JP4535981B2 - トンネル熱交換用パネル及びトンネル熱利用熱交換システム - Google Patents
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Description
本発明の目的は、トンネル施工と同時に、設置可能であるとともに、トンネルの地中又は空気と熱交換を行うことができるトンネル熱交換用パネルを提供することにある。
本発明の他の目的は、トンネル熱交換用パネルにより熱交換した熱で、熱制御対象物を加熱又は冷却するためのトンネル熱利用熱交換システムを提供することにある。
本発明1のトンネル熱交換用パネルは、
トンネルの壁面に設置される壁パネルと協働してトンネルの周囲壁面を形成するトンネル熱交換用パネルであって、前記トンネルの地中又は空気と熱交換を行うためのパネル本体と、このパネル本体に設けられ、前記熱交換された熱を、前記パネル本体から離れた位置に循環流体を介して移動させるための熱移動用流体路の一部を形成するパネル内流体路とを有し、前記トンネルの長手方向に複数個連続して設置させてトンネル側熱交換部を形成できるようにしたことを特徴とする。
前記パネル内流体路は、前記パネル本体に形成された穴に合成樹脂製又は耐蝕性のある金属製のパイプが挿通されているものであることを特徴とする。
前記パネル本体は、前記パネル内流体路の相互の接続部が凹凸部を構成し、相互に差込み接続が可能になっているものであることを特徴とする。
前記パネル本体には、前記パネル内流体路の往路と復路が形成されていることを特徴とする。
前記パネル本体は、内部で前記パネル内流体路の往路と復路が合流し、前記循環流体が向きをかえて循環するように設けられているのものであることを特徴とする。
前記パネル本体は、高熱伝導性コンクリート、低熱伝導性コンクリート、一般のコンクリートのいずれかで形成されたもの、又は、高熱伝導性コンクリート、低熱伝導性コンクリート、一般のコンクリートの少なくとも2種類が組み合わされて一体化されたものであることを特徴とする。
前記パネル本体には、フィンが形成され、このフィン近傍の地中又は空気と熱交換するものであることを特徴とする。
前記パネル本体は、平板状又は弧状に形成されているものであることを特徴とする。
本発明1又は2に記載されたトンネル熱交換用パネルをトンネルの長手方向に複数個連続して設置させて構成されるトンネル側熱交換部と、前記トンネル側熱交換部のパネル内流体路と接続され、前記トンネル熱交換部で前記トンネルの地中又は空気と熱交換された熱を移動させるための循環流体が循環するための熱移動用流体路と、前記熱移動用流体路を循環する循環流体によって移動させた熱で、熱制御対象物を加熱又は冷却するための負荷側熱交換部とからなっていることを特徴とする。
本発明1又は2に記載されたトンネル熱交換用パネルをトンネルの長手方向に複数個連続して設置させて構成されるトンネル側熱交換部と、前記トンネル側熱交換部のパネル内流体路と接続され、前記トンネル側熱交換部で前記トンネルの地中又は空気と熱交換された熱を移動させるための第1循環流体が循環する第1熱移動用流体路と、負荷側熱交換部を加熱又は冷却するため第2循環流体が循環する第2熱移動用流体路と、前記第1熱移動用流体路と前記第2熱移動用流体路との間に設けられ、前記第1循環流体を熱源として、前記第1循環流体より高温又は低温の前記第2循環流体を造成するヒートポンプとからなっていることを特徴とする。
図1は、本発明のトンネル熱交換用パネル及びトンネル熱利用熱交換システムの実施の形態を模式的に示す全体構成図である。図2は、トンネルの断面図を示す図である。実施の形態における図は、トンネル熱交換用パネル3で構成されるトンネル熱交換部4で地中熱を取り出し、負荷側熱交換部2に伝達する構成のものである。トンネル内壁1には、本発明のトンネル熱交換用パネル(以下、熱交換用パネルという。)3が取り付けられている。なお、パネルはセグメントなどと呼ばれることもある。
次に具体的な熱交換用パネル3の構成、熱交換用パネル3とパイプ(パネル内流体路)の構成についての形態を説明する。図3は、熱交換用パネルで構成されるトンネル側熱交換部の実施の形態1を示す断面図、図4は、熱交換用パネルで構成されるトンネル側熱交換部の実施の形態2を示す断面図、図5は、熱交換用パネルの孔とパイプとの間にグラウト材を充填した状態を示す断面図である。
図3に示すように、熱交換用パネル3のパネル本体3b内に2本の孔が設けられ、この孔内に耐蝕性を有する金属製やポリエチレン製のパイプ3cが予め設置されている。熱交換用パネル3同士を接続する際に、水等の漏洩がないように密閉された状態で、ジョイントされる構造を有する形態である。トンネル側熱交換部4の長さが所定の長さに到達したら、最後に2本の孔と連通する孔をU字状のものに変えて、第1流体10bが循環可能に構成できるU字型孔を有する熱交換用パネル3を接続するとよい。これにより全体をU字状のトンネル側熱交換部4とし、この熱交換用パネル3のパネル内流体路を介して第1流体10bを循環することでトンネルの地中及び空気と熱交換できる構造のものが形成される。
熱交換用パネル3内に2本の孔がある状況は実施の形態1と同様であるが、この実施の形態2の場合は、図4に示すように、コンクリート等の熱交換用パネル3のパネル本体3dに孔3eを形成したものである。トンネルの長手方向(延長方向)に沿って熱交換用パネル3の孔3eの中心を合わせて設置する。但し、孔3eの中心を合わせて設置する場合、水密性は要求されない。トンネル側熱交換部4を設置すべき長さ(トンネルの工事長さ)が所定の長さに到達したら、2本の孔の中にポリエチレン等の長いパイプ3fを挿入する。先端部に、U字状の孔が形成された熱交換用パネルを設置し、このU字状の孔に弾性変形可能なパイプを挿入し、このU字状パイプとパイプ3f等をジョイント、融着又は接着などしてパイプ間の水密性を確保する。このようにして、2本のパイプ等でU字状のパネル内流体路を有するトンネル側熱交換部4を形成する。
又、トンネル側熱交換部4は、図5に示すように、熱交換用パネル3の孔3eとパイプ3f、U字状の孔と弾性変形可能なパイプとの間に、セメント等のグラウト材5を充填することで熱交換性を向上させたものであってもよい。なお、グラウト材は、ベントナイトに珪素を混ぜたもの、ベントナイト、珪素に少量のセメントを混ぜたものなどであってもよい。
この実施の形態3のトンネル側熱交換部4は、熱交換用パネル3に2本の孔ではなくポリエチレン製のパイプの入る幅の断面U字状の溝を熱交換用パネル3の外側(地山側)又は内側に2本有する構造のものである。熱交換用パネル3を設置する場合は、パイプ同士の位置を合わせて、トンネルに沿って長い断面U字状の溝が形成される。この溝の中にパイプが挿入され、パイプ間をジョイント、融着、接着等することで水密性を確保するとよい。また、トンネル側熱交換部4を設置すべき長さが所定の長さになった時点で、この断面U字状の溝をU字状に形成した熱交換用パネルを設置し、この熱交換パネルの溝内に又はU字状に形成されたパイプ又は弾性変形可能なパイプを設ける。そして、2本のパイプと弾性変形可能なパイプ等との間をジョイント、融合、接着等することで、パイプ間の水密性が確保された流体路が形成される。溝とパイプとの間に、セメント等のグラウト材を充填することで熱交換性をよくするとよい。このようにして、U字状のパネル内流体路を有するトンネル側熱交換部4を設置することができる。なお、内側にU字状の溝を有するものは、溝をパネルカバーで覆うようにするとよい。
実施の形態4のトンネル側熱交換部は、トンネル内の空気温度が高い場合、その空気のもつ熱を利用するためのものである。すなわち、前記した地下鉄のトンネル内の空気の持つ熱を採取するのに好適な部材である。トンネルの空気に接触する部分の熱交換効率をよくするために、熱交換用パネル30にフィンを形成した構造とする。例えば熱交換用パネル30(図12参照)のトンネル内側をフィン付きとする。フィン付きとすると、広い表面積を有するので、熱交換性はよくなる。このフィンは、熱伝導性のよい金属性とするのが好ましい。地下鉄トンネル内、構内に設置する場合は、熱交換効率がよい銅製等のフィンを備えた熱交換用パネルを使用することも可能である。
〔平板用熱交換用パネル〕
図6、図7は平板形の熱交換用パネル20を示す。図6は熱交換用パネル20の正面図、図7は平面図である。この熱交換用パネル20内に2本の孔20aが設けられ、この孔20a内にパイプ20bが設けられている。2本のパイプ20bのうち一方は第1流体10bの往路用パネル内流体路(以下、往路用流体路という。)であり、他方は復路用パネル内流体路(以下、復路用流体路という。)である。この熱交換用パネル20は隣接して複数個接続されるが、その接続側端部は凹凸形状になっている。
図8に示すのは、断面が弧状の熱交換用パネル23の正面図である。平面図は図6と略同様構成であるので省略するが、接続部分24は前述の平板形と全く同様である。この熱交換用パネル23は弧状になっているトンネル内壁1に適用されるので、弧状形状となっている。トンネルの施工においては前述の平板形の熱交換用パネル20、壁パネル3aと組み合わせて使用される。なお、弧状の熱交換パネル23は、前述したトンネル側熱交換部の実施の形態2のように接続部分がないものであってもよい。
図10及び図11は熱伝導性の異なるコンクリートで構成される熱交換用パネル28を示す正面図である。なお、熱交換用パネルは、同じ熱伝導性のコンクリートで製造されていてもよいが、この実施の形態のように熱伝導性の異なる熱交換用パネルにしてもよい。図10において、この熱交換用パネル28は、地山、地盤側(トンネル外面側)を高熱伝導性のコンクリート28aとし、トンネル内面側を低熱伝導性のコンクリート28bとして一体化させたものである。図10は、パイプ28cを高熱伝導性のコンクリート28a側に設けている。図11も図10と同様であるが、高熱伝導性のコンクリート28a側に往路用流体路のパイプ29aを設け、低熱伝導性のコンクリート28b側に復路用流体路のパイプ29bを設けた形態である。高熱伝導性のコンクリート28a内に、少なくとも往路用流体路のパイプ29aを設けることで熱採取を容易にすることができる。なお、熱交換用パネルは、一般のコンクリートと高熱伝導性のコンクリート、一般のコンクリートと低熱伝導性のコンクリートとを一体化したものであってもよい。例えば、地山、地盤側(トンネル外面側)を高熱伝導性のコンクリートとし、トンネル内面側を一般のコンクリートとして一体化させたものなどであってもよい。さらに、熱交換用パネルは、一般のコンクリートと高熱伝導性のコンクリート、一般のコンクリートと低熱伝導性のコンクリートのいずれかで形成されたものであってもよい。
図12は、トンネル内の空気温度が高い場合に適用される熱交換用パネル30である。地山、地盤側を低熱伝導性のコンクリート30aとし、トンネル内面側に高熱伝導性のコンクリート30bとして一体化させたものである。またトンネル内面側の高熱伝導性コンクリート30bはフィン31付きとして構成している。このフィン31はコンクリートと一体のものであってもよいが、熱伝導性のよい金属製の方が効果的である。往路用流体路のパイプ32aは高熱伝導性のコンクリート30b側に設けられ、復路用流体路のパイプ32bは低熱伝導性のコンクリート30a側に設けられている。すなわち、高温の空気温度をフィン31、高熱伝導性のコンクリート30bで第1流体10bへの熱交換が容易になるようにしている。また、温度の低い地山、地盤側の影響を、低熱伝導性のコンクリート30aで受けにくくしている。
図1に従って、トンネル熱利用熱交換システムの実施の形態の説明を行う。
熱交換パネル3で構成されたトンネル側熱交換部4、第1熱交換部10を含む第1熱移動用流体路(以下、第1流体路という。)10aを第1流体10bが循環している。トンネル側熱交換部4のパネル内流体路は、第1流体路10aの一部を形成している。第1流体10bは、ポンプ10cによって循環している。負荷側熱交換部2、第2熱交換部11を含む第2熱移動用流体路(以下、第2流体路という。)11aを第2循環流体(以下、第2流体という。)11bが循環している。第2流体11bは、ポンプ11cによって循環している。第1流体路10aと、第2流体路11aの間には、ヒートポンプ5が設けられている。このヒートポンプ5は公知のものであるが、理解を容易にするため図13をもとに概略を説明する。このヒートポンプ5は道路等の融雪装置、住宅の冷暖房装置、給湯装置等に適用されることが多いものである。
図14に従って、トンネル熱利用熱交換システムの他の実施の形態の説明を行う。前述した実施の形態では、トンネル側熱交換部で熱交換した熱を熱源とする熱交換システムとして、ヒートポンプを利用するシステムで説明を行ったが、トンネル側熱交換部で熱交換した熱を直接利用してもよい。
2,102…負荷側熱交換部
3,20,23,25,30,103…トンネル熱交換用パネル
3a…壁パネル
3b,3d…パネル本体
4,104…トンネル側熱交換部
5…ヒートポンプ
6…熱媒体
10…第1熱交換部
11…第2熱交換部
Claims (10)
- トンネルの壁面に設置される壁パネルと協働してトンネルの周囲壁面を形成するトンネル熱交換用パネルであって、
前記トンネルの地中又は空気と熱交換を行うためのパネル本体と、
このパネル本体に設けられ、前記熱交換された熱を、前記パネル本体から離れた位置に循環流体を介して移動させるための熱移動用流体路の一部を形成するパネル内流体路とを有し、
前記トンネルの長手方向に複数個連続して設置させてトンネル側熱交換部を形成できるようにした
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。 - 請求項1に記載されたトンネル熱交換用パネルにおいて、
前記パネル内流体路は、前記パネル本体に形成された穴に合成樹脂製又は耐蝕性のある金属製のパイプが挿通されているものである
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。 - 請求項1又は2に記載されたトンネル熱交換用パネルにおいて、
前記パネル本体は、前記パネル内流体路の相互の接続部が凹凸部を構成し、相互に差込み接続が可能になっているものである
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。 - 請求項1又は2に記載されたトンネル熱交換用パネルにおいて、
前記パネル本体には、前記パネル内流体路の往路と復路が形成されている
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。 - 請求項1又は2に記載されたトンネル熱交換用パネルにおいて、
前記パネル本体は、内部で前記パネル内流体路の往路と復路が合流し、前記循環流体が向きをかえて循環可能に設けられているのものである
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。 - 請求項1又は2に記載されたトンネル熱交換用パネルにおいて、
前記パネル本体は、高熱伝導性コンクリート、低熱伝導性コンクリート、一般のコンクリートのいずれかで形成されたもの、又は、高熱伝導性コンクリート、低熱伝導性コンクリート、一般のコンクリートの少なくとも2種類が組み合わされて一体化されたものである
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。 - 請求項1又は2に記載されたトンネル熱交換用パネルであって、
前記パネル本体には、フィンが形成され、このフィン近傍の地中又は空気と熱交換するものである
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載されたトンネル熱交換用パネルであって、
前記パネル本体は、平板状又は弧状に形成されているものである
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。 - 請求項1又は2に記載されたトンネル熱交換用パネルをトンネルの長手方向に複数個連続して設置させて構成されるトンネル側熱交換部と、
前記トンネル側熱交換部のパネル内流体路と接続され、前記トンネル熱交換部で前記トンネルの地中又は空気と熱交換された熱を移動させるための循環流体が循環するための熱移動用流体路と、
前記熱移動用流体路を循環する循環流体によって移動させた熱で、熱制御対象物を加熱又は冷却するための負荷側熱交換部とからなっている
ことを特徴とするトンネル熱利用熱交換システム。 - 請求項1又は2に記載されたトンネル熱交換用パネルをトンネルの長手方向に複数個連続して設置させて構成されるトンネル側熱交換部と、
前記トンネル側熱交換部のパネル内流体路と接続され、前記トンネル側熱交換部で前記トンネルの地中又は空気と熱交換された熱を移動させるための第1循環流体が循環する第1熱移動用流体路と、
負荷側熱交換部を加熱又は冷却するため第2循環流体が循環する第2熱移動用流体路と、
前記第1熱移動用流体路と前記第2熱移動用流体路との間に設けられ、前記第1循環流体を熱源として、前記第1循環流体より高温又は低温の前記第2循環流体を造成するヒートポンプとからなっている
ことを特徴とするトンネル熱利用熱交換システム。
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