(57)【要約】【課題】従来公知の垂直埋設式地中熱交換構造よりも熱交換効率を高め、施工性を改善した垂直埋設式地中熱交換構造を用いた熱交換器、およびそれを用いたヒートポンプを提供すること。【解決手段】地表に垂直方向で下方に形成された熱交換領域において、循環流体を対地熱交換させる流体路として、循環流体を地表側から地中へ向けて流す往路と、その往路を通過した流体を地中から地表側へ向けて流す復路を有する樹脂製流体路を複数備えており、一群の流体路が隣り合う流体路とほぼ接し合うように束ねられおり、他の群の流体路が、隣り合う流体路との間に間隔を開けて配置されていて、該一群の流体路と他の群の流体路がそれぞれ往路か復路を形成するものである地中熱交換構造を備えている地中熱交換器、およびそれを用いたヒートポンプ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地表に垂直方向で下方に形成された熱交換領域において、循環流体を対地熱交換させる流体路として、循環流体を地表側から地中へ向けて流す往路と、その往路を通過した流体を地中から地表側へ向けて流す復路を有する樹脂製流体路を複数備えており、一群の流体路が隣り合う流体路とほぼ接し合うように束ねられおり、他の群の流体路が、隣り合う流体路との間に間隔を開けて配置されていて、該一群の流体路と他の群の流体路がそれぞれ往路か復路を形成するものである地中熱交換構造を備えている地中熱交換器。
【請求項２】
前記束ねられている一群の流体路が復路である請求項１に記載の地中熱交換器。
【請求項３】
前記他の群の流体路が、隣り合う流体路との間に、管中心間の間隔として少なくとも６ｃｍの間隔を保持していることを特徴とする請求項１または２に記載の地中熱交換器。
【請求項４】
前記地中熱交換構造を形成する樹脂製流体路の数が、３〜８であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の地中熱交換器。
【請求項５】
前記樹脂製流体路の各往路と復路の接点が、深度がほぼ同じ領域にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の地中熱交換器。
【請求項６】
前記樹脂製流体路が、直状樹脂製管からなるＵ字管からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の地中熱交換器。
【請求項７】
流体路の上下方向中間の位置で、前記熱交換領域に平面視で円を描いたとき、束ねられている一群の流体路と他の群の流体路がその円の近辺に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の地中熱交換器。
【請求項８】
前記地中熱交換構造が、前記流体路の間隔を所定の間隔に保持する間隔保持部材を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の地中熱交換器。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の地中熱交換器を熱交換装置として有する地中熱利用ヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直埋設式地中熱交換器およびそれを用いたヒートポンプシステムに関する。さらに詳しくは複数の樹脂製流体路から形成されている地中熱交換構造を備えている地中熱交換器およびそれを用いたヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地中の温度は、年間を通して１０〜１５℃とほぼ一定であり、外気温度に比べると、夏は低く、冬は高くなっている。従って、外気との温度差を利用するために地中に熱交換器を埋設して地中熱を採熱し、熱源として利用することが行われており、この地中熱利用システムに関しては種々の提案がなされている。
【０００３】
この地中熱利用の技術は、地中においてほぼ一定である地中熱を利用して熱交換を行うもので、冬には高温エネルギーとして暖房用熱源または融雪用熱源等のために、地中熱を採熱し利用することができる。また、夏には低温エネルギーとして冷房用熱源等のために、地中熱を利用することができる。地中熱は大気よりも温度が安定しているので効率的な熱源であり、かつ二酸化炭素の発生の少ない熱源であるので、省エネルギーで地球環境に優しいシステムとして地中熱利用システムの普及が期待されている。
【０００４】
このような地中熱利用システムとして、地中に垂直に熱交換チューブを設置した方式が知られている。垂直に設置した地中熱交換チューブ方式は、設置のために占有する地表面積が小さく、また地表面のヒートロスが少ない特徴がある。垂直に設置した地中熱交換チューブ方式として、数十ｍｍ径の鋼製Ｕ字管やプラスチック製のＵ字管を垂直な掘削孔に１セットまたは２セット挿入して周りを土質材料（グラウト材）で充填することが知られている。例えば特許文献１では、Ｕ字管として平行な直管部分の下端部同士を連通したＵ字管を用いることが提案されている。
【０００５】
しかしながら、垂直設置の地中熱交換チューブ方式において、地中熱を効率よく利用するためには、地中深くまで熱交換チューブを埋設する必要があり、埋設のための削孔深度は数十ｍ〜約１００ｍの深さが必要であった。そのために、長尺状垂直埋設式地中熱交換器では、掘削費用が高く設置工事費が高価になるという問題があった。
【０００６】
削孔深度をより浅くして掘削費用を低減するという提案もなされている。例えば特許文献２では、垂直に埋設する管の往路管を螺旋状流体路とすることが提案されている。しかしながら、螺旋状流体路をブロー成形等で形成させるためには管の複雑かつ精密な成形が必要となる。一方、直管を螺旋状に加工するには、螺旋形状保持も含めて加工が困難であり、製造コストが高くなる。さらに、流体路を螺旋状にすると埋設時に螺旋形成流体路同士の上下間隔が一部狭くなるところが発生する可能性が高く、地中との熱交換効率が低下する可能性がある。
【０００７】
そこで、熱交換効率が改善された地中熱交換構造として、本出願人は複数の往路及び復路を形成する樹脂管を、隣り合う往路もしくは復路となる樹脂管との間に間隔をあけて敷設した地中熱交換構造を提案した（特許文献３）。特許文献３で提案されている地中熱交換構造は、従来の長尺状垂直埋設式地中熱交換器より掘削コストを削減できるものであるが、樹脂管の間に間隔をあけて敷設しなければならないという作業上の要請があった。
本発明は、同特許文献で提案されている地中熱交換構造の熱交換効率をさらに高めるべく研究した結果到達したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−１８２９４３号公報
【特許文献２】特開２００７−３１５７４２号公報
【特許文献３】特開２０１４−１８５８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、高い熱交換効率を実現し、掘削コストを大幅に削減でき、かつ施工性にすぐれた垂直埋設式地中熱交換構造を用いた熱交換器を提供する。
本発明は、公知の垂直埋設式地中熱交換構造よりも熱交換効率を高め、施工性を改善した垂直埋設式地中熱交換構造を用いた熱交換器を提供するものである。
本発明はさらに、高い熱交換効率を実現できる熱交換器を用いたヒートポンプを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、地表に垂直方向で下方に形成された熱交換領域において、循環流体を対地熱交換させる流体路として、循環流体を地表側から地中へ向けて流す往路と、その往路を通過した流体を地中から地表側へ向けて流す復路を有する樹脂製流体路を複数備えており、一群の流体路が隣り合う流体路とほぼ接し合うように束ねられおり、他の群の流体路が、隣り合う流体路との間に間隔を開けて配置されていて、該一群の流体路と他の群の流体路がそれぞれ往路か復路を形成するものである地中熱交換構造を備えている地中熱交換器を提供する。
【００１１】
前記束ねられている一群の流体路が復路である前記した地中熱交換器は本発明の好ましい態様である。
【００１２】
前記他の群の流体路が、隣り合う流体路との間に、管中心間の間隔として少なくとも６ｃｍの間隔を保持している前記した地中熱交換器は本発明の好ましい態様である。
【００１３】
前記地中熱交換構造を形成する樹脂製流体路の数が、３〜８である前記した地中熱交換器は本発明の好ましい態様である。
【００１４】
前記樹脂製流体路の各往路と復路の接点が、深度がほぼ同じ領域にある前記した地中熱交換器は本発明の好ましい態様である。
【００１５】
前記樹脂製流体路が、直状樹脂製管からなるＵ字管からなる前記した地中熱交換器は本発明の好ましい態様である。
【００１６】
流体路の上下方向中間の位置で、前記熱交換領域に平面視で円を描いたとき、束ねられている一群の流体路と、他の群の流体路のそれぞれがその円の近辺に配置されている前記した地中熱交換器は本発明の好ましい態様である。
【００１７】
前記地中熱交換構造が、前記流体路の間隔を所定の間隔に保持する間隔保持部材を備えている前記した地中熱交換器は本発明の好ましい態様である。
【００１８】
本発明はまた、前記した地中熱交換器を熱交換装置として有する地中熱利用ヒートポンプシステムを提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、高い熱交換効率を実現しながら、長尺状垂直埋設式地中熱交換器より削孔深度を数分の１程度に短くすることができ、掘削コストを大幅に削減できる垂直埋設式地中熱交換器が提供される。
本発明により、公知の垂直埋設式地中熱交換構造よりも熱交換効率を高め、施工性を改善した垂直埋設式地中熱交換構造が提供される。
ヒートポンプなどの負荷装置の熱交換器として垂直埋設式地中熱交換器を用いる場合、設置費用のかなりの割合が地中熱交換器設置のための掘削費用であるところ、本発明によって削孔深度を短くできるので、設置費用を大幅に削減することが可能となる。
本発明により、高い熱交換効率を実現しながら、掘削コストを大幅に削減でき、かつ施工性が改善された垂直埋設式地中熱交換器を用いたヒートポンプが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の垂直埋設式地中熱交換器の構造を示す概略図である。
【図２】本発明の流体路の配置例を示す概略を示す写真である。
【図３】本発明の流体路の配置の他の例を示す概略図である。
【図４】本発明の流体路に間隔保持部材を取り付けた例を示す断面概略図である。
【図５】本発明の地中熱交換構造の下端部において流体路が折り返す様子を示す概略図である。
【図６】本発明の流体路に間隔保持部材を取り付けた他の例を示す断面概略図である。
【図７】本発明の流体路の他の配置例を示す概略図である。
【図８】本発明の垂直埋設式地中熱交換器を用いたヒートポンプを示す概略図である
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、地表に垂直方向で下方に形成された熱交換領域において、循環流体を対地熱交換させる流体路として、循環流体を地表側から地中へ向けて流す往路と、その往路を通過した流体を地中から地表側へ向けて流す復路を有する樹脂製流体路を複数備えており、一群の流体路が隣り合う流体路とほぼ接し合うように束ねられおり、他の群の流体路が、隣り合う流体路との間に間隔を開けて配置されていて、該一群の流体路と他の群の流体路がそれぞれ往路か復路を形成するものである地中熱交換構造を備えている地中熱交換器を提供するものである。
【００２２】
本発明の熱交換領域は、地表から下方に向かって掘削した削孔に、土質材料等の充填材で埋め戻した領域である。掘削孔は、地中にボーリングによる削孔、スクリューオーガを用いた削孔等従来公知の方法で形成させた削孔に、地中熱交換構造を設置した後、充填材で埋め戻した地中熱交換が行われる領域である。
【００２３】
充填材としては、材料熱伝導率の良いものを用いることが好ましく、例えば掘削土、砂質土、礫質土、有機質土、砂利及び砕石から選ばれた少なくとも１種を含む材料で構成されている土質材料が好ましく用いられる。熱交換領域では、雨水や大地内を流動する地下水が掘削部に充填された充填材の粒子間に浸透し、地下水によって地中熱交換器と大地との熱交換が促進される
【００２４】
樹脂製流体路は、不凍液（ブライン）、水などの循環流体を流すことができて、地中熱と熱交換できるもので、循環流体を対地熱交換させる流体路である。本発明の樹脂製流体路は、循環流体を対地熱交換させる流体路として、循環流体を地表側から地中へ向けて流す往路と、その往路を通過した流体を地中から地表側へ向けて流す復路を有するもので、管状体であることが好ましい。
【００２５】
樹脂製流体路を構成する樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテンなどのポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリアミド等を挙げることができる。中でもポリオレフィン製管、とくにはエチレン製管が特に好ましい。
樹脂製流体路の往路と復路の接点は下端部にあって、往路と復路を形成する流体路が下端部で連通している。下端部では流体路が屈曲して折り返す形状となっている。屈曲部はエルボを介していてもよいが、一本の管が湾曲して折り返す構造が好ましい。管の融着または接着部分があるとそこから循環流体が漏れ出す原因になり易いからである。このような流体路としてはＵ字状管が好ましい。
【００２６】
本発明の地中熱交換構造は、樹脂製流体路を少なくとも３個、好ましくは３〜８個、より好ましくは３または４個、とくには４個用いて形成されていることが望ましい。
【００２７】
本発明においては、地表に垂直方向で下方に形成された熱交換領域において、循環流体を対地熱交換させる流体路として、循環流体を地表側から地中へ向けて流す往路と、その往路を通過した流体を地中から地表側へ向けて流す復路を有する樹脂製流体路を複数備えている。
【００２８】
流体路のうち、一群の流体路が隣り合う流体路とほぼ接し合うように束ねられおり、他の群の流体路が、隣り合う流体路との間に間隔を開けて配置されていて、該一群の流体路と他の群の流体路がそれぞれ往路か復路を形成するものである。一群の流体路を構成する流体路と、他の群の流体路を構成する流体路はそれぞれ連通していて、流体路に送入される循環流体は一群の流体路を構成する流体路と、他の群の流体路の双方を通過して地表に戻ることになる。一群の流体路と他の群の流体路のいずれかの群が往路もしくは復路の働きをするが、いずれの群も往路および復路を担当することができる。特には、束ねられている一群の流体路が復路であることが好ましい。
【００２９】
束ねられた一群の流体路が復路であるとき、束ねることによって熱交換領域と接触する流体路の外表面積が小さくなる結果、地中熱を利用して熱交換された循環流体の熱が奪われる量を減らすことができるので、熱交換された循環流体の熱量を保持することができる。
【００３０】
束ねられた一群の流体路は、隣に位置する流体路とほぼ接するように配置されていることが好ましい。その配置形態は、横並びに配置していいし、一つの流体路が複数の流体路とほぼ接するように、例えば一群の流体路が３個ある場合には３角形状に、４個ある場合には四角形状に配置されていてもよい。
ほぼ接するとは、間隔が開きすぎない位置関係をいい、通常その間隔が１ｃｍ以内、好ましくは５ｍｍ以内の関係をいう。
【００３１】
本発明における他の群の流体路は、隣り合う流体路との間に間隔を開けて配置されている。他の群の流体路が往路であることが好ましい。他の群の流体路同士の間隔が短すぎると、熱交換対象となる熱交換領域の充填材量が相対的に少なくなることになり、熱交換効率が低下する恐れがある。
【００３２】
特許文献２では、その図４に示されているように、その敷設領域で２個の流体路を敷設することが提案されているが、同特許文献におけるような螺旋状流路では、螺旋流体路同士の間隔が短くなるために、流体路の総延長距離を伸ばしたところで、トータルの熱交換効率を向上させることは難しいし、他の流路部分が螺旋状流路の領域内に敷設されているので、熱交換が済んだ流路の流体から熱が奪われるので、高い熱交換効率を得ることは難しい。
【００３３】
復路の近くを往路が通る場合、往路の周辺の熱交換領域の充填材量が往路の循環流体との熱交換によって温度が上昇したり降下したりするので、その影響で熱交換が済んだ復路の循環流体から熱が奪われるし、また地表から深さ５ｍ程度までの部分では季節によって温度変化が大きいからその部分でも熱交換が済んだ復路の循環流体から熱が奪われるという危険性があるが、復路を束ねて配置することによって循環流体から奪われる熱量を減少させることができる
【００３４】
本発明では、樹脂製流体路を複数個用いることによって、流体路の総延長距離を伸ばし、高いトータル熱交換効率を獲得することができる。このような、地中熱交換構造によって、削孔深度を数分の１程度に短くしても高い熱交換効率を実現できるので、従来公知の長尺状垂直埋設式地中熱交換器より掘削コストを大幅に削減した垂直埋設式地中熱交換器の提供が可能となる。
【００３５】
本発明において、他の群の流体路同士の間隔としては、隣り合う樹脂製流体路との間隔を、管中心間の間隔として６ｃｍ以上、好ましくは７ｃｍ以上、より好ましくは９ｃｍ、さらに好ましくは１１ｃｍ以上程度の間隔で設置されていることが好ましい。
【００３６】
本発明では、樹脂製流体路を設置する際に、一群の流体路が束ねられているので、一群の流体路の位置を固定することによって他の流体路を所定の間隔を開けて配置することが容易となり、すぐれた作業性が得られる。本発明は、樹脂製流体路の設置において優れた施工性を発揮するものである。
【００３７】
樹脂製流体路を所定の間隔で設置するために、間隔保持部材を使用することができる。間隔保持部材の形状には特に制限はなく、所定の目的を達成できる形状であればよい。たとえば、樹脂製流体路を取り巻くような円形基材から伸びる保持具を有しており、保持具に束ねて配置される一群の流体路を取り囲む形状のものと、他の群の流体路のそれぞれを取り囲む形状のもので形成されているような保持具を採用してもよい。
【００３８】
本発明の複数の流体路は、樹脂製流体路の各往路と復路の接点が、深度がほぼ同じ領域にあるのが、地中熱交換構造の取扱いおよび埋設作業上都合がよい。このような、位置関係にある樹脂製流体路に、所定の位置で間隔保持部材を設置した地中熱交換構造は、作業性に優れると共に安定した地中熱交換効率を得ることができるものとなる。
【００３９】
本発明の樹脂製流体路で地中熱交換構造を形成するにあたって、流体路が前記した関係を満たすものであれば任意の位置関係で構成させてもよいが、流体路の上下方向中間の位置で、前記熱交換領域に平面視で仮想の円を描いたとき、束ねられている一群の流体路と他の群の流体路がその円に沿った地域で円の近辺に配置されていることは好ましいで態様である。
【００４０】
本発明の樹脂製流体路からなる地中熱交換構造は、間隔保持部材を使用して予め流体路を所定の位置に配置した構造体を作製しておき、これを削孔に挿入する方法によって形成させてもよい。
【００４１】
本発明の複数の樹脂製流体路からなる地中熱交換構造を用いる地中熱交換器は、地表占有面積については、直径２５〜３０ｃｍ程度の削孔が必要になると思われる。本発明の地中熱交換構造を用いると。複数の流体路を用いて熱交換効率を高めると共に、復路の交換熱の損失を減ずることができるので、全体として熱交換効率の高い熱交換構造が実現される。
【００４２】
本発明の地中熱交換器では、循環流体は、往路を通って地中の深部に向かい復路から地表に取り出されるが、往路や復路の地表から深さ５ｍ程度までの部分を断熱構造にするのが好ましい。地表から深さ５ｍ程度までの大地は季節によって温度変化が大きいからである。特に、復路のその部分を断熱構造にするのが好ましい。断熱構造にすることによって大地との熱交換を終えた熱媒の熱損失を防ぐことができる。
断熱構造にする方法としては、管の周囲に断熱材を敷設する方法や、管の外側にさや管を設けて中空部に断熱材を充填する方法が挙げられる。
【００４３】
本発明の樹脂製流体路の循環流体は、流体路の入口から入り往路および復路を経て出口から出るが、夏期には、地中温度は、地上の外気温度に比べ恒温状態で温度が低いので、循環流体は地中熱交換領域で冷やされて略１５℃の循環流体となり、冬期には地中熱熱交換領域で地中温度に温められた循環流体となる。
【００４４】
本発明の地中熱交換構造では、使用する樹脂製流体路の数に応じた流体路における循環流体の入口および出口となる流体路端部がある。それぞれの入口流体路端部および出口流体路端部は、それぞれ独立した複数の流体循環系を形成していてもよいし、連通して一つの流体循環系を形成していてもよい。連通して一つの流体循環系を形成する場合には、複数の入口流体路端部及び出口流体路端部をそれぞれ、Ｔ字管、結合管、ヘッダーなどの部材を用いて一つの管に繋ぐことができる。
【００４５】
以下に本発明について、図を用いて具体例に説明する。以下に説明する具体例は、４個の樹脂製流体路で地中熱交換構造を形成する場合である。
【００４６】
図１には、本発明の垂直埋設式地中熱交換器１の例が示されている。図１では、地表１０から下方に掘削された削孔に、循環流体の往路と復路を形成する直状樹脂製管からなるＵ字管を流体路３として、流体路４個からなる地中熱交換構造２を設置し充填材１１で埋め戻した状態が示されている。４個の直状樹脂製管３からなるＵ字管は、削孔の下端附近で各樹脂製管が平面視で交差するように設置されている。図１の地中熱交換構造２には、所定の位置に間隔保持部材５が備えられている。
【００４７】
図１の削孔は３０ｍの深さに掘削されており、樹脂製管として外形１７ｍｍで、内径が１２．２ｍｍのポリエチレン製管からなるＵ字管４個によって地中熱交換構造２が形成されているので、地中熱交換構造２の循環流体路の全長は２４０ｍである。
【００４８】
図１の地中熱交換構造２では、４個の直状樹脂製管のＵ字管からなる流体路３の往路それぞれが、ヘッダー４によって連通している。また、流体路の復路もそれぞれがヘッダー４‘によって、連通している。図１の地中熱交換構造２はヘッダーによって連通して一つの流体循環系を形成している。
【００４９】
図２は、本発明の流体路の配置例を示す概略図である。図２では一群の流体路３１が束ねられて隣り合う流体路とほぼ接する位置で配置されている。図２では４個の流体路が４角形となる位置で配置されており、他の群の流体路３２はそれぞれ隣り合う流体路と間隔を開けて配置されている。
【００５０】
図２に破線で描かれている円は熱交換領域に平面視で仮想の円を描いたものであって、本発明の地中熱交換構造を構成するものではない。束ねられた一群の流体路３１、および他の群の流体路３２のそれぞれがその円の近辺に配置されている。図４では、一群の流体路３１の最外縁、および他の群の流体路３２のそれぞれの外縁がその円に接して配置されている。このような配置は好ましい配置の例であるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５１】
図３は、本発明の流体路配置の他の例を示す概略図である。図３では一群の流体路３１が横並びに隣り合う流体路とほぼ接する位置で配置されている。他の群の流体路はそれぞれ隣り合う流体路と間隔を開けて配置されている。図３の流体路配置においても、それぞれの流体路が、仮想の熱交換領域に平面視で描いた円の近辺に配置されている。図３においても一群の流体路３１の最外縁、および他の群を流体路３２のそれぞれの外縁がその円に接して配置されている。
【００５２】
図４には、本発明の流体路に間隔保持部材を取り付けた様子を示す断面概略図を示している。図４中、管と間隔保持材の区別を容易にするために管の部分を灰色に塗り潰して表示した。図４では、間隔保持部材５の円形枠６に設置された管保持部８によって、地中熱交換構造２を形成する流体路が保持されている。同図から束ねられた一群の流体路３１が一つの管保持部８によって保持されており、他の群の流体路を構成している管３２もそれぞれ管保持部８によって保持されている様子がわかる。
【００５３】
間隔保持部材５の形状は、図４に示されているものに限定されるものではないが、間隔保持部材によって、地中熱交換構造を構成する流体路を所定の位置に容易に保持することができる。図４のように、一群の流体路を構成する流体路３１は、他の群のそれぞれの流体路とは十分な間隔を保って保持されるので、一群の流体路が復路となるとき、熱交換が済んだ循環流体から熱量が奪われる危険性が低くなり、本発明の地中熱交換構造の熱交換効率を高めるのに役立つ。
【００５４】
図５は、図４に示された状態で配置された流体路を有する地中熱交換構造の下端部における流体路の様子を示している。第５図の流体路はほぼ同じ深さ領域において折り返している。図５から、束ねた一群の流体路を構成する管が、他の群の流体路を構成する管と連通していてそれぞれの管が循環流体の往路と復路を形成している様子がわかる。
【００５５】
図６は、流体路を保持する間隔保持部材５の他の形状を示す断面概略図である。図６の間隔保持部材５は、流体路の内側から樹脂製管を保持する形状のものである。図６の間隔保持部材５は、枠６に設けられたアーム７の先端に管保持部８が取り付けられている。図６においても、管と間隔保持材の区別を容易にするために管の部分を灰色に塗り潰して表示した。
【００５６】
図７は、本発明の流体路の他の配置例を示す概略図である。図７では８個の流体路で構成された一群の流体路３１が束ねられて隣り合う流体路とほぼ接する位置で配置されている。図７では８個の流体路が配置されており、他の群の流体路３２はそれぞれ隣り合う流体路と間隔を開けて配置されている。
【００５７】
図７においても破線で描かれている仮想円付近に、束ねられた一群の流体路３１、および流体路３２のそれぞれが配置されている。図７でも、一群の流体路３１の最外縁、および他の群の流体路３２のそれぞれの外縁がその円にほぼ接する位置で配置されている。
【００５８】
図８は、本発明の垂直埋設式地中熱交換器を地中熱交換装置として有する地中熱利用ヒートポンプシステムの概略図である。図８は、冬期における地中熱利用ヒートポンプシステムの稼動状況を示している。地中熱交換構造の流体路には、不凍液（ブライン）、水等の循環流体が循環している。
【００５９】
冬期には、地中熱熱交換領域１２で地中温度に温められた循環流体がピートポンプ９内の熱交換器Ａ（蒸発部）９３に導かれ、熱媒体との熱交換によって熱を奪われて温度が低下し、熱媒体は吸熱によって蒸発する。ヒートポンプ９に導かれて温度が低下した循環流体は、再び地中熱熱交換領域２に戻る。このとき地中温度は、地上の外気温度に比べ恒温状態で温度が高くなっているので、循環流体は地上側から地中に送り込まれると、地中熱交換領域で採熱し、温められて循環流体循環系９１を通ってピートポンプ内の熱交換器Ａ９３に循環することになる。
【００６０】
ピートポンプの熱交換器Ａにおいて蒸発した熱媒体は圧縮機９５を通って熱交換器Ｂ（凝縮部）９４に入る。熱交換器Ｂには、放熱系を循環する２次蓄熱媒体が導かれており、熱交換によって熱媒体から熱が放出されて２次蓄熱媒体の温度が上昇する。放熱して温度が低下した熱媒体は再度熱交換器Ａ９３に循環して、循環流体と熱交換が行われる。
温度が上昇した２次蓄熱媒体は２次蓄熱媒体循環系９２を通って放熱系９７に到達し、所望の暖房機能が得られる。放熱系の例としては、床暖房、ファンコイルユニット、融雪用パネル、融雪用放熱管等がある。放熱系も循環ループとなっており、放熱系で熱を放出した２次蓄熱媒体は、再び２次蓄熱媒体循環系９２によって熱交換器Ｂ（冷媒凝縮部）９４に導かれて加熱されて、再度放熱系に供給される。
各循環系には、流体循環のためにポンプが設置されているが、図８ではポンプの表示を省略した。
【００６１】
夏期には、略１５℃の循環流体がピートポンプ内の熱交換器において、熱媒体との熱交換によって熱を奪うことで循環流体の温度が上昇する。このヒートポンプに導かれて温度が上昇した循環流体は、再び地中熱熱交換領域に戻る。このとき地中温度は、地上の外気温度に比べ恒温状態で温度が低いので、循環流体は地上側から地中に送り込まれると、地中熱交換領域で冷やされて再び熱交換器に循環することになる。
【００６２】
ピートポンプにおいて循環流体によって冷却された熱媒体は、膨張弁を通って熱交換器に入り、２次蓄熱媒体から熱を奪う。温度が上昇した熱媒体は再度熱交換器に循環して、循環流体から熱を奪うことにより、地中熱との熱交換が行われる。冷却された熱媒体は配管を通って放熱系に到達し、所望の冷房機能が得られる。放熱系も循環ループとなっており、放熱系で温度が上昇した２次蓄熱媒体は、再び熱交換器Ｂ（冷媒凝縮部）に導かれ、冷却されて再度放熱系に供給される。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明により、高い熱交換効率を達成し、優れた施工性を実現しながら、長尺状垂直埋設式地中熱交換器に比して掘削コストを大幅に削減できる垂直埋設式地中熱交換器が提供される。
ヒートポンプなどの負荷装置の熱交換器として垂直埋設式地中熱交換器を用いる場合、設置費用のかなりの割合が地中熱交換器設置のための掘削費用であるところ、本発明によって削孔深度を短くできるので、設置費用を大幅に削減することが可能となる。
本発明により提供される熱交換器は、従来公知の垂直埋設式地中熱交換器より高い熱交換効率と優れた施工性を達成するものである。
本発明により、高い熱交換効率を実現し、優れた施工性を発揮し、掘削コストを大幅に削減できる垂直埋設式地中熱交換器を用いたヒートポンプが提供される。
【符号の説明】
【００６４】
１．垂直埋設式地中熱交換器
２．地中熱交換構造
３．樹脂製流体路
３１．束ねられた一群の流体路
３２．他の群の流体路を構成する流体路
４．ヘッダー
４’．他のヘッダー
５．間隔保持部材
６．枠
７．アーム部
８．管保持部
９．ヒートポンプ
９１．循環流体循環系
９２．２次蓄熱媒体循環系
９３．熱交換器Ａ
９４．熱交換器Ｂ
９５．圧縮機
９６．膨張弁
９７．放熱系
１０．地表
１１．充填材
１２．地中熱交換
ａ．循環流体入口
ｂ．循環流体出口
【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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