JP4609946B2 - 季節エネルギー利用の地中蓄熱システム兼予備水源 - Google Patents

Description

本発明は、夏や冬の季節エネルギーであるヒートポンプ式冷暖房器より発生する熱交換時の温冷廃熱の地中蓄熱の方法及びその装置に関する。

近年地球温暖化とともに、都市部におけるヒートアイランド現象が深刻な環境問題となっており、その要因の１つとして、夏の冷房に依る熱交換廃熱の拡散があり、国や自治体はその解決策に地中熱交換システム導入の試みがなされている。それは地中に熱交換杭を埋設して、その中空部の冷媒管の循環により、地上部の温廃熱を地中の冷熱と熱交換するシステムである。

特開平３−２９４７３０号広報 特開平８−１８４０６３号広報 特開平１１−３３６００８号広報

その主な具体例は、ビル建設に必然的に打込まれるコンクリートパイルや鋼管杭の中に冷媒コイルを内蔵して、地中冷熱と熱交換して地上の冷房負荷の節減を計るものである。しかし、地中は土壌という熱伝導の悪い媒体なだけに、限られたパイプ杭の外周伝熱面積のみでは熱交換効率も悪く、有効深度の確保による設置費の高騰をまねき、普及のネックになっている現状である。しかし、この地中は未だ未開拓の分野で、深さと広さに規制による拘束が少なく、熱容量の大きい水を含んだ土壌は蓄熱槽として有効な素材であり、その規模が大きいほど季節エネルギーの効率的な貯留が可能である。
従ってこのような課題を解決するものとして、特願２００２−６２１３０記載の熱交換杭は埋設管の周囲に矢羽状の熱交換板を取り付けたり、杭に付けた熱交換板が土中で三方に開く機能を設けて、ある範囲の熱交換の効率化を計ったが、熱の伝達が緩慢である為、規模の大きい蓄熱には無理があった。従って、この広範囲の地中をいかに効率よく熱交換出来るかが重大な課題であった。

課を題解決するための手段

本発明は以上の課題を解決する為に成されたものであって、その要旨は地中内に浸透する水を熱媒として熱交換を促すもので、地表下１ｍ内を断熱層として、それより深い土中に地上の廃熱と熱交換した熱交換水、すなわち温水又は冷水を地中散水杭にて、その蓄熱範囲に分散して打込み、地中内に圧力注入する。こうして水は土壌内を強制浸透とともに、その蓄熱範囲全域を飽和状態に至らしめ、又一方、下方の井戸杭より吸引集水して、土中に熱交換水の循環路を形成させ蓄熱するものである。又前述のように、水を浸透飽和させることにより、地下水槽として、災害時の水不足を補う、補助水源としての機能も備えることが出来る。

発明の効果

以上のようにこのシステムは、熱媒である熱交換水を強制浸透圧によって、地中深く浸み込ませながら蓄熱する為従来の鋼管杭等の熱交換器が不要となり、又空調の熱交換ヒートポンプにおける交換熱源が既に蓄熱されており、所望の熱源に近い温度の為、ヒートポンプの揚程が少なくて良く、すなわち熱媒圧縮機の電力が少なくて済む利点があり、効率的で安価に大規模な施設化も可能で、熱を長期に亘り蓄えることが出来る。すなわち夏の温廃熱を冬に、又冬の冷廃熱を夏に利用出来、理想の天然エネルギーの活用が可能である。従って、いままで手付かずの季節エネルギーの有効利用によって、有限である化石燃料の浪費を止め、ひいては当面する地球温暖化への歯止めを担うものとしての効果がある。

その具体的な実施の形態を説明すると、図１において、まず蓄熱範囲の地表下１ｍ間を断熱層として、それより少し深い部分に、地中散水杭Ｂを散水効率に見合った間隔で碁盤状に打込み、又中央下方部には不透水層に達する深さに熱交換井戸杭Ａを設ける。又地上部には井戸ポンプ１０を設け、該熱交換井戸杭Ａと該井戸ポンプ１０と該地中散水杭Ｂとは、井戸水又は貯留雨水を介した熱交換水導管１２にて接続した機構を有する。

又上記熱交換井戸杭Ａの構造は、図４において井戸ケーシング１の中空部に、空調の廃熱又は補助熱源としてのソーラー集熱器等の熱交換コイル４を内蔵し、又周囲には一回り太い集水用の孔明パイプ又はメッシュ管２ａにて囲い、底部で連通された構造を有する。

又地中散水杭Ｂの構造は、図５において上端を熱交換水導管１２に接続された、耐蝕性鋼管よりなる注水竪杭５の下部先端に丁番６を介して、四方に開く散水ドイ７がある。又図６のように丁番６部の竪杭５と散水ドイ７には、散水ドイが開いた時に注水竪杭５から散水ドイ７に水が流れる連通口を設ける。又散水ドイ７は、図７のように金属板を折り曲げた合せ部より散水する構造で、この先にはスコップに似た案内板８が斜め外向きに開いた状態で固定され、注水竪杭５を地中に打込むと、該案内板８の作用で散水ドイ７は土中で潜りながら、垂直から水平に円を描くように開く機構を有し、長さ１ｍの散水杭は四方に開くと直径３．５ｍ範囲の土中の散水が可能である。

こうして井戸ポンプ１０により該地中散水杭Ｂにて加圧注入された熱交換水は、土中に拡散浸透しながら飽和状態に至らしめ、又一方自然流下とともに下方部の熱交換井戸杭Ａによる吸引との相乗効果により、熱交換水の循環が可能となる。
以上のように熱交換水の循環サイクルをくりかえすことにより、その土地の土質や土粒子の粗さによるが、熱交換水は土粒子の間隙をぬって、最初はいたって緩慢であるが、稼働の時間経過とともに毛管状のみずみちが形成されて、効率的な熱交換が可能となる。

このように夏期における温廃熱を蓄熱して、冬期に暖房として熱交換され、又その熱交換された冷熱がそのまま夏期に蓄熱されることになる。

また工場等で冬期に冷水、夏期に温水等の需要のある施設では、図３のとおり、その敷地を２分して一方を温熱蓄熱槽２１に、又他の一方を冷熱蓄熱槽２２として、その中間に断熱財１９にて遮蔽して独立分離し、空調廃熱だけでなく、ソーラー集熱器２５や外気温に依るヒートポンプ集熱を補助熱源とする蓄熱が有効である。

尚、システムの効率的な施工条件として、当地盤下における所定の蓄熱深度において、帯水層部で水の移動のない平地部で、中間層に粘土質等の不透水層が無く、砂質シルトやローム等の軟質土が望ましいが、比較的に浅い部分にサンドイッチ型不透水層が存在する場合はボーリングによる貫通穴を碁盤状に設ける必要もある。

又大型ビルの軟弱地盤に必然的に打込まれるコンクリート杭を図８のように、小孔付コンクリート杭２ｂとして、その中空部に一回り細い井戸ケーシング１を挿入し、又その井戸用パイプの中空部に空調廃熱等の熱交換コイル４を組込んだ、基礎杭兼熱交換井戸杭も可能である。

又図２のとおり、建物の周囲を地中１ｍ以上の地中壁１８を設け、又基礎ベースコンクリートの底部に断熱材１９を設けるとともに、その下の土壌間には通常砕石２３が布設されるが、この砕石２３と砕石２３の隙間部を建物のスパン毎に熱交換水を圧力注入して、土壌面より均等に強制浸透を促す。

こうして前述井戸杭にて循環させる基礎杭を単位とするゾーンを建築基礎杭の数によって複数設けた大型蓄熱も可能である。

又土質に依っては、機器や土中の目詰まり防止に、「逆流洗浄」の必要があり、この場合は井戸ポンプの前後に四方弁１１を組み、バイパス管にて流れを逆にする装置を組付ける必要もある。（図１）

尚井戸杭の打込深さは、基本的には地下の不透水層や難透水層に達する深さが望ましいが、これ等の地層がかなり深い場合は、少なくとも乾期（冬期）での地下水位よりも深く設置する必要がある。

は建築物を含めた敷地全体を蓄熱槽としたシステム断面図 は建築物の基礎ベースの地下を蓄熱槽としたシステム断面図 は建築物も含めた敷地を２分して温熱蓄熱槽及び冷熱蓄熱槽に分割したシステム断面図 は熱交換井戸杭の断面図 は地中散水杭の断面図 の丸内は地中散水杭の丁番部の詳細図 は地中散水ドイ及び案内板の斜視図 はコンクリート基礎杭兼熱交換井戸杭の断面図

符号の説明

Ａ − 熱交換井戸杭
Ｂ − 地中散水杭
１ − 井戸ケーシング
２ａ− 孔明パイプ又はメッシュ管
２ｂ− 小孔付コンクリート杭
３ − 空調冷媒管
４ − 廃熱交換コイル
５ − 注水竪杭
６ − 丁番
７ − 散水ドイ
８ − 案内板
９ − ストッパー
１０− 井戸ポンプ
１１− 逆流洗浄用切替四方弁
１２− 熱交換水導管
１３− エアコン
１４− コンプレッサー（圧縮機）
１５− 水の流れ
１６− 地中断熱層
１７− 建築物基礎ベース
１８− 建築物地中壁
１９− 断熱材
２０− 冷暖房切替弁
２１− 温熱蓄熱槽
２２− 冷熱蓄熱槽
２３− 砕石
２４− 不透水層
２５− ソーラー集熱器

Claims (4)

1. 地中を蓄熱槽として熱を貯留する為のシステムに関し、地表下１ｍ間を断熱層として、それより深い地中に地中散水杭を複数碁盤状に打ち込み、その中央下方部には不透水層に達する深さに井戸杭を設ける。又該井戸杭と熱交換器と井戸ポンプ及び地中散水杭は、地下水または貯留雨水等の水配管で接続されており、該熱交換器は空調の廃熱やソーラー集熱器等の補助熱源に接続されて、井戸ポンプに依り該地中散水杭を介して、土中に加圧注水され蓄熱範囲全体を飽和水で満たす。こうして蓄熱槽としての土壌内に熱媒である水を熱交換水として、自然流下と共に強制浸透を促し、一方の井戸杭に依る吸引との相乗効果により循環路を形成させ熱交換を行なう。このように、夏及び冬の季節エネルギーの地中熱交換により、温冷熱の貯留が出来、又地中に浸透した飽和水を災害時には予備水源とする機能も備える、季節エネルギー利用の地中蓄熱システム兼予備水源。
2. 地中を蓄熱槽として熱を貯留する為のシステムに関し、請求項第１項の地中散水杭のかわりに、建築物の基礎ベースと周囲の地中壁にてなる鍋蓋状の基礎ベースの底部に断熱材を設け、又その下の土壌間に砕石等による隙間を作り、その隙間に熱交換水を圧力注入して、土壌面より、均等に強制浸透させることを特徴とする、請求項第１項記載の地中蓄熱システム兼予備水源。
3. 地中を蓄熱槽として熱を貯留する為のシステムに関し、その敷地を２分して、一方を温熱蓄熱槽に、又他の一方を冷熱蓄熱槽として、その中間に断熱板にて遮蔽して、独立分離した事を特徴とする、請求項１及び２項の地中蓄熱システム兼予備水源。
4. 地中に打込む地中散水杭に関し、上端部を熱交換導水管に接続されたパイプよりなる、中空の注水竪杭の下部に丁番を介して、複数の放射状に開く散水ドイを設ける。又該散水ドイの先端にはスコップ状の斜め外向きに開いた案内板 があり、土中に打込むと該案内板の作用で、散水ドイが潜りながら丁番を支点に垂直から、水平に円を描くように開くことを特徴とする地中散水杭。

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