JP6197238B2

JP6197238B2 - 地下水密閉循環式屋根融雪システム

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Publication number: JP6197238B2
Application number: JP2014203458A
Authority: JP
Inventors: 長谷川　雅人; 雅人長谷川
Original assignee: 長谷川　雅人; 雅人長谷川
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2034-09-11
Also published as: JP2016056675A

Description

本発明は、地下水を直接屋根に上げ、密閉循環させて屋根の雪を効率よく融かす屋根融雪システムに関するものである。

従来の屋根融雪システムのほとんどは灯油やガスの燃焼熱や電気ヒーターの発熱など人工的な熱源を大量に使っているため、ランニングコストが高く、また地球温暖化の元凶となる二酸化炭素の排出量も多い。

近年、自然熱源として地中熱を利用した融雪システムが実用化されてきている（例えば、特許文献１参照）。
しかし限られた面積の土地では得られる熱量にも限度があり、豪雪地での屋根融雪には能力不足である。

日本国内どこでも手軽に手に入れることができる自然熱源として、１５℃程度の一定の温度を有する地下水がある。

地下水の散水による道路融雪は広く普及しており、屋根の融雪にも一部地下水散水方式が利用されている。
地下水散水方式は地下水の熱を直接雪に伝えて融雪するため、人為的な熱源が必要なく、地下水を組み上げるための動力だけで済むので、極めて経済性の高い融雪方法である。
設備のための初期費用も安く、運転費用も安い。
しかし多くの地域の地下水には鉄分が多く含まれ、屋根全体が赤さび色に汚れてしまうなどの問題がある。
さらに地下水の汲み上げ過多によって地盤沈下が発生する事態も生じている。
この地盤沈下問題を解決するため、散水後の水を融雪水とともに回収し、再び地下水層に戻す方法も提案されている（例えば、特許文献２、３参照）が、この方法では汚れた融雪水も地下水層に混入してしまうため、地下水の汚染が懸念される。

この問題を解決する方法として地下水密閉循環式と呼ぶべき方式があり（特許文献４、５参照）、地下水を屋根まで導いた後、屋根に這わせた金属パイプや樹脂パイプの中に地下水を流すことによって、パイプや屋根材に熱を伝え、密閉されたまま雪を融かし、戻りパイプによって地下に戻すというものである。
実用化例として（株）リビエラの「リビエラ低温融雪」がある。
この地下水密閉循環方式を用いれば、従来地下水の利用で問題となっている地盤沈下や地下水汚染を心配することなく、地下水を融雪に利用することができる。

特開２０１４−２０１９５号広報特開２００７−２１１５７６号広報実開昭６１−８５６２９号広報特開昭５７−１４６８６５号広報特開昭６１−１９１７５７号広報特開２００８−１８４８９０号広報

地下水密閉循環方式は、地盤沈下や地下水汚染の心配のない有望な方式であるが、従来の方法では以下の問題がある。

運転停止後に屋根上の配管やパイプに水が残っていると、気温が氷点下に下がった時に、残った水が凍結するおそれがあり、そうなると配管やパイプが破損したり詰まったりして運転が再開できなくなる。
特許文献５では屋根の配管上部に真空破壊用逆止弁を設けることにより、ポンプ停止時に真空破壊用逆止弁より空気を吸い込み、融雪用金属管及び送水管とも水は落水するとしている。
しかし実験をしてみると、Ｕ字形になった配管部分には水が残ってしまうことが判明した。
従ってこの方法では管の中の水を完全に抜くことはできず、水が凍結して運転できなくなるおそれがある。
また、特許文献６には、ポンプ停止時に圧縮空気を配管内に自動的に送り込み、内部の水を強制排水する方法が示されている。
１本の管だけの場合にはこの方法は有効かもしれないが、給水配管が枝分かれしたり、給水配管からさらに多数のパイプが繋がったりしているような場合には適用できないものと考えられる。

温水循環方式が４０〜７０℃の温水を使うのに対し、地下水循環方式は１５℃前後の地下水を熱源としており、約０℃の雪との温度差が小さく、温水に比べて熱が伝わりにくい。
低温の熱源である地下水で十分な融雪能力を発揮するためには、効率のいい熱伝達システムを構築することが、ことに重要であるが、従来の取り組みは十分ではなかった。
特許文献４においては、地下水の通る金属管を熱伝導の良い接着剤（例えば金属粉混入のアクリル樹脂添加のアスファルト）により鉄板屋根と一体化させることにより地下水の熱が屋根全面にほぼ均等に伝播するとしている。
しかし接着剤の熱伝導性能には疑問があるとともに、屋根を覆うトタン材は一般には１ｍｍにも満たない薄さであり、熱伝達経路の断面積が不足し熱伝達能力が十分でないため、屋根全面で均等な融雪能力を発揮することは期待できない。
また特許文献５では、地下水を通す熱伝導パイプとシートを酢酸ビニールで一体成型して屋根に貼り付ける、もしくは熱伝導パイプを個別に屋根に貼り付けることとしているが、一般的に樹脂は熱伝導率の点で劣っており、重要な伝熱部材に用いていることには問題がある。
また特許文献４について述べたことと同じ理由で屋根材への均一な熱伝導は期待できず、熱伝導パイプ上に直接降る雪以外は融かすことが難しいと思われる。
前述した（株）リビエラの実用化例では、雪に熱を伝える役目を果たすパイプは設置間隔が広く、パイプの上に直接降る雪以外には熱が伝わりにくい。
またパイプの材質も塩ビであるので熱伝導率は小さい。
従って豪雪地で使うには融雪能力が不足するものと思われる。

場所によって雪の消えるスピードが違う、いわゆる融雪ムラは、時間あたりに伝わる熱の量が場所によって異なることから生ずる。
パイプの中を流れる地下水は、流れるにつれて、雪を融かすごとにその熱を奪われていくので、パイプ１本の長さが長いと、パイプ終端部では温度が低下し、伝わる熱の量が減少して融雪ムラが生ずる。
特許文献５及び前述の実用化例では１本の長いパイプを何度も折り返しながら使っており、融雪ムラが生じる可能性が高い。

本発明は、以上に挙げた従来の地下水密閉循環式融雪システムの欠点を解決するためになされたものである。

給水井戸１に連結され屋根の軒先に沿って設置された給水配管４と、屋根の棟に沿って設置され戻り井戸８又は給水井戸１まで連結された戻り配管７と、屋根の上で一端を給水配管４に接続され他端を戻り配管７に接続されたパイプ５と、地下水２を汲み上げ給水配管４に供給するポンプ３と、パイプ５の上に接合された融雪板６と、棟沿いの戻り配管７に設けられた逆止弁１０と、運転停止時に水が抜けない配管部分の底に設けられた逆止弁１１とで構成される。

請求項１に記載の屋根融雪システムであって、パイプ５ａ、５ｂの外周の一部が平滑面１２，１３となっており、その平滑面１２，１３に融雪板６が接合されている。

請求項２に記載の屋根融雪システムであって、パイプ５の平滑面１２の幅が下流側であるほど広くなっている。

請求項１に記載の屋根融雪システムであって、融雪板がパイプと接合する部分において、融雪板はパイプ形状に隙間無く合致するように形成されている。

請求項４に記載の屋根融雪システムであって、融雪板の取り付け位置が下流側であるほど、融雪板のパイプとの合致幅が大きくなっている。

請求項１に記載の屋根融雪システムであって、融雪板とパイプが接合する部分に熱伝導部品を挟んでおり、その熱伝導部品のパイプ側はパイプ形状に隙間無く合致するように形成され、融雪板側は平滑面が形成されている。

請求項６に記載の屋根融雪システムであって、融雪板の取り付け位置が下流側であるほど、挟まれる熱伝導部品の平滑面の面積が大きくなっている。

地下水密閉循環方式が屋根融雪にはほとんど普及していない理由の一つは、運転をやめて水の動きが止まると、気温が低いときにはパイプや配管に残った地下水が凍結し、装置が壊れたり作動しなくなったりする恐れがあることである。
屋根の上は地面より温度が低下しやすいためである。
本発明では、運転を停止した時、屋根の上の配管内は負圧になるため、逆止弁１０が開いて空気が入り、屋根の配管４，８やパイプ５の中にあった水の大半は重力に従って井戸１，９に戻る。
配管４，８のうち、水が抜けない部分には、運転停止時に開いている逆止弁１１が設けられているため、溜まった水は開いた逆止弁１１から配管外に流れ出し、配管４，８やパイプ５の中に溜まったままになることがない。
従って、夜間などに気温が氷点下に下がった場合でも、配管４，８やパイプ５が凍結する心配はない。

本発明ではパイプ５の上に融雪板６が接合されているため、屋根に降る雪のほとんどは融雪板６の上に降り、融雪板６には地下水の熱が効率よく伝わってくるので、屋根に降る雪は融雪板から熱をもらって、降る先から融ける。
また、融けた融雪水は、融雪板の上に留まらずに下の屋根材に流れ落ちてしまうため、融雪水に余計な熱を奪われることがなく、熱が有効に融雪に使われる。

一般に、単位時間に伝わる熱量は、熱源の温度と伝達先の温度との温度差に比例する。
また、固体間に単位時間に伝わる熱量は、固体間の接触面積、及び各個体材料の熱伝導率、及び伝熱経路の断面積に比例する。
地下水は１５℃程度の温度しかなく、約０℃の雪との温度差は小さいため、熱が伝わりにくい。
しかし、熱伝導率の良いアルミや銅をパイプや融雪板の材料として使うとともに、パイプと融雪板の接触面積を大きくし、かつ厚みの厚い融雪板を用いて、太い伝熱経路を確保することにより、低温熱源を用いることのハンディキャップを克服できるものと考えられる。
本発明では、請求項２，４，６に記したような方策により、パイプ５と融雪板６の伝熱経路の接触面積を確保して熱伝達性能の向上を図っているため、パイプの中を流れる地下水の熱を効率よく融雪板６に伝えることができる。

また、請求項３，５，７に記したように温度の下がる下流側ほどパイプと融雪板の接触面積を広げて伝熱経路を太くしているため、下流側でも上流と同程度の熱量を融雪板に伝達することができ、ムラのない均一な融雪が可能となる。

以上のように、本発明を用いることにより、凍結の恐れなく安心して地下水を直接屋根融雪に用いることができ、さらに人工的な熱源を用いなくても、豪雪地でも十分な能力でムラなく融雪することができる。

本発明の請求項１に記した概要の説明図で、本発明の全体の説明図である。本発明の請求項２，３に記した概要の説明図である。本発明の請求項２，３に記した概要の説明図である。本発明の請求項４，５に記した概要の説明図である。本発明の請求項６，７に記した概要の説明図である。本発明の第２実施例の概要の説明図である。本発明の第３実施例の概要の説明図である。

以下、本発明の請求項１を実施するための形態について説明する。
本発明は、給水井戸１に連結し屋根の軒先に沿って設置した給水配管４と、屋根の棟に沿って設置し戻り井戸９又は給水井戸１まで連結した戻り配管８と、屋根の上で一端を給水配管４に接続し他端を戻り配管８に接続したパイプ５と、地下水２を汲み上げ給水配管４に供給するポンプ３と、パイプ５の上に接合した融雪板６と、棟沿いの戻り配管８に設けた逆止弁１０と、運転停止時に水が抜けない配管部分の底に設けた逆止弁１１とで構成される。
パイプ５および融雪板６はアルミ、銅など熱伝導率の良い材料を用いるのが基本である。
逆止弁１１は、運転停止中で水圧がかからない状態では常に弁が開いていて、運転中に水圧がかかったら閉じる仕様のものを用いる。

次に請求項２，３を実施するための形態について説明する。
図２、図３のパイプ５ａ、５ｂの外周の一部を平滑面１２，１３とし、その平滑面１２，１３に融雪板６を接合する。
また、パイプ５ａ、５ｂの平滑面１２，１３の幅を下流側であるほど広くする。
図２のパイプ５ａの作り方は、例えば断面が円形のパイプをベッドの長いフライス盤に片方の端が高くなるように固定し、で適当な一定の高さで正面フライス加工をすればよい。
この場合、パイプの肉が薄くなり、融雪板への熱伝達がさらに良好となる。
図３のパイプ５ｂの作り方は、例えば断面が四角形のパイプをベッドの長いフライス盤に斜めに固定し、パイプ上面の一部を長手方向に削り取ればよい。

次に請求項４，５を実施するための形態について説明する。
図４の融雪板６ａがパイプと接合する部分において、融雪板６ａはパイプ５の形状に隙間無く合致するように形成する。
また、融雪板６ａの取り付け位置が下流側であるほど、融雪板６ａとパイプ５との合致幅を大きくする。
図４の融雪板６ａの作り方は、例えばパイプ５が円形断面である場合、融雪板６ａをフライス盤に固定し、パイプの外形と一致するボールエンドミルを用いて加工する。
この場合、下流に用いる融雪板ほどエンドミルの切り込み深さを大きくし、パイプとの合致幅が広くなるようにする。

次に請求項６，７を実施するための形態について説明する。
図５の融雪板６とパイプ５が接合する部分に熱伝導部品７を挟んでおり、その熱伝導部品のパイプ５側はパイプ５の形状に隙間無く合致するように形成し、融雪板６側は平滑面を形成する。
また、融雪板６の取り付け位置が下流側であるほど、挟まれる熱伝導部品７の平滑面の面積を大きくする。
熱伝導部品をその平面の広さが異なるものと交換することで、簡単にパイプと融雪板の接触面積を調節することができる。

本発明を使用するには、ポンプ３を稼働させて、給水井戸１に湧き出す地下水２を、給水配管４を通して屋根まで汲み上げた後、パイプ５に導き、地下水２の熱を、パイプ５を通して融雪板６に伝え、融雪板６の上に降る雪を融かせばよい。
ポンプ５の運転は降雪センサーと連動して雪が降り始めたらすぐに開始すると効率的に融雪できる。
また、降雪量が多い地域ほどポンプ３の汲み上げ量を増やす必要がある。
戻りの地下水は戻り配管８を通して戻り井戸９又は給水井戸１に導き、地下水層に戻す。
運転を停止した時、屋根の上の配管内は負圧になるため、逆止弁１０が開いて空気が入り、屋根の配管４，８やパイプ５の中にあった水の大半は重力に従って井戸１，９に戻る。
配管４，８のうち水が抜けない部分には、運転停止時に開いている逆止弁１１が設けられているため、溜まった水は開いた逆止弁１１から配管外に流れ出し、配管４，８やパイプ５の中に溜まったままになることがない。
従って、夜間などに気温が氷点下に下がった場合でも、配管４，８やパイプ５が凍結する心配はない。

第１実施例を示す。
融雪能力を左右する要素としては、図１におけるパイプ５の材質、設置間隔や長さ、融雪板６の材質や厚み、パイプと融雪板の接触面積や接合状態、地下水の汲み上げ量等が挙げられる。
パイプや融雪板の材質はアルミニウムや銅など熱伝導率の良い材料を選ぶことが肝要であるが、耐久性や強度を重視すればステンレス鋼も選択肢として考えられる。
パイプの設置間隔は３０ｃｍ以下とすることが融雪板の温度の均一性を保つために望ましい。
パイプ下流側の水温の大幅な低下を避けるためにはパイプの長さはなるべく短いほうが望ましいが、どうしても長くする必要があれば内径の大きなパイプを採用し、地下水供給流量も増やす必要がある。
融雪板の厚みは伝熱能力に大いに関係する。
いくら熱伝導率の良い材料を使っても十分な厚みが無ければ必要な熱量を伝達することはできない。
また、何らかのアクシデントでシステムが稼働せず、融雪板の上に大量の雪が積もってしまうことも考えられ、その荷重に耐えるためにも融雪板はある程度の厚みが必要である。
以上のことを勘案し、融雪板の厚みは３ｍｍ以上であることが望ましい。
パイプから融雪板への熱の伝わり方は接合部分の接触面積だけではなく、パイプと融雪板の接触圧や接触面の仕上がり状態により大きな影響を受ける。
パイプと融雪板の接合は、適切な止め具で締め付け、接触圧を保つ必要がある。
また、接触面はなるべく滑らかに正確に仕上げ、密着させることが望ましい。
地下水を汲み上げるポンプの能力は、雪の多い地域では屋根面積１ｍ^２当たり１ｌ／ｍｉｎ以上であることが望ましい。
この汲み上げ量は、時間当たり降雪量が少ない時には過分な量となる。
そこで、ポンプをインバーター方式にして降雪量に応じて出力を調節できるようにすれば、経済的な運転が可能となり、運転経費の節約になる。
また、地下水の熱を無駄なく融雪だけに使うためには、融雪に使う面を除いて断熱処理することが有効である。

第２実施例を示す。
山間部など積雪が極端に多く寒い地域や、地下水の温度が低い地域では、汲み上げる地下水の量を増やしても融雪能力が不足し、補助熱源が必要となることが考えられる。
その場合、図６に示すように、ヒートポンプを用いて戻り配管の水から吸熱し、その熱を給水配管の水に放熱し、その温度を上げることで、効率的に融雪能力を高めることができる。

第３実施例を示す。
地下水を豊富に使える環境であれば、図７に示すように、汲み上げた地下水の一部をそのままヒートポンプの熱源として使用できる。
この場合、ヒートポンプの熱源となる水は第２実施例よりも高い温度となるので、融雪に使う給水配管の水の温度をより効率良く上げることができ、さらに融雪能力を高めることができる。

融雪能力の不足が考えられる場合には、第２、第３実施例に限らず、ボイラーや電気ヒーターを補助熱源として用い、融雪に使う地下水を温めて温度を上げてやることもできる。
補助熱源を使うなら従来の温水循環方式と同じとも思えるが、従来の温水循環方式は、融雪に必要な熱を全てボイラーなどの人工的な熱源に頼らなければならないのに対し、本発明では地下水の熱を主に使い、不足する部分を補うだけなので、必要な補助熱源はずっと少なくて済む。

地下水が豊富にあり、なおかつ地盤沈下の心配もない場合は、戻り配管の水を地下に戻さないで、家の周りの駐車場等に設置した配管に導いて散水し、さらに融雪に使うことも考えられる。

本発明は屋根融雪に限らず、地上における道路融雪、歩道融雪、駐車場融雪などにも応用できる。
これらの場合には、配管やパイプ、融雪板はコンクリートやアスファルトで埋め、表面はコンクリート舗装又はアスファルト舗装とするとよい。
本発明を応用する利点は、地下水の汲み上げによる地盤沈下が起こらないこと、及び従来散水法のように歩行者に散水がかかり、歩行者の着物が汚れる心配が無いことである。
しかも、熱伝達効率に優れた融雪板を具備しているため、パイプだけしかない従来の地下水密閉循環方式より融雪能力が高く、かつ融雪ムラがないことが大きな利点となる。

夏季に本発明を利用することで、太陽熱を利用して屋根の上や駐車場で地下水を温め、温まった地下水を地下に戻さないで風呂水として利用することも考えられる。
これにより、風呂水を温めるための光熱費を節約することができる。

夏の暑い時に本システムを運転することで、太陽の熱を遮り、屋根全体の温度を下げることができ、結果的に冷房にかかる電気代を節約できる。
また、温まった水を地下水層に戻すことによって、地下水の温度が上がるので、冬季の運転時にはさらに効率的に融雪することができる。

１給水井戸
２地下水
３ポンプ
４給水配管
５パイプ
５ａ外周の一部に平滑面を持つパイプ
５ｂ外周の一部に平滑面を持つパイプ
６融雪板
６ａパイプ形状に合わせて形成した融雪板
７熱伝導部品
８戻り配管
９戻り井戸
１０逆止弁
１１逆止弁
１２平滑面
１３平滑面
１４ヒートポンプ

Claims

給水井戸に連結され屋根の軒先に沿って設置された給水配管と、屋根の棟に沿って設置され戻り井戸又は給水井戸まで連結された戻り配管と、屋根の上で一端を給水配管に接続され他端を戻り配管に接続されたパイプと、地下水を汲み上げ給水配管に供給するポンプと、パイプの上に接合された融雪板と、棟沿いの戻り配管に設けられた逆止弁と、運転停止時に水が抜けない配管部分の底に設けられた逆止弁とで構成されることを特徴とする地下水密閉循環式屋根融雪システム。
請求項１に記載の屋根融雪システムであって、パイプの外周の一部が平滑面となっており、その平滑面に融雪板が接合されていることを特徴とする地下水密閉循環式屋根融雪システム。
請求項２に記載の屋根融雪システムであって、パイプの平滑面の幅が下流側であるほど広くなっていることを特徴とする地下水密閉循環式屋根融雪システム。
請求項１に記載の屋根融雪システムであって、融雪板がパイプと接合する部分において、融雪板はパイプ形状に隙間無く合致するように形成されていることを特徴とする地下水密閉循環式屋根融雪システム。
請求項４に記載の屋根融雪システムであって、融雪板の取り付け位置が下流側であるほど、融雪板のパイプとの合致幅が大きくなっていることを特徴とする地下水密閉循環式屋根融雪システム。
請求項１に記載の屋根融雪システムであって、融雪板とパイプが接合する部分に熱伝導部品を挟んでおり、その熱伝導部品のパイプ側はパイプ形状に隙間無く合致するように形成され、融雪板側は平滑面が形成されていることを特徴とする地下水密閉循環式屋根融雪システム。
請求項６に記載の屋根融雪システムであって、融雪板の取り付け位置が下流側であるほど、挟まれる熱伝導部品の平滑面の面積が大きくなっていることを特徴とする地下水密閉循環式屋根融雪システム。