JP5331328B2

JP5331328B2 - 地熱利用システム

Info

Publication number: JP5331328B2
Application number: JP2007306010A
Authority: JP
Inventors: 秀昭竹崎; 正和吾孫子; 昇平菅野
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2027-11-27
Also published as: JP2009127982A

Description

本発明は、地熱利用システム、具体的には地中に埋設された熱交換パイプに室外空気または室内空気を送風させ、管内空気と地中熱との間で熱交換を行わせ、加熱または冷却された空気を冷暖房、融雪などに利用する地熱利用システムに関する。

近年、地球温暖化防止技術及び省エネ技術の一つとして、化石燃料によらず地球そのものを冷熱源とする地熱を利用したシステムが注目されている。空気と違って、地中の温度は年間を通して大きな変化がない。そこで、地熱を利用して堆積する雪を溶かすことができる地熱利用システムも提案されている（特許文献１）。また、地下水や地層などを温熱源や冷熱源と考え、夏の冷房では外の空気より低い温度の地中に熱を放出し、冬の暖房では外の空気より暖かい地中から熱を取り出す地熱利用システムが提案されている（特許文献２）。
特開２００３−２２７１０４特開２００５−２８３００７

これらの地熱利用システムに用いられる熱交換パイプは、地上から地中に空気を送る垂直部分と地中に略水平に埋設された水平部分とを備えており、垂直部分に送風用ファンが設けられている。ここで熱交換パイプの水平部分は内面平滑管であるため、送風された空気と管内面との境界域において空気の流れが層流状態になる場合が多い。層流状態では熱伝導率が小さく、効率の高い熱交換が期待できない。したがって、十分なエネルギー交換を行うためには、熱交換パイプの水平部分を長くする必要があり、敷地の広さや初期導入工事費用、材料コストが高価になる恐れがある。

本発明の目的は、上記背景技術の問題点を克服し、簡単な構造で、地中に埋設されている熱交換パイプと地中熱との熱交換性能の向上を図り、より効果的な地熱利用システムを提供することにある。

第１発明に係る地熱利用システムは、熱交換パイプと、送風装置と、旋回気流発生装置とを備えている。ここで、熱交換パイプは、少なくとも一部が地中に埋設され、管内を流れる空気と地熱との間で熱交換を行うためのものである。送風装置は、室外空気または室内空気を熱交換パイプ内に送風するためのものである。旋回気流発生装置は、熱交換パイプ内に設置され、送風機から送られ熱交換パイプ内を流れる空気に旋回流を発生させるためのものです。また、旋回気流発生装置は、回転軸に固定された複数の羽根部材と、複数の羽根部材の外部に形成されたハウジングと、ハウジングを熱交換パイプ内に固定する固定構造とを備えている。さらに、熱交換パイプは、地中に略水平に埋設された水平部を有し、旋回気流発生装置は、熱交換パイプの水平部に所定の設置間隔で複数設置されており、設置間隔と熱交換パイプ内径との比率は５０〜２００である。

地熱利用システムは、地中に埋設された熱交換パイプに送風装置により室外空気または室内空気を送風させ、管内空気と地中熱との間に熱交換を行い、加熱または冷却された空気を冷暖房、融雪などに利用するものである。この場合、地中に埋設される熱交換パイプは、送風装置の配設位置から遠いところに位置しているため、パイプ内面の空気流が層流状態になり易い。層流状態では流体の熱伝導率が低いため、熱交換パイプの伝熱性能が低くなる。

ここでは、熱交換パイプ内に旋回気流発生装置を設置し、送風機から送られ熱交換パイプ内を流れる空気に旋回流を発生させている。熱交換パイプ内の空気が螺旋状に流れることにより、空気流と熱交換パイプと接触距離が長くなり、空気流と熱交換パイプとの熱交換量が大きくなる。また、熱交換パイプ内壁に近い部分の空気は乱流状態となり、熱交換パイプの熱伝達率が高くなる。その結果、熱交換パイプの熱交換効率が向上され、熱交換パイプの長さを短縮することができ、地熱利用システム全体のコストを削減することができる。

また、旋回気流発生装置の中心部には、回転軸が熱交換パイプの水平部と平行に配置され、回転方向に湾曲した複数の羽根部材が回転軸と直角に取り付けられており、複数の羽根部材の外周部には管状ハウジングが形成されている。このような構造を採用することで、より効率良く旋回気流を発生させることができると共に、羽根部材の送風による振動を抑えることができる。

また、旋回気流を発生させるため、湾曲した羽根部材の空気流れ方向の投影面積は、管状ハウジングの断面積の４５％以上必要であり、好ましくは８０％〜１００％である。

熱交換パイプ内の結露水排水を妨げないため、管状ハウジングの厚さは強度を妨げない範囲でできるだけ薄いものを採用し、水の自然流下が可能な構造にすることが望ましい。

さらに、旋回気流の継続距離は横引き管口径と風速や内面摩擦抵抗により異なるが、直線配管部分でおおむね管内径（ｍ）の５０倍から２００倍程度である。そこで、旋回気流発生装置の設置間隔（ｍ）として管内径（ｍ）×５０〜２００程度、好ましくは、管内径（ｍ）×１００〜１５０を目安とした間隔毎に設置することが好ましい。

第２発明に係る地熱利用システムは、第１発明に記載のシステムにおいて、熱交換パイプは空気吸込み口と空気吐出口とを有しており、前記空気吸込み口付近にはオゾン発生装置が配設されている。

夏場などの高温多湿の室外空気を熱交換パイプ内部に導入した場合に、熱交換によって室外空気が冷却され内壁に結露が発生じ、熱交換パイプ内にカビなどの雑菌が繁殖し、悪臭が発生する恐れがある。従来、雑菌の発生を抑制する対策として抗菌フィルターや活性炭フィルターを使用するものがある。しかしながら、抗菌フィルターや活性炭フィルターは定期的な交換が必要である。また、フィルターの設置により送風抵抗が増大し、送風機動力を増大させる必要がある。従来技術で使われる雑菌の発生を抑制するもう一つの対策として、平滑な横引き管に洗浄用の立ち上がり分岐口を地上まで設け、定期的な高圧洗浄等を行うものもある。しかし、熱交換効率を向上させるため、旋回気流発生装置を取り付けた場合、管内にホースを引き込むこと等ができず、高圧洗浄等の方法で内部を洗浄できない場合が発生する。

そこで、本発明では、カビ、雑菌の発生及びそれに伴う悪臭発生の対策として、吸い込み側付近にオゾン発生装置を設置した。オゾン発生装置の種類は特に限定していないが、物品のコストや消費電力から鑑みて、石英ガラスを使用した紫外線ランプ方式や沿面放電方式が好ましい。また、オゾン発生装置を設置することで、熱交換パイプ内を定期的に高圧洗浄する必要が無くなり、旋回気流発生装置を設置して熱交換効率を高めると共に、カビ、雑菌の発生及びそれに伴う悪臭を効果的に抑制することができる。

第３発明に係る地熱利用システムは、第２発明に記載のシステムにおいて、前記空気吸込み口における吸込み風量１００ｍ³/ｈに対し、前記オゾン発生装置のオゾン発生能力は０．５ｍｇ/ｈ〜３５０ｍｇ/ｈである。

オゾン発生装置の発生能力については、オゾンが人体に与える影響とカビ、雑菌の発生及びそれに伴う悪臭抑制効果を鑑みて、吸い込み風量１００ｍ³/ｈに対し０．５ｍｇ/ｈ〜３５０ｍｇ/ｈのオゾン発生能力のオゾン発生器を設置する。好ましくは１ｍｇ/ｈ〜５０ｍｇ/ｈの発生量が適量である。多すぎると独特のオゾン臭が残存し吹き出し部で臭気を感ずる事があり、少なすぎると湿度が高い状況や気温の高い状況では充分に効力が発揮できない場合などがある。

第４発明に係る地熱利用システムは、第１から第３発明のいずれかに記載のシステムにおいて、熱交換パイプは硬質塩化ビニル樹脂で構成され、熱伝導率は０．５〜３．０ｗ/ｍ・Kであって、熱放射率は０．８以上であり、熱交換パイプ水平部の外周面には所定の間隔を隔てて複数の環状リブが形成されており、内周面は平滑面である。

熱交換パイプは、前記水平部が硬質塩化ビニル樹脂からなり、その外周面には所定間隔を隔てて複数の環状リブが形成されたものであってもよい。

この場合、熱交換パイプは、水平部が硬質塩化ビニル樹脂からなり、その外周面に所定間隔を隔てて複数の環状リブが形成されたものであるから、通常の硬質塩化ビニル製の円筒管よりも扁平強度を著しく高くすることができる。

そのため、本発明の熱交換パイプの水平部は、通常の円筒管よりも高い扁平強度とした状態で、環状リブのない薄肉部分の肉厚を通常の円筒管の１／２から１／４程度まで薄くすることができる。

したがって、熱交換パイプの水平部における薄肉部分を上記の範囲の肉厚とした場合には、通常の円筒管よりも、熱交換パイプの水平部内の空気と地中熱との熱交換率を著しく高くさせることができ、また、熱交換パイプを大幅に軽量化することができるので、運搬および施工現場での取り扱いが容易となり、この空調システムを導入するための初期費用を抑えることができる。

水平部は、熱伝導率が０．５〜３．０Ｗ/ｍ・Ｋであって、且つ、熱放射率が０．８以上であることが好ましい。

この場合、熱交換パイプの水平部の熱伝導率は、通常の硬質塩化ビニル樹脂の熱伝導率０．１８Ｗ／ｍ・Ｋと比較して、土の熱伝導率０．７〜１．６Ｗ／ｍ・Ｋに近い値であるから、熱交換パイプの水平部内の空気と地中熱との熱交換が円滑に行われ、熱交換率が向上する。ここで、この熱交換パイプの水平部の熱伝導率の下限値を０．５Ｗ/ｍ・Ｋとしたのは、熱伝導率がこの値未満であると、熱交換パイプの水平部がその内部の空気と地中熱との熱交換を阻害してしまう虞があるからである。また、熱交換パイプの水平部の熱伝導率の上限値を３．０Ｗ/ｍ・Ｋとしたのは、熱伝導率がこの値を超えると、硬質塩化ビニル樹脂の耐食性や成形性などの優れた機能を著しく低下させてしまう虞があるからである。

また、熱交換パイプの水平部は、熱放射率が０．８以上であるため、熱放射率０．８未満である通常の硬質塩化ビニル管とは異なり、熱交換パイプの水平部自体に留まる熱量を減少でき、熱交換パイプの水平部内の空気と地中熱との熱交換率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る地熱利用システムを、図１に示す。地熱利用システム１００は、送風機１と、熱交換パイプ４と、旋回気流発生装置３とを備えている。熱交換パイプ４の一端側には空気吸込み口２、他端側には空気吹き出し口５が設けられており、空気吸込み口２の近くにはオゾン発生装置６が設けられている。熱交換パイプ４の地下埋設部分には排水管７が取り付けられている。図１では、送風機１が空気吸込み口２側に設置され、外部空気を熱交換パイプ４に送風している。このシステムは、例えば気温が３０℃の暑い時期、空気吸込み口２側に設置された送風機１により、３０℃の外部空気を熱交換パイプ４に送風し、温度が１７℃の地中に埋設されている水平部４２で熱交換を行い、例えば２２℃まで冷却させた後、空気吹き出し口５で室内に供給される空調システムである。

＜熱交換パイプの構成＞
図１に示すように、熱交換パイプ４は、地上と地中との間で空気を誘導する垂直部４１と地中に略水平に配置された水平部４２とを備えている。また、本実施形態における地熱利用システム１００の熱交換パイプ４は、硬質塩化ビニル樹脂を用いている。硬質塩化ビニル樹脂は酸やアルカリなど様々な環境下において良好な耐食性を有しており、材料コストおよび製造コストが比較的安価であるため、熱交換パイプ４に適しているからである。

また、熱交換パイプ４の形状は、図４に示すように、外周面に所定間隔Ｐを隔てて複数の環状リブ４２１が形成されている。これにより、通常の円筒管に比べ扁平強度を飛躍的に向上させることができる。結果として、本実施の形態の熱交換パイプ４は通常の円筒管より高い扁平強度を有しているため、環状リブ４２１のない薄肉部分の肉厚を通常の円筒管の１／２〜１／４とすることができる。したがって、熱交換パイプ４の薄肉部分を上記の範囲の肉厚とした場合には、通常の円筒管よりも、熱交換パイプ４内の空気と地中熱との熱交換率を著しく高くすることができる。また、熱交換パイプ４を大幅に軽量化（例えば、６０％前後くらいに）することができるので、運搬および施工現場での取り扱いを容易に行える。

上記熱交換パイプ４の環状リブ４２１同士の間隔Ｐは、表１、表２に示すように、熱交換パイプ４の内径に対して８〜１５％の長さとなるように形成するとよく、また、環状リブ４２１の厚みは、３〜７ｍｍ程度とするとよく、さらに、環状リブ４２１の高さは、熱交換パイプ４の内径に対して２〜１０％程度となるように形成するとよい。熱交換パイプ４の環状リブ４２１をこのような構造とすることにより、熱交換パイプ４は、地中に埋設するには十分な扁平強度が得られ、且つ、熱交換に最も寄与する横引き管２０の薄肉部分の領域を十分に確保することができる。

また、熱交換パイプ４は、熱伝導率が０．５〜３．０Ｗ/ｍ・Ｋであって、且つ、熱放射率が０．８以上であることが好ましい。この場合、熱交換パイプ４の熱伝導率は、通常の硬質塩化ビニル樹脂の熱伝導率０．１８Ｗ／ｍ・Ｋと比較して、土の熱伝導率０．７〜１．６Ｗ／ｍ・Ｋに近い値であるから、熱交換パイプ４内の空気と地中熱との熱交換が円滑に行われ、熱交換率が向上する。ここで、この熱交換パイプ４の熱伝導率の下限値を０．５Ｗ/ｍ・Ｋとしたのは、熱伝導率がこの値未満であると、熱交換パイプ４がその内部の空気と地中熱との熱交換を阻害してしまう虞があるからである。また、熱交換パイプ４の熱伝導率の上限値を３．０Ｗ/ｍ・Ｋとしたのは、熱伝導率がこの値を超えると、硬質塩化ビニル樹脂の耐食性や成形性などの優れた機能を著しく低下させてしまう虞があるからである。

また、熱交換パイプ４は、熱放射率が０．８以上であるため、熱放射率０．８未満である通常の硬質塩化ビニル管とは異なり、熱交換パイプ４自体に留まる熱量を減少でき、熱交換パイプ４内の空気と地中熱との熱交換率を向上させることができる。

上記したように、熱交換パイプ４の熱伝導率を０．５〜３．０Ｗ/ｍ・Ｋとし、且つ、熱放射率を０．８以上とするためには、硬質塩化ビニル樹脂に熱伝導率の高い材料および熱放射率の高い材料を含有させるとよい。

上記熱交換部２２の熱伝導率を向上させるために含有させる材料としては、特に限定するものではなく、例えば、鉄、すず、亜鉛、金、銅、銀、クロム、チタン、マグネシウムなどの金属やそれらの酸化物、アルミナや窒化珪素などの無機材料、および、カーボングラファイトなどをそれぞれ単体でまたは複数を混合したものなどがあげられる。

この熱伝導率を上げる含有物の形状としては、特に限定するものではないが、例えば、粒状のものや針状のものなどがあげられる。

上記粒状の含有物を硬質塩化ビニル樹脂内に含有させた場合、この含有物は硬質塩化ビニル樹脂中で海島構造となってしまい、それぞれの含有物が硬質塩化ビニル樹脂中で分断された状態となることが多い。その場合、含有物を介した熱の伝導が不十分となるため、熱伝導率の高い材料を含有させても熱交換部２２の熱伝導率を向上させる効果が少なくなってしまう。

このような場合には、硬質塩化ビニル樹脂内に、粒状の材料と針状の材料とを混在させて含有させるのが好ましい。これにより、粒状の含有物が硬質塩化ビニル樹脂中に海島構造となって含有物同士が互いに分断された状態となっていても、針状の含有物を混在させることで海島構造の粒状の含有物を針状の含有物がそれぞれ繋げることとなり、含有物の含有量をそれほど多くしなくても熱交換部２２の熱伝導率を向上させることができる。

また、上記熱交換部２２の熱放射率を向上させるために含有させる材料としては、特に限定するものではなく、例えば、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化マンガン、珪酸ナトリウム、炭化ケイ素、カーボンブラック、酸化マグネシウム、および、天然の蛇紋石などがあげられる。

ここで、上記した熱放射率を向上させる材料のうち、酸化マグネシウム以外は硬質塩化ビニル樹脂に含有させても上記した熱伝導率を向上させることができず、さらには熱伝導率を低下させてしまうものもあるため、熱放射率を向上させる材料と熱伝導率を向上させる材料との含有量を調整することが重要である。

この放射率を上げる含有物の形状としては、特に限定するものではなく、例えば、粒状のものや針状のものなどがあげられる。

また、硬質塩化ビニル樹脂に各種粘度調整剤や界面活性剤を添加して成形性を向上させてもよい。

さらに、硬質塩化ビニル樹脂に付加的機能を有する材料を添加してもよく、このような材料としては、例えば、紫外線吸収剤、滑剤、帯電防止剤、耐光性改良剤、難燃剤、結露防止剤、充填剤、着色剤、補強剤、および、繊維などがあげられる。

この熱伝導率を上げる含有物の硬質塩化ビニル樹脂への含有量としては、上記熱伝導率を達成するためには１〜５０ｗｔ％程度必要であるが、熱交換パイプ４の耐食性や扁平強度などの性能および成形性などを考慮すると３〜３３ｗｔ％とするとよく、さらに３〜２０ｗｔ％の範囲とするのが好ましい。

この放射率を上げる含有物の硬質塩化ビニル樹脂への含有量は、少なすぎると放射率を上昇させる効果が少なく、多すぎると成形性が悪くなるため、１〜３３ｗｔ％程度とするのが好ましく、さらには３〜２０ｗｔ％程度とするのが好ましい。

上記熱交換パイプ４の成形方法としては、特に限定するものではなく、例えば、押出成形によって硬質塩化ビニル樹脂の円筒体を成形した後、この樹脂が凝固する前に円筒体の外周面にコルゲートマシンで環状リブ４２１を成形する方法や、中空成形、回転成形、射出成形などによって熱交換パイプ４の最終形状を一気に成形する方法などがあげられる。

熱交換パイプ４の内径としては、特に限定するものではなく、例えば、１５０〜３００ｍｍとするのが好ましい。この熱交換パイプ４の内径が１５０ｍｍ以下であった場合、後述する送風機１によって熱交換パイプ４内の風速を制御する場合に、送風機１の送風量を僅かに調節しただけで、熱交換パイプ４内の風速が大きく変化してしまうため、熱交換パイプ４内の風速の制御が難しくなってしまう。また、この熱交換パイプ４の内径が５００ｍｍ以上であった場合、熱交換パイプ４の重量が重くなってしまうため、運搬および施工現場での取り扱いが容易でなくなってしまい、施工コストが高額になってしまう。

実施寸法例

比較寸法例（硬質塩化ビニル管：ＶＰ・ＶＵ−ＪＩＳＫ６７４１）
＜送風装置の構成＞
送風機１は、熱交換パイプ４内に室外空気を導入するためのものである。送風機１としては、特に限定するものではなく、例えば、回転数を制御することができるファンなどを用いるのが好ましい。このようなファンを用いることで、熱交換パイプ４内の風速をファンの回転数を制御することによって行えるため、熱交換パイプ４内で空気の流速が速すぎて空気と地中熱との熱交換が不十分になるといったことがない。また、内径が１５０〜３００ｍｍの範囲の熱交換パイプ４を用いた場合、送風機１によって熱交換パイプ４内の空気の流速を８ｍ／ｓ以下となるように制御すると、熱交換パイプ４内の空気と地中熱との熱交換を良好に行わせることができる。

＜旋回気流発生装置の構成＞
旋回気流発生装置３は、回転軸３１に固定された複数の羽根部材３２と、複数の羽根部材３２の外部に形成されたハウジング３３と、ハウジング３３を熱交換パイプに固定する固定構造（図示せず）とを備えている。

旋回気流発生装置３の中心部には、回転軸３１が熱交換パイプ４の水平部４１と平行に配置されている。回転方向に湾曲した複数の羽根部材３２が回転軸３１と直角に取り付けられている。より強力な旋回気流を発生させるため、湾曲した羽根部材の空気流れ方向の投影面積は、管状ハウジングの断面積の４０％以上必要であり、好ましくは８０％〜１００％である。

また、複数の羽根部材３２の外周部には管状ハウジング３３が形成されている。熱交換パイプ４内の結露水排水を妨げないため、管状ハウジング３３の厚さは強度を妨げない範囲でできるだけ薄いものを採用し、水の自然流下が可能な構造にすることが望ましい。

このような旋回気流発生装置３の構造を採用することで、より効率良く旋回気流を発生させることができると共に、羽根部材３２の送風による振動を抑えることができる。

また、熱交換パイプ水平部４２には、所定の設置間隔Ｐで複数の旋回気流発生装置３が設置されている。一つの旋回気流発生装置３により発生した旋回気流の継続距離は、熱交換パイプの直径及び風速や内面摩擦抵抗によって異なる。ただし、直線配管部分において、旋回気流の継続距離はおおむね管内径ｄ（ｍ）の５０倍から２００倍程度であるので、設置間隔Ｐ（ｍ）として管内径（ｍ）×５０〜２００程度、好ましくは、管内径（ｍ）×1００〜１５０を目安とした間隔毎に設置することが好ましい。

＜オゾン発生装置の構成＞
熱交換パイプ４の空気吸込み口２には、石英ガラスを使用した紫外線ランプ式オゾン発生装置６が配設されている。オゾン発生装置６のオゾン発生量については、オゾンが人体に与える影響とカビ、雑菌の発生及びそれに伴う悪臭抑制効果を鑑みて、吸い込み風量１００ｍ³/ｈに対し０．５ｍｇ/ｈ〜３５０ｍｇ/ｈのものを設置した。オゾン発生量は、好ましくは１ｍｇ/ｈ〜５０ｍｇ/ｈの発生量が適量である。オゾン発生量が多すぎると独特のオゾン臭が残存し吹き出し部で臭気を感ずる事があり、少なすぎると温度や湿度が高い状況や吸い込み空気のカビ・雑菌量変化（都市と山間部等）により、充分に効力が発揮できない場合があるからである。

（１）実験１
図１に示す地熱利用システム１を用いて、温度が高い室外空気を熱交換パイプに送風して冷却させる際、旋回気流発生装置の有無が熱交換効率に与える影響について評価を行った。この実験では、気温３０℃の夏期に、表１に示す環状リブを有する内径ｄが２００ｍｍの熱交換パイプ４の水平部４２を地下１．８ｍに埋設し、旋回気流発生装置３の配置間隔は３０ｍに配置した。また、水平部４２には１ｍ毎に熱電対を設置し、管内空気温度の計測を行い、３０℃の室外空気が地中熱により２２℃まで冷却されるまでの距離を計算した。また、旋回気流発生装置３を設置しなかった場合、同様の温度が３０℃の室外空気を熱交換パイプ４に送風し、地中熱で２２℃まで到達するまでの距離を計算した。

その結果、図２に示す旋回気流発生装置３を配置してなかったケースでは、平均気温が３０℃の外部空気を熱交換パイプ４に送風し、水平部４２の入口から計測して直線方向に４２ｍ下流位置で２２℃まで冷却された。しかし、旋回気流発生装置３を設置したケースでは、水平部４２の入口から計測して直線方向に２９ｍ下流位置で２２℃まで冷却された。

（２）実験２
旋回気流発生装置３を設置した場合、熱交換パイプの水平部４２における空気の流動状態に関するシミュレーション実験を行った。図３に示すように、水平部４２の入口における風の流れは層流状態である。空気が旋回気流発生装置３を経過する際、湾曲された羽根部材３２が回転軸３１を中心に回転するため、空気に旋回気流が発生し、熱交換パイプ内の空気が螺旋状に流れることになる。また、熱交換パイプ内壁に近い部分の空気は乱流状態となっている。

（３）実験３
実験１と同様の条件で、空気吸込み口２にオゾン発生装置６を取り付けた場合とのオゾン発生装置６を取り付けてない場合との除菌効果について評価を行った。この実験では、送風装置１の吸い込み風量が８００m³/h、オゾンランプのオゾン発生能力が１０ｍｇ/hのものを用い、空気吹き出し口５からの一般細菌を検出する細菌検出器（図示せず）を設置し、検出される細菌数を計測した。

その結果、オゾンランプを設置しなかったケースでは、空気吹き出し口５にて一般落下細菌が１９０個検出された。しかし、オゾンランプを設置したケースでは、空気吹き出し口５にて一般落下細菌が８個に減少したことが確認された。

（４）実験４
実験１と同様の条件で、熱交換パイプ４の硬質塩化ビニル樹脂中に平均粒径１２μｍのアルミナを１０ｗｔ％、長さ３００μｍのカーボン短繊維を３ｗｔ％、および、酸化マグネシウムを５ｗｔ％含有させて、熱伝導率０．６Ｗ／ｍ・Ｋおよび熱放射率０．８２としたものを用いた。

その結果、図２に示す旋回気流発生装置３を配置してなかったケースでは、平均気温が３０℃の外部空気を熱交換パイプ４に送風し、水平部４２の入口から計測して直線方向に３９ｍ下流位置で２２℃まで冷却された。しかし、旋回気流発生装置３を設置したケースでは、水平部４２の入口から計測して直線方向に２７ｍ下流位置で２２℃まで冷却され、熱交換性能が向上したことが確認された。

＜発明の効果＞
以上の説明で述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。

本発明では、熱交換パイプ内に旋回気流発生装置を設置し、送風機から送られ熱交換パイプ内を流れる空気に旋回流を発生させている。したがって、熱交換パイプ内の空気が螺旋状に流れることにより、空気流と熱交換パイプと接触距離が長くなり、空気流と熱交換パイプとの熱交換量が大きくなる。また、熱交換パイプ内壁に近い部分の空気は乱流状態となり、熱交換パイプの熱伝達率が高くなる。その結果、熱交換パイプの熱交換効率が向上され、熱交換パイプの長さを短縮することができ、地熱利用システム全体のコストを削減することができる。

また、本発明に係る地熱利用システムは、熱交換パイプの空気吸込み口付近にオゾン発生装置が配設されている。これにより、送風能力を上げる必要が無くなり、熱交換パイプ内を定期的に高圧洗浄する必要も無く、旋回気流発生装置を設置して熱交換効率を高めると共に、カビ、雑菌の発生及びそれに伴う悪臭を効果的に抑制することができる。

＜変形例＞
（Ａ）
上述した実施例においては、図１に示すように、送風機１が室外に設けられた空気吸込み口２側に設置され、熱交換パイプを介して温度の室外の空気を地熱で冷却させて室内に供給する冷房システムについて説明したが、温度の低い室外空気を地熱で暖めて室内に供給する暖房システムにも採用することができる。
（Ｂ）
また、空気吸込み口２も室内に設けられ、送風機１は空気吹き出し口５側または空気吸込み口２のいずれかに設置され、室内空気を熱交換パイプ４に送風し、地中で熱交換した後再度室内に戻すシステムも可能である。
（Ｃ）
さらに、室内空気の温度を調整する空調システムのみならず、融雪の際も本願の地熱利用システムを採用することができる。融雪のために本発明を採用する場合、オゾン発生装置を設置しなくても良い。
（Ｄ）
上述した実施例においては、図２（ａ）（ｂ）に示すように、旋回気流発生装置３が熱交換パイプ４に固定されている構造を採用しているが、必ずしも固定していなくても良い。また、旋回気流発生装置３は羽根部材３２を有する構造であるが、旋回気流を発生することができる装置であれば、必ずしも羽根状の構造に拘らない。例えば、弊社商品ドロップシャフトやラセンＤＶＬＰのようならせん形状の構造でもよい。

本発明における地熱利用システムを示す概略図（ａ）旋回気流発生装置の斜視図。（ｂ）旋回気流発生装置の断面図。旋回気流発生装置による旋回流シミュレーション図。（ａ）熱交換パイプの斜視図。（ｂ）熱交換パイプのリブ詳細図。

１送風機
１００地熱利用システム
２空気吸込み口
３旋回気流発生装置
３１回転軸
３２羽根部材
３３ハウジング
４熱交換パイプ
４１垂直部
４２水平部
５空気吹き出し口
６オゾン発生装置
７排水管

Claims

少なくとも一部が地中に埋設され、管内を流れる空気と地熱との間で熱交換を行う熱交換パイプと、
室外空気または室内空気を前記熱交換パイプ内に送風する送風装置と、
前記熱交換パイプ内に設置され、前記送風機から送られ熱交換パイプ内を流れる空気に旋回流を発生させる旋回気流発生装置と、
を備え、
前記旋回気流発生装置は、回転軸に固定された複数の羽根部材と、前記複数の羽根部材の外側に形成されたハウジングと、前記ハウジングを前記熱交換パイプ内に固定する固定構造と、を有し、
前記熱交換パイプは、地中に略水平に埋設された水平部を有し、
前記旋回気流発生装置は、前記熱交換パイプの水平部内に所定の設置間隔で複数設置されており、前記設置間隔と前記熱交換パイプの内径との比は５０〜２００：１である、
地熱利用システム。
前記熱交換パイプには空気吸込み口と空気吐出口とが形成されており、
前記空気吸込み口付近に配設されるオゾン発生装置をさらに備えている、
請求項１に記載の地熱利用システム。
前記空気吸込み口における吸込み風量１００ｍ³/ｈに対し、前記オゾン発生装置のオゾン発生能力は０．５ｍｇ/ｈ〜３５０ｍｇ/ｈである、
請求項２に記載の地熱利用システム
前記熱交換パイプは硬質塩化ビニル樹脂で構成され、
前記熱交換パイプの外周面には所定の間隔を隔てて複数の環状リブが形成されており、前記熱交換パイプの内周面は平滑面であり、
前記熱交換パイプの熱伝導率は０．５〜３．０ｗ/ｍ・Kであって、
前記熱交換パイプの熱放射率は０．８以上である、
請求項１から３のいずれかに記載の地熱利用システム。