(57)【要約】  【課題】  夏の暖かい熱を鉛直熱交換パイルを用いて地中に蓄えて冬の融雪に用いる地中蓄熱装置であって、又冬の冷たい熱を鉛直熱交換パイルを用いて地中に蓄えて夏の冷房に用いる地中蓄熱装置であって、熱交換パイルに蓄えられた熱が周囲に発散することを抑制した地中蓄熱装置の提供。【解決手段】  上記鉛直熱交換パイル１，１・・を１.2m〜3mの縦横間隔で４列４行以上設置することで、熱交換パイル相互が干渉し合って、一体化した巨大な蓄熱槽を形成する。【選択図】    図４ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
夏の暖かい熱を鉛直熱交換パイルを用いて地中に蓄えて冬の融雪に用いる地中蓄熱装置において、上記鉛直熱交換パイルを１.2m〜3mの縦横間隔で４列４行以上設置することを特徴とする群杭効果を利用した地中蓄熱装置。
【請求項２】
冬の冷たい熱を鉛直熱交換パイルを用いて地中に蓄えて夏の冷房に用いる地中蓄熱装置において、上記鉛直熱交換パイルを１.2m〜3mの縦横間隔で４列・４行以上設置することを特徴とする群杭効果を利用した地中蓄熱装置。
【請求項３】
既に地中に打込まれている既存の熱交換パイルの間に別に新たな熱交換パイルを打込んで上記1.2m〜3mの間隔とした請求項１、又は請求項２記載の群杭効果を利用した地中蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は地中に複数本の鉛直熱交換パイルを特定密度で設置することで、効率的に蓄熱する地中蓄熱装置に関するものである．
【背景技術】
【０００２】
地中や地下水は年中を通して温度変化が小さく、その為に四季に応じて変化の大きな気温との間に温度差が生じる。すなわち、地中の温度は真夏の気温に対して低く、冬場は暖かい訳であって、両季節においては地上と地中との間で熱の交換を行うことにより、冷暖房費の節減を図ることが出来る。このような試みは昔から行われている。例えば、実開昭５８−１６８２４号に係る「地中温度を利用する空調装置」、実開昭５８−１６８５３号に係る「地下水を利用する空調装置」などが知られている。
【０００３】
そして、地熱の有効利用の為に建物の基礎杭を利用した熱交換システムも知られている。例えば、実開平５−１７４２９号に係る「基礎杭を利用した熱交換システム」は、基礎杭の中空部に熱交換液を入れ、該空間部には取水管と排水管を配管し、取水管には送り管を、又排水管には戻し管を夫々接続し、所定の場所に配管・設置した熱交換器へ上記熱交換液を送り、一循させて基礎杭に戻すシステムである。そして、上記取・排水管の途中には仕切り弁を接続し、又適当な位置に水漏れ検出器を設けたもので、基礎杭に液漏れを生じた場合には上記水漏れ検出によって検出され、上記仕切り弁を閉じて、液漏れした基礎杭を熱交換システムから除外してしまうように構成している。
【０００４】
図１は上記熱交換システムを示した融雪装置である。同図に示すように、地中に設置された鉛直熱交換パイル１を用いて、水や不凍液４の熱媒体を循環ポンプ１０で循環して地中熱を集熱して構成される従来の融雪システムでは、夏の運転で蓄えられた熱は冬までに周囲に発散して十分な効果が得られない。同図の２は取水管、３は排水管、５は中空部、６は送り管、７は融雪管、８は戻し管、９は取水口、１１、１２，は仕切り弁、１３は水漏れ検出器を示している。
【０００５】
例えば，福井市内の所定の場所に打ち込まれた鉛直熱交換パイル１，１・・の間隔(ピッチ)が大きい場合、夏季に蓄熱運転を行っても、図２に示すように杭内水温は夏一時的に蓄熱なしより１５℃以上高い３０℃以上になっても、冬には２℃に下がって蓄熱効果がほとんど無くなってしまう。そのことから、希に冬に使用した熱を夏に補填する目的での蓄熱がなされるだけである。
【０００６】
欧米と国内で最も一般的な専用の熱交換杭による地中熱を利用した融雪や空調でも，蓄熱効果は同様である。それは，その代表的な工法がボーリングでコアを作り，その中にポリエチレン管を挿入するため，５０〜１５０ｍと長い施工を得意とするために，結果として鉛直熱交換パイル１，１・・の本数が少なくなり，蓄熱しても発散することから、鉛直熱交換パイル１が他の杭と干渉しないようにしたことによる。この方法は地中熱を得るには周囲の杭との干渉がなくて効果的である。図３は，この地中熱利用システムの概念で，３本程度の各杭の集熱（廃熱）は影響しないことが分かる．
しかし、この方法で利用できる地中温度は、冬のスタート時でも、その地方の地中温度（地表面熱収支から年平均気温より日本の緯度では２℃程度高い）であって、該地中温度では低くて時間当たりの融雪能力は小さい為に路面の雪を素早く溶かすことは出来ない。地中温度は１００ｍ深くしても２℃の温度上昇に過ぎないことから，鉛直熱交換パイル１を深くしても時間当たりの融雪能力はそれほど向上しない。そこで、ヒートポンプ１４を用いて地中熱で得られる温度を更に上昇させるのが一般的であるが、該ヒートポンプ１４を用いれば建設費と電気使用での維持費用が嵩むことになる。
【０００７】
鉛直熱交換パイル１を用いて地中を暖房時にヒートソース（冷房時にはヒートシンク）にするヒートポンプを用いた冷暖房システムでも、冬の最後には地中は低温になっても夏の冷房時までには周囲に発散して温度が上昇してしまい、殆ど効果が得られていない。
【特許文献１】実開平５−１７４２９号に係る「基礎杭を利用した熱交換システム」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、鉛直熱交換パイルを利用して、夏の温熱を積極的に蓄え冬に使い、逆に冬の冷熱を地中に積極的に蓄えて夏に使う場合には、蓄熱から利用までの期間が長くて蓄えられた熱が周囲に発散し実用化に問題がある。本発明が解決しようとする課題はこの問題点であり、熱交換パイルに蓄えられた熱が周囲に発散することを抑制した地中蓄熱装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかる地中蓄熱装置は、地中に打込まれる鉛直熱交換パイルの間隔(ピッチ)を小さくすることで、その杭群とその範囲の地中は熱的に一体化された巨大な蓄熱槽となる。そこで、本発明では１ｍ〜３ｍの間隔で４列４行以上に設置する。比表面積の小さなもの、例えばコップ一杯の雪は外部からの熱ですぐに溶けるが、縦横高がそれぞれ２０ｍの巨大な貯雪ならば、外部の熱でその外周から徐々に溶けても内部の雪はなかなか溶けない。これと同じ原理で、巨大な地中に蓄えた夏（冬）の熱を冬（夏）まで保存することが出来る。図４にその概念を示すように、杭群では杭相互が干渉し合って巨大で一体化した蓄熱槽が形成されている．
なお，鉛直熱交換パイルを広範囲な縦横間隔に多数設置しても、その縦横間隔が３ｍを超えると、それぞれの鉛直熱交換パイルとその周囲の地中は、他の鉛直熱交換パイルと独立したものとなり、一体化されずにそれぞれの熱交換パイルとパイプの中間部に発散し、必要な冬（夏）の期間中には取り出して使うことができない．逆に、杭間隔が１ｍ以下では杭１本で貯熱する地中空間が狭く成り過ぎて蓄熱量が少なくなる。ここで、地中に打込まれる熱交換パイルの間隔は、既に存在する熱交換パイルの間に別の新たな熱交換パイルを打込んで構成することもある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の地中蓄熱装置は、夏の循環ポンプ運転による地中への蓄熱が冬まで発散せずに保存され，冬期に利用可能な蓄熱総量が増えて、時間当たりの融雪能力が高くなる。従って、同じ融雪能力を確保するのに、別に行った計算から蓄熱なしに比べて約半分以下の杭本数で済むと計算される。
【００１１】
また，札幌などの寒冷地では、従来はスタート時から地中熱が１０℃と低くて十分な時間当たり融雪能力が得られず、ヒートポンプは必要不可欠であったが、本発明によってヒートポンプが必要でなくなるなどの効果が得られる。
【実施例】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
鉛直熱交換パイルを相互干渉する間隔で多数本設置する図４の融雪装置では，群杭周辺部の杭を除く中央部の杭は、杭が相互に干渉しあって熱が発散せず冬まで高い温度が保持される。直径１２ｃｍ，長さ２４ｍの鉛直熱交換パイル１，１・・を平面上に縦横間隔で多数列多数行に設置すれば、中央部の熱交換パイル１は，その各々の熱交換パイル１，１・・の中間で囲まれた正方形の鉛直面が断熱境界になる。夏の蓄熱は、初期地中温度１５℃の福井で舗装面が杭内水温より５℃高くなると循環ポンプ１０を運転し、融雪管７の出入口水温の差が３℃以下になると運転を停止する。そして、融雪路面に積雪がある際には融雪運転をするという制御で、1月１日から約２年４ヶ月間の運転を行った。なお、熱交換パイル１本当たりの融雪面積などは同じにして、該熱交換パイル１，１・・の縦横間隔のみを変えた。
【００１３】
図５は縦横間隔を1.0m， 1.5ｍ，2ｍ，4ｍに変えた場合のそれぞれの熱交換パイル内平均水温の比較結果で、熱交換パイル間隔を狭くすると熱の貯まる範囲が狭くなることで熱交換パイル内水温は高くなり、1.5mや2mの熱交換パイル間隔では夏蓄熱されて冬までそれぞれ３４℃，３０℃にほぼ保持されることが分かる。これが４m間隔では熱が拡散され冬には２０℃にまで低下している。
【００１４】
図６に2m間隔と4ｍ間隔でのそれぞれの融雪面上の残雪を示した。同図から，夏の蓄熱を経過しない1999年の冬では，2m間隔も4ｍ間隔も残雪はほとんど同じであったが，夏の蓄熱を経過した2000年後では、４ｍ間隔では杭内水温が低いので時間当たり融雪能力が小さく、その残雪が2m間隔のそれに比べて約2倍と多いことが分かる。  図７は，1mと1.5mの杭間隔でのそれぞれの融雪面上の残雪深で，概ね１ｍのそれは1.5ｍの残雪深のほぼ２倍の残雪になっている。ただし，夏の蓄熱を経過した2000年１月1日のわずかな降雪では，１ｍ間隔の残雪は杭内温度が高温であるため，1.5ｍのそれより少ない。その後は１ｍ間隔では熱容量が小さいために残雪が多くなっている．
図６の熱交換パイル間隔2mと図７の熱交換パイル間隔1.5mの残雪深は，ほぼ同じとなっている．
このようなことから杭の間隔を狭くし過ぎると熱交換パイル内水温は高温となり、最初は時間当たりの融雪能力は高くなるが、蓄熱範囲の地中が狭くなり過ぎてすぐに温度が低下し、次の寒波には対処できない。逆に間隔を広げすぎると、夏蓄熱した熱は冬までに発散して熱交換パイル内水温が低くなり、時間当たりの融雪能力が上がらない。このようなことから、最適な杭間隔で設置することが高い融雪能力を得る点で重要であることが分かる。
【００１５】
次に、４０００ｍ2を融雪対象に、杭径１２ｃｍ、杭長２４ｍの熱交換パイルを２ｍ縦横間隔で，横9本、縦には４５本の405本設置し７月１０日から蓄熱を開始したケースと、縦列の本数を倍以上の９２本に増やした８２８本で従来の蓄熱を行わないケースとでの融雪結果を比較した。図８に、全部の杭内水温平均値の１月日から２月３日までの変化を示す。この杭内平均水温は夏に蓄熱した方は、1月初めには約２４℃で、蓄熱なしに比べて９℃高くなっている。そのことで，1月１３日からの１７日の１０年ぶりの大雪であっても、図９に示すように，８２８本の蓄熱なしが最大３５ｃｍであっても、蓄熱ありでは１８ｃｍに止まっている。熱交換パイルの本数を半分以下にしても，夏の蓄熱が冬まで保存され，残雪深は逆に半分にできるという驚異的な効果が得られている．
図１０には杭の間隔を1.7ｍ縦横間隔で4列・4行、１６本を設置したケースと同じ１６本の杭を5m間隔で１列に配置したケースとの杭内水温の比較を示した。５ｍ間隔１列では7月10日15℃からの蓄熱で夏には25℃以上なったものの12月には18℃にまで低下するが、1.7ｍ縦横間隔で4列・4行と配置を変えるだけで夏には30℃以上になり，12月には23.5℃と発散が抑制される。４列４行の杭では内側の杭内水温は，四隅のそれより12月に1.5℃高くて発散が少なくなっている．５ｍ間隔1列では12月までに3℃の蓄熱に止まったが，４行４列1.7m間隔では8.5℃の蓄熱効果が得られたことになる．
以上の結果が得られたのは、鉛直熱交換パイルを1.2〜3mの間隔で4列・4行以上設置することで、その群杭周囲の地中に一体となる蓄熱槽が作られ、その蓄熱槽比表面積は小さいので、発散が少なくなることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の熱交換システムを利用した融雪装置。
【図２】蓄熱の有無による熱交換パイル内温度の変化。
【図３】間隔が大きい熱交換パイルを用いたシステム。
【図４】本発明に係る熱交換システムの概要。
【図５】熱交換パイルの間隔を変化させた場合の杭内温度の変化。
【図６】熱交換パイルの間隔が２ｍと４ｍとの場合における融雪面上の残雪。
【図７】熱交換パイルの間隔が1.5ｍと１ｍとの場合における融雪面上の残            雪。
【図８】熱交換パイル内温度の平均値の変化。
【図９】融雪面の残雪深さの変化。
【図１０】1.7m間隔で縦横４列・４行の１６本設けた場合と、５ｍ間隔で１６本を１列に配列した場合の杭内温度の比較。
【符号の説明】
【００１７】
１  熱交換パイル
２  取水管
３  排水管
４  不凍液
５  中空部
６  送り管
７  融雪管
８  戻し管
９  取水口
10  循環ポンプ
11  仕切り弁
12  仕切り弁
13  水漏れ検出器
14  ヒートポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年1月22日(2004.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
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