JP2014185822A - 地中熱利用熱交換器及びそれを用いたヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 公知の長尺状垂直埋設式地中熱交換器と同等以上の熱交換効率を実現しながら、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、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】 地面から鉛直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、少なくとも３つ用いて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。
【選択図】 図１

Description

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。

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。

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。

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、十数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。

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。

そこで、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Ｕ字管の一方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ので製造コストが高くなる上に、流体路を螺旋状にすると螺旋形成流体路同士の上下間隔が狭いため、地中との熱交換効率が流体路の長さの割には上昇しないという問題があった。

特開平１１−１８２９４３号公報 特開２００７−３１５７４２号公報

本発明は上記従来の課題を解決するもので、公知の長尺状垂直埋設式地中熱交換器と同等以上の熱交換効率を実現しながら、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構造を提供することを目的とする。

本発明は、地面から下方に形成された同一の熱交換領域に埋設された。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、少なくとも３つ用いて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を提供する。

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。

前記往路もしくは復路となる流体路が、隣り合う往路もしくは復路となる流体路との間に、少なくとも７ｃｍ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。

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り、各樹脂製流体路が平面視で交差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。

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。

本発明により、長尺状垂直埋設式地中熱交換器と同等以上の熱交換効率を実現しながら、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。
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、長尺状垂直埋設式地中熱交換器と同等以上の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。

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。 本発明の地中熱交換構造の図１のＡ−Ａにおける概略断面図である。 本発明の樹脂製流体路の交差部の概略を示す写真である。 本発明の地中熱交換構造の全体を示す写真である。 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。

本発明は、地面から下方に形成された熱交換領域に埋設された。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、少なくとも３つ用いて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を提供するものである。

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。
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

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。

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。
樹脂製流体路往路と復路の接点は、エルボを介していてもよいが、下端部同士が連通したＵ字状管が好ましい。

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３〜６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。
本発明においては、地中熱交換構造を構成する樹脂製流体路の往路および復路が、それぞれ隣り合う樹脂製流体路の往路および復路との間の間隔を所定値以上の間隔で設置されていることが好ましい。

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。従来公知の垂直埋設式地中熱交換器では、通常１個の流体路を敷設しているが、その敷設領域で２個の流体路を敷設することも提案されている（例えば特許文献２の図４）。しかしながら、同特許文献におけるような敷設方法では、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。

本発明は、樹脂製流体路を少なくとも３個用いることによって、流体路の総延長距離を伸ばすことによって、所定のトータルの熱交換効率を獲得する地中熱交換構造を提供するものである。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程度に短くしても従来の長尺状垂直埋設式地中熱交換器と同等以上の熱交換効率を実現できるので、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のである。

本発明において、地中熱交換構造を構成する樹脂製流体路の往路および復路が、それぞれ隣り合う樹脂製流体路の往路および復路との間の間隔を、管中心間の間隔として７ｃｍ以上、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。

樹脂製流体路間の間隔を所定値以上に設置するために、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、３個以上の樹脂製流体路を取り巻くような円形基材から樹脂製流体路の各往路および復路に延びる保持具を有するようなものを採用してもよい。

３個以上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、各樹脂製流体路はそれぞれ任意の位置関係で構成させてもよいが、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り、各樹脂製流体路が平面視で交差するような関係で構成させるのが、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。

本発明の３個以上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、地表占有面積においては、従来公知の垂直埋設式地中熱交換器よりも広くなることになる。たとえば、従来公知の垂直埋設式地中熱交換器では、直径１５ｃｍ程度の削孔であったとしたら、本発明の実施には直径２５〜３０ｃｍ程度の削孔が必要になると思われるが、その分地中熱交換領域の熱交換対象充填材量が増し、樹脂製流体路の総延長距離を大きくすることができるので、削孔深度を数分の１程度に短くしても従来の長尺状垂直埋設式地中熱交換器と同等以上の熱交換効率を実現でき、掘削コストを大幅に削減した垂直埋設式地中熱交換器が実現することとなる。

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。

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。

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。

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３からなるＵ字管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。

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。

図１の地中熱交換構造２では、４個の直状樹脂製管３からなるＵ字管の往路それぞれが、ヘッダー４によって連通している。また、Ｕ字管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系を形成している。

図２には、図１に示された地中熱交換構造２の底部附近Ａ−Ａにおける断面図を示している。図２には、間隔保持部材５の円形枠６に設置されたアーム部７に接続されている管保持部８によって、地中熱交換構造２を形成するＵ字管がそれぞれ２ヶ所、合計８箇所で管間隔保持部材５によって固定されている。それぞれのＵ字管を構成する樹脂管は循環流体の往路と復路の働きをする。例えば樹脂管３−１が往路であれば、それに連通する樹脂管３−２は復路である。

管間隔保持部材の形状は、図２のものに限定されるものではないが、管間隔保持部材によって、樹脂管の各往路もしくは復路となる流体路が、往路と復路の接点附近を除いて、隣り合う往路もしくは復路となる流体路との間に、少なくとも７ｃｍの間隔を保持しているので、地中熱との良好な熱交換効率が実現している。
図２のように、３つの樹脂製流体路が、各樹脂製流体路の往路と復路がほぼ等間隔の円周上に配置されており、その円周の直径が３０ｃｍであるとしたら、各往路もしくは復路となる流体路が隣り合う往路もしくは復路となる流体路との間の間隔は約１５ｃｍとなる。

図３は、地中熱交換構造２の底部附近の様子を示す写真である。図３から４個の直状樹脂製管３からなる各Ｕ字管が平面視で交差する様子、およびＵ字管がそれぞれ２ヶ所、合計８箇所で管間隔保持部材５によって固定されている様子がよくわかる。図４は、地中熱交換構造の全体の様子を示す写真である。図４の地中熱交換構造の端部にはヘッダーが用いられている。

図５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９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。
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。

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９ではポンプの表示を省略した。

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。

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。

本発明により、長尺状垂直埋設式地中熱交換器と同等以上の熱交換効率を実現しながら、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。
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、長尺状垂直埋設式地中熱交換器と同等以上の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。

１．垂直埋設式地中熱交換器
２．地中熱交換構造
３．樹脂製管
３−１．往路
３−２．復路
４．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

Claims (7)

1. 地面から鉛直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、少なくとも３つ用いて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。
2. 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に記載の地中熱交換器。
3. 前記往路もしくは復路となる流体路が、隣り合う往路もしくは復路となる流体路との間に、少なくとも７ｃｍ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。
4. 前記地中熱交換構造を形成する樹脂製流体路の数が、３〜５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。
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り、各樹脂製流体路が平面視で交差してい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。
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。
7. 請求項１〜６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。