するタービンを有する水力発電機とを備えた発電システム（特許文献８）。

特開平９−２８０６８９号公報 特開２００７−１７７４３４号公報 特開２０１０−１１７０８１号公報 特開２０１１−１７２３７号公報 特開２００１−１０７３４３号公報 特表２０１１−５１３６１５号公報 特開２００２−１４６８５２号公報 特開２０１３−４７４７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のヒートポンプ設備では、パッカーの上に設置されたポンプにより上部帯水層の地下水を揚水してヒートポンプ装置の熱交換器に供給した後、下部帯水層に環水する。または、パッカーの下に設置されたポンプにより、下部帯水層の地下水を揚水してヒートポンプ装置の熱交換器に供給した後、上部帯水層に環水する。
特許文献２、３に記載の装置では、ポンプにより井戸の上部の帯水層および下部の帯水層のいずれか一方の地下水を揚水し、熱交換器に供給した後、他方の帯水層へ環水する。
特許文献４に記載の熱交換式井戸装置では、ポンプにより吸水スリットから砂礫層の地下水を揚水し、熱交換器に供給した後、環水スリットから砂礫層へ環水する。
このように、地下水を熱利用するには、ポンプを用いて地下水を汲み上げて熱交換器に供給する必要があるため、ポンプ動力用の電源が必要となる。

特許文献５に記載の発電システムは、地下水が自噴しない場所には適用できないため、設置場所が限定される。また、地下水を地上へ噴出させるには設備が大がかりになりやすい。
特許文献６に記載の発電システムの場合、ポンプにより地下水を汲み上げて発電させるため、ポンプ動力用の電源が必要となる。
特許文献７に記載の発電システムの場合、汲み上げた地下水を熱源に利用した後に、発電に用いている。このように、地下水を発電に利用するには、一旦地下水を汲み上げる必要があるため、ポンプ動力用の電源が必要となる。
特許文献８に記載の発電システムの場合、少なくとも２本の井戸と、これらを接続するサイホン管が必要となるため、設置に手間がかかる。また、発電させるために、一方の井戸（揚水井）から地下水を一旦地上まで汲み上げた後、他方の井戸（注入井）へ戻しているため作業効率も悪い。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、地下水が自噴しない場所にも適用でき、電力を必要とせず、しかも簡便かつ効率よくエネルギーを交換できるエネルギー交換システムおよびエネルギー交換方法を提供することを課題とする。

本発明は以下の態様を有する。
［１］ 掘削穴に装入された保護管と、保護管内に設置されたエネルギー交換手段とを備えたエネルギー交換システムであって、前記掘削穴は、帯水層と、該帯水層の下方または上方に位置する透水層もしくは被圧帯水層とが存在する地盤に掘削された、帯水層と、透水層もしくは被圧帯水層とに到達する竪穴であり、前記保護管は、帯水層の位置に形成された、帯水層中の地下水を保護管内に取り込む取水口と、透水層もしくは被圧帯水層の位置に形成された、保護管内に取り込んだ地下水を透水層もしくは被圧帯水層へ排水する排水口とを有し、前記エネルギー交換手段は、取水口と排水口との間に設置され、ポンプを使用することなく地下水を取水口から排水口へ移動させる、エネルギー交換システム。
［２］ 前記エネルギー交換手段は地下水と熱媒体との間で熱交換する熱交換器を備え、地下水との間で熱交換された熱媒体を地上へ導出し、地上にて熱利用された後の熱媒体をエネルギー交換手段へ返送する循環手段をさらに備える、［１］に記載のエネルギー交換システム。
［３］ 前記エネルギー交換手段は発電機を備える、［１］に記載のエネルギー交換システム。
［４］ 前記発電機により得られた電力を備蓄する電力備蓄手段をさらに備える、［３］に記載のエネルギー交換システム。

［５］ 掘削穴に装入された保護管内にエネルギー交換手段を設置して、保護管内に地下水を流してエネルギー交換するエネルギー交換方法であって、前記掘削穴は、帯水層と、該帯水層の下方または上方に位置する透水層もしくは被圧帯水層とが存在する地盤に掘削された、帯水層と、透水層もしくは被圧帯水層とに到達する竪穴であり、前記保護管は、帯水層の位置に形成された取水口と、透水層もしくは被圧帯水層の位置に形成された排水口とを有し、前記エネルギー交換手段は、取水口と排水口との間に設置され、ポンプを使用することなく、帯水層中の地下水を取水口から保護管内に取り込み、エネルギー交換手段を通過させ、排水口から透水層もしくは被圧帯水層へ排水させてエネルギー交換する、エネルギー交換方法。

本発明のエネルギー交換システムおよびエネルギー交換方法によれば、地下水が自噴しない場所にも適用でき、電力を必要とせず、しかも簡便かつ効率よくエネルギーを交換できる。

本発明の第一の態様のエネルギー交換システムの一実施形態を示す概略図である。 本発明の第一の態様のエネルギー交換システムの他の実施形態を示す概略図である。 本発明の第二の態様のエネルギー交換システムの一実施形態を示す概略図である。 本発明の他の態様のエネルギー交換システムの一実施形態を示す概略図である。 本発明の他の態様のエネルギー交換システムの一実施形態を示す概略図である。

以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。
なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
また、図２〜５において、図１と同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。

「第一の態様」
＜エネルギー交換システム＞
図１は、本発明の第一の態様のエネルギー交換システムの一実施形態を示す概略図である。本発明の第一の態様のエネルギー交換システムは、地下水の熱エネルギーを利用したものである。
図１に示すエネルギー交換システム１０は、掘削穴Ｈに装入された保護管１１と、保護管１１内に設置されたエネルギー交換手段１２および集水管１３と、循環手段１４とを備える。

図１に示す掘削穴Ｈは、帯水層Ｘと、帯水層Ｘの下方に位置する透水層もしくは被圧帯水層Ｙとが存在する地盤に、地面Ｇから下方に向かって掘削された、帯水層Ｘと、透水層もしくは被圧帯水層Ｙとに到達する竪穴である。

保護管１１は、土砂崩落などから掘削穴Ｈを保護するための有底筒状の管である。
保護管１１には、掘削穴Ｈに挿入した際の帯水層Ｘの位置に取水口１１ａが形成され、透水層もしくは被圧帯水層Ｙの位置に排水口１１ｂが形成されている。
取水口１１ａは帯水層Ｘの地下水を保護管１１内に取り込むための入口であり、排水口１１ｂは保護管１１内に取り込んだ地下水を透水層もしくは被圧帯水層Ｙへ排水するための出口である。取水口１１ａから取り込まれた帯水層Ｘの地下水は、ポンプを使用することなく排水口１１ｂへ移動し、被圧帯水層Ｙへ排水される。
取水口１１ａおよび排水口１１ｂには、砂等が保護管１１内に侵入するのを防ぐための金網１６が取り付けられている。

エネルギー交換手段１２は、取水口１１ａと排水口１１ｂとの間に設置されている。
第一の態様のエネルギー交換システムのエネルギー交換手段１２としては、熱交換器（図示略）を備えるものを用いる。
熱交換器としては、地下水と熱媒体との間で熱交換ができるものであれば、特に制限されない。

集水管１３は、エネルギー交換手段１２と取水口１１ａとの間に設置されている。
集水管１３としては、取水口１１ａから保護管１１内に取り込んだ地下水を集水し、集水した地下水をエネルギー交換手段１２に注水できるものであれば特に制限されないが、例えば図１に示すように、両端が開口し、かつ取水口１１ａ側の端部の直径がエネルギー交換手段１２側の端部の直径よりも大きな筒状のものが好ましい。
また、集水管１３の少なくとも一方の端部には、フィルタ（図示略）が取り付けられていてもよい。

循環手段１４は、エネルギー交換手段１２と地面Ｇ上に設置された熱交換器１５との間で、地下水との間で熱交換された熱媒体を循環させるものである。
以下、エネルギー交換手段１２に備わる熱交換器を「第一の熱交換器」といい、地面Ｇ上に設置された熱交換器１５を「第二の熱交換器」ともいう。

循環手段１４は、地下水との間で熱交換された熱媒体をエネルギー交換手段１２から地上へ導出し、第二の熱交換器１５へ供給する導出配管１４ａと、第二の熱交換器１５にて熱利用された後の熱媒体をエネルギー交換手段１２へ返送する返送配管１４ｂと、ポンプ１４ｃとを備える。
導出配管１４ａおよび返送配管１４ｂは、それぞれエネルギー交換手段１２と第二の熱交換器１５とに接続されている。

第二の熱交換器１５は、建物等の空調などに利用されるものある。
第二の熱交換器１５としては、熱媒体と空気との間で熱交換ができるものであれば、特に制限されない。

＜エネルギー交換方法＞
図１に示すエネルギー交換システム１０を用いた、本発明の第一の態様のエネルギー交換方法では、ポンプを使用することなく、帯水層Ｘ中の地下水を取水口１１ａから保護管１１内に取り込み、集水管１３により集水させた後にエネルギー交換手段１２に通過させ、排水口１１ｂから透水層もしくは被圧帯水層Ｙへ排水させる。
図１に示すエネルギー交換システム１０は、保護管１１内に取り込んだ地下水の熱エネルギーをエネルギー交換手段１２の第一の熱交換器により熱媒体との間で熱交換する。例えば、地下水の温度が外気温よりも高い場合は熱交換により熱媒体を加温し、地下水の温度が外気温よりも低い場合は熱交換により熱媒体を冷却する。地下水は保護管１１内で落下することで帯水層Ｘからエネルギー交換手段１２を通過して透水層もしくは被圧帯水層Ｙへと移動するので、地下水と熱媒体との間での熱エネルギー交換の際にはポンプを使用しない。

地下水との間で熱交換された（すなわち、地下水により加温または冷却された）熱媒体は、循環手段１４のポンプ１４ｃにより導出配管１４ａを通って地上へ導出され、第二の熱交換器１５へ供給される。
第二の熱交換器１５では、熱媒体の保有する熱エネルギーを、別途第二の熱交換器１５に給気された空気との間で熱交換する。例えば、地下水により加温された熱媒体が第二の熱交換器１５に供給される場合は熱交換により空気を加温し、地下水により冷却された熱媒体が第二の熱交換器１５に供給される場合は熱交換により空気を冷却する。
温度調節された空気は、建物等の空間を空調する空調装置に導入され、建物等の空間に排気される。一方、第二の熱交換器１５にて空気との間で熱交換された、すなわち熱利用された熱媒体は、循環手段１４のポンプ１４ｃにより返送配管１４ｂを通ってエネルギー交換手段１２へ返送される。

＜作用効果＞
以上説明した本発明の第一の態様のエネルギー交換システムおよびエネルギー交換方法によれば、保護管内に取り込んだ地下水の落下を利用して、帯水層の地下水を透水層もしくは被圧帯水層（すなわち、水を吸い込みやすい層）へ移動させるので、ポンプを使用することなくエネルギー交換手段に地下水を通過させてエネルギー交換を行うことができ、電力を必要としない。また、１本の掘削穴（井戸）を掘削して特定の保護管を掘削穴に挿入し、所定の箇所にエネルギー交換手段を設置するだけでエネルギー交換手段（熱交換）が可能であり、しかも地下水と熱媒体とのエネルギー交換に際しては地下水を一旦地上まで汲み上げる必要もないため、簡便かつ効率よくエネルギー交換できる。また、本発明の第一の態様のエネルギー交換システムおよびエネルギー交換方法は、地下水が自噴しない場所に適用できる。
さらに、地下水の水量は安定しているため、エネルギー交換に際して季節や天候の変動を受けにくい。

＜他の実施形態＞
本発明の第一の態様のエネルギー交換システムおよびエネルギー交換方法は、上述したものに限定されない。図１に示すエネルギー交換システム１０は、透水層もしくは被圧帯水層Ｙが帯水層Ｘの下方に位置し、保護管１１の排水口１１ｂが取水口１１ａよりも下方に形成され、保護管１１内に取り込んだ地下水の落下を利用してエネルギー交換するものであるが、例えば図２に示すエネルギー交換システム２０であってもよい。
図２に示すエネルギー交換システム２０は、透水層もしくは被圧帯水層Ｙが帯水層Ｘの上方に位置し、保護管１１の排水口１１ｂが取水口１１ａよりも上方に形成されている。
図２に示すエネルギー交換システム２０は、地下水が自噴する場所に設けられ、該エネルギー交換システム２０を用いたエネルギー交換方法では、保護管１１内に取り込んだ地下水の自噴を利用してエネルギー交換手段１２により熱媒体との間で熱交換する。

図２に示すエネルギー交換システム２０および該エネルギー交換システム２０を用いたエネルギー交換方法によれば、保護管内に取り込んだ地下水の自噴を利用して、帯水層Ｘの地下水を透水層もしくは被圧帯水層Ｙへ移動させるので、ポンプを使用することなくエネルギー交換手段１２に地下水を通過させてエネルギー交換を行うことができ、電力を必要としない。また、１本の掘削穴（井戸）を掘削して特定の保護管を掘削穴に挿入し、所定の箇所にエネルギー交換手段を設置するだけでエネルギー交換手段（熱交換）が可能であり、しかも地下水と熱媒体とのエネルギー交換に際しては地下水を一旦地上まで汲み上げる必要もないため、簡便かつ効率よくエネルギー交換できる。
なお、地下水を自噴により地上へ噴出させたり、地下水を地上へ汲み上げたりしてエネルギー交換する場合、エネルギー交換に利用した後の地下水は河川等へ放流して処分されることがある。エネルギー交換に利用した後の地下水はエネルギー交換手段１２を通過しているので、廃水扱いとなる場合がある。そのため、この地下水を河川へ放流する際には、河川法等に基づいて放流する必要があり、処分に手間がかかることがある。
しかし、図２に示すエネルギー交換システム２０および該エネルギー交換システム２０を用いたエネルギー交換方法では、自噴する地下水を一方の層（帯水層）から他方の層（透水層もしくは被圧帯水層）へ流すので、意図的に地下水を地上へ噴出させたり汲み上げたりしない。また、地下水が透水層もしくは被圧帯水層へ排水されずに地上へ噴出したとしても、その量はわずかである。よって、エネルギー交換に利用した後の地下水の処分に手間がかからない。

また、図１，２に示すエネルギー交換システム１０，２０は、集水管１３を備えているが、集水管１３はなくてもよい。ただし、集水管１３を備えていれば、取水口１１ａから取り込まれた地下水を効率よくエネルギー交換手段１２に送り込むことができるので、エネルギー交換効率がより高まる。

「第二の態様」
＜エネルギー交換システム＞
図３は、本発明の第二の態様のエネルギー交換システムの一実施形態を示す概略図である。本発明の第二の態様のエネルギー交換システムは、地下水の運動エネルギーを利用したものである。なお、第二の態様のエネルギー交換システムを「発電システム」ともいい、第二の態様のエネルギー交換システムを用いたエネルギー交換方法を「発電方法」ともいう。
図３に示すエネルギー交換システム３０は、掘削穴Ｈに装入された保護管１１と、保護管１１内に設置されたエネルギー交換手段１２および集水管１３と、電力備蓄手段１７とを備える。

図３に示す掘削穴Ｈは、帯水層Ｘと、帯水層Ｘの下方に位置する透水層もしくは被圧帯水層Ｙとが存在する地盤に、地面Ｇから下方に向かって掘削された、帯水層Ｘと、透水層もしくは被圧帯水層Ｙとに到達する竪穴である。
図３に示す保護管１１および集水管１３は、第一の態様のエネルギー交換システムの説明において先に例示した保護管および集水管と同じである。よって説明を省略する。

エネルギー交換手段１２は、取水口１１ａと排水口１１ｂとの間に設置されている。
第二の態様のエネルギー交換システムのエネルギー交換手段１２としては、発電機（図示略）を備えるものを用いる。
発電機としては特に制限されず、水の流れ（位置エネルギーや運動エネルギー）をタービン（図示略）の回転により電気エネルギーに変換できる公知の水力発電機を用いることができる。

電力備蓄手段１７は、エネルギー交換手段１２に接続され、地面Ｇ上に設置されている。
電力備蓄手段１７としては、エネルギー交換手段１２により得られた電力を備蓄できるものであれば特に制限されない。

＜エネルギー交換方法＞
図３に示すエネルギー交換システム３０を用いた、本発明の第二の態様のエネルギー交換方法では、ポンプを使用することなく、帯水層Ｘ中の地下水を取水口１１ａから保護管１１内に取り込み、集水管１３により集水させた後にエネルギー交換手段１２に通過させ、排水口１１ｂから透水層もしくは被圧帯水層Ｙへ排水させる。
図３に示すエネルギー交換システム３０は、保護管１１内に取り込んだ地下水が落下するときの運動エネルギーをエネルギー交換手段１２の発電機により電気エネルギーに変換することで発電する。エネルギー交換手段１２により得られた電力は、電力備蓄手段１７に備蓄される。

＜作用効果＞
以上説明した本発明の第二の態様のエネルギー交換システムおよびエネルギー交換方法によれば、保護管内に取り込んだ地下水の落下を利用して、帯水層の地下水を透水層もしくは被圧帯水層へ移動させるので、ポンプを使用することなくエネルギー交換手段に地下水を通過させてエネルギー交換を行うことができ、電力を必要としない。また、１本の掘削穴（井戸）を掘削して特定の保護管を掘削穴に挿入し、所定の箇所にエネルギー交換手段を設置するだけでエネルギー交換（発電）が可能であり、しかも発電に際して地下水を一旦地上まで汲み上げる必要もないため、簡便かつ効率よく発電できる。また、本発明の第二の態様のエネルギー交換およびエネルギー交換方法は、地下水が自噴しない場所に適用できる。
さらに、地下水の水量は安定しているため、発電に際して季節や天候の変動を受けにくい。

＜他の実施形態＞
本発明の第二の態様のエネルギー交換システムおよびエネルギー交換方法は、上述したものに限定されない。図３に示すエネルギー交換システム３０は、集水管１３を備えているが、集水管１３はなくてもよい。ただし、集水管１３を備えていれば、取水口１１ａから取り込まれた地下水を効率よくエネルギー交換手段１２に送り込むことができるので、エネルギー交換効率がより高まる。
また、第二の態様のエネルギー交換システムを地下水が自噴する場所に設けてもよい。この場合、透水層もしくは被圧帯水層が帯水層の上方に位置し、保護管の排水口が取水口よりも上方に形成され、保護管内に取り込んだ地下水が自噴する際のエネルギーをエネルギー交換手段の発電機により電気エネルギーに変換することで発電する。

「その他の態様」
図１，２に示すエネルギー交換システム１０，２０、および図３に示すエネルギー交換システム３０における掘削穴Ｈおよび保護管１１は、１つの帯水層Ｘと、１つの透水層もしくは被圧帯水層Ｙとに到達しているが、例えば図４に示すように、透水層もしくは被圧帯水層Ｙの下方に、さらにもう１組以上の帯水層Ｘ’と、透水層もしくは被圧帯水層Ｙ’とが存在する場合、掘削穴Ｈおよび保護管１１はこれら帯水層Ｘ’と、透水層もしくは被圧帯水層Ｙ’とにも到達していてもよい。図４に示すエネルギー交換システム４０の場合、保護管１１には１段目（１組目）の取水口１１ａおよび排水口１１ｂと、２段目（２組目）の取水口１１ａ’および排水口１１ｂ’とが、それぞれ所定の箇所に形成されている。そして、１段目の取水口１１ａおよび排水口１１ｂの間と、２段目の取水口１１ａ’および排水口１１ｂ’の間に、それぞれエネルギー交換手段１２，１２’が設置されている。１段目の帯水層Ｘ中の地下水は、取水口１１ａから保護管１１内に取り込まれ、１段目のエネルギー交換手段１２を通過した後、排水口１１ｂから１段目の透水層もしくは被圧帯水層Ｙへ排水されるが、その一部は２段目の帯水層Ｘ’中の地下水と共に２段目のエネルギー交換手段１２’に送り込まれてもよい。なお、図４において、集水管、金網、循環手段、第二の熱交換器、および電力備蓄手段は省略する。
地下水が自噴する場所に設けられるエネルギー交換システムについても同様であり、帯水層の下方に、さらにもう１組以上の透水層もしくは被圧帯水層と、帯水層とが存在する場合、掘削穴および保護管はこれらにも到達し、各組の取水口と排水口との間にエネルギー交換手段が設置されていてもよい。

また、例えば図５に示すように、帯水層Ｘと、透水層もしくは被圧帯水層Ｙとの間には、別の帯水層Ｘ’が存在していてもよい。図５に示すエネルギー交換システム５０の場合、保護管１１には２つの帯水層Ｘ，Ｘ’の位置にそれぞれ取水口１１ａ，１１ａ’が形成され、１つの透水層もしくは被圧帯水層Ｙの位置に排水口１１ｂ’が形成されている。そして、取水口１１ａ，１１ａ’間と、取水口１１ａ’および排水口１１ｂの間内に、それぞれエネルギー交換手段１２，１２’が設置されている。帯水層Ｘ中の地下水は、取水口１１ａから保護管１１内に取り込まれ、１段目のエネルギー交換手段１２を通過した後、取水口１１ａ’から保護管１１内に取り込まれた帯水層Ｘ’中の地下水と共に２段目のエネルギー交換手段１２’に送り込まれる。そして、２段目のエネルギー交換手段１２’を通過した後、排水口１１ｂから透水層もしくは被圧帯水層Ｙへ排水される。なお、図５において、集水管、金網、循環手段、第二の熱交換器、および電力備蓄手段は省略する。
図５に示すエネルギー交換システム５０は、地下水の落下を利用して発電するものであるが、地下水の自噴を利用する場合も同様である。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

「実施例１」
図１に示すように、帯水層Ｘと透水層Ｙとが存在する地盤において、地面Ｇから下方に向かって直径約２００ｍｍ、深さ７０ｍまで掘削し、得られた掘削穴Ｈに、有底筒状であり、直径約１５０ｍｍの保護管１１を挿入した。保護管１１としては、掘削穴Ｈに挿入した際の帯水層Ｘの位置（具体的には、地面Ｇから深さ３０ｍの位置）に、直径約２０ｍｍの取水口１１ａが４つ形成され、透水層Ｙの位置（具体的には、地面Ｇから深さ６９ｍの位置）に、直径約２０ｍｍの排水口１１ｂが６つ形成され、これら取水口１１ａおよび排水口１１ｂに１ｍｍメッシュの金網１６が取り付けられているものを用いた。
地面Ｇから深さ５０ｍの位置の保護管１１内に集水管１３を設置し、その約１ｍ下方に第一の熱交換器を備えるエネルギー交換手段１２を設置した。集水管１３としては、両端が開口し、かつ取水口１１ａ側の端部の直径が約１５０ｍｍであり、エネルギー交換手段１２側の端部の直径が約４０ｍｍである筒状のものを用いた。

ポンプを使用することなく、帯水層Ｘ中の地下水を取水口１１ａから保護管１１内に取り込み、集水管１３により集水させた後にエネルギー交換手段１２に通過させ、排水口１１ｂから透水層Ｙへ排水させた。保護管１１内に取り込んだ地下水の熱エネルギーをエネルギー交換手段１２により、熱媒体との間で熱交換した。
循環手段１４により、地下水との間で熱交換された熱媒体を地上にて第二の熱交換器１５にて熱利用した後、エネルギー交換手段１２へ返送した。

「実施例２」
図３に示すように、帯水層Ｘと透水層Ｙとが存在する地盤において、地面Ｇから下方に向かって直径約２００ｍｍ、深さ７０ｍまで掘削し、得られた掘削穴Ｈに、有底筒状であり、直径約１５０ｍｍの保護管１１を挿入した。保護管１１としては、掘削穴Ｈに挿入した際の帯水層Ｘの位置（具体的には、地面Ｇから深さ３０ｍの位置）に、直径約２０ｍｍの取水口１１ａが４つ形成され、透水層Ｙの位置（具体的には、地面Ｇから深さ６９ｍの位置）に、直径約２０ｍｍの排水口１１ｂが６つ形成され、これら取水口１１ａおよび排水口１１ｂに１ｍｍメッシュの金網１６が取り付けられているものを用いた。
地面Ｇから深さ５０ｍの位置の保護管１１内に集水管１３を設置し、その約１ｍ下方に発電機を備えるエネルギー交換手段１２を設置した。集水管１３としては、両端が開口し、かつ取水口１１ａ側の端部の直径が約１５０ｍｍであり、エネルギー交換手段１２側の端部の直径が約４０ｍｍである筒状のものを用いた。

ポンプを使用することなく、帯水層Ｘ中の地下水を取水口１１ａから保護管１１内に取り込み、集水管１３により集水させた後にエネルギー交換手段１２に通過させ、排水口１１ｂから透水層Ｙへ排水させた。保護管１１内に取り込んだ地下水が落下するときの運動エネルギーをエネルギー交換手段１２により電気エネルギーに変換することで発電した。

１０，２０，３０，４０，５０ エネルギー交換システム
１１ 保護管
１１ａ，１１ａ’ 取水口
１１ｂ，１１ｂ’ 排水口
１２，１２’ エネルギー交換手段
１３ 集水管
１４ 循環手段
１４ａ 導出配管
１４ｂ 返送配管
１４ｃ ポンプ
１５ 第二の熱交換器
１６ 金網
１７ 電力備蓄手段
Ｇ 地面
Ｈ 掘削穴
Ｘ，Ｘ’ 帯水層
Ｙ，Ｙ’ 透水層もしくは被圧帯水層

Claims (5)

1. 掘削穴に装入された保護管と、保護管内に設置されたエネルギー交換手段とを備えたエネルギー交換システムであって、
   前記掘削穴は、帯水層と、該帯水層の下方または上方に位置する透水層もしくは被圧帯水層とが存在する地盤に掘削された、帯水層と、透水層もしくは被圧帯水層とに到達する竪穴であり、
   前記保護管は、帯水層の位置に形成された、帯水層中の地下水を保護管内に取り込む取水口と、透水層もしくは被圧帯水層の位置に形成された、保護管内に取り込んだ地下水を透水層もしくは被圧帯水層へ排水する排水口とを有し、
   前記エネルギー交換手段は、取水口と排水口との間に設置され、
   ポンプを使用することなく地下水を取水口から排水口へ移動させる、エネルギー交換システム。
2. 前記エネルギー交換手段は地下水と熱媒体との間で熱交換する熱交換器を備え、
   地下水との間で熱交換された熱媒体を地上へ導出し、地上にて熱利用された後の熱媒体をエネルギー交換手段へ返送する循環手段をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー交換システム。
3. 前記エネルギー交換手段は発電機を備える、請求項１に記載のエネルギー交換システム。
4. 前記発電機により得られた電力を備蓄する電力備蓄手段をさらに備える、請求項３に記載のエネルギー交換システム。
5. 掘削穴に装入された保護管内にエネルギー交換手段を設置して、保護管内に地下水を流してエネルギー交換するエネルギー交換方法であって、
   前記掘削穴は、帯水層と、該帯水層の下方または上方に位置する透水層もしくは被圧帯水層とが存在する地盤に掘削された、帯水層と、透水層もしくは被圧帯水層とに到達する竪穴であり、
   前記保護管は、帯水層の位置に形成された取水口と、透水層もしくは被圧帯水層の位置に形成された排水口とを有し、
   前記エネルギー交換手段は、取水口と排水口との間に設置され、
   ポンプを使用することなく、帯水層中の地下水を取水口から保護管内に取り込み、エネルギー交換手段を通過させ、排水口から透水層もしくは被圧帯水層へ排水させてエネルギー交換する、エネルギー交換方法。

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