(57)【要約】【課題】単位面積当たりの熱交換量を大きくすると共に、熱抵抗値を小さくして、省エネ効果をより向上させることができる水平型地中熱交換器を提供することを課題とする。【手段】単管の熱交換パイプを用いた水平型地中熱交換器であって、深さ方向の異なる位置に複数設置された熱交換パイプを有し、該熱交換パイプが外管と内管からなる二重管であり、該外管と内管との間に媒体が流通する、水平型地中熱交換器。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単管の熱交換パイプを用いた水平型地中熱交換器であって、深さ方向の異なる位置に複数設置された熱交換パイプを有し、該熱交換パイプが外管と内管からなる二重管であり、該外管と内管との間に媒体が流通する、水平型地中熱交換器。
【請求項２】
前記深さ方向に異なる位置が、深さ方向に２ｍ以上５ｍ以下の間隔で設置されている、請求項１に記載の水平型地中熱交換器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の水平型地中熱交換器と、地上熱交換器との間に媒体を循環させ、建物内を冷暖房する、地中熱利用空調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平型地中熱交換器、および、地中熱利用空調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地中熱利用システムはこれまで約３０００件が北日本を中心に設置されており、秋田県には全国２位の設置数が記録されている。２０１７年に施工された改正省エネ法により２０２０年に住宅の省エネ基準が適合義務化される。これにより、地中熱利用システムの市場は大いに拡大すると予測されている。
特許文献１には、立坑の設置や井戸の掘削などの設置場所に制約を受ける工事を必要とせず、既設の建物の下部にも施行が可能な地中配管による地中熱利用システムとして、屈曲ボーリングを利用して地中配管を設置する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４６３２９０５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
地中熱利用システムにおいては、単位面積当たりの熱交換量を大きくして、省エネ効果をより向上させる努力が行われている。また、地中熱交換器の熱抵抗値を小さくすることにより、省エネ効果をより向上させる努力も行われている。
以上、本願は、熱抵抗値を小さくすると共に、単位面積当たりの熱交換量を大きくして、省エネ効果をより向上させることができる水平型地中熱交換器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、鋭意検討の結果、以下の知見を得た。
（１）地中熱利用において水平型地中熱交換器は設置コストが安い反面、必要な敷地面積が大きく、また単位面積当たりの熱交換量が垂直型地中熱交換器と比べて小さいが、インフラ設置などに用いられる非開削工法を用いて水平坑を垂直断面に複数本掘削し、これらの中に熱交換パイプを挿入して地中熱交換器として用いることで、単位面積当たりの熱交換量を増加できる。
（２）地中熱交換器は従来型のＵ字管ではなく単管とすることにより地中熱交換器の行き管と戻り管間の熱干渉を無くして坑長さ当たりの熱交換可能量を増加できる。
（３）地中熱交換器を外管と内管とからなる二重管とし、該外管と内管との間に媒体を流すことにより、熱抵抗値を小さくすることができ、省エネを実現できる。
（４）さらに、垂直断面に所定の深度間隔で複数本の地中熱交換器を設置することにより、さらに増進された単位面積当たり地中熱交換量を得ることができる。
【０００６】
上記課題を解決すべく、本願は、第１の形態として、単管の熱交換パイプを用いた水平型地中熱交換器であって、深さ方向の異なる位置に複数設置された熱交換パイプを有し、該熱交換パイプが外管と内管からなる二重管であり、該外管と内管との間に媒体が流通する、水平型地中熱交換器を開示する。
【０００７】
第１の形態の水平型地中熱交換器において、前記深さ方向に異なる位置が、深さ方向に２ｍ以上５ｍ以下の間隔で設置されていることが好ましい。
【０００８】
また、本願は、第２の形態として、第１の形態の水平型地中熱交換器と、地上熱交換器との間に媒体を循環させ、建物内を冷暖房する、地中熱利用空調システムを開示する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の水平型地中熱交換器は、単位面積当たりの熱交換量を大きくできると共に、熱抵抗値を小さくして、省エネ効果をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】Ｕ字管の外形写真である。
【図２】水平型地中熱交換器の設置例を示す概念図である。
【図３】水平型地中熱交換器の設置例を示す概念図である。
【図４】二重管の断面を示す概念図である。
【図５】地中熱利用空調システムの概要を示す概念図である。
【図６】建物の下に水平坑を掘削する様子を示す図である。
【図７】フィールド試験において得られた測定データを示す図である。
【図８】図７の測定データを用いて計算した熱交換量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜水平型地中熱交換器＞
本開示の水平型地中熱交換器は、単管の熱交換パイプを用いた水平型地中熱交換器であって、深さ方向の異なる位置に複数設置された熱交換パイプを有し、該熱交換パイプが外管と内管からなる二重管であり、該外管と内管との間に媒体が流通する、水平型地中熱交換器である。
【００１２】
（単管の熱交換パイプ）
本開示の地中熱交換器は、単管の熱交換パイプを備えており、該熱交換パイプは地中に掘削した水平坑に挿入される。ここでいう単管とは、２本の熱交換パイプが並列に並んで一体となっている、いわゆるＵ字管（図１参照）を除く意味である。また、Ｕ字管では、行き管の入り口と戻り管の出口は同じ坑となるが、本開示の単管では、行き管の入口と戻り管の出口は異なる。
【００１３】
地中に掘削した垂直坑に熱交換パイプを挿入する垂直型熱交換器の場合、一つ縦坑に行き管と戻り管とを挿入しないといけないため、Ｕ字管を使用する必要がある。Ｕ字管の場合、行き管と戻り管とが近接しているため、行き管と戻り管との熱干渉が生じ、坑長さ当りの熱交換量が減少してしまう。これに対して、単管の熱交換パイプを用いた本開示の熱交換器では熱交換量の減少を防ぐことができる。
また、ここでいう単管とは、外観が単管であればよく、外管の内部に内管を備えた二重管を含む意味である。
【００１４】
（水平型熱交換器）
水平型地中熱交換器とは、厳密な意味での水平を意味するものではなく、垂直型地中熱交換器を除く意味である。つまり、垂直型地中熱交換器の設置では、略垂直にボーリングして垂直坑を掘削して、熱交換パイプを設置し、行き管の入口と戻り管の出口が同じ坑となるが、水平型地中熱交換器では、略水平にボーリングして水平坑を掘削して、熱交換パイプを設置するので、行き管の入り口と戻り管の出口が異なることになる。
【００１５】
よって、水平型熱交換器とは、図６に示したような、斜め下方にボーリングした後、恒温層にて水平方向にボーリングし、その後、斜め上方向にボーリングして形成した坑に設置する場合も含む意味であり、さらに、図５に示したように、全体として円弧となっているような坑に設置する場合も含む意味である。また、本開示の図２に示したように、縦坑を形成してから、水平坑をボーリングするような形態も含む。
【００１６】
（深さ方向の異なる位置に複数設置）
深さ方向の異なる位置に複数設置とは、本開示の水平型地中熱交換器を設置する敷地の深さ方向において、複数本の熱交換パイプが設置されていることを意味し、例えば、図２に示したように、一つの行き管が、途中で分岐して複数本の熱交換パイプとなり、これらが、深さ方向の異なる位置に複数設置されていてもよいし、また、図３に示したように、熱交換パイプが螺旋状に設置されることにより、深さ方向の異なる位置に複数設置される形態であってもよい。
【００１７】
前記深さ方向に異なる位置は、深さ方向に２ｍ以上の間隔で設置されていることが好ましいく、５ｍ以下の間隔での設置が好ましい。間隔を２ｍ以上とすることにより、熱交換パイプ同士の熱干渉を軽減することができる。一方で、限られた地表面積で効果的に熱交換を行い、有効に土地活用する観点から間隔は５ｍ以下が好ましい。
【００１８】
（二重管）
本開示の水平地中熱交換器において、熱交換パイプは、外管１０と内管２０とからなる二重管である。図４に、該二重管の断面図を示す。外管１０および内管２０の材料は、樹脂、金属などの強度および熱伝導の良い材料を使用することができる。金属としては、鉄、銅、アルミニウムを挙げることができるが、熱伝導の点から銅、アルミニウムが好ましい。樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル等を挙げることができるが、熱伝導の点から、高密度ポリエチレンを用いることが好ましい。
【００１９】
上記二重管において、外管１０と内管２０との間に媒体３０が循環する。外管と内管との間に媒体が循環できる隙間があればよく、外管と内管とは接続されていても、されていなくてもよい。なお、施工時の二重管の曲げ易さ、および、二重管作製の際の容易さの点から、外管と内管とは接続されていないことが好ましい。
また、外管中において内管はセンタリングされている場合、熱抵抗値がより小さくなる可能性があるが、二重管の製造・加工が難しくなるので、内管がセンタリングされている必要は必ずしもない。
内管、外管の形状は、製造が容易な点から円筒状が好ましく、また、表面積を大きくして熱交換を良好に行えるように蛇腹状、星形断面としてもよい。
外管と内管との間、つまり、外管の内径と内管の外径との間は、１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることが好ましく、また、外管の厚みは、５ｍｍ以下とすることが好ましい。内管の厚みは特に制限はなく、後に記載するように中実管としてもよい。
【００２０】
（媒体）
二重管の間を循環する媒体としては、水、不凍液を用いることができる。内管の内側は熱容量が小さい物質を充填することが好ましく、樹脂、金属を充填してもよく、また、コストを考慮すると、内管の内側は空気とすることが好ましい。また、内管の内側に樹脂、金属を充填する場合は、内管を樹脂、金属の中実管（棒状体）としてもよい。
【００２１】
＜地中熱交換器の設置方法＞
熱交換パイプは、非開削工法により掘削した水平坑に設置される。水平坑は屈曲ボーリングにより、立坑を形成せずに形成してもよいし、行き管の入り口および戻り管の出口に立坑を形成してから水平坑を掘削してもよい。坑を貫通させた後に、掘進ヘッドに熱交換パイプを連結して引き戻すことで、水平坑に設置することができる。
【００２２】
図２に示したように、深さ方向に複数の水平坑を掘削して、行き管を複数に分岐させ、水平坑を通過させ、戻り管にて集約させてから、戻り管を地表部にて繋いで、循環させることができる。また、一つの水平坑に行き管を設置し、他の水平坑に戻り管を設置して循環させることもできる。
また、図３に示したように、らせん状に水平坑を掘削して、該らせん状の水平坑に熱交換パイプを設置してもよい。
【００２３】
＜地中熱利用空調システム＞
本開示の地中熱利用空調システムは、上記した地中熱交換器と、地上熱交換器との間に媒体を循環させることで、建物内を冷暖房する。空調システムの概要を図５に示す。１００は熱交換パイプ、２１０は循環ポンプ、２３０は地上熱交換器、２４０は送風機、２２０は循環タンク、５００は被空調空間である。
すなわち、地中に埋設した熱交換パイプ１００内と地上の熱交換器２３０との間に液体を循環させ、熱交換器２３０から得られる熱により建物内の被空調空間Ｒを冷暖房する地中熱利用空調システムである。
【実施例】
【００２４】
＜熱交換パイプの熱抵抗値の測定＞
外管の中に内管を入れた二重管からなる熱交換パイプ（実施例１）と、これと等しい表面積（伝熱面積）を持つ外管のみからなる熱交換パイプ（比較例１）の熱抵抗値を測定した。
（実施例１）
内径２７ｍｍ、外径３４ｍｍの内管、および、内径５０ｍｍ、外径６０ｍｍの外管を使用した。内管および外管としては、高密度ポリエチレン製の円筒状のパイプを使用した。
【００２５】
（比較例１）
内径５０ｍｍ、外径６０ｍｍの外管を使用した。外管としては、高密度ポリエチレン製の円筒状パイプを使用した。
【００２６】
熱抵抗値測定の条件は以下の通りである。
・内管の内側は空気とする。
・外管の外側は、土とする。
・循環させる媒体は水とする。
・内管および外管の熱伝導率値を、０．４８Ｗｍ−１Ｋ−１とする。
・土の熱伝導率値を、１．２Ｗｍ−１Ｋ−１とする。
・水の熱伝導率値を、０．６Ｗｍ−１Ｋ−１Ｗとする。
・水の流量を、３０Ｌ／分とする。
以上の条件の下、熱抵抗値を計算した。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
熱抵抗は一定の熱交換量を設定した場合における管内を流れる媒体と地層との温度差を表す。従って、熱交換量を両ケースで等しくした場合には、実施例１において熱交換器出口温度が暖房時には高く、冷房時には低くなり、ヒートポンプの成績係数が上がるため，省エネ効果がある。
【００２９】
なお、典型的な熱交換量は３０Ｗ／ｍ程度であるが、この場合、温度差は、７．８Ｋ（比較例１）、５．５Ｋ（実施例１）となり、一定の省エネ効果が見られることが分かった。これは、特に頻繁にＯＮ／ＯＦＦが入る実際の冷暖房運転では重要な要素である。
【００３０】
＜フィールド試験＞
二重管からなる熱交換パイプの効果の検証のために、佐賀市の試験フィールドにおいてフィールド試験を実施した。
（１）試験実施期間：２０１８年１０月４日１６：００〜１０月６日１４：００、
（２）実施場所：佐賀市久保田町久富３１３４、（株）バイオテックス敷地内、
（３）試験方法：
・入口水温３５℃の温水を流量３０Ｌ／分で循環する。
・温度が安定した後に、出口温度と流量より熱交換量を計算する。
・内管の有無による熱交換量の差を得る。
【００３１】
（４）結果
（実施例２）
実施例１と同様の二重管のパイプを使用して上記試験を行った。
（比較例２）
比較例１と同様のパイプを使用して上記試験を行った。
【００３２】
試験時に得た測定データを図７に示す。縦軸（左）は温度（℃）を示し、縦軸（右）は流量（Ｌ／ｍｉｎ）を示し、横軸は時間を示す。
１０月４日の１６：００〜１０月５日の９：４５までは、実施例２の試験を行い、その後、１０月５日の１０：１５〜１０月６日の１４：００までは比較例２の試験を行った。
【００３３】
循環流量は非常に安定しており、入口温度はおおむね安定していたが、１０月５日の４：００〜９：００の間は若干の増加がみられた。これは、水タンクの温度制御がうまくいかなかったためと考えられるが、温度の増加幅が１℃と小さく、後に示すように、この間の熱交換量は安定しているので、該温度増加の影響はないと考えている。
【００３４】
図７の測定データを用いて計算した熱交換量を図８に示す。実施例２では、１０月５日の０：００〜１０月５日の９：００を安定期間（入口温度が安定した期間）とし、比較例２では、１０月５日の１８：００〜１０月６日の１０：００を安定期間として、該安定期間における地中熱交換量（Ｗ）を求めた。
【００３５】
地中熱交換量は、実施例２では、２４４９Ｗであり、比較例２では、１９１８Ｗであった。これより、二重管の熱交換パイプを使用することにより、熱交換量が２７％増加したことが分かった。これにより、井戸長さの削減が達成でき、非開削工法を用いた地中熱利用ヒートポンプシステムの経済性が大きく改善されると考えられる。
【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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【図７】
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【図８】
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