(57)【要約】【課題】地下水利用ヒートポンプシステムの地下水をヒートポンプの熱源とする場合はヒートポンプ凍結のおそれがあるために採熱できる温度差が小さい。また、地中熱利用ヒートポンプシステムの場合は熱源水としてブラインを用いるが、地中から吸熱できる熱量が少ないため、地中熱交換器の合計長さが大きくなり、コストアップとなる。【解決手段】水熱源ヒートポンプの熱源水としてブラインを用い、そのブラインを還元井及び地中熱井を兼用した熱交換器において地下水及び地中から熱を吸熱し、さらに水−水熱交換器において地下水と熱交換して地下水から熱を吸熱する。また、地下水脈から抽出した地下水の元の地下水脈に地下水を戻すために還元井戸にＵチューブ熱交換器を挿入し、Ｕチューブの外とケーシングの間は透水性をもった充填材により充填し、地表部から水が溢れないようにする蓋を擁した還元井及び地中熱井を兼用した装置を用いる。【選択図】図１
2008309382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートポンプシステムにおいて、水熱源ヒートポンプの熱源水としてブラインを用い、そのブラインを還元井及び地中熱井を兼用した熱交換器において地下水及び地中から熱を吸熱し、さらに水−水熱交換器において地下水と熱交換して地下水から熱を吸熱する方法。
【請求項２】
地下水脈から抽出した地下水の元の地下水脈に地下水を戻すために地下水脈部分にメッシュを擁したケーシングをもつ還元井戸にＵチューブ熱交換器を挿入し、Ｕチューブの外とケーシングの間は透水性をもった充填材により充填し、地表部から水が溢れないようにする蓋を擁する、地中と還元する地下水から熱を吸熱する請求項１記載の還元井及び地中熱井を兼用した装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下水利用ヒートポンプシステム及び地中熱利用ヒートポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の地下水利用ヒートポンプシステムは地下水（井水）をくみ上げて水熱源（水冷式）ヒートポンプの熱源とし、熱交換した後の地下水は地盤沈下防止のために還元井戸に還元するというものである（例えば、非特許文献１参照。）。ヒートポンプの熱源としては地下水を直接用いる方法と、地下水とブラインを水−水熱交換器で熱交換し、ヒートポンプの熱源としてはそのブラインを用いるという方法がある。
また、地中熱利用ヒートポンプシステムはＵチューブや同軸熱交換器等の地中熱交換器により地中から熱を吸熱するものである（例えば、非特許文献２参照。）。
【非特許文献１】「地熱」  第３９巻  第１号、２００２年、ｐ．６３
【非特許文献２】「日本地熱学会誌」  第２７巻  第４号、２００５年、ｐ．２６３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、地下水利用ヒートポンプシステムの地下水を直接ヒートポンプの熱源とする場合はヒートポンプ内蒸発器凍結のおそれがあるために採熱できる温度差が小さい。例えば、地下水をヒートポンプより吸熱した後の温度は通常５℃程度までとされ、これ以下の温度では突然の停電等でヒートポンプ内の凍結のおそれがあるために運用を控える必要がある。また、地下水とブラインを熱交換するシステムでもブライン温度が氷点下になると突然の停電等で地下水の凍結が起こる可能性がある。また、水−水熱交換器容量を大きくすれば利用できる熱量は増えるがその分熱交換器のコストが増大する。
また、地中熱利用ヒートポンプシステムの場合は熱源水としてブラインを用いるが、地中から吸熱できる熱量が少ないため、地中熱交換器の合計深さが大きくなり、コストアップとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
水冷式ヒートポンプの熱源水としてブラインを用い、そのブラインを還元井及び地中熱井を兼用した熱交換器において地下水及び地中から熱を吸熱し、さらに水−水熱交換器において地下水と熱交換して地下水から熱を吸熱する。また、地下水脈から抽出した地下水を元の地下水脈に戻すために地下水脈部分にメッシュを擁したケーシングをもつ還元井戸にＵチューブ熱交換器を挿入し、Ｕチューブの外とケーシングの間は透水性をもった珪砂などの充填材により充填し、地表部から水が溢れないようにする蓋を擁した、地中と還元する地下水から熱を吸熱する請求項２記載の還元井及び地中熱井を兼用した熱交換器を用いるという、請求項１の方法により解決する。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、地下水を水−水熱交換器で熱交換しさらに還元井及び地中熱井を兼用した熱交換器により熱交換することにより、従来の地下水利用ヒートポンプシステムと比べてヒートポンプの熱源として利用できる熱量を大きくとることができ、さらに、地中熱利用ヒートポンプシステムと比べて同じ地中熱交換器深さ当たりの採熱量を多くとる事ができる。
また、地下水利用ヒートポンプシステムでは抽出井より抽出した地下水は地盤沈下影響がないように地下に還元する必要があるが、本発明により、還元井において地下水脈からケーシングとメッシュにより抽出した地下水の元の地下水脈に地下水を戻すことができるとともに、間接的に熱交換するＵチューブも還元井内に設置されているため、地下水の還元水とＵチューブとの強制対流熱伝達と地中からの採熱により、従来の地中熱交換器よりも単位深さ当たりの採熱量の大きい地中熱交換器として兼用できる。
このため、還元井と地中熱井のトータルコストが低減できる。
このように地下水を水−水熱交換器とさらに還元及び地中熱井により２回熱交換して採熱することにより、水−水熱交換器だけのシステムと比べて多くの採熱量となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の請求項１に記載の発明は、図１のように、水熱源ヒートポンプ１と抽出井２と水−水熱交換器４と還元及び地中熱井３とそれらを結ぶ地下水配管とブライン配管としたものである。地下水側から見ると、地下水は抽出井２よりポンプ６により抽出され、水−水熱交換器４を通過して放熱し、複数の還元及び地中熱井３に分配されて流れ、ケーシング内かつＵチューブ１３の外の透過性のある充填材の中を通り、元の地下水脈１５へ流れる。還元及び地中熱井３の地表部より地下水が溢れないように蓋を設置する。ブライン側からみると、ブラインはポンプ５により循環し、ヒートポンプ内の熱交換器７で放熱した後、分配されて還元及び地中熱井３のＵチューブ１３へ流れて地下水及び地中より吸熱して地上で集まり、水−水熱交換器４で地下水より吸熱してポンプ５に戻りこれを繰り返す。
【０００７】
本発明の請求項２に記載の発明は、図２のように、井戸の中にケーシング１６があり、下部にメッシュ１７があり、地表部に蓋１９があり、そのケーシングの中にＵチューブ１８があり、そのＵチューブ１８とケーシング１６の間には透水性をもつ充填材４０を充填させることにより、地下水を還元するとともに、Ｕチューブ１８により地下水から熱を吸収することができるという還元井と地中熱井の両方の特性をもつことができ、さらに通常の地中熱交換器よりも単位深さ当たりの採熱量を増やすことができる。
【実施例】
【０００８】
（本発明の請求項１および請求項２に記載の発明の実施例）
図３に本発明の請求項１および請求項２に記載の発明の実施例を示す。
図３は暖房および冷房を行うときの実施例である。ブライン配管３６は分配して複数台の水熱源ヒートポンプ２５に接続している。還元および地中熱井２６は井水還元量に応じて本数を調整することができる。
【０００９】
最初に、暖房時について説明する。ここでは水熱源ヒートポンプ２５は直膨方式であり、暖房時の空調機２９は凝縮器となる。
【００１０】
地下水を中心に考えると、地下水は抽出井２７から井水ポンプ３０によって抽出され、熱交換器３２で放熱し、地下水配管３４で分配されて還元および地中熱井２６に入り、ケーシング内の透水性を持つ充填材３５を通り地中４３より吸熱するとともにＵチューブ３８に放熱し、元の地下水脈４４に戻る。このとき熱交換した後の地下水が元の抽出井２７から再度抽出されないように、還元及び地中熱井２６の設置位置は抽出井２７に対して地下水脈の下流にあるとよい。
【００１１】
例えば、地中温度が１０℃と仮定した場合、地下水温度も１０℃になると考えられる。抽出井２７より１０℃の地下水を汲み上げ水−水熱交換器３２にて放熱して５℃となり、地下水配管３４を通り、還元及び地中熱井２６でさらに放熱して温度が低下する。この時一部地中４３より吸熱するがＵチューブ３８への放熱量の方が多い。その計算結果については後に述べる。
【００１２】
ケーシング内で地下水脈に到達するまでに氷点下になると、凍結のおそれがあるので氷点下にならないように、流量や充填材の透過率に注意する。また、停電等で井水ポンプが停止した場合はＵチューブ内のブラインが氷点下になる場合があるため、Ｕチューブ周りが若干凍結する可能性もあるが、重力による地下水還元による水流があるため凍結しにくく、また、地中から熱を吸熱するため温度が回復すると考えられ、さらに、地下水回路は開放回路であるので凍結による膨張の影響がほとんどない。
【００１３】
ブラインを中心に考えると、ブラインは、ブラインポンプ３１により搬送され、水熱源ヒートポンプ２５の蒸発器４２で放熱し、ブライン配管３７で分配されて、還元及び地中熱井２６内のＵチューブ３８にて吸熱し、地上に戻りブライン配管３９を通って水−水熱交換器３２にてさらに吸熱し、ブラインポンプ３１へ戻りこれを繰り返す。
【００１４】
例えば、水熱源ヒートポンプ２５の蒸発器４２のブライン入口温度が５℃、出口温度が−５℃となり、Ｕチューブ３８で吸熱して０℃となり、水−水熱交換器３２で吸熱して５℃となる。
【００１５】
このような順序で水−水熱交換器、水熱源ヒートポンプ、還元及び地中熱井について熱交換を行わないと、高い熱源温度を確保することができない。
【００１６】
次に、冷房時について説明する。ここでは水熱源ヒートポンプは直膨方式であり、冷房時空調機２９は蒸発器となる。
【００１７】
地下水を中心に考えると、地下水は井水ポンプ３０で抽出され、水−水熱交換器３２で吸熱し、地下水配管３４で分配されて還元及び地中熱井２６に入り、ケーシング内の透水性を持つ充填材３５を通り地中４３へ放熱するとともにＵチューブ３８から吸熱し、元の地下水脈４４に戻る。
【００１８】
例えば、地中温度、地下水温度が年間を通して一定の１０℃と仮定した場合、地下水は抽出井２７より１０℃の地下水を汲み上げられ、水−水熱交換器３２にて吸熱して１５℃となり、地下水配管３４を通り、還元及び地中熱井２６でさらに吸熱して温度が上昇して地下水脈４４へ戻る。この時一部地中４３へ放熱するがＵチューブ３８からの吸熱量の方が多い。その計算結果については後に述べる。
【００１９】
同様にブラインを中心に考えると、ブラインは、ブラインポンプ３１により搬送され、水熱源ヒートポンプ２５の凝縮器４２で吸熱し、ブライン配管３７で分配されて、還元及び地中熱井２６内のＵチューブ３８にて放熱し、地上に戻りブライン配管３９を通って水−水熱交換器３２にてさらに放熱し、ブラインポンプ３１へ戻りこれを繰り返す。
【００２０】
例えば、水熱源ヒートポンプの凝縮器ブライン入口温度が２０℃、出口温度が３０℃となり、Ｕチューブ３８で放熱して地上で２５℃となり、水−水熱交換器３２で吸熱して２０℃となる。
【００２１】
このように本発明を用いれば、冷暖切り替え可能な水熱源ヒートポンプを用いることが可能である。
【００２２】
ブライン配管については、地中温度が高いなどで凍結温度にならなければブラインは水でも構わない。
【００２３】
請求項２の還元及び地中熱交換器の採熱効果を簡易的な方法で計算する。
【００２４】
まず、比較のために通常のＵチューブ地中熱交換器の採熱量を計算する。
Ｕチューブは管の内径に比べて十分長い管であり、先端のＵ部分の計算は無視する。また、Ｕチューブは２本であるが、簡単のために２本の内径の断面積の合計と同じ内径の断面積で同じ配管厚さをもつ１本の仮想チューブとみなす。また、仮想チューブの温度はＵチューブの入口・出口の平均温度として一定とする。
図４のようにパイプ（熱伝導率λ１［Ｗ／ｍ・Ｋ］、中心からの距離ｒ１［ｍ］〜ｒ２［ｍ］の部分）と土（熱伝導率λ２［Ｗ／ｍ・Ｋ］、中心からの距離ｒ２［ｍ］〜ｒ３［ｍ］の部分）の単位長さの円筒面を通過する熱量φ［Ｗ／ｍ］はフーリエの法則を用いて数１のようになる。ここで、パイプ内表面ｒ１で温度はｔ１［℃］、パイプ外表面ｒ２で温度はｔ２［℃］、土壌半径ｒ３で温度はｔ３［℃］とする。
【数１】
2008309382.tif 000003
【００２５】
土壌温度を１０℃、土壌直径を５．５ｍ、土壌熱伝導率を２．０Ｗ／ｍ・Ｋ、Ｕチューブの内径２７ｍｍ、Ｕチューブの肉厚３．５ｍｍ、Ｕチューブの熱伝導率０．４２Ｗ／ｍ・Ｋ、入り口温度−５℃、出口温度０度とすると、１ｍあたりの仮想チューブ当たりの採熱量は２８Ｗ／ｍとなった。
【００２６】
次に、請求項２の還元及び地中熱交換器の採熱効果を計算する。
Ｕチューブは管の内径に比べて十分長い管であり、先端のＵ部分の計算は無視する。また、Ｕチューブは２本であるが、簡単のために２本の内径の断面積の合計と同じ内径の断面積で同じ配管厚さをもつ１本の仮想チューブとみなす。また、仮想チューブの温度はＵチューブの入口・出口の平均温度として一定とする。ここまでは普通のＵチューブと同様である。
ケーシング内かつ仮想チューブの外に透過性のある充填材があり地下水が流れる。地下水は仮想チューブに放熱し、地中から吸熱する。計算では深さ方向に１ｍずつ区切り、その区間内では水温は一定と仮定する。また、地下水とケーシング内表面の熱伝達抵抗と地下水と仮想チューブ外表面の熱伝達抵抗は十分に小さいとして無視する。また、充填材の熱伝導についてはすべて地下水に熱が伝わるとして無視する。地中から吸熱する熱量と仮想チューブへ放熱する熱量は、次の１ｍでの水温に反映させる。これを繰り返すことにより還元井の深さまで計算させる。
土壌から地下水に得られる熱量をφｓ［Ｗ／ｍ］、地下水から仮想チューブに与える熱量をφｕ［Ｗ／ｍ］、地下水部分に与えられる熱量をφｗ［Ｗ／ｍ］、仮想チューブの採熱量φ［Ｗ／ｍ］はフーリエの法則を用いて数２のようになる。
【数２】
2008309382.tif 000004
2008309382.tif 000005
2008309382.tif 000006
2008309382.tif 000007
ここで、ｒ：中心からの距離、λ：熱伝導率、ｔ：温度
仮想チューブ（ｒ１≦ｒ≦ｒ２、λ＝λ１）
地下水部分（ｒ２≦ｒ≦ｒ３、ｔ＝ｔ２＝ｔ３）
ケーシング（ｒ３≦ｒ≦ｒ４、λ＝λ３）
土壌（ｒ４≦ｒ≦ｒ５、λ＝λ４）
（仮想チューブ内表面ｒ１での温度（＝地中熱温度）はｔ１［℃］、仮想チューブ外表面ｒ２で温度はｔ２［℃］、ケーシング内表面ｒ３で温度はｔ３、土壌半径ｒ５で温度はｔ５［℃］とする）
【００２７】
通常のＵチューブ地中熱交換器と同様に、土壌温度を１０℃、土壌直径を５．５ｍ、土壌熱伝導率を２．０Ｗ／ｍ・Ｋ、Ｕチューブの内径２７ｍｍ、Ｕチューブの肉厚３．５ｍｍ、Ｕチューブの熱伝導率０．４２Ｗ／ｍ・Ｋ、入り口温度−５℃、出口温度０度とした。
また、ケーシング熱伝達率５０Ｗ／ｍ・Ｋ、ケーシング内径１５０ｍｍ、ケーシング肉厚１０ｍｍ、透過性をもつ充填材の空隙率γは１０％、還元井水量Ｑは２５Ｌ／ｍｉｎ、ケーシング内の井水通過断面積はケーシング内面積からＵチューブ外断面積（単管２本分）を引いた値とする。井水の比熱を１ｋｃａｌ／Ｌ、比重を１ｋｇ／Ｌとして、井水が１ｍ通過して低下する温度はφｗ×０．８６／（６０Ｑ）［℃］となる。
これを深さ１００ｍまで計算した結果を表１、表２、図５、図６にまとめた。
表１、表２は深さ１ｍごとに深さ１００ｍまで、井水温度、井水と地中熱（ブライン）の温度差、（地中熱ブラインへの）井水放熱量、土壌と井水の温度差、（土壌からの）井水吸熱量、（井水の）温度低下を示したものである。井水温度がケーシング内を進むにつれて低下する様子がわかる。井水温度が低下すると、地中熱ブライン温度との温度差が小さくなるので地中熱ブラインへの井水放熱量が低下するが、逆に、土壌と井水の温度差が大きくなり土壌からの井水吸熱量が増加する。ただし、井水吸熱量よりも井水放熱量の方が大きいため、図５のように全体的には井水温度は下降する。
還元及び地中熱井の地中熱ブラインの採熱量の平均値を図６で示す。深さ１００ｍの時は８６Ｗ／ｍとなり、この条件においては通常のＵチューブ地中熱交換器に比べると３倍以上の採熱量を得ることができることがわかった。
【００２８】
冷房時についても同様にこのような計算が可能である。
【００２９】
また、水熱源ヒートポンプは直膨方式だけでなく、冷水、温水を生成するヒートポンプチラーでも利用できる。
【００３０】
これらの計算は定常状態を推定しており、負荷最大ピーク時の状態を推定することができるため、地下水及び地中熱ヒートポンプシステムの熱源容量設計に有用である。
【表１】
2008309382.tif 000008
【表２】
2008309382.tif 000009
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本願発明は、空調、給湯、床暖房、浴槽加熱、プール加熱及び道路や駐車場の融雪について有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の請求項１に記載の発明である、水熱源ヒートポンプと抽出井と水−水熱交換器と還元及び地中熱井とそれらを結ぶ地下水配管とブライン配管を示したものである
【図２】本発明の請求項２に記載の発明である、井戸の中にケーシングがあり、下部にメッシュがあり、地上部に蓋があり、そのケーシングの中にＵチューブがあり、そのＵチューブとケーシングの間には透水性をもつ充填材を充填させた、還元井と地中熱井の両方の特性をもつ装置（還元及び地中熱井）を示したものである。
【図３】本発明の請求項１および請求項２に記載の発明の実施例を示したものであり、空調を利用する場合のヒートポンプシステムを示している。図中の括弧内ではない温度は暖房時の地下水、ブライン、地中の温度例であり、括弧内の温度は冷房時の地下水、ブライン、地中の温度例を示す。
【図４】通常のＵチューブ地中熱交換器の採熱量を計算するための図。
【図５】本発明の請求項２に記載の発明である還元及び地中熱井を用いた場合の、その深さにおける井水温度を計算した結果の一例のグラフ。
【図６】本発明の請求項２に記載の発明である還元及び地中熱井を用いた場合の、その深さに応じた平均採熱量を計算した結果の一例のグラフ。
【符号の説明】
【００３３】
１  水熱源ヒートポンプ
２  抽出井
３  還元及び地中熱井（ケーシング）
４  水−水熱交換器
５  ブラインポンプ
６  井水ポンプ
７  熱交換器（蒸発器または凝縮器）
８  地下水配管
９  地下水配管
１０  ブライン配管
１１  ブライン配管
１２  ブライン配管
１３  Ｕチューブ（ブライン配管）
１４  地中
１５  地下水脈
１６  ケーシング部
１７  メッシュ部
１８  Ｕチューブ（ブライン配管）
１９  蓋
２０  地下水配管
２１  ブライン配管（往）
２２  ブライン配管（還）
２３  地中
２４  地下水脈
２５  水熱源ヒートポンプ
２６  還元及び地中熱井
２７  抽出井
２８  冷媒配管
２９  室内空調機
３０  井水ポンプ
３１  ブラインポンプ
３２  水−水熱交換器
３３  地下水配管
３４  地下水配管
３５  透過性のある充填材および地下水
３６  ブライン配管
３７  ブライン配管
３８  Ｕチューブ（ブライン配管）
３９  ブライン配管
４０  透過性のある充填材および地下水
４１  透過性のある充填材および地下水
４２  蒸発器および凝縮器
４３  地中
４４  地下水脈
【図１】
2008309382.tif 000010
【図２】
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【図３】
2008309382.tif 000012
【図４】
2008309382.tif 000013
【図５】
2008309382.tif 000014
【図６】
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