JP5124235B2

JP5124235B2 - 地中熱採熱システム

Info

Publication number: JP5124235B2
Application number: JP2007281521A
Authority: JP
Inventors: 正志鈴木; 俊治貞本; 恵一佐伯; 正角田
Original assignee: ECO POWER INCORPORATED; Sanken Setsubi Kogyo Co Ltd
Current assignee: ECO POWER INCORPORATED; Sanken Setsubi Kogyo Co Ltd
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2027-10-30
Also published as: JP2009109072A

Description

本発明は地中熱採熱システムに関し、特に比較的小さい面積の敷地にも設置可能な地中熱採熱システムに関する。

地球環境保護意識の高まりを背景に、自然エネルギー活用の一形態として、連続して放出される地中熱を再生可能エネルギーとして利用するシステムが近年採用され始めている。このようなシステムの一例として、地盤面下に設置された貯留水槽の側壁から地中に向かって地下帯水層と平行に層内を横方向にボーリングして掘削孔を設け、掘削孔端部に配設された熱媒分水筒に向かって熱媒を流す熱媒供給管と熱媒分水筒から導入した熱媒を流しつつ地下水の熱を採熱する採熱管とを備える多管式地中熱交換器をこの掘削孔に挿入して、熱媒循環ポンプで地中熱交換機内を熱媒循環させて地下水熱を採取し、冷暖房などの熱源として利用するシステムがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−１４７８９２号公報（図１、図３等）

しかしながら、上述のシステムでは、採熱管の周囲に存在する地下水が流動するかは気象条件や地理的条件等に影響されるために地下水が流動しない場合が多いという状況下で、地下水熱が熱飽和するのを回避して連続した採熱を可能にするために、採熱管内を流れる熱媒の流量を小さくしつつ採熱管の長さを長くするため、システムを設置する敷地が大きくなり、設置が可能なのは敷地面積が大きい比較的大規模な建物に限られてしまっていた。

本発明は上述の課題に鑑み、敷地面積が比較的小さくても敷地面積に応じて設置することができる地中熱採熱システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る地中熱採熱システムは、例えば図１に示すように、土中Ｇに埋設され、水を通す通水孔１１ｈ（例えば図２参照）が側面に複数形成された地中散水管１１と；地中散水管１１内に配設され、地中散水管１１内の水ｗと熱交換を行う熱媒体ｕを内部に流す採熱管１６と；地中散水管１１内に配設され、地中散水管１１内に地下水ｗが放出される複数の放出孔１５ｈ（例えば図２参照）が形成された、地下水放出管１５と；帯水層Ｑに存在する地下水ｗを地下水放出管１５内に向けて送水する地下水ポンプ１３とを備える。

このように構成すると、地下水ポンプにより帯水層に存在する地下水を、地下水放出管から地中散水管内を経て地中散水管外の地中へと連続的に流すことが可能となり、帯水層に存在する地下水を採熱管に対して連続的に接触させることが可能となるので、熱媒体の流量を増加させても採熱が可能となり、採熱量に応じた長さに採熱管を設定することができる。したがって、敷地面積が比較的小さくても敷地面積に応じて地中熱採熱システムを設置することができる。なお、採熱管を流れる熱媒体が採取する熱は、温熱のみならず冷熱も含む概念である。

また、本発明の第２の態様に係る地中熱採熱システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係る地中熱採熱システム１０において、地中散水管１１が略水平方向に伸びて埋設され；地中散水管１１の最上部よりも高い位置かつ帯水層Ｑに存在する地下水ｗの最高水位よりも高い位置ＷＬで水面を保持可能な水槽１２であって、地中散水管１１と連通した水槽１２を備える。

このように構成すると、地下水ポンプに圧力変動が生じた場合であっても水槽内の水位の変動により圧力変動を吸収することができ、地中散水管から放出される水の量を安定させることができて、安定した採熱が可能になる。

また、本発明の第３の態様に係る地中熱採熱システムは、例えば図１を参照して示すと、上記本発明の第２の態様に係る地中熱採熱システム１０において、地下水ポンプ１３が、地中散水管１１の最上部及び帯水層Ｑに存在する地下水ｗの最高水位ＱＬのいずれか高い方よりも水槽１２内の水位ＷＬが所定の高さＤ以上高い位置を保持する運転を行うように構成されている。

このように構成すると、地中散水管の最上部及び帯水層に存在する地下水の最高水位のいずれか高い方と水槽内の水位との水位の差に起因する水頭により地中散水管から地中に地下水を放出させ、地下水を採熱管に対して連続的に接触させることが可能となるので、安定した採熱が可能になる。

また、本発明の第４の態様に係る地中熱採熱システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第２の態様又は第３の態様に係る地中熱採熱システムにおいて、水槽１２が、地中散水管１１の一端に接続された第１の水槽１２Ａと、地中散水管１１の前記一端とは反対側の他端に接続された第２の水槽１２Ｂとを含んで構成されている。

このように構成すると、水槽内に保有できる水量を増やすことができ、地下水ポンプの圧力変動による影響及び水槽内水位の変動を抑制することができて、より安定した採熱が可能になる。

また、本発明の第５の態様に係る地中熱採熱システムは、例えば図４に示すように、上記本発明の第２の態様乃至第４の態様のいずれか１つの態様に係る地中熱採熱システム１０において、水槽１２に、水槽１２内の水ｗを水槽１２外に流出させる流出孔１２ｈが複数形成されている。

このように構成すると、地中に放出する地下水の流量を、流速を速くすることなく増やすことができ、地下水を採熱管に対して連続的に接触させるサイクルを短くすることが可能となって、採熱量を増やすことができる。

また、本発明の第６の態様に係る地中熱採熱システムは、例えば図１及び図２に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第５の態様のいずれか１つの態様に係る地中熱採熱システム１０において、採熱管１６が、地下水放出管１５を囲むように配設された複数の包囲管１６ｂと、熱媒体ｕを包囲管１６ｂのそれぞれに供給する供給管１６ａであって包囲管１６ｂの一端がそれぞれ間隔をもって接続された供給管１６ａと、それぞれの包囲管１６ｂから熱媒体ｕを収集する収集管１６ｃであって包囲管１６ｂの供給管１６ａに接続されていない他端がそれぞれ間隔を持って接続された収集管１６ｃとを有し、複数の包囲管１６ｂのうちの熱媒体ｕが流入しない包囲管１６ｂに対して熱媒体ｕが包囲管１６ｂの前記一端及び前記他端のいずれか一方の近傍を通過するように構成されている。

このように構成すると、地下水放出管を囲むように配設された複数の包囲管を有するので採熱量を増やすことができ、複数の包囲管のうちの熱媒体が流入しない包囲管に対して熱媒体が包囲管の一端及び他端のいずれか一方の近傍を通過するので各包囲管を流れる熱媒体の流量がほぼ等しくなって効率よく採熱することができると共に採熱管の長さの調節が容易になる。

本発明によれば、地下水ポンプにより帯水層に存在する地下水を、地下水放出管から地中散水管内を経て地中散水管外の地中へと連続的に流すことが可能となり、帯水層に存在する地下水を採熱管に対して連続的に接触させることが可能となるので、熱媒体の流量を増加させても採熱が可能となり、採熱量に応じた長さに採熱管を設定することができる。したがって、敷地面積が比較的小さくても敷地面積に応じて地中熱採熱システムを設置することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る地中熱採熱システム１０を説明する。図１は、地中熱採熱システム１０の模式的系統図である。地中熱採熱システム１０は、地中散水管１１と、水槽１２と、地下水ポンプ１３と、地下水放出管１５と、採熱管１６とを備えている。地中散水管１１及びその内部構造については、図２に示す地中散水管１１まわりの部分詳細図を参照することとする。図２では説明の便宜上、地中散水管１１の一部を切り欠いて示している。なお、採熱管１６は、典型的にはヒートポンプチラー２１に接続されており、採熱管１６内を流れる熱媒体ｕの熱がヒートポンプチラー２１の熱源として用いられる。

地中散水管１１は、地下水放出管１５と採熱管１６とを収容すると共に、採熱管１６に連続的に地下水ｗを接触させるように地下水ｗの流れを導く管である。地中散水管１１は、側面（管の軸を巻くように管の内外を仕切っている面）の全体にわたって、地下水ｗを管内から管外へと通すことができる通水孔１１ｈが形成されている。この側面全体にわたって複数形成された通水孔１１ｈを随時地下水ｗが通過することにより、採熱管１６に連続的に地下水ｗが接触するような地下水ｗの流れが形成される。地中散水管１１は、土中Ｇに埋設されており、典型的には帯水層（地層を構成する粒子の間隙が大きく地下水によって飽和されている透水層）に没入するように配設されている。地中散水管１１の埋設深度は、地下水ｗの水位ＱＬ（帯水層の上面）が年間で最も低くなった場合であっても帯水層Ｑ（地下水ｗ）に没入しているような深度であることが好ましい。地中散水管１１は、略水平方向に伸びるように、つまり軸が略水平となるように埋設されている。ここでいう略水平は、水平に対して、地中散水管１１内の地下水ｗが位置水頭によって各通水孔１１ｈから管外に放出された場合に、各通水孔１１ｈから放出される水量の差が許容できる程度で両端に高さの差（水平からのずれ分）がある範囲を含む概念である。通水孔１１ｈは、帯水層Ｑ内に地下水ｗが浸透していく速度にほぼ等しい流速で地下水ｗが管外に放出されるように、その大きさ及び数が決定されるとよい。地中散水管１１には、耐食性の観点から、典型的にはポリエチレン管等の合成樹脂管が用いられる。

地中散水管１１には、その一端に第１の水槽１２Ａが、他端に第２の水槽１２Ｂが、それぞれ接続されている。これにより、地中散水管１１の内部と第１の水槽１２Ａ及び第２の水槽１２Ｂの内部とが連通（相互に地下水ｗの行き来が可能な状態）している。以降の説明では、第１の水槽１２Ａと第２の水槽１２Ｂとを区別する必要がない場合は、単に「水槽１２」と総称する。水槽１２に対する地中散水管１１の接続位置は、水槽１２の下方となっている。水槽１２は、連通する地中散水管１１の通水孔１１ｈから所定の流量の地下水ｗを放出できる水頭（揚程差）分以上、帯水層Ｑの上面ＱＬ（地下水ｗの水位）よりも高い位置（所定の高さＤ）で水位ＷＬを維持できる高さを有している。水槽１２の上部は、大気に開放するように、地表面ＧＬまで伸びて形成されているか、あるいは通気管（不図示）が設けられている。水槽１２は、典型的にはコンクリートで形成されており、例えば人孔が用いられる。水槽１２として人孔を用いると、地中散水管１１内のメンテンスを行うのが容易になり好適である。

地下水ポンプ１３は、帯水層Ｑに存在する地下水ｗを地下水放出管１５内に圧送するポンプであり、典型的には地中散水管１１の底部よりも下方の帯水層Ｑ内に配設されている水中ポンプである。また、地下水ポンプ１３は、年間を通じて温度変化が小さい（例えば温度変化が５℃以内）深度（例えば地表ＧＬより８ｍ以深）に配設されるのが好ましい。また、本実施の形態では、地下水ポンプ１３は、第１の水槽１２Ａの下方に配設されており、地下水ポンプ１３の吐出口に接続された揚水管１３Ｐが第１の水槽１２Ａの底面を貫通している。

地下水ポンプ１３は、ポンプ収容管１４に収容されている。ポンプ収容管１４は、地下水ポンプ１３の周辺部分に、地下水ｗを通すが地中Ｇの砂利を通さない小孔が多数形成されている。これにより、地下水ポンプ１３に導入させたくない大きさの砂利がポンプ収容管１４に流入することを防ぐことができ、地下水ポンプ１３を保護することができる。ポンプ収容管１４は、第１の水槽１２Ａの底部から下方に設けられているが、第１の水槽１２Ａとは直接連通されておらず、ゆえに第１の水槽１２Ａ内の水が直接的にポンプ収容管１４内に流入してこないように構成されている。したがって、ポンプ収容管１４は、第１の水槽１２Ａに接触していなくてもよい。しかしながら、地下水ポンプ１３のメンテナンスの観点から、第１の水槽１２Ａの底部とポンプ収容管１４の端面とを開閉可能な蓋を介して接続し、地中熱採熱システム１０の運転時は第１の水槽１２Ａ内の水が直接的にポンプ収容管１４内に流入してこないようにし、メンテナンス時に第１の水槽１２Ａから地下水ポンプ１３にアクセス可能に構成するとよい。

地下水放出管１５は、地中散水管１１内に配設されており、典型的にはその軸が地中散水管１１の軸と平行あるいは重なるように配設されている。地下水放出管１５は、第１の水槽１２Ａ側の端部が揚水管１３Ｐに接続されており、地下水ポンプ１３から送られてきた地下水ｗを内部に導入するように構成されている。地下水放出管１５の第２の水槽１２Ｂ側の端部は塞がれている。地下水放出管１５は、側面（管の軸を巻くように管の内外を仕切っている面）の全体にわたって、導入された地下水ｗを地下水放出管１５外の地中散水管１１内に放出する放出孔１５ｈが形成されている。放出孔１５ｈは、地中散水管１１の各通水孔１１ｈから放出される合計水量と同じ水量を採熱管１６に向けて放出できるように、その大きさ及び数が決定されるとよい。地下水放出管１５には、典型的にはポリエチレン管等の合成樹脂管が用いられる。

採熱管１６は、熱媒体ｕの流路を形成する管である。採熱管１６の内部を流れる熱媒体ｕは、地下水放出管１５の放出孔１５ｈから採熱管１６の周囲に放出された地下水ｗと熱交換を行うことで地中Ｇの熱（冷熱又は温熱）を採熱するように構成されている。採熱管１６には、典型的には架橋ポリエチレン管が用いられる。採熱管１６は、地中散水管１１の内部に設けられており、地下水放出管１５を軸周りに囲むように配設された複数の包囲管１６ｂと、各包囲管１６ｂに熱媒体ｕを供給する供給管１６ａと、各包囲管１６ｂを流れた熱媒体ｕを収集する収集管１６ｃとを有している。

ここで図３を参照して、供給管１６ａ、包囲管１６ｂ、収集管１６ｃの接続態様について説明する。図３は、採熱管１６の模式的構造図である。図３では説明の便宜のために各包囲管１６ｂを直管で表しているが、実際には、上述のように地下水放出管１５（図１及び図２参照）を軸周りに囲むように配設されている。各包囲管１６ｂは、一端がそれぞれ間隔をもって供給管１６ａに接続されており、他端がそれぞれ間隔をもって収集管１６ｃに接続されている。複数の包囲管１６ｂのうち、一端が供給管１６ａの最も上流に接続されている包囲管１６ｂＡは他端が収集管１６ｃの最も上流に接続されており、一端が供給管１６ａの上流側から２番目に接続されている包囲管１６ｂＢは他端が収集管１６ｃの上流側から２番目に接続されており、以下同様に供給管１６ａとの接続点の上流側から見た順番と収集管１６ｃとの接続点の上流側から見た順番とが同じ順番になるように一端が供給管１６ａに他端が収集管１６ｃにそれぞれ接続され、一端が供給管１６ａの最も下流に接続されている包囲管１６ｂＸは他端が収集管１６ｃの最も下流に接続されている。このように接続されていると、熱媒体ｕが複数の包囲管１６ｂのうちのどの包囲管１６ｂを流れても圧力損失がほぼ等しくなるため、各包囲管１６ｂを流れる熱媒体ｕの流量にムラがなくなり、熱媒体ｕと地下水ｗとの熱交換が効率よく行われることとなる。また、地中Ｇの熱の採熱量の設計値に応じて包囲管１６ｂの数並びに供給管１６ａ及び収集管１６ｃの長さの調節が容易になる。

再び図１に戻って地中熱採熱システム１０の説明を続ける。採熱管１６は、熱媒体還管２２及び熱媒体往管２３を介してヒートポンプチラー２１に接続されている。本実施の形態では、熱媒体還管２２を介して採熱管１６の供給管１６ａとヒートポンプチラー２１の熱媒体導出口とが接続されており、熱媒体往管２３を介して採熱管１６の収集管１６ｃとヒートポンプチラー２１の熱媒体導入口とが接続されている。ヒートポンプチラー２１は水熱源ヒートポンプチラーである。ヒートポンプチラー２１は、熱媒体ｕを導入し、外部からの電気エネルギーを利用して、例えば冷暖房のために用いられる冷水Ｃ及び温水Ｈを製造する機器である（以下、ヒートポンプチラー２１で製造される冷水Ｃ又は温水Ｈの総称を「冷温水ＣＨ」という。）。ヒートポンプチラー２１は、冷媒のヒートポンプサイクルを利用して冷媒が凝縮する際に放出する熱で水を加温して温水Ｈを製造し、冷媒の冷凍サイクルを利用して冷媒が蒸発する際に水から熱を吸収することによりこの水を冷却して冷水Ｃを製造するユニットである。このように、ヒートポンプチラー２１は、ヒートポンプとしてもチラーとしても利用することができる機器である。熱媒体往管２３には、熱媒体ｕを圧送する熱媒体ポンプ２４が挿入配置されている。

ヒートポンプチラー２１には、製造した冷温水ＣＨを熱利用機器２６に供給する冷温水往管２７と、熱利用機器２６で熱が利用された冷温水ＣＨをヒートポンプチラー２１に導く冷温水還管２８とが接続されている。熱利用機器２６は、典型的には、エアハンドリングユニット、ファンコイルユニット、融雪機等の熱を利用する機器である。冷温水還管２８には、冷温水ＣＨを圧送する冷温水ポンプ２９が挿入配置されている。

また、地中熱採熱システム１０は、地下水ポンプ１３の運転を制御する制御装置１８を備えている。制御装置１８は、本実施の形態では、第１の水槽１２Ａ内の水位ＷＬが、地中散水管１１の通水孔１１ｈから所定の流量の地下水ｗを放出できる水頭分（揚程差分）以上、帯水層Ｑの上面ＱＬ（帯水層Ｑ内の地下水ｗの水位ＱＬ）よりも高い状態（所定の高さＤ）を維持するように、地下水ポンプ１３の吐出量を調節するように構成されている。地下水ポンプ１３の吐出量の調節は、インバータで地下水ポンプ１３の回転速度を調節することにより行われる。制御装置１８には、第１の水槽１２Ａ内に配設された水位センサー１９が信号ケーブルを介して接続されており、水位センサー１９で検出された第１の水槽１２Ａ内の水位を信号として受信できるように構成されている。水位センサー１９には、典型的には電極棒やフロートスイッチが用いられる。水位センサー１９は、帯水層Ｑ内の地下水ｗの水位ＱＬの変動にかかわらず第１の水槽１２Ａ内の水位を検出する。このため、水位センサー１９は、通水孔１１ｈから地下水ｗを放出できる水頭が最も小さくなる状態である、帯水層Ｑ内の地下水ｗの水位ＱＬが最も高い状態において、帯水層Ｑの上面ＱＬ（帯水層Ｑ内の地下水ｗの水位ＱＬ）よりも所定の高さＤ高い第１の水槽１２Ａ内の水位ＷＬを検出することができるように第１の水槽１２Ａ内に配設されている。なお、本実施の形態では、制御装置１８は、ヒートポンプチラー２１、熱媒体ポンプ２４、熱利用機器２６、冷温水ポンプ２９をも制御するように構成されている。

引き続き図１及び図２を参照して、地中熱採熱システム１０の作用を説明する。上述のように、ヒートポンプチラー２１は冷水Ｃ及び温水Ｈを製造することができるものであるが、一例として冷水Ｃを製造する場合で説明する。ヒートポンプチラー２１で冷水Ｃを製造しようとするとき、ヒートポンプチラー２１は冷媒の冷凍サイクルを利用して冷媒が蒸発する際に水から熱を吸収することによりこの水を冷却して冷水Ｃを製造する。冷媒の冷凍サイクルを継続するためには蒸発した冷媒を再び凝縮させればよいので、採熱管１６を流れた熱媒体ｕをヒートポンプチラー２１に供給して蒸発した冷媒を凝縮させる。このときの熱媒体ｕは、冷媒を冷却する冷却水として機能していることになる。熱媒体ｕをヒートポンプチラー２１に供給するために、制御装置１８は、熱媒体ポンプ２４を起動する。熱媒体ポンプ２４が起動すると、熱媒体ｕは、熱媒体還管２２、採熱管１６の供給管１６ａ、包囲管１６ｂ、収集管１６ｃ、熱媒体往管２３、ヒートポンプチラー２１内の順に流れる。ヒートポンプチラー２１から導出された熱媒体ｕは、例えば２５℃である。

その一方で、制御装置１８は、地下水ポンプ１３を起動する。地下水ポンプ１３が起動すると、帯水層Ｑに存在する地下水ｗが、ポンプ収容管１４に形成された小孔からポンプ収容管１４内に流入する。ポンプ収容管１４に流入した地下水ｗは、地下水ポンプ１３に吸い込まれて吐出され、揚水管１３Ｐを介して地下水放出管１５内に圧送される。地下水放出管１５に流入した地下水ｗは、地下水ポンプ１３の吐出圧により、地下水放出管１５に形成された複数の放出孔１５ｈから、包囲管１６ｂに向けて放出される。放出孔１５ｈから放出される地下水ｗは、例えば１６℃である。放出孔１５ｈから放出された地下水ｗは、地中散水管１１内に充満し、さらに水槽１２内にも流入して水槽１２内の水位ＷＬが上昇する。制御装置１８は、第１の水槽１２Ａ内の水位ＷＬが、帯水層Ｑの上面ＱＬ（帯水層Ｑ内の地下水ｗの水位ＱＬ）よりも所定の高さＤ以上高い状態を維持するように地下水ポンプ１３を制御する。所定の高さＤは、地中散水管１１の通水孔１１ｈから少なくとも所定の流量の地下水ｗを放出できる水頭分の高さであり、例えば５０ｃｍ〜１ｍである。所定の流量は、ヒートポンプチラー２１で利用される冷熱量を、採熱管１６内を流れる熱媒体ｕに与えることができる流量である。

ヒートポンプチラー２１から導出された熱媒体ｕは、採熱管１６を流れる際に、地下水放出管１５の放出孔１５ｈから放出された地下水ｗと熱交換を行って温度が低下する。例えば、熱媒体ｕは、採熱管１６を流れて地下水ｗの冷熱を採熱することにより２５℃から２２℃に温度が低下する。他方、熱媒体ｕと熱交換を行った地下水ｗは、１６℃から２０℃に上昇する。地中散水管１１内の地下水ｗは、第１の水槽１２Ａ内の水位ＷＬと、帯水層Ｑの上面ＱＬ（帯水層Ｑ内の地下水ｗの水位ＱＬ）との差によって生じる水頭により、地中散水管１１の通水孔１１ｈから地中Ｇへと流出する。つまり、採熱管１６の周りに、放出孔１５ｈから地中散水管１１内に放出され、通水孔１１ｈから地中Ｇへと向かう地下水ｗの流れが発生する。この地下水ｗの流れは地下水ポンプ１３が運転している間継続する。この地下水ｗの流れにより、熱媒体ｕと熱交換して温度が上昇した地下水ｗが採熱管１６周辺に停滞することがなく、いわゆる熱飽和の状態（有効に利用できる熱を採取できない状態）となることを回避することができ、熱媒体ｕが地下水ｗの冷熱を継続して採熱することを可能にしている。

また、地中散水管１１の通水孔１１ｈからの地下水ｗの放出が、第１の水槽１２Ａ内の水位ＷＬと、帯水層Ｑの上面ＱＬ（帯水層Ｑ内の地下水ｗの水位ＱＬ）との差によって生じる水頭により行われるので、地下水ポンプ１３に圧力の変動が生じた場合でも、水槽１２がバッファタンクの役割を果たして圧力変動を吸収することができ、通水孔１１ｈから放出される地下水ｗの流量の急激な変化がなく、時間経過による採熱量の変化が少ない安定した地中熱の採熱が可能になる。また、地下水ポンプ１３が何らかの原因で一時的に停止してしまった場合であっても、通水孔１１ｈから地下水ｗが放出されることとなり、地中熱の採熱を継続することができる。

地中散水管１１の通水孔１１ｈから地中Ｇに放出された地下水ｗは、帯水層Ｑ内を浸透して拡散していく。このとき、地中散水管１１よりも深い位置に地下水ポンプ１３が設けられているので、地下水ポンプ１３の方に地下水ｗの水圧がよりかかることとなり、地下水ポンプ１３には地中散水管１１よりも深部の帯水層Ｑに存在する地下水ｗが吸い込まれることとなるため、通水孔１１ｈから地中Ｇに放出された地下水ｗはほぼ水平方向に拡散していくこととなる。このため、帯水層Ｑ内を拡散する地下水ｗが地下水ポンプ１３に向けてショートサーキットすることはほとんどない。仮に通水孔１１ｈから地中Ｇに放出された地下水ｗが再び地下水ポンプ１３に吸い込まれたとしても、通水孔１１ｈから放出されて地下水ポンプ１３に至るまでに地中Ｇの冷熱により冷却されて、例えば１６℃程度の、熱媒体ｕが冷熱を採熱可能な温度の地下水ｗに再生している。このようにして、熱媒体ｕが地下水ｗの冷熱を連続して採熱することが可能になる。

採熱管１６を流れて地下水ｗから冷熱を採熱した熱媒体ｕは、ヒートポンプチラー２１における冷却水に適した温度に冷却されており、ヒートポンプチラー２１の冷媒の冷凍サイクルを継続させることができる。例えば、熱媒体ｕは２２℃でヒートポンプチラー２１に供給される。なお、上述のように、ヒートポンプチラー２１から導出される熱媒体ｕは、例えば２５℃である。ヒートポンプチラー２１における冷媒の冷凍サイクルにより製造される冷水Ｃは、冷温水ポンプ２９により熱利用機器２６に供給される。熱利用機器２６において冷熱が利用されて温度が上昇した冷水Ｃは、ヒートポンプチラー２１に還水し、冷却されて再び熱利用機器２６に供給される。なお、上記に示した各温度条件は１つの例示であって、地中熱採熱システム１０が設置される地域や地中熱採熱システム１０の具体的な設計条件によって変わるものである。

以上で説明した本実施の形態に係る地中熱採熱システム１０は、地下水ポンプ１３の揚程が、揚水管１３Ｐから地下水放出管１５を経て放出孔１５ｈを流れる地下水ｗの圧力損失分と、第１の水槽１２Ａ内の水位ＷＬと帯水層Ｑの上面ＱＬ（帯水層Ｑ内の地下水ｗの水位ＱＬ）との水位差分の揚程で足りるので、地下水ｗを地上に揚水する場合に比べて地下水ポンプ１３の容量が小さくて済む（例えば、地下水ポンプ１３の動力が約２分の１乃至１０分の１になる。）。また、本実施の形態に係る地中熱採熱システム１０は、地下水ｗを地上に揚水せずに帯水層Ｑ内で循環させて冷熱を利用するので地盤沈下の問題が生じない。

以上では地下水ｗの冷熱を利用する場合で説明したが、地下水ｗの温熱を利用することもできる。地中Ｇの温熱を採熱する場合も、熱媒体ｕ及び地下水ｗの流れは冷熱採熱時と同様である。温熱を利用する場合、ヒートポンプチラー２１は温水Ｈを製造する。ヒートポンプチラー２１で温水Ｈを製造しようとするとき、ヒートポンプチラー２１は冷媒のヒートポンプサイクルを利用して冷媒が凝縮する際に放出する熱で水を加温して温水Ｈを製造する。冷媒のヒートポンプサイクルを継続するためには凝縮した冷媒を再び蒸発させればよいので、温度が高い熱媒体ｕをヒートポンプチラー２１に供給して凝縮した冷媒を蒸発させる。このときの熱媒体ｕは、冷媒を加熱する加熱水として機能していることになる。ヒートポンプチラー２１内における冷媒の蒸発潜熱により温度が低下した熱媒体ｕは、熱媒体ポンプ２４の起動により採熱管１６を流れる際に、放出孔１５ｈから放出された地下水ｗによって温められ、地中Ｇに入る前と比べて温度が上昇した状態で地表ＧＬ上に出てくる。温度が上昇した熱媒体ｕは、再びヒートポンプチラー２１に流入して冷媒を蒸発させる。例えば、５℃でヒートポンプチラー２１から導出された熱媒体ｕは、採熱管１６を流れる際に地下水ｗから温熱を採熱して８℃となってヒートポンプチラー２１に流入する。他方、地中Ｇの温熱を採熱する場合の地下水放出管１５の放出孔１５ｈから放出される地下水ｗは、例えば１５℃で地中散水管１１内に供給され、採熱管１６内を流れる熱媒体ｕと熱交換して１０℃に低下して、通水孔１１ｈから帯水層Ｑ内に放出される。熱媒体ｕ及び地下水ｗの流れ、並びに地下水ポンプ１３や熱媒体ポンプ２４及び冷温水ポンプ２９の起動については冷熱利用時と同様である。また、上記に示した各温度条件は１つの例示であって、地中熱採熱システム１０が設置される地域や地中熱採熱システム１０の具体的な設計条件によって変わるものであることも冷熱利用時と同様である。

以上の説明では、地中散水管１１が帯水層Ｑに没入するように埋設されているとしたが、地中散水管１１の一部が帯水層Ｑに浸るように、あるいは地中散水管１１全体が帯水層Ｑの上方に位置するように埋設されていてもよい。この場合、地中散水管１１の通水孔１１ｈから地下水ｗを放出させる水頭（所定の高さＤ）は、第１の水槽１２Ａ内の水位ＷＬと、地下水ｗが充満した地中散水管１１の上端の位置との鉛直方向における差となる。

以上の説明では、地下水ポンプ１３が水中ポンプであるとしたが、吸い込み揚程が大気圧未満となる場合（地下水ｗを吸い上げ可能である場合）は、地下水ポンプ１３を例えば渦巻ポンプとして地上に設置してもよい。

以上の説明では、第１の水槽１２Ａ内に設置された水位センサー１９が検出した水位に基づいて地下水ポンプ１３の回転速度を調節することにより、帯水層Ｑの上面ＱＬ（帯水層Ｑ内の地下水ｗの水位ＱＬ）よりも第１の水槽１２Ａ内の水位ＷＬが所定の高さＤ以上高い状態を維持することとした。しかしながら、水位センサー１９に代えて、第１の水槽１２Ａの内側に第１の圧力センサーを、第１の水槽１２Ａの外側に第２の圧力センサーを、第１及び第２の圧力センサーが同じ深度（地表面ＧＬからの距離）に位置するようにそれぞれ設け、第１及び第２の圧力センサーが検出した圧力を信号として受信できるように第１及び第２の圧力センサーをそれぞれ信号ケーブルを介して制御装置１８に接続し、第１の水槽１２Ａ内の水位ＷＬと帯水層Ｑの上面ＱＬ（帯水層Ｑ内の地下水ｗの水位ＱＬ）との差を、第１及び第２の圧力センサーで検出した圧力差に基づいて検出できるように構成してもよい。この場合は、帯水層Ｑ内の地下水ｗの水位ＱＬが変動した場合であっても、第１の水槽１２Ａ内の水位ＷＬと帯水層Ｑの上面ＱＬ（帯水層Ｑ内の地下水ｗの水位ＱＬ）との差（所定の高さＤ）を一定（所定の幅に収束されている場合も含む）にすることができ、地中散水管１１の通水孔１１ｈからの地下水ｗの散水量を安定させることができる。なお、第２の圧力センサーは、土圧がかからないように地下水ｗを通すが砂利は通さない保護管（不図示）内に収容されていることが好ましい。

以上の説明では、採熱管１６が地下水放出管１５を取り囲むように配設された複数の包囲管１６ｂを含むこととしたが、包囲管１６ｂとせずに地下水放出管１５と平行に配設された直管であってもよい。

以上の説明では、地中散水管１１の両端に合計２つの水槽１２が接続されているとしたが、地中散水管１１の中程にも水槽１２を設けて合計３つ以上の水槽を備えるようにしてもよい。このようにするとバッファタンクとして機能する水槽１２の保有水量を増やすことができ、通水孔１１ｈから放出される地下水ｗの流量変化をより抑制することができる。また、地下水ポンプ１３の流量の変動が地中熱の採熱に影響を与えない場合は、第１の水槽１２Ａ及び第２の水槽１２Ｂのいずれか一方又は両方を省略してもよい。

以上の説明では、採熱管１６内を流れて地中Ｇの熱（冷熱又は温熱）を採熱した熱媒体ｕの熱がヒートポンプチラー２１の熱源として用いられるとしたが、地中Ｇの熱を採熱した熱媒体ｕをヒートポンプチラー２１を介さずにそのまま熱利用機器２６に供給してもよい。例えば、地中Ｇの熱を採熱した熱媒体ｕを、冷却用のコイル、融雪機、熱交換器等に直接供給して熱媒体ｕの熱を利用してもよく（この場合は典型的には熱媒体ｕが循環する）、あるいは冷却用又は融雪・消雪用に熱媒体ｕを散水してもよい（この場合は典型的には熱媒体ｕは消費される）。

以上の説明のほか、水槽１２に、水槽１２内に貯留されている地下水ｗを地中Ｇに向けて流出させる流出孔が形成されているように構成してもよい。この場合、流出孔は、水槽１２の側面及び／又は底面に複数形成される。
さらに、図４に示す変形例に係る第２の水槽１２Ｂ’のように、水槽１２の底面を下方に伸ばして（このとき図４に示すように伸びた部分の直径を小さくしてもよい。）、流出孔１２ｈの合計面積を増加させてもよい。変形例に係る第２の水槽１２Ｂ’のような構成は、他の水槽１２（例えば地中散水管１１の途中に設けられら水槽等）にも適用することができる。水槽１２に流出孔１２ｈを形成して水槽１２及び地中散水管１１から地中Ｇに流出する地下水ｗの流量を増加させると、地下水ｗの循環流量が増加することとなり、地下水ｗからの採熱量を増加させることができる。

本発明の実施の形態に係る地中熱採熱システムの模式的系統図である。地中散水管まわりの部分詳細図である。採熱管の模式的構造図である。変形例に係る水槽の模式的構造図である。

符号の説明

１０地中熱採熱システム
１１地中散水管
１１ｈ通水孔
１２水槽
１２Ａ第１の水槽
１２Ｂ第２の水槽
１２ｈ流出孔
１３地下水ポンプ
１５地下水放出管
１５ｈ放出孔
１６採熱管
１６ａ供給管
１６ｂ包囲管
１６ｃ収集管
Ｇ土中
Ｑ帯水層
ＱＬ帯水層に存在する地下水の水位
ＷＬ水槽内の水位
ｕ熱媒体
ｗ地下水

Claims

土中に埋設され、水を通す通水孔が側面に複数形成された地中散水管と；
前記地中散水管内に配設され、前記地中散水管内の水と熱交換を行う熱媒体を内部に流す採熱管と；
前記地中散水管内に配設され、前記地中散水管内に地下水が放出される複数の放出孔が形成された、地下水放出管と；
帯水層に存在する地下水を前記地下水放出管内に向けて送水する地下水ポンプとを備え；
前記地中散水管が略水平方向に伸びて埋設され；
前記地中散水管の最上部よりも高い位置かつ帯水層に存在する地下水の最高水位よりも高い位置で水面を保持可能な水槽であって、前記地中散水管と連通した水槽を備える；
地中熱採熱システム。
前記地下水ポンプが、前記地中散水管の最上部及び帯水層に存在する地下水の最高水位のいずれか高い方よりも前記水槽内の水位が所定の高さ以上高い位置を保持する運転を行うように構成された；
請求項１に記載の地中熱採熱システム。
前記水槽が、前記地中散水管の一端に接続された第１の水槽と、前記地中散水管の前記一端とは反対側の他端に接続された第２の水槽とを含んで構成された；
請求項１又は請求項２に記載の地中熱採熱システム。
前記水槽に、前記水槽内の水を前記水槽外に流出させる流出孔が複数形成された；
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の地中熱採熱システム。
前記採熱管が、
前記地下水放出管を囲むように配設された複数の包囲管と、
前記熱媒体を前記包囲管のそれぞれに供給する供給管であって前記包囲管の一端がそれぞれ間隔をもって接続された供給管と、
それぞれの前記包囲管から前記熱媒体を収集する収集管であって前記包囲管の前記供給管に接続されていない他端がそれぞれ間隔を持って接続された収集管とを有し、
複数の前記包囲管のうちの前記熱媒体が流入しない前記包囲管に対して前記熱媒体が前記包囲管の前記一端及び前記他端のいずれか一方の近傍を通過するように構成された；
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の地中熱採熱システム。
土中に埋設され、水を通す通水孔が側面に複数形成された地中散水管と；
前記地中散水管内に配設され、前記地中散水管内の水と熱交換を行う熱媒体を内部に流す採熱管と；
前記地中散水管内に配設され、前記地中散水管内に地下水が放出される複数の放出孔が形成された、地下水放出管と；
帯水層に存在する地下水を前記地下水放出管内に向けて送水する地下水ポンプとを備え；
前記採熱管が、
前記地下水放出管を囲むように配設された複数の包囲管と、
前記熱媒体を前記包囲管のそれぞれに供給する供給管であって前記包囲管の一端がそれぞれ間隔をもって接続された供給管と、
それぞれの前記包囲管から前記熱媒体を収集する収集管であって前記包囲管の前記供給管に接続されていない他端がそれぞれ間隔を持って接続された収集管とを有し、
複数の前記包囲管のうちの前記熱媒体が流入しない前記包囲管に対して前記熱媒体が前記包囲管の前記一端及び前記他端のいずれか一方の近傍を通過するように構成された；
地中熱採熱システム。