(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つの帯水層又は深度の異なる複数の帯水層に達する地中の穴に立設される筒であって、側面に有する浸水部を介して地下水が内部に流入する外筒と、
前記外筒に収容される筒であって、下方に有する通水部を介して地下水が内部に流入する内筒と、
前記内筒内の地下水を、前記通水部よりも浅い位置からくみ上げることで、前記内筒内に下方から上方に向けた対流を生じさせる揚水手段と、
地上のヒートポンプから前記内筒の内部に引き込まれて下方に向けて通されると共に、上方に折り返して前記内筒の外部に引き出され、前記ヒートポンプから送り出される液体を循環させる循環管と、を備え、
前記内筒内の地下水と、前記循環管を流れる液体と、の間で熱を移動させることを特徴とする
熱交換システム。
【請求項２】
前記外筒内又は前記内筒内の地下水の温度を計測する第１水温計と、
前記揚水手段によってくみ上げられた地下水の温度を計測する第２水温計と、
前記揚水手段によってくみ上げられた地下水を前記外筒内に返送する送水手段と、
前記第１水温計の計測結果と前記第２水温計の計測結果との組合せに基づいて、前記送水手段を機能させるか否かを決定し、前記送水手段を制御する制御手段と、を備えていることを特徴とする
請求項１に記載の熱交換システム。
【請求項３】
前記送水手段は、前記揚水手段によってくみ上げられた地下水を前記外筒内における前記通水部よりも浅い位置に返送することで、前記外筒内に上方から下方に向けた対流を生じさせることを特徴とする
請求項２に記載の熱交換システム。
【請求項４】
前記揚水手段は、
一端が前記内筒の内部に引き込まれていると共に、他端が前記地中の穴の外部に達している揚水管と、
前記揚水管内の地下水に動力を付与する揚水ポンプと、を備え、
前記送水手段は、
前記揚水管の途中に設けられている切替弁と、
一端が前記切替弁に接続されていると共に、他端が前記外筒の内部に引き込まれている送水管と、を備えていることを特徴とする
請求項２又は３に記載の熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下水を利用した熱交換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原油価格の高騰やＣＯ２削減に対する意識の高まりにより、ランニングコストが安くクリーンエネルギーである地中熱を利用したヒートポンプ（以下、地中熱ヒートポンプという。）が開発され、市場に導入されつつある。
【０００３】
特許文献１及び２に開示されている地中熱ヒートポンプは、井戸に建て込んだＵチューブに水などの液体を流し、井戸内の地下水とＵチューブを流れる液体との間で熱のやり取りをすることで、地中熱を取得する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５０６７９５６号公報
【特許文献２】特許第５６９０９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような地中熱ヒートポンプにおいては、熱交換効率の向上を図ることで、他の熱交換システムとの差別化を推し進め、利用価値を高めることが要求される。
【０００６】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、利用価値を高めた熱交換システム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】
（１）本発明は、一つの帯水層又は深度の異なる複数の帯水層に達する地中の穴に立設される筒であって、側面に有する浸水部を介して地下水が内部に流入する外筒と、前記外筒に収容される筒であって、下方に有する通水部を介して地下水が内部に流入する内筒と、前記内筒内の地下水を、前記通水部よりも浅い位置からくみ上げることで、前記内筒内に下方から上方に向けた対流を生じさせる揚水手段と、地上のヒートポンプから前記内筒の内部に引き込まれて下方に向けて通されると共に、上方に折り返して前記内筒の外部に引き出され、前記ヒートポンプから送り出される液体を循環させる循環管と、を備え、前記内筒内の地下水と、前記循環管を流れる液体と、の間で熱を移動させることを特徴とする熱交換システムである。
【０００８】
本発明によれば、仮に、複数の帯水層のうち上層の帯水層ばかりから、地中の穴に地下水が流入する場合であっても、あるいはそれ以外の場合であっても、地中の穴に流入した地下水を直ぐにくみ上げてしまうことはなく、流入した地下水を地中の穴の中で対流させることができる。そして、地中の穴の中で生じた対流により、地中の穴の中の地下水と、循環管を流れる液体と、の間で熱を効率的に移動させることができる。これにより、熱交換システムの利用価値が高まる。
【０００９】
（２）本発明はまた、前記外筒内又は前記内筒内の地下水の温度を計測する第１水温計と、前記揚水手段によってくみ上げられた地下水の温度を計測する第２水温計と、前記揚水手段によってくみ上げられた地下水を前記外筒内に返送する送水手段と、前記第１水温計の計測結果と前記第２水温計の計測結果との組合せに基づいて、前記送水手段を機能させるか否かを決定し、前記送水手段を制御する制御手段と、を備えていることを特徴とする上記（１）に記載の熱交換システムである。
【００１０】
上記発明によれば、送水手段を機能させた場合に、系外への地下水の排出量を抑制することができる。第１水温計の計測結果と第２水温計の計測結果との組合せに基づいて、地中の穴の中の地下水と循環管を流れる液体との間での熱の移動に影響が少ない場合に送水手段を機能させることで、地中熱の有効利用と排水量の抑制との双方を同時に実現することができる。これにより、熱交換システムの利用価値が高まる。
【００１１】
（３）本発明はまた、前記送水手段は、前記揚水手段によってくみ上げられた地下水を前記外筒内における前記通水部よりも浅い位置に返送することで、前記外筒内に上方から下方に向けた対流を生じさせることを特徴とする上記（２）に記載の熱交換システムである。
【００１２】
上記発明によれば、外筒内に返送された地下水が通水部を介して直ちに内筒に流入してしまうことはなく、返送された地下水を外筒内で対流させることができる。そして、外筒内で生じた上方から下方への対流と、内筒内で生じた下方から上方への対流と、の双方向への対流により、外筒内の地下水と、内筒内の地下水と、の間で熱を効率的に移動させることができる。これにより、熱交換システムの利用価値が高まる。
【００１３】
（４）本発明はまた、前記揚水手段は、一端が前記内筒の内部に引き込まれていると共に、他端が前記地中の穴の外部に達している揚水管と、前記揚水管内の地下水に動力を付与する揚水ポンプと、を備え、前記送水手段は、前記揚水管の途中に設けられている切替弁と、一端が前記切替弁に接続されていると共に、他端が前記外筒の内部に引き込まれている送水管と、を備えていることを特徴とする上記（２）又は（３）に記載の熱交換システムである。
【００１４】
上記発明によれば、揚水ポンプという一つの動力源を備えるだけで、系外への地下水の排出と、内筒内からくみ上げられた地下水の外筒内への返送と、の双方を行うことができる。これにより、熱交換システムの利用価値が高まる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、熱交換システムの利用価値が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る熱交換システムの概略図である。
【図２】制御盤の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る熱交換システムについて詳細に説明する。
【００１８】
まず、図１及び図２を用いて、熱交換システム１の構成について説明する。図１は、熱交換システム１の概略図である。図２は、制御盤２１の構成を示すブロック図である。なお、各図において、一部の構成を適宜省略して、図面を簡略化する。
【００１９】
図１に示す熱交換システム１は、地中熱を利用したヒートポンプ（地中熱ヒートポンプ）システムである。この熱交換システム１は、制御盤２１によって統括的に制御される。すなわち、熱交換システム１は、制御盤２１の制御下において動作して、その動作状況が制御盤２１によって管理される。具体的に、熱交換システム１は、各所に配置された温度計の計測結果などに基づいて、各部の動作が所望する状況となるようにフィードバック制御される。
【００２０】
このような熱交換システム１は、井戸２と、循環管３と、循環ポンプ４と、地下水温度計測管５と、循環液温度計６と、ヒートポンプ７と、揚水手段８と、揚水温度計（第２水温計）９と、送水手段１０と、制御盤２１等を備えている。
【００２１】
井戸２は、深度の異なる複数の帯水層ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３に達する地中ＧＲＤの穴であり、径の異なる外筒１１と内筒１２とを有する。各帯水層ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３は、地下水を含む地層である。
【００２２】
外筒１１は、地中ＧＲＤの穴に立設される有底の筒であり、透水性を良くするための硅砂ＳＳが周囲に設けられ、側面に有するスリット（浸水部）１３を介して地下水が内部に流入する。外筒１１の内部には、帯水層ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３から地下水が流入している。スリット１３は、各帯水層ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３に対応する深度に有していることが好ましく、外筒１１に適宜設けられている。このような外筒１１には、内筒１２が収容されていると共に、地下水温度計測管５と、送水管１８とが挿入されている。
【００２３】
内筒１２は、外筒１１に収容される有底の筒であり、下方に有する通水孔（通水部）１４を介して地下水が内部に流入する。内筒１２の内部には、帯水層ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３から外筒１１を経由して地下水が流入している。内筒１２の内部に流入している地下水の自然水位（一点鎖線で図示）は、外筒１１の内部に流入している地下水の自然水位（内筒１２の外部の自然水位）と一致している。通水孔１４は、内筒１２の内部に流入した地下水が乱流となる構造を有している。そのような内筒１２には、循環管３と、揚水管１５とが挿入されている。
【００２４】
なお、内筒１２が通水孔１４を有する「下方」との位置は、できる限り下方の位置であることが好ましいが、後述する揚水手段８によって内筒１２内に下方から上方に向けた対流を生じさせる位置であれば良く、内筒１２の中間付近の位置を排除する意味合いを持つものではない。
【００２５】
循環管３は、地上のヒートポンプ７から内筒１２の内部に引き込まれて下方に向けて通されると共に、内筒１２における下方で上方に折り返して内筒１２の外部に引き出されている。この循環管３は、循環ポンプ４の動力によって、ヒートポンプ７から送り出される水などの液体を循環させる。これにより、内筒１２内の地下水と、循環管３を流れる液体と、の間で熱の移動が可能になる。すなわち、熱交換システム１は、内筒１２内の地下水が循環管３を流れる液体よりも低温の場合、循環管３を流れる液体を冷却する。一方、熱交換システム１は、内筒１２内の地下水が循環管３を流れる液体よりも高温の場合、循環管３を流れる液体を加熱する。
【００２６】
循環ポンプ４は、循環管３の途中に設けられ、地下水温度計測管５を構成する地下水温度計（第１水温計）５ｂの計測結果や、循環液温度計６の計測結果などに基づいて動作する。これにより、循環ポンプ４は、循環管３内の液体に動力を付与することで、循環管３内の液体を循環させる。
【００２７】
地下水温度計測管５は、外筒１１内に挿入されている。この地下水温度計測管５は、管本体５ａと、複数の地下水温度計５ｂと、を備えている。複数の地下水温度計５ｂは、互いに所定の間隔（例えば、１０ｍ間隔）をおいて管本体５ａに取り付けられている。これら複数の地下水温度計５ｂは、外筒１１内の地下水の温度を計測し、その計測結果を信号にして出力し、その信号を制御盤２１に入力する。
【００２８】
循環液温度計６は、循環管３の途中に設けられている。この循環液温度計６は、外筒１１内の地下水と熱の移動をする前の循環管３内の液体の温度を計測し、その計測結果を信号にして出力し、その信号を制御盤２１に入力する。
【００２９】
ヒートポンプ７は、循環管３等が接続されている。このヒートポンプ７は、循環管３を流れる液体の冷熱又は温熱をかき集め、かき集めた冷熱又は温熱を冷暖房や給湯などに利用可能にする。すなわち、ヒートポンプ７は、井戸２において循環管３内の液体に移動していた地下水の冷熱又は温熱を取り出して、冷暖房や給湯などに利用可能にする。
【００３０】
揚水手段８は、内筒１２内の地下水を、内筒１２が有する通水孔１４よりも浅い位置からくみ上げることで、内筒１２内に下方から上方に向けた対流を生じさせる。具体的に、揚水手段８は、揚水管１５と揚水ポンプ１６とを備えている。
【００３１】
揚水管１５は、その一端が内筒１２の内部に引き込まれていると共に、その他端が井戸２の外部（排水設備等）に達している。この揚水管１５は、揚水ポンプ１６の動力によって内筒１２から取り込まれた地下水を、井戸２の外部に排出する。
【００３２】
揚水ポンプ１６は、揚水管１５の途中に設けられ、地下水温度計測管５を構成する地下水温度計５ｂの計測結果や、循環液温度計６の計測結果などに基づいて動作する。この揚水ポンプ１６は、内筒１２から揚水管１５に地下水を取り込んで、揚水管１５内の地下水に動力を付与する。
【００３３】
揚水温度計９は、揚水管１５の途中に設けられている。この揚水温度計９は、揚水手段８によってくみ上げられた揚水管１５内の地下水の温度を計測し、その計測結果を信号にして出力し、その信号を制御盤２１に入力する。
【００３４】
送水手段１０は、揚水手段８によってくみ上げられた地下水を外筒１１内における浅い位置に返送することで、外筒１１内に上方から下方に向けた対流を生じさせる。
【００３５】
なお、地下水を返送する外筒１１内の「浅い位置」とは、できる限り浅い位置であることが好ましく、特に、自然水位付近の位置や自然水位よりも上方の位置であることが好ましいが、地下水の返送によって外筒１１内に上方から下方に向けた対流を生じさせる位置、すなわち、通水孔１４よりも浅い位置であれば良く、外筒１１の中間付近の位置や外筒１１の下方の位置を排除する意味合いを持つものではない。
【００３６】
具体的に、送水手段１０は、切替弁１７と送水管１８とを備えている。
【００３７】
切替弁１７は、揚水管１５の途中に設けられ、地下水温度計測管５を構成する地下水温度計５ｂの計測結果や、揚水温度計９の計測結果などに基づいて動作する。この切替弁１７は、揚水手段８によってくみ上げられた地下水の経路を、井戸２の外部に達する揚水管１５と、外筒１１の内部に引き込まれている送水管１８とで切り替える。
【００３８】
送水管１８は、その一端が切替弁１７に接続されていると共に、その他端が外筒１１の内部に引き込まれている。この送水管１８は、揚水手段８によってくみ上げられた地下水を外筒１１内に返送する。
【００３９】
図２に示すように、制御盤２１は、データロガー２２とＣＰＵ（Central Processing Unit）２３とを有する。
【００４０】
データロガー２２は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）などの記録媒体によって構成されている。このデータロガー２２には、ＣＰＵ２３が各種処理を実行するための処理プログラムと各種処理を実行する際に用いられる各種データ（判定部２５が判定に用いるデータを含む。）及び各種フラグが記憶されている。
【００４１】
ＣＰＵ２３は、データロガー２２に記憶された処理プログラムを実行することによって、通信部２４、判定部２５及び制御部２６として機能する。
【００４２】
通信部２４は、熱交換システム１の各部との間で信号を送受信する。具体的に、通信部２４は、地下水温度計測管５を構成する地下水温度計５ｂ、循環液温度計６及び揚水温度計９等から出力された信号を、判定部２５に転送する。そして、通信部２４は、制御部２６が出力する制御信号を、循環ポンプ４、ヒートポンプ７、揚水ポンプ１６及び切替弁１７に転送する。
【００４３】
判定部２５は、地下水温度計測管５を構成する地下水温度計５ｂ、循環液温度計６及び揚水温度計９等から出力された信号に基づいて各種判定を行うことで、循環ポンプ４、ヒートポンプ７、揚水ポンプ１６及び切替弁１７等のそれぞれの運転状況を決定する。そして、判定部２５は、判定結果を信号にして制御部２６に出力する。
【００４４】
制御部２６は、循環ポンプ４、ヒートポンプ７、揚水ポンプ１６及び切替弁１７等のそれぞれに対して、通信部２４を介して、判定部２５から出力された信号に基づく制御信号を出力し、それぞれの運転状況を制御する。
【００４５】
このようなＣＰＵ２３は、地下水温度計５ｂの計測結果と揚水温度計９の計測結果との組合せに基づいて、送水手段１０を機能させるか否かを決定し、送水手段１０を制御する制御手段として機能する。
【００４６】
次に、熱交換システム１における熱の流れを図１に基づいて説明する。
【００４７】
まず、夏季などに冷房を行う場合を説明する。ヒートポンプ７は、循環管３を流れる液体から冷熱をかき集め、かき集めた冷熱を冷房に利用する。循環管３を流れる液体は、ヒートポンプ７において加熱される。ヒートポンプ７で加熱された循環管３内の液体は、内筒１２内の地下水を加熱する際に冷却されて、ヒートポンプ７で再び利用可能となる。循環管３を流れる液体によって加熱された内筒１２内の地下水は、帯水層ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３からの外筒１１を経由した地下水の移動や、揚水手段８による揚水、あるいは、大気との接触等によって冷却される。
【００４８】
続いて、冬季などに暖房や給湯を行う場合を説明する。ヒートポンプ７は、循環管３を流れる液体から温熱をかき集め、かき集めた温熱を暖房や給湯に利用する。循環管３を流れる液体は、ヒートポンプ７において冷却される。ヒートポンプ７で冷却された循環管３内の液体は、内筒１２内の地下水を冷却する際に加熱されて、ヒートポンプ７で再び利用可能となる。循環管３を流れる液体によって冷却された内筒１２内の地下水は、帯水層ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３からの外筒１１を経由した地下水の移動や、揚水手段８による揚水、あるいは、大気との接触等によって加熱される。
【００４９】
このように、熱交換システム１によれば、仮に、複数の帯水層ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３のうち上層の帯水層ＷＢＬ１ばかりから、地中ＧＲＤの穴（井戸２）に地下水が流入する場合であっても、あるいはそれ以外の場合であっても、地中ＧＲＤの穴（井戸２）に流入した地下水を直ちにくみ上げてしまうことはなく、流入した地下水を地中ＧＲＤの穴（井戸２）の中で対流させることができる。そして、地中ＧＲＤの穴（井戸２）の中で生じた対流により、地中ＧＲＤの穴（井戸２）の中の地下水と、循環管３を流れる液体と、の間で熱を効率的に移動させることができる。これにより、熱交換システム１の利用価値が高まる。
【００５０】
また、送水手段１０を機能させた場合に、系外への地下水の排出量を抑制することができる。地下水温度計５ｂの計測結果と揚水温度計９の計測結果との組合せに基づいて、地中ＧＲＤの穴（井戸２）の中の地下水と循環管３を流れる液体との間での熱の移動に影響が少ない場合に送水手段１０を機能させることで、地中熱の有効利用と排水量の抑制との双方を同時に実現することができる。これにより、熱交換システム１の利用価値が高まる。
【００５１】
さらに、揚水手段８によってくみ上げられた地下水を浅い位置に返送するので、外筒１１内に返送された地下水が通水孔１４を介して直ちに内筒１２に流入してしまうことはなく、返送された地下水を外筒１１内で対流させることができる。そして、外筒１１内で生じた上方から下方への対流と、内筒１２内で生じた下方から上方への対流と、の双方向への対流により、外筒１１内の地下水と、内筒１２内の地下水と、の間で熱を効率的に移動させることができる。これにより、熱交換システム１の利用価値が高まる。
【００５２】
また、揚水ポンプ１６という一つの動力源を備えるだけで、系外への地下水の排出と、内筒１２内からくみ上げられた地下水の外筒１１内への返送と、の双方を行うことができる。これにより、熱交換システム１の利用価値が高まる。
【００５３】
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。すなわち、各構成の位置、大きさ、長さ、数量、形状、材質、タイミングなどは適宜変更できる。
【００５４】
すなわち、上記実施形態では、揚水手段８を構成する揚水ポンプ１６による動力によって送水手段１０が機能する場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、内筒１２内の地下水をくみ上げて外筒１１内へ返送する送水手段は、揚水手段８を構成する揚水ポンプ１６とは別の送水ポンプを備えることで、揚水手段８とは独立して機能するものであっても良い。
【００５５】
あるいは、上記実施形態では、地下水温度計測管５が外筒１１内に挿入されている場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、井戸２内の地下水の温度を計測することができれば良く、地下水温度計測管５が内筒１２内に挿入されているものであっても良い。
【００５６】
あるいは、上記実施形態では、深度の異なる複数の帯水層ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３に達する地中ＧＲＤの穴に熱交換システム１が設けられている場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一つの帯水層に達する地中ＧＲＤの穴に熱交換システム１が設けられているものであっても良い。一つの帯水層の深度は浅くても深くても良く、帯水層に達していれば、帯水層を貫通するように熱交換システム１が設けられていても良い。
【符号の説明】
【００５７】
１  熱交換システム
２  井戸
３  循環管
４  循環ポンプ
５  地下水温度計測管
５ａ  管本体
５ｂ  地下水温度計（第１水温計）
６  循環液温度計
７  ヒートポンプ
８  揚水手段
９  揚水温度計（第２水温計）
１０  送水手段
１１  外筒
１２  内筒
１３  スリット（浸水部）
１４  通水孔（通水部）
１５  揚水管
１６  揚水ポンプ
１７  切替弁
１８  送水管
２１  制御盤
２２  データロガー
２３  ＣＰＵ
２４  通信部
２５  判定部
２６  制御部
ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３  帯水層
ＧＲＤ  地中
ＳＳ  珪砂
【要約】
【課題】利用価値を高めた熱交換システムを提供する。
【解決手段】熱交換システム１は、深度の異なる複数の帯水層ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３に達する地中ＧＲＤの穴に立設される筒であって、側面に有するスリット１３を介して地下水が内部に流入する外筒１１と、外筒１１に収容される筒であって、下方に有する通水孔１４を介して地下水が内部に流入する内筒１２と、内筒１２内の地下水を、通水孔１４よりも浅い位置からくみ上げることで、内筒１２内に下方から上方に向けた対流を生じさせる揚水手段８と、地上のヒートポンプ７から内筒１２の内部に引き込まれて下方に向けて通されると共に、上方に折り返して内筒１２の外部に引き出され、ヒートポンプ７から送り出される液体を循環させる循環管３と、を備え、内筒１２内の地下水と、循環管３を流れる液体と、の間で熱を移動させる。
【選択図】図１【図１】
0006039856.tif 000002
【図２】
0006039856.tif 000003