第 25 回 国土技術開発賞 優秀賞受賞

既製杭を用いた地中熱利用技術
地熱トルネード工法〔受賞者〕 ジャパンパイル株式会社／新日本空調株式会社〔本稿執筆者〕 ジャパンパイル株式会社

以下に，第 25 回 国土技術開発賞で優秀賞を受賞した「既製杭を用いた地中熱利用技術」
を紹介します。

1.

こん

今ひろひと

こ うめしんぺい

広人，小梅 慎平

ことも大きい。こうしたこれまでの工事課題を解決すべく，当社では既製杭と採熱チューブとを一体で施工する画期的な工法「地熱トルネード工法」を開発した 1），2）。

はじめに

2.

従来技術の課題「地中熱利用技術」とは，地上の気温の影響を建築分野における CO2 削減，省エネ化の施策

受けないおおむね GL-10 m 以深で年間を通じての一つとして，再生可能エネルギーである地中熱一定に保たれている地中の温度（15℃程度）を熱の有効利用が挙げられる。地中熱利用技術は従来エネルギーとして利用するものである。積雪地域から存在し，「ボアホール方式」と呼ばれる方法

では道路などでの融雪利用，ヒートポンプと呼ばが主流である。ボアホール方式とは，熱交換を行れる設備の熱源として利用することで，空調の冷う採熱チューブを設置するためだけの専用孔を掘暖房運転に伴う電力負荷の低減，省エネ化に用い削し，地上から採熱チューブを挿入するという方られる。そのため，本技術は ZEB（ネット・ゼロ・法である。

エネルギー・ビル）化の要素技術として注目されボアホール方式で必要な採熱量を確保するためている。例えばエアコンの室外機の役割を地中がには，100 m ほど地盤を掘削する場合もあり，そ担う場合，室外機の代わりに地中熱交換器を設れに時間を要し，費用が高額になるだけではなけ，地中に十数〜 100 m 前後の孔を掘り，熱搬

く，掘削が困難な岩盤に遭遇することもある。ま送する水が循環できるポリエチレン樹脂製チュー

た，掘削作業と採熱チューブの挿入作業を行う専ブを設置すると，機能させることができる。

任の作業員がチューブに錘を付けて人力で地上か

この地中熱利用が欧米諸国や中国に比べて日本ら挿入するため，所定の深度や位置に設置しにくで普及が遅れている要因としては，日本の地盤はいといった問題もある（図− 1 ⑴⑵）。採熱量の崩れやすい硬軟複層で形成され，掘削工事の費用観点からは，ボアホール方式では掘削孔が小さが高額であることによる。2010 年にエネルギーく，採熱チューブ同士が近接するため，熱干渉が基本計画に書き込まれるまでは，エネルギー政策起こりやすく採熱効率が悪くなるという面がある。

として認知されておらず，補助金制度がなかった

ボアホール方式だけではなく，杭工事の現場で102 建設マネジメント技術

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ボアホール型

ダブル U チューブ型（既製杭利用）

土壌の掘削

⑴

採熱チューブを設置

専用孔の掘削作業⑵

採熱チューブの挿入作業

図− 1⑶

根切り作業

従来工法の課題

杭を利用した地中熱利用技術も存在する。場所打ち杭では鉄筋かごに採熱チューブを取り付けるといった方法や，既製杭では杭外周部に採熱チューブを取り付ける工法も存在する。しかし，前者は杭体に断面欠損が生じるため，杭としての支持力⑴性能が低下するリスクがあり，後者は杭の周面摩伸長前擦力の低下や杭埋設時の採熱チューブの損傷が懸念される。採熱チューブを無事に設置できた後にも損傷のリスクはあり，図− 1 ⑶に示すように余長分の採熱チューブが杭頭部から飛び出しているため，根切り作業時に損傷させてしまうというケースもある。

⑵

杭中空部の配置状況

写真− 1

⑶

伸長後二重らせん状の採熱チューブ

以上のように，地中熱は再生可能エネルギーとして有効ではあるが，地中熱利用技術は多くの問らに採熱チューブを設置する専任の作業員も不要題点を抱えている。となる。前述したように，採熱チューブは従来の人力での設置ではなく，クレーンを用いるため，3.

開発技術の概要

安全に省力化，省人化が可能となっている（図− 2）。
従来の技術では，現場で採熱チューブを杭に設

地熱トルネード工法は，建物の基礎杭を利用す置したり，その一時保管場所や挿入作業を行うたることで従来技術の課題であった地中熱利用のためのスペースを要していたが，本技術ではこれらめの掘削費用をゼロとし，杭工事と同時に二重らは全て不要なため，現場の省スペース化が図れせん状の「採熱チューブ」を地中に設置できる工る。さらに，杭施工完了時には採熱チューブは全法である。特長は，採熱チューブを二重らせん状て杭の中空部に収まっているため，根切り作業時にしたことにある（写真− 1）。これによって採にも杭から飛び出した採熱チューブを傷めるとい熱チューブの伸縮が可能となり，あらかじめ採熱う心配はない。

チューブを縮めた状態で杭の中空部に設置し，杭既製杭の地中熱利用技術で懸念される杭体性能の施工時にはバネのように伸長させて，所定の深の低下について，本技術は既製杭の中空部に採熱度や位置に精度よく設置することが可能となっチューブを設置するため，杭周囲の周面摩擦力のた。それに伴い，現場での採熱チューブ同士の継低下もなく，支持力に影響する杭体の断面欠損も手作業も不要となった。

ない。実際に採熱チューブを有した杭の載荷試験

また，杭孔を利用するため，ボアホール方式のを実施し，支持力の検証を行い，杭の支持力性能ように採熱チューブの設置孔を掘削する工事，さに影響のないこと，および極限荷重が作用しても建設マネジメント技術

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①事前に杭中空部にスパイラルチューブを設置②チューブの伸長で配置作業③杭頭部でスパイラルチューブを固定，配置完了。

スパイラルチューブ
下端固定治具④杭の回転埋設による従来施工⑤杭とスパイラルチューブを同時に設置完了

掘削孔（ソイルセメント）※「スパイラルチューブ」とは，本工法独自の二重らせん状の採熱チューブの名称を指す。

図− 2

施工手順

採熱チューブの健全性（破損や漏水の有無）に問るプレボーリング杭工法が主な適用工法となる。

題がないことを確認した 3）。

また，伸長時の採熱チューブの設置深さは最大で採熱性能についても採熱チューブを二重らせん30 m（配管長は約 200 m）となる。

状にすることによってチューブ同士の間隔が均等に保たれることや，採熱チューブが杭内壁付近に4.

開発技術の効果配置されることによって，チューブ同士の熱干渉が少なくなるため，従来の技術よりも採熱効率が本技術は，現場での採熱チューブの加工やチューブ同士の継手作業を必要としないため，通常の向上している（写真− 2）。
本技術は，杭の外径が 600 mm 以上の既製コン杭工事の施工時間に加えて杭の継手 1 カ所当たりクリート杭や鋼管杭といった既製杭で適用可能で数分程度増加するだけで，本来の杭施工の歩掛，あり，杭工法としては既製杭で広く使用されてい施工能率には影響しない。よって，地中熱利用技術を取り入れても，採熱チューブの設置に伴う費ソイルセメント用（掘削費，設置費）を抑えることができるとともに，工期短縮も期待される（図− 3）。
従来のボアホール方式で使用されているダブルU チューブに比べて，本技術は採熱チューブ同士の間隔が均等に保たれることと，採熱チューブが杭内壁付近に配置されることによって，採熱量が最大で 2 倍アップする（図− 4）。

既製コンクリート杭

写真− 2

採熱チューブ施工後の杭を掘り起こし，縦半分に切断して開いた断面状況

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図− 5 に示す導入事例では，杭 26 本中 9 本に本技術を導入した（既製杭の杭長 13 ｍ，ダブルスパイラルチューブ製品長 10 m × 3 本× 3 系統）。

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※「ダブル U チューブ」とは，従来工法で用いられる U の字型の採熱チューブの名称を指し，「ダブルスパイラルチューブ」とは，本工法独自の二重らせん状の採熱チューブの商品名を指す。

図− 3

施工コスト比較例

ダブルスパイラルチューブ

図− 4

採熱効率の比較

その結果，空調面積 162 m² のスペースにおいて，使用する電力の 27.5％を削減することができた。

図− 5導入事例

また，杭 26 本中 24 本（既製杭の杭長 19 ｍ，ダブルスパイラルチューブ製品長 17 ｍ）に本技

本技術は，名古屋市内（オフィスビル），東京術を導入した事例においては，従来のボアホール都内（公共施設），札幌市内（オフィス社屋）で方式（100 m × 8 本）と比べて 60％程度の採熱の施工実績があり，多くの問い合わせをいただいチューブ設置費用の削減効果となった。ている。今後は ZEB 化の推進ならびに省エネによる CO2 排出量の削減の一助となるように，本5.

おわりに多くの建物は杭基礎で支えられており，既製杭を用いた地中熱利用技術が従来よりもリスクを減らし，低価格で施工可能となれば，気象条件等に技術の普及に努めていく所存である。
【参考文献】1）‌ 永坂茂之ら : 新工法を用いた既製杭型地中熱利用 第1 報 工法開発および採放熱実験，空気調和・衛生工学会 平成 27 年度大会学術講演論文集，pp.65-68，2015

左右されない地中熱利用の普及につながると考え2）‌ 永坂茂之ら : 新工法を用いた既製杭型地中熱利用られる。ひいては建物の ZEB 化の一翼を担い，第 2 報 採放熱能力に関する実験と解析，空気調和・さらには脱炭素化社会の実現に貢献できるのではないだろうか。海外でも杭基礎は多く採用されており，本技術はシンプルな施工方法で採熱チューブを設置できることから，国際的にも広く展開で衛生工学会 平成 28 年度大会学術講演論文集，pp.133136，20163）‌ 小梅慎平ら：地中熱利用における杭中空部に採熱チューブを設置した杭の押込み試験，GeoKanto2021，構造 6-3，2021きる可能性があると考えている。
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