(57)【要約】【課題】熱交換用の配管と杭の内部空間との熱交換の効率を高めることができ、場合によっては流動性のある熱媒体を杭内の空間に充填しても漏れが発生せず、施工性、メンテナンス性の良い地中熱熱交換用杭の提供。【解決手段】既成杭の本体中空部内に、熱媒体が流動する熱交換用配管を有し、その配管の少なくとも一部が蛇腹状であることを特徴とする地中熱熱交換用杭。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
既成杭の本体中空部内に、熱媒体が流動する熱交換用配管を有し、その配管の少なくとも一部が蛇腹状であることを特徴とする地中熱熱交換用杭。
【請求項２】
請求項１に記載の杭が組み込まれたことを特徴とする地中熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中の熱を利用して、空調や輻射冷暖房および給湯等に利用する地中熱熱交換用杭に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地中の温度は一年中にわたって温度変化が少ない。そのため、夏季は気温に対して地中の温度が低く、冬季は気温に対して地中の温度が高い。そこで、夏季もしくは冬季において杭を利用し、地中と地上との間で熱交換を行うことにより、空調の熱源とする装置が提案されている（特開平０１−１２３９５１号公報）。
特開平１−１２３９５１号公報の場合、杭の本体内の熱媒体が流動する配管と杭内の中空部に充填された砂または砂利との熱交換の効率を上げることには配慮されていないため、熱交換の効率が悪く、地中熱を十分に利用できてはいなかった。
【０００３】
また、特開平１１−３３６００８号公報には、コンクリート製中空杭の本体内に熱媒体が流動するパイプを螺旋状に埋設し、そのパイプが蛇腹状の熱交換パイプであることが記載されている。
この場合、蛇腹状のパイプをコンクリート杭の本体内に埋設してしまうため、メンテナンス性は考えられていない。
また、現在、杭内の熱交換用の配管としては、一般的に架橋ポリエチレン等のプラスチック系の配管が主に用いられているが、湾曲性に劣るため、杭内へ熱交換用の配管を設置するとき、杭内への配管の出し入れが非常に面倒であり、下端での折り返しには専用のＵ字状の配管を準備する必要があった。さらに杭長によっては、途中でプラスチック系の配管を施工現場で繋ぐ必要があったため、施工性、及び配管の中を通る熱媒体の漏れに対する信頼性に劣っていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１−１２３９５１号公報
【特許文献２】
特開平１１−３３６００８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、熱交換用の配管と杭の内部空間との熱交換の効率を高めることができ、場合によっては流動性のある熱媒体を杭内の空間に充填しても漏れが発生せず、施工性、メンテナンス性の良い地中熱熱交換用杭を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、杭の内部空間に、熱媒体が流動する配管を有し、その配管の少なくとも一部を蛇腹状にすることにより、表面積が大きくなることから熱交換の効率を上げ、さらに折り曲げ性が良好なため施工性に優れることを見出し、本発明を完成するに到った。
即ち、本発明は、下記のとおりである。
１．既成杭の本体中空部内に、熱媒体が流動する熱交換用配管を有し、その配管の少なくとも一部が蛇腹状であることを特徴とする地中熱熱交換用杭。
２．前記１．に記載の杭が組み込まれたことを特徴とする地中熱利用装置。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明につき、特にその好ましい態様を中心に、説明する。
本発明の地中熱熱交換用杭は、杭、杭の内部に設置した熱交換用の配管、配管と杭本体の空間を埋める充填材、および配管内を流れる熱媒体から基本的に構成される。
本発明に用いられる杭は、既成杭である。具体的には、鋼管杭、コンクリートパイル、ソイルセメント柱体と鋼管を一体化させたソイルセメント合成杭等が挙げられる。また、杭の管壁に接触する形で断熱等の処理を施したものを利用しても良い。
【０００８】
熱交換用杭の先端は閉塞されているか、もしくは杭の途中で障壁により杭内部が区切られていることが好ましい。この場合、杭を埋設前に、閉塞もしくは杭内部を区切ってあっても良いし、杭埋設後に、閉塞もしくは杭内部を区切っても構わない。内部を区切る場合、その上部の空間と下部の空間は、連通していないことが好ましい。杭を閉塞する方法としては、蓋等を杭の先端、杭の途中に溶接する方法、杭埋設後にセメント、接着剤等を杭の内部から杭の先端に落としこみ、閉塞する方法等が挙げられる。杭の途中で障壁により杭内部を区切る場合には、杭の継ぎ手で蓋等を付けると手間が省けてよい。
【０００９】
杭本体の外周に、杭本体外径の１．５〜３倍の外径を有する翼巾の杭ねじ込み用螺旋翼を有することが好ましい。
杭の施工方法は、残土の発生がない回転埋設方式で行うことが好ましい。また、回転埋設方式で施工することにより、埋設時に掘削軟化した土砂を杭側面に押し出し圧縮するため、杭周縁の土砂の密度は高くなり、熱伝導率は上がる。このため、熱交換の効率は良くなる。
【００１０】
杭の内部に設置する熱交換用の配管は、杭内に熱媒体を流入する送り管と杭内から熱媒体を流出する還り管を備えており、杭内の熱交換用の配管は、連続的につながっていることが好ましい。配管の形状は管壁形状が長さ方向に波型をした蛇腹パイプ（フレキシブルパイプ）を使用することが好ましく、吸熱面積の増大と折り曲げ加工が容易である。そうすることにより、施工時に杭内へ熱交換用の配管を入れる場合でも、杭内で熱交換用の配管を繋ぐ必要はなく、折り返し部分で専用のＵ字管を用意する必要もない。この波型の形状を取ることによって、内部を通る熱媒体の流れは乱流となり、熱交換の効率はさらに高くなる。熱交換用の配管の材質は、蛇腹状であれば金属製、プラスチック製のものを任意に用いればよいが、好ましいものは、金属製の配管で、銅管、ステンレス管、アルミ管、および鋼管等が挙げられる。この中でも、特に好ましいものはステンレス管である。配管の径は、杭本体の内径、使用態様に合わせて選択すれば良いが、好ましい範囲は３ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。さらに好ましい範囲は５ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。また、１本の杭の内部に通す配管の本数は複数本あっても良い。
【００１１】
また、杭内の配管の形状は、通常の凹凸のないもの、管壁形状が長さ方向に波型をした蛇腹パイプ（フレキシブルパイプ）、配管に放熱板（フィン）を取り付けたもの等が挙げられる。特に好ましいものは、蛇腹パイプであり、凹凸の形状が熱交換の表面積を広げ、かつ配管内の熱媒体の流れが、乱流となるため、熱交換効率が上がる。また、蛇腹パイプは巻物であるため施工現場までの運搬が簡単であり、折れ曲がり性に優れているため、杭内への出し入れ等の施工性に優れている。
【００１２】
熱交換用の配管を通す熱媒体は、水、オイル、不凍液、空気などである。
熱交換用の配管と杭本体の空間を埋める充填材としては、水、コンクリート、モルタル、砂、砂利、軽量気泡コンクリートの粉砕物、金属片、鋼球、ステンレス製の球体等が挙げられる。
地中熱利用装置としてシステムを構築する場合、地中熱熱交換用杭の他に、循環用のポンプ、建物内の冷暖房用の配管、建物内の配管と熱交換用鋼管杭を連結するための配管等が挙げられる。
【００１３】
循環用のポンプは、熱媒体を循環するのに十分な能力を備えているものであれば良い。
建物内の配管と建物内と杭を連結する配管は、材質、配管径に関しては、使用態様に応じ任意に決めればよい。
建物内に配管を設置する場所としては、壁、床、天井、屋根、基礎等が挙げられる。また、この配管は、床暖房温水パネル等のパネル内に組み込まれていても構わない。
この他に、必要に応じ地中を通ってきた熱媒体を加熱するための、ボイラー、ヒートポンプ等をシステムとして組み入れても構わないし、集熱源と杭を配管で連結し、集熱源で暖められた熱媒体を鋼管内の配管、配管と杭本体の空間に流入させても構わない。
【００１４】
地熱利用用の熱交換用杭を地熱利用装置として使用する場合、その杭は、地盤改良のために建物の基礎の下に埋設されている基礎杭を利用しても良いし、建物の基礎の下以外の場所に、埋設されている杭を利用しても良い。基礎の下に埋設されている基礎杭を利用する場合、基礎敷設後に杭内の熱媒体を流す配管に問題が起きた場合、メンテナンスは出来なくなるが、その場合、杭内の熱媒体を流す配管と並列にして、バイパスの配管を杭の外を通して準備し、問題がおきた時には、コック等で流れを切り替えることにより、対応することが出来る。基礎の下以外の場所の例を挙げると、庭等の建物周縁の空き地、道路、駐車場、空き地等地熱利用用の熱交換用杭を地熱利用装置として使用する場合、その杭は、地盤改良のために建物の基礎の下に埋設されている基礎杭を利用しても良いし、建物である。このような場所では、問題が起きた場合には上部から配管を引き出す等の作業を行うことにより、メンテナンスを行うことができる。
【００１５】
基礎の下に埋設されている基礎杭を利用する場合には、杭上端の蓋もしくは杭本体に加工を施し、熱媒体を流す配管を杭本体の外に出し、他の杭から出た熱媒体を流す配管、建物内の配管等と連結させる必要がある。連結させるための配管は、基礎に埋設しても良いし、基礎下の土壌を通しても良いし、配管を横に出し、土壌の上を通しても良い。
以下、本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１６】
【実施例１】
図２に示すようなシステムを組み、評価実験を行った。杭は螺旋翼を杭本体下端部に１枚取り付けた鋼管杭（旭化成（株）製、商標「ＥＡＺＥＴ」）を使用している。杭本体の外径は１６５．２ｍｍであり、螺旋翼部の外径は３５０ｍｍである。杭長は６０００ｍｍである。この杭を２本使用し、杭内を通る熱交換用の配管を直列で繋げている。杭本体内の熱交換用の配管は、図１に示すようなステンレス製の連通した蛇腹状のフレキシブルパイプを使用しており、配管の外径が１０ｍｍのものを１本の杭に２本通している。熱媒体は水を用いており、杭内部の空間も水で充填している。建物内の配管は床温水パネル（ノーリツ製）を利用した。建物と杭を結ぶ配管は銅管を使用し、保温材を巻いている。尚、実験は東京都内で行った。
評価は、杭内へ流入する直前の水温と杭から流出した水温および流量を測定し、そこから、地中から得られた熱量を算出することにより行った。評価結果を表１に示す。
【００１７】
【比較例１】
実施例１と同一のシステム構成で、杭内を通る配管については架橋ポリエチレン管を使用した。評価は方法の実施例１と同じである。評価結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
【発明の効果】
本発明により、地中の熱をより効率的に杭内部に伝えることができ、かつ施工性に優れた地中熱熱交換用杭を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フレキシブルパイプの一例を示す模式図である。
【図２】地中熱利用装置のシステム構成の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１．フレキシブルパイプ
２．螺旋翼を有する鋼管杭
３．配管
４．建物内の配管
５．循環ポンプ
【図１】
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【図２】
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