JP4632760B2 - 地熱利用設備 - Google Patents

Description

本発明は、地中に埋設した埋設管を利用して、地中と地上との間で熱交換を行う地熱利用設備に関するものである。

地中の温度は、一年間を通じて温度変化が少なく、比較的安定している。特に、地中の温度は、ある深さ以上であれば外気温の影響を受けにくく恒温の地熱が得られる。そのため、例えば日本の気候においては、地中の温度は、夏季は外気温に対して低く、冬季は外気温に対して高い。そこで、特開２００４−１７７０１２号公報（以下、特許文献１と記す）、特開２００４−１７７０１３号公報（以下、特許文献２と記す）に開示されているように、建物の基礎下に埋設されている多数の基礎杭あるいは建物外の土地に埋設した多数の杭を利用して、地中と地上との間で熱交換を行うことにより、空調等の熱源として利用する装置が提案されている。

上記特許文献１及び２には、建物外の土地に埋設した多数の杭（あるいは建物の基礎下に埋設されている多数の基礎杭）を用いて、この杭の中空部内に熱媒体を循環させる熱交換用配管を設け、循環ポンプにより配管中の熱媒体を循環させ、空調等の熱源として利用する技術が開示されている。

特開２００４−１７７０１２号公報 特開２００４−１７７０１３号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２に開示されているように、建物外の土地に埋設した杭を用いる場合であっても、地表面から所定の深さ（地表面から３ｍ程度の深さ）までは外気温の影響を受けやすいため、前記所定深さ以上の地中の温度ほどは安定していない。このため、前記外気温の影響を受けやすい地表面から所定深さまでの部分におけるエネルギーロスを考慮しなければならないが、外気温は季節や天候などによって変化するため、熱取得計算に考慮することが非常に困難である。また、杭から建物の間に配される熱媒体循環配管（横引き管）によるエネルギーロスも考慮しなければならない。また、屋外あるいはこれに近い状態にあれば耐候性、耐久性からみて配管保護対策をしなければならない。

一方、建物の基礎下に埋設されている基礎杭を用いる場合は、杭上部が基礎に覆われているため、前記建物外の土地に埋設した杭を用いる場合に比べて、前記所定深さまでの地中温度は安定している。しかしながら、前記基礎杭は建物の基礎下に埋設されているため、基本的にはメンテナンスが困難である。また、建物の基礎施工前に前記基礎杭の埋設および前記基礎杭への配管などをすませなければならならず、その施工も大変である。更に、たとえ基礎下に埋設された基礎杭であっても、建物外周の基礎下に埋設された基礎杭を用いる場合、前述した建物外の土地に埋設した杭と略同様に、前記所定深さまでは外気温の影響を受けやすく、前述の如したように熱取得計算に考慮することが非常に困難である。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、外気温の影響を受けにくく、メンテナンス作業が容易に行え、また施工が容易で低コストな地熱利用設備を提供することである。

上記目的を達成するための本発明の代表的な構成は、地中に埋設する複数の埋設管と、前記埋設管に配し熱媒体を循環させつつ熱交換を行うための熱交換用配管と、前記熱交換用配管と接続し熱媒体を循環させるための横引き管と、を有する地熱利用設備であって、前記埋設管を、建物の基礎をよけた建物下の土地に埋設するとともに、前記埋設管のうち建物外周下の外周基礎近傍に位置する埋設管を、前記外周基礎から所定寸法内側に埋設し、前記埋設管に配した熱交換用配管と接続する横引き管を建物下に配し、前記熱交換用配管は、ポリエチレン管の外層を金属で被覆し更にその外層をポリエチレンで被覆した金属強化ポリエチレン管をＵ字状に形成してなり、前記横引き管は、樹脂製であると共に断熱材が巻き付けられていることを特徴とする。

また、上記代表的な構成に加えて、前記熱交換用配管に接続される前記横引き管を、前記建物下の床下空間の地表上又はその直下となる地中に配したことを特徴とする。

また、上記代表的な構成に加えて、前記埋設管は鋼管杭であり、その杭頭部が地上または地表面近傍になるように埋設されていることを特徴とする。

また、上記代表的な構成に加えて、前記複数の埋設管にわたって熱媒体が循環されるように前記熱交換用配管が配された埋設管を前記横引き管によって直列に接続し、または前記各埋設管毎に熱媒体が循環されるように前記熱交換用配管が配された埋設管を前記横引き管によって並列に接続していることを特徴とする。

本発明によれば、建物下の土地は前記建物によって覆われているため、建物外の土地に比べて季節や天候などにより変化する外気温の影響を受けにくい。この外気温の影響を受けにくい建物下に、前記地熱利用設備が有する埋設管、熱交換用配管、横引き管を配しているため、前記外気温の影響を受けやすい建物外の土地における地表面から所定の深さ以上でなくても地中温度が安定しており、熱取得計算をする際に、外気温の影響をほとんど考慮しなくてもよい。更に、前記埋設管は、建物下であっても外気温の影響を受ける可能性が考えられる外周基礎近傍を除く位置に埋設しているため、前述したように熱取得計算をする際に、外気温の影響をほとんど考慮しなくてもよい。また、前記建物下に埋設する埋設管は建物の基礎をよけた建物下の土地に埋設しているため、基礎下に埋設する場合に比べて施工も容易である。更に、点検・保守作業などメンテナンスを行う必要が生じた場合であっても、その作業を比較的容易に行うことが可能である。例えば、前記埋設管などへのアクセスが可能なように１階床下に点検口などを設けることにより、メンテナンス作業が容易に行えるようになる。

また、建物下であれば地中でなくても、すなわち床下空間であれば外気温の影響を受けにくく、更には雨や日差しなどの影響も受けにくいため、前記埋設管に配した熱交換用配管の一部を前記建物下の地上に配してこれを前記横引き管で接続し、前記横引き管を前記建物下の地上に配してもよく、外気温の影響や美観などを考慮して従来のように地中に埋設する必要がなく、また断熱性や、雨や日差しなどに対する耐候性、耐久性などの配管保護対策についても軽微なものにとどめることができ、施工が容易で且つ低コストである。

また、前記埋設管は前記熱交換用配管を配することが可能であればどのような管であっても良く、鋼管杭などの既製杭に限定されるものではないが、前記埋設管として鋼管杭を用いることにより、建物下の基礎をベタ基礎にする場合、前記埋設管としての鋼管杭を地盤強化や基礎補強に利用することができる。更に前記埋設管の杭頭部を地上または地表面近傍になるように埋設することにより、メンテナンスが可能であり、且つその作業の容易性を妨げることがない。

また、前記熱交換用配管が配された埋設管は熱媒体を循環させるべく前記横引き管によって接続されるが、前記複数の埋設管にわたって熱媒体が循環されるように前記熱交換用配管が配された埋設管を前記横引き管によって直列に接続し、または前記各埋設管毎に熱媒体が循環されるように前記熱交換用配管が配された埋設管を前記横引き管によって並列に接続し、あるいはこれら直列接続と並列接続を組み合わせてもよい。直列に接続した場合、各熱交換用配管間を結ぶ配管は、頭継ぎの横引き管にて接続可能となるため、配管構成が簡単となり、使用配管量が少なく低コストになる。一方、並列に接続した場合、各埋設管毎にそれぞれ熱媒体を循環させるため、均等な熱取得が可能となる。したがって、これらの特徴を利用して、前記直列接続、並列接続を適宜用いればよい。

以下、図面を参照して、本発明に係る地熱利用設備の好適な実施の形態を例示して詳しく説明する。

本実施形態に係る地熱利用設備は、図１及び図２に示すように、地中に埋設した複数の埋設管１と、前記埋設管１に配し熱媒体を循環させつつ熱交換を行うための熱交換用配管２と、前記熱交換用配管２と接続し熱媒体を循環させるための横引き管３と、を有している。なお、本実施形態では、前記熱交換用配管２として、Ｕ次形状の熱交換用配管を用いているが、これに限定されるものではない。

更に本実施形態に係る地熱利用設備は、図１に示すように、前記熱交換用配管２及び前記横引き配管３内を熱媒体を循環させるためのポンプ（不図示）を備えたヒートポンプ４を有している。なお、本実施形態では、地中から得た熱を熱源として利用する熱交換機器としてヒートポンプを例示しているが、これに限定されるものではなく、例えばチラーユニットなどの他の熱交換機器であってもよい。本実施形態では、前記横引き管３の端部を、建物外において前記ヒートポンプ４の一次側に接続している。そして、前記ヒートポンプ４の二次側には、建物内の空調機器（エアコン、ファンコイル、冷暖房用パネルなど）に対して熱媒体を循環させるための配管が接続されている。なお、前記建物内に配管を設置する場所としては、前記空調機器に接続される配管に限定されるものではなく、例えば建物内の壁、床、天井、屋根等に組み込んでも構わない。

なお、本実施形態に係る地熱利用設備は、循環用ポンプを備えたヒートポンプを有するものを例示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、循環用ポンプとヒートポンプとを別個に設けたものであっても良い。またヒートポンプを有する構成に限定されるものでもなく、例えば前記空調機器のうち、除湿機器、冷房機器、又は除湿機能を備えた冷房機器（ファンコイル、冷房パネルなど）に前記地熱利用設備を用いる場合、地中で熱交換の行われた熱媒体を循環用ポンプを用いて前記除湿機器、冷房機器、又は除湿機能を備えた冷房機器に直接循環させるようにしても良い。更に前記地熱利用設備は、空調機器に対してヒートポンプを介して間接的に熱媒体を循環させるもの、又は循環ポンプを用いて直接熱媒体を循環させるものに限定されるものではなく、前記ヒートポンプを介したものと前記循環用ポンプを用いたものとを組み合わせたものであってもよい。

本実施形態に係る地熱利用設備では、図１に示すように、前記埋設管１を、建物１１の基礎１２をよけた建物１１下の地中に埋設している。埋設管１の埋設方向は垂直方向に限定する必要はない。なお、前記建物１１下に埋設された埋設管１は、図１に示すように、建物１１外周下の外周基礎１２ａ近傍に位置する埋設管１ａと、前記埋設管１ａよりも建物１１下の土地内方に埋設された埋設管１ｂとに分類される。前記埋設管１ａ，１ｂのうち、前記建物１１外周下の外周基礎１２ａ近傍に位置する埋設管１ａを、前記外周基礎１２ａの内面から所定寸法Ｌ（本実施形態では４００ｍｍ以上）内側に埋設している。

図２に示すように、前記建物１１下に埋設した各埋設管１には、前記Ｕ字形状の熱交換用配管２が２本ずつ配されている。この各埋設管１に配した熱交換用配管２の端部は、前記建物１１下の地上（床下空間８）に配されている。そして、この熱交換用配管２の端部を、建物１１下に配した前記横引き管３で接続している。前記熱交換用配管２の端部を接続した横引き管３は、建物１１下の地上（床下空間８）に配されている。なお図１及び図２において、６は前記熱交換用配管２と前記横引き管３とを接続した接続部である。

上述したように、本実施形態に係る地熱利用設備は、該地熱利用設備が有する埋設管１、熱交換用配管２、横引き管３を、外気温の影響を受けにくい建物１１下に配しているため、地表面から所定深さ以上でなくても常に地中温度が安定しており、熱取得計算をする際に、外気温の影響をほとんど考慮しなくてもよい。発明者が夏期日中に床下空間と外気の温度変化を実測したところ、外気温が２５℃〜３６℃と変化しても床下空間では２３℃〜２５℃の変化しかなかった。

更に、前記埋設管１ａ，１ｂのうち、外周基礎１２ａ近傍に位置する埋設管１ａは、建物１１下であっても外気温の影響を受ける可能性が考えられる外周基礎１２ａ近傍を除く位置、すなわち外周基礎１２ａから所定寸法Ｌ以上内側に埋設しているため、前述したように熱取得計算をする際に、外気温の影響をほとんど考慮しなくてもよい。

また、前記建物１１下に埋設する埋設管１は基礎１２下を除く建物１１下の土地に埋設しているため、基礎下に埋設する場合に比べて施工も容易である。更に、点検・保守作業などメンテナンスを行う必要が生じた場合であっても、その作業を比較的容易に行うことが可能である。例えば、図１に示すように、前記埋設管１などへのアクセスが可能なように１階床下に点検口１３などを設けることにより、熱交換用配管２や横引き管３、これらの接続部６の劣化や目詰まり等の問題が生じた場合などに、メンテナンス作業が容易に行えるようになる。また、必要に応じて基礎立上り部にも点検口（図示なし）を設ける。

また、建物１１下の床下空間８であれば地中でなくても外気温の影響を受けにくく、更には雨や日差しなどの影響も受けにくいため、前述したように、前記埋設管１に配した熱交換用配管２の端部を前記建物１１下の地上に配してこれを前記横引き管３で接続し、前記横引き管３を前記建物１１下の地上に配してもよい。前記建物１１下であれば、前記横引き管３や前記横引き管３で接続する熱交換用配管２の端部を、従来のように外気温の影響や美観などを考慮して地中に埋設する必要がなく、また断熱性や、雨や日差しなどに対する耐候性、耐久性などの配管保護対策についても軽微なものにとどめることができ、施工が容易で且つ低コストである。

本実施形態では、前記埋設管１として鋼管杭を用いている。そして、前記埋設管１としての鋼管杭の杭頭部が地表面近傍になるように埋設している。なお、本実施形態では、埋設管１の管上部が地表面近傍になるように埋設した場合を例示しているが、これに限定されるものではなく、前記埋設管１の管上部が地上になるように埋設してもよい。

前記埋設管１は前記熱交換用配管２を配することが可能であればどのような管であっても良く、鋼管杭などの既製杭に限定されるものではないが、前記埋設管１として鋼管杭を用いることにより、例えば建物１１下の基礎をベタ基礎にする場合、前記埋設管１としての鋼管杭を地盤強化や基礎補強に利用することができる。更に前記埋設管１の管上部を地表面近傍（または地上）になるように埋設することにより、前記埋設管１を埋設した建物１１下には図２に示すように前記基礎１２の立上り部によって床下空間８が形成されているため、該床下空間８に露出した前記埋設管１の管上部、更には管上部近傍において接続されている熱交換用配管２、横引き管３などのメンテナンスが可能であり、且つメンテナンス作業の容易性が妨げられることがない。また、たとえ前記建物１１下の基礎１２をベタ基礎にした場合であっても、前記埋設管１を埋設した建物１１下には前記床下空間８が形成されており、前記埋設管１は管上部が地上になるように埋設することにより、前記埋設管１の管上部開口、更には管上部近傍において接続される熱交換用配管２、横引き管３が前記建物１１下及びベタ基礎の立上り部に囲まれた前記床下空間８においてベタ基礎のスラブ部から露出する。したがって、前記建物１１下の基礎１２をベタ基礎にした場合であっても、前記基礎によって前記埋設管１の管上部が閉塞されてしまったり、熱交換用配管２や横引き管３が基礎によって覆われてしまうことがないため、前記建物１１下の床下空間８においてメンテナンスが可能であり、且つメンテナンス作業の容易性が妨げられることがない。

なお、前記埋設管１として用いる鋼管杭として、特に好ましい鋼管杭は、杭本体の外径の１．５〜３倍の外径を有する翼幅の大きなねじ込み用の螺旋翼を、杭の外周面に１箇所以上突設した鋼管杭である。本体杭の外径については、敷地の状態、使用様態に応じ任意に決めればよいが、好ましい範囲としては１００ｍｍ〜３００ｍｍである（本実施形態では１６５ｍｍを使用）。螺旋翼の径は前述したように杭本体の外径の１．５倍以上３倍以下である。杭長に関しては、通常、５ｍ以上２０ｍ以下である。螺旋翼の厚みは６〜２０ｍｍが好ましい。螺旋翼は杭の外周面の同じ高さに１箇所突設する場合には、ほぼ１巻きに渡り取り付けることが好ましい。また、同じ高さに複数突設する場合には、４分の１巻き以上半巻き以下が好ましい。また、螺旋翼を複数枚取り付ける場合には、螺旋方向を同じにする必要があり、同じ高さに取り付ける場合には、ほぼ等間隔に固定されていることが好ましい。螺旋翼を取り付ける位置は、杭本体の下端部および下端部近傍の外周面に少なくとも１箇所突設されているのが好ましい。また、複数の螺旋翼を違う高さに取り付ける場合には、螺旋翼の高さ方向の相対的な位置は、螺旋翼の上端、下端からそれぞれ５ｃｍ以上離すことが好ましい。

また、埋設管１と埋設管１とは所定の間隔Ｔ（本実施形態では１２２０ｍｍ以上）を隔てて埋設されている。これにより、隣接する埋設管１同士の熱交換による影響を防止することができ、各埋設管にて熱交換を行っても地中の温度が不安定になりにくく、安定した地中温度が得られる。

また前記熱交換用配管２が配された埋設管１は熱媒体を循環させるべく前記横引き管３によって接続されるが、本実施形態では、図１に示すように、前記複数の埋設管１にわたって熱媒体が循環されるように前記熱交換用配管２が配された埋設管１を前記横引き管３によって直列に接続している。直列に接続した場合、各熱交換用配管間を結ぶ配管は、頭継ぎの横引き管にて接続可能となるため、配管構成が簡単となり、使用配管量が少なく低コストになる。なお、本実施形態では直列接続を例示しているが、これに限定されるものではない。例えば、前記各埋設管１毎に熱媒体が循環されるように前記熱交換用配管２が配された埋設管１を前記横引き管３によって並列に接続してもよい。このように並列に接続した場合、各埋設管毎にそれぞれ熱媒体を循環させるため、均等な熱取得が可能となる。あるいは前述の直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。したがって、様々な条件に応じて、構成が簡単であり低コストとなる直列接続、均等な熱取得が可能となる並列接続のそれぞれ特徴を利用して、前記直列接続、並列接続を適宜用いればよい。

前記横引き管３の端部を建物外に引き出す際には、図２に示すように、前記基礎１２のうち、外周基礎１２ａに設けられている換気口１２ｃを用いている。また、前記基礎１２のうちの建物１１下の土地内方に位置する内側基礎１２ｂをまたぐようにして、複数の埋設管１を埋設した場合は、図２に示すように前記複数の埋設管１を隔てている内側基礎１２ｂに前記横引き管３を通すためのスリット１２ｄを設けている。

なお、前記熱交換用配管２及び前記横引き管３を通す熱媒体としては、水、オイル、不凍液、空気などが挙げられる。また、熱交換用配管２と埋設管１本体の空間を埋める充填材としては、水、オイル、不凍液、砂、砂利、軽量気泡コンクリートの粉砕物、金属片、鋼球、ステンレス製の球体、珪砂、セメント、またはその混合物などが挙げられるが、中でも水、オイル、不凍液が特に好ましい。

また本実施形態では、埋設管１の管上部開口を蓋部材７で覆うようにしている。これは、埋設管１内部の水などの充填材の蒸発防止および埋設管１内部への土砂、ほこりなどの浸入防止のためである。なお、前記蓋部材７には、前記熱交換用配管２の端部を建物１１下の地上に配するための配管用孔を設けている。そして、この蓋部材７の配管用孔から前記熱交換用配管２の端部を建物１１下の地上に露出させ、前述したように前記熱交換用配管２の端部を前記横引き管３で接続する。また前記蓋部材７に、前記熱交換用配管２と埋設管１本体の空間を埋める充填材を充填又は補充するための注入孔を設けてもよい。

また、前記埋設管１内に配する熱交換用配管２は、１本の埋設管１の内部に通す熱交換用配管２の本数は複数本であっても良い。また前記熱交換用配管２は、折り曲げ加工が容易であり、耐久性に優れた配管が好ましい。この加工が容易な配管を前記熱交換用配管として使用することにより、該配管を施工時に埋設管内へ入れる場合でも、埋設管内で熱交換用配管を繋ぐ必要はなく、折り返し部分で専用のＵ字管を用意する必要もない。前記熱交換用配管２の材質としては、前述したように加工が容易であり、耐久性に優れた配管であり、ポリエチレン管の外層を金属で被覆し更にその外層をポリエチレンで被覆した金属強化ポリエチレン管である。また前記熱交換用配管２は、凹凸のない配管に比べて単位長さ当たりの表面積（吸熱面積）が大きい配管を使用することが好ましい。前記単位長さ当たりの表面積が大きい配管としては、管壁形状が長さ方向に波型をした蛇腹状の配管、配管周面に突出した放熱部を有する配管などが挙げられる。前記熱交換用配管２を波型形状とすることによって、配管内部では該内部を通る熱媒体の流れは乱流となり、熱交換の効率はさらに高くなる。なお、本実施形態における熱交換用配管２の配管径は１３ｍｍφである。

また、前記横引き管３の材質は、樹脂系、特にポリエチレン製のパイプである。前記横引き管３は、断熱材を巻き付け、断熱材によって断熱性をより高めるようにしている。また本実施形態では、横引き管３及び該横引き管３に接続する熱交換用配管２の端部を建物１１下の地上に配する場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば建物１１下の基礎１２下を除く土地に埋設してもよい。なお、本実施形態における横引き管２の配管径は２０ｍｍφである。

本発明の活用例として、住宅以外にも、事務所ビル、公共建物等での省エネ空調に適用することができる。

本実施形態に係る地熱利用設備の模式上面図である。 本実施形態に係る地熱利用設備の模式断面図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ …埋設管
２ …熱交換用配管
３ …横引き管
４ …ヒートポンプ
６ …接続部
７ …蓋部材
８ …建物下の床下空間
１１ …建物
１２ …基礎
１２ａ …外周基礎
１２ｂ …内側基礎
１２ｃ …換気口
１２ｄ …スリット
１３ …点検口

Claims (4)

1. 地中に埋設する複数の埋設管と、前記埋設管に配し熱媒体を循環させつつ熱交換を行うための熱交換用配管と、前記熱交換用配管と接続し熱媒体を循環させるための横引き管と、を有する地熱利用設備であって、
   前記埋設管を、建物の基礎をよけた建物下の土地に埋設するとともに、前記埋設管のうち建物外周下の外周基礎近傍に位置する埋設管を、前記外周基礎から所定寸法内側に埋設し、前記埋設管に配した熱交換用配管と接続する横引き管を建物下に配し、
   前記熱交換用配管は、ポリエチレン管の外層を金属で被覆し更にその外層をポリエチレンで被覆した金属強化ポリエチレン管をＵ字状に形成してなり、
   前記横引き管は、樹脂製であると共に断熱材が巻き付けられていることを特徴とする地熱利用設備。
2. 前記熱交換用配管に接続される前記横引き管を、前記建物下の床下空間の地表上又はその直下となる地中に配したことを特徴とする請求項１に記載の地熱利用設備。
3. 前記埋設管は鋼管杭であり、その杭頭部が地上または地表面近傍になるように埋設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の地熱利用設備。
4. 前記複数の埋設管にわたって熱媒体が循環されるように前記熱交換用配管が配された埋設管を前記横引き管によって直列に接続し、または前記各埋設管毎に熱媒体が循環されるように前記熱交換用配管が配された埋設管を前記横引き管によって並列に接続していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の地熱利用設備。

Images