JP6009138B2 - 地中熱利用システム - Google Patents

Description

本発明は、建物の冷暖房等の空調、給湯、あるいは融雪等に利用される地中熱利用システムに関するものである。

建物（工場や倉庫などを含む）の空調や給湯等を目的として、少ない電力で運用でき、地球温暖化につながるＣＯ₂の削減やヒートアイランド現象の緩和に効果のある地中熱利用技術が注目されている。

地中熱利用技術の一つとして、地中熱を利用した空調システムがあり、地盤内に掘削した地中熱交換井から得られる地中熱を熱源とし、地中熱交換井内に挿入した地中熱交換器内を循環させる熱媒体（水、不凍液、あるいは気体など）との間で熱交換を行い、熱媒体を介して得られた地中熱を建物の空調に利用している。

さらに、ヒートポンプを介在させ、地中熱のみで冷暖房や給湯を行うこともできる。ヒートポンプは、蒸発、圧縮、凝縮、膨張のサイクルを利用したものであり、ヒートポンプ内は、代替フロンやイソブタンなどの低沸点の冷媒が熱移動媒体として循環している。

地中熱利用において、さらにヒートポンプを用いる場合、例えば、暖房時は、ヒートポンプ内の液状の冷媒が、地中熱交換器より循環してきた熱媒体から熱を吸収し、蒸発器で気化し、気化した冷媒は圧縮器で加圧され、約７０℃以上に昇温され、昇温したガス状の冷媒は熱交換器に移動し、そこで熱を受けた空気が約４０℃となって室内へ供給される。空気に熱を奪われた冷媒はガスから液体に戻り、膨張弁で冷却され、蒸発器に戻る。冷房時は、暖房と逆サイクルとなる。

また、ヒートポンプを介さない空調においては、例えば地中熱交換器からの配管を空調設備の給気口部分に導き、コイル状に巻回させた配管部分で熱交換を行うようにし、冬は地中熱により暖められた熱媒体の熱を利用して冷たい外気を数℃昇温させて給気し、夏は逆に地中で冷やされた熱媒体の冷熱を利用して暖かい空気を数℃降温させて給気することで、冷暖房における電力負荷を低減させることができる。

非特許文献１〜３には、地中熱利用技術の原理と、現在、実用化されているシステムおよび装置や地中熱交換器等が紹介されている。

その他、特許文献１には、熱交換効率および施工性に優れた地熱交換システムとして、地中熱交換井に挿入された地中熱交換器を、セメントに骨材と共に粘性材を配合した良熱伝導性および良流動性の材料からなるグラウト材で覆ったものが記載されている。

また、特許文献２には、ヒートポンプを通して得た熱と、ヒートポンプを通さずに地中から採取した熱を同時に供給できるようにした地中熱利用冷暖房システムが記載されている。

また、特許文献３には、施工コストをかけずに、実用的に十分な地中熱を利用して冷暖房が行えるようにすることを目的として、地中熱交換器を地盤内に地表面から０．２〜２ｍの深さで水平方向に沿って埋設するものが記載されている。

特開２００４−１６９９８５号公報 特開２００６−０８４１４９号公報 特開２００６−２０７９１９号公報

地中熱利用促進協会ホームページ、［online］、地中熱利用促進協会、［平成２２年３月２日検索］、インターネット＜URL：http://www.geohpaj.org/index.htm＞ "地中熱利用のすすめ"、［online］、株式会社 ワイビーエム、［平成２２年３月２日検索］、インターネット＜URL：http://www.ybm.jp/newtech/chichunetsu/chichunetsu4.htm＞ "地中熱利用システムとは"、［online］、三菱マテリアルテクノ株式会社、［平成２２年３月２日検索］、インターネット＜URL：http://www.mmtec.co.jp/0305/1.html＞

地中熱を利用する利点は、一般的に地中の温度が１年を通じて安定しており、周囲との温度差により熱交換を行うことにより、夏は冷房、冬は暖房、給湯等が効率良く低いランニングコストで可能となる点にある。

しかしながら、地中熱交換井において、例えば夏場に温度の高い熱媒体が送られてくる地中熱交換器との間で熱交換が行われることで、地中熱交換井内あるいはその近傍が徐々に熱を吸収し温まるため、すなわち熱がこもることで熱交換の効率が落ちるという問題がある。冬場も逆の現象により、地中熱交換井における熱交換の効率が落ちることになる。

本発明は、このような課題の解決を図ったものであり、地中熱交換井内あるいはその近傍での熱のこもりを緩和し、熱交換効率に優れた地中熱利用システムを提供することを目的としている。

本願の請求項１に係る発明は、地中熱交換器を挿入するための地中熱交換井を地盤中に設け、前記地中熱交換器内を循環する熱媒体と地中熱交換井との間で熱交換させて得た地熱を利用する地中熱利用システムにおいて、前記地中熱交換井を地中の深度方向に分布する、汚染度の度合いが進んでいる第１帯水層と、その下方の第２帯水層を含む複数の帯水層に跨って掘削するとともに、該地中熱交換井の少なくとも前記第２帯水層を含む一部の区間について上下方向の地下水の移動を許容する地下水流動部を形成させることで、前記熱媒体と地中熱交換井との間での熱交換の際の地中熱交換井内あるいはその近傍での熱こもりを低減させるようにし、前記第２帯水層より上方には、透水性が小さいあるいはほとんどない充填材を充填することで、前記第１帯水層と前記第２帯水層との間に地下水流を発生させないようにしたことを特徴とするものである。

ここで言う複数の帯水層には、第１帯水層と第２帯水層に限らず、第３帯水層以深の帯水層も含めることができる。

地中熱交換井内に配置される地中熱交換器には、種々の材質や形態のものがあるが、例えばポリエチレンチューブなどからなるＵチューブを往復の１組または２組以上配置することが多い。

発明が解決しようとする課題の項で述べたように、熱交換による熱が地中熱交換井内あるいはその近傍に蓄積され、熱交換の効率、すなわち採熱効率が落ちるという問題がある。

これに対し、本発明では、地中熱交換井の少なくとも一部の区間に上下方向の地下水流動部を形成させることで、地中熱交換井内あるいはその近傍での熱のこもりを緩和することができる。

すなわち、地中の土には実質的な動きがないのに対し、帯水層内の地下水にはわずかな流速であるが移動があるため、帯水層部分では、不透水層に比べ熱がこもりにくい。これに加え、本発明では、上下方向の地下水流動部で熱対流や圧力差等による流れが生ずるため、熱こもりを効率良く緩和させることができる。

建物の空調、その他への利用においては、地中熱交換井との間にヒートポンプを介在させる場合と、ヒートポンプを介在させない場合とがあり、用途に応じ、いずれも可能である。

地下水流動部以外の区間については、透水性が小さいあるいはほとんどない充填材を充填することができる。透水性が小さい充填材としては比較的粒径の小さい砂等を用いることができ、また透水性がほとんどない充填材としてはソイルセメントなど硬化性の充填材を用いることもできる。

これらの透水性が小さいあるいはほとんどない充填材は、施工性やコストの観点から選択される場合と、上下方向の地下水流動部の範囲を意図的にコントロールする目的で用いられる場合がある。

請求項２は、請求項１に係る地中熱利用システムにおいて、前記地下水流動部を、上下方向に位置する前記第１帯水層以外の異なる帯水層間をつなぐように設けたことを特徴とするものである。

前述のように、帯水層内では僅かながら地下水の流れがあるため、上下に位置する帯水層間をつなぐことで、地下水流動部の流れを促進し、スムーズな流れを形成させることができる。それにより、熱こもりをより効率良く緩和させることができる。

請求項３は、請求項１または２に係る地中熱利用システムにおいて、前記地中熱交換井が保護管を有しないボアホール方式の地中熱交換井であることを特徴とするものである。

ボアホール方式の地中熱交換井は、従来の地中熱利用システムでも利用実績の高い方式であり、鋼管などの保護管を設置しないため、安価に施工することができる。

請求項４は、請求項１、２または３に係る地中熱利用システムにおいて、前記地下水流動部には地下水の移動を許容する充填材が充填されていることを特徴とするものである。

地盤条件によっては、地下水流動部を非充填とすることも考えられるが、通常は地中熱交換井の孔壁を安定させるために、透水性を損なわないような充填材を充填することが望ましい。

具体的には透水のための比較的大きな空隙が形成されるような材料などであり、施工性や透水性を考慮し適度な粒径の砂利や砕石などを用いることができる。

請求項５は、請求項４に係る地中熱利用システムにおいて、前記地下水の移動を許容する充填材が砂利または砕石であることを特徴とするものである。

地中熱交換井への充填性や充填した状態での透水性を考慮した場合の充填材としては、適度な粒径の砂利、砕石などが適する。例えば、粒径が２〜８ｍｍ程度、より好ましくは４〜６ｍｍ程度の豆砂利の場合、比較的安価に入手することができ、施工性や透水性の面でも適している。

本発明では、地中熱交換井内に上下方向の地下水流動部を形成させることで、地下水流動部を介して地中熱交換井内およびその周辺の地下水の流れを促進させることができ、それによって地中熱交換井内あるいはその近傍での熱こもりを大幅に緩和し、採熱効率を向上させることができる。

特に、保護管を有しないボアホール方式の地中熱交換井を用いた場合、安価に施工することができる。

また、地下水流動部を形成させるための充填材として、適度な径の砂利、砕石などを利用することで、透水性を確保しつつ、安価に施工を行うことができる。

本発明の地中熱利用システムの一実施形態（実施例１）を概念的に示した鉛直断面図である。 本発明の地中熱利用システムの他の実施形態（実施例２）を概念的に示した鉛直断面図である。 本発明の地中熱利用システムのさらに他の実施形態（実施例３）を概念的に示した鉛直断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の地中熱利用システムの一実施形態を示したものであり、この例では地中熱交換井１として、ボアホール方式の施工により、第１帯水層Ｗ₁を貫き、第２帯水層Ｗ₂に達する例えば直径１５０ｍｍ程度、深さ５０ｍ程度の掘削行う。

各地中熱交換井１内には、地中熱交換器２を設置し、第１帯水層以深の空隙には粒径４〜６ｍｍの豆砂利３を充填し、地下水の流動が見込まれない第１帯水層より浅い区間には、粒径２〜４ｍｍの硅砂４を充填する。なお、第１帯水層より浅い区間は、より透水性の低い充填材を充填してもよい。

図では、１つの地中熱交換井１のみを示しているが、実際には同様の多数の地中熱交換井１を設けることで、必要な熱容量が確保される。

地中熱交換器２としては、従来、多用されているポリエチレン製のＵチューブなどを用いることができ、各地中熱交換井１にシングル配置（往復で１対）、ダブル配置（往復で２対）といった形で設置される。

地中熱交換器２には、熱媒体としての水あるいは不凍液等を循環させ、地中熱交換井１での熱交換により得られた熱エネルギー（夏は冷熱）を建物などに送り、建物位置の熱交換手段を介して空調などに利用される。

具体的な用途としては、夏は建物の冷房に、冬は建物の暖房や給湯に利用することができる。また、寒冷地等では、冬場の道路や屋根の融雪にも利用することができる。

充填材として豆砂利３を充填した区間は、地下水の流動を促すための地下水流動部５となる部分であり、例えば、図中の矢印のように、第２帯水層Ｗ₂から第１帯水層Ｗ₁に向かう地下水の流れが生ずる。

具体的には、夏の建物の冷房時においては、冷房のための熱交換によって熱せられた熱媒体が地中熱交換器２に送り込まれ、地中熱交換井１内での熱交換により冷やされ、再び建物に送られて行く。

このとき、地中熱交換井１内やその周辺部は熱媒体との熱交換により暖められることになる。地盤内の土粒子は実質的に移動がないため、地下水流がなければ熱こもりが生じ、熱交換効率が低下することになる。

これに対し、帯水層では非常にゆっくりした速度ではあるが地下水流が生じるため、熱こもりが緩和される。さらに、地中熱交換井１内に地下水流動部５が形成されることで、地下水流動部５での熱対流や圧力差などによる上下方向の地下水流が加わり、さらに熱こもりが緩和され、地中熱交換井１内での熱交換効率を向上させることができる。

冬の建物の暖房においては、暖房のための熱交換によって熱を奪われた冷えた熱媒体が地中熱交換器２に送り込まれ、地中熱交換井１内での熱交換により地中熱を吸収して暖められ、再び建物に送られて行く。

このとき、地中熱交換井１内やその周辺部は熱媒体との熱交換により冷やされることになる。地盤内の土粒子は実質的に移動がないため、地下水流がなければ負の熱こもりが生じ、熱交換効率が低下することになるが、上述のように帯水層での地下水流に加え、地中熱交換井１内に地下水流動部５が形成されることで、地中熱交換井１内での熱交換効率を向上させることができる。

図２は、本発明の地中熱利用システムの他の実施形態を示したものであり、この例では地中熱交換井１１として、ボアホール方式の施工により、第１帯水層Ｗ₁、第２帯水層Ｗ₂を貫き、第３帯水層Ｗ₃達する直径１５０ｍｍ程度、深さ７０ｍ程度以上（７０ｍ程度の深さに第３帯水層Ｗ₃がある場合を想定）の掘削行い、各地中熱交換井１１（図では１つだけ示している）内に地中熱交換器１２を設置し、第２帯水層Ｗ₂の少し上方より深い区間の空隙には粒径４〜６ｍｍの豆砂利１３を充填し、それより上方の区間には、豆砂利１３に比べ透水性が小さくなる粒径２〜４ｍｍの硅砂１４を充填している。なお、この上方の区間には、より透水性の低い充填材を充填してもよい。

これは、第１帯水層Ｗ₁の汚染の度合いが進んでいる場合を想定して、第２帯水層Ｗ₂より上方には、透水性の低いあるいは透水性がほとんどない充填材を充填し、意識的に第１帯水層Ｗ₁と第２帯水層Ｗ₂との間には、地下水流を発生させないようにしたものである。

第２帯水層Ｗ₂と第３帯水層Ｗ₃との間には、実施例１の場合と同様の地下水流動部１５を形成され、その間での地下水の流れを促し、地中熱交換井１１内あるいはその近傍での熱こもりを緩和させ、熱交換効率を向上させることができる。

その他、基本的な原理は実施例１と同様であるので、説明を省略する。

図３は、本発明の地中熱利用システムのさらに他の実施形態を示したものであり、実施例１との違いとして、地下水流動部２５を形成されるための豆砂利２３を充填する区間を第１帯水層Ｗ₂より下の位置で止め、その上には豆砂利２３に比べ透水性が小さくなる粒径２〜４ｍｍの硅砂２４を充填している。

これは、実施例２と同様、第１帯水層Ｗ₁の汚染の度合いが進んでいる場合を想定し、第１帯水層Ｗ₁の汚染の度合いが進んだ地下水が汚染の度合いの少ない第２帯水層Ｗ₂に流入しないようにしたものである。

この場合、帯水層間をつなぐ流路は形成されないが、透水性を高めた地下水流動部２５での地下水の流れが生じることで、地中熱交換井２１内あるいはその近傍での熱こもりを緩和させ、熱交換効率を向上させる効果が期待できる。

本発明は、地球温暖化につながるＣＯ₂の削減やヒートアイランド現象の緩和に効果のある地中熱システムとして、建物の冷暖房、給湯、融雪等に用いることができる。

Ｗ₁…第１帯水層、Ｗ₂…第２帯水層、Ｗ₃…第３帯水層、
Ｕ₁、Ｕ₂、Ｕ₃、Ｕ₄…不透水層、
１…地中熱交換井、２…地中熱交換器（Ｕチューブ）、３…豆砂利、４…硅砂、５…地下水流動部、
１１…地中熱交換井、１２…地中熱交換器、１３…豆砂利、１４…硅砂、１５…地下水流動部、
２１…地中熱交換井、２２…地中熱交換器、２３…豆砂利、２４…硅砂、２５…地下水流動部

Claims (6)

1. 地中熱交換器を挿入するための地中熱交換井を地盤中に設け、前記地中熱交換器内を循環する熱媒体と地中熱交換井との間で熱交換させて得た地熱を利用する地中熱利用システムにおいて、前記地中熱交換井を地中の深度方向に分布する、汚染度の度合いが進んでいる第１帯水層と、その下方の第２帯水層を含む複数の帯水層に跨って掘削するとともに、該地中熱交換井の少なくとも前記第２帯水層を含む一部の区間について上下方向の地下水の移動を許容する地下水流動部を形成させることで、前記熱媒体と地中熱交換井との間での熱交換の際の地中熱交換井内あるいはその近傍での熱こもりを低減させるようにし、前記第２帯水層より上方には、透水性が小さいあるいはほとんどない充填材を充填することで、前記第１帯水層と前記第２帯水層との間に地下水流を発生させないようにしたことを特徴とする地中熱利用システム。
2. 前記地下水流動部を、上下方向に位置する前記第１帯水層以外の異なる帯水層間をつなぐように設けたことを特徴とする請求項１記載の地中熱利用システム。
3. 前記地中熱交換井が保護管を有しないボアホール方式の地中熱交換井であることを特徴とする請求項１または２記載の地中熱利用システム。
4. 前記地下水流動部には地下水の移動を許容する充填材が充填されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の地中熱利用システム。
5. 前記地下水の移動を許容する充填材が砂利または砕石であることを特徴とする請求項４記載の地中熱利用システム。
6. 前記透水性が小さいあるいはほとんどない充填材が比較的粒径の小さい砂またはソイルセメントであることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の地中熱利用システム。

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