JP5164507B2

JP5164507B2 - 地中熱交換ユニット設置方法および地中熱交換ユニット

Info

Publication number: JP5164507B2
Application number: JP2007258874A
Authority: JP
Inventors: 清新井; 勇漆畑
Original assignee: Nippon Concrete Industries Co Ltd
Current assignee: Nippon Concrete Industries Co Ltd
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2027-10-02
Also published as: JP2009085556A

Description

本発明は、地中熱利用ヒートポンプシステムに用いられる地中熱交換ユニット設置方法および地中熱交換ユニットに関する。

地盤に杭などの中空管体を挿入し、その中に送水および還水管、２重管、Ｕ字管などの地中熱交換器を設置するとともに、地上にヒートポンプを設置し、周辺地盤や地下水が有する年間を通じて安定的な地中熱と熱交換することで、冷暖房や給湯などのエネルギを節約する地中熱利用ヒートポンプシステムがある（例えば、特許文献１参照）。

上記中空管体をコンクリート製の既成杭で形成した場合も、上記特許文献１で示された場合と同様の図６乃至図８に示される諸方式がある。

図６は、地盤の掘削孔に挿入された既成杭の杭体１の内空部に注水管２および集水管３を設置し、注水管２で杭体１の内空部に注入された水を地中熱と熱交換させて、集水管３で回収するパイプ・イン・パイル方式を示す。

図７は、地盤の掘削孔に挿入された既成杭の杭体１内にＵ字型採熱管４を設置してグラウト材５で固定し、Ｕ字型採熱管４に注入された水をグラウト材５を介して地中熱と熱交換させて回収するＵ字管方式を示す。

図８は、地盤の掘削孔に挿入された既成杭の杭体１内の中心軸部に注水管６を設置し、この注水管６で杭体１内の底部まで注入された水を周囲空間７で上昇させる際に、地中熱と熱交換させて回収する２重円管方式を示す。

また、図９および図１０に示されるように、既成杭の杭体１の外周壁面に沿ってＵ字型採熱管８を取付治具9a，9bなどによって取付けたＵ字管外付け方式もある。このＵ字管外付け方式は、取付治具9a，9bなどによって、杭体１の外周壁面にＵ字型採熱管８を予め固定しておいて、杭体１とともにＵ字型採熱管８を地盤の掘削孔内に挿入するものである。
特開２００４−２３３０３１号公報（第７頁および図１、第９頁および図９、第１１頁および図１４）

図６乃至図８に示された各従来技術は、杭体１のコンクリートおよび杭内部のグラウト材５を介在させて採熱などの熱交換を行なうことから、熱交換効率に劣る問題があり、さらに、図７に示された従来技術は、Ｕ字型採熱管４の本数が制限を受けやすい問題がある。

また、図９および図１０に示された杭外周面にＵ字型採熱管８を取付けた外付け方式は、既成杭の製作時に杭体１に採熱管設置用の取付治具9bなどを取付けておく必要があるとともに、杭挿入前に杭体１にＵ字型採熱管８を固定する必要があり、さらに、挿入深度が深い場合は、Ｕ字型採熱管８の接続作業が複雑になり、これらにより、作業が容易でないとともに施工コストが高くなる問題があり、また、杭体１とともにＵ字型採熱管８を掘削孔に挿入するので挿入時にＵ字型採熱管８が破損し易い問題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、周辺地盤や地下水との短絡的な熱交換が可能となるため採熱または放熱の熱交換効率を向上でき、かつ熱交換用管の設置本数の制限を緩和でき、かつ深い深度でも熱交換用管の設置作業を迅速かつ容易にでき、施工コストを低減できるとともに熱交換用管の破損を防止できる地中熱交換ユニット設置方法および地中熱交換ユニットを提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、杭体より大径の掘削孔に杭体のみを先に挿入し、その後、この杭体を案内ガイドとしてその外周部に、杭体の外周部に嵌合可能な複数のリングとこれらのリングに杭軸方向に固定され熱媒体を供給して回収する複数の熱交換用管とを備えた地中熱交換ユニットを挿入して設置する地中熱交換ユニット設置方法である。

請求項２に記載された発明は、杭体より大径の掘削孔に挿入された杭体を案内ガイドとしてその杭体の外周部に後から挿入して設置される地中熱交換ユニットであって、杭体の外周部に嵌合可能な複数のリングと、これらのリングに杭軸方向に固定された熱媒体を供給して回収する複数の熱交換用管とを具備した地中熱交換ユニットである。

請求項３に記載された発明は、請求項２記載の地中熱交換ユニットにおける熱交換用管が、熱交換用の外管と、この外管の内部に挿入されて外管内の底部に熱媒体を供給する内管と、この内管と外管との間に設けられた熱媒体上昇通路とを具備した地中熱交換ユニットである。

請求項４に記載された発明は、請求項３記載の地中熱交換ユニットにおいて、内管の外周面に設けられた突起物を具備したものである。

請求項１に記載された発明によれば、杭体より大径の掘削孔に挿入された杭体を案内ガイドとしてその外周部に設置された地中熱交換ユニットは、杭体の周囲にて周辺地盤や地下水との短絡的な熱交換が可能であるため採熱または放熱の熱交換効率を向上でき、かつ杭体内に設置する場合よりも設置スペース上の制限を緩和でき、かつ、掘削孔に挿入された杭体を案内ガイドとして杭体の外周部に地中熱交換ユニットを挿入して設置するので、杭体に地中熱交換ユニットを取付ける治具や手間を不要にでき、さらには、杭体の挿入作業と切離して地中熱交換ユニットのみを繋ぎ合わせながら挿入することが可能であるため、深い深度でも熱交換用管の設置作業を迅速かつ容易にでき、施工コストを低減でき、また、地中に杭体のみを挿入する工法より大径の掘削孔を予め掘削しておくので、熱交換用管の破損を防止できる。

請求項２に記載された発明によれば、杭体の外周部に嵌合可能な複数のリングと、これらのリングに杭軸方向に固定された複数の熱交換用管とによって構成される地中熱交換ユニットは、杭体の周囲にて周辺地盤や地下水との短絡的な熱交換が可能であるため採熱または放熱の熱交換効率を向上でき、かつ杭体内に設置する場合よりも熱交換用管の設置本数の制限を緩和でき、かつ、複数のリングと複数の熱交換用管とで篭状に形成された地中熱交換ユニットは、杭体に固定する必要がないので、固定用の治具や手間を不要にでき、さらには、篭状に形成された地中熱交換ユニットを順次接続しながら杭体をガイドとして挿入する作業により、深い深度でも熱交換用管の設置作業を迅速かつ容易にでき、施工コストを低減できるとともに熱交換用管の破損を防止できる。

請求項３に記載された発明によれば、外管の内部に挿入された内管により、外管内の底部に熱媒体を供給し、内管と外管との間に設けられた熱媒体上昇通路で上昇する熱媒体と周辺地盤や地下水との間で熱交換させるので、構造がシンプルで接続容易であるとともに、外管のみを介して採熱または放熱するので熱交換効率が高い。

請求項４に記載された発明によれば、内管の外周面に設けられた突起物が、内管と外管との間に設けられた熱媒体上昇通路に突出して、この熱媒体上昇通路中で上昇する熱媒体の流れを乱流にするので、この熱媒体と周辺地盤や地下水との間での熱交換効率を向上できる。また、この突起物は、外管内への内管の挿入時に挿入ガイドとしても機能するので、内管の設置を容易にできる。

以下、本発明を、図１に示された地中熱交換ユニット設置方法の一実施の形態、図２乃至図５に示された地中熱交換ユニットの一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。

図１に示された地中熱交換ユニット設置方法は、（ａ）地中に杭体のみを挿入する通常工法より大きな掘削径の掘削孔11を、オーガなどによって予め掘削し、（ｂ）この掘削孔11にコンクリート製既成杭の杭体12を挿入して、杭の設置を完了する。杭体12の外周部には、根固め液もしくは杭周固定液13が充填されている。（ｃ）この杭体12の設置後に、通常工法より大径の掘削孔11内で、杭体12の外周部（根固め液もしくは杭周固定液13を充填した部分）に、ガイドプレートや振止め体（図示せず）を取付けた円筒篭状に組立てた地中熱交換ユニット14を、設置済みの杭体12を案内ガイドとしてその外周部に挿入し、所定の深さに設置する。

円筒篭状に形成された地中熱交換ユニット14は、杭軸方向に長尺である場合には、図２に示されるように、複数の地中熱交換ユニット14a，14bに分割可能に設けても良い。この分割型の地中熱交換ユニット14は、地上で管継手による接続およびユニット単体の構造継手などを接続して杭体12の外周部に挿入する作業を重ねることで、任意の深度まで伸ばすことができる。ユニット単体の構造継手は、地中熱交換ユニットに働く押込み力、引張り力、せん断力に耐える構造とする。なお、地中熱交換ユニット14は、必ずしも分割構造にしなくても良い。

次に、図３に示されるように杭体12の外周部に嵌合可能な複数のリング15と、これらのリング15に杭軸方向に固定された複数の熱交換用管16とによって構成される地中熱交換ユニット14は、図１（ｃ）および図２に示されるように杭体12の杭軸方向に沿って配列され、図３および図４に示されるように、これらのリング15の周囲の定ピッチ位置（図では９０°）にて熱媒体を供給して回収する複数の２重管構造の熱交換用管16が、各リング15に溶接付けされたＵ形金具17などにより、杭軸方向に固定されたものである。

図２に示されるように、上部の地中熱交換ユニット14aは、各熱交換用管16の上端部にねじ切り部18aがそれぞれ設けられ、下部の地中熱交換ユニット14bは、各熱交換用管16の下端部に溶接蓋板取付部18bがそれぞれ設けられ、また、上部および下部の各地中熱交換ユニット14a，14bの各熱交換用管16にて相互に対向する管端部は、シール嵌合構造を有する配管用のメカニカル管継手19によりそれぞれ接続可能である。さらに、各熱交換用管16の内側面には、ガイドプレートや振止め体として機能するスペーサ20が設けられている。

図５（ａ）に示されるように、熱交換用管16は、熱交換用の外管21と、この外管21の内部に挿入されて外管21内の底部に熱媒体としての水を供給する内管22と、この内管22と外管21との間に設けられた熱媒体上昇通路23とを具備したものである。外管21は、例えばガス管などに用いられる熱伝導率の高い鉄管などが望ましい。内管22は、その外周面の軸方向所定間隔位置に、熱効率向上のための乱流促進用の突起物22aがそれぞれ一体的に取付けられているが、突起物を有さない塩化ビニル管などの安価な樹脂管でも良い。

上部の地中熱交換ユニット14aの内管22には、上端開口部に水を供給するための給水管24が管継手25を介して接続され、下部の地中熱交換ユニット14bの下端部側面に水を熱媒体上昇通路23に放出する放水穴26が設けられている。下部の地中熱交換ユニット14bの外管21は、下端部が溶接蓋板27により閉じられ、上部の地中熱交換ユニット14aの上端開口部がフランジ接続されたネジ切り加工された蓋板28により閉じられ、この蓋板28に、熱交換された水を外部へ取出すための出水管29が管継手30を介して接続されている。

上部の地中熱交換ユニット14aと下部の地中熱交換ユニット14bとを接続する場合は、それぞれの外管21どうしを、シール嵌合構造を有する配管用のメカニカル管継手により接続する。例として、塩化ビニルを内管とした場合は、既往の接続方法を採用する。

場合によっては、上部の地中熱交換ユニット14aと下部の地中熱交換ユニット14bとの中間部に、同様に複数のリングおよび複数の熱交換用管を備えた中間の地中熱交換ユニット（図示せず）を必要に応じて介在させ、同様のメカニカル管継手により接続してもよい。その場合、中間の地中熱交換ユニットの外管は、上端および下端を開口して、メカニカル管継手により上部の地中熱交換ユニット14aと下部の地中熱交換ユニット14bとを接続する。

次に、図示された実施の形態の作用効果を説明する。

給水管24から管継手25を介して内管22に熱媒体としての水を供給すると、この水は、内管22の下部に開けられた放水穴26から熱媒体上昇通路23に放出され、この熱媒体上昇通路23を上昇する際に、水温が周辺地盤や地下水の温度より低い場合は、外管21を介し周辺地盤や地下水から熱を採取（採熱）して温度上昇し、出水管29を経て外部に取出され、暖房、給湯などに利用される。また、水温が周辺地盤や地下水の温度より高い場合は、外管21を介し周辺地盤や地下水に熱を放出（放熱）して温度低下し、出水管29を経て外部に取出され、冷房などに利用される。

杭体12より大径の掘削孔11に挿入された杭体12を案内ガイドとしてその外周部に熱交換用管16を有する地中熱交換ユニット14を設置する方法によれば、熱交換用管16を杭体12内に設置する場合のように杭体12および杭内部グラウト材などの熱伝導性能の影響を受けず、杭体12の周囲にて周辺地盤や地下水との短絡的な熱交換が可能であるため、採熱または放熱の熱交換効率を向上でき、かつ杭体12内に設置する場合よりも設置スペース上の制限を緩和でき、すなわち熱交換用管16の設置本数の制限を緩和でき、かつ、掘削孔11に挿入された杭体12を案内ガイドとして、この杭体12の外周部に地中熱交換ユニット14を挿入して設置するので、杭体12に地中熱交換ユニット14を取付ける治具や手間を不要にでき、さらには、杭体12の挿入作業と切離して地中熱交換ユニット14のみを繋ぎ合わせながら挿入することが可能であるため、深い深度でも熱交換用管16の設置作業を迅速かつ容易にでき、施工コストを低減でき、また、地中に杭体のみを挿入する通常工法より大径の掘削孔11を予め掘削しておくので、熱交換用管16の破損を防止できる。

杭体12の外周部に嵌合可能な複数のリング15と、これらのリング15に杭軸方向に固定された複数の熱交換用管16とによって構成される地中熱交換ユニット14は、杭体12の周囲にて周辺地盤や地下水との短絡的な熱交換が可能であるため採熱または放熱の熱交換効率を向上でき、かつ熱交換用管16を杭体内に設置する場合よりも熱交換用管16の設置本数の制限を緩和でき、かつ、複数のリング15と複数の熱交換用管16とで篭状に形成された地中熱交換ユニット14は、杭体12に固定する必要がないので、固定用の治具や手間を不要にでき、さらには、篭状に形成された地中熱交換ユニット14を順次接続しながら杭体12をガイドとして挿入する作業により、深い深度でも熱交換用管16の設置作業を迅速かつ容易にでき、施工コスト、特に地中熱交換ユニット14を設置する際のイニシャルコストを低減できるとともに熱交換用管16の破損を防止できる。

外管21の内部に挿入された内管22により、外管21内の底部に熱媒体を供給し、内管22と外管21との間に設けられた熱媒体上昇通路23で上昇する熱媒体と周辺地盤や地下水との間で熱交換させるので、構造がシンプルで接続容易であるとともに、外管21のみを介して採熱または放熱するので熱交換効率が高い。

特に、内管22の外周面に突起物22aが設けられた場合は、この突起物22aが、内管22と外管21との間に設けられた熱媒体上昇通路23に突出して、この熱媒体上昇通路23中で上昇する熱媒体の流れを、図５（ｂ）に示されるように乱流にするので、この熱媒体と周辺地盤や地下水との間での熱交換効率を向上できる。また、この突起物は、外管21内への内管22の挿入時に挿入ガイドとしても機能するので、内管22の設置を容易にできる。

なお、熱交換用管16は、暖房用および給湯用の採熱管として用いられるときと、冷房用の放熱管として用いられるときがある。また、本発明は、コンクリート製の既成杭に限られるものではなく、鋼管製の杭体にも適用可能である。さらに、熱交換用管16は、２重管構造を用いたが、Ｕ字形構造でも良い。要するに、熱交換用管16は、杭体12に一体化されたものではなく、杭体12の挿入完了後に設置できるものであれば、２重管構造でなくても良い。

さらに、図１に示された地中熱交換ユニット設置方法は、埋込み杭工法のうち、穴の掘削した後に杭体12を挿入するプレボーリング工法を想定したものであるが、本発明の地中熱交換ユニット設置方法は、穴の掘削と杭体12の挿入とを同時に行なう中掘工法にも適用できる。杭体12の挿入は、自沈または圧入の両方が含まれる。

本発明は、地中熱利用ヒートポンプシステムに利用可能である。

本発明に係る地中熱交換ユニット設置方法の一実施の形態を示す工程断面図であり、（ａ）は掘削孔の掘削工程、（ｂ）は杭体の挿入工程、（ｃ）は地中熱交換ユニットの挿入工程を示す。本発明に係る地中熱交換ユニットの一実施の形態を示す正面図である。同上ユニットの図１（ｃ）III−III線断面図である。図３におけるユニットのみの断面図である。（ａ）は図３Ｖ−Ｖ線断面図であり、（ｂ）はその突起物の乱流促進作用を説明する拡大断面図である。従来のパイプ・イン・パイル方式を示す縦断面図である。従来のＵ字管方式を示す縦断面図である。従来の２重円管方式を示す縦断面図である。従来のＵ字管外付け方式を示す横断面図である。従来のＵ字管外付け方式を示す杭体の下部の正面図である。

符号の説明

11 掘削孔
12 杭体
14 地中熱交換ユニット
15 リング
16 熱交換用管
21 外管
22 内管
22a 突起物
23 熱媒体上昇通路

Claims

杭体より大径の掘削孔に杭体のみを先に挿入し、
その後、この杭体を案内ガイドとしてその外周部に、杭体の外周部に嵌合可能な複数のリングとこれらのリングに杭軸方向に固定され熱媒体を供給して回収する複数の熱交換用管とを備えた地中熱交換ユニットを挿入して設置する
ことを特徴とする地中熱交換ユニット設置方法。
杭体より大径の掘削孔に挿入された杭体を案内ガイドとしてその杭体の外周部に後から挿入して設置される地中熱交換ユニットであって、
杭体の外周部に嵌合可能な複数のリングと、
これらのリングに杭軸方向に固定された熱媒体を供給して回収する複数の熱交換用管と
を具備したことを特徴とする地中熱交換ユニット。
熱交換用管は、
熱交換用の外管と、
この外管の内部に挿入されて外管内の底部に熱媒体を供給する内管と、
この内管と外管との間に設けられた熱媒体上昇通路と
を具備したことを特徴とする請求項２記載の地中熱交換ユニット。
内管の外周面に設けられた突起物
を具備したことを特徴とする請求項３記載の地中熱交換ユニット。