JP6164461B2 - 地中熱利用システム - Google Patents

Description

本発明は、地下水が持つ地熱（地中熱）を冷暖房や給湯などの熱源として利用する地中熱利用システムに関し、特に、地中熱を採熱するための地中熱交換器として、螺旋状に配してなるスパイラル型の採熱管を用いるようにした地中熱利用システムに関するものである。

地中熱は再生可能エネルギーの一つとして、利用・普及が進められている。地中熱を採熱するための垂直型の地中熱交換器（採熱管）としては、口径１５０〜２００ｍｍ程度のボアホール内にポリエチレン製のＵ字型のチューブを埋設し、この内部に水などの熱媒体を循環させるものが一般的であるが、地下水が豊富でかつ地下水流速が早い地域などでは、採熱管の配置密度を高くできる図６に示すようなスパイラル型の採熱管１が実用化されている（例えば、特許文献１〜４を参照）。このスパイラル型の採熱管１は、螺旋状に配設されたスパイラル部１ａ（スパイラルチューブ）と、直管部（リターン管）１ｂとからなる。

このスパイラル型の採熱管１の設置方式としては、図７（１）に示すように、地盤Ｇにスクリーン２を有する鋼製井戸３を設けて、この井戸３内に地表から採熱管１を吊り下ろし、井戸３内の水Ｗと熱交換する方式（開放型）と、図７（２）に示すように、削孔した孔４内に採熱管１を吊り下ろした後に、孔壁４ａと採熱管１との間の隙間を透水性の高い材料５（例えば珪砂など）で埋め戻す方式（埋設型）とがそれぞれ実用化されている。

特開２０１１−１２２７８４号公報 特開２０１１−００７４４６号公報 特開２００９−１０３３６７号公報 特許第４９９０５９３号公報

ところで、開放型・埋設型いずれの方式についても、スパイラルチューブ周囲の水（埋設型の場合は埋め戻し材間隙中の地下水）の流速が速いほど、チューブ表面での熱交換量が大きくなり、単位長さ当たりの採熱量が向上する。水の流速を増大させる方法としては、揚水や注水により地下水流動を促す方法や、開放型については井戸内の水を攪拌する方法などが考えられるが、建設費や運転費が増加する他、揚水や注水に関する規制のある地域では適用できないなどの問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、比較的簡易な構成によりスパイラル型の採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させることができる地中熱利用システムを提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る地中熱利用システムは、スパイラル型の採熱管からなる地中熱交換器を用いた地中熱利用システムであって、前記地中熱交換器は、上下方向に延びるストレートチューブと、このストレートチューブの下端に連通し、このストレートチューブの周囲に間隔をあけてスパイラル状に配された前記採熱管としてのスパイラルチューブとを含んで構成され、前記スパイラルチューブ周りの地下水に上下の温度差を形成して前記地下水を自然対流させる自然対流促進手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る他の地中熱利用システムは、上述した発明において、前記自然対流促進手段は、前記ストレートチューブと前記スパイラルチューブとの間を仕切るように設けられた筒状の隔壁を有し、この隔壁の内外で自然対流による地下水の上昇流または下降流の発生を促進するようにしたことを特徴とする。

また、本発明に係る他の地中熱利用システムは、上述した発明において、前記隔壁の内外で水位差を発生させるための水位差発生手段を設けたことを特徴とする。

また、本発明に係る他の地中熱利用システムは、上述した発明において、地中熱を冷房または暖房用の熱源として利用するものであって、冷房運転時には、熱媒体を前記ストレートチューブから前記スパイラルチューブ下部に送り込み、暖房運転時には、熱媒体を前記スパイラルチューブから前記ストレートチューブ下部に送り込むことを特徴とする。

本発明に係る地中熱利用システムによれば、スパイラル型の採熱管からなる地中熱交換器を用いた地中熱利用システムであって、前記地中熱交換器は、上下方向に延びるストレートチューブと、このストレートチューブの下端に連通し、このストレートチューブの周囲に間隔をあけてスパイラル状に配された前記採熱管としてのスパイラルチューブとを含んで構成され、前記スパイラルチューブ周りの地下水に上下の温度差を形成して前記地下水を自然対流させる自然対流促進手段を備えたので、地下水の自然対流によりスパイラルチューブの周囲の地下水の流速が増大してその単位長さ当たりの採熱量が向上する。このため、比較的簡易な構成によりスパイラル型の採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させることができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の地中熱利用システムによれば、上述した発明において、前記自然対流促進手段は、前記ストレートチューブと前記スパイラルチューブとの間を仕切るように設けられた筒状の隔壁を有し、この隔壁の内外で自然対流による地下水の上昇流または下降流の発生を促進するようにしたので、地下水の自然対流によりスパイラルチューブの周囲の地下水の流速が増大してその単位長さ当たりの採熱量が向上する。このため、筒状の隔壁という比較的簡易な構成によりスパイラル型の採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させることができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の地中熱利用システムによれば、上述した発明において、前記隔壁の内外で水位差を発生させるための水位差発生手段を設けたので、水位差発生手段により隔壁の内外で水位差を発生させることにより、隔壁の内外間の地下水の流動が促進される。したがって、筒状の隔壁による自然対流の効果に水位差による流動効果が加わることで、スパイラルチューブの周囲の地下水の流速をより一層増大することができる。このため、筒状の隔壁および水位差発生手段という比較的簡易な構成により、スパイラル型の採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させることができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の地中熱利用システムによれば、上述した発明において、地中熱を冷房または暖房用の熱源として利用するものであって、冷房運転時には、熱媒体を前記ストレートチューブから前記スパイラルチューブ下部に送り込み、暖房運転時には、熱媒体を前記スパイラルチューブから前記ストレートチューブ下部に送り込む。このように、冷房運転時には地上の熱源機から戻される高温の熱媒体を、ストレートチューブ上部からスパイラルチューブ下部に送り込むことにより、熱交換器が配置される坑井下部の水温がより高くなり、隔壁の外部に上昇流が発生しやすくなる。一方、暖房運転時には低温の熱媒体をスパイラルチューブ上部からストレートチューブ下部に送り込むことにより、坑井上部の水温がより低くなり、隔壁の外部に下降流が生じやすくなる。これらの効果により、隔壁内外での自然対流の発生が促進される。しかも熱媒体の流動方向を逆転するための設備として、地上の配管部にバルブを数ヶ所設置すれば済むことから安価な追加コストで導入可能である。したがって、地中熱を冷房または暖房用の熱源として利用する場合に、比較的簡易な構成によりスパイラル型の採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させることができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る地中熱利用システムで用いられるスパイラル式地中熱交換器の実施例を示す概略斜視図である。 図２は、本発明に係る地中熱利用システムの実施例（開放型の場合）を示す側断面図である。 図３は、本発明に係る地中熱利用システムを用いた冷房運転（夏期）の一例を示す図である。 図４は、本発明に係る地中熱利用システムを用いた暖房運転（冬期）の一例を示す図である。 図５は、本発明に係る地中熱利用システムにおける循環ポンプ設置の一例を示す図である。 図６は、従来のスパイラル式地中熱交換器の外観を示した概略斜視図である。 図７は、従来の地中熱利用システムにおけるスパイラル式地中熱交換器の設置方式を示した図であり、（１）は開放型方式、（２）は埋設型方式の図である。

以下に、本発明に係る地中熱利用システムの実施の形態（実施例１〜３）を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、本発明に係る地中熱利用システムは、以下の実施例１〜３を単独または適宜組み合わせて適用することにより、水温変化による自然対流の効果を利用してスパイラルチューブ周囲の水の流速を増大させ、スパイラルチューブの単位長さ当たりの採熱量を向上させるものである。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明に係る地中熱利用システムにおいては、図１に示すようなスパイラル型の採熱管からなる地中熱交換器１２を用いている。この地中熱交換器１２は、上下方向に延びるストレートチューブ１４（リターン管）と、このストレートチューブ１４の下端１４ａに連通し、このストレートチューブ１４の周囲に間隔をあけてスパイラル状に配された採熱管としてのスパイラルチューブ１６とを含んで構成される。

この地中熱交換器１２は、スパイラルチューブ１４周りの図示しない地下水に上下の温度差を形成して、この地下水を自然対流させるための自然対流促進手段１８をさらに備えている。より具体的には自然対流促進手段１８は、ストレートチューブ１４とスパイラルチューブ１６との間を仕切るように設けられた円筒状の隔壁２０を有しており、この隔壁２０の内外で自然対流による地下水の上昇流または下降流の発生を促進するようになっている。

［実施例１］
次に、上記の地中熱交換器１２を用いた本発明に係る地中熱利用システムの基本的な実施例１について、設置方式が開放型の場合を例にとり図２を参照しながら説明する。

図２に示すように、本発明の実施例１に係る地中熱利用システム１０は、地盤Ｇにスクリーン２を有する鋼製井戸３を設けて、この井戸３内に地表から地中熱交換器１２を吊り下ろし、井戸３内の地下水Ｗと熱交換するものである。

ここで、円筒状の隔壁２０の設置方法としては、井戸３内に既に配置してあるストレートチューブ１４を円筒状の隔壁２０内に収納するように地上から隔壁２０を吊り下ろし、隔壁２０の上端部２０ｂに取り付けた吊り下げ用治具２２を介して地表面ＧＬ上の架台２４などに固定する方法がある。隔壁２０の下端部２０ａ（孔底近傍部）および上端部２０ｂ（地表近傍部）においては、上下方向に空間を確保するか、または隔壁２０にスリットなどを設けることにより、隔壁２０の内部と外部とが連通するようにする。なお、隔壁２０の内部と外部の熱交換を抑制するため、隔壁２０の構成材料としては塩化ビニルなどの熱伝導率の小さい材質を用いることが望ましい。

上記の実施例１の構成によれば、水の温度差による自然対流の効果を有効利用することにより、円筒状の隔壁２０という比較的簡易な構成でスパイラルチューブ１６（スパイラル型の採熱管）表面での熱交換量を促進させ、低コスト（設備費・運転費）で採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させることができる。これにより、地中採熱管の設置本数を削減できることになり、施設全体の経済性が向上するとともに、都市部などの敷地が狭隘で採熱管の設置面積が制限される地域においても、十分な採熱量を確保することが可能となる。

なお、上記の実施の形態において、スパイラルチューブ１６（地中熱交換器）の設置方式が開放型の場合について説明したが、埋設型の場合についても同様である。すなわち、いずれの方式についても、スパイラルチューブ１６とストレートチューブ１４との間に円筒状の隔壁２０を吊り下ろして設置することで、開放型の場合には鋼製井戸の内部を、埋設型の場合には孔の埋め戻し部を２重管構造にし、円筒状の隔壁２０の内外で地下水Ｗの自然対流による上昇流または下降流の発生を促進するようにする。なお、埋設型の場合には、円筒状の隔壁２０を設置固定した後に、隔壁２０の内部および外部をそれぞれ透水性の高い材料（例えば珪砂など）で埋め戻すことになる。

［実施例２］
次に、本発明に係る地中熱利用システムの実施例２について、設置方式が開放型の場合を例にとり図３および図４を参照しながら説明する。本実施例の地中熱利用システムは、上記の実施例１のような地中熱利用システムにおいて、地中熱を冷房または暖房用の熱源として利用する空調システムに適用した場合の例である。

図３は、本発明に係る地中熱利用システムによる冷房運転（夏期）の一例を示す図であり、図４は、本発明に係る地中熱利用システムによる暖房運転（冬期）の一例を示す図である。

図３および図４に示すように、本発明の実施例２に係る地中熱利用システム１００は、上記の実施例１の地中熱利用システム１０において、地表面ＧＬ上の配管部に流向逆転機構としてのバルブ２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂを追加して設けたものである。

バルブ２６ａは、ストレートチューブ１４に連通した配管部の図示しないヒートポンプなどの熱源機側と、スパイラルチューブ１６の上端側とを繋ぐ管路に設けてある。バルブ２６ｂは、ストレートチューブ１４に連通した配管部に設けてある。バルブ２８ａは、スパイラルチューブ１６に連通した配管部の図示しないヒートポンプなどの熱源機側と、ストレートチューブ１４の上端側とを繋ぐ管路に設けてある。バルブ２８ｂは、スパイラルチューブ１６に連通した配管部に設けてある。

図３に示すように、冷房運転時（夏期）には、図示しない地上のヒートポンプなどの熱源機側からの熱媒体をストレートチューブ１４からスパイラルチューブ１６の下部１６ａに送り込むように、各バルブの開閉状態を切り換える。すなわち、バルブ２６ａ、２８ａを閉塞状態にするとともにバルブ２６ｂ、２８ｂを開放状態にする。これにより、地上の熱源機から戻される高温の熱媒体を、図中の破線経路を介してストレートチューブ１４上部からスパイラルチューブ１６の下部１６ａに送り込むことができる。こうすることで、井戸３下部の地下水温が上部より高くなり、隔壁２０の外部に上昇流が発生しやすくなる。これにより隔壁２０内外での自然対流の発生が促進される。

なお、冷房運転時（夏期）におけるスパイラルチューブ内の熱媒体の温度分布は図に示すように最下部のものが高温で、そこから上方に行くほど温度が低くなり、地上の熱源機には低温の熱媒体が供給される。したがって、本実施例によれば、地中熱を冷房用の熱源として利用する場合に、比較的簡易な構成によりスパイラル型の採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させることができる。

一方、図４に示すように、暖房運転時（冬期）には、図示しない地上のヒートポンプなどの熱源機側からの熱媒体をスパイラルチューブ１６からストレートチューブ１４の下部１４ａに送り込むように、各バルブの開閉状態を切り換える。すなわち、バルブ２６ｂ、２８ｂを閉塞状態にするとともにバルブ２６ａ、２８ａを開放状態にする。これにより、地上の熱源機から戻される低温の熱媒体を、図中の実線経路を介してスパイラルチューブ１６上部からストレートチューブ１４の下部１４ａに送り込むことができる。こうすることで、井戸３上部の地下水温が下部より低くなり、隔壁２０の外部に下降流が発生しやすくなる。これにより隔壁２０内外での自然対流の発生が促進される。

なお、暖房運転時（冬期）におけるスパイラルチューブ内の熱媒体の温度分布は図に示すように最上部のものが低温で、そこから下方に行くほど温度が高くなり、地上の熱源機には高温の熱媒体が供給される。したがって、本実施例によれば、地中熱を暖房用の熱源として利用する場合に、比較的簡易な構成によりスパイラル型の採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させることができる。

また、本実施例によれば、上記の実施例１の構成に対して、スパイラルチューブ１６内の熱媒体の流れを冷房運転時と暖房運転時とで逆転可能なバルブを追加して設けることにより、自然対流の発生をより促進する。しかも地上の配管部に対してバルブを数ヶ所設置すれば済むことから安価な追加コストで導入可能である。したがって、地中熱を冷房または暖房用の熱源として利用する場合に、比較的簡易な構成によりスパイラル型の採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させることができる。

このように、地中熱を利用する空調システムの場合には、冷房運転では高温、暖房運転では低温の熱媒体（ブライン）がヒートポンプなどの熱源機から戻され、地中のスパイラルチューブ１６とストレートチューブ１４を循環する過程で地中温度（地下水温度）近くまで温度が回復した後、再度熱源機に送られる。したがって、冷房運転時には熱源機から戻される高温の熱媒体を、ストレートチューブ１４側からスパイラルチューブ１６の下部１６ａに送り込むことにより、井戸３の下部の地下水温がより高くなり、隔壁２０の外部に上昇流が発生しやすくなる。一方、暖房運転においては、低温の熱媒体をスパイラルチューブ１６の上部側から送り込むことにより、井戸３の上部の地下水温がより低くなり、隔壁２０の外部に下降流が生じやすくなる。これらの効果により、隔壁２０内外での自然対流の発生が促進される。なお、埋設型の場合についても上記の実施例と同様の作用効果を奏するのはいうまでもない。

［実施例３］
次に、本発明に係る地中熱利用システムの実施例３について、設置方式が開放型の場合を例にとり図５を参照しながら説明する。本実施例の地中熱利用システムは、上記の実施例１（あるいは実施例２）のような地中熱利用システムにおいて、水位差発生手段を設けた場合の例である。

図５に示すように、本発明の実施例３に係る地中熱利用システム２００は、上記の実施例１の地中熱利用システム１０において、隔壁２０内外の地下水Ｗの流速をより増大させるために、隔壁２０内外で水位差を発生させるためのポンプ３０（水位差発生手段）を追加して設けたものである。円筒状の隔壁２０の上端部２０ｂが井戸３内部の水面を隔壁２０内外に分離するように上方に延びている。このため、隔壁２０の内外には水位差が発生し得る構造となっている。隔壁２０の内外間は上端部２０ｂを跨ぐ管路３２で接続されており、ポンプ３０は隔壁２０の外部側の管路３２の下側に配置されている。

このポンプ３０を運転し、例えば図５に示すように隔壁２０の外部側の地下水Ｗを管路３２を通じて隔壁２０の内部側に送水すれば、隔壁２０の内外に水位差を発生させることができる。このようにすれば、隔壁２０の内外間の地下水Ｗの流動が促進される。したがって、隔壁２０による自然対流の効果に水位差による流動効果が加わることで、スパイラルチューブ１６の周囲の地下水Ｗの流速をより一層増大することができる。このため、本実施例によれば、隔壁２０およびポンプ３０という比較的簡易な構成により、スパイラル型の採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させることができるという効果を奏する。なお、埋設型の場合についても上記の実施例と同様の作用効果を奏するのはいうまでもない。

また、ポンプ３０を地表面ＧＬ以下に設置して管路３２内の水循環を地下で行えば、工業用水法やビル用水法で規定される「揚水」にあたらないため、揚水規制のある都市部などでも適用することができる。

以上説明したように、本発明に係る地中熱利用システムによれば、スパイラル型の採熱管からなる地中熱交換器を用いた地中熱利用システムであって、前記地中熱交換器は、上下方向に延びるストレートチューブと、このストレートチューブの下端に連通し、このストレートチューブの周囲に間隔をあけてスパイラル状に配された前記採熱管としてのスパイラルチューブとを含んで構成され、前記スパイラルチューブ周りの地下水に上下の温度差を形成して前記地下水を自然対流させる自然対流促進手段を備えたので、地下水の自然対流によりスパイラルチューブの周囲の地下水の流速が増大してその単位長さ当たりの採熱量が向上する。このため、比較的簡易な構成によりスパイラル型の採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させることができる。

また、本発明に係る他の地中熱利用システムによれば、上述した発明において、前記自然対流促進手段は、前記ストレートチューブと前記スパイラルチューブとの間を仕切るように設けられた筒状の隔壁を有し、この隔壁の内外で自然対流による地下水の上昇流または下降流の発生を促進するようにしたので、地下水の自然対流によりスパイラルチューブの周囲の地下水の流速が増大してその単位長さ当たりの採熱量が向上する。このため、筒状の隔壁という比較的簡易な構成によりスパイラル型の採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させることができる。

また、本発明に係る他の地中熱利用システムによれば、上述した発明において、前記隔壁の内外で水位差を発生させるための水位差発生手段を設けたので、水位差発生手段により隔壁の内外で水位差を発生させることにより、隔壁の内外間の地下水の流動が促進される。したがって、筒状の隔壁による自然対流の効果に水位差による流動効果が加わることで、スパイラルチューブの周囲の地下水の流速をより一層増大することができる。このため、筒状の隔壁および水位差発生手段という比較的簡易な構成により、スパイラル型の採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させることができる。

また、本発明に係る他の地中熱利用システムによれば、上述した発明において、地中熱を冷房または暖房用の熱源として利用するものであって、冷房運転時には、熱媒体を前記ストレートチューブから前記スパイラルチューブ下部に送り込み、暖房運転時には、熱媒体を前記スパイラルチューブから前記ストレートチューブ下部に送り込む。このように、冷房運転時には地上の熱源機から戻される高温の熱媒体を、ストレートチューブ上部からスパイラルチューブ下部に送り込むことにより、熱交換器が配置される坑井下部の水温がより高くなり、隔壁の外部に上昇流が発生しやすくなる。一方、暖房運転時には低温の熱媒体をスパイラルチューブ上部からストレートチューブ下部に送り込むことにより、坑井上部の水温がより低くなり、隔壁の外部に下降流が生じやすくなる。これらの効果により、隔壁内外での自然対流の発生が促進される。しかも熱媒体の流動方向を逆転するための設備として、地上の配管部にバルブを数ヶ所設置すれば済むことから安価な追加コストで導入可能である。したがって、地中熱を冷房または暖房用の熱源として利用する場合に、比較的簡易な構成によりスパイラル型の採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させることができる。

以上のように、本発明に係る地中熱利用システムは、地下水が持つ地中熱を冷暖房や給湯などの熱源として利用する地中熱利用システムに有用であり、特に、地中熱を採熱するための地中熱交換器として、螺旋状に配してなるスパイラル型の採熱管を用いるようにしたシステムにおいて、比較的簡易な構成により採熱管の単位長さ当たりの採熱量を向上させるのに適している。

１０，１００，２００ 地中熱利用システム
２ スクリーン
３ 鋼製井戸
１２ 地中熱交換器
１４ スパイラルチューブ
１４ａ ストレートチューブの下端（ストレートチューブ下部）
１６ スパイラルチューブ
１６ａ スパイラルチューブの下部
１８ 自然対流促進手段
２０ 隔壁
２０ａ 隔壁の下端部
２０ｂ 隔壁の上端部
２２ 吊り下げ用治具
２４ 架台
２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂ バルブ
３０ ポンプ（水位差発生手段）
３２ 管路
ＧＬ 地表面
Ｇ 地盤
Ｗ 地下水

Claims (3)

1. スパイラル型の採熱管からなる地中熱交換器を用いた地中熱利用システムであって、
   前記地中熱交換器は、上下方向に延びるストレートチューブと、このストレートチューブの下端に連通し、このストレートチューブの周囲に間隔をあけてスパイラル状に配された前記採熱管としてのスパイラルチューブとを含んで構成され、
   前記スパイラルチューブ周りの地下水に上下の温度差を形成して前記地下水を自然対流させる自然対流促進手段を備え、
   前記自然対流促進手段は、前記ストレートチューブと前記スパイラルチューブとの間を仕切るように設けられた筒状の隔壁を有し、この隔壁の内外で自然対流による地下水の上昇流または下降流の発生を促進するようにしたことを特徴とする地中熱利用システム。
2. 前記隔壁の内外で水位差を発生させるための水位差発生手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の地中熱利用システム。
3. 地中熱を冷房または暖房用の熱源として利用するものであって、
   冷房運転時には、熱媒体を前記ストレートチューブから前記スパイラルチューブ下部に送り込み、
   暖房運転時には、熱媒体を前記スパイラルチューブから前記ストレートチューブ下部に送り込むことを特徴とする請求項１または２に記載の地中熱利用システム。
   
   

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