JP7412066B2 - 地中熱交換器の設置方法 - Google Patents

Description

本発明は、地中熱を利用する場合に好適な地中熱交換器の設置方法に関する。

対象の地中熱交換器は、地中熱を間接的に利用するクローズドループのうち、地中に垂直に設置される垂直型に好適なものである。ここで、地中熱とは、地表から地下約２００ｍの深さまでの地中にある熱のことで、深さ１０ｍ以深の地中温度は季節に関わらずほぼ安定していて、夏は外気温より冷たく冬は外気温より暖かい性質を持っている。次の表１は非特許文献１に開示された主な垂直型地中熱交換器に関し設置方式、名称、断面形状、配管、充填剤（以下、充填材と称する）等を一覧している。垂直型では、地下数十から百数メートルをボーリングするボアホール方式が代表的であるが、基礎杭等構造物を利用した方法も知られている。

（表１）

ところが、ボアホール方式では、ボーリングマシンやパーカッションドリル等で形成した比較的径の小さなボアホールに地中熱交換器を挿入し、更に地中熱交換器の周囲の隙間を珪砂等の充填材により埋め戻さなければならない。基礎杭等構造物利用方式では、熱交換器と共に杭材や連壁を必須としているため地盤強度から杭材や連壁を必要としない場合は採用し難いものとなっている。

また、図５と図６は上記以外の地中熱交換器の設置方法を示している。図５は特許文献１の設置方法である。この要部は、ケーシング１の先端に、掘削刃を有する短管製の先端シュー５をシュー側の回転受動金具３とケーシング側の回転伝達金具４との結合を介して着脱可能に取り付ける。この状態で、（ａ）～（ｃ）のごとくケーシング１を所望深度まで回転貫入させるケーシング貫入工程と、（ｄ）のごとくケーシング１の内側を通して先端シュー５に採／放熱管１１を連結する採／放熱管連結工程と、（ｅ）のごとく先端シュー５及び採／放熱管１１を地盤１９中に残置させた状態でケーシング１を引き抜くケーシング引抜工程を経る構成である。

図６は特許文献２の設置方法である。この要部は、（６Ａ）のごとく地盤表層部に掘削孔２３よりも大きい径の表層孔２３ａを形成する表層孔形成工程と、表層孔形成工程で形成された表層孔２３ａに筒形状の孔壁保護部材である養生管２８を設置する孔壁保護材設置工程と、（６Ｂ）のごとく表層孔２３ａに貫入される掘削管２４によって所定深度の掘削孔２３を形成する掘削孔形成工程と、（６Ｃ）のごとく掘削孔２３に地中熱交換器として管部材であるＵ字管３０を建て込む管部材建て込み工程と、（６Ｄ）のごとく掘削管２４を掘削孔２３から引き抜く掘削管引き抜き工程と、養生管２８を表層孔２３ａに残した状態で養生管の少なくとも一部が埋まるまで、掘削孔２３に充填材４０を充填する充填材充填工程とを経る構成である。

特開２０１１－１３３１９４号公報 特開２０１５－９８９６６号公報

(株)オーム社発行の『地中熱ヒートポンプシステム』北海道大学工学研究室編、２０２０年１０月２０日（改訂２版）５２～７９頁、特に５３頁の表

図５の地中熱交換器の設置方法では、地盤中に残置される先端シューを用いるため経費増となり、ケーシングに対する先端シューの着脱操作、先端シューに対する採／放熱管の連結操作が必要となるため作業が複雑となる。また、ケーシングを引き抜いた状態で採／放熱管の周囲に形成される空隙は時間経過と共に狭まると説明されているが、充填材を投入し処理することが好ましい。

図６の地中熱交換器の設置方法では、表層部の崩落を防止する孔壁保護部材である養生管及びその設置作業が必要となる。また、掘削管つまりケーシングの引き抜きにより形成される掘削孔ないしは竪孔に充填材を充填する厄介な作業も必要となる。

以上の背景から、本発明の目的は、例えば、大規模の地中熱交換器設置工事において、効率的かつ安価に地中熱交換器を精度よく設置できるようにする地中熱交換器の設置方法を提供することにある。他の目的は以下の内容説明の中で明らかにする。

上記目的を達成するため請求項１の発明は、図１～図４を参照し特定すると、流体を地表側より先端側である下向きに流すと共に、再び地表側である上向きに流す連続した通路を有している地中熱交換器の設置方法において、昇降手段（３）により地中に貫入したり引き抜かれる筒状かつ下端開口しているケーシング（４又は８）を使用して、
地表にて前記ケーシング内に前記地中熱交換器（５又は７）を引き入れる熱交換器吊込工程と、前記ケーシング内にあってケーシング内周と前記地中熱交換器との間に形成される隙間に充填材（６）を投入する充填材投入工程と、前記地中熱交換器（５又は７）の地中設置深さまで前記ケーシング（４又は８）を地中に貫入する貫入工程と、前記ケーシングを引き抜きながら該ケーシング内の前記地中熱交換器（５又は７）及び前記充填材（６）を該ケーシングの下端開口から排出して地中に残置する引抜工程とを経る、また、前記充填材投入工程では、前記貫入工程が終了する前に前記充填材（６）を前記ケーシング内に投入することを特徴としている。

以上の本発明は、請求項２～５に特定されるように具体化されることがより好ましい。
（ア）前記地中熱交換器が可撓性である場合、前記熱交換器吊込工程では前記ケーシングを地表上に保持してケーシング下端と地表との間に間隙を設け、該間隙より前記地中熱交換器を前記ケーシング内に引き入れる構成である（請求項２）。
（イ）前記地中熱交換器が非可撓性ないしは剛体である場合、前記熱交換器吊込工程では前記ケーシング周囲に形成される開閉可能な開口部から前記地中熱交換器をケーシング内に引き入れる構成である（請求項３）。

（ウ）前記熱交換器吊込工程では、前記ケーシングの上部に設けられてワイヤを引き出し自在に巻き付けている巻取ドラムを用いて、前記地中熱交換器を前記巻取ドラムのワイヤを介して前記ケーシング内に引き入れる構成である（請求項４）。

（エ）前記貫入工程では前記ケーシングを回転しながら又は／及び圧入や起振力を利用して貫入し、前記引抜工程では前記ケーシング内の上側に圧縮空気又は／及び液体を噴射して前記地中熱交換器及び充填材の排出を補助する構成である（請求項５）。

請求項１の発明では、地中熱交換器の設置方法として、必須部材が地中熱交換器と充填材のみであることから特許文献１や２に比べて経費を低減でき、設置状態で地中熱交換器が充填材で良好に覆われているため品質的にも優れている。加えて、本設置方法に用いられる施工機は、一般的な杭打機や地盤改良機を流用可能なため、地盤改良と共に実施すれば間接費用を省略したり軽減できる。

また、この発明では、充填材投入工程において、図２（ｂ）のように貫入工程を開始する前又は前記貫入工程を行いながら、つまり貫入工程を終了する前に充填材をケーシング内に投入するため充填材の充填不足を生じたり充填状態の偏りが生じ難くなる。

請求項２の発明では、地中熱交換器が可撓性であると、熱交換器吊込工程ではケーシングを地表上に保持してケーシング下端と地表との間に間隙を設け、間隙より地中熱交換器を可撓性を利用してケーシング内に簡単に吊り上げることができる。これに対し、請求項３の発明では、地中熱交換器が非可撓性ないしは剛体であると、熱交換器吊込工程ではケーシング周囲に設けられた開閉可能な開口部から地中熱交換器をケーシング内に引き入れることも可能である。

請求項４の発明では、熱交換器吊込工程において、ケーシングの上部に設けられた巻取ドラムを用いて、地中熱交換器を巻取ドラムのワイヤを介してケーシング内に効率よく引き入れることができる。

請求項５の発明では、貫入工程において、ケーシングを回転しながら又は／及び圧入や起振力を利用して貫入する。引抜工程において、ケーシング内の上側に圧縮空気又は／及び液体を噴射して地中熱交換器と充填材の排出を補助する。これらは、通常の杭打機や地盤改良機を流用して容易に行うことができ、貫入及び排出作業を効率よく行うことができる。

上記地中熱交換器の設置方法に用いられる地盤改良機を示す模式図であり、（ａ）は全体構成を示し、（ｂ）はケーシングの細部構成を示している。 本発明形態の地中熱交換器の設置方法を示す模式図であり、（ａ）は熱交換器吊込工程を示し、（ｂ）は充填材投入工程を示し、（ｃ）は貫入工程を示し、（ｄ）は地中残置工程を示している。 （ａ）と（ｂ）は上記施工装置のケーシングに地中熱交換器を引き入れる前及び引き入れ完了状態を示す模式図である。 （ａ）と（ｂ）は図３のケーシングの変形例を示す模式図である。 特許文献１の特開２０１１－１３３１９４号公報に開示の図９を示している。 特許文献２の特開２０１５－９８９６６号公報に開示の図６を示している。

以下、本発明を適用した形態及びその変形例を図面を参照して説明する。この説明では、ケーシングを昇降する地盤改良機の構成例、地中熱交換器の設置方法、ケーシングの変形例の順に述べる。なお、図面は細部を省略したり模式化され、地中熱交換器の長さは作図上、実寸より短くなっている。

（地盤改良機）図１（ａ）の地盤改良機１は、中空管である筒状のケーシング４を昇降可能かつ回動可能に支持するための一例である。この地盤改良機１は、ベースマシン１０と、ベースマシン１０を介して移動可能に立設されたリーダ２と、ケーシング４をアタッチメント２６の下側に支持した状態でリーダ２に沿って上下動する昇降手段３と、アタッチメント２６の下側に結合された筐体２７と、筐体２７上に設けられてケーシング４を回動する電動モータ２８と、アタッチメント２６の上側に設けられてケーシング４に砂等の充填材６を投入するホッパ２５と、筐体２７の下側に設けられて巻取ドラム３８を支持している支持板３７とを備え、ケーシング４が昇降手段３により地盤に貫入されたり引き抜かれると共に、電動モータ２８等により正転又は逆転される。

ここで、ベースマシン１０は、上本体がキャタピラ１１側に対し旋回可能に支持された操縦室１２であり、この前方に設けられてリーダ２を受け止める受部材１６と、後方荷台１３に搭載された発動機１４や電気架台１５等を有している。リーダ２は、受部材１６に枢支されると共に、３点支持用ステー１７等により垂直に支持されている。リーダ２には、リーダ前側（図の右側）に設けられて両側上下方向に延設されたガイドロッド２０と、両ガイドロッド２０の間に設けられて上下方向に延びているラック２１と、下側に設けられたケーシング振れ止め用の振止具２９等を有している。

昇降手段３は、ガイドロッド２０に嵌合された状態で上下動されるボックス２２内に組み込まれてラック２１と噛み合うピニオン２４及びピニオン２４を駆動する不図示の油圧モータ等を備え、ラック２１に対するピニオン２４の回動を伴ってアタッチメント２６及びアタッチメント２６に連結支持されたケーシング４等を一体物として昇降する。ケーシング４は、上端４ａ側がアタッチメント２６の下内側に支持された状態で、筐体２７に内蔵されたギア機構と作動連結されており、筐体２７上に保持された電動モータ２８が駆動されると前記ギア機構を介して正転又は逆転される。筐体２７の下側には下継手部３０が設けられ、また、下継手部３０と下フランジ部３５との間に支持板３７が設けられている。

ケーシング４は、下端４ｂの外周に装着された掘削刃４０を有している。地中熱交換器５は、図３から推察されるごとく液体等の流体を上から下向きに流す第１配管５ａと、流体を下から上向きに流す第２配管５ｂとを下端同士を連結する継手５ｃにより一体化した構成である。つまり、地中熱交換器５は、上記表１にも挙げられているポリエチレン製のダブルＵチューブの例である。

充填材６は、バケット等からホッパ２５に投入されると、アタッチメント２６からケーシング４の筒内へ自重により落下される。下継手部３０には、図１（ｂ）に示されるごとく継手部内を開閉する空気弁３１と、圧縮空気を供給してケーシング４内を圧気する空気供給ノズル３４とが設けられている。空気弁３１は、下継手部３０の内周に装着された弁本体３２と、弁本体３２に枢支された弁蓋３３とからなる。弁蓋３３は、弁本体３２に対して、通常、自重により垂れ下がった開放位置にあり、空気供給ノズル３４から圧縮空気が噴射されると、その空気圧により押圧されて閉弁される。但し、空気弁３１の開閉機構はこれ以外の構造でもよい。なお、空気供給ノズル３４は、地表側のコンプレッサに供給管を介し接続されており、必要時に所要圧力の圧縮空気を噴射できるようになっている。つまり、空気供給ノズル３４は、噴射する圧縮空気圧により弁蓋３３を閉状態に切り換えたり、ケーシング４内に投入される充填材６及び地中熱交換器５をケーシング４の下端４ｂから排出し易くする。

一方、支持板３７は、ワイヤ３９を引き出し可能に巻き付けている巻取ドラム３８を保持している。巻取ドラム３８から引き出されたワイヤ３９は、下フランジ部３５の内側に設けられたガイド部材３６を通ってケーシング４の筒内中央に導入され、また、ワイヤ３９の引出端に連結されたホルダ４５を有している。ホルダ４５は、地中熱交換器５の上端部を着脱可能に連結する部材であり、地中熱交換器の形状等に応じて変更される。また、ホルダ４５は、地中熱交換器５の２組を着脱可能に支持、つまり２組の各配管５ａ，５ｂの上端を着脱可能に連結する穴部等を有している。この各配管５ａ，５ｂの着脱は地表側の操作部により行えるようになっている。

（設置方法）次に、以上の地盤改良機１を用いて、地中熱交換器５の地中への設置方法について図２と図３を参照し説明する。すなわち、この設置方法では、ケーシング４内に地中熱交換器５を引き入れる熱交換器吊込工程、ケーシング４内に充填材６を投入する充填材投入工程、地中熱交換器５の地中設置深さまでケーシング４を地中に貫入するケーシング貫入工程、ケーシング４を引き抜きながら地中熱交換器５及び充填材６をケーシング４から排出して地中に残置する地中残置工程を順に行う構成である。

詳述する。熱交換器吊込工程では、地中熱交換器５が変形自在ないしは可撓性の場合だと、ケーシング４を昇降手段３により図３（ａ）のごとく地表上に吊り上げて地表との間に所定の間隔を保つ。その状態から、地表側の操作によりホルダ４５を巻取ドラムのワイヤ３９を介してケーシング下端４ｂより引き出す。そして、地中熱交換器５を構成している第１配管５ａ及び第２配管５ｂの各上端部をホルダ４５の対応穴部に装着する。そして、この例では、ワイヤ３９が巻取ドラム３８にて巻き上げられることにより、図２（ａ）と図３（ｂ）のごとく２組の地中熱交換器が同時にケーシング下端開口よりケーシング内に引き入れられる。

充填材投入工程では、充填材６をホッパ５からケーシング４内に投入し、ケーシング４の内周にあって地中熱交換器５との間に形成される空間ないしは隙間に充填材６を満たすようにする。この工程はケーシング４を地盤に貫入する前に行われる。また、この例では、ケーシング４が下端開口を開閉する蓋体を有していないため、図２（ｂ）に示されるごとくケーシング４を地表まで下降して下端開口を地表面で塞ぐようにしてから、充填材６をケーシング４内に投入する。

ケーシング貫入工程では、ケーシング４が電動モータ２８等を介して正回転されると共に、昇降手段３により目的の深さまで下降される。この場合は、ケーシング４がバイブロハンマ等の起振力により貫入される構成でもよい。

地中残置工程では、図２（ｄ）のごとく地中熱交換器５及び充填材６をケーシング４の下端開口から排出しながら昇降手段３により地表の所定高さまで引き抜かれる。この引き抜き過程では、空気噴射ノズル３４からケーシング４内の上側に圧縮空気を噴射して（液体を噴射ノズル３４から噴射してもよい）地中熱交換器５及び充填材６の排出を補助、つまり地中熱交換器５及び充填材６がケーシング４の下端開口から確実に排出されて地中に残置されるようにすることが好ましい。

（作動）以上の地中熱交換器の設置方法では、まず、地中熱交換器吊込工程と充填材投入工程により地表に吊り下げられたケーシング４内に地中熱交換器５を配置したりその周囲を充填材６で覆う作業を的確に行うことができる。また、貫入工程でケーシング４を所定深さまで貫入した後、引抜工程でケーシング４の引き抜きに伴ってケーシング４内の地中熱交換器５及び充填材６を地中に排出するため施工容易となり精度よく施工することができる。換言すると、この地中熱交換器の設置方法は、必須部材が地中熱交換器５と充填材６のみであることから特許文献１や２に比べて経費を低減でき、また、設置状態で地中熱交換器５が充填材６で良好に覆われているため品質的にも優れている。しかも、本設置方法に用いられる施工機は、一般的な地盤改良機１を流用可能なため、地盤改良と共に実施すれば間接費用を省略したり軽減できる。

加えて、この設置方法では、地中熱交換器５が形態例のごとく可撓性であると、熱交換器吊込工程ではケーシング４を地表上に保持してケーシング下端４ｂと地表との間に間隙を設け、間隙より地中熱交換器を可撓性を利用してケーシング内に簡単に吊り上げることができる。また、地中熱交換器吊込工程において、ケーシング４の上部に設けられた巻取ドラム３８を用いて、地中熱交換器５を巻取ドラムのワイヤ３９を介してケーシング４内に効率よく引き入れることができる。更に、充填材投入工程において、ケーシングの貫入工程を開始する前にケーシング内に投入するため充填材の充填不足を生じたり充填状態の偏りが生じ難くなる。但し、充填材投入工程は、引抜工程を開始する前であればよく、貫入工程を開始する前、貫入工程を終えるまでに行うようにしてもよい。

（地中熱交換器の変形例）この変形例は、地中熱交換器７が非可撓性ないしは剛体であると、熱交換器吊込工程では地中熱交換器をケーシング下端開口からケーシング内に引き込むことが難しいのでその対策の一例を図４に模式的に示したものである。

すなわち、図４において、ケーシング８は、ヒンジ８ａで左右方向へ開閉可能に連結された半体８Ａ，８Ｂで構成されている。熱交換器吊込工程では、半体８Ａ，８Ｂをヒンジ８ａを支点として左右に離間し、間に形成される開口部８ｂから地中熱交換器７をホルダ４６及びワイヤ３９で吊り上げながら半体８Ａ，８Ｂ同士の内側に引き入れた後、図４（ｂ）のごとく半体８Ａ，８Ｂ同士をバンド状の締結具８ｃで閉状態に保つ。また、地中熱交換器７は、上記表１のスパイラルチューブを想定したものであり、第１配管７ａがスパイラル形状、第２配管７ｂが直線形状となっている。なお、図４ではケーシング下端側の掘削刃等を省略している。

この構成では、ワイヤ３９の引出端が二股３９ａに分かれてホルダ４６の上面側に連結されている。ホルダ４６は、地中熱交換器７を構成している第１配管７ａ及び第２配管７ｂの上端部を着脱可能に連結する部材であり、各配管７ａ，７ｂの上端を着脱可能に連結する穴部等を有している。この各配管７ａ，７ｂの着脱は地表側の操作部により行えるようになっている。

なお、以上の形態例や各変形例は本発明を何ら制約するものではない。本発明は、各請求項で特定される技術要素を備えておればよく、細部は必要に応じて種々変更したり変形可能なものである。その一例として、地中熱交換器としてはシングルチューブ、二重管、更にそれらに類似の管構成である。充填材としては珪砂、豆砂利、セメント、ソイルセメント、更にそれらに類似の材料構成である。

１・・・・・・・・地盤改良機
２・・・・・・・・リーダー
３・・・・・・・・昇降手段
４・・・・・・・・ケーシング（４ａは上端、４ｂは下端）
５・・・・・・・・地中熱交換器（５ａは第１配管、５ｂは第２配管）
５ｃ・・・・・・・継手
６・・・・・・・・充填材
７・・・・・・・・地中熱交換器（７ａは第１配管、７ｂは第２配管）
８・・・・・・・・ケーシング（８Ａ，８Ｂは半体、８ａはヒンジ）
３４・・・・・・・空気供給ノズル
３８・・・・・・・巻取ドラム
３９・・・・・・・ワイヤ
４０・・・・・・・掘削刃
４５・・・・・・・ホルダ
４６・・・・・・・ホルダ

Claims (5)

1. 流体を地表側より先端側である下向きに流すと共に、再び地表側である上向きに流す連続した通路を有している地中熱交換器の設置方法において、
   昇降手段により地中に貫入したり引き抜かれる筒状かつ下端開口したケーシングを使用して、
   地表にて前記ケーシング内に前記地中熱交換器を引き入れる熱交換器吊込工程と、
   前記ケーシング内にあってケーシング内周と前記地中熱交換器との間に形成される隙間に充填材を投入する充填材投入工程と、
   前記地中熱交換器の地中設置深さまで前記ケーシングを地中に貫入する貫入工程と、
   前記ケーシングを引き抜きながら該ケーシング内の前記地中熱交換器及び前記充填材を該ケーシングの下端開口から排出して地中に残置する引抜工程とを経る、
   また、前記充填材投入工程では、前記貫入工程が終了する前に前記充填材を前記ケーシング内に投入することを特徴とする地中熱交換器の設置方法。
2. 前記地中熱交換器は可撓性であり、前記熱交換器吊込工程では前記ケーシングを地表上に保持してケーシング下端と地表との間に間隙を設け、該間隙より前記地中熱交換器を前記ケーシングの下端開口より該ケーシング内に引き入れることを特徴とする請求項１に記載の地中熱交換器の設置方法。
3. 前記地中熱交換器は非可撓性ないしは剛体であり、前記熱交換器吊込工程では前記ケーシング周囲に形成される開閉可能な開口部から前記地中熱交換器をケーシング内に引き入れることを特徴とする請求項１に記載の地中熱交換器の設置方法。
4. 前記熱交換器吊込工程では、前記ケーシングの上部に設けられてワイヤを引き出し自在に巻き付けている巻取ドラムを用いて、前記地中熱交換器を前記巻取ドラムのワイヤを介して前記ケーシング内に引き入れることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の地中熱交換器の設置方法。
5. 前記貫入工程では前記ケーシングを回転しながら又は／及び圧入や起振力を利用して貫入し、前記引抜工程では前記ケーシング内の上側に圧縮空気又は／及び液体を噴射して前記地中熱交換器及び充填材の排出を補助することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の地中熱交換器の設置方法。

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