JP3927593B1

JP3927593B1 - 二重管式地熱水循環装置

Info

Publication number: JP3927593B1
Application number: JP2006257840A
Authority: JP
Inventors: 博明上山
Original assignee: 博明上山
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2026-09-22
Also published as: US7490657B2; US20080073058A1; JP2008075994A

Abstract

【課題】帯水層から収集した地熱水を円滑に還元して井戸枯れや地盤沈下を防止しつつ、帯水層に接するストレーナが目詰まりを起こしても継続的に使用が可能な二重管式地熱水循環装置を提供する。
【解決手段】二重管式地熱水循環装置１００は、帯水層Ａから地熱水を浸入させる地熱水供給ストレーナ１１１と、使用済みの地熱水を帯水層Ａへ還元する還元ストレーナ１１２を備えている外装管１１０と、この外装管１１０との間に流通路１７０を形成し、断熱材で構成されている断熱内装管１２０と、断熱内装管１２０内から地熱水を汲み上げるポンプ１３０と、汲み上げた地熱水を冷暖房装置１５０へ圧送する熱源供給圧送管１４０と、使用された地熱水を帯水層Ａへ還元するために流通路１７０に連通された熱源還元管１６０とを有し、還元ストレーナ１１２から地熱水供給ストレーナ１１１にいたる流通路１７０を分断することなく流通可能に構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、帯水層の地熱水を冷暖房用の熱源として活用するための技術に関し、特に、冷暖房に使用済みの地熱水を前記帯水層あるいはそれよりも上方の帯水層に還元して前記地熱水を循環させられる二重管式地熱水循環装置に関するものである。

一般的に地中の温度は、夏季の外気温よりも低く、冬季の外気温よりも高いことが知られている。また、地熱の温度は深度が増すごとに高くなることも知られている。そこで、従来、地中の帯水層に貯留されている地熱水を汲み上げて夏季には冷房の熱源として活用し、冬季には暖房の熱源として活用する試みがなされている。

図７は従来の地熱水を利用した冷暖房システムの一例を示す図である。この冷暖房システム７００では、採水タンク７１０を帯水層Ａの深さに埋設し、採水タンク７１０内に採水した地熱水をポンプ７３０により冷暖房装置７５０へと輸送して冷暖房に供する。そして、冷暖房に使用した後の地熱水は下水処理施設７８０に送られて排水処理されたり、地中に還元するための井戸７７０へ送られて排水される。このような冷暖房システムは、地熱水をダイレクトに冷暖房装置７５０へと供給するため、熱エネルギーのロスが比較的少なく熱効率がよい。

しかし、図７に示す従来型の冷暖房システム７００では、使用済み地熱水を処理する下水処理施設７８０や還元井戸７７０を別途施工しなければならないため、イニシャルコストが高くなる。また、採水した地熱水を元の帯水層Ａへ還元するものではないため、過剰採水による井戸枯れや地盤沈下のおそれが懸念されている。したがって、現実にはあまり普及していないシステムである。

ところで、本件出願人は、上述した問題を解決しつつ無駄なく効果的に融雪することができる循環地中装置を特開平０６−２２８９２８号公報において提案している（特許文献１）。

特開平０６−２２８９２８号公報

図８は、前記特許文献１の請求項１に係る循環地中装置の第１実施形態を示す構成図である。この循環地中装置８００は、媒体液を充填させた円筒型の地熱収集ケーシング８１０を地中に埋設し、この地熱収集ケーシング８１０の軸心に円筒型の断熱ケーシング８２０を設け、さらにこの断熱ケーシング８２０内にポンプ８３０を設置している。そして、前記ポンプ８３０により前記媒体液を吸い上げて無散水型の融雪装置８５０に輸送し、融雪用の熱源として使用する。使用後の媒体液は温度が低下しているが、再び地熱収集ケーシング８１０内へ戻されると、前記地熱収集ケーシング８１０の側壁を介して地熱により温められる。その後、ポンプ８３０の吸引力によって断熱ケーシング８２０内に引き込まれ、融雪用熱源として繰り返し利用される。

また、図９は、前記特許文献１の請求項２に係る循環地中装置の第２実施形態を示す構成図である。この循環地中装置９００では、地熱水を帯水層から収集する地熱液収集ストレーナ９１１と、その地熱液収集ストレーナ９１１よりも上方に位置し、融雪装置９５０で使用された後の地熱水を地中へ還元する融雪冷却還元液還元ストレーナ９１２とを備えた円筒型の地熱収集ケーシング９１０が地中に埋設されている。また、前記地熱収集ケーシング９１０の軸心には円筒型の断熱ケーシング９２０が設けられており、さらに、前記地熱収集ケーシング９１０と前記断熱ケーシング９２０との隙間には、還元液と地熱液とを分断する分断パッカー９９０が設けられている。

上述した構成からなる第２実施形態の循環地中装置９００では、地熱液収集ストレーナ９１１から地熱水を地熱収集ケーシング９１０内に収集し、ポンプ９３０の吸引力によって断熱ケーシング９２０内に引き込み、融雪装置９５０へと汲み上げる。その後、その融雪装置９５０で使用された地熱水を還元液として地熱収集ケーシング９１０へ戻し、融雪冷却還元液還元ストレーナ９１２から地中の帯水層へ還元する。このとき、分断パッカー９９０が設けられいるため、還元液が収集後の地熱水に混ざってしまうことはない。

以上のような特許文献１に示した循環地中装置では、設置箇所が一カ所で済み、施工費用を抑えられること、機構が簡単なので故障が少ないこと、媒体液および地熱水は循環使用されるので過剰採水による井戸枯れや地盤沈下の心配がなくなることなどの効果があるとされている。

しかしながら、特許文献１の第１実施形態の発明においては、腐食や地震などにより地熱収集ケーシングが破損してしまった場合、媒体液が土中に漏れ出して土壌を汚染してしまうおそれがある。また、媒体液を熱収集ケーシングの壁面を介して地熱により温めるため、旧来型のようなダイレクトに地熱水を冷暖房装置へ供給するシステムに比べてエネルギーのロスが大きい。

一方、特許文献１の第２実施形態の発明においては、ストレーナを介して地熱水を収集および還元しているところ、そのストレーナが土砂などによって目詰まりを起こしてしまうと、地熱水を収集できなくなり、あるいは帯水層へ還元できなくなって井戸の使用が不可能となる。ストレーナの目詰まりを修復するには、埋設したシステムを引き抜かねばならず極めて難しく費用も高い。また、地熱収集ケーシングや断熱ケーシングは耐用年数を経過していないから目詰まりによって使用できなくなるのは大きな損失である。

さらに、地熱収集ケーシング内では、地熱水と還元水とを分断パッカーによって分断しているため、還元水は還元ストレーナから帯水層へ還元するしかない。このため、前記還元ストレーナが目詰まりしはじめると、還元水が地熱収集ケーシング内に滞留してしまい、溢れ出たり、収集した地熱水と還元水との量的バランスが崩れることによるトラブルが生じてしまう。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、帯水層から収集した地熱水を円滑に還元して井戸枯れや地盤沈下を防止しつつ、帯水層に接するストレーナが目詰まりを起こしても継続的に使用が可能な二重管式地熱水循環装置を提供することを目的としている。

本発明に係る二重管式地熱水循環装置の特徴は、帯水層が存在する深度に埋設され、その帯水層から地熱水を浸入させる地熱水供給ストレーナを備えているとともに、この地熱水供給ストレーナよりも上方から使用済みの地熱水を前記帯水層へ還元する還元ストレーナを備えている外装管と、前記外装管内に挿入されてこの外装管との間に流通路を形成し、前記外装管の下端近傍に前記地熱水を管内に取り込む取水口を備え、断熱材で構成されている断熱内装管と、前記断熱内装管内から地熱水を吸引するための吸引口を動水位より下方に設けて前記地熱水を汲み上げるポンプと、このポンプによって汲み上げた地熱水を冷暖房装置へ圧送する熱源供給圧送管と、前記冷暖房装置で使用された地熱水を前記帯水層へ還元するために前記流通路に連通された熱源還元管とを有しており、前記流通路における前記還元ストレーナから前記地熱水供給ストレーナにいたる流通路を分断することなく流通可能に構成することによって、前記地熱水供給ストレーナから浸入した地熱水と前記冷暖房装置で使用された地熱水の一部とを合流させて前記取水口から汲み上げる点にある。

また、本発明において、地熱水を熱源として利用することに加えて水源としても利用するために、前記熱源供給圧送管に給配水手段を設けることが好ましい。

本発明によれば、帯水層から収集した地熱水を円滑に還元して井戸枯れや地盤沈下を防止しつつ、帯水層に接するストレーナが目詰まりを起こしても継続的に使用が可能である。

以下、本発明に係る二重管式地熱水循環装置の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本第１実施形態の構成図である。ここで本第１実施形態は、主に地熱水を冷暖房用の熱源として用いている。

二重管式地熱水循環装置１００を埋設する地盤は、地熱水を含み、砂利や砂などにより構成されている帯水層Ａと、粘土層などの不透水層Ｃとから構成されている。

第１実施形態の二重管式地熱水循環装置１００は、主として、帯水層Ａの地熱水を採水するとともに使用済みの地熱水を再び帯水層Ａへ還元させる外装管１１０と、この外装管１１０の下端近傍（井戸底）まで挿入され、地熱水を断熱しながら地上へ輸送する断熱内装管１２０と、この断熱内装管１２０と前記外装管１１０の間に形成される流通路１７０と、断熱内装管１２０内から地熱水を汲み上げるポンプ１３０と、このポンプ１３０によって汲み上げられた地熱水を冷暖房装置１５０へ圧送する熱源供給圧送管１４０と、冷暖房装置１５０で使用された地熱水を流通路１７０に輸送するための熱源還元管１６０とから構成されている。

ここで第１実施形態の各構成についてより詳細に説明すると、外装管１１０は、帯水層Ａ内から地熱水を採水および貯水するためのものであるとともに、冷暖房に使用済みの地熱水を帯水層Ａの上側に還元するためのものである。耐腐食性、耐震性を備えた熱伝導性の高い素材により無底円筒形状に形成されている。

この外装管１１０は、地中に埋設され、その地中の適当な幅の帯水層Ａが存在する深度にストレーナ加工が施される。まず外装管１１０の下端近傍には、、外装管１１０内部に地熱水を浸入させる地熱水供給ストレーナ１１１が備えらえており、更に、この地熱水供給ストレーナ１１１より浅く、外装管１１０の下端から離れた帯水層Ａの上側には、使用済み地熱水を還元する還元ストレーナ１１２が備えられている。一般の井戸と同様に、これら地熱水供給ストレーナ１１１および還元ストレーナ１１２は砂利や砂を外装管１１０内に流入させない。そして、地熱水供給ストレーナ１１１と還元ストレーナ１１２との位置関係は、採水を行う帯水層Ａの深度や帯水層Ａ内の地熱水の帯水量などによって調整される。

断熱内装管１２０は、外装管１１０内に採水された地熱水を断熱しながら冷暖房装置１５０へ移送するための移送経路としての役割と、外装管１１０との間に使用済みの地熱水を還元ストレーナ１１２に移送する流通路１７０を形成するためのものである。耐腐食性、耐震性を有する断熱材により無底円筒形に形成されている。その外径は外装管１１０の内径よりも小さく、当該外装管１１０との間に所定の隙間を形成して流通路１７０を確保するように挿入されている。

断熱内装管１２０の上端には保温のため天板１２２が張設されている。さらに、下端には外装管１１０の下端近傍で開口されており、地熱水を管内に取り込むための取水口１２１が設けられている。

流通路１７０は、外装管１１０と断熱内装管１２０の間に形成されているとともに、還元ストレーナ１１２から地熱水供給ストレーナ１１１にいたる間には、分断パッカーのような流れをストップさせる障害物が設けられていない。これは、後述するように地熱水ストレーナ１１１や還元ストレーナ１１２が目詰まりした場合にも地熱水が熱源還元管１６０から断熱内装管１２０の取水口１２１へ直接的に流通できるように形成されているものである。

ポンプ１３０は、外装管１１０内に採水された地熱水を汲み上げて冷暖房装置１５０へ圧送するための動力源である。ポンプ１３０の吸水口１３１は断熱内装管１２０内の動水位ＷＬ１よりも下方に設置される。また、汲み上げた地熱水を高圧で配出する配出口１３２を有する。

本第１実施形態において、ポンプ１３０には深いところからの揚水に適している水中ポンプを用いる。そのため、水中ポンプ全体が動水位ＷＬ１以下になるように設置される。ちなみに動水位ＷＬ１とは、自然水位ＷＬが自然に採水された場合の水位であるのに対して、ポンプなどの揚水機を稼働中の水位のことをいい、揚水水位とも呼ばれる。

熱源供給圧送管１４０は、ポンプ１３０によって汲み上げられた地熱水を冷暖房装置１５０に圧送するための輸送路である。耐腐食性、耐圧性を有する断熱材により形成されており、ポンプ１３０の配出口１３２から、断熱内装管１２０の天板１２２を貫通して冷暖房装置１５０へと接続されている。

冷暖房装置１５０は、汲み上げられた地熱水から冷暖房用の熱源を取り出すための装置である。この冷暖房装置１５０内では、地熱水をそのまま熱交換機（図示しない）で使用してもよいし、加熱してスチーム状にしてから熱交換機に使用してもよい。そして、熱交換機で使用済みの地熱水は回収される。

熱源還元管１６０は、冷暖房装置１５０で熱源として使用され、回収された使用済み地熱水を還元ストレーナ１１２から帯水層Ａへ還元するための輸送路である。耐腐食性を有する素材により形成され、冷暖房装置１５０と流通路１７０とを連通している。

つぎに本第１実施形態の作用について説明する。

本第１実施形態の二重管式地熱水循環装置１００では、地中の圧力により帯水層Ａの地熱水が地熱水供給ストレーナ１１１から外装管１１０内へ浸入してくる。

次に、ポンプ１３０を稼働させることにより、外装管１１０内へ浸入してきた地熱水を断熱内装管１２０の取水口１２１から汲み上げる。取水口１２１は外装管１１０の下端近傍に設けられているため、地熱水供給ストレーナ１１１から浸入してきた地熱水を速やかに断熱内装管１２０内に取り込まれる。そして、当該地熱水は断熱内装管１２０の断熱効果により温度が保持されながら汲み上げられる。

また、ポンプ１３０の稼働によって自然水位ＷＬは動水位ＷＬ１へと低下するが、ポンプ１３０の全体および吸引口１３１が動水位ＷＬ１よりも常に下方に位置する深さに設置されているため、空回りによる吸水力の低下は起こらない。

ポンプ１３０によって汲み上げられた地熱水は、ポンプ排水口１３２から熱源供給圧送管１４０を介して冷暖房装置１５０へと圧送される。そして、地熱水は冷暖房装置１５０内で熱源として使用された後、熱源還元管１６０を通って流通路１７０に輸送され、流通路１７０内を流下する。

さらに、流通路１７０を流下する地熱水は二手に分かれる。一方は還元ストレーナ１１２を透過して帯水層Ａに還元され、もう一方はそのまま流通路１７０を流下し、地熱水供給ストレーナ１１１から浸入してくる地熱水と合流する。分岐するそれぞれの地熱水の流量比率は水圧や還元ストレーナ１１２の目詰まりの状況等に影響されるが、通常状態では主として還元ストレーナ１１２から還元する。

一方、流通路１７０をそのまま流下した地熱水は、外装管１１０の壁を介して地熱により地熱の温度に戻されながら流下し、地熱水供給ストレーナ１１１から浸入してくる地熱水と無理なく合流する。

ここで、還元ストレーナ１２２から帯水層Ａに還元される還元量や地熱水供給ストレーナ１１１から浸入してくる浸入量のどちらかに多少の増減があったとしても、動水位はＷＬ１はほぼ一定を保つように自然に還元量や浸入量が調整されるので、地熱水を安定的に熱源として供給することができる。

しかし、長年使用していると、図２に示すように、地熱水供給ストレーナ１１１や還元ストレーナ１１２が徐々に目詰まりを起こす場合がある。この場合、目詰まりの場所にもよるが、地熱水供給ストレーナ１１１が完全に目詰まりしても上方の還元ストレーナ１１２が供給と還元の両方の役割を果たすことができる。これは、図９に示す従来の装置のような分断パッカーが存在していないために自由度が高いのである。そして、さらに還元ストレーナ１１２も目詰まりし、地熱水が浸入および還元できなくなった場合、やはり従来の装置であれば地熱水を収集できなくなり、あるいは帯水層へ還元できなくなるため、使用が不可能となるが、本第１実施形態では、流通路１７０が分断されていないため、目詰まりを起こしたとしても、先に収集した地熱水が、媒体液の役割を担い、外装管１１０の外壁を介して地熱を吸収し、冷却あるいは昇温されながら循環しうるので、熱源供給装置として継続的に使用が可能となる。

以上のように本第１実施形態によれば、使用済みの地熱水は、帯水層Ａに還元されても、流通路１７０を流下しても、地熱により冷却あるいは昇温され、それらを混合しても所定の温度を保持することができるので、再び熱源として使用できる。また、帯水層Ａからの浸入量およびに帯水層Ａへの還元量に多少の増減があっても循環量が自然に一定に保たれるので、過剰採水による戸枯れや地盤沈下を防ぎ、安定した熱源の供給を行うことができる。さらに、もしも地熱水供給ストレーナ１１１および還元ストレーナ１１２が目詰まりを起こし、地熱水の浸入、還元ができなくなっても、収集した地熱水を閉鎖した管内を循環させることにより継続的に使用することができる。

つぎに、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の構成のうち前述した第１実施形態の構成と同一も若くは相当する構成については同一の符号を付し、再度の説明を省略する。

本第２実施形態の特徴は、図３に示すように、熱源供給圧送管１４０に給配水手段３００を設けた点にある。本第２実施形態において二重管式地熱水循環装置１００は熱水を熱源として利用することに加えて水源としても利用するための実施形態である。

給配水手段３００は、熱源供給圧送管１４０から分岐した分岐管３１０と蛇口などの給配水口３２０から構成されており、汲み上げた地熱水の一部を水源として使用するために、熱源供給圧送管１４０から地熱水の一部を分岐して配水するものである。

分岐管３１０は耐腐食性、耐圧性を有する円管によって形成されている。また、給配水口３２０には、蛇口などの弁部３２１を備えており、分岐管３１０の先端部に設けられ、地熱水を水源として使用する量をコントロールする。

つぎに本第２実施形態の作用について説明する

本第２実施形態では、まず、二重管式地熱水循環装置１００において地熱水の循環が行われる。ここで、給配水口３２０の弁部３２１を開放すると、ポンプ１３０により圧送されている熱源供給圧送管１４０内の地熱水の一部は、その圧力によって分岐管３１０に分岐され、給配水口３２０から配出される。

これにより、二重管式地熱水循環装置１００内の循環量は瞬間的には減少するが、ポンプ１３０の吸引口１３１が動水位ＷＬ１より上方にならない程度であれば、地熱水を二重管式地熱水循環装置１００外へ給配出をすることができる。

以上のように本第２実施形態によれば、地熱水を熱源として利用することに加えて水源としても利用することができる。

なお、本発明に係る二重管式地熱水循環装置は、前述した実施例に限定されるものではなく、適宜変更することができる。

例えば、自然水位ＷＬが４〜５メートル程度の比較的浅い井戸や自噴井戸を用いる場合、ポンプ１３０は小出力でもよいので、図４に示すように、吸水口１３１を動水位以下にすればポンプ１３０を断熱内装管１２０外の地上などに設置してもよい。

また、図５のように、帯水層が帯水層Ａおよび帯水層Ｂからなる上下２層で構成され、帯水層Ａが地熱水を十分に滞水させている場合、地熱水供給ストレーナ１１１より地熱水を浸入させ、その上方の還元ストレーナ１１２から帯水層Ｂへ使用済みの地熱水を還元してもよい。

さらに、図６のように、帯水層が複数存在する場合、それぞれの帯水層に対して、適宜地熱水供給ストレーナ１１１または還元ストレーナ１１２を設けてもよい。

以上のように帯水層が複数存在していても、第１実施形態で説明したとおり、帯水層Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３の地熱水供給ストレーナ１１１および還元ストレーナ１１２の目詰まり具合に応じて適宜、各帯水層Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３が供給用や還元用の帯水層として機能することができる。さらにはすべてのストレーナ１１１，１１２が完全に目詰まりしたとしても管内で閉じた循環型の装置１００として機能することができるため、そのまま長期間に亘って使用を継続することが可能となる。

本発明に係る二重管式地熱水循環装置の本第１実施形態を示す構成図である。本第１実施形態において、ストレーナが目詰まりを起こした際の地熱水の流れを示す図である。本第２実施形態を示す構成図である。比較的自然水位の浅い井戸や自噴井戸を用いる場合の実施形態を示す図である。帯水層が上下２層で構成され、地熱水供給ストレーナ側の帯水層が地熱水を十分に滞水させている場合の実施形態を示す図である。複数の帯水層を有する地盤における実施形態を示す図である。従来の地熱水を利用した冷暖房システムの一例を示す図である。特許文献１の請求項１に係る循環地中装置の第１実施形態を示す構成図である。特許文献１の請求項２に係る循環地中装置の第２実施形態を示す構成図である。

符号の説明

１００二重管式地熱水循環装置
１１０外装管
１２０断熱内装管
１３０ポンプ
１４０熱源供給圧送管
１５０冷暖房装置
１６０熱源還元管
１７０流通路
１１１地熱水供給ストレーナ
１１２還元ストレーナ
１２１取水口
１２２天板
１３１吸水口
１３２配出口
３００給配水手段
３１０分岐管
３２０給配水口
３２１弁部
７００冷暖房システム
７１０採水タンク
７３０ポンプ
７５０冷暖房装置
７７０還元するための井戸
７８０下水処理施設
８００、９００循環地中装置
８１０、９１０地熱収集ケーシング
８２０、９２０断熱ケーシング
８３０、９３０ポンプ
８５０、９５０融雪装置
９１１地熱液収集ストレーナ
９１２融雪冷却還元液還元ストレーナ
９９０分断パッカー
Ａ、Ａ１、Ａ２、Ａ３帯水層
Ｂ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３帯水層
Ｃ不透水層

Claims

帯水層の地熱水を冷暖房に活用する二重管式地熱水循環装置であって、
帯水層が存在する深度に埋設され、その帯水層から地熱水を浸入させる地熱水供給ストレーナを備えているとともに、この地熱水供給ストレーナよりも上方から使用済みの地熱水を前記帯水層へ還元する還元ストレーナを備えている外装管と、
前記外装管内に挿入されてこの外装管との間に流通路を形成し、前記外装管の下端近傍に前記地熱水を管内に取り込む取水口を備え、断熱材で構成されている断熱内装管と、
前記断熱内装管内から地熱水を吸引するための吸引口を動水位より下方に設けて前記地熱水を汲み上げるポンプと、
このポンプによって汲み上げた地熱水を冷暖房装置へ圧送する熱源供給圧送管と、
前記冷暖房装置で使用された地熱水を前記帯水層へ還元するために前記流通路に連通された熱源還元管とを有しており、
前記流通路における前記還元ストレーナから前記地熱水供給ストレーナにいたる流通路を分断することなく流通可能に構成することによって、前記地熱水供給ストレーナから浸入した地熱水と前記冷暖房装置で使用された地熱水の一部とを合流させて前記取水口から汲み上げることを特徴とする二重管式地熱水循環装置。
請求項１において、地熱水を熱源として利用することに加えて水源としても利用するために、前記熱源供給圧送管に給配水手段を設けることを特徴とする二重管式地熱水循環装置。