(57)【要約】【課題】螺旋状の曲げ加工を要することなく、熱交換効率を高めることができる地中熱交換構造を提供することを目的とする。【解決手段】地盤に形成された縦孔に挿入され、並列配置された上下に延在する直管、前記直管の流入口をそれぞれ連通させる上部接続部、及び前記直管の流出口をそれぞれ連通させる下部接続部を備えた採熱管と、前記採熱管の前記上部接続部に接続され地上から熱媒体を前記採熱管へ送る送り管と、前記採熱管の前記下部接続部に接続され前記採熱管からの熱媒体を地上へ戻す戻り管と、を有する地中熱交換機構。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤に形成された縦孔に挿入され、並列配置された上下に延在する直管、前記直管の流入口をそれぞれ連通させる上部接続部、及び前記直管の流出口をそれぞれ連通させる下部接続部を備えた採熱管と、
前記採熱管の前記上部接続部に接続され地上から熱媒体を前記採熱管へ送る送り管と、
前記採熱管の前記下部接続部に接続され前記採熱管からの熱媒体を地上へ戻す戻り管と、
を有する地中熱交換機構。
【請求項２】
地盤に形成された縦孔に挿入され、上下に直管が複数回折り返して形成された採熱管と、
前記採熱管の流入口に接続され地上から熱媒体を前記採熱管へ送る送り管と、
前記採熱管の流出口に接続され地上へ熱媒体を前記採熱管から戻す戻り管と、
を有する地中熱交換機構。
【請求項３】
前記採熱管は、地盤中の帯水層に位置している請求項１又は請求項２に記載の地中熱交換機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱を利用する地中熱交換機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換パイプを螺旋状に形成し、単位鉛直長さ当りの熱交換量を大きくした地中熱交換構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−００５９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような地中熱交換構造では、熱交換パイプを螺旋状に曲げ加工する必要が生ずる。
【０００５】
また、熱交換パイプを硬質の部材で構成した場合、曲げ難く大径となりがちである。この場合、縦孔の削孔径を大きくする必要が生ずる。
【０００６】
本発明は、螺旋状の曲げ加工を要することなく、削孔径を増大させず、熱交換効率を高めることができる地中熱交換構造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】
態様１は、地盤に形成された縦孔に挿入され、並列配置された上下に延在する直管、前記直管の流入口をそれぞれ連通させる上部接続部、及び前記直管の流出口をそれぞれ連通させる下部接続部を備えた採熱管と、前記採熱管の前記上部接続部に接続され地上から熱媒体を前記採熱管へ送る送り管と、前記採熱管の前記下部接続部に接続され前記採熱管からの熱媒体を地上へ戻す戻り管と、を有する地中熱交換機構である。
【０００８】
すなわち、地盤に形成された縦孔に挿入された採熱管が、並列配置された上下に延在する直管、直管の流入口をそれぞれ連通させる上部接続部、及び直管の流出口をそれぞれ連通させる下部接続部で形成されている。このため、地盤中の地中熱と熱交換される表面積が増えるので、熱交換量が増加する。
【０００９】
また、直管を並列配置し、直管の流入口を上部接続部で連通させ、直管の流出口を下部接続部で連通させる構成とすることで、採熱管を螺旋状に曲げ加工する構成と比較して、製造が容易である。
【００１０】
態様２は、地盤に形成された縦孔に挿入され、上下に直管が複数回折り返して形成された採熱管と、前記採熱管の流入口に接続され地上から熱媒体を前記採熱管へ送る送り管と、前記採熱管の流出口に接続され地上へ熱媒体を前記採熱管から戻す戻り管と、を有する地中熱交換機構である。
【００１１】
すなわち、地盤に形成された縦孔に挿入される採熱管は、上下に直管を複数回折り返すようにして形成されている。このため、地盤中の地中熱と熱交換される表面積が増えるので、熱交換量が増加する。
【００１２】
また、直管を上下に複数回折り返す採熱管とすることで、採熱管を螺旋状に曲げ加工する構成と比較して、製造が容易である。
【００１３】
態様３は、前記採熱管は、地盤中の帯水層に位置している態様１又は態様２に記載の地中熱交換機構である。
【００１４】
すなわち、帯水層に採熱管を配置することで、地中熱との熱交効率が向上する。
【発明の効果】
【００１５】
本態様によれば、螺旋状の曲げ加工を要することなく、削孔径を増大させず、熱交換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係る熱交換機構を説明するための模式図である。
【図２】第１実施形態の採熱管を示す側面図である。
【図３】第１実施形態の採熱管を示す要部の横断面である。
【図４】第１実施形態のＵ字継手を示す図であり、（Ａ）はＵ字継手の平面図であり、（Ｂ）はＵ字継手の側面図である。
【図５】第１実施形態に係る熱交換機構、シングル管、ダブル管の熱交換効率を解析した解析結果を示すグラフである。
【図６】第２実施形態の採熱管を示す側面図である。
【図７】第２実施形態の採熱管を示す要部の横断面図である。
【図８】第３実施形態の採熱管を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜第１実施形態＞
以下、第１実施形態を図面に従って説明する。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る熱交換機構１０を示す図であり、熱交換機構１０は、帯水層と難透水層とが層状に重なる地盤１２に穿孔された縦孔１４に配置されている。縦孔１４は、第一難透水層１６と、第一帯水層１８と、第二難透水層２０と、第二帯水層２２を貫通するとともに、第三難透水層２４に達している。
【００１９】
ここで、帯水層とは、砂や礫等を含んで形成された透水性の地層が地下水を含んだ状態の地層のことを指し、難透水層とは、粘性土や固結岩盤等によって形成され、帯水層に比べて透水性の劣る地層のことを指す。帯水層の地下水は滞留していてもよいが、流れがあるほうがより好ましい。
【００２０】
（熱交換機構）
熱交換機構１０は、地上２６から供給された熱媒体２８が地中を通して帰還する際に、熱媒体２８と地盤１２との間で熱交換するものであり、地中熱の利用を可能とする。熱媒体２８としては、一例として水が用いられる。
【００２１】
なお、本実施形態では、熱媒体２８として水を用いる場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではない。例えば寒冷地などでは、熱媒体２８として不凍液などを用いてもよい。
【００２２】
熱交換機構１０は、樹脂製のパイプで構成されている。熱交換機構１０を構成するパイプは、ポリエチレン（ＰＥ）で構成されており、ポリ塩化ビニルを用いる場合と比較して、耐久性が高められている。
【００２３】
なお、本実施形態では、熱交換機構１０を構成するパイプをポリエチレン（ＰＥ）で構成した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではない。例えば、熱交換機構１０を構成するパイプを金属等で構成してもよい。
【００２４】
熱交換機構１０は、地上２６から熱媒体２８を送る送り管３０と、送り管３０より熱媒体２８が供給される第一採熱管３２とを備えている。また、熱交換機構１０は、第一採熱管３２から熱媒体２８を送出する送出管３４と、送出管３４より熱媒体２８が供給される第二採熱管３６と、第二採熱管３６からの熱媒体２８を地上２６へ戻す戻り管３８とを備えている。
【００２５】
送り管３０の内径寸法、送出管３４の内径寸法、及び戻り管３８の内径寸法は、同寸法に設定されているが、これに限定されるものでは無く、各管３０、３４、３８の内径寸法を異なる寸法としてもよい。
【００２６】
（採熱管）
各採熱管３２、３６は、図２に示すように（第二採熱管３６を図示）、並列配置された上下に延在する直管４０と、各直管４０の流入口４０Ａをそれぞれ連通させる上部接続部４２と、各直管４０の流出口４０Ｂをそれぞれ連通させる下部接続部４４とを備えている。
【００２７】
各採熱管３２、３６は、図２及び図３に示すように（第二採熱管３６を図示）、上下に延在する八本の直管４０を備えており、各直管４０は、等間隔をおいて円形に配置されている。各直管４０の上端は、前述した流入口４０Ａを構成し、各流入口４０Ａは、例えば継手を介して上部接続部４２に接続されている。各直管４０の下端は、前述した流出口４０Ｂを構成し、各流出口４０Ｂは、例えば継手を介して下部接続部４４に接続されている。これにより、各直管４０は並列接続されている。
【００２８】
上部接続部４２は、円形リング状に形成されたパイプで構成されており、下部接続部４４も、円形リング状に形成されたパイプで構成されている。
【００２９】
直管４０の内径寸法、上部接続部４２の内径寸法、及び下部接続部４４の内径寸法は、送り管３０の内径寸法、送出管３４の内径寸法、及び戻り管３８の内径寸法と同寸法に設定されている。しかし、これに限定されるものでは無く、各管４０、４２、４４、３０、３４、３８の内径寸法を、異なる寸法としてもよい。
【００３０】
そして、各採熱管３２、３６は、複数の直管４０で構成されているが、従来の熱交換パイプの配置が可能な縦孔１４の削孔径を増大することなく、本実施形態の熱交換機構１０を配置することができる。
【００３１】
（第一採熱管）
図１に示したように、第一採熱管３２における上部接続部４２の上面からは、例えば接続パイプが延出しており、この接続パイプには、例えば継手を介して送り管３０が接続されている。また、第一採熱管３２における下部接続部４４の下面からは、例えば接続パイプが延出しており、この接続パイプには、例えば継手を介して送出管３４が接続されている。
【００３２】
（第二採熱管）
図２に示したように、第二採熱管３６における上部接続部４２の上面からは、例えば接続パイプが延出しており、この接続パイプには、例えば継手を介して送出管３４が接続されている。また、第二採熱管３６における下部接続部４４の下面からは、図２に示したように、接続パイプ４４Ａが延出しており、この接続パイプ４４Ａは、Ｕ字継手４６を介して戻り管３８に接続されている。
【００３３】
各接続パイプ４４Ａの内径寸法は、直管４０の内径寸法、上部接続部４２の内径寸法、下部接続部４４の内径寸法、送り管３０の内径寸法、送出管３４の内径寸法、及び戻り管３８の内径寸法と同寸法に設定されている。しかし、これに限定されるものでは無く、各管４０、４２、４４、３０、３４、３８の内径寸法を異なる寸法としてもよい。
【００３４】
（Ｕ字継手）
Ｕ字継手４６は、図４に示すように、側面視で五角形状に形成されており、上面４６Ａには、第二採熱管３６の下部接続部４４より延出した接続パイプ４４Ａが挿入されて接続される第一接続穴４６Ｂが形成されている。また、Ｕ字継手４６の上面４６Ａには、戻り管３８が挿入されて接続される第二接続穴４６Ｃが形成されており、第一接続穴４６Ｂ及び第二接続穴４６Ｃは、連通穴４６Ｄを介して連通している。
【００３５】
これにより、図１に示したように、地上２６から送り管３０に送られた熱媒体２８は、第一採熱管３２、送出管３４、及び第二採熱管３６を経由して、戻り管３８により地上２６へ戻される。
【００３６】
この熱交換機構１０では、第一採熱管３２が第一帯水層１８に配置されており、第二採熱管３６が第二帯水層２２に配置されている。
【００３７】
熱交換機構１０と縦孔１４の内壁との間には、充填材として珪砂５０が充填されている。すなわち、熱交換機構１０は、砂杭（サンドパイル）の内部に埋設された構成となっている。これにより、各帯水層１８、２２の地下水は、珪砂５０の間の隙間に浸透し、各採熱管３２、３６に直接接触する。
【００３８】
縦孔１４の内部で第一帯水層１８と第二帯水層２２とに挟まれた第二難透水層２０の部分には、縦孔１４を塞ぐ止水材としてのセメント層５２が設けられている。これにより、一方の帯水層１８、２２の地下水が縦孔１４を介して他方の帯水層１８、２２に流れ込むことを抑制する。
【００３９】
なお、本実施形態では、止水材としてセメント層５２を用いている場合について説明するが、これに限定されるものではない。縦孔１４を塞ぐ止水材として、例えば粘性土や不透水シートなどを用いてもよい。
【００４０】
あるいは、充填材としてセメントを用いることで、充填材に止水材としての機能を兼用させてもよい。この場合、各帯水層１８、２２の地下水は、各採熱管３２、３６に直接接触することができないが、硬化したセメントの熱伝導により熱交換することができる。
【００４１】
（作用・効果）
以上の構成に係る本実施形態の作用を説明する。
【００４２】
地盤１２の縦孔１４に挿入された各採熱管３２、３６が、並列配置された上下に延在する直管４０、各直管４０の流入口４０Ａをそれぞれ連通させる上部接続部４２、及び各直管４０の流出口４０Ｂをそれぞれ連通させる下部接続部４４で形成されている。このため、地盤１２中の地中熱と熱交換される表面積が増えるので、単位鉛直長さ当たりの熱交換量が増加する。
【００４３】
また、各直管４０を並列配置し、各直管４０の流入口４０Ａを上部接続部４２で連通させるとともに、各直管４０の流出口４０Ｂを下部接続部４４で連通させる構成とすることで、採熱管を螺旋状に曲げ加工する構成と比較して、製造が容易である。
【００４４】
したがって、螺旋状の曲げ加工を要することなく、削孔径を増大させず、熱交換効率を高めることができる。
【００４５】
また、各採熱管３２、３６は、地盤１２中の各帯水層１８、２２に位置している。このように、各帯水層１８、２２に各採熱管３２、３６を配置することで、地中熱との熱交換効率が向上する。
【００４６】
また、各採熱管３２、３６を構成する直管４０の内径寸法は、送り管３０、送出管３４、及び戻り管３８の内径寸法と同寸法に設定されている。このため、送り管３０を通流する熱媒体２８は、各帯水層１８、２２に設けられた各採熱管３２、３６において、並列接続された複数の直管４０に分散され、流速が低下する。これにより、熱媒体２８は、各帯水層１８、２２での熱交換時間が長くなり、熱交換効率をさらに高めることができる。
【００４７】
特に本実施形態では、熱交換機構１０を構成する各接続パイプ４４Ａ及び各管３０、３４、３８、４０の内径寸法を同寸法としたため、この効果は顕著となる。
【００４８】
そして、第二採熱管３６の複数の直管４０より集められた熱媒体２８は、戻り管３８において流速が高められる。これにより、戻り管３８で戻される熱媒体２８は、各帯水層１８、２２を通過する際の通過時間を短くすることができる。
【００４９】
このため、各採熱管３２、３６によって各帯水層１８、２２に移動された熱が戻り管３８の熱媒体２８に与える影響を抑制することができる。
【００５０】
特に、本実施形態では、戻り管３８を囲むように各採熱管３２、３６の直管４０が配置されている。これにより、各採熱管３２、３６によって各帯水層１８、２２に移動された熱が戻り管３８内の熱媒体２８に与える影響をさらに抑制することができる。
【００５１】
このように熱交換効率を高めることができるので、埋設用の縦孔１４を浅くすることができる。
【００５２】
また、採熱管の曲げ加工することなく熱交換効率を高めることができるので、熱交換機構１０の大径化を抑制し、削孔機の大型化、工数の増大、及び工期の長期化を抑制することができる。
【００５３】
さらに、採熱管の曲げ加工が不要なので、各採熱管３２、３６を硬質な材料で形成することができ、耐久性を高めることができる。
【００５４】
（解析結果）
図５は、解析結果を示すグラフである。図５において実線で示されるグラフは本実施形態の熱交換機構１０における地表面深さと熱媒体温度との関係を示している。
【００５５】
一点鎖線で示されたグラフは、シングル管６０による地表面深さと熱媒体温度との関係を示している。このシングル管６０は、各採熱管３２、３６を備えず、直管で構成された送り管３０の先端部が地中でＵターンして直管で構成された戻り管３８に接続されている。
【００５６】
二点鎖線で示されたグラフは、ダブル管６２による地表面深さと熱媒体温度との関係を示している。このダブル管６２は、地中に埋設された二本のシングル管が並列接続されて構成されている。
【００５７】
図５に示された通り、本実施形態の熱交換機構１０、ダブル管６２、シングル管６０における熱媒体の地表面と、孔底（ＧＬ−５０ｍ）の温度差の絶対値は、それぞれ約９℃、約３．５℃、約２．５℃であった。
【００５８】
これにより、本実施形態の熱交換機構１０における熱交換効率が高いことが分かる。
【００５９】
＜第２実施形態＞
図６及び図７は、第２実施形態に係る熱交換機構１０を示す図であり、第１実施形態と同一又は同等部分に付いては同符号を付して説明を割愛するとともに、異なる部分に付いてのみ説明する。
【００６０】
本実施形態は、第１実施形態と比較して、各採熱管３２、３６の構成が異なり、本実施形態に係る各採熱管３２、３６は、図６に示すように（第二採熱管３６を図示）、直管が上下に複数回折り返して形状に形成されている。
【００６１】
（採熱管）
具体的に説明すると、各採熱管３２、３６は、図６及び図７に示すように、上下に延在する第一直管７０から第八直管８４を備えており、各直管７０〜８４は、等間隔をおいて円形に配置されている。第一直管７０の上端は、流入口７０Ａを構成し、例えば継手及び接続管を介して、送り管３０又は送出管３４に接続されている。
【００６２】
第一直管７０の下端は、流出口７０Ｂを構成し、この流出口７０Ｂは、Ｕ字継手４６を介して第二直管７２の下端が構成する流入口７２Ａに接続されている。第二直管７２の上端は、流出口７２Ｂを構成し、この流出口７２Ｂは、Ｕ字継手４６を介して第三直管７４の上端が構成する流入口７４Ａに接続されている。
【００６３】
これと同様の構成によって第三直管７４から第八直管８４も上下に折り返しながら順次接続されており、第二採熱管３６において第八直管８４の上端が構成する流出口８４Ｂは、例えば継手を介して戻り管３８に接続されている。そして、隣接する直管７０〜８４同士を連結するＵ字継手４６は、互いに干渉する場合には互いの干渉を避けるために、異なる高さ位置に設定されている。
【００６４】
なお、第一採熱管３２において第八直管８４の流出口８４Ｂは、例えば継手を介して送出管３４に接続される。
【００６５】
これにより、地上２６から送り管３０に送られた熱媒体２８は、第一採熱管３２、送出管３４、及び第二採熱管３６を経由して、戻り管３８により地上２６へ戻される。
【００６６】
（作用・効果）
以上の構成に係る本実施形態の作用を説明する。
【００６７】
地盤１２に形成された縦孔１４に挿入される各採熱管３２、３６は、直管を上下に複数回折り返すようにして形成されている。このため、地盤１２中の地中熱と熱交換される表面積が増えるので、単位鉛直長さ当たりの熱交換量が増加する。
【００６８】
また、直管を上下に複数回折り返す各採熱管３２、３６とすることで、採熱管を螺旋状に曲げ加工する構成と比較して、製造が容易である。
【００６９】
したがって、螺旋状の曲げ加工を要することなく、熱交換効率を高めることができ、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００７０】
また、各採熱管３２、３６は、地盤１２中の各帯水層１８、２２に位置している。このように、各帯水層１８、２２に各採熱管３２、３６を配置することで、地中熱との熱交換効率が向上する。
【００７１】
そして、本実施形態では、比較例として前述したように二本のシングル管が並列接続されたダブル管６２より、往路の地盤と接する表面積が大きいので、熱交換効率が高い。
【００７２】
＜第３実施形態＞
図８は、第３実施形態に係る熱交換機構１０を示す図であり、第１実施形態と同一又は同等部分に付いては同符号を付して説明を割愛するとともに、異なる部分に付いてのみ説明する。
【００７３】
本実施形態では、第一熱交換機構１０Ａ及び第二熱交換機構１０Ｂが縦孔１４内に配置されている。各熱交換機構１０Ａ，１０Ｂの各採熱管３２、３６は、並列配置された上下に延在する直管４０と、各直管４０の流入口４０Ａをそれぞれ連通させる上部接続部４２と、各直管４０の流出口４０Ｂをそれぞれ連通させる下部接続部４４（図示省略）とを備えている。
【００７４】
各採熱管３２、３６は、上下に延在する四本の直管４０を備えており、各直管４０は、等間隔をおいて半円形状に配置されている。各直管４０の上端は、前述した流入口４０Ａを構成し、各流入口４０Ａは、例えば継手を介して上部接続部４２に接続されている。各直管４０の下端は、前述した流出口４０Ｂを構成し、各流出口４０Ｂは、例えば継手を介して下部接続部４４に接続されている。これにより、各直管４０は並列接続されている。
【００７５】
上部接続部４２は、半円形状に形成されたパイプで構成されており、下部接続部４４も、半円形状に形成されたパイプで構成されている。上部接続部４２は、送り管３０又は送出管３４に接続されており、下部接続部４４は、送出管３４又は戻り管３８に接続されている。
【００７６】
これにより、地上２６から両熱交換機構１０Ａ、１０Ｂの送り管３０に送られた熱媒体２８は、第一採熱管３２、送出管３４、及び第二採熱管３６を経由して、戻り管３８により地上２６へ戻される。
【００７７】
このような構成であっても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００７８】
なお、本実施形態では、縦孔１４に第一熱交換機構１０Ａ及び第二熱交換機構１０Ｂを配置した場合について説明したが、これに限定されるものでない。さらに複数の熱交換機構を縦孔１４に配置してもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１０   熱交換機構
１０Ａ 第一熱交換機構
１０Ｂ 第二熱交換機構
１２   地盤
１４   縦孔
１８   第一帯水層
２２   第二帯水層
２６   地上
２８   熱媒体
３０   送り管
３２   第一採熱管
３６   第二採熱管
３８   戻り管
４０   直管
４０Ａ 流入口
４０Ｂ 流出口
４２   上部接続部
４４   下部接続部
７０   第一直管
７０Ａ 流入口
７０Ｂ 流出口
７２   第二直管
７２Ａ 流入口
７２Ｂ 流出口
７４   第三直管
７４Ａ 流入口
【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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