(57)【要約】 【課題】  地下水を汲み上げる井戸において水位低下や渇水が生じた場合でも、システムを長期に亘って停止させることなく、井戸の水位の回復を図ることができる地下水熱利用システムを提供する。【解決手段】  この地下水熱利用システムは、揚水井戸１から汲み上げた地下水を、熱交換部２１において熱交換に利用した後、還元井戸２へ注入する地下水循環管路３と、水道水若しくは貯留した雨水を、熱交換部２１において熱交換に利用した後、外部へ排出するか、若しくは、揚水井戸１又は還元井戸２へ注入する給水管路３２とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
揚水井戸（１）から汲み上げた地下水を、熱交換部（２１）において熱交換に利用した後、還元井戸（２）へ注入する地下水循環管路（３）と、水道水若しくは貯留した雨水を、前記熱交換部（２１）において熱交換に利用した後、外部へ排出するか、若しくは、前記揚水井戸（１）又は還元井戸（２）へ注入する給水管路（３２）とを備えたことを特徴とする地下水熱利用システム。
【請求項２】
前記地下水循環管路（３）における地下水の流量を検知する流量検知部（１４）と、管路切換用の切換手段（１５）（４４）と、前記流量検知部（１４）が前記地下水循環管路（３）における地下水の流量が所定量以下であることを検知したときに、前記切換手段（１５）（４４）を制御して前記地下水循環管路（３）における地下水循環から前記給水管路（３２）における給水に切り換える制御手段（５０）とを備えた請求項１記載の地下水熱利用システム。
【請求項３】
前記熱交換部（２１）において、地下水、水道水若しくは貯留した雨水をヒートポンプ（２０）の冷媒と熱交換させるようにした請求項１又は２記載の地下水熱利用システム。
【請求項４】
前記還元井戸（２）から地下水を汲み上げるための手動汲み上げ管路（３０）を備えた請求項１又は３のいずれかに記載の地下水熱利用システム。
【請求項５】
前記各井戸（１）（２）は、深さ１０ｍ以内の浅井戸とされている請求項１乃至４のいずれかに記載の地下水熱利用システム。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば地下から地下水を汲み上げて、その地下水の熱を冷暖房、給湯等に利用した後に、再び地下へ還元する地下水熱利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地熱は、年間を通じてほぼ一定の温度を保つことから、夏季は外気より低温、冬季は高温となる。このような地熱の保有媒体である地下水は、全国どこにでもあり、これを浅井戸から汲み上げることで、安価に且つ容易に地熱を回収することができる。
【０００３】
このため、本出願人は、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されているように、地盤に一対の浅井戸を掘削して、揚水ポンプによって一方の浅井戸から地下水を汲み上げて、この地下水が保有する地熱をヒートポンプを介して住宅の冷暖房や給湯に利用した後に、他方の浅井戸から地下へ還元するといったシステムを提案している。
【０００４】
このように地下水を有効利用することで、エネルギー消費効率を高めて、快適性を維持しながら冷暖房運転や給湯運転に伴う消費電力を削減することができる。これは、化石エネルギー消費量及びこれに伴う二酸化炭素排出量の削減に繋がり、地球環境の保護に寄与することになる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−５４８５６号公報
【特許文献２】特開２００２−５４８５７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、従来のシステムでは、浅井戸において水位低下や井戸枯れ(渇水)が生じて地下水の汲み上げ量が低減した場合、地下水位の回復を待つか、或いは、別の場所に新たに浅井戸を掘削するといった対処方法しかなく、システムを長期に亘って停止せざるを得ない状況を招くといった不具合があった。
【０００７】
なお、一般的な水位低下や渇水の要因としては、降雨量の減少、道路融雪用や灌漑用等としての地下水の大量使用、工場等の民間施設での地下水の大量使用、橋梁等の土木施設の構築に伴う地下水脈の分断等が挙げられる。
【０００８】
そこで、この発明は、上記不具合を解消して、地下水を汲み上げる井戸において水位低下や渇水が生じた場合でも、システムを長期に亘って停止させることなく、井戸の水位の回復を図ることができる地下水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】
【０００９】
上記課題を解決するため、この発明の地下水熱利用システムは、揚水井戸１から汲み上げた地下水を、熱交換部２１において熱交換に利用した後、還元井戸２へ注入する地下水循環管路３と、水道水若しくは貯留した雨水を、前記熱交換部２１において熱交換に利用した後、外部へ排出するか、若しくは、前記揚水井戸１又は還元井戸２へ注入する給水管路３２とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
具体的には、前記地下水循環管路３における地下水の流量を検知する流量検知部１４と、管路切換用の切換手段１５、４４と、前記流量検知部１４が前記地下水循環管路３における地下水の流量が所定量以下であることを検知したときに、前記切換手段１５、４４を制御して前記地下水循環管路３における地下水循環から前記給水管路３２における給水に切り換える制御手段５０とを備えている。
【００１１】
さらに、前記還元井戸２から地下水を汲み上げるための手動汲み上げ管路３０を備えている。さらにまた、前記各井戸１、２は、深さ１０ｍ以内の浅井戸とされている。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の地下水熱利用システムでは、水道水若しくは貯留した雨水を熱交換部に導いて熱交換させる給水回路を備えているから、揚水井戸において水位低下や渇水が生じた場合でも、システムを長期に亘って停止させることなく、地下水に代えて水道水や雨水の熱を利用してシステムを作動させながら、揚水井戸の水位の回復を図ることができる。特に、熱交換に利用した後の水道水や雨水を井戸に注入させる場合には、井戸水位の回復を促進させることができる。
【００１３】
また、地下水循環管路における地下水の流量が所定量以下のときに、地下水循環管路における地下水循環から給水管路における給水に自動的に切り換えるので、揚水井戸の渇水対策を素早く簡単に実行することができる。
【００１４】
さらに、手動汲み上げ管路を備えているので、例えば災害や水不足による断水等の非常時において、還元井戸から地下水を直接汲み上げて、非常用の生活用水として利用することができる。
【００１５】
さらにまた、各井戸は、打ち込み工法によって施工可能な深さ１０ｍ以内の浅井戸とされているので、深井戸を施工するときと比べて、施工コストを大幅に削減することができ、これによって一般の住宅にも広く普及させるシステムとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、この発明の一実施形態に係る住宅に適用した地下水熱利用システムの回路構成を示している。図において、１は揚水井戸、２は還元井戸であって、これら揚水井戸１及び還元井戸２は、例えば深さ１０ｍ以内、望ましくは深さ８ｍ以内の浅井戸であり、ストレーナ付きのケーシングを簡易な打ち込み工法によって地上から打ち込むことで構成されている。
【００１７】
そして、これら揚水井戸１と還元井戸２とが地下水循環管路３によって接続されている。地下水循環管路３は、揚水井戸１内に挿入した地下水汲み上げ管５と、還元井戸２内に挿入した地下水注入管６と、これら汲み上げ管５と注入管６とを繋ぐ主管７とから構成されている。そして、主管７には、汲み上げ管５に近い側すなわち上流側から順に、地下水の揚水井戸１への逆流を防止する逆止弁１０、地下水に含まれる砂等の固形物を除去する砂取器１１、揚水兼給水用ポンプ１２、第１電磁弁１３、地下水の流量を検知するための流量検知部としてのフローセンサ１４、三方弁１５が設けられている。そして、主管７のフローセンサ１４と三方弁１５との間に、熱交換部としてのヒートポンプ２０の室外熱交換器２１が配されて、この室外熱交換器２１において主管７を流れる地下水とヒートポンプ２０の冷媒とが熱交換するようになっている。
【００１８】
このように構成された地下水循環管路３では、揚水兼給水用ポンプ１２の作動によって揚水井戸１から地下水を汲み上げ、この地下水を砂取器１１に通すことで砂等の固形物を除去し、ヒートポンプ２０の室外熱交換器２１において冷媒との熱交換に利用した後、還元井戸２から地下へ注入するようになっている。
【００１９】
また、この地下水熱利用システムは、還元井戸２から地下水を汲み上げるための手動汲み上げ管路３０と、砂取器１１の下方に設けた排水管路３１と、水道水をヒートポンプ２０の室外熱交換器２１において冷媒との熱交換に利用した後、外部すなわち管路外へ排出する給水管路３２とを備えている。
【００２０】
手動汲み上げ管路３０は、地下水循環管路３の注入管６に接続されており、第２電磁弁３３及び手押しポンプ３４を備えている。また、排水管路３１は、主管７における逆止弁１０と砂取器１１との間に接続されており、第３電磁弁３５を備えている。
【００２１】
給水管路３２は、水道メータ４０を有する水道管４１と地下水循環管路３の主管７とを接続する水供給管４２と、主管７に設けた三方弁１５に接続された水排出管４３と、これら水供給管４２と水排出管４３とを繋ぐ主管７の一部とから構成されている。水供給管４２には、第４電磁弁４４が設けられている。
【００２２】
そして、図２に示すように、フローセンサ１４、非常用スイッチ４５、砂取器洗浄用スイッチ４６、ヒートポンプ作動スイッチ４７、揚水兼給水用ポンプ１２、三方弁１５、第１〜第４電磁弁１３、３３、３５、４４が、例えばリレー回路等からなる制御手段５０に電気的に接続されている。
【００２３】
この制御手段５０は、フローセンサ１４、非常用スイッチ４５、砂取器洗浄用スイッチ４６、ヒートポンプ作動スイッチ４７からの各種信号により、揚水兼給水用ポンプ１２、三方弁１５、第１〜第４電磁弁１３、３３、３５、４４の作動を制御するようになっている。なお、制御手段５０としては、リレー回路に限らず、例えばマイクロコンピュータ等を用いるようにしても良い。
【００２４】
次に、上記構成の地下水熱利用システムにおける動作について説明する。まず、ヒートポンプ作動スイッチ４７をオンにすると、第２〜第４電磁弁３３、３５、４４が閉じて、第１電磁弁１３が開放し、揚水兼給水用ポンプ１２が作動する。
【００２５】
これによって、図３に示すように、揚水井戸１から地下水循環管路３の汲み上げ管５を通って地下水が汲み上げられる。この地下水は、主管７を通って砂取器１１のフィルタをその下面側から上面側へ向けて通過することで、砂等の固形物が除去された後、ヒートポンプ２０の室外熱交換器２１に導かれる。このとき、フローセンサ１４が主管７における地下水の流量を検知して、この流量が所定量よりも多ければ、ヒートポンプ２０が作動する。そして、ヒートポンプ２０の室外熱交換器２１に導かれた地下水は、ヒートポンプ２０の冷媒との間で熱交換がなされた後、注入管６を通って還元井戸２へ注入されて地下に還元される。
【００２６】
このような正常運転を繰り返すうちに、何らかの要因によって揚水井戸１において水位低下や渇水が生じて地下水の汲み上げ量が低減し、地下水循環管路３の主管７における地下水の流量が所定量以下になると、フローセンサ１４がこれを検知する。
【００２７】
そして、このフローセンサ１４からの検知信号により、ヒートポンプ２０の作動が停止して、制御手段５０が、揚水兼給水用ポンプ１２の作動を停止するとともに、管路切換用の切換手段としての第４電磁弁４４及び三方弁１５を切り換える。すなわち、第４電磁弁４４が開放して給水管路３２の水供給管４２が主管７に連通するとともに、三方弁１５が切り換わって主管７と給水管路３２の水排出管４３が連通する。
【００２８】
これにより、地下水循環管路３における地下水循環から給水管路３２における給水へ切り換わって、再び揚水兼給水用ポンプ１２が作動する。すると、図４に示すように、水道管４１からの水道水が、水供給管４２から主管７を通ってヒートポンプ２０の室外熱交換器２１に導かれる。このとき、フローセンサ１４が主管７における水道水の流量を検知して、この流量が所定量よりも多ければ、ヒートポンプ２０が作動する。そして、ヒートポンプ２０の室外熱交換器２１に導かれた水道水は、ヒートポンプ２０の冷媒との間で熱交換がなされた後、水排出管４３から管路外へ排出される。
【００２９】
このように、揚水井戸１において水位低下や渇水が生じた場合でも、地下水から水道水に代えて室外熱交換器２１での冷媒との熱交換を行わせるようにしているので、システムを長期に亘って停止させることなく、揚水井戸１の水位の回復を図ることができる。そして、揚水井戸１の水位が回復すると、再び正常運転に戻る。
【００３０】
なお、水道管４１に設けた水道メータ４０によって水道水の使用量を計測しており、揚水井戸１の水位がなかなか回復せずに、水道水の使用量が多くなり過ぎる場合には、ヒートポンプ２０の室外熱交換器２１を空気熱交換式のものへ変更するといった対策を検討する。
【００３１】
また、正常運転を繰り返すうちに、砂取器１１のフィルタに固形物が沈着して、地下水循環管路３における地下水の流れが悪くなってくるので、定期的に砂取器１１のフィルタ洗浄が必要となる。
【００３２】
この砂取器１１のフィルタ洗浄は、砂取器洗浄用スイッチ４６をオンにすることによって行われ、このスイッチ操作によって、制御手段５０が、第１、第３、第４電磁弁１３、３５、４４を切り換える。すなわち、第１電磁弁１３が閉じて、第３、第４電磁弁３５、４４が開放することで、給水管路３２の水供給管４２、主管７、排水管路３１が連通する。これにより、図５に示すように、水道管４１からの水道水を、砂取器１１のフィルタの上面側から下面側へ向けて通過させて、固形物をフィルタから剥がれ落として、フィルタを逆洗浄することができる。そして、洗浄に用いた水道水は、剥がれ落ちた固形物とともに、管路外へ排出される。
【００３３】
このように、砂取器１１のフィルタ洗浄を定期的に行うことで、地下水を安定的にヒートポンプ２０の室外熱交換器２１に供給することができ、メンテナンスフリーで高いエネルギー消費効率を維持する冷暖房、給湯を実現できる。なお、このフィルタ洗浄は、砂取器洗浄用スイッチ４６の操作によるものだけでなく、例えばフローセンサ１４からの検知信号によって自動的に行うようにしても良い。
【００３４】
さらに、例えば災害や水不足による断水等の非常時には、非常用スイッチ４５をオンにすると、このスイッチ操作によって、制御手段５０が、第２電磁弁３３を開放して、手動汲み上げ管路３０が連通する。これにより、図６に示すように、手押しポンプ３４によって還元井戸２からの地下水を直接汲み上げることができ、非常用の生活用水として利用することができる。
【００３５】
この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正及び変更を加え得ることは勿論である。
【００３６】
例えば、給水管路３２としては、水道管４１に接続するだけでなく、例えば雨水を溜める貯留タンクに接続して、その貯留タンク内の雨水を、ヒートポンプ２０の室外熱交換器２１へ導いた後、外部へ排出するように構成しても良い。さらに、給水管路３２としては、図７及び図８に示すように、主管７の三方弁１５からの水排出管４３を汲み上げ管５や注入管６に接続して、水道管４１からの水道水や貯留タンク内の雨水を、ヒートポンプ２０の室外熱交換器２１において熱交換に利用した後、揚水井戸１や還元井戸２へ注入させるように構成しても良い。なお、この図７及び図８に示す地下水熱利用システムにおいて、その他の構成は、図１に示す地下水熱利用システムと同様である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の一実施形態に係る地下水熱利用システムの回路構成を示す図である。
【図２】同じくそのブロック図である。
【図３】正常運転時の地下水の流れを示す図である。
【図４】渇水時の水道水の流れを示す図である。
【図５】フィルタ洗浄時の水道水の流れを示す図である。
【図６】非常時の地下水の流れを示す図である。
【図７】別の実施形態に係る地下水熱利用システムの回路構成を示す図である。
【図８】さらに別の実施形態に係る地下水熱利用システムの回路構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１・・揚水井戸、２・・還元井戸、３・・地下水循環管路、１４・・流量検知部(フローセンサ)、１５、４４・・切換手段(三方弁、第４電磁弁)、２０・・ヒートポンプ、２１・・熱交換部(室外熱交換器)、３０・・手動汲み上げ管路、３２・・給水管路、５０・・制御手段
【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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