JP5103070B2

JP5103070B2 - 地中熱利用の住宅・建築用熱交換兼用支持杭システム

Info

Publication number: JP5103070B2
Application number: JP2007169914A
Authority: JP
Inventors: 幸滋田中; 真司高杉
Original assignee: 応用開発株式会社
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: JP2009008320A

Description

本発明は、地中熱利用の住宅・建築用ヒートポンプシステムに係り、特に、地中に挿入した熱交換パイプを通じて、地中熱（地熱エネルギー）を取り出して、これを、住宅等の空調や給湯、融雪等に利用するようにしたシステムに関するものである。

従来から、住宅の省エネルギー化対策、更には都市のヒートアイランド現象の緩和等のために、地中熱を利用したヒートポンプシステムによる住宅の給湯や冷暖房（空調）、融雪等が、種々検討されて来ている。このシステムは、地中では、ある深さ以下になると、年間を通してほぼ一定の温度となるところから、この地中熱を利用して、住宅における空調等を行なうようにするものであって、具体的には、外気に左右されず年間を通して安定した温度に保たれる地中領域に、所定の熱交換パイプを挿し込み、そしてこの熱交換パイプ内に流通せしめられる熱交換媒体により地中熱を地上に取り出して、これを住宅の空調等に利用するようにしたものである。そして、そのようなシステムの各種のものが、これまでに明らかにされており、例えば、特開２００３−３５４５５号公報（特許文献１）、特開２００５−２４１４０号公報（特許文献２）、特開２００７−１０２７５号公報（特許文献３）等を挙げることが出来る。

しかしながら、それら従来の地中熱利用の住宅・建築用ヒートポンプシステムにあっては、何れも、熱交換パイプを建築物（住宅）とは別個の位置に井戸を掘って埋設したり、挿入したりする必要があり、そのための工程乃至は作業の実施によって、そのようなヒートポンプシステムの設置コストが高くなることに加えて、建築物の周りに充分な土地が存在しない場合にあっては、熱交換パイプの埋設や挿入場所がなく、そのために、地中熱利用ヒートポンプシステムの設置が困難となる問題も、内在していたのである。

特開２００３−３５４５５号公報特開２００５−２４１４０号公報特開２００７−１０２７５号公報

ここにおいて、本発明者は、かかる問題に鑑み、上述の如き地中熱利用ヒートポンプシステムの住宅（建築物）への適用方式について、種々検討した結果、住宅（建築物）においては、それを支持するために、一般に、基礎が設けられて、その上に建築物が載置されるようになっている一方、基礎の下方の地中には、そのような基礎を支持するための基礎杭が、必要な深さまで打設されて挿し込まれ、そのような基礎杭の上端部が、基礎の下部を支持するようになっていることに着目した。そして、そのような基礎杭においては、比較的地中深くまで挿し込まれ、一般に１０ｍ、或いはそれ以上の深さにまで挿し込まれることとなるところから、その少なくとも先端部位は、年間を通してほぼ一定の温度領域にまで、充分に達している事実に着目したのである。かかる状況の下、そのような基礎杭として、先端が閉塞された鋼管杭を用い、この鋼管杭の中空部内を利用することによって、熱交換パイプの埋設や挿入のために何等特別な工法乃至は作業を必要とすることなく、その配設を有利に行ない、目的とするヒートポンプシステムを容易に構成し得ることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。

従って、本発明の解決課題とするところは、熱交換パイプを地中深く容易に且つ経済的に有利に配設することが出来ると共に、そのような熱交換パイプの配設のために、特別な敷地を必要とすることのない地中熱利用の住宅・建築用ヒートポンプシステムを提供することにある。

そして、本発明にあっては、かかる課題を解決するために、建築物が載置される基礎を支持するための基礎杭として、先端が閉塞された鋼管杭を用いて、それを該基礎の下方の地中に打設せしめ、そしてこの打設された鋼管杭内に、所定の熱交換媒体が循環流通せしめられる熱交換パイプを一本或いは複数本挿入配置する一方、該熱交換パイプを該鋼管杭の上部から取り出して、地上に配置したヒートポンプに接続せしめることによって、前記熱交換媒体にて地上に取り出された地中熱を、前記建築物の空調や給湯等に利用するようにしたシステムにして、前記熱交換パイプが、前記鋼管杭内において、前記熱交換媒体を該鋼管杭先端側に導く往路管部と、該熱交換媒体を該鋼管杭上部側に導く復路管部とから構成され、且つ該往路管部と該復路管部とが該鋼管杭先端側において接続されていると共に、上端が閉塞されてなる形態の有底円筒形状の筒壁部に下端開口部に達するパイプ取出スリットの二つが周方向に１８０°の位相差をもって対称的に形成されてなる杭頭鋼管からなる杭頭キャップを用い、該杭頭キャップの下端開口部と前記鋼管杭の上端開口部とを、継手リングを介して突き合わせた状態下、該継手リング部位において溶接せしめることにより、該杭頭キャップを該鋼管杭の上端開口部に固着せしめて、一体的な杭体として構成する一方、該杭頭キャップの前記二つのパイプ取出スリットからそれぞれ前記熱交換パイプの往路管部と復路管部とが取り出されるように構成し、且つ前記鋼管杭内に挿入配置された前記熱交換パイプと該鋼管杭内面との間に、所定の充填材を充填せしめて、地中熱が管壁と該充填材を介して該熱交換パイプ内の前記熱交換媒体に伝熱されるように構成したことを特徴とする地中熱利用の住宅・建築用ヒートポンプシステムを、その要旨とするものである。

なお、本発明に従う地中熱利用の住宅・建築用ヒートポンプシステムの望ましい態様によれば、前記鋼管杭の複数本が、前記建築物を支持するように配設される前記基礎の所定位置の直下の地中に、それぞれ打設せしめられると共に、それら複数本の鋼管杭内にそれぞれ挿入配置された前記熱交換パイプが地中において直列に接続されて、地上に取り出されるように構成されている。

このような本発明に従う地中熱利用の住宅・建築用ヒートポンプシステムにあっては、建築物を支持すべく、それが設置される地面には、基礎が必然的に設けられ、更にそのような基礎を支持し、ひいては建築物を支持することとなる基礎杭が、かかる基礎の下方の地中に打設せしめられることとなるところから、この基礎杭を利用して、それを、先端が閉塞された鋼管杭とすることにより、この鋼管杭の中空部内を有効に利用して、所定の熱交換パイプを挿入配置せしめるようにしたのである。それ故に、従来の如く、熱交換パイプを建築物の周りに埋設したり、それを挿入するための井戸を別個に新しく掘る必要が全くなくなったのであって、これにより、熱交換パイプの挿入配置作業が、極めて容易に且つ有利に為され得ることとなった他、そのような挿入配置のための特別な作業も必要ではないところから、経済的にも安価に設置作業を行ない得ることとなったのである。

しかも、そのような熱交換パイプが挿入配置される鋼管杭は、全て、建築物の設置される敷地内において、打設配置せしめられるものであって、建築物の周りの、建築物とは別の離れた敷地に配設されるものではないところから、そのような熱交換パイプを挿入配置するための、建築物の敷地とは異なる別の敷地を用意する必要がない利点があり、このため、敷地が狭いことにより、熱交換パイプを配設することが困難となる等の問題も、良好に回避し得ることとなったのである。

また、かかる本発明に従うヒートポンプシステムによれば、各鋼管杭の開口部に杭頭キャップがそれぞれ取り付けられ、それらの杭頭キャップに設けられたパイプ取出スリットを通じて、各鋼管杭内に挿入配置された熱交換パイプが取り出されると共に、その取り出された熱交換パイプが地中において直列に接続され、そして地中を配管された後、地上に取り出されることとなるところから、住宅の床下に配される各種の配管類が邪魔となるようなことがなく、従って、熱交換パイプの床下配設を有利に行なうことが可能となるのである。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の代表的な実施形態の一つについて、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

先ず、図１には、建築物（住宅）の一部、またそれが載置される基礎の一部、更にはそのような基礎を支持する基礎杭の一部が、断面図の形態において、示されている。そこにおいて、建築物（住宅）２は、よく知られているように、地上において、所定高さを有する、コンクリート等からなる基礎４上に載置されて、その重量が支持され得るようになっている。更に、そのような基礎４を支持するための基礎杭として、先端が閉塞された鋼管杭６の複数が、かかる基礎４の直下において、その下方の地中に深く、例えば１０ｍ或いはそれ以上の深さにおいて打設乃至は圧入せしめられて、外気に左右されず、年間を通して安定した温度に保たれる地中領域に達するように設けられている一方、それら複数の鋼管杭６の上部において、基礎４、ひいては建築物２の重量を支持して、建築物２が傾くことがないように構成されている。

具体的には、鋼管杭６は、一般に、１４ｃｍφ程度の直径を有する、長さが１０ｍ程度の鋼管の先端を閉塞せしめてなる、従来と同様なものであって、その基部となる上端開口部には、有底円筒形状の杭頭キャップ（杭頭鋼管）８が、その下端開口部において溶接により固着されており、またこの杭頭キャップ８の上端面が、基礎４の下面に当接せしめられて、かかる基礎４が、鋼管杭６にて支持され得るようになっている。そして、この鋼管杭６の中空の管内には、Ｕ字型のチューブから構成される熱交換パイプ１０が、挿入配置されている一方、杭頭キャップ８の筒壁部において、その開口部に達するパイプ取出スリット８ａを通じて、熱交換パイプ１０が、杭外に取り出されるようになっている。更に、かかる熱交換パイプ１０内には、水やブライン、エタノール等の不凍液からなる熱交換媒体が循環流通せしめられて、この熱交換媒体に、該熱交換パイプ１０が配置された周りの地中の熱エネルギー（地中熱）が熱交換により吸収されて、その加熱又は冷却が行なわれることとなる。

そして、かかる鋼管杭６の上部から杭外に取り出された熱交換パイプ１０は、図１に示されるように、地中に埋設された横引管１２を介して、更に地上に取り出された後、地上に配置されたヒートポンプ１４に接続せしめられるようになっている。また、このヒートポンプ１４においては、従来と同様に、例えば、エアコン用の冷媒との間において、熱交換パイプ１０内を循環流通せしめられる熱交換媒体に吸収された地中熱が、熱交換されることにより伝達され、そして、冷媒配管１６を通じて、建築物２内のエアコン室内機１８に導かれることにより、建築物２の室内の暖房や冷房が行なわれ得るようになっているのである。

このように、本発明に従って、基礎４を支持すべく、その直下において、地中に打設乃至は圧入せしめられる基礎杭として、先端が閉塞された鋼管杭６を用い、この鋼管杭６の中空の管内を利用して、そこに、熱交換パイプ１０を挿入配置せしめて、そのような熱交換パイプ１０内に、所定の熱交換媒体を循環流通せしめることにより、地中における熱エネルギーの熱交換を行ない、そしてその熱交換された熱交換媒体を地上に取り出すように構成したことによって、従来のように、建築物の周りに所定の熱交換パイプを埋設したり、それを挿入するための井戸を、別個に、新しく設ける必要が全くなくなったのである。このため、そのような熱交換パイプ１０の別個の挿入配置作業を行なう必要がなくなったことにより、地中熱を取り出すためのヒートポンプシステムの配設作業が、極めて簡単且つ容易となり、また設置コスト的にも、より安価と為し得たのである。

しかも、そのような鋼管杭６は、建築物２の敷地内において打設されて、配設されるものであるところから、建築物２の周りに、熱交換パイプを挿入するための別の敷地が全く必要でなくなったことにより、住宅としての建築物２を建てるための敷地が狭いことによって、熱交換パイプを配設することが困難となり、ヒートポンプシステムの設置が出来なくなる等の問題も、良好に解消することが出来ることとなったのである。

なお、図１において、鋼管杭６内に挿入配置せしめた熱交換パイプ１０の取出しは、例えば、図２に示される如き構造において実現されることとなる。即ち、図２（ａ）に示される如く、熱交換パイプ１０は、鋼管杭６内において、熱交換媒体を鋼管杭先端（下部）側に導く往路管部１０ａと、かかる熱交換媒体を鋼管杭上部側に導く復路管部１０ｂとを含んで構成され、且つそれら往路管部１０ａと復路管部１０ｂとが、鋼管杭先端側（下部側）において接続せしめられてなるＵ字型形状を呈しており、また、それら往路管部１０ａと復路管部１０ｂとが、それらの上端部において、エルボを介して横引管１２に接続せしめられてなる構造とされている。一方、杭頭キャップ８は、周方向に１８０°の位相差をもって、換言すれば、周方向の対称位置に、二つのパイプ取出スリット８ａ，８ａが、その筒壁部において開口部に達するように設けられており、この杭頭キャップ８のそれぞれのパイプ取出スリット８ａ，８ａ内に、水平方向に延びる横引管１２，１２が収容されるようにして、杭頭キャップ８が、鋼管杭６の開口部（上端部）に連設せしめられるようになっている。

また、それら鋼管杭６と杭頭キャップ８との連設には、例えば、図３に示される如く、それらの間に継手リング２０を介在せしめた状態において、鋼管杭６の上端開口部と、杭頭キャップ８の下端部とを突き合わせ、そして、継手リング２０部位において、アーク溶接等の公知の溶接手法に従って溶接せしめることにより、それら鋼管杭６と杭頭キャップ８とを固着して、一体的な杭体とすることが出来る。そして、そのような杭頭キャップ８が、鋼管杭６に固着せしめられた状態において、かかる杭頭キャップ８の上端面が、図１に示される基礎４の下面に当接せしめられるようにすることによって、基礎４の支持が有効に為され得ることとなるのである。

ところで、本発明に従う鋼管杭６は、建築物２を支持するように配設される基礎４の配設形態に応じて、適宜の間隔を隔てて、そのような基礎４が配設される敷地内において、地中に打設乃至は圧入せしめられるものであって、例えば、その一例が、図４に示されている。そこでは、３２本の鋼管杭６が、基礎４の所定位置の直下の地中に、それぞれ打設せしめられている。そして、それら複数の鋼管杭６のうちの１６本が一組とされて、相互に直列に連結され、以て２系統の地中熱取出しラインＡ，Ｂが構成され、更にそれら２系統の地中熱取出しラインＡ，Ｂが、それぞれ、ヒートポンプ１４に接続せしめられるようになっている。

なお、かかる複数の鋼管杭６にそれぞれ挿入配置せしめられる熱交換パイプ１０の相互の連結は、例えば、図５に示されるように、横引管１２を介して、直列に接続せしめられていることが望ましく、このように、熱交換パイプ１０内を循環流通せしめられる熱交換媒体が、複数の鋼管杭６内に順次導かれ、以て、熱交換により取り出された地中熱が蓄積されて、地上に、より一層効果的に取り出され得ることとなるのである。

また、鋼管杭６内には、熱交換パイプ１０を挿入配置せしめた状態下において、砂粒等の固形の粒状充填材が投入されて、充填されている。このような充填材の充填によって、熱交換パイプ１０の鋼管杭６内における有効な固定が図られ得ると共に、鋼管杭６の周囲の土中の熱エネルギーが、鋼管杭６の管壁から充填材、そして熱交換パイプ１０の管壁を通じて熱交換媒体に効果的に伝熱せしめられ得るのである。

さらに、図６には、それら２系統の地中熱取出しラインＡ，Ｂによって取り出された地中熱の蓄積された熱交換媒体は、それぞれのヘッダ２２を通じて、マルチタイプのヒートポンプ１４に導かれ、そして、建築物２における一階や二階等の室内ユニット１８の複数のものに対して、それぞれ２系統において、熱交換された冷媒を供給し、以て、目的とする暖房や冷房が行なわれ得るようになっている。

このように、本発明にあっては、建築物２が載置される基礎４の下方の地中に、通常、複数本の鋼管杭６が挿し込まれて、配設されることとなるのであるが、その配設作業は、従来と同様にして行なわれることとなる。即ち、先ず、建築物２の建築に際して、それが配置される予定の敷地の表層部分が、図１における掘削ライン２４として示されるように、所定深さにおいて取り除かれ、そこに、配設される基礎４の配設パターンに従って、所定距離を隔てて、適宜の本数の鋼管杭６が、従来と同様な打設作業に従って、打設乃至は圧入せしめられる。次いで、それら打設された鋼管杭６内に、熱交換パイプ１０をそれぞれ収容した後、その上部開口部に対して、杭頭キャップ８を溶接等によって固着せしめる一方、それら複数本の鋼管杭６内に収容された熱交換パイプ１０を、それぞれの系統別に相互に接続せしめ、更にその後、掘削部位に土を埋め戻し、そしてその上に、従来と同様にして、所定の基礎４が、その下面が杭頭キャップ８の上面に当接するようにして、形成されるのである。そして、基礎４が完成した後に、目的とする建築物２が、かかる基礎４の上に載置されるように、建築されるのである。また、地中に埋め込まれたそれぞれの鋼管杭６内の熱交換パイプ１０を接続する横引管１２の端部が地上に取り出され、そして、地上に設置されたヒートポンプ１４に接続されて、建築物２における空調機器等との接続が行なわれることとなるのである。このように、熱交換パイプ１０を接続する横引管１２を土中に埋め込むことにより、住宅の床下に配設される各種配管との干渉が全く回避され得ることとなったのである。

なお、本発明に従う地中熱利用の住宅・建築用ヒートポンプシステムは、上記した例示の実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものでは決してなく、本発明が、当業者の知識に基いて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることが、理解されるべきである。

例えば、建築物２が載置される基礎４の配設パターンは、図４に例示のものに限定されるものでは決してなく、建築物２の構造によって、各種のパターンが採用され得るところであり、またそのような基礎４の直下において、その下方の地中に打設される鋼管杭６の本数や配設形態にあっても、基礎４の配設形態と共に、基礎４を支持するために要請される基礎杭の配設形態に応じて、適宜の間隔を隔てて配設されるものである。更に、複数本の鋼管杭６（熱交換パイプ１０）の系統化についても、例示の２系統に限られるものではなく、１系統の構成であっても、また３系統以上の複数の系統に分けることも、可能である。尤も、複数の系統に分けた場合にあっては、ヒートポンプ１４としては、マルチタイプのヒートポンプが用いられることとなる。

そして、熱交換パイプ１０は、各鋼管杭６内に１本又は複数本の適宜本数において挿入配置せしめられ、また、そのような熱交換パイプ１０の鋼管杭６上部からの取出し構造にあっては、例示の如く、二つのパイプ取出スリット８ａ，８ａを１８０°の位相差をもって配設する構造が、有利に採用されることとなる。

さらに、鋼管杭６内に投入されて、熱交換パイプ１０と鋼管杭６内面との間の間隙に充填せしめられる粒状の充填材としても、地中熱が管壁と充填材を介して熱交換パイプ１０内を循環、流通せしめられる熱交換媒体に伝熱せしめられるものであれば、如何なる固体粒子であっても、何等差支えないが、一般に、そのような充填材の粒径としては、０．１５〜２．５ｍｍ程度のものが、有利に用いられることとなる。なお、充填材の種類としても、砂等の固形物のみならず、セメントやモルタルを用いることが出来、また水等の液状物も使用可能である。

更にまた、本発明に従って、熱交換媒体により地中から取り出された地中熱は、ヒートポンプ１４において、例示の如く、空調に用いられ得る他、給湯用にも利用され、また融雪装置等の熱エネルギーとしても、有利に用いられるものである。

本発明に従う地中熱利用の住宅・建築用ヒートポンプシステムの一例の一部を示す断面説明図である。図１において用いられる鋼管杭と杭頭キャップの連結形態を示す説明図であって、（ａ）は、鋼管杭の上端部に対する杭頭キャップの取付形態を示す説明図であり、（ｂ）は、そこで用いられる杭頭キャップについて、（ａ）とは周方向に９０°異なる位置から見た斜視説明図である。図２に示される鋼管杭と杭頭キャップとの溶接固着方式の一形態を示す説明図である。基礎の配設パターン及び複数の鋼管杭内の熱交換パイプを相互に接続する系統の一例を示す平面説明図である。複数の鋼管杭に収容配置された熱交換パイプを相互に連結せしめる一例を示す説明図である。本発明に従う住宅・建築用ヒートポンプシステムの一例を示す系統図である。

符号の説明

２建築物４基礎
６鋼管杭８杭頭キャップ
８ａパイプ取出スリット１０熱交換パイプ
１０ａ往路管部１０ｂ復路管部
１２横引管１４ヒートポンプ
１６冷媒配管１８エアコン室外機
２０継手リング２２ヘッダ
２４掘削ライン

Claims

建築物が載置される基礎を支持するための基礎杭として、先端が閉塞された鋼管杭を用いて、それを該基礎の下方の地中に打設せしめ、そしてこの打設された鋼管杭内に、所定の熱交換媒体が循環流通せしめられる熱交換パイプを一本或いは複数本挿入配置する一方、該熱交換パイプを該鋼管杭の上部から取り出して、地上に配置したヒートポンプに接続せしめることによって、前記熱交換媒体にて地上に取り出された地中熱を、前記建築物の空調や給湯等に利用するようにしたシステムにして、
前記熱交換パイプが、前記鋼管杭内において、前記熱交換媒体を該鋼管杭先端側に導く往路管部と、該熱交換媒体を該鋼管杭上部側に導く復路管部とから構成され、且つ該往路管部と該復路管部とが該鋼管杭先端側において接続されていると共に、
上端が閉塞されてなる形態の有底円筒形状の筒壁部に下端開口部に達するパイプ取出スリットの二つが周方向に１８０°の位相差をもって対称的に形成されてなる杭頭鋼管からなる杭頭キャップを用い、該杭頭キャップの下端開口部と前記鋼管杭の上端開口部とを、継手リングを介して突き合わせた状態下、該継手リング部位において溶接せしめることにより、該杭頭キャップを該鋼管杭の上端開口部に固着せしめて、一体的な杭体として構成する一方、該杭頭キャップの前記二つのパイプ取出スリットからそれぞれ前記熱交換パイプの往路管部と復路管部とが取り出されるように構成し、且つ
前記鋼管杭内に挿入配置された前記熱交換パイプと該鋼管杭内面との間に、所定の充填材を充填せしめて、地中熱が管壁と該充填材を介して該熱交換パイプ内の前記熱交換媒体に伝熱されるように構成したことを特徴とする地中熱利用の住宅・建築用ヒートポンプシステム。
前記鋼管杭の複数本を、前記建築物を支持するように配設される前記基礎の所定位置の直下の地中に、それぞれ打設せしめると共に、それら複数本の鋼管杭内にそれぞれ挿入配置された前記熱交換パイプが地中において直列に接続されて、地上に取り出されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の住宅・建築用ヒートポンプシステム。