JP5058390B1

JP5058390B1 - ハイブリッド型地熱利用装置

Info

Publication number: JP5058390B1
Application number: JP2012134988A
Authority: JP
Inventors: 博明上山
Original assignee: 博明上山
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: JP2013257117A

Abstract

【課題】地熱水を汲み上げる過程で放出される熱を対流循環の駆動力として利用することで、効率的に地熱を利用することのできるハイブリッド型地熱利用装置を提供する。
【解決手段】地表面下に埋設された対流水貯留槽４内に貯留されている対流水を地表温度と地中温度との温度差により自然対流させて地熱で温められる対流水の熱を利用する自然対流式地熱利用手段２と、帯水層Ｌ内の地熱水を地熱水収集槽７内に取り込むとともに地熱水を動力で汲み上げて当該地熱水の熱を利用した後、その地熱水を地熱水収集槽７に戻して帯水層Ｌ内へと還元する動力式地熱利用手段３とを有するハイブリッド型地熱利用装置１であって、地熱水収集槽７から地熱水を汲み上げるための汲上管８３が地熱水収集層７内から対流水貯留槽４内にかけて配置されており、汲み上げられる地熱水の熱を汲上管８３を介して対流水に伝えて自然対流に利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、地熱を熱源とする、自然対流式地熱利用手段と動力式地熱利用手段との異なる熱交換システムを併存させて効率的に利用するハイブリッド型地熱利用装置に関するものである。

一般的に、地中の温度は年間を通してほぼ一定である。そのため、冬期には地上より地中の方が暖かく、夏期には地上より地中の方が冷たい。また、地中の温度は、深くなるほど高温であり、一般的には、深さが１００ｍ増加する毎に約３℃上昇するといわれている。

そこで、従来、このような地中内の熱、いわゆる地熱を暖房や冷房または融雪の熱源として利用する発明が提案されている。

例えば、本願発明者によって発明された特開平１０−２８０３０９号公報では、融雪路面に埋設状態で配置された地熱液分離槽と、この地熱液分離槽の下面に垂直状態で埋設された地熱収集井戸とを備えた対流循環融雪装置が提案されている（特許文献１）。この特許文献１によると、前記地熱液分離槽内および前記地熱収集井戸内に満たされた対流水が、前記融雪路面の温度と前記地熱収集井戸の周囲の地熱との温度差によって、無動力で対流循環し、当該対流水に含まれる熱を前記融雪路面上に放熱することで前記融雪路面上の雪を融かすことができるとされている。

また、本願発明者によって発明された特開２００８−７５９９４号公報では、帯水層が存在する深度に埋設される外装管と、この外装管内に挿入される断熱内装管と、この断熱内装管内から前記地熱水を汲み上げるポンプと、このポンプによって汲み上げられた前記地熱水を熱源として利用する冷暖房装置と、この冷暖房装置での利用後の前記地熱水を前記外装管と前記内装管との間に排出して前記帯水層へと還元する熱源還元管とを有する二重管式地熱水循環装置が提案されている（特許文献２）。この特許文献２によると、前記帯水層内の前記地熱水を前記外装管内に収集して前記冷暖房装置の熱源として利用することができるとともに、利用された後の前記地熱水を前記外装管と前記内装管との間に排出することにより当該地熱水を前記帯水層へと円滑に還元して、井戸枯れや地盤沈下を防止することができるとされている。

特開平１０−２８０３０９号公報特開２００８−７５９９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発明においては、豪雪時の融雪には多くの熱量を必要とするが、対流水の循環量は融雪路面の温度と地熱収集井戸の周囲の地熱との温度差に依存するため、温度差が不十分な場合には所望する循環量が得られないことがある。このような場合には、前記地熱収集井戸内に水中ヒーター等を設けて強制的に対流循環させることが提案されているが、前記水中ヒータには相応のエネルギーが必要であり、完全に無動力というわけにはいかなくなる。

また、特許文献２に記載された発明においては、内装管を断熱材で形成したとしても完全に断熱することは困難であり、地熱水が内装管内を通って汲み上げられる過程で、前記内装管と前記外装管との間に還元される地熱水により熱が奪われ、汲み上げられる地熱水の温度を低下させてしまうことがあった。つまり、前記内装管から外に放出される熱は、単にロスとなるだけであって有効に活用されてはいなかった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、地熱水を汲み上げる過程で放出される熱を対流循環の駆動力として利用することで、効率的に地熱を利用することのできるハイブリッド型地熱利用装置を提供することを目的としている。

本発明に係るハイブリッド型地熱利用装置は、地表面下に埋設された対流水貯留槽内に貯留されている対流水を地表温度と地中温度との温度差により自然対流させて地熱で温められる前記対流水の熱を利用する自然対流式地熱利用手段と、地下に存在する帯水層内の地熱水を地熱水収集槽内に取り込むとともに前記地熱水を動力で汲み上げて当該地熱水の熱を利用した後、その地熱水を前記地熱水収集槽に戻して前記帯水層内へと還元する動力式地熱利用手段とを有するハイブリッド型地熱利用装置であって、前記地熱水収集槽から前記地熱水を汲み上げるための汲上管が前記地熱水収集槽内から前記対流水貯留槽内にかけて配置されており、汲み上げられる前記地熱水の熱を前記汲上管を介して前記対流水に伝えて自然対流に利用する。

また、本発明の一態様として、前記対流水貯留槽は、地表面と対流水との熱交換を行うために上方に配置された熱交換槽と、この熱交換槽の下方に配置されて前記熱交換槽との間で前記対流水を流通可能に連通された対流水還元槽と、前記対流水還元槽から垂下された外装循環管と、前記熱交換槽から垂下されているとともに前記外装循環管内に配置されており下方において前記外装循環管との間で前記対流水を流通可能に連通されてなる内装循環管とを有しており、前記汲上管が前記内装循環管内に配置されていてもよい。

さらに、本発明において、前記地熱水収集槽は、前記外装循環管を下方に延出して複数の帯水層を貫通するように配置されてなる外装管と、この外装管内に配置されるようにして前記内装循環管を下方に延出してなる内装管と、前記外装循環管と前記外装管との境界を仕切る外装仕切板と、前記内装循環管と前記内装管との境界を仕切る内装仕切板と、少なくとも一つの帯水層よりも下方位置であって前記外装管と前記内装管との間における上下の流通を遮蔽して上方外装管および下方外装管に分断する上下遮蔽板とを有しており、前記汲上管が前記内装循環管内から前記内装管内にまで延出されていてもよい。

本発明によれば、地熱水を汲み上げる過程で放出される熱を対流循環の駆動力として利用することで、効率的に地熱を利用することができる。

本発明に係るハイブリッド型地熱利用装置の一実施形態（第一モード）を示す正面縦断面図である。本実施形態のハイブリッド型地熱利用装置を示す平面図である。図１におけるＡ３−Ａ３断面図である。図１におけるＡ４−Ａ４断面図である。本実施形態における外装仕切板を示す拡大正面図である。本実施形態における上部狭持部材を示す平面図である。本実施形態における上部狭持部材を示す正面図である。本実施形態における下部狭持部材を示す平面図である。本実施形態における下部狭持部材を示す正面図である。本実施形態における可延性板材を示す平面図である。本実施形態における可延性板材を示す正面図である。本実施形態における水密部材を示す拡大正面図である。本発明に係るハイブリッド型地熱利用装置の第二モードを示す正面縦断面図である。

以下、本発明に係るハイブリッド型地熱利用装置の一実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態のハイブリッド型地熱利用装置１を示す正面図である。

本実施形態のハイブリッド型地熱利用装置１は、主に、対流水貯留槽４内の対流水を自然対流させることにより地熱を利用する自然対流式地熱利用手段２と、帯水層Ｌ内の地熱水を動力を用いて汲み上げることで地熱を利用する動力式地熱利用手段３とを有している。以下、各構成について詳細に説明する。

自然対流式地熱利用手段２は、図１に示すように、地表面に埋設された対流水貯留槽４内に対流水を満たして構成されている。なお、対流水は、水道水等の真水や不凍液等から適宜選択されるものである。

対流水貯留槽４は、地表面下に埋設されることによりその内部に貯留させた対流水を地表温度と地中温度との温度差で生じる自然対流により循環させるものである。

本実施形態における対流水貯留槽４は、対流水の自然対流を発生させる構造の一例として、地表面と対流水との熱交換を行う熱交換槽４１と、この熱交換槽４１との間で前記対流水を流通可能に連通されてなる対流水還元槽４２と、この対流水還元槽４２から垂下されてなる外装循環管４３と、前記熱交換槽４１から垂下されるとともに前記外装循環管４３内に配置されてなる内装循環管４４とを有している。以下、本実施形態における対流水貯留槽４の各構成について詳細に説明する。

熱交換槽４１は、対流水貯留槽４の上方に配置されており、地表面上に降る雪を対流水の熱により融雪する融雪面４５を構成して、地表面の低温の熱と対流水の高温の熱との熱交換を行うようになっている。

本実施形態における熱交換槽４１は、図１および図２に示すように、対流水が満たされた直方体状の水槽であって地表面下に埋設されている。この熱交換槽４１は、コンクリート、強化樹脂または鋼板等によって形成されており、その上を通過する人や車両、またはその上に載置等される貨物等の加重に耐え得るようになっている。なお、強度上、前記加重に耐えられない場合は、図示しないが、前記熱交換槽４１内に柱等を備えて補強してもよい。

また、熱交換槽４１の融雪面４５は、路面、グラウンド等の様々な場所として利用可能である。よって、図示しないが、融雪面４５上には、アスファルトにより舗装したり、煉瓦やコンクリートブロックを敷設したり、砂利、砂、土、天然芝または人工芝等を敷設したりしてもよい。

また、本実施形態における熱交換槽４１の上部の略中央には、開閉自在な蓋４６が設けられており、対流水の補充や交換を行ったり、後述する動力式地熱利用手段３のメンテナンスを行うことができるようになっている。

対流水循環槽４２は、熱交換槽４１の下方に配置される水槽であって、前記熱交換槽４１との間で対流水を流通可能に連通されている。つまり、この対流水循環槽４２は、前記熱交換槽４１の下方に配置することにより、前記熱交換槽４１において熱交換により温度が低下して密度が高くなった対流水を対流により自然に沈降させて取り込むためのものである。本実施形態では、図１および図３に示すように、複数の上下槽連通孔４７により、前記熱交換槽４１および前記対流循環槽４２の外周端の近傍を流通可能に連通されている。

外装循環管４３は、図１に示すように、前記対流水還元槽４２から垂下された管であり、対流水還元槽４２内の対流水を地表面下の所定の暖かい深さ位置まで導くためのものである。よって、外装循環管４３は、地中の温度が所定温度を有する深さ位置まで延出されて配置されている。また、本実施形態における外装循環管４３は、図１および図４に示すように、円筒管によって構成されている。また、外装循環管４３の下方は、外装仕切板５によって、後述する外装管７１との境界が仕切られている。

なお、外装循環管４３は、円筒状に限定されるものではなく、楕円形状や多角形状等の管によって形成されていてもよい。また、外装循環管４３は、新たに地中を掘削して地中に配置してもよいし、既存の井戸を外装循環管４３として利用してもよい。

内装循環管４４は、図１に示すように、熱交換槽４１から垂下されているとともに外装循環管４３内に配置されている。また、対流水を地表面下で比較的暖かい位置まで導くため、前記外装循環管４３と同様に、地中の温度が所定の温度以上である深さ位置まで延出されて配置されている。内装循環管４４の下方は、内装仕切板６によって、後述する内装管７２との境界が仕切られている。さらに、この内装仕切板６の近傍には、前記外装循環管４３との間で対流水を流通可能に連通する内外管連通孔４８が設けられている。よって、前記外装循環管４３内によって導かれた対流水は、前記内外関連通孔４８を通って内装循環管４４内に流入し、当該対流水は地熱によって温められて密度が低下して軽くなり、内装循環管４４内を上昇して熱交換槽４１へと流入するようになっている。また、この内装循環管４４内には、後述する汲上管８３が配置されており、当該汲上管８３から対流水に地熱水の熱の一部を伝えて温めることで、対流水の自然対流が生じ易くなっている。

なお、本実施形態における内装循環管４４は、図３および図４に示すように、略円筒形に形成されているが、当該形状は特に限定されるものではなく、楕円形状や多角形状等の管から適宜選択されるものである。

次に、動力式地熱利用手段３について説明する。動力式地熱利用手段３は、主に、帯水層Ｌ内の地熱水を取り込む地熱水収集槽７と、この地熱水収集槽７に取り込まれた地熱水を汲み上げて当該地熱水の熱を利用した後、その地熱水を前記地熱水収集槽７に戻して前記帯水層Ｌ内へと還元する地熱水循環システム８とを有する。

地熱水収集槽７は、地下に存在する帯水層Ｌ内の地熱水を取り込むものであり、帯水層Ｌを有する深さ位置にまで埋設されている。本実施形態における地熱水収集槽７は、図１に示すように、対流水貯留槽４の下方に配置されており、主に、外装循環管４３を下方に延出して複数の帯水層Ｌを貫通するように配置されてなる外装管７１と、この外装管７１内に配置されるようにして内装循環管４４を下方に延出してなる内装管７２と、前記外装循環管４３と前記外装管７１との境界を仕切る外装仕切板５と、前記内装循環管４４と前記内装管７２との境界を仕切る内装仕切板６と、少なくとも一つの帯水層Ｌよりも下方位置であって前記外装管７１と前記内装管７２との間における上下の流通を遮蔽して上方外装管７３および下方外装管７４に分断する上下遮蔽板９とを有している。以下、本実施形態における地熱水収集槽７の構成について詳細に説明する。

外装管７１は、外装循環管４３を下方に延出して、複数の帯水層Ｌを貫通するように配置されている。外装管７１の上端には、上述したとおり、外装仕切板５が設けられており前記外装循環管４３との境界が仕切られている。また、本実施形態における外装管７１は、上下遮蔽板９によって内装管７２との間における上下の流通を遮蔽されて上方外装管７３と下方外装管７４とに分断されている。

また、外装管７１の帯水層Ｌと接する高さには、外装管７１に地熱水の取水・還元を行うとともに当該地熱水を濾過するためのストレーナ１０が設けられている。本実施形態におけるストレーナ１０は、図１に示すように、複数の帯水層Ｌのうち上方にある上方帯水層ＵＬと接する高さに設けられた上方ストレーナ１０１と、複数の帯水層Ｌのうち下方にある下方帯水層ＬＬと接する高さに設けられた下方ストレーナ１０２とからなる。

内装管７２は、内装循環管４４を下方に延出して外装管７１内に配置されている。内装管７２の上端には、上述したとおり内装仕切板６が設けられており、前記内装循環管４４との境界が仕切られている。また、本実施形態における内装管７２には、図１に示すように、前記外装管７１によって収集された地熱水をその内部に取り込むため、上方外装管７３に連通する上方取込口７５と、下方外装管７４に連通する下方取込口７６とが設けられている。さらに、内装管７２の下端は、後述する下方取込口開閉手段８２によって密閉されており、この下方取込口開閉手段８２が下方へ抜け落ちないように下端ストッパー７７が設けられている。

外装仕切板５は、外装循環管４３と外装管７１との境界を仕切るものであり、図５に示すように、複数枚の可延性板材５１と、この可延性板材５１を上下から挟持する挟持部材５２とから構成されている。

狭持部材５２は、上部狭持部材５２１と下部狭持部材５２２とから構成され、これら上部狭持部材５２１および下部狭持部材５２２で可延性板材５１を上下方向から狭持することにより、可延性板材５１を外装循環管４３および外装管７１の境界の内壁および内装循環管４４または内装管７２の外壁に密着するように膨出させるものである。また、上部狭持部材５２１および下部狭持部材５２２は、図６ないし図９に示すように、左右軸対象となる一対からなり、内装循環管４４および内装管７２を挿通させる内装管挿通孔５２３を有する。また、内装管挿通孔５２３は、外装循環管４３および外装管７１の境界となる高さに直接的に装着できるようにするため、前記内装管挿通孔５２３を２つに分断する切断面により２つに分割されている。

可延性板材５１は、狭持部材５２により狭持されることで外装循環管４３および外装管７１の境界の内壁および内装循環管４４または内装管７２の外壁に密着するように膨出されて上下の流通を遮蔽するものである。本実施形態における可延性板材５１は、図５に示すように、複数の可延性板材５１からなり、狭持部材５２と同様に、内装管挿通孔５１１を有し外装循環管４３および外装管７１の境界となる高さに直接的に装着できるように、前記内装管挿通孔５１１を２つに分断する切断面により２つに分割されている。また、図５、図１０および図１１に示すように、最も上方に配置される可延性板材５１および最も下方に配置される可延性板材５１は、外装仕切板５を装着させた状態で外装循環管４３内および外装管７１内に挿入出する際に角部が引っかかるのを防止するため、それぞれ外周縁部が上方ないし下方に向けて縮径するテーパ状に形成されている。また、上下に隣接して重ねられる可延性板材５１のそれぞれの切断面を、図５に示すように、ずらして配置することにより、切断面による液漏れをより確実に防止することができる。

なお、可延性板材５１の枚数について特に限定されるものではなく、１枚の可延性板材５１により構成してもよく、５枚以上の可延性板材５１により構成されていてもよい。

上下遮蔽板９は、少なくとも一つの帯水層Ｌよりも下方位置であって外装管７１と内装管７２との間を上方外装管７３および下方外装管７４に分断する位置に設けられており、上下の流通を遮蔽するようになっている。本実施形態における上下遮蔽板９は、図１に示すように、外装仕切板５と同様に、可延性板材５１および挟持部材５２により構成されている。

内装仕切板６は、内装循環管４４および内装管７２の境界を仕切るものである。本実施形態における内装仕切板６は、後述する上方取込口開閉手段８１を兼ねており汲上管８３に固定され、汲上管８３とともに上下動するようになっている。よって、内装仕切板６は、図１に示すように、上方取込口７５を開閉可能なように略円筒状に形成されており、その外周縁部の上方および下方は、内装循環管４４および内装管７２の内壁に角部が引っかかるのを防止するためテーパが設けられている。なお、図示しないが、内装循環管４４および内装管７２と接する部分に水密性を確保するためのゴム材等を付設してもよい。

次に、地熱水循環システム８について説明する。地熱水循環システム８は、地熱水収集槽７内に取り込まれた地熱水を動力により汲み上げて当該地熱水の熱を利用した後、その地熱水を前記地熱水収集槽７に戻して前記帯水層Ｌ内へと還元するものである。

本実施形態における地熱水循環システム８は、上方取込口７５を開閉する上方取込口開閉手段８１と、下方取込口７６を開閉する下方取込口開閉手段８２と、前記上方取込口７５または前記下方取込口７６を介して内装管７２内に取り込まれた地熱水を汲み上げる汲上管８３と、当該地熱水を汲み上げる動力である汲上ポンプ８４と、この汲上ポンプ８４により汲み上げられた地熱水の熱を利用する熱交換部８５と、この熱交換部８５により熱を利用した後の地熱水を上方外装管７３を介して上方帯水層ＵＬへと還元する上方還元管８６と、前記熱交換部８５により熱を利用した後の前記地熱水を下方外装管７４を介して下方帯水層ＬＬへと還元する下方還元管８７と、循環経路を上方還元管８６または下方還元管８７のいずれかに切り換える還元管切換弁８８と、地熱水の循環経路の切り換え制御を行うモード切換手段８９とを有している。

上方取込口開閉手段８１は、上方取込口７５を開放することにより上方外装管７３から内装管７２内へ地熱水を取り込むためのものである。本実施形態における上方取込口開閉手段８１は、上述のとおり内装仕切板６を兼ねており、図１に示すように、略円筒状に形成されている。また、汲上管８３に固定されており、汲上管８３とともに上下動することにより、上方取込口７５を開閉するようになっている。

下方取込口開閉手段８２は、下方取込口７６を開放することにより下方外装管７４から内装管７２内へ地熱水を取り込むためのものである。本実施形態における下方取込口開閉手段８２は、上方取込口開閉手段８１と同様に、下方取込口７６を開閉可能なように略円筒状に形成されており、その外周縁部の上方および下方にはテーパが設けられている。また、下方取込口開閉手段８２は、上方取込口開閉手段８１と同様に、汲上管８３に固定されており、汲上管８３とともに上下動することにより、下方取込口７６を開閉するようになっている。さらに、下方取込口開閉手段８２は、上述のとおり、内装管７２の下方を密閉しており、内装管７２内に取り込んだ地熱水が外装管７１側へと漏れないようになっている。

なお、上方取込口７５および下方取込口７６の開閉は、汲上管８３を上下動させるものに限定されるものではなく、例えば、各取込口７５，７６に電磁弁等を設けて開閉制御を行うように構成してもよい。

汲上管８３は、地熱水収集槽７により収集された地熱水を汲み上げるための管である。本実施形態における汲上管８３は、図１に示すように、内装管７２内の地熱水を汲み上げるようになっている。

また、汲上管８３は、対流水貯留槽４内の対流水に地熱水の熱を伝えて自然対流に利用するものである。よって、本実施形態における汲上管８３は、図１に示すように、内装循環管４４内から内装管７２内にまで延出されており、内装循環管４４内の対流水に当該汲上管８３を介して地熱水の熱が伝えられるようになっている。

さらに、汲上管８３は、モード切換手段８９としても機能する。すなわち、汲上管８３は、上下動可能に構成されており、汲上管８３に固定された上方取込口開閉手段８１および下方取込口開閉手段８２によって、上方取込口７５または下方取込口７６のいずれか一方を開放するとともに、他方を閉鎖するようになっている。本実施形態では、図１に示すように、汲上管８３がワイヤー８９１によって垂下されており、そのワイヤー８９１は滑車８９２および水密部材８９３を介してワイヤー駆動部８９４に連結さている。本実施形態におけるワイヤー駆動部８９４は、電動ウインチ等からなる。また、水密部材８９３は、対流水貯留槽４内の対流水が外部に漏れ出さないようにするためのものであり、図１２に示すように、円柱状のガイド部８９５とこのガイド部８９５の内を摺動する円筒部８９６とから構成されている。円筒部８９６には、図１および図１２に示すように、前記ワイヤー８９１が貫通されており、当該円筒部８９６は前記ワイヤー８９１とともに前記ガイド部８９５内を水密状態を保ちつつ摺動するようになっている。

また、汲上管８３の一部は、可延性のホース等により構成されており、汲上管８３が上下動の際に曲がることにより上下動の妨げないようになっている。

汲上ポンプ８４は、汲上管８３に接続されおり、吸引力により内装管７２内に取り込んだ地熱水を地上に汲み上げて熱交換部８５に圧送するものである。本実施形態における汲上ポンプ８４は、図１に示すように、内装循環管４４内に配置されている。また、汲上ポンプ８４の上方には、所定高さ以上に汲上管８３が上昇しないようにする上端ストッパー８３１が設けられている。

熱交換部８５は、地熱水を熱源として熱交換を行う冷暖房装置等で構成される。なお、蛇口等を設けて、熱交換部８５の代わりに、または、熱交換部８５とともに、地熱水を水源として利用できるようにしてもよい。

上方還元管８６は、鉄鋼や樹脂等を材料とする管により形成され、熱交換部８５から上方外装管７３内にかけて配置されており、熱交換部８５により使用された後の地熱水を上方外装管７３内へと還元するようになっている。

下方還元管８７は、上方還元管８６と同様に、鉄鋼や樹脂等を材料とする管により形成されている。また、下方還元管８７は、熱交換部８５から下方外装管７４内にかけて配置されており、熱交換部８５により使用された後の地熱水を下方外装管７４内へと還元するようになっている。

還元管切換弁８８は、電磁弁等からなり、図１に示すように、上方還元管８６および下方還元管８７のいずれかに地熱水の循環経路を切り換えるものである。

モード切換手段８９は、汲上ポンプ８４を作動、上方取込口７５の開閉、下方取込口７６の開閉および上方還元管８６と下方還元管８７との切り換えを行うことにより、地熱水を循環させる経路を第一モードと第二モードとに切り換えるものである。本実施形態では、汲上ポンプ８４、ワイヤー駆動部８９４および還元管切換弁８８を制御できるようになっている。なお、各モードについては、次のハイブリッド型地熱利用装置１の作用の説明において詳細に説明する。

次に、本実施形態のハイブリッド型地熱利用装置１の作用について説明する。

まず、図１を用いて第一モードにおける対流水および地熱水の循環経路について説明する。

第一モードでは、モード切換手段８９が汲上ポンプ８４を駆動させ、ワイヤー駆動手段８９４により汲上管８３を降下させ、還元管切換弁８８を上方還元管８６側に切り換える。これにより、上方取込口開閉手段８１は、図１に示すように、上方取込口７５を閉鎖するとともに、下方取込口開閉手段８２は下方取込口７６は開放する。また、下方取込口開閉手段８２は下端ストッパー７７によって下端が支持されている。また、第一モードにおける地熱水の循環経路は以下の通りである。

まず、地熱水は下方ストレーナ１０２を介して下方外装管７４内へ取り込まれる。下方外装管７４内に取り込まれた地熱水は、開放されている下方取込口７６から内装管７２内に流入する。

さらに汲上ポンプ８４が吸引力により内装管７２内の地熱水を汲上管８３内に取り込んで汲み上げ、当該地熱水を熱交換部８５へと圧送する。このとき、地熱水の熱の一部が汲上管８３を介して対流水貯留槽４内の対流水へと伝達される。

熱交換部８５では、地熱水に含まれた熱を取り出して適宜利用する。例えば、冬期においては、一般的に地熱水の温度は地上の温度よりも高いため、熱交換部８５では地熱水の熱を暖房等の熱源として利用する。また、夏期においては、一般的に地熱水の温度は地上の温度よりも低いため、熱交換部８５では地熱水の熱を冷房等の熱源として利用する。

還元管切換弁８８は、上方還元管８６側を開放するように切り換えられている。よって、利用後の地熱水は、上方外装管７３へと圧送される。上方外装管７３へと圧送された地熱水は、上方外装管７３内の圧力が高くなるため上方ストレーナ１０１を介して上方帯水層ＵＬへと還元される。なお、上方取込口７５は、上方取込口開閉手段８１によって閉鎖されているため、利用後の地熱水が内装管７２内に流入することがない。

次に、第一モードにおける対流水の循環について説明する。

熱交換槽４１では、地表面と対流水との熱交換を行う。主に、冬期において、対流水は地表面を温めることにより地表面上に降る雪を融雪する。一方、地表面を温めた対流水は、地表面に熱が奪われることにより温度が低下する。対流水は、温度が低下すると密度が高くなり重力により下方へと沈降する。

熱交換槽４１内で沈降した対流水は、さらに上下槽連通孔４７を介して対流水循環槽４２に沈降する。また、対流水循環槽４２に沈降した対流水は、外装循環管４３内へと流入し、さらに外装循環管４３内を沈降する。また、沈降した地熱水は、内外管連通孔４８を通過して内装循環管４４内へと流入する。

外装循環管４３および内装循環管４４の下方は地中深くに埋設されているため、地表温度よりも地中温度の方が高温である。そのため、外装循環管４３内を沈降してきた対流水は、地中温度によって温められ、対流水は密度が低くなる。よって、対流水は軽くなり浮力が発生して内装循環管４４内を上昇する。

また、内装循環管４４内には汲上管８３が配置されており、汲上管８３内には地熱水が流通している。この地熱水は、外装循環管４３および内装循環管４４よりも下方に設けられた地熱水収集槽７内から汲み上げられているため、対流水と比較して暖かく、汲み上げられる過程で、地熱水の熱が汲上管８３を介して対流水へと伝えられる。そのため、内装循環管４４内の対流水の浮力はより増大される。

すなわち、汲上管８３を内装循環管４４内に配置したことにより、地熱水の熱が対流水を循環させるための熱源として利用できるため、より多くの対流水を循環させることができる。また、地中深くで温められた対流水は、外装循環管４３内を上昇することも考えられるが、汲上管８３からの熱により駆動される内装循環管４４内の地熱水の浮力の方が大きいため、内装循環管４４内を上昇することになり、対流水の循環方向を安定させることができる。

次に、図１３を用いて第二モードにおける対流水および地熱水の循環経路について説明する。

第二モードでは、モード切換手段８９が汲上ポンプ８４を駆動させ、ワイヤー駆動手段８９４により汲上管８３を上昇させ、還元管切換弁８８を下方還元管８７側に切り換える。これにより、上方取込口開閉手段８１は、図１３に示すように、上方取込口７５を開放するとともに、下方取込口開閉手段８２は下方取込口７６を閉鎖する。また、汲上管８３は上端ストッパー８３１によって所定の位置で上昇を止めることができる。

ワイヤー駆動手段８９４では、ウインチによりワイヤー８９１を引っ張ることにより汲上管８３を上昇させる。このとき、水密部材８９３は、円筒部８９６をガイド部８９５内で摺動させるため水密状態を保ちながらワイヤー８９１を引っ張ることができる。

次に、第二モードにおける地熱水の循環経路は以下の通りである。まず、地熱水は上方ストレーナ１０１を介して上方外装管７３内へ取り込まれる。上方外装管７３内に取り込まれた地熱水は、開放されている上方取込口７５から内装管７２内に流入する。

汲上ポンプ８４は、吸引力により内装管７２内の地熱水を汲上管８３内に取り込んで汲み上げ、当該地熱水を熱交換部８５へと圧送する。そして、熱交換部８５では、地熱水に含まれた熱を取り出して適宜利用する。

還元管切換弁８８は、下方還元管８７側を開放するように切り換えられており、利用後の地熱水は、下方外装管７４へと圧送される。下方外装管７４へと圧送された地熱水は、下方外装管７４内の圧力が高くなるため下方ストレーナ１０２を介して下方帯水層ＬＬへと還元される。なお、下方取込口７６は、下方取込口開閉手段８２によって閉鎖されているため、利用後の地熱水が内装管７２内に流入することがない。

また、第二モードの自然対流式地熱利用手段２における対流水の循環は、図１３に示すように、地熱水を汲み上げる汲上管８３が内装循環管４４内に配置されているため第一モードと同じ循環経路になる。つまり、自然対流式地熱利用手段２は、動力式地熱利用手段３による地熱水の循環を切り換えたとしても、対流循環槽４内の対流水の循環方向は変わらず、安定的に自然対流させることができる。

以上のようなハイブリッド型地熱利用装置１の本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
１．汲み上げられる地熱水の熱を対流水が循環する動力として利用することにより、自然対流の循環量を増加させることができる。
２．地熱水から対流水へ伝達される熱は、これまで単なるロスであって新たなエネルギーを使用するものではないため、より効率的に地熱を利用することができる。
３．対流水貯留槽４内における対流方向を安定させることができる。
４．地熱水の循環方向を切り換えることにより、ストレーナ１０の目詰まりを抑制することができる。
５．対流水および地熱水は、外気等との接触がないため酸化せず、藻等の発生を抑えることができる。

なお、本発明に係るハイブリッド型地熱利用装置は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。

例えば、図示しないが、対流水貯留槽４に蛇口等を設けて対流水貯留槽４内から対流水を取り出して利用できるようにすることができる。これにより、夏期には、太陽熱により温められた対流水をお湯として利用することができるようになる。

１ハイブリッド型地熱利用装置
２自然対流式地熱利用手段
３動力式地熱利用手段
４対流水貯留槽
５外装仕切板
６内装仕切板
７地熱水収集槽
８地熱水循環システム
９上下遮蔽板
１０ストレーナ
４１熱交換槽
４２対流水還元槽
４３外装循環管
４４内装循環管
４５融雪面
４６蓋
４７上下槽連通孔
４８内外管連通孔
５１可延性板材
５２挟持部材
７１外装管
７２内装管
７３上方外装管
７４下方外装管
７５上方取込口
７６下方取込口
７７下端ストッパー
８１上方取込口開閉手段
８２下方取込口開閉手段
８３汲上管
８４汲上ポンプ
８５熱交換部
８６上方還元管
８７下方還元管
８８還元管切換弁
８９モード切換手段
１０１上方ストレーナ
１０２下方ストレーナ
５１１内装管挿通孔
５２１上部狭持部材
５２２下部狭持部材
５２３内装管挿通孔
８３１上端ストッパー
８９１ワイヤー
８９２滑車
８９３水密部材
８９４ワイヤー駆動部
８９５ガイド部
８９６円筒部
Ｌ帯水層
ＵＬ上方帯水層
ＬＬ下方帯水層

Claims

地表面下に埋設された対流水貯留槽内に貯留されている対流水を地表温度と地中温度との温度差により自然対流させて地熱で温められる前記対流水の熱を利用する自然対流式地熱利用手段と、
地下に存在する帯水層内の地熱水を地熱水収集槽内に取り込むとともに前記地熱水を動力で汲み上げて当該地熱水の熱を利用した後、その地熱水を前記地熱水収集槽に戻して前記帯水層内へと還元する動力式地熱利用手段と
を有するハイブリッド型地熱利用装置であって、
前記地熱水収集槽から前記地熱水を汲み上げるための汲上管が前記地熱水収集槽から前記対流水貯留槽内にかけて配置されており、汲み上げられる前記地熱水の熱を前記汲上管を介して前記対流水に伝えて自然対流に利用するハイブリッド型地熱利用装置。
前記対流水貯留槽は、地表面と対流水との熱交換を行うために上方に配置された熱交換槽と、この熱交換槽の下方に配置されて前記熱交換槽との間で前記対流水を流通可能に連通された対流水還元槽と、前記対流水還元槽から垂下された外装循環管と、前記熱交換槽から垂下されているとともに前記外装循環管内に配置されており下方において前記外装循環管との間で前記対流水を流通可能に連通されてなる内装循環管とを有しており、前記汲上管が前記内装循環管内に配置されている、請求項１に記載のハイブリッド型地熱利用装置。
前記地熱水収集槽は、前記外装循環管を下方に延出して複数の帯水層を貫通するように配置されてなる外装管と、この外装管内に配置されるようにして前記内装循環管を下方に延出してなる内装管と、前記外装循環管と前記外装管との境界を仕切る外装仕切板と、前記内装循環管と前記内装管との境界を仕切る内装仕切板と、少なくとも一つの帯水層よりも下方位置であって前記外装管と前記内装管との間における上下の流通を遮蔽して上方外装管および下方外装管に分断する上下遮蔽板とを有しており、前記汲上管が前記内装循環管内から前記内装管内にまで延出されている請求項２に記載のハイブリッド型地熱利用装置。