JP2015200492A

JP2015200492A - 地中熱用採熱管

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Publication number: JP2015200492A
Application number: JP2015071941A
Authority: JP
Inventors: 篤下田; Atsushi Shimoda; 博章近本; Hiroaki Chikamoto
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: JP6549873B2

Abstract

【課題】薄肉化させることで、採熱効率を向上させることができるうえ、部材コストの低減を図ることができる。
【解決手段】地中に埋設されるとともにヒートポンプ３に接続され、内部に熱媒体を流すことによって管周囲の環境と熱交換を行うための地中熱用採熱管１であって、外径寸法を肉厚寸法で割った比率が１１．１〜１７の高密度ポリエチレン管が使用され、ヒートポンプ３のポンプ圧と、埋設地中内の地中熱用採熱管１にかかる水頭圧と、の合計圧力が０〜０．７５ＭＰａの範囲となる耐圧性能を有し、地表面からの地中埋設深さが０〜１０ｍの範囲に適用される地中熱用採熱管を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば地中の熱を採熱するための熱交換器に使用される地中熱用採熱管に関するものである。

従来、地中熱用採熱管として、従来、例えば下記特許文献１に記載されているような、一般家庭用空調、融雪設備等の熱源として用いられる地中熱交換器として採用されているものが知られている。
一般的な地中熱交換器としては、ヒートポンプ内で熱交換された熱が地中熱用採熱管内を流れる熱媒体へ移動し、地中に埋設された地中熱用採熱管を循環する間に地中へ熱を放熱（又は採熱）している。つまり、地中熱用採熱管内の熱媒体を受熱部で加熱蒸発させて蒸気流とし放熱部に移動させ、その放熱部において蒸気流を放熱させて凝縮液として還流させ、熱媒体の循環を発生させている。そして、熱媒体の循環中の蒸発及び凝縮の潜熱によりヒートポンプの熱交換を行っている。

ところで、地表面から垂直方向に数１００ｍの深さまで掘削して熱交換器を配設する垂直埋設は掘削費用が高価であるため、例えば１〜３ｍ程度の深さに平面状に地盤を掘削して、地中熱用採熱管を水平方向に配置する水平埋設（上述の特許文献１参照）が行われている。
このような水平埋設では、可撓性を有する樹脂パイプからなる地中熱用採熱管を、所要の広さ及び深さで掘削された箇所に所定の配設パターンで設置し、その地中熱用採熱管の配設パターンを維持した状態のまま埋め戻すことで地中に設置される。

特開２０１３−７９７４８号公報

従来の水平埋設に用いられる地中熱用採熱管では、地表面から比較的浅い１〜３ｍ（ヒートポンプと地中埋設された採熱管との高低差５ｍ）程度の範囲に埋設されている。しかしながら、高水圧で圧送する垂直埋設に用いられる採熱管比べ、水平埋設に用いられる採熱管は耐圧性能が要求されることが無いにも関わらず、垂直埋設と同等の耐圧性能のポリエチレン管が使用されている。このようなポリエチレン管としては、一般的に外径寸法を肉厚寸法で割った比率（ＳＤＲ：パイプの基準外径と最小厚さの比（ＳｔａｎｄａｒｄＤｉｍｅｓｉｏｎＲａｔｉｏ））が１１以下のものが使用されている。
一方で、前述のような水平埋設において一般的なポリエチレン管を用いて、コストの増大を抑えつつ、さらなる採熱効率の向上が求められており、その点で改善の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、薄肉化させることで、採熱効率を向上させることができるうえ、部材コストの低減を図ることができる地中熱用採熱管を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る地中熱用採熱管は、地中に埋設されるとともにヒートポンプに接続され、内部に熱媒体を流すことによって管周囲の環境と熱交換を行うための地中熱用採熱管であって、外径寸法を肉厚寸法で割った比率が１１．１〜１７の高密度ポリエチレン管が使用され、前記ヒートポンプのポンプ圧Ｐ１と、埋設地中内の当該地中熱用採熱管にかかる水頭圧Ｐ２と、の合計圧力が０＜Ｐ１＋Ｐ２≦０．７５ＭＰａの範囲となる耐圧性能を有することを特徴としている。

本発明の地中熱用採熱管では、外径寸法を肉厚寸法で割った比率が１１．１〜１７の薄肉化された高密度ポリエチレン管を使用することができるので、前記比率が１１以下の従来の採熱管よりも部材コストを低減することができる。
そして、地中熱用採熱管として０〜０．７５ＭＰａの耐圧性能が確保できるので、例えば地表面から２〜３ｍに地中熱用採熱管を設置する耐圧性能の低い水平埋設に効果的に適用することができる。
しかも、本発明の地中熱用採熱管では、薄肉化させることで、管外方の環境と管内の熱媒体との間による熱伝導率が高くなり、時間当たりの採熱量が増え、採熱効率を向上させることができる。

また、本発明に係る地中熱用採熱管は、地表面からの地中埋設深さが０〜１０ｍの範囲であることが好ましい。

この場合には、地表面からの地中埋設深さが０〜１０となり、ヒートポンプと地中に埋設されている地中熱用採熱管との水頭差が小さい適用条件となるので、前述のように耐圧性能の低い水平埋設法による地中熱交換設備に効果的に適用することができる。

本発明の地中熱用採熱管によれば、薄肉化させることで、採熱効率を向上させることができるうえ、部材コストの低減を図ることができる。

本発明の実施の形態による地中熱用採熱管の配置状態を示す斜視図である。図１に示す地中熱用採熱管の配置状態の側面図である。地中熱用採熱管の断面図である。本実施の形態の地中熱用採熱管の効果を実証するための実施例を示す図である。他の実施の形態による地中熱用採熱管の配置状態の平面図である。

以下、本発明の実施の形態による地中熱用採熱管について、図面に基づいて説明する。

図１及び図２に示すように、本実施の形態の地中熱用採熱管１は、例えば建物２内に備えたヒートポンプ３に接続される熱交換器１０に適用され、管内部に熱媒体（流体）を流すことによって管周囲の環境と熱交換を行うためのパイプであり、例えば地上から１〜２ｍ程度の浅い地盤Ｇ中に水平方向に沿って埋設されている。
なお、水平方向とは、全体として地中熱用採熱管１が水平配置されている状態をいう。

地中熱用採熱管１は、往用採熱管と還用採熱管が連続し、それぞれの地上側の端部（往側端１ａ、還側端１ｂ）がヒートポンプ３に接続されている。
ここで、図１において、地上のヒートポンプ３から地下の地中熱用採熱管１の下端までを流通する熱媒体の往き方向を実線で符号Ｅとし、地中熱用採熱管１の延在長の中間部分からヒートポンプ３までを流通する熱媒体の還り方向を符号Ｆで示している。

例えば建物２内の暖房として使用する場合には、往用採熱管において冷えた熱媒体が往き方向Ｅに流通し、還用採熱管において地中で採熱された熱媒体が還り方向Ｆに流通することで、熱交換が行われる。
地中熱用採熱管１内の熱媒体としては、水、エタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、アンモニア水などの液体が単独又は混合して用いられており、地中熱用採熱管１を含む熱交換器内に封入されている。

地中熱用採熱管１は、複数のループが連なるようにスリンキー状に配設されたループ部１Ａと、直線部１Ｂとからなる。このループ部１Ａによって形成される交差部分で保持具１２によって固定されることで、所定の径寸法で巻き回されたループ形状が保持されている。例えば、スリンキー状に配設されたループ部１Ａの曲げ半径Ｒ１は、２５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下（直径５００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下）であることが好ましく、５００ｍｍ（直径１０００ｍｍ）がより好ましい。地中熱用採熱管１は後述するとおり薄肉であるため、曲げ半径Ｒ１が２５０ｍｍ未満であると座屈が発生し、１０００ｍｍより大きいと敷設するために必要な面積が大きくなり、掘削面積、即ち掘削コストが増大してしまう。

地中熱用採熱管１は、図３に示すように、外径寸法Ｄを肉厚寸法ｔで割った比率（以下、ＳＤＲという、ＳＤＲ（ＳｔａｎｄａｒｄＤｉｍｅｓｉｏｎＲａｔｉｏ）：パイプの基準外径と最小厚さの比）が１１．１〜１７の高密度ポリエチレン管や中密度ポリエチレン管、水道用ポリエチレン二層管（ＪＩＳＫ６７６２）等の樹脂管が使用され、可撓性を有しており、人手により円弧状に曲げたり、直線的に伸ばすことが可能となっている。
そして、地中熱用採熱管１の肉厚寸法としては、埋設土圧やトラック等の輪荷重から計算することができる。

ここで、具体的な地中熱用採熱管１（以下、採熱管という）の肉厚寸法の算出手順と、この算出手順によって求めた限界肉厚計算値について説明する。
先ず、埋設管（地中熱用採熱管１）の土被りを埋設条件として設定する。採熱管の埋設深さは浅い方が地表積載物の加重がかかりやすく、深い方が土により加重が分散されることから、通常、採熱管の埋設は１ｍ以上であり、１ｍで耐えられればそれ以上の深さも耐えられるので１ｍに設定した。

次に、埋設管に加わる外圧としては、埋戻し土による鉛直土圧（静土圧）Ｐ_ｅ、及び輪荷重による鉛直土圧（動土圧）Ｐ_ｔを考慮するため、これら鉛直土圧Ｐ_ｅ、Ｐ_ｔを算出する。
埋戻し土による鉛直土圧（静土圧）Ｐ_ｅは、一般的に用いられるマーストンの式、すなわち（１）式、（２）式を用いて算出する。
ここで、埋め戻し土砂の単位体積重量ρを０．００００１８とし、埋め戻し土砂の安息角φを５７°（ｄｅｇ）に設定し、土被りＨが１０００ｍｍ、管頂部の溝幅Ｂが５００ｍｍである。

また、輪荷重による鉛直土圧（動土圧）Ｐ_ｔは、フレーリッヒ、ブーシネスク道路構造令則による４５°分散式などがあるが、ここではブーシネスクの式、すなわち（３）式をを用いて算出する。ここで、トラック荷重による鉛直荷重係数αは、５．７５×１０^−７とした。このαは、呼び径２５の埋設管に対し、トラック２台が並行同時に通過した場合で算出したものである。

次いで、算出した前記鉛直土圧Ｐ_ｅ、Ｐ_ｔを使用して、埋設管のたわみ率Ｖと、最大発生応力σ_ｍａｘを算出する。
埋戻し土と輪荷重により発生するたわみ率σ_ｈ／２ｒは、（４）式により求める。ここで、埋設管基礎の支承角係数Ｆ_Ｒは、表１より支承角１２０°を採用した。受働土圧係数Ｅ’は、表２に示すように、砂で１０、砂質土壌で７、ロームで４を採用した。なお、埋設管にかかる鉛直方向の外圧Ｐ_ｖは、上述した（１）式、（３）式で算出した土圧Ｐ_ｅと輪圧Ｐ_ｔの和である。
次に、埋戻し土と輪荷重により発生する曲げ応力σ_ｂを、（５）式により算出する。ここで、モーメント係数Ｋは、表３に基づいて支承角１２０°の数値で決められる。

次に、強度計算により求めたたわみ率Ｖと最大発生応力σ_ｍａｘがそれぞれ所定の埋設管の許容たわみ率Ｖ_ａ、許容曲げ応力σ_ｂを上回らないように埋設管の厚さ（限界肉厚）を設定する。
ここで、許容曲げ応力σ_ｂは、同じ樹脂管である水道用硬質塩化ビニル管と同じように、引張降伏強さに対して安全率２．５を見込んだ値とした。したがって、許容曲げ応力＝引張り降伏強さ／安全率＝２０／２．５＝８ＭＰａ（８１．６ｋｇｆ／ｃｍ^２）である。
また、許容たわみ率Ｖ_ａは、とう性管の許容たわみ率が主に水理特性や舗装面への影響から、一般に管外径の５％以下とされていることから、水道配水用ポリエチレン管もこの値を許容たわみ率とした。

このような算出手順に基づいて管径２７ｍｍ、３４ｍｍ、４２ｍｍの３種において限界肉厚を設定したものを表４に示す。管径３４ｍｍで埋戻し土が砂と砂質土壌の場合においてＳＤＲが２１．３となり、このＳＤＲ２１．３が薄肉化の限界値となる。

ここで、地中熱用採熱管１のＳＤＲが２１．３よりも大きく、薄肉化が大きくなると、土質によっては地中熱用採熱管に亀裂等が生じるおそれがあり、埋戻し土がロームの場合にはＳＤＲ１９．３が薄肉化の限界値であるため、あらゆる土壌に適用する場合にはＳＤＲ１９．３が薄肉化の限界となる。なお、計算上はＳＤＲ１９．３となるが、安全率等を鑑みてＳＤＲ１７とした。また、薄肉化が大きくなると製造上も困難になるため、ＳＤＲが１７以下の管が最も好ましい。
なお、地中熱用採熱管１の外径寸法Ｄとして、施工性と採熱効率から２７ｍｍ以上４２ｍｍ以下のものを用いることが望ましい。この外径寸法Ｄが４２ｍｍよりも大きくなる場合には、土壌との接触表面積が大きくなり単位流量あたりの採熱効率は上がるが、管の曲げ応力も増大して施工がしにくくなる。一方、外径寸法Ｄが２７ｍｍ未満の場合には、土壌との接触表面積が小さくなり単位流量あたりの採熱効率が低下する。また、小口径の方が施工はし易いが、口径の大きなものと比べると圧送に必要なポンプ圧が高くなるためポンプ電力が増大し、消費エネルギーの観点から不効率である。

また、本実施の形態の地中熱用採熱管１は、地上に設けられるヒートポンプ３と埋設地中内の地中熱用採熱管１とに水頭差Ｈ（図２参照）があり、ヒートポンプ３のポンプ圧Ｐ１と地中熱用採熱管１にかかる水頭圧Ｐ２と、の合計圧力（Ｐ１＋Ｐ２）が０＜Ｐ１＋Ｐ２≦０．７５ＭＰａの範囲となる耐圧性能を有している。

さらに、本実施の形態の地中熱用採熱管１の適用条件として、地表面からの地中埋設深さが０〜１０ｍの範囲に埋設されていることが好ましい。地表面とは、地上に露出した地面だけでなく、地下空間、例えば地下道や地下室、地下鉄等の床面を含む。また、埋設された後にコンクリート基礎等が設置される場合にはコンクリート基礎表面からの深さが上記範囲となることが好ましい。
なお、このような性能を有する地中熱用採熱管１は、コイル状に巻かれた状態で製品として搬送され、設置場所に供給される。

次に、上述した構成の地中熱用採熱管１の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、本実施の形態の地中熱用採熱管１では、ＳＤＲが１１．１〜１７の薄肉化された高密度ポリエチレン管を使用することができるので、ＳＤＲが１１以下の従来の地中熱用採熱管よりも部材コストを低減することができる。
そして、地中熱用採熱管１として０〜０．７５ＭＰａの耐圧性能が確保できるので、ヒートポンプ３と地中に埋設されている地中熱用採熱管１との水頭差Ｈが小さい適用条件となる、本実施の形態のような地表面から２〜３ｍに地中熱用採熱管１を設置する耐圧性能の低い水平埋設に効果的に適用することができる。

しかも、本実施の形態の地中熱用採熱管１では、薄肉化させることで、管外方の環境と管内の熱媒体との間による熱伝導率が高くなり、時間当たりの採熱量が増え、採熱効率を向上させることができる。

図４は、本実施の形態の地中熱用採熱管１の効果を確認するために実験結果を示している。
本実験では、本実施の形態によるＳＤＲが１７の地中熱用採熱管（実施例）と、従来一般的に使用されるＳＤＲが１１の地中熱用採熱管（比較例）とにおいて、時間（ｈ）の経過による単位長さ（地中熱用採熱管の単位長さ）当たりの採熱量（Ｗ／ｍ・Ｋ）を測定した。実験条件は、地表面より１ｍの地中に埋設し、流量０．４Ｌ／ｍｉｎとした。

図４において、凡例の□が実施例（ＳＤＲ１７）を示し、◇が比較例（ＳＤＲ１１）を示している。
この結果、開始後１０時間を過ぎた頃（図４で四角で囲んだ領域）より採熱量が安定しており、実施例の採熱量が比較例に対して平均で９．３％高くなり、採熱効率が向上されていることが確認できた。

上述のように本実施の形態による地中熱用採熱管では、薄肉化させることで、採熱効率を向上させることができるうえ、部材コストの低減を図ることができる。

地中熱用採熱管として高密度ポリエチレン管を用いた場合、採熱管同士の接続には電気融着継手を用いる。電気融着継手は、溶融した樹脂が膨張して継手表面に***することによって溶融接合状態の良否の指標となるインジケータがポリエチレン管と接合部分における電気融着継手表面に設けられているが、ポリエチレン管を薄くした場合に溶融した樹脂が管内側に膨張してインジケータが正常に***しないという問題や、管自体が楕円形状になり、電気融着継手と管との間に隙間が生じて正常に融着しないという問題がある。
そのため、薄肉の採熱管を接続する場合には、予め薄肉管内に強度を金属製のインコアを内挿してから電気融着継手と融着するか、予め内部にインコア（内筒）を備えた電気融着継手を用いて融着するのが好ましい。継手部分をこれらの構造により溶融した薄肉のポリエチレン樹脂が管内側に膨張するのを防ぐことができる。
前者の場合の電気融着継手の構造としては、ＳＤＲ１１のポリエチレン管に通常使用されるものが使用される。採熱管１とヒートポンプ３との間がＳＤＲ１１の通常のポリエチレン管の場合には、採熱管１にのみインコアが挿入され、通常のポリエチレン管とインコアが挿入された採熱管とが電気融着継手により融着接続される。
後者の場合の電気融着継手の構造としては、接合する採熱管の外周面に対応した内周面を有するとともに融着用の電熱線を埋設した外筒と、採熱管の内周面に対応した外周面を有する内筒とを、採熱管の端部突き当て面となる結合部で結合した構造とすることができる。

外筒は、接合する採熱管と熱融着可能な合成樹脂、例えば高密度ポリエチレン等の射出成形品とされ、接合する採熱管と同じ材料であることが好ましい。内筒は、外筒を形成する合成樹脂よりも融点が高い合成樹脂、例えば、変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）等の合成樹脂、や金属、あるいは他の高融点硬質材料により形成することができる。
また、内筒は、採熱管の抜け止め防止のために外筒に係合する突起を有していても良い。
さらに、電気融着継手の内筒と外筒の間の空間の大きさは、採熱管の肉厚以上である。電気融着継手の内筒と外筒の間の空間の大きさが、採熱管の肉厚未満であると採熱管を挿入することができない。一方、電気融着継手の内筒と外筒の間の空間が大きい、即ち内筒の外径が小さい場合には、上述のインジケータの***しない問題を解決できない。
また、内筒の外周面には、鋸歯状の係止部が設けられていても良く、さらにこの係止部には採熱管が挿入し易いように継手端部側に順次小径となるテーパ状に形成されていてもよい。そして、内筒の周方向に割り溝を設けて前記係止部が径方向に拡縮径自在になるように構成することも可能である。
さらに、内筒の外周面にＯリング用の溝を設け、その溝にＯリングを装着する構成とし、挿入された採熱管の内面とシールする構成としてもよい。

なお、薄肉の採熱管を電気融着継手で融着することができない場合には、採熱管同士を金属継手で接続し、地中に埋設される金属継手に腐食防止のためポリエチレンスリーブ等を巻いても良い。
また、薄肉の採熱管１とヒートポンプ３との間が鋳鉄管等の金属管である場合には、予め薄肉管内に強度を金属製のインコアを内挿してから、特開２０００−２９１８５４号公報等に記載された電気融着継手と金属継手とが一体となった継手を用いて金属管と採熱管とを接続することができる。なお、この電気融着継手と金属継手とが一体となった継手は、電気融着継手部分に予め内筒を有した構造であっても良い。

以上、本発明による地中熱用採熱管の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述の本実施の形態では、地中内に埋設される地中熱用採熱管として、スリンキー状をなるループ部と直線部を有する水平埋設配置の一例を示しているが、このような配置に限定されることはない。例えば、図５に示すように平面視で蛇腹状に複数に折り返してなる並列型配置であってもよいし、地中内での地中熱用採熱管に部分的に上下方向に延在し、全体的には地表面からの地中埋設深さが例えば０〜１０ｍの範囲に配置される形態であってもよい。
例えば、並列型配置で配設された折り返し部の曲げ半径Ｒ２は、２５０ｍｍ（直径５００ｍｍ）以上であることが好ましい。なお、並列型配置の直線部は、予め敷設されたメッシュ筋にインシュロック等で採熱管を固定することで直線部を形成する。

また、本実施の形態ではヒートポンプ３を地上の建物２内に配置した構成としているが、これに限らず、ヒートポンプ３が地中に埋設されるような構成についても本発明の適用範囲とされる。例えば、地下室や地下鉄、地下道などの地下空間を有する建築物であって、地下空間にヒートポンプを設置し、地下空間の下に採熱管を埋設する場合には、地下空間の床面が埋設深さの基準となる地表面となり、地下空間の床面からの地中埋設深さが０〜１０ｍの範囲となるように適用する。
要は、ヒートポンプ３のポンプ圧Ｐ１と、埋設地中内の地中熱用採熱管１にかかる水頭圧Ｐ２と、の合計圧力が０＜Ｐ１＋Ｐ２≦０．７５ＭＰａの範囲となるように設定されていれば良いのである。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１地中熱用採熱管
１Ａループ部
１Ｂ直線部
２建物
３ヒートポンプ
１０熱交換器
Ｄ地中熱用採熱管の外径寸法
ｔ地中熱用採熱管の肉厚寸法

Claims

地中に埋設されるとともにヒートポンプに接続され、内部に熱媒体を流すことによって管周囲の環境と熱交換を行うための地中熱用採熱管であって、
外径寸法を肉厚寸法で割った比率が１１．１〜１７の高密度ポリエチレン管が使用され、
前記ヒートポンプのポンプ圧Ｐ１と、埋設地中内の当該地中熱用採熱管にかかる水頭圧Ｐ２と、の合計圧力が０＜Ｐ１＋Ｐ２≦０．７５ＭＰａの範囲となる耐圧性能を有することを特徴とする地中熱用採熱管。
地表面からの地中埋設深さが０〜１０ｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の地中熱用採熱管。