JP4928644B1

JP4928644B1 - 対流型地中熱交換井

Info

Publication number: JP4928644B1
Application number: JP2011180026A
Authority: JP
Inventors: 秀樹中込
Original assignee: 秀樹中込
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-08-20
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-08-20
Also published as: JP2013040752A

Abstract

【課題】
ドレーンやウェルと地中熱交換用のダクトを組み合わせて使用することで、ドレーンやウェルのみならず、周辺地盤とも広く熱交換を行い、大きな熱交換容量を確保できるようにした対流型地中熱交換井を提供する。
【解決手段】
液状化対策の場合は主に地震時に働く土粒子間の間隙水圧を逃がすため、また、軟弱地盤対策の場合は主に排水を効率よく行うために用いられてきた砂利、砂等の粒状物質や、多孔管等の透水性のある筒状構造体、その他さまざまな材料からなるドレーンやウェルと地中熱交換用のダクトを組み合わせて使用し、ダクト内に熱交換用の冷媒を循環させることにより、液状化対策においては水圧を逃がした経路を通じて、また、軟弱地盤対策の場合は排水をおこなった経路を通じて対流もしくは擬似的な対流を発生させることにより、広く周辺地盤との熱交換を行い、大きな熱交換容量を確保できるようにしたことを特徴とする対流型地中熱交換井。
【選択図】図１

Description

この発明は、液状化対策や軟弱地盤対策等の、他の目的のために設置する砂利、砂類からなる粒状物を含む通水材料で構成された透水性のある柱状構造物の内部地中熱交換用のダクトを配設し、ドレーンやウェルのみならず、周辺地盤とも広く熱交換を行い、大きな熱交換容量を確保できるようにした対流型地中熱交換井に関するものである。

従来、液状化対策や軟弱地盤対策等のために、砂利、砂等の粒状物質や、多孔管等の透水性の筒状構造物、その他さまざまな材料からなるドレーンやウェルが用いられてきた。液状化対策の場合は主に地震時に働く土粒子間の間隙水圧をそこに逃がすため、また、軟弱地盤対策の場合は主にそこを通じて排水を効率よく行うために用いられてきた。
例えば「実用軟弱地盤対策技術総覧第３章液状化対策工法もしくは軟弱地盤対策工法について」（産業技術サービスセンター発行、非特許文献１参照）に、各種の液状化対策工法もしくは軟弱地盤対策工法が解説されている。

他方、ＰＨＣ杭や鋼管杭等の中空杭からなる建築用の基礎杭を地中熱交換器の一部として利用する方法が、「地中熱ヒートポンプシステム」（北海道大学地中熱利用システム工学講座著、オーム社発行、非特許文献２参照）において提案されている。
すなわち、前記中空杭の内部構造は、（１）グラウト（セメント（モルタル）系、ガラス系、合成樹脂系などの流動性のある固化材）を充填した鋼管杭内部に、Ｕチューブ(杭の口径が大きい場合には数組)を挿入することによりグラウトを媒体として間接的に地盤と熱交換する間接熱交換方式と、（２）内部にためた水そのものを熱源水として循環利用する直接熱交換方式がある。

ちなみに、特開２００６−５２５８８号公報（特許文献１参照）には、鋼管杭またはコンクリート既成杭等の中空杭の内面に、杭内径よりも小さな外径の地中熱交換用内管を杭軸に沿って設置して地中熱交換用内管付杭とし、その地中熱交換用内管付杭を打設した後に、前記の地中熱交換用内管をＵ字管方式あるいは二重管方式等の地中熱交換器の一部として利用して地中熱交換器を構築するものである。

実用軟弱地盤対策技術総覧第３章液状化対策工法もしくは軟弱地盤対策工法について（産業技術サービスセンター発行）地中熱ヒートポンプシステム（北海道大学地中熱利用システム工学講座著、オーム社発行）

特開２００６−５２５８８号公報

しかしながら、ＰＨＣ杭や鋼管杭等の中空杭からなる建築用の基礎杭を地中熱交換器の一部として利用する方法においては、仮に鋼管杭またはコンクリート既成杭等の中空杭の内側に、杭内径よりも小さな外径の地中熱交換用内管を杭軸に沿って設置したとしても、地下水の流動性や、ＰＨＣ杭や鋼管杭等の中空杭における内外の熱交換性が損なわれてしまい、充分な熱交換効率を得ることができないという問題があった。
したがってこの発明は、地下水位の高い場所でグラベルドレーン等、地中に粒状材料により構成された柱状体の中に直接ダクトを挿入して、あるいは透水性のある筒状の構造体を軸方向に挿設し、その筒状構造体の中にダクトを挿入して、ダクト内に熱交換用の冷媒を循環させることで地中熱交換井としての機能を持たせた対流型地中熱交換井を提供しようとするものである。

すなわちこの発明の対流型地中熱交換井は、液状化対策の場合は主に地震時に働く土粒子間の間隙水圧を逃がすため、また、軟弱地盤対策の場合は主に排水を効率よく行うために用いられてきた砂利、砂類からなる粒状物を含む通水材料で構成された透水性のある柱状構造物の内部に地中熱交換用のダクトを配設し、前記ダクト内に熱交換用の冷媒を循環させることにより、液状化対策においては水圧を逃がした経路を通じて、また、軟弱地盤対策の場合は排水をおこなった経路を通じて対流もしくは擬似的な対流を発生させることにより、広く周辺地盤との熱交換を行い、大きな熱交換容量を確保できるようにしたことを特徴とするものである。

この発明の対流型地中熱交換井において、前記透水性のある柱状構造物内部に配設したダクトは、その外周に水の対流の妨げにならないように縦方向もしくは斜め方向の熱交換効率を上げるためのフィンを形成されていることをも特徴とするものである。

この発明の対流型地中熱交換井において、前記透水性のある柱状構造物内部に配設したダクトは、柱状構造物に筒状の中空構造部分を設け、その内壁として多孔管を挿通してその中に配設されており、該多孔管の外周上にはさらに複数のズレ止め突起を形成されていることをも特徴とするものである。

この発明の対流型地中熱交換井において、前記透水性のある柱状構造物内部に配設したフィン付ダクトは、柱状構造物に筒状の中空構造部分を設け、その内壁として所定サイズのメッシュの網目で構成された筒状網袋を挿通してその中に配設されていることをも特徴とする
ものである。

この発明の対流型地中熱交換井において、前記透水性のある柱状構造物は、該柱状構造体もしくはその近傍にセンサー類が付設され、変形状況を該センサー類で把握できるようにしたことをも特徴とするものである。

この発明の対流型地中熱交換井においては、透水性のある筒状構造体内部のダクトに熱交換媒体を循環させることで熱交換井としての機能を発揮するばかりでなく、透水性のある筒状構造体の周辺での地下水の対流を促進することができるので、従来の熱交換井に比べ、熱容量を大幅に増大させることができ、熱交換効率を飛躍的に高めることができるようになった。

グラベルドレーン工法を例にとると、これは地盤中に砂利で出来た柱状ドレーンが形成されるが、砂利を圧入する際の加圧によってダクトが損傷を受けることからダクトを守るためにも、その中に多孔管を軸方向に挿設し、その多孔管を外管として中にダクトを挿入し、ダクト内に熱交換用の冷媒を循環させると、地上と地下との熱交換が可能となる。
そうした場合、夏はダクトに接して温まった管内の水が上昇し、管の下部では周辺の冷水が管内に流入するため、砂利で満たされた管周辺を包括した水の対流が発生し、対流型の地中熱交換井が形成される。また冬は、それと反対方向の対流が発生する。そうしたことにより、砂利で出来た柱状ドレーン全体が熱源として機能し、熱交換井としての容量は大きく改善される。

また、外管として透水性のある筒状の袋を用いれば、夏はダクトに接して温まった管内の水が上昇し、袋の下部では周辺の冷水が管内に流入するため、粒状材料で満たされた袋周辺を包括した水の対流が発生し、対流型の地中熱交換井が形成される。また冬は、それと反対方向の対流が発生する。そうしたことにより、柱状体全体及びその周辺が熱源として機能し、熱交換井としての容量は大きく改善される。

この発明の対流型地中熱交換井の１実施例を示す説明図である。（ａ）〜（ｃ）はそれぞれダクトの例を示す説明図である。Ｕ字管の概要を示す要部拡大図である。この発明の対流型地中熱交換井の他の実施例を示す説明図である。この発明の対流型地中熱交換井の他の実施例の原理を示す説明図である。図５とは逆の向きの対流を示す説明図である。この発明の対流型地中熱交換井のさらに別の実施例を示す要部を拡大した説明図である。そのＡ−Ａ断面図である。

以下図面に基づいて、この発明の対流型地中熱交換井の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、この発明の対流型地中熱交換井の１実施例を示すものである。
図１において、地中に開設した縦孔１０に砕石類を充填して通水性を有する柱、すなわちグラベルドレーン１１が構築されている。前記砕石類としては、単粒度砕石の他に、粒度調整した再生砕石やスラグ等のリサイクル材料を使用することができる。もちろん、川砂利やその他所定の粒度を有する粒状物であれば充分使用可能である。
前記通水性を有するグラベルドレーン１１の中には多孔管１２からなる中空で透水性のある筒状構造体が配設されており、当該多孔管１２内に長さ方向に一対のダクト１３を挿通させてあって、このダクト１３内に熱交換媒体を充填してある。

前記一対のダクト１３は上端の開口部が、例えばポンプを内蔵した熱交換媒体の強制循環機構と連結されており、図３に示すように、下端に形成したＵ字状折返し部１３ａで連通している。したがって熱交換媒体の強制循環機構を駆動することにより、前記ダクト１３内を熱交換媒体が上昇あるいは下降することになる。
このようにして前記熱交換媒体を当該ダクト１３内を循環させることにより、地上の各種施設と地中内との熱交換を行って、地中熱を利用できるようにしたことを特徴としている。

上述のように、前記通水性を有するグラベルドレーン１１の中に金属製、合成樹脂製あるいはその他の素材からなる多孔管１２を配設することにより、該多孔管１２の中を水が自由に出入りし、砕石類のみの場合よりも空隙の容量が増して、土粒子間の圧力を逃がすという従来の工法における間隙水圧の上昇を抑える機能がさらに増強される。

また、図１および図４に示すように、前記多孔管１２外周の適所にズレ止め突起１４を形成しておくことが望ましく、こうすることによって前記多孔管１２は該ズレ止め突起１４を介して周辺の砕石類と一体化するので、柱体全体がより強固な構造体となる。

また、前記ポンプを内蔵した強制循環機構を作動させて熱交換媒体を強制循環させれば、前記ダクト１３内の熱交換媒体の上昇あるいは下降に応じて、次のような原理によりグラベルドレーン１１内に対流が発生することになる。

すなわち、多孔管１２内において地下水の温度がダクト１３部分よりも低いときは、矢印（上向き）Ａ方向に流れ、地下水の温度がダクト１３部分よりも高いときは、矢印（下向き）Ｂ方向に流れが発生する。
そして前記多孔管１２の中に流れが発生した場合、その流れが管内を上昇する場合は下部に、また下降する場合は上部に多孔管１２の外から水が流れ込み、多孔管１２周辺の砕石類でできた柱体全体を巻き込んだ対流が発生する。そのことにより、通常は多孔管への接触により伝播する熱が対流によっても柱体全体に伝えられ、柱体全体が熱源として機能するようになる。
したがって接触による熱の伝播のみならず、水の対流をも利用するという以上の原理を利用すれば、周辺の建造物等の各種熱利用施設に対して、例えば夏は冷房用に、冬は暖房用に容量の大きな熱交換用の熱源として極めて有効に利用することができるのである。

図２（ａ）〜（ｃ）はそれぞれダクトの例を示すものであり、前記多孔管１２内に挿通したダクト１３は、熱交換効率を上げるためにフィン１５を付加することが考えられる。（ａ）は従来型の水平方向に形成したものを示す。この実施例においては、対流を妨げないように縦もしくは螺旋状のフィンとすることが望ましい。（ｂ）に縦方向、（ｃ）に螺旋状のフィン１５を形成した状態を示す。
このように前記ダクト１３の外周に多数のフィン１５を形成すれば、熱交換をより効率的に行うことができる。

また、ダクト１３は多孔管１２等の外管で覆われているが、外管の変形状況をセンサー等で把握すれば、外管に過度の変形が生じた場合、ダクト１３もしくは熱交換媒体を管内から除去することにより、ダクト１３からの熱交換媒体の漏出を未然に防ぐことができる。

一方、この発明の対流型地中熱交換井をドレーンパイプ工法等のパイプ状ドレーンやウェルを使用する他の工法にも適用することができる。
すなわち、ドレーンパイプ工法等のパイプ状ドレーンにおいて多孔管１２を外管とし、その中にダクトを挿入し、ダクト内に熱交換用の冷媒を循環させて地上と地下との熱交換を行う場合のように、外管の外に人工の粒状材料を設置しない場合であっても、液状化が懸念されたり軟弱な地盤では、地表近くまで地下水により満たされた互層（異なる二つ以上の地層が，交互に重なり合っている場合をいう）となっており、透水性の良い地盤が介在しているのが通常である。したがって、図５および図６に示すように、地層全体を包括した対流までは生じなくても、局部的な対流、もしくは中間部分において粘土層等の不透水層（２点鎖線）で上下が遮断される場合には擬似的な対流が発生し、熱交換井としての容量は拡大する。
図５は多孔管１２内においては上昇水流が、多孔管１２外においては下降水流が発生している状態を示すものであり、図６は多孔管１２内においては下降水流が、多孔管１２外においては上昇水流がそれぞれ発生している状態を示すものである。

ただこのようにした場合、ドレーン用多孔管内のスペースが狭くなるので、本来持つドレーンパイプ工法の間隙水圧を逃がす機能が損なわれることがないよう、十分な配慮をする必要がある。
また、サンドドレーン工法の場合は、砂の粒度により透水性が大きく左右され、前記のグラベルドレーン工法に近いケースとパイプドレーン工法に近いケースが発生することとなる。いわば、両者の中間的な現象が出現することとなる。

図７および図８は、この発明の対流型地中熱交換井をパックドレーン工法等の筒状の網袋を用いるケースに適用した実施例を示すものである。
図７および図８において、地中に開設した縦孔２０に外側および内側の二重の筒状の網袋２２，２３を挿入し、該内外二重の筒状網袋２２，２３の間に適宜粒度の砂２４を充填して通水性を有する柱、すなわちパックドレーン２１が構築されている。
前記外側の筒状網袋２２は、例えばφ１２０ｍ／ｍの網袋からなり、ポリエチレン１００％の使用原糸を使用して、縦横３８０デニールになるよう編み込まれている。もちろん、筒状網袋２２，２３の素材やその太さ、網目のサイズは施工場所や土質、その他の条件に応じて適宜決定することができる。
すなわち、前記内外二重の筒状網袋２２，２３には通水可能な無数の小孔が開いているのである。したがって、これを多孔管と同等の機能を有するものとみなしてもなんら問題はない。

前記内側の筒状網袋２３で構成される中空構造の内部に挿通したダクト２５は、熱交換を促進するためにその外周に多数のフィン２６が形成されている。
このフィン２６は、内側の筒状網袋２３内の水の対流の障害とならないよう、あるいは対流のスペースを確保するスペーサとして機能するよう、縦方向、あるいは斜め方向に形成することが望ましい。

図７の全体構成を示す部分は、冷房時の水の流れを示すものであり、前記外側の筒状網袋２２の外側においては下降し、その内側においては上昇することを示すものである。
また、要部を拡大した部分において地下水の流れは、冷房時はダクト２５周辺の水が、矢印ａのようにダクト２５の外側の螺旋状のフィン２６に沿って上昇し、前記ダクト２５から離れた部分の水が矢印ｂのように下降して対流が起きるようになっている。もちろん暖房時においては、水は上記の流れとは逆の挙動を示す。図において矢印ｃは前記ダクト２５内の熱交換媒体の強制的な流れを示すものである。
図８において、２７は前記内外二重の筒状網袋２２，２３の間に砂２４を充填するためのノズルである。

なお、前記実施例においては内外二重の筒状網袋２２，２３を使用することが示されているが、砂の質やダクトの外側の螺旋状のフィンの密度、その他の条件を勘案し、内側の筒状網袋２３を省略することも可能である。

以上の説明においては、この発明の対流型地中熱交換井を主にグラベルドレーン工法やパイプドレーン工法、サンドドレーン工法、パックドレーン工法等に適用した場合について説明したが、この発明の要旨を変更しない範囲でサンドコンパクション工法等の、他の地盤の液状化対策工法もしくは軟弱地盤対策工法にも適用することが可能である。

また、この発明の対流型地中熱交換井に利用するための特殊なフィンを形成したダクトや、ズレ止め付き多孔管、センサー付き多孔管等は、この発明の対流型地中熱交換井に適用する限りにおいて、個別に製造あるいは販売することも発明の権利範囲に含まれることはいうまでもない。

１０縦孔
１１グラベルドレーン
１２多孔管
１３ダクト
１３ａＵ字状折返し部
１４ズレ止め突起
１５フィン
２０縦孔
２１パックドレーン
２２，２３筒状網袋
２４砂
２５ダクト
２６フィン
２７ノズル

Claims

液状化対策の場合は主に地震時に働く土粒子間の間隙水圧を逃がすため、また、軟弱地盤対策の場合は主に排水を効率よく行うために用いられてきた砂利、砂類からなる粒状物を含む通水材料で構成された透水性のある柱状構造物の内部に地中熱交換用のダクトを配設し、前記ダクト内に熱交換用の冷媒を循環させることにより、液状化対策においては水圧を逃がした経路を通じて、また、軟弱地盤対策の場合は排水をおこなった経路を通じて対流もしくは擬似的な対流を発生させることにより、広く周辺地盤との熱交換を行い、大きな熱交換容量を確保できるようにしたことを特徴とする対流型地中熱交換井。
前記透水性のある柱状構造物内部に配設したダクトは、その外周に水の対流の妨げにならないように縦方向もしくは斜め方向の熱交換効率を上げるためのフィンを形成されていることを特徴とする請求項１記載の対流型地中熱交換井。
前記透水性のある柱状構造物内部に配設したダクトは、柱状構造物に筒状の中空構造部分を設け、その内壁として多孔管を挿通してその中に配設されており、該多孔管の外周上にはさらに複数のズレ止め突起を形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の対流型地中熱交換井。
前記透水性のある柱状構造物内部に配設したフィン付ダクトは、柱状構造物に筒状の中空構造部分を設け、その内壁として所定サイズのメッシュの網目で構成された筒状網袋を挿通してその中に配設されていることを特徴とする請求項２または３記載の対流型地中熱交換井。
前記透水性のある柱状構造物は、該柱状構造体もしくはその近傍にセンサー類が付設され、変形状況を該センサー類で把握できるようにしたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の対流型地中熱交換井。