JP2019148385A - 地中熱交換器及び該地中熱交換器の使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 帯水層からの水を含む採放熱用水の温度を均一化して熱交換効率を向上させる地中熱交換器を提供する。【解決手段】 地中熱交換器１は、掘削により貫通した帯水層７の水を含む採放熱用水５が充填されるボアホール４と、ボアホール４内を熱媒体が循環するように配された熱交換用管３と、ボアホール４内から採放熱用水５を汲み出すポンプ６と、ボアホール４内を縦断して第１の水域１１と第２の水域１２とに分ける区分け部材８とを備え、区分け部材８には、ボアホール４の底部分付近で第１の水域１１と第２の水域１２とを連通させる開口部８が設けられており、ポンプ６を動作させることにより、開口部９を経由して第１の水域１１と第２の水域１２とに跨る採放熱用水５の流路を形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、集合住宅等の建物に備わる冷暖房等の空調、給湯、又は融雪等に利用される地中熱交換器に関する。

季節によって大きく変動しやすい外気温に対して、地中の温度は年間を通して変動しにくく安定している。このような特性を持つ地中の熱を有効利用したものとして、集合住宅等の冷暖房等の空調、給湯、又は融雪等に利用される地中熱交換器がある（例えば、特許文献１〜４）。地中熱交換器は、例えば、地中から採熱したり、地中へ放熱するために地中熱交換器内に流体を循環させ、地中と流体との間で熱交換させるものがある。地中熱交換器によって採熱又は放熱した流体は、冷暖房や給湯などの熱源として利用されることが多い。

垂直型の地中熱交換器を用いる方式としては、例えば、掘削孔を利用するボアホール方式がある。ボアホール方式では通常、高密度ポリエチレンパイプ２本の先端部をＵ字状に接続したＵチューブと呼ばれる熱交換用管がボアホールに挿入される。

図５（ａ）及び（ｂ）は、従来のボアホール方式の地中熱交換器１０１を示す図であり、ボアホール１０２内に二組のＵチューブ１０３（以下「ダブルＵチューブ１０３」ともいう。）が挿入され、採放熱用水１０４に接している。図５（ｂ）は、地下水揚水方式を示しており、揚水ポンプ１０５を駆動させて揚水管１０６より採放熱用水１０４をくみ上げ、帯水層１０７から揚水管１０６までの間で帯水層１０７からの水を活かし、ダブルＵチューブ１０３に対して熱交換を効果的に行っている。

特開２０１１−１９１０１４号公報 特開２０１５−２１８９３５号公報 特開２０１７−１５０７５１号公報 特開２００５−４８９７２号公報

しかしながら、図５（ａ）においては、季節に応じて大きく変動するダブルＵチューブ１０３内の熱媒体の温度により、ボアホール１０２内の採放熱用水１０４の温度も大きく変動してしまうため、熱交換効率が悪くなっている。また、図５（ｂ）においては、地下水で満たされた帯水層１０７の位置と揚水管１０６の揚水口の位置とが近い場合、帯水層１０７から流れ出た地下水がボアホール１０２内に拡散する前に揚水ポンプ１０５により汲み上げられるため、ボアホール内で地下水を含む採放熱用水１０４の温度が均一にならず、熱交換用管に接する採放熱用水の温度にばらつきが生じて、効率よく採放熱することができない。

一般的に、ボアホールは地下１００ｍ程度の深さまで設けられるものの、ボアホールに対して帯水層がどの深さにあるかを正確に把握するのは容易ではない。したがって、地下水揚水方式を採用しても、帯水層の位置がボアホールに対して上過ぎたり下過ぎたりすれば、帯水層からの水をボアホール内の採放熱用水に対して拡散させにくく、採放熱用水の温度が深さによって異なってしまう。そのため、帯水層の位置に関わらず採放熱用水に対して帯水層からの水を拡散すべきである。

そこで、本発明の目的は、帯水層からの水を含む採放熱用水の温度を所望の温度に維持すると共に、均一化して熱交換効率を向上させる地中熱交換器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明による地中熱交換器は、掘削により貫通した帯水層の水を含む採放熱用水が充填されるボアホールと、上記ボアホール内を熱媒体が循環するように配された熱交換用管と、上記ボアホール内から上記採放熱用水を汲み出すポンプと、上記ボアホール内を縦断して第１の水域と第２の水域とに分ける区分け部材とを備え、上記区分け部材には、上記ボアホールの底部分付近で上記第１の水域と上記第２の水域とを連通させる開口部が設けられていることを特徴とする。

上記区分け部材が、管状部材であり、上記第１の水域が、上記帯水層からの水が直接流れ込む上記管状部材の外側であり、上記第２の水域が、上記帯水層からの水が直接流れ込まない上記管状部材の内側であることが望ましい。

上記熱交換用管が、上記第２の水域に配され、上記ポンプが、上記第２の水域から上記採放熱用水を汲み出すことが望ましい。

本発明による地中熱交換器の使用方法は、掘削により貫通した帯水層の水を含む採放熱用水が充填されるボアホールと、上記ボアホール内を熱媒体が循環するように配された熱交換用管と、上記ボアホール内から上記採放熱用水を汲み出すポンプと、上記ボアホール内を縦断して第１の水域と第２の水域とに分ける区分け部材とを備え、上記区分け部材には、上記ボアホールの底部分付近で上記第１の水域と上記第２の水域とを連通させる開口部が設けられている地中熱交換器の使用方法であって、上記ポンプを動作させることにより、上記開口部を経由して上記第１の水域と上記第２の水域とに跨る上記採放熱用水の流路を形成することを特徴とする。

本発明による地中熱交換器及び地中熱交換器の使用方法によれば、帯水層からの水を含む採放熱用水の温度を所望の温度に維持すると共に、均一化して熱交換効率を向上させることができる。

本実施形態における地中熱交換器の構成例を示す図である。 本実施形態における地中熱交換器の構成例（変形例）を示す図である。 本実施形態における地中熱交換器の構成例（変形例）を示す図である。 本実施形態における区分け部材の開口部の例を示す図である。 従来のボアホール方式の地中熱交換器を示す図である。

以下、図１〜図４を参照しつつ、本発明の一実施形態における地中熱交換器の構造及び使用方法について説明する。

本実施形態における地中熱交換器は、ポンプを用いて地下水を汲み上げる地下水揚水方式の地中熱交換器であり、ボアホール内で熱媒体を循環させて、地中（地下水を含む）から採熱したり地中へ放熱したりすることで、熱媒体と地中との間で熱交換し、熱交換後の熱媒体を集合住宅等の冷暖房の空調や給湯に利用するものである。ボアホールは、地面等を掘削して垂直に空けた孔である。

図１は、本実施形態における地中熱交換器の構成例を示す図である。地中熱交換器１は、ボアホール４と、熱交換用管３と、ポンプ６と、区分け部材８とを備える。ボアホール４には、掘削により貫通した帯水層７の水を含む採放熱用水５が充填されている。
なお、ボアホール４の内径及び深さに限定はない。ボアホール４にぶつかる帯水層７の数は、１つでも２つ以上でもよい。ボアホール４には、帯水層７からの水を取り込む孔が複数設けられた鋼製や塩化ビニル製等のケーシング管２が挿入されていてもよい。帯水層の位置は、電気検層等で推定してもよい。ポンプ６は、所望の吸引力を発揮する従来品でもよく、限定はない。

熱交換用管３は、ボアホール４内を熱媒体が循環するように配されている。換言すれば、熱交換用管３は、熱媒体を採放熱用水５の上から下まで循環させるため、ボアホール４内にＵ字状で挿入されている。ポンプ６は、揚水管１０を介して、ボアホール４内から採放熱用水５を汲み出すものである。区分け部材８は、ボアホール４内を縦断して第１の水域１１と第２の水域１２とに分けるものである。区分け部材８には、ボアホール４の底部分付近で第１の水域１１と第２の水域１２とを連通させる開口部９が設けられている。
このような構成により、帯水層からの水を含む採放熱用水５の温度が維持かつ均一化され、熱交換効率を向上させることができる。より具体的には、開口部９を経由して第１の水域１１と第２の水域１２とに跨る採放熱用水の流路を形成することができるため、帯水層７の水を縦断するように流動させて採放熱用水５を所望の温度に維持かつ均一化することができる。その結果、熱交換用管３に接する採放熱用水５が所望の温度であるのみならず、その温度にばらつきがないので、熱交換効率が向上する。
なお、熱交換用管３の形状・寸法、素材、及び内部を流動する熱媒体の種類に限定はない。区分け部材８は、例えば、ボアホール４（ケーシング管２）の内壁部分に溶接された板状の部材や、内壁部分や底部分に溶接された筒状の管状部材でもよい。第１の水域１１と第２の水域１２との容量は、同一でも相違していてもよい。

区分け部材８が管状部材であり、第１の水域１１が帯水層７からの水が直接流れ込む管状部材の外側であり、第２の水域が帯水層７からの水が直接流れ込まない管状部材の内側であってもよい。換言すると、第１の水域１１がボアホール４の内側と区分け部材８の外側との間に該当する。
このような構成により、区分け部材８の外側で滞留している帯水層７からの水を区分け部材８の内側まで拡散させることができる。

熱交換用管３が第２の水域１２に配され、ポンプ６が第２の水域１２から採放熱用水５を汲み出すようにしてもよい。
このような構成により、第２の水域１２の採放熱用水５は、第１の水域１１に比べて、縦断するように流動させて所望の温度に維持かつ均一化されているので、第２の水域１２に配された熱交換用管３の熱交換効率を向上させることができる。すなわち、帯水層７の位置に関わらず、ポンプ６が帯水層７の水を区分け部材８の外側かつ下側から開口部９を介して区分け部材８の内側に上昇するように吸い上げるため、熱交換用管３が配される第２の水域１２の温度を所望の状態に維持することができる。

熱交換用管３として、図１又は図２に示すように、二組のシングルＵチューブが直列又は並列に接続され、一方のＵチューブが第１の水域１１に挿入され、もう一方のＵチューブが第２の水域１２に挿入されていてもよいし、図３に示すように、シングルＵチューブが第２の水域１２に挿入されていてもよい。図１又は図２の第１の水域１１に挿入された熱交換用管３については、少なくとも従来のボアホールとしての熱交換が可能になるため、１本のボアホールで２本のボアホールを用いたの熱交換効率が見込まれ、その分ボアホールの掘削費を下げることができる。

図４は、本実施形態における区分け部材８の開口部９の例を示す図である。ここでは、区分け部材８として管状部材を採用した場合の例を示す。区分け部材８の下端に設けた開口部９として、図４（ａ）に示すように下端の側面部分に孔９ａを空けてもよいし、図４（ｂ）に示すようにスリット９ｂを複数空けてもよい。スリット９ｂは、水中内のごみ等を集めるフィルターとして活用されてもよい。図４（ｃ）に示すように区分け部材８の開口部９ｃをボアホール４の底部から離して設置することで、区分け部材８の最下部に位置する開口端を開口部９としてもよい。この場合、区分け部材８は、例えばケーシング管２の壁面に固定されていてもよいし、その他の固定器具を介して区分け部材８の開口部９ｃをボアホール４の底部から離して固定されていてもよい。
なお、開口部９は、図４（ａ）〜（ｃ）に示す形状等に限定されず、例えば、円形状に孔を空けてもよいし、側面の斜めから切り込んで楕円形状にしてもよく、どのような形状であれ、ボアホールの底部付近において第１の水域１１と第２の水域とを連通する水路が形成されればよい。

次に、本実施形態における地中熱交換器の使用方法の一例を説明する。

図１，図２，又は図３において、ポンプ６を作動させることにより、開口部９を経由して第１の水域１１と第２の水域１２とに跨る採放熱用水５の流路を形成することができる。詳述すると、ポンプ６を作動させると、揚水管１０を介して、区分け部材８で区切られた第２の水域１２から採放熱用水５を汲み出す。すると、第２の水域１２の水位は下がり、水圧が低下するため、第１の水域１１の採放熱用水５が開口部９を通過して第２の水域１２へ移動する。その結果、第１の水域の水位は下がり、水圧が低下するため、帯水層７からの水が第１の水域１１に流れ込み、水位が維持される。その結果、帯水層７からの水がボアホール４内の第１の水域１１側の底部に流れ込んで、開口部９を介して第２の水域１２から揚水されるという採放熱用水５の流路を形成することができる。
このような使用方法によれば、地下水がボアホール４内で留まることがなく、常に縦断方向に採放熱用水５の流路が形成されているので、局在化することなく水温は均一となる。よって、熱交換用管３に接する採放熱用水５が所望の温度でかつその温度にばらつきがないので、熱交換用管３と採放熱用水５との熱交換の効率を向上させることができる。

なお、本発明は、以上に述べた実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成又は実施形態を取ることができる。

１ 地中熱交換器
２ ケーシング管
３ 熱交換用管
４ ボアホール
５ 採放熱用水
６ ポンプ
８ 区分け部材
９ 開口部
１０ 揚水管
１１ 第１の水域
１２ 第２の水域

Claims (4)

1. 掘削により貫通した帯水層の水を含む採放熱用水が充填されるボアホールと、
   前記ボアホール内を熱媒体が循環するように配された熱交換用管と、
   前記ボアホール内から前記採放熱用水を汲み出すポンプと、
   前記ボアホール内を縦断して第１の水域と第２の水域とに分ける区分け部材とを備え、
   前記区分け部材には、前記ボアホールの底部分付近で前記第１の水域と前記第２の水域とを連通させる開口部が設けられている
   ことを特徴とする地中熱交換器。
2. 前記区分け部材が、管状部材であり、
   前記第１の水域が、前記帯水層からの水が直接流れ込む前記管状部材の外側であり、
   前記第２の水域が、前記帯水層からの水が直接流れ込まない前記管状部材の内側である
   ことを特徴とする請求項１に記載の地中熱交換器。
3. 前記熱交換用管が、前記第２の水域に配され、
   前記ポンプが、前記第２の水域から前記採放熱用水を汲み出す
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の地中熱交換器。
4. 掘削により貫通した帯水層の水を含む採放熱用水が充填されるボアホールと、
   前記ボアホール内を熱媒体が循環するように配された熱交換用管と、
   前記ボアホール内から前記採放熱用水を汲み出すポンプと、
   前記ボアホール内を縦断して第１の水域と第２の水域とに分ける区分け部材とを備え、
   前記区分け部材には、前記ボアホールの底部分付近で前記第１の水域と前記第２の水域とを連通させる開口部が設けられている地中熱交換器の使用方法であって、
   前記ポンプを動作させることにより、前記開口部を経由して前記第１の水域と前記第２の水域とに跨る前記採放熱用水の流路を形成する
   ことを特徴とする地中熱交換器の使用方法。

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