JP4393285B2 - 地下水熱利用設備における地中装置 - Google Patents
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Description
そして、断熱ケーシングの上方から同ケーシング内に引き込まれる融雪地熱液循環パイプの下端には地熱液を当該循環パイプに圧送するポンプを設け、また、前記循環パイプの先端は前記収集ケーシングの天板を貫通して当該収集ケーシング内上部に連通させ、更に、前記収集ケーシングと断熱ケーシングとの間には還元液と地熱液との分断パッカーが張設されてなる装置が知られている(特許文献1)。
即ち、この従来装置の井戸は、特許文献1の図2に示されているように、帯水層の地下水が融雪地熱液としてポンプの稼働で地熱収集ケーシングに備えられている収集ストレーナを介して断熱ケーシングの下部開口より吸引され、ポンプを通って融雪地熱液循環配管に圧送された融雪地熱液は、融雪路面の融雪稼動を行なった後に、融雪還元液となって収集ケーシングと断熱ケーシングの間に還流され、還流された還元液は、分断パッカーによって断熱ケーシング内を流下せずに、前記収集ケーシングの還元ストレーナを介して還元層に還元されるようになっている。
つまり、ケーシング内には滞留空気が残留していることで、外気の影響を受けてケーシング内に温度の低下が伝導し、少なくともその内部空間部で熱交換が起きて地下熱・地下水熱も放熱を起して熱ロスが発生する容易となり、有効な装置とは言えない。
即ち、ポンプによる汲み上げは分断パッカーに仕切られた帯水層側で行なわれる一方で、融雪稼働後の還元液の還元は分断パッカーによって帯水層と仕切られた水圧変化が全く無い還元層側で無理やり行なわれる。つまり、汲み上げた水量の地下水を、汲み上げた元に層(水脈)に戻すことにおいては然程大きな圧力を必要としないものの、地層(断層)によって分離されて全く繋がりがない別の還元層側に戻すことは困難に近く、同還元層の水圧(地圧)より大きな能力を有する大型ポンプを必要とする等の実用性に欠ける数々の問題が残されていた。
ここで、上記空間部は、水脈ドームの水圧(地圧)によりケーシング内に上昇する地下水の水面と閉鎖されたケーシングの閉鎖上端との間に存在する。
そして、上記ケーシングの密閉上端の地中への没入深度としては、例えば外気の影響を受けて凍結を起こす恐れがあるとされている地表(GL)から略400〜600mmの凍結深度以上の没入深度とすることが好適なものとなる。
上記ポンプは、パイプラインの一部を地上に露出させて、露出したパイプラインに接続具備せしめる地上設置型のラインポンプ(循環ポンプ)とするのでも良いが、ケーシング内で開口させるパイプラインの吸込み口に接続具備せしめる水中ポンプとすることが好適なものとなる。
請求項1記載の発明によれば、ケーシング内部の滞留空気を抜気又はケーシング内部を真空状態まで抜気せしめてなる。即ち、ケーシング内に水脈・水脈ドームの水圧(地圧)により上昇流入される地下水の水面と同ケーシングの閉鎖上端との間に存在するケーシング内の空間部は抜気状態又は真空状態にあることで、同内部には断熱効果が期待できる。
つまり、外気の影響を受けるとされている地表(GL)から地下略4〜5mの外気影響深度において上記空間部(ケーシングの上部側)が位置していても同空間部内に熱を伝達・交換する気体(滞留空気層)が少ない又は気体が全く無い抜気減圧状態又は真空状態にあることで、ケーシング内の温度低下を招く熱ロスを抑制する断熱効果が期待できる。加えて、ケーシングが鉄製である場合、熱交換器を挿設した場合には酸化鉄が生成される等の腐蝕防止効果が期待できる。
しかも、水脈・水脈ドームの水圧(地圧)により上昇する地下水のケーシング内における水位上昇が期待できる。つまり、ケーシングの空間部を真空状態することで、ケーシング内は上部側も下部側も水脈・水脈ドームの水圧と同圧になることで、従来装置のような滞留空気が内在する大気圧状態に比べて地下水の水位上昇が期待できる。
従って、例えばケーシング内部に配管挿設される循環密閉回路式地上設備の往管・還管のケーシング内部へ配管長さが短くて済む。換言すれば、短い循環パイプラインにてケーシング内の地下水を地上設備へと送り込むことができる。それにより、地下水を循環密閉回路式地上設備に効率的に送り込むことができる。
更に、パイプラインが短くなった分、パイプラインの配管費用が軽減され、更にはパイプライン上における熱ロスを抑え、そして、循環に用いられる循環ポンプにおいても省電力の小型で済む等から、経済的に有利な地中装置となる。
そして、循環密閉回路式熱交換器との熱交換により温度差(水温差)ができ、温度が低くなった部分は高い所から低い所へ移動する地下水の自然対流速度が、大気圧が掛からない分、2〜3倍速以上に促進されることが期待できる。
つまり、従来装置のような大気圧下回路から循環密閉回路に変わり、水頭圧の垂直荷重が水平方向の配管抵抗だけになる分、ケーシング内における地下水の自然対流速度が、2〜3倍速以上に促進されることが期待できる。これによって、熱交換器との熱交換が効率的に行なわれることで、地下水熱を地上設備に効率的に送り込むことができる。
つまり、本発明では循環密閉回路式で地下水の揚水と還元とが行なわれることで、揚水から還元までの地下水の循環工程中において外部に漏水することがなく、揚水量に対して還元水量が減少することがないことで、環境破壊として問題視される井戸枯れや地盤沈下等が生じることもなく、地下水を効率的に地上設備へと送り込み、元の水脈へと還元することができる。
これによって、循環密閉回路式熱交換器との熱交換によって循環密閉回路式熱交換器周りの温度(水温)が低下することなく、常に循環密閉回路式熱交換器の周りには水脈・水脈ドームの地下水温度と同温の地下水が満遍なく対流行き渡ることで、地下水熱を循環密閉回路式熱交換器にて加温された熱媒体を介して循環密閉回路式地上設備に効率的に送り込み供給することができる。
そして、水脈Nに達するようにケーシング1を植設せしめて地中に構築した井戸Aの上端開口1-1は、蓋体2にて密閉せしめると共に、外気の影響を受けない地中深度Lまで没入させている。本例では寒冷地において外気の影響を受けて凍結を起こす恐れがあるとされている地表(GL)から略400〜600mmの凍結深度以上まで地中に没入させている。
尚、図示例では還管3-2を水脈Nの上流・下流双方に向けているが、水脈Nの下流側方向に向けて開口させることが好適なものとなる。
真空度は、−1〜−700mmHgの範囲に設定することが本発明を成立させる上で重要である。
その理由は、真空度が−1mmHg以下では、−1mmHg=−13.6mmH 2 Oで、少なくとも大気圧と飽和状態ではなく、既に真空に至らなくても抜気中の状態で真空を目指す状態で、既に負圧状態になって密閉状態に入るので、それ以下では密閉・気密ができなくなるからであり、−700mmHgを越えると、殆んど絶対真空に近い状態になるが、密閉度が増すために、それらを維持する装置のシールパッキン等の気密維持部品が既に絶対真空状態での形成維持が困難であることから、装置があまりにも大掛かりになることと、それらの装置又は地中装置自体が真空破壊・変形を引き起こす恐れがあるからである。
従って、本発明においてはケーシング1の空間部5の真空度を−1〜−700mmHgの範囲に設定することが本発明を成立させるものであり、好ましくは−300〜−600mmHgである。
この抜気装置Cは、密閉蓋体2を貫通させた抜気パイプライン6を介して空間部5と連絡する抜気ポンプ7と、抜気パイプライン6の途中部位に配管接続した圧力スイッチ8とで構成され、該圧力スイッチ8による空間部5の圧力監視により抜気ポンプ7をON/OFF動作させることによって、空間部5の真空度が、前記−300〜−600mmHgの設定範囲に制御維持されるようにしている。
つまり、外気の影響を受けるとされている地表(GL)から地下略4〜5mの外気影響深度L1において前記空間部5が存在するケーシング1の上部側が位置していても同空間部5内に熱を伝達する気体(滞留空気層)が全くない無い抜気減圧状態又は真空状態にある。
従って、ケーシング1内の温度低下を招く熱ロスを抑制する断熱効果が期待でき、また、ケーシング1が鉄製である場合には酸化鉄が生成される等の腐蝕防止効果が期待できる。
尚、図示例では吐出し口17を水脈Nの上流・下流双方に向けているが、水脈Nの下流側方向に向けて開口させることが好適なものとなる。
この場合、抜気ラインのパイプライン6への接続位置は、逆止弁9よりも下流側(ポンプ6側)にて行い。外部滞留空気がケーシング1内部へ流入するのを逆止弁9によって防ぐようにしている。
1-1:上端開口 1-2:下端開口
2:蓋体 3:往管・還管
3-1:往管口 3-2:還管口
4:循環ポンプ 5:空間部
B:地上設備 C:抜気装置
D:遮断装置 E:熱交換器
F:強制対流装置
Claims (4)
- 水脈が存在する地中の所定深度に達するようにケーシングを植設せしめることにより構築される井戸の地下水熱を熱源として利用する循環密閉回路式地上設備における地中装置であって、
上記ケーシングは、下端開口の密閉筒構造と成し、密閉上端を地表又は地中所定深度まで没入させた状態で地中に植設され、
上記ケーシング内に挿設された上記循環密閉回路式地上設備の往管・還管又は上記ケーシング内に同軸状に挿設された上記循環密閉回路式地上設備に接続される循環密閉回路式熱交換器と、上記ケーシング内の上記密閉上端と地表から地下略4〜5mの外気影響深度との間に形成される空間部と、該空間部から地下水以外の滞留空気を抜気又は上記空間部を真空状態まで抜気せしめると共に、上記空間部内を抜気減圧状態又は所定の真空度に制御維持するための抜気装置と、を具備してなることを特徴とする地下水熱利用設備における地中装置。 - 上記真空度は、−1〜−700mmHgの範囲に設定されていることを特徴とする請求項1記載の地下水熱利用設備における地中装置。
- 上記循環密閉回路式地上設備の上記還管の還管口は、上記ケーシングの上記下端開口の下部に形成される水脈ドームの底部近傍に設けられることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の地下水熱利用設備における地中装置。
- 上記ケーシング内に挿設される、地下水を強制対流させる強制対流装置を備え、
該強制対流装置は、上記ケーシングの上部側途中部位において開口する吸込み口と、上記ケーシングの上記下端開口の下部に形成される水脈ドームの底部近傍に設けられる吐出し口と、上記吸込み口と上記吐出し口間に形成されるパイプラインと、前記吸込み口に設けられ地下水を吸込むポンプと、を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の地下水熱利用設備における地中装置。
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