JP5145465B1

JP5145465B1 - 地中熱交換システム

Info

Publication number: JP5145465B1
Application number: JP2012009588A
Authority: JP
Inventors: 真司高杉
Original assignee: ジオシステム株式会社
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: JP2013137176A

Abstract

【課題】限られた土地を有効に活用して、地中熱交換を行うことができる地中熱交換システムを提供する。
【解決手段】所定の透水性を有し、地中熱熱交換ユニット１２０が埋設される熱交換器設置溝１５０を建屋の下に配置して、外部から熱交換器設置溝１５０に水を供給する水供給手段３００を設けて、熱交換効率を高める。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱と熱交換させた熱媒体をヒートポンプサイクルに利用する地中熱交換システムに関し、さらに詳しく言えば、限られた土地を有効に利用して、地中熱交換を行うことができる地中熱交換システムに関する。

例えば、特許文献１に記載されている地中熱交換システムでは、地中に埋設された熱交換器に熱媒体を循環させる一次側熱交換回路と、空気調和機などの二次側熱交換回路とを有し、一次側熱交換回路と二次側熱交換回路とを互いに熱的に接続にして、二次側回路で発生した熱と地中熱とを熱交換するようにしている。

ところで、従来の熱交換システムは、地中熱との熱交換を行うための地中熱熱交換器を地中に設けられた熱交換器設置溝の中に埋めている。通常、熱交換器設置溝は、雨などの水が浸透することによって、熱交換効率が高められるため、屋外の地中内に設置されていることが多い。

しかしながら、この種の熱交換システムは、熱交換器設置溝を屋外に敷設するため、必然的に敷設用地が必要となる。そのため、都市部の住居や農業用ハウスなど土地が限られる場所においては、この熱交換システムを組み込むことは、困難であった。

特開２０１０−１９０４３５号公報

そこで、本発明の課題は、限られた土地を有効に活用して、地中熱交換を行うことができる地中熱交換システムを提供することにある。

上述した課題を解決するため、本発明は、所定の熱媒体と地中熱との間で熱交換する地中熱熱交換器を有し、上記地中熱熱交換器にて熱交換された上記熱媒体をヒートポンプ装置との間でさらに熱交換し、上記ヒートポンプ装置を用いて所定の建屋の冷暖房および／または給湯を行う地中熱交換システムにおいて、上記地中熱熱交換器が埋設される熱交換器設置溝が上記建屋の下の透水性を有する地中内に細長いスリット状に形成されており、上記地中熱熱交換器として熱交換チューブを平面的に多列もしくは螺旋状に配設してなる平面型の熱交換器が用いられ、上記熱交換器設置溝内に上記平面型の地中熱熱交換器がほぼ垂直に設置されているとともに、上記地中熱熱交換器に対してその上方から水を供給する給水パイプが配置されており、上記給水パイプに上記建屋の外部から水を供給する水供給手段が接続されていることを特徴としている。

また、本発明において、上記給水パイプに結束体を介して上記地中熱熱交換器が連結されていることが好ましい。

また、上記水供給手段として、上記建屋の外に設けられた雨樋から上記給水パイプに水を送る第１水供給回路および／または貯水タンクに蓄えられた水を上記給水パイプに送る第２水供給回路を備えていることが好ましい。

本発明には、さらに別の態様として、上記建屋の屋根および／または上記建屋の周囲には、太陽光発電パネルが設置されており、上記太陽光発電パネルには、パネル表面に水をまく散水手段と、上記パネル表面に散水された水を回収する水回収手段とが設けられており、上記水回収手段より上記給水パイプに水が供給される態様も含まれる。

本発明によれば、地中熱熱交換器が埋設される熱交換器設置溝を建屋の下の透水性を有する地中内に細長いスリット状として形成し、地中熱熱交換器として熱交換チューブを平面的に多列もしくは螺旋状に配設してなる平面型の熱交換器を用い、熱交換器設置溝内に平面型の地中熱熱交換器をほぼ垂直に設置するとともに、地中熱熱交換器に対してその上方から水を供給する給水パイプを配置し、給水パイプに建屋の外部に設けられている水供給手段から水を供給するようにしたことにより、限られた土地を有効に利用して、熱交換を行うことができる。

また、複数の熱交換器設置溝を互いに平行となるように配置することにより、長方型ハウスなどの下に熱交換器設置溝を効率的に組み込むことができる。また、複数の熱交換器設置溝を放射状に配置することにより、ドーム型ハウスような円形の土地の下に熱交換器設置溝を効率的に組み込むことができる。

上記水供給手段は、上記建屋の外に設けられた雨樋から上記熱交換器設置溝に水を送る第１水供給回路と、水タンクに蓄えられた水を上記熱交換器設置溝に送る第２水供給回路との少なくとも一方を備えていることにより、建屋の下に埋設された熱交換器設置溝に水を供給することができ、熱交換器設置溝でのエネルギー変換効率を高めることができる。

また、太陽光発電パネルの発電効率を上げる方法の１つとして、パネル表面に散水することが知られているが、パネル表面に散水した水を回収して、地中熱熱交換器に供給することにより、排水を有効活用してさらに省エネを図ることができる。

本発明の一実施形態に係る熱交換システムのブロック構成図。上記熱交換システムの平面から見た状態のブロック構成図。地中熱交換器の模式図。熱交換器設置溝の内部構造を示す断面図。（ａ）〜（ｃ）熱交換ユニットの詳細な構成を示す構成図。熱交換器設置溝の変形例を示す断面図。熱交換器設置溝の配置例を示す模式図。（ａ）〜（ｄ）地中熱交換器の敷設手順を説明する説明図。ドーム型ハウスに本発明の熱交換システムを組み込んだ状態の模式図。本発明の第２実施形態に係る熱交換システムのブロック構成図。

次に、本発明の熱交換システムの実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１および図２に示すように、この熱交換システムは、地中熱との間で熱交換を行う一次側熱交換回路１００と、所定のヒートポンプ装置（この例では空気調和機１）の一部に組み込まれる二次熱交換回路２００と、一次側熱交換器１００に水を供給する水供給ユニット３００とを備えている。

一次側熱交換回路１００は、地中に埋設される地中熱熱交換器１１０と、二次熱交換回路２００との間で熱交換を行うための熱交換ユニット１２０と、地中熱熱交換器１１０と熱交換ユニット１２０との間で熱媒体を循環させる循環パイプ１３０とを備えている。循環パイプ１３０には、熱媒体を一方向に循環させるポンプ１４０が設けられている。

この例において、熱媒体は、不凍液を混ぜた水が用いられるが、これ以外に熱伝導性のよい液体があれば、仕様に応じて適宜選択可能である。

図４を併せて参照して、地中熱熱交換器１１０は、農業用ビニールハウス１０の下に敷設された熱交換器設置溝１５０の内部に敷設されている。この例において、熱交換器設置溝１５０は、長さＬ（３００００ｍｍ）、幅Ｗ（８００ｍｍ）の細長いスリット状に開口され、地表面から深さＤ（３０００ｍｍ）まで掘り下げられた底から高さＨ（１５００ｍｍ）の長方形空間に形成されている。

熱交換器設置溝１５０は、その内部に透水性を確保するため砂が充填されている。この例において、熱交換器設置溝１５０には、水はけのよい川砂が充填されているが、これ以外にも例えば砕石など、熱交換器設置溝１５０が透水性を備えることができれば、仕様に応じて任意に選択される。

熱交換器設置溝１５０の上部には、熱交換器設置溝１５０を掘り起こした際に出た残土が充填されている。この例において、残土層（地表面から熱交換器設置溝１５０の上面までの高さ）は１５００ｍｍである。残土層の厚さは、任意に選択されてよい。

図３を参照して、地中熱熱交換器１１０は、２本の中空なメインパイプ１１１，１１２と、メインパイプ１１１，１１２の間に架け渡すように連結された複数の熱交換チューブ１１３とを備えている。

各メインパイプ１１１，１１２はともに、塩化ビニル製の硬質な管材からなり、いずれか一端（メインパイプ１１１は下端、メインパイプ１１２は上端）が閉塞されている。

熱交換チューブ１１３は、合成樹脂製の可撓性を有する細いチューブからなり、その両端が各メインパイプ１１１，１１２の外周に軸線方向に形成された図示しない連通孔に差し込まれ、メインパイプ１１１，１１２の管内同士に連通している。熱交換チューブ１１３のほぼ中間には、熱交換チューブ１１３の並びを整え、かつ撓まないようにするための、補強桟１１４が設けられている。

これによれば、一方のメインパイプ１１１から注入された熱媒体は、熱交換チューブ１１３を通って他方のメインパイプ１１２の下端から吐出され、その際、熱交換チューブ１１３で地中熱との間で熱交換が行われる。

この例において、地中熱熱交換器１１０は、アメリカのマイタルテック社製のハイパーループ（米国登録商標）が好適に用いられている。なお、少なくとも熱交換が行われる構造を備えていればよい。

また、図６に示すように、通常の熱交換チューブ１１０ａを熱交換器設置溝１５０の深さに合わせて螺旋状にした状態で埋設して、その上に給水パイプ１１５を配置するようにしてもよい。このような態様も本発明に含まれる。

また、この例において、熱交換器設置溝１５０は、細長いスリット状に開口されているが、これ以外に、熱交換器設置溝１５０を平面状に開口して、その中に地中熱熱交換器１１０をほぼ水平な状態で配置してもよい。その場合、１つの熱交換器設置溝１５０に対して複数の地中熱熱交換器１１０を積層して配置してもよい。このような態様も本発明に含まれる。

地中熱熱交換器１１０にはさらに、地中熱熱交換器１１０の上部から水を供給する給水パイプ１１５が設けられている。給水パイプ１１５は、塩ビ製のパイプからなり、地中熱熱交換器１１０の上端に架け渡されている。

給水パイプ１１５は、一端が後述する水供給ユニット３００に接続され、他端が閉塞されており、その周縁には軸線方向に沿って一定間隔で水吐出孔１１６が設けられている。給水パイプ１１５は、地中熱熱交換器１１０の熱交換チューブ１１２に結束帯１１７を介して一体的に括り付けられている。

この例において、給水パイプ１１５は塩ビ製のストレート管が用いられているが、水を供給することができればよく、例えば散水用チューブなどがもちいられてもよく、その形態は仕様に応じて任意に変更されてよい。

熱交換ユニット１２０は、図５（ａ）に示すように、所定の冷媒循環回路を有し、一方の凝縮器側に一次冷媒の循環パイプ１３０が接続され、他方の膨張器側に二次熱交換回路２００の循環パイプ２１０が接続されることによって相互の熱交換を行うようになっている。

この例において、熱交換ユニット１２０は、図５（ａ）に示す構成であるが、これ以外に、図５（ｂ）に示すように、熱交換ユニット１２０の放熱器側をダイレクトに屋内に設置して、一次冷媒と二次冷媒とを直接熱交換してもよい。

さらには、図５（ｃ）に示すように、熱媒体を水や冷媒ガスに代えて、空気でおこなうようにしてもよい。熱交換ユニット１２０は、一次側の熱媒体と二次側の熱媒体とが熱交換可能な構成であれば、仕様に応じて任意に設計されてよい。

循環パイプ１３０は、屈曲可能なチューブからなり、循環ポンプ１４０を介して熱媒体が一方向に流れて循環するようになっている。循環パイプ１３０は、内部に熱媒体が搬送可能であれば、その具体的な仕様は任意に選択されてよい。

二次熱交換回路２００は、空気調和機１の熱媒体が循環する冷凍サイクル回路からなる。この例では、空気調和機１の循環パイプ２１０と、ハウス１０内に設置された室内機ユニット２２０とを有し、その一部に熱交換ユニット１２０が組み込まれている。

なお、本発明において、二次熱交換回路２００の具体的な構成は任意であってよく、循環パイプ２１０および室内機ユニット２２０の構成は，仕様に応じて任意に変更されてよい。

水供給ユニット３００は、ハウス１０の外の側面に沿って形成された側溝３１０と、一端が側溝３１０に接続され、他端が上述した給水パイプ１１５に接続される水供給パイプ３２０とを備えている。

これによれば、雨などが降った際の水を側溝３１０に溜めて、水供給パイプ３２０を介して給水パイプ１１５から、ハウス１０の下に埋設された地中熱熱交換器１１０に水を供給することができ、熱交換効率をより一層高めることができる。

また、側溝３１０は、雨が降った際にしか水を溜めることができない。そこで、本発明では、例えば雨水を溜めておく水タンクなどからなる水供給ユニット３３０をさらに備え、そこからポンプ３５０を介して水を給水パイプ１１５に送る第２の水供給パイプ３４０が設けられている。

これによれば、雨が降らない時であっても、定期的に水を地中熱熱交換器１１０の供給することができ、常に熱交換効率の高い運転を行うことができる。なお、水給水ユニット３３０の水タンクは、例えば河川や湖なども含まれてよい。

この例において、熱交換器設置溝１５０はハウス１０下に１ヶ所のみ設けられているが、これ以外に、例えば図７に示すように、ハウス１０の下に複数、この例では４個所の熱交換器設置溝１５０を設けてもよい。複数の熱交換器設置溝１５０の接続方法は、直列回路、並列回路のいずれであってもよい。同様に給水パイプ１１５も直列回路でもよいし、並列回路でもよい。

熱交換器設置溝１５０を複数設けた場合、全てをハウス１０の下に設置する必要は無く、一部をハウス１０（建屋）の外に設置してもよい。その場合、ハウス１０の外壁面に沿って配置することが好ましい。

次に、図８（ａ）〜（ｄ）を参照しながら、地中熱熱交換器１１０の敷設手順の一例について説明する。まず、予め所定の大きさに掘られた熱交換器設置溝１５０に鉄筋や樹脂などからなるポールＰを熱交換器設置溝１５０に沿って等間隔で配置する。

次に、図８（ｂ）に示すように、ポールＰの間に挟むように地中熱熱交換器１１０を熱交換器設置溝１５０にセットしたのち、配管処理を行う。なお、地中熱熱交換器１１０を下に降ろす際、上述した給水パイプ１１５を吊り下げながら地中熱熱交換器１１０を降ろすことにより、真っ直ぐな状態で定位置にセットすることができる。

次に、図８（ｃ）に示すように、地中熱熱交換器１１０が配置された状態で熱交換器設置溝１５０に砂を充填したのち、ポールＰを抜き取る。これにより、図８（ｄ）に示すように、熱交換器設置溝１５０の中央に地中熱熱交換器１１０を立てた状態で綺麗に埋設することができる。

次に、図９を参照しながら、本発明の地中熱交換システムの変形例について説明する。この例において、地中熱交換システムは、ドーム型ハウス１０Ａに組み込まれている。ドーム型ハウス１０Ａは、例えば中心から外側に向かって移動する放射状コンベアの上で野菜を成長させてゆき、最終的に外側に来た野菜を収穫するといった農業用途に用いられている。なお、ドーム型ハウス１０Ａの用途は任意であってよい。

このドーム型ハウス１０Ａの下には、複数の熱交換器設置溝１５０が放射状に配置されている。各熱交換器設置溝１５０にはそれぞれ、地中熱熱交換器１１０が埋設されており、それらは配管１３０により連結されている。

これによれば、ドーム型ハウス１０Ａの下に熱交換器設置溝１５０を放射状に配置することで、限られた土地に熱交換器設置溝１５０を効率的に組み込むことができ、ひいては、効率的な地中熱交換システムが得られる。

この例において、地中熱交換システムは、農業用ハウスの下に敷設する例をとって説明したが、これ以外に、一般家屋や工場などの建屋の下に設置してもよい。さらには、畜産業の牛舎などの下に組み込むこともでき、本発明の熱交換システムは、熱交換器設置溝１５０が建屋の下に敷設されていれば、その他の使用形態も本発明に含まれる。

次に、図１０を参照して、本発明の第２実施形態に係る地中熱交換システムについて説明する。第２実施形態において、地中熱交換システムは、建屋の屋根Ｒの上に太陽光発電装置４００が組み込まれている。なお、上述した第１実施形態と同一もしくは同一と見なされる箇所には同じ参照符号を付し、その説明は省略する。

太陽光発電装置４００は、屋根Ｒの上に設置された太陽光発電パネル４１０と、同太陽光発電パネル４１０の表面に水を散水する散水手段４２０と、太陽光発電パネル４１０に散水された水を回収する水回収手段４３０とを備えている。

太陽光発電パネル４１０は、一般的な太陽光発電に用いられる板状パネルであって、この例では建屋の屋根Ｒの上に設置されている。本発明において、太陽光発電パネル４１０の仕様は、任意に選択可能であり、その設置場所も屋根Ｒ以外に建屋の周辺に設置されていてもよい。

散水手段４２０は、貯水タンク４２１と、貯水タンク４２１の水を送水管４２３を介して圧送するポンプ４２２と、太陽光発電パネル４１０の表面に散水する散水パイプ４２４とを備えている。

この例において、貯水タンク４２１には、水道水が貯められているが、これ以外に雨水などの中水を貯水してもよい。さらには、池や川の水が貯水されていてもよい。散水パイプ４２４は、円筒パイプの一部に水を吐出させる吐出孔を多数備えたものが用いられており、この例では農業用の点滴灌水パイプが用いられている。

散水パイプ４２４は、傾斜して配置された太陽光発電パネル４１０の上流側に配置されており、散水パイプ４２４から散水された水が、太陽光発電パネル４１０の上流側から下流側に向かって自然に流れ落ちるようになっている。

水回収手段４３０は、太陽光発電パネル４１０の下流側に配置された樋４３１と、一端が樋４３１に接続され、他端が熱交換器設置溝１５０の内の給水パイプ１１５に接続される配水管４３２とを備えている。

樋４３１は、いわゆる雨樋からなり、太陽光発電パネル４１０を流れてきた水を効率的に受け止めて、回収するようになっている。この例において、水は樋によって４３１受け止められるようになっているが、水を回収することができれば、これ以外の構成であってもよい。

また、この例において、配水管４３２は、樋４３１と給水パイプ１１５とをダイレクトに接続しているが、回収した水を一端タンクに貯めるような構造であってもよく、回収された水が最終的に熱交換器設置溝１５０内の地中熱熱交換器１１０に供給される構造であれば、その他の変形例も本発明に含まれる。

１空気調和機
１００一次側熱交換回路
１１０地中熱熱交換器
１２０熱交換ユニット
１３０循環パイプ
１５０熱交換器設置溝
２００二次側熱交換回路
３００水供給ユニット
４００太陽光発電装置
４１０太陽光発電パネル
４２０散水手段
４３０水回収手段

Claims

所定の熱媒体と地中熱との間で熱交換する地中熱熱交換器を有し、上記地中熱熱交換器にて熱交換された上記熱媒体をヒートポンプ装置との間でさらに熱交換し、上記ヒートポンプ装置を用いて所定の建屋の冷暖房および／または給湯を行う地中熱交換システムにおいて、
上記地中熱熱交換器が埋設される熱交換器設置溝が上記建屋の下の透水性を有する地中内に細長いスリット状に形成されており、上記地中熱熱交換器として熱交換チューブを平面的に多列もしくは螺旋状に配設してなる平面型の熱交換器が用いられ、上記熱交換器設置溝内に上記平面型の地中熱熱交換器がほぼ垂直に設置されているとともに、上記地中熱熱交換器に対してその上方から水を供給する給水パイプが配置されており、上記給水パイプに上記建屋の外部から水を供給する水供給手段が接続されていることを特徴とする地中熱交換システム。
上記給水パイプに結束体を介して上記地中熱熱交換器が連結されていることを特徴とする請求項１に記載の地中熱交換システム。
複数の上記熱交換器設置溝が互いに平行となるように配置され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システム。
複数の上記熱交換器設置溝が放射状に配置され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システム。
上記水供給手段は、上記建屋の外に設けられた雨樋から上記給水パイプに水を送る第１水供給回路および／または貯水タンクに蓄えられた水を上記給水パイプに送る第２水供給回路を備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の地中熱交換システム。
上記建屋の屋根および／または上記建屋の周囲には、太陽光発電パネルが設置されており、上記太陽光発電パネルには、パネル表面に水をまく散水手段と、上記パネル表面に散水された水を回収する水回収手段とが設けられており、上記水回収手段より上記給水パイプに水が供給されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の地中熱交換システム。