JP4869145B2 - 地中熱交換システム - Google Patents

Description

本発明は、止水壁による地下水位の変動を抑えるとともに、地中での熱交換効率に優れる地中熱交換システムに関するものである。

地球温暖化などの環境問題が注目されている中、クリーンかつ安全な熱エネルギーとして地中熱の利用が進められている。地中熱は、一年にわたり約１５〜１６℃程度で一定であるため、夏の冷房や、冬の暖房の熱源として活用されている。

地中熱を利用したシステムとしては、建物基礎下部の土中深く打ち込まれたコンクリート基礎杭の内部に冷媒液循環用パイプ等を埋め込み、冷媒液を循環させて基礎杭周辺の地熱を取り込み、熱交換を行い建物の冷暖房給湯の熱源に活用する地熱活用装置がある（特許文献１）。

また、温熱又は冷熱が循環するコイルが埋設された、地中に存在する地下水流の当該コイルより下流側に、少なくとも上流側が開口して不透水層に達する遮水壁を堰状に設けることにより地下水の流動が抑制された淀み部を形成し、当該コイルを当該淀み部に位置せしめるコイル式地中蓄熱法がある（特許文献２）。
特開２００２−３７２３１４号公報 特開２０００−８８４８１号公報

しかし、特許文献１に記載の地熱活用装置で地中でパイプ内を流れる冷媒と熱交換を行うが、地中には通常地下水が流れており、この地下水の流れが非常に遅いため、単位時間、単位面積当たりの地下水との熱交換には限界があるという問題がある。

特に、構造物を建設する際には、地下水の浸入を防ぐための止水壁を設けるが、止水壁が構造物地下を囲むことで、地下水の流入がなく、地下水との熱交換ができない。この場合、パイプは地中の土と熱交換を行うが、土は熱伝導が悪く、熱交換の効率が悪いという問題がある。また、さらに、構造物が遮壁となり、地下水の上流側と下流側での地下水位の差が大きくなり、周辺環境に影響を及ぼす恐れがある。

また、特許文献２にかかる方法は、地下に熱を蓄熱する方法であり、地下水が流れることにより蓄熱効果が落ちることを防ぐため、地下水を堰きとめて、地下水の淀み部を作る方法であるが、淀み部に蓄熱するため、熱交換部位に滞留する水量によって蓄熱量が決定され、単位時間当たり、単位面積当たりの地下水との熱交換には限界があるという問題がある。

また、地下水の流れを堰きとめるため、地下水の上流側と下流側での地下水位の差が大きくなり、周辺環境に影響を及ぼす恐れがある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、地中連続壁による地下水位の変動を抑えるとともに、地中での熱交換効率に優れる地中熱交換システムを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、本発明は、地中において地下水位よりも深い位置まで設けられる地中連続壁と、前記地中連続壁に設けられた通水口と、前記地中連続壁の地下水流下流側の地中に設けられた熱交換手段と、を有し、前記熱交換手段は、前記通水口を通過する地下水流と熱交換を行うことを特徴とする地中熱交換システムである。

前記地中連続壁は、構造物下部の地盤を囲むように設けられた止水壁であり、前記通水口は、地下水流上流側の第１の止水壁に設けられ、前記第１の止水壁と対向するように設けられた第２の止水壁に排水口が設けられ、前記熱交換手段は、前記第１の止水壁と前記第２の止水壁に囲まれた前記構造物下部に設けられてもよい。

前記熱交換手段は、パイプと、前記パイプを覆う透水層と、前記パイプ内を流れる流体と、を有し、前記流体をパイプ内を循環させてもよい。

前記通水口には濾過手段が設けられてもよい。

本発明では、地中連続壁に設けた通水口により、地中連続壁により遮られた地下水を、透水層の厚さ内に流すことができるため、熱交換を行う透水層内での地下水流速を高めることができ、これにより地中での熱交換効率に優れる地中熱交換システムを提供することができる。また、地下水を完全にせき止める事がないため、地中連続壁による地下水位の変動を抑えることもできる。

本発明によれば、地中連続壁による地下水位の変動を抑えるとともに、地中での熱交換効率の向上が図れる地中熱交換システムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は、本実施の形態に係る地中熱交換システムの地中部における斜視図であり、図２は、本実施の形態にかかる地中熱交換システムの全体構成を示す概略図である。構造物１下の地面５下部は、地中連続壁である止水壁３で四方を囲まれている。なお、図１は、手前側の止水壁の図示を省略し、当該止水壁を透視した図である。止水壁３は、構造物１の設置工事において、地下水の影響を防ぐために設けられるものである。

通常、地下水には流れがあるが（図中Ａ方向）、地下水の流れの上流側の止水壁３の下方には、複数の通水口９が設けられる。また、通水口９が設けられた止水壁３と対向する止水壁３（地下水の流れの下流側）の下方には、排水口１５が設けられる。なお、通水口９および排水口１５は、地下水位７よりも下方に設けられる。通水口９、排水口１５については詳細を後述する。

止水壁３に囲まれた構造物１下には、コンクリート１３およびパイプ１１が設けられる。パイプ１１は水平方向に屈曲され、コンクリート１３下において、通水口９および排水口１５とほぼ同じ深さに設置される。

図２に示すように、構造物１下部では、地下水が図中Ａ方向へ流れ、止水壁３の地下水位７より深い位置に設けられた通水口９を通過し、構造物１下のパイプ１１近傍へ流入する。パイプ１１には、圧送装置１７により実質的に熱交換を行う流体が循環される。

パイプ１１近傍に流入した地下水は、パイプ１１内の流体との間で熱交換が行われる。ここで、地下水の温度は、ほぼ一年を通して１５〜１６℃で一定のため、夏における冷房や、冬における暖房の熱源に使用することができる。

熱交換された流体は、ヒートポンプ１８を介して、又は直接に、構造物１の室内に設置された天井輻射パネル２１やファンコイルユニット２３へ送られ、室内を温調する。なお、流体としては、例えば水やブラインが使用できる。

図３は、構造物１下部のパイプ１１設置位置近傍について詳細を示した図である。止水壁３は、構造物１下部の不透水層１７に達する深さまで設けられる。止水壁３で囲まれる構造物１下部には、いわゆる捨てコンであるコンクリート１６が設けられる。

コンクリート１６上には、パイプ１１が設置される。パイプ１１が設置される部位は、砂利層等の透水層１９であるため、地下水が大きな抵抗を受けることなく流れることができる。透水層１９上は、コンクリート１３が設けられる。

通水口９は、止水壁３の透水層１９深さに設けられる。すなわち、通水口９より構造物１下部へ流入した地下水は、パイプ１１が配置された透水層１９を流れ、透水層１９の厚さが、地下水の流路となる。

ここで、地下水の流れは、通常１０^−５ｍ／ｓ程度である。よって、一日に流れる距離は１ｍにも満たず、ほとんど流れがない。よって、このような地下水流中に熱交換器を設置した場合では、地下水量による熱容量等により、単位時間、単位面積当たりの熱交換量には限界がある。このため、より大きな熱交換効率を得るためには、より大きな地下水の流速を得ることが望ましい。

本実施の形態にかかる地中熱交換システムにおいては、熱交換を行う地下水は、熱交換位置であるパイプ１１設置位置に、通水口９より流入する。ここで、通水口９は、地下水位７よりも深い位置に設けられるため、不透水層１７から地下水位７までの地下水量を、通水口９より流入させることができる。

すなわち、止水壁３により遮られた地下水を、透水層１９の厚さ内に流すことができるため、透水層１９を通過する地下水の流速は、通常の地下水流速と比較して著しく向上する。

例えば、構造物１の地下水上流側の地下水位が７ｍであり、地下１０ｍの位置に通水口９および厚さ２０ｃｍの透水層１９を設けた場合は、透水層１９を通過する地下水の流速は、通常の地下水の流速の１５倍程度となる。

図４は、パイプ１１が設置された透水層１９を上方より見た平面図である。透水層１９は、四方を止水壁３で囲まれている。地下水の上流側にあたる止水壁３には、通水口９が複数設けられており、通水口９より透水層１９へ地下水が流入する（図中Ａ方向）。透水層１９には、パイプ１１が屈曲されて配置されており、透水層１９でパイプ１１と地下水との熱伝達により、熱交換が行われる。熱交換を終えた地下水は、通水口９と対面する排水口１５より止水壁３外へ流出する（図中Ｂ方向）。

なお、パイプ１１は例えば外径３０ｍｍ程度の鋼管が使用できる。また、パイプ１１は一本で接続されていなくても良く、複数本のパイプ１１を併設しても良い。一本のパイプ１１が長すぎると、内部を流れる流体の圧損が大きくなるためである。この場合、複数のパイプ１１を透水層１９内に配置して、圧送装置１７近傍において合流させればよい。

図５は、通水口９の拡大図である。図中下方向より地下水が流れ（図中Ａ方向）、通水口９を通過し、透水層１９へ流入する。通水口９には、砂利２５が充填されており、透水層１９側には濾過手段２７が設けられる。

砂利２５は、地下水流により周囲の土砂が通水口９に流入し、通水口９を閉塞させることを防ぐためのものである。濾過手段２７は、例えば金属メッシュあるいは不織布等のフィルターであり、地下水流により、砂利２５あるいは土砂等が透水層１９へ流入することを防ぐためのものである。なお、排水口１５も同様の構造としてもよい。

通水口９は、地下水上流側の止水壁に複数設けられるが、通水口９の個数およびサイズ（すなわち総開口面積）が小さすぎると、地下水の流入時の抵抗が大きくなり過ぎ、地下水の流入量が制限される。さらに、地下水位７に対応する水量を効率よく透水層１９へ導入できず、地下水の一部が構造物１の左右に回り込み、熱交換に有効に利用できる地下水量が減少する。

このため、地下水の流れの抵抗が過大とならぬよう、通水口９の数は多い方が好ましい。また、通水口９は、丸穴形状でなくてもよく、角穴やスリット状であっても良い。通水口９のサイズは、透水層１９や地下水水位にもよるが、例えば２０ｃｍ〜１００ｃｍ程度とすることができる。なお、排水口１５は、通水口９と同サイズ、同数であることが望ましいが、地下水流の抵抗とならない程度にサイズや個数を変えても良い。

以上説明してきたように、本実施の形態によれば、通水口９および排水口１５は、地下水の上流側と下流側にそれぞれ設けられる。このため、止水壁３により生じる、上流側の地下水位と下流側の地下水位との水位差が軽減される。すなわち、構造物１の建設による、地下水上流側の水位上昇と、地下水下流側の水位低下を緩和することができる。よって、構造物１の建設に伴う、周囲環境への悪影響を抑制することができる。

また、止水壁３に設けられた通水口９は、構造物１下部に設けられた熱交換部であるパイプ１１とほぼ同深さに設けられる。このため、効率よく地下水をパイプ１１が設置された透水層１９へ導入させることができる。よって、熱交換を行うパイプ１１は、熱伝導の悪い土と熱交換するのではなく、地下水と熱交換をすることができる。

通水口９は、地下水位７よりも十分に深い位置に設けられ、地下水位７に応じた水量を透水層１９の厚さへ流すことができるため、透水層１９内での地下水流速を高めることができる。このため、従来のような、地下水を堰きとめて熱交換を行う方法や、地下水の自然流速中での熱交換を行う方法に対して、地下水の流速向上に伴う熱伝達率の向上および熱容量の増大により、地下水とパイプ１１との熱交換効率を著しく高めることができる。

通水口９には、砂利２１および濾過手段２７である金属メッシュあるいは不織布等が設けられるため、地下水流に伴う土砂の流入がなく、これによる通水口９の閉塞もない。よって、長期間にわたり、高い熱交換効率が維持される。

このような高効率な地中熱交換システムによれば、夏季および冬季の冷暖房におけるエネルギー消費量の削減に伴うＣＯ_２排出量の削減や、冷房排熱を大気に放出しないことによるヒートアイランド抑制の効果が期待できる。

次に、第２の実施の形態にかかる地中熱交換システムについて説明する。なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態と同一の機能を果たす構成要素については、図１から図５に示した番号と同一の番号を用い、重複した説明を避ける。

図６は、第２の実施の形態にかかる地中熱交換システムの地中部における斜視図であり、図７は第２の実施の形態に係る地中熱交換システムのパイプ１１設置位置近傍の詳細図である。第２の実施の形態にかかる地中熱交換システムは、一般的な地中連続壁３１を利用するものである。地中連続壁３１は、地中において不透水層１７まで達して設けられる。地中連続壁３１としては、例えば、構造物２９等より流出した汚染物が地下水に混入して拡散することを防止するために設けられる地下水浄化構造体や、構造物２９等で使用される地下水の貯水のための地下ダム等である。

地中連続壁３１は、地下水の浄化や地中連続壁３１前後での地下水位差の緩和を目的として、スリット状の通水口９が複数設けられる。通水口９は、地中連続壁３１の地下水下流側へ地下水を流すため、地下水位７よりも深い位置に設けられる。通水口９内には、地下水の浄化のための透水性浄化材や、土砂等の濾過のための砂利等が充填される。また、通水口９の出側には金属メッシュや不織布等の濾過手段２７を設けることもできる。

地中連続壁３１の地下水下流側には透水層１９が設けられ、透水層１９内にはパイプ１１が設けられている。透水層１９下部は不透水層１７であり、また、透水層１９上部は土砂で埋められる。

構造物２９下部を通過した地下水は、地下水流により地中連続壁３１へ流れ（図中Ａ方向）、地中連続壁３１に設けられた通水口９へ流入する。通水口９へ流入した地下水は、透水層１９へ流入し、パイプ１１と熱交換を行う。熱交換後の地下水は、そのまま地下水流として下流側へ流される。

なお、通水口９を通過した地下水の流路は、透水層１９内のみではなく、透水層１９上部の土砂部も含まれる。しかし、透水層１９は砂利等からなるため、周囲の土砂と比較すると地下水流抵抗はきわめて小さく、このため、通水口９を通過した地下水の多くは、周囲土砂に対して透水層１９内を優先して流れる。すなわち、透水層１９内では十分な地下水流速を得ることができるため、良好な熱交換効率を達成することができる。

地下水と熱交換を行ったパイプ１１内部の冷媒は、地上に設けられた図示を省略した圧送装置１７により循環され、ヒートポンプ１８等により熱回収がなされる。なお、本実施の形態においては、実際に熱利用がなされる構造物の位置は、パイプ１１上部の地上に限られない。例えば、地中連続壁３１とは離れた場所に位置する構造物２９等においても、パイプ１１にて熱交換を行った熱を利用することができる。この場合は、パイプ１１を延長し、構造物２９まで配管すればよい。

このように第２の実施の形態にかかる地中熱交換システムによれば、第１の実施の形態にかかる地中熱交換システムと同様の効果を得ることができる。また、構造が簡易であり、上部に構造物がない場合は、既存の地中連続壁を利用することも容易である。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、本実施の形態においては、構造物１は矩形断面形状であり、構造物１の四方を囲むように止水壁３が設けられているが、止水壁３は円形であってもかまわない。この場合、止水壁３の地下水上流側の半円部に通水口９が設けられ、地下水下流側の半円部に排水口１５が設けられればよい。

第１の実施の形態に係る地中熱交換システムの地中部における斜視図。 第１の実施の形態にかかる地中熱交換システムの全体構成を示す概略図。 構造物１下部のパイプ１１設置位置近傍の詳細図。 パイプ１１が設置された透水層１９を上方より見た平面図。 通水口９の拡大図。 第２の実施の形態に係る地中熱交換システムの地中部における斜視図。 第２の実施の形態に係る地中熱交換システムのパイプ１１設置位置近傍の詳細図。

符号の説明

１………構造物
３………止水壁
５………地面
７………地下水位
９………通水口
１１………パイプ
１３、１６………コンクリート
１５………排水口
１７………圧送装置
１８………ヒートポンプ
１９………透水層
２１………天井輻射パネル
２３………ファンコイルユニット
２５………砂利
２７………濾過手段
２９………構造物
３１………地中連続壁

Claims (4)

1. 地中において地下水位よりも深い位置まで設けられる地中連続壁と、
   前記地中連続壁に設けられた通水口と、
   前記地中連続壁の地下水流下流側の地中に設けられた熱交換手段と、
   を有し、
   前記熱交換手段は、前記通水口を通過する地下水流と熱交換を行うことを特徴とする地中熱交換システム。
2. 前記地中連続壁は、構造物下部の地盤を囲むように設けられた止水壁であり、
   前記通水口は、地下水流上流側の第１の止水壁に設けられ、
   前記第１の止水壁と対向するように設けられた第２の止水壁に排水口が設けられ、
   前記熱交換手段は、前記第１の止水壁と前記第２の止水壁に囲まれた前記構造物下部に設けられることを特徴とする請求項１記載の地中熱交換システム。
3. 前記熱交換手段は、
   パイプと、
   前記パイプを覆う透水層と、
   前記パイプ内を流れる流体と、
   を有し、前記流体をパイプ内を循環させることを特徴とする請求項１記載の地中熱交換システム。
4. 前記通水口には濾過手段が設けられることを特徴とする請求項１記載の地中熱交換システム。

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