JP3201763U

JP3201763U - 地中熱交換器

Info

Publication number: JP3201763U
Application number: JP2015005225U
Authority: JP
Inventors: 修依田; 宏司大久保; 美正飛田; 哲明武田
Original assignee: 株式会社藤島建設
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2025-10-16

Abstract

【課題】施工の負担を軽減すると共に、効果的に地中熱を利用することが可能な地中熱交換器を提供する。【解決手段】地中熱交換器１は、冷熱を取得する場合に冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する一方で、温熱を取得する場合に冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する直膨方式であり、液体で満たされる筒体２と、筒体２の内部に引き込まれて下方に向けて通される第１の管３ａ、及び第１の管３ａの下端に連続し上方に向けて通されて筒体２の外部に引き出される第２の管３ｂからなり、筒体２内の液体との間で熱を移動させる冷媒を流す熱交換管３と、第１の管３ａ及び第２の管３ｂの一方のみについて、少なくとも筒体２内の液面から、筒体２が埋設されている深さの３分の１以上２分の１以下の深さまでの範囲において、内部を流れる冷媒と筒体２内の液体とを断熱する断熱材４と、筒体２の上方に配置される建築物５と、筒体２の上端の開口を塞ぐ蓋体６と、を備える。【選択図】図１

Description

本考案は、地中熱交換器に関する。

従来の地中熱交換器は、効果的に地中熱を利用するために、５０ｍ〜１００ｍ程度の深さまで掘削された地中奥深くに設置されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。

特開２０１１−１６３５７２号公報

環境省、［online］、「地中熱ヒートポンプシステム」、［平成２６年１２月２９日検索］、インターネット（ＵＲＬ：https://www.env.go.jp/water/jiban/heatpump-sys_pamph.pdf）

しかし、上述した地中熱交換器の場合、施工に際し、深くまで掘削する必要があるため、施工機械が大きくなり、大きな施工ヤードを必要とする。そして、排出汚泥が多くなる。また、挿入する循環パイプが長大になることでパイプの重量が増え、揚重機が必要になる。このような理由により、施工費用が高くなる。さらに、工期が長くなるなどの弊害があった。

また、地上の気温や日射などは、その影響で地中熱交換器の熱交換長が見かけ上短くなるなど、熱交換器の効率を阻害する要素となっていた。

本考案は、上記課題を鑑みてなされたものであり、施工による負担を軽減すると共に、効果的に地中熱を利用することが可能な地中熱交換器を提供することを目的とする。

本考案は、冷媒が利用されるヒートポンプを構成し、冷熱を取得する場合に前記冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する一方で、温熱を取得する場合に前記冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する直膨方式の地中熱交換器であって、地中に略垂直に埋設され、液体で満たされる筒体と、前記筒体の上端から前記筒体の内部に引き込まれて前記筒体の上方から下方に向けて通される第１の管、及び前記第１の管の下端に連続し前記筒体の下方から上方に向けて通されて前記筒体の上端から前記筒体の外部に引き出される第２の管からなり、前記筒体内の前記液体との間で熱を移動させる前記冷媒を流す熱交換管と、前記第１の管及び前記第２の管の一方のみについて、少なくとも前記筒体内の液面から、前記筒体が埋設されている深さの３分の１以上２分の１以下の深さまでの範囲において、内部を流れる前記冷媒と前記筒体内の前記液体とを断熱する断熱材と、前記筒体の上方に配置され、地中と断熱されていると共に屋外と断熱されている屋内空間を構成する建築物と、前記筒体の上端の開口を塞ぎ、地中と前記屋内空間とを断熱する蓋体と、を備えることを特徴とする地中熱交換器である。

本考案によれば、地中に埋設された部分の上部を建築物及び蓋体で断熱することで、地上の影響、すなわち気温、日射の影響が少なくなり、地中熱交換器を有効に機能させることができる。例えば、夏に地表面の温度が４０℃となる場合や、冬に地表面の温度が−２０℃となる場合であっても、筒体内上部（例えば、地中１ｍのところ）を地中深いところ（例えば、地中１０ｍのところ）と同じ温度（例えば、１５℃程度）に保つことができる。結果、１５℃程度の地中熱を利用することができる。

そして、地中熱交換器の周囲が一定の温度となることにより、浅層部分であっても深い位置の地中熱を利用することが可能となる。例えば、地中熱交換器を構成する筒体が、地中２０ｍの深さに到達する長さを有する場合、地中５ｍ程度の位置においても地中２０ｍの位置の地中熱を利用することが可能となる。このように、浅い部分でも十分に地中熱を交換できるため、地中熱交換器（筒体）の長さ（深さ）を短くすることができる。これに伴い施工機械も小さくなり、小さな施工ヤードでの施工が可能となる。結果、施工費の低減や工期の短縮が可能となる。なお、利用可能な地中熱の温度は、その地域の平均気温といわれている。

また、筒体内に満たされた液体を介することで、地盤との接触面が大きく取れるので、地盤からの地中熱を熱交換管内の冷媒に効果的に移動させることが可能となる。

さらに、筒体内の液体の対流により、地中の深部の地中熱を有効に活用することができる。筒体内の液体の対流は、上部断熱により、筒体の下端付近から上端付近にまで及ぶので、熱交換効率が高い。

そして、筒体内の液面から下方の範囲において、第１の管及び第２の管の一方のみが断熱されているので、断熱されている管を通じて冷媒を地中に引き込んで蒸発器として機能させる場合に、浅い部分ではなく深い部分で熱交換させることができ、また、断熱されている管を通じて冷媒を地中から引き出し、凝縮器として機能させる場合に、冷媒に移動した冷熱が地中に戻ってしまうことが防ぐことができ、結果として、熱交換効率が低下することが防止できる。

本考案の地中熱交換器によれば、施工による負担を軽減できると共に、効果的に地中熱を利用できる。

本考案の実施形態に係る地中熱交換器の概略図である。図１のII−II方向に視た地中熱交換器の断面図である。筒体内に満たされた液体の対流を説明する概略図であり、（Ａ）は地中放熱の場合を示し、（Ｂ）は地中採熱の場合を示す。熱交換管内の冷媒の流れを説明する概略図であり、（Ａ）は地中放熱の場合を示し、（Ｂ）は地中採熱の場合を示す。

以下、図面を参照して、本考案の実施形態に係る地中熱交換器について詳細に説明する。

まず、図１及び図２を用いて、地中熱交換器１の構成について説明する。図１は、地中熱交換器１の概略図である。図２は、図１のII−II方向に視た地中熱交換器１の断面図である。なお、各図において、一部の構成を適宜省略して、図面を簡略化する。

図１に示す地中熱交換器１は、冷媒が利用されるヒートポンプを構成し、地中から冷熱を取得する場合に冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する一方で、地中から温熱を取得する場合に冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する直膨方式である。

具体的に、地中熱交換器１は、鋼管からなる筒体２と、ヒートポンプを構成する室外機ＨＰとループを構成する熱交換管３と、この熱交換管３の一部分を断熱する断熱材４と、筒体２の上方に配置される戸建住宅などの建築物５と、筒体２の上端の開口を塞ぐ蓋体６等を備える。

図１及び図２に示す筒体２は、建築物５の杭を兼ねることもでき、地中に略垂直に埋設されるものであり、１００ｍｍ以上５００ｍｍ以下程度の直径Ｄで、地中５ｍ以上２０ｍ以下程度の深さＬに到達する長さを有する。なお、筒体２の直径Ｄが大きく、筒体２の内径が大きい程、筒体２内の液体の対流を大きくすることができる。この筒体２は、底が塞がれ、冷媒となる水などの液体で満たされる。筒体２の上端は、建築物５の基礎８を貫通し、基礎８から上方に突出する。

なお、図１において筒体２は、一本のみが示されているが、実際には、取得する地中熱の量に応じた本数が設定される。一方、建築物５の支持杭の本数は、一坪当たり１本程度となることが多い。このため、筒体２のみでは建築物５の支持力が不足する場合、杭を兼ねる筒体２と通常の杭とを併用する。

図１及び図２に示す熱交換管３は、４ｍｍ以上１０ｍｍ以下程度の直径ｄを有し、筒体２の上端から筒体２の内部に引き込まれて筒体２の上方から下方に向けて通される第１の管３ａ、及びこの第１の管３ａの下端に連続し筒体２の下方から上方に向けて通されて筒体２の上端から筒体２の外部に引き出される第２の管３ｂからなるＵチューブである。なお、熱交換管３の直径ｄが小さい程、筒体２内の液体の対流を大きくすることができる。この熱交換管３は、筒体２内の液体との間で熱を移動させる冷媒を流す。熱交換管３を流れる冷媒は、温熱を取得する際に蒸発して気体又は気液混合体となり、冷熱を取得する際に凝縮して気体から気液混合体〜液体の状態となる。

断熱材４は、熱交換管３を被覆するものであり、第１の管３ａについては、蓋体６から上方のみを被覆し、第２の管３ｂについては、蓋体６から上方を被覆すると共に蓋体６から下方についても所定の深さＬ’までの範囲を被覆する。所定の深さＬ’は、筒体２が埋設されている深さＬの３分の１以上２分の１以下であること、すなわち、Ｌ／３≦Ｌ’≦Ｌ／２であることが好ましい。この断熱材４は、熱交換管３の内部を流れる冷媒と筒体２内の液体とを断熱する。

図１に示す建築物５は、断熱性能を有する構造体であり、地中と断熱されていると共に屋外と断熱されている屋内空間を構成する。具体的に、建築物５は、天井、壁及び窓などが断熱構造を採用した建築物本体７と、この建築物本体７を支持する基礎８と、筒体２に嵌められ基礎８の直下に配置されるリング状の支圧版９と、基礎８の下に敷き詰められた断熱材１０と、基礎８の内周に配置された断熱材１１と、を備える。なお、断熱材１１は、基礎８の外周に配置されているものであってもよい。

基礎８は、鉄筋コンクリートからなるベタ基礎であり、地中に掘られた穴に設けられる。この基礎８には、筒体２が貫通している。支圧版９は、筒体２を補強して、筒体２を杭として機能させる。断熱材１０は、地中と屋内空間とを断熱する。断熱材１１は、屋内空間と屋外とを断熱する。

蓋体６は、建築物５の基礎８から地上に突出した筒体２の上端及びその周囲（少なくとも、支圧版９に対応する部分）を覆う。すなわち、蓋体６は、筒体２の上端の開口を塞ぎ、地中と屋内空間とを断熱する。この蓋体６には、Ｕチューブである熱交換管３が貫通する２つの孔（符号省略）が形成されている。

次に、地中熱交換器１における地中熱の流れを、図１及び図３に基づいて説明する。図３は、筒体２内に満たされた液体の対流を説明する概略図である。図３（Ａ）は、地中放熱の場合を示す。図３（Ｂ）は、地中採熱の場合を示す。なお、図３における白抜き矢印は、筒体２内の液体の対流の方向を示している。

冷房などのために放熱する場合、ヒートポンプの室外機ＨＰを介して、排熱が熱交換管３内の冷媒に移動する。そして、熱交換管３内の冷媒に移動した熱は、筒体２内の液体を介して、地中に放出される。

この場合、図３（Ａ）に示すように、筒体２内の液体は、熱交換管３の周囲が温められ、筒体２内の中心に上昇液流が生じる。この上昇液流は、筒体２の上端及びその周囲が蓋体６で覆われていると共に、筒体２が建築物５の直下に位置していることで、地上の影響をほとんど受けないので、筒体２の下端付近から上端付近にまで及ぶ。

また、筒体２内の中心に生じた上昇液流に伴って、熱交換管３から離れた筒体２内における外側に下降液流が生じる。この下降液流は、筒体２内の中心に生じた上昇液流が筒体２の下端付近から上端付近にまで及ぶ都合、筒体２の上端付近から下端付近にまで及ぶ。

一方、暖房や給湯などのために採熱する場合、地中熱は、地中から筒体２内の液体を介して、熱交換管３内の冷媒に移動する。熱交換管３内の冷媒に移動した地中熱は、ヒートポンプの室外機ＨＰを介して利用される。

この場合、図３（Ｂ）に示すように、筒体２内の液体は、筒体２内における外側から温められ、筒体２内における外側に上昇液流が生じる。この上昇液流は、筒体２の上端及びその周囲が蓋体６で覆われていると共に、筒体２が建築物５の直下に位置していることで、地上の影響をほとんど受けないので、筒体２の下端付近から上端付近にまで及ぶ。

また、筒体２内における外側に生じた上昇液流に伴って、筒体２内における外側から離れた筒体２内の中心に下降液流が生じる。この下降液流は、筒体２内における外側に生じた上昇液流が筒体２の下端付近から上端付近にまで及ぶ都合、筒体２の上端付近から下端付近にまで及ぶ。

次に、地中熱交換器１における熱交換管３内の冷媒の流れを、図１及び図４に基づいて説明する。図４は、熱交換管３内の冷媒の流れを説明する概略図である。図４（Ａ）は、地中放熱の場合を示す。図４（Ｂ）は、地中採熱の場合を示す。なお、図４における白抜き矢印は、熱交換管３内の冷媒の流れの方向を示している。

図４（Ａ）に示すように、冷房などのために放熱する場合、地中熱交換器１は、熱交換管３内を流れる冷媒を凝縮させる凝縮器として機能し、筒体２内における熱交換管３内の冷媒の流れは、第１の方向になり、筒体２内においては断熱材４によって被覆されていない第１の管（「ガス管」と呼ばれることもある。）３ａ、断熱材４によって所定の深さＬ’まで被覆されている第２の管（「液管」と呼ばれることもある。）３ｂの順になる。

一方、図４（Ｂ）に示すように、暖房や給湯などのために採熱する場合、地中熱交換器１は、熱交換管３内を流れる冷媒を蒸発させる蒸発器として機能し、筒体２内における熱交換管３内の冷媒の流れは、第１の方向とは逆の第２の方向になり、筒体２内においては断熱材４によって所定の深さＬ’まで被覆されている第２の管３ｂ、断熱材４によって被覆されていない第１の管３ａの順になる。

このように、地中熱交換器１によれば、地中に埋設された部分の上部を建築物５及び蓋体６で断熱することで、地上の影響、すなわち気温、日射の影響が少なくなり、有効に機能させることができる。例えば、夏に地表面の温度が４０℃となる場合や、冬に地表面の温度が−２０℃となる場合であっても、筒体内上部（例えば、地中１ｍのところ）を地中深いところ（例えば、地中１０ｍのところ）と同じ温度（例えば、１５℃程度）に保つことができる。結果、１５℃程度の地中熱を利用することができる。

そして、地中熱交換器１の周囲が一定の温度となることにより、浅層部分であっても深い位置の地中熱を利用することが可能となる。例えば、地中熱交換器１を構成する筒体２が、地中２０ｍの深さに到達する長さＬを有する場合、地中５ｍ程度の位置においても地中２０ｍの位置の地中熱を利用することが可能となる。このように、浅い部分でも十分に地中熱を交換できるため、地中熱交換器１（筒体２）の長さ（深さ）を短くすることができる。これに伴い施工機械も小さくなり、小さな施工ヤードでの施工が可能となる。結果、施工費の低減や工期の短縮が可能となる。なお、利用可能な地中熱の温度は、その地域の平均気温といわれている。

また、筒体２内に満たされた液体を介することで、地盤との接触面が大きく取れるので、地盤からの地中熱を熱交換管３内の冷媒に効果的に移動させることが可能となる。

さらに、筒体２内の液体の対流により、地中の深部の地中熱を有効に活用することができる。筒体２内の液体の対流は、上部断熱により、筒体２の下端付近から上端付近にまで及ぶので、熱交換効率が高い。

そして、筒体２内の液面から下方の範囲において、第１の管３ａ及び第２の管３ｂの一方（第２の管３ｂ）のみが断熱されているので、断熱されている管（第２の管３ｂ）を通じて冷媒を地中に引き込んで蒸発器として機能させる場合に、浅い部分ではなく深い部分で熱交換させることができ（図４（Ｂ）参照）、また、断熱されている管（第２の管３ｂ）を通じて冷媒を地中から引き出し、凝縮器として機能させる場合に、冷媒に移動した冷熱が地中に戻ってしまうことが防ぐことができ（図４（Ａ）参照）、結果として、熱交換効率が低下することが防止できる。

本考案は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

すなわち、上記実施形態において、断熱材４は、第１の管３ａ及び第２の管３ｂの一方のみについて、少なくとも筒体２内の液面から、所定の深さＬ’までの範囲を被覆するものであればよい。

あるいは、上記実施形態において、支圧版９を備えることで筒体２が杭を兼ねる場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されず、支圧版９を備えず筒体２が杭を兼ねないものであってもよい。また、支圧版９は建築物５の荷重を受けられればよく、筒体２に接する内周部分が円形であれば十分で、外周部分は円形以外の４角形等でもよい。

１地中熱交換器
２筒体
３熱交換管
３ａ第１の管（ガス管）
３ｂ第２の管（液管）
４断熱材
５建築物
６蓋体

Claims

冷媒が利用されるヒートポンプを構成し、冷熱を取得する場合に前記冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する一方で、温熱を取得する場合に前記冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する直膨方式の地中熱交換器であって、
地中に略垂直に埋設され、液体で満たされる筒体と、
前記筒体の上端から前記筒体の内部に引き込まれて前記筒体の上方から下方に向けて通される第１の管、及び前記第１の管の下端に連続し前記筒体の下方から上方に向けて通されて前記筒体の上端から前記筒体の外部に引き出される第２の管からなり、前記筒体内の前記液体との間で熱を移動させる前記冷媒を流す熱交換管と、
前記第１の管及び前記第２の管の一方のみについて、少なくとも前記筒体内の液面から、前記筒体が埋設されている深さの３分の１以上２分の１以下の深さまでの範囲において、内部を流れる前記冷媒と前記筒体内の前記液体とを断熱する断熱材と、
前記筒体の上方に配置され、地中と断熱されていると共に屋外と断熱されている屋内空間を構成する建築物と、
前記筒体の上端の開口を塞ぎ、地中と前記屋内空間とを断熱する蓋体と、を備えることを特徴とする
地中熱交換器。