JP5955823B2 - 地中熱交換システム - Google Patents

Description

本発明は、地中熱を利用した熱交換システムに関し、特にビニールハウス等の施設内の温度を管理する地中熱交換システムに関する。

農業施設や工業施設などの施設内では、生産する農作物や製造する製品に応じて、室内温度を一定に保つため、冷暖房機器等の空調機器を利用している。しかしながら、冷暖房機器は、多くの燃料または電気量を必要とするため、その費用がかさんでしまう。特に、原油価格の高騰に伴い、燃料費が増大することがあり、ユーザーにとっては大きな負担になっている。そこで、年間を通して温度が安定的な地中熱を活用する地中熱変換システムが注目されている。典型的な地中熱変換システムは、地中に熱交換用のパイプを埋設し、パイプ内の空気等の熱媒体と地中熱との熱交換を行い、これを外部へ排気するものである。これにより、施設内に夏は涼しく、冬は暖かい空気を提供し、その結果、施設内で利用されている空調機器による負荷を軽減し、稼動コストを軽減させることができる。

特許文献１は、熱交換効率がよく熱交換ロスがなく、地中熱交換器の加工や、地中熱交換器を埋める穴の掘削と埋没作業が容易な地中熱交換器に関する技術を開示している。特許文献２は、地中に埋設されている熱交換パイプと地中熱との熱交換性能の向上を図り、より効果的な地中熱利用システムを提供する地中熱利用システムに関する技術を開示している。

特開２００７−１０２７６号公報 特開２００９−１２７９８２号公報

しかしながら、従来の地中熱交換システムでは、熱媒体として外気（または空気）を用いたとき、地中熱と空気との熱交換効率が十分ではない。ビニールハウス内の温度管理を行うために地中熱交換システムを利用した場合、長年の使用により熱交換パイプの給気口または排気口から内部にゴミ、土埃、塵など（以下、不要物と称する）が進入し、内部に堆積されてしまう。これらの不要物は、熱交換パイプ内の流体の流れによって移動されるので、特に熱交換パイプ内の摩擦の大きい部分に多く堆積されてしまう。不要物の堆積が一定以上になると、熱交換パイプ内の流路が閉塞され、空気の流れが悪くなり、同時に、不要物の介在によって空気と地中熱との熱交換効率が低下されてしまう。さらに、熱交換パイプのメンテナンスが必要となることで運転コストが増加してしまう。

本発明は、上記のような従来の課題を解決するものであり、熱交換効率を改善し、かつコスト低減が可能な地中熱交換システムを提供することを目的とする。

本発明に係る地中熱交換システムは、外部から空気を取り込む給気用パイプと、外部へ空気を排出する排気用パイプと、地中に埋設され、一方の端部が前記給気用パイプに接続され、他方の端部が前記排気用パイプに接続され、螺旋状に延在するように構成された熱交換パイプと、前記給気用パイプ、前記熱交換パイプおよび前記排気用パイプ内に配設された可撓性の線状の埋め込み部材とを有し、前記埋め込み部材は、前記給気用パイプまたは前記排気用パイプの少なくとも一方から取り出しが可能である。

好ましくは前記給気用パイプまたは前記排気用パイプの少なくとも一方には、前記埋め込み部材を取り出すための開口が形成される。好ましくは前記埋め込み部材は、前記熱交換パイプの内部を清掃するための清掃部材を取り付け可能である。好ましくは前記埋め込み部材は、金属材料、繊維材料またはプラスチック材料から構成される。好ましくは前記給気用パイプまたは前記排気用パイプの開口付近に、前記埋め込み部材の端部を固定する固定具が設けられる。好ましくは前記熱交換パイプは、矩形状にかつ螺旋状に延在される。好ましくは前記給気用パイプ、前記排気用パイプまたは前記熱交換パイプのいずれかの最深部にパイプ内の水を溜める水溜部が形成される。好ましくは前記給気用パイプには、外部からの空気を強制的に内部に取り込むための装置が設けられる。好ましくは前記排気用パイプには、外部へ空気を強制的に排出するための装置が設けられる。

本発明に係る冷暖房補助システムは、上記構成の地中熱交換システムを利用するものであって、前記排気用パイプが農業施設内に配置され、施設内に熱交換された空気を提供する。好ましくは前記農業施設は、内壁と外壁とを有し、前記排気用パイプから空気が前記内壁と前記外壁との間に提供される。好ましくは前記農業施設は、ビニールハウスである。

本発明によれば、パイプ内に線状の埋め込み部材を配設させておくことで、埋め込み部材を利用してパイプ内の不要物を除去し、その結果、熱交換効率の低減を抑制しかつ熱交換パイプのメンテナンス効率を改善させることができる。

本発明の実施例に係る地中熱交換システムを示す概略図である。 本発明の実施例に係る熱交換パイプを示す概略上面図である。 本発明の実施例に係るパイプの内部構造を示す図である。 本発明の実施例に係る掃除口付近に取付けられたガイドワイヤ用のフックを示す図である。 本発明の実施例に係る地中熱交換システムの清掃の一例を示す図である。 本発明の実施例に係る地中熱交換システムの変形例を示す図である。 本発明の実施例に係る地中熱交換システムの給気用パイプおよび排気用パイプの変形例を示す図である。 本発明の実施例に係る地中熱交換システムを利用する第１の応用例の冷暖房補助システムを示す図である。 本発明の実施例に係る地中熱交換システムを利用する第２の応用例の冷暖房補助システムを示す図である。

次に、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図面に示すスケールは、本発明の内容を分かり易くするために強調または簡略化されており、実際の装置のスケールとは異なることに留意すべきである。

図１は、本発明の実施例に係る地中熱交換システムの概略側面図、図２は、図１における地中に埋設された熱交換パイプの上面図であり、前記地中熱交換システムの構成を示す。地中熱交換システム１００は、熱媒体となる空気を外部から給気する給気用パイプ１０２と、給気用パイプ１０２に接続され、全体が地中に埋設され、パイプ内を移動する熱媒体と地中熱との温度差に応じて空気の放熱または採熱をされる熱交換パイプ１０４と、熱交換パイプ１０４に接続され、熱交換された空気を外部へ排気する排気用パイプ１０６とを備えて構成される。

給気用パイプ１０２、熱交換パイプ１０４および排気用パイプ１０６は、ストレート形状のパイプ（直管パイプ）やＲ形状に折れ曲がったパイプ等を接続することで任意の形状、大きさに構成することが可能である。パイプ間の接続は、公知の技術、例えば接続具を介して行うことができる。

給気用パイプ１０２は、一方の端部と他方の端部とを有する断面がほぼ円形状の管であり、図示する例では、給気用パイプ１０２がＬ字型に延在するように構成されているが、これは一例であって給気用パイプは、設計に応じて任意の形状に延在するように構成され得る。給気用パイプ１０２の一方の端部は、地表面に露出され、給気口から外気を取り込む。給気用パイプ１０２の他方の端部は、熱交換パイプ１０４に接続される。給気用パイプ１０２は、自然に空気を内部に供給するものであることができるが、任意な構成として、例えば、給気用パイプ１０２の給気口の付近には、強制的に外気を取り込み、取り込んだ外気を熱媒パイプ１０４に向かわせる吸引装置または送風装置１１４が取付けられる。給気用パイプ１０２あるいは吸引装置１１４は、外気を取り込む際、ホコリ、砂、微粒子など不要物の侵入を防止するためのフィルタを備えることができる。これにより、パイプ内に不要物が進入し堆積されることが抑制される。

排気用パイプ１０６は、一方の端部と他方の端部とを有する断面がほぼ円形状の管であり、図示する例では、排気用パイプ１０６がＬ字型に延在するように構成されるが、これは一例であって排気用パイプは設計に応じて任意の形状に延在するように構成され得る。排気用パイプ１０６の一方の端部は、地表面に露出され、他方の端部は、熱交換パイプ１０４に接続される。熱交換パイプ１０４内で熱変換された空気（熱媒体）は、排気用パイプ１０６の端部の排気口から外部へ排出される。排気用パイプ１０６は、自然に空気を排出するものであることができるが、任意な構成として、例えば排気用パイプ１０６の排気口の付近には、強制的に空気を外部へ排出させる排出装置または送風装置を取付けるようにしてもよい。さらに排気用パイプ１０６あるいは排出装置は、ホコリ、砂、微粒子など不要物の侵入を防止するためのフィルタを備えることができる。

熱交換パイプ１０４は、一方の端部と他方の端部とを有する断面がほぼ円形状の管であり、ここでは給気用パイプ１０２および排気用パイプ１０６と同じ形状のものが用いられる。例えば、熱交換パイプの外径は、２００ｍｍである。熱交換パイプ１０４は、ほぼ矩形状にかつ螺旋状に延在するように構成される。言い換えれば、ほぼ直角に折れ曲がるコーナーを介して角形の１周が形成され、その１周が垂直方向に複数段連なるように延在している。１周は、例えば、約８ｍ×６０ｃｍであり、複数段の垂直方向の長さは約１ｍである。

熱交換パイプ１０４の一方の端部が給気用パイプ１０２の端部に接続され、他方の端部が排気用パイプ１０６に接続され、給気用パイプ１０２から取り込まれた空気が熱交換パイプ１０４を介して排気用パイプ１０６から排出される。熱交換パイプ１０４は、地中に形成された溝または堀の中に埋設され、埋設される深さは任意であるが、好ましくは、年間と通じて変動の少ない温度を得ることが可能な深さであることが望ましい。例えば、熱交換パイプ１０４は、地中の数メートルの深さに埋設される。

熱交換パイプ１０４は、垂直方向の各段のパイプ間の距離が小さくなるような角度で傾斜され、各段のパイプを密接させることでよりコンパクトな構造にすることができる。これにより、熱交換パイプ１０４を埋設する範囲を小さくすることができ、施工が容易になり施工コストの低減を図ることができる。また、熱交換パイプ１０４は、９０度に折り曲げられたコーナー部を有するため、流入された空気の流速がコーナー部で遅延されるのでコーナー部での熱交換効率が向上される。他方、流速が弱まることでコーナー部には不要物が蓄積され易くなる。

給気用パイプ１０２、熱交換パイプ１０４および排気用パイプ１０６は、熱伝導性の高い材料、耐久性の高い材料等から構成されることが望ましい。例えば、熱交換パイプ１０４は、熱伝導率の高いアルミニウムや、腐食等の劣化を防ぐことができる耐久性が高い安価な硬質塩化ビニール樹脂などを用いて構成される。

また本実施例では、給気用パイプ１１０、熱交換パイプ１０４および排気用パイプ１０６の全体の最深部には、水を溜める水溜部１１６が形成されている。図１に示す例では、排気用パイプ１０６の最深部に水溜部１１６が形成されている。水溜部１１６は、熱交換パイプ１０４内などで発生した結露による水滴、あるいは熱交換パイプ１０４内の清掃の時に使用された水を溜めるものであり、一定量の液体を貯めることができる。水溜部１１６は、一定容量の水を蓄積可能にするため他のパイプの径よりも大きな径に構成されてもよいし、あるいは一定の深さを持つように構成されてもよい。水溜部１１６に溜まった水は、排気用パイプ１０６の掃除口１１２からポンプなどを用いて排出することができる。なお、水溜部１１６は、例えば、溜まった水を排水できるように、その底部に、複数の貫通口を設けてもよい。

給気用パイプ１０２および排気用パイプ１０６のＬ字形状のコーナー部分に、掃除用の開口として掃除口１１０、１１２が形成される。掃除口１１０、１１２は、各パイプの内部を清掃するときに利用可能である。掃除口１１０、１１２は、例えば、ねじ付きの蓋により閉じられ、掃除する際に、その蓋を外すことが可能である。

さらに本実施例では、給気用パイプ１０２、熱交換パイプ１０４および排気用パイプ１０６の内部に、可撓性の線状の埋め込み部材１１８が設けられる。埋め込み部材１１８は、金属材料、繊維材料またはプラスチック材料などから構成され、例えば金属ワイヤ、紐、ロープ等を用いることが可能である。

図３（Ａ）は、パイプ内の構成を示す図である。各パイプの内部には、掃除口１１０から掃除口１１２まで、埋め込み部材としてガイドワイヤ１１８が配設されている。ガイドワイヤ１１８は、例えば金属製のワイヤから構成される。ガイドワイヤ１１８は、給気用パイプ１０２、熱交換パイプ１０４および排気用パイプ１０６の全長と同程度かそれ以上の長さを有する。ガイドワイヤ１１８は、例えば、図４（Ａ）に示すように、掃除口１１２付近のパイプ内側に取付けられたフック１２０に、その端部が掛けられている。掃除口１１０側も同様に、フック１２０が設けらそこに固定されている。他の態様では、図４（Ｂ）に示すように、ガイドワイヤ１１８は、掃除口１１０、１１２に取付けられた蓋（キャップ）１１０Ａの貫通孔を通過され、貫通孔内にはゴムや金属等の固定部材１２２が取付けられ、固定部材１２２によってガイドワイヤ１１８の端部がしっかりと固定される。

好ましい態様では、ガイドワイヤ１１８にブラシや布等の掃除用具を取付けてパイプ内の清掃が行われる。図４Ａは、掃除の一例を説明する図である。給気用パイプ１０２および排気用パイプ１０６の掃除口１１０、１１２に取付けられた蓋を取り外し、掃除口１１０、１１２からガイドワイヤ１１８のそれぞれの端部を外部に引き出す。次に、ガイドワイヤ１１８の一方の端部からブラシ等の掃除用具１２４をガイドワイヤに装着する。次に、ガイドワイヤ１１８の両端部を連結装置１２６によって連結し、ガイドワイヤ１１８の閉ループを形成する。連結装置１２６は、ガイドワイヤ１１８の両端部を着脱可能に連結するものであればよく、例えば、両端部をネジ等によって接続することができる。また、補助ワイヤ等を用いて両者を間接的に連結してもよい。そして、ガイドワイヤ１１８を移動させることで掃除用具１２４がパイプ内へ移動され、掃除用具１２４を１周させることでパイプ内の不要物を取り除くことができる。また、掃除を行うとき、掃除口１１０、１１２のいずれかから熱交換パイプ内に水を挿入し、パイプ内を水洗してもよい。

さらに他の態様として、埋め込み部材１１８Ａは、図３（Ｂ）に示すように内部に空洞１１８Ｂが形成された中空の部材から構成され、中空の内部から外周に通じる溝１１８Ｃが形成されるものであってもよい。埋め込み部材１１８Ａの端部から水を内部に供給することで溝１１８Ｃからパイプ内に水が排出される。これにより、パイプ内を掃除するときに水がパイプ内に供給され、不要物の除去をより容易に円滑に行うことができる。

このように本実施例に係る地中熱交換システムでは、パイプ内に線状の埋め込み部材１１８を配設することで、熱交換パイプを地中に埋設した後に、パイプ内に蓄積された不要物を除去する等の清掃をすることができ、保守管理等のメンテナンスを容易にかつ効果的に行うことができる。これにより、熱交換パイプ内への不要物の蓄積を軽減し、特にコーナー部付近の不要物を除去することでコーナー部付近の熱交換効率を改善させることができ、さらに、熱交換された空気とともにホコリや砂が排出されることを防ぐことができる。

なお、上記実施例では、掃除口１１０、１１２を給気用パイプ１０２の給気口および排気用パイプ１０６の排気口とは別個に設けたが、これに限らず、給気用パイプ１０２の給気口および排気用パイプ１０６の排気口が掃除口を兼用するものであってもよい。その例を図４Ｂに示す。同図に示す地中熱交換システム１００Ａでは、給気用パイプ１０２および排気用パイプ１０６は、例えばストレート状に地中に向けて延在するように構成される。給気用パイプ１０２の給気口１０２Ａは、外部から空気を取り込むとともに線状の埋め込み部材１１８の端部を取り出すことが可能である。線状の埋め込み部材１１８の端部は、例えば給気用パイプ１０２の側部においてフックや留め具等の固定装置１２２によって着脱可能に固定されている。同様に、排気用パイプ１０６の排気口１０６Ａは、外部へ空気を排出するとともに線状の埋め込み部材１１８の端部を取り出すことが可能であり、その端部は固定装置１２２によって排気用パイプ１０６の側部に着脱可能に固定されている。

さらに上記実施例では、給気用パイプ１０２の給気口および排気用パイプ１０６の排気口がそれぞれ１つの場合を例示したが、これに限らず、吸気口や排気口が複数形成されるようにしてもよい。図４Ｃは、複数の給気用パイプ、複数の排気用パイプが熱交換パイプに接続される例を示している。同図に示すように、給気用パイプ１０２は、任意の形状、大きさ、数の給気用パイプ１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃを含むように構成され得る。同様に排気用パイプ１０６は、任意の形状、大きさ、数の排気用パイプ１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６を含むように構成され得る。

このように、給気用パイプ１０２および排気用パイプ１０６の形状および線状の埋め込み部材１１８の固定方法は、あらゆる適切な態様によって行うことができ、図示する構成は一例であることに留意すべきである。

図５（Ａ）は、本実施例に係る地中熱交換システムの応用例を示す図である。本実施例に係る地中熱交換システム１００は、例えば、農作物を栽培するビニールハウス２００など農業施設の冷暖房補助システムに応用される。図５（Ａ）に示す例は、冬の季節に適した配置を示しており、給気用パイプ１０２、熱交換パイプ１０４および排気用パイプ１０６は、ビニールハウス２００の内部に配置される。給気用パイプ１０２から取り込まれた空気は熱交換パイプ１０４内で熱交換され、排気用パイプ１０６から再びビニールハウス内に排出される。冬にはビニールハウス内の温度が低温になるので、ビニールハウス内で熱交換された空気を循環させ、これによりビニールハウス内の温度を効果的に温め、あるいは保持することができる。

図５（Ｂ）は、夏の季節に適した配置を示しており、給気用パイプ１０２の給気口がビニールハウス２００の外側に配置され、常に外気を取り込むように構成される。取り込まれた外気は、熱交換パイプ１０４によって熱交換された後、排気用パイプ１０４からビニールハウス内に排気される。夏には、ビニールハウス内の温度が高温になるので、外部から取り込んだ空気を地中熱交換システム１００によって冷却し、冷却した空気をビニールハウス内に供給することで、ビニールハウス内の温度を冷却することができる。

図５（Ｃ）は、複数の地中熱交換システム１００をビニールハウス内に適用した例を示している。本例は、図５（Ａ）に示すような循環タイプの地中熱交換システム１００が複数ビニールハウス内に配置されている。これ以外にも、図５（Ｂ）に示すような地中熱交換システムを複数用いることも可能であるし、図５（Ａ）と図５（Ｂ）に示すタイプを複数用いることも可能である。

このように、ビニールハウス２００は、年間を通じて地中熱温度に準じた室温で管理される。また、ビニールハウス内で冷暖房機器を使用する場合、地中熱交換システム１００を併用することで、その稼動コストを低減することができる。

上記応用例では、熱交換パイプがビニールハウス２００内に地中に埋設される例を示したが、これに限らず熱交換パイプがビニールハウス外の地中に埋設されるようにしてもよい。さらに上記応用例では、１つの熱交換パイプから１つの排気用パイプの排気口が形成される構成を示したが、これに限らず、１つの排気用パイプを複数に分岐させ、複数の排気口が形成されるようにしてもよい。複数の排気口は、ビニールハウス内の所望の位置、例えば農作物の近傍に配置させることができる。

図６（Ａ）、（Ｂ）は、地中熱交換システムの第２の応用例を示す図である。第２の応用例では、地中熱交換システム１００を２重構造のビニールハウス２２０に適用する。ビニールハウス２２０は、内張りビニール（内壁）２２２と外張りビニール（外壁）２２４との２重壁を有し、内壁２２２と外壁２２４との間に断熱層２２６を構成する。図６（Ａ）に示すように、給気用パイプ１０２がビニールハウス外の外気を給気し、排気用パイプ１０６が内壁２２２と外壁２２４との間に熱交換された空気を排出するように配置される。これにより、内壁２２２と外壁２２４との間に温度管理された断熱層を提供し、ビニールハウス２２０内の温度を外気温の変化の影響を強く受けないようにすることができる。

また、図６（Ｂ）に示すように、排気用パイプ１０６を複数から構成し、一部１０６Ａをビニールハウス内に配置するようにしてもよい。特に夏の季節では、ビニールハウス内の温度が高温になるので、断熱層によって外気の影響を少なくするとともに、熱交換された空気をビニールハウス内に供給することで、ビニールハウス内の温度の冷却をより改善することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１００：地中熱交換システム １０２：給気用パイプ
１０４：熱交換システム １０６：排気用パイプ
１１０：掃除口 １１２：掃除口
１１４：送風機 １１６：水溜部
１１８：埋め込み部材 １２０：フック
１２４：掃除用具 １２６：連結装置
２００、２２０：ビニールハウス ２２２：内張りビニール
２２４：外張りビニール ２２６：断熱層

Claims (11)

1. 外部から空気を取り込む給気用パイプと、
   外部へ空気を排出する排気用パイプと、
   地中に埋設され、一方の端部が前記給気用パイプに接続され、他方の端部が前記排気用パイプに接続され、螺旋状に延在するように構成された熱交換パイプと、
   前記給気用パイプ、前記熱交換パイプおよび前記排気用パイプ内に配設された可撓性を有しかつ、中空の線状の埋め込み部材と、
   前記排気用パイプの最深部にパイプ内の水を溜めることができ、かつ、底部に複数の貫通口を有する水溜部とを有し、
   前記埋め込み部材は、前記給気用パイプまたは前記排気用パイプの少なくとも一方から取り出しが可能であり、前記中空の内部から外周に通じる孔を少なくとも１つ有し、前記埋め込み部材の端部から水を前記中空の内部に供給可能である、地中熱交換システム。
2. 前記給気用パイプまたは前記排気用パイプの少なくとも一方には、前記埋め込み部材を取り出すための開口が形成される、請求項１に記載の地中熱交換システム。
3. 前記埋め込み部材は、前記熱交換パイプの内部を清掃するための清掃部材を取り付け可能である、請求項１または２に記載の地中熱交換システム。
4. 前記埋め込み部材は、金属材料、繊維材料またはプラスチック材料から構成される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の地中熱交換システム。
5. 前記給気用パイプまたは前記排気用パイプの開口付近に、前記埋め込み部材の端部を固定する固定具が設けられる、請求項１ないし４いずれか１つに記載の地中熱交換システム。
6. 前記熱交換パイプは、矩形状にかつ螺旋状に延在される、請求項１ないし５いずれか１つに記載の地中熱交換システム。
7. 前記給気用パイプには、外部からの空気を強制的に内部に取り込むための装置が設けられる、請求項１ないし６いずれか１つに記載の地中熱交換システム。
8. 前記排気用パイプには、外部へ空気を強制的に排出するための装置が設けられる、請求項１ないし７いずれか１つに記載の地中熱交換システム。
9. 請求項１ないし８いずれか１つに記載の地中熱交換システムを利用する冷暖房補助システムであって、
   前記排気用パイプが農業施設内に配置され、施設内に熱交換された空気を提供する、冷暖房補助システム。
10. 前記農業施設は、内壁と外壁とを有し、前記排気用パイプから空気が前記内壁と前記外壁との間に提供される、請求項９に記載の冷暖房補助システム。
11. 前記農業施設は、ビニールハウスである、請求項９または１０に記載の冷暖房補助システム。

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