(57)【要約】【課題】熱交換効率および施工性に優れた地熱交換システムを提供する。【解決手段】地中に埋設された往復管を有し、この往復管に熱媒体を通じて地上と地中の熱交換を行う地熱交換システムであって、往復管がグラウト材によって覆われており、該グラウト材がセメントに骨材と共に粘性材を配合した良熱伝導性および良流動性の材料であることを特徴とする地熱交換システム。本熱交換システムは熱交換性能および施工性に優れており、地上の冷気や暖気を地中に送り込んで暖房や冷房に利用するなど幅広い利用が可能であり、しかも孔井に往復管を埋設し、成分を整えたグラウト材を充填して形成するので施工が容易であり、実施しやすい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設された往復管を有し、この往復管に熱媒体を通じて地上と地中の熱交換を行う地熱交換システムであって、往復管がグラウト材によって覆われており、該グラウト材がセメントに骨材と共に粘性材を配合した良熱伝導性および良流動性の材料であることを特徴とする地熱交換システム。
【請求項２】
グラウト材が硅砂、水砕スラグなどの良熱伝導性の骨材と共に粘土を含む請求項１の地熱交換システム。
【請求項３】
グラウト材の熱伝導率が２．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１または２の地熱交換システム。
【請求項４】
グラウト材が硅砂３０〜５０ｗｔ％、粘土１〜３ｗｔ％を含むセメント系材料である請求項１、２または３の何れかに記載する地熱交換システム。
【請求項５】
往復管の地上への出口付近が断熱材によって覆われている請求項１〜４の何れかに記載する地熱交換システム。
【請求項６】
往復管がコンクリート基礎杭の孔内に配設され、該孔内をグラウト材で充填したものである請求項１〜５の何れかに記載する地熱交換システム。
【請求項７】
往復管が場所打ち基礎杭の孔内に配設され、該孔内をグラウト材で充填したものである請求項１〜５の何れかに記載する地熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換性能および施工性に優れた地熱交換システムに関する。最近、二酸化炭素発生の抑制や省エネルギーの推進に連動して浅部地中熱の利用が注目されている。地中の浅部は数℃〜数１０℃の地熱を有しており、本発明はこの地熱を利用する地熱交換システムである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、地熱を利用する技術としては、（イ）地中にボーリング等で孔を開け、地下水を採取して、この地下水の熱を利用する方法、（ロ）地下水を汲み上げずに、ボーリング等で開けた孔内にパイプを設置し、このパイプ中に水等を循環して、地中の熱と熱交換を行う方法がある。地下水を利用する方法は、熱効率は良いが地下水の枯渇や地盤沈下などの原因となる場合があるので、最近は地下水を汲み上げない方式が多く採用される傾向にある。地下水を汲み上げないで地中熱を利用するには地中に熱交換システムを構築する必要がある。一般に、この地中の熱交換システムは、地中に孔井を掘削し、この孔内に鋼管やポリエチレン管等の熱媒体循環路を設置し、孔壁と熱媒体循環路の間にグラウト材などを充填して形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
地中熱交換井の孔内に熱媒体用のパイプを埋設し、孔内とパイプをグラウト材で充填する熱交換構造においては、孔壁とパイプとの間を充填するグラウト材の性状が非常に重要である。グラウト材の性状が適切でないと熱交換性能が低下して実用に適さないものになる。
【０００４】
従来、熱交換システムの構造として、建物の基礎として地中に打設された工場生産コンクリート杭の孔内にＵ字形熱交換パイプを挿入し、パイプと孔内の空間を熱伝達のよい材料で埋め、このパイプに熱媒体を循環させて地熱との間で熱交換を行う例が知られている（特開昭６０−８６５９号公報）。しかし、パイプと孔内の間に充填される材料は通常のセメントや粘土などであり、必ずしも熱交換性能が高くなく、施工性にも問題がある。
【０００５】
例えば、熱媒体が流れる往路パイプと復路パイプとを交互に巻回した螺旋状のパイプを用いる熱交換井の構造が知られているが（特開平１１−３３６００８号公報）、この螺旋状パイプはコンクリート製ブロックに埋設された状態で熱交換井に設置されており、熱交換パイプと孔井との間を充填しているのは通常のコンクリートである。また、復路配管の一部を縮径して熱交換井内に設置した構造も知られているが（特開２００１−２８９５３３号公報）、この場合も孔内に充填される材料は通常のセメントや粘土である。このように、従来は熱交換パイプと孔井の間を埋める熱伝達の良い材料として通常のコンクリート等が用いられているのが現状であり、従って、熱交換性能が必ずしも高くなく、また施工性にも問題があった。
【０００６】
本発明は、孔井内に熱交換パイプを埋設した構造の熱交換システムについて、従来の上記問題を解消したものであり、成分を限定して熱伝導性および施工性を高めたグラウト材を用いることによって、熱交換性能に優れた地熱交換システムを達成したものである。
【０００７】
【課題を解決する手段】
すなわち、本発明は以下の構成からなる地熱交換システムに関する。
（１）地中に埋設された往復管を有し、この往復管に熱媒体を通じて地上と地中の熱交換を行う地熱交換システムであって、往復管がグラウト材によって覆われており、該グラウト材がセメントに骨材と共に粘性材を配合した良熱伝導性および良流動性の材料であることを特徴とする地熱交換システム。
（２）グラウト材が硅砂、水砕スラグなどの良熱伝導性の骨材と共に粘土を含む上記（１）の地熱交換システム。
（３）グラウト材の熱伝導率が２．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である上記（１）または（２）の地熱交換システム。
（４）グラウト材が硅砂３０〜５０ｗｔ％、粘土１〜３ｗｔ％を含むセメント系材料である上記（１）、（２）または（３）の何れかに記載する地熱交換システム。
（５）往復管の地上への出口付近が断熱材によって覆われている上記（１）〜（４）の何れかに記載する地熱交換システム。
（６）往復管がコンクリート基礎杭の孔内に配設され、該孔内をグラウト材で充填したものである上記（１）〜（５）の何れかに記載する地熱交換システム。
（７）往復管が場所打ち基礎杭の孔内に配設され、該孔内をグラウト材で充填したものである上記（１）〜（５）の何れかに記載する地熱交換システム。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて具体的に説明する。
図１は本発明の地熱交換システムの概略断面図である。図示するように、本発明の地熱交換システムは、地中に埋設された往復管１０を有し、この往復管に熱媒体を通じて地上と地中の熱交換を行う地熱交換システムであって、地中の往復管１０がグラウト材２０によって覆われており、該グラウト材２０がセメントに粘性材と共に配合した骨材を含む良熱伝導性および良流動性の材料であることを特徴とするものである。
【０００９】
往復管１０はその入口１１と出口１２が地上に伸びた形状を有する。図示する往復管１０はＵ字型であるが、この形状に限らない。往復管１０の材質は限定されない。熱伝導性の良い材料であれば良い。通常の鋼管やポリエチレン管などを用いることができる。往復管１０は地中の孔井３０に埋設され、この管内に水やオイルなどの熱媒体が流される。
【００１０】
往復管１０はグラウト材２０によって覆われており、図示する構造では、孔井３０と往復管１０の間にグラウト材２０が充填されている。グラウト材２０はセメントに粘性材と共に配合した骨材を含む良熱伝導性および良流動性の材料である。具体的には、例えば、グラウト材２０は硅砂、水砕スラグなどの良熱伝導性の骨材と共に粘土を含み、熱伝導率が２．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものである。
【００１１】
グラウト材は、往復管を流れる熱媒体に地熱を効率良く伝達するためのものであり、熱伝導率が良く、ボーリング孔のように細長い孔井内の狭い空間部分を均一に充填し、かつ地下水等に溶出することのない安定な性状を有するものが望ましい。本発明のグラウト材は、セメントをベースにしたスラリーに熱伝導率を高める珪砂等の骨材を加えたものである。さらに、骨材の珪砂等は比重が高いためにセメントスラリーに均一に分散させることが難しく、縦に細長い孔井内に骨材を単独に配合したセメントスラリーを流し込むと、比重の高い骨材が下方に沈積し、珪砂等の骨材が多い部分と少ない部分とが偏在するようになり、地熱交換性能を低下させることになる。そこで本発明のグラウト材は骨材と共に粘土等の粘性材を加えることによって、硅砂等の骨材の沈降を防止してセメントスラリー中に均一に分散できるようにし、珪砂等の偏在による不均一性を解消し、かつ深い孔井内を充填する場合においてもポンピング等の作業性を高めたものである。さらに、粘土などの粘性材を有することによってグラウト材が十分な遮水性を有するようになり、クロスフローによる熱交換損失を防止することができる。
【００１２】
グラウト材の成分としては、例えば、硅砂などの骨材を３０〜５０ｗｔ％含有するものが良く、好ましくは３５〜４５ｗｔ％含有するものが良い。骨材の量がこれより少なくと十分な熱伝導率を有するグラウト材を得ることができない。また、骨材の量がこれより多いと空隙が増すのでグラウト材の熱伝導率が低下する。骨材と共に配合される粘土など粘性材の配合量は１〜３ｗｔ％が適当であり、１．５〜２．０ｗｔ％が好ましい。粘性材の量がこれより少ないと骨材が偏在しやすくなる。一方、粘性材の量がこれより多いと空隙が増加するので好ましくない。
【００１３】
硅砂や水砕スラグなどの良熱伝導性の骨材を３０〜５０ｗｔ％含有し、この骨材と共にベントナイトなどの粘性材を１〜３ｗｔ％含有することによって、熱伝導率２．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のグラウト材を得ることができる。さらに、グラウト材は施工性の点から、そのスラリーが適度な比重とフロー値を有するものが好ましい。本発明のグラウト材は硅砂などの骨材と粘土などの粘性材を上記配合量含むことによって、スラリー比重約１．８、スランプ値２〜１２ｃｍの施工性に優れたグラウト材を得ることができる。
【００１４】
図示する地熱交換システムは、往復管１０の地上への出口付近が断熱材４０によって覆われている。往復管１０の入口１１から孔底を経て出口１２に向かう部分は往復管１０を流れる熱媒体と地中との間で熱交換を行う部分であるので、この部分に充填されるグラウト材２０は熱伝導性の良いものが求められるが、往復管１０の出口付近は熱交換を行った熱媒体を外部に導く部分であり、熱媒体の熱損失を防ぐように断熱環境下であることが好ましい。図示する地熱交換システムは往復管１０の出口付近を断熱材４０によって覆うことによって熱媒体の熱損失を防止することができる。
【００１５】
本発明の熱交換システムは工場製造されるコンクリート基礎杭を利用して形成することができる。建築物の建設方法として、あらかじめ製造したコンクリート杭を現場に打設して基礎杭を形成することが知られている。このコンクリート基礎杭の孔内に往復管を配設し、該孔内をグラウト材で充填することによって本発明の熱交換システムを形成することができる。この構築方法によれば独自に熱交換井を掘る必要がないので実施しやすく、工事期間が短い。また建設コストを低減することができる。
【００１６】
本発明の熱交換システムは場所打ち基礎杭を利用して形成しても良い。往復管を場所打ち基礎杭の孔内に配設し、該孔内をグラウト材で充填することによって本発明の熱交換システムを形成することができる。この構築方法は、鋼製ケーシングを回転しながら地中に打ち込み、孔内の土を取り除き、円筒状に組み立てた鉄筋をケーシング内に配設し、ケーシングを引抜きながらコンクリートを流し込んで基礎杭を形成する。この鉄筋と共に往復管を一緒にケーシング内に挿入して孔内に設置することにより、基礎杭の形成と同時に熱交換システムを形成することができる。
【００１７】
【実施例】
〔実施例および比較例〕
地中の孔井にＵ型の往復管（孔径３．３ｃｍ、往管と復管の間隔５ｍ、ポリエチレン製）を埋設し、往復管と孔井の間に本発明のグラウト材（熱伝導率２．０９Ｗ／ｍ・Ｋ）を充填した熱交換システムＡ、往復管と孔井の間に硅砂モルタルを充填した熱交換システムＢ、往復管と孔井の間に骨材を含まないセメントペースト（熱伝導率１．０７Ｗ／ｍ・Ｋ）を充填した熱交換システムＣをおのおの形成し、初期地層温度１２℃、地層熱伝導率１．８Ｗ／ｍ・Ｋ、坑井深度５０ｍ、熱媒体水の流入温度０℃、期間５日の条件下における熱交換の結果を図２に示した。
【００１８】
本発明の熱交換システムＡは５日間を通じて概ね２０００Ｗ以上の高い熱交換率を示すが、セメントペーストを用いた熱交換システムＣの熱交換率は１５００Ｗ以下であり、骨材を単独に配合した熱交換システムＢでも熱交換率は１７００Ｗ付近である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の熱交換システムは熱交換性能および施工性に優れており、地熱を効率よく取り出して地上の暖房などに利用し、あるいは地上の熱気を温度が安定な地中に送り込んで冷却し、冷気を取り出して地上の冷房に利用するなど幅広い利用が可能である。また、本発明の地熱交換システムは、地中の孔井に往復管を埋設し、成分を整えたグラウト材を充填して形成するので施工が容易であり、実施しやすい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る地熱交換システムを示す模式断面図
【図２】実施例および比較例の結果を示すグラフ
【符号の説明】
１０−往復管、１１−入口、１２−出口、２０−グラウト材、３０−断熱材。
【図１】
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【図２】
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