JP4702556B2

JP4702556B2 - 太陽熱の地中内熱備蓄方法と装置

Info

Publication number: JP4702556B2
Application number: JP2006228434A
Authority: JP
Inventors: 健二久下本
Original assignee: 健二久下本
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2026-07-28
Also published as: JP2008031813A

Description

本発明は、太陽の熱エネルギーを地中に備蓄して、その備蓄した熱エネルギーと地熱を併用利用して、道路上の融雪を目的とする太陽熱の地中内熱備蓄方法と装置に関するものである。

従来の道路の融雪あるいは積雪防止に関しては、１．道路下層にパイプを埋設し、このパイプに温水または温風を通して道路表面まで加熱する方法、２．道路上に散水装置を設けて、この散水装置に水または温水を通して道路表面に散水する方法、３．道路表層に蓄熱材を埋設して、日中の太陽熱をこの蓄熱材で吸収し、夜間に道路表面を暖める方法などがある。（特許文献１の従来の技術に述べられている）。しかし、いずれも敷設の経費が高額で、維持管理費もかかる。また、融雪の低効率といった問題点が指摘されている。

そこで、路盤に栗石を敷いて太陽熱を吸収し、一方、路盤の下方部において、パイプを垂直方向に埋設して地熱を誘導して維持費不要なもの（たとえば特許文献１）や、路盤の下にヒートパイプを垂直方向に埋設して、ヒートパイプの下方部の地熱を、ヒートパイプを通して路盤に誘引し、地熱の熱エネルギー量が少ないときにはヒーターで加熱するもの（たとえば特許文献２）や、地中に、地熱吸収するための孔を有したコンクリート管を埋設し、このコンクリート管内に熱媒体を充てんしたパイプをエンドレスに配置して熱媒体に地熱を吸収させ、モーター駆動して熱媒体を循環させることにより地熱を路盤まで誘引させるもの（たとえば特許文献３）や、地中に垂直方向に孔設して、この孔設穴に不凍液を充てんしたパイプを挿入して、不凍液に地熱を吸収させ、不凍液を循環させることにより、地熱を路盤まで誘引するもので、この地熱を有効的かつ効率的にするために、温水タンクとヒートポンプにより昇温するもの（たとえば特許文献４）がある。

特開平５−２３０８０６号公報特開平１１−３５０４１１号公報特開平７−１９０５０３号公報特開２００２−１７３９０５号公報

従来技術の特許文献３と４では設備の大掛化が懸念され、維持費用もかかる。一方、特許文献１と２では特許文献３と４に比べ、装置は簡単ではあるが地熱だけを利用し、しかも自然の熱移動に依存したものなので、冬期において融雪熱エネルギー不足が懸念される。たとえば、冬期に地表面の温度が０℃近くになると、地熱を利用するために掘削された最深穴部付近も、高温から低温へと熱移動が生じるので、地熱は急速に冷却されて、冬期の井戸と同じ状態の温度分布の状態となり、結果として地表部は冷たくなる。しかも、地中においては熱移動が遅いといった物理的現象によって、地熱の補給が遅く融雪熱エネルギーを得ることができない恐れがある。

よって、地熱を利用して、しかも自然に依存する地熱の熱移動には限界があるので、特許文献３と４と同様に、地熱の熱移動を強制するには、熱媒体などを強制的に循環する必要が生じる。また、特許文献２と４の様に加熱手段も兼ね備えなければならない。その他に、特許文献１では冬期に融雪エネルギー不足となる恐れがあり、路盤下に発熱体が必要となってくるので、設備費用の増大や維持管理費の肥大という課題が発生する。
従って、上記に述べた特許文献のいずれの技術も、従来の技術を抜本的に改善したものには成り得ていない。

本発明は、上記した従来の課題を解決するために、道路上に夏期に放射される太陽の熱エネルギーを有効に、特に道路面にあるアスファルトまたはコンクリートの受熱エネルギーとして存在する４０℃〜５０℃の熱エネルギーを、熱エネルギー損失を最小限に抑える手段で、地中に、しかも地熱の年間を通して変動の少ない安定域といわれる地下３メートル近くにおいて地熱として熱備蓄させ、加えて、地中がすでに保有する地熱と共に熱備蓄させて従来の温度より高温の地熱として地中に熱備蓄させることにより、従来より高温の地中温度分布を形成して、徐々に地表面の低温域へと自然放熱される。この結果地表面温度が氷点下を超えて低下する積雪期において、地中の高温地熱が地表に上昇してくるので、太陽の熱エネルギーよる雪解けの春期まで道路の融雪に利用させるものである。

アスファルトに滞留した熱エネルギーを受熱部（Ａ）で受熱し、熱移送部（Ｂ）により地下に段階的に移送して、熱備蓄部（Ｃ）に熱備蓄させ、備蓄した熱を熱備蓄部（Ｃ）と同じ位相であって該熱備蓄部（Ｃ）の外側及び底部に設けた放熱部（Ｄ）の外周より地中に徐々に放熱して、地中から地表への熱移動によりアスファルト上に降り注ぐ積雪を融雪する太陽熱の地中内熱備蓄方法と装置である。

本発明の太陽熱の地中内熱備蓄装置によれば、夏期におけるアスファルト面の熱を、外部動力をまったく必要とすることなく、経日と共に地下に熱備蓄させることが可能になり、また、融雪作用も、この熱備蓄させた熱を地中より徐々に自然放熱させるので、従来の地熱より、より高温の地熱によって道路面下は継続して昇温され続け、降雪が連続しても、融雪は進行し続けている。この方法によれば維持費はまったく不要で、人力、機械を必要とせず地球環境の保全と人体の被害を出さない融雪が実現できる。アスファルト下の熱備蓄された熱エネルギーを熱伝導作用のみで、冬季アスファルトの表面に降る雪を凍らせることなく融雪を維持し続けることが可能であり、地中温度が低下するまで融雪させ続けることができる。

以下、本発明の実施形態を図１〜３に基づいて説明する。
通常、一般的な道路の構造は、図１に示すように、地中の上に路盤、基層、アスファルトまたはコンクリートからなっている。
本発明の太陽熱エネルギーを利用した太陽熱の地中内熱備蓄装置は、受熱部（Ａ）、熱移送部（Ｂ）、熱備蓄部（Ｃ）及び放熱部（Ｄ）とより構成され、路盤から地中に向けて埋設されている。熱移送部（Ｂ）の長軸方向の長さは一部省略して示している。

受熱部（Ａ）は、路盤に埋設され、夏期においてアスファルト面に投射された太陽熱エネルギーを、基層を経由して受熱させるものであり、熱伝導性に優れた材料が最適である。
熱移送部（Ｂ）は、受熱部（Ａ）の下方に配置され、ネジなどの締結手段にて受熱部（Ａ）に結合されている。この熱移送部（Ｂ）は、受熱部（Ａ）で受熱した熱エネルギーを受熱・蓄熱して、その受熱・蓄熱した熱エネルギーを効率よく熱備蓄部（Ｃ）に移送するものであって、その構成は、上下の方向に受熱室（５）と、受熱室（５）の下方に複数にわたって熱移送室（７）を有して層を形成しており、受熱室（５）から各熱移送室（７）即ち、最上層の熱移送室（７）から最下層の熱移送室（７）への熱移送手段としての熱移送通路ａ（４）でそれぞれ連接されている。この熱移送通路ａ（４）は受熱室（５）の底面及び各層の熱移送室（７）の底面でつながる関係位置で連接されている。

受熱室（５）には被熱材ａ（６）が、また各層にある熱移送室（７）には被熱材ｂ（８）がそれぞれ封入されており、しかも各室内の蓄熱量が大きくなるように容積密度を増大するような形状で封入されている。その他に、受熱室（５）及び各熱移送室（７）の周辺と熱移送通路ａ（４）は断熱材（３）でそれぞれ遮へいしてあり、また、断熱材（３）の外側は保熱内筒（１）で保熱されて、保熱内筒（１）の外側は断熱外筒（２）で断熱されており、受熱室（５）と各熱移送室（７）及び熱移送通路ａ（４）の熱損失の防止が図られている。

熱移送部（Ｂ）の下方には、内部に熱備蓄部（Ｃ）と熱備蓄部（Ｃ）と同じ位相であって該熱備蓄部（Ｃ）の外側及び底部に放熱部（Ｄ）が構成されており、熱備蓄部（Ｃ）は、複数の熱備蓄室（１２）が設けてあり、上層の熱備蓄室（１２）には上記熱移送室（７）と連通する熱移送通路（１１）が設けてあり、また、その他に上層の熱備蓄室（１２）から下層の熱備蓄室（１２）へと熱エネルギーを伝えるための熱移送通路ｃ（１４）が複数（本図では左右に一対）設けてある。また、複数の熱備蓄室（１２）内には被熱材ｃ（１３）が封入されており、前記被熱材ａ（６）及び被熱材ｂ（８）と同様な機能を有している。熱移送通路ｂ（１１）、複数の熱備蓄室（１２）、熱移送通路ｃ（１４）の相互間には、前記熱移送部（Ｂ）に設けられた断熱材（３）が連続して充てんされている。

放熱部（Ｄ）は、熱備蓄部（Ｃ）と同じ位相であって該熱備蓄部（Ｃ）の外側及び底部に設けられており、前記熱移送部（Ｂ）の保熱内筒（１）にネジなどで結合された放熱外筒（９）と、この放熱外筒（９）の内側に嵌合された放熱内筒（１６）と、前記放熱外筒（９）の下方にネジなどで結合された放熱盤（１０）と、下層に位置する熱備蓄室（１２）と連通する放熱通路（１５）とによって構成され、放熱内筒（１６）と熱移送通路ｂ（１１）及び熱移送通路ｃ（１４）の間、放熱通路（１５）と熱移送通路ｃ（１４）の間はいずれも断熱材（３）で断熱されている。なお、放熱外筒（９）、放熱内筒（１６）、放熱盤（１０）はいずれも熱伝導性を有したものが最適である

受熱部Ａと熱移送部（Ｂ）と放熱部（Ｄ）のそれぞれの締結部は図示していないが、シール材などで水密性を確保して締結している。また、受熱部（Ａ）、保熱内筒（１）、断熱外筒（２）、放熱外筒（９）、放熱内筒（１６）、放熱盤（１０）は耐食性を有するものが最適である。

以上のように構成された地中内に熱備蓄させる装置を路盤の下方の地中に埋設し、しかも埋設深度は熱備蓄部（Ｃ）及び放熱部（Ｄ）の位置が地熱の安定する深度とされる地下３メートル近くに埋設する。
つぎに、本発明の作用を説明する。

太陽光に常時照射される道路面、特にアスファルト舗装された路面は、夏期においては、４０℃〜５０℃と外気温より高い熱エネルギーとなっている。この太陽光による熱エネルギーは、太陽光を直接受けるアスファルト舗装に滞留するほか、地上の空気を暖め、地下には蓄熱という形態でエネルギーが分散する。一方、夜間になると、アスファルトに滞留あるいは空気中に分散した残熱は、大気に放熱冷却されているが、アスファルトに蓄熱された熱の多くは大気に放熱されるが、地下には熱伝導という形態で蓄熱される。

本発明においては、夏期に、アスファルトに照射された太陽の熱エネルギーを受熱部（Ａ）で図１の矢印（イ）の方向に受熱し、この受熱した熱を熱移送部（Ｂ）の受熱室（５）に熱伝導させる。熱移送部（Ｂ）の受熱室（５）に伝導した熱は上層部では高温に、下層部では低温になって温度むらが生じると考えられるが、熱移送室（７）の被熱材ａ（６）に蓄熱され、熱移送通路ａ（４）を経由する形態を繰り返すことで下層の熱移送室（７）の被熱材ｂ（８）まで温度差を少なく、ほぼ同温度で移送できる。また、後述する被熱材ｃ（１３）へも同様に温度差の少ない状態で移送できる。

従って、熱移送部（Ｂ）の受熱室（５）や各層にある熱移送室（７）に伝導した熱は保熱内筒（１）、断熱外筒（２）、断熱材（３）によって地中に放熱されることなく、下層の熱移送室（７）に熱移送される。このとき、各層の熱移送室（７）にはそれぞれ熱移送通路ａ（４）を通り、矢印（ロ）、（ハ）のように熱移送される。熱備蓄部（Ｃ）では、最下層にある熱移送室（７）に移送された熱が、熱移送通路ｂ（１１）、熱移送通路ｃ（１４）によって矢印（ニ）、（ホ）のように移送されて、上層の熱備蓄室（１２）から下層の熱備蓄室（１２）へと移送備蓄される。下層の熱備蓄室（１２）へ移送備蓄された熱は、放熱通路（１５）を通って放熱内筒（１６）に伝導され、矢印（ヘ）、（ト）のように伝導され、放熱外筒（９）及び放熱盤（１０）より矢印（チ）方向の地中に放熱されて地中を暖めて、従来の地熱より高温の地熱分布を形成させて矢印（リ）の方向の地表面へと伝えて、融雪地熱として作用する。

以上で理解されるように、夏期に道路に照射された太陽熱エネルギーは、日中において、アスファルト部分では４０℃〜５０℃となっており、日没となれば、アスファルトに滞留し続けたり、一部は地下に蓄熱され、また、ほとんどは大気中に放熱撹拌される。地域によって積雪が始まる時期は異なるが、アスファルト面が高温を維持し続ける間は継続して地中も暖め続けられる。この結果、本発明装置よって地中では、従来よりも高温度の地熱となっているので、地中から、地表であるアスファルト上への融雪必要温度は確保できている。

熱備蓄部（Ｃ）の設置位置は地熱の恒温域といわれる変動の少ない地下３メートル付近に設けてあるので、既にある地熱の上に付加されて、容易に高温となることができる。また、太陽熱エネルギーの照射量が減少する冬期においては、地中が高温で地表面が低温となるので、これに伴って地中から地表へと熱移動が起きるので、夏期において地中に備蓄していた高温地熱は地上に向かって熱伝導して行き、冬期の道路の融雪に有効に作用する。
尚、本発明の地中内熱備蓄装置を、ある間隔で複数個設置することにより、面の広がりをもって融雪効果が期待でき、また、特表２００２−５３０４５８号に示した技術即ち、断熱パネルを道路の側面に沿って地中に埋設することで、道路下の地中から横方向の外部への放熱が阻止され、蓄熱維持が可能となり、道路融雪エネルギーとしてのみに地中内の熱エネルギーが使用されるので、より融雪効果が生まれる。

本発明の実施例を示す地中内熱備蓄装置の断面図。図１のＥ−Ｅ線断面図図１のＦ−Ｆ線断面図

符号の説明

Ａ受熱部
Ｂ熱移送部
Ｃ熱備蓄部
Ｄ放熱部
１保熱内筒
２断熱外筒
３断熱材
４熱移送通路ａ
５受熱室
６被熱材ａ
７熱移送室
８被熱材ｂ
９放熱外筒
１０放熱盤
１１熱移送通路ｂ
１２熱備蓄室
１３被熱材ｃ
１４熱移送通路ｃ
１５放熱通路
１６放熱内筒

Claims

地中内に受熱部（Ａ）を配置し、前記受熱部（Ａ）に連接して熱移送部（Ｂ）を配置し、前記熱移送部（Ｂ）に連接して熱備蓄部（Ｃ）及び熱備蓄部（Ｃ）と同じ位相であって該熱備蓄部（Ｃ）の外側及び底部に放熱部（Ｄ）を設けて、アスファルトに滞留した熱エネルギーを前記受熱部（Ａ）で受熱し、前記熱移送部（Ｂ）により地下に段階的に移送して、前記熱備蓄部（Ｃ）に熱備蓄させ、前記放熱部（Ｄ）の外周より地中に徐々に放熱して、地中から地表への熱移動によりアスファルト上に降り注ぐ積雪を融雪する太陽熱の地中内熱備蓄方法。
地中内に配置する受熱部（Ａ）と、前記受熱部（Ａ）に連接して配置する熱移送部（Ｂ）と、前記熱移送部（Ｂ）に連接する熱備蓄部（Ｃ）及び該熱備蓄部（Ｃ）と同じ位相であって該熱備蓄部（Ｃ）の外側及び底部に設けた放熱部（Ｄ）とより成り、アスファルトに滞留した熱エネルギーを前記受熱部（Ａ）で受熱し、前記熱移送部（Ｂ）により地下に段階的に熱移送して、前記熱備蓄部（Ｃ）まで熱移送して熱備蓄させ、前記放熱部（Ｄ）の外周より地中に徐々に放熱して、地中から地表への熱移動によりアスファルト上に降り注ぐ積雪を融雪することを特徴とする太陽熱の地中内熱備蓄装置。
熱移送部（Ｂ）の内部は、保熱内筒（１）と断熱外筒（２）及び前記保熱内筒（１）内に封入された断熱材（３）により遮熱された受熱室（５）と、階段形状に形成された複数の熱移送室（７）から成り、前記受熱室（５）と最上層の熱移送室（７）及び他の熱移送室（７）の相互間をそれぞれ熱移送通路（４）で連通し、最下層の熱移送室（７）は熱備蓄部（Ｃ）の熱備蓄室（１２）へ連接し、受熱室（５）と各熱移送室（７）及び各熱備蓄室（１２）の室内には高密度に形成された各被熱材（６，８，１３）を充てんしたことを特徴とする請求項２記載の太陽熱の地中内熱備蓄装置。
放熱部（Ｄ）は熱備蓄部（Ｃ）と同じ位相であって該熱備蓄部（Ｃ）の外側及び底部にあって、各熱備蓄室（１２）に移送された熱エネルギーを、放熱通路（１５）を経由して放熱内筒（１６）に近接した放熱外筒（９）及び放熱盤（１０）より地中に放熱させる構造とした請求項２，３記載の太陽熱の地中内熱備蓄装置。