(57)【要約】【課題】簡単な構成で維持管理が容易な地中熱利用システムを提供する。【解決手段】地下水によって搬送される地中熱を利用する地中熱利用システム１である。  そして、下部に地下水の取込み口となるストレーナ２２２を有する揚水井部２と、揚水井部の下部に接続される窒素ガス供給部４と、揚水井部の上部側に接続される熱交換部３と、熱交換部を通過した水を地中に戻す注水井部５とを備えている。  ここで、揚水井部は、井戸部２１と、井戸部の内部に延伸される揚水管路部２３と、揚水管路部の下端に配置されるストレーナ２２２を有する水中ポンプ部２２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】
地下水によって搬送される地中熱を利用する地中熱利用システムであって、
下部に地下水の取込み口を有する揚水井部と、
前記揚水井部の下部に接続される窒素ガス供給部と、
前記揚水井部の上部側に接続される地熱利用部と、
前記地熱利用部を通過した水を地中に戻す注水井部とを備えたことを特徴とする地中熱利用システム。
【請求項２】
前記揚水井部は、井戸部と、前記井戸部の内部に延伸される揚水管路部と、前記揚水管路部の下端に配置される前記取込み口を有する水中ポンプ部とを備え、
前記水中ポンプ部に前記窒素ガス供給部のガス管の端部が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の地中熱利用システム。
【請求項３】
前記窒素ガス供給部は、地中に埋設された地下貯蔵タンク部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の地中熱利用システム。
【請求項４】
前記揚水井部と前記地熱利用部との間に逆止弁部を設け、前記逆止弁部の上流側及び下流側の両方に溶存酸素計が配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の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、地下水によって搬送される地中熱を利用する地中熱利用システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
揚水井によって汲み上げられた地下水に蓄熱された地中熱を、ヒートポンプなどの熱交換装置で利用する地中熱利用システムが知られている（特許文献１，２など参照）。
【０００３】
地中熱利用システムでは、地中熱が取り出された地下水を、注水井から再び地中の帯水層に戻すことがある。このようなシステムでは、揚水井から揚水され、注水井によって還元されるという地下水の循環経路が形成されることになる。
【０００４】
ここで、地下水中には、鉄やマンガンなどが溶解しており、酸素と反応することによって酸化鉄等が生成されると、管路内や注水井周辺の地盤に目詰まりが起き、循環経路が維持できなくなることがある（図３参照）。
【０００５】
そこで、特許文献１の地中熱利用システムでは、循環経路の途中に地下水中に含まれる鉄分やマンガン分を効率良く除去するための軟水化装置を配置している。この軟水化装置には、イオン交換樹脂が充填されており、鉄分等を地下水から取り除くことができる。
【０００６】
また、特許文献２には、揚水井によって汲み上げられた地下水に対して、利用前に濁質や鉄分などの目詰まり原因物質を除去する処理を行う地下水利用システムが記載されている。
【０００７】
さらにこのシステムでは、利用後の水に対しては、ＰＡＳ装置（窒素ガス発生装置）によって生成された窒素ガスを供給したり脱気処理をしたりしてから地中に再注入することで、地層の酸化を防止することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−２３３６３６号公報
【特許文献２】特開２０１１−２２６７５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載されているようなイオン交換樹脂やフィルター材を使用して目詰まり原因物質を除去する方法では、定期的にフィルター材等の交換を行わなければならず、維持管理に手間がかかる。
【００１０】
また、特許文献２に記載されているような地下水の利用前と利用後に、それぞれの目的に応じた処理を行う構成では、構成が複雑になるうえに、ＰＡＳ装置や脱気装置などを稼働させるためのエネルギー消費量が大きくなり、ランニングコストが高くなるおそれがある。
【００１１】
そこで、本発明は、簡単な構成で維持管理が容易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】
【００１２】
前記目的を達成するために、本発明の地中熱利用システムは、地下水によって搬送される地中熱を利用する地中熱利用システムであって、下部に地下水の取込み口を有する揚水井部と、前記揚水井部の下部に接続される窒素ガス供給部と、前記揚水井部の上部側に接続される地熱利用部と、前記地熱利用部を通過した水を地中に戻す注水井部とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
ここで、前記揚水井部は、井戸部と、前記井戸部の内部に延伸される揚水管路部と、前記揚水管路部の下端に配置される前記取込み口を有する水中ポンプ部とを備え、前記水中ポンプ部に前記窒素ガス供給部のガス管の端部が接続される構成とすることができる。
【００１４】
また、前記窒素ガス供給部は、地中に埋設された地下貯蔵タンク部を有する構成とすることができる。さらに、前記揚水井部と前記地熱利用部との間に逆止弁部を設け、前記逆止弁部の上流側及び下流側の両方に溶存酸素計が配置される構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
このように構成された本発明の地中熱利用システムは、下部に地下水の取込み口を有する揚水井部に、窒素ガス供給部が接続される。そして、窒素ガス供給部によって窒素ガスが供給された水が、地熱利用部で利用された後に注水井部によって地中に戻される。
【００１６】
このように揚水井部に窒素ガス供給部を接続するという簡単な構成で、維持管理が容易な地中熱利用システムを構築することができる。特に、水中ポンプ部に窒素ガス供給部のガス管の端部を接続する構成であれば、取り込まれた地下水に直ちに窒素ガスが注入されて溶存酸素濃度が高くなれない状態にすることによって、酸化の発生を抑えることができる。
【００１７】
また、窒素ガス供給部が地中に埋設された地下貯蔵タンク部を有する構成であれば、地震時の安全性が高いうえに、温度変化が少なく、安定した温度の窒素ガスを供給することができる。
【００１８】
さらに、揚水井部と地熱利用部との間に逆止弁部を設け、その逆止弁部の上流側及び下流側の両方に溶存酸素計を配置することで、酸化が発生しにくい状態になっていることを適宜、確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施の形態の地中熱利用システムの全体構成を模式的に示した説明図である。
【図２】本実施の形態の地中熱利用システムの揚水井部側の構成を示した説明図である。
【図３】注水井の周辺地盤に目詰まりが起きやすい原理を模式的に示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の地中熱利用システム１の全体構成を模式的に示した説明図である。
【００２１】
地盤Ｇにおいては、深さが10ｍ程度より深くなると、地表の大気温度の季節変動の影響を受けることがほとんどなくなり、一年中、ほぼ一定の温度が保たれることになる。
【００２２】
この一定になる地温は、年平均気温にほぼ等しくなる。このため、地域によって差が出ることにはなるが、日本国内であれば10℃〜20℃程度となって、冬季には気温と比べて温かい地下水が得られ、夏季には気温と比べて冷たい地下水が得られることになる。
【００２３】
このような地温となる地中熱は、その位置に存在する地下水を介して地表まで搬送させることができる。以下では、このような地下水によって搬送される地中熱を利用する地中熱利用システム１について説明する。
【００２４】
本実施の形態の地中熱利用システム１は、地下水を汲み上げる揚水井部２と、地熱利用部としての熱交換部３と、地中熱利用後の水を地中に戻す注水井部５とによって主に構成される。
【００２５】
このように地下水を地盤Ｇから汲み上げて、利用後の地下水を再び地盤Ｇに戻す構成を、一般的に、オープンループシステムという。オープンループシステムは、不凍液や冷媒を利用するクローズドループシステムと比べて、井戸１本あたりの採熱量が大きくなることから、経済性に優れている。
【００２６】
揚水井部２によって汲み上げられた地下水は、流入経路３１を通って熱交換部３に送られる。熱交換部３は、例えば住宅３０に設置された冷暖房機などのヒートポンプ式空調装置において利用できる。
【００２７】
上述したように、地下水の水温は冷房がおこなわれる夏季は外気よりも低く、暖房がおこなわれる冬季は外気よりも高くなる。そこで、ヒートポンプ式空調装置の室外機に熱交換部３を接続し、室外機が取り込む空気の温度を熱交換部３によって調整する。
【００２８】
要するに、冷房時はそのままの外気を使って室外機で熱交換をおこなわせるよりも、熱交換部３を通して温度が下がった外気を使用させることで、空調装置の冷媒の温度を効率的に下げることができる。
【００２９】
反対に暖房時は、冷たい外気を使って室外機で熱交換をおこなわせるよりも、熱交換部３を通して温度が上がった外気を使用させることで、空調装置の冷媒の温度を効率的に上げることができる。
【００３０】
また、住宅３０の床下空間に熱交換部３を設置しておくことで、床下空間の空気が夏季は汲み上げられた地下水によって冷やされ、冬季は汲み上げられた地下水によって温められることになる。そして、床下空間の温度は、床材を通して室内に伝達されるため、夏季は室内を冷やし、冬季は室内を暖めることができるようになる。
【００３１】
さらには、熱交換部３を住宅３０の換気経路の途中に接続したり、熱交換部３の周囲に送風機を設置したりすることもできる。このような構成とすることで、夏季には冷気を、冬季には暖気を室内に送り込むことができるようになる。
【００３２】
そして、熱交換部３において冷熱又は温熱が放熱された地下水は、流出経路３２を通って注水井部５に送られる。注水井部５は、地盤Ｇに掘削された井戸部５１と、井戸部５１内に配管された注水管路部５２とによって主に構成される。
【００３３】
井戸部５１は、地下水位ＧＷより上方は鋼管などによって形成されたケーシングの孔壁で覆われ、地盤Ｇの帯水層となる位置に、メッシュやパンチ穴などによる注水口５１１が設けられる。
【００３４】
この注水口５１１は、後述する揚水井部２の井戸ストレーナ部２１１と同じ帯水層に設けられ、揚水井部２によって汲み上げられた地下水と同量の地下水を注水口５１１から帯水層に還元させることができる。
【００３５】
続いて、図２を参照しながら、地中熱利用システム１の揚水井部２側の詳細な構成について説明する。
【００３６】
揚水井部２は、井戸部２１と、井戸部２１の底部付近に配置される水中ポンプ部２２と、水中ポンプ部２２によって取り込まれた地下水を地上に向けて搬送させる揚水管路部２３とによって主に構成される。
【００３７】
井戸部２１は、鋼管などのケーシングによって孔壁が形成されており、ケーシング下部の周面には、メッシュや複数の穴が穿孔された井戸ストレーナ部２１１が形成される。また、井戸部２１の上部開口は、蓋部２４によって塞がれる。
【００３８】
この井戸ストレーナ部２１１は、地盤Ｇの地下水位ＧＷ以下の帯水層に設けられる。井戸ストレーナ部２１１の開口は、周辺地盤の土砂が侵入できない大きさに形成されており、中空の井戸部２１の内部に向けて井戸ストレーナ部２１１を通って地下水が流れ込む。
【００３９】
ここで、井戸部２１の内部には、井戸ストレーナ部２１１の開口より大きな粒径の砕石などをフィルター材として充填しておくことができるが、図示及び詳細な説明については省略する。
【００４０】
水中ポンプ部２２は、井戸部２１の底面より上方の井戸ストレーナ部２１１とほぼ同じ深さ位置に配置される。水中ポンプ部２２は、ポンプ本体２２１と、その下端に設けられる水の取込み口となるストレーナ２２２と、水中ポンプ部２２の駆動源となる水中モータ２２３とによって主に構成される。
【００４１】
ポンプ本体２２１の内部には、上昇水流を生成させるための羽根（図示省略）が設けられており、ストレーナ２２２の下方に配置された水中モータ２２３の回転軸がポンプ本体２２１の羽根の軸に連結されている。
【００４２】
ストレーナ２２２は、メッシュや複数の穴が穿孔された複数の開口を有する構成となっている。井戸ストレーナ部２１１から井戸部２１内に流れ込んだ地下水は、水中ポンプ部２２を稼働させるとストレーナ２２２から内部に取り込まれて、ポンプ本体２２１によって上方に送られる。
【００４３】
そして、水中ポンプ部２２には、窒素ガス供給部４のガス管４２の端部４２１が接続される。窒素ガス供給部４は、地中に埋設される地下貯蔵タンク部４１と、地下貯蔵タンク部４１に窒素ガスを充填させるために地上に設けられる供給口部４３と、地下貯蔵タンク部４１と水中ポンプ部２２との間の経路となるガス管４２とによって主に構成される。
【００４４】
ガス管４２の端部４２１は、例えば水中ポンプ部２２のストレーナ２２２の側面に接続される。要するに、ストレーナ２２２から水中ポンプ部２２に取り込まれる地下水に対して、酸化が起きる前に窒素ガスが供給される構成となっていればよい。
【００４５】
すなわち水中ポンプ部２２によって取り込まれた地下水は、酸素等を含んでいるが、同時に取り込まれた窒素(N2)ガスによって酸素等が追い出され、酸素が窒素ガスによって置換されれば、酸化が起き難い状態になる。
【００４６】
水中ポンプ部２２の上端には、揚水管路部２３の下端２３１が接続される。揚水管路部２３は、水中ポンプ部２２によって取り込まれた地下水を地上に送るための経路となる管材である。
【００４７】
揚水管路部２３の上端２３２は、蓋部２４の中央孔（図示省略）を通って地上に突出され、逆止弁部３１１、仕切弁部３１２及びバルブ３１３などを介して流入経路３１の端部に接続される。
【００４８】
本実施の形態の地中熱利用システム１は、パーソナルコンピュータなどによって構成されるコントロールユニット６を備えている。揚水井部２によって汲み上げられた地下水は、溶存酸素計であるＤＯ計６１，６２によって溶存酸素量が測定される。
【００４９】
本実施の形態では、揚水管路部２３の上端２３２付近と仕切弁部３１２に隣接した流入経路３１の端部とに、ＤＯ計６１，６２がそれぞれ配置される。ＤＯ計６１，６２によって一定の時間間隔で測定された計測値は、コントロールユニット６に送信され、逐次確認できるようになっている。
【００５０】
一般的には、２価鉄イオン（Fe2+）が３価鉄イオン(Fe(OH)3)となるためには、0.14 mg/Lの酸素が必要である。また、マンガンの場合は、0.29 mg/Lの酸素が必要である。このため、窒素ガスを圧入することによって、溶存酵素濃度を0.1 mg/L以下にすれば、酸化を効果的に防ぐことが可能になる。
【００５１】
そこで、溶存酸素濃度が想定した値以下となっているか否かを監視し、溶存酸素濃度が高い場合は、窒素ガスの供給量を増やしたり、仕切弁部３１２やバルブ３１３の開放量を調整したりするなどの制御を行う。
【００５２】
窒素ガスの供給量を調整する圧入レートに関しては、基本的に高くなるほど地下水中の溶存酵素量が早く低下するという指数関数的な減衰が起きる。また、脱酸素化のレートは、気相内（N2）の酸素濃度と直線関係があり、圧入レートが高くなるほど、物質移動速度も速くなる。
【００５３】
これらの制御は、実際に地中熱利用システム１を実施する前に、圧入レート等を利用地点の地盤Ｇや環境に合わせて実験により定めることとする。また、溶存酵素は温度が高くなるほど減少するので、温度が高い方が物質移動速度を高めることができる。要するに、窒素ガスを地下貯蔵タンク部４１に貯蔵することによって、温度をある程度、安定させることができ、脱酸素化が効率的に行われるようになる。
【００５４】
次に、本実施の形態の地中熱利用システムの作用について説明する。
【００５５】
このように構成された本実施の形態の地中熱利用システム１は、下部に地下水の取込み口となるストレーナ２２２を有する揚水井部２に、窒素ガス供給部４が接続される。
【００５６】
そして、窒素ガス供給部４によって窒素(N2)ガスが供給された水が、地熱利用部となる熱交換部３で利用された後に注水井部５によって地中に戻される。本実施の形態の地中熱利用システム１のようにオープンループシステムでは、汲み上げられた地下水は、揚水井部２側又は注水井部５側から侵入した酸素によって酸化するおそれがある。
【００５７】
図３は、一般的なオープンループシステムの地下水の循環時に起きる現象を説明するための模式図である。地中熱を利用するために揚水井から地下水を汲み上げると、地下水中の２価鉄イオン（Fe2+）が酸素と化合し、酸化反応に応じて水酸化鉄(III)(Fe(OH)3)となる。
【００５８】
熱利用する地下水に水酸化鉄(III)が生成されると、水酸化鉄(III)は沈殿物となりやすい状態であるため、注水井から再び帯水層へ注入するときに目詰まりの原因となる。
【００５９】
そして、注水井の周辺地盤で目詰まりが起きると、注水が滞るようになって地下水の循環が円滑に行えなくなり、地中熱利用の効率が大幅に低下することになる。
【００６０】
なお、図３では、酸素(O2)が揚水井側から侵入する模式図にしたが、循環経路は繋がっているため、注水井側から侵入する酸素(O2)によっても酸化反応は起きる。
【００６１】
これに対して本実施の形態の地中熱利用システム１では、水中ポンプ部２２のストレーナ２２２に窒素ガスを供給するガス管４２の端部４２１が接続されており、取り込まれた地下水にはすぐに窒素が注入される。
【００６２】
窒素が注入されると、地下水中の溶存酸素が窒素ガスと置換され、いわゆる脱酸素水となる。ここで、水のなかに溶解できる限界の酸素濃度は、ヘンリーの法則によって定まる。また、フィックの法則によって気液界面の物質移動という物理的なモデルは説明できる。
【００６３】
そして、脱酸素水となれば、地下水に含まれている鉄イオンが水酸化鉄（III）にならないため、析出や沈殿物が生じない。このため、鉄分やマンガン分を除去するためのフィルターを設ける必要がない。
【００６４】
このように揚水井部２に窒素ガス供給部４を接続するという簡単な構成で、維持管理が容易な地中熱利用システム１を構築することができる。他方、フィルターが必要なシステムは、フィルター交換というメンテナンスが必要になるだけでなく、フィルターが徐々に目詰まりして交換までの間に能力が徐々に低下するという問題も抱えている。
【００６５】
本実施の形態の地中熱利用システム１は、水中ポンプ部２２に窒素ガス供給部４のガス管４２の端部４２１を接続する構成であるため、揚水開始前に地下水が窒素ガスで飽和されて溶存酸素が窒素ガスと置換された状態にできる。
【００６６】
そして、井戸部２１や揚水管路部２３内の地下水は溶存酸素がない状態となるため、地下水中の溶解性鉄が酸化することがなく、目詰まりの原因となる沈殿物が発生しない。すなわち、取り込まれた地下水に直ちに窒素ガスが注入されることになって、酸化の発生を極力、抑えることができる。
【００６７】
また、地盤Ｇに還元する地下水を脱酸素水とすることで、化学的な地盤Ｇの目詰まりだけではなく、フミン質（フミン鉄）などの酸素との化合による生物的な目詰まり対策としても有効になる。
【００６８】
さらに、窒素ガスは、無味・無臭の不活性ガスであり、水中への溶解性も低いため、熱交換部３を劣化させるなど負荷を与えることもない。
【００６９】
また、窒素ガス供給部４が地中に埋設された地下貯蔵タンク部４１を有する構成であれば、地震時の安全性が高いうえに、温度変化が少なく、安定した温度の窒素ガスを供給することができる。
【００７０】
さらに、揚水井部２と熱交換部３との間に逆止弁部３１１を設け、その逆止弁部３１１の上流側となる揚水管路部２３の上端２３２付近と下流側となる流入経路３１の両方にＤＯ計６１，６２をそれぞれ配置することで、酸化が発生しにくい状態になっていることを適宜、確認することができる。
【００７１】
以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。
【００７２】
例えば、前記実施の形態では、住宅３０の空調に熱交換部３を利用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ヒートポンプ式給湯機の効率を上げるためなどにも地熱利用部を使用することができる。
【００７３】
また、前記実施の形態では、揚水井部２の水中ポンプ部２２に直接、窒素ガス供給部４のガス管４２の端部４２１を接続する構成について説明したが、これに限定されるものではなく、井戸ストレーナ部２１１と水中ポンプ部２２のストレーナ２２２との間にガス管４２の端部４２１を配置することもできる。また、水中ポンプ部２２の直上の揚水管路部２３の下端２３１周辺にガス管４２の端部４２１を接続することもできる。
【符号の説明】
【００７４】
１              地中熱利用システム
２              揚水井部
２１            井戸部
２２            水中ポンプ部
２２２          ストレーナ（取込み口）
２３            揚水管路部
３              熱交換部（熱利用部）
３１１          逆止弁部
４              窒素ガス供給部
４１            地下貯蔵タンク部
４２            ガス管
４２１          端部
５              注水井部
６１，６２      ＤＯ計（溶存酸素計）
【図１】
2017219205.tif 000003
【図２】
2017219205.tif 000004
【図３】
2017219205.tif 000005