(57)【要約】【課題】大深度の地下空間の換気・空調エネルギーを小さく抑えることができる換気方法及びシステムを提案する。【解決手段】地下空間３と地上２との間に酸素O2と可逆的に結合する化合物Ｇの高濃度溶液Ｈの循環路５を設け、地上２において溶液Ｈ中の酸素分圧を上げて化合物Ｇを酸素O2と結合したうえで地下空間３へ流下させ、地下空間３において溶液Ｈ中の酸素分圧を下げて化合物Ｇから酸素O2を放出させたのち地上２へ揚水して循環させる。化合物Ｇの一例は、金属ポルフィリンが包接された酸素運搬化合物である。好ましくは、溶液Ｈ中に地下空間３の空気を吹き込んで酸素分圧を下げると共にその空気中の熱又は二酸化炭素CO2を溶液Ｈ中に回収し、溶液Ｈ中の酸素分圧を上げる際に溶液Ｈ中の熱又は二酸化炭素CO2を地上２に放出する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下空間と地上との間に酸素と可逆的に結合する化合物の溶液の循環路を設け、地上において前記溶液中の酸素分圧を上げて前記化合物を酸素と結合したうえで地下空間へ流下させ、地下空間において前記溶液中の酸素分圧を下げて前記化合物から酸素を放出させたのち地上へ揚水して循環させてなる地下空間の換気方法。
【請求項２】
請求項１の換気方法において、前記溶液中に地下空間の空気を吹き込んで酸素分圧を下げると共に当該空気中の熱又は二酸化炭素を溶液中に回収し、前記溶液中の酸素分圧を上げる際に溶液中の熱又は二酸化炭素を地上に放出してなる地下空間の換気方法。
【請求項３】
請求項１又は２の換気方法において、前記循環路上の揚程下端部に逆支弁を設けると共に前記循環路の逆支弁下流部に半透膜を介して溶媒又は希薄溶液の液槽を接続し、前記液槽から循環路内への溶媒の浸透圧により前記溶液を地下空間から地上へ揚水してなる地下空間の換気方法。
【請求項４】
請求項１から３の何れかの換気方法において、前記化合物を金属ポルフィリンが包接された酸素運搬化合物としてなる地下空間の換気方法。
【請求項５】
地上と地下空間との間に設けられ酸素と可逆的に結合する化合物の溶液が充填された循環路、前記循環路内の溶液を地下空間から地上に揚水して循環させる揚水装置、前記循環路上の地上部に設けられ前記溶液中の酸素分圧を上げて前記化合物を酸素と結合させる酸素分圧上昇装置、及び前記循環路上の地下空間部に設けられ前記溶液中の酸素分圧を下げて前記化合物から酸素を放出させる酸素分圧降下装置を備えてなる地下空間の換気システム。
【請求項６】
請求項５のシステムにおいて、前記酸素分圧降下装置により前記溶液中に地下空間の空気を吹き込んで酸素分圧を下げると共に当該空気中の熱又は二酸化炭素を溶液中に回収し、前記酸素分圧上昇装置により前記溶液中の酸素分圧を上げると共に溶液中の熱又は二酸化炭素を地上に放出してなる地下空間の換気システム。
【請求項７】
請求項５又は６のシステムにおいて、前記揚水装置に、前記循環路上の揚程下端部に設けた逆支弁と、前記循環路の逆支弁下流部に半透膜を介して接する溶媒又は希薄溶液の液槽とを含めてなる地下空間の換気システム。
【請求項８】
請求項５から７の何れかのシステムにおいて、前記化合物を金属ポルフィリンが包接された酸素運搬化合物としてなる地下空間の換気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は地下空間の換気方法及びシステムに関し、とくに大深度の地下空間に適用可能な換気方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
人間が活動する地下空間では、新鮮な空気を供給し汚染された空気を排出するために換気が必要とされ、内部の環境を維持・改善するために空調も必要とされることが多い。従来から地下街、地下鉄等の地下空間において、自然の空気の流れを利用した自然換気（パッシブ換気）、送風機等の換気装置を用いた強制換気（アクティブ換気）、温度・湿度を調節する空調設備等を組み合わせた様々な換気方式が実施されている。また近年は、例えば地表から40メートル以深の地下を利用した道路、鉄道、発電所等の地下施設の建設も進められており、比較的深い地下空間の経済的な換気方式等も提案されている（例えば、特許文献１参照）。更に、例えば高レベル放射性廃棄物の地層処分場（処分坑道）等は地下深部500〜1,000ｍ程度の岩盤内に建設することが計画されており、そのような大深度の地下空間における換気方式の研究・開発も進められている。
【０００３】
例えば非特許文献１は、図５に示すように、地盤１の地下深部500〜1,000ｍに構築する高レベル放射性廃棄物の処分坑道３の換気システムを提案している。このような処分坑道３の換気では、作業員の安全を確保する機能と共に、処分坑道３の長期性能に影響を及ぼすような環境変化を避ける機能、例えばベントナイトブロックその他の人工バリア材の乾燥や吸水による品質劣化を避ける機能が求められる。図示例の換気システムは、主に人工バリア材の品質確保に着眼したものであり、給気立坑45と排気立坑56との２本の立坑（又は斜坑）を用いて処分坑道３内の全ての部位が設定温度・湿度に保たれるように設計されている。
【０００４】
先ず地上２の空気を外気導入装置41により取り入れ、温度センサ43の測定結果に基づき温度調節器42（空調設備）により空気温度を調節した上で、その空気を地上送風機44により給気立坑45を介して処分坑道３に送風する。処分坑道３に流入する空気の温度・湿度は給気立坑45内で地熱等により変化すると予想されるため、処分坑道３内にも温度調節器47及び湿度調節器48（空調設備）を設け、温度・湿度センサ46の測定結果に基づき流入空気の温度・湿度を調節したのち、その空気を送風機49により坑道内送風ダクト51を通じて処分坑道３内の各所に導いて送風する（図中の白抜き矢印）。また、処分坑道３に配置した温度・湿度センサ52、53の測定結果を温度調節器47及び湿度調節器48にフィードバックすることにより、処分坑道３内の空気の温度・湿度を全ての部位で設定値となるように維持・管理する。処分坑道３内を通過した空気は、排気装置54により排気用ダクト55を通じて排気立坑56に導かれ、排気立坑56を介して地上２へ排気される（図中の斜線付き矢印）。図示例では排気装置54を処分坑道３内に設置しているが、排気立坑56の地上部に設置することも可能である。
【０００５】
【特許文献１】特許第２７０３０９３号公報
【特許文献２】特開２００６−００２０７７号公報
【非特許文献１】電気事業連合会・核燃料サイクル開発機構「ＴＲＵ廃棄物処分技術検討書、根拠資料集3-16、処分場の換気・排水に関する検討」、2005年9月、インターネット＜URL：http://www.jaea.go.jp/05/report/re051128/TOP.htm＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし図５の換気システムでは、処分坑道３内に設置した空調設備52、53の排熱をどこに捨てるかが問題となる。処分坑道３内の温度上昇を避けるため空調設備52、53の排熱を坑道周囲の地盤１に捨てるか又は地盤１を介して排気立坑56に捨てることが考えられるが、この方法では坑道周囲の地盤１に排熱が徐々に蓄積し、空調設備52、53の負荷の増大を招くおそれがある。また、処分坑道３が大きくなると換気量も大きくする必要があり、空調設備52、53の排熱量も大きくなるので、坑道周囲の地盤１に蓄積する熱量が増大して処分坑道３の長期性能に好ましくない影響を与えるおそれもある。
【０００７】
坑道周囲の地盤１への熱の蓄積を避けるため、処分坑道３内に空調設備52、53を設置せず、地上から温度・湿度が調整された空気を送風する方法も考えられる。しかし、一般に地下の地温は100ｍ深くなる毎に平均３℃上昇するといわれており、更に強制換気を行う場合は空気の断熱圧縮により100ｍ深くなる毎に１℃上昇するといわれている。例えば図５のシステムにおいて地上送風機44により深度500ｍの地下坑道３に送風する場合は、この理論によれば給気立坑45内で空気温度が約20℃（＝（3℃＋1℃）×500ｍ／100ｍ）上昇し、更に地温等が加わって空気温度が更に上昇することとなる。従って、地上からの送風により処分坑道３内を設定温度・湿度に維持・管理する場合は、給気立坑45内での温度上昇を補償するために換気設備や空調設備に膨大なエネルギーが必要となる。換気設備や空調設備に過度に頼らないで、できるだけ小さなエネルギーで大深度地下空間３を換気することができる技術の開発が望まれている。
【０００８】
そこで本発明の目的は、大深度の地下空間の換気・空調エネルギーを小さく抑えることができる換気方法及びシステムを提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、従来の送気による換気方式に代えて、液体による換気方式に注目した。例えば動植物の有する循環系は、水や血液を用いて細胞の代謝に伴う熱やガス等を交換するシステムであり、熱・物質移動の観点から注目される。植物の循環系は根から100ｍ程度の高所まで水を運搬する機能を備えており、動物の循環系（血液）はヘモグロビン、ヘモシアニン、ミオグロビン等のタンパク質（分子状酸素と可逆的に結合するヘムタンパク質を含む）を利用して酸素を貯蔵・輸送している。最近は、例えば特許文献１が開示するように、ヘムタンパク質のモデル化の研究から、ヘムタンパク質と同様に金属ポルフィリンを包接して酸素と可逆的に結合する酸素運搬化合物を人工的に合成する技術も開発されつつある。本発明は、このような酸素と可逆的に結合する酸素運搬化合物の溶液を用いた換気方式の研究開発の結果、完成に至ったものである。
【００１０】
図１の実施例を参照するに、本発明による地下空間の換気方法は、地下空間３と地上２との間に酸素O2と可逆的に結合する化合物Ｇの溶液Ｈの循環路５を設け、地上２において溶液Ｈ中の酸素分圧を上げて化合物Ｇを酸素O2と結合したうえで地下空間３へ流下させ、地下空間３において溶液Ｈ中の酸素分圧を下げて化合物Ｇから酸素O2を放出させたのち地上２へ揚水して循環させてなるものである。化合物Ｇの一例は、上述したように金属ポルフィリンが包接された酸素運搬化合物である。
【００１１】
好ましくは、溶液Ｈ中に地下空間３の空気を吹き込んで酸素分圧を下げると共にその空気中の熱又は二酸化炭素CO2を溶液Ｈ中に回収し、溶液Ｈ中の酸素分圧を上げる際に溶液Ｈ中の熱又は二酸化炭素CO2を地上２に放出する。更に好ましくは、図２に示すように、循環路５上の揚程下端部に逆支弁17を設けると共に循環路５の逆支弁17の下流部に半透膜16を介して溶媒Ｓ又は希薄溶液Ｌの液槽15を接続し、液槽15から循環路５内への溶媒Ｓの浸透圧により溶液Ｈを地下空間３から地上２へ揚水する。
【００１２】
また図１の実施例を参照するに、本発明による地下空間の換気システムは、地上２と地下空間３との間に設けられ酸素O2と可逆的に結合する化合物Ｇの溶液Ｈが充填された循環路５、循環路５内の溶液Ｈを地下空間３から地上２に揚水して循環させる揚水装置10、循環路５上の地上部６に設けられ溶液Ｈ中の酸素分圧を上げて化合物Ｇを酸素O2と結合させる酸素分圧上昇装置30、及び循環路５上の地下空間部８に設けられ溶液Ｈ中の酸素分圧を下げて化合物Ｇから酸素O2を放出させる酸素分圧降下装置31を備えてなるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による地下空間の換気方法は、酸素O2と可逆的に結合する化合物Ｇの溶液Ｈを地下空間３と地上２との間に循環させ、地上２において溶液Ｈ中の酸素分圧を上げて化合物Ｇを酸素O2と結合したうえで地下空間３へ流下させ、地下空間３において溶液Ｈ中の酸素分圧を下げて化合物Ｇから酸素O2を放出させたのち地上２へ揚水するので、次の顕著な効果を奏する。
【００１４】
（イ）空気に比して比熱が大きい溶液Ｈの循環によって地下空間３に酸素O2を運搬するので、地中搬送中の酸素温度の上昇を小さく抑えることができ、地下空間３における空調設備を縮小又は省略することができる。
（ロ）地下空間３における空調設備を縮小又は省略できるので、空調設備の排熱が地盤１中に蓄積される問題を避けることができる。
（ハ）また、地中搬送時における溶液Ｈの温度上昇が小さいので、地上における温度調節等に要するエネルギーも小さく抑えることが期待できる。
（ニ）更に、地下空間３への酸素O2の運搬だけでなく、地下空間３の熱又は二酸化炭素CO2を溶液Ｈ中に回収して地上２へ揚水することにより、地下空間３からの排熱や排ガスにも利用することができる。
（ホ）循環路５上の揚程下端部に半透膜を介して地下水等の溶媒Ｓ又は希薄溶液Ｌの液槽15を接続し、その溶媒Ｓ又は希薄溶液Ｌと溶液Ｈとの間の浸透圧を利用した浸透圧ポンプで溶液Ｈを揚水することにより、循環路５内の溶液Ｈの循環に要するエネルギーも小さく抑えることが期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、地盤１の深部500〜1,000ｍ程度の大深度地下空間３に本発明を適用した実施例を示す。図示例の換気システムは、地上２と地下空間３との間に配設した溶液Ｈの循環路５と、循環路５内に充填した溶液Ｈを地下空間３から地上２に揚水して循環させる揚水装置10と、循環路５上の地上部６に設けた溶液Ｈの酸素分圧上昇装置30と、循環路５上の地下空間部８に設けた溶液Ｈの酸素分圧降下装置31とを有する。図示例の循環路５は、地上２から地下空間３に至る一対の流下管路７及び揚水管路９と、その両者の地上端を相互に連結する地上管路６と、両者の地下空間側端を相互に連結する地下管路８とにより構成されている。
【００１６】
循環路５の流下管路７及び揚水管路９は、それぞれ独立した地盤１内のボーリング孔としてもよいが、例えば地上２から地下空間３へ人間や機械が出入りするマンホール内の空きスペース等に配置してもよい。また地上管路６及び地下管路８は、直管である必要はなく、地上２又は地下空間３において適当に曲がっていてもよい。500〜1,000ｍ程度の地下深部から揚水するには10MPa以上の水圧を加える必要があるので、揚水管路９は圧力配管用炭素鋼管（JIS-G-3454）等の十分大きな水圧試験品質の材質製とすることが望ましい。ただし、後述するように中継ポンプ12等を設けることにより、水圧試験品質の比較的低い材質製の配管を用いることも可能である。
【００１７】
循環路５内には、酸素分圧（酸素濃度）に応じて酸素O2と可逆的に結合する化合物Ｇの溶液Ｈを充填する。化合物Ｇの一例は、ヘムタンパク質と同様にポルフィリン化合物を包接して酸素と可逆的に結合する酸素運搬化合物であり、例えば特許文献２が開示するように、金属ポルフィリンを包接したシクロデキストリン二量体とすることができる。特許文献２によれば、この金属ポルフィリンを包接したシクロデキストリン二量体の水溶液は、酸素を吹き込んで水溶液中の酸素分圧を上げることにより分子状酸素O2と結合し、次に例えばアルゴンガス等を吹き込んで水溶液中の酸素分圧を下げることにより分子状酸素O2を放出し、そののち再び酸素を吹き込んで水溶液中の酸素分圧を上げることにより分子状酸素O2と再結合する。しかもこの化合物Ｇは、酸素と結合した錯体が比較的広いpH領域で安定である。有機溶媒ではなくpHの異なる水中で分子状酸素O2を繰り返し可逆的に且つ安定して着脱できる酸素運搬化合物は、人間の活動する地下空間の換気に用いる媒体として適している。
【００１８】
循環路５内に充填する溶液Ｈ中の化合物Ｇの濃度は、換気に必要な酸素運搬量に応じて適宜選択できるが、できるだけ高濃度とすることが望ましい。例えば血液中のヘモグロビン１gは標準状態の酸素1.34ミリリットルと結合し、１人当たりの平均酸素消費量は600リットル／日であるから、１人当たりの酸素消費量に相当するヘモグロビン量は約310g／分（≒600×1000／（24×60×1.34））となる。化合物Ｇについても同様にして１人当たりの酸素消費相当量を算出することができ、その１人当たりの酸素消費相当量と地下空間３内の作業員数と循環路５内の溶液Ｈの循環流量とに基づき、溶液Ｈ中の化合物Ｇの濃度の最小値を定めることができる。ただし、地下空間３への酸素運搬不足を避けるため、化合物Ｇの高濃度溶液Ｈを用いて十分大きな酸素運搬量を確保した上で、後述する酸素分圧上昇装置30と酸素分圧降下装置31とによる溶液Ｈ中の酸素分圧の調節により地下空間３への酸素運搬量を適宜制御可能とすることが望ましい。溶液Ｈの循環流量は、循環路５内の口径に応じて、所定の酸素運搬量が確保できるように適宜選択する。
【００１９】
図示例では、揚水装置10を循環路５の揚水管路９の地上側端に設けた揚水ポンプ11とし、揚水ポンプ11で溶液Ｈを地下空間３から地上２へ揚水することにより循環させている。揚水管路９以外の循環路５では重力により溶液Ｈを流下させることができるので、揚水装置10は揚水管路９にのみ設置すれば足りる。従来技術に属する比較的大型の揚水ポンプ11を用いれば、単独の揚水ポンプ11で1,000ｍ程度の大深度地下空間３から溶液Ｈを揚水して循環させることができる。ただし、図示例のように揚水管路９上に中継ポンプ12を設置し、複数のポンプ11、12で溶液Ｈを循環させることにより各ポンプの小型化を図ることもできる。中継ポンプ12の台数（中継点の数）は、必要に応じて２以上とすることができる。
【００２０】
なお、揚水管路９上に中継ポンプ12を設置する場合は、各中継点において揚水管路９と地盤１との間のガス交換・熱交換を遮断することが望ましい。後述するように揚水管路９内の溶液Ｈは、地上２から地下空間３に酸素O2を運搬する機能を有すると共に、地下空間３の熱又は二酸化炭素CO2を回収して地上２へ排出する機能も果たす。中継点において揚水管路９と地盤１との間のガス交換・熱交換が許されると、溶液Ｈ中の熱や二酸化炭素CO2が地盤１中に放出されると共に地盤１中の酸素O2が溶液Ｈ中の化合物Ｇと結合し、中間点の地盤１の環境が変動する可能性がある。地盤１の環境変動を避けるためには、揚水管路９と地盤１との間のガス交換・熱交換を遮断し、循環路３内の溶液Ｈに対するガス交換・熱交換を酸素分圧上昇装置30と酸素分圧降下装置31とに限定することが有効である。
【００２１】
図示例の酸素分圧上昇装置30は、循環路５の地上管路６上において、溶液Ｈ中の酸素分圧を上げて化合物Ｇを酸素O2と結合させるものである。また図示例の酸素分圧降下装置31は、循環路５の地下管路８において、溶液Ｈ中の酸素分圧を下げて化合物Ｇから酸素O2を放出させるものである。例えば図４（Ａ）に示すように、酸素分圧上昇装置30及び酸素分圧降下装置31をそれぞれ地上２又は地下空間３の空気を溶液Ｈ中に吹き込む装置とし、比較的酸度濃度の高い地上２の空気を溶液Ｈ中に吹き込むことで溶液Ｈ中の酸素分圧を上げ、比較的酸素濃度の低い地下空間３の空気を吹き込むことで溶液Ｈ中の酸素分圧を下げることができる。また、酸素分圧を効率よく変動させるため、酸素分圧上昇装置30に酸素濃度の高いガス（例えば酸素ガス）を吹き込み、酸素分圧降下装置31に酸素濃度の低いガスを吹き込むことも有効である。
【００２２】
図４（Ａ）の吹き込み装置36は、溶液Ｈの流入口38a及び流出口38bと排気口38cとを設けた液槽と、液槽の頂壁を回転自在に貫通する中空回転軸付き撹拌翼37とを有し、その撹拌翼37の中空回転軸の外側端を空気吹き込み口36aとし、中空回転軸の内側端を空気吹き出し口36bとしたものである。流入口38aから流入する溶液Ｈを液槽内に一時貯留し、撹拌翼37を回転させながら、その中空回転軸を介して溶液Ｈ中に地上２又は地下空間３の空気を吹き込むことにより、溶液Ｈ中の酸素分圧を上昇又は下降させる。酸素分圧の下降時に溶液Ｈから放出される酸素O2は、排気口38cから液槽外に排出する。
【００２３】
ただし、溶液Ｈ中の酸素分圧を上昇又は下降させる方法はガスの吹き込みに限定されるものではなく、地上２又は地下空間３の空気と溶液Ｈとの接触面積を広げることで溶液Ｈ中の酸素分圧を上昇又は下降させることもできる。図４（Ｂ）及び（Ｃ）は、酸素分圧上昇装置30又は酸素分圧降下装置31を、地上管路６及び地下管路８の一部分に設けた反割形状の通気部32により構成した実施例を示す。反割形状の通気部32を介して管路内の溶液Ｈと地上２又は地下空間３の空気とを接触させることにより、ガス交換を促進して溶液Ｈ中の酸素分圧を上昇又は下降させる。反割形状の通気部32には網目状の被覆を設けて空気中の浮遊粒子等の混入を防ぐことが望ましく、気体だけが通過できる大きさのメッシュ又は半透膜等で被覆することも有効である。処分坑道３内の浮遊微粒子が溶液Ｈに混入し得る場合は、地上２の酸素分圧上昇装置30等においてフィルタ等により混入物を除去することが望ましい。
【００２４】
また、図４（Ｄ）及び（Ｅ）は、地上管路６又は地下管路８を所定部位で切断し、その上流側管路に接続した散水器33と下流側管路に接続した液溜め34とを酸素分圧上昇装置30又は酸素分圧降下装置31とした実施例を示す。散水器33から液溜め34へ放出する際に溶液Ｈを空気と接触させて酸素分圧を上昇又は下降させ、酸素分圧の下降時に溶液Ｈから酸素O2を液溜め34の開口から放出させ、空気と接触後の溶液Ｈを液溜め34から下流側の地上管路６又は地下管路８へ送る。この場合も、液溜め34の開口に適当な被覆を設けて空気中の浮遊粒子等の混入を防ぐことが望ましい。地上２又は地下空間３に清浄環境に保持されたガス交換用のクリーンルーム等を設け、そのクリーンルームに酸素分圧上昇装置30又は酸素分圧降下装置31を設置して浮遊粒子等の混入を防ぐことも有効である。
【００２５】
酸素分圧上昇装置30において化合物Ｇに結合させた酸素O2を循環路５経由で酸素分圧降下装置31へ送り、酸素分圧降下装置31において地下空間３へ放出することにより、地上２から地下空間３へ酸素O2を運搬することが可能となる。また、酸素分圧上昇装置30での酸素分圧の上昇量と酸素分圧降下装置31での酸素分圧の下降量とにより、地上２から地下空間３への酸素O2の運搬量を適当に調節することもできる。空気に比して比熱が大きい化合物Ｇの溶液Ｈの循環によって地下空間３に酸素O2を運搬することにより、地中搬送中の酸素温度の上昇を小さく抑え、地下空間３における空調設備を縮小又は省略することが期待できる。また、地下空間３における空調設備を縮小又は省略できるので、上述したように空調設備の排熱が地盤１中に蓄積される問題も解決できる。
【００２６】
更に、図示例の換気システムは、地上２から地下空間３への酸素O2の運搬だけでなく、地下空間３から地上２への排熱や排ガスにも利用することができる。例えば図４（Ａ）の吹き込み装置36を酸素分圧降下装置31として使用した場合は、地下空間３の空気を吹き込んで酸素分圧を下げると共に、その空気中の熱又は二酸化炭素CO2を溶液Ｈ中に回収することができる。また酸素分圧上昇装置30として使用した場合は、地上２の空気を吹き込んで酸素分圧を上げると共に、溶液Ｈ中の熱又は二酸化炭素CO2を放出することができる。地上２から地下空間３への酸素O2の運搬と地下空間３から地上２への熱又は二酸化炭素CO2の排出とを、共に熱容量の大きい化合物Ｇの溶液Ｈの循環で行うことにより、地下空間３の換気・空調の効率化を図り、換気・空調エネルギーを小さく抑えることが期待できる。また、図１に示すように、必要に応じて地上管路６の酸素分圧上昇装置30の下流側に温度調節装置39を設け、溶液Ｈの温度を調節した上で地下空間３へ循環させることも可能である。
【００２７】
こうして本発明の目的である「大深度の地下空間の換気・空調エネルギーを小さく抑えることができる換気方法及びシステム」の提供を達成することができる。
【実施例１】
【００２８】
図２は、化合物Ｇの溶液Ｈの揚水装置10として浸透圧ポンプ14を用いた本発明の実施例を示す。図１の実施例では、揚水ポンプ11、12により循環路５内の化合物Ｇの溶液Ｈを循環させているので、溶液Ｈの循環に要するエネルギーが比較的大きくなり得る。本発明者は、化合物Ｇの高濃度溶液Ｈを用いる本発明においては、浸透圧を利用して溶液Ｈを揚水できる可能性があることに注目した。図示例の浸透圧ポンプ14は、同図（Ｂ）に示すように、循環路５の揚水管路９の揚程下端部に設けた逆支弁17と、その逆支弁17の下流側の揚水管路９に半透膜16を介して接する溶媒Ｓ又は希薄溶液Ｌの液槽15とを有する。溶液Ｈが水溶液である場合は、溶媒Ｓは水とすることができる。半透膜16を介して循環路５内の化合物Ｇの高濃度溶液Ｈと液槽15内の溶媒Ｓ又は希薄溶液Ｌとを接触させることにより、液槽15内の溶媒Ｓを揚水管路９内の高濃度溶液Ｈ中に拡散させ、逆支弁17により逆流が阻止された揚水管路９内の高濃度溶液Ｈを揚水する浸透圧が形成できる。
【００２９】
一般に、モル濃度ｎ（mol/m3）、温度Ｔ（Ｋ）、体積Ｖ（m3）、密度ρ（kg/m3）の高濃度溶液Ｈが浸透圧により上昇し得る高さＨ（ｍ）は、Ｈ＝ｎＲＴ／ρｇＶと表すことができる。ここでＲは気体定数（＝8.31J／（mol・K））、ｇは重力加速度（＝9.8m／s2）である。この式から求めた浸透圧による上昇可能高さを表１に示す。ただし、溶液Ｈは水で代表させて密度ρ＝1,000（kg/m3）、体積Ｖ＝１（m3）とした。表１から分かるように、高濃度溶液Ｈをモル濃度ｎ＝0.4（mol／リットル）とすれば最大100ｍ程度の揚水が可能であり、モル濃度ｎ＝4.0（mol／リットル）とすれば1000ｍ程度の地下空間３から揚水することも可能である。1000ｍ程度の揚水時には浸透圧が10MPa程度となるため、10MPa以上の圧力に耐え得る半透膜（逆浸透膜）16を用いることにより図示例の浸透圧ポンプ14を実現できる。半透膜16の材質は、従来から逆浸透膜として利用されている再生セルロース（セロハン）、アセチルセルロース、ポリアクリロニトリル、ポリスルホンの多孔質膜等から適当に選択できる。また、高濃度溶液Ｈのモル濃度ｎが不足するような場合は、図１のように適当な中継点を設け、複数の浸透圧ポンプ14を用いて高濃度溶液Ｈを揚水する方法も考えられる。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
図２の実施例では、循環路５上の揚水管路９の上端部に溶液Ｈの濃縮装置19を設け、浸透圧ポンプ14と濃縮装置19とにより揚水装置10を構成している。浸透圧ポンプ14において高濃度溶液Ｈの濃度が希釈されるので、濃縮装置19において例えば半透膜を用いて一部の溶媒Ｓを抽出し溶液Ｈの濃度を回復したうえで、循環路５に戻して再度循環させる。図示例では濃縮装置19を酸素分圧上昇装置30の上流側に設けているが、濃縮装置19を酸素分圧上昇装置30の下流側に設けてもよい。液槽15内の溶媒Ｓ又は希薄溶液Ｌは、図２（Ｂ）に示すように、液槽15に適当な溶媒供給路18を設けて地下空間３において適宜補充することが可能である。また、溶媒Ｓとして地下水等を利用できる場合は、地下空間３の周辺地盤の地下水を液槽15に引き込んで利用することも考えられる。浸透圧ポンプ14を用いて循環路５内の化合物Ｇの高濃度溶液Ｈを循環させることにより、循環に要する外部エネルギーを小さく抑え、本発明における地下空間３の換気・空調の更なる効率化を図ることが期待できる。
【実施例２】
【００３２】
図３は、浸透圧ポンプ14を用いた本発明の他の実施例を示す。図２の実施例では高濃度溶液Ｈ中に溶媒Ｓを直接拡散させて浸透圧を形成するため、希釈された溶液Ｈの濃度を回復させる濃縮装置19が必要となる。図３の実施例では、高濃度溶液Ｈの揚水管路９と溶媒Ｓ又は希薄溶液Ｌの液槽15との間にピストン板21付き高濃度溶液槽20を設け、液槽15と高濃度溶液槽20との間を半透膜16で仕切って浸透圧を形成することにより、溶媒Ｓの溶液Ｈ中への直接拡散を避け、濃縮装置19を省略したものである。また図３の実施例では、循環路５の流下管路７の下端部及び揚水管路９の下端部（地下管路８の両端部）にそれぞれ浸透圧ポンプ14a、14bを設け、一対の浸透圧ポンプ14a、14bにより揚水管路９内の溶液Ｈを揚水している。
【００３３】
図示例の浸透圧ポンプ14aは、同図（Ｂ）に示すように、循環路５の揚水管路９の下端部に設けた一対の逆支弁17及び25aと、その逆支弁17、25aの間の揚水管路９にピストン板21aを介して接する高濃度溶液槽20aと、その高濃度溶液槽20aに半透膜16aを介して接する溶媒Ｓ又は希薄溶液Ｌの液槽15aとを有する。高濃度溶液槽20aには、高濃度溶液を適宜供給する逆支弁23a付き供給路22aが接続されており、供給路22aを介して地下空間３内の貯留槽24aから高濃度溶液（例えば高濃度の塩水等）を充填する。半透膜16aを介して液槽15a内の溶媒Ｓを高濃度溶液槽20a内の高濃度溶液中に拡散させ、その浸透圧によりピストン板21aを駆動して揚水管路９内の高濃度溶液Ｈを加圧する。浸透圧ポンプ14bも浸透圧ポンプ14aと同様の構造である。半透膜16bを介して液槽15b内の溶媒Ｓを高濃度溶液槽20b内の高濃度溶液中に拡散させ、その浸透圧によりピストン板21bを駆動して地下管路８内の高濃度溶液Ｈを加圧する。一対の浸透圧ポンプ14a、14bの加圧によって地下管路８及び揚水管路９内の溶液Ｈを揚水することができる。
【００３４】
なお、図３の浸透圧ポンプ14a、14bでは、高濃度溶液槽20a、20b内の高濃度溶液が希釈されると圧力が不足してくる。圧力が不足した段階で供給路22a、22bの逆支弁23a、23bを開放し、供給路22a、22bを介して高濃度溶液槽20a、20b内の希釈された溶液を排出し、ピストン板21a、21bを原位置に復帰させたうえで、貯留槽24a、24bから新たな高濃度溶液を高濃度溶液槽20a、20b内に再充填する。このような復帰・再充填作業を繰り返すことにより、揚水管路９内の溶液Ｈを地上２まで500〜1000ｍ程度揚水することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例の説明図である。
【図２】本発明の他の実施例の説明図である。
【図３】本発明の更に他の実施例の説明図である。
【図４】本発明で用いる酸素分圧上昇装置又は酸素分圧降下装置の一例の説明図である。
【図５】従来の大深度地下空間の換気方法の説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…地盤                    ２…地上
３…地下空間（処分坑道）    ５…循環路
６…（循環路の）地上管路    ７…（循環路の）流下管路
８…（循環路の）地下管路    ９…（循環路の）揚水管路
10…揚水装置                11…揚水ポンプ
12…中継ポンプ              14…浸透圧ポンプ
15…液槽                    16…半透膜
17…逆支弁                  18…溶媒供給路
19…濃縮装置
20…高濃度溶液槽            21…ピストン板
22…高濃度溶液供給路        23…逆支弁
24…貯留槽                  25…逆支弁
30…酸素分圧上昇装置        31…酸素分圧降下装置
32…通気部                  33…散水器
34…液溜め                  35…液量調節弁
36…吹き込み装置            36a…吹き込み口
36b…吹き出し口            37…撹拌翼
38a…流入口                38b…流出口
38c…排気口                39…温度調節装置
40…地下坑道換気システム
41…外気導入装置            42…温度調節器
43…温度センサ              44…地上送風機
45…給気立坑                46…温度・湿度センサ
47…温度調節器              48…湿度調節器
49…送風機                  51…坑道内送風ダクト
52…温度・湿度センサ        53…温度・湿度センサ
54…排気装置                55…排気用ダクト
56…排気立坑
Ｇ…化合物                  Ｈ…（高濃度）溶液
Ｌ…希薄溶液                Ｓ…溶媒
【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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