(57)【要約】【課題】本発明は、当業者であれば当然行う計算による設計だけでなく、評価試験の結果に基づいて、地中に埋設する配管の深さや、更には前記配管内を熱媒体を循環させるポンプの仕様を決める、今までにない新たな地熱交換装置の設計方法を提供するものである。【解決手段】ポンプにより熱交換器および地盤に埋設した配管内を熱媒体が循環し、前記熱交換器にて熱交換を行うことで地中と地上との間で熱交換を行う地熱交換装置における、前記地盤に埋設する配管の深さを決定する地熱交換装置の設計方法であって、前記地盤に埋設する配管の深さを、前記ポンプの仕様と前記地盤に埋設する配管の深さとの組み合わせを変えた際の熱効率の変化を考察する実験によって求めた、前記ポンプの仕様に対して熱効率が急低下し始める配管の深さ以下とすることを特徴とする。【選択図】    図３
2005351558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプにより熱交換器および地盤に埋設した配管内を熱媒体が循環し、前記熱交換器にて熱交換を行うことで地中と地上との間で熱交換を行う地熱交換装置における、前記地盤に埋設する配管の深さを決定する地熱交換装置の設計方法であって、
前記地盤に埋設する配管の深さを、前記ポンプの仕様と前記地盤に埋設する配管の深さとの組み合わせを変えた際の熱効率の変化を考察する実験によって求めた、前記ポンプの仕様に対して熱効率が急低下し始める配管の深さ以下とすることを特徴とする地熱交換装置の設計方法。
【請求項２】
前記地盤に埋設する配管の深さを、外気温に左右されにくい深さ以上とすることを特徴とする請求項１に記載の地熱交換装置の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱媒体を循環させるための配管を地中に埋設し、ポンプにより熱交換器および前記配管内を熱媒体が循環し、前記熱交換器にて熱交換を行うことで、地中と地上との間で熱交換を行う地熱交換装置の設計方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地中の温度は、一年間を通じて温度変化が少なく、比較的安定している。特に、地中の温度は、ある深さ以上であれば外気温の影響を受けにくく恒温の地熱が得られる。そのため、例えば日本の気候においては、地中の温度は、夏季は外気温に対して低く、冬季は外気温に対して高い。そこで、地中に既製杭や配管などを埋設し、この配管および熱交換器を利用してポンプにより地中と地上との間で熱媒体を循環させ、前記熱交換器にて熱交換を行い、空調等の熱源として利用する装置が提案されている（引用文献１）。
【０００３】
前述したように、地中の温度はある深さ以上であれば外気温の影響を受けにくく恒温の地熱が得られるが、前記既製杭や配管を地中に埋設する深さを深くすると、該既製杭や配管を地中に埋設するための費用が増大し、また前記既製杭，配管，熱媒体などの資材費用も増大する。更に前記既製杭や配管を深く埋設することに伴って、前記熱媒体を循環させるためのポンプの出力もアップしなければならなくなり、それに伴う消費電力の増大によりランニングコストも増大する。
【０００４】
しかしながら、従来、前述したような地熱を熱源として利用する装置の提案はあっても、前記地中に埋設する配管の深さなどの仕様や、前記配管内を熱媒体を循環させるポンプの仕様について言及した提案はなかった。なぜならば、通常、前述したような装置を設計する場合、当業者であれば、当然、地中に埋設する配管の深さや、配管内を熱媒体を循環させるポンプの出力は、設計段階においてポンプの仕様や配管の径などから計算によって算出して決めるはずだからである。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１８４０６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、本出願人は、特に中低層用住宅において前述した仕様などから計算によって算出して得られた結果通りに前記地中に埋設する配管の深さや前記配管内を熱媒体を循環させるポンプの仕様を設定したとしても、前記計算では予測できない何らかの要因により、前記計算による設計通りの地熱交換装置が実際には充分な機能を果たすことができないことを、前記地熱交換装置の評価試験を行うことにより突き止めた。
【０００７】
すなわち、本発明は、当業者であれば当然行う計算による設計だけでなく、以下に詳述する評価試験の結果に基づいて、前記地中に埋設する配管の深さや、更には前記配管内を熱媒体を循環させるポンプの仕様を決める、今までにない新たな地熱交換装置の設計方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ポンプにより熱交換器および地盤に埋設した配管内を熱媒体が循環し、前記熱交換器にて熱交換を行うことで地中と地上との間で熱交換を行う地熱交換装置における、前記地盤に埋設する配管の深さを決定する地熱交換装置の設計方法であって、前記地盤に埋設する配管の深さを、前記ポンプの仕様と前記地盤に埋設する配管の深さとの組み合わせを変えた際の熱効率の変化を考察する実験によって求めた、前記ポンプの仕様に対して熱効率が急低下し始める配管の深さ以下とすることを特徴とする。
【０００９】
更には、前記地盤に埋設する配管の深さを、外気温に左右されにくい深さ以上とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
上記本発明によれば、計算では予測できない要因により、実際に地熱交換装置が充分な機能を果たせなくなるのを未然に防ぐことができる。更には、熱媒体を循環させるためのポンプの出力が小さく、かつ熱媒体が循環する配管の埋設深さをできるだけ深くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明に係る地熱交換装置の設計方法について詳しく説明する。なお、以下の説明では、まず地熱交換装置の概略構成について説明し、次いでその地熱交換装置の設計方法について説明し、最後にその地熱交換装置の設計方法を見出した評価試験を例示して説明する。
【００１２】
［地熱交換装置の概略構成］
本実施形態では、一戸建てや小規模なアパートなどの中低層住宅用地熱交換装置を例示して説明する。一戸建てや小規模なアパートなどの中低層住宅に用いられる地熱交換装置１は、例えば図１に示すように、地中に中空の既製杭２を略鉛直に埋設し、この略鉛直に埋設した既製杭２内に熱媒体を循環させるための配管３を配置し、これらの配管３を循環用ポンプ（不図示）を備えた熱交換器４に接続している。そして、前記循環用ポンプにより熱交換器４および埋設した配管３内を熱媒体が循環し、前記熱交換器４にて熱交換を行うことで、地中と地上との間で熱交換を行う。このように地熱を利用して熱交換によって得たエネルギーは、前述した中低層住宅の空調等の熱源として利用する。
【００１３】
なお、図１では、地中に埋設する配管として、中空の既製杭２を地中に略鉛直に埋設し、その既製杭２内に熱交換用の配管３を配置する構成を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、前記既製杭を用いずに、前記配管を直接地中に略鉛直に埋設する構成であっても良い。また、前記配管は、凹凸のない配管に比べて単位長さ当たりの表面積が大きく、また折り曲げ加工が容易な配管を使用することが好ましい。特に管壁形状が長さ方向に波型をしたフレキシブルパイプなどの蛇腹状の配管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。また配管を波型形状とすることによって、配管内部では該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。
【００１４】
また本実施形態に係る地熱交換装置１は、図１に示すように前記配管３の地表面からの埋設深さｈが、所定深さ以下になるように構成している。具体的には前記配管３の地表面からの埋設深さｈが１５ｍ未満となるように構成している。この配管３の地表面からの埋設深さｈが１５ｍ未満となるようにした理由は、後述する評価試験（実験）の結果により明らかにするが、ここで簡単に説明すると、所定出力のポンプを定格駆動して熱媒体を循環させた際に、その熱媒体が循環する配管３の埋設深さｈが１２ｍの時は所定の流量で前記熱媒体が循環したが、１５ｍの時は計算上得られるはずの流量が得られなかったことに基づくものである。このように前記所定の深さに埋設した配管内を所定の流量で熱媒体が循環すれば、地熱を用いて効率良く熱交換が行えるが、計算上得られるはずの流量で熱媒体が循環しないとなると、例え計算上は可能であっても実際には地熱交換装置の機能が充分に果たせないこととなる。
【００１５】
［地熱交換装置の設定方法］
そこで、本出願人は、上記中低層住宅用地熱交換装置を設計するにあたって、計算では予測できない何らかの要因により、前記地熱交換装置が充分な機能を果たせなくなるのを未然に防ぐ、地熱交換装置の設計方法を見出すに至った。
【００１６】
本発明に係る地熱交換装置の設計方法は、図１に示すように、ポンプにより熱交換器４および埋設した配管３内を熱媒体が循環し、前記熱交換器４にて熱交換を行うことで地中と地上との間で熱交換を行う地熱交換装置１における、前記配管３の地表面からの埋設深さｈを決定する方法である。
【００１７】
前記配管３の地表面からの埋設深さｈを決定するにあたっては、前記配管３の埋設深さｈを、前記ポンプの仕様と前記配管の地表面からの埋設深さとの組み合わせを変えた際の熱効率の変化を考察する実験（後述する評価試験）によって求めた、前記ポンプの仕様に対して熱効率が急低下し始める配管の深さ以下とする。すなわち、本発明に係る地熱交換装置の設計方法は、当業者であれば当然行う計算による設計だけでなく、以下に詳述する評価試験の結果に基づいて、前記配管３の地表面からの埋設深さｈや、更には前記配管内を熱媒体を循環させるポンプの仕様を決めている。
【００１８】
これにより、計算では予測できない要因により、実際に地熱交換装置が充分な機能を果たせなくなるのを未然に防ぐことができる。更には、熱媒体を循環させるためのポンプの出力が小さく、かつ熱媒体が循環する配管の埋設深さをできるだけ深くすることができる。
【００１９】
なお、計算では予測できない要因としては、配管内に熱媒体を注入した際に混入してしまう空気が考えられるが、これについてはエア抜きなどの処理によってある程度は対処することができる。しかしながら、配管内部に溜まった空気を該配管内部から完全に除去することは困難である。なぜならば、前記配管としてフレキシブルパイプなどの蛇腹状の配管を用いた場合、前述したように配管内部を通る熱媒体の流れは乱流となるが、この乱流が生じた際の、前記配管内部の空気の挙動が予測できないからである。この配管内部の空気の予測不能な挙動により、前記エア抜き処理を行ったとしても地熱交換装置が必ずしも計算通りに機能するとは言えないことが、後述の評価試験により明らかになった。
【００２０】
［評価試験］
以下に、上記地熱交換装置の設計方法を見出した評価試験（実験例）を具体的に例示して説明する。なお、今回の評価試験に使用したポンプの仕様は、定格２００Ｖ（周波数５０Ｈｚ）、最大揚程９．２ｍ、消費電力８７Ｗ、最大流量２５Ｌ／ｍｉｎ、である。以下、図２及び図３を用いて、実験装置の構成、実験手順、実験結果の順に説明する。
【００２１】
実験装置の概略構成を図２に示す。具体的には、以下に説明するようなシステムを組み、評価試験を行った。この実験例では、埋設する配管３を挿入する既製杭２は下端を閉じた鋼管杭（旭化成建材（株）製ＥＡＺＥＴ）を使用している。この鋼管杭２の外径φは１９０．７ｍｍであり、杭長ｈは１０ｍ，１２ｍ，１５ｍの３種類を用いた。この各杭２をそれぞれ地中に打ち込み、各杭２に熱交換用の配管３を配置した。なお、この杭２内に配設した配管３の地表面からの埋設深さが前述した埋設深さｈ（図１参照）である。また杭２内の配管３はステンレス製のフレキシブル管（内径１３ｍｍ）を使用しており、配管３の外径φが２０ｍｍのものを杭１本につき１本通している。熱媒体は濃度１０％の不凍液（三菱電機（株）製防錆循環液 （ＭＦＣ００１ＪＥ））を用いており、杭２内部の空間も同様の不凍液（充填材）で充填している。なお、ここでいう濃度１０％の不凍液とは、前記不凍液の濃度が１０％になるように水で希釈したものである。熱交換器４（ヒートポンプ）と杭２内の配管３とを結ぶ横引き配管７はステンレス製のフレキシブル管（２０Ａ）を使用し、厚み１０ｍｍの断熱材（不図示）を巻いている。熱媒体の循環は、定格出力８７Ｗの循環ポンプ５（（株）荻原製作所製の品番ＰＦ９０−１１４Ｇ３）を使用している。また前記循環ポンプ５によって配管３，７内を循環する熱媒体の流量は、流量計（東京計装（株）製の電磁式流量センサＭＧＭ４５１０Ｋ）を用いて測定した。なお、熱効率の変化を左右する最も重要な要素は熱媒体の流量なので、今回の評価試験では熱媒体の流量を測定し、熱効率の変化を判断するおおよその判断基準とした。
【００２２】
上記実験装置を用いて以下の手順で評価試験を行った。まず、評価試験を行うにあたって、熱媒体注入装置６により配管３，７内部に前述の不凍液を注入した。なお、熱媒体注入装置６は、配管３，７内部に溜まったエアを抜く機能も兼ねている。このように不凍液の注入及びエア抜きを終えた後、循環ポンプ５を定格運転し、配管３，７内を循環する熱媒体の流量の測定を行った。
【００２３】
上記実験を行った結果は図３に示す通りである。ポンプを定格８７Ｗで駆動し、地表面からの埋設深さが１０ｍ（配管長さ２０ｍ）の配管の流量は１５．１Ｌ／ｍｉｎであった。また、ポンプを定格８７Ｗで駆動し、地表面からの埋設深さが１２ｍ（配管長さ２４ｍ）の配管の流量は１４．３Ｌ／ｍｉｎであった。これに対して、ポンプを定格８７Ｗで駆動し、地表面からの埋設深さが１５ｍ（配管長さ３０ｍ）の配管の流量は、ポンプ駆動当初から一定の流量が得られたわけではなく、熱媒体は徐々に流れ始め、最終的に一定となった値が１３．５Ｌ／ｍｉｎであった。
【００２４】
なお、各配管の埋設深さにおいて、エア抜きを行わなかった場合の消費エネルギーは、エア抜きを行った場合に比べて１．５倍であった。これは、ポンプの投入電圧を徐々に下げていき、熱媒体が流れなくなったときの電流値により求めた。また、エア抜きを行わなかった場合、前記配管の埋設深さｈが１２ｍでは熱媒体は流れたが、１５ｍでは熱媒体は流れなかった。
【００２５】
上記実験結果から、本出願人は、配管３の地表面からの埋設深さｈを、前記ポンプ５の出力に対して流量が急低下し始める配管の深さ以下、すわなち熱効率が急低下し始める配管の深さ以下とすることが好ましいことを見出した。この配管３の埋設深さｈは、上記実験によって求めた１５ｍ未満、好ましくは１２ｍ以下となるように設計することが望ましいことが判明した。
【００２６】
なお、上記既製杭や配管等の寸法、材質、形状、それらの相対配置、およびポンプの出力などは、前述の実験例に限定されるものではなく、本発明が適用される装置の構成や各種条件に応じて適宜決められるものである。
【００２７】
上述したように、本発明によれば、配管３の地表面からの埋設深さｈを、ポンプ５の出力と前記配管３の地表面からの埋設深さとの組み合わせを変えた際の熱効率の変化を考察する実験によって求めた、前記ポンプ５の出力に対して熱効率が急低下し始める配管３の深さ以下とすることにより、更に詳しくは前記配管３の地表面からの埋設深さｈが１５ｍ未満（好ましくは１２ｍ以下）となるように前記地熱交換装置１を設計することにより、計算では予測できない要因により、実際に地熱交換装置が充分な機能を果たせなくなるのを未然に防ぐことができる。更には、熱媒体を循環させるためのポンプ５の出力が小さく、かつ熱媒体が循環する配管３の埋設深さｈをできるだけ深くすることができる。
【００２８】
なお、前記地盤に埋設する配管３の深さｈを、外気温に左右されにくい深さ以上とすることが好ましい。この外気温に左右されにくい深さとは、具体的には、地表から５ｍ以上の深さと一般的にいわれている。この深さであれば、外気温の影響を受けやすい地表付近に比べて地中温度（具体的には約１５℃程度）が安定している。このように前記配管は、地表から５ｍ以上埋設すれば、地中温度は安定しているので、前述したように１０ｍ程度まで埋設すれば、それ以上深く埋設しなくても外気温にかからわず安定して地中の熱を得ることができる。しかし、若干の外気温に左右されたとしても、熱効率が若干落ちるだけという深さは、地表から３ｍ以上である。また、多湿な地盤であれば、この水分が熱媒体の役目をするので、更に浅くても良い場合がある。
【００２９】
なお、上述した実施の形態では、地盤に埋設する配管として、管壁形状が長さ方向に波型をした蛇腹状の配管（フレキシブルパイプなど）を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、通常の凹凸のない配管や、配管周面に放熱板（フィン）を取り付けた配管など、その他の配管であってもよい。特に好ましいものは、前述したように蛇腹状の配管であり、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、フレキシブルパイプなどの蛇腹状の配管は巻物であるため、施工現場までの運搬が簡単であり、折れ曲げ加工性に優れているため、既製杭内外への出し入れ等の施工性に優れている。また地盤に埋設する配管は、地中に直接配管を埋設する構成であっても良いし、或いは、少なくとも一部を地中に埋設して用いる既製杭の内部に前記配管を設置する構成であっても良い。この少なくとも一部を地中に埋設した既製杭とは、管全体が地中に埋設されている既製杭や、一部が外部に露出するように地中に埋設されている既製杭などを含むものである。
【００３０】
また、前記既製杭としては、例えば、建物の基礎に用いられる、鋼管杭、コンクリートパイル、ソイルセメント柱体と鋼管杭を一体化させたソイルセメント合成杭等が挙げられる。しかしながら、前記既製杭は、前述したものに限定されるものではなく、前記配管を埋設し易くするために少なくとも一部を地中に埋設して用いる既製杭であれば、その他の既製杭であっても構わない。
【００３１】
また上述したような既製杭を地熱交換装置で用いる場合には、前記既製杭の中空内部に前記配管を配置し、この配管と既製杭本体の空間に充填材を適宜充填し、前記配管内を熱媒体を流動させることによって地中の熱を利用するように構成する。なお、前記配管を通す熱媒体としては、水、オイル、不凍液、空気などが挙げられる。また、配管と既製杭本体の空間を埋める充填材としては、水、オイル、不凍液、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などが挙げられるが、中でも水、オイル、不凍液が特に好ましい。
【００３２】
また前述した配管または既製杭の地表付近の表層部（熱交換効率の悪いところ）を断熱材で被覆するように構成してもよい。具体的には、地盤に直接埋設する配管を断熱材で被覆する構成、あるいは、既製杭内部に配設する配管を断熱材で被覆する構成、あるいは、既製杭の外周部を断熱材で被覆する構成、あるいは、既製杭の内周部を断熱材で被覆する構成、あるいは、既製杭と配管と間の空間を断熱材で満たす構成などが考えられる。このように構成することにより、外気温の影響を受けやすい地表付近において交換される熱量を極力小さくすることができ、地中の熱をより効率的に取得することができる。
【００３３】
また、前記配管の材質は、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。また、前述したように配管を地中に直接埋設するのではなく、少なくとも一部を地中に埋設した既製杭に設置する場合は、１本の既製杭の内部に通す配管の本数は複数本であっても良い。
【００３４】
また前述した既製杭を地熱交換装置に用いる場合、その既製杭は、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した既製杭を利用しても良い。なお、基礎の下以外の場所の例を挙げると、基礎下以外の建物の下や、庭等の建物周縁の空き地、道路、駐車場等がある。このような場所であれば、配管に問題が起きた場合には既製杭上部開口から配管の出し入れが可能であるため、メンテナンスを行うことができる。
【００３５】
また上述した実施の形態では、熱媒体を循環させるポンプと熱交換器とを一体に設けた構成を例示したが、これに限定されるものではなく、前記ポンプと前記熱交換器とを別個に設けた構成としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係る地熱交換装置の設計方法は、上述した中低層住宅用の地熱利用システムにおける地熱交換装置に有効利用できるだけでなく、更に地中熱を利用した融雪システム、霜対策システム、道路氷結対策システムにおける地熱交換装置や、農産物用の温室のシステムにおける地熱交換装置を設計するにあたって、有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る地熱交換装置の一実施形態を示す模式斜視図
【図２】本発明に係る地熱交換装置の設定方法を見出した実験装置を示す模式側面図
【図３】図３に示す実験装置の評価試験によって得られた結果を示す表図
【符号の説明】
【００３８】
ｈ    …配管の地表面からの埋設深さ
１    …地熱交換装置
２    …既製杭
３    …配管
４    …熱交換器
５    …循環ポンプ
６    …空気抜き兼熱媒体注入装置
７    …横引き配管
【図１】
2005351558.tif 000003
【図２】
2005351558.tif 000004
【図３】
2005351558.tif 000005