(57)【要約】【課題】上部帯水層及び下部帯水層の利用に際し、井戸の閉塞が抑制される地中熱利用システム及び地中熱利用システムの運転方法を提供する。【解決手段】地中熱利用システムは、第一上部開口部と第一下部開口部とを有する第一井戸と、第二上部開口部と第二下部開口部とを有する第二井戸と、を備える。地中熱利用システムは、第一配管と、第二配管と、第一熱交換器と、第二熱交換器と、をさらに備える。地中熱利用システムは、第一配管を介して、第一上部開口部から第二上部開口部へ向かって、上部帯水層の地下水を送水可能であり、第二配管を介して、第二下部開口部から第一下部開口部へ向かって、下部帯水層の地下水を送水可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部帯水層で開口している第一上部開口部と、下部帯水層で開口している第一下部開口部と、を備える第一井戸と、
前記上部帯水層で開口している第二上部開口部と、前記下部帯水層で開口している第二下部開口部と、を備える第二井戸と、
第一配管と、
第二配管と、
前記第一配管に接続されている第一熱交換器と、
前記第二配管に接続されている第二熱交換器と、を備え、
前記第一配管を介して、前記第一上部開口部から前記第二上部開口部へ向かって、前記上部帯水層の地下水を送水可能であり、
前記第二配管を介して、前記第二下部開口部から前記第一下部開口部へ向かって、前記下部帯水層の地下水を送水可能である
地中熱利用システム。
【請求項２】
夏期において、前記上部帯水層及び前記下部帯水層のうちの一方に、温水を貯蓄し、
冬期において、前記上部帯水層及び前記下部帯水層のうちの他方に、冷水を貯蓄する
請求項１に記載の地中熱利用システム。
【請求項３】
さらに、前記第二配管を介して、前記第二上部開口部から前記第一上部開口部へ向かって、前記上部帯水層の地下水を送水可能であり、
さらに、前記第一配管を介して、前記第一下部開口部から前記第二下部開口部へ向かって、前記下部帯水層の地下水を送水可能である
請求項１又は２に記載の地中熱利用システム。
【請求項４】
前記第一井戸が、
前記第一上部開口部の上方に設けられ、第一ポンプを有する第一貯留部と、
前記第一貯留部と前記第一上部開口部とを接続するモードと、前記第一貯留部と前記第一下部開口部とを接続するモードと、を切り替え可能な第一切替部と、をさらに備え、
前記第二井戸が、
前記第二上部開口部の上方に設けられ、第二ポンプを有する第二貯留部と、
前記第二貯留部と前記第二上部開口部とを接続するモードと、前記第二貯留部と前記第二下部開口部とを接続するモードと、を切り替え可能な第二切替部と、をさらに備える
請求項１から３の何れか一項に記載の地中熱利用システム。
【請求項５】
上部帯水層で開口している第一上部開口部と、下部帯水層で開口している第一下部開口部と、を備える第一井戸と、
前記上部帯水層で開口している第二上部開口部と、前記下部帯水層で開口している第二下部開口部と、を備える第二井戸と、
第一配管と、
第二配管と、
前記第一配管に接続されている第一熱交換器と、
前記第二配管に接続されている第二熱交換器と、
を備える地中熱利用システムの運転方法であって、
前記第一配管を介して、前記第一上部開口部から第二上部開口部へ向かって、前記上部帯水層の地下水を送水させるステップと、
前記第二配管を介して、前記第二下部開口部から第一下部開口部へ向かって、前記下部帯水層の地下水を送水させるステップと、を含む
地中熱利用システムの運転方法。
【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及び地中熱利用システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、帯水層の地下水を井戸からくみ上げて、温熱源又は冷熱源として利用する地中熱利用システムが提案されている。
【０００３】
これに関連する技術として、特許文献１には、井戸の開口部において、上部帯水層の地下水を取水し、下部帯水層へ環水する地中熱利用システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−２８０６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上部帯水層の地下水の水質と、下部帯水層の地下水の水質が異なっている場合、特許文献１のような地中熱利用システムを利用すると、上部帯水層の地下水と下部帯水層の地下水が混ざってしまう。地下水が混ざると、生成された反応物によって井戸の開口部が閉塞されることがある。
【０００６】
本発明は、上部帯水層及び下部帯水層の利用に際し、井戸の閉塞を抑制できる地中熱利用システム及び地中熱利用システムの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の態様の地中熱利用システムは、上部帯水層で開口している第一上部開口部と、下部帯水層で開口している第一下部開口部と、を備える第一井戸と、前記上部帯水層で開口している第二上部開口部と、前記下部帯水層で開口している第二下部開口部と、を備える第二井戸と、第一配管と、第二配管と、前記第一配管に接続されている第一熱交換器と、
前記第二配管に接続されている第二熱交換器と、を備え、前記第一配管を介して、前記第一上部開口部から前記第二上部開口部へ向かって、前記上部帯水層の地下水を送水可能であり、前記第二配管を介して、前記第二下部開口部から前記第一下部開口部へ向かって、前記下部帯水層の地下水を送水可能である。
【０００８】
本態様によれば、地中熱利用システムは、上部帯水層の地下水と、下部帯水層の地下水とを別々に送水可能であるため、上部帯水層の地下水と下部帯水層の地下水とが混ざってしまうことを抑制できる。
したがって、本態様の地中熱利用システムでは、上部帯水層及び下部帯水層の利用に際し、井戸の閉塞が抑制される。
【０００９】
第２の態様の地中熱利用システムは、夏期において、前記上部帯水層及び前記下部帯水層のうちの一方に、温水を貯蓄し、冬期において、前記上部帯水層及び前記下部帯水層のうちの他方に、冷水を貯蓄する第１の態様の地中熱利用システムである。
【００１０】
本態様によれば、温水と冷水の注水域が重なりにくい。このため、各帯水層の注水域を大きくすることができる。
さらに、第一井戸と第二井戸との間におけるショートサーキットの発生が抑制される。このため、本態様の地中熱利用システムは、蓄熱損失を抑制できる。
【００１１】
第３の態様の地中熱利用システムは、さらに、前記第二配管を介して、前記第二上部開口部から前記第一上部開口部へ向かって、前記上部帯水層の地下水を送水可能であり、さらに、前記第一配管を介して、前記第一下部開口部から前記第二下部開口部へ向かって、前記下部帯水層の地下水を送水可能である第１又は第２の態様の地中熱利用システムである。
【００１２】
本態様によれば、地中熱利用システムは、上部帯水層及び下部帯水層の各帯水層において、送水により貯蓄した熱を、逆に送ることができる。このため、送水により貯蓄した熱を利用することができる。
【００１３】
第４の態様の地中熱利用システムは、前記第一井戸が、前記第一上部開口部の上方に設けられ、第一ポンプを有する第一貯留部と、前記第一貯留部と前記第一上部開口部とを接続するモードと、前記第一貯留部と前記第一下部開口部とを接続するモードと、を切り替え可能な第一切替部と、をさらに備え、前記第二井戸が、前記第二上部開口部の上方に設けられ、第二ポンプを有する第二貯留部と、前記第二貯留部と前記第二上部開口部とを接続するモードと、前記第二貯留部と前記第二下部開口部とを接続するモードと、を切り替え可能な第二切替部と、をさらに備える第１から第３の何れかの態様の地中熱利用システムである。
【００１４】
本態様によれば、第一ポンプによって、上部帯水層の地下水を揚水できると共に、下部帯水層の地下水を揚水できる。同様に、本態様によれば、第二ポンプによって、上部帯水層の地下水を揚水できると共に、下部帯水層の地下水を揚水できる。このため、各井戸のポンプの利用効率を上げることができる。
【００１５】
第５の態様の地中熱利用システムの運転方法は、上部帯水層で開口している第一上部開口部と、下部帯水層で開口している第一下部開口部と、を備える第一井戸と、前記上部帯水層で開口している第二上部開口部と、前記下部帯水層で開口している第二下部開口部と、を備える第二井戸と、第一配管と、第二配管と、前記第一配管に接続されている第一熱交換器と、前記第二配管に接続されている第二熱交換器と、を備える地中熱利用システムの運転方法であって、前記第一配管を介して、前記第一上部開口部から第二上部開口部へ向かって、前記上部帯水層の地下水を送水させるステップと、前記第二配管を介して、前記第二下部開口部から第一下部開口部へ向かって、前記下部帯水層の地下水を送水させるステップと、を含む。
【００１６】
本態様によれば、地中熱利用システムの運転方法は、上部帯水層の地下水と、下部帯水層の地下水とを別々に送水可能であるため、上部帯水層の地下水と下部帯水層の地下水とが混ざってしまうことを抑制できる。
したがって、本態様の地中熱利用システムの運転方法では、上部帯水層及び下部帯水層の利用に際し、井戸の閉塞が抑制される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の地中熱利用システム及び地中熱利用システムの運転方法は、上部帯水層及び下部帯水層の利用に際し、井戸の閉塞が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る第一実施形態における地中熱利用システムの系統図である。
【図２】本発明に係る第一実施形態における地中熱利用システムの系統図である。
【図３】本発明に係る第二実施形態における地中熱利用システムの系統図である。
【図４】本発明に係る第二実施形態における地中熱利用システムの系統図である。
【図５】本発明に係る第二実施形態における地中熱利用システムの系統図である。
【図６】本発明に係る第二実施形態における地中熱利用システムの系統図である。
【図７】各方式の期間注水半径及び井戸間距離を比較する表である。
【図８】Ｗ−ＡＴＥＳの期間注水半径及び井戸間距離を説明する図である。
【図９】ＱＷ−ＡＴＥＳの期間注水半径及び井戸間距離を説明する図である。
【図１０】各方式の期間注水半径及び期間積算注水量を比較する表である。
【図１１】本発明に係る各実施形態の切替部の例の斜視図である。
【図１２】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【図１３】図１１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。
【図１４】本発明に係る各実施形態の切替部の例の斜視図である。
【図１５】本発明に係る各実施形態の切替部の例の斜視図である。
【図１６】図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。
【図１７】図１５のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面図である。
【図１８】本発明に係る各実施形態の切替部の例の斜視図である。
【図１９】本発明に係る各実施形態の切替部の例の系統図である。
【図２０】本発明に係る各実施形態の切替部の例の系統図である。
【図２１】本発明に係る各実施形態の切替部の例の系統図である。
【図２２】本発明に係る各実施形態の切替部の例の系統図である。
【図２３】本発明に係る各実施形態の切替部の例の部分断面図である。
【図２４】本発明に係る各実施形態の切替部の例の部分断面図である。
【図２５】本発明に係る各実施形態の切替部の例の部分断面図である。
【図２６】本発明に係る各実施形態の切替部の例の部分断面図である。
【図２７】本発明に係る各実施形態における地中熱利用システムの運転方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を用いて説明する。すべての図面において同一または相当する構成には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００２０】
＜第一実施形態＞
本発明に係る地中熱利用システムの第一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
なお、図１及び図２に示す矢印は、各部分における（地下水を含む）冷媒の流れを示す。
【００２１】
（地中熱利用システムの構成）
地中熱利用システム１０は、２つの異なる帯水層である上部帯水層ＬＹ１と下部帯水層ＬＹ２とに蓄熱する。上部帯水層ＬＹ１及び下部帯水層ＬＹ２は、例えば、洪積粘土層ＬＹｍを挟んで形成されている。
図１に示すように、地中熱利用システム１０は、第一井戸２０と第二井戸３０とを備える。
地中熱利用システム１０は、第一配管４０と、第二配管５０と、第一熱交換器６０と、第二熱交換器７０と、をさらに備える。
【００２２】
（第一井戸の構成）
第一井戸２０は、地上から地下に向かって、上部帯水層ＬＹ１を貫通し、下部帯水層ＬＹ２に延びる井戸である。
第一井戸２０は、第一貯留部２１と、第一切替部２２と、第一上部開口部２３と、第一下部開口部２４と、を備える。
第一井戸２０は、地表ＳＧから下部帯水層ＬＹ２に至る地下に向かって掘削された掘削孔ＨＯＬ１に埋め込まれたケーシング２０ａを備える。
ケーシング２０ａ内において、第一貯留部２１と、第一切替部２２と、第一上部開口部２３と、第一下部開口部２４と、の各間には、パッキングＰＫが設けられており、各間での地下水の行き来を抑制している。
【００２３】
第一貯留部２１は、第一上部開口部２３の上方に設けられている。
第一貯留部２１は、第一貯留部２１内の地下水を揚水可能な第一ポンプ２１ａを有する。
【００２４】
第一切替部２２は、第一貯留部２１と第一上部開口部２３との間に設けられている。
第一切替部２２は、第一貯留部２１に開口している第一ポート２２ａと、第二配管５０に接続されている第二ポート２２ｂとを備える。
第一切替部２２は、第一上部開口部２３に開口している第三ポート２２ｃと、第一上部開口部２３を通り過ぎて第一下部開口部２４に向かって延びて開口している第四ポート２２ｄと、をさらに備える。
第一切替部２２は、内部配管の切り替えによって、第一貯留部２１と第一上部開口部２３とを接続するモードと、第一貯留部２１と第一下部開口部２４とを接続するモードと、を切り替え可能である。
例えば、図１の場合、第一切替部２２は、第一ポート２２ａと第三ポート２２ｃとを接続することによって、第一貯留部２１と第一上部開口部２３とを接続している。
また、図１の場合、第一切替部２２は、第二ポート２２ｂと第四ポート２２ｄとを接続することによって、第二配管５０と第一下部開口部２４とを接続している。
【００２５】
第一上部開口部２３は、上部帯水層ＬＹ１で開口している。
第一上部開口部２３は、第一井戸２０のうち、上部帯水層ＬＹ１に相当する深さに位置する部分である。
第一上部開口部２３には、地下水が貯留されている。
例えば、ケーシング２０ａには、上部帯水層ＬＹ１において、複数のスリットからなるストレーナー２３ａが設けられている。ストレーナー２３ａを介して、第一上部開口部２３は、上部帯水層ＬＹ１の地下水をケーシング２０ａの内部に取り込んだり、ケーシング２０ａの内部から上部帯水層ＬＹ１へ地下水を戻したりできるように構成されている。
【００２６】
第一下部開口部２４は、下部帯水層ＬＹ２で開口している。
第一下部開口部２４は、第一井戸２０のうち、下部帯水層ＬＹ２に相当する深さに位置する部分である。
第一下部開口部２４には、地下水が貯留されている。
第一上部開口部２３と、第一下部開口部２４とは、上下に並んでいる。
例えば、ケーシング２０ａには、下部帯水層ＬＹ２において、複数のスリットからなるストレーナー２４ａが設けられている。ストレーナー２４ａを介して、第一下部開口部２４は、下部帯水層ＬＹ２の地下水をケーシング２０ａの内部に取り込んだり、ケーシング２０ａの内部から下部帯水層ＬＹ２へ地下水を戻したりできるように構成されている。
【００２７】
（第二井戸の構成）
第二井戸３０は、地上から地下に向かって、上部帯水層ＬＹ１を貫通し、下部帯水層ＬＹ２に延びる井戸である。
第二井戸３０は、第一井戸２０と所定の距離を隔て設けられている。
第二井戸３０は、第二貯留部３１と、第二切替部３２と、第二上部開口部３３と、第二下部開口部３４と、を備える。
第二井戸３０は、地表から下部帯水層ＬＹ２に至る地下に向かって掘削された掘削孔ＨＯＬ２に埋め込まれたケーシング３０ａを備える。
ケーシング３０ａ内において、第二貯留部３１と、第二切替部３２と、第二上部開口部３３と、第二下部開口部３４と、の各間には、パッキングＰＫが設けられており、各間での地下水の行き来を抑制している。
【００２８】
第二貯留部３１は、第二上部開口部３３の上方に設けられている。
第二貯留部３１は、第二貯留部３１内の地下水を揚水可能な第二ポンプ３１ａを有する。
【００２９】
第二切替部３２は、第二貯留部３１と第二上部開口部３３との間に設けられている。
第二切替部３２は、第二貯留部３１に開口している第一ポート３２ａと、第一配管４０に接続されている第二ポート３２ｂとを備える。
第二切替部３２は、第二上部開口部３３に開口している第三ポート３２ｃと、第二上部開口部３３を通り過ぎて第二下部開口部３４に向かって延びて開口している第四ポート３２ｄと、をさらに備える。
第二切替部３２は、内部配管の切り替えによって、第二貯留部３１と第二上部開口部３３とを接続するモードと、第二貯留部３１と第二下部開口部３４とを接続するモードと、を切り替え可能である。
例えば、図１の場合、第二切替部３２は、第一ポート３２ａと第四ポート３２ｄとを接続することによって、第二貯留部３１と第二下部開口部３４とを接続している。
また、図１の場合、第二切替部３２は、第二ポート３２ｂと第三ポート３２ｃとを接続することによって、第一配管４０と第二上部開口部３３とを接続している。
【００３０】
第二上部開口部３３は、上部帯水層ＬＹ１で開口している。
第二上部開口部３３は、第二井戸３０のうち、上部帯水層ＬＹ１に相当する深さに位置する部分である。
第二上部開口部３３には、地下水が貯留されている。
例えば、ケーシング３０ａには、上部帯水層ＬＹ１において、複数のスリットからなるストレーナー３３ａが設けられている。ストレーナー３３ａを介して、第二上部開口部３３は、上部帯水層ＬＹ１の地下水をケーシング３０ａの内部に取り込んだり、ケーシング３０ａの内部から上部帯水層ＬＹ１へ地下水を戻したりできるように構成されている。
【００３１】
第二下部開口部３４は、下部帯水層ＬＹ２で開口している。
第二下部開口部３４は、第二井戸３０のうち、下部帯水層ＬＹ２に相当する深さに位置する部分である。
第二下部開口部３４には、地下水が貯留されている。
第二上部開口部３３と、第二下部開口部３４とは、上下に並んでいる。
例えば、ケーシング３０ａには、下部帯水層ＬＹ２において、複数のスリットからなるストレーナー３４ａが設けられている。ストレーナー３４ａを介して、第二下部開口部３４は、下部帯水層ＬＹ２の地下水をケーシング３０ａの内部に取り込んだり、ケーシング３０ａの内部から下部帯水層ＬＹ２へ地下水を戻したりできるように構成されている。
【００３２】
（第一配管の構成）
第一配管４０は、第一熱交換器６０の一次側（一次側配管６０ａ）を介して、第一端４０ａから第二端４０ｂへ延びている。
第一配管４０の第一端４０ａは、第一ポンプ２１ａから第一配管４０へ揚水可能に、第一ポンプ２１ａに接続されている。
第一配管４０の第一端４０ａは、第一ポンプ２１ａに向かって、第一井戸２０内に延びている。
第一配管４０の第二端４０ｂは、開閉弁、逆止弁等を介して、第二切替部３２の第二ポート３２ｂに向かって送水可能に、第二切替部３２の第二ポート３２ｂに接続されている。
第一配管４０の第二端４０ｂは、第二切替部３２の第二ポート３２ｂに向かって、第二井戸３０内に延びている。
【００３３】
（第二配管の構成）
第二配管５０は、第二熱交換器７０の一次側（一次側配管７０ａ）を介して、第一端５０ａから第二端５０ｂへ延びている。
第二配管５０の第一端５０ａは、第二ポンプ３１ａから第二配管５０へ揚水可能に、第二ポンプ３１ａに接続されている。
第二配管５０の第一端５０ａは、第二ポンプ３１ａに向かって、第二井戸３０内に延びている。
第二配管５０の第二端５０ｂは、開閉弁、逆止弁等を介して、第一切替部２２の第二ポート２２ｂに向かって送水可能に、第一切替部２２の第二ポート２２ｂ接続されている。
第二配管５０の第二端５０ｂは、第一切替部２２の第二ポート２２ｂに向かって、第一井戸２０内に延びている。
【００３４】
（第一熱交換器の構成）
第一熱交換器６０の一次側（一次側配管６０ａ）は、第一配管４０の途中に接続されている。
第一熱交換器６０の二次側（二次側配管６０ｂ）は、冷暖房器具等の負荷Ｒに接続されている。
第一熱交換器６０は、一次側と二次側との間で熱交換可能である。
【００３５】
（第二熱交換器の構成）
第二熱交換器７０の一次側（一次側配管７０ａ）は、第二配管５０の途中に接続されている。
第二熱交換器７０の二次側（二次側配管７０ｂ）は、負荷Ｒに接続されている。
第二熱交換器７０は、一次側と二次側との間で熱交換可能である。
第二熱交換器７０の二次側配管７０ｂと、第一熱交換器６０の二次側配管６０ｂとは、直列に接続されている。
【００３６】
（動作）
本実施形態の地中熱利用システム１０の動作について説明する。
まず、図１の場合（第一モード）について説明する。
図１の場合、上述のとおり、第一切替部２２は、第一貯留部２１と第一上部開口部２３とを接続する。これにより、第一上部開口部２３において取水される地下水は、第一配管４０へ揚水される。
図１の場合、上述のとおり、第二切替部３２は、第二貯留部３１と第二下部開口部３４とを接続する。これにより、第二下部開口部３４において取水される地下水は、第二配管５０へ揚水される。
このため、地中熱利用システム１０は、第一配管４０を介して、第一上部開口部２３から第二上部開口部３３へ向かって、上部帯水層ＬＹ１の地下水を送水できる。
また、地中熱利用システム１０は、第二配管５０を介して、第二下部開口部３４から第一下部開口部２４へ向かって、下部帯水層ＬＹ２の地下水を送水できる。
したがって、地中熱利用システム１０は、上部帯水層ＬＹ１の蓄熱を第一熱交換器６０に供給でき、下部帯水層ＬＹ２の地下水の蓄熱を第二熱交換器７０に供給できる。
さらに、地中熱利用システム１０は、第一熱交換器６０から得た熱（温熱又は冷熱）を上部帯水層ＬＹ１に蓄熱でき、第二熱交換器７０から得た熱（温熱又は冷熱）を下部帯水層ＬＹ２に蓄熱できる。
【００３７】
例えば、本実施形態の場合、地中熱利用システム１０は、上部帯水層ＬＹ１から取得した温水を、第一上部開口部２３を介して第一熱交換器６０に供給することによって消費している。他方で、地中熱利用システム１０は、第一熱交換器６０において取得した冷水を、第二上部開口部３３を介して上部帯水層ＬＹ１に供給することによって貯蓄している。
また、本実施形態の場合、地中熱利用システム１０は、下部帯水層ＬＹ２から取得した温水を、第二下部開口部３４を介して第二熱交換器７０に供給することによって消費している。他方で、地中熱利用システム１０は、第二熱交換器７０において取得した冷水を、第一下部開口部２４を介して下部帯水層ＬＹ２に供給することによって貯蓄している。
ここで「温水」とは、各帯水層の地下水の初期地中温度より高い温度の水のことをいい、「冷水」とは、各帯水層の地下水の初期地中温度より低い温度の水のことをいう。
例えば、各帯水層の地下水の初期地中温度は１８℃である。
【００３８】
次に、図２の場合（第二モード）について説明する。図２は、第一切替部２２及び第二切替部３２の各内部配管を、図１に実線で示す接続から図１に点線で示す接続に切り替えた状態を示す。
この場合、第一切替部２２は、第二ポート２２ｂと第三ポート２２ｃとを接続することによって、第二配管５０と第一上部開口部２３とを接続する。
また、第一切替部２２は、第一ポート２２ａと第四ポート２２ｄとを接続することによって、第一貯留部２１と第一下部開口部２４とを接続する。
また、第二切替部３２は、第一ポート３２ａと第三ポート３２ｃとを接続することによって、第二貯留部３１と第二上部開口部３３とを接続する。
また、第二切替部３２は、第二ポート３２ｂと第四ポート３２ｄとを接続することによって、第一配管４０と第二下部開口部３４とを接続する。
これにより、第一下部開口部２４において取水される地下水は、第一配管４０へ揚水され、第二上部開口部３３において取水される地下水は、第二配管５０へ揚水される。
このため、地中熱利用システム１０は、第一配管４０を介して、第一下部開口部２４から第二下部開口部３４へ向かって、下部帯水層ＬＹ２の地下水を送水できる。
また、地中熱利用システム１０は、第二配管５０を介して、第二上部開口部３３から第一上部開口部２３へ向かって、上部帯水層ＬＹ１の地下水を送水できる。
したがって、地中熱利用システム１０は、下部帯水層ＬＹ２の蓄熱（温熱又は冷熱）を第一熱交換器６０に供給でき、上部帯水層ＬＹ１の蓄熱（温熱又は冷熱）を第二熱交換器７０に供給できる。
さらに、地中熱利用システム１０は、第一熱交換器６０から得た熱（温熱又は冷熱）を下部帯水層ＬＹ２に蓄熱でき、第二熱交換器７０から得た熱（温熱又は冷熱）を上部帯水層ＬＹ１に蓄熱できる。
【００３９】
例えば、本実施形態の場合、地中熱利用システム１０は、上部帯水層ＬＹ１から取得した冷水を、第二上部開口部３３を介して第二熱交換器７０に供給することによって消費している。他方で、地中熱利用システム１０は、第二熱交換器７０において取得した温水を、第一上部開口部２３を介して上部帯水層ＬＹ１に供給することによって貯蓄している。
また、本実施形態の場合、地中熱利用システム１０は、下部帯水層ＬＹ２から取得した冷水を、第一下部開口部２４を介して第一熱交換器６０に供給することによって消費している。他方で、地中熱利用システム１０は、第一熱交換器６０において取得した温水を、第二下部開口部３４を介して下部帯水層ＬＹ２に供給することによって貯蓄している。
【００４０】
（作用及び効果）
本実施形態の地中熱利用システム１０は、上部帯水層ＬＹ１の地下水と、下部帯水層ＬＹ２の地下水とを別々に送水可能であるため、上部帯水層ＬＹ１の地下水と下部帯水層ＬＹ２の地下水とが混ざってしまうことを抑制できる。
したがって、本実施形態の地中熱利用システム１０では、上部帯水層ＬＹ１及び下部帯水層ＬＹ２の利用に際し、井戸の閉塞が抑制される。
例えば、上部帯水層ＬＹ１の地下水が酸素リッチであって、下部帯水層ＬＹ２の地下水が鉄分リッチである場合、上部帯水層ＬＹ１の地下水と下部帯水層ＬＹ２の地下水との両地下水が混ざると、酸化鉄が生成され、各井戸の開口部のストレーナーが閉塞されてしまう。
これに対し、本実施形態の地中熱利用システム１０は、両地下水が混合しにくい構造であるため、上部帯水層ＬＹ１及び下部帯水層ＬＹ２の利用に際し、井戸の閉塞を抑制することができる。
【００４１】
また、本実施形態の地中熱利用システム１０は、上部帯水層ＬＹ１及び下部帯水層ＬＹ２の各帯水層において、送水により貯蓄した熱を、逆に送ることができる。このため、送水により貯蓄した熱を利用することができる。
【００４２】
また、本実施形態の地中熱利用システム１０は、第一ポンプ２１ａによって、第一モードにおいて上部帯水層ＬＹ１の地下水を揚水できると共に、第二モードにおいて下部帯水層ＬＹ２の地下水を揚水できる。同様に、本実施形態の地中熱利用システム１０は、第二ポンプ３１ａによって、第二モードにおいて上部帯水層ＬＹ１の地下水を揚水できると共に、第一モードにおいて下部帯水層ＬＹ２の地下水を揚水できる。このため、各モードにわたって各ポンプを利用でき、各ポンプの利用効率を上げることができる。
【００４３】
また、本実施形態の地中熱利用システム１０は、上部帯水層ＬＹ１の地下水を揚水及び環水できると共に、下部帯水層ＬＹ２の地下水を揚水及び環水できる。
このため、１つの帯水層の地下水を揚水及び還水する地中熱利用システムに比べて、蓄熱容量を２倍とすることができる。
【００４４】
また、本実施形態の地中熱利用システム１０は、第一上部開口部２３と、第一下部開口部２４とは、上下に並んでおり、第二上部開口部３３と、第二下部開口部３４とは、上下に並んでいるため、敷地面積を有効に利用することができる。
特に、熱需要の高い高層ビルが密集する市街地では、大容量の熱源システムの実装が必要とされる一方で、敷地面積が限られているため、本実施形態の地中熱利用システム１０は有効である。
例えば、本実施形態の地中熱利用システム１０によれば、大都市域に共通した沖積平野に広く存在する地下水の熱利用ポテンシャルを生かした帯水層蓄熱利用が可能となる。
【００４５】
さらに、本実施形態の地中熱利用システム１０は、第一上部開口部２３から第二上部開口部３３へ向かって、上部帯水層ＬＹ１の地下水を送水させる一方、第二下部開口部３４から第一下部開口部２４へ向かって、下部帯水層ＬＹ２の地下水を送水させている。
すなわち、各井戸において一方の帯水層から揚水する一方で、他方の帯水層に環水している。
このため、本実施形態の地中熱利用システム１０は、地盤沈下や地盤上昇を抑制することができる。
【００４６】
＜第二実施形態＞
本発明に係る地中熱利用システムの第二実施形態について、図３〜図１０を参照して説明する。
第二実施形態の地中熱利用システム１００では、例えば、第一実施形態の地中熱利用システム１０において、さらに、夏期において、上部帯水層ＬＹ１及び下部帯水層ＬＹ２のうちの一方にのみ温水を貯蓄し、冬期において、上部帯水層ＬＹ１及び下部帯水層ＬＹ２のうちの他方にのみ冷水を貯蓄する。
ここで「温水」とは、各帯水層の地下水の初期地中温度より高い温度の水のことをいい、「冷水」とは、各帯水層の地下水の初期地中温度より低い温度の水のことをいう。本実施形態では、各帯水層の地下水の初期地中温度が１８℃であるものとして説明する。
なお、第二実施形態の地中熱利用システム１００が備える各構成要素は、特に言及する場合を除き、第一実施形態の地中熱利用システム１０が備える各構成要素と同様に構成され、同様に機能するので、重複する説明については省略する。
また、図３〜図６に示す温度は、各部分における（地下水を含む）冷媒の温度を示す。
さらに、図３〜図６に示す矢印は、各部分における（地下水を含む）冷媒の流れを示す。
【００４７】
本実施形態の地中熱利用システム１００では、夏期において、上部帯水層ＬＹ１に温水を貯蓄し、冬期において、下部帯水層ＬＹ２に冷水を貯蓄する。
【００４８】
（冬期運転開始時期）
図３に示すように、まず初期状態として、冬期運転開始時期において、地中熱利用システム１００により、地下には夏期に貯蓄された温水が上部帯水層ＬＹ１に貯蓄されている。
地中熱利用システム１００は、冬期の間、冬期モードとして、以下のように運転される。
【００４９】
図３に示すように、冬期モードでは、第一切替部２２は、第一貯留部２１と第一上部開口部２３とを接続し、第二配管５０と第一下部開口部２４とを接続する。
また、第二切替部３２は、第二貯留部３１と第二下部開口部３４とを接続し、第一配管４０と第二上部開口部３３とを接続する。
【００５０】
これにより、第一上部開口部２３において取水される地下水は、第一配管４０へ揚水される。
また、第二下部開口部３４において取水される地下水は、第二配管５０へ揚水される。
【００５１】
このため、冬期モードでは、地中熱利用システム１００は、第一配管４０を介して、第一上部開口部２３から第二上部開口部３３へ向かって、上部帯水層ＬＹ１の地下水を送水できる。
また、冬期モードでは、地中熱利用システム１００は、第二配管５０を介して、第二下部開口部３４から第一下部開口部２４へ向かって、下部帯水層ＬＹ２の地下水を送水できる。
【００５２】
したがって冬期の間、地中熱利用システム１００は、上部帯水層ＬＹ１の温水を、第一熱交換器６０に供給する。他方、地中熱利用システム１００は、第二熱交換器７０において取得した冷水を、下部帯水層ＬＹ２に貯蓄する。
本実施形態において、第一熱交換器６０の二次側と、第二熱交換器７０の二次側と、負荷Ｒとは、直列に接続されている、また、負荷Ｒに流れる冷媒は、第二熱交換器７０の二次側、第一熱交換器６０の二次側、負荷Ｒ、第二熱交換器７０の二次側、・・・の順に循環させている。
【００５３】
図３に示すように、地中熱利用システム１００は、第二熱交換器７０の下流に、第三熱交換器８０をさらに備えてもよい。第三熱交換器８０の一次側は、第二配管５０に接続され、第三熱交換器８０の二次側は、冷却塔ＣＴに接続されてもよい。その際、第三熱交換器８０は、一次側と二次側との間で熱交換可能である。
例えば、第三熱交換器８０の一次側は、第二熱交換器７０の一次側と直列に接続される。
これより、地中熱利用システム１００は、第二熱交換器７０で冷却した冷水を、第三熱交換器８０でさらに冷却して下部帯水層ＬＹ２に貯蓄することができる。
【００５４】
本実施形態では、地中熱利用システム１００は、上部帯水層ＬＹ１から２３℃で揚水した地下水を、上部帯水層ＬＹ１に１８℃に冷却して環水している。
他方、本実施形態では、地中熱利用システム１００は、下部帯水層ＬＹ２から１８℃で揚水した地下水を、１３℃未満に冷却して下部帯水層ＬＹ２に環水している。
【００５５】
（冬期運転終了時期）
冬期の間、地中熱利用システム１００が図３に示すように運転されることにより、冬期運転終了時期において、図４に示すように、上部帯水層ＬＹ１の温水がほぼ消費される一方で、下部帯水層ＬＹ２の広い範囲に亘り冷水が貯蓄される。
【００５６】
（夏期運転開始時期）
図５に示すように、夏期運転開始時期において、冬期に貯蓄された冷水が下部帯水層ＬＹ２に貯蓄されている。
地中熱利用システム１００は、夏期の間、夏期モードとして、以下のように運転される。
【００５７】
図５に示すように、冬期モードでは、まず、各配管と各井戸との間の接続が以下のように切り替えられる。
すなわち、第一配管４０の第一端４０ａが、第一切替部２２の第二ポート２２ｂに向かって送水可能に、第一切替部２２の第二ポート２２ｂに接続され、第一配管４０の第二端４０ｂが、第二ポンプ３１ａから第一配管４０へ揚水可能に第二ポンプ３１ａに接続される。
また、第二配管５０の第一端５０ａが、第二切替部３２の第二ポート３２ｂに向かって送水可能に、第二切替部３２の第二ポート３２ｂに接続され、第二配管５０の第二端５０ｂが、第一ポンプ２１ａから第二配管５０へ揚水可能に第一ポンプ２１ａに接続される。  なお、各井戸と第一配管４０との間の接続の切り替えは、各井戸外で行われてもよいし、各井戸内で行われてもよい。
同様に、各井戸に対する第二配管５０の接続の切り替えは、各井戸外で行われてもよいし、各井戸内で行われてもよい。
【００５８】
負荷Ｒに流れる冷媒の流れは、第一熱交換器６０の二次側、第二熱交換器７０の二次側、負荷Ｒ、第一熱交換器６０の二次側、・・・の順に循環するように、切り替えられる。
【００５９】
第一切替部２２は、第一貯留部２１と第一下部開口部２４とを接続し、第一配管４０（第一切替部２２の第二ポート２２ｂ）と第一上部開口部２３とを接続する。
第二切替部３２は、第二貯留部３１と第二上部開口部３３とを接続し、第二配管５０（第二切替部３２の第二ポート３２ｂ）と第二下部開口部３４とを接続する。
【００６０】
これにより、第一下部開口部２４において取水される地下水は、第二配管５０へ揚水される。
また、第二上部開口部３３において取水される地下水は、第一配管４０へ揚水される。
【００６１】
このため、夏期モードでは、地中熱利用システム１００は、第二配管５０を介して、第一下部開口部２４から第二下部開口部３４へ向かって、下部帯水層ＬＹ２の地下水を送水できる。
また、夏期モードでは、地中熱利用システム１００は、第一配管４０を介して、第二上部開口部３３から第一上部開口部２３へ向かって、上部帯水層ＬＹ１の地下水を送水できる。
【００６２】
したがって夏期の間、地中熱利用システム１００は、下部帯水層ＬＹ２の冷水を、第二熱交換器７０に供給する。他方、地中熱利用システム１００は、第一熱交換器６０において取得した温水を、上部帯水層ＬＹ１に貯蓄する。
なお、本実施形態では、夏期モードにおいて、第三熱交換器８０は、一次側と二次側との間で熱交換を行なわない。
【００６３】
本実施形態では、地中熱利用システム１００は、下部帯水層ＬＹ２から１３℃未満で揚水した地下水を、下部帯水層ＬＹ２に１８℃に冷却して環水している。
他方、本実施形態では、地中熱利用システム１００は、上部帯水層ＬＹ１から１８℃で揚水した地下水を、２３℃に加熱して上部帯水層ＬＹ１に環水している。
【００６４】
（夏期運転終了時期）
夏期の間、地中熱利用システム１００が図５に示すように運転されることにより、夏期運転終了時期において、図６に示すように、下部帯水層ＬＹ２の冷水がほぼ消費される一方で、上部帯水層ＬＹ１の広い範囲に亘り温水が貯蓄される。
その後再び、冬期運転開始時期になると、地中熱利用システム１００は、冬期モードに戻る。
【００６５】
（作用及び効果）
第一実施形態の作用及び効果に加え、本実施形態の地中熱利用システム１００は、以下の作用及び効果を有する。
本実施形態の地中熱利用システム１００は、夏期において、上部帯水層ＬＹ１に温水を貯蓄し、冬期において、下部帯水層ＬＹ２に冷水を貯蓄する。
すなわち、地中熱利用システム１００は、温水と冷水とを別の帯水層に貯蓄している。
このため、本実施形態の地中熱利用システム１００では、温水と冷水の注水域が重なりにくく、各帯水層の注水域を大きくすることができる。
さらに、ショートサーキットの発生が抑制され、地中熱利用システム１００は、蓄熱損失を抑制できる。
【００６６】
ここで、上部帯水層ＬＹ１及び下部帯水層ＬＹ２のいずれか一方しか利用しない地中熱利用システムを「Ｓ−ＡＴＥＳ」、図１及び図２に示す地中熱利用システム１０を「Ｗ−ＡＴＥＳ」、及び本実施形態の地中熱利用システム１００を「ＱＷ−ＡＴＥＳ」と呼ぶ。
ある期間の積算注水量をＶとし、Ｓ−ＡＴＥＳの期間注水半径をｒ（井戸間距離２×ｒ）とすると、Ｗ−ＡＴＥＳの蓄熱半径は√(１／２）＝０．７倍となる。このとき、図７及び図８に示すように、井戸間距離は１．４×ｒとなる。
これに対し、図７及び図９に示すように、ＱＷ−ＡＴＥＳでは期間注水半径はｒであるが、井戸間距離もｒでよい。
逆に井戸間距離を同一条件としたとき、Ｓ−ＡＴＥＳの場合に比べて、ＱＷ−ＡＴＥＳの場合、図１０に示すように、期間積算注水量Ｖは４倍になる。図１０において、ｓは、Ｓ−ＡＴＥＳの場合の期間積算注水量Ｖを示す。
なお、蓄熱半径ｒｔｈと期間注水半径ｒとは一致せず、期間注水半径ｒより蓄熱半径ｒｔｈのほうが小さくなる。
【００６７】
本実施形態の地中熱利用システム１００では、上部帯水層ＬＹ１に温水を貯蓄し、下部帯水層ＬＹ２に冷水を貯蓄しているが、変形例として、上部帯水層ＬＹ１に冷水を貯蓄し、下部帯水層ＬＹ２に温水を貯蓄してもよい。
【００６８】
＜切替部の例＞
上述の熱利用システムの各実施形態における第一切替部２２の各例を、図１１〜図２６に示す。以下、第一切替部２２の各例について説明するが、第二切替部３２についても同様な構成とすることができる。
【００６９】
例えば、第一切替部２２は、図１１〜図１４に示すように、リボルバー２２Ｒを備えてもよい。
リボルバー２２Ｒを、図１１に示す状態から、図１４に示す状態に９０°回転することにより、第一切替部２２は、流路を変えることができる。
【００７０】
例えば、第一切替部２２は、図１５〜図１８に示すように、複数の三方弁２２Ｔを備えてもよい。
三方弁２２Ｔを切り替えることにより、第一切替部２２は、流路を変えることができる。
なお、図１５は、第一切替部２２を正面から見た斜視図であり、図１８は、第一切替部２２を側面から見た斜視図である。
三方弁２２Ｔは、例えば、ボール弁であってもよい。
【００７１】
例えば、第一切替部２２は、図１９に示すように、複数の三方弁２２Ｔと複数の注水弁２２Ｐを備えてもよい。
三方弁２２Ｔと注水弁２２Ｐとを切り替えることにより、第一切替部２２は、流路を変えることができる。
他の例として、第一切替部２２は、図２０に示すような複数の注水弁２２Ｐの組み合わせや、図２１に示すような複数の三方弁２２Ｔと複数の注水弁２２Ｐとの組み合わせであってもよい。
【００７２】
例えば、第一切替部２２は、図２２に示すように、複数の四方弁２２Ｆと複数の注水弁２２Ｐを備えてもよい。
四方弁２２Ｆと注水弁２２Ｐとを切り替えることにより、第一切替部２２は、流路を変えることができる。
【００７３】
例えば、第一切替部２２は、図２３及び図２４に示すように、２つのスライド機構２２Ｓを備えてもよい。
スライド機構２２Ｓを、図２３に示す状態から、図２４に示す状態に切り替えることにより、第一切替部２２は、流路を変えることができる。
なお、第一切替部２２は、さらに注水弁２２Ｐを備えてもよい。
他の例として、図２５及び図２６に示すように、第一切替部２２は、２つのスライド機構２２Ｓが一体化された構成であってもよい。その際、図２５に示す状態から、図２６に示す状態に切り替えることにより、第一切替部２２は、流路を変えることができる。
【００７４】
＜地中熱利用システムの運転方法＞
地中熱利用システムの運転方法の実施形態を図２７に沿って説明する。
本運転方法は、上述の各実施形態の地中熱利用システムを用いて実行する。
【００７５】
まず、図２７に示すように、第一配管４０を介して、第一上部開口部２３から第二上部開口部３３へ向かって、上部帯水層ＬＹ１の地下水を送水させる（ＳＴ１:上部帯水層の地下水を送水させるステップ）。
ＳＴ１の実行と同時に、第二配管５０を介して、第二下部開口部３４から第一下部開口部２４へ向かって、下部帯水層ＬＹ２の地下水を送水させる（ＳＴ２:下部帯水層の地下水を送水させるステップ）。
【００７６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００７７】
１０  地中熱利用システム
２０  第一井戸
２０ａ  ケーシング
２１  第一貯留部
２１ａ  第一ポンプ
２２  第一切替部
２２ａ  第一ポート
２２ｂ  第二ポート
２２ｃ  第三ポート
２２ｄ  第四ポート
２２Ｆ  四方弁
２２Ｐ  注水弁
２２Ｒ  リボルバー
２２Ｓ  スライド機構
２２Ｔ  三方弁
２３  第一上部開口部
２３ａ  ストレーナー
２４  第一下部開口部
２４ａ  ストレーナー
３０  第二井戸
３０ａ  ケーシング
３１  第二貯留部
３１ａ  第二ポンプ
３２  第二切替部
３２ａ  第一ポート
３２ｂ  第二ポート
３２ｃ  第三ポート
３２ｄ  第四ポート
３３  第二上部開口部
３３ａ  ストレーナー
３４  第二下部開口部
３４ａ  ストレーナー
４０  第一配管
４０ａ  第一端
４０ｂ  第二端
５０  第二配管
５０ａ  第一端
５０ｂ  第二端
６０  第一熱交換器
６０ａ  一次側配管
６０ｂ  二次側配管
７０  第二熱交換器
７０ａ  一次側配管
７０ｂ  二次側配管
８０  第三熱交換器
１００  地中熱利用システム
ＣＴ  冷却塔
ＨＯＬ１  掘削孔
ＨＯＬ２  掘削孔
ＬＹ１  上部帯水層
ＬＹ２  下部帯水層
ＬＹｍ  洪積粘土層
ＰＫ  パッキング
Ｒ  負荷
ＳＧ  地表
【図１】
2020026933.tif 000003
【図２】
2020026933.tif 000004
【図３】
2020026933.tif 000005
【図４】
2020026933.tif 000006
【図５】
2020026933.tif 000007
【図６】
2020026933.tif 000008
【図７】
2020026933.tif 000009
【図８】
2020026933.tif 000010
【図９】
2020026933.tif 000011
【図１０】
2020026933.tif 000012
【図１１】
2020026933.tif 000013
【図１２】
2020026933.tif 000014
【図１３】
2020026933.tif 000015
【図１４】
2020026933.tif 000016
【図１５】
2020026933.tif 000017
【図１６】
2020026933.tif 000018
【図１７】
2020026933.tif 000019
【図１８】
2020026933.tif 000020
【図１９】
2020026933.tif 000021
【図２０】
2020026933.tif 000022
【図２１】
2020026933.tif 000023
【図２２】
2020026933.tif 000024
【図２３】
2020026933.tif 000025
【図２４】
2020026933.tif 000026
【図２５】
2020026933.tif 000027
【図２６】
2020026933.tif 000028
【図２７】
2020026933.tif 000029