(57)【要約】【課題】      配管を略水平埋設する地中熱交換構造であって、地下に埋設した貯留水槽を用いなくても熱交換率が高く、設置費用が削減された水平埋設式地中熱交換構造、及びそれを用いたヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】  地中に形成された地表から所定の位置から、所定の深さ及び所定の広さを有する領域で、当該領域の底部及び底部端部から上方に続く端面を連続して覆う遮水シートが敷設されている熱交換領域に、少なくとも１つの流体路が、その長手方向が略水平になるように埋設されている水平埋設式地中熱交換構造とその製造方法、及びそれを用いたヒートポンプシステム。【選択図】    図３
2014115025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に形成された地表から所定の位置から、所定の深さ及び所定の広さを有する領域で、当該領域の底部及び底部端部から上方に続く端面を連続して覆う遮水シートが敷設されている熱交換領域に、少なくとも１つの流体路が、その長手方向が略水平になるように埋設されている水平埋設式地中熱交換構造。
【請求項２】
前記領域が、平面視方形の底部を有する形状または該平面視方形の底部を複数連結させた形状であることを特徴とする請求項１に記載の水平埋設式地中熱交換構造。
【請求項３】
前記流体路が樹脂製管であることを特徴とする請求項１または２に記載の水平埋設式地中熱交換構造。
【請求項４】
前記流体路が、熱交換領域に、掘削土、砂質土、礫質土、有機質土、砂利及び砕石から選ばれた少なくとも１種を含む材料で構成されている土質材料で埋設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水平埋設式地中熱交換構造。
【請求項５】
前記流体路が、ヘッダーに接続された複数の管によって構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水平埋設式地中熱交換構造。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の水平埋設式地中熱交換構造を地中熱交換装置として有する地中熱利用ヒートポンプシステム。
【請求項７】
所定の深さに掘削した平面視略方形の堀において、地表から所定の位置から所定の深さ及び所定の広さを有する領域で、当該領域の底部及びその端部から上方に伸びる端面を該地表から所定の位置まで、遮水シートで覆い、該領域内に少なくとも１つの流体路を略水平に埋設して、当該領域を土質材料で埋め戻す水平埋設式地中熱交換構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平埋設式地中熱交換構造およびそれを用いたヒートポンプシステムに関する。さらに詳しくは遮水シートを用いる水平埋設式地中熱交換構造およびそれを用いたヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地中の温度は、年間を通して１０〜１５℃とほぼ一定であり、外気温度に比べると、夏は低く、冬は高くなっている。従って、外気との温度差を利用するために地中に熱交換器を埋設して地中熱を採熱し、熱源として利用することが行われており、この地中熱利用システムに関しては種々の提案がなされている。
【０００３】
この地中熱利用の技術は、地中においてほぼ一定である地中熱を利用して熱交換を行うもので、冬には高温エネルギーとして暖房用熱源または融雪用熱源等のために、地中熱を採熱し利用することができる。また、夏には低温エネルギーとして冷房用熱源等のために、地中熱を利用することができる。地中熱は大気よりも温度が安定しているので効率的な熱源であり、かつ二酸化炭素の発生の少ない熱源であるので、省エネルギーで地球環境に優しいシステムとして地中熱利用システムの普及が期待されている。
【０００４】
このような地中熱利用システムとして、地熱を利用した融雪システムが提案されている（特許文献１）。また、地中熱利用システムとして、多くの地中熱利用ヒートポンプシステムが提案されている（例えば特許文献２及び３参照）。このような地中熱利用ヒートポンプシステムは、人工的な熱源を必要としないので、自然エネルギー利用の１つとして、都市部のヒートアイランド抑制対策や、寒冷地における暖房装置として注目されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１及び２において提案されているような地中熱利用ヒートポンプシステムにおいては、地中熱との熱交換のため、地中に杭を打ち込む必要がある。地中熱を効率よく利用するためには、杭の表面積を稼ぐ必要があることから、地中深く、例えば５０〜１００ｍの深さまでの穴を掘り、その穴内に下端がＵ字形に形成されたパイプ（Ｕチューブ）を挿入し埋設する垂直ループ方式の垂直埋設式地中熱交換器が採用されているので、設置工事費が高価になるという問題があった。
【０００６】
そこで縦穴の掘削コストを削減するため、パイプの垂直埋設式地中熱交換器の代わりに、地表から比較的浅い位置でパイプを略水平に埋設する水平埋設式地中熱交換器が提案されている（例えば、特許文献４及び５参照）。しかしながら、水平埋設式地中熱交換器は、掘削コストを削減できても、地表から比較的浅い位置でパイプを略水平に埋設するため、地中温度が安定せず効率的な熱交換が難しい。特許文献４のように地面と地中熱交換器の間に水分維持部材を設けても熱交換率が低く、ある程度の管路の長さを必要とし、パイプ形状を連続Ｕ字状、円環状、連続ループ状、スパイラル状などにしてもなお広い敷地が必要になるという問題があった。
【０００７】
また、地下に埋設した貯留水槽を蓄熱槽とし、該貯留水槽を介して地中熱を利用する地中熱利用冷暖房システムも提案されている（特許文献６）。しかしながら、この提案では貯留水槽を地中に設置する必要があるので、設置工事費が高価になるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１０１３７８号公報
【特許文献２】特開平１１−１８２９４３号公報
【特許文献３】特開２００７−３１５７４２号公報
【特許文献４】特開２０１２−１４１１１９号公報
【特許文献５】特開２００６−２２０４０２号公報
【特許文献６】特開２００７−２９２４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、配管を略水平埋設する地中熱交換構造であって、従来公知の水平埋設式地中熱交換器よりも熱交換率が高く、設置費用が削減できる水平埋設式地中熱交換構造を提供する。
本発明は、地下に埋設した貯留水槽を用いなくても熱交換率が高いので、敷地面積の狭い場所でも熱交換量を確保して設置できる水平埋設式地中熱交換構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、地中に形成された地表から所定の位置から、所定の深さ及び所定の広さを有する領域で、当該領域の底部及び底部端部から上方に続く端面を連続して覆う遮水シートが敷設されている熱交換領域に、少なくとも１つの流体路が、その長手方向が略水平になるように埋設されている水平埋設式地中熱交換構造を提供する。
【００１１】
前記領域が、平面視方形の底部を有する形状または該平面視方形の底部を複数連結させた形状である前記した水平埋設式地中熱交換構造は本発明の好ましい態様である。
【００１２】
前記流体路が、熱交換領域に、掘削土、砂質土、礫質土、有機質土、砂利及び砕石から選ばれた少なくとも１種を含む材料で構成されている土質材料で埋設されている前記した水平埋設式地中熱交換構造は本発明の好ましい態様である。
【００１３】
前記流体路が、ヘッダーに接続された複数の管によって構成されている前記した水平埋設式地中熱交換構造は本発明の好ましい態様である。
【００１４】
本発明は、また前記した水平埋設式地中熱交換構造を地中熱交換装置として有する地中熱利用ヒートポンプシステムを提供する。
【００１５】
本発明はまた、所定の深さに掘削した平面視略方形の堀において、地表から所定の位置から所定の深さ及び所定の広さを有する領域で、当該領域の底部及びその端部から上方に伸びる端面を該地表から所定の位置まで、遮水シートで覆い、該領域内に少なくとも１つの流体路を略水平に埋設して、当該領域を土質材料で埋め戻す水平埋設式地中熱交換構造の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により提供される水平埋設式地中熱交換構造は、地中に浸透する雨水を貯留することができるので、水分がさらに地中に浸透して土中の水分は低下することもなく、かつ蒸発によって土中の水分は低下することもないので、熱交換領域の土質材料が常に水分を保持できるため高い地中率熱交換率を維持ですることができる。しかも設置のための高い施工コストを要することなく水平埋設式地中熱交換構造を提供できるものである。
本発明により、従来公知の水平埋設式地中熱交換器よりも熱交換率が高く、設置費用が削減できる水平埋設式地中熱交換構造が提供される。
本発明により、地下に埋設した貯留水槽を用いなくても熱交換率が高いので、敷地面積の狭い場所でも熱交換量を確保して設置できるので、設置のための施工コスト（設置費用）の削減が期待される水平埋設式地中熱交換構造が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】地面を掘削して形成した掘削溝に遮水シートを敷設する様子を示す概略図である。
【図２】本発明の熱交換領域に流体路用が敷設されている様子を示す概略図である。
【図３】図２に示された地中熱交換構造の断面概略図である。
【図４】本発明の地中熱交換構造の他の例を示す断面概略図である。
【図５】本発明の流体路用に用いるヘッダーの例を示す概略図である。
【図６】ヘッダーに接続された流体路用を用いた地中熱交換構造の例を示す概略図である。
【図７】ヘッダーに接続された流体路用を用いた地中熱交換構造の他の例を示す概略図である。
【図８】本発明の水平埋設式地中熱交換構造を用いたヒートポンプの例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、地中に形成された地表から所定の位置から、所定の深さ及び所定の広さを有する領域で、当該領域の底部及び底部端部から上方に続く端面を連続して覆う遮水シートが敷設されている熱交換領域に、少なくとも１つの流体路が、その長手方向が略水平になるように埋設されている水平埋設式地中熱交換構造及びその製造方法を提供するものである。
【００１９】
本発明はまた、水平埋設式地中熱交換構造の製造方法及び当該水平埋設式地中熱交換構造を地中熱交換装置として有する地中熱利用ヒートポンプシステムをも提供する。
【００２０】
本発明の水平埋設式地中熱交換構造における熱交換領域は、地中に掘削された、地表から所定の位置が、例えば０．２〜１０ｍ、好ましくは０．３〜５ｍで、その位置から所定の深さで所定の広さで設定される。熱交換領域は、水平埋設式地中熱交換構造を設置する敷地の広さや地形等で適宜選択されるものである。例えば底部の長さは、１ｍ程度から数百ｍ程度に及ぶものもある。底部の幅も必要に応じて選択できる。このような領域はバックホー等建設機械で掘ることにより形成することができる。本発明の熱交換領域は、長手方向に対して直交する方向（幅方向）の鉛直平面で切断した断面が、底部側より上方（地表部側）が広がった台形形状となっていてもよい。
【００２１】
本発明の熱交換領域は、その底部の形状には特に制限はないが、平面視略方形をしているものが掘削、流体路の敷設における作業性の観点から好ましい。熱交換領域は、設置される地面の状況によって、底部形状が平面視略方形の領域を複数個連ねて熱交換領域とすることができる。領域を複数個連ねる態様として、例えば底部形状が長方形のものを、Ｌ字形、コの字形、Ｚ字形、ロの字形等に連ねる態様を挙げることができるが、これに限定されるものではない。
【００２２】
本発明の熱交換領域は、掘削ができるバックホー等の建設機械を用いて、地面を所定の場所を掘削し、所定の深さで所定の広さを掘削したら、掘削溝の底部とその端部から上方に伸びる端面の地表から所定の位置までを遮水シートで覆ってから、流体路を所定の位置に設置して、土質材料で埋め戻して形成することができる。
地面の掘削には、所定位置に矢板を打ち込んで、矢板に沿って掘削する方法を採用してもよい。
熱交換領域に流体路を所定の位置に設置するには、土質材料で埋め戻しながら流体路を所定の位置に設置すると所望の位置に設置し易いがこれに限定されるものではない。
【００２３】
遮水シートとしては、不透水性を有し、耐候性、耐久性が高く、取り扱いが容易なシート状の部材であれば特に制限はなく、塩ビ（ポリ塩化ビニル）製シート、ポリオレフィン製シート、ポリウレタン製シート、ポリエステル製シート、ゴム製シートなどを挙げることができる。中でも塩ビ（ポリ塩化ビニル）製シートが好ましく使用できる。
【００２４】
本発明の遮水シートは連続したシートであることが好ましいが、複数枚のシートを現場で接合してもよい。底部とその端部から上方に伸びる端面の地表から所定の位置までを遮水シートで覆うためには、底部とその端部においてシートを固定し、端面上端部でアンカー杭または仮留め杭を用いてシートを固定し、続いて流体路を所定の位置に設置し、土質材料で埋め戻すことによって行うことができる。端面上端部でシートを固定したアンカー杭または仮留め杭は、そのまま残置してもよいし土質材料で埋め戻す際に回収してもよい。
【００２５】
埋め戻す土質材料は、掘削土、砂質土、礫質土、有機質土、砂利及び砕石から選ばれた少なくとも１種を含む材料で構成されている土質材料であって、主として掘削土が使用されるが、熱交換領域においては、掘削土のほか、砂質土のような細粒土質材料、砂利、礫質土、砕石などの粗粒土質材料などの１種又は２種以上を用いることができる。
熱交換領域は必ずしも単一の土質材料で構成されている必要はなく、敷設する流体路の周辺と他の部分が異なった土質材料であってもよく、また埋め戻しする高さ方向に土質の異なる複数の層を設けることもできる。
土質によって水分の浸透性、保水性等が異なるので、熱交換効率を考慮して土質材料を選ぶことが必要である。例えば、粘土質の地盤では、掘削土をそのまま埋め戻すと、流体路周辺に空気溜まりができて熱交換効率が悪くなることがあるので、砂等を混合して土質材料とすることが推奨される。その場合、流体路周辺は砂を混合した土質材料とすれば、他の部分は掘削土で埋め戻しても優れた熱交換効率を得ることができる。
【００２６】
熱交換領域に敷設する流体路は、不凍液（ブライン）、水などの循環流体を流すことができて、地中熱と熱交換できるものであれば特に制限はないが、敷設の容易さ、コスト及び熱交換性などの観点から管が好ましく使用される。管としては、鋼管などの金属管、樹脂製管などを挙げることができる。敷設の容易性、耐久性などの観点から樹脂製管が好ましい。樹脂製管の樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテンなどのポリオレフィン、塩ビ等を挙げることができる。中でもポリエチレン製管が特に好ましい。
【００２７】
流体路を敷設する方法にも特に制限はなく、流体路を直線または曲線を描く単路として敷設してもよいが、限られた面積の熱交換領域において効率よく地中熱との熱交換を達成するために、流体路をＵ字部が交互に反対方向を向くように蛇行して形成されている連続Ｕ字型流体路、円環状の部位が連続するように形成されている連続ループ型流体路、螺旋状に形成されているスパイラル型流体路などの形態で敷設することができる。
【００２８】
本発明において水平埋設というのは、流体路を上下（鉛直）方向に地中深く敷設するのではなく、流体路全体の長手方向が水平もしくは略水平に敷設されていることを意味する。例えば、流体路を連続Ｕ字型流体路とする場合、連続Ｕ字体自体が上下に平行した形状であっても、流体路の長手方向が水平もしくは略水平に敷設されていれば、水平埋設である。
【００２９】
本発明の流体路は、水平に平行した流体路を上下に複数段で敷設されていてもいいし、上下に平行した流体路を熱交換領域の横方向に、複数列並べた形で敷設されていてもよい。上下に複数段の流体路または横方向に複数列並べた流体路が連通していれば一つの流体路を形成している。また、本発明の流体路は複数独立した流体路として敷設されていてもよい。
【００３０】
水平に平行した流体路を上下に複数段で敷設する場合には、土質材料で埋め戻しながら流体路を所定の位置に設置することができる。上下に平行した流体路を敷設する場合には、流路体の形状及び位置を固定するために、棒状支柱、格子状に形成した格子状支柱、格子同士を連結した箱型支柱などを用いて、流体路を固定しながら土質材料で埋め戻すこともできる。使用した支柱は回収してもよいが、そのまま回収せずに流路体とともに埋めてもよい。
【００３１】
本発明の水平埋設式地中熱交換構造構築の際に、遮水シートが石や異物によって破損することから保護するために、保護材層を遮水シートと掘削溝の端面との間に設けてもよい。さらに保護材層を遮水シートと土質材料との間に設けることもできる。このような保護材としては、特に制限はないが、不織布、織布などのシート状物を挙げることができる。
【００３２】
以下に図面を用いて、本発明をより具体的に説明する。
図１は、地面を建設機械で掘削して形成した掘削溝４の底部４１と、底部端部から上方に伸びる端面４２の地表から所定の深さの地点４３を、遮水シート２で覆う作業の様子を示している。掘削溝４の端部４１に遮水シートの中央部を置き、端面４２の地表から所定の深さの地点４３で仮留め杭４５で遮水シート３が底部端部で押え棒４４を用いて固定し、置いて底部端部から上方に伸びる端面４２の地表から所定の深さの地点４３まで遮水シート３で覆って、遮水シート上端部附近を仮留め杭４５で仮留めする。
この作業によって、図２に示されたような、内面が遮水シート２で覆われた熱交換領域が形成される。
熱交換領域形成の一実施例では、地表から所定の深さの地点は、地表から４５ｃｍの地点で、熱交換領域の深さは５０ｃｍである。
【００３３】
形成された熱交換領域２に、所定の位置に流体路を設置する。説明している敷設例では、ポリエチレン製樹脂管が流体路として用いられている。まず、掘削溝４の底部から掘削土に砂を混合した土質材料を、所定の量埋め戻す。その際遮水シートの押え棒４４を回収する。その上に、ポリエチレン製樹脂管をＵ字部が交互に反対方向を向くように蛇行している形状に設置して連続Ｕ字型流体路を敷設する。これを流体路１と呼ぶ。
【００３４】
続いて、所定量の土質材料を埋め戻し、その上に、ポリエチレン製樹脂管で形成される連続Ｕ字型流体路を敷設する。これを流体路２と呼ぶ。そして最後に地表から所定の深さの地点４３まで土質材料を埋め戻して本発明の水平埋設式地中熱交換構造が形成される。埋め戻しの際に、遮水シートの仮留め杭は回収される。本発明の水平埋設式地中熱交換構造から地表までは掘削土を用いて埋めも戻し、水平埋設式地中熱交換構造設置作業が終了する。
【００３５】
本発明の水平埋設式地中熱交換構造では、熱交換領域の土が水分を含有している状態で高い地中率熱交換率を維持ですることができるものである。したがって、熱交換領域に流体路を敷設し、土質材料で埋めて戻して水平埋設式地中熱交換構造が形成された後、熱交換領域に水を注入することが好ましい。水平埋設式地中熱交換構造の設置時に水を注入することにより、熱交換領域の土質材料が水分を保持することになり高い地中率熱交換率を維持することができる。水平埋設式地中熱交換構造を屋外に設置するときは雨水を貯留することができるので、特に水を補充する必要はないが、屋内等雨水の貯留ができない環境下に設置するときは、適宜水を補充することが好ましい。
【００３６】
本発明においては、熱交換領域に水に代えて非揮発性の流体、例えば不凍液などを注入してもよい。熱交換領域の土質材料に保持される液分が、地中熱と流体路中の循環流体との熱交換を助けるので、連続的に高い熱交換効率を維持できるのである。
【００３７】
流体路１と流体路２は、連通して一つの流体路を形成していてもいいし、それぞれ独立した２組の流体路を形成していてもよい。流体路には、不凍液（ブライン）、水等の循環流体が循環させるので、流体路の循環流体の入口及び出口となる流体路端部１  ７５及び流体路端部１  ７６は、地表に出るように設置される管と接続していて、循環流体循環系を形成している。流体路が複数独立して敷設される場合、循環流体の入口及び出口はそれぞれ複数個存在する。複数の入口及び出口をそれぞれ、Ｔ字管、結合管、ヘッダーなどの部材を用いて一つの管に繋いで、単一の目的に使用してもいいし、それぞれの複数の循環流体循環系をそれぞれ異なった目的に使用してもよい。
【００３８】
図３は、水平に平行した流体路が上下に複数段で敷設されている態様で、連続Ｕ字型流体路１  ７１と流体路２  ７２を水平に上段と下段に設置した場合の水平埋設式地中熱交換構造の断面を示す概略図である。図３から、流体路１及び流体路２のそれぞれの樹脂管５が水平に並び、流体路が上段及び下段に敷設されている様子がわかる。図３に示されている樹脂管５はポリエチレン製管である。
【００３９】
管が並んだ列となる流体路１  ７１と流体路２  ７２の間はある程度の間隔を明けることが好ましい。その間隔が狭すぎると、それぞれの流体路を流れる循環流体同士の影響で、地中熱との熱交換量が低下することになり、熱交換効率が落ちてしまう。流体路１  ７１と流体路２  ７２の間は、例えば４０ｃｍ以上の間隔があることが好ましい。
同様の理由で、それぞれの流体路を形成する管同士の間隔もある程度確保することが好ましい。例えば、管の断面中心間の距離が４５ｍｍ以上程度あるのことが好ましい。
【００４０】
また、流体路の敷設場所には解く制限はないが、できるだけ周辺土に近い位置に敷設することによって、効率よく地中熱との熱交換を達成することができる。
【００４１】
図４は、本発明における流体路敷設の他の例として、上下に平行した流体路を熱交換領域の横方向に、複数列並べた形で敷設する態様で、連続Ｕ字型流体路流体路１  ７１と流体路２  ７２が鉛直に並ぶように設置した場合の水平埋設式地中熱交換構造の断面を示す概略図である。図４から、それぞれの樹脂管が鉛直に平行して並ぶように設置された流体路１及び流体路２が熱交換領域の横方向に並べて敷設されている様子がわかる。図４には、遮水シート３と端面４２の間に保護材層８が設けられている。
【００４２】
図４では、水平埋設式地中熱交換構造の側部及び底部の周りに透水性層１１が設けられている。透水性層は、土が砂や砕石等を混ぜた透水性良好な土とされている層である。周りをこのような透水性層にすると、雨水が熱交換領域から溢れても、速やかに下方の土中へと浸透するのを助けるので、水平埋設式地中熱交換構造を設置した地面が特に湿潤となることを防ぐことができる。
【００４３】
また、本発明の流体路は、複数の管をヘッダーに接続して、それそれの管が独立して熱交換領域に設置されている状態で敷設することができる。ヘッダーに接続された管は平行して敷設されている必要はなく、管自体は任意の位置に敷設されていてよい。熱交換効率の観点からは、管同士はある程度の間隔をもって敷設するのが好ましい。このような流体路においては、一つのヘッダーに接続されている管の数は、３〜２０程度、好ましくは４〜１５程度、より好ましくは４〜１２程度とすることができる。
【００４４】
ヘッダーに複数の管が接続された流体路では、管を細くすることができるので、良好な熱交換効率を得ることができ、管の数を多くすることによって循環流体のトータル量を確保することができるため、全体として優れた熱交換効率を達成することができる。
【００４５】
ヘッダーの形状としては、図５の（Ａ）に示すような、管の入口から両側に分岐する接続口を有するタイプを採用することができるし、図５の（Ｂ）に示すように、管の入口方向一方向において分岐する接続口を有するタイプを採用してもよい。なお、ヘッダーの形状はこれらに限定されるものではない。通常、ヘッダーに複数の管が接続された流体路においては管は出口において入口と同様のヘッダーに接続している。
【００４６】
図６には、ヘッダーに複数の管が接続された流体路において、複数の管が水平に並ぶ形で流体路が上段と下段に設置されている様子が示されている。ヘッダー１  ７３に接続した下段の複数の管は、熱交換領域の長手方向端面近くで、上方に屈曲して上段の位置で水平に再度屈曲して上段の流体路を形成し、上段のヘッダー２  ７４と接続している。ヘッダー１及び２は、それぞれ流体路端部１  ７５及び流体路端部２  ７６へと続いている。地表へと続く流体路端部１  ７５及び流体路端部２  ７６が、流体路各管の循環流体を集約して循環させるための十分な管径を有していることは当然である。
図６のヘッダーに接続された管は、外径１７ｍｍ、厚さ２．４ｍｍポリエチレン製管である。敷設されている流体路の長手方向の長さは１５ｍである。
【００４７】
図６の管の敷設方法では、流体路端部１  ７５が循環流体の入口であり、流体路端部１  ７６がその出口となるように循環させることが好ましい。このように循環流体を循環させることによって、より多くの循環流体を循環させることができ、循環流体に中に空気溜まりの発生を防ぐと同時に、空気溜まりとなる泡を除去（脱泡）することができる。
【００４８】
図７には、ヘッダーに複数の管が接続された流体路において、複数の管が上下に並ぶ形で流体路が熱交換領域の横方向に複数列並べた形で敷設されている様子が示されている。ヘッダー１  ７３に接続した複数の管は、熱交換領域の横方向端面近くに設置されていて、長手方向端面近くで、横方向に屈曲して相対する横方向端面近くで再度屈曲して折り返しの流体路を形成し、他のヘッダー２  ７４に接続している。ヘッダー１及び２は、それぞれ流体路端部１  ７５及び流体路端部１  ７６へと続いている。図７の管斧鉞方法では、流体路端部１  ７５及び流体路端部２  ７６のいずれが入口、出口となっても構わない。
【００４９】
本発明の熱交換領域が、Ｌ字形、コの字形、Ｚ字形、ロの字形等の屈曲した形状である場合には、敷設する流路体は、その形状に合わせて適宜屈曲させて敷設することができる。管の屈曲部には、エルボーなど適切な部材を使用することができる。
【００５０】
図９は、本発明の水平埋設式地中熱交換構造を地中熱交換装置として有する地中熱利用ヒートポンプシステムの概略図である。図９は、冬期における地中熱利用ヒートポンプシステムの稼動状況を示している。地中熱交換構造の流体路には、不凍液（ブライン）、水等の循環流体が循環している。
冬期には、地中熱熱交換領域２で地中温度に温められた循環流体がピートポンプ９内の熱交換器Ａ（蒸発部）９３に導かれ、熱媒体との熱交換によって熱を奪われて温度が低下し、熱媒体は吸熱によって蒸発する。ヒートポンプ９に導かれて温度が低下した循環流体は、再び地中熱熱交換領域２に戻る。このとき地中温度は、地上の外気温度に比べ恒温状態で温度が高くなっているので、循環流体は地上側から地中に送り込まれると、地中熱交換領域で採熱し、温められて循環流体循環系９１を通ってピートポンプ内の熱交換器Ａ９３に循環することになる。
【００５１】
ピートポンプの熱交換器Ａにおいて蒸発した熱媒体は圧縮機９５を通って熱交換器Ｂ（凝縮部）９４に入る。熱交換器Ｂには、放熱系を循環する２次蓄熱媒体が導かれており、熱交換によって熱媒体から熱が放出されて２次蓄熱媒体の温度が上昇する。放熱して温度が低下した熱媒体は再度熱交換器Ａ９３に循環して、循環流体と熱交換が行われる。
温度が上昇した２次蓄熱媒体は２次蓄熱媒体循環系９２を通って放熱系９７に到達し、所望の暖房機能が得られる。放熱系の例としては、床暖房、ファンコイルユニット、融雪用パネル、融雪用放熱管等がある。放熱系も循環ループとなっており、放熱系で熱を放出した２次蓄熱媒体は、再び２次蓄熱媒体循環系９２によって熱交換器Ｂ（冷媒凝縮部）９４に導かれて加熱されて、再度放熱系に供給される。
各循環系には、流体循環のためにポンプが設置されているが、図９ではポンプの表示を省略した。
【００５２】
夏期には、略１５℃の循環流体がピートポンプ内の熱交換器において、熱媒体との熱交換によって熱を奪うことで循環流体の温度が上昇する。このヒートポンプに導かれて温度が上昇した循環流体は、再び地中熱熱交換領域に戻る。このとき地中温度は、地上の外気温度に比べ恒温状態で温度が低いので、循環流体は地上側から地中に送り込まれると、地中熱交換領域で冷やされて再び熱交換器に循環することになる。
【００５３】
ピートポンプにおいて循環流体によって冷却された熱媒体は、膨張弁を通って熱交換器に入り、２次蓄熱媒体から熱を奪う。温度が上昇した熱媒体は再度熱交換器に循環して、循環流体から熱を奪うことにより、地中熱との熱交換が行われる。冷却された熱媒体は配管を通って放熱系に到達し、所望の冷房機能が得られる。放熱系も循環ループとなっており、放熱系で温度が上昇した２次蓄熱媒体は、再び熱交換器Ｂ（冷媒凝縮部）に導かれ、冷却されて再度放熱系に供給される。
【００５４】
本発明の実施例として、図６に示すような、熱交換領域にヘッダーに複数の管が接続され、複数の管が水平に並ぶ形で流体路が上段と下段に設置されている流体路を敷設し、土質材料で埋めた後に水を注入した水平埋設式地中熱交換構造における採熱効率を測定した。熱交換領域は、地表から０．４５ｍの深さ位置から底部までの深さ０．５５ｍで、幅１ｍ及び長さ８ｍに構築されており、底部及び底部端部から上方に続く端面は厚さ１．５ｍｍの塩ビ製遮水シートで覆われており、その外側に保護層として厚さ４ｍｍの不織布が敷設されていた。該熱交換領域には流体路が敷設されていた。該流体路は熱交換領域の下端近く（地表からほぼ１ｍの深さ）に敷設された下段のヘッダー１に水平に接続された複数の管（三井化学産資（株）製ポリエチレン管、管外径１７ｍｍ、厚さ２．４ｍｍ）が、熱交換領域の長手方向端面近くで、上方に屈曲して地表から０．６ｍの深さで水平に再度屈曲して上段の流体路を形成し、上段のヘッダー２に接続されている形で敷設されていた。流体路の幅は０、７５ｍで、長手方向の長さは７．３ｍであって、ポリエチレン管の総延長は１８０ｍであった。
循環流体として６．５℃の不凍液（サンポット社製  ＧＳＦ−１８Ｋ４０）を用いて、ヘッダー１に循環流体を流入しヘッダー２から循環流体を流出させた。１週間の連続運転の後に、ヘッダー１に流入する循環流体の温度と、ヘッダー２から温められて流出する循環流体の温度を測定して、その温度差Δｔを採熱効率とした。本実施例では、温度差Δｔは１．７℃であった。
【００５５】
比較例として前記実施例において、塩ビ製遮水シート及び保護層を用いず、熱交換領域に水を注入しないほかは同様にして、採熱効率としてヘッダー１に流入する循環流体の温度とヘッダー２から流出する循環流体の温度差を測定した。温度差Δｔは１．５℃であった。
上記の結果を下記表１に示すが、本発明の水平埋設式地中熱交換構造によってΔｔで０．２℃改善された。
この結果により、本発明の構造を採用することにより、採熱効率が改善されることが解った。
【００５６】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明により、地下に埋設した貯留水槽を用いることなく、従来公知の水平埋設式地中熱交換器よりも熱交換率が高く、設置費用が削減できる水平埋設式地中熱交換構造が提供される。
本発明により、地下に埋設した貯留水槽を用いなくても熱交換率が高いので、敷地面積の狭い場所でも熱交換量を確保して設置できるので、設置のための施工コスト（設置費用）の削減が期待される水平埋設式地中熱交換構造が提供される。
本発明により提供される水平埋設式地中熱交換構造は、設置のための施工コスト（設置費用）の削減の可能性が期待できるので、地中熱利用ヒートポンプシステムの普及拡大に貢献することができるものである。
【符号の説明】
【００５８】
１．水平埋設式地中熱交換構造
２．地中熱熱交換領域
３．遮水シート
４．掘削溝
４１．底部
４２．端面
４３．所定の深さの地点
４４．押え棒
４５．仮留め杭
５．樹脂管
６．土質材料
７．流体路
７１．流体路１
７２．流体路２
７３．ヘッダー１
７４．ヘッダー２
７５．流体路端部１
７６．流体路端部２
８．保護材層
９．ヒートポンプ
９１．循環流体循環系
９２．２次蓄熱媒体循環系
９３．熱交換器Ａ
９４．熱交換器Ｂ
９５．圧縮機
９６．膨張弁
９７．放熱系
１０．地表
１１．透水性層
（Ａ）  ヘッダーの例１
（Ｂ）  ヘッダーの例２
【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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