JP2017227363A - 地中熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】作業性の向上を図る。
【解決手段】地中に埋設した管の内部に熱媒体を循環させ、地盤との間で熱交換を行う地中熱交換器であって、水平方向に沿って配置される第１配管と、水平方向に沿って配置される第２配管と、第１配管の水平方向の端部と第２配管の水平方向の端部とを連結する連結管と、質量体と、第１配管と第２配管とを所定間隔離間させて保持する保持部材であって、質量体が落下しないように係合可能な係合部を有する保持部材と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、地中熱交換器に関する。

通年の温度変動の小さい地中熱を利用して建物の冷暖房等を行う地中熱利用システムが注目されている。この地中熱利用システムでは、地盤との間で採・放熱を行うべく地中に地中熱交換器が設置される。そして、例えば、夏場には地盤に放熱し、冬場には地盤から採熱する。このような地中熱交換器として、配管を水平方向に配置した水平方式のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１５１３５１号公報

地中熱交換器に用いられる管は、通常、リール装置等に巻き回された状態で現場に搬入される。そして、リール装置から順次繰り出されて地中に設置される。このリール装置に巻き回されたときの巻き癖があるため、配管作業の作業性が悪かった。

本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、その目的は、作業性の向上を図ることにある。

かかる目的を達成するため、本発明発の地中熱交換器は、地中に埋設した管の内部に熱媒体を循環させ、地盤との間で熱交換を行う地中熱交換器であって、水平方向に沿って配置される第１配管と、前記水平方向に沿って配置される第２配管と、前記第１配管の前記水平方向の端部と前記第２配管の前記水平方向の端部とを連結する連結管と、質量体と、前記第１配管と前記第２配管とを所定間隔離間させて保持する保持部材であって、前記質量体が落下しないように係合可能な係合部を有する保持部材と、
を備えることを特徴とする地中熱交換器である。
このような地中熱交換器によれば、第１配管及び第２配管に巻き癖があっても、質量体によって第１配管と第２配管を押さえつけることができる。これにより作業性の向上を図ることができる。

かかる地中熱交換器であって、前記質量体は、ネジ鉄筋であり、前記保持部材の前記係合部は、前記ネジ鉄筋と螺合するネジ孔を有していてもよい。
このような地中熱交換器によれば、質量体を簡易に取り付けることができ、また、質量体の落下を防止できる。

かかる地中熱交換器であって、前記保持部材の前記係合部は、前記質量体の少なくとも一部と嵌合する溝を有していてもよい。
このような地中熱交換器によれば、質量体を簡易に取り付けることができ、また、質量体の落下を防止できる。

かかる地中熱交換器であって、前記保持部材は、前記第１配管及び前記第２配管がそれぞれ嵌合可能な一対の把持部と、前記一対の把持部を接続する接続部とを備え、前記係合部は、前記接続部に設けられていることが望ましい。
このような地中熱交換器によれば、第１配管と第２配管に質量体の荷重を効率的に付加することができる。

かかる地中熱交換器であって、前記一対の把持部は、前記第１配管と前記第２配管を水平方向に近接させることにより、それぞれ、前記第１配管及び前記第２配管と嵌合するように設けられていることが望ましい。
このような地中熱交換器によれば、両側から力を入れて嵌め込みすることができ、嵌め込みしやすい。

かかる地中熱交換器であって、前記接続部は、前記一対の把持部の中心線上に設けられていることが望ましい。
このような地中熱交換器によれば、座屈を抑制することができる。

かかる地中熱交換器であって、前記係合部は、前記接続部の片側又は両側に設けられていることが望ましい。

かかる地中熱交換器であって、少なくとも１本の前記第１配管と、少なくとも１本の前記第２配管を含む３本以上の複数の配管を備え、前記保持部材は、前記複数の配管にそれぞれ対応して設けられた複数の把持部であって、仮想円の円周上に並ぶように設けられた複数の把持部と、前記複数の把持部を前記仮想円の内側で接続する接続部と、を備え、前記係合部は、前記仮想円の中央に設けられていてもよい。
このような地中熱交換器によれば、複数の配管を一つの保持部材で保持でき、また、複数の配管に質量体の荷重を安定して付加することが出来る。

本発明によれば、作業性の向上を図ることができる。

本実施形態に係る地中熱交換器３０を用いた地中熱利用システム１１の説明図である。 本実施形態の地中熱交換器３０の概略説明図である。 スペーサーユニット５０の構成を示す斜視図である。 スペーサーユニット５０を往路管３２、復路管３４に取り付けた状態を示す斜視図である。 スペーサー４０の変形例の説明図である。 スペーサー４０の変形例の説明図である。 スペーサーユニット５０の変形例の斜視図である。

＝＝＝本実施形態＝＝＝
＜＜＜地中熱利用システムについて＞＞＞
図１は、本実施形態に係る地中熱交換器３０を用いた地中熱利用システム１１の説明図である。この地中熱利用システム１１は、地盤Ｇとの間で熱交換を行う地中熱交換器３０と、地中熱交換器３０を含めた所定ルートで循環される水又は不凍液等の液状の熱媒体２６からの熱を利用して、建物１の暖房のための温水や冷房のための冷水を生成するヒートポンプ１５と、熱媒体２６を上記所定ルートで循環するための循環ポンプ１７とを有する。なお、ヒートポンプ１５の構成は周知なので、その説明は省略する。

本実施形態に係る地中熱交換器３０は、図１に示すように水平方式のタイプのものである。すなわち、採放熱管３１を水平方向に沿って配置して、管内の熱媒体２６の流れ方向を水平方向にしている。なお、図１では模式的に示しているため、採放熱管３１を構成する管（直管）が上下に並んでいるように見えるが、実際は水平面内に並んでいる。このような水平方式の地中熱交換器３０は、一般的に地表近くに埋設されるために設置費用が安く、また水平に配置されることから内部の熱媒体２６の流通にかかるエネルギーが少なくて済むためランニングコストも安いという利点がある。なお、図１では、説明の簡略化のためＵ字状の採放熱管３１が一つのみ形成されているが、これらを複数連結して水平コイルを形成してもよい。

このような水平方式の地中熱交換器３０の埋設方法としては、例えば、採放熱管３１を埋設するための掘削溝１２３を地面（地盤Ｇ）に形成し、掘削溝１２３内に採放熱管３１を配置し、その後に、充填材２７で掘削溝１２３を埋める。

なお、採放熱管３１を構成する管は、通常、リール装置等に巻き回された状態で現場に搬入される。そして、リール装置から順次繰り出されて地中に設置されることになる。しかしながら、リール装置から繰り出される管にはリール装置に巻き回されたときの巻き癖があり、撓んだりして、真っ直ぐ伸ばすことが困難であった。このため配管作業の作業性が悪かった。そこで、本実施形態では、作業性の向上を図っている。

＜＜＜地中熱交換器３０について＞＞＞
図２は本実施形態の地中熱交換器３０の概略説明図である。なお、以下では説明のため、水平方向のうち、採放熱管３１の往路管３２及び復路管３４の軸に沿った方向のことを軸方向といい、往路管３２と復路管３４が並ぶ方向（軸方向と直交する方向）のことを幅方向ともいう。

本実施形態の地中熱交換器３０は、採放熱管３１とスペーサーユニット５０を備えている。

＜採放熱管３１について＞
採放熱管３１は、例えば高密度ポリエチレン製の２本の直管（往路管３２，復路管３４）と、２本の直管を水平方向の端部で連結して熱媒体２６の流路の折り返し部をなす高密度ポリエチレン製の流路接続部３６とを有している。なお、往路管３２と復路管３４のうちの一方は第１配管に相当し、他方は第２配管に相当する。

本実施形態に係る往路管３２と復路管３４は、互いに同仕様の直管である。つまり、往路管３２と復路管３４は、外径及び内径につき互いに同径（したがって、流路の断面積も互いに同じ）であり、真っ直ぐな直管である。図２Ａに示すように、往路管３２及び復路管３４は、それぞれ水平方向（軸方向）に沿って配置されている。また、往路管３２と復路管３４の流路は、水平方向端の流路接続部３６（連結管に相当）により互いに連通されている。なお、往路管３２には、ヒートポンプ１５から熱媒体２６が送り込まれる。一方、復路管３４は、地中に送られた熱媒体２６を地上へ送ってヒートポンプ１５へと送り返す。つまり、往路管３２と復路管３４において、熱媒体２６の流れる方向は逆である。

流路接続部３６は、前記２本の直管（本実施形態においては、往路管３２，復路管３４）の水平方向の端部に位置している。流路接続部３６は、この２本の直管の各流路を幅方向に接続させるためのものでありＵ字状に形成されている。

そして、これにより、ヒートポンプ１５から採放熱管３１へと送られた熱媒体２６は、往路管３２、流路接続部３６、復路管３４の順番で流れ、これら往路管３２及び復路管３４を流れている間に、熱媒体２６は地盤Ｇの地中熱により加熱又は冷却される。そして、かかる熱交換後に、循環ポンプ１７の圧力によりヒートポンプ１５へ向けて送出されて、ヒートポンプ１５において温水生成や冷水生成に供される。

＜スペーサーユニット５０について＞
図３は、スペーサーユニット５０の構成を示す斜視図であり、図４は、スペーサーユニット５０を往路管３２、復路管３４に取り付けた状態を示す斜視図である。

スペーサーユニット５０は、スペーサー４０と錘４９を備えている。

スペーサー４０は、例えば高密度ポリエチレン製の部材であり、図５に示すように、一対の把持部４２と、接続部４４とを備えている。

把持部４２は、地中熱交換器３０の直管（往路管３２、復路管３４）を把持する部位である。把持部４２は、断面が略Ｕ字形状の筒状に設けられており、直管（往路管３２、復路管３４）の外周面に嵌合可能である。これにより、往路管３２や復路管３４に対して、把持部４２（換言するとスペーサー４０）の取り付けや取り外しを容易に行うことが出来る。また、把持部４２が筒状なので、往路管３２と復路管３４との平行性を維持できる。一対の把持部４２は、略Ｕ字形状の開いた部分が外側を向くようにして接続部４４の両側に設けられている。換言すると、一対の把持部４２は、往路管３２と復路管３４を水平方向（幅方向）に近接させることで、それぞれ往路管３２及び復路管３４に嵌合するように設けられている。これにより、往路管３２と復路管３４とを両側から力を入れて嵌め込みすることができ、嵌め込みしやすい。

接続部４４は、一対の把持部４２を接続する板形状の部位である。接続部４４は、一対の把持部４２の筒状の中心線上に設けられている。これにより、一対の把持部４２に往路管３２、及び復路管３４を嵌め込む際に座屈を抑制することができる。また、接続部４４の横幅（幅方向の長さ）によって、スペーサー４０の寸法（幅）を容易に設定することができる。換言すると、接続部４４の長さの設定によって、往路管３２と復路管３４との間隔を容易に調整することができる。なお、本実施形態では接続部４４の両側に設けられた把持部４２の内周面間の距離はＳであり、往路管３２と復路管３４の間隔（所定間隔に相当）もＳとなっている。

また、接続部４４の片面側は突出しており、当該突出した部位に把持部４２の円筒の軸と平行な方向に貫通するネジ孔４６（係合部に相当）が設けられている。このネジ孔４６の内周には、錘４９の外周の雄ネジ４９１と螺合する雌ネジ４６１が形成されている。このネジ孔４６の雌ねじ４６１を錘４９の雄ネジ４９１と螺合させることで、錘４９はスペーサー４０のネジ孔４６に係合する。この係合により、錘４９はスペーサー４０に取り付けられ、錘４９の落下を防止することができる。本実施形態では、接続部４４の片側にネジ孔４６を形成しているが、これには限らず両側にネジ孔４６を形成してもよい。そして、両側に錘４９を設けるようにしてもよい。また、一対の把持部４２の筒状の中心線上にネジ孔４６を設けてもよいが、この場合、錘４９を取り付けていない状態で、一対の把持部４２に往路管３２及び復路管３４に嵌め込むと、座屈するおそれがある。

なお、図２Ａ、図４におけるスペーサー４０の軸方向の長さは２〜４ｃｍ（好ましくは３〜３．５ｃｍ）である。

錘４９（質量体に相当）は、円柱形状の鉄製の部材であり、具体的には、円柱の外周部分に雄ネジ４９１の形成された継手用の鉄筋（所謂、ネジ鉄筋）である。本実施形態の錘４９の重量は１本４〜６ｋｇである。本実施形態において、錘４９は、採放熱管３１を押さえつけるために用いられている。すなわち、錘４９は、採放熱管３１（往路管３２、復路管３４）に対しての「重し」として機能する。

本実施形態のスペーサーユニット５０は、図３に示すように、錘４９の両端に、それぞれスペーサー４０を取り付けて構成されているが、これには限られず、錘４９に３つ以上のスペーサー４０を取り付けてもよい。また、例えば、スペーサー４０の軸方向の長さを長くして、錘４９に対してスペーサー４０を１つのみ取り付けるようにしてもよい。

そして、このスペーサーユニット５０を、往路管３２及び復路管３４に取り付ける。すなわち、図４に示すように、各スペーサー４０の一対の把持部４２の一方に往路管３２を嵌合させ、他方に復路管３４を嵌合させる。これにより、スペーサーユニット５０は、往路管３２と復路管３４とを間隔Ｓ離間させた状態で保持するとともに、錘４９が「重し」として機能する。よって、採放熱管３１（往路管３２、復路管３４）の配置作業時に管に巻き癖があっても、容易に水平方向に沿って配置することができる。これにより、配置作業の作業性の向上を図ることができる。

なお、図２では、水平方向（軸方向）の異なる位置に３つのスペーサーユニット５０を設けているが、これには限られない、２つ以下でもよいし、３つ以上でもよい。また、隣接させて配置してもよいし、間隔を空けて配置してもよい。取り付けるスペーサーユニット５０の数に応じて、荷重の調整を容易に行うことができる。

また、本実施形態のスペーサーユニット５０のスペーサー４０は、往路管３２と復路管３４とを一定の間隔Ｓに保つので、これにより復路管３４から往路管３２へと熱移動する現象（所謂ショートサーキット）の発生を抑制することができる。

＝＝＝その他の実施形態＝＝＝
上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは言うまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。

前述の実施形態では、往路管３２及び復路管３４、流路接続部３６、及び、スペーサー４０は、高密度ポリエチレン製としていたが、その素材は何等これに限らない。例えば、通常密度のポリエチレン等の熱可塑性樹脂でも良い。また、樹脂以外の材料でもよい。

また、前述の実施形態では、往路管３２及び復路管３４として、丸パイプ状（断面正円形状）の管を例示したが、その管形状は何等これに限るものではない。例えば、断面形状が楕円等の断面非正円形状の管でも良いし、角パイプ等の断面多角形状の管でも良い。この場合、スペーサー４０の把持部４２をその管形状に合わせて嵌合可能な形状にすればよい。

また、前述の実施形態では、１つのスペーサー４０で２本の採放熱管３１を保持していたが、これには限られず、１つのスペーサー４０で３本以上の採放熱管３１を保持するようにしてもよい。

図５及び図６は、スペーサー４０の変形例の説明図である。

図５では、３つの把持部４２が仮想円の円周上に並ぶように設けられている。また、各把持部４２は、開口部分が外側を向くように均等間隔で配置されている。接続部４４は、この３つの把持部４２を仮想円の内側で接続しており、接続部４４の中央（換言すると仮想円の中央）にネジ孔４６が形成されている。これにより、各把持部４２に外側から採放熱管３１を嵌合させて、１つのスペーサー４０で３本の採放熱管３１を保持することができる。また、３本の採放熱管３１に錘４９の荷重を安定して付加することができる。

また、図６では、４つの把持部４２が仮想円の円周上に並ぶように設けられている。また、各把持部４２は、開口部分が外側を向くように均等間隔で配置されている。接続部４４は、この４つの把持部４２を仮想円の内側で接続しており、接続部４４の中央（換言すると仮想円の中央）にネジ孔４６が形成されている。これにより、各把持部４２に外側から採放熱管３１を嵌合させて、１つのスペーサー４０で４本の採放熱管３１を保持することができる。また、４本の採放熱管３１に錘４９の荷重を安定して付加することができる。

採放熱管３１が５本以上の場合も同様に構成することができる。

また、前述の実施形態では、錘４９は円柱の外周全体に雄ネジ４９１の形成されたネジ鉄筋であったがこれには限られない。例えば、端部のみにネジ加工した鉄筋であってもよい。あるいは、ネジが形成されていなくてもよい。

図７は、スペーサーユニット５０の変形例を示す図である。この変形例のスペーサーユニット５０は、錘４９´とスペーサー４０´を備えている。

錘４９´は、錘本体部４９ａ（本体部に相当）とフランジ４９ｂを備えている。

錘本体部４９ａは、円柱形状の部材であり、外周にネジは形成されていない。

フランジ４９ｂは、錘本体部４９ａの軸の両端部に設けられており、錘本体部４９ａの径よりも径が大きい。

スペーサー４０´は、把持部４２と接続部４４´を備えている。把持部４２は前述の実施形態と同じ構成なので説明を省略する。

接続部４４´には、溝４６´が形成されている。溝４６´は、錘４９´の錘本体部４９ａが嵌合可能な形状に設けられている。

錘４９´（錘本体部４９ａ）を、図に示すように、両端のフランジ４９ｂがスペーサー４０´の外側になるように位置させて、錘４９´の錘本体部４９ａを溝４６´に嵌合させる。こうすることによって、スペーサー４０´（溝４６´）の外側に錘４９´のフランジ４９ｂが配置されるので、たとえスペーサーユニット５０が傾いたとしても錘４９´は落下しない。よって、この場合も前述の実施形態と同様に荷重の調整をすることができる。

なお、錘本体部４９ａの形状は円柱には限られない。例えば、断面が楕円や多角形などの形状でもよい。この場合、溝４６´の形状を錘本体部４９ａの形状に合わせるようにすればよい。また、フランジ４９ｂは無くてもよい。この場合、例えば、接続部４４´の溝４６´を錘本体部４９ａの軸方向の端部にも嵌合するように形成すればよい。

また、図５、図６と同様に、３本以上の採放熱管３１（往路管３２、復路管３４）を保持するようにスペーサー４０´を構成してもよい。

１ 建物
１１ 地中熱利用システム
１５ ヒートポンプ
１７ 循環ポンプ
２６ 熱媒体
２７ 充填材
３０ 地中熱交換器
３１ 採放熱管
３２ 往路管
３４ 復路管
３６ 流路接続部
４０ スペーサー
４２ 把持部
４４，４４´ 接続部
４６ ネジ孔
４６´ 溝
４９，４９´ 錘
４９ａ 錘本体部
４９ｂ フランジ
５０ スペーサーユニット
４６１ 雌ネジ
４９１ 雄ネジ
１２３ 掘削溝
Ｇ 地盤

Claims (8)

1. 地中に埋設した管の内部に熱媒体を循環させ、地盤との間で熱交換を行う地中熱交換器であって、
   水平方向に沿って配置される第１配管と、
   前記水平方向に沿って配置される第２配管と、
   前記第１配管の前記水平方向の端部と前記第２配管の前記水平方向の端部とを連結する連結管と、
   質量体と、
   前記第１配管と前記第２配管とを所定間隔離間させて保持する保持部材であって、前記質量体が落下しないように係合可能な係合部を有する保持部材と、
   を備えることを特徴とする地中熱交換器。
2. 請求項１に記載の地中熱交換器であって、
   前記質量体は、ネジ鉄筋であり、
   前記保持部材の前記係合部は、前記ネジ鉄筋と螺合するネジ孔を有する、
   ことを特徴とする地中熱交換器。
3. 請求項１に記載の地中熱交換器であって、
   前記保持部材の前記係合部は、前記質量体の少なくとも一部と嵌合する溝を有する、
   ことを特徴とする地中熱交換器。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の地中熱交換器であって、
   前記保持部材は、
   前記第１配管及び前記第２配管がそれぞれ嵌合可能な一対の把持部と、
   前記一対の把持部を接続する接続部と
   を備え、
   前記係合部は、前記接続部に設けられている、
   ことを特徴とする地中熱交換器。
5. 請求項４に記載の地中熱交換器であって、
   前記一対の把持部は、前記第１配管と前記第２配管を水平方向に近接させることで、それぞれ、前記第１配管及び前記第２配管と嵌合するように設けられている
   ことを特徴とする地中熱交換器。
6. 請求項４又は５に記載の地中熱交換器であって、
   前記接続部は、前記一対の把持部の中心線上に設けられている
   ことを特徴とする地中熱交換器
7. 請求項６に記載の地中熱交換器であって、
   前記係合部は、前記接続部の片側又は両側に設けられている
   ことを特徴とする地中熱交換器。
8. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の地中熱交換器であって、
   少なくとも１本の前記第１配管と、少なくとも１本の前記第２配管を含む３本以上の複数の配管を備え、
   前記保持部材は、
   前記複数の配管にそれぞれ対応して設けられた複数の把持部であって、仮想円の円周上に並ぶように設けられた複数の把持部と、
   前記複数の把持部を前記仮想円の内側で接続する接続部と、
   を備え、
   前記係合部は、前記仮想円の中央に設けられている、
   ことを特徴とする地中熱交換器。