JP5590365B1 - 熱伝導率が向上した垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直型地中熱ヒートポンプ用の垂直型地中熱利用熱交換器の熱伝導効率を上げることによって、設置孔の合計掘削深さ及びＵ字管の長さを削減し、設置費用とランニングコスト下げ、一般家庭でも設置可能な地中熱交換器を提供する。
【解決手段】本発明の垂直型地中熱利用熱交換器は、掘削機で地面に垂直に設置孔を掘削する段階と、設置孔の底部まで１対以上のＵ字管、凝固前のコンクリートを脱気する脱気装置、及び脱気装置を地表まで引揚げる引揚装置を挿入する段階と、設置孔に凝固前のコンクリートを充填する段階と、コンクリートが充填された設置孔から前記脱気装置を引揚げながら凝固前のコンクリートを脱気する段階と、コンクリートを硬化させる段階と、を含んで設置されたことを特徴とする。

【選択図】 図３

Description

本発明は、熱伝導率が向上した垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法に関する。

一般的な冷暖房機のヒートポンプは、空気を１次側熱媒体とし、空気が保有する熱エネルギーを、ヒートポンプが内蔵する２次側熱媒体の凝縮／蒸発によって、例えばエアコンのような熱利用装置（以下に「負荷機」と記すこともある）に移動させる装置である。しかし、空気の比熱が小さいために大量の空気を必要とし、大型の熱交換機（室外機）が必要であり、熱効率が低く、また熱交換機の空気ファンが騒音を発するという問題がある。
また、夏期は冷房装置の冷却用として高温の空気に熱を放出し、冬季は暖房装置の加熱用熱源として低温の空気を用いなければならないために熱効率が低下すると共に、夏期はヒートアイランド現象を惹起し、冬季は暖房装置が凍結することがあるという問題もある。

この問題に対処するため、地中に埋設したパイプ内に、水、ブライン、エタノール等の１次側熱媒体を循環させて大地から熱エネルギーを吸収又は排出する地中熱利用熱交換器を備え、大地の保有する地中熱エネルギーを２次側熱媒体に移動させて負荷機に供給する、クローズドライン型の地中熱利用ヒートポンプシステム（例えば特許文献１、２を参照）が注目されている。

クローズドライン型の地中熱利用ヒートポンプシステムは、システムが消費する電力より多くの熱エネルギーを大地から負荷機に供給する（移動させる）ことができ、消費した地中熱エネルギーは大地から補給されるので、再生可能エネルギー利用であり、自然環境への汚染は起こらないという特徴を有する。

また、再生可能エネルギーである太陽光発電及び風力発電が、天候、季節、及び日照時間等に大きく影響されるのに比べて、地中熱は天候に左右されず年間を通じて温度がほぼ一定であるため、地中熱利用ヒートポンプシステムは、年間を通じて安定した運転が可能であるという特徴を有する。

更に、ヒートポンプの１次熱伝達媒体に液体を用いることができるため、１次熱伝達媒体と２次熱伝達媒体との間の熱交換機に小型で効率が良く騒音が少ない液−液式の熱交換機を用いて消費電力を大幅に削減することが可能であるという特徴も有する。
クローズドライン型の地中熱利用ヒートポンプシステムは、この様な特徴を有するために欧米では設置数が増加している。

地中熱利用熱交換器には水平型と垂直型とがあり、アメリカでは、地下数メートルの所に水平に熱交換器のパイプを設ける水平型地中熱利用ヒートポンプシステムが一般住宅用としても普及してきた。しかし、土地の狭い日本では、水平型地中熱利用ヒートポンプシステムを設けるような土地は得にくいという問題点がある。一方、垂直型地中熱利用ヒートポンプシステムは、設置するのに広い土地は必要ではないものの、地中に深い垂直孔を掘る必要があるという問題点がある。

国土交通省の「官庁施設における地中熱利用システム導入ガイドライン案、Ｐ１２、４．４．１、実績値による場合」によれば、地中熱利用熱交換器の単位深さ当たりの熱放出量の計算基準は、１メートル当たり３０〜４０Ｗである。一方、一般家庭に空調機を設置するために必要とされる熱交換量は５ＫＷと言われている。従って一般家庭に垂直型地中熱利用ヒートポンプシステムを設ける場合には、深さ１２５〜１７０メートルの地中熱利用熱交換器が必要である。即ち、垂直型地中熱利用熱交換器を設置するために大掛かりな工事と多額の設置費用が必要である。

図１は一般的な垂直型地中熱利用ヒートポンプシステムの一例を示す概略垂直断面図である。
図１に示すように、垂直型地中熱利用ヒートポンプシステム１は、垂直型地中熱利用熱交換器４と、ヒートポンプ３と、熱利用装置２と、で構成される。
垂直型地中熱利用熱交換器４は、地面５から鉛直方向に設けられ、地中に埋設されたコンクリート部１１、コンクリート部１１の内部に設けられたＵ字管１２、及びＵ字管とヒートポンプ３を連結する１次側配管２６を備え、Ｕ字管１２に１次側熱媒体１４を循環させて大地の熱エネルギーを吸収し、あるいは大地に熱エネルギーを排出する。

ヒートポンプ３は、１次側配管２６を通じて１次側熱媒体１４を垂直型地中熱利用熱交換器４に循環させ、大地の熱エネルギーを吸収／排出する循環ポンプ１３と、圧縮装置８及び膨張弁９を備え、２次側熱媒体１５の凝縮／蒸発によって１次側熱媒体１４の熱エネルギーを２次側熱媒体１５に移動させる１次側熱交換機１８と、２次側熱媒体の熱エネルギーを負荷機２に移動させる２次側熱交換器１９と、図示しない出力手段と、を備え、２次側配管２７を通じて熱エネルギーを熱利用装置２へ移動させる。なお、熱利用装置２が２次側熱交換器を兼ねる場合がある。

ここで、「コンクリート」は、世界大百科事典第２版によれば、広義にはセメント類、石灰、セッコウなどの無機物質やアスファルト、プラスチックなどの有機物質を結合材として砂、砂利、砕石などの骨材を練り混ぜた混合物、及びこれが硬化したものを言い、本明細書の「コンクリート」は広義の「コンクリート」を指す。コンクリート」は、狭義には、骨材として砂利又は砕石を含むものを言い、砂を含むものを「モルタル」と言う。本発明においては、狭義の「コンクリート」及び「モルタル」を好ましい材料として用いることができる。しかし、本発明の「コンクリート」は、狭義の「コンクリート」に限定されるものではない。

図２は、垂直型地中熱利用熱交換器の、大地から熱媒体への熱伝導における熱抵抗を推算するための模式水平断面図である。
図２に示すように、１次側熱媒体１４として不凍液を用い、大地６からコンクリート部１１を通じて１次側熱媒体１４へ、矢印７方向の熱伝達が行われる場合の全熱抵抗を推算した。
ここで、Ｕ字管１２の材質はポリエチレンを用い、コンクリート部１１の直径は１４４ｍｍとし、ポリエチレン製Ｕ字管１２の外径は３４ｍｍ、管厚は３．５ｍｍとして全熱抵抗を推算し、計算値を実測値の全熱抵抗と比較した。計算値及び実測値を表１に示す。

表１示すように、地中熱利用熱交換器を構成する部材の材質から計算した全熱抵抗計算値が０．８４１（ｍ・ｈ・℃／ｋｃａｌ）であるのに対して、実際の地中熱利用熱交換器の全熱抵抗計算値は、３．４０１（ｍ・ｈ・℃／ｋｃａｌ）であり４倍以上の差があった。

従来の一般的な地中熱交換器は、直径１５〜３０センチメートル、深さ５０〜１５０メートルの設置孔２０を掘削し、設置孔の上部から底部までＵ字管１２を挿入し、生コンクリートを充填して施工される。設置孔２０の壁面やＵ字管１２の表面には空気層が残っていると推定され、理想的モデルにおける全熱抵抗計算値と、実際の全熱抵抗計算値の差異は、土壌６とコンクリート部１１との境界面１６、及びＵ字管１２とコンクリート部１１との境界面１７の熱抵抗に原因があると推定した。

特開２００３−３０２１２２号公報 特開２００６−３１３０３４号公報

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであって、土壌とコンクリート部との境界面、及びコンクリート部とＵ字管との境界面における熱抵抗を減少させることによって、熱伝導率が向上した垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法を提供することを課題とする。

また本発明は、垂直型地中熱利用熱交換器の熱伝導率を上げることによって、ヒートポンプシステムのランニングコスト下げ、経済性及び環境対応性に優れた地中熱利用ヒートポンプシステムを提供することを課題とする。

更に本発明は、垂直型地中熱利用熱交換器の熱伝導率を上げることによって、垂直型地中熱利用熱交換器のコンクリート部及びＵ字管の長さを削減し、地中熱利用ヒートポンプシステムの設置費用を削減することを課題とする。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであって、本発明の熱伝導率が向上した垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法は、掘削機で地面に垂直な設置孔を掘削する段階と、熱媒体を流通させる１以上のＵ字管を設置孔の底部まで挿入する段階と、設置孔に凝固前のコンクリートを充填する段階と、コンクリートを硬化させる段階と、を含んで施工される垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法であって、
更に、掘削された設置孔の底部まで、コンクリートを脱気する脱気装置及び脱気装置を地表まで引き上げる引揚装置を挿入する段階と、
凝固前のコンクリートを充填した後に設置孔の底部から脱気装置を引揚げながら凝固前のコンクリートを脱気する段階と、
を含むことを特徴とする。

前記脱気装置は、設置孔の内部に設けられ、設置孔の横断面の一部を占有し、Ｕ字管が貫通する１以上のＵ字管貫通部、及び凝固前のコンクリートが通過する１以上の開放部を有し、設置孔の長軸方向に移動自在に設けられた１以上の基板と、引揚装置と、を有することを特徴とする。

また、前記基板は、円形であって、設置孔と中心軸を共有し、設置孔より小さな直径を有し、中心軸に沿って移動自在に設けられ、Ｕ字管が貫通する１以上のＵ字管貫通部と、凝固前のコンクリートが通過する１以上の開放部と、を有する円形基板であることを特徴とする。

また本発明は、掘削機で設置孔を掘削する段階と、Ｕ字管、脱気装置、及び引揚装置を設置孔の底部まで挿入する段階と、設置孔に凝固前のコンクリートを充填する段階と、凝固前のコンクリートが充填された設置孔から、引揚装置を用いて、脱気装置を引揚げながら凝固前のコンクリートを脱気する段階と、コンクリートを硬化させる段階と、を含んで施工されたことを特徴とする。

また本発明は、掘削機で設置孔を掘削する段階と、設置孔に凝固前のコンクリートを充填する段階と、Ｕ字管、脱気装置、及び引揚装置を設置孔の底部まで挿入する段階と、設置孔から、引揚装置を用いて、脱気装置を引き揚げながら凝固前のコンクリートを脱気する段階と、コンクリートを硬化させる段階と、を含んで施工されたことを特徴とする。

また本発明は、前記Ｕ字管が、底面の閉じた鋼管部に挿入され、鋼管部内に液体の充填剤が充填されて、脱気装置及び引揚装置と共に設置孔又は凝固前のコンクリートが充填された設置孔の底部まで挿入されることを特徴とする。
また本発明は、脱気装置に、更に超音波振動装置を連結し、脱気装置を超音波振動させながら引き揚げることを特徴とする。

また本発明は、更に凝固前のコンクリートを加圧する段階を含んで施工されたことを特徴とする。
また本発明は、コンクリートが、土、砂、砂利、及び砕石から選ばれる１以上の骨材と、セメントと、水と、の混合物、及びこれらが硬化したものであることを特徴とする。

本発明の垂直型地中熱利用熱交換器は、脱気装置を、凝固前のコンクリートが充填された設置孔の底部から引き揚げながら凝固前のコンクリートを脱気することによって、土壌とコンクリート、及びＵ字管とコンクリートを密着させて、境界面における熱抵抗を減少させ、垂直型地中熱利用熱交換器の単位深さ当たりの熱交換量を１５０Ｗ／ｍ以上に増加させることができた。

また本発明の垂直型地中熱利用熱交換器は、単位深さ当たりの熱交換量を増加させたことによって、ヒートポンプシステムの使用電力に対する熱供給量の比を増大させ、ヒートポンプシステムのランニングコストを下げ、経済性及び環境対応性に優れた地中熱利用ヒートポンプシステムを提供することができた。

更に本発明の垂直型地中熱利用熱交換器は、熱伝導率を上げることによって、垂直型地中熱利用熱交換器のコンクリート部及びＵ字管の長さを削減し、地中熱利用ヒートポンプシステムの設置費用を削減することができた。
特に、一般家庭用の空調機及び給湯機を設置するために最低限必要とされる５ＫＷの熱量を得るための垂直型地中熱利用熱交換器の長さを、従来の１２５〜１７０メートルから５０メートル以下に削減することができ、大幅な工事期間の短縮及び設置コスト削減が可能になった。

一般的な垂直型地中熱利用ヒートポンプシステムの一例を示す概略垂直断面図である。 垂直型地中熱利用熱交換器の大地から熱媒体への熱伝導における熱抵抗率を推算するための模式水平断面図である。 本発明の一実施例に係る垂直型地中熱利用熱交換器の模式縦断面図である。 本発明の垂直型地中熱利用熱交換器の設置方法を説明する図である。 本発明の脱気装置の構成要素の要部を示す断面図である。 本発明の脱気装置の一実施例の基板の平面図である。 本発明の脱気装置の一実施例の基板の鳥瞰図である。 ７のＡ−Ａ線に沿った断面から見た断面透視鳥瞰図である 本発明の脱気装置の他の実施例の円形基板の平面図である。 本発明の脱気装置の他の実施例の円形基板の鳥瞰図である。 本発明の更に他の実施例に係る垂直型地中熱利用熱交換器の模式縦断面図である。 本発明の脱気装置の更に他の実施例の円形基板の平面図である。 本発明の脱気装置の更に他の実施例の円形基板の鳥瞰図である。 本発明の第１実施形態の垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法を示す工程図である。 本発明の第２実施形態の垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法を示す工程図である。 本発明の実施例１の垂直型地中熱利用熱交換器の熱応答試験における１次側熱媒体の出口温度、入口温度、及びＵ字管の単位深さあたりの熱交換量の経時変化を示を示すグラフである。 本発明の実施例２の垂直型地中熱利用熱交換器の熱応答試験における１次側熱媒体の出口温度、入口温度、及びＵ字管の単位深さあたりの熱交換量の経時変化を示すグラフである。 本発明の実施例３の垂直型地中熱利用熱交換器の熱応答試験における１次側熱媒体の出口温度、入口温度、及びＵ字管の単位深さあたりの熱交換量の経時変化を示すグラフである。

以下に、添付図面を参照しながら、本発明の垂直型地中熱利用熱交換器及びその施工方法を詳細に説明する。
図３は、本発明の一実施例に係る垂直型地中熱利用熱交換器の模式縦断面図である。
図３に示すように、本発明の垂直型地中熱利用熱交換器１０は、地面５から鉛直方向に掘削された設置孔２０中に設けられ大地６に埋設されたコンクリート部１１、コンクリート部１１の内部に設けられたＵ字管１２、及びＵ字管１２とヒートポンプとを連結する１次側配管２６を備え、Ｕ字管１２に１次側熱媒体１４を循環させて大地のエネルギーを吸収し、あるいは大地にエネルギーを排出する。
本発明は、図１に示す従来の垂直型地中熱利用熱交換器４と同様の形状であって、かつ熱伝導率が向上した垂直型地中熱利用熱交換器１０の施工方法に関する。

図４は、本発明の垂直型地中熱利用熱交換器の設置方法を説明する図である。
本発明の垂直型地中熱利用熱交換器１０は、掘削機で地面５から鉛直方向に、地中６に設けられた設置孔２０を掘削する段階と、１次側の熱媒体１４を流通させる１以上のＵ字管１２を設置孔２０の底部まで挿入する段階と、設置孔２０に凝固前のコンクリートを充填し、固化させてコンクリート部１１を形成するする段階と、を含んで施工される。

本発明の垂直型地中熱利用熱交換器１０は、更に図４に示すように、コンクリートを脱気する脱気装置２１及び脱気装置を地表まで引き上げる引揚装置２２を設置孔２０の底部まで挿入する段階と、Ｕ字管１２、脱気装置２１、及び引揚装置２２が底部まで挿入され、凝固前のコンクリートが充填された設置孔２０から脱気装置２１を引揚げながら凝固前のコンクリートを脱気する段階と、を含むことを特徴とする。

図５は、本発明の脱気装置の構成要素の要部を示す断面図である。
図５に示すように、脱気装置２１は設置孔２０の内部に設けられ、設置孔２０の横断面の一部を占有し、上下方向に移動自在に設けられた１以上の基板３０と、基板３０に設けられ、Ｕ字管１２が貫通する１以上のＵ字管貫通部３４と、凝固前のコンクリートが通過する１以上の開放部３１と、基盤３０と設置孔２０の内面との間隔が狭くなった狭窄部３２と、基板３０を地表まで引き上げる引揚装置２２と、を含んで構成される。基板３０は複数個を鉛直方向に重ねて設けることができる。

（本発明の脱気装置の作用）
本発明の垂直型地中熱利用熱交換器は、設置孔２０の底部から脱気装置２１を引揚げるときに、開放部３１、Ｕ字管貫通部３４、及び狭窄部３２を通過するコンクリートの流れ３７よって、土壌６とコンクリート２４との境界面１６、及びＵ字管とコンクリート１７との境界面に存在する空気層３６が破壊され、空気層３６がコンクリート２４に置き換えられる。これによって土壌６とコンクリート２４、及びＵ字管１２とコンクリート２４が密着し、土壌とコンクリート部との境界面１６及びＵ字管とコンクリート部との境界面１７の熱抵抗が減少して垂直型地中熱利用熱交換器の伝熱効率が上昇する。

基板３０と設置孔２０との間は、基盤３０と設置孔２０の内面との間隔が狭くなった狭窄部３２であることが好ましい。従って、基板３０は、設置孔２０より小さな形状を有し、設置孔２０の内壁と可能な限り多くの近接部分を有するものが好ましい。以下に円形基板３３を例示して本発明を説明するが、本発明の基板３０の形状は設置孔２０の形状に基づいて決められるものであって、円形に限られるものではない。

引揚装置２２は、脱気装置２１の基板３０を設置孔２０の横断面と平行な方向に保持したままで地面まで引揚げることができるものであれ何れの形状のものでもよく、例えば基板３０に連結され地面まで延引された索状又は柱状の部材を例示することができる。
また、脱気装置２１に超音波振動を与えることができる。超音波振動は、引揚装置２２又は別途の部材に超音波発生器２８を連結し、超音波を基板３０に伝達することができる。

図６は、本発明の脱気装置の一実施例の基板の平面図であり、図７はその鳥瞰図であり、図８は、図７のＡ−Ａ線に沿った断面から見た断面透視鳥瞰図である。
図６〜８に示すように、本発明の一実施例の基板３０は、設置孔２０と中心軸２５を共有し、設置孔２０より小さな直径を有し、中心軸２５に沿って移動自在に設けられた１以上の円形基板３３であることができる。円形基板３３は、Ｕ字管貫通部３４と、凝固前のコンクリートが通過する１以上の開放部３１と、設置孔２０の内壁又はＵ字管１２の外面と近接した狭窄部３２と、を有し、引揚装置２２と連結されることが好ましい。円形基板３３は、Ｕ字管貫通部３４を形成するために、Ｕ字管貫通部３４を連結する切断線３５を設けて２個の部材で形成してもよい．

図９は本発明の脱気装置の他の実施例の基板の平面図であり、図１０は、その鳥瞰図である。
図９、１０に示すように、本発明の他の実施例の基板１３０は、４個のＵ字管貫通部１３４を有し、一個の設置孔２０に２個のＵ字管を設けた垂直型地中熱利用熱交換器である。一個の設置孔２０に２個のＵ字管１２を設けることによって、垂直型地中熱利用熱交換器の伝達効率を更に改善することができる。
基板１３０の中心線２５、円形基板１３３、開放部１３１、及び切断線１３５は、図５、６に記載した一実施例の円形基板３３の相当する部材と同じ形状である。

図１１は、本発明の更に他の実施例に係る垂直型地中熱利用熱交換器の模式縦断面図である。
図１１に示すように、本発明の更に他の実施例に係る垂直型地中熱利用熱交換器２１０は、底が閉じた鋼管２３８を使用し、その中にＵ字管２１２を設置するものであり、地面５から鉛直方向に大地６の中に埋設されたコンクリート部２１１、コンクリート部２１１の内部に挿入された底が閉じた鋼管部２３８、鋼管部２３８の内部に設けられたＵ字管２１２、鋼管部２３８の内部に充填された充填剤２３９、及びＵ字管２１２とヒートポンプを連結する１次側配管２２６を備え、Ｕ字管２１２に１次側熱媒体１４を循環させて大地のエネルギーを吸収し、あるいは大地にエネルギーを排出する。

本発明の更に他の実施例に係る垂直型地中熱利用熱交換器の鋼管部２３８は熱伝達率が高く、液体の充填剤２３９も対流を生じて熱伝達が促進されるので、Ｕ字管２１２を鋼管部２３８で覆っても、地中熱伝達装置２１０の全体の熱伝達率の低下は少ない。しかし、土壌６とコンクリート部２１１との境界面及びコンクリート部２１１と鋼管２３８との界面には空気層が生じて熱伝達が低下するので、施工にあたっては基盤を備える脱気装置を用いて空気層を除去する必要がある。

図１２は、本発明の脱気装置の更に他の実施例の基板の平面図であり、図１３はその鳥瞰図である。
図１２、１３に示すように、本発明の更に他の実施例に係る垂直型地中熱利用熱交換器２１０の基板２３０は、Ｕ字管貫通部２３４が１個である。
基板２３０の円形基板２３３、開放部２３１、及び切断線２３５は、図５、６に記載した一実施例の円形基板３３の相当する部材と同じ形状である。

図１４は、本発明の第１実施形態の垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法を示す工程図である。
本発明の第１実施形態の垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法の第一段階は、図１４（ａ）に示すように、地面に垂直方向に設置孔２０を掘削する段階である。垂直型地中熱利用熱交換器を設けることのみを目的とする場合は、例えば掘削機２３（先端部分のみ図示する）によって円形の設置孔を掘削するのが効率的であるが、設置孔の形状は円形に限定されない。

第二段階は、図１４（ｂ）に示すように、１次側熱媒体を循環させるＵ字管１２、脱気装置２１、及び脱気装置２１を地表まで引揚げる引揚装置２２を、掘削した設置孔２０の底部まで挿入する段階である。Ｕ字管１２及び脱気装置２１を掘削機２３の先端部に取り付けて、設置孔２０を掘削しながらＵ字管１２と脱気装置２１とを設置孔２０の底部まで挿入することもできる。

第三段階は、図１４（ｃ）に示すように、Ｕ字管１２、脱気装置２１、及び引揚装置２２が挿入された設置孔２０に凝固前のコンクリート２４を充填する段階である。凝固前のコンクリート２４は、設置孔２０の上部から充填することができる。また、Ｕ字管及び脱気装置を取り付ける装置と、設置孔の下部からコンクリートを充填できる装備と、を備える掘削機（図示しない）を用いて、設置孔２０を掘削しながらＵ字管１２と脱気装置２１と挿入し、設置孔２０を掘削した後に凝固前のコンクリートを設置孔２０の下部から充填することができる。

第四段階は、図１４（ｄ）に示すように、コンクリート２４が充填された設置孔２０から、引揚装置２２を用いて脱気装置２１を引き揚げながら、凝固前のコンクリート２４を脱気する段階である。脱気装置２１でコンクリートを攪拌し、脱気装置２１を設置孔２０の内壁面とＵ字管の表面との近傍を移動させることによって、土壌とコンクリート部との境界面１６及びＵ字管とコンクリート部との境界面１７に付着する気体を集めて脱気することができる。

本発明は、コンクリートを充填しながら脱気装置を引き上げ、第三段階のコンクリート充填と第四段階の脱気とを同時に行う変形例を含むことができる。
また、脱気装置２１に、図５に示すように、超音波発振装置２８を連結し、脱気装置２１を超音波で振動させながら凝結前のコンクリート２４を脱気することができる。
本発明で用いるコンクリートは、上記（ａ）〜（ｄ）の操作を完了できるよう、流動性が高く凝固時間が長いものが好ましい。また、コンクリートに用いる砂利は、粒径の小さいものが好ましい。

第五段階は、図１４（ｅ）に示すように、コンクリートを硬化させ、垂直型地中熱利用熱交換器１０の施工を完成させる段階である。
コンクリート２４が固化したのち、図１に示すように、１次側配管２６および２次側配管２７を配管してヒートポンプ３及び負荷機２を連結することができる。

図１５は、本発明の第２実施形態の垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法を示す工程図である。
本発明の第２の実施形態の施工方法の第一段階は、図１５（ａ）に示すように、本発明の第２の実施形態と同様に掘削機２３（先端部の身図示する）で設置孔２０を掘削する段階である。
第二段階は、図１５（ｂ）に示すように、掘削した設置孔２０に凝固前のコンクリート２４を充填する段階である。

第三段階は、図１５（ｃ）に示すように、１次側熱媒体を通過させるＵ字管１２と、地表まで設けられた引揚装置２２を有する脱気装置２１と、を下向きの力を付加しながら凝固前のコンクリート２４が充填された設置孔２０の底部まで挿入する段階である。また、Ｕ字管１２を図４に示す鋼管部２８で予め覆って、下向きの力を付加しながら凝固前のコンクリートが充填された設置孔２０に挿入することもできる。
第四段階と第五段階は、第１の実施例と同様な工程である。

本発明の垂直型地中熱利用熱交換器は、更に凝固前のコンクリートを加圧する段階を更に含んで設置されることが好ましい。凝固前のコンクリートを加圧する装置は、公知であるので、詳細な記述は省略する。

［実施例１］
（垂直型地中熱利用熱交換器の施工）
垂直型地中熱利用熱交換器の設置場所を整地した後、掘削機（型式：ＴＨＣ、製造会社（株）利根、掘削能力：３００ｍ）を用いて直径１５０ｍｍ、深さ５２メートルの垂直型地中熱利用熱交換器の設置孔２０を掘削し、設置孔２０の５１メートルの深さまで、外径３４ｍｍ、内径２７ｍｍのポリエチレン管を曲げて作成したＵ字管１２、図６〜８に記載した円形基板３３を有する脱気装置２１、及び脱気装置２１から地面５まで延引された引揚装置２２を挿入した。ここで、円形基板３３は、２個のＵ字管貫通部３４、３４を通る切断線３５を設けて２個の部材で形成し、Ｕ字管貫通部３４をＵ字管１２が貫通するよう配置した後、図示しない固定部材で固定した。
次いで、Ｕ字管１２、引揚装置２２、及び脱気装置２１が挿入された設置孔２０の上部から地面までコンクリートを充填した後、引揚装置２２を用いて脱気装置を地表まで引上げて凝固前のコンクリートを脱気し、コンクリートを固化させて垂直型地中熱利用熱交換器１０を施工した。

（熱応答試験）
施工した垂直型地中熱利用熱交換器１０のＵ字管１２に、初温２６．６度の水を、平均３６．８Ｌ／ｍｉｎの流量で循環させ、垂直型地中熱利用熱交換器１０をヒートポンプ［型式：ＧＳＨＰ−１００１、製造会社：サンポット株式会社、定格電力３．３８ＫＷ］に連結し、ヒートポンプから供給される冷却水を冷房装置の室内機に循環させて、夏季に広さ５０畳の室温２８．８℃の部屋を冷房運転した。
表２は、本発明の実施例１の垂直型地中熱利用熱交換器の、熱応答試験における１次側熱媒体の出口温度、入口温度、及びＵ字管の単位深さあたりの熱交換量の経時変化を示し、図１６はそのグラフである。なお、図１６の左側縦軸は温度を、右側縦軸は単位深さ（１ｍ）あたりの熱交換量を、横軸は時間［分］を示す。
表３及び図１６に示すように、実施例１の垂直型地中熱利用熱交換器１０は、平衡状態に達した運転開始１０分後〜測定終了時１３０分後までの間の、Ｕ字管入口水温は２８．７〜３１．７℃の範囲であり、出口水温は２６．０〜２８．６℃の範囲であり、熱交換器１０の平均出力は６．５０ＫＷであり、深さ１ｍあたり平均熱交換量（地中との熱交換量）は１２７Ｗ／ｍであった。
また、ヒートポンプから室内機への冷却水の平均流量は１６．７Ｌ／ｍｉｎであり、往き水温は５．９〜６．２度、戻り水温は１０．５〜１１．３度の範囲であり，平均冷房出力は５．８４ＫＷであり、ヒートポンプ装置全体の消費電力は１．４９ｋｗであった。

［実施例２］
（垂直型地中熱利用熱交換器の施工）
深さ３９メートルの垂直型地中熱利用熱交換器１０の設置用の設置孔２０を実施例１と同様の操作で掘削し、Ｕ字管１２を地表から３７メートルまで挿入した垂直型地中熱利用熱交換器１０を施工した。

（熱応答試験）
施工した垂直型地中熱利用熱交換器１０のＵ字管１２に、初温２６．６度の水を、平均３３．２Ｌ／ｍｉｎの流量で循環させ、垂直型地中熱利用熱交換器１０をヒートポンプ［型式：ＧＳＨＰ−１００１、製造会社：サンポット株式会社、定格電力３．３８ＫＷ］に連結し、実施例１と同様の条件で冷房運転した。その結果を表３及び図１７に示す。
表３は、本発明の実施例２の垂直型地中熱利用熱交換器の、熱応答試験における１次側熱媒体の出口温度、入口温度、及びＵ字管の単位深さあたりの熱交換量の経時変化を示し、図１７はそのグラフである。なお、図１７の左側縦軸は温度を、右側縦軸は単位深さ（１ｍ）あたりの熱交換量を、横軸は時間［分］を示す。
実施例２における、垂直型地中熱利用熱交換器１０の、平衡状態に達した運転開始１０分後〜測定終了時６５分後までの間の、Ｕ字管入口水温は２８．１〜３２．２℃の範囲であり、出口水温は２５．５〜２９．１℃の範囲であり、熱交換器１０の平均出力は５．６０ＫＷであり、深さ１ｍあたり平均熱交換量（地中との熱交換量）は１５１Ｗ／ｍであった。
また、ヒートポンプから室内機への冷却水の平均流量は１６．６Ｌ／ｍｉｎであり、往き水温は５．７〜５．９℃、戻り水温は９．７〜１０．６℃の範囲であり，平均冷房出力は４．９８ＫＷであり、ヒートポンプ装置全体の消費電力は１．２５ｋｗであった。

［実施例３］
（垂直型地中熱利用熱交換器の施工）
深さ２１メートルの垂直型地中熱利用熱交換器１０の設置用の設置孔２０を実施例１と同様の操作で掘削し、Ｕ字管１２を地表から１９メートルまで挿入した垂直型地中熱利用熱交換器１０を施工した。
（熱応答試験）
施工した垂直型地中熱利用熱交換器１０のＵ字管１２に初温３１．９度の水を、平均２６．８Ｌ／ｍｉｎの流量で循環させ、垂直型地中熱利用熱交換器１０をヒートポンプ［型式：ＧＳＨＰ−１００１、製造会社：サンポット株式会社、定格電力３．３８ＫＷ］に連結し、実施例１と同様の条件で冷房運転した。その結果を表４及び図１８に示す。
表４は、本発明の実施例３の垂直型地中熱利用熱交換器の、熱応答試験における１次側熱媒体の出口温度、入口温度、及びＵ字管の単位深さあたりの熱交換量の経時変化を示し、図１８はそのグラフである。なお、図１８の左側縦軸は温度を、右側縦軸は単位深さ（１ｍ）あたりの熱交換量を、横軸は時間［分］を示す。
実施例２における、垂直型地中熱利用熱交換器１０の、平衡状態に達した運転開始１０分後〜測定終了時５０分後までの間の、Ｕ字管入口水温は３８．８〜４８．２℃の範囲であり、出口水温は３４．７〜４３．６℃の範囲であり、熱交換器の平均出力は６．６８ＫＷであり、深さ１ｍあたり平均熱交換量（地中との熱交換量）は３５７Ｗ／ｍであった。
また、ヒートポンプから室内機への冷却水の平均流量は１６．８Ｌ／ｍｉｎであり、往き水温は５．７〜６．２℃、戻り水温は１０．８〜１１．０℃の範囲であり，平均冷房出力は５．７１ＫＷであり、ヒートポンプ装置全体の消費電力は２．３０ＫＷであった。

実施例１で施工した垂直型地中熱利用熱交換器は、深さ５１メートルのＵ字管を有する。熱応答試験によれば、表２及び図１６に示すように、Ｕ字管入口水温は、平衡状態に達した運転開始１０分後の２８．７℃から測定終了時の１３０分後は３１．７℃まで上昇し、Ｕ字管出口水温は、運転開始１０分後は２６．０度であり、測定終了時は２８．６度であった。２時間の運転で地中熱利用熱交換器１０の出口水温が２．６度しか上昇せず、余裕のある、安定した運転が実施された。また、単位深さあたりの熱交換量が１２７Ｗ／ｍであり、これは、計算基準値（４０Ｗ／ｍ）の３倍以上に相当する。
本実施例におけるヒートポンプシステムは、平均冷房出力５．８４ＫＷで２時間運転した場合の全体の平均消費電力が１．４９ＫＷであったので、消費電力の３．９倍の冷房出力を得たことになる。

実施例１におけるヒートポンプシステムの５．８４ＫＷという熱交換量は、一般家庭の給湯及び空調設備を余裕を持って賄うことができる。また、従来の垂直型地中熱利用熱交換器は１２５メートルの深さまで掘るのが標準的であったが、本発明の垂直型地中熱利用熱交換器をこの深さまで設けると、従来に比べると、８．５ＫＷの熱交換量の増加となる。この増加分は、５６０リットルの給湯器と幅５ｍ×長さ５ｍの道路の融雪装置を更に設置できる容量である

実施例２で施工した垂直型地中熱利用熱交換器は、深さ３７メートルのＵ字管を有する。熱応答試験によれば、表３及び図１７に示すように、Ｕ字管入口水温は、平衡状態に達した運転開始１０分後の２８．１℃から測定終了時の６５分の３２．２℃まで上昇し、出口水温は、運転開始１０分後は２５．５度であり、測定終了時の６５分後は２９．１度であり、５５分間の運転で地中熱利用熱交換器の出口水温は３．６度しか上昇せず、安定した運転が実施された。また、単位深さあたりの熱交換量が１５１Ｗ／ｍであった。これは、これは計算基準値の３．８倍に相当する。
実施例２におけるヒートポンプシステムの４．６５ＫＷという熱交換量は、一般家庭の給湯及び空調設備を賄うことができる。掘削機の一日の掘削能力は約３０メートルと言われているので、掘削機の改良によって実施例２に示す垂直型地中熱利用熱交換器用の設置孔は１日で掘削できる可能性があり、施工費を大幅に節減できる可能性がある。

実施例３で施工した垂直型地中熱利用熱交換器は、深さ１９メートルのＵ字管を有する。熱応答試験によれば、表３及び図１８に示すように、Ｕ字管入口水温は、平衡状態に達した運転開始１０分後の３８．８℃から測定終了時の４８．２℃まで上昇し、Ｕ字管出口水温が３４．７℃から４３．６℃に上昇し、熱交換器の能力が不足していることが示された。なお、平均３５７Ｗ／ｍという高い単位深さあたりの熱交換量が得られたのは、本発明の熱交換器の高い熱伝導率を示すと共に、Ｕ字管水温が上がり、土壌と１次側熱媒体との温度差が広がったことも影響していると推定される。
本実施例におけるヒートポンプシステムは、平均冷房出力５．７１の出力ｋＷが得られたが、電気消費量が２．００ｋＷに増加し、消費電力の２．９倍の冷房出力を得た。

実施例３の熱交換器は、一般家庭用の空調設備用の熱交換器としては能力が不足しているが、設置孔を容易に施工できるので設置費用は大幅に削減され、例えば、５６０リットルの給湯器用の熱交換器として使用することができる。

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

１ 地中熱利用ヒートポンプシステム
２ 熱利用装置（負荷機）
３ ヒートポンプ
４、１０、２１０ 垂直型地中熱利用熱交換器
５ 地面
６ 大地（土壌）
７ 熱伝達
８ 圧縮装置
９ 膨張弁
１１ コンクリート部
１２、２１２ Ｕ字管
１３ 循環ポンプ
１４ １次側熱媒体
１５ ２次側熱媒体
１６ 土壌とコンクリート部との境界面
１７ Ｕ字管とコンクリート部との境界面
１８ １次側熱交換器
１９ ２次側熱交換器
２０ 設置孔
２１ 脱気装置
２２ 引揚装置
２３ 掘削機
２４ コンクリート
２５ 中心軸
２６ １次側配管
２７ ２次側配管
２８ 超音波発生器
３０ 基板
３１ 開放部
３２ 狭窄部
３３ 円形基板
３４ Ｕ字管貫通部
３５ 切断線
３６ 空気層
３７ コンクリートの流れ
３８ 鋼管部
３９ 充填剤

Claims (9)

1. 掘削機で地面に垂直な設置孔を掘削する段階と、熱媒体を流通させる１以上のＵ字管を前記設置孔の底部まで挿入する段階と、前記設置孔に凝固前のコンクリートを充填する段階と、コンクリートを硬化させる段階と、を含んで施工される垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法であって、
   更に、コンクリートを脱気する脱気装置及び前記脱気装置を地表まで引き上げる引揚装置を前記設置孔の底部まで挿入する段階と、
   前記Ｕ字管、前記脱気装置及び前記引揚装置が底部まで挿入され、更に凝固前のコンクリートが充填された設置孔の底部から前記脱気装置を引揚げながら凝固前のコンクリートを脱気する段階と、
   を含むことを特徴とする熱伝導率が向上した垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法。
2. 前記脱気装置は、設置孔の内部に設けられ、設置孔の横断面の一部を占有し、Ｕ字管が貫通する１以上のＵ字管貫通部、及び凝固前のコンクリートが通過する１以上の開放部を有し、設置孔の長軸方向に移動自在に設けられた１以上の基板と、前記引揚装置と、を有することを特徴とする請求項１に記載の熱伝導率が向上した垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法。
3. 前記基板は、円形であって、前記設置孔と中心軸を共有し、前記設置孔より小さな直径を有し、前記中心軸に沿って移動自在に設けられ、前記Ｕ字管が貫通する１以上のＵ字管貫通部と、凝固前のコンクリートが通過する１以上の開放部と、を有する円形基板であることを特徴とする請求項２に記載の熱伝導率が向上した垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法。
4. 掘削機で前記設置孔を掘削する段階と、
   前記Ｕ字管と、前記脱気装置と、前記引揚装置と、を前記設置孔の底部まで挿入する段階と、
   前記設置孔に凝固前のコンクリートを充填する段階と、
   凝固前のコンクリートが充填された設置孔から、前記引揚装置を用いて、前記脱気装置を引揚げながら前記凝固前のコンクリートを脱気する段階と、
   コンクリートを硬化させる段階と、
   を含んで施工されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の熱伝導率が向上した垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法。
5. 掘削機で前記設置孔を掘削する段階と、
   前記設置孔に凝固前のコンクリートを充填する段階と、
   前記Ｕ字管と、前記脱気装置と、前記引揚装置と、を前記設置孔の底部まで挿入する段階と、
   凝固前のコンクリートが充填された設置孔から、前記引揚装置を用いて、前記脱気装置を引き揚げながら前記凝固前のコンクリートを脱気する段階と、
   コンクリートを硬化させる段階と、
   を含んで施工されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の熱伝導率が向上した垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法。
6. 前記Ｕ字管が、底面の閉じた鋼管部に挿入され、前記鋼管部内に液体の充填剤が充填されて、前記脱気装置及び前記引揚装置と共に前記設置孔又は前記凝固前のコンクリートが充填された設置孔の底部まで挿入されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の熱伝導率が向上した垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法。
7. 前記脱気装置に、更に超音波振動装置を連結し、前記脱気装置を超音波振動させながら引き揚げることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の熱伝導率が向上した垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法。
8. 前記垂直型地中熱利用熱交換器は、更に凝固前のコンクリートを加圧する段階を含んで施工されたことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の熱伝導率が向上した垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法。
9. 前記コンクリートが、土、砂、砂利、及び砕石から選ばれる１以上の骨材と、セメントと、水と、の混合物、及びこれらが硬化したものであることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の熱伝導率が向上した垂直型地中熱利用熱交換器の施工方法。

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