(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下水を熱源として利用するヒートポンプ設備であって、
不透水性土層を挟んでその上下に上部帯水層および下部帯水層が存在している地盤に前記不透水性土層を貫通して下部帯水層に達する井戸を設け、
該井戸の内部を前記不透水性土層の位置でパッカーにより上下に仕切るとともに、該パッカーの上下に前記上部帯水層および前記下部帯水層に通じて地下水を取水しかつ環水させ得る上部スクリーンおよび下部スクリーンをそれぞれ設け、
前記井戸内における前記パッカーの近傍の位置にはヒートポンプ装置を配置するとともに、
前記パッカーの上下にはいずれか一方が選択的に運転される上部ポンプおよび下部ポンプをそれぞれ設置し、
前記ヒートポンプ装置は、いずれも蒸発器および凝縮器として選択的に機能するとともに、一方が蒸発器として機能するときに他方が凝縮器として機能する第１水熱交換器および第２水熱交換器を有し、
前記上部ポンプは前記上部スクリーンより取水した上部帯水層の地下水を前記ヒートポンプ装置の第１水熱交換器に供給するとともに下部スクリーンを通して下部帯水層に環水せしめるものとする一方、前記下部ポンプは前記下部スクリーンより取水した下部帯水層の地下水を前記ヒートポンプ装置の第１水熱交換器に供給するとともに上部スクリーンを通して上部帯水層に環水せしめるものとし、
かつ、地表部には前記ヒートポンプ装置の第２水熱交換器に対して熱媒体を循環供給するポンプを設けてなることを特徴とする地下水を熱源とするヒートポンプ設備。
【請求項２】
前記井戸内に、前記上部ポンプおよび前記下部ポンプに代えて単独のポンプを設け、該ポンプは、前記上部帯水層と下部帯水層のいずれか一方から選択的に地下水を取水するとともにその地下水を前記ヒートポンプ装置の前記第１水熱交換器を通過させて他方の帯水層に環水せしめる構成としたことを特徴とする請求項１記載の地下水を熱源とするヒートポンプ設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は地下水を熱源として利用するヒートポンプ設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地下水が保有している熱エネルギを有効利用するべく、地下水をヒートポンプの熱源として利用しようとする機運があり、図３に示すような設備が検討されている。これは、不透水性土層１を挟んでその上下に上部帯水層２および下部帯水層３が存在している地盤に対し、上部帯水層２に達する井戸４と、不透水性土層１を貫通して下部帯水層３に達する井戸５とを設け、季節によりそれら井戸４，５のいずれか一方より地下水を揚水して熱源として利用した後、他方の井戸を通して環水（リチャージ）するようにしたものである。符号６は井戸４，５の壁面を形成しているケーシング、７は各帯水層２，３の位置に対応してケーシング６に設けられているスクリーン、８ａ，８ｂは井戸４，５内に設置された揚水ポンプである。
【０００３】
また、符号９は地表部に設置されたヒートポンプ装置であって、これは、通常のヒートポンプ装置の場合と同様に圧縮器や膨張弁等を含む冷媒循環系統（図示せず）を備えるとともに、いずれも蒸発器あるいは凝縮器として選択的に機能しかつ一方が蒸発器として機能するときに他方は凝縮器として機能する第１水熱交換器１０および第２水熱交換器１１を有するものである。そして、このヒートポンプ装置９における第１水熱交換器１０に対して上記の２台のポンプ８ａ，８ｂのいずれかにより地下水が供給されるとともに、第２水熱交換器１１に対してはポンプ（一次ポンプ）１２により熱媒体としての水が循環供給されて冷水（夏季）あるいは温水（冬季）が得られ、得られた冷水あるいは温水はタンク１３に貯留され、二次ポンプ１４により利用設備たとえば冷暖房装置や給湯設備へ供給されるようになっている。
【０００４】
図３（ａ）は夏季に冷水を得る場合の系統を示すものである。この場合は、下部帯水層３の地下水をポンプ８ｂにより井戸５から揚水してヒートポンプ装置９へ供給し、凝縮器として機能する第１水熱交換器１０を通って水温の上昇した地下水を井戸４を通して上部帯水層２に環水させる（この際、井戸４内のポンプ８ａは休止している）。蒸発器として機能する第２水熱交換器１１にはポンプ１２により熱媒体としての水が循環供給されて冷水が得られ、得られた冷水はタンク１３から二次ポンプ１４により冷房装置等へ供給されて利用される。
【０００５】
図３（ｂ）は冬季に温水を得る場合の系統を示すものである。この場合は、上部帯水層２の地下水をポンプ８ａにより井戸４から揚水してヒートポンプ装置９へ供給し、蒸発器として機能する第１水熱交換器１０を通って水温の低下した地下水を井戸５を通して下部帯水層３に環水させる（この際、井戸５内のポンプ８ｂは休止している）。凝縮器として機能する第２水熱交換器１１にはポンプ１２により熱媒体としての水が循環供給されて温水が得られ、得られた温水はタンク１３から二次ポンプ１４により暖房装置や給湯装置等へ供給されて利用される。
【０００６】
上記の設備によれば、低位なエネルギではあるものの地下水が保有している無尽蔵ともいえるクリーンな熱エネルギを有効に利用することができることはもとより、利用後の地下水を環水するので地下水位の低下やそれに起因する地盤沈下が生じることはないし、揚水した帯水層とは別の帯水層へ環水するので地下水温が過度に上昇あるいは低下してしまうこともない。
【０００７】
そして、この設備においては、各帯水層２，３が長期間にわたって蓄熱効果を発揮し得る大容量の蓄熱槽として機能することが期待でき、それにより年間を通じて優れた熱効率が得られるものである。つまり、上部帯水層２は夏季に水温の上昇した地下水が環水されることで温かい地下水を貯留する温水槽として機能し、そこに貯留された温かい地下水が冬季に揚水されて利用されることで冬季における熱効率が高められるものである。同様に、下部帯水層３は冬季に水温の低下した地下水が環水されることで冷たい地下水を貯留する冷水槽として機能し、そこに貯留された冷たい地下水が夏季に揚水されて利用されることで夏季における熱効率が高められるのである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の設備にあっては、各帯水層２，３に対する２本の井戸４，５を個別に設ける必要があることから、２本の井戸４，５を設置し得るだけのスペースが必要であることはもとより、特に井戸４，５の施工に多額の費用を要するものであり、したがって地下水の熱エネルギを有効に利用し得るといえども設備全体を償却するまでには長期間を要し、これが普及促進を阻む一因となっていた。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、地下水を熱源として利用するヒートポンプ設備を設置するに当たり、特に井戸の設置スペースと施工コストの削減を図り得る有効な手段を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、地下水を熱源として利用するヒートポンプ設備であって、不透水性土層を挟んでその上下に上部帯水層および下部帯水層が存在している地盤に前記不透水性土層を貫通して下部帯水層に達する井戸を設け、該井戸の内部を前記不透水性土層の位置でパッカーにより上下に仕切るとともに、該パッカーの上下に前記上部帯水層および前記下部帯水層に通じて地下水を取水しかつ環水させ得る上部スクリーンおよび下部スクリーンをそれぞれ設け、前記井戸内における前記パッカーの近傍の位置にはヒートポンプ装置を配置するとともに、前記パッカーの上下にはいずれか一方が選択的に運転される上部ポンプおよび下部ポンプをそれぞれ設置し、前記ヒートポンプ装置は、いずれも蒸発器および凝縮器として選択的に機能するとともに、一方が蒸発器として機能するときに他方が凝縮器として機能する第１水熱交換器および第２水熱交換器を有し、前記上部ポンプは前記上部スクリーンより取水した上部帯水層の地下水を前記ヒートポンプ装置の第１水熱交換器に供給するとともに下部スクリーンを通して下部帯水層に環水せしめるものとする一方、前記下部ポンプは前記下部スクリーンより取水した下部帯水層の地下水を前記ヒートポンプ装置の第１水熱交換器に供給するとともに上部スクリーンを通して上部帯水層に環水せしめるものとし、かつ、地表部には前記ヒートポンプ装置の第２水熱交換器に対して熱媒体を循環供給するポンプを設けてなることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項２に係る発明は、前記井戸内に、前記上部ポンプおよび前記下部ポンプに代えて単独のポンプを設け、該ポンプは、前記上部帯水層と下部帯水層のいずれか一方から選択的に地下水を取水するとともにその地下水を前記ヒートポンプ装置の前記第１水熱交換器を通過させて他方の帯水層に環水せしめる構成としたことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態を示すものである。本実施形態の設備は単一の井戸により上記従来のものと同様の運転を行い得るようにされたものである。すなわち、本実施形態の設備は、不透水性土層１を挟んでその上下に上部帯水層２、下部帯水層３が存在する地盤に、不透水性土層１を貫通して下部帯水層３に達する単一の井戸２０を設け、その井戸２０の壁面を形成しているケーシング２１の上下に上部スクリーン２２、下部スクリーン２３をそれぞれ設けて、上部スクリーン２２を通して上部帯水層２の地下水が取水かつ環水でき、下部スクリーン２３を通して下部帯水層３の地下水が取水かつ環水できるようにされている。
【００１３】
また、井戸２０の内部を不透水性土層１の位置でパッカー２４により上下に仕切り、各帯水層２，３の地下水がこの井戸２０を通して相互に流通してしまうことが防止されるようになっている。パッカー２４としては適宜の形式のものがあるが、たとえば空気が注入されることで膨張してケーシング２１内面に密着するものが採用可能である。
【００１４】
そして、パッカー２４のやや上部の位置にはヒートポンプ装置２５が設置されているとともに、パッカー２４の上下には季節によりいずれか一方が選択的に使用される上部ポンプ２６および下部ポンプ２７がそれぞれ設置されている。
【００１５】
ヒートポンプ装置２５は、通常のヒートポンプ装置の場合と同様に圧縮器や膨張弁等を含む冷媒循環系統（図示せず）を備えるとともに、いずれも蒸発器あるいは凝縮器として選択的に機能しかつ一方が蒸発器として機能するときに他方は凝縮器として機能する第１水熱交換器２８および第２水熱交換器２９を有するものである。
【００１６】
また、上部ポンプ２６は図１（ｂ）に示すように、上部スクリーン２２より取水した上部帯水層２の地下水をヒートポンプ装置２５の第１水熱交換器２８に供給するとともに、下部スクリーン２３を通して下部帯水層３に環水せしめるものとされている。逆に、下部ポンプ２７は図１（ａ）に示すように、下部スクリーン２３より取水した下部帯水層３の地下水をヒートポンプ装置２５の第１水熱交換器２８に供給するとともに、上部スクリーン２２を通して上部帯水層２に環水せしめるものとされている。
【００１７】
さらに、地表部には、ヒートポンプ装置２５の第２水熱交換器２９に対して熱媒体としての水（夏季は冷水、冬季は温水）を循環供給するためのポンプ（一次ポンプ）３０が設置され、その冷水あるいは温水はタンク３１に貯留されて二次ポンプ３２により利用設備たとえば冷暖房装置や給湯設備へ供給されるようになっている。
【００１８】
図１（ａ）は夏季に冷水を得る場合の系統を示すものである。この場合は、下部スクリーン２３を通して取水した下部帯水層３の地下水を下部ポンプ２７によりヒートポンプ装置２５へ供給し、凝縮器として機能する第１水熱交換器２８を通って水温の上昇した地下水を上部スクリーン２２を通して上部帯水層２に環水させる（この際、上部ポンプ２６は休止している）。蒸発器として機能する第２水熱交換器２９へはポンプ３０により熱媒体としての水が循環供給されて冷水が得られ、得られた冷水はタンク３１から二次ポンプ３２により冷房装置等へ供給されて利用される。
【００１９】
図１（ｂ）は冬季に温水を得る場合の系統を示すものである。この場合は、上部スクリーン２２を通して取水した上部帯水層２の地下水を上部ポンプ２６によりヒートポンプ装置２５へ供給し、蒸発器として機能する第１水熱交換器２８を通って水温の低下した地下水を下部スクリーン２３を通して下部帯水層３に環水させる（この際、下部ポンプ２７は休止している）。凝縮器として機能する第２水熱交換器２９へは熱媒体としての水が循環供給されて温水が得られ、得られた温水はタンク３１から二次ポンプ３２により暖房装置や給湯装置等へ供給されて利用される。
【００２０】
なお、上部および下部スクリーン２２，２３は季節ごとに地下水の流通方向が逆になるので自ずと目詰まりが生じにくいものであるが、仮に目詰まりが生じた場合には一時的に他方のポンプに切り替えて運転することのみで、容易にスクリーン２２，２３を逆洗し得て目詰まりを解消させることができる。
【００２１】
以上のように、本実施形態の設備によれば、地下水の保有熱エネルギを有効に利用でき、また、各帯水層２，３が年間を通じての熱貯留槽として機能することも期待できるものであり、したがって優れた熱効率が得られるものである。そして、本実施形態の設備は、そのようなことを取水と環水（リチャージ）を兼用する単一の井戸２０により実現することができるものであり、このため、各帯水層２，３ごとに独立した井戸４，５を別個に設ける必要があった従来一般の場合に比して井戸２０の施工コストを半減させることができることは言うに及ばず、所要設置スペースを大幅に削減できるとともに、配管長も短縮でき、つまりは設備全体を格段に簡略化でき、コスト削減を充分に図ることができる。
【００２２】
図２は本発明の他の実施形態を示すものである。先に説明した実施形態では、井戸２０内に２台のポンプすなわち上部ポンプ２６と下部ポンプ２７とを設置してそれらを季節ごとに選択的に運転するようにしたのであるが、本実施形態ではそれら２台のポンプ２６，２７に代えて単独のポンプ４０を井戸２０の底部に設置し、そのポンプ４０により地下水の供給経路を切替えることで上記と同様の運転を行うようにしている。すなわち、夏季においては図２（ａ）に示すようにポンプ４０により下部帯水層３から取水して第１水熱交換器２８を通過させた後に上部帯水層２に環水せしめ、冬季においては図２（ｂ）に示すように同じポンプ４０により上部帯水層２から取水して第１水熱交換器２８を通過させた後に下部帯水層３に環水せしめるのである。この場合も全く同様の運転を行えるとともに、ポンプが１台で済むので設備全体がより簡略なものとなる。
【００２３】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明は、複数の帯水層に対する取水と環水を兼用する単一の井戸を設けてその内部をパッカーにより上下に仕切り、その井戸内にヒートポンプ装置を設置するとともに、井戸内に設置した２台のポンプを選択的に運転することにより、もしくは単独のポンプにより地下水の供給経路を切替えて運転することにより、いずれか一方の帯水層から取水した地下水をヒートポンプ装置に供給して他方の帯水層に環水させる構成であるので、高効率のヒートポンプ運転を通年にわたって行い得ることはもとより、井戸の施工コストおよび所要設置スペースを大幅に削減できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるヒートポンプ設備の概要図である。
【図２】本発明の他の実施形態であるヒートポンプ設備の概要図である。
【図３】従来検討されているヒートポンプ設備の概要図である。
【符号の説明】
１  不透水性土層
２  上部帯水層
３  下部帯水層
２０  井戸
２１  ケーシング
２２  上部スクリーン
２３  下部スクリーン
２４  パッカー
２５  ヒートポンプ装置
２６  上部ポンプ
２７  下部ポンプ
２８  第１水熱交換器
２９  第２水熱交換器
３０  ポンプ（一次ポンプ）
３１  タンク
３２  二次ポンプ
４０  ポンプ
【図１】
0003600992.tif 000002
【図２】
0003600992.tif 000003
【図３】
0003600992.tif 000004