(57)【要約】【課題】地下水流動がある地盤においても年間を通して効率的な地中蓄熱運転が可能である有効適切な地中熱利用空調システムを提供する。【解決手段】地下水が年間を通じて一方向に流下する地盤に対して、蓄冷水による地中蓄冷を行うための蓄冷領域Ｃと、蓄熱水により地中蓄熱を行うための蓄熱領域Ｈとをそれぞれ独立に設定し、各領域内において蓄冷水および蓄熱水がそれぞれ地下水の流動方向に沿って上流側から下流側に向かって流下するように構成し、冷房時に蓄冷領域の下流側から蓄冷水を取水して冷房に利用するとともに利用後の水温の上昇した蓄冷水を蓄熱水として蓄熱領域の上流側に注水して地中蓄熱を行い、暖房時に蓄熱領域の下流側から蓄熱水を取水して暖房に利用するとともに利用後の水温の低下した蓄熱水を蓄冷水として蓄冷領域の上流側に注水して地中蓄冷を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下水が年間を通じて一方向に流下する地盤に対して、蓄冷水による地中蓄冷を行うための蓄冷領域と、蓄熱水により地中蓄熱を行うための蓄熱領域とをそれぞれ独立に設定し、各領域内において蓄冷水および蓄熱水がそれぞれ地下水の流動方向に沿って上流側から下流側に向かって流下するように構成し、
冷房時に蓄冷領域の下流側から蓄冷水を取水して冷房に利用するとともに利用後の水温の上昇した蓄冷水を蓄熱水として蓄熱領域の上流側に注水して地中蓄熱を行い、
暖房時に蓄熱領域の下流側から蓄熱水を取水して暖房に利用するとともに利用後の水温の低下した蓄熱水を蓄冷水として蓄冷領域の上流側に注水して地中蓄冷を行うことを特徴とする地中熱利用空調システム。
【請求項２】
請求項１記載の地中熱利用空調システムであって、
冷房時に蓄冷領域の下流側から蓄冷水を取水するための冷房時取水井と、冷房時に利用して水温の上昇した蓄冷水を蓄熱水として蓄熱領域の上流側に注水するための冷房時注水井と、暖房時に蓄熱領域の下流側から蓄熱水を取水するための暖房時取水井と、暖房時に利用して水温の低下した蓄熱水を蓄冷水として蓄冷領域の上流側に注水するための暖房時注水井を設けるとともに、
各領域内における地下水流下速度を考慮して前記各井間に所定の離隔距離を設定してなり、
冷房時に前記冷房時注水井に注水されて下流側に流下していく蓄熱水によって暖房時における前記暖房時取水井付近の地中温度を上昇せしめ、
暖房時に前記暖房時注水井に注水されて下流側に流下していく蓄冷水によって冷房時における前記冷房時取水井付近の地中温度を低下せしめることを特徴とする地中熱利用空調システム。
【請求項３】
請求項２記載の地中熱利用空調システムであって、
蓄冷領域内に地下水流動方向に沿って所定の離隔距離を確保して配列した複数の井戸からなる蓄冷用井戸群を設けるとともに、蓄熱領域内に地下水流動方向に沿って所定の離隔距離を確保して配列した複数の井戸からなる蓄熱用井戸群を設け、
冷房時に前記蓄冷用井戸群における下流側の井戸を冷房時取水井として機能せしめて該井戸から蓄冷水を取水するとともに、前記蓄熱用井戸群における上流側の井戸を冷房時注水井として機能せしめて該井戸に対して蓄熱水を注水し、
暖房時に前記蓄熱用井戸群における下流側の井戸を暖房時取水井として機能せしめて該井戸から蓄熱水を取水するとともに、前記蓄冷用井戸群における上流側の井戸を暖房時注水井として機能せしめて該井戸に対して蓄冷水を注水することを特徴とする地中熱利用空調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱を利用して建物等の冷暖房を行う地中熱利用空調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、地中熱（一般には深度約200m以浅の地盤に賦存する数十℃以下の低温の熱エネルギーを指す）を利用した空調システムは、オフィスビルや集合住宅などの空調に必要なエネルギーを低減し、温室効果ガスを削減するための有効な技術であり、現在、経済産業省・環境省などを中心に開発・普及が進められている。
【０００３】
地中熱の利用方法としては、地下にヒートパイプなどの熱交換器を設置して熱のみを回収するクローズ式（密閉式）と、地下水を汲み上げて熱源として利用するオープン式（開放式）がある。
最近の事例としては、揚水規制のある地域にも適用できるなど立地上の制約の少ないクローズ式の普及が先行しているが、大規模利用では井戸長が超大になり初期投資が大きくなる点で不利であることから、地下水が豊富な立地などではオープン式の利点も見直されてきており、たとえば特許文献１に示されるようなオープン式のシステムが提案されている。
【０００４】
ところで、オープン式の地下水利用システムとしては、夏季の冷房運転では低温の地下水を取水井から揚水してヒートポンプや放射式空調の熱源として利用した後、水温の上昇した地下水を注水井から地盤中に戻すことになるから、注水井付近には初期の地下水温度より水温の上昇した領域が形成され、これは一定期間残存する。
また、冬季の暖房運転ではこれとは逆に、暖房運転時の熱源利用により水温が低下した低温の地下水を地中に戻すため、注水井付近に初期温度よりも低温の領域が形成され、これも一定期間残存する。
【０００５】
したがって、この種のオープン式の地下水利用システムにおいて、たとえば特許文献２〜４に示されるシステムのように年間を通して地中蓄熱を利用するシステムとすれば、つまり、夏季には初期温度より高温の地下水（温水）を地中に注水してそれを冬季に取水して暖房に利用し、冬季には初期温度より低温の地下水（冷水）を地中に注水してそれを夏季に取水して冷房に利用すれば、年間を通して地中蓄熱効果を有効に活用し得てより効率的な運転が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２０７７０４号公報
【特許文献２】特開２０１０−３８５０７号公報
【特許文献３】特開２００８−７００９８号公報
【特許文献４】特開２００８−１６４１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記のような年間を通した地盤の蓄熱効果を利用して効率的な蓄熱運転を行うためには、当然に地中温度が冷房／暖房の運転切り換え期間中の数ヶ月間にわたって可及的に維持されることが必要である。
一般に地盤中の熱拡散は比較的緩慢であるため、大きな地下水流動のない場所ではその条件が満たされる場合もあるが、初期の地下水流速が比較的速いような場合には地中の温度変化領域が地下水流動により早期に移動してしまうことが不可避である。
その場合、夏季に注入した温水の水温が冬季の取水時までに低下してしまい、冬季に注入した冷水の水温が夏季の取水時までに上昇してしまい、いずれも蓄熱効果を十分に生かし切れないことが多い。
【０００８】
上記事情に鑑み、本発明は地下水流動がある地盤であっても年間を通して効率的な地中蓄熱運転が可能である有効適切な地中熱利用空調システムを提供することを目的とする。
【０００９】
なお、上記のように地中蓄熱効果を年間を通して利用する場合、つまり自然地中温度ないし自然地下水温度よりも低温領域の熱エネルギーと高温領域の熱エネルギーとを季節毎に切り換えて利用する場合、本来的にはいずれも「蓄熱」を利用するというべきであるが、本明細書では両者の混同を回避するために、温水による高温領域における熱エネルギーを利用する場合については通常どうり「蓄熱」というが、冷水による低温領域の熱エネルギーを利用する場合については便宜的に「蓄冷」と言い換えて両者を区別する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の発明は、地下水が年間を通じて一方向に流下する地盤に対して、蓄冷水による地中蓄冷を行うための蓄冷領域と、蓄熱水により地中蓄熱を行うための蓄熱領域とをそれぞれ独立に設定し、各領域内において蓄冷水および蓄熱水がそれぞれ地下水の流動方向に沿って上流側から下流側に向かって流下するように構成し、冷房時に蓄冷領域の下流側から蓄冷水を取水して冷房に利用するとともに利用後の水温の上昇した蓄冷水を蓄熱水として蓄熱領域の上流側に注水して地中蓄熱を行い、暖房時に蓄熱領域の下流側から蓄熱水を取水して暖房に利用するとともに利用後の水温の低下した蓄熱水を蓄冷水として蓄冷領域の上流側に注水して地中蓄冷を行うことを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の地中熱利用空調システムであって、冷房時に蓄冷領域の下流側から蓄冷水を取水するための冷房時取水井と、冷房時に利用して水温の上昇した蓄冷水を蓄熱水として蓄熱領域の上流側に注水するための冷房時注水井と、暖房時に蓄熱領域の下流側から蓄熱水を取水するための暖房時取水井と、暖房時に利用して水温の低下した蓄熱水を蓄冷水として蓄冷領域の上流側に注水するための暖房時注水井を設けるとともに、各領域内における地下水流下速度を考慮して前記各井間に所定の離隔距離を設定してなり、冷房時に前記冷房時注水井に注水されて下流側に流下していく蓄熱水によって暖房時における前記暖房時取水井付近の地中温度を上昇せしめ、暖房時に前記暖房時注水井に注水されて下流側に流下していく蓄冷水によって冷房時における前記冷房時取水井付近の地中温度を低下せしめることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の地中熱利用空調システムであって、蓄冷領域内に地下水流動方向に沿って所定の離隔距離を確保して配列した複数の井戸からなる蓄冷用井戸群を設けるとともに、蓄熱領域内に地下水流動方向に沿って所定の離隔距離を確保して配列した複数の井戸からなる蓄熱用井戸群を設け、冷房時に前記蓄冷用井戸群における下流側の井戸を冷房時取水井として機能せしめて該井戸から蓄冷水を取水するとともに、前記蓄熱用井戸群における上流側の井戸を冷房時注水井として機能せしめて該井戸に対して蓄熱水を注水し、暖房時に前記蓄熱用井戸群における下流側の井戸を暖房時取水井として機能せしめて該井戸から蓄熱水を取水するとともに、前記蓄冷用井戸群における上流側の井戸を暖房時注水井として機能せしめて該井戸に対して蓄冷水を注水することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のシステムでは、冷房時には蓄熱領域に対して蓄熱水を注水してそれを暖房時に取水して利用し、暖房時には蓄冷領域に対して蓄冷水を注水してそれを冷房時に取水して利用することにより、年間を通して地中蓄熱効果を十分に得ることができて効率的な蓄熱運転が可能である。
特に、注水から取水までのほぼ半期にわたる期間における地下水の流動状況を考慮して各注水井の位置と各取水井の位置を予め適切に設定しておくことにより、地下水流動が顕著に生じるような地盤においても蓄熱水や蓄冷水の領域外への無駄な流出や拡散、つまり地下水流動による蓄熱の散失を有効に防止することができ、そのような考慮がなされていない従来一般の単なる地中蓄熱利用システムに比べて蓄熱運転効率を十分に高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明システムの一実施形態を示す図である。
【図２】同、効果を実証するための解析結果を示す図である。
【図３】本発明システムの他の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の基本的な一実施形態を図１を参照して説明する。
本実施形態のシステムでは、図１に模式的に示すように、地下水が年間を通じて一方向に（図１では上方から下方に向かうように）流下するような地盤に対して、自然地下水温よりも相対的に低温の蓄冷水により地中蓄冷を行うための蓄冷領域Ｃと、自然地下水温よりも相対的に高温の蓄熱水により地中蓄熱を行うための蓄熱領域Ｈとを設定することを基本とする。
【００１６】
それら蓄冷領域Ｃと蓄熱領域Ｈはそれぞれが年間を通していわば冷水槽および温水槽として独立に機能するものであって、それらは相互に干渉しないように、つまり地下水が相互に流通し得ないように設定されるものである。
なお、必要であれば蓄冷領域Ｃと蓄熱領域Ｈとの独立性を確保するためにそれらの間に遮水壁の遮水構造を設ける等して明確に区画することでも良いが、図示例のように蓄冷領域Ｃと蓄熱領域Ｈとを地下水の流動方向に対して直交する方向に並設すれば、それぞれの領域内において蓄冷水および蓄熱水がそれぞれ地下水の流動方向に沿って流下するだけで横方向への顕著な流動は生じないから、それらの間に敢えて格別の遮水構造を設ける必要はなく、通常は仮想の境界線ないし境界領域を想定しておくことで十分である。
【００１７】
そして、本実施形態では各領域内に２個所づつ全４個所の井戸を設けて、それらの井戸を季節毎に選択的に使用することで冷房時および暖房時の双方において地中蓄熱（蓄冷）効果が有効に得られるものとなっている。
すなわち、（ａ）に示すように、蓄冷領域Ｃの下流側には冷房時にそこから蓄冷水（冷水）を取水するための冷房時取水井１を設けるとともに、蓄熱領域Ｈの上流側には冷房時に利用して水温の上昇した後の蓄冷水を蓄熱水（温水）としてそこに注水するための冷房時注水井２を設けている。
また、（ｂ）に示すように、蓄熱領域Ｈの下流側には暖房時にそこから蓄熱水（温水）を取水するための暖房時取水井３を設けるとともに、蓄冷領域Ｃの上流側には暖房時に利用して水温の低下した後の蓄熱水を蓄冷水（冷水）としてそこに注水するための暖房時注水井４を設けている。
【００１８】
そして、（ａ）に示すように冷房時には冷房時取水井１から蓄冷水を取水して利用し、利用後の水温の上昇した蓄冷水を蓄熱水として冷房時注水井２から注水し、その際、暖房時取水井３と暖房時注水井４は休止しておく。
また、（ｂ）に示すように段房時には暖房時取水井３から蓄熱水を取水して利用し、利用後の水温の低下した蓄熱水を蓄冷水として暖房時注水井４から注水し、その際、冷房時取水井１と冷房時注水井２は休止しておく。
【００１９】
この場合、図示例のように冷房時取水井１と暖房時取水井３、および冷房時注水井２と暖房時注水井４はそれぞれ横方向に並ぶような配置とすれば良く、かつ上述したようにそれらの間には地下水が相互に流通し得ないような十分な離隔距離Ａを確保しておけば良い。
【００２０】
一方、冷房時取水井１と暖房時注水井４、および冷房時注水井２と暖房時取水井３との間には、各領域内における地下水流下速度を考慮してそれらの間に適正な離隔距離Ｂを確保しておく。
その離隔距離Ｂは、本システムでは上記のように冷房時に蓄熱領域Ｈに注水した蓄熱水（温水）をほぼ半期後の暖房時に取水し、暖房時に蓄冷領域Ｃに対して注水した蓄冷水（冷水）をほぼ半期後の冷房時に取水することから、そのような注水から取水までのタイムラグを考慮して冷房時取水井１および暖房時取水井３の周辺の地中温度をシミュレートすることによって適切に設定する。
【００２１】
具体的には、（ａ）に示すように冷房時に冷房時注水井２に注水されて次第に下流側に流下していく蓄熱水（温水）が、（ｂ）に示すように半期後の暖房時に暖房時取水井３の周辺に到達してそこでの地中温度が取水時において初期地中温度よりも十分に上昇するような離隔距離Ｂを設定しておく。
同様に、（ｂ）に示すように暖房時に暖房時注水井４に注水されて次第に下流側に流下していく蓄冷水（冷水）が、（ａ）に示すように半期後の冷房時には冷房時取水井１の周辺に到達してそこでの地中温度が取水時において初期地中温度よりも十分に低下するような離隔距離Ｂを設定しておく。
そのような離隔距離Ｂの設定は、この地盤の地下水流動に関わる水理学的な特性と地中温度に関わる熱的な諸特性、および冷暖房時における運転スケジュール等の諸条件から、周知の数値解析シミュレーションによって容易にかつ高精度で求めることができる。
【００２２】
上記のように本発明のシステムでは、冷房時には蓄熱領域Ｈに対して蓄熱水を注水してそれを暖房時に取水して利用し、暖房時には蓄冷領域Ｃに対して蓄冷水を注水してそれを冷房時に取水して利用することにより、年間を通して地中蓄熱効果を十分に得ることができて効率的な蓄熱運転が可能である。
特に、注水から取水までのほぼ半期にわたる期間における地下水の流動状況を考慮して注水井の位置と取水井の位置を予め適切に設定しておくことにより、蓄熱水および蓄冷水が注入されてから下流側に流下して取水される間の蓄熱ロスを抑制して最も効率的な蓄熱運転が可能である。
したがって、本発明のシステムによれば、地下水流動が顕著に生じるような地盤においても蓄熱水や蓄冷水の領域外への無駄な流出や拡散、つまり地下水流動に伴う蓄熱ロスを有効に防止することができ、そのような考慮がなされていない従来一般の単なる地中蓄熱利用システムに比べて蓄熱運転効率を十分に高めることが可能である。
【００２３】
具体的なシステム構成例とその効果を実証するための解析結果を以下に示す。
透水性が10-3cm/sec、地下水の流動勾配が0.03、平均地下水温13.4℃である地盤を対象として、上記の離隔距離Ａを30m、離隔距離Ｂを8mとしたシステムを構築し、運転開始から5年経過後の夏季に4ヶ月間（120日）の冷房運転を行い、冬季に6ヶ月間（180日）の暖房運転を行う場合について、冷房時における蓄冷領域Ｃからの蓄冷水の取水温度と、暖房時における蓄熱領域Ｈからの蓄熱水の取水温度の解析を行う。
比較のために、地下水流動がない場合と、地下水流動はあるがその影響を考慮していない従来システムの場合（季節毎に取水井と注水井を単に切り換えて使用する場合）についても併せて解析し、その結果をまとめて図２に示す。
【００２４】
図２から、地下水流動がない場合には冷房期間中および暖房期間中における取水温度の変化（冷房時における蓄冷水の水温上昇、暖房時における蓄熱水の水温低下）は比較的緩慢であるが、地下水流動があってもその影響を考慮していない従来システムの場合には、地下水流動がない場合に比べると取水温度変化が顕著に生じ、冷房時には蓄冷水の取水水温が早期に上昇してしまい、暖房時には蓄熱水の取水水温が早期に低下してしまうことが分かる。これは、注水された蓄熱水および蓄冷水が地下水流動に伴って取水されるまでに周囲に無駄に拡散してしまって効率的に回収できないためと考えられる。
【００２５】
それに対し、本発明システムでは、暖房時における蓄熱水の取水温度の低下は地下水流動がない場合に比べればやや劣るものの、地下水流動を考慮していない従来システムにくらべれば十分な改善効果が見られる。また冷房時においては、従来システムのみならず地下水流動がない場合に比べても取水温度の上昇は緩慢であることが分かる。
また、地下水流動が地中温度分布に及ぼす影響について実施した他のシミュレーションによると、従来システムの場合には注水井を兼用する取水井の下流側における地中温度が季節毎に広範囲にわたって大きく変動するが、本発明システムによる場合にはそれが十分に緩和されることが確認されており、このことからも本発明システムでは地下水流動による下流側への蓄熱ロスを抑制し得ることが裏付けられる。
【００２６】
以上のように、本発明システムによれば地下水流動を考慮して取水井と注水井との間の離隔距離Ｂを適正に設定することにより、蓄冷水の取水時においてはその周辺の地中温度を低く維持できるとともに蓄熱水の取水時においてはその周辺の地中温度を高く維持でき、したがって従来システムに比べて冷房時における取水温度を低くかつ暖房時の取水温度を高く維持し得て、冷房時および暖房時の双方において蓄熱運転効率の向上を実現できることが確認できた。
【００２７】
なお、上記では蓄冷領域Ｃと蓄熱領域Ｈに対してそれぞれ単一の取水井（冷房時取水井１と暖房時取水井３）と単一の注水井（冷房時注水井２と暖房時注水井４）とを設けることとして説明したが、大規模なシステムの場合はそれら注水井と取水井とを複数の井戸による井戸群として設けて季節毎に所望の井戸を選択的に使用するシステムとすることが現実的であり、その場合の構成例を図３に示す。
これは、蓄冷領域Ｃ内に地下水流動方向に沿って上記の離隔距離Ｂを確保して配列した複数（図示例では４個所）の井戸からなる蓄冷用井戸群５を設けるとともに、蓄熱領域Ｈ内には同じく地下水流動方向に沿って上記の離隔距離Ｂを確保して配列した複数（同）の井戸からなる蓄熱用井戸群６を設けたものである。
【００２８】
そして、冷房時には（ａ）に示すように蓄冷領域Ｃに設けた蓄冷用井戸群５における下流側の井戸（図示例では下流側の３個所の井戸）を上記の冷房時取水井１として機能せしめてそれらの井戸から蓄冷水を取水するとともに、蓄熱領域Ｈに設けた蓄熱用井戸群６における上流側の井戸（図示例では上流側の３個所の井戸）を上記の冷房時注水井２として機能せしめてそれらの井戸に対して蓄熱水を注水可能とし、他の井戸は休止している。
同様に、暖房時においては（ｂ）に示すように蓄熱領域Ｈに設けた蓄熱用井戸群６における下流側の井戸（図示例では下流側の３個所の井戸）を暖房時取水井３として機能せしめてそれらの井戸から蓄熱水を取水するとともに、蓄冷領域Ｃに設けた蓄冷用井戸群５における上流側の井戸（図示例では上流側の３個所の井戸）を暖房時注水井４として機能せしめてそれらの井戸に対して蓄冷水を注水可能とし、他の井戸は休止している。
【００２９】
これによれば、蓄冷領域Ｃと蓄熱領域Ｈとを独立に設定し、かつ蓄冷用井戸群５および蓄熱用井戸群６を構成する各井戸間に上記の離隔距離Ｂを確保していることから、上記の基本的なシステムの場合と同様に地下水流動による効率低下を回避し得る大規模システムを構成することができる。
【００３０】
なお、本実施形態においては、各井戸群を構成する井戸の数やそれらの配置パターン、選択的な使用パターンは、地盤の水理学的および熱的な特性と冷暖房時の運転スケジュール等の諸条件を考慮して、冷房時には可及的に低温の蓄冷水が取水可能であり、暖房時には可及的に高温の蓄熱水を取水可能なように、任意にかつ適切に設定すれば良い。
そして、そのためには、図示例のように各井戸を地下水流動方向に沿って単に一列に配列することに限らず、特に多数の井戸を設けるような場合には各領域内において多数列をなすように配列したり、格子状に配列するようなことも考えられる。
但し、いずれにしても蓄冷領域Ｃ内に設ける井戸と蓄熱領域Ｈ内に設ける井戸との間での干渉は防止する必要があるから、それらの間には最短でも上記の離隔距離Ａを確保する必要はある。
【符号の説明】
【００３１】
Ｃ  蓄冷領域
Ｈ  蓄熱領域
１  冷房時取水井
２  冷房時注水井
３  暖房時取水井
４  暖房時注水井
５  蓄冷用井戸群
６  蓄熱用井戸群
【図１】
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【図２】
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【図３】
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