JP5463872B2

JP5463872B2 - 地中熱交換システム

Info

Publication number: JP5463872B2
Application number: JP2009265399A
Authority: JP
Inventors: 達一田村
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: JP2011106794A

Description

本発明は、地下水を利用した地中熱交換システムに関する。

地下水を利用した地中熱交換システムとしては、例えば、不透水層に達する深さまで設けられた、対向する一対の地中連続壁の間に、熱交換を行う流体が循環されるパイプが敷設された地中熱交換システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような地中熱交換システムでは、対向する地中連続壁の地下水位より下の位置に、地下水の通水口と排水口とが設けられており、通水口から流入し排水口から流出する地下水がパイプの近傍を流れることにより熱交換が行われる。

特開２００８−２７５２６３号公報

上記地中熱交換システムは、対向する地中連続壁の、地下水位より低い位置に地下水の通水口と排水口とが設けられており、通水口と排水口とが設けられている部位の間にパイプが設けられている。このため、パイプを敷設する際には、対向する地中連続壁の間を掘削する必要があるが、掘削する領域には通水口から地下水が流入するので、地下水が掘削作業の妨げとなり作業効率が悪いという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、止水性が確保された地中連続壁を利用して効率良く熱交換を行うことが可能な地中熱交換システムを提供することにある。

かかる目的を達成するために本発明の地中熱交換システムは、不透水層に達する地中連続壁と、前記地中連続壁に囲まれた領域が掘削されて形成された掘削空間の掘削底に敷設された熱交換パイプと、前記熱交換パイプが敷設された部位に前記不透水層より深い被圧帯水層の地下水を供給する供給管と、を有することを特徴とする地中熱交換システムであって、前記地中連続壁は、前記熱交換パイプと接続される装置が設けられた建物の地下躯体を構築する際に構築される山留壁であり、前記供給管は、前記被圧帯水層の圧力を減圧する減圧井戸の採水管であることを特徴とする地中熱交換システムである。
このような地中熱交換システムによれば、熱交換パイプは、不透水層に達する地中連続壁に囲まれた領域が掘削された掘削空間の掘削底に敷設されているので、熱交換パイプを敷設する際には、地中連続壁に囲まれた領域内は遮水されているので、容易に掘削して熱交換パイプを敷設することが可能である。

また、不透水層より深い被圧帯水層の地下水が供給管により、熱交換パイプが敷設されている部位に供給されるので、供給された地下水にて効率がよい熱交換が行われる地中熱交換システムを提供することが可能である。

また、地下躯体を構築する際に構築された山留壁と被圧帯水層の圧力を減圧する減圧井戸の採水管とを利用することにより、地中熱交換システムのためだけに大がかりな工事を行うことなく効率の良い地中熱交換システムを構築することが可能である。このため、施工コストを抑えるとともに短い工期にて施工することが可能である。

本発明によれば、止水性が確保された地中連続壁を利用して効率良く熱交換を行うことが可能な地中熱交換システムを提供することが可能である。

本実施形態に係る地中熱交換システムのモデル図である。地中熱交換システムに用いる地下ピットを形成する工程を説明するための図である。基礎下に設けられた熱交換パイプの配管の一例を示す平断面図である。基礎下に設けられた熱交換パイプと採水管を説明するための図である。

以下、本発明に係る一実施形態について図を用いて詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る地中熱交換システムのモデル図である。
本実施形態の地中熱交換システム１は、例えば建物としてのビル３の空調装置に用いられる地中熱交換システム１であり、当該ビル３内に設けられた空調設備とビル３の地下躯体３ａの下に設けられた熱交換用の地下ピット１０と、空調設備と繋がって液体が循環される熱交換パイプ２０とを有している。

空調設備は、ビル３内の各室に設けられたファンコイルユニット３０、ヒートポンプ３１、ファンコイルユニット３０とヒートポンプ３１とを接続する循環パイプ３２とを有している。
熱交換パイプ２０は、ポリエチレン等の樹脂製であり、ヒートポンプ３１を介して循環パイプ３２と接続されるとともに、地下ピット１０の底部となる基礎１２の下に埋設されている。

一方、循環パイプ３２側にはファンコイルユニット３０が設けられており、液体が循環する間にファンコイルユニット３０を通過するように構成されている。すなわち、熱交換パイプ２０と循環パイプ３２とは、内部を液体が循環可能に環状に接続されており、熱交換パイプ２０内を流れた液体がヒートポンプ３１を通って循環パイプ３２に流れ込み、循環パイプ３２の途中に設けられたファンコイルユニット３０内を通過してヒートポンプ３１に戻り、ヒートポンプ３１から再び熱交換パイプ２０へ流れて循環するように構成されている。

地下ピット１０は、ビル３の地下躯体３ａを構築するために地盤Ｇが掘削される際に、掘削する掘削領域を囲むように構築される山留壁１１と、山留壁１１に囲まれた領域が所定深さまで掘削された掘削底１３の上面に形成された基礎１２とにより形成されている。

山留壁１１は、例えばＳＭＷ工法により構築されたソイルセメントの地中連続壁であり、高い止水性を有している。この山留壁１１は、地盤Ｇのシルトや粘土などの不透水層７に達する深さまで構築されている。このため、地盤Ｇには山留壁１１と不透水層７とにより囲まれて、地下水を蓄積可能な領域が形成されている。

基礎１２は、山留壁１１に囲まれた領域において、不透水層７より浅い位置まで掘削された掘削底１３にコンクリートが打設されて形成されている。

ところで、不透水層７には、不透水層７より被圧帯水層８の地下水の圧力が作用している。このため、図２に示すように、掘削する掘削領域の掘削底１３が地下水位ＷＬより低い場合には、掘削領域を掘削して、不透水層７の上方から、掘削した土の重さが除去されると、不透水層７が上方に押圧されて掘削底１３が膨らむ虞がある。

掘削底１３が地下水により膨らむことを防止するために、地盤Ｇを掘削する前に予めボーリング等を行い、地盤Ｇの地下水位ＷＬ及び不透水層７に作用する圧力を調査する。調査の結果、掘削により土を除去することにより掘削底１３が膨らむ虞がある場合には、減圧井戸を設けておく。本実施形態のように、掘削底１３が地下水位ＷＬより低い場合に、減圧井戸が設けられる。

減圧井戸は、不透水層７の下の被圧帯水層８と地盤Ｇ上の空間又は掘削領域が掘削された掘削底１３上の空間とを連通し地下水を供給する供給管としての採水管１８を備えている。採水管１８は、掘削作業の前に、下端が被圧帯水層８に至るように、掘削する面積に応じて複数本埋設され、掘削作業は埋設した採水管１８にポンプ（不図示）及びバルブ１９を設けて地下水を排出しつつ進められていく。ここで、減圧井戸は、例えば、４００ｍ^２に１本の割合で設けられている。

減圧井戸は、不透水層７の上部に、掘削にて除去した土の重さより重い重さが作用すると、実質的に不要となる。すなわち、山留壁１１にて囲まれた領域内に、地下躯体３ａ及びビル３が構築され、構築された地下躯体３ａ及びビル３の重さが、掘削にて除去した土の重さより重くなると不要となる。本発明においては、この採水管１８をそのまま残し、熱交換パイプ２０が埋設されている透水部１６への地下水の供給と不透水層７と透水部１６との熱の伝達経路として、ビル３が完成した後も使用する。

具体的には、山留壁１１にて囲まれた領域内を掘削する際に、掘削底１３の上面側に、熱交換パイプ２０を配設可能な凹部１４を形成しておく。凹部１４内には、熱交換パイプ２０を敷設した後に、砕石を入れて透水部１６を形成し、熱交換パイプ２０を埋設する。その上に捨てコンクリートを打設し、その上に基礎１２を施工する。すなわち、熱交換パイプ２０は基礎１２下にて透水部１６内に埋設されている。

図３は、基礎下に設けられた熱交換パイプの配管の一例を示す平断面図である。
凹部１４は、例えば平面形状が矩形状をなし、熱交換パイプ２０の直径より十分に深い深さを有している。凹部１４内には、ビル３の空調装置として必要な長さを有する熱交換パイプ２０を、図３に示すように、所定方向に沿って配置すると共に、所定方向の端部にてＵ字状に屈曲させ、折り返された熱交換パイプ２０が折り返される前の熱交換パイプ２０とほぼ平行になるように順次配置しておく。

図４は、基礎下に設けられた熱交換パイプと採水管を説明するための図である。
図４に示すように、凹部１４内には、減圧井戸として使用した採水管１８の上部が、凹部１４内に地下水を供給できるように長さ及び向きが変更されて配置されている。このため、凹部１４内に不透水層７より下方の被圧帯水層８の地下水を導いて、凹部１４内に地下水を浸透させることにより、熱交換パイプ２０内を循環する液体と地下水との間にて熱交換が行われるように構成される。

被圧帯水層８の地下水は、安定した地熱により、夏は外気より低く、冬は外気より高い温度を維持している。このため、熱交換パイプ２０が敷設された凹部１４に被圧帯水層８の地下水が浸透されることにより、単に基礎１２上に敷設された熱交換パイプ２０より効率良く熱交換が行われる。

特に、本発明の地中熱交換システム１は、透水部１６と被圧帯水層８とを連通する採水管１８が設けられており、透水部１６内に浸透されている水と被圧帯水層８の地下水とが繋がっているので、透水部１６と被圧帯水層８との間でも熱交換が行われるため、透水部１６の水の温度変化も抑えられる。このため、熱交換パイプ２０が埋設されている、基礎１２下の温度を、夏は外気より低く、冬は外気より高い温度に維持させて、高い熱交換性能を維持させることが可能である。

また、本発明の地中熱交換システム１は、ビル３等の建物を構築する際に地盤Ｇを掘削して形成された山留壁１１と、地下水の圧力により掘削底１３が膨れることを防止するために設けた減圧井戸に用いた採水管１８とを利用しているので、地中熱交換システム１だけのために、大がかりな工事を必要としない。このため、施工コストを抑えるとともに短い工期にて施工することが可能である。すなわち、工期を延ばすことなく熱交換効率の高い地中熱交換システム１を構築することが可能である。

また、減圧井戸は、地上の建物が構築されて不透水層７に、掘削した土と同様の重量が作用するまで必要なものなので、一般的には、建物が完成した後には撤去されるものであるが、採水管１８を地中熱交換システム１としても使用するので、採水管１８を撤去する手間も省けるため、工期を短縮することが可能である。

上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。

１地中熱交換システム、３ビル、３ａ地下躯体、７不透水層、
８被圧帯水層、１０地下ピット、１１山留壁、１２基礎、１３掘削底、
１４凹部、１８採水管、１９バルブ、２０熱交換パイプ、
３０ファンコイルユニット、３１ヒートポンプ、３２循環パイプ、
Ｇ地盤、ＷＬ地下水位

Claims

不透水層に達する地中連続壁と、
前記地中連続壁に囲まれた領域が掘削されて形成された掘削空間の掘削底に敷設された熱交換パイプと、
前記熱交換パイプが敷設された部位に前記不透水層より深い被圧帯水層の地下水を供給する供給管と、
を有することを特徴とする地中熱交換システムであって、
前記地中連続壁は、前記熱交換パイプと接続される装置が設けられた建物の地下躯体を構築する際に構築される山留壁であり、
前記供給管は、前記被圧帯水層の圧力を減圧する減圧井戸の採水管であることを特徴とする地中熱交換システム。