JP4511624B1 - 地中蓄熱装置造成工法、地中蓄熱装置及び地中蓄熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固い粘土質や礫等を多く含んだ保水性の低い土壌でも、土壌の保水性を高めて、比熱を改善することにより、蓄熱効率を向上できる地中蓄熱装置造成工法、地中蓄熱装置及び地中蓄熱方法を提供する。
【解決手段】地盤に縦穴３１０を開ける縦穴掘削工程（ステップＳ１１０）と、縦穴３１０に高圧ジェットノズル３６０を挿入し、高圧ジェットノズル３６０から高圧の液体Ａを縦穴３１０の周囲の土壌３００に向けて噴射することで、土壌３００をせん断する土壌せん断工程（ステップＳ１３０）と、せん断された土壌３００に水分を保持させることで、蓄熱用の含水層Ｂを形成する蓄熱部形成工程（ステップＳ１４０）を有する地中蓄熱装置造成工法とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、地熱を効率的に蓄熱して利用するための地中蓄熱装置造成工法、地中蓄熱装置及び地中蓄熱方法に関する。

従来、熱交換器の周囲の土壌の保水性を高めるために、高吸水性樹脂などの親水性ポリマーを分散状態で土壌中に混入した保水用土壌域を形成し、これによって、熱交換器による採熱効率や放熱効率を向上させる発明が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００１−７４３１６号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示されている発明は、熱交換器を埋設する周囲の土壌に高吸水性樹脂を分散状態で混入した保水用土壌を形成するため、大量の土壌と高吸水性樹脂を攪拌するための処理を行わなくてはならず、手間がかかるという問題があった。さらに、土壌中の地下水が保水用土壌に流れ込んだ場合、地下水と共に高吸水性樹脂が流れ出てしまい、土壌の保水性が低下するとともに、蓄熱能力が低下してしまうという問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、保水性の低い土壌でも、土壌の保水性を高めて、比熱を改善することにより、蓄熱効率を向上できる地中蓄熱装置造成工法、地中蓄熱装置及び地中蓄熱方法を提供しようとするものである。

本発明者の鋭意研究により、上記目的は以下の手段によって達成される。

（１）本発明は、地盤に縦穴を開ける縦穴掘削工程と、前記縦穴に高圧ジェットノズルを挿入し、該高圧ジェットノズルから高圧の液体を前記縦穴の周囲の土壌に向けて噴射することで、前記土壌をせん断する土壌せん断工程と、せん断された前記土壌に水分を保持させることで、蓄熱用の含水層を形成する蓄熱部形成工程を有することを特徴とする地中蓄熱装置造成工法である。

（２）また、本発明は、前記土壌せん断工程は、前記液体と共に又は前記液体に換えて、吸水性樹脂を前記縦穴の周囲の土壌に向けて噴射することで、前記縦穴の周囲に形成された前記含水層に前記吸水性樹脂を含有させることを特徴とする、（１）に記載の地中蓄熱装置造成工法である。

（３）また、本発明は、前記土壌せん断工程は、前記高圧ジェットノズルを前記縦穴の長手方向に移動させながら、連続噴射される前記液体によって、前記縦穴の周囲の土壌を長手方向に順次せん断することを特徴とする、（１）又は（２）に記載の地中蓄熱装置造成工法である。

（４）また、本発明は、前記縦穴に熱交換器を挿入する熱交換器設置工程をさらに備え、前記含水層に蓄積された熱が、前記熱交換器を介して外部に移送可能とされることを特徴とする、（１）乃至（３）のいずれかに記載の地中蓄熱装置造成工法である。

（５）また、本発明は、前記土壌せん断工程は、地表から一定の深さのせん断しない領域を残し、前記領域よりも下側で行われることを特徴とする、（１）乃至（４）のいずれかに記載の地中蓄熱装置造成工法である。

（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記載の地中蓄熱装置造成工法によって造成される前記含水層に面するように設けられた熱交換器に熱媒体を供給する熱媒体供給工程と、前記熱交換器に送られた前記熱媒体が有する熱量と、前記熱交換器に面する前記含水層が有する熱量が均等となる方向に、前記熱媒体と前記含水層の間で熱量の移動を伴う熱交換工程と、前記熱量の移動が行われた前記熱媒体を前記熱交換器から移動させる、熱媒体排出工程を備えることを特徴とする、地中蓄熱方法。

（７）前記含水層に水分を保持させる水分保持工程と、前記水分を保持した前記含水層に地熱を蓄える蓄熱工程を更に備えることを特徴とする、（６）に記載の地中蓄熱方法。

なお、本発明は、土壌に形成される縦穴と、前記縦穴の周囲の土壌を長手方向に連続してせん断するとともに、せん断された前記土壌に吸水性樹脂を含有させた含水層と、前記縦穴内部で、少なくとも一部が前記含水層に面する位置に配設される熱交換器と、を有する地中蓄熱モジュールが複数形成されてなり、前記土壌中の水の流動方向に対する上流側では、隣り合う前記地中蓄熱モジュールの前記含水層の間隔が密状態となり、前記土壌中の水の流動方向に対する下流側では、隣り合う前記地中蓄熱モジュールの前記含水層の間隔が、疎状態になることを特徴とする地中蓄熱装置としても良い。

なお、本発明は、前記土壌中の水の流動方向に対する上流側において、隣り合う前記地中蓄熱モジュールの含水層が密着又は重なり合うことを特徴とする地中蓄熱装置としても良い。

本発明によれば、保水性の低い土壌でも、土壌の保水性を高めて、比熱を改善することにより、蓄熱効率を向上できる地中蓄熱装置造成工法、地中蓄熱装置及び地中蓄熱方法を提供できるという優れた効果を奏し得る。

第１実施形態に係る地中蓄熱装置造成工法の流れを示すフローチャートである。 （ａ）同地中蓄熱装置造成工法における縦穴の掘削を行っている状態を示す側面図であり、（ｂ）同地中蓄熱装置造成工法における補強用鋼管の挿入を行っている状態を示す側面図である。 （ａ）同地中蓄熱装置造成工法における高圧ジェットノズルの挿入を行っている状態を示す側面図であり、（ｂ）同地中蓄熱装置造成工法における高圧ジェットノズルによる土壌のせん断を行っている状態を示す側面図であり、（ｃ）及び（ｄ）同地中蓄熱装置造成工法における含水層の形成を行っている状態を示す側面図である。 同地中蓄熱装置造成工法により造成された地中蓄熱装置の側面図である。 含水層Ｂの地表側から見た断面図である。 第１実施形態に係る地中蓄熱装置の断面図である。 第１実施形態に係る蓄熱方法の流れを示すフローチャートである。 （ａ）（ｂ）従来の地中蓄熱方法の１例を示す平面図であり、（ｃ）（ｄ）第１実施形態に係る地中蓄熱装置４００の施工方法の１例を示す、地中蓄熱装置４００を上側から見た平面図である。 （ａ）地中蓄熱装置を撤収する場合の熱交換器を引き抜いている状態を示す側面図である。（ｂ）地中蓄熱装置を撤収する場合の酸又はアルカリを噴霧している状態を示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

＜地中蓄熱装置造成工法＞

初めに、図１〜４を用いて、本発明の第１実施形態に係る地中蓄熱装置造成工法（通称「ポリマージェットヒートストレージシステム」）について説明する。図１は、第１実施形態に係る地中蓄熱装置造成工法の流れを示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１１０では、地中蓄熱装置４００を設置する土壌３００に縦穴３１０を掘削する（縦穴掘削工程）。詳細に、図２（ａ）に示されるように、ボーリングマシン２００は、先端に設けられた掘削ドリル２２０によって土壌３００を掘削して、縦穴３１０を形成する。

掘削ドリル２２０は、外周および掘削方向の先端外縁に螺旋状のドリル刃２２２が形成され、内部には長手方向に延在するように加圧空間２２４が設けられている。掘削ドリル２２０の先端側は開口し、掘削ドリル２２０の外側の外部空間と加圧空間２２４は連通している。また、加圧空間２２４には、注水ポンプ（図示省略）が接続され、注水ポンプにより加圧空間２２４内に水等の流体が注入され、注入された流体の水圧により加圧空間２２４内が加圧されるようになっている。

掘削ドリル２２０は、回転及び切削方向の前後左右に振動しながら、ドリル刃２２２により土壌３００を掘削しながら掘り進む。この際、加圧空間２２４には、水等の流体が注入され、空間内が加圧される。上述したように、掘削ドリル２２０は、加圧空間２２４内が、注入された流体の水圧で加圧されながら、土壌３００中を掘り進むようになっているので、掘削ドリル２２０は、水圧で開口から押し出された流体により、土壌３００の掘削した土砂Ｆを地上に排出しながら、土壌３００を掘り進むことができる（図２（ｂ）参照）。

なお、縦穴３１０は、地熱を安定して得られる深さが好ましく、例えば、直径７５ｍｍ〜１５０ｍｍで地表から１００ｍ程度の深さまで掘削する。

次に、図１に戻って、ステップＳ１２０では、縦穴３１０に高圧ジェットノズル３６０を挿入する（高圧ジェットノズル挿入工程）。詳細に、図３（ａ）に示されるように、ステップＳ１１０の縦穴掘削工程で使用した掘削ドリル２２０は、土壌３００に残したまま、加圧空間２２４の内部を通して高圧ジェットノズル３６０を挿入する。このように残した切削ドリル２２０の加圧空間２２４を通して高圧ジェットノズルを挿入することにより、高圧ジェットノズル３６０を挿入する際に、縦穴３１０が崩れるのを防止することができる。換言すると、切削ドリル２２０は、縦穴３１０を掘削するドリルとして使用されるとともに、掘削した土砂Ｆを排出する排出手段として使用され、且つ、掘削した縦穴３１０が崩れるのを防止するケーシングとしての機能を果たしていることになる。高圧ジェットノズル３６０に接続されたノズル制御装置２３０は、高圧ジェットノズル３６０を縦穴の長手方向に移動させたり、高圧ジェットノズル３６０の先端からスラリーＡを噴射するか否かの制御を行う。

さらに、図１に戻って、ステップＳ１３０では、縦穴３１０の周囲の土壌（以下、側壁３１０Ａと言う）のせん断を行う（土壌せん断工程）。詳細に、図３（ｂ）に示されるように、高圧ジェットノズル３６０は、縦穴３１０の側壁３１０Ａ方向に向けてスラリーＡを噴射するジェット噴射口３６２を備えている。本実施形態では、ジェット噴射口３６２は、高圧ジェットノズル３６０の周方向に９０°間隔で、合計４つ設けられている。高圧ジェットノズル３６０から噴射されたスラリーＡは、ジェット噴射口３６２を中心に上下左右いずれの方向にも約４５°の角度で拡散しながら噴射されるので、任意の深さの側壁３１０Ａの全周方向に満遍なく噴射し、側壁３１０Ａの土壌３００をせん断できるようになっている。

また、スラリーＡには、吸水性樹脂（親水性ポリマー）が含まれており、高圧ジェットノズル３６０によって、土壌に向けて高圧で噴射される。したがって、高圧ジェットノズル３６０は、上述の吸水性樹脂を含むスラリーＡをジェット噴射口３６２から高圧（例えば、２０〜１００ＭＰａ）で噴射して土壌３００を広範囲にせん断すると同時に、せん断により形成された土壌の隙間に吸水性樹脂を含有させることができる。吸水性樹脂がせん断された土壌３００の隙間に含有することによって、せん断された土壌３００は、より多くの水分を保持できる。つまり、土壌３００の比熱を大きくすることができる。

なお、高圧ジェットノズル３６０自体を回転させて、縦穴３１０の周囲の土壌３００を万遍無くせん断するようにしても好ましい。

さらに、図３（ｃ）及び（ｄ）に示されるように、高圧のスラリーＡを土壌３００に向かって噴射しながら、掘削ドリル２２０及び高圧ジェットノズル３６０を略同時に少しずつ引き上げ、土壌３００を縦穴３１０の長手方向に順次せん断する。せん断する範囲は、土壌（特に、地表層３０２）の強度などを考慮して決定することが好ましい。例えば、縦穴３１０の深さが１００ｍの場合、土壌のせん断長さは、縦穴３１０の底部から約８０ｍ程度の部分領域とし、その上に高圧のスラリーＡを噴射しない非せん断領域を、地表からある程度の深さ（例えば、２０ｍ程度）で確保する。このように、せん断された土壌の上に非せん断の土壌を残すことによって、地盤の強度を確保することができる。

図１に戻って、ステップＳ１４０では、蓄熱部形成工程を行う。詳細に、上述したせん断した土壌に水分を保持させて、蓄熱用の含水層Ｂを形成する。せん断土壌に含有する水は、地中の水分を用いても良く、縦穴３１０に外部から水分を供給することにより行っても良い。

ステップＳ１５０では、熱交換器３７０を縦穴３１０に設置する（熱交換器設置工程）。詳細に、図４（ａ）に示されるように、予め縦穴３１０にケーシング３７５を挿入し、縦穴３１０が崩れないように補強しておく。その後、ケーシング３７５の中を通して、縦穴３１０に熱交換器３７０を挿入する。なお、ケーシング３７５を挿入する代わりに、前工程で引き抜いた掘削ドリル２２０を再挿入し、ケーシングの変わりとして利用しても好ましい。

最後に、ステップＳ１６０では、硅砂Ｄにより熱交換器３７０を埋設し、湿潤層Ｅを形成して、地中蓄熱装置４００が造成される。詳細に、図４（ｂ）に示されるように、ステップＳ１５０の熱交換器設置工程で縦穴３１０に挿入したケーシング３７５を引き抜いた後、縦穴３１０内に硅砂Ｄを入れて、熱交換器３７０を埋設する。硅砂Ｄによって形成される湿潤層Ｅは、土壌中の水分を多く吸収し、そのまま長時間維持することができる。したがって、上述したように、含水層Ｂによって、地中蓄熱装置４００の蓄熱効率を向上させるとともに、熱交換器３７０の周囲に硅砂Ｄからなる湿潤層Ｅを形成することによって、熱交換器３７０の周囲の熱伝導率を向上させ、さらに熱交換効率を向上させることができる。もちろん、熱交換器３７０の埋設は、硅砂Ｄではなく、縦穴掘削工程で土壌３００を掘削した時に排出した土砂等を用いても良い。この場合、熱交換器３７０の周囲に含水層Ｂが形成され、土壌せん断工程（ステップＳ１３０）で生成された含水層Ｂと連続した大容量の含水層Ｂが形成される。したがって、地中蓄熱装置４００の蓄熱効率を更に高めることができる。なお、縦穴掘削工程（ステップＳ１１０）で排出した土砂を利用するものではなく、より含水効率の良い砂利等を含んだ土砂や吸水性樹脂を含んだ土砂を用いても好ましい。

上述した縦穴掘削工程（ステップＳ１１０）から湿潤層形成工程（ステップＳ１６０）によって、地中蓄熱装置４００が造成される。この時、熱交換器３７０は、少なくとも一部が湿潤層Ｅ又は含水層Ｂと面する位置まで挿入され、湿潤層Ｅや含水層Ｂに蓄積された熱と、熱交換器３７０の熱媒体の熱を効率的に受け渡しできるようになっていることが好ましい。

上述したように、本実施形態の地中蓄熱装置造成工法は、加圧空間２２４を有する掘削ドリル２２０により、土壌３００を掘削した土砂を水圧で排出しながら縦穴３１０を開ける縦穴掘削工程（ステップＳ１１０）と、縦穴３１０の周囲の土壌に高圧のスラリーＡを噴射して土壌３００に無数の空隙を形成する土壌せん断工程（ステップＳ１３０）と、せん断された土壌３００に水分を保持させて蓄熱用の含水層Ｂを形成する蓄熱部形成工程（ステップＳ１４０）を設けている。したがって、土壌せん断工程によって、高圧のスラリーＡを噴射して土壌３００をせん断し、土壌３００の中に沢山の空隙を作ると同時に、空隙に吸水性樹脂を含有させることによって、土壌３００により多くの水分を保持させることができる。このように、本実施形態の地中蓄熱装置造成工法によれば、土壌３００により多くの水分を保持させることによって、土壌３００の比熱を大きくすることができ、蓄熱効率を向上させることができる。また、土壌せん断工程では、高圧ジェットノズル３６０により吸水性樹脂を含有するスラリーＡを、土壌３００に向けて高圧で噴射するようにしているので、土壌３００を遠距離までせん断できるとともに、土壌３００のせん断した隙間に吸水性樹脂を含有することができる。土壌せん断工程では、高圧のスラリーＡを噴射するようにしているので、例えば、固い粘土質の土壌や礫や岩石が多い土壌にも適用することができ、どのような場所の土壌でも容易に保水力を高めることができる。

また、スラリーＡに含まれる吸水性樹脂が、せん断された土壌（含水層Ｂ）の隙間に含有されることによって、土壌の隙間に含有する吸水性樹脂が土壌中の水分を吸収してジェル状に半固体化する。したがって、土壌中の水分は、ジェル状に半固体化し、粘性係数が向上することで、土壌の地下水の流動によって流されず、蓄積した熱をジェル化した場所で保持することができる。換言すると、ジェル状の半固体化した土壌に蓄積された熱は、地下水の流動によって流されないので、土壌の蓄熱温度がほとんど変わらず、同じ場所で再度蓄熱し直す必要がないので、蓄熱効率が向上する。

特に、本実施形態の地中蓄熱装置造成工法は、吸水性樹脂を放射状に噴射する工法であることから、図５に示されるように、縦穴３１０に最も近い環状部分Ｐの吸水性樹脂の密度が高く、中間の環状部分Ｑが中程度の密度、遠い環状部分Ｒが低い密度状態となる。したがって、熱交換器３７０に近い部分に水分を集中的に保持できるので、低コストで高効率に蓄熱を行うことができる。

また、土壌せん断工程（ステップＳ１３０）では、高圧ジェットノズル３６０から高圧のスラリーＡを噴射しながら縦穴３１０の長手方向に土壌３００を連続して順次せん断している。したがって、縦穴３１０の長手方向に延びたせん断土壌が形成され、地中の体積を効率よく利用しながら多くの水分を保持することができる。

また、本実施形態の地中蓄熱装置造成工法は、縦穴３１０に熱交換器３７０を配設する熱交換器設置工程（ステップＳ１５０）を備えている。設置された熱交換器３７０は、含水層Ｂ（または湿潤層Ｅ）の熱と熱交換器３７０の熱媒体の熱の受け渡しを行い、含水層Ｂ（または湿潤層Ｅ）の熱を熱媒体と共に外部に移送することができる。

また、本実施形態の地中蓄熱装置造成工法は、設置した熱交換器３７０を硅砂Ｄで埋設するとともに、熱交換器３７０の周囲に湿潤状態を作り出す湿潤層Ｅを形成する、湿潤層形成工程（ステップＳ１６０）を有している。これによって、熱交換器３７０の周囲に形成された湿潤層Ｅに多くの水分が保持され、熱交換器３７０と直接接触する周囲の熱伝導率を向上させることができる。これによって、熱交換器３７０の熱交換効率が向上する。

＜地中蓄熱装置＞

次に、上述の地中蓄熱装置造成工法によって造成される、第１実施形態に係る地中蓄熱装置について説明する。図６は、本実施形態に係る地中蓄熱装置４００の断面図である。

まず、地中蓄熱装置４００は、土壌に開けられた縦穴３１０、縦穴３１０の周囲に形成される湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）、湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）に少なくとも一部が面している熱交換器３７０を備えて構成されている。地中蓄熱装置４００の熱交換器３７０は、地上にあるヒートポンプ装置５００と接続されている。ヒートポンプ装置５００は、地中蓄熱装置４００から熱を採熱し、又は放熱し、家６００等に備え付けられている冷暖房装置（図示省略）に供給できるようになっている。

縦穴３１０は、ボーリングマシン２００（図２（ａ）参照）によって、土壌３００対して垂直に開けられた、直径約７５ｍｍ〜１５０ｍｍで、深さ約１００ｍの穴である。本実施形態では、土壌３００は、砂利等を主成分とし、水分が少ない不飽和層で形成されており、不飽和層の中に多量の水分を含む飽和層を有する部分がある。

湿潤層Ｅは、上述したように、硅砂Ｄを主成分とし、熱交換器３７０の周囲に形成された、水分を多く含む湿潤な土壌である。なお、湿潤層Ｅは、縦穴３１０に熱交換器３７０を埋設し、固定する役割も果たしている。

含水層Ｂは、縦穴３１０の周囲の土壌（例えば、側壁３１０Ａ）に設けられたせん断土壌であり、せん断土壌に含有する吸水性樹脂が多くの水分を保持している層である。このせん断された土壌は、縦穴３１０の側壁３１０Ａに向かって約２０〜１００ＭＰａの高圧水を噴射することによって形成される。このように、縦穴３１０の周囲の土壌に２０〜１００ＭＰａの高圧のスラリーＡを噴射することによって、土壌に無数の微小隙間を形成すると同時に、その微小隙間に吸水性樹脂を含有させることによって、その吸水性樹脂に水分を保持することができるようになる。本明細書では、土壌に高圧水等を噴射して隙間を形成することを、土壌をせん断すると言い、それによって形成された土壌をせん断土壌と言う。

また、含水層Ｂは、吸水性樹脂がせん断土壌の水分を吸収してジェル状に半固体化する。したがって、ジェル状になった含水層Ｂは、含有する水分と熱を同じ場所で長期間固定することができ、土壌の地下水の流動により、含有する熱が逃げるのを防止することができる。したがって、地中蓄熱装置４００は、含水層Ｂの蓄熱能力を高い状態で長期間保つことができる。

なお、含水層Ｂは、土壌３００がせん断（土壌の中に微小隙間が形成）されることによって形成されているため、崩れやすく軟弱な土壌になっている。したがって、含水層Ｂの上にある程度の深さのせん断していない土壌（地表層３０２）を残すことによって、含水層Ｂの上に残存する土壌の強度を保つようにしても良い。

また、本実施形態では、せん断土壌（含水層Ｂ）を形成するための高圧水として水と吸水性樹脂が混合したスラリーを用いたが、これに限定されるものではない。例えば、先に吸水性樹脂を含まない水のみの高圧水で土壌をせん断し、その後、吸水性樹脂を噴射することによって、せん断土壌に吸水性樹脂を含有するようにしてもよい。また、上記スラリーは、ガラス粒子等を混ぜてせん断力を高めるようにしても好ましく、ガラス粒子によって土壌中の礫や岩石を細かく破砕することによって、せん断土壌の保水力をより向上させることができる。

熱交換器３７０は、Ｕ字管になっており、Ｕ字管内部には、エチレングリコールなどを含有成分とする不凍液、又は油などの熱媒体で満たされている。これにより、熱交換器３７０は、湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）に蓄積された熱を熱媒体に取り入れ、又はＵ字管内の熱媒体の熱を湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）に放出する熱交換器としての機能を果たすようになっている。熱交換器３７０は、湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）と熱の受け渡しを効率よく行うために、熱交換器３７０のＵ字管部の少なくとも一部は、湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）まで達し、湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）と面するように設けられている。

上記の構成により、湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）に蓄えられている熱の温度が熱交換器３７０の熱媒体に蓄えられている熱の温度よりも高い場合、熱交換器３７０は、湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）に蓄えられた熱を熱媒体に取り込む（採熱）。また反対に、湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）に蓄えられている熱の温度が熱交換器３７０の熱媒体に蓄えられている熱の温度よりも低い場合、熱交換器３７０は、熱媒体に蓄えている熱を湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）に放熱する。つまり、熱交換器３７０は、縦穴３１０に設けられた湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）と熱媒体との間の熱の温度が等しくなる方向に、湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）と熱媒体との間で熱の受け渡しを行う。

図６に示されるように、ヒートポンプ装置５００は、熱交換器５１０、５２０、圧縮機５３０、膨張弁５４０、ポンプ５５０、５６０を備えて構成されている。熱交換器５１０、圧縮機５３０、熱交換器５２０、膨張弁５４０は、管５０２で接続されており、管５０２の内部は、エチレングリコールなどを含有成分とする不凍液や油などの熱媒体で満たされている。また、家６００の暖房設備（図示省略）から延びる配管６０２が、ヒートポンプ装置５００の熱交換器５２０に配設されている。配管６０２の内部は、エチレングリコールなどを含有成分とする不凍液や油などの熱媒体で満たされている。

初めに、家６００の暖房設備に温熱を供給する場合について説明する。まず、ヒートポンプ装置５００は、ポンプ５５０とポンプ５６０を駆動し、地中蓄熱装置４００の熱交換器３７０の中の熱媒体と、暖房設備の配管６０２の中の熱媒体を循環させる。

次に、ピートポンプ装置５００は、膨張弁５４０を駆動し、熱交換媒体５１０の中でヒートポンプ装置５００の熱媒体を蒸発（膨張）させて、熱交換器３７０の熱媒体から熱を吸収する。次に、ヒートポンプ装置５００は、圧縮弁５３０を駆動し、熱交換器５２０の中でヒートポンプ装置５００の熱媒体を圧縮して凝固させて、配管６０２の熱媒体に放熱する。これによって、ヒートポンプ装置５００は、熱交換器３７０側の熱が伝達された熱媒体を家６００の暖房設備に供給することができる。上述したヒートポンプ装置５００内での熱媒体の移動の流れは、図６に示す矢印Ｘ方向（反時計回り）で表すことができる。なお、熱を吸収されて低温になった熱交換器３７０の熱媒体は、ポンプ５５０で循環され、湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）に蓄熱されている熱を吸収する。

次に、家６００の冷房設備（図示省略）に冷熱を送る場合について説明する。基本的に、冷熱を送る場合のヒートポンプ装置５００内の熱媒体の移動の流れは、前述した家６００の暖房設備に温熱を供給する場合と逆の流れになる。まず、ヒートポンプ装置５００は、膨張弁５４０を駆動し、熱交換媒体５２０の中でヒートポンプ装置５００の熱媒体を蒸発（膨張）させて、配管６０２の熱媒体から熱を吸収する。次に、ヒートポンプ装置５００は、圧縮弁５３０を駆動して、熱交換器５１０の中でヒートポンプ装置５００の熱媒体を圧縮して凝固させて、熱交換器３７０の熱媒体に放熱する。なお、上述したヒートポンプ装置５００内での熱媒体の移動の流れは、図６に示す矢印Ｙ方向（時計回り）で表すことができる。熱交換器３７０に放熱された熱は、熱交換器３７０を介して地中蓄熱装置４００の湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）に放熱（蓄熱）される。上記の動作を繰り返すことによって、ヒートポンプ装置５００は、家６００の冷房装置から排出された温熱を吸収し、地中蓄熱装置４００に放熱することができる。

上述したように、地中蓄熱装置４００は、土壌３００に形成される縦穴３１０と、前記縦穴３１０の周囲の土壌に高圧水を噴射することによって、土壌に隙間を形成して作られる湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）と、湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）に面し、湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）と熱の受け渡しを行えるように設けられている熱交換器３７０とを有している。これによって、地中蓄熱装置４００は、縦穴３１０に設けられた比熱の大きな湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）に熱を効率よく蓄熱できるとともに、湿潤層Ｅ（または含水層Ｂ）に蓄積された熱を熱交換器３７０を介して外部に移動させることができる。

また、含水層Ｂのせん断された隙間には、吸水性樹脂を含有するようにしている。これによって、吸水性樹脂が水分を吸収するとともに、含水層Ｂを半固体化することによって、土壌中の地下水流等によって水や熱が流れ出るのを防止し、同じ場所で長期間熱を保持することができる。

また、湿潤層Ｅや含水層Ｂは、縦穴３１０の長手方向に連続して形成されている。したがって、含水層Ｂの体積を大きくすることができ、多くの地熱を蓄熱することができる。

また、含水層Ｂは、地表から一定の深さのせん断しない領域（例えば、地表層３０２）を残し、その領域よりも下側（縦穴３１０の底部近傍）まで形成されている。したがって、せん断土され脆くなっている含水層Ｂの上部に、せん断されていない非せん断土壌を残すことによって、含水層Ｂの上の土壌の強度を向上することができる。

＜地中蓄熱方法＞

次に、本実施形態に係る地中蓄熱方法について説明する。図７は、本実施形態に係る地中蓄熱方法の流れを示すフローチャートである。

まず、ステップＳ２１０では、水分保持工程を行う。詳細に、地中蓄熱装置造成工法で説明した、縦穴３１０の側壁３１０Ａに形成したせん断土壌に水分が保持されるのを待つ。前述したように、せん断土壌には、せん断による無数の隙間があり、この隙間の間には、吸水性樹脂が入り込んでいるため、時間の経過とともに、隙間及び吸水性樹脂が水分を吸収保持し、水分を十分含んだ含水層Ｂが形成される。また、熱交換器３７０の周囲に形成された湿潤層Ｅは、土壌３００や含水層Ｂ等から水分を吸収して湿潤状態となる。

ステップＳ２２０では、蓄熱工程を行う。詳細に、ステップＳ２１０で形成された含水層Ｂに地熱を蓄熱する。例えば、深さ約２０〜１００ｍの地中は年間を通じて温度が安定しており、１３℃（夏季）〜１７℃（冬季）の温度になっている。冬季では、直前の夏季の温熱を蓄熱して温度が高くなり、夏季では、直前の冬季の冷熱を蓄熱して温度が低くなる。したがって、含水層Ｂが蓄熱する熱の温度は、夏季は約１３℃、冬季は約１７℃となる。

ステップＳ２３０では、熱媒体供給行程を行う。詳細に、上述したヒートポンプ装置５００がポンプ５５０を駆動して、地中蓄熱装置４００の熱交換器３７０に熱媒体を循環させる。

ステップＳ２４０では、熱交換工程を行う。詳細に、地中蓄熱装置４００は、熱交換器３７０の熱媒体の熱量と含水層Ｂの熱量が均衡する方向に熱移動を行う。例えば、夏季の場合、熱交換器３７０の熱媒体がヒートポンプ装置５００から吸収した熱の温度は約４５℃であり、前述したように含水層Ｂに蓄熱される熱の温度は約１３℃である。この時、熱交換器３７０の熱媒体は、湿潤層Ｅを介して、自身の熱を含水層Ｂに放熱して約３５℃となる。つまり、熱交換器３７０の熱媒体は、温度差として約１０℃低くなった状態でヒートポンプ装置５００側に供給される。また、冬季の場合、熱交換器３７０の熱媒体がヒートポンプ装置５００で放熱した後の温度は約‐５℃であり、前述したように含水層Ｂに蓄熱される熱の温度は約１７℃である。熱交換器３７０の熱媒体は、湿潤層Ｅを介して、含水層Ｂから熱を吸収して約５℃となる。つまり、夏季の場合と同様に、熱媒体は、温度差として約１０℃高くなった状態でヒートポンプ装置５００側に供給される。

最後に、ステップＳ２５０では、熱媒体排出行程を行う。詳細に、ステップＳ２４０で熱交換した後の熱媒体を熱交換器３７０から排出し、ヒートポンプ装置５００に供給する。

上述したように、地中蓄熱方法は、縦穴３１０に形成されたせん断土壌である含水層Ｂに水分を保持させる水分保持工程（ステップＳ２１０）と、水分保持工程によって多くの水分を保持した含水層Ｂに地熱を蓄積させる蓄熱工程（ステップＳ２２０）を備えている。このように、水分を十分保持し、比熱が高くなった含水層Ｂを形成することで、地中蓄熱装置４００の含水層Ｂに熱を効率よく蓄熱することができる。

また、地中蓄熱方法は、縦穴３１０に形成された含水層Ｂに面するように熱交換器３７０が設けられ、その熱交換器３７０に熱媒体を供給する熱媒体供給行程（ステップＳ２３０）と、熱交換器３７０の熱媒体の熱の温度と、含水層Ｂに蓄熱されている熱の温度とが均衡する方向に熱移動を行う熱交換工程（ステップＳ３４０）と、熱媒体と含水層Ｂの間で熱移動が行われた後の熱媒体を熱交換器３７０から移動させる熱媒体排出工程（ステップＳ２５０）を備えている。したがって、熱交換器３７０を介して温熱又は冷熱を有する熱媒体の熱を含水層Ｂに蓄積されている地熱と交換することができる。

次に、地中蓄熱装置４００の施工方法について説明する。図８（ａ）（ｂ）は、従来の地中蓄熱方法の１例を示す平面図であり、（ｃ）（ｄ）は、第１実施形態に係る地中蓄熱装置４００の施工方法の１例を示す、地中蓄熱装置４００を上側から見た平面図である。なお、同図では簡略化のため、地中蓄熱装置４００の縦穴３１０、含水層Ｂのみを示し、その他の装置等は省略する。

同図（ａ）、（ｂ）の矢印Ｗは、地下水流Ｗの流れる方向を示している。つまり、地下水流Ｗは、同図右上側から左下側に流れている状態を示している。またこの場合、縦穴３１０は、地下水流Ｗの影響を受け、同図右上側から左下側に水圧で押される力を受ける。したがって、縦穴３１０に地下水流Ｗが流れ込んだ場合、縦穴３１０の周囲の土壌に蓄熱された熱は、地下水流Ｗや縦穴３１０周囲の土壌と一緒に下流側に流れてしまう。このように、縦穴３１０の周囲の土壌に蓄熱した熱が他の位置に移動してしまうため、再度蓄熱しなくてはならず、蓄熱効率が非常に悪くなってしまう（図８（ａ）、（ｂ）参照）。

本実施形態の地中蓄熱装置４００は、図８（ｃ）、（ｄ）に示されるように、土壌３００に複数の縦穴３１０を有して構成されている。また、縦穴３１０の周囲の土壌は含水層Ｂが形成されている。含水層Ｂは、前述したように、吸水性樹脂により土壌中の水を保持してジェル化（半固体化）している。したがって、ジェル状に半固体化した含水層Ｂに地下水流Ｗが流れ込んでも、含水層Ｂが保持している水分や土壌は流れ出ることなく、その中に有する熱もほとんど移動することなく同じ場所に留ることができる。なお、本明細書では、縦穴３１０と、含水層Ｂと、熱交換器３７０（図４参照）によって形成される、１つの地中蓄熱装置４００を、地中蓄熱モジュールＭと言うことがある。

さらに、本実施形態では、図８（ｃ）、（ｄ）に示されるように、地下水流Ｗが流れ込む側（上流側）では、となり合う地中地熱モジュールＭ、Ｍのジェル状に半固体化した含水層Ｂ、Ｂは、地下水流Ｗが通り抜け難いように密接（密状態）して設けられており、地下水流Ｗが流れ出る側（下流側）では、となり合う地中地熱モジュールＭ、Ｍのジェル状に半固体化した含水層Ｂ、Ｂの間隔は、上流側における間隔よりも広く（疎状態に）なるように設けられている。本明細書では、上述のように、上流側において、含水層Ｂが密状態で設けられている位置的範囲を密領域Ｔと言い、下流側において、含水層Ｂが疎状態で設けられている位置的範囲を疎領域Ｓと言う。

上記のように、含水層Ｂが形成される地中地熱モジュールＭを複数有し、地下水流Ｗの上流側に配設するとなり合う地中地熱モジュールＭ、Ｍの含水層Ｂ、Ｂの間隔を密状態にすることにより、地下水流Ｗによって、含水層Ｂの地熱を含んだ水分や土壌が下流側に移動するのを防止し、含水層Ｂの蓄熱効率を向上させることができるとともに、同じ場所で長期間熱を保持することができる（図８（ｄ）参照）。したがって、地下水流Ｗは、上流側に密状態で設けられている地中地熱モジュールＭの含水層Ｂによって阻まれるため、下流側に設けられる含水層Ｂの隣同士の間隔は、上流側に設けられている含水層Ｂの間隔よりも広くすることができる。

なお、地下水流Ｗの上流側における、地中地熱モジュールＭの含水層Ｂの間隔は、地下水流Ｗが通り抜け、下流側に設けられている地中地熱モジュールＭの含水層Ｂの熱や水分を押し流してしまうのを防止することができる間隔であれば良い。例えば、密領域Ｔに設けられているとなり合う含水層Ｂ、Ｂが略隙間なく密着し、又は少なくとも一部が重なり合うように設けられていることが好ましい。

なお、地中蓄熱装置４００を撤去する場合には、縦穴３１０を埋め戻す必要がある。この場合、図９（ａ）（ｂ）に示されるように、熱交換器３７０を引き抜き、縦穴３１０に酸化剤又はアルカリ剤の高圧噴霧器３８０を挿入し、含水層Ｂに酸化剤Ｃ（又はアルカリ剤）を噴霧することによって吸水性樹脂により半固体化した含水層Ｂを分解することができる。さらに、その後、モルタル等を注入し、含水層Ｂであった部分を固めることで、土壌の強度を復元、あるいは強度向上を行うことができる。

尚、本発明の地中蓄熱装置造成工法等は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

地熱を利用した地中における蓄熱装置の造成工法、蓄熱装置、蓄熱方法等の分野で利用することができる。

３００ 土壌
３０２ 地表層
３１０ 縦穴
３１０Ａ 側壁
３７０ 熱変換器
４００ 地中蓄熱装置
Ｂ 含水層
Ｅ 湿潤層
Ｗ 地下水流
Ｍ 地中蓄熱モジュール

Claims (7)

1. 地盤に縦穴を開ける縦穴掘削工程と、
   前記縦穴に高圧ジェットノズルを挿入し、該高圧ジェットノズルから高圧の液体を前記縦穴の周囲の土壌に向けて噴射することで、前記土壌をせん断する土壌せん断工程と、
   せん断された前記土壌に水分を保持させることで、蓄熱用の含水層を形成する蓄熱部形成工程を有することを特徴とする地中蓄熱装置造成工法。
2. 前記土壌せん断工程は、前記液体と共に又は前記液体に換えて、吸水性樹脂を前記縦穴の周囲の土壌に向けて噴射することで、前記縦穴の周囲に形成された前記含水層に前記吸水性樹脂を含有させることを特徴とする、
   請求項１に記載の地中蓄熱装置造成工法。
3. 前記土壌せん断工程は、前記高圧ジェットノズルを前記縦穴の長手方向に移動させながら、連続噴射される前記液体によって、前記縦穴の周囲の土壌を長手方向に順次せん断することを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の地中蓄熱装置造成工法。
4. 前記縦穴に熱交換器を挿入する熱交換器設置工程をさらに備え、
   前記含水層に蓄積された熱が、前記熱交換器を介して外部に移送可能とされることを特徴とする、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の地中蓄熱装置造成工法。
5. 前記土壌せん断工程は、地表から一定の深さのせん断しない領域を残し、前記領域よりも下側で行われることを特徴とする、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の地中蓄熱装置造成工法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の地中蓄熱装置造成工法によって造成される前記含水層に面するように設けられた熱交換器に熱媒体を供給する熱媒体供給工程と、
   前記熱交換器に送られた前記熱媒体が有する熱量と、前記熱交換器に面する前記含水層が有する熱量が均等となる方向に、前記熱媒体と前記含水層の間で熱量の移動を伴う熱交換工程と、
   前記熱量の移動が行われた前記熱媒体を前記熱交換器から移動させる、熱媒体排出工程を備えることを特徴とする、地中蓄熱方法。
7. 前記含水層に水分を保持させる水分保持工程と、
   前記水分を保持した前記含水層に地熱を蓄える蓄熱工程を更に備えることを特徴とする、
   請求項６に記載の地中蓄熱方法。

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