(57)【要約】【課題】地中熱を有効に利用可能であり、かつシステム全体を低コストで構築し得る有効適切な地中熱利用システムを提供する。【解決手段】地中に循環パイプ４を敷設して熱媒体を循環させることにより、熱媒体と循環パイプの周囲地盤との間で熱交換を行って地中熱を利用する地中熱利用システムであって、循環パイプを各種の埋設管路（既存の雨水排水管路２等）の管内に敷設する。循環パイプを埋設管路内においてその内表面に密接させた状態で敷設して埋設管路の管壁を介して周囲地盤と熱交換可能とする。循環パイプの周囲にモルタル等の充填材による充填層７を形成して循環パイプを埋設管路内に断熱状態で敷設する。埋設管路として既存の雨水排水管路２を利用する。あるいは、埋設管路を新設する際にそれに添わせてその管外近傍位置に循環パイプを敷設する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に循環パイプを敷設して該循環パイプに熱媒体を循環させることにより、該熱媒体と前記循環パイプの周囲地盤との間で熱交換を行って地中熱を利用する地中熱利用システムであって、
前記循環パイプを各種の埋設管路の管内に敷設してなることを特徴とする地中熱利用システム。
【請求項２】
請求項１記載の地中熱利用システムであって、
前記循環パイプを前記埋設管路内において該埋設管路の内表面に密接させた状態で敷設して、該埋設管路の管壁を介して該埋設管路の周囲地盤と前記循環パイプ内を循環する熱媒体との間で熱交換可能としたことを特徴とする地中熱利用システム。
【請求項３】
請求項２記載の地中熱利用システムであって、
前記埋設管路の内表面に密接させた状態で敷設した前記循環パイプの周囲にモルタル等の充填材による充填層を形成して、該充填層により前記循環パイプを前記埋設管路内に断熱状態で敷設してなることを特徴とする地中熱利用システム。
【請求項４】
請求項１，２または３記載の地中熱利用システムであって、
前記埋設管路は既存の雨水排水管路であることを特徴とする地中熱利用システム。
【請求項５】
地中に循環パイプを敷設して該循環パイプに熱媒体を循環させることにより、該熱媒体と前記循環パイプの周囲地盤との間で熱交換を行って地中熱を利用する地中熱利用システムであって、
前記循環パイプを各種の埋設管路に添わせて該埋設管路の管外近傍位置に敷設してなることを特徴とする地中熱利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建物等における省エネルギー技術に関連し、特に地中熱（地熱）を有効利用するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、地中温度は年間を通じて安定（深部においてはたとえば１５℃程度）していて外気温に比べて夏季では低く冬季では高いことから、特許文献１や特許文献２に示されるように地中熱を建物において冷暖房等に有効利用することにより省エネルギーを図るシステムの提案がなされている。
特許文献１に示されるシステムは、熱媒を循環させる採熱管を地中浅層部に略水平面に沿って埋設して、地中浅層部に存在する地下水や伏流水と熱交換（夏季では熱媒からの地中への放熱、冬季では地中から熱媒への採熱）を行うことにより地中熱をヒートポンプの熱源として利用するものであり、特許文献２に示されるシステムは、杭に付設した地中熱交換用外管によって杭周囲の地盤との間で熱交換を行うことを基本とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−４９０１６号公報
【特許文献２】特開２００６−５２５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来のシステムはいずれも地中熱を有効に利用できるものではあるが、特許文献１に示されるシステムでは採熱管を広範囲にわたって地中に敷設する必要があるのでそのための大規模な地盤掘削工事が必要であり、特許文献２に示されるシステムは杭の設置が前提であるので適用対象が限定されるものであり、またいずれも多大なコストを必要とするものであって一般の建物に適用することは必ずしも容易ではなく、広く普及するに至っていない。
【０００５】
上記事情に鑑み、本発明は地中熱を有効に利用できることはもとよりシステム全体を安価に構築し得る有効適切な地中熱利用システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、地中に循環パイプを敷設して該循環パイプに熱媒体を循環させることにより、該熱媒体と前記循環パイプの周囲地盤との間で熱交換を行って地中熱を利用する地中熱利用システムであって、前記循環パイプを各種の埋設管路の管内に敷設してなることを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の地中熱利用システムであって、前記循環パイプを前記埋設管路内において該埋設管路の内表面に密接させた状態で敷設して、該埋設管路の管壁を介して該埋設管路の周囲地盤と前記循環パイプ内を循環する熱媒体との間で熱交換可能としたことを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の地中熱利用システムであって、前記埋設管路の内表面に密接させた状態で敷設した前記循環パイプの周囲にモルタル等の充填材による充填層を形成して、該充填層により前記循環パイプを前記埋設管路内に断熱状態で敷設してなることを特徴とする。
【０００９】
請求項４記載の発明は、請求項１，２または３記載の地中熱利用システムであって、前記埋設管路は既存の雨水排水管路であることを特徴とする。
【００１０】
請求項５記載の発明は、地中に循環パイプを敷設して該循環パイプに熱媒体を循環させることにより、該熱媒体と前記循環パイプの周囲地盤との間で熱交換を行って地中熱を利用する地中熱利用システムであって、前記循環パイプを、各種の埋設管路に添わせて該埋設管路の管外近傍位置に敷設してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、熱媒体を循環させる循環パイプを雨水排水管路等の埋設管路の内部に、あるいは埋設管路に添わせてその管路外の近傍位置に敷設して、循環パイプ内に熱媒体を循環させて周囲地盤との熱交換を行うことにより、地中熱を有効利用できることはもとより、循環パイプを埋設するための格別の地盤掘削工事を不要ないし大幅に軽減できるので、その施工コストを大幅に軽減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の地中熱利用システムの実施形態を示すもので、適用対象の施設の概要を示す平面図である。
【図２】同、システム運転に係わる温度条件を示す図である。
【図３】同、雨水排水管路への循環パイプの敷設状況を模式的に示す図である。
【図４】同、雨水排水管路内における循環パイプの敷設状況を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の地中熱利用システムの実施形態を図面を参照して説明する。
図１は本実施形態のシステムを適用する施設の概要を示す。これは広大な工場敷地内に工場棟としての建物１を設置したもので、敷地内で採熱可能な地中熱をその建物１における冷暖房に利用するべく、敷地内に埋設されている大規模な既存の雨水排水管路２の一部（図中の実線で示す範囲）を利用してその周囲地盤との間で熱交換を行うものである。
【００１４】
本実施形態において利用する既存の雨水排水管路２は、約５０ｍの間隔で設置されている複数（図示例では９個所）のマンホール３を介して接続されている一連の地中埋設管路であって、その延長は約４００ｍ、管径は図示しているように水上側から水下側に向かって８００ｍｍφから１０００ｍｍφ、１１００ｍｍφ、１２００ｍｍφ、１３５０ｍｍφまで５段階にわたって漸次拡大され、水上側の深度が地盤面下約３．２ｍ、水下側の深度が地盤面下約７．０ｍとされているものである。
【００１５】
図２は本実施形態のシステムの運転に係わる年間を通じての温度条件の一例を示す。これは本実施形態のシステムを適用する施設が中部地方に立地している場合における夏季、秋季、冬季の外気温と、上記の雨水排水管路２の埋設深度における地中温度の一例を示すものである。
図２から明らかなように、夏季においては外気温３３℃に対して地中温度は水下（ＧＬ−７．０ｍ）では１９℃、水上（ＧＬ−３．２ｍ）においても２４℃であって、外気温よりも十分に低いことから、雨水排水管路２の周囲地盤を夏季においては放熱源として有効に利用可能であることがわかる。
また、冬季においては外気温−１〜１２℃に対して地中温度は水下では１４〜１５℃、水上においても１０〜１３℃であって、外気温よりも十分に高いことから、雨水排水管路２の周囲地盤を冬季においては採熱源として有効に利用可能であることがわかる。
なお、雨水排水管路２内を流れる雨水（敷地内の地表面から雨水排水管路２に流入して流下していく雨水）の温度は、夏季および冬季のいずれにおいても地中温度よりは外気温に近くなるから、雨水との熱交換を行うことは地中熱を利用する上では不利である。
【００１６】
本実施形態のシステムでは、上記の雨水排水管路２を利用してその周囲地盤と熱媒体との間で熱交換を行うことにより、熱媒体を夏季においては１９℃程度まで冷却し、冬季においては１５℃程度まで加温して建物１内において利用するものであり、そのため、熱媒体としての水を循環させるための一連の循環パイプ４を上記の雨水排水管路２内に敷設することを主眼とする。
具体的には、図１に示すように建物１とその直近にあるマンホール３との間に連絡路５を設けて建物１と雨水排水管路２とを連絡したうえで、図３に模式的に示すように建物１から２系統の循環パイプ４（４Ａ、４Ｂ）をその連絡路５を介して雨水排水管路２内に敷設する。
【００１７】
図示例の場合には、図３に示すように２系統の循環パイプ４のうちの一方の循環パイプ４Ａ（一点鎖線で示す）を上記の雨水排水管路２の全体（実線で示す範囲）にわたって往復して循環するように敷設し、他方の循環パイプ４Ｂ（二点鎖線で示す）は上記の雨水排水管路２の水下側のほぼ半分の範囲にわたって往復して循環するように敷設している。
したがって、本実施形態では、水下側の雨水排水管路２（管径が１３５０ｍｍφおよび１２００ｍｍφの範囲）内には図４（ａ）に示すように２系統４本の循環パイプ４Ａ、４Ｂが敷設され、水上側の雨水排水管路２（管径が１２００ｍｍφから８００ｍｍφの範囲）内には図４（ｂ）に示すように１系統２本の循環パイプ４Ａが敷設されている。
この場合、連絡路５の延長が約５０ｍとすると、一方の系統の循環パイプ４Ａの総延長は約９００ｍ、他方の系統の循環パイプ４Ｂの総延長は約５００ｍとなる。
【００１８】
循環パイプ４としては、たとえば直径５０ｍｍの柔軟な良熱伝導材である架橋ポリエチレン管が好適に採用可能であり、それを雨水排水管路２内に敷設するに当たっては、図４に示したように循環パイプ４を雨水排水管路２の底部に密接させた状態で配管してＵバンド６により固定したうえで、その周囲にモルタル等の充填材を充填して充填層７を形成し、その充填層７内に循環パイプ４を断熱状態で埋設すると良い。
なお、必要であれば、充填層７にひび割れが生じることを防止するためにワイヤーメッシュを埋設すれば良い。
【００１９】
これにより、循環パイプ４が雨水排水管路２に対して確実に固定されるとともに、循環パイプ４内を循環する熱媒体としての水が雨水排水管路２の管壁を介してその外側の周囲地盤に対して熱的に接触し、それらの間で効率的な熱交換（夏季においては熱媒体から地中への放熱、すなわち熱媒体の冷却。冬季においては地中からの熱媒体への採熱、すなわち熱媒体の加温。）がなされる。
また、循環パイプ４の周囲にモルタル等の充填材が充填されることで形成される充填層７は充填パイプ４に対して断熱層としても機能するから、循環パイプ４内を循環する熱媒体としての水と雨水排水管路２内を流れる雨水との間で無駄な熱交換が生じることによる効率低下が防止される。
【００２０】
なお、充填層７を形成することによりその充填層７が雨水排水管路２の管底面となって雨水が支障なく流下するが、充填層７の断面積を過度に大きくすると雨水排水管路２の有効断面積が大きく減少してしまって本来の排水機能が損なわれてしまうことにもなるから、充填層７は雨水排水能力に支障を来さない範囲で形成すべきである。
通常、この種の大規模な雨水排水管路２の管径はそれに要求される雨水排水能力に対して十分な余裕を持って設定されるから、雨水排水管路２内に多少の循環パイプ４や充填層７を形成しても直ちに雨水排水性能が損なわれる懸念は少ないが、いずれにしても雨水排水管路２内への循環パイプ４の敷設やその周囲への充填層７の形成はその余裕の範囲内で行うべきである。
【００２１】
図示例の場合には、雨水排水管路２の内径が１２００ｍｍφまでは、図４（ａ）に示したように２系統４本の循環パイプ４を所定間隔（図示例では２５０ｍｍ）で並設してそれらの全体を埋設するような充填層７を形成しても、雨水排水管路２の有効断面積が許容限度を超えて減少してしまうことはなく排水能力に支障を来たすことはない。
しかし、１１００ｍｍφ以下の場合にも同様に４本の循環パイプ４を敷設して同様の充填層７を形成すると有効断面積が許容限度を超えて減少してしまって排水能力が損なわれることが懸念されることから、１１００ｍｍφ以下の場合には図４（ｂ）に示したように１系統２本の循環パイプ４を敷設するに留めて、その分、充填層７の断面積を小さくして雨水排水性能の低下を回避するようにしている。
【００２２】
なお、必要であれば充填層７の上面を図示例のように平坦な水平面にすることに代えて、適宜形状のインバートを形成して有効断面積を確保するようにしても良い。
また、図示例のように複数本の循環パイプ４の全体を共通の充填層７に一体に埋設することに代えて、個々の循環パイプに対応させて独立の充填層７を形成することにより、各循環パイプ４をそれぞれの周囲に独立に形成した充填層７に埋設することで雨水排水管路２の有効断面積の減少を回避することでも良い。
【００２３】
また、上記の連絡路５はたとえばピットやトレンチの形態で設置することも考えられるが、その内部に敷設する循環パイプ４と周囲地盤との間においても有効に熱交換がなされることが好ましいことから、そこでは格別の連絡路５を設けることなく循環パイプ４を単に地中深部に埋設することでも良い。但し、そこでの埋設深度をあまり大きくできない場合（たとえば１ｍ程度と浅い場合）には外気温や伏流水の影響を受けて有効な熱交換が期待できない場合もあるので、そのような場合には循環パイプ４に断熱材を取り付けて周囲地盤に対して断熱した状態で埋設すると良い。
あるいは、連絡路５を管径１２００ｍｍφ以上の雨水排水管路２と同様の管路として、それを雨水排水管路２と同等の深部に設置し得る場合には、その連絡路５としての管路内においても図４（ａ）に示したように管内底部に循環パイプ４を密接させた状態で敷設して充填層７を形成することにより、そこでも地中との熱交換が効率的に生じるようにすることも考えられる。
【００２４】
以上で説明したように、本実施形態のシステムによれば、雨水排水管路２内に敷設した循環パイプ４に熱媒体としての水を循環させて雨水排水管路２の周囲地盤との間で熱交換を行うことにより、特許文献１や特許文献２に示される従来システムと同様に地中熱を有効に利用することが可能である。
具体的には、地中熱をたとえば外調機や各種空調機に対して夏季における予冷や冬季における予熱の熱源として有効に利用したり、あるいは夏季におけるパネルクーラの冷却水や冬季におけるパネルヒータの熱源水等として有効に利用することが可能であり、それにより建物１の冷暖房に要するエネルギーを節約して十分な省エネルギー効果を得ることが可能である。
【００２５】
そして、特許文献１に示される従来のシステムでは地中熱を採熱するための採熱管を地中浅層部に敷設するために大規模な地盤掘削工事が不可欠であることから、そのために多大のコストを要するものであったのに対し、本実施形態では既存の雨水排水管路２を利用してその内部に循環パイプ４を敷設することから、連絡路５を設けること以外には循環パイプ４を敷設するための格別の地盤掘削工事は不要であるし、大径の雨水排水管路２内への循環パイプ４の敷設作業は格別困難ではなく容易に行うことが可能であるから、本発明システムを採用するために要するイニシャルコストは従来システムに比べて大幅に軽減することができ、省エネルギー効果によるランニングコストの軽減により短期間で回収することが可能である。
勿論、本発明システムは特許文献２に示される従来システムのように杭を利用するものでもないので、杭基礎が前提である施設や建物に限定されるものでもなく、既存の雨水排水管路２の利用が可能なものであれば様々な構造、規模、用途の施設や建物に広く適用可能である。
【００２６】
以上で本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、たとえば以下に列挙するような適宜の設計的変更や応用が可能である。
【００２７】
上記実施形態では既存の雨水排水管路２を利用してその内部に循環パイプ４を敷設することとしたが、本発明の最大の目的は循環パイプ４を敷設するための格別の地盤掘削工事を省略ないし大幅に軽減することにあり、そのために利用可能な地中埋設管路であれば、すなわち地盤掘削を伴うことなくその内部に循環パイプを敷設可能なものであれば、雨水排水管路２に限らずたとえば下水本管等の他の排水管路や各種の配管路も同様に利用可能である。
【００２８】
また、既存の埋設管路を利用してその内部に循環パイプ４を敷設することに限らず、各種の埋設管路を新設する場合にその埋設管路の内部に上記実施形態と同様にして循環パイプ４を敷設することでも良く、その場合は新設する埋設管路の所要断面積を循環パイプ４および充填層７のスペースを考慮して予め適切に設定すれば良い。
【００２９】
さらに、各種の埋設管路を新設する場合には、循環パイプ４をその内部に敷設することに限らず、新設する埋設管路に添わせてその管外近傍位置に循環パイプ４を敷設することも考えられる。
すなわち、埋設管路を新設する際には当然にそのための地盤掘削が不可欠であるので、その地盤掘削工事に便乗して循環パイプを敷設すれば良い。その場合、新設する各種の埋設管路の敷設工程に相前後して循環パイプ４を適宜敷設すれば良いが、循環パイプ４を埋設管路の敷設に先行してその下部に埋設すれば自ずと深度を大きく確保できるし、伏流水の影響も受け難くなり、温度条件としてより有利な地下水との熱交換を期待できる場合もあるので、周囲地盤との効率的な熱交換が可能である。
【００３０】
いずれにしても、埋設管路内あるいは埋設管路外への循環パイプ４の敷設パターンは、埋設管路の本来の機能を損なうことなく、かつ循環パイプ４と周囲地盤との間で十分な熱交換がなされるように最適設計すれば良く、その限りにおいて循環パイプ４の系統数や敷設本数、敷設経路、総延長、埋設管路に対する循環パイプ４の固定の形態、充填層７の要否や充填材の素材、充填層７の形成パターン等は任意である。
たとえば、上記実施形態の場合には比較的大径の雨水排水管路２内には２系統４本の循環パイプ４を敷設し、比較的小径の雨水排水管路２内には１系統２本の循環パイプ４を敷設したのであるが、雨水排水管路２の管径によっては全長にわたって図４（ａ）に示したように２系統４本の循環パイプ４を敷設することでも良いし、逆に全長にわたって図４（ｂ）に示したように１系統２本の循環パイプ４を敷設することでも良い。
さらに、循環パイプ４の材質も任意であるし、熱媒体としては水を用いることが現実的ではあるものの水に限らず適宜のブラインを用いることも考えられ、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば細部の仕様は様々に変更可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１  建物
２  雨水排水管路（埋設管路）
３  マンホール
４  循環パイプ
５  連絡路
６  Ｕバンド
７  充填層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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