(57)【要約】【課題】  潜熱蓄熱材を充填した熱交換効率及び蓄熱効率を高めた杭型熱交換装置の提供と、ソーラーコレクターの熱交換用配管とを組合せ、年間を通じて熱エネルギーの授受バランスを良好に維持することが可能な前記杭型熱交換装置を用いた蓄熱システムの提供。【解決手段】  所定深さ地中に埋設した杭１の中空部内に熱媒体を循環流通する熱交換用管状体２を配し、杭１の中空部内に潜熱蓄熱材３を充填して地中熱を利用する杭型熱交換装置５の提供、及び杭型熱交換装置５の内部に充填した潜熱蓄熱材３中に太陽熱利用のソーラーコレクター１０の熱媒体循環流通用の一部を熱交換部２２として挿入埋設して組合せ、地中に埋設した杭型熱交換装置５と周囲の土壌をも含めて一体の蓄熱領域Ｆを構成した杭型熱交換装置を用いた蓄熱システムの提供。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定深さ地中に埋設した杭の中空部内に熱媒体を循環流通する熱交換用管状体を配し、且つ前記杭の中空部内に潜熱蓄熱材を充填して地中熱を利用することを特徴とする杭型熱交換装置。
【請求項２】
請求項１記載の杭の中空部内に充填した潜熱蓄熱材中に太陽熱利用のソーラーコレクターの熱媒体を循環流通する配管の一部を熱交換部として挿入埋設し、地中に埋設した前記杭及び周囲の土壌をも含めて一体の蓄熱領域を構成したことを特徴とする杭型熱交換装置を用いた蓄熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、年間を通じて温度変化の少ない地中熱を利用する杭型熱交換装置及び杭型熱交換装置を用いた蓄熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地中熱を利用した建物の冷暖房設備、融雪設備等の地熱エネルギー利用システムが話題を呼んでいる。
【０００３】
地中熱利用システムには、建築物を建設する際に打つ基礎杭を熱交換の場として利用する方法が知られ、この基礎杭を利用するシステムでは、新たに熱交換用の井戸などを必要としないため、敷地や工事費の削減、工事期間の短縮が可能となる。コンクリート基礎杭を用いる方式と鋼管基礎杭を用いる方式、更には場所打ち杭方式があり、例えば、コンクリート基礎杭や鋼管基礎杭の場合、内部にＵ字管（Ｕチューブ）を挿入し、熱媒体がＵチューブ内を循環し、地中熱を吸（放）熱して利用するシステムが知られる。
【０００４】
また、「地中の熱をより効率的に杭の内部に伝えることができ、且つ施工性に優れた熱交換用鋼管杭として、杭本体外径の１．５〜３倍の外形を有する翼幅の杭ねじ込み用螺旋翼を、杭本体の外周面に１巻き以上突設し、かつ杭の下端に少なくとも掘削爪を備えた鋼管杭であって、杭中空内部に熱交換用配管を有することを特徴とする地熱利用の熱交換用鋼管杭」という公報が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１７７０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
然しながら、上述の特許文献１に係る従来例では、熱交換装置を構成する杭の空間部に充填する充填材について、蓄熱材としての発想がなく、充填材としてのみ限定して記載されており、更に太陽熱利用システムとの組合せ技術について何も記載が無く、課題が残る。
【０００６】
本発明は、上述の状況に鑑みて成されたもので、杭の中空部内に熱交換部を配すると共に、潜熱蓄熱材を充填して熱交換効率及び蓄熱効率を高めた杭型熱交換装置を提供すると共に、この杭型熱交換装置を地中所定深さに埋設し、ソーラーコレクターの熱交換部と組合せ、総合熱効率を高め、年間を通じて熱エネルギーの授受バランスを良好に維持することが可能な杭型熱交換装置及び該杭型熱交換装置を用いた蓄熱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】
本発明は、下記構成を備えることにより上記課題を解決できるものである。
【０００８】
（１）所定深さ地中に埋設した杭の中空部内に熱媒体を循環流通する熱交換用管状体を配し、且つ前記杭の中空部内に潜熱蓄熱材を充填して地中熱を利用する杭型熱交換装置。
【０００９】
（２）前項（１）記載の杭の内部に充填した潜熱蓄熱材中に太陽熱利用のソーラーコレクターの熱媒体を循環流通する配管の一部を熱交換部として挿入埋設し、地中に埋設した前記杭及び周囲の土壌をも含めて一体の蓄熱領域を構成した杭型熱交換装置を用いた蓄熱システム。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、杭の中空部内に熱交換部を配すると共に、潜熱蓄熱材を充填して熱交換効率及び蓄熱効率を高めた杭型熱交換装置を提供し、更にこの杭型熱交換装置を地中所定深さに埋設し、ソーラーコレクターの熱交換部と組合せ、総合熱効率を高め、年間を通じて熱エネルギーの授受バランスを良好に維持することが可能な杭型熱交換装置及び該杭型熱交換装置を用いた蓄熱システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る杭型熱交換装置及び該杭型熱交換装置を用いた蓄熱システムの実施の形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係る杭型熱交換装置の要部構成断面図、図２は、本発明に係る杭型熱交換装置を用いた蓄熱システムにおいて、ソーラーコレクターを組み込んだ場合の一例を示す模式的全体構成図である。
【実施例１】
【００１３】
所定深さＨを例えば、地表面Ｅより１〜３ｍとし、外径Ｄがほぼ１５０〜２００ｍｍ、長さ６〜７ｍの杭１（鋼管杭）を地中に埋設し、この杭１の中空部内に水、不凍液等の熱媒体を循環流通するための例えば、螺旋状に巻回した熱交換用管状体（パイプ）２からなる熱交換部を配し、前記杭１の中空部内に例えば、有機系の潜熱蓄熱素材をカプセル化した潜熱蓄熱材３を充填して地中熱利用の杭型熱交換装置５を形成したことを特徴とする。
【００１４】
螺旋状に巻回した熱交換用管状体（パイプ）２の上部には、負荷設備８とポンプ９を介して送出配管６と戻り配管７と接続するための接続部６ａ、７ａを設けてある。尚、杭は、基礎杭に用いられる既存の鋼管杭を利用可能である。
【００１５】
熱を運ぶ熱媒体としては、水、及び地域の環境特性を考慮して濃度調節した不凍液、並びに粘性の低目な流動性の良い油類等の媒体が挙げられる。
【００１６】
潜熱蓄熱材３は、例えば有機系の潜熱蓄熱素材を耐熱性が大きく、且つ丈夫な合成樹脂製のカプセルに収めた潜熱蓄熱材であり、カプセルの大きさは自由に選定でき、例えば５０μｍ以下１μｍ程度まで微粒化が可能である。然しこのカプセルの大きさは限定するものではない。
【００１７】
樹脂製のカプセル被膜は、耐熱性及び耐久性に優れ、カプセル内の蓄熱素材は７０℃以下の条件で自由にその融点を選定でき、カプセル内で蓄熱素材が融解と凝固を繰り返して潜熱の蓄熱と放熱が行われる。
【００１８】
例えば、この潜熱蓄熱材３を防錆剤を含んだ不凍液（濃度調節した）中に分散させ液状化し、鋼管杭の中空部内に充填して用いることができる。
【００１９】
尚、潜熱蓄熱材として、アイスノン（登録商標）を用いることもできる。
【００２０】
杭型熱交換装置５の先端部は円錐形状５ａを呈し、その先端の円錐形状５ａの両側にパイプの先端を潰して捻って出来たような翼形状を呈し且つドリル先端類似形状の掘削刃５ｂが設けられ、地中に埋設する際に回転しながら掘削し、埋設し易い形状になっている。
【００２１】
５ｃは、キャップ部であり、杭型熱交換装置５内に異物が混入するのを防止するため、杭の頂部に被嵌して使用する。
【００２２】
杭の太さや長さは、設置条件や地域の特性、更には規模に応じて適宜決めることが出来る。
【実施例２】
【００２３】
実施例２は、杭１の内部に充填した潜熱蓄熱材３中に太陽熱利用のソーラーコレクター１０の熱媒体を循環流通する配管の一部を熱交換部２２として挿入埋設し、地中に埋設した杭１及び周囲の土壌をも含めて一体の蓄熱領域Ｆを構成したことを特徴とする。
【００２４】
即ち、地中熱利用の杭型熱交換装置５を構成する杭１の中空部内に充填した潜熱蓄熱材３中に、例えば太陽熱Ｓ利用のソーラーコレクター１０の熱媒体を送出する一次側送出配管１１の負荷設備１３（この場合、給湯設備）との熱交換後の二次側戻り配管１２ａ、１２ｂの途中配管部分を形成する熱交換部(この場合、Ｕ字管)２２を挿入埋設して組合せ、更に地中に埋設した杭型熱交換装置５と周囲の土壌の蓄熱容量を付加し、この土壌も含めて一体の蓄熱領域Ｆを構成したものである。
【００２５】
負荷設備１３を形成する給湯設備は給水部１５、給湯部１６を有し、ソーラーコレクター１０の送出配管接続部１０ａから一次側送出配管１１を通って送出される熱媒体と熱交換部１４を介して熱交換され、給水を昇温して給湯することになる。この時熱交換後の熱媒体はポンプ１９を介し二次側戻り配管１２ａと１２ｂの途中配管部分２２を形成する熱交換部を経由してソーラーコレクター１０に、戻り配管接続部１０ｂを経て戻される。
【００２６】
給湯設備は、給湯温度が所定温度に達した時、ソーラーコレクターから送給される熱媒体を切換弁及びポンプを介して直接杭型熱交換装置に送給するためのバイパス回路（配管）を設けてある。
【００２７】
即ち、給湯温度が例えば４５℃に達した場合、熱媒体をバイパスするように制御手段２０で設定しておくことで、余分な熱媒体はバイパス配管２１を通って杭型熱交換装置５のＵ字管を形成する熱交換部２２で潜熱蓄熱材３に蓄熱して戻り配管１２ｂを経て戻り配管接続部１０ｂからソーラーコレクター１０に戻る。
【００２８】
給湯温度が所定温度例えば４５℃に達してバイパス配管に切換わる場合は、通常矢印イ、ロ、ハ、ニ、ホ、ヘの順の流れが、第１切換弁（３方弁）１７と第２切換弁（３方弁）１８の切換動作により、熱媒体の流れはイ、ト、ニ、ホ、ヘのバイパス配管を経由した流路に切換わる構成となっている。外気温の高い夏季の動作は上記のような態様を示し、外気温が低い冬季や天候の良くない時は、杭型熱交換装置５及び蓄熱領域Ｆに蓄熱された熱を、例えば負荷設備８を形成する床暖房等の暖房パネルに利用し、また、太陽熱を利用するソーラーコレクター１０へはＵ字管を形成する熱交換部２２が予熱部の役目をして、給湯設備等の負荷設備の加温用熱媒体として機能することになる。９は熱媒体循環用のポンプである。
【００２９】
Ｕ字管を形成する熱交換部２２は、螺旋状に巻回したコイル形状としても良い。
【００３０】
尚、規模の大きさや環境条件に応じて、杭型熱交換装置５の本数は２本以上複数本適宜選定することが出来る。
【００３１】
尚また、杭型熱交換装置５と周囲の土壌をも含めて一体の蓄熱領域Ｆの周囲には該蓄熱領域Ｆを区別するため例えば、杭型熱交換装置５の周囲に適正距離を置いてコンクリート壁で囲繞しても良い。こうすることで、周囲の土壌温度より昇温した蓄熱領域Ｆから周囲の土壌中に放熱されるのを防ぎ、蓄熱効率を向上させることが出来る。
【００３２】
即ち、本発明は、潜熱蓄熱材を充填した熱効率の良い杭型熱交換装置を提供すると共に、地中熱と太陽熱を組合せて効率良く蓄熱する蓄熱システムを提供し、ソーラーコレクターで昇温した熱媒体を給湯設備に送給して熱交換し、熱交換後の熱媒体をポンプを介して杭型熱交換装置の前記Ｕ字管を形成する熱交換部に送給して熱の授受を行い熱交換後の熱媒体を前記ソーラーコレクターに戻してソーラー熱循環閉回路を形成する一方、床暖房パネル等の暖房パネルと地中に埋設された杭型熱交換装置とをポンプを介し接続して地中熱循環閉回路を形成し、夏季の蓄熱の多い時期と冬季の利用熱の多い時期とを相殺して年間を通じ熱授受のバランスを良好に維持可能とする杭型熱交換装置を用いた蓄熱システムを提供することが出来る。
【００３３】
更に尚、本発明に係る杭型熱交換装置は、建物の基礎杭と兼用する場合、杭型熱交換装置本体部分が地中に１〜３ｍ以上埋没し外気温に影響されない条件で使用する必要があり、更にメンテナンス時を考慮して建物の外壁に沿った基礎杭を利用することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る杭型熱交換装置の要部構成断面図
【図２】本発明に係る杭型熱交換装置を用いた蓄熱システムにおいて、ソーラーコレクターを組み込んだ場合の一例を示す模式的全体構成図
【符号の説明】
【００３５】
１  杭（杭本体）
２  熱交換用管状体（パイプ）
３  潜熱蓄熱材
５  杭型熱交換装置
５ａ  円錐形状
５ｂ  掘削刃
５ｃ  キャップ部
６、１１  送出配管（一次側送出配管）
７、１２ａ、１２ｂ  戻り配管（二次側戻り配管）
８、  負荷設備（暖房パネル）
９、１９  ポンプ
１０  ソーラーコレクター
１０ａ  送出配管接続部
１０ｂ  戻り配管接続部
１３  負荷設備（給湯設備）
１４  熱交換部
１５  給水部
１６  給湯部
１７  第１切換弁（３方弁）
１８  第２切換弁（３方弁）
２０  制御手段
２１  バイパス配管（バイパス回路）
２２  熱交換部
Ｅ  地表面
Ｆ  蓄熱領域
Ｓ  太陽熱
【図１】
2006071134.tif 000003
【図２】
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