JP2005049016A - Geothermal heat pump system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、地中内に配設した採熱管によって取り出した熱エネルギーを冷暖房、融雪、給湯、床暖房等に利用する地熱利用ヒートポンプシステムに関する。 The present invention relates to a geothermal heat pump system that uses thermal energy extracted by a heat collecting pipe disposed in the ground for cooling and heating, snow melting, hot water supply, floor heating, and the like.
近年、自然エネルギーの利用、C02の排出量の抑制、環境保全、省エネルギー等の利点から、地中熱を利用した冷暖房システム、融雪システム、給湯システム、床暖房システムなどが盛んに設置されている。 Recently, use of natural energy, the inhibition of C0 2 emissions, environmental protection, the advantage of energy saving such as air conditioning and heating system using ground heat, snow melting system, hot water supply systems, such as floor heating systems has been actively installed .
この地中熱を利用したシステムは、地中部分、例えば10〜100mの熱エネルギー(約15〜18℃)を熱交換器により抽出して様々な用途に活用するものである。前記地中熱を利用した冷暖房システムとしては、例えば下記特許文献1に記載されるものがある。同冷暖房システムは、穿設した井戸の坑井内に挿入された循環パイプと、この循環パイプ内を循環する不凍液等の媒体と、媒体循環ポンプと、坑井内の熱対流層に設けられた坑井内熱交換器と、室内機と、循環パイプを循環する媒体と熱交換媒体間で熱交換を行う室外熱交換器とで構成される第1ヒートポンプと、室外熱交換器と媒体が循環する他の循環パイプと、媒体を圧縮する圧縮機と、圧縮媒体を減圧する膨張装置と、室内機と室内熱交換器と、送風装置とで構成される第2ヒートポンプとから構成され、前記熱対流層により坑井内熱交換器は高効率のエネルギーを得て、前記第1、第2ヒートポンプで熱交換し、室内熱交換器で冷暖房を行うものである。また、地中熱交換器としては、下記特許文献2に示されるように、土中深層部に垂直に埋設される採熱管の他、例えば下記特許文献3に示されるように、架橋ポリエチレン、ポリブデン等からなるチューブを使用するとともに、架橋ポリエチレン、ポリブデン等の樹脂やステンレススチール、チタン等の金属からなるヘッドカバーを使用した樹脂製多管式熱交換器も提案されている。
The system using the underground heat extracts a portion of the ground, for example, 10 to 100 m of thermal energy (about 15 to 18 ° C.) by a heat exchanger and uses it for various applications. As an air-conditioning system using the underground heat, for example, there is one described in
さらに地熱を回収する方法としては、地中に埋設した熱交換器の他に、下記特許文献4に示されるように、井戸を2本掘り、一方を揚水井戸とし、他方を還水井戸とし、前記揚水井戸から汲み上げた井水をヒートポンプの採熱源として利用した後、これを還水井戸に返送するものもある。
しかしながら、特許文献1〜4等に示されるように、ヒートポンプの熱源として地熱を利用する場合には、地盤を縦方向に穿孔(井戸堀)して地中に熱交換器を設置することになるが、この場合には前記井戸堀に多大な工事費用を要するため、多額な初期投資が必要となり、地熱を利用する省エネルギー設備の経済性を悪化させているとともに、採熱時間が短く、熱の移動に時間がかかるため、熱交換率が悪いという欠点があった。また、大規模な施設への適用の場合には、井戸を多数穿設しなければならず、この工事費用が膨大となっていた。
However, as shown in
また、2本の井戸を掘り、一方を揚水井戸とし、他方を還水井戸とする特許文献4に係る方法の場合には、自治体の条例により地下水の汲み上げが規制される場合があるため採用が制限されることがあるとともに、還水を還水井戸に返送するためにポンプ動力を必要とするなどの問題がある。
In the case of the method according to
さらに、上記特許文献2等に示されるように、土中深層部に垂直に埋設される採熱管の場合は、土圧に耐える強度を有する必要があるとともに、往水路と復水路を同一管路内に形成するために、二重管構造等の特注構造の管材を使用しなければならず、製作コストも嵩んでいた。
Furthermore, as shown in the above-mentioned
そこで本発明の主たる課題は、採熱管として樹脂管等の汎用品を使用でき、かつ設置手間及び費用が廉価で済むようになり、もって設備投資を最小限に抑えることのできる地熱利用ヒートポンプシステムを提供することにある。 Therefore, the main problem of the present invention is to provide a geothermal heat pump system that can use a general-purpose product such as a resin tube as a heat collection tube, can be installed at low cost, and can minimize capital investment. It is to provide.
前記課題を解決するために請求項1に係る本発明として、採熱管を地中浅層部に略水平面に沿って埋設し、前記地中浅層部に存在する地下水または伏流水から地熱を採取することを特徴とする地熱利用ヒートポンプシステムが提供される。
In order to solve the above-mentioned problem, as the present invention according to
上記請求項1記載の発明においては、採熱管を地中浅層部に略水平面に沿って埋設するようにする。例えば、建物の基礎工事(根切り工事)時に、開削された底盤面に水平面に沿って採熱管を敷設するようにする。従って、建築物の施工に必要な根切り工事の範囲内で或いは多少の追加掘削工事を要する範囲内で納めることができるとともに、採熱管の設置領域も縮小化できるようになるため、採熱管の設置に必要な土木工事費を最小限に抑えることが可能となる。 In the first aspect of the present invention, the heat collecting tube is embedded in the underground shallow layer portion along a substantially horizontal plane. For example, at the time of foundation construction (root cutting work) of a building, a heat collecting pipe is laid along the horizontal plane on the bottom surface of the cut. Therefore, it can be accommodated within the range of the root cutting work required for the construction of the building or within the range that requires some additional excavation work, and the installation area of the heat collection pipe can be reduced. It is possible to minimize civil engineering costs required for installation.
また、配管用管材としては、架橋ポリエチレン管などの汎用品を利用することが可能となり、設置手間および費用が廉価で済むようになる。また、地盤掘削した底盤面に敷設するため、距離の長い採熱管を簡単に敷設できるようになるため、採熱時間を長く確保できるようになり、熱交換率も良好となる。なお、具体的な採熱管の埋設深さは基礎の掘削深さによるが、数m〜十数m程度とされる。 In addition, a general-purpose product such as a cross-linked polyethylene pipe can be used as the pipe material for piping, and installation labor and cost can be reduced. In addition, since it is laid on the bottom surface of the ground excavated, it becomes possible to easily lay a long-distance heat collection tube, so that a long heat collection time can be secured and the heat exchange rate is also good. In addition, although the concrete embedding depth of the heat collection pipe depends on the excavation depth of the foundation, it is set to about several m to several tens of m.
本発明において地熱は、地中浅層部に存在する地下水または伏流水から採熱するようにしている。地中浅層部に存在する地下水または伏流水は、恒温水というわけにはいかず、所定範囲内での温度変化を有するが、夏季における熱媒の冷却、冬季における熱媒の昇温によって冷暖房、給湯に適する冷却・加熱源を得ることが可能である。また、熱交換率については、長距離の採熱管を敷設することによりカバーすることが可能である。この場合、特に伏流水を利用する場合には、地下水温度にタイムラグ(時期遅れ)が生じて、一季節前の温度の低い水/高い水を利用できる場合には大きなメリットが生じる。 In the present invention, geothermal heat is collected from groundwater or underground water existing in the underground shallow layer. Groundwater or underground water existing in the shallow underground layer is not constant temperature water and has a temperature change within a predetermined range, but cooling and heating by cooling of the heat medium in summer, heating of the heat medium in winter, It is possible to obtain a cooling / heating source suitable for hot water supply. The heat exchange rate can be covered by laying a long-distance heat collection tube. In this case, in particular, when underground water is used, a time lag (time delay) occurs in the groundwater temperature, and a large merit is obtained when water having a low temperature / high water one season before can be used.
請求項2に係る本発明として、前記採熱管は雨水を熱媒として使用し、地中熱利用のための熱源水槽と、雨水を原水とする雑用水槽とを兼用している請求項1記載の地熱利用ヒートポンプシステムが提供される。 According to a second aspect of the present invention, the heat collecting pipe uses rainwater as a heat medium, and serves both as a heat source water tank for use of underground heat and a miscellaneous water tank using rainwater as raw water. A geothermal heat pump system is provided.
上記請求項2記載の本発明では、採熱管は雨水を熱媒として使用することにより特に不凍液等の熱媒が不要になることはもちろんであるが、地中熱利用のための熱源水槽と、雨水を原水とする雑用水槽とを兼用できるようになり、水槽の工事費をおよそ半減することができる。
In the present invention described in
請求項3に係る本発明として、前記地中熱利用のための熱源水槽の熱媒を直接または間接熱交換により、外気調和機の予熱及び予冷の熱源として用いる請求項2記載の地熱利用ヒートポンプシステムが提供される。
The geothermal heat pump system according to
上記請求項3記載の本発明では、前記熱源水槽の水(雨水)を外気調和機の予熱及び予冷の熱源としても用いることにより、設備の省力化、簡略化、低コスト化が図れるようになる。 In the present invention according to the third aspect, the water (rain water) in the heat source water tank is also used as a heat source for preheating and precooling of the outdoor air conditioner, so that labor saving, simplification, and cost reduction of the equipment can be achieved. .
以上詳説のとおり本発明によれば、採熱管を地中浅層部に略水平面に沿って埋設し、前記地中浅層部に存在する地下水または伏流水から地熱を採取するようにしたため、採熱管として汎用品を使用できるようになるとともに、設置手間及び費用が廉価で済むようになり、もって地熱利用ヒートポンプシステムの導入に掛かる設備投資を最小限に抑えることができるようになる。 As described above in detail, according to the present invention, the heat collection pipe is embedded in the shallow underground layer along a substantially horizontal plane, and the ground heat is collected from the groundwater or underground water existing in the shallow underground layer. A general-purpose product can be used as the heat pipe, and the labor and cost of installation can be reduced, so that the capital investment required for the introduction of the heat pump system using geothermal heat can be minimized.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
図1は本発明に係る地熱利用ヒートポンプシステムの構成ブロック図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration block diagram of a geothermal heat pump system according to the present invention.
本発明に係る地熱利用ヒートポンプシステムでは、図1に示されるように、熱源水槽1が設置され、この熱源水槽1内に貯水されている雨水が熱媒として使用されるようになっている。
In the geothermal heat pump system according to the present invention, as shown in FIG. 1, a heat
すなわち、前記熱源水槽1は、内部が隔壁によって水槽1A〜1Cの3つに画成され、水槽1Aから水槽1Cに至る多数本の採熱管2,2…が地中浅層部、例えば数m〜十数mの地盤深さ位置に略水平面に沿って敷設され、前記水槽1A内に貯留された水がポンプ2aにより水槽1Cに輸送される過程で、地盤浅層部に存在する地下水または伏流水と熱交換が行われ、水槽1C内に低温化または高温化された水が貯水されるようになっている。なお、前記水槽1Cに加水されると、溢れた水が水槽1Bに溢流し、さらに水槽1Bから溢れた水が水槽1Aに溢流するようになっており、水槽1内の各水槽1Aから1Cの水位は常時一定に保たれるようになっている。
That is, the heat
前記採熱管2としては、例えばφ10〜20mm程度の架橋ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブデン等の樹脂管が好適に用いられる。また、1本当たりの敷設長は建物規模(空調規模)等によって大きく異なるが50m〜数百mとするのがよい。
As the
前記水槽1Cに貯水された熱媒(水)は、熱媒送水管3により熱交換器4,4…に送られ、ここで他との熱交換により熱源が利用され、熱媒が熱媒還水管5により水槽1Aに戻されるようになっている。
The heat medium (water) stored in the water tank 1C is sent to the
なお、図示の例では前記熱媒送水管3から冷却塔7を循環して熱媒送水管3に戻る分岐送給路8が形成されているとともに、熱媒送水管3の途中に熱交換器6が設けられ、他の温熱源と熱交換が行われるようになっている、これらは補助熱源として利用されるものである。
In the illustrated example, a
ところで、本地熱利用ヒートポンプシステムにおいて前記熱源水槽1は、雨水を原水とする雑用水槽を兼用するものである。雨水が沈砂水槽10に導入され、ここで固形物が沈殿除去された後、さらに微小な固形物が濾過機11で除去され、熱源水槽1に導入される。そして、水槽1A内の水が、トイレ洗浄水、植裁への散水、災害時の緊急飲料(浄水器別途必要)、近隣火災時の防火水などの中水として使用されるようになっている。
By the way, in the heat pump system using geothermal heat, the heat
一方で、前記熱源水槽1の内の中間水槽1Bには、架橋ポリエチレン等からなる多管式熱交換器12が配設され、この多管式熱交換器12を巡る循環路が外気取入れ用空調機13に導かれ、外気調和機13内の熱交換器(コイル)14により外気の予熱及び予冷の熱源として使用されるようになっている。
On the other hand, in the
想定した建物において、従来の都市ガス方式による冷房運転及び暖房運転を採用した場合と、本発明に係る地熱利用ヒートポンプシステムを用いた空調システムを採用した場合とで、冷温熱100kWを得るのに必要なランニングコストを試算した。なお、採熱管を敷設条件は、架橋ポリエチレンパイプ(φ13mm):120m×44本とした。 Necessary for obtaining 100 kW of cold and hot energy in the assumed building when adopting conventional city gas cooling and heating operations and adopting an air conditioning system using the geothermal heat pump system according to the present invention. Estimated the running cost. In addition, the conditions for laying the heat collection tube were a crosslinked polyethylene pipe (φ13 mm): 120 m × 44.
その結果を下表1に示す。
1…熱源水槽、2…採熱管、3…熱媒送水管、4…熱交換器、5…熱媒還水管、6…熱交換器、7…冷却塔、8…分岐送給路、10…沈砂水槽、11…濾過機、12…多管式熱交換器、13…外気取入れ用空調機、14…熱交換器
DESCRIPTION OF
Claims (3)
3. The geothermal heat pump system according to claim 2, wherein the heat medium in the heat source water tank for use of the underground heat is used as a heat source for preheating and precooling of the outdoor air conditioner by direct or indirect heat exchange.
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