(57)【要約】      （修正有）【課題】オープンループ方式とクローズドループ方式のそれぞれの欠点を解決しながら互いの利点を併せ持つことが可能な地中熱利用システムを提供する。【解決手段】帯水層に地下井戸１を設ける。地下井戸１から地下水を汲み上げる揚水パイプ３は、熱交換器１１を通過させて電動弁５の一方のポートに接続する。電動弁５の他のポートには、熱交換器１１、地中を経由して地下井戸１に戻る戻りパイプ６を接続する。他のポートには、貯水槽１４に連通する分岐パイプ１２を接続する。ヒートポンプ１６に熱を供給する冷媒循環パイプ８は、熱交換器１１において揚水パイプ３及び戻りパイプ６と熱交換するように構成する。なお、電動弁５において戻りパイプ６又は分岐パイプ１２への切り換えは、第１に地下井戸１の水位と、次にヒートポンプ１６の熱負荷に基づいて制御装置１５によって自動的に行われるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に設置されながら内部を地下水が流れる第１パイプ系統（３、６）と、
前記第１パイプ系統（３、６）に接続される第１ポンプ（２）と、
地中熱を利用する負荷機器（１６）と、
前記負荷機器（１６）に地中熱を供給しながら内部を熱媒体が循環する第２パイプ系統（８）と、
前記第２パイプ系統（８）に接続される第２ポンプ（９）と、
前記第１パイプ系統（３、６）と前記第２パイプ系統（８）との間で熱交換を行わせる熱交換部（１１）と、を備えた地中熱利用システムであって、
前記第１パイプ系統（３、６）は、地下水を水源とする井戸（１）又は揚水井を始点とし、前記熱交換部（１１）及び地中を通過して再び前記井戸（１）又は前記揚水井に戻るように敷設され、且つ
前記第１パイプ系統（３、６）を流れる地下水は、前記第１ポンプ（２）によって前記井戸（１）又は前記揚水井から揚水され前記第１パイプ系統（３、６）を圧送されて前記井戸（１）又は前記揚水井に吐出される
ことを特徴とする地中熱利用システム。
【請求項２】
請求項１に記載の地中熱利用システムにおいて、
前記第１パイプ系統（３、６）は前記熱交換部（１１）から下流側において、貯水槽（１４）に連通した第３パイプ系統（１２）に連通可能に敷設されている
ことを特徴とする地中熱利用システム。
【請求項３】
請求項２に記載の地中熱利用システムにおいて、
前記第１パイプ系統（３、６）は、前記第３パイプ系統（１２）に対する開度を０〜１００［％］の範囲内で設定可能な方向切換手段（５）によって前記第３パイプ系統（１２）に連通される
ことを特徴とする地中熱利用システム。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１項に記載の地中熱利用システムにおいて、
前記井戸（１）の水位を計測する水位センサ（４）と、
前記方向切換手段（５）を制御する制御装置（１５）とを備え、
前記制御装置（１５）は前記水位センサ（４）から送信される計測信号に基づいて前記方向切換手段（５）の前記第３パイプ系統（１２）に対する開度を決定する
ことを特徴とする地中熱利用システム。
【請求項５】
請求項４に記載の地中熱利用システムにおいて、
前記第１パイプ系統（３、６）を流れる前記地下水の流量を計測する第１流量センサ（７）と、
前記第２パイプ系統（８）を流れる前記熱媒体の流量を計測する第２流量センサ（１０）と、
前記第３パイプ系統（１２）を流れる前記地下水の流量を計測する第３流量センサ（１３）とを備え、
前記制御装置（１５）は、前記各流量センサ（７、１０、１３）から送信される各計測信号に基づいて前記方向切換手段（５）の前記第３パイプ系統（１２）に対する開度を決定する
ことを特徴とする地中熱利用システム。
【請求項６】
請求項１から５の何れか１項に記載の地中熱利用システムにおいて、
前記第２ポンプ（９）、前記熱交換部（１１）、前記方向切換手段（５）、前記制御装置（１５）、前記第１流量センサ（７）、前記第２流量センサ（１０）、及び前記第３流量センサ（１３）の全部又は一部は共通の建物（１８）の内部に集合されて構成されている
ことを特徴とする地中熱利用システム。
【請求項７】
請求項２に記載の地中熱利用システムにおいて、
前記第３パイプ系統（１２）から前記貯水槽（１４）に放流された前記地下水は、生活用水又は防災用水として利用される
ことを特徴とする地中熱利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱利用システムに関し、より詳細にはオープンループ方式とクローズドループ方式のそれぞれの欠点を解決しながら互いの利点を併せ持つことが可能な地中熱利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地中熱利用ヒートポンプシステムは、夏季においては室内から採熱した熱を地中に排熱することにより室内を冷房し、逆に冬季においては地中から採熱した熱を室内に排熱することにより室内を暖房する室内の冷暖房空調システムに適用することができる。
【０００３】
また、地中熱利用ヒートポンプシステムは、通常の空気熱源ヒートポンプシステムのように大気中に熱を排熱することがないため、ヒートアイランド現象抑制の効果が期待されている。また、地中熱を熱源とし、化石燃料を使用しないため、二酸化炭素削減効果も期待されている。このように、地中熱利用ヒートポンプシステムは、近年の原油価格の高騰および世界規模の環境保全への配慮から、有効活用が注目されている地中熱利用システムである。
【０００４】
地中熱利用システムは、循環パイプ内を不凍液等（熱媒体）が循環しながらヒートポンプ等の負荷機器との間で熱交換を行うクローズドループ方式と、地下水（熱媒体）を揚水井から揚水し還元井等に戻しながらヒートポンプ等の負荷機器との間で熱交換を行うオープンループ方式とに大別することができる。
【０００５】
オープンループ方式は、さらに揚水した地下水を帯水層に戻す還元型と、揚水した地下水を地下排水溝などを利用して河川等の公共の水域に放流する放流型とに大別することができる。還元型は、さらに地下水を還元井に戻す還元井型と、地下水を浸透枡や浸透池などを利用して地中へ浸透させる浸透枡型とに細別することができる。
【０００６】
オープンループ方式は、地下水をくみ上げて熱媒体（熱源水）として使用するため、地下水の過度の汲み上げにより地盤沈下を引き起こす虞がある。また、オープンループ方式では、揚水井から汲み上げられた地下水は、熱交換した後に還元井に戻されることになっているが、実際は地下水が還元井に戻らずに、地下排水溝に排出されている。従って、水源である揚水井に鉛、ヒ素等の有害物質が含まれる場合、これにより河川等の水質を汚染してしまう虞がある。従って、運用に際し、国・自治体における揚水規制等の地下水利用に関わる法令等を遵守し、周辺の地下水利用や放流先水質への影響等に留意する必要がある。
【０００７】
一方、クローズドループ方式は、循環パイプを地面に対し垂直に埋設する垂直埋設型と、水平に埋設する水平埋設型に大別することができる。垂直埋設型は、さらにボーリングの掘削孔を利用して循環パイプを埋設するボアホール方式と、建物の基礎を安定させることを目的として地盤の固い岩盤層に打設される鋼管杭等を利用して鋼管杭の内部に循環パイプを埋設する基礎杭方式とに細別することができる。
【０００８】
クローズドループ方式は、循環パイプを介して地中とパイプ内の熱媒体との間で熱のやり取りが行われるため、採排熱量が循環パイプの長さに依存することになる。そのため、事前に地中と循環パイプとの間の熱伝導率を確認する熱応答試験（サーマルレスポンステスト）を実施する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１８−１４５６０６号公報
【特許文献２】特開２０１５−１１３９９２号公報
【特許文献３】特開２０１８−０７１９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した通り、オープンループ方式の地中熱利用システムは、地下水を帯水層から汲み上げるため、地下水の過度の汲み上げは地盤沈下を引き起こす虞がある、そのため、設置場所については、揚水の汲み上げ規制のない水源が豊富な地域に限定される。従って、揚水の汲み上げ規制の有る都市部においてオープンループ方式は普及していないという問題がある。
【００１１】
また、オープンループ方式の地中熱利用システムは、地下水を汲み上げる揚水井に鉛、ヒ素等の有害物質が含まれる場合、河川等の公共水域の水質を汚染してしまう虞がある。
【００１２】
他方、クローズドループ方式においては、循環パイプ内を流れる熱媒体が外部に流出することはないため、オープンループ方式に見られる地下水の過度の汲み上げによる地盤沈下、河川等の公共水域の水質汚染の問題は起こることはない。
【００１３】
しかしながら、熱媒体が循環パイプを介して地中から採熱する或いは地中に排熱する採排熱量については、循環パイプの長さに依存する。そのため、地中との間で熱交換を行うための十分なパイプ長さを確保する必要があり、例えばパイプが多重に巻かれて水平方向又は垂直方向に沿って敷設された大規模な地中熱交換器（熱交換井）を設置しなければならなくなる。そのため、地中熱交換器の設置に対し多額の費用と広い設置スペースが必要となるという問題がある。
【００１４】
そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであり、その目的はオープンループ方式とクローズドループ方式のそれぞれの欠点を解決しながら互いの利点を併せ持つことが可能な地中熱利用システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するための本発明に係る地中熱利用システムは、地中に設置されながら内部を地下水が流れる第１パイプ系統（３、６）と、前記第１パイプ系統（３、６）に接続される第１ポンプ（２）と、地中熱を利用する負荷機器（１６）と、前記負荷機器（１６）に地中熱を供給しながら内部を熱媒体が循環する第２パイプ系統（８）と、前記第２パイプ系統（８）に接続される第２ポンプ（９）と、前記第１パイプ系統（３、６）と前記第２パイプ系統（８）との間で熱交換を行わせる熱交換部（１１）とを備えた地中熱利用システムであって、前記第１パイプ系統（３、６）は、地下水を水源とする井戸（１）又は揚水井を始点とし、前記熱交換部（１１）及び地中を通過して再び前記井戸（１）又は前記揚水井に戻るように敷設され、且つ前記第１パイプ系統（３、６）を流れる地下水は、前記第１ポンプ（２）によって前記井戸（１）又は前記揚水井から揚水され前記第１パイプ系統（３、６）を循環して前記井戸（１）又は揚水井に吐出されることを特徴とする。
【００１６】
上記構成では、第１パイプ系統（３、６）を流れる地下水は、第１パイプ系統（３、６）を１周（循環）する毎に井戸（１）内に直に戻され、井戸（１）内の新たな地下水に置換されることになる。なお、地下水を水源とする井戸（１）は、熱容量の大きい温度が地中の温度に近く安定した熱源として機能する。第１ポンプ系統（３、６）を１周しながら地中との間で熱交換した地下水は、その安定した熱源である井戸（１）と直に熱交換することになる。その結果、第１ポンプ系統（３、６）は、地中熱交換器の他に井戸（１）でも熱交換が行われるので、従来のクローズドループよりパイプ長が短くて済むことになる。つまり、クローズドループである第１パイプ系統（３、６）は、従来のクローズドループと異なり、地中に設置される地中熱交換器の規模を縮小することが可能となる。
【００１７】
本発明に係る地中熱利用システムの第２の特徴は、前記第１パイプ系統（３、６）は前記熱交換部（１１）から下流側において、貯水槽（１４）に連通した第３パイプ系統（１２）に連通可能に敷設されていることである。
【００１８】
上記構成では、井戸（１）より汲み上げた地下水を第３パイプ系統（１２）を介して一方向に放流しながら、負荷機器（１６）に地中熱を供給することが可能となる。つまり、地下水の熱交換方式について、クローズドループ方式からオープンループ方式へ或いはオープンループ方式からクローズドループ方式への相互切換が可能となる。
【００１９】
本発明に係る地中熱利用システムの第３の特徴は、前記第１パイプ系統（３、６）は、前記第３パイプ系統（１２）に対する開度を０〜１００［％］の範囲内で設定可能な方向切換手段（５）によって前記第３パイプ系統（１２）に連通されることである。
【００２０】
上記構成では、地下水の熱交換方式について、クローズドループ方式、オープンループ方式、又はクローズド・オープン併用方式の間で相互切換が可能となる。
【００２１】
本発明に係る地中熱利用システムの第４の特徴は、前記井戸（１）の水位を計測する水位センサ（４）と、前記方向切換手段（５）を制御する制御装置（１５）とを備え、前記制御装置（１５）は前記水位センサ（４）から送信される計測信号に基づいて前記方向切換手段（５）の前記第３パイプ系統（１２）に対する開度を決定することである。
【００２２】
上記構成では、井戸（１）の水位に応じて、クローズドループ方式、オープンループ方式、又はクローズド・オープン併用方式の内から最適な１つの熱交換方式が適時選択されることになる。
【００２３】
本発明に係る地中熱利用システムの第５の特徴は、前記第１パイプ系統（３、６）を流れる前記地下水の流量を計測する第１流量センサ（７）と、前記第２パイプ系統（８）を流れる前記熱媒体の流量を計測する第２流量センサ（１０）と、前記第３パイプ系統（１２）を流れる前記地下水の流量を計測する第３流量センサ（１３）とを備え、前記制御装置（１５）は、前記各流量センサ（７、１０、１３）から送信される各計測信号に基づいて前記方向切換手段（５）の前記第３パイプ系統（１２）に対する開度を決定することである。
【００２４】
上記構成では、井戸（１）の水位の他に負荷機器（１６）の熱的負荷を考慮して、クローズドループ方式、オープンループ方式、又はクローズド・オープン併用方式の内から最適な１つの熱交換方式が適時選択されることになる。これにより、地下水の過度の揚水による地盤沈下を防止すると共に、無理のない少量の揚水で安定した熱供給が可能となる。
【００２５】
本発明に係る地中熱利用システムの第６の特徴は、前記第２ポンプ（９）、前記熱交換部（１１）、前記方向切換手段（５）、前記制御装置（１５）、前記第１流量センサ（７）、前記第２流量センサ（１０）、及び前記第３流量センサ（１３）の全部又は一部は共通の地上設備（１８）の内部に集合化されて構成されていることである。
【００２６】
上記構成では、制御系統及び熱交換部が地上設備としてユニット化されることになる。その結果、新築建屋は勿論、既存建屋に対しても地中熱の供給が可能となる。これにより、建設コストの削減、省スペース化、施工スケジュールの短縮等が可能となる。
【００２７】
本発明に係る地中熱利用システムの第７の特徴は、前記第３パイプ系統（１２）から前記貯水槽（１４）に放流された前記地下水は、生活用水又は防災用水として利用されることである。
【００２８】
上記構成では、熱交換した地下水を更に日常・防災用雑用水として有効利用することにより水道料金を節約すること、貯水槽の大型化を好適に防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の地中熱利用システムによれば、オープンループ方式とクローズドループ方式のそれぞれの欠点を解決しながら互いの利点を併せ持つことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係るハイブリッド型地中熱利用システムを示す説明図である。
【図２】ハイブリッド型地中熱利用システムの制御系統を示す説明図である。
【図３】クローズドループ方式で運転しているハイブリッド型熱利用システムを示す説明図である。
【図４】オープンループ方式で運転しているハイブリッド型熱利用システムを示す説明図である。
【図５】クローズド・オープン併用方式で運転しているハイブリッド型熱利用システムを示す説明図である。
【図６】本発明に係る電動弁の開度を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本発明の一実施形態に係るハイブリッド型地中熱利用システム１００を示す説明図である。
【００３３】
このハイブリッド型地中熱利用システム１００は、帯水層を流れる地下水を地下井戸１によって集水し、集水した地下水をクローズドループ方式、又はオープンループ方式、或いはクローズド・オープン併用方式の何れかのパイプ系統で選択的に流しながら、熱交換対象機器（例えばヒートポンプ１６）の冷媒循環パイプ８との間で熱交換を行うことにより、地下水に含まれる地中熱を公共施設（例えば、保育園、老人施設、地区公民館等の小規模公共施設、望ましくは、災害発生時の防災拠点・避難場所としても利用可能な小規模公共施設）の空調設備又は給湯設備の熱源として利用するものである。
【００３４】
なお、ここで言う「クローズドループ方式のパイプ系統」とは、揚水パイプ３と戻りパイプ６が電動弁５を介して連通したパイプ系統である。また、「オープンループ方式のパイプ系統」とは、揚水パイプ３と分岐パイプ１２が電動弁５を介して連結したパイプ系統である。また、「クローズド・オープン併用方式のパイプ系統」とは、揚水パイプ３が電動弁５を介して戻りパイプ６と分岐パイプ１２の双方に連通したパイプ系統である。
【００３５】
また、クローズドループ方式、オープンループ方式、又はクローズド・オープン併用方式の各パイプ系統の切り換えは、地下井戸１の水位が所定の安定水位にあることを最優先チェック項目とし、熱交換対象機器（ヒートポンプ１６）の熱負荷に応じて自動的に行われるように構成されている。
【００３６】
従って、本ハイブリッド型地中熱利用システム１００では、オープンループ方式で運転している場合であっても、地下水の過度の汲上による地盤沈下を引き起こすことがなくなる。また、汲み上げた地下水は貯水槽１４に貯水され日常・防災用雑用水として有効利用されるため、地下排水溝等の水域の水質を悪化させることについても起きなくなる。
【００３７】
それに加えて、本ハイブリッド型地中熱利用システム１００では、地下井戸１より汲み上げられた地下水は、地中熱交換器において地中との間で熱交換した後、地下井戸１に戻され、地下井戸１において直接的に熱交換が行われる。その結果、本ハイブリッド型地中熱利用システム１００において使用される地中熱交換器は、従来のクローズドループ方式の地中熱交換器に比べ小型化されることになる。その結果、従来のクローズドループ方式の地中熱交換器に比べ、設置コスト及び設置スペースを好適に削減することが可能となる。
【００３８】
本ハイブリッド型地中熱利用システム１００の構成については、帯水層から地下水を取り出すための地下井戸１と、地下水を地上に汲み上げるための水井戸ポンプ２と、地下水を熱交換器１１に移送する揚水パイプ３と、地下井戸１の水位を計測する水位センサ４と、地下水の移送方向を切り換える電動弁５と、地下水を熱交換器１１及び地中を経由して地下井戸１に戻す戻りパイプ６と、戻りパイプ６を流れる地下水の流量を計測する第１流量センサ７と、揚水パイプ３又は戻りパイプ６を流れる地下水から地中熱を採熱する又は地下水に室内の熱を排熱する冷媒循環パイプ８と、冷媒を循環させる循環ポンプ９と、冷媒循環パイプ８を流れる冷媒の流量を計測する第２流量センサ１０と、揚水パイプ３又は戻りパイプ６を流れる地下水と冷媒循環パイプ８を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器１１と、地下水を貯水槽に移送する分岐パイプ１２と、分岐パイプ１２を流れる地下水の流量を計測する第３流量センサ１３と、地下水を貯水する貯水槽１４と、水位センサ４および各流量センサ７,１０,１３の各計測信号を取り込んで水井戸ポンプ２、電動弁５および循環ポンプ９を各々制御する制御装置１５と、室内に熱または冷熱を供給するヒートポンプ１６とを具備して構成される。以下、各構成について更に説明する。
【００３９】
地下井戸１は、例えば全体が一端開口のケーシング管から成り、側部が地下水を浸水させるためのスリット又は貫通孔を有するストレーナ部から成る。地下井戸１は帯水層に設けられ、地下水がストレーナ部を通してケーシング管内部に流入する。なお、帯水層とは、地下水が蓄えられている地層のことである。通常は粘土などの不透水層（水が流れにくい地層）にはさまれた、砂や礫（れき）からなる多孔質浸透性の地層を意味している。
【００４０】
水井戸ポンプ２は、例えばターボ式ポンプである。吸込口には、砂・小石等の侵入を阻止するフィルタ（図示せず）が取り付けられている。水井戸ポンプ２は地下井戸１内部の地下水中に設置され、羽根車の回転によって地下水を吸い込み、吸い込んだ地下水に所定のヘッド（水頭）を付与して吐出する。水井戸ポンプ２は防水仕様の電動機によって駆動される。水井戸ポンプ２の制御は、制御装置１５によって自動的に行われる。
【００４１】
なお、水井戸ポンプ２は、地下水を地下井戸１から揚水パイプ３を介して地上に汲み上げるだけでなく、汲み上げた地下水を戻りパイプ６内を所定の流量で流して地下井戸１に戻す循環ポンプとしても機能する。従って、水井戸ポンプ２の全揚程については、ポンプ吐出口から地上までの最大高さ（実揚程）、水井戸ポンプ２を通過する際の損失ヘッド、戻りパイプ６を通過す際の損失ヘッド、及び戻りパイプ６から吐出する際の速度ヘッドを加えた揚程以上が必要となる。
【００４２】
本ハイブリッド型地中熱利用システム１００がクローズドループ方式で運転している場合、地下水は、水井戸ポンプ２によって地下井戸１→揚水パイプ３→電動弁５→戻りパイプ６→（水平方式地中熱交換器６Ａ、基礎杭方式地中熱交換器６Ｂ、ボアホール方式地中熱交換器６Ｃ）→地下井戸１という経路で循環させられる。一方、本ハイブリッド型地中熱利用システム１００がオープンループ方式で運転している場合、地下水は水井戸ポンプ２によって地下井戸１→揚水パイプ３→電動弁５→分岐パイプ１２→貯水槽１４という経路で一方向に流される。
【００４３】
また、本ハイブリッド型地中熱利用システム１００がクローズド・オープン併用方式で運転している場合、水井戸ポンプ２によって地下水は、電動弁５によって一部が分岐パイプ１２に流され、その残部が戻りパイプ６に流され地下井戸１に戻される。
【００４４】
揚水パイプ３は、地下水を水井戸ポンプ２→熱交換器１１→電動弁５という経路で流す流路であり、クローズドループ方式、オープンループ方式、又はクローズド・オープン併用方式の何れの場合においても使用される共通パイプである。揚水パイプ３を流れる地下水は、熱交換器１１を通過する際に冷媒循環パイプ８を流れる冷媒（熱媒体）との間で熱交換が行われる。揚水ポンプ３の材質については、耐久性、耐衝撃性、耐薬品性に優れた高密度ポリエチレン（例えばＰＥ１００）を使用することができる。
【００４５】
水位センサ４は、地下水の水位が下がることにより地盤沈下を引き起こすことを防止するために、地下井戸１内の水位を常時監視するセンサである。水位センサが出力する計測信号（計測値）は、制御装置１５に取り込まれる。制御装置１５は、水位の計測値が予め設定された閾値を超えそうな場合、電動弁５を駆動してオープンループ方式をクローズドループ方式に切り換えるか、或いはクローズド・オープン併用方式に切り換える。
【００４６】
電動弁５は、揚水パイプ３を流れる地下水を、戻りパイプ６又は分岐パイプ１２のどちらか一方に、或いは分岐パイプ１２と戻りパイプ６の双方に連通させる三方弁である。分岐パイプ１２と戻りパイプ６の双方に連通させる場合（クローズド・オープン併用方式の場合）、分岐パイプ１２に対する開度がＸ［％］（０［％］＜Ｘ＜１００［％］）である時、戻りパイプ６に対する開度は１００［％］−Ｘ［％］となる。なお、電動弁５の開度は、地下井戸１の水位に関する水位センサの計測値、ヒートポンプ１６の熱的負荷に応じて制御装置１５によって決定される。詳細については、図２を参照しながら後述する。
【００４７】
戻りパイプ６は、電動弁５→熱交換器１１→（水平方式地中熱交換器６Ａ、基礎杭方式地中熱交換器６Ｂ、ボアホール方式地中熱交換器６Ｃ）→地下井戸１という流路であり、クローズドループ方式とクローズド・オープン併用方式の場合に利用される。従って、戻りパイプ６を流れる地下水は、熱交換器１１において冷媒循環パイプ１４を流れる冷媒との間で熱交換をした後、水平方式地中熱交換器６Ａ、基礎杭方式地中熱交換器６Ｂ、及びボアホール方式地中熱交換器６Ｃにおいて地中との間で熱交換を行い、そして地下井戸１に戻る。戻りパイプ６の材質については、耐久性、耐衝撃性、耐薬品性に優れた高密度ポリエチレン（例えばＰＥ１００）を使用することができる。
【００４８】
水平方式地中熱交換器６Ａは、水平方向に沿って敷設されたコイル形状のパイプから構成される（説明の都合上、パイプは垂直方向に沿って敷設されているが、実際は水平方向に沿って敷設されている。）。なお、水平方式地中熱交換器６Ａのパイプ形状については、地中に対する接触面積が増加する形状であれば良く、コイル形状の他に、蛇行形状、螺旋形状等を採用することも可能である。
【００４９】
基礎杭方式地中熱交換器６Ｂは、垂直方向に沿って敷設されたＵ字形状のパイプから構成される。Ｕ字形状パイプは、建物の基礎補強用の基礎杭の内部に埋設される。パイプ外周面と基礎杭内周面との隙間には砂利、珪砂等が充填される。なお、基礎杭方式地中熱交換器６Ｂのパイプ形状についても、地中に対する接触面積が増加する形状であれば良く、Ｕ字形状の他に、ダブルＵ形状、螺旋形状等を採用することも可能である。
【００５０】
ボアホール方式地中熱交換器６Ｃは、垂直方向に沿って、基礎杭方式よりも地中深くに敷設されたＵ字形状のパイプから構成される。パイプは、地中のボーリングによって形成されたボアホール（掘削孔）に埋設される。パイプ外周面とボアホールとの隙間には砂利、珪砂等が充填される。なお、ボアホール方式地中熱交換器６Ｃのパイプ形状についても、地中に対する接触面積が増加する形状であれば良く、Ｕ字形状の他に、ダブルＵ形状、螺旋形状等を採用することも可能である。
【００５１】
第１流量センサ７は、流量の計測値が電気信号で出力されるものであれば良く、測定方式については特に問わない。第２流量センサ１０及び第３流量センサ１３についても同様である。  
【００５２】
冷媒循環パイプ８は、ヒートポンプ１６と熱交換器１１との間を冷媒が循環する密閉された循環パイプである。従って、この冷媒循環パイプ８を介して地中熱（地下水の熱）がヒートポンプ１６に供給されると共に、室内の熱が地下水に排熱される。
【００５３】
循環ポンプ９は、冷媒（熱媒体）を冷媒循環パイプ８に沿って循環させるポンプである。循環ポンプ９の制御は、地下井戸１の水位に関する水位センサの計測値、ヒートポンプ１６の熱的負荷に応じて制御装置１５によって自動的に行われる。
【００５４】
熱交換器１１は、オープンループ方式では冷媒循環パイプ８と揚水パイプ３との間で熱交換が行われる。クローズドループ方式とクローズド・オープン併用方式では冷媒循環パイプ８と揚水パイプ３及び戻りパイプ６との間で熱交換がそれぞれ行われる。
【００５５】
分岐パイプ１２は、電動弁５から貯水槽１４に至る流路であり、オープンループ方式とクローズド・オープン併用方式の場合に利用される。分岐パイプ１２の材質については、耐久性、耐衝撃性、耐薬品性に優れた高密度ポリエチレン（例えばＰＥ１００）を使用することができる。
【００５６】
貯水槽１４は、水井戸ポンプ２によって地下井戸１より汲み上げられた地下水が蓄えられるタンクである。貯水槽１４に蓄えられた地下水は、日常・防災用雑用水（トイレ、散水、風呂等）として使用される。なお、使用に際し、例えば濾過装置（図示せず）、殺菌装置（図示せず）、イオン交換装置（図示せす）、浄化装置（図示せず）を通過させることにより、有害な物質は除去されるようになっている。
【００５７】
制御装置１５は、水位センサ４、第１流量センサ７、第２流量センサ１０、及び第３流量センサ１３から計測信号を受信し、水井戸ポンプ２、電動弁５及び循環ポンプ９に対し制御信号を送信している。
【００５８】
ヒートポンプ１６は、圧縮器（図示せず）、凝縮器（図示せず）、膨張弁（図示せず）、蒸発器（図示せず）、ファン（図示せず）を有し且つ冷媒が流れる冷媒循環パイプ（図示せず）によって構成される。ヒートポンプ１６が室内を暖房する場合は、冷媒を圧縮機によって圧縮して液化させることにより、冷媒が液化する際に放熱する熱によって室内の空気を暖め、暖めた空気をファンによって送風する。
【００５９】
一方、ヒートポンプ１６が室内を冷房する場合、冷媒を膨張弁によって膨張させ蒸発器において気化させることにより、冷媒が気化する際に室内の熱を採熱することによって室内の空気を冷やし、冷やした空気をファンによって送風する。
【００６０】
小規模施設１７は、例えば保育園、老人施設、公民館（災害発生時の防災拠点、避難所）である。
【００６１】
建屋１８は、電動弁５、循環ポンプ９、熱交換器１１、制御装置１５、第１流量センサ７、第２流量センサ１０、及び第３流量センサ１３をユニット化するものである。建屋１８は揚水パイプ３、戻りパイプ６、冷媒循環パイプ８、及び分岐パイプ１２に対するインターフェースを有している。
【００６２】
図２は、ハイブリッド型熱利用システム１００の制御系統を示す説明図である。
制御装置１５は、水位センサ４の計測信号、並びに第１流量センサ７、第２流量センサ１０及び第３流量センサ１３の各計測信号を取り込んで、水井戸ポンプ２、電動弁５、循環ポンプ９及びヒートポンプ１６をそれぞれ制御する。
【００６３】
水位センサ４は、地下井戸１の水位を常時計測している。また、第１流量センサ７は戻りポンプ６を流れる地下水の流量を常時計測している。第２流量センサ１０は冷媒循環パイプ８を流れる冷媒の流量を常時計測している。第２流量センサ１３は分岐パイプ１２を流れる地下水の流量を常時計測している。
【００６４】
電動弁５は、揚水パイプ３が接続される揚水パイプ用ポート５１ａと、戻りパイプ６が接続される戻りパイプ用ポート５１ｂと、分岐パイプ１２が接続される分岐パイプ用ポート５１ｃとを備えた弁座５１と、各ポートを連通させる開口部５２ａを備えた弁体５２と、弁体５２を長手方向（軸方向）に移動させるスライド機構５３とから構成される。スライド機構５３はエンコーダ（図示せず）を備え、エンコーダの計測信号は制御装置１５に取り込まれる。従って、弁体５２の分岐パイプ１２に対する開度は、エンコーダの計測信号を介して制御装置１５によって検知される。
【００６５】
弁体５２の開口部５２ａと戻りパイプ用ポート５１ｂとの重複長さＸと、弁体５２の開口部５２ａと分岐パイプ用ポート５１ｃとの重複長さＹとの比に応じて、揚水パイプ３を流れる地下水が戻りパイプ６と分岐パイプ１２に分配される。従って、分岐パイプ１２に対する電動弁５の開度は、Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）×１００［％］によって規定される。つまり、分岐パイプ１２に対する開度が０［％］の場合、地下水は全て、地下井戸１→水井戸ポンプ２→揚水パイプ３→電動弁５→戻りパイプ６→（水平方式地中熱交換器６Ａ、基礎杭方式地中熱交換器６Ｂ、ボアホール方式地中熱交換器６Ｃ）→地下井戸１というクローズドループで地下井戸１に戻される。
【００６６】
一方、分岐パイプ１２に対する開度が１００［％］の場合、地下水は全て、地下井戸１→水井戸ポンプ２→揚水パイプ３→電動弁５→分岐パイプ１２→貯水槽１４というオープンループで貯水槽１４に放流される。また、分岐パイプ１２に対する開度が５０［％］の場合、汲み上げた地下水の内で半分はクローズドループで地下井戸１に戻され、残り半分がオープンループで貯水槽１４に放流される。
【００６７】
制御装置１５は、地下井戸１の水位とヒートポンプ１６の熱的負荷に応じて、分岐パイプ１２に対する電動弁５の開度を決定する。なお、ヒートポンプ１６の熱的負荷は、例えば冷媒循環パイプ８を流れる冷媒の流量（第２流量センサ１０の計測信号）、冷媒の温度（ヒートポンプ１６の上流側と下流側）等から検知することができる。
【００６８】
図３は、クローズドループ方式で運転しているハイブリッド型熱利用システム１００を示す説明図である。ハイブリッド型熱利用システム１００がクローズドループで運転しているときの電動弁５の開度は０［％］である（図６（ａ））。また、ヒートポンプ１６は暖房で運転しているものとする。以降において同じ。
【００６９】
地中熱を含んだ地下水は、水井戸ポンプ２によって揚水・圧送され、揚水パイプ３を流れている途中で熱交換器１１において冷媒循環パイプ８に地中熱を排熱する。排熱した地下水は電動弁５を通過した後、戻りパイプ６を流れている途中で再び熱交換器１１において冷媒循環パイプ８に地中熱を排熱する。
【００７０】
熱交換器１１において地中熱を冷媒（冷媒循環パイプ８）に排熱した地下水は、水平方式地中熱交換器６Ａ、基礎杭方式地中熱交換器６Ｂ、及びボアホール方式地中熱交換器６Ｃを通過する際に地中から地中熱を採熱した後に、地下井戸１に戻される。
【００７１】
熱交換器１１において地下水から地中熱を採熱した冷媒は、循環ポンプ９によってヒートポンプ１６に移送され、圧縮機によって圧縮されて地中熱を放熱して液化する。放熱された地中熱はファン等の送風機によって室内に供給される。地中熱を放熱した冷媒は循環ポンプ９によって熱交換器１１に移送され、再び揚水パイプ３及び戻りパイプ６との間で熱交換を行い、地下水から地中熱を採熱する。以後冷媒は上記動作を繰り返す。
【００７２】
図４は、オープンループ方式で運転しているハイブリッド型熱利用システム１００を示す説明図である。ハイブリッド型熱利用システム１００がオープンループで運転しているときの電動弁５の開度は１００［％］である（図６（ｂ））。
【００７３】
地中熱を含んだ地下水は、水井戸ポンプ２によって揚水・圧送され、揚水パイプ３を流れている途中で熱交換器１１において冷媒循環パイプ８に地中熱を排熱する。排熱した地下水は、電動弁５を通過した後、分岐パイプ１２を流れて貯水槽１４に放流され日常・防災用雑用水（トイレ、散水、風呂等）として使用される。
【００７４】
熱交換器１１において地下水から地中熱を採熱した冷媒は、循環ポンプ９によってヒートポンプ１６に移送され、圧縮機によって圧縮されて地中熱を放熱して液化する。放熱された地中熱はファン等の送風機によって室内に供給される。地中熱を放熱した冷媒は循環ポンプ９によって熱交換器１１に移送され、再び揚水パイプ３及び戻りパイプ６との間で熱交換を行い地下水から地中熱を採熱する。地中熱を採熱した冷媒は同様な動作を繰り返す。
【００７５】
図５は、クローズド・オープン併用方式で運転しているハイブリッド型熱利用システム１００を示す説明図である。ハイブリッド型熱利用システム１００がクローズド・オープン併用方式で運転しているときの電動弁５の開度は、地下井戸１の水位、ヒートポンプ１６の熱的負荷等に基づいて制御装置１５によって決定される。ここでは、一例として電動弁５の開度は５０［％］としている（図６（ｃ））。
【００７６】
地中熱を含んだ地下水は、水井戸ポンプ２によって揚水・圧送され、揚水パイプ３を流れている途中で熱交換器１１において冷媒循環パイプ８に地中熱を排熱する。排熱した地下水は電動弁５において、その半分が戻りパイプ６を流れ、残りの半分が分岐パイプ１２を流れる。
【００７７】
戻りパイプ６を流れる地下水は、途中で再び熱交換器１１において冷媒循環パイプ８に地中熱を排熱する。排熱した地下水は、水平方式地中熱交換器６Ａ、基礎杭方式地中熱交換器６Ｂ、及びボアホール方式地中熱交換器６Ｃを通過する際に地中から地中熱を採熱した後に、地下井戸１に戻される。
【００７８】
一方、分岐パイプ１２を流れる地下水は、貯水槽１４に放流され日常・防災用雑用水（トイレ、散水、風呂等）として使用される。
【００７９】
熱交換器１１において地下水から地中熱を採熱した冷媒は、循環ポンプ９によってヒートポンプ１６に移送され、圧縮機によって圧縮されて地中熱を放熱して液化する。放熱された地中熱はファン等の送風機によって室内に供給される。地中熱を放熱した冷媒は循環ポンプ９によって熱交換器１１に移送され、再び揚水パイプ３及び戻りパイプ６との間で熱交換を行い地下水から地中熱を採熱する。地中熱を採熱した冷媒は同様な動作を繰り返す。
【００８０】
以上の通り、本発明のハイブリッド型熱利用システム１００によれば、揚水パイプ３と戻りパイプ６の系統は、地下水を水源とする地下井戸１を始点とし、熱交換器１１及び地中を通過して再び地下井戸１に戻るように敷設され、且つ揚水パイプ３と戻りパイプ６を流れる地下水は、水井戸ポンプ２によって地下井戸１から揚水され、揚水パイプ３と戻りパイプ６を流れて地下井戸１に吐出されるように構成されている。
【００８１】
地下井戸１内の地下水は、熱容量が大きいためその温度は地中の温度に近く安定している。熱交換した地下水は、その地下井戸１に直に戻されるため、従来の密閉型のクローズドループに比べ地中における必要採排熱量（熱交換量）が小さくなる。その結果、地中に設置される熱交換器（水平方式地中熱交換器６Ａ、基礎杭方式地中熱交換器６Ｂ、ボアホール方式地中熱交換器６Ｃ）の規模を縮小・小型化することが可能となる。これにより、地中熱交換器を設置するためのコスト及びスペースを削減することが可能となる。
【００８２】
揚水パイプ３と戻りパイプ６の系統は熱交換器１１から下流側において、貯水槽１４に連通した分岐パイプ１２に電動弁５を介して連通可能に敷設されている。電動弁５は、分岐パイプ１２に対する開度を０〜１００［％］の範囲内で自動的に設定することができる。これにより、地下井戸１から揚水された地下水は、貯水槽１４に貯水され、地中の還元井等に戻されることがなくなる。その結果、地下水に含まれる有害物質による水域の水質汚染が起きなくなる。
【００８３】
また、分岐パイプ１２に対する電動弁５の開度は、地下井戸１の水位に基づいて制御装置１５によって決定される。これにより、地下水の過度の汲み上げによる地盤沈下が起きなくなる。
【００８４】
また、分岐パイプ１２に対する電動弁５の開度は、地下井戸１の水位に加えヒートポンプ１６の熱的負荷も考慮して制御装置１５によって決定される。これにより、少量の揚水で効率の良い地中熱の供給が可能となる。
【００８５】
また、貯水槽１４に放流された地下水は、殺菌、濾過、浄化されるため、緊急時の生活用水又は防災用水として有効利用される。
【００８６】
このように、本発明のハイブリッド型熱利用システム１００は、従来のオープンループ方式に見られた地下水の過度の汲み上げによる地盤沈下、並びに地下水に含まれる有害物資による公共水域の水質汚染の各問題を解決すると共に、従来のクローズドループ方式に見られた地中熱交換器の大型化に伴う設置コストの増大及び設置スペースの拡大という問題をも解決することができる。  
【００８７】
また、本発明のハイブリッド型熱利用システム１００は、地下井戸１の水位とヒートポンプ１６の熱的負荷に基づいて、クローズドループ方式、オープンループ方式又はクローズド・オープン併用方式の内から最適な方式を適宜選択することができるため、少量の揚水で効率の良い地中熱の供給が可能となる。
【００８８】
従って、本発明のハイブリッド型熱利用システム１００によれば、オープンループ方式とクローズドループ方式のそれぞれの欠点を解決しながら互いの利点を併せ持つことが可能となる。地下水の汲み上げ規制のある都市部においてもオープンループ方式で地中熱を利用することができるようになる。
【００８９】
なお、地下水については、地下井戸１に代えて揚水井から地下水を揚水するようにしても良い。この場合、揚水するポンプは建屋１８内に据え付けることが可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１            地下井戸
２            水井戸ポンプ
３            揚水パイプ
４            水位センサ
５            電動弁
６            戻りパイプ
７            第１流量センサ
８            冷媒循環パイプ
９            循環ポンプ
１０          第２流量センサ
１１          熱交換器
１２          分岐パイプ
１３          第３流量センサ
１４          貯水槽
１５          制御装置
１６          ヒートポンプ
１７          小規模施設
１８          建屋
１００        ハイブリッド型地中熱利用システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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