JP5297044B2

JP5297044B2 - 地中熱交換器

Info

Publication number: JP5297044B2
Application number: JP2008002837A
Authority: JP
Inventors: 義仁坂本; 正宏林; 哲君塚; 憲彦小間; 茂利雄橋爪
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2028-01-10
Also published as: JP2009162459A

Description

本発明は、地中熱と熱交換を行うための地中熱交換器に関するものである。

地中熱と熱交換を行うために、地中に中空管を配し、その中空管内部に水を充填するともに、その充填された水（充填水）の内部に循環水配管を挿入してなる地中熱交換器においては、その熱交換は、循環水配管から充填水を媒介して地盤に対して行われている。なお、中空管内部に、空気よりも熱伝導率の高い物質を充填することで、熱交換効率を向上させることができ、上記の水（不凍液を含む）のほかに、砂、コンクリート、モルタルなどが充填されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
特開２００４−１７７０１２号公報特開２００５−３３６８１５号公報特開２００４−２３３０９１号公報特開２００６−０５２５８８号公報

上記のような地中熱交換器では、中空管内部に水を充填した場合、充填水と循環水配管との境界部において、充填水の温度が上昇あるいは下降し、その温度差によって充填水の対流が生じ、一般的に知られる水の熱伝導率より高い熱交換効率が発揮できることをＦＥＭ解析により確認した。しかし、その際に、充填水の蒸発によって、効率の低下が生じ、また、中空管に鋼管を用いた場合、その充填水の溶存酸素によって、鋼管内面の腐食が発生する。その腐食は一般に、内面全体に均一に生じることはなく、腐食の進行によって鋼管壁に孔食を発生させることが知られている。鋼管壁の一箇所でも孔食が生じると、当該部分から充填水が漏出し、熱交換能力の低下が発生する。充填水に不凍液を用いた場合、万が一漏出すると、土壌汚染、地下水汚染を発生させる可能性がある。

この問題に関して、前記特許文献１では、鋼管内部の充填材の一例として水を挙げているが、鋼管内面の腐食に関する課題についての記載がなく、局所腐食による性能低下の問題が課題として残っている。鋼管上部の形態に関する情報も提供されていない。

また、前記特許文献２では、充填水は静止状態ではなく、鋼管杭内部が循環系統として使用されるとともに、上部は雪を投入するため外気に開放される構造となっている。そのため、鋼管内部の水には常に酸素が溶け込む状態であり、局所腐食の問題が生じる。そのため、鋼管内面または外面の少なくとも一方に、防食被覆を施すことが提案されているが、少なくとも鋼管内面に防食被覆が存在しない限り、前述した充填水による局所腐食の問題を解決することができず、コストの大幅な上昇を伴う。

また、前記特許文献３では、鋼管杭内部が循環系統として使用される事例と静止状態の充填水の事例について、熱交換専用杭と基礎杭兼用の形態が示されている。熱交換専用杭の例示では、上部が開放された図が示されており、杭内部の充填水は、常に酸素が溶け込む状態になっている。建築物の基礎杭と兼用した場合については、杭頭とフーチングの一般構造上の納まりから、杭上部がほぼ閉塞された状態を想起させる形態が同文献中の図１０（ａ）に示されているが、循環水配管との取り合い関係の記載がないため、充填水に対する酸素供給遮断の程度が不明であり、同図１０（ｂ）では、上部が開放されていることから、杭上部の閉塞条件が明確でない。即ち、杭の防食は、酸素遮断ではなく鋼管内面または外面の少なくとも一方に、防食被覆を施すことによってなされ、特許文献２と同じ課題が存在する。

また、前記特許文献４では、中空杭内部に、先端を閉塞した地中熱交換用の外管が挿入され、その内部に循環水を充填し、あるいは、循環水パイプを配する形態になっており、中空管内部の充填物の一例として水が挙げられているが、水を充填物とした場合の防食に対する具体的例示はない。特許文献３と課題はほぼ同じである。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、地中に先端を閉塞した中空管を配し、その中空管内部に水を充填するともに、その充填された水（充填水）の内部に循環水配管を挿入してなる地中熱交換器において、充填水の蒸発による熱交換効率の低下と、中空管に鋼管を用いた場合に、充填水の溶存酸素による鋼管内面の腐食を的確に抑止することができる地中熱交換器を提供することを目的とするものである。

上記のような地中熱交換器における鋼管内部の腐食は、充填水中の溶存酸素が大きく作用し、その腐食速度や腐食形態は、溶存酸素濃度によって異なる。溶存酸素濃度が高い場合は、孔食などの局所腐食が発生するが、溶存酸素濃度が一定レベル以下（概ね０．５ｐｐｍ以下）になると、局所腐食から全面腐食にモードが変わり、孔食の発生は抑制されるため、鋼管の平均腐食減量から、寿命予測、あるいは腐食代を考慮した板厚の設計が可能となり、設計供用期間内において、性能を担保することが可能となる。また、初期の酸化皮膜形成時に、充填水の溶存酸素を消費し、その後の酸素の供給を遮断することで、充填水に起因する腐食の進行を停止することができる。

しかし、鋼管の上部が有効に閉塞されていないと、充填水面から常に酸素が供給され、また、充填水に生じる上下方向の対流により、鋼管内部全体に酸素が供給されることになり、局所腐食発生を予測して対処することは、実質的に不可能である。また、上部から充填水が蒸発することにより熱交換効率の低下が生じるため、その蒸発を防止する必要がある。

本発明は、上記のような観点に基づいて、以下のような特徴を有している。

［１］下端が閉塞され、かつ、上端が地表面上あるいは地表面以下に配されて地中に貫入している中空管と、該中空管の内部に充填された充填水と、金属製もしくは樹脂製であって、前記充填水の内部に挿入され、前記中空管のほぼ下端の位置で折り返している循環水用配管とを備えた地中熱交換器において、前記中空管の上端に、前記中空管よりも小径のガイド管が接続され、かつ、充填水の水面が当該ガイド管内に位置しているともに、前記充填水の水面の上部が密閉状態で閉塞されていて、前記充填水の水面の上部空間の水蒸気圧が飽和状態に保持されることを特徴とする地中熱交換器。

［２］前記充填水の水面の上方に位置する中空管の上端がキャップで覆われることで、前記充填水の水面の上部が閉塞されていることを特徴とする前記［１］に記載の地中熱交換器。

［３］前記充填水の水面の上方に位置する中空管の上端に、前記循環水用配管の形状を形抜きしたキャップがはめ込まれ、かつ、該キャップと前記循環水用配管との隙間が隙間充填材で密閉されることで、前記充填水の水面の上部が閉塞されていることを特徴とする前記［１］に記載の地中熱交換器。

［４］前記充填水の水面が比重１未満の材料で覆われていることで、前記充填水の水面の上部が閉塞されていることを特徴とする前記［１］に記載の地中熱交換器。

［５］前記比重１未満の材料が発泡樹脂であることを特徴とする前記［４］に記載の地中熱交換器。

［６］前記発泡樹脂がウレタンフォームであることを特徴とする前記［５］に記載の地中熱交換器。

［７］前記比重１未満の材料が油であることを特徴とする前記［４］に記載の地中熱交換器。

［８］前記油がシリコーン系オイルであることを特徴とする前記［７］に記載の地中熱交換器。

本発明の地中熱交換器においては、充填水の水面の上部が閉塞されているので、充填水の上部空間（閉塞空間）で蒸発しても、その後水蒸気圧が飽和状態となり蒸発が停止する。中空管内の水分量は変わらないため、補給水なしに水位変化を最小化することができるとともに、中空管に鋼管を用いた場合、高湿度環境下で空間部の鋼管内面の酸化によって酸素を消費することによって、その後の酸素供給を遮断し、鋼管の腐食の進行を停止させることができる。また、充填水への酸素供給が遮断されるので、充填水に接触する鋼管内面のごく軽微な酸化皮膜形成によって充填水内の溶存酸素が消費されるため、充填水中の溶存酸素に起因する腐食の進行を停止させることができる。その結果、局所腐食の発生を抑制し、充填水の漏洩がなく、地中熱交換器の能力維持、環境汚染リスクを排除することができる。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る地中熱交換器を示すものである。

この実施形態に係る地中熱交換器においては、所定寸法（例えば、外径７インチ、板厚９ミリ、長さ１８メートル）の鋼管（鋼管杭）１１の先端（下端）に、その半径より所定寸法（例えば、１００ミリ程度）だけ大きな所定板厚（例えば、１２ミリ）の鋼製円盤を２分割して製作した一対の鋼製半円盤１２をそれぞれ対象形に所定角度（例えば、１４度）傾けて溶接接合して、鋼管（鋼管杭）１１の先端（下端）を閉塞した後、その鋼管（鋼管杭）１１を地盤１０に回転貫入し、その鋼管１１の後端（上端）を地盤面（地表面）１０ａから所定寸法（例えば、７０センチ）だけ上方になる位置で打ちとめる。続いて、先端がＵ字形状に折り返した所定径（例えば、外径２５ミリ）の循環水パイプ（合成樹脂製配管または金属製配管）１４を鋼管１１の先端近傍まで挿入し、その後端（始端部と終端部）を水冷式ヒートポンプの熱交換器（図示せず）に接続する。続いて、鋼管１１の内部に水１３を充填する。この充填水１３の水面１３ａの高さ位置は鋼管１１の上端位置近傍とする。

その上で、この実施形態においては、鋼管（鋼管杭）１１の上端に、循環水パイプ１４の形状を形抜きしたプラスチック製または金属製のキャップ１５をはめ込み、その隙間をシーリング材（隙間充填材）１６を用いて密閉する。これによって、充填水１３の水面１３ａの上部が閉塞された状態となる。

このようにして、この実施形態に係る地中熱交換器においては、充填水１３の水面１３ａの上部がキャップ１５によって閉塞されているので、充填水１３の上部空間（閉塞空間）で蒸発しても、その後水蒸気圧が飽和状態となり蒸発が停止する。鋼管１１内の水分量は変わらないため、補給水なしに水位変化を最小化することができるとともに、高湿度環境下で空間部の鋼管１１内面の酸化によって酸素を消費することによって、その後の酸素供給を遮断し、鋼管１１の腐食の進行を停止させることができる。また、充填水１３への酸素供給が遮断されるので、充填水１３に接触する鋼管１１内面のごく軽微な酸化皮膜形成によって充填水１３内の溶存酸素が消費されるため、充填水１３中の溶存酸素に起因する腐食の進行を停止させることができる。その結果、局所腐食の発生を抑制し、充填水１３の漏洩がなく、地中熱交換器の能力維持、環境汚染リスクを排除することができる。

なお、この実施形態では、鋼管１１の上端が地表面１０ａより上方の位置になるようにしているが、鋼管１１の上端が地表面１０ａより下方の位置になるようにしてもよい。

この実施形態のように、鋼管１１の上端が地表面１０ａより上方の位置し、鋼管１１の上端部が地上に露出する場合は、地上に露出する鋼管部分の断熱等、日射や外気変動の影響を受けにくい構造とすればよい。具体的には、図１に示すように、ウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリエチレンフォーム、フェノールフォーム、グラスウール、ロックウール等の断熱材（断熱被覆材）１７を、当該鋼管部分の外面に施工し、必要に応じて、輻射低減のため、アルミ箔１８で被覆する。断熱材１７の厚さは、２０ミリ以上が望ましいが、外乱の大きさ、許容量によってその施工の有無、材料、厚さを設計する。キャップ１５も、鋼管１１の露出部分と同じく断熱材１７等を施工すればよい。ただし、例えば屋内に鋼管上端部が露出する場合は、鋼管上端部の断熱等の一部、あるいは全部を省略してもよい。循環水パイプ１４の横引き配管部分も必要に応じて断熱措置を行い、必要に応じて、制御バルブを入れてよい。

また、発明者らの検証実験では、キャップ１５から地盤面１０ａまでの範囲に断熱材を施工し、さらに地盤面１０ａの日射遮蔽を併用すると、より外乱の少ない安定した性能を確保できる。また、キャップ１５から充填水１３の水面１３ａまでの空隙部分に断熱材等の充填材を施工してもよい。

そして、上記のように構成したこの実施形態に係る地中熱交換器は、単独で用いても、直列に複数を接続しても、あるいは並列に接続してもよく、直線状に配置しても、群杭状に、複数をまとめて配置してもよい。これらの本数に制限はないが、３本を群杭状に配置して直列に接続し、循環水量を毎分１０リットル程度とした場合、杭１メートルあたり、５０ワット以上の冷房出力が発揮できる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る地中熱交換器を示すものである。

この第２の実施形態に係る地中熱交換器は、基本的な構成は、上記の第１の実施形態に係る地中熱交換器と同じであるが、図２に示すように、第１の実施形態における鋼管１１の上端部に、所定寸法（例えば、５インチ）の孔を設けた円盤状の鋼製蓋２０を取り付け、その鋼製蓋２０の孔に所定寸法（例えば、外径５インチ、長さ１メートル）のガイド用鋼管２１を接続している。これらは溶接接合されて水密な状態となっている。なお、充填水１３の水面１３ａはガイド用鋼管２１の内部に位置し、より望ましくは、ガイド用鋼管２１の上端部近傍である。

このようにして、この実施形態に係る地中熱交換器においては、小径のガイド用鋼管２１を鋼管１１に接続し、そのガイド用鋼管２１の部分まで水を充填するようにしているので、空気との接触面積が減少して、より効果を高めることができる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る地中熱交換器を示すものである。

第３の実施形態に係る地中熱交換器の基本的な構成は、上記の第１の実施形態に係る地中熱交換器と同じであるが、この第３の実施形態に係る地中熱交換器においては、図３に示すように、第１の実施形態におけるキャップ１５に替えて、充填水１３の水面１３ａを現場発泡樹脂層３１で覆うことで、充填水１３の水面１３ａの上部を閉塞するようにしている。

この場合、充填水１３の水面１３ａの高さ位置は、上端より発泡樹脂（発泡樹脂層）３１の厚さ分を減じた位置とし、発泡樹脂３１を隙間なく充填する。発泡樹脂層３１の厚さは、特に規定しないが、断熱性、気密性の維持を考慮すると、２０ミリ以上が望ましく、循環水パイプ１４のメンテナンス、交換を考慮して、例えば１００ミリ程度に上限を設定することが望ましい。

このように、この実施形態においては、充填水１３の水面１３ａ近傍あるいは水面１３ａ上で閉塞するようにしているので、水面１３ａ上部の空気量を減らし、閉塞後の酸素供給量を最小化できる。さらに、現場発泡樹脂３１を使用しているので、循環水ハイプ１４周囲の隙間の充填等も容易になり、より防食効果を高めることができる。また、発泡樹脂３１を加熱することによって切断あるいは溶解させて除去することが容易である。

なお、充填水１３の水面１３ａの高さ位置を低くし、発泡樹脂層３１を形成後、第１の実施形態において述べたように、その上部空間に断熱材を充填し、鋼管１１の上端にキャップ１５を取り付けてもよい。その際、発泡樹脂層３１で空気を遮断しているので、キャップ１５と鋼管１１との隙間あるいはキャップ１５と循環パイプ１４との隙間のシール処理は任意である。

また、現場発泡樹脂３１として、現場発泡ウレタンを使用すると、隙間充填効果に加えて、鋼管１１上部の断熱効果を高めることができ、日射や外気温の影響による熱交換効率の低下を抑制することができる。

なお、ここでは、第１の実施形態の一部を変更しているが、もちろん、前述の第２の実施形態の一部を同様に変更することもできる。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る地中熱交換器を示すものである。

第４の実施形態に係る地中熱交換器の基本的な構成は、上記の第１の実施形態に係る地中熱交換器と同じであるが、この第４の実施形態に係る地中熱交換器においては、図４に示すように、第１の実施形態におけるキャップ１５に替えて、充填水１３の水面１３ａを油膜層３２で覆うことで、充填水１３の水面１３ａの上部を閉塞するようにしている。すなわち、鋼管１１の内部に充填水１３を充填後に油脂３２を充填して、充填水１３の水面１３ａ上に油膜層３２を形成し、充填水１３の蒸発を抑えるものであり、酸素供給も抑制できる。

その際に使用する油脂３２は、シリコーン系オイルが、防火上や、油膜の耐久性上好ましいが、使用環境に応じて、その他の鉱物油、化学合成油等を任意に選択する。

このように、この実施形態においては、充填水１３の水面１３ａ上に油膜層３２を形成するようにしているので、水面１３ａ上部の空気量を減らし、閉塞後の酸素供給量を最小化できる。さらに、油脂３２を用いているので、施工が容易で、かつ、水面１３ａからの充填水の蒸発も抑制するため、熱交換能力を長期にわたって維持することができる。

そして、上記の第３の実施形態と第４の実施形態において、現場発泡樹脂３１や油脂３２を例示したが、充填水１３の水面１３ａ上に施工する際に、比重が１未満の材料を選択することで、水面１３ａ上に容易に被膜を形成することができ、施工を確実に行うことができる。

なお、上述した第１〜第４の実施形態においては、中空管とガイド管に鋼管（鋼管１１とガイド用鋼管２１）を用いた例を示したが、コンクリート管、合成樹脂管、その他の金属管を用いてもよい。

本発明の第１の実施形態を示す図である。本発明の第２の実施形態を示す図である。本発明の第３の実施形態を示す図である。本発明の第４の実施形態を示す図である。

符号の説明

１０地盤
１０ａ地表
１１鋼管
１２鋼製半円盤
１３充填水
１３ａ充填水の水面
１４循環水パイプ
１５キャップ
１６隙間充填材
１７断熱被覆材
１８アルミ箔
２０鋼製蓋
２１ガイド用鋼管
３１発泡樹脂層
３２油膜層

Claims

下端が閉塞され、かつ、上端が地表面上あるいは地表面以下に配されて地中に貫入している中空管と、該中空管の内部に充填された充填水と、金属製もしくは樹脂製であって、前記充填水の内部に挿入され、前記中空管のほぼ下端の位置で折り返している循環水用配管とを備えた地中熱交換器において、前記中空管の上端に、前記中空管よりも小径のガイド管が接続され、かつ、充填水の水面が当該ガイド管内に位置しているともに、前記充填水の水面の上部が密閉状態で閉塞されていて、前記充填水の水面の上部空間の水蒸気圧が飽和状態に保持されることを特徴とする地中熱交換器。
前記充填水の水面の上方に位置する中空管の上端がキャップで覆われることで、前記充填水の水面の上部が閉塞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器。
前記充填水の水面の上方に位置する中空管の上端に、前記循環水用配管の形状を形抜きしたキャップがはめ込まれ、かつ、該キャップと前記循環水用配管との隙間が隙間充填材で密閉されることで、前記充填水の水面の上部が閉塞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器。
前記充填水の水面が比重１未満の材料で覆われていることで、前記充填水の水面の上部が閉塞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器。
前記比重１未満の材料が発泡樹脂であることを特徴とする請求項４に記載の地中熱交換器。
前記発泡樹脂がウレタンフォームであることを特徴とする請求項５に記載の地中熱交換器。
前記比重１未満の材料が油であることを特徴とする請求項４に記載の地中熱交換器。
前記油がシリコーン系オイルであることを特徴とする請求項７に記載の地中熱交換器。