JP4360690B1

JP4360690B1 - 雨水浸透型地中熱交換システム

Info

Publication number: JP4360690B1
Application number: JP2009032169A
Authority: JP
Inventors: 政克笹田; 真司高杉
Original assignee: 政克笹田; ジオシステム株式会社
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2029-02-16
Also published as: JP2010190435A

Abstract

【課題】雨水を地中に戻して、地中熱をより効率的に熱交換することができる雨水浸透型地中熱交換システムを提供する。
【解決手段】地中に向けて形成され、内部に上記冷媒または熱媒が循環される循環パイプが配置される熱交換井１５０の上部に浸透升１４０を設け、浸透升１４０に雨水などの水を浸透させて熱交換を促す水浸透手段１６０を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱を用いて熱交換した冷媒または熱媒を空気調和機などのヒートポンプサイクルに利用する地中熱交換システムに関し、さらに詳しく言えば、雨水などの水を再利用して熱交換効率をより高める雨水浸透型地中熱交換システムに関する。

例えば特許文献１に記載されているように、一般的な地中熱交換システムは、一次冷媒（または熱媒）が循環される一次熱交換回路と、空調機などの二次熱交換回路とを有し、一次熱交換回路側の一方の熱交換器を地中に埋設して、他方の熱交換器にて二次熱交換回路との間で熱交換することにより、二次熱交換回路で発生した熱と地中熱との間で熱交換するようになっている。

通常、地中は一年を通して一定温度（約１５℃前後）であるため、夏場はヒートポンプサイクルによって温められた熱媒の熱を地中に逃がし、冬場は冷やされた冷媒を地熱で温める。これにより、二次熱交換回路に設けられた圧縮機への負担を減らし、省電力およびＣＯ_２排出量を大幅に減らすことができる。

通常、一次熱交換側の熱交換器は、地下水を含む地盤の中に地中約１０〜２００ｍの深さに形成された直径１５０ｍｍ程度の熱交換井の中に一次冷媒を循環させた循環パイプ（φ３０ｍｍ程度）を配置し、さらに熱交換井の内部に砂や砂利などで満たすことによって形成されている。これによれば、熱交換井の内部に地下水が満たされ、熱交換が促進されるようになっている。

しかしながら、従来の地中熱交換システムには、次のような課題があった。すなわち、一般的な地下水位は、地下５〜１０ｍ程度のところにあるため、熱交換井の内部が水で満たされるのも地下５〜１０ｍよりも下の位置となり、地表から地下水位までの間では、熱交換が十分発揮されてない。

また、別の観点として、都市部では地表面の多くがアスファルトなどの不透水層で覆われており、地表に降った雨の多くが地中に浸透することなく、下水道を介して海に戻されるため、地下水が減少している。

特開２００２−１１５８７３号公報

そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、雨水を地中に戻して、地中熱をより効率的に熱交換することができる雨水浸透型地中熱交換システムを提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明は、冷媒または熱媒を地中熱との間で熱交換をさせる地中熱交換器を有し、上記地中熱交換器にて熱交換された上記冷媒または熱媒を用いて、所定のヒートポンプ装置との間でさらに熱交換する雨水浸透型地中熱交換システムにおいて、上記地中熱交換器は、地表面から所定の容積をもって形成された浸透升と、上記浸透升の底部から高透水性の地層を貫くように形成され、内部に上記冷媒または熱媒が循環される循環パイプが配置される複数の熱交換井とを有し、上記各熱交換井には、上記浸透升に貯留された水が注水され、上記各熱交換井内の地下水位面に至るまでの間の空間に充填されることを特徴としている。

本発明には、雨水などの水を貯留する貯留部を有し、上記貯留部から所定の供給回路を介して上記浸透升に水を定期的または不定期的に供給する態様が好ましく含まれる。

また、上記浸透升の上面部には、透水層が設けられることが好ましい。

本発明によれば、地表面から所定の容積をもって浸透升を設け、浸透升の底部から熱交換井を形成し、浸透升に貯留された水を熱交換井内に供給し、地下水位面に至るまでの間の空間に充填するようにしたことにより、熱交換井への水の供給を安定的に行い、高い熱交換効率を維持させることができる。

また、浸透升とは別に貯留タンクを設けて、浸透升に定期的に水を供給するようにしたことにより、乾燥が厳しい時期においても、浸透升に水を安定的に供給することができる。

また、浸透升の表面に透水層を設けることにより、地表に降った雨を直接浸透升に浸透させることができる。

本発明の一実施形態に係る雨水浸透型地中熱交換システムの模式図。上記雨水浸透型地中熱交換システムの浸透升の要部拡大図。

図１および図２を参照して、この雨水浸透型地中熱交換システムは、地中熱との間で熱交換を行う一次熱交換回路１００と、所定のヒートポンプ装置（この例では空気調和機１）の一部に組み込まれる二次熱交換回路２００とを備えている。

一次熱交換回路１００は、地中Ｇ内に埋設される地中熱交換器１１０と、ポンプＰを介して地中熱交換器１１０に一次冷媒を循環させる循環パイプ１２０と、二次熱交換回路２００との間で熱交換を行うための熱交換器１３０とを備えている。

この例において、一次熱交換回路１００に用いられる一次冷媒としては、冬場においても凍らないように不凍液が好適であるが、地熱温度が高い場合など、冷媒が凍らないような状況であれば、蒸留水などであってもよく、仕様に応じて任意に変更されてよい。

地中熱交換器１１０は、地表から所定の容積をもって形成された浸透升１４０と、浸透升１４０の底部から地中に向けて形成された複数の熱交換井１５０とを備えている。図２に示すように、浸透升１４０は、地表面から所定容積をもって形成されており、その内周面には、内部に土砂が入り込まないようにするための透水シート１４１が設けられている。浸透升１４０の形状は、通常の枡形以外に円筒状などであってもよく、その容積も、施工現場の状況や仕様に応じて任意に変更されてよい。

浸透升１４０の上面は、透水層１４２によって覆われている。この例において、透水層１４２は、透水性アスファルトからなる路盤であるが、これ以外に砂利や透水ブロックなどであってもよく、基本的に透水性を備えていれば、仕様に応じて任意に選択可能である。

浸透升１４０には、浸透升１４０に蓄えられた水を地中に浸透するようにするため、砂利や砕石、あるいは透水ブロックが充填されていることが好ましい。これによれば、砂利などの間にできた空間に水が蓄えられる。

浸透升１４０には、雨水などを浸透升１４０内に積極的に浸透させるための水浸透手段１６０が設けられている。水浸透手段１６０は、ビルＢの屋上などに降り注いだ雨水を集めて排水する排水パイプ１６１と、排水パイプ１６１の他端側に接続される浸透パイプ１６２とを備えている。

この例において、排水パイプ１６１は、ビルＢの屋上に設置された雨水などの排水口に接続されているが、これ以外の場所に設置されていてもよい。また、雨水などの中水一時的に溜めておくタンクや、雨水を供給するポンプおよびその制御装置などに接続されていてもよい。

さらには、より大規模な地中熱交換器１１０を想定して、例えばプールや噴水などに接続しておき、この残り水を利用するようにしてもよく、地下に直接浸透可能な水であれば、その水は仕様に応じて任意に選択できる。

これによれば、後述する熱交換井１５０の地下水位Ｌ１から浸透升１４０の底面Ｌ２の間の空間を雨水で満たすことができるため、地下水位Ｌ１〜底面Ｌ２までの間の熱交換効率をさらに高めることができる。さらには、雨水を積極的に地下に浸透させることができる。

熱交換井１５０は、浸透升１４０の底部からほぼ垂直に形成されており、この例では各熱交換井１５０は、約７５ｍの深さに形成されている。この例において、熱交換井１５０は、７５ｍの深さに形成されているが、より好ましくは、高透水性の地層Ｇ１，Ｇ２が存在する場合は、それら地層Ｇ１，Ｇ２を貫通するように形成することが好ましい。

高透水性の地層Ｇ１，Ｇ２を貫くように熱交換井１５０を掘り下げることにより、各熱交換井１５０の内部が地下水位Ｌ１まで水で満たされるため、より熱交換を効率的に行うことができる。

各熱交換井１５０の内部に沿って熱交換パイプ１５１が配置され、循環パイプ１２０に接続されている。熱交換パイプ１５１は熱交換効率のよい素材が好ましく用いられるが、耐食性や耐候性なども考慮して樹脂製パイプが最も好ましい。

図１を参照して、二次熱交換回路２００は、ビルＢの各フロア内に配置される室内機ユニット２２０と、各室内機ユニット２２０に接続された１台の室外機ユニット２１０とを有し、それらが専用の配管を介して接続されている。

室外機ユニット２１０には、内部に図示しないコンプレッサや四方弁などの冷凍サイクル機構が配置されている。室外機ユニット２１０には、さらに、一次熱交換回路１００と二次熱交換回路２００との間で熱交換を行う熱交換器１３０が設けられている。

この例において、熱交換器１３０は、一次冷媒管が組み込まれた金属製の熱交換板と、二次冷媒管が組み込まれた金属製の熱交換板とを互いに接触させることにより、熱交換を行う形式となっているが、一次冷媒を溜めたタンク内に二次冷媒管を配置して直接熱交換を行ってもよく、一次冷媒と二次冷媒との熱交換ができれば、その具体的な方法は特に限定されない。

また、本発明の熱交換システムは、一次熱交換回路１００と二次熱交換回路２００との間で相互に地中熱を熱交換するようにしているが、本発明の浸透升１４０および地熱井１５０を備えていれば、二次熱交換回路２００の室外機側の熱交換器１３０を直接地中に埋設してもよい。

さらには、この例において、二次熱交換回路２００はビル空調システムの冷凍サイクルに組み込まれているが、これ以外のヒートポンプ給湯システムなど冷媒と地熱との間で相互熱交換を行う基本構成を備えていれば、これら変形例も本発明に含まれる。

１空気調和機
１００一次熱交換回路
１１０地熱交換器
１２０循環パイプ
１３０熱交換器
１４０浸透升
１５０熱交換井
１６０水浸透手段
２００二次熱交換回路
Ｂビル

Claims

冷媒または熱媒を地中熱との間で熱交換をさせる地中熱交換器を有し、上記地中熱交換器にて熱交換された上記冷媒または熱媒を用いて、所定のヒートポンプ装置との間でさらに熱交換する雨水浸透型地中熱交換システムにおいて、
上記地中熱交換器は、地表面から所定の容積をもって形成された浸透升と、上記浸透升の底部から高透水性の地層を貫くように形成され、内部に上記冷媒または熱媒が循環される循環パイプが配置される複数の熱交換井とを有し、上記各熱交換井には、上記浸透升に貯留された水が注水され、上記各熱交換井内の地下水位面に至るまでの間の空間に充填されることを特徴とする雨水浸透型地中熱交換システム。
雨水などの水を貯留する貯留部を有し、上記貯留部から所定の供給回路を介して上記浸透升に水を定期的または不定期的に供給することを特徴とする請求項１に記載の雨水浸透型地中熱交換システム。
上記浸透升の上面部には、透水層が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の雨水浸透型地中熱交換システム。