JP2015055365A - 地中熱ヒートポンプシステム用採熱管 - Google Patents

Abstract

【課題】施工コストを低減するとともに、熱交換効率を向上させた地中熱ヒートポンプシステム用の採熱管を提供する。【解決手段】採熱管３は、外管１１と内管１２とからなる二重管構造を成し、外管１１は金属で構成され、内管１２は樹脂で構成されるとともに、熱媒が内管１２の内部を流通した後、外管１１と内管１２との間の採熱路１３を通って戻される流路とする。採熱管３を地中に敷設するための縦孔２の穿孔径が、外管１１の外周より若干大きな径でよく、穿孔した縦孔２を有効利用できるので、縦孔２を穿孔するための施工コストが低減できる。外管１１として樹脂に比べて熱伝導率が良い金属を用いているため、地中熱が熱媒に効率良く伝熱し、地中の熱エネルギーをより多く採取できる。一方、内管１２は樹脂からなるため、内管を流れる熱媒と採熱路１３を流れる熱媒との間で熱の授受は極僅かであるので、高い熱交換効率が維持できる。【選択図】図１

Description

本発明は、地中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、床暖房等に利用する地中熱ヒートポンプシステム用の採熱管に関する。

近年、自然エネルギーの利用、ＣＯ_２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。

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。

従来、前記採熱管としては、例えば下記特許文献１〜３に示されるように、並行に配置した２本の直管の下端を連通させることによって、一方を往路、他方を復路としたＵ字状管としたものが多く用いられている。前記採熱管の材質としては、耐食性に優れたポリエチレンなどの樹脂製のものが主流である。

また、例えば下記特許文献２、３などでは、１回の穿孔で大きな対地伝熱面積を得るようにするため、１つの縦孔に対して、２本の往管と２本の復管を設けてＵ字状の２組の管路を一体化して配設したものが開発されている。これによって、１つの縦孔の穿孔で熱交換面積を多く得ることができるようになっている。

特開昭６１−２７２５９２号公報 特開平１１−１８２９４２号公報 特開２０１２−１２７１１６号公報

しかしながら、上記特許文献１〜３記載のものでは、採熱管として２本の直管を並行配置し下端を連通させたＵ字状に形成されているため、縦孔の穿孔径を大きくとる必要があり、縦孔穿孔のための施工コストが嵩む問題があった。例えば、呼び径２５Ａの配管を用いた場合、下端のＵ字継手部を含めた製品幅は約８４ｍｍとなるため、採熱管嵌入のための余裕をみてこれより若干大きな径で穿孔する必要があった。また、上記特許文献２、３のように２組のＵ字状管路を一体化して配設した場合には、これより１．２〜１．３倍の径が必要となり、およそ１０５ｍｍ程度の穿孔径が必要となる。

また、従来の採熱管では、地中に長期間配設したときの耐腐食性などを考慮して、ポリエチレンなどの樹脂製のものが多く用いられていたが、ポリエチレン樹脂の熱伝導率は０．４６〜０．５０Ｗ／ｍＫとかなり小さいものである。そのため、地中との熱交換が効率良く行われず、熱エネルギーの回収効率が悪かった。

そこで本発明の主たる課題は、施工コストを低減するとともに、熱交換効率を向上させた地中熱ヒートポンプシステム用の採熱管を提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、地中熱を利用したヒートポンプシステムに用いられる採熱管であって、
前記採熱管は、外管と内管とからなる二重管構造を成し、前記外管は金属で構成され、前記内管は樹脂で構成されるとともに、熱媒が前記内管の内部を流通した後、前記外管と内管との間の空間を通って戻される流路が形成されていることを特徴とする地中熱ヒートポンプシステム用採熱管が提供される。

上記請求項１記載の発明では、地中熱交換器として地中の熱エネルギーを採取する採熱管が外管と内管とからなる二重構造を成し、前記外管が金属で構成され、内管が樹脂で構成されている。この採熱管では、熱媒が前記内管の内部を流通した後、前記外管と内管との間の空間を通って戻されるという流路が形成されているので、供給側（内管）に比べ採熱側（外管）の方が熱媒と接触する表面積が大きくなり、採熱により有利となる。また、前記外管として金属を用いた場合には、金属の熱伝導率（ＳＵＳ３０４ステンレス鋼の場合、１６．０Ｗ／ｍＫ）がポリエチレン樹脂の熱伝導率（０．４６〜０．５０Ｗ／ｍＫ）に比べてはるかに高い値であるため、地中熱が熱媒に効率良く伝熱し、地中の熱エネルギーをより多く採取することができるようになる。一方、前記内管は樹脂からなるため、内管を流れる熱媒と、内管と外管との間の空間を流れる熱媒との間で熱の授受は極僅かであるので、高い熱交換効率が維持できる。

このように、従来のものに比べて採熱効率が高くなるので、全体の採熱管の敷設本数を低減することが可能になる。そのため、採熱管を敷設するための縦孔の施工コストが低減できる。また、本採熱管は、外管と内管とからなる二重管構造を成しているため、穿孔する縦孔の径が外管の外周より若干大きな径でよく、穿孔した縦孔を無駄なく有効活用できるので、縦孔を穿孔するための施工コストを低減することができるようになる。

請求項２に係る本発明として、前記外管は、耐食性を有する金属又は耐食処理が施された金属によって構成されている請求項１記載の地中熱ヒートポンプシステム用採熱管が提供される。

上記請求項２記載の発明では、外管として、ステンレスやアモルファス金属などの耐食性を有する金属又は外面に防錆剤の塗布、樹脂コーティング、耐腐食用シース被覆、アモルファス金属被膜など耐食処理を施した金属で構成することによって、耐食性に優れ、長期間の使用に耐え得るようになる。

請求項３に係る本発明として、前記外管と内管との間の空間の断面積は、前記内管内部の断面積より大きく形成されている請求項１、２いずれかに記載の地中熱ヒートポンプシステム用採熱管が提供される。

上記請求項３記載の発明では、前記外管と内管との間の空間の断面積を、前記内管内部の断面積より大きく形成することにより、内管の内部を流通する熱媒の流速より、外管と内管との間の空間を流通する熱媒の流速の方が遅くなるため、地中と熱媒との間の熱交換がより多く行われるようになる。

請求項４に係る本発明として、前記外管はコルゲート管からなる請求項１〜３いずれかに記載の地中熱ヒートポンプシステム用採熱管が提供される。

上記請求項４記載の発明では、前記外管として表面が波状に凹凸するコルゲート管を用いることにより、地中と外管との接触面積を増加させ、熱交換効率を高めているとともに、地殻変動にも対応しやすくしている。

以上詳説のとおり本発明によれば、地中熱を利用したヒートポンプシステムに用いられる採熱管において、採熱管の施工コストが低減できるとともに、熱交換効率が向上するようになる。

本発明に係る地中熱ヒートポンプシステム１の構成図である。 採熱管３の縦断面図である。 採熱管３の横断面図（図２のIII−III線矢視図）である。 他の形態例にかかる採熱管３を示す一部破断正面図である。

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。

本発明に係る地中熱ヒートポンプシステム１は、地中熱を熱源に用いたヒートポンプシステムである。かかるヒートポンプシステムでは、地中の温度が外気温に比べて年間を通して変化が小さく安定しているため、夏季は冷熱源、冬季は温熱源として利用でき、空気を熱源とするものよりエネルギー効率が高くなるとともに、外気に熱を排出しないのでヒートアイランド現象の軽減にもつながるものである。

具体的に本地中熱ヒートポンプシステム１の構造は、図１に示されるように、地中に穿孔した縦孔２に敷設され、地中との間で熱交換を行う採熱管３と、前記採熱管３を通過した熱媒との間で熱交換を行う熱交換器４と、圧縮機５と、冷暖房装置や床暖房装置などの室内側負荷８を流通する熱媒との間で熱交換を行う熱交換器６と、膨張弁７とから主に構成されている。

前記熱交換器４、圧縮機５、熱交換器６及び膨張弁７は配管で接続され、これらを循環する水や不凍液等の作動流体が封入されている。また、前記採熱管３と熱交換器４とが配管で接続され、これらを循環する水や不凍液等の熱媒が封入されるとともに、その途中に前記熱媒を循環させるためのポンプ９が配設されている。さらに、前記室内側負荷８と熱交換器６とが配管で接続され、これらを循環する水や不凍液等の熱媒が封入されるとともに、その途中に前記熱媒を循環させるためのポンプ１０が配設されている。

夏季においては、前記採熱管３によって地中の冷熱を取り出し（地中に熱を放出し）、前記熱交換器４が凝縮器として作用するとともに、前記熱交換器６が蒸発器として作用し、ヒートポンプの作動流体を熱交換器４（凝縮器）→膨張弁７→熱交換器６（蒸発器）→圧縮機５の順に循環させ、室内側負荷８にて冷熱を利用する。冬季においては、前記採熱管３によって地中から熱を取り出し、前記熱交換器４が蒸発器として作用するとともに、前記熱交換器６が凝縮器として作用し、ヒートポンプの作動流体を熱交換器４（蒸発器）→圧縮機５→熱交換器６（凝縮器）→膨張弁７の順に循環させ、室内側負荷８にて温熱を利用する。

前記縦孔２は、ビット先端が回転する回転式又はこれに振動を付加したハイブリッド式のドリル装置によって地表面からほぼ鉛直に穿孔した開孔である。前記ドリル装置としては、掘削深度が５０ｍ〜１５０ｍ程度の仕様のものが用いられ、２０ｍ〜１００ｍ程度の深さの縦孔２を掘削する。

前記採熱管３を前記縦孔２に敷設するには、前記縦孔２を穿孔した後、前記採熱管３を挿入し、必要に応じてその周囲を土やグラウト材などの充填材Ｇで充填する。

前記縦孔２の穿孔径は、前記外管１１の直径より若干大きな径で形成すればよく、具体的には２ｍｍ〜１０ｍｍ程度大きな直径で形成する。本採熱管３とほぼ同程度の流路断面積を有する従来のＵ字型の熱交換パイプと比べて、縦孔の穿孔径をおよそ半分程度に抑えることができるようになり、縦孔２を穿孔するための施工コストを抑えることができるようになる。

前記採熱管３は、図２及び図３に示されるように、外管１１と内管１２とからなる同軸の二重管構造を成している。前記採熱管３は、ほとんどが前記縦孔２内に埋設され、上端部が地表面から延出して配置される。

前記外管１１は、金属で構成されている。これによって、樹脂で構成した場合に比べ、金属の熱伝導率がはるかに高い値であるため、地中熱を効率良く採取できるようになる。前記金属としては、耐食性を有する金属又は少なくとも外面に耐食処理が施された金属を用いることが望ましい。前記耐食性を有する金属として、ステンレスやアモルファス金属などが例示できる。ステンレスとしては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４１０Ｓ系などを用いることができる。ステンレスの熱伝導率は、ＳＵＳ３０４の場合、温度３００Ｋにおいて１６．０Ｗ／ｍＫと、高密度ポリエチレンの熱伝導率（０．４６〜０．５０Ｗ／ｍＫ）と比べて約３２倍〜３５倍の高い値を示す。従って、地中と直接的に接触する外管１１をステンレス製とすることによって、地中と内部を流れる熱媒との熱交換効率が高くなる。前記アモルファス金属とは、原子がランダムに配列した非晶質金属のことで、耐食性に特に優れた性質を有するものである。

また、前記外管１１をステンレスで構成し長期的に地中に配設した場合、外管１１の腐食が問題となるため、外管１１の外面に耐食処理を施すことが望ましい。この耐食処理としては、防錆剤の塗布、樹脂コーティング、耐腐食用シースの被覆、アモルファス金属の被膜などが挙げられる。

また、前記外管１１として、図４に示されるように、ステンレス製のコルゲート管を使用することもできる。前記コルゲート管は、表面が波状に凹凸する断面形状を有するため、表面が平坦な直管に比べて地中と外管１１との接触面積が増し、熱交換効率を高めることができるようになるとともに、地殻変動などに対しても外管１１が変形することによって対応し易くなる。

前記外管１１の外径は、３２ｍｍ〜６０．５ｍｍ、好ましくは４５ｍｍ〜５０ｍｍのものを用いるのがよい。また、厚みは、０．８ｍｍ〜４ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜１．５ｍｍのものを用いるのがよい。

前記外管１１の下端は、外管１１と同じ材質の底板１１ａによって閉塞されている。一方、上端は、Ｌ字形のエルボ部１１ｂが形成され、その上端に前記内管１２を挿通するための開孔が設けられている。

前記内管１２としては、例えば呼び径２０Ａ〜２５Ａ（外径２７ｍｍ〜３４ｍｍ）程度の高密度ポリエチレンの樹脂管が好適に用いられる。また、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を用いることも可能である。

前記内管１２の外面と外管１１の内面との間には、所定の離間幅Ｓの空間が設けられ、この空間は流通する熱媒と地中との熱交換が行われる採熱路１３となっている。

前記内管１２の下端は、支持台１２ａによって前記外管１１の底板１１ａから所定高さの浮き状態で保持されている。前記支持台１２ａは、内管１２の周端部を支持する中央が開口するリング状の支持部１２ｂと、外管１１の底板１１ａから所定高さで立設される脚部１２ｃとから構成されている。前記支持台１２ａを配設することによって、内管１２の内部を流通した熱媒が内管１２の下端で外管１１に給水され、外管１１と内管１２との間の採熱路１３に進入できるようになる。内管１２下端の底板１１ａからの高さは、前記採熱路１３の離間幅Ｓ以上で、内管１２の内径より小さいことが好ましい。

また、前記内管１２が外管１１に対してほぼ同軸位置に位置ズレすることなく配設できるように、前記内管１２の外周に対し、軸方向に所定のピッチで複数のセンタライザー１４、１４…を配設することが好ましい。前記センタライザー１４は、図３に示されるように、内管１２に外嵌されるリング部１４ａと、その周面に半径方向に突出するとともに、周方向に間隔をあけてほぼ等間隔で配置される３つ以上の、図示例では４つのスペーサー部１４ｂ、１４ｂ…とから構成されている。軸方向の配設ピッチは、１ｍ〜１０ｍ、好ましくは１ｍ〜５ｍとするのがよい。前記センタライザー１４は、少なくとも内管１２に対し接着剤等で固定されている。また、スペーサー部１４ｂの先端は外管１１に対し接着剤等で固定するのが好ましい。

以上の構成からなる採熱管３では、図１に示されるように、ポンプ９によって熱媒が内管１２の上端から前記内管１２の内部に供給され、内管１２の内部を下端に向けて流通した後、内管１２の下端から外管１１に供給され、外管１１と内管１２との間の空間（採熱路１３）を通って熱交換器４に戻されるという流路が形成されるので、供給側（内管１２）に比べ採熱側（外管１１）の方が熱媒と接触する表面積が大きくなり、採熱により有利となる。このとき、外管１１として金属を用いているため、例えばＳＵＳ３０４ステンレス鋼の場合には熱伝導率が１６．０Ｗ／ｍＫとポリエチレン樹脂（０．４６〜０．５０Ｗ／ｍＫ）に比べてはるかに高い値であるので、地中熱が外管１１を通して採熱路１３を流れる熱媒に伝熱しやすくなり、この採熱路１３を流れる熱媒によって地中の熱エネルギーがより多く採取されるようになる。一方、前記内管１２は樹脂からなるため、内管１２の内部を流れる熱媒と、内管１２と外管１１との間の採熱路１３を流れる熱媒との間での熱の授受は極僅かであるので、採熱路１３を流れる熱媒の高い熱回収効率が維持できるようになる。

このように、採熱管３の一本当たりの熱回収量が増加できるので、全体の採熱管３の施工本数を少なくすることができ、縦孔２を穿孔するための施工費用を大幅に低減できるという利点も有する。また、採熱管３が外管１１と内管１２とからなる二重管構造を成しているため、穿孔する縦孔２の直径が外管１１の外径より若干大きな径でよく、穿孔した縦孔２を無駄なく有効活用できるので、縦孔２を穿孔するための施工コストが低減できる。

ところで、前記外管１１と内管１２との間の空間（採熱路１３）の断面積Ａ_２は、前記内管１２内部の断面積Ａ_１より大きく形成することが好ましい（Ａ_２＞Ａ_１）。これによって、内管１２の内部を流通する熱媒の流速より、外管１１と内管１２との間の採熱路１３を流れる熱媒の流速の方が相対的に遅くなるため、地中と熱媒との間でより多くの熱交換が行われるようになる。断面積比Ａ_２／Ａ_１としては、１．２〜１．５程度が好ましい。

また、外気の熱影響を受けやすい地表面付近での地中や外気との熱交換を生じなくするため、前記外管１１の地中から突出する部分及び外気の熱影響を受けやすい地表面付近の埋設部分のみをステンレスに代えて樹脂で構成するか、ステンレス製の外管１１の外面に断熱材を被覆したり厚めの樹脂コーティングを施すことによって、熱伝導を生じ難くする対策を施すことができる。

１…地中熱ヒートポンプシステム、２…縦孔、３…採熱管、４…熱交換器、５…圧縮機、６…熱交換器、７…膨張弁、８…室内側負荷、９・１０…ポンプ、１１…外管、１２…内管、１３…採熱路、１４…センタライザー

Claims (4)

1. 地中熱を利用したヒートポンプシステムに用いられる採熱管であって、
   前記採熱管は、外管と内管とからなる二重管構造を成し、前記外管は金属で構成され、前記内管は樹脂で構成されるとともに、熱媒が前記内管の内部を流通した後、前記外管と内管との間の空間を通って戻される流路が形成されていることを特徴とする地中熱ヒートポンプシステム用採熱管。
2. 前記外管は、耐食性を有する金属又は耐食処理が施された金属によって構成されている請求項１記載の地中熱ヒートポンプシステム用採熱管。
3. 前記外管と内管との間の空間の断面積は、前記内管内部の断面積より大きく形成されている請求項１、２いずれかに記載の地中熱ヒートポンプシステム用採熱管。
4. 前記外管はコルゲート管からなる請求項１〜３いずれかに記載の地中熱ヒートポンプシステム用採熱管。

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