JP5638111B2 - 地中熱交換器の構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、地中熱をヒートポンプに利用するための地中熱交換器の構築方法に関するものである。

外気と比べて恒温性の高い地中熱を空調や融雪用のヒートポンプに利用する、地中熱利用システムが知られている。
このシステムは、地中に熱交換用の配管を埋設して地中熱交換器とし、配管中に水等の熱媒体を流通させて、夏期冷房時には外気よりも温度が低い地中熱を冷熱源として、また、冬期暖房時には外気よりも温度が高い地中熱を温熱源として利用するものである。
近年は、地中に熱交換用配管を埋設する際の地盤掘削費用を削減するために、建物の基礎杭である場所打ちコンクリート杭の内部に熱交換用配管を配置して地中熱交換器とする方法が採用されている。

特開２００６−１０１３３号公報

しかし、基礎杭を地中熱交換器とする地中熱利用システムには以下のような問題点があった。
（１）基礎杭は透水性の低いコンクリート製であるため、基礎杭内部に配置した熱交換用配管内の熱媒体と、基礎杭外部の地中との間の熱交換効率が低い。
（２）基礎杭どうしは間隔があるため、地上部の配管長が長くなり、システムとしての熱交換効率が低下する。
（３）基礎杭を地中熱交換器とするため、基礎杭を構築するまでの工事期間はシステムを利用することができない。

本発明は、熱交換用配管を埋設するための掘削を行う必要がなく、かつ、工事期間の初期から利用することができる、地中熱交換器の構築方法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なされた本願発明は、ソイルセメント製で未硬化の仮設地中連壁に鋼材からなる複数の芯材を建て込み、該芯材に沿って配置した熱交換用配管に熱媒体を流通し、芯材および仮設地中連壁を熱交換器として熱交換を行う地中熱交換器を構築する方法であって、建て込む前の前記芯材に沿って前記熱交換用配管を配置するとともに、前記建て込む前の芯材の全長に亘って配置した保護材によって前記熱交換用配管を包囲し、前記熱交換用配管を配置した前記芯材を建て込むことにより、前記熱交換用配管および保護材を前記仮設地中連壁内部の地山側に偏倚させて配置することを特徴とする。
本願の他の形態では、前記芯材がＨ形鋼であり、前記熱交換用配管を前記仮設地中連壁内部の地山側であって、該Ｈ形鋼のウェブとフランジの隅部に配置する。
本願の他の形態では、前記保護材の底部に傾斜板を配置する。

本発明は、上記した課題を解決するための手段により、次のような効果の少なくとも一つを得ることができる。
＜１＞熱交換用配管を配置する仮設地中連壁は透水性の高いソイルセメントからなるため、熱交換効率が高い地中熱交換器とすることができる。
＜２＞仮設地中連壁中に並べて配置する芯材に沿って熱交換用配管を配置するため、地上部の配管長を短くすることができ、システムとしての熱交換効率の低下が少ない。
＜３＞水留めや土留めのために構築する仮設地中連壁の内部に配置するため、熱交換用配管を埋設するための掘削作業が不要である。
＜４＞仮設地中連壁の芯材は熱伝導率の高い鋼材からなるため、熱交換効率の高い地中熱交換器とすることができる。
＜５＞建て込み前の芯材に予め熱交換用配管を配置するため、芯材の建て込みと同時に熱交換用配管を地中に配置することができる。
＜６＞芯材に沿って配置した熱交換用配管を保護材によって保護するため、建て込み時にソイルセメント内の礫等によって損傷、破損することがない。
＜７＞芯材に予め保護材を配置した状態で建て込むため、保護材により熱交換用配管の配置空間を確保し、芯材の建て込み後に容易に熱交換用配管を挿入し、地中に配置することができる。
＜８＞仮設地中連壁は工事期間の初期段階に構築するため、初期の建設工事段階から利用することができる。

本発明にかかる地中熱交換器の構築方法の説明図 地中熱交換器の断面図 熱交換用配管の配置形態の説明図 保護材の説明図 保護材を芯材全長に取り付けた説明図 地中熱交換器を用いた地中熱利用システムの説明図 構築方法２の説明図 構築方法３の説明図

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

［１］本発明の構成
図１は、本発明にかかる地中熱交換器の構築方法の説明図である。
地中熱交換器１は、仮設地中連壁１１中に熱交換用配管１２を配置して構成する。熱交換用配管１２は保護材１３によって包囲する。
以下、地中熱交換器１の各構成部材について詳述する。

＜１＞仮設地中連壁
仮設地中連壁１１は、現場にて地盤中に構築する壁体であり、従来、止水壁あるいは土留め壁として利用されているものである。
仮設地中連壁１１は、一般には、３本又は５本のオーガを具備する多連・多軸型の削孔装置を用いて地盤を掘削しながらセメントミルクを注入して撹拌・混練することにより、ソイルセメント１１１の壁体を形成して硬化させて構築する。（図２）

＜２＞芯材
芯材１１２は、仮設地中連壁１１の剛性を高めるためのものであり、ソイルセメント１１１の内部に配置する。
芯材１１２は、Ｈ形等の鋼製の部材である。

＜３＞熱交換用配管
熱交換用配管１２は、仮設地中連壁１１中に配置し、内部に水等の熱媒体を流通することにより、仮設地中連壁１１を介して、仮設地中連壁１１の周囲の地盤と熱交換を行うものである。
熱交換用配管１２は、ポリエチレン製であり、可撓性を有する。
熱交換用配管１２は、Ｕ字状に折り曲げて端部１２１を形成し、往配管１２２と還配管１２３とを一対として構成する。（図１）

＜４＞熱交換用配管の配置
熱交換用配管１２は、芯材１１２の長さ方向に沿って配置する。
熱交換用配管１２は、Ｕ字状に折り曲げた側の端部１２１を、芯材１１２の底部に配置する。
熱交換用配管１２は、仮設地中連壁１１の内部であって、地山側に配置する。
熱交換用配管１２は、芯材１１２の地山側のフランジ１１２ａに沿って配置してもよいし、ウェブ１１２ｂの地山側に配置してもよい。（図３）

＜５＞保護材
保護材１３は熱交換用配管１２を包囲して保護するものである。
保護材１３は、形材、折り曲げ材、管材等により構成する。
保護材１３は熱交換用配管１２を包囲するが（図１、図３、図４ｂ）、芯材１１２と合わせて包囲しても良い。（図４ａ）
保護材１３の下端は、芯材１１２に対して傾斜して配置する傾斜板１３１によって端部１２１を保護する。（図５）

［２］地中熱利用システム
次に、地中熱交換器を用いた地中熱利用システムについて説明する。

＜１＞システム構成
地中熱交換器１を用いた地中熱利用システムは、仮設地中連壁１１の上端の熱交換用配管１２の往配管１２２と還配管１２３とを、それぞれ送り管２及び還り管３を介して空調用ヒートポンプ４と連結し、内部に熱媒体５を流通させることにより、地中熱を空調用ヒートポンプ４で利用するものである。（図６）

＜２＞仮設地中連壁の利用
地中熱交換器１は、仮設地中連壁１１を利用するものである。
仮設地中連壁１１は、ソイルセメント１１１を硬化させて構成するものであり、ソイルセメント１１１は透水性が高いため、熱交換効率が高い地中熱交換器１とすることができる。

また、地中熱交換器１は、仮設地中連壁１１内部の芯材１１２に沿って熱交換用配管１２を配置する。
芯材１１２は熱伝導率の高い鋼材からなるため、熱交換効率の高い地中熱交換器１とすることができる。

また、仮設地中連壁１１は、止水壁あるいは土留め壁として利用するものであり、ビル等の建築工事に伴う地下工事の際、すなわち工事期間の初期段階に構築する。
このため、地中熱交換器１を用いた地中熱利用システムは、工事期間初期の建設工事の段階から利用することができる。

また、仮設地中連壁１１は３本又は５本のオーガを具備する多連・多軸型の削孔装置を用いて構築するものであるため、一度の削孔作業で複数本の芯材１１２を有する仮設地中連壁１１を構築することができる。
このため、一度の削孔作業で複数本の熱交換用配管１２を配置することができることとなり、施工効率が良い。

＜３＞熱交換用配管の配置
地中熱交換器１は、仮設地中連壁１１内部の芯材１１２に沿って熱交換用配管１２を配置するものであるが、芯材１１２は仮設地中連壁１１中に並列して複数本配置する。
複数の熱交換用配管１２が並列しているため、送り管２や還り管３、その他地上部の配管長を短くすることができ、地中熱利用システムとしての熱交換効率の低下が少ない。
また、熱交換用配管１２を配置する芯材１１２を選択することができるため、熱効率の高い熱交換用配管１２の間隔や本数を選択して、地中熱交換器１を構築することできる。

また、仮設地中連壁１１は３本又は５本のオーガを具備する多連・多軸型の削孔装置を用いて構築するものであるため、連続する仮設地中連壁１１の一部分だけを深くして構築することもできる。
このため、熱交換用配管１２の長さも適宜選択できるため、熱効率の高い地中熱交換器１を構築することができる。

また、熱交換用配管１２は、仮設地中連壁１１の内部のうち、地山側に配置する。
このため、仮設地中連壁１１を土留め壁として利用した場合であっても、地盤と接する側に熱交換用配管１２があるため、地中熱を効率よく利用することができる。

［３］地中熱交換器の構築方法
次に、本発明にかかる地中熱交換器の構築方法について説明する。

［構築方法１］
＜１＞芯材への熱交換用配管及び保護材の配置
仮設地中連壁１１を構築するにあたり、芯材１１２を建て込む前に、熱交換用配管１２を芯材１１２に沿って配置し、保護材１３によって包囲しておく。
芯材１１２を地上に寝かせた状態で作業できるため、熱交換用配管１２及び保護材１３は、容易に配置することができる。

＜２＞切削・混練
削孔装置を用いて地盤とセメントミルクとを撹拌・混練し、ソイルセメント１１１の壁体を形成する。

＜３＞芯材の建て込み
ソイルセメント１１１が硬化する前に、熱交換用配管１２を配置した芯材１１２を建て込む。
仮設地中連壁１１の構築において必須の作業である芯材１１２の建て込みと同時に熱交換用配管１２が埋設されるため、熱交換用配管１２の埋設作業が不要となる。
熱交換用配管１２は保護材１３によって包囲し、保護されている。（図５）
このように構成することにより、建て込み中に熱交換用配管１２が礫等の障害物６によって損傷、破損することを防止できる。
また、保護材１３の下側には傾斜板１３１を配置するため、ソイルセメント１１１や障害物６は傾斜板１３１によって芯材１１２とは逆方向に押し出されるため、保護材１３を設けた芯材１１２を安定して建て込むことができる。

＜４＞地中熱交換器の構築
ソイルセメント１１１が硬化すると、仮設地中連壁１１を利用した地中熱交換器となる。
仮設地中連壁１１の熱交換用配管１２に、一端を空調用ヒートポンプ４と連結した送り管２及び還り管３を連結し、内部に熱媒体５を流通させて、地中熱を利用する地中熱利用システムとする。

［構築方法２］
上記構築方法１においては、建て込む前の芯材１１２に沿って熱交換用配管１２を配置し、保護材１３によって包囲したが、建て込む前の芯材１１２には保護材１３のみを配置しておき、芯材１１２を建て込んだ後に、熱交換用配管１２を芯材１１２に沿って配置してもよい。（図７）

芯材１１２には保護材１３を配置するため、仮設地中連壁１１中には、打設した状態の芯材１１２に沿って、保護材１３によって包囲する空間Ｓを形成する。
この空間Ｓは保護材１３によって包囲して形成するため、内部には礫等の障害物６がない。
この空間Ｓに上部から熱交換用配管１２を端部１２１から挿入していくことにより、容易に熱交換用配管１２を地中に配置することができる。
また、芯材１１２の建て込み工程と、熱交換用配管１２の配置工程を別工程とすることにより、現場の進捗に合わせた作業工程の組み替えにも対応することができる。

［構築方法３］
上記構築方法２において、鋼材を建て継いで芯材１１２を構築する場合には、保護材１３を芯材１１２の建て継ぎ位置で分割し、芯材１１２を建て継いだ後に、保護材１３をボルト等で連結し、一体とする。（図８）

芯材１１２を鋼材を建て継いで構築する場合には、下側の芯材１１２ａ及び保護材１３ａを予め、上部が所定の高さ地盤から露出するように打設する。（図８ａ）
そして、クレーン等により吊り上げた状態の上側の芯材１１２ｂを芯材１１２ａの上方に配置する。芯材１１２ｂには保護材１３ｂを配置しておく。
そして、芯材１１２ａと１１２ｂを連結した後（図８ｂ）、保護材連結具１３２と保護材１３ａ、１３ｂとを連結し、保護材１３を一体とする。（図８ｃ）
保護材１３を芯材１１２の建て継ぎ位置で分割し、建て継ぎ後に一体とするため、予め地上で芯材１１２を全長に亘って継ぐ必要がなく、狭小な現場にも対応することができる。

１ 地中熱交換器
１１ 仮設地中連壁
１１１ ソイルセメント
１１２ 芯材
１２ 熱交換用配管
１２１ 端部
１２２ 往配管
１２３ 還配管
１３ 保護材
１３１ 傾斜板
１３２ 保護材連結具
２ 送り管
３ 還り管
４ 空調用ヒートポンプ
５ 熱媒体

Claims (3)

1. ソイルセメント製で未硬化の仮設地中連壁に鋼材からなる複数の芯材を建て込み、該芯材に沿って配置した熱交換用配管に熱媒体を流通し、芯材および仮設地中連壁を熱交換器として熱交換を行う地中熱交換器を構築する方法であって、
   建て込む前の前記芯材に沿って前記熱交換用配管を配置するとともに、建て込む前の芯材の全長に亘って配置した保護材によって前記熱交換用配管を包囲し、
   前記熱交換用配管を配置した前記芯材を建て込むことにより、前記熱交換用配管および保護材を前記仮設地中連壁内部の地山側に偏倚させて配置することを特徴とする、
   地中熱交換器の構築方法。
2. 請求項１において、前記芯材がＨ形鋼であり、前記熱交換用配管を前記仮設地中連壁内部の地山側であって、該Ｈ形鋼のウェブとフランジの隅部に配置することを特徴とする、地中熱交換器の構築方法。
3. 請求項１または２において、前記保護材の底部に傾斜板を配置したことを特徴とする、地中熱交換器の構築方法。

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