JP2006220402A - 地中熱システムに用いる採熱管埋設方法及びこの埋設方法を用いた地中熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】 住宅密集地や狭小地でも低コストで施工でき、かつ効率的な熱交換を行える地中熱システムに用いる採熱管の埋設方法を提供する。
【解決手段】 熱交換機５と接続され、この熱交換機５で熱交換された冷却媒体を地中６へ搬送して熱交換する地中熱システムに用いる採熱管７の埋設方法において、採熱管７をループ状に巻いて垂直に埋設可能な穴２０を土地に掘削し、この掘削した穴２０に、採熱管７のループ部分７Ｃを水平方向にずらし、かつループ部分７Ｃが垂直状態となるように保持して埋設する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地中熱システムに用いる採熱管の埋設方法に関する。

地中に掘削した熱交換井あるいは埋設した鋼管杭の中に採熱管を導入し、導入した採熱管に熱交換機を接続し、熱交換機で熱交換された冷却媒体を地中に搬送して吸熱または採熱する地中熱システムが種々提案されている。このような地中熱システムにおいては、採熱管を導入する熱交換井の掘削や鋼管杭の埋設に費用を要してしまうので、システムが高価になってしまう。そこで、地中に穴を掘削し、掘削した穴の内部に採熱管をループ状に巻いて水平に埋設する方法が提案されている。

しかしながら、採熱管を水平ループ状に埋設する方法においては、穴を掘削するに際し、水平方向への空間が必要であり、住宅密集地や狭小地においては穴を掘削するのが困難であり、施工することができなかった。採熱管を潰すことなくループを形成するためには、採熱管の材質によってループ径が必然的に定まってしまう。また、採熱管による熱交換効率を高めるためには、同心円状に埋設するよりも、ループを水平方向にずらして埋設する方が地中内に接する表面積が大きく稼げるので好ましい。このため、掘削する穴の水平方向への面積は、少なくともループ径を許容する幅とループをずらしたときの採熱管長を許容する長さが必要となる。採熱管から地中への放熱、あるいは採熱管による吸熱を効率よく行うとともに、採熱管の保護を図るためには、地表面からある程度の深度に採熱管を埋設し、埋設した採熱管の上部に、ある程度の土砂を積層する必要があり、自ずと掘削する量が多くなる。このため、掘り起こした土砂（発生土）の置き場も必然的に広さを要するとともに、その処理にも費用がかかりコストアップとなってしまう。
本発明は、住宅密集地や狭小地でも低コストで埋設施工でき、かつ効率的な熱交換を行える地中熱システムに用いる採熱管の埋設方法及びこの方法を用いた地中熱システムを提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、熱交換機と接続され、この熱交換機で熱交換された冷却媒体を地中へ搬送して熱交換する地中熱システムに用いる採熱管の埋設方法において、採熱管をループ状に巻いて垂直に埋設可能な穴を前記地中に掘削し、この掘削した穴に、採熱管のループ部分を水平方向にずらし、かつ当該ループ部分が垂直状態となるように採熱管を埋設することを特徴としている。
本発明にかかる地中熱システムは、上記埋設方法で埋設された採熱管を有することを特徴としている。

本発明によれば、採熱管をループ状に巻いて垂直に埋設可能な穴を地中に設け、この掘削した穴に、採熱管のループ部分を水平方向にずらし、かつループ部分が垂直状態となるように採熱管を埋設するので、掘削する穴の幅が、ループをずらして埋設した採熱管の厚さ方向の幅で済むので、水平方向への空間が少ない住宅密集地や狭小地においても採熱管を埋設する穴が掘削可能となり、採熱管の埋設施工が行える。また、掘り起こした土砂（発生土）の置き場も狭く、かつその処理量の少なくなり、よりコスト低減を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。図１において、符号１は地中熱システムを示す。この地中熱システム１は、室内２に設置される空調機器３、ヒートポンプ４、ヒートポンプ４の水冷式の熱交換機５と接続され、この熱交換機５で熱交換された冷却媒体としての冷却水を地中６へ搬送して熱交換する採熱管７を備えている。

ヒートポンプ４は、水冷式の熱交換機５と空冷式の熱交換機８とを備えている。ヒートポンプ４には、空調機器３と接続されて熱交換媒体の循環経路を構成する媒体流路９が接続されている。この媒体流路９を循環する熱交換媒体としては、ＣＦＣ系、ＨＣＦＣ系、のＨＦＣ系等の周知の科学冷媒、あるいは冷水や温水等が挙げられる。ヒートポンプ４は、その運転状況に応じて図示しない電磁バルブを切換えることで、水冷式の熱交換機５と空冷式の熱交換機８とに熱交換媒体を選択的に案内して水冷と空冷により熱交換する。本形態では冷却水として不凍液を用いている。本形態では、ヒートポンプ４として水冷式の熱交換機５と空冷式の熱交換機８を備えたハイブリッド方式のものを例示したが、水冷式の熱交換機５のみを備えた周知の水冷式ヒートポンプであってもよい。

採熱管７上には、冷却水を採熱管７で循環させる循環ポンプ１０と、採熱管７内を流れる冷却水の流量を測定する流量計１１と、採熱管７内を流れる冷却水の流量を調整する流量調整弁１２と、冷却水の温度変化による増減を許容する膨張タンク１３とを備えている。採熱管７の一端７ａは水冷式の熱交換機５を介して循環ポンプ１０の吸入側に接続され、他端７ｂは膨張タンク１３、流量調整弁１２、流量計１１を介して循環ポンプ１０の吐出側に接続されている。図１において、符号７０は水冷式の熱交換機５で熱交換された冷却水を地中６内に入れる流路を示し、符７１は地中６内で熱交換された冷却水を水冷式の熱交換機５へ戻す流路を示す。本形態において、採熱管７と循環ポンプ１０を含む流路系は密閉回路として構成したが、開放回路としてもよい。

地中熱システム１では、空調機器３の電源が投入されると、最初、循環ポンプ１０が駆動されて、水冷式の熱交換機５を用いた熱交換が行われる。そして所定の条件となると、図示しない電磁バルブにより回路が切換えられ、空冷式の熱交換機８へと熱交換媒体が導入され、空冷により熱交換媒体が熱交換される。電磁バルブによる回路切換は、空冷式の熱交換機８に熱交換媒体を導入し、所定の条件となると水冷式の熱交換機５に導入するように切換えてもよい。

採熱管７はポリエチレン、架橋ポリエチレン等の樹脂製であり、地上において直径１メートル程度のループ状に巻かれ、そのループ状を水平方向にずらされている。ループ部分７Ｃは、図示しない拘束部材によって水平方向へのずれた状態が保持されている。

地中熱システム１を導入する敷地内の土地には、ループ部分７Ｃをずらした状態で保持された採熱管７を垂直に埋設可能な穴２０が掘削されている。この穴２０には、採熱管７のループ部分７Ｃが垂直状態となるように埋設されている。埋設されたループ部分７Ｃの周囲には、ループ部分７Ｃの熱交換効率を高めるために、穴２０の底部２０ａからループ部分７Ｃが埋まるまでの高さＨ１を有する、砂等を埋めて第１の層３１を形成している。第１の層３１の上部には、砂等を埋めて第２の高さＨ２を有する第２の層３２、第２の層３２から地表面までは掘削した際に発生した発生土を埋め戻すことで形成される高さＨ３を有する第３の層３３が積層されている。穴２０の全長Ｌは、ループ部分７Ｃ全体が収納できる長さとされている。穴２０の全幅Ｗは、図２に示すように、ループ部分７Ｃが厚さＷ１をよりも幾分幅広く形成されている。

このような構成の地中熱システム１において、室内機器３の電源が投入されると、室内機器３が作動するとともに循環ポンプ１０が作動する。室内機器３が作動すると、熱交換媒体が媒体流路９を介して水冷式の熱交換機器５との間で循環され、冷房または暖房が行われる。循環ポンプ１０が作動すると、冷却水が採熱管７内を移動して水冷式の熱交換機器５へと案内される。そして、水冷式の熱交換機器５で熱交換媒体との間で熱交換が行われる。熱交換された冷却水は、地中６内に埋設されたループ部分７Ｃに案内され、地中内で吸熱または放熱されて熱交換され、水冷式の熱交換機器５に戻される。地中熱システム１が所定の条件となると、図示しない電磁バルブが作動して水冷式の熱交換機器５へ導入されていた熱交換媒体が、空冷式の熱交換機８へと導入され、空冷によって熱交換される。

地下６に掘削した穴２０が、ループ状に巻かれた採熱管７のループ部分７Ｃが垂直に埋設可能に掘削された穴としたので、掘削する穴２０の幅Ｗが採熱管７の厚さ方向の幅Ｗ１＋αで済み、掘削面積や掘り起こす土砂の量が少なくなる。このため、水平方向への空間が少ない住宅密集地や狭小地においても採熱管７を埋設する施工を行えるので、低コストな地中熱システム１を提供することができる。また、掘り起こす土砂の量が少なくなることで、掘り起こした土砂（発生土）の置き場も狭くてよく、よりコスト低減を図ることができる。

次の条件で採熱管のループ部分を水平に埋設する場合と、垂直に埋設する場合の埋め戻し土（発生土）の量について説明する。図３（ａ）は採熱管のループ部分を水平に埋設する穴３０を示し、図３（ｂ）は採熱管のループ部分を垂直に埋設する穴２０をそれぞれ示す。
採熱管の直径 ２５ｍｍ
ループ直径 １０００ｍｍ
ループのピッチ ２００ｍｍ
ループ数 ２６巻き
ループ部分の全長 ６０５０ｍｍ
穴の全長 ６１００ｍｍ
厚方向の幅Ｗ１ ２５０ｍｍ
第２の層の高さ ５００ｍｍ
第３の層の高さ ５００ｍｍ

（水平埋設の場合）
図３（ａ）に示すように、穴３０の底部３０ａからループ部分が埋まるまでの第１の層の高さＨ１を３００ｍｍとすると、穴３０の深さ３０Ｈは第１の層から第３の層の合計である１３００ｍｍとなり、発生土量Ｔ１は式１で求められる。
Ｔ１＝全長６１００ｍｍ×幅１０００ｍｍ×深さ１３００ｍｍ・・・式１
よって、Ｔ１＝７．９３ｍ^３

（垂直埋設の場合）
図３（ｂ）に示すように、穴２０の底部２０ａからのループ部分が埋まるまでの第１の層の高さＨ１を１０００ｍｍとすると、穴の深さ２０Ｈは第１の層から第３の層の合計である２０００ｍｍとなり、発生土量Ｔ２は式２で求められる。
Ｔ２＝全長６１００ｍｍ×幅３００ｍｍ×深さ２０００ｍｍ・・・式２
よって、Ｔ２＝３．６６ｍ^３

すなわち、採熱管７を埋設するに際し、ループ部分７Ｃを水平に埋設するか垂直に埋設するかで、掘り起こす土砂（発生土）の量に７．９３ｍ^３−３．６６ｍ^３＝４．２７ｍ^３の差があり、凡そ２．２倍の差が発生する。この差が、そのまま掘り起こした土砂の置き場の大きさの差となる。

次に、第１の層３１、第２の層３２に用いられる砂の量について説明する。砂の量は第１の層３２におけるループ部分７Ｃの容積は考慮しないで算出する。
（水平埋設の場合）
第１の層と第２の層に用いられる砂等の量Ｔ３は、式３で求められる。
Ｔ３＝全長６１００ｍｍ×幅１０００ｍｍ×深さ８００ｍｍ・・・式３
よって、Ｔ３＝４．８８ｍ^３
（垂直埋設の場合）
第１の層と第２の層に用いられる砂の量Ｔ４は、式４で求められる。
Ｔ３＝全長６１００ｍｍ×幅３００ｍｍ×深さ１５００ｍｍ・・・式４
よって、Ｔ２＝２．７５ｍ^３

すなわち、採熱管７を埋設するに際し、ループ部分７Ｃを水平に埋設するか垂直に埋設するかで、第１の層３１、第２の層３２に使用する砂の量に、４．８８ｍ^３−２．７５ｍ^３＝２．１３ｍ^３の差があり、凡そ１．８倍の差が発生する。この差が、そのままコスト差となって現れる。

次に、第３の層に埋め戻す発生土の量について説明する。
（水平埋設の場合）
第３の層に埋め戻す発生土の量Ｔ５は、式５で求められる。
Ｔ５＝全長６１００ｍｍ×幅１０００ｍｍ×探さ５００ｍｍ・・・式５
Ｔ３＝３．０５ｍ^３
掘り起こした発生土の総量は７．９３ｍ^３であるので、
７．９３ｍ^３−３．０５ｍ^３＝４．８８ｍ^３の発生土が残土となる。

（垂直埋設の場合）
第３の層に埋め戻す発生土の量Ｔ６は、式６で求められる。
Ｔ５＝全長６１００ｍｍ×幅３００ｍｍ×深さ５００ｍｍ・・・・式６
Ｔ３＝０．９１５ｍ^３
掘り起こした発生土の総量は３．６６ｍ^３であるので、
３．６６ｍ^３−０．９１５ｍ^３＝約２．７５ｍ^３の発生土が残土となる。

すなわち、採熱管７を埋設するに際し、ループ部分７Ｃを水平に埋設するか垂直に埋設するかで、残土量に４．８８ｍ^３−２．７５ｍ^３＝２．１３ｍ^３の差があり、凡そ１．８倍の差が発生する。この差が、そのまま残土の処理コストの差となる。

本発明の一形態である地中熱システムと、このシステムに用いる採熱管の埋設方法を示す概略構成図である。 地中熱システムと、地中に埋設された採熱管の状態を平面視した概略図である。 （ａ）は採熱管を水平に埋設する穴を示し、（ｂ）は採熱管を垂直に埋設する穴を示す図である。

符号の説明

１ 地中熱システム
５ 熱交換機
６ 地中
７ 採熱管
７Ｃ 採熱管のループ部分
２０ 穴

Claims (2)

1. 熱交換機と接続され、この熱交換機で熱交換された冷却媒体を地中へ搬送して熱交換する地中熱システムに用いる採熱管の埋設方法において、
   前記採熱管をループ状に巻いて垂直に埋設可能な穴を土地に掘削し、この掘削した穴に、前記採熱管のループ部分を水平方向にずらし、かつ当該ループ部分が垂直状態となるように前記採熱管を埋設することを特徴とする地中熱システムに用いる採熱管埋設方法。
2. 熱交換機と接続され、この熱交換機で熱交換された冷却媒体を採熱管で地中へ搬送して熱交換する地中熱システムにおいて、
   前記採熱管を請求項１記載の埋設方法で埋設したことを特徴とする地中熱システム。

Images