(57)【要約】【課題】従来の大掛かりな装置でなく、装置本体が軽量かつ、コンパクトで頑丈なパッケージに収められており、持ち運びや、設置に容易であり、しかも、電力供給を受けずに無人独自で試験運転ができ、データも自動的に無線転送して遠隔監視を可能にする。【解決手段】燃料タンク２３と灯油ボイラ１９と電源３１とを備えた加熱ユニット３３と、この加熱ユニットで加熱された流体を地中３内のパイプ９へ送るための循環ポンプ３５と、地中内のパイプへ送られる流体の第１温度を測定する第１センサ３９と、地中内のパイプからの戻される流体の第２温度を測定する第２センサ４３と、前記地中内のパイプと加熱ユニットとを循環される流体の流量を測定する流量計４１と、前記第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２との差を演算して地中の熱伝導率を求めるための演算手段４９と、この演算手段の演算結果をデータ転送する無線通信手段５３と、を備えたことを特徴とする。【選択図】      図１
2004301750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料タンクと灯油ボイラと電源とを備えた加熱ユニットと、この加熱ユニットで加熱された流体を地中内のパイプへ送るための循環ポンプと、地中内のパイプへ送られる流体の第１温度を測定する第１温度センサと、地中内のパイプから戻される流体の第２温度を測定する第２温度センサと、前記地中内のパイプと加熱ユニットとを循環される流体の流量を測定する流量計と、前記第１、第２温度センサで測定された第１温度と第２温度および、それらの差を演算して地中の熱伝導率を求めるための演算手段と、この演算手段の演算結果をデータ転送する無線通信手段と、を備えたことを特徴とする地中採熱試験装置。
【請求項２】
加熱ユニットの中の灯油ボイラと第１温度センサとの間に、流体の温度および流量を均一化するためのクッションタンクを備えていることを特徴とする請求項１記載の地中採熱試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、地中熱の利用可能量を推定するのに必要な地層の有効熱伝導率と地中熱交換器と土壌との熱抵抗を、電力を受けずとも、独立して自動的に簡単かつ容易に、そして精密に測定できるようにした地中採熱試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建物の暖房や冷房、または融雪などに地中熱を利用するシステムは海外では二十年以上前から実際に利用されてきており、急速な普及が進んでいる。一方、国内では、最近になって地中熱利用システムの導入が見られるようになってきたが、まだ数は少ない。
【０００３】
地中熱の利用を行うにあたって、地中からの採熱可能量を把握することは重要であるが、採熱量を把握するための地中採熱試験装置は、一般的に大きな電源が必要であったり、大規模なものであり、電力供給を受けずに独立して試験を行うことができる試験装置は、国内外においては例がない。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−５５９４
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、現在、スウエーデンやドイツ、米国においては、電気ヒータを熱源とした地中採熱試験装置が開発され、使用されてきているが、ヒータ容量は３ｋＷ〜１２ｋＷと大きく、また地中採熱試験を行うには電気設備が整った場所あるいは大型の数日間運転できる発電機が必要であり、どこでも簡易に試験を行える地中採熱試験装置はないのが現状である。
【０００６】
この発明は上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、従来の大掛かりな装置でなく、装置本体が軽量かつ、コンパクトで頑丈なパッケージに収められており、持ち運びや、設置に容易であり、しかも、電力供給を受けずに無人独自で試験運転ができ、データも自動的に無線転送して遠隔監視が可能な地中採熱試験装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１によるこの発明の地中採熱試験装置は、燃料タンクと灯油ボイラと電源とを備えた加熱ユニットと、この加熱ユニットで加熱された流体を地中内のパイプへ送るための循環ポンプと、地中内のパイプへ送られる流体の第１温度を測定する第１温度センサと、地中内のパイプから戻される流体の第２温度を測定する第２温度センサと、前記地中内のパイプと加熱ユニットとを循環される流体の流量を測定する流量計と、前記第１、第２温度センサで測定された第１温度と第２温度および、それらの差を演算して地中の熱伝導率を求めるための演算手段と、この演算手段の演算結果をデータ転送する無線通信手段と、を備えたことを特徴とする構成である。
【０００８】
請求項２によるこの発明の地中採熱試験装置は、請求項１記載の地中採熱試験装置において、加熱ユニットの中の灯油ボイラと第１温度センサとの間に、流体の温度および流量を均一化するためのクッションタンクを備えていることを特徴とする構成である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１を参照するに、地中採熱試験装置１としては地中３内に例えば６０〜２００φ程度のボアホール５が地表面より例えば１００ｍ程度の深さで掘られ、このボアホール５には地中熱交換器としてのＵ字形状のパイプ９が埋設されている。このパイプ９の一端にはクイックカプラなどの継ぎ手１１を介して入り側用パイプ１３の一端が連結されていると共にパイプ９の他端にはクイックカプラなどの継ぎ手１５を介して出側用パイプ１７の一端が連結されている。そして、入り側用パイプ１３の他端および出側用パイプ１７の他端が灯油ボイラ１９に連結されている。
【００１１】
この灯油ボイラ１９には燃料配管２１を介して例えば９０Ｌの燃料タンク２３が接続されている。また、灯油ボイラ１９にはスイッチＳ１を介してＤＣ／ＡＣインバータ２４、バッテリ２５、さらにスイッチＳ２を介してＡＣ／ＤＣインバータ２６およびＡＣ入力出力部２７が順に直列で接続されている。前記バッテリ２５にはチャージコントローラ２８を介してＰＶ（太陽光発電パネル）２９が接続されている。そして、ＤＣ／ＡＣインバータ２４、バッテリ２５、ＤＣ／ＡＣインバータ２６、ＡＣ入力出力部２７、チャージコントローラ２８およびＰＶ２９を総称して電源３１としている。燃料タンク２３と灯油ボイラ１９と電源３１とで加熱ユニット３３を構成している。
【００１２】
前記電源３１の使用方法としてスイッチＳ１をＡＣ入力出力部２７側に切換えると、ＡＣ入力出力部２７が灯油ボイラ１９に接続されて使用される。また、図１に示されているように、スイッチＳ１をＤＣ／ＡＣインバータ２４側に切換え、スイッチＳ２をＯＦＦにすることで、ＰＶ２９またはＡＣ／ＤＣ入力出力部２７によって充電されたバッテリ２５がＤＣ／ＡＣインバータ２４を経て灯油ボイラ１９に接続されて使用される。このように電源３１は必要に応じて２通りに使い分けられる。前記バッテリ２５はスイッチＳ２をＯＮにすると、ＡＣ入力出力部２７がＡＣ／ＤＣインバータ２６を経てバッテリ２５に接続されて充電されるほか、晴天時などの日照時間にＰＶ２９からチャージコントローラ２８を介して充電され満たされる。
【００１３】
前記入り側用パイプ１３の途中には順次灯油ボイラ１９側から循環ポンプ３５、例えば２０Ｌのクッションタンク３７、第１温度センサ３９が直列に設けられている。また、出側用パイプ１５の途中には順次灯油ボイラ１９側から精密流量計４１、第２温度センサ４３が直列に設けられている。
【００１４】
前記第１温度センサ３９および第２温度センサ４３には温度変換器４７が接続されている。そして、温度変換器４７には演算手段としての計測装置４９が接続されていると共に前記精密流量計４１、外気温センサー５５も前記計測装置４９に接続されている。前記計測装置４９にはパソコン５１が接続され、このパソコン５１にはデータ転送するするための無線通信手段としての例えば携帯電話５３が接続されている。
【００１５】
上記構成により、電源３１を２通りのいずれかにＯＮせしめると、燃料タンク２３から灯油ボイラ１９へ灯油が供給され、灯油ボイラ１９が作動する。循環ポンプ３５が作動し、不凍液または水などの流体が入り側用パイプ１３へ送られ、さらに、クッションタンク３７、第１温度センサ３９を経てパイプ９に送られる。流体はパイプ９を通り、第２温度センサ４３、精密流量計４１を経て灯油ボイラ１９に戻される。こうして、循環ポンプ３５を作動させている間、前記流体がパイプ９内を循環されることになる。したがって、従来の電気ヒータ使用時と同等な一定加熱性能を得るために、灯油ボイラ１９の燃焼制御とクッションタンク３７を用いているのが重要なポイントである。
【００１６】
そして、流体がパイプ９内を循環しているときに、パイプ９内の循環液体温度の変化を測定する。すなわち、定期的に、第１温度センサ３９でパイプ９内に送られる第１温度Ｔ１が測定されると共に第２温度センサ４１でパイプ９内から送出される第２温度Ｔ２が測定される。この第１温度センサ３９で測定された第１温度Ｔ１と第２温度センサ４３で測定された第２温度Ｔ２とがそれぞれ温度変換器４７を経てある時間毎に計測装置４９に送られると共に精密流量計４１で測定された流量が計測装置４９に送られる。
【００１７】
この計測装置４９において、図２に示されているように、第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２の変化がグラフ化されている。横軸に経過時間の対数ｌｎ（ｔ）をとり、縦軸にＴ１とＴ２の対数平均温度Ｔｆをとると図３中の実線のように示される。なお、試験時間は１ｎ（ｔ）に対するＴｆの変化幅が一定に達した後、さらに数十時間を要し、通常は６０〜７２ｈ連続的に注熱を行う必要がある。
【００１８】
ここで、線状熱源の理論（Ｋｅｌｖｉｎの線源理論）がすでに知られている。この理論を基にして、ボアホールに長期的に連続して一定の加熱を行うとき、次のようにあらわせる。
【００１９】
【数１】
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Ｔｆ：対数平均温度              ａ：熱拡散係数（λ／ｃ：は比熱）
Ｑ：加熱量                    ｒｏ：ボアホール半径
λ：有効熱伝導率                  γ：オイラー数（０．５７７２）
Ｈ：ボアホール深さ          Ｒｂ：熱抵抗
ｔ：時間                Ｔｓｕｒ：地盤温度
上記（１）式において、総熱抵抗は、地盤の熱抵抗、自然対流などのボアホール周辺の様々な条件の影響を受けるが、図２に示されているように、Ｔｆとｌｎ（ｔ）には次の一次の関係が成り立つ。
【００２０】
Ｔｆ＝ｋｌｎ（ｔ）＋ｍ  ・・・・（２）
熱搬送流体とボアホール壁とのボアホール熱抵抗Ｒｂは、下記の（３）式の関係が成立する。
【００２１】
Ｔｆ−Ｔｂ＝Ｒｂ・Ｑ／Ｈ  ・・・（３）
但し、Ｔｆ：対数平均温度  Ｔｂ：ボアホール壁温度  で明らかとなる。
【００２２】
図３のごとく、Ｔ１とＴ２の対数平均温度Ｔｆの経過時間の対数ｌｎ（ｔ）をあらわすと、ある経過時間以降はＴｆの変化の傾きはほぼ一定となる。このときの傾きから、熱移動特性を判断できる。すなわち、地中の平均的な有効熱伝導率λは、加熱量Ｑ、ボアホール深さＨ、前述の傾きｋがわかれば、次式から求めることができる。
【００２３】
すなわち、λ＝Ｑ／（４πｋＨ）により有効熱伝導率λの値を求めることができる。
【００２４】
この求められた有効熱伝導率λから採熱能力を予測することができるので、地中熱利用によって、建物の暖冷房や給湯、または融雪などを行う際に、対象となる規模の熱量を確保できる地中熱交換器の総延長を決定するのに利用でき、熱交換器設計精度の向上とコストの縮減を図ることを可能とするものである。
【００２５】
したがって、パイプ９に供給した液体である温水の吐出温度である第１温度Ｔ１、戻り温度である第２温度Ｔ２を、従来の大掛かりな装置を使わなくても、簡単、かつ容易に測定することができる。
【００２６】
この地中採熱試験を精密に試験を行うためには長時間にわたって地中に一定の熱量を連続的に加えることが重要であり、そのために、従来は電気ヒータを使っていたが、燃焼制御可能な灯油ボイラー１９とクッションタンク３７を使うことで、山間部や僻地のリゾートなどの建設予定地、また、都市部の工事現場などにおいて試験をする場合にも、配電設備がなかったり、また、あった場合でも使用電力が限られる場合が多いので、外から電力供給を受けなくても試験を無人独自で運転でき、かつ精密に試験できる。従来の大掛かりな装置に比べて装置本体を軽量に製作ができると共にコンパクトで頑丈なパッケージに収められ、持ち運や、設置を容易にすることができる。
【００２７】
また、精密制御可能な灯油ボイラ１９と第１温度センサ３９との間に、クッションタンク３７が備えられているから、電気ヒータで一定加熱したのと同程度の精度で加熱量を得ることができ、しかも、流体の温度および流量のバラツキをなくし、均一化を図ることができる。
【００２８】
無線通信手段である例えば携帯電話５３を用いて転送することにより、測定したデータも自動的に遠隔地でも監視することができる。なお、燃料タンク２３として９０Ｌ用、バッテリ２５の補充電源としてＰＶ２９を用いることで、１〜２週間連続して稼働することが可能である。なお、パソコン５１にてデータを保存せしめることができる。
【００２９】
なお、この発明は前述した実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことによりその他の態様で実施し得るものである。
【００３０】
【発明の効果】
以上のごとき発明の実施の形態の説明から理解されるように、請求項１の発明によれば、地中内のパイプに供給した流体の吐出温度である第１温度Ｔ１、戻り温度である第２温度を、従来の大掛かりな装置を使わなくても、簡単、かつ容易に測定することができる。しかも、山間部や僻地のリゾートなどの建設予定地、また、都市部の工事現場などにおいて試験をする場合にも、配電設備がなかったり、また、あった場合でも使用電力が限られる場合が多いので、外から電力供給を受けなくても試験を独立して、かつ精密に試験できる。従来の大掛かりな装置に比べて装置本体を軽量に製作ができると共にコンパクトでコンパクトで頑丈なパッケージに収められ、持ち運びや、設置を容易にすることができる。
【００３１】
無線通信手段である例えば携帯電話を用いることで、測定したデータも自動的に遠隔地でも監視することができる。さらに、電気設備としては燃料タンクと灯油ボイラと電源とで加熱ユニットが構成されているから、従来のような大掛かりな電気設備が必要でなく、自立型の地中採熱試験装置を提供することができる。
【００３２】
請求項２の発明によれば、精密制御可能な灯油ボイラと第１温度センサとの間に、クッションタンクが備えられているから、電気ヒータで一定加熱したのと同程度の精度で加熱量を得ることができ、流体の温度および流量のバラツキをなくし、均一化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の地中採熱試験装置の正面図である。
【図２】測定時間に対する第１温度センサ、第２温度センサで測定された第１温度、第２温度の関係を示したグラフである。
【図３】対数時間における平均流体温度分布を示したグラフである。
【符号の説明】
１  地中採熱試験装置
３  地中
５  ボアホール
９  パイプ（熱交換器）
１１、１５  継ぎ手
１３  入り側用パイプ
１７  出側用パイプ
１９  灯油ボイラ
２１  燃料配管
２３  燃料タンク
２４  ＤＣ／ＡＣインバータ
２５  バッテリ
２６  ＡＣ／ＤＣインバータ（蓄電制御付）
２７  ＡＣ入力出力部
２８  チャージコントローラ
２９  ＰＶ（太陽光発電パネル）
３１  電源
３３  加熱ユニット
３５  循環ポンプ
３７  クッションタンク
３９  第１温度センサ
４１  精密流量計
４３  第２温度センサ
４７  温度変換器
４９  計測装置（演算手段）
５１  パソコン
５３  携帯電話（無線通信手段）
５５  外気温センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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