JP5842184B1 - 地中熱の地域面的活用システム - Google Patents

Abstract

【課題】地域エネルギーの地産地消を可能にする。【解決手段】地中熱の地域面的活用システム１は、地中ＧＲＤの帯水層ＷＢＬに達する穴に埋設され、帯水層ＷＢＬから浸入する水で満たされる筒体１４と、この筒体１４の内部に引き込まれて下方に向けて通されてから、上方に折り返して筒体１４の外部に引き出され、筒体１４内の水との間で熱を移動させる水などの液体を流す熱交換管８と、所定の地域に埋設され、熱交換管８から送り出された水などの液体を流し熱交換管８へ送り戻す循環管２２と、この循環管２２を循環する水などの液体と、ヒートポンプＨＰから循環する不凍液などの媒体と、の間で熱を移動させる熱交換ユニット２５と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱の地域面的活用システムに関する。

アベノミクスの新たな成長戦略（日本再興戦略）には、住宅・建築物の省エネ基準の段階的適合義務化が規定されている。これによれば、規制の必要性や程度、バランス等を十分に勘案しながら、２０２０年までに新築住宅・建築物について段階的に省エネ基準への適合が義務化される。これに向けて、中小工務店・大工の施工技術向上や伝統的木造住宅の位置付け等に十分配慮しつつ、円滑な実施のための環境整備が取り組まれる。具体的には、省エネルギー対策の一層の普及や住宅・建築物や建材・機器等の省エネルギー化に資する新技術・新サービス・工法の開発支援等が実施される（例えば、非特許文献１参照）。

そして、２０１４年４月に閣議決定されたエネルギー基本計画によれば、２０２０年までに標準的な新築住宅はゼロエネ化（ＺＥＨ化）される。

また、都市の低炭素化の促進に関する法律（略称：エコまち法）が成立しており、基本方針が国交大臣、経産大臣、環境大臣により策定されるとともに、低炭素まちづくり計画が策定される。低炭素まちづくり計画のイメージには、建築物の低炭素化として、民間等の先導的な低炭素建築物・住宅の整備が示されているとともに、緑・エネルギーの面的管理・利用の促進として、未利用下水熱の活用のために民間の下水の取水許可特例が示されている。

経済産業省、［online］、「資料２−２ 今後の住宅・建築物の省エネルギー対策について」、［平成２６年１２月２１日検索］、インターネット（ＵＲＬ：http://www.meti.go.jp/committee/sougouenergy/shoene_shinens/sho_ene/pdf/007_02_02.pdf）

上述した日本再興戦略、エネルギー基本計画、及びエコまち法によれば、地域エネルギーの地産地消が求められるが、その実現のための具体的な方案が乏しい。特に、事業用途だけでなく、戸建て住宅での未利用熱エネルギーの利用には、全国的に途上であり、革新的な利用技術の確立が望まれる。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、地域エネルギーの地産地消を可能にする地中熱の地域面的活用システムを提供することを目的とする。

（１）本発明は、地中の帯水層に達する穴に埋設され、前記帯水層から浸入する水で満たされる筒体と、前記筒体の内部に引き込まれて下方に向けて通されてから、上方に折り返して前記筒体の外部に引き出され、前記筒体内の水との間で熱を移動させる液体を流す熱交換管と、所定の地域に埋設され、前記熱交換管から送り出された前記液体を流し前記熱交換管へ送り戻す循環管と、前記循環管を流れる前記液体と、熱利用機器から循環する媒体と、の間で熱を移動させる熱交換ユニットと、前記熱交換管と前記循環管との間に設けられ、前記熱交換管又は前記循環管を流れた前記液体を蓄える貯留槽と、前記熱交換管内の前記液体に動力を付与する熱交換管用ポンプと、前記循環管内の前記液体に動力を付与する循環管用ポンプと、を備え、前記熱交換管用ポンプ及び前記循環管用ポンプは、互いに独立して動作することを特徴とする地中熱の地域面的活用システムである。

本発明によれば、希望者は、地中熱交換器を設置せずに、熱交換ユニットを設置するだけで地中熱を利用できる。すなわち、地域エネルギーの地産地消が可能になり、安全で安心な自立した環境を実現できる。これにより、食糧・エネルギー・水の他者依存と、災害に対する不安がある現代において、地中熱の利用を可能にする地域の未来に安心のインフラを構築し、新しい基盤技術と新しい価値観で新産業を創出できる。

また、地中熱の取得と供給とを別個独立に行える。例えば、地中熱の利用が少ない時間帯において、消費エネルギーを抑えて熱交換管用ポンプを稼働させる一方で、循環管用ポンプをフル稼働させられる。

（２）本発明はまた、前記貯留槽は、前記貯留槽に蓄えた前記液体の液位よりも低い位置に、前記循環管に繋がる供給口を有し、前記貯留槽に蓄えた前記液体を、前記供給口から前記循環管に流すことを特徴とする上記（１）に記載の地中熱の地域面的活用システムである。

上記発明によれば、循環管内に空気が入ることを防止し、循環管内を液体で満たした満管の状態にすることができる。これにより、熱交換ユニットにおける熱交換効率の低下を防止できる。

（３）本発明はまた、前記筒体内の水温を計測する水温計と、前記水温計の計測結果に基づいて前記筒体内の水をくみ上げて、前記帯水層から前記筒体内に水を浸入させることで、前記筒体内の水温を調節する揚水機と、を備えることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の地中熱の地域面的活用システムである。

上記発明によれば、筒体内の水をくみ上げて、当該筒体内に帯水層からの新たな水を浸入させることで、当該筒体内の水温を調節できる。これにより、筒体内の水との間で熱を移動させる熱交換管内の液温を調節できる。例えば、筒体内の熱量不足の場合、このままでは熱交換管内の液温を調節できないが、筒体内の水をくみ上げることで、筒体内の熱量不足を解消し、熱交換管内の液温を調節できる。

（４）本発明はまた、前記貯留槽は、前記揚水機がくみ上げた水を前記貯留槽に流入させる流入口と、前記貯留槽に蓄えた前記液体を排出する排出口と、を有することを特徴とする上記（３）に記載の地中熱の地域面的活用システムである。

上記発明によれば、例えば、数年に１回の大寒波で熱の使用量が急激に増えたり、数年に１回の猛暑で冷熱の使用量が急激に増えたりして、貯留槽内の液温が所望する温度からかけ離れた場合に、貯留槽内の液体を排出すると共に貯留槽内に地下水を供給することで、貯留槽内の液温をリセットすることができる。これにより、異常気象で熱又は冷熱の使用量が急激に増えた場合であっても、地中熱の地域面的活用システムを継続して利用することができる。

（５）本発明はまた、前記水温計の計測結果に基づいて前記筒体内に水を注ぎ足して、前記筒体内の水温を調節する注水機を備えることを特徴とする上記（３）又は（４）に記載の地中熱の地域面的活用システムである。

上記発明によれば、筒体内に水を注ぎ足すことで、当該筒体内の水温を調節できる。これにより、筒体内の水との間で熱を移動させる熱交換管内の液温を調節できる。例えば、筒体内の熱量不足の場合、このままでは熱交換管内の液温を調節できないが、筒体内に水を注ぎ足すことで、筒体内の熱量不足を解消し、熱交換管内の液温を調節できる。

（６）本発明はまた、前記揚水機がくみ上げた水を前記注水機が注ぎ足す水として蓄えるストレージタンクを備えることを特徴とする上記（５）に記載の地中熱の地域面的活用システムである。

上記発明によれば、揚水機がくみ上げた水を有効に活用することができる。

（７）本発明はまた、前記熱交換ユニットは、前記循環管の途中に設けられるカートリッジであることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の地中熱の地域面的活用システムである。

上記発明によれば、熱交換ユニットを簡単に設置できる。これにより、地中熱の地域面的活用システムの普及が促進される。

（８）本発明はまた、前記熱交換管内の液温を計測する熱交換管用液温計を備え、前記熱交換管用ポンプは、前記熱交換管用液温計の計測結果に基づいて動作することを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の地中熱の地域面的活用システムである。

（９）本発明はまた、前記循環管内の液温を計測する循環管用液温計を備え、前記循環管用ポンプは、前記循環管用液温計の計測結果に基づいて動作することを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の地中熱の地域面的活用システムである。

（１０）本発明はまた、前記熱交換ユニットと前記熱利用機器との間に設けられ、前記熱交換ユニットと前記熱利用機器との間でやり取りされる熱量の積算量を計測する積算熱量計と、前記積算熱量計の計測結果を所定の数式に代入することで、熱の取引額を算出する取引額算出部と、を備えることを特徴とする上記（１）〜（９）のいずれかに記載の地中熱の地域面的活用システムである。

上記発明によれば、取引額算出部によって、熱の取引額が算出される。この算出結果を利用することで、利便性が高まり、地中熱の地域面的活用システムの普及が促進される。

（１１）本発明はまた、前記取引額算出部の算出結果を出力する出力部を備えることを特徴とする上記（１０）に記載の地中熱の地域面的活用システムである。

上記発明によれば、利用者は、熱の取引額を容易に把握でき、利便性が高い。これにより、地中熱の地域面的活用システムの普及が促進される。

（１２）本発明はまた、前記取引額算出部の算出結果を収集するサーバーを備えることを特徴とする上記（１０）又は（１１）に記載の地中熱の地域面的活用システムである。

上記発明によれば、地中熱の地域面的活用システムを管理する事業者などは、サーバーに収集したデータに基づいて、容易に課金することができ、利便性が高い。具体的に、事業者などは、各利用者の地中熱の利用額と、各利用者の排熱の売却額と、を容易に把握することができる。

本発明の上記（１）〜（１２）に記載の地中熱の地域面的活用システムによれば、地域エネルギーの地産地消が可能になる。

本発明の第１実施形態に係る地中熱の地域面的活用システムの概略図である。 図１に示す地中を上方から視た断面図であり、（Ａ）はIIＡ−IIＡ断面を示し、（Ｂ）はIIＢ−IIＢ断面を示す。 制御盤の構成を示すブロック図である。 課金システムの構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る地中熱の地域面的活用システムについて詳細に説明する。

まず、図１〜図３を用いて、地中熱の地域面的活用システム１の構成について説明する。図１は、地中熱の地域面的活用システム１の概略図である。図２は、地中ＧＲＤを上方から視た断面図である。図２（Ａ）は、図１におけるIIＡ−IIＡ断面を示す。図２（Ｂ）は、図１におけるIIＢ−IIＢ断面を示す。図３は、制御盤５の構成を示すブロック図である。図４は、課金システム６の構成を示すブロック図である。なお、各図において、一部の構成を適宜省略して、図面を簡略化する。

図１に示すように、地中熱の地域面的活用システム１は、熱交換システム２と、貯留槽３と、循環システム４と、温度調節システム４０と、制御盤５（図３参照）と、課金システム６（図４参照）と、を備えている。

熱交換システム２は、地中熱を利用したヒートポンプシステムである。この熱交換システム２は、制御盤５によって統括的に制御される。すなわち、熱交換システム２は、制御盤５の制御下において動作して、その動作状況が制御盤５によって管理される。具体的に、熱交換システム２は、各所に配置された温度計や流量計の計測結果などに基づいて、各部の動作が所望する状況となるようにフィードバック制御される。

このような熱交換システム２は、古井戸７と、熱交換管８と、熱交換管用ポンプ９と、熱交換管用液温計１０と、揚水機１１と、注水機１２と、水温計測管１３と、を備えている。

古井戸７は、地中ＧＲＤの帯水層ＷＢＬに達する穴（符号省略）に埋設された筒体１４を備えている。帯水層ＷＢＬは、地下水を含む地層である。帯水層ＷＢＬの上面は、一般的に、地上から５０ｍ以上１００以下程度の深さＤに位置する。このため、筒体１４の長さは、帯水層ＷＢＬに達するように５０ｍ以上１００ｍ以下程度の範囲で適宜設定されている。

図１及び図２に示すように、筒体１４は、相対的に径が大きい円形鋼管（ＳＧＰ管やステンレス鋼管等。以下同様。）からなる大径部１５と、相対的に径が小さい円形鋼管からなる小径部１６と、が上から順に連続する。小径部１６の下方側面には、帯水層ＷＢＬからの水を浸入させる浸水部１７が形成されている。浸水部１７は、複数の小孔又は複数の小スリットから構成されている（符号省略）。浸水部１７からの地下水の浸入によって、筒体１４内は水で満たされている。筒体１４内に満たされている水の自然水位ｈは、一般的に、地表面から１０ｍ以内の深さとなる。小径部１６の下端は、図示するように、開口させていてもよいし、あるいは、鋼製プレート（図示省略）等で塞がれていてもよい。鋼製プレートには、浸水部として、複数の小孔又は複数の小スリットが形成されていてもよい。

大径部１５の内径φ_１は、１８０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下であることが好ましく、２００ｍｍであることがより好ましい。大径部１５の長さは、１５ｍ以上３０ｍ以下であることが好ましく、２０ｍであることが好ましい。小径部１６の内径φ_２は、１２０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であることが好ましく、１４０ｍｍであることがより好ましい。浸水部１７は、帯水層ＷＢＬに達する箇所に位置している。浸水部１７の範囲は、小径部１６の下端から３ｍ以上７ｍ以下の範囲であることが好ましく、小径部１６の下端から５ｍを含む範囲であることがより好ましい。

筒体１４には、熱交換管８と、揚水機１１の揚水管１８と、注水機１２の注水管１９と、水温計測管１３と、が挿入されている。なお、熱交換管８は、筒体１４に挿入される箇所が２本に分かれたポリエチレン製のＵチューブであり、熱交換の効率を高めている。

図１に戻って説明する。熱交換管８は、貯留槽３から筒体１４の内部に引き込まれて下方の小径部１６に向けて通され、それから、小径部１６で上方に折り返して筒体１４の外部に引き出されて貯留槽３に戻る。この熱交換管８は、筒体１４内の水との間で熱を移動させる水などの液体を、貯留槽３から取り込んで流し、貯留槽３に戻す。これにより、筒体１４内の水が熱交換管８を流れる液体よりも低温の場合、熱交換管８を流れる液体は冷却され、貯留槽３に供給される。そして、筒体１４内の水が熱交換管８を流れる液体よりも高温の場合、熱交換管８を流れる液体は加熱され、貯留槽３に供給される。

熱交換管用ポンプ９は、熱交換管８内の液体に動力を付与する。この熱交換管用ポンプ９は、熱交換管用液温計１０の計測結果などに基づいて動作する。そして、循環管用ポンプ２３と独立して動作する。

熱交換管用液温計１０は、熱交換管８内の液体の温度を計測し、その計測結果を信号にして制御盤５に出力する。

揚水機１１は、揚水管１８と、揚水量を調節する弁（図示省略）と、揚水量を計測する流量計（図示省略）と、を備えている。揚水管１８は、その先端が大径部１５に位置して筒体１４内の水に浸かるように、当該筒体１４の内部に引き込まれている。揚水機１１は、水温計測管１３が備える水温計２１の計測結果などに基づいて筒体１４内の水をくみ上げて、当該筒体１４内の水温を調節する。

具体的に、揚水機１１は、図示を省略するポンプの動力によって、揚水管１８の先端から筒体１４内の水をくみ上げる。これと同時に、帯水層ＷＢＬの地下水が、浸水部１７を介して筒体１４内に浸入して、自然水位ｈが保たれる。これにより、筒体１４内の水温が調節される。すなわち、揚水機１１は、帯水層ＷＢＬの地下水が筒体１４内の水よりも低温の場合、地下水との混合によって筒体１４内の水を冷却する。そして、揚水機１１は、帯水層ＷＢＬの地下水が筒体１４内の水よりも高温の場合、地下水との混合によって筒体１４内の水を加熱する。

注水機１２は、注水管１９と、注水量を調節する弁（図示省略）と、注水量を計測する流量計（図示省略）と、を備えている。注水管１９は、その先端が大径部１５に位置するように、筒体１４の内部に引き込まれている。注水機１２は、水温計測管１３が備える水温計２１の計測結果などに基づいて筒体１４内に水を注ぎ足して、当該筒体１４内の水温を調節する。

具体的に、注水機１２は、図示を省略するポンプの動力によって、注水管１９の先端から注水し、筒体１４内に水を注ぎ足す。これにより、筒体１４内の水温が調節される。すなわち、注水機１２は、注ぎ足す水が筒体１４内の水よりも低温の場合、注水との混合によって筒体１４内の水を冷却する。そして、注水機１２は、注ぎ足す水が筒体１４内の水よりも高温の場合、注水との混合によって筒体１４内の水を加熱する。

なお、注水機１２は、水を加熱する加熱手段を備えるようにし、所望の温度に加熱した水を注入できるようにしてもよい。また、注水機１２は、水を冷却する冷却手段を備えるようにし、所望の温度に冷却した水を注入できるようにしてもよい。

ところで、筒体１４は、上下方向に５０ｍ以上１００ｍ以下程度の長さを有するので、当該筒体１４内の水温は、上方と下方とで温度差（例えば、１０℃の差）が生じている。すなわち、筒体１４内の水温は、上方であるほど高く、下方であるほど低い。このため、必要な水温調節に応じて、揚水機１１及び注水機１２の双方を機能させたり、あるいは、揚水機１１及び注水機１２のうちの選択した一方のみを機能させたりできる。これにより、筒体１４内の水温調節を効率よく行える。

水温計測管１３は、その先端が小径部１６における下方に位置するように、筒体１４内の内部に引き込まれている。この水温計測管１３は、管本体２０と、複数の水温計２１と、を備えている。複数の水温計２１は、互いに所定の間隔（例えば、１０ｍ間隔）をおいて管本体２０に取付けられている。各水温計２１は、筒体１４内の水温を計測し、その計測結果を信号にして制御盤５に出力する。

貯留槽３は、熱交換管８と循環システム４の循環管２２との間に設けられ、熱交換管８又は循環管２２を流れた水などの液体を蓄える。この貯留槽３は、地中ＧＲＤに設けられ、蓄えた液体の熱を溜める。具体的に、貯留槽３は、熱交換システム２で採取された地中熱を蓄えると共に、循環システム４で回収された排熱を蓄える。

この貯留槽３は、供給口３ａと、回収口３ｂと、流入口３ｃと、排出口３ｄと、などを有する。

供給口３ａ及び回収口３ｂは、それぞれ、貯水槽３に蓄えた液体の液位よりも低い位置に設けられている。これら供給口３ａ及び回収口３ｂは、それぞれ、循環管２２に繋がる。これにより貯留槽３は、貯留槽３に蓄えた液体を、供給口３ａから循環管２２に流す。そして、貯留槽３には、循環管２２を流れた液体が回収口３ｂから流入する。

流入口３ｃは、送水管４１に繋がる。これにより、貯留槽３には、送水管４１を流れた水が流入口３ｃから流入する。

排出口３ｄは、ドレンパイプ４８に繋がる。これにより、貯留槽３は、貯留槽３に蓄えた液体を、排出口３ｄからドレンパイプ４８に流す。

なお、貯留槽３は、株式会社プラント・ツリース（埼玉県蕨市）が開発したスーパージオ（登録商標）工法で埋設される人工地盤の雨水槽を兼ねるものであってもよい。スーパージオ（登録商標）工法の詳細は、特開２００８−２３１９００号公報、特開２００９−００７９２６号公報、及び特開２０１２−１３７２１１号公報を参照されたい。

循環システム４は、貯留槽３に溜められた熱を所定の地域に循環させるシステムであり、インフラとして機能する。この循環システム４は、制御盤５によって統括的に制御される。すなわち、循環システム４は、制御盤５の制御下において動作して、その動作状況が制御盤５によって管理される。具体的に、循環システム４は、各所に配置された温度計や流量計の計測結果などに基づいて、各部の動作が所望する状況となるようにフィードバック制御される。

このような循環システム４は、循環管２２と、循環管用ポンプ２３と、循環管用液温計２４と、複数の熱交換ユニット２５と、を備えている。

循環管２２は、所定の地域に埋設され、熱交換管８から送り出され貯留槽３に蓄えられた水などの液体を流し熱交換管８へ送り戻す。

循環管用ポンプ２３は、循環管２２内の液体に動力を付与する。この循環管用ポンプ２３は、循環管用液温計２４の計測結果などに基づいて動作する。そして、循環管用ポンプ２３は、熱交換管用ポンプ９と独立して動作する。

循環管用液温計２４は、循環管２２内の液体の温度を計測し、その計測結果を信号にして制御盤５に出力する。

複数の熱交換ユニット２５は、それぞれ、循環管２２の途中に設けられるカートリッジである。各熱交換ユニット２５は、循環管２２を流れる液体と、熱利用機器であるヒートポンプＨＰから引込管２６によって循環するガスなどの媒体と、の間で熱を移動させる。

例えば、暖房や給湯などのために、温熱である地中熱がヒートポンプＨＰで利用される場合、熱交換ユニット２５は、循環管２２を流れる液体の温熱を、引込管２６によって循環する媒体に移動させる。一方、冷房などのために、冷熱である地中熱がヒートポンプＨＰで利用される場合、熱交換ユニット２５は、循環管２２を流れる液体の冷熱を、引込管２６によって循環する媒体に移動させる。すなわち、この場合、熱交換ユニット２５は、引込管２６によって循環する媒体の排熱を、循環管２２を流れる液体に移動させる。

このような熱交換ユニット２５には、シェルアンドコイル型の熱交換器を適用できる。例えば、ＭＤＩ株式会社（神奈川県川崎市）が市販するＭＤＩ−ＴＳＣ熱交換器（商品名）を応用することで、熱交換ユニット２５は実現できる。

温度調節ユニット４０は、貯留槽３内の液温を調節するシステムであり、非常時などに機能する。この温度調節ユニット４０は、制御盤５によって統括的に制御される。すなわち、温度調節ユニット４０は、制御盤５の制御下において動作して、その動作状況が制御盤５によって管理される。具体的に、温度制御ユニット４０は、各所に配置された温度計の計測結果などに基づいて、各部の動作が所望する状況となるようにフィードバック制御される。

このような温度調節ユニット４０は、送水管４１と、送水管用ポンプ４２と、水温計４３と、三方バルブ４４と、ろ過装置４５と、回収管４６と、ストレージタンク４７と、ドレンパイプ４８と、ドレンパイプ用バルブ４９と、を備えている。

送水管４１は、揚水機１１と貯水槽３の流入口３ｃとを繋ぎ、揚水機１１がくみ上げた水を流し、貯水槽３に送る。

送水管用ポンプ４２は、送水管４１内の水に動力を付与する。この送水管用ポンプ４２は、水温計２１，４３の計測結果などに基づいて動作する。

水温計４３は、貯水槽３内の液体の温度を計測し、その計測結果を信号にして制御盤５に出力する。

三方バルブ４４は、送水管４１から回収管４６が分岐する箇所に設けられている。この三方バルブ４４は、水温計２１，４３の計測結果などに基づいて動作することで、送水の態様を切り替える。具体的に、三方バルブ４４は、全ての送水を停止する第１態様と、送水管４１の一方から他方に送水する第２態様と、送水管４１から回収管４６に送水する第３態様と、を切り替える。

ろ過装置４５は、送水管４１の途中に設けられている。このろ過装置４５は、送水管４１を流れる水をろ過する。ろ過装置４５を通過した水は、ろ過装置４５によるろ過により、鉄やマンガンなどが除去される。

回収管４６は、三方バルブ４４と注水機１３とを繋ぎ、揚水機１１がくみ上げた水を回収し、ストレージタンク４７を経由して注水機１２に送る。

ストレージタンク４７は、回収管４６の途中に設けられている。このストレージタンク４７は、揚水機１１がくみ上げた水を注水機１２が注ぎ足す水として蓄える。

ドレンパイプ４８は、貯水槽３の排出口３ｄと下水管ＤＰとを繋ぎ、貯水槽３内の液体を下水管ＤＰに送る。

ドレンパイプ用バルブ４９は、ドレンパイプ４８の途中に設けられている。このドレンパイプ用バルブ４９は、水温計４３の計測結果などに基づいて開閉する。

図３に示すように、制御盤５は、記憶部２７とＣＰＵ（Central Processing Unit）２８とを有する。

記憶部２７は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）などの記録媒体によって構成されている。この記憶部２７には、ＣＰＵ２８が各種処理を実行するための処理プログラムと各種処理を実行する際に用いる各種データ（判定部３０が判定に用いるデータを含む。）及び各種フラグが記憶されている。

ＣＰＵ２８は、記憶部２７に記憶された処理プログラムを実行することによって、通信部２９、判定部３０及び制御部３１として機能する。

通信部２９は、熱交換システム２の各部及び循環システム４の各部との間で信号を送受信する。具体的に、通信部２９は、通信部２９は、熱交換管用液温計１０、水温計２１及び循環管用液温計２４から出力される信号を、判定部３０に転送する。そして、制御部３１が出力する制御信号を、熱交換管用ポンプ９、揚水機１１、注水機１２及び循環管用ポンプ２３に転送する。

判定部３０は、熱交換管用液温計１０、水温計２１及び循環管用液温計２４から出力された信号に基づいて各種判定を行うことで、熱交換管用ポンプ９、揚水機１１、注水機１２及び循環管用ポンプ２３のそれぞれの運転状態を決定する。そして、判定部３０は、判定結果を信号にして制御部３１に出力する。

制御部３１は、熱交換管用ポンプ９、揚水機１１、注水機１２及び循環管用ポンプ２３のそれぞれに対して、通信部２９を介して、判定部３０から出力された信号に基づく制御信号を出力し、それぞれの運転状態を制御する。

図４に示すように、課金システム６は、各熱交換ユニット２５に一対一で設けられている。課金システム６は、積算熱量計３２と、制御ユニット３３と、モニター３４と、を備えている。

積算熱量計３２は、熱交換ユニット２５とヒートポンプＨＰとの間にある引込管２６の途中に設けられている（図１参照）。この積算熱量計３２は、熱交換ユニット２５とヒートポンプＨＰとの間でやり取りされる熱量の積算量を計測し、その計測結果を信号にして制御ユニット３３に出力する。具体的に、積算熱量計３２は、ヒートポンプＨＰで利用される熱量の積算量と、ヒートポンプＨＰから放出される熱量の積算量と、を別々に計測し、各計測結果を信号にして制御ユニット３３に出力する。

制御ユニット３３は、記憶部３５とＣＰＵ（Central Processing Unit）３６とを有する。

記憶部３５は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）などの記録媒体によって構成されている。この記憶部３５には、ＣＰＵ３６が各種処理を実行するための処理プログラムと各種処理を実行する際に用いる各種データ（取引額算出部３８が計算に用いる数式のデータを含む。）及び各種フラグが記憶されている。

ＣＰＵ３６は、記憶部３５に記憶された処理プログラムを実行することによって、通信部３７、取引額算出部３８及び制御部３９として機能する。

通信部３７は、積算熱量計３２、モニター３４及び課金サーバーＳＶとの間で信号を送受信する。具体的に、通信部３７は、積算熱量計３２が出力する信号を、取引額算出部３８に転送する。そして、通信部３７は、制御部３９が出力する制御信号を、モニター３４に転送すると共に、インターネット回線ＮＷを利用して、事業者などの課金サーバーＳＶに転送する。なお、課金サーバーＳＶは、取引額算出部３８の算出結果を収集するサーバーとして機能する。

取引額算出部３８は、積算熱量計３２から出力された信号を所定の数式に代入することで、熱の取引額を算出する。すなわち、取引額算出部３８は、積算熱量計３２の計測結果を所定の数式に代入することで、熱の取引額を算出する。そして、取引額算出部３８は、算出結果を信号にして制御部３９に出力する。

制御部３９は、モニター３４に対して、通信部３７を介して取引額算出部３８から出力された信号に基づく制御信号を出力し、モニター３４の出力状態を制御する。そして、制御部３９は、課金サーバーＳＶに対して、通信部３７及びインターネット回線ＮＷを介して、取引額算出部３８から出力された信号を出力する。

モニター３４は、利用者が確認しやすい箇所、例えば室内の壁に設けられている。このモニター３４は、制御部３９から出力された制御信号に基づいて、取引額算出部３８の算出結果を出力する出力部として機能する。具体的に、モニター３４には、利用者の支出となる地中熱の利用額と、利用者の収入となる排熱の売却額と、が表示される。

次に、地中熱の地域面的活用システム１における熱の流れを、図１に基づいて説明する。

まず、夏季などに冷房を行う場合を説明する。熱交換システム２では、熱交換管８内の液体から、筒体１４内の水に熱が移動する。これにより、熱交換管８内の液体が冷却される。なお、筒体１４内の水は、揚水機１１の揚水に伴う地下水の浸入、注水機１２による注水、あるいは大気との接触などによって冷却されることで、再び、熱交換管８内の液体の冷却が可能になる。

冷却された液体は、熱交換管用ポンプ９の動力により、熱交換管８から貯留槽３に放出される。これにより、貯留槽３内の液体が冷却される。

循環システム４では、熱交換システム２で冷却された貯留槽３内の液体が、循環管用ポンプ２３の動力により、循環管２２を循環する。そして、熱交換ユニット２５において、引込管２６内の媒体から、循環管２２内の液体に熱が移動する。これにより、引込管２６内の媒体が冷却される。結果、ヒートポンプＨＰを介して、冷房を行うことができる。

続いて、給湯や、冬季などに暖房を行う場合を説明する。熱交換システム２では、筒体１４内の水から、熱交換管８内の液体に熱が移動する。これにより、熱交換管８内の液体が加熱される。なお、筒体１４内の水は、揚水機１１の揚水に伴う地下水の浸入、注水機１２による注水、あるいは大気との接触などによって加熱されることで、再び、熱交換管８内の液体の加熱が可能になる。

加熱された液体は、熱交換管用ポンプ９の動力により、熱交換管８から貯留槽３に放出される。これにより、貯留槽３内の液体が加熱される。

循環システム４では、熱交換システム２で加熱された貯留槽３内の液体が、循環管用ポンプ２３の動力により、循環管２２を循環する。そして、熱交換ユニット２５において、循環管２２内の液体から、引込管２６内の媒体に熱が移動する。これにより、引込管２６内の媒体が加熱される。結果、ヒートポンプＨＰを介して、給湯や暖房を行うことができる。

次に、温度調節ユニット４０による貯留槽３内の液温のリセットを、図１に基づいて説明する。

まず、三方バルブ４４が、送水管４１の一方から他方に送水する第２態様に切り替えられる。そして、揚水機１１が動作して、筒体１４内の水をくみ上げると共に、送水管用ポンプ４２が動作して、揚水機１１がくみ上げた水が送水管４１を流れる。これにより、帯水層ＷＢＬの地下水が、ろ過装置４５でろ過されてから貯留槽３に送られる。

また、ドレンパイプ用バルブ４９が開き、貯留槽３内の液体が、ドレンパイプ４８を伝って下水管ＤＰに排出される。

次に、ストレージタンク４７の周囲の水の流れを、図１に基づいて説明する。

まず、三方バルブ４４が、送水管４１から回収管４６に送水する第３態様に切り替えられる。そして、揚水機１１が動作して、筒体１４内の水をくみ上げると共に、送水管用ポンプ４２が動作して、揚水機１１がくみ上げた水が送水管４１、回収管４６の順に流れる。これにより、筒体１４内の水がストレージタンク４７に送られて蓄えられる。

注水機１２が動作して、筒体１４内に水が注ぎ足される。筒体１４内に注ぎ足される水は、ストレージタンク４７に蓄えられた水であり、ストレージタンク４７から回収管４６を流れて注水機１２に送られる。

このように、地中熱の地域面的活用システム１によれば、希望者は、地中熱交換器を設置せずに、熱交換ユニット２５を設置するだけで地中熱を利用できる。すなわち、地域エネルギーの地産地消が可能となり、安全で安心な自立した環境を実現できる。これにより、食糧・エネルギー・水の他者依存と、災害に対する不安がある現代において、地中熱の利用を可能にする地域の未来に安心のインフラを構築し、新しい基盤技術と新しい価値観で新産業を創出できる。

そして、熱交換管用ポンプ９及び循環管用ポンプ２３が互いに独立して動作するので、地中熱の取得と供給とを別個独立に行える。例えば、地中熱の利用が少ない時間帯において消費エネルギーを抑えて熱交換管用ポンプ９を稼働させる一方で、循環管用ポンプ２３をフル稼働させられる。

また、貯留槽３が、貯留槽３に蓄えた液体の液位よりも低い位置に、循環管２２に繋がる供給口３ａを有しているので、循環管２２内に空気が入ることを防止し、循環管２２内を液体で満たした状態にすることができる。これにより、熱交換ユニット２５における熱交換効率の低下を防止できる。

さらに、揚水機１１を備えているので、筒体１４内の水をくみ上げて、当該筒体１４内に帯水層ＷＢＬからの新たな水を浸入させることで、当該筒体１４内の水温を調節できる。これにより、筒体１４内の水との間で熱を移動させる熱交換管８内の液温を調節できる。例えば、筒体１４内の熱量不足の場合、このままでは熱交換管８内の液温を調節できないが、筒体１４内の水をくみ上げることで、筒体１４内の熱量不足を解消し、熱交換管８内の液温を調節できる。

そして、貯留槽３が、揚水機１１がくみ上げた水を貯留槽３に流入させる流入口３ｃと、貯留槽３に蓄えた液体を排出する排出口３ｄと、を有しているので、例えば、数年に１回の大寒波で熱の使用量が急激に増えたり、数年に１回の猛暑で冷熱の使用量が急激に増えたりして、貯留槽３内の液体が所望する温度からかけ離れた場合に、貯留槽３内の液体を排出すると共に貯留槽３内に地下水を供給することで、貯留槽３内の液温をリセットすることができる。これにより、異常気象で熱又は冷熱の使用量が急激に増えた場合であっても、地中熱の地域面的活用システム１を継続して利用することができる。

また、注水機１２を備えているので、筒体１４内に水を注ぎ足すことで、当該筒体１４内の水温を調節できる。これにより、筒体１４内の水との間で熱を移動させる熱交換管８内の液温を調節できる。例えば、筒体１４内の熱量不足の場合、このままでは熱交換管８内の液温を調節できないが、筒体１４内に水を注ぎ足すことで、筒体１４内の熱量不足を解消し、熱交換管８内の液温を調節できる。

さらに、揚水機１１がくみ上げた水を注水機１２が注ぎ足す水として蓄えるストレージタンク４７を備えているので、揚水機１１がくみ上げた水を有効に活用することができる。

そして、熱交換ユニット２５がカートリッジであるので、熱交換ユニット２５を簡単に設置できる。これにより、地中熱の地域面的活用システム１の普及が促進される。

また、熱の取引額が算出されるので、この算出結果を利用することで、利便性が高まり、地中熱の地域面的活用システム１の普及が促進される。

さらに、熱の取引額がモニター３４に出力されるので、利用者は、熱の取引額を容易に把握でき、利便性が高い。これにより、地中熱の地域面的活用システム１の普及が促進される。

そして、地中熱の地域面的活用システム１を管理する事業者などは、課金サーバーＳＶに収集したデータに基づいて、容易に課金することができ、利便性が高い。具体的に、事業者などは、各利用者の地中熱の利用額と、各利用者の排熱の売却額と、を容易に把握することができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

すなわち、上記実施形態において、地中熱及び排熱を溜める貯留槽３を備えている場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、貯留槽３を備えず、熱交換管８及び循環管２２を互いに直接接続するようにしてもよい。

あるいは、上記実施形態において、古井戸７を利用した熱交換システム２の場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、地中ＧＲＤの帯水層ＷＢＬに達する穴を新規に掘削し、当該穴に筒体１４を埋設することで熱交換システム２を構成するようにしてもよい。

あるいは、上記実施形態において、熱交換ユニット２５によって、循環管２２内の液体の熱を取得する場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、循環管２２内の液体を直接引き込んで、当該液体の熱を取得するようにしてもよい。

１ 地中熱の地域面的活用システム
３ 貯留槽
３ａ 供給口
３ｃ 流入口
３ｄ 排出口
８ 熱交換管
９ 熱交換管用ポンプ
１０ 熱交換管用液温計
１１ 揚水機
１２ 注水機
１４ 筒体
２１ 水温計
２２ 循環管
２３ 循環管用ポンプ
２４ 循環管用液温計
２５ 熱交換ユニット
３２ 積算熱量計
３４ モニター（出力部）
３８ 取引額算出部
４７ ストレージタンク
ＧＲＤ 地中
ＷＢＬ 帯水層
ＨＰ ヒートポンプ（熱利用機器）
ＳＶ 課金サーバー（サーバー）

Claims (12)

1. 地中の帯水層に達する穴に埋設され、前記帯水層から浸入する水で満たされる筒体と、
   前記筒体の内部に引き込まれて下方に向けて通されてから、上方に折り返して前記筒体の外部に引き出され、前記筒体内の水との間で熱を移動させる液体を流す熱交換管と、
   所定の地域に埋設され、前記熱交換管から送り出された前記液体を流し前記熱交換管へ送り戻す循環管と、
   前記循環管を流れる前記液体と、熱利用機器から循環する媒体と、の間で熱を移動させる熱交換ユニットと、
   前記熱交換管と前記循環管との間に設けられ、前記熱交換管又は前記循環管を流れた前記液体を蓄える貯留槽と、
   前記熱交換管内の前記液体に動力を付与する熱交換管用ポンプと、
   前記循環管内の前記液体に動力を付与する循環管用ポンプと、を備え、
   前記熱交換管用ポンプ及び前記循環管用ポンプは、互いに独立して動作することを特徴とする
   地中熱の地域面的活用システム。
2. 前記貯留槽は、
   前記貯留槽に蓄えた前記液体の液位よりも低い位置に、前記循環管に繋がる供給口を有し、
   前記貯留槽に蓄えた前記液体を、前記供給口から前記循環管に流すことを特徴とする
   請求項１に記載の地中熱の地域面的活用システム。
3. 前記筒体内の水温を計測する水温計と、
   前記水温計の計測結果に基づいて前記筒体内の水をくみ上げて、前記帯水層から前記筒体内に水を浸入させることで、前記筒体内の水温を調節する揚水機と、を備えることを特徴とする
   請求項１又は２に記載の地中熱の地域面的活用システム。
4. 前記貯留槽は、
   前記揚水機がくみ上げた水を前記貯留槽に流入させる流入口と、
   前記貯留槽に蓄えた前記液体を排出する排出口と、を有することを特徴とする
   請求項３に記載の地中熱の地域面的活用システム。
5. 前記水温計の計測結果に基づいて前記筒体内に水を注ぎ足して、前記筒体内の水温を調節する注水機を備えることを特徴とする
   請求項３又は４に記載の地中熱の地域面的活用システム。
6. 前記揚水機がくみ上げた水を前記注水機が注ぎ足す水として蓄えるストレージタンクを備えることを特徴とする
   請求項５に記載の地中熱の地域面的活用システム。
7. 前記熱交換ユニットは、前記循環管の途中に設けられるカートリッジであることを特徴とする
   請求項１〜６のいずれかに記載の地中熱の地域面的活用システム。
8. 前記熱交換管内の液温を計測する熱交換管用液温計を備え、
   前記熱交換管用ポンプは、前記熱交換管用液温計の計測結果に基づいて動作することを特徴とする
   請求項１〜７のいずれかに記載の地中熱の地域面的活用システム。
9. 前記循環管内の液温を計測する循環管用液温計を備え、
   前記循環管用ポンプは、前記循環管用液温計の計測結果に基づいて動作することを特徴とする
   請求項１〜８のいずれかに記載の地中熱の地域面的活用システム。
10. 前記熱交換ユニットと前記熱利用機器との間に設けられ、前記熱交換ユニットと前記熱利用機器との間でやり取りされる熱量の積算量を計測する積算熱量計と、
    前記積算熱量計の計測結果を所定の数式に代入することで、熱の取引額を算出する取引額算出部と、を備えることを特徴とする
    請求項１〜９のいずれかに記載の地中熱の地域面的活用システム。
11. 前記取引額算出部の算出結果を出力する出力部を備えることを特徴とする
    請求項１０に記載の地中熱の地域面的活用システム。
12. 前記取引額算出部の算出結果を収集するサーバーを備えることを特徴とする
    請求項１０又は１１に記載の地中熱の地域面的活用システム。

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