(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設された雨水貯留槽の壁部の少なくとも一部が透水性部材で形成されている雨水貯留槽の側壁下部の外側の少なくとも一部に液体または空気を熱媒体として利用する熱交換機の熱媒体管路を埋設し、雨水貯留槽の水を壁部から熱媒体管路を埋設した土壌に滲出させて、埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と前記雨水貯留槽を有する地熱利用システム。
【請求項２】
雨水貯留槽の側壁上部の少なくとも一部が透水性部材で形成され、前記側壁上部の下側部分が非透水性部材で形成されている側壁面を有する雨水貯留槽の側壁下部の外側の少なくとも一部に液体または空気を熱媒体として利用する熱交換機の熱媒体管路を埋設し、雨水貯留槽の水を壁部から熱媒体管路を埋設した土壌に滲出させて、埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システム。
【請求項３】
地中に埋設された雨水貯留槽の壁部の少なくとも一部が透水性部材で形成されており、前記雨水貯留槽の外方に所定間隔を開けて外壁が設けられている請求項１または請求項２に記載の埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システム。
【請求項４】
雨水貯留槽の外方に所定間隔を開けて設けられた外壁が雨水貯留槽を外側から覆う容器形状をしているもう１つの貯留槽の外壁の一部であるような貯留槽を設けて、貯留槽を２重構造とし、内側の貯留槽と外側の貯留槽の間に、土砂を配置した請求項３に記載の埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムにおいて、
雨水貯留槽の側壁下部の外側の少なくとも一部に熱交換機の熱媒体管路を埋設し、前記埋設した熱媒体管路と、さらに前記雨水貯留槽内の貯留水中に熱交換機の熱媒体管路が配置され、
前記埋設した熱媒体管路と、前記雨水貯留槽内に配置した熱媒体管路の両者を利用して、土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システム。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムであって、前記雨水貯留槽の壁部が熱伝導率０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料により形成されていることを特徴とする地熱利用システム。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムであって、前記雨水貯留槽の壁部の透水係数を雨水貯留槽の壁部の外側の土砂の透水係数より小さくしたことを特徴とする熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システム。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムにおいて、前記雨水貯留槽が地熱利用のための蓄熱機能と雨水の生活水としての利用の複合機能を有することを特徴とする熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌を安定して湿潤状態に保持できる雨水貯留槽を用いた熱交換効率に優れる地熱利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、森林伐採などにより大地の保水能力が低下し、鉄砲水や水不足などの災害が年々増加している。この対策として、集中豪雨時の雨水を雨水貯留槽に一旦貯留し、河川の水位が低下したところで放流したり、貯留した雨水をトイレ、洗濯、洗車、屋上緑化の散水などに利用することが行われている。
【０００３】
一方、地熱（年間を通じて約１５℃）を冷暖房に利用する方法として、地中埋設した雨水貯留槽の内部や下方に、熱交換機の熱媒体管路（クールチューブ）を配置する方法（特許文献１、２）が提案されているが、十分な熱交換効率が得られていない。また熱媒体管路を、吸水性樹脂を含ませた土壌中に配置する方法（特許文献３）は、吸水性樹脂が一旦暖まってしまうと水の移動が殆どなくなってその熱交換効率が低下し、さらにＮａイオン濃度の高い土壌では吸水性樹脂の吸水機能が十分に得られないなどの問題がある。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２９２１５３号公報
【特許文献２】特開平９−１３７４７８号公報
【特許文献３】特開２００１−７４３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような状況に鑑み、本発明者は地中埋設した熱交換機の熱媒体管路と土壌との熱交換効率の向上および安定化について検討した。その結果、雨水貯留槽の水を、熱媒体管路を埋設した土壌に滲出させることにより土壌と熱媒体の熱交換効率が著しく向上することを知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成させるに至った。
本発明は、土壌を安定して湿潤状態に保持できる雨水貯留槽を用いた熱交換効率に優れる地熱利用システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、地中に埋設された雨水貯留槽の壁部の少なくとも一部が透水性部材で形成されている雨水貯留槽の側壁下部の外側の少なくとも一部に液体または空気を熱媒体として利用する熱交換機の熱媒体管路を埋設し、雨水貯留槽の水を壁部から熱媒体管路を埋設した土壌に滲出させて、埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と前記雨水貯留槽を有する地熱利用システムである。
【０００７】
請求項２記載の発明は、雨水貯留槽の側壁上部の少なくとも一部が透水性部材で形成され、前記側壁上部の下側部分が非透水性部材で形成されている側壁面を有する雨水貯留槽の側壁下部の外側の少なくとも一部に液体または空気を熱媒体として利用する熱交換機の熱媒体管路を埋設し、雨水貯留槽の水を壁部から熱媒体管路を埋設した土壌に滲出させて、埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムである。
このような側壁面は、雨水貯留槽の全面でなくとも、側壁面の少なくとも１面が上記の構成になっていれば良い。
【０００８】
請求項３記載の発明は、地中に埋設された雨水貯留槽の壁部の少なくとも一部が透水性部材で形成されており、前記雨水貯留槽の外方に所定間隔を開けて外壁が設けられている請求項１または請求項２に記載の埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムである。
【０００９】
請求項４記載の発明は、雨水貯留槽の外方に所定間隔を開けて設けられた外壁が雨水貯留槽を外側から覆う容器形状をしているもう１つの貯留槽の外壁の一部であるような貯留槽を設けて、貯留槽を２重構造とし、内側の貯留槽と外側の貯留槽の間に、土砂を配置した請求項３に記載の埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムである。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムにおいて、
雨水貯留槽の側壁下部の外側の少なくとも一部に熱交換機の熱媒体管路を埋設し、前記埋設した熱媒体管路と、さらに前記雨水貯留槽内の貯留水中に熱交換機の熱媒体管路が配置され、前記埋設した熱媒体管路と、前記雨水貯留槽内に配置した熱媒体管路の両者を利用して、土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムである。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムであって、前記雨水貯留槽の壁部が熱伝導率０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料により形成されていることを特徴とする地熱利用システムである。
【００１４】
請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムであって、前記雨水貯留槽の壁部の透水係数を雨水貯留槽の壁部の外側の土砂の透水係数より小さくしたことを特徴とする熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムである。
【００１５】
請求項８記載の発明は、請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の埋設した熱媒体管路を利用して土壌と熱交換を行う熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムにおいて、前記雨水貯留槽が地熱利用のための蓄熱機能と雨水の生活水としての利用の複合機能を有することを特徴とする熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の雨水貯留槽は地中に埋設され、かつ透水性壁部を有するので、貯留槽内の貯留水は前記透水性壁部を通って雨水貯留槽近傍の土壌に滲出する。従って、雨水貯留槽近傍の土壌は湿潤状態が安定して保持される。
本発明の地熱利用システムは、前記湿潤状態となる土壌に熱交換機の熱媒体管路を埋設したものなので十分な熱交換効率が安定して得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を、図を参照して具体的に説明する。符号の重複説明は省略する。
図１に示すように、本発明の地熱利用システムに用いる雨水貯留槽１は、地中２に埋設されており、雨水貯留槽１の壁部３の少なくとも一部が透水性部材４により形成されている。
この雨水貯留槽１に雨水５が雨水流入管６から流れ込み、貯留された雨水（貯留水）５が透水性部材４により形成された透水性壁部７の下端を越えだすと貯留水５が透水性壁部７から地中２に徐々に滲出し始め、雨水貯留槽１近傍が湿潤状態の土壌８になる。図１で９は雨水貯留槽１の蓋である。
【００１８】
透水性壁部７から滲出する滲出水１０は、図２（イ）に示すように、土壌と熱交換しながら徐々に地中２を降下して行き、予め埋設された熱媒体管路１１の表面を濡らしつつ熱媒体管路１１と熱交換する。滲出水１０の増加とともに熱媒体管路１１が埋設された部分の土壌は湿潤し、湿潤状態の土壌域１２が形成される。この土壌域１２と熱媒体管路１１間の熱交換効率は滲出水１０が熱媒体管路を濡らすため飛躍的に向上し、熱媒体管路１１内の熱媒体は効率よく加温或いは冷却される。
【００１９】
熱媒体管路１１は家屋１３に設置された熱交換機本体１４に接続されており、熱媒体管路１１内の熱媒体は熱交換機本体１４内で放熱或いは吸熱される。
前記熱媒体は、水などの液体でも空気などの気体でもよい。熱媒体に液体を用いる場合は、水のほか、不凍液や防腐剤の入った水や、アルコールなどの水溶性有機溶媒を混合した水を用いることができる。空気の場合は、熱交換機本体の代わりに送風機を用いて空気を循環させることで冷暖房が行える。
【００２０】
本発明において、雨水貯留槽の壁部は、全壁を透水性部材４により形成してもよいが、図２（イ）に示したように、側壁上部を透水性とし、雨水貯留槽１の側壁下部に熱媒体管路１１を埋設するようにすると、滲出水１０は土壌と熱交換しつつ降下するため熱媒体管路１１が効率よく冷却される。このとき、埋設する熱媒体管路は、雨水貯留槽の周囲を囲うように配設するのではなく、その何箇所かの側壁の一部に配設することでも良い。たとえば、雨水貯留槽の側壁の一面のみを透水性部材４で形成し、その側壁部分の土壌に熱媒体管路を配設すると、貯留水が有効に利用される。
【００２１】
雨水貯留槽１内の貯留水５が、図２（ロ）に示すように、透水性壁部７の下端まで下がると貯留水５の滲出が止まるため熱交換効率が低下する。熱交換機を稼動し続けたいが降雨がないときは雨水貯留槽に上水などを補給して凌ぐことも可能である。側壁下部を透水性壁部とする場合は、雨水貯留槽内の貯留水を使い切り、雨水貯留槽内の雨水が枯渇する可能性があるため、側壁下部を非透水性とする方が雨水貯留槽を有する地熱利用システムを長時間安定的に使用するには、有利である。
【００２２】
透水性壁部の透水性は、高すぎると貯留水が短時間で地中に滲出してしまって土壌の湿潤状態が持続せず、低すぎると十分な湿潤状態が得られず熱交換効率が低下する。従って、透水性壁部の透水性は、土壌の状態、貯留槽の容量などを考慮して適切に決める必要がある。
【００２３】
本発明において、透水性壁部の材料には、微細な孔やスリットを有する樹脂成形品、多孔質セラミック、不織布などが用いられる。材質的には、適切な強度および加工性を有し、透水加工（微細な孔やスリットを設ける加工）が可能な材料が用いられる。
【００２４】
前記微細な孔やスリットのサイズは、土砂粒子や砂粒子の大きさや透水係数を考慮して、通常１ｍｍから１０μｍの範囲の大きさに適宜設定される。この理由は、１ｍｍを超えると土壌粒子や砂粒子が徐々に貯留槽に進入し、貯留槽内に堆積するためであり、また１０μｍ未満では孔やスリットが目詰まりを起こすからである。
【００２５】
孔のサイズは、土砂粒子や砂粒子の大きさ、形などを考慮して決定しなければならない。実際の土砂は、土砂の種類や大きさ、形、硬さなどが一定ではなく、種類の異なる粒子の混合物であることも多いため、土砂粒子や砂粒子の種類や大きさに応じて経験的に決定される。土砂粒子や砂粒子のサイズが比較的粗い、透水係数（大気圧下の透水係数ｋ）がやや大きめの場合には、孔とスリットのサイズは上記範囲で比較的大きめに設定され、また土砂が微細砂やシルトあるいは粘土またはこれらの混合物で形成され、その大きさが小さめで透水係数が小さい場合には、孔とスリットのサイズは上記範囲で小さめに設定する。また、透水係数は、実用的には、１０−１ｃｍ／ｓ〜１０−７ｃｍ／ｓの範囲に設計することが多い。土壌が粘土質で土壌粒子が超微細でほぼ非透水な場合には、ごく稀には孔やスリットのサイズを１０μｍ〜１μｍに設定することもある。
【００２６】
請求項４記載の発明のように、貯留槽を２重構造としたときは、内側の雨水貯留槽と外側の雨水貯留槽の間に透水係数の小さい土砂を入れて内側の雨水貯留槽の周囲での滲出水の滞留時間が長くなるようにすると、土壌と熱媒体管路間の熱交換効率を向上させることができる。このように雨水貯留槽の周りの土砂の透水係数を所定範囲に選定することは、雨水貯留槽の外側に外壁を有しない1重の雨水貯留槽構造の熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムである場合でも有効である。
【００２７】
以上の他、透水性部材で形成された雨水貯留槽の透水性壁部の透水係数を、その壁部の周りの土砂の透水係数より小さく設定することにより、貯留槽の外側から貯留槽への雨水の流入を防止でき、本発明の効果を十分なものとすることができる。このように、土砂の透水係数と雨水貯留槽の透水性壁部の透水係数の比率は、土砂の透水係数と雨水貯留槽の透水性壁部の透水係数の１．２倍から１．３倍程度の差をつけることは必要であり、望ましくは２倍以上にすべきである。
【００２８】
熱媒体管路の熱交換効率を左右する因子としては、透水係数の他、貯留槽の壁部の熱伝導率の影響がある。雨水貯留槽内の水温を予め土壌温度に近づけておくと土壌と熱媒体管路間の熱交換が効率よく行われるので、雨水貯留槽の壁部（透水性壁部を含む）には、熱伝導率が０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、更には０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導性に優れる材料を用いるのが望ましい。
【００２９】
熱伝導率が０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂を主材とする材料、多孔質体を作り易いポリスチレンを主材とする発泡スチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂の不織布、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、エンジニアリングプラスチックなどが挙げられる。
【００３０】
熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料としては、現在も研究が盛んな機能性樹脂であるところの、ポリエチレン系高熱伝導性樹脂およびポリフェニレンサルファイド系高熱伝導性樹脂などが挙げられる。
【００３１】
請求項３記載の発明に用いる熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムや請求項４に記載の発明に用いる熱媒体管路と雨水貯留槽を有する地熱利用システムは、図３に示す1例を示すように、地中埋設された雨水貯留槽１を取り囲むように外壁１５を設けたもので、透水性壁部７からの滲出水１０はこの外壁１５内に留まるため、土壌の湿潤状態が長期間持続する。従って、前記湿潤状態の土壌域１２に熱媒体管路１１を埋設した本発明の地熱利用システムは良好な熱交換が長期間安定して行われる。
雨水貯留槽１と外壁１５間に天井を設けると湿潤状態がより長く持続する。
【００３２】
この発明において、外壁１５の高さは、滲出水が下方に移動するので透水性壁部より低くてもよいが、土壌の湿潤状態が外壁の外側にはみ出さず、また埋め戻し作業の邪魔にならない高さにする必要がある。
【００３３】
外壁が底板を有する受け皿状の場合は、滲出水が外壁内に多量に留まって土壌温度が外気温に近づく虞がある。そのため底部に穴を空けてある程度の水抜きが必要になる。外壁にも熱伝導性の高い材料をもちいて、外壁外側の地熱を外壁内側に伝達するのが良い。
【００３４】
雨水貯留槽の埋め戻しには、掘り起こした土をそのまま用いても良いが、保水性、熱伝導性などに優れる樹脂を混合した土を埋め戻すと熱交換効率を高めることができる。保水性樹脂としては橋かけポリアクリル酸塩系、ポリビニルアルコール／ポリアクリル酸塩系などの高吸水性ポリマーが用いられる。
【００３５】
本発明において、雨水貯留槽内の貯留水の温度が地熱に近い温度であれば、図４に示すように、雨水貯留槽１の貯留水５中に熱媒体管路１１を配置して熱交換を行うことができる。また貯留水をヒートポンプなどの熱源に用いることもできる。さらに水温に関係なく、貯留水をポンプでくみ上げて、家屋の外壁に散水して冷房することも、樹木の散水などに利用することもできる。さらに、トイレの水洗水などに利用することも可能である。上記のように、雨水貯留槽を地熱利用システムとして使用する他に、生活用水として複合利用することも可能であることが本発明の特徴の一つである。
【００３６】
なお、本発明では、主として経済的であるなどの理由により、貯留槽内に貯留する対象を雨水としていることから、地下に埋設した貯留槽のことを総称して雨水貯留槽と記載しているが、地熱利用システムを安定して稼動するためには、貯留槽に一定量以上の水を常時確保しておく必要があることから、雨水の代わりに上水や融雪水を使用して発明の効果を実現する場合であっても本発明の権利に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の地熱利用システムに用いる雨水貯留槽の実施形態を示す縦断面説明図である。
【図２】（イ）、（ロ）は本発明の地熱利用システムの第１の実施形態を示すそれぞれ縦断面説明図である。
【図３】本発明の地熱利用システムの第２の実施形態を示す縦断面説明図である。
【図４】本発明の地熱利用システムの第３の実施形態を示す縦断面説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  雨水貯留槽
２  地中
３  雨水貯留槽の壁部
４  透水性部材
５  貯留水
６  雨水流入管
７  透水性部材により形成された透水性壁部
８  湿潤状態の土壌
９  雨水貯留槽の蓋
１０  透水性壁部からの滲出水
１１  熱媒体管路
１２  湿潤状態の土壌域
１３  家屋
１４  熱交換機本体
１５  外壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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