JP5859731B2 - 地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置 - Google Patents

Description

本発明は、地中の熱交換用堀に地中熱交換器部を水平埋設し、地中熱を利用して熱制御対象物を加熱または冷却するための地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置に関する。さらに詳しくは、熱交換量の効率向上を図った地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置に関する。

地中の温度は、年間を通してほぼ一定であり、外気温度に比べると、夏は低く、冬は高くなっている。従って、外気との温度差を利用するために地中に熱交換器を埋設して地中熱を採熱し、ヒートポンプの熱源として利用することが行われており、この地中熱利用ヒートポンプシステムに関しては種々の提案がなされている。

この地中熱利用ヒートポンプシステムの技術は、地中においてほぼ一定である１０〜１５℃の恒温状態にある地中熱を利用して熱交換を行なうもので、例えば、冬であれば高温エネルギーとして暖房用熱源または融雪用熱源等のために、地中熱を採熱し利用することができる。また、夏であれば低温エネルギーとして冷房用熱源等のために、地中熱を採熱し利用することができる。このような地中熱利用ヒートポンプシステムは、人工的な熱源、例えば冷暖房装置等からの排熱を大気に放熱しない。そのため、地中熱利用ヒートポンプシステムは、自然エネルギー利用の１つとして、例えば夏における都市部のヒートアイランド抑制対策としても注目されている。また、地中熱利用ヒートポンプシステムは寒冷地における暖房装置として使用されるとよい。さらに、地中熱は、大気よりも安定した温度のエネルギーであるので、効率的な省エネルギーとなり且つＣＯ_２（二酸化炭素）の発生の少ない熱源の熱供給システムとして、地中熱利用ヒートポンプシステムは、普及が期待されている。

地中熱利用ヒートポンプシステムにおいて地中熱を採熱する熱交換器の埋設方法としては、所定の深さ（例えば、５０〜１００ｍ）の穴を掘り、その穴内に、下端がＵ字形に形成されたパイプ（例えば、ポリエチレン製のＵチューブ）を挿入し埋設する垂直ループ方式の垂直埋設式地中熱交換器が多く採用されている。また、掘削する竪穴の深さを、Ｕチューブを埋設する方式に比べ、１／３〜１／２０程度にすることができ掘削コストを削減するため、螺旋状に形成された内部を熱媒が流れる螺旋状流路と、螺旋軸と平行に配設される地中熱媒流路等備えた地中穴交換器及びその埋設構造に関する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

一方、所定の深さ（例えば１〜２ｍ）の堀を掘り、その堀の中に地中熱を採熱する熱交換器を埋設する水平ループ方式の水平埋設式地中熱交換器も知られている。この水平埋設式地中熱交換器は、深い穴を掘る作業が不要で、バックホー等建設機械で所定の深さの堀を掘ればよいので、施工コスト（イニシャルコスト）低減が期待できる。この施工コスト（イニシャルコスト）が高価であることは、地中熱利用ヒートポンプシステムの普及を阻んでいる要因の一つであり、施工コスト低減ができれば普及拡大の期待が高まる。さらに、この水平埋設式地中熱交換器を改良したものが提案されている。すなわち、住宅密集地や挟小地でも低コストで施工できるようにするためループ状に巻いた採熱管をループ部分が垂直状態になるように埋設する採熱管埋設方法及びこの埋設方法を用いた地中熱システムに関する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、これらの変形例として、渦巻き状になっている往路管部を、順次、下方に向かって拡径、または、縮径するように巻設した地中熱交換器に関する技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。また、トンネル壁パネルと協働してトンネル壁面を形成するトンネル熱交換用パネルと、このトンネル熱交換用パネルでトンネル側熱交換部を形成し、トンネル側熱交換部で熱交換した熱を利用するトンネル熱利用熱交換システムに関する技術を本出願の共同出願人の一人は提案している（特許文献４参照）。

特開２００７−３１５７４２号公報 特開２００６−２２０４０２号公報 特開２００７−０１０２７６号公報 特開２００７−１０７２８８号公報

この水平ループ方式の水平埋設式地中熱交換器は、海外では広く利用されているが、日本国内では設置例が少ない状況にある。この水平埋設式地中熱交換器は、海外のように十分な敷地面積が確保でき、堀を掘ることが容易であれば、安価にできる方式とされている。しかし、この水平埋設式地中熱交換器は、埋設深さが浅いため大気温度の影響を受けやすく、垂直埋設式熱交換器に比べて、単位長さ当たりの熱交換量が少ない。そのため、所定の熱交換量を得るために、管路長さの長い熱交換器を必要とし、広い面積に埋設している。しかしながら、日本国内では敷地面積が狭く、熱交換量の確保が困難になる可能性があるという問題点があった。

一方、地中浅部の水分は、通常、雨水により供給されるが、太陽熱、大気熱により蒸発し土中の水分は低下する。雨水による水分供給量が減少したり、好天が続いた場合には、地中浅部の水分は減少（乾燥）し、土壌の熱伝導率が低下する。この土壌の熱伝導率の低下は、土壌の熱交換効率を低下させるという問題点が生じた。
しかしながら、水平埋設式地中熱交換器は、垂直埋設式地中熱交換器に比べ、設置費用の削減の可能性が期待されているものであり、敷地面積の狭い場所でも熱交換量を確保して設置できる技術の開発が要望されている。

本発明は、このような従来の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器における問題点を解決するためになされたものであり、次の目的を達成する。
本発明の目的は、地中浅部の水分を低下させることがなく、十分な熱交換量を確保して熱交換効率を低下させることがない地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置を提供することにある。

さらに本発明の他の目的は、狭い設置面積でも、管路長さが長い地中熱交換器部を埋設でき、十分な熱交換量を確保することができる地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置を提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明１の地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置は、
地面に形成される形状が略長方形状であって、所定の深さに掘削された熱交換用堀と、前記地面より所定の深さの第１深さ位置に、Ｕ字部が交互に反対方向を向くように蛇行して形成されている連続Ｕ字型流体路、円環状の部位が連続するように形成されている連続ループ型流体路、及び、螺旋状に形成されているスパイラル型流体路から選択される一つの流体路が、水平または略水平に、前記熱交換用堀内の土壌に埋設され、地中と熱交換を行うための循環流体が流通する第１地中熱交換器部と、前記地面と前記第１地中熱交換器部との間に埋設され、前記地中の水分が大気に放出されてしまうことを防止して前記地中の水分を維持するためのシート状水分維持部材とを備え、前記シート状水分維持部材は、不透水性を有するシート状の部材であって、熱により前記土壌中から蒸発する水分を下面側で凝集させ、水滴状になった前記水分を前記土壌に供給して前記水分を前記土壌中に維持し、前記土壌の熱伝導率を維持することで前記土壌の熱交換効率を維持するものであり、前記シート状水分維持部材は、前記熱交換用堀の長手方向に対して直交する妻手方向の鉛直平面で切断した断面において、中央部または中央部近傍が低くなって、地上に降った水分を集水するための集水部を有する形状になっており、前記シート状水分維持部材には、前記集水部に集水された水分を前記地中に浸透させるための浸透口部が、前記集水部の前記長手方向の所定の位置に、一または複数、形成されていることを特徴とする。

本発明２の地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置は、本発明１において、
前記熱交換用堀には、前記第１深さ位置より深い所定の第２深さ位置に、Ｕ字部が交互に反対方向を向くように蛇行して形成されている連続Ｕ字型流体路、円環状の部位が連続するように形成されている連続ループ型流体路、及び、螺旋状に形成されているスパイラル型流体路から選択される一つの流体路が、水平または略水平に、前記熱交換用堀内の土壌に埋設され、前記地中と熱交換を行うための循環流体が流通する第２地中熱交換器部が一または複数設けられていることを特徴とする。

本発明３の地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置は、本発明２において、
前記第１地中熱交換器部の前記流体路と前記第２地中熱交換器部の前記流体路とは、連続に、または、別々に流通する流体路を形成するようになっていることを特徴とする。

以上、説明したように、本発明の地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置は、シート状水分維持部材を熱交換用堀の地面（地表部）と地中熱交換器部との間に埋設することで、雨水等により土壌中に取り入れられた水分を大気中に放出させない。そのため、土壌の熱伝導率を維持することができ、土壌と地中熱交換器部との熱交換効率を維持することができる。また、太陽熱、大気熱等で大気に奪われやすい地中浅部の水分を維持することで、十分な熱交換量を確保することができる。従って、この水平埋設式地中熱交換器装置は、従来の水平埋設式地中熱交換器に比べ、狭い敷地面積でも十分な熱交換量を確保して、土壌の熱交換効率を低下させることがない。

さらに、シート状水分維持部材は、妻手方向の鉛直平面で切断した断面において、中央部、中央部近傍等が低くなる緩い傾斜を有するＶ字状、Ｗ字形状、円弧形状等の集水部が形成されるように埋設されており、降った雨水等を効率よく集めることができる。また、シート状水分維持部材には、降った雨水等を浸透させるための浸透口部（浸透用溝、浸透用穴）が形成されており、シート状水分維持部材下方の土壌に供給することができる。

また、この水平埋設式地中熱交換器装置は、熱交換用堀に、複数段の地中熱交換器部を埋設することができ、狭い敷地面積でも、さらに十分な熱交換量を確保することができる。水平埋設式地中熱交換器装置は、垂直埋設式地中熱交換器に比べ、設置のための施工コスト（設置費用）の削減の可能性が期待されているものであり、地中熱利用ヒートポンプシステムの普及拡大に貢献することができる。

図１は、本発明の実施の形態１の水平埋設式地中熱交換器装置を採用した地中熱利用ヒートポンプシステムの構成を模式的に示した構成図である。 図２は、本発明の水平埋設式地中熱交換器装置の実施の形態１の平面図である。 図３は、図２をＡ−Ａ線で切断した水平埋設式地中熱交換器装置の断面図である。 図４は、本発明の水平埋設式地中熱交換器装置の実施の形態２を一部断面にして示した平面図である。 図５は、図４をＢ−Ｂ線で切断した水平埋設式地中熱交換器装置の断面図である。 図６は、シート状水分維持部材の他の形態１を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 図７は、シート状水分維持部材の他の形態２を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。 図８は、シート状水分維持部材の他の形態３を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。

以下、本発明の地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置の実施の形態を図面に基づき説明を行う。
〔実施の形態１〕
図１は、本発明の実施の形態１の水平埋設式地中熱交換器装置を採用した地中熱利用ヒートポンプシステムの構成を模式的に示した構成図である。図２は、本発明の実施の形態１の水平埋設式地中熱交換器装置の平面図、図３は、図２をＡ−Ａ線で切断した水平埋設式地中熱交換器装置の断面図である。図６は、シート状水分維持部材の他の形態１示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図７は、シート状水分維持部材の他の形態２を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。図８は、シート状水分維持部材の他の形態３を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。

地中熱利用ヒートポンプシステム１は、水平埋設式地中熱交換器装置３、地中熱利用ヒートポンプ５、負荷側熱交換部２等から構成されている。
図１〜３に示すように、地盤５０の地中に、地中熱利用ヒートポンプシステム１の熱交換用堀４が掘削されている。この熱交換用堀４は、所定の深さ（例えば、深さ１．５〜２ｍ）、所定の広さ（例えば、底部の長さ１００ｍ＊底部の幅１ｍ）の堀であり、バックホー等建設機械で掘られたものである。また、この熱交換用堀４は、熱交換用堀４の長手方向に対して直交する妻手方向（幅方向）の鉛直平面で切断した断面でいうと、底部４ｂ側より地表部４ａ側が広がった台形形状となっている（図３参照）。なお、熱交換用堀は、略直方体形状に掘られた堀であってもよい。

〔水平埋設式地中熱交換器装置の実施の形態１〕
図１〜３に基づいて、水平埋設式地中熱交換器装置の実施の形態１について説明を行う。この実施の形態１の水平埋設式地中熱交換器装置３には、熱交換用堀４の第１地中深さ位置（例えば、地中深さ１．５ｍ位置）に、折り返し部がＵ字状の熱交換パイプ（例えば、ポリエチレン製パイプ）が連続したものであって、Ｕ字部が交互に反対方向を向くように蛇行している形状に構成されたいわゆる連続Ｕ字型の第１地中熱交換器部３１が水平、略水平に埋設されている。また、第１地中熱交換器部３１の下方側であって、第１地中深さ位置より深い第２地中深さ位置（例えば、地中深さ２．５ｍ位置）には、折り返し部がＵ字状の熱交換パイプ（例えば、ポリエチレン製パイプ）が連続したものであって、Ｕ字部が交互に反対方向を向くように蛇行している形状に構成されたいわゆる連続Ｕ字型流体路が形成されている第２地中熱交換器部３２が水平、略水平に埋設されている。

第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２は、熱交換を行うための管路長さを長くするために、循環流体路（管路）となる熱交換パイプを蛇行させているものである。そして、第１地中熱交換器部３１の一端と、第２地中熱交換器部３２の一端とは連通されている（図１参照）。このように第１地中熱交換器部３１と、第２地中熱交換器部３２とを連通可能に接続することにより、地中と熱交換を行うための管路長さをさらに長くしている。第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２は第１循環流体路１０ａの一部を構成するものであり、第１地中熱交換器部３１の他端３１ａと第２地中熱交換器部３２の他端３２ａは、第１熱交換部１０内の第１循環流体側流体路を含む第１循環流体路１０ａに接続されている。

第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２は、掘られた堀の内部の所定の位置に設置された後、グラウト材（例えば、硅砂、砂）、掘りあげた土（土壌）とグラウト材等を混合させたもの、掘りあげた土（土壌）等の埋め戻し材で埋め戻される。すなわち、第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２は、熱交換用堀４の土壌（埋め戻し材）５１内に埋設される。このように、２段に地中熱交換器部を埋設することにより、同じ埋設面積当たりの熱交換量を増加させることができる。この結果、地中熱交換器部の埋設スペース（埋設面積）を削減することができる。すなわち、水平埋設式地中熱交換器装置３の敷地面積を削減することができる。

第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２、第１熱交換部１０内の第１循環流体側流体路等で第１循環流体路１０ａが構成されている。第１循環流体路１０ａには第１循環ポンプ１０ｃが設けられており、第１循環ポンプ１０ｃにより、第１循環流体１０ｂが、第１循環流体路１０ａ内を循環して流れる構成になっている。第１循環流体１０ｂは、第１循環流体路１０ａ内を、図１に示す矢印Ｐ方向に循環している。この第１循環流体１０ｂは、不凍液（ブライン）、水等であり、第１熱交換部１０内の第１循環流体側流体路、第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２等を含む第１循環流体路１０ａを循環している。

このような構成の第１循環流体路１０ａを循環する第１循環流体１０ｂは、例えば冬季の場合、第１熱交換部１０で、熱媒体流路６ａを循環して流れる熱媒体６（図１参照）と熱交換し、第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２を循環し、再び第１熱交換部１０に戻る。熱媒体６は、新冷媒〔例えば、冷媒番号（ＩＳＯ８１７）：Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ等〕、代替フロン等であるとよい。第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２、熱交換用堀４、後述するシート状水分維持部材３５等が水平埋設式地中熱交換器装置（以下、地中熱交換器装置と記載する。）３を構成する。このとき地中温度は、地上の外気温度に比べ恒温状態で温度が高くなっているので、第１循環流体１０ｂは地上側から地中に送り込まれると、地中熱交換器装置３（第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２）で採熱し、暖められて第１熱交換部１０側に循環することになる。

第１熱交換部１０で、第１循環流体１０ｂと熱交換され中高温になった熱媒体６は地中熱利用ヒートポンプ（以下、ヒートポンプと記載する。）５によってさらに暖められ、第２熱交換部１１側に循環する。暖められ高温になった熱媒体６は、第２熱交換部１１で第２循環流体１１ｂと熱交換する。熱交換され高温になった第２循環流体１１ｂは、熱制御対象物（例えば、建物、道路等）の融雪装置、暖房装置、給湯装置等の設備装置に設けられている負荷側熱交換部２で融雪、暖房、給湯等のための熱源として利用される。第２循環流体１０は、不凍液、水等であるとよい。負荷側熱交換部２の例としては、床暖房、ファンコイルユニット、融雪用パネル、融雪用放熱管等がある。また、この地中熱交換器装置３は、夏季等の場合、第１地中熱交換器部１０、第２地中熱交換器部１１で地中と熱交換（熱放出）することで、冷房装置等の熱源とすることができる。

なお、第１循環流体路を、第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２を直列に接続する直列方式のもので説明を行っているが、第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２が、ヘッダー（往ヘッダー、還ヘッダー）等を経て、ヒートポンプの第１熱交換部に接続されるヘッダー方式のもの、第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２を並列に接続する並列方式（リバースリターン方式）のもの等であってもよい。例えば、地中熱交換器部の流体路長さが十分長い場合には、第１地中熱交換器部、第２地中熱交換器部を、ヘッダー方式で、個別に接続するようにしてもよい。

〔シート状水分維持部材〕
地表部（地面）４ａと水平埋設された第１地中熱交換器部３１との間には、シート状水分維持部材３５が埋設されている。シート状水分維持部材３５は、地中の水分を大気側に放出させないことで熱交換効率を維持させるものであり、例えば、ビニールシート、ポリエチレンなど合成樹脂製のシートからなるいわゆる「ブルーシート」等であるとよい。なお、シート状水分維持部材は、不透水性を有し、耐候性、耐久性が高く、取り扱いが容易なシート状の部材であればよい。地中浅部の水分は通常雨水により供給されるが、太陽熱、大気熱等により蒸発し土中の水分量は低下する。雨水による水分供給量が減少し、好天が続いた場合、地中浅部の水分は減少（乾燥）し、土壌５１の熱伝導率が低下する。また、土壌５１の熱伝導率が低下することで熱交換効率も低下する。シート状水分維持部材３５は、土壌５１中の水分の蒸発により土壌５１中の水分量が低下し、熱伝導率が減少する状況を緩和し、土壌５１の熱交換効率を維持するために埋設されるものである。

シート状水分維持部材３５は、第１地中熱交換器部３１の上方に、かつ、妻手方向の鉛直平面で切断した断面において、緩い傾斜を持ったＶ字形状に埋設されている。Ｖ字形状の下方側の略中央の部位が雨水等を集水するための集水部３８となり、この集水部３８には、雨水、降った水等をシート状水分維持部材３５の下部側の土壌５１に浸透させるための所定の大きさの浸透口部である浸透用溝３６が、所定の間隔毎に、複数個、形成されている。

これにより、雨水、降った水等は、シート状水分維持部材３５の傾斜に沿って中央の低い部分である集水部３８側に集まるように流れるとともに、浸透用溝３６から浸透し、第１地中熱交換器部３１が埋設されている土壌５１に供給される。太陽熱、大気熱、第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２等の熱により、土壌５１中から蒸発した水分は、シート状水分維持部材３５により、大気中に放出させないで、シート状水分維持部材３５の下面側で凝集されて、再び、水滴状になり第１熱交換器部３１の上位の土壌５１に供給される。言い換えると、雨水等により、土壌５１中に取り入れられた水分を大気中に放出しないで、土壌５１中に維持することにより土壌５１の乾燥を防止している。そして、土壌５１の熱伝導率を維持することで熱交換効率を維持することを可能にしている。

〔シート状水分維持部材の他の形態１〕
なお、シート状水分維持部材は、シート状水分維持部材の他の形態１として、図６に示すような浸透用穴（浸透用口部）である浸透用楕円穴１３６が形成されたシート状水分維持部材１３５であってもよい。また、浸透用穴は、浸透用丸穴、浸透用長穴等であってもよく、雨水、降った水等をシート状水分維持部材の下方側の土壌に供給できる形状のものであればよい。さらに、複数の浸透用溝、浸透用楕円穴、浸透用丸穴、浸透用長穴等は、集水部３８近傍に複数列分、所定の間隔毎に、形成されていてもよい。

〔シート状水分維持部材の他の形態２〕
また、シート状水分維持部材は、シート状水分維持部材の他の形態２として、妻手方向の鉛直平面で切断した断面において楕円弧形状（図７参照）、円弧形状に埋設されたものであってもよい。図７に示すシート状水分維持部材２３５には、集水部３８に浸透用溝２３６が形成されている。

〔シート状水分維持部材の他の形態３〕
さらに、シート状水分維持部材は、シート状水分維持部材の他の形態３として、妻手方向の鉛直平面で切断した断面において変形Ｖ字形状（図８参照）、Ｗ字形状等に埋設されたものであってもよい。図８に示すシート状水分維持部材３３５には、集水部３８に２列の浸透用溝３３６が形成されている。シート状水分維持部材の埋設形状は、要するに、下面側で土壌中から蒸発した水分を凝集して土壌に戻すことができるとともに、地上に降った水分（雨水等）を集水部に集水し、浸透用溝、浸透用穴等である浸透口部からこの水分（雨水等）をシート状水分維持部材の下方側の土壌に浸透できる形状であればよい。

〔地中熱利用ヒートポンプ〕
ヒートポンプ５について、図１に従って説明を行う。
ヒートポンプ５は、第１熱交換部１０、第２熱交換部１１、圧縮部（圧縮機）８、膨張部（膨張弁）９、熱媒体循環路６ａ等から構成されている。熱媒体循環路６ａ内には、融雪、暖房、給湯用の熱源とする場合、熱媒体６が、矢印Ｑ方向に循環している。第１熱交換部１０は、第１循環流体１０ｂと熱媒体６との間で熱交換を行なう部位である。すなわち、第１循環流体路１０ａを循環する第１循環流体１０ｂの熱量を熱媒体６に熱移動させる。第２熱交換部１１は、熱媒体６と第２循環流体１１ｂとの間で熱交換を行なう部位である。すなわち、熱媒体６の熱量を第２循環流体１１ｂに熱移動させる。熱移動された第２循環流体１１ｂは、第２循環流体路１１ａを矢印Ｒ方向に循環し、熱制御対象物の負荷側熱交換部２で熱源として利用される。

第１循環流体１０ｂは、第１循環ポンプ１０ｃによって、熱交換用堀４に埋設された第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２を含む第１循環流体路１０ａを循環して流れる。第１循環流体１０ｂは、第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２を介し、熱交換用堀４の地中との間で熱交換（地中より熱採取）を行う。このとき、第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２が埋設されている土壌５１は、シート状水分維持部材３５によって、地中の水分を大気側に放出させないことで良好な熱交換効率を維持している。第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２の埋設位置である地中深さが浅い土壌は、雨水による水分供給量が減少し、好天が続いた場合、地中浅部の水分は減少（乾燥）し、土壌の熱伝導率が低下する恐れがある。しかしながら、シート状水分維持部材３５が、地中の水分を大気側に放出させないので、土壌５１の熱伝導率が低下し、熱交換効率が低下することを防止している。また、降った水、雨水等は、集水部３８に集水され、浸透用溝３６等からシート状水分維持部材３５の下方側の土壌５１に浸透させ、土壌５１内に供給することができる。

熱交換（熱採取）によって熱を得た第１循環流体１０ｂは中高温の流体となり、第１熱交換部１０内の第１循環流体側流体路を通過する。第１循環流体１０ｂは、第１熱交換部１０において熱媒体６との間で熱交換を行なって低温になって第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２に戻り、熱交換用堀４の地中と熱交換（熱採取）を行なう。第１熱交換部１０において、第１循環流体１０ｂとの間で熱交換し、第１循環流体１０ｂより熱を得て中高温になった熱媒体６は、圧縮機８において圧縮（加圧）されることによってさらに温度が上昇した高温の熱媒体６となり、第２熱交換部１１側に送られる。

第２熱交換部１１で、熱媒体６は、第２循環流体１１ｂとの間で熱交換を行う。熱媒体６との間で熱交換を行ない、熱を得た第２循環流体１１ｂは高温の流体となって、第２循環ポンプ１１ｃによって第２循環流体路１１ａを循環して流れ、負荷側熱交換部２において、地上側の暖房システム、暖房装置、給湯装置、融雪システム、融雪装置等の熱源として利用される。

また、季節が夏季等で冷房用の熱源とする場合には、熱媒体６は、図１に示した矢印Ｑ方向と反対の方向に熱媒体循環路６ａ内を循環する。第１循環流体１０ｂは、第１地中熱交換器部３１、第２地中熱交換器部３２を通過する際、外気温度より低い温度の地中と熱交換（地中に放熱、排熱）し、外気温度より低い温度である中低温の第１循環流体１０ｂとなる。第１熱交換部１０において、中低温の第１循環流体１０ｂは熱媒体６と熱交換する。第１循環流体１０ｂとの熱交換で中低温に温度が低下した熱媒体６は、膨張弁９によって減圧されることによって、さらに温度が低下した低温の熱媒体となり、第２熱交換部１１側に送られる。第２熱交換部１１において、低温の熱媒体６は第２循環流体１１ｂと熱交換する。熱媒体６との熱交換し低温になった第２循環流体１１ｂは負荷側熱交換部２において、冷房システム、冷房装置等の熱源として利用される。

〔水平埋設式地中熱交換器装置の実施の形態２〕
図４、５に基づいて、水平埋設式地中熱交換器装置の実施の形態２について説明を行う。この実施の形態２の地中熱交換器装置１０３は、実施の形態１に比べ、第１地中熱交換器部１３１、第２地中熱交換器部１３２の形状が異なる形態のものである。なお、この実施の形態２の説明では、前述した実施の形態１と同一の部位には、同一の符号を付与して詳細な説明を省略している。

図４は、本発明の実施の形態２の地中熱交換器装置１０３を一部断面にして示した平面図、図５は、図４をＢ−Ｂ線で切断した地中熱交換器装置１０３の断面図である。
第１地中熱交換器部１３１は、ポリエチレンパイプ等の熱交換器が連続したループ管状に形成されたものであり、円環（ループ）の部位が連続するように形成された連続ループ型流体路を構成するものである。第１地中熱交換器部１３１は、一方の管部１３１ａが、ループ管部を形成しながら一端部１３１ｃ側から折り返し管部１３１ｄ側に順次延び、折り返し管部１３１ｄで折り返した後、他方の管部１３１ｂが折り返し管部１３１ｄ側から他端部１３１ｅ側に直線状に戻ってくるように形成されている。図４に示すように、一方の管部１３１ａは、所定の直径Ｄの円環（ループ）状のループ管部を形成しながら、１ループ毎に、ループ管部が所定の寸法Ｐずつ、折り返し管部１３１ｄ側に変位していく構成になっている。

そして、第１ループ管部１３１ａ１の他端が第２ループ管部１３１ａ２の一端に連続するように構成され、第１ループ管部１３１ａ１から第２ループ管部１３１ａ２に連続する形状に構成されている。同様に、第２ループ管部１３１ａ２から第３ループ管部１３１ａ３に、第３ループ管部１３１ａ３から折り返し管部１３１ｄに連続する形状に構成されている。一方の管部１３１ａ、折り返し管部１３１ｄ、他方の管部１３１ｂは、連続ループ型流体路が形成された第１地中熱交換器部１３１となる。連続ループ型流体路が形成された第１地中熱交換器部１３１は、熱交換用堀４の第１地中深さ位置（例えば、地中深さ１．５ｍ位置）に、水平、略水平に埋設されている。

第１地中熱交換器部１３１と同一形状の第２地中熱交換器部１３２は、一方の管部１３２ａが、連続ループ管部を形成しながら一端部１３２ｃ側から折り返し管部１３２ｄ側に順次延び、折り返し管部１３２ｄで折り返した後、他方の管部１３２ｂが折り返し管部１３２ｄ側から他端部１３２ｅ側に直線状に戻ってくるように形成されている。図４に示すように、一方の管部１３２ａは、所定の直径Ｄの円環（ループ）状のループ管部を形成しながら、１ループ毎に、ループ管部が所定の寸法Ｐずつ、折り返し管部１３２ｄ側に変位していく構成になっている。そして、第１ループ管部１３２ａ１の他端が第２ループ管部１３２ａ２の一端に連続するように構成され、第１ループ管部１３２ａ１から第２ループ管部１３２ａ２に連続する形状に構成されている。同様に、第２ループ管部１３２ａ２から第３ループ管部１３２ａ３に、第３ループ管部１３２ａ３から折り返し管部１３２ｄに連続する形状に構成されている。

一方の管部１３２ａ、折り返し管部１３２ｄ、他方の管部１３２ｂは、連続ループ型流体路が形成された第２地中熱交換器部１３２となる。連続ループ型流体路が形成された第２地中熱交換器部１３２は、第１地中深さより深い熱交換用堀４の第２地中深さ位置（例えば、地中深さ２．５ｍ位置）に、水平、略水平に埋設されている。
第１地中熱交換器部１３１の他端部１３１ｅと、第２地中熱交換器部１３２の一端部１３２ｃとは連通するように接続されている。第１地中熱交換器部１３１、第２地中熱交換器部１３２は第１循環流体路の一部を構成するものであり、第１地中熱交換器部１３１の一端部１３１ｃと第２地中熱交換器部１３２の他端部１３２ｅは、第１熱交換部内の第１循環流体側流体路を含む第１循環流体路に接続されている。すなわち、第１循環流体路が、第１地中熱交換器部１３１、第２地中熱交換器部１３２を直列に接続する直列方式となっている。

なお、第１循環流体路は、第１地中熱交換器部１３１、第２地中熱交換器部１３２が、ヘッダー（往ヘッダー、還ヘッダー）等を経て、ヒートポンプの第１熱交換部に接続されているヘッダー方式のもの、第１地中熱交換器部１３１、第２地中熱交換器部１３２が並列に接続されている並列方式（リバースリターン方式）のもの等であってもよい。例えば、地中熱交換器部の流体路長さが十分長い場合には、第１地中熱交換器部、第２地中熱交換器部を、ヘッダー方式で、個別に接続するようにしてもよい。

第１地中熱交換器部１３１の上方には、シート状水分維持部材３５が埋設されている。この実施の形態２は、第１地中熱交換器部１３１、第２地中熱交換器部１３２が、連続したループ状の部位が連続している連続ループ型流体路を熱交換用堀に埋設しているものである点が異なるのみで、他の部位は実施の形態１と同一であり、地中熱利用ヒートポンプシステムの説明は省略する。

なお、第１地中熱交換器部、第２地中熱交換器部は、一方の管部が、スパイラル軸線が略水平方向を向き、所定の直径、所定のピッチに捩れている螺旋（スパイラル）状に形成されたスパイラル状管部に構成されているスパイラル型流体路が熱交換用堀に埋設されたものであってもよい。また、スパイラル状管部のリード角が、スパイラル軸線に対して、所定の角度、傾斜しているような傾斜スパイラル型流体路が熱交換用堀に埋設されたものであってもよい。さらに、スパイラル状管部は、スパイラル形状を側面視したとき、上下方向につぶれた楕円状、長円状のものであってもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこの実施の形態に限定されることはない。本発明の目的、趣旨を逸脱しない範囲内での変更が可能なことはいうまでもない。例えば、シート状水分維持部材の下部に地中熱交換器部を２段埋設した形態で説明を行っているが、１段、または、３段以上であってもよい。３段の地中熱交換器部は、例えば、地面から１．５ｍの深さ位置、２．５ｍの深さ位置、３．５ｍの深さ位置に埋設されるとよい。この地中熱交換器部の段数は、地中熱利用ヒートポンプシステムに要求される能力、熱交換用堀の設置可能面積等に応じて、適宜、選択されればよい。

また、複数の地中熱交換器部を有する地中熱交換器装置では、各々の循環流体路を連通するように接続しなくてもよい。例えば、冷温熱を同時に必要とする場合、上段側の地中熱交換器部を冷房用熱源に、下段側の地中熱交換器部を暖房用熱源に利用するようにしてもよい。このようにすると、冷温熱を有効に利用することができる地中熱利用ヒートポンプシステムを構築することができる。さらに、ヒートポンプが、熱媒体と第２循環流体との間で熱交換を行い、第２循環流体が負荷側熱交換部と熱交換を行う間接式のヒートポンプとして説明を行っているが、熱媒体が、直接、負荷側熱交換部と熱交換を行う直膨式のヒートポンプであってもよい。

１…地中熱利用ヒートポンプシステム
２…負荷側熱交換部
３、１０３…水平埋設式地中熱交換器装置
４…熱交換用堀
５…地中熱利用ヒートポンプ
６…熱媒体
８…圧縮部（圧縮機）
９…膨張部（膨張弁）
１０…第１熱交換部
１０ａ…第１循環流体路
１０ｂ…第１循環流体
１１…第２熱交換部
１１ａ…第２循環流体路
１１ｂ…第２循環流体
３１、１３１…第１地中熱交換器部
３２、１３２…第２地中熱交換器部
３５、１３５、２３５、３３５…シート状水分維持部材
３６、２３６、３３６…浸透用溝（浸透口部）
１３６…浸透用楕円穴（浸透口部）

Claims (3)

1. 地面に形成される形状が略長方形状であって、所定の深さに掘削された熱交換用堀と、
   前記地面より所定の深さの第１深さ位置に、Ｕ字部が交互に反対方向を向くように蛇行して形成されている連続Ｕ字型流体路、円環状の部位が連続するように形成されている連続ループ型流体路、及び、螺旋状に形成されているスパイラル型流体路から選択される一つの流体路が、水平または略水平に、前記熱交換用堀内の土壌に埋設され、地中と熱交換を行うための循環流体が流通する第１地中熱交換器部と、
   前記地面と前記第１地中熱交換器部との間に埋設され、前記地中の水分が大気に放出されてしまうことを防止して前記地中の水分を維持するためのシート状水分維持部材とを備え、
   前記シート状水分維持部材は、不透水性を有するシート状の部材であって、熱により前記土壌中から蒸発する水分を下面側で凝集させ、水滴状になった前記水分を前記土壌に供給して前記水分を前記土壌中に維持し、前記土壌の熱伝導率を維持することで前記土壌の熱交換効率を維持するものであり、
   前記シート状水分維持部材は、前記熱交換用堀の長手方向に対して直交する妻手方向の鉛直平面で切断した断面において、中央部または中央部近傍が低くなって、地上に降った水分を集水するための集水部を有する形状になっており、
   前記シート状水分維持部材には、前記集水部に集水された水分を前記地中に浸透させるための浸透口部が、前記集水部の前記長手方向の所定の位置に、一または複数、形成されている
   ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置。
2. 請求項１に記載された地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置において、
   前記熱交換用堀には、前記第１深さ位置より深い所定の第２深さ位置に、Ｕ字部が交互に反対方向を向くように蛇行して形成されている連続Ｕ字型流体路、円環状の部位が連続するように形成されている連続ループ型流体路、及び、螺旋状に形成されているスパイラル型流体路から選択される一つの流体路が、水平または略水平に、前記熱交換用堀内の土壌に埋設され、前記地中と熱交換を行うための循環流体が流通する第２地中熱交換器部が一または複数設けられている
   ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置。
3. 請求項２に記載された地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置において、
   前記第１地中熱交換器部の前記流体路と前記第２地中熱交換器部の前記流体路とは、連続に、または、別々に流通する流体路を形成するようになっている
   ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置。

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