JP4486663B2 - 地中熱井戸の高効率な集熱システム - Google Patents

Description

本発明は、地中熱エネルギーと地下水熱エネルギーの両方を効率よく利用できる地中熱井戸の高効率な集熱システムに関する。

地球温暖化防止やＣＯ２排出規制に伴い、世界的に環境負荷の少ない自然エネルギーの利用技術が急速に開発され、活用されている。一般的に、自然エネルギーは自然条件に左右されやすく、季節的、時間的にも需要と供給の不均衡が生じ、貯蔵技術などにより平滑化することが必要である。地中熱や地下水熱はエネルギー密度が低いが、定常的で地域的な偏在性が少なく、熱エネルギー資源として安定的に利用が可能である。ＮＥＤＯ（独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）発行の「地球熱利用システム、地中熱利用ヒートポンプシステムの特徴と課題」という小冊子で、世界的には地熱ヒートポンプの利用が延びているとし、その普及状況が記載されている。２００５年の世界での地中熱利用ヒートポンプシステムの設備要領（Ｍｗｔ）の表より、アメリカ７２００、スウェーデン３８４０、中国６３１、ノルウェー６００、スイス５３２、カナダ４３５、ドイツ４００、デンマーク３０９、日本４となっている。この表で気がつき驚くことは、地球温暖化防止の京都議定書に反対しているアメリカが７２００Ｍｗｔ、日本が４Ｍｗｔとアメリカが日本の１８００倍も普及していることです。日本で地中熱利用ヒートポンプシステムが普及しない理由は熱源となる地中熱用井戸の工事費が高いからといわれています。日本はアメリカやヨーロッパ、中国などと比較して地質的に礫（石、岩石）が多く、ボーリング工事費が非常に高額となり、初期投資コストが過大となり普及し難いという問題があります。又これまで日本の地中熱利用ヒートポンプの技術はヨーロッパやアメリカで多く使用されています。Ｕチューブというポリエチレン管を地中に埋設し管の中にブライン水を入れ循環し地中から熱を回収する方法がそのまま利用されています。日本でもこれまで井水利用のヒートポンプパッケージエアコンやヒートポンプチラーが利用されてきましたが、あまり普及しませんでした。その理由の一つがくみ上げ規制ですが、多くの阻害要因は井水より熱を汲み上げたり熱を放出するコンデンサーやエバポレータが銅管を使ったシェルアンドチューブ型の熱交換器でした。銅は水質が悪いと腐食し、孔が明きます。孔が明くと冷媒ガス（その頃はＲ１２又はＲ２２が主流）が漏洩し、又水がコンプレッサーに浸水し、コンプレッサーの損傷を引き起こし、多大な修理費がかかり需要家から敬遠され大きな普及をしないまま今日に至っています。最近は銅管を使ったシェルアンドチューブ型からＳＵＳ製のプレート型に変わってきており、耐久性は大きく向上してきています。最近地中熱利用ヒートポンプシステムは急速にその性能が向上してきております。その理由の一つは新冷媒Ｒ４１０Ａの登場です。この冷媒は高温側で効率よく温水を作る能力に優れ、成績係数ＣＯＰが４．５以上と高いのが特長です。
従来、地下水を熱源とするヒートポンプ設備が特許出願されている（特許文献１を参照）。
この公知技術では、不透水性土層の上下に上部帯水層及び下部帯水層が存在している地盤に下部帯水層に達する井戸を設け、その内部を不透水性土層の位置でパッカーにより上下に仕切り、上部帯水層及び下部帯水層に通じる上部スクリーン及び下部スクリーンを設け、パッカーの近傍にヒートポンプ装置を配置し、パッカーの上下に季節により選択的に運転されてヒートポンプ装置に地下水を供給する上部ポンプ及び下部ポンプ、もしくは地下水の供給経路を切替え可能な単独のポンプを設置し、ヒートポンプ装置は第１熱交換器及び第２熱交換器を有し、地表部には第２熱交換器に対して熱媒体を循環供給するポンプを設けたものである。
また、熱交換パイプと揚液ポンプをユニット化した地下熱採取ユニットが特許出願されている（特許文献２を参照）。
この公知技術は、Ｕ字状に折曲した熱交換パイプを複数本筒状に束ね、各パイプの一端はユニット上部の円形の液体槽に接続し、他端は液体槽の中心を貫いて下方に延びるポンプ室筒体の下部に接続し、ポンプ室筒体の中にエアーリフトポンプを収め、熱交換パイプの周りをスクリーンで覆い、地面に掘った穴の中に設置し、熱交換パイプが地下水に浸かるようにしたものである。
特開平９−２８０６８９号公報 特開２００５−３３７５９０号公報

本発明は、地球からの贈り物である地中熱エネルギーと地下水熱エネルギーの両方を効率よく利用できる地中熱井戸の高効率な集熱システムを提供することを目的とする。

本発明の地中熱井戸の高効率な集熱システムは、地表から帯水層に達する所定深さまでボーリングにより所定口径の円形断面の掘削孔を掘削して掘削井戸とし、該掘削井戸内には、上下が開口した筒状の井戸ケージングを上部開口が地表で下部開口が井戸底部に位置するように同心円状に設け、前記掘削井戸と前記井戸ケーシングとの間には間接方式の集熱パイプが設置される円環状の集熱空間が形成され、前記掘削井戸の内壁にはラピリ層、細砂流入防止用不織布を設けて帯水層の地下水のみが前記集熱空間内に浸透するように形成し、前記集熱パイプはブラインを循環させ、前記集熱空間を縦断するように地表から井戸底部へ直線的に向かい、井戸底部付近で井戸ケーシングを横断して反対側に突き出し、さらに前記集熱空間を井戸底部付近から地表に直線的に向かう往き及び戻りのＵ字状に略等間隔に複数組設置され、前記井戸ケーシングの内部には、地表から揚水管により吊り下げた井戸ポンプが少なくとも帯水層レベル以下に位置する部分に設けられ、一方、地表の地中熱井戸周囲には、集熱パイプの往きヘッダー及び戻りヘッダーを設け、該戻りヘッダーから配管を介して地中熱利用ヒートポンプ装置の水式コンデンサーから往きヘッダーへ循環させ、前記集熱パイプにより集熱した地下水熱を地中熱利用ヒートポンプ装置の水式コンデンサーの熱源に利用するものである。
本発明の地中熱井戸の高効率な集熱システムは、戻りヘッダーと地中熱利用ヒートポンプ装置の水式コンデンサーとの途中に熱源水昇温用プレート式熱交換器を設け、井戸ポンプからの地下水が揚水管から前記熱源水昇温用プレート式熱交換器へ供給され、前記集熱パイプのブラインと熱交換されて地中熱利用ヒートポンプ装置の水式コンデンサーの熱源に利用され、自然放流又は還流されるものである。
本発明の地中熱井戸の高効率な集熱システムは、集熱空間の前記集熱パイプの周囲には、熱交換促進用フィルター層が充填され、地下水熱を効率的に前記熱交換促進用フィルター層から集熱パイプへ伝熱することができるものである。
本発明の地中熱井戸の高効率な集熱システムは、井戸ケーシング内部には、サーモスタットを上下に適宜個数配置し、間接方式の集熱パイプで集熱されたブラインの温度が所定の温度以下になるような場合は、井戸ポンプにより井戸周囲の地下水を汲み上げることにより集熱パイプの周囲の温度を上昇させることができるものである。

本発明の地中熱井戸の高効率な集熱システムは、従来方式では地下水を集熱パイプの周囲に集めて地下水熱及び地中熱をヒートポンプの熱源として利用するもので集熱パイプの周囲が土やコンクリートやベントナイト等の水に比較して熱伝導率の悪いものを使用していたが、本方式は集熱パイプの周囲を水が流動される熱交換促進用フィルター層を配置し、水の伝導率を生かした、より効率のよい方法でＳＵＳ管、銅管、ポリエチレン管、ポリブデン管、ＶＰ管等の集熱パイプにより地中熱を採取できる。
本発明の地中熱井戸の高効率な集熱システムは、間接方式の集熱パイプを包囲する掘削井戸と、地下水を複数のサーモスタットにより地下水を汲み上げる井戸ケーシングパイプ、ストレーナーを兼用する井戸ケージングとの二重筒体構造からなり、その井戸ケージング内部には水中ポンプ、汲み上げジェットポンプ、エアーポンプ等の井戸ポンプを設置できる構造となっている。
本発明の地中熱井戸の高効率な集熱システムは、間接方式の集熱パイプで集熱されたブライン（循環水）の温度が所定の温度（０℃）以下になるような場合は（サーモスタットにより連続管理している）井戸ポンプにより集熱パイプ周囲の地下水を汲み上げることにより集熱パイプの周囲の温度を上昇させると共に汲み上げた地下水でプレート式熱交換器を介して所定の温度（＋８℃）以上になるように自動的に流量をコントロールできる効果がある。
本発明の地中熱井戸の高効率な集熱システムは、間接方式の集熱パイプの井戸ケーシングへの取付方法において、水中ポンプの設置に支障なく集熱パイプを効果的に取付できる効果がある。
本発明の地中熱井戸の高効率な集熱システムは、帯水層から地下水を井戸ケーシング外側に設置した集熱パイプに誘引し、集熱効果を高めるために集熱パイプに熱交換促進用フィルター層を被せるように設置したものである。

本発明の地中熱井戸の高効率な集熱システムの一実施例を添付図面に基づいて、以下に説明する。
図１の本発明の地中熱井戸の高効率な集熱システムの概略系統図に示すように、地表から帯水層に達する所定の深さまでボーリングにより所定口径の円形断面の掘削孔を掘削して掘削井戸１とする。
前記掘削井戸１内には、上下が開口した筒状の井戸ケージング２を上部開口が地表で下部開口が井戸底部に位置するように同心円状に設け、前記掘削井戸１と前記井戸ケーシング２との間には間接方式の集熱パイプ３が設置される円環状の集熱空間が形成される。
前記集熱パイプ３は、ＳＵＳ管、銅管、ポリエチレン管、ポリブデン管、ＶＰ管等から形成され、図２の縦断面図に示すように、前記集熱空間を縦断するように地表から井戸底部へ直線的に向かい、井戸底部付近で井戸ケーシング２を横断して反対側に突き出し、さらに前記集熱空間を井戸底部付近から地表に直線的に向かうＵ字状に設置され、このような集熱パイプ３が略等間隔で往き及び戻りの複数組の集熱パイプ３が設置される。
なお、前記井戸底部の集熱パイプ３より下方には、ラピリ（火山礫）が充填されてラピリ層４が形成されている。
図３の拡大横断面図に示すように、前記掘削井戸１の内周壁部分にはラピリ（火山礫）を充填し、ラピリ層４の内側に細砂流入防止用不織布５を設けて帯水層の地下水のみが前記掘削井戸１内に浸透するように形成する。
そして、前記集熱パイプ３の外周囲には前記細砂流入防止用不織布５が配置され、前記集熱パイプ３の隙間にはポリエチレンフィルター等の熱交換促進用フィルター層６が充填され、地下水熱を効率的に前記熱交換促進用フィルター層６から集熱パイプ３へ伝熱するように構成する。
なお、前記熱交換促進用フィルター層６は、ポリエチレンフィルターに限らず、ラピリ（火山礫）を充填したラピリ層４とすることもできる。

前記井戸ケーシング２はＶＰ管から形成され、周囲に集水用孔７が多数個貫通されており、地下水が前記井戸ケーシング２内に浸透し、後述の井戸ポンプ８により地下水を地表に揚水できるようにしている。前記井戸ケーシング２の内部には、地表から揚水管９により吊り下げた水中ポンプ、汲み上げジェットポンプ、エアーポンプ等の井戸ポンプ８が少なくとも帯水層レベル以下に位置する部分に設けられる。
また、前記井戸ケーシング２内部には、サーモスタット１０を適宜個数配置し、サーモスタット１０により水温を連続管理している。間接方式の集熱パイプ３で集熱されたブライン（循環水）の温度が所定の温度（０℃）以下になるような場合は、井戸ポンプ８により井戸周囲の地下水を汲み上げることにより集熱パイプ３の周囲の温度を上昇させる。

地上には、地中熱利用ヒートポンプ装置を配置し、該地中熱利用ヒートポンプ装置はコンプレッサー１１、蒸発器１２、膨張弁１３、空気式コンデンサー１４及び水式コンデンサー１５から構成される。
一方、地表の掘削井戸１周囲には、集熱パイプ３の往きヘッダー１６及び戻りヘッダー１７を設け、該戻りヘッダー１７から配管を介して地中熱集熱用循環ポンプ１８→熱源水昇温用プレート式熱交換器１９→水式コンデンサー１５（前記地中熱利用ヒートポンプ装置）→往きヘッダー１６→集熱パイプ３（地下熱井戸）→戻りヘッダー１７と循環させ、集熱パイプ３により集熱した地下水熱を地中熱利用ヒートポンプ装置の水式コンデンサー１５の熱源に利用する。
また、前記井戸ポンプ８からの揚水は、揚水管９から前記熱源水昇温用プレート式熱交換器１９へ供給され、前記集熱パイプ３のブラインと熱交換されて、自然放流又は還流される。

次に、本発明の地中熱井戸の高効率な集熱システムの動作操作を添付図面に基づいて、以下に説明する。
図１に示すように、帯水層からの地下水は掘削井戸１、ラピリ層４、細砂流入防止用不織布５を経て集熱空間内へ流入浸透し、地中熱井戸は掘削井戸１と井戸ケーシング２との円環状の集熱空間に地下水を貯水しており、間接方式の集熱パイプ３の周囲には熱交換促進用フィルター層６が充填され、地中熱を効率的に前記熱交換促進用フィルター６層から集熱パイプ３へ伝熱する。
地上の地中熱集熱用循環ポンプ１８を駆動すると、集熱パイプ３に充填されているブライン（循環水）が集熱パイプ３→戻りヘッダー１７→地中熱集熱用循環ポンプ１８→熱源水昇温用プレート式熱交換器１９→水式コンデンサー１５（前記地中熱利用ヒートポンプ装置）→往きヘッダー１６→集熱パイプ３と循環し、地中熱を地中熱利用ヒートポンプ装置の水式コンデンサー１５の熱源に間接方式で利用させる。
そして、間接方式の集熱パイプ３で集熱されたブライン（循環水）の温度が所定の温度（０℃）以下になるような場合は、井戸ポンプ８により井戸周囲の地下水を汲み上げることにより、帯水層より新たに地下水を供給して集熱パイプ３の周囲の温度を上昇させる。
さらに、井戸ポンプ８により汲み上げた地下水は熱源水昇温用プレート式熱交換器１９を介してブライン（循環水）の温度が所定の温度（＋８℃）以上になるように地下水熱をサーモスタット１０により連続管理している。

本発明の地中熱井戸の高効率な集熱システムの概略系統図である。 本発明の地中熱井戸の縦断面図である。 本発明の地中熱井戸の拡大横断面図である。

符号の説明

１ 掘削井戸
２ 井戸ケーシング
３ 集熱パイプ
４ ラピリ層
５ 細砂流入防止用不織布
６ 熱交換用フィルター層
７ 集水用孔
８ 井戸ポンプ
９ 揚水管
１０ サーモスタット
１１ コンプレッサー
１２ 蒸発器
１３ 膨張弁
１４ 空気式コンデンサー
１５ 水式コンデンサー
１６ 往きヘッダー
１７ 戻りヘッダー
１８ 地中熱集熱用循環ポンプ
１９ 熱源水昇温用プレート式熱交換器

Claims (4)

1. 地表から帯水層に達する所定深さまでボーリングにより所定口径の円形断面の掘削孔を掘削して掘削井戸とし、該掘削井戸内には、上下が開口した筒状の井戸ケージングを上部開口が地表で下部開口が井戸底部に位置するように同心円状に設け、前記掘削井戸と前記井戸ケーシングとの間には間接方式の集熱パイプが設置される円環状の集熱空間が形成され、前記掘削井戸の内壁にはラピリ層、細砂流入防止用不織布を設けて帯水層の地下水のみが前記集熱空間内に浸透するように形成し、前記集熱パイプはブラインを循環させ、前記集熱空間を縦断するように地表から井戸底部へ直線的に向かい、井戸底部付近で井戸ケーシングを横断して反対側に突き出し、さらに前記集熱空間を井戸底部付近から地表に直線的に向かう往き及び戻りのＵ字状に略等間隔に複数組設置され、前記井戸ケーシングの内部には、地表から揚水管により吊り下げた井戸ポンプが少なくとも帯水層レベル以下に位置する部分に設けられ、一方、地表の地中熱井戸周囲には、集熱パイプの往きヘッダー及び戻りヘッダーを設け、該戻りヘッダーから配管を介して地中熱利用ヒートポンプ装置の水式コンデンサーから往きヘッダーへ循環させ、前記集熱パイプにより集熱した地下水熱を地中熱利用ヒートポンプ装置の水式コンデンサーの熱源に利用することを特徴とする地中熱井戸の高効率な集熱システム。
2. 前記戻りヘッダーと地中熱利用ヒートポンプ装置の水式コンデンサーとの途中に熱源水昇温用プレート式熱交換器を設け、井戸ポンプからの地下水が揚水管から前記熱源水昇温用プレート式熱交換器へ供給され、前記集熱パイプのブラインと熱交換されて地中熱利用ヒートポンプ装置の水式コンデンサーの熱源に利用され、自然放流又は還流されることを特徴とする請求項１記載の地中熱井戸の高効率な集熱システム。
3. 前記集熱空間の前記集熱パイプの周囲には、熱交換促進用フィルター層が充填され、地下水熱を効率的に前記熱交換促進用フィルター層から集熱パイプへ伝熱することができることを特徴とする請求項１記載の地中熱井戸の高効率な集熱システム。
4. 前記井戸ケーシング内部には、サーモスタットを上下に適宜個数配置し、間接方式の集熱パイプで集熱されたブラインの温度が所定の温度以下になるような場合は、井戸ポンプにより井戸周囲の地下水を汲み上げることにより集熱パイプの周囲の温度を上昇させることができることを特徴とする請求項１記載の地中熱井戸の高効率な集熱システム。

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