JP5859731B2 - 地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、水平埋設式地中熱交換器は、垂直埋設式地中熱交換器に比べ、設置費用の削減の可能性が期待されているものであり、敷地面積の狭い場所でも熱交換量を確保して設置できる技術の開発が要望されている。
本発明の目的は、地中浅部の水分を低下させることがなく、十分な熱交換量を確保して熱交換効率を低下させることがない地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置を提供することにある。
本発明1の地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置は、
地面に形成される形状が略長方形状であって、所定の深さに掘削された熱交換用堀と、前記地面より所定の深さの第1深さ位置に、U字部が交互に反対方向を向くように蛇行して形成されている連続U字型流体路、円環状の部位が連続するように形成されている連続ループ型流体路、及び、螺旋状に形成されているスパイラル型流体路から選択される一つの流体路が、水平または略水平に、前記熱交換用堀内の土壌に埋設され、地中と熱交換を行うための循環流体が流通する第1地中熱交換器部と、前記地面と前記第1地中熱交換器部との間に埋設され、前記地中の水分が大気に放出されてしまうことを防止して前記地中の水分を維持するためのシート状水分維持部材とを備え、前記シート状水分維持部材は、不透水性を有するシート状の部材であって、熱により前記土壌中から蒸発する水分を下面側で凝集させ、水滴状になった前記水分を前記土壌に供給して前記水分を前記土壌中に維持し、前記土壌の熱伝導率を維持することで前記土壌の熱交換効率を維持するものであり、前記シート状水分維持部材は、前記熱交換用堀の長手方向に対して直交する妻手方向の鉛直平面で切断した断面において、中央部または中央部近傍が低くなって、地上に降った水分を集水するための集水部を有する形状になっており、前記シート状水分維持部材には、前記集水部に集水された水分を前記地中に浸透させるための浸透口部が、前記集水部の前記長手方向の所定の位置に、一または複数、形成されていることを特徴とする。
前記熱交換用堀には、前記第1深さ位置より深い所定の第2深さ位置に、U字部が交互に反対方向を向くように蛇行して形成されている連続U字型流体路、円環状の部位が連続するように形成されている連続ループ型流体路、及び、螺旋状に形成されているスパイラル型流体路から選択される一つの流体路が、水平または略水平に、前記熱交換用堀内の土壌に埋設され、前記地中と熱交換を行うための循環流体が流通する第2地中熱交換器部が一または複数設けられていることを特徴とする。
前記第1地中熱交換器部の前記流体路と前記第2地中熱交換器部の前記流体路とは、連続に、または、別々に流通する流体路を形成するようになっていることを特徴とする。
〔実施の形態1〕
図1は、本発明の実施の形態1の水平埋設式地中熱交換器装置を採用した地中熱利用ヒートポンプシステムの構成を模式的に示した構成図である。図2は、本発明の実施の形態1の水平埋設式地中熱交換器装置の平面図、図3は、図2をA−A線で切断した水平埋設式地中熱交換器装置の断面図である。図6は、シート状水分維持部材の他の形態1示し、(a)は平面図、(b)は側面図である。図7は、シート状水分維持部材の他の形態2を示し、(a)は断面図、(b)は平面図である。図8は、シート状水分維持部材の他の形態3を示し、(a)は断面図、(b)は平面図である。
図1〜3に示すように、地盤50の地中に、地中熱利用ヒートポンプシステム1の熱交換用堀4が掘削されている。この熱交換用堀4は、所定の深さ(例えば、深さ1.5〜2m)、所定の広さ(例えば、底部の長さ100m*底部の幅1m)の堀であり、バックホー等建設機械で掘られたものである。また、この熱交換用堀4は、熱交換用堀4の長手方向に対して直交する妻手方向(幅方向)の鉛直平面で切断した断面でいうと、底部4b側より地表部4a側が広がった台形形状となっている(図3参照)。なお、熱交換用堀は、略直方体形状に掘られた堀であってもよい。
図1〜3に基づいて、水平埋設式地中熱交換器装置の実施の形態1について説明を行う。この実施の形態1の水平埋設式地中熱交換器装置3には、熱交換用堀4の第1地中深さ位置(例えば、地中深さ1.5m位置)に、折り返し部がU字状の熱交換パイプ(例えば、ポリエチレン製パイプ)が連続したものであって、U字部が交互に反対方向を向くように蛇行している形状に構成されたいわゆる連続U字型の第1地中熱交換器部31が水平、略水平に埋設されている。また、第1地中熱交換器部31の下方側であって、第1地中深さ位置より深い第2地中深さ位置(例えば、地中深さ2.5m位置)には、折り返し部がU字状の熱交換パイプ(例えば、ポリエチレン製パイプ)が連続したものであって、U字部が交互に反対方向を向くように蛇行している形状に構成されたいわゆる連続U字型流体路が形成されている第2地中熱交換器部32が水平、略水平に埋設されている。
地表部(地面)4aと水平埋設された第1地中熱交換器部31との間には、シート状水分維持部材35が埋設されている。シート状水分維持部材35は、地中の水分を大気側に放出させないことで熱交換効率を維持させるものであり、例えば、ビニールシート、ポリエチレンなど合成樹脂製のシートからなるいわゆる「ブルーシート」等であるとよい。なお、シート状水分維持部材は、不透水性を有し、耐候性、耐久性が高く、取り扱いが容易なシート状の部材であればよい。地中浅部の水分は通常雨水により供給されるが、太陽熱、大気熱等により蒸発し土中の水分量は低下する。雨水による水分供給量が減少し、好天が続いた場合、地中浅部の水分は減少(乾燥)し、土壌51の熱伝導率が低下する。また、土壌51の熱伝導率が低下することで熱交換効率も低下する。シート状水分維持部材35は、土壌51中の水分の蒸発により土壌51中の水分量が低下し、熱伝導率が減少する状況を緩和し、土壌51の熱交換効率を維持するために埋設されるものである。
なお、シート状水分維持部材は、シート状水分維持部材の他の形態1として、図6に示すような浸透用穴(浸透用口部)である浸透用楕円穴136が形成されたシート状水分維持部材135であってもよい。また、浸透用穴は、浸透用丸穴、浸透用長穴等であってもよく、雨水、降った水等をシート状水分維持部材の下方側の土壌に供給できる形状のものであればよい。さらに、複数の浸透用溝、浸透用楕円穴、浸透用丸穴、浸透用長穴等は、集水部38近傍に複数列分、所定の間隔毎に、形成されていてもよい。
また、シート状水分維持部材は、シート状水分維持部材の他の形態2として、妻手方向の鉛直平面で切断した断面において楕円弧形状(図7参照)、円弧形状に埋設されたものであってもよい。図7に示すシート状水分維持部材235には、集水部38に浸透用溝236が形成されている。
さらに、シート状水分維持部材は、シート状水分維持部材の他の形態3として、妻手方向の鉛直平面で切断した断面において変形V字形状(図8参照)、W字形状等に埋設されたものであってもよい。図8に示すシート状水分維持部材335には、集水部38に2列の浸透用溝336が形成されている。シート状水分維持部材の埋設形状は、要するに、下面側で土壌中から蒸発した水分を凝集して土壌に戻すことができるとともに、地上に降った水分(雨水等)を集水部に集水し、浸透用溝、浸透用穴等である浸透口部からこの水分(雨水等)をシート状水分維持部材の下方側の土壌に浸透できる形状であればよい。
ヒートポンプ5について、図1に従って説明を行う。
ヒートポンプ5は、第1熱交換部10、第2熱交換部11、圧縮部(圧縮機)8、膨張部(膨張弁)9、熱媒体循環路6a等から構成されている。熱媒体循環路6a内には、融雪、暖房、給湯用の熱源とする場合、熱媒体6が、矢印Q方向に循環している。第1熱交換部10は、第1循環流体10bと熱媒体6との間で熱交換を行なう部位である。すなわち、第1循環流体路10aを循環する第1循環流体10bの熱量を熱媒体6に熱移動させる。第2熱交換部11は、熱媒体6と第2循環流体11bとの間で熱交換を行なう部位である。すなわち、熱媒体6の熱量を第2循環流体11bに熱移動させる。熱移動された第2循環流体11bは、第2循環流体路11aを矢印R方向に循環し、熱制御対象物の負荷側熱交換部2で熱源として利用される。
図4、5に基づいて、水平埋設式地中熱交換器装置の実施の形態2について説明を行う。この実施の形態2の地中熱交換器装置103は、実施の形態1に比べ、第1地中熱交換器部131、第2地中熱交換器部132の形状が異なる形態のものである。なお、この実施の形態2の説明では、前述した実施の形態1と同一の部位には、同一の符号を付与して詳細な説明を省略している。
第1地中熱交換器部131は、ポリエチレンパイプ等の熱交換器が連続したループ管状に形成されたものであり、円環(ループ)の部位が連続するように形成された連続ループ型流体路を構成するものである。第1地中熱交換器部131は、一方の管部131aが、ループ管部を形成しながら一端部131c側から折り返し管部131d側に順次延び、折り返し管部131dで折り返した後、他方の管部131bが折り返し管部131d側から他端部131e側に直線状に戻ってくるように形成されている。図4に示すように、一方の管部131aは、所定の直径Dの円環(ループ)状のループ管部を形成しながら、1ループ毎に、ループ管部が所定の寸法Pずつ、折り返し管部131d側に変位していく構成になっている。
第1地中熱交換器部131の他端部131eと、第2地中熱交換器部132の一端部132cとは連通するように接続されている。第1地中熱交換器部131、第2地中熱交換器部132は第1循環流体路の一部を構成するものであり、第1地中熱交換器部131の一端部131cと第2地中熱交換器部132の他端部132eは、第1熱交換部内の第1循環流体側流体路を含む第1循環流体路に接続されている。すなわち、第1循環流体路が、第1地中熱交換器部131、第2地中熱交換器部132を直列に接続する直列方式となっている。
2…負荷側熱交換部
3、103…水平埋設式地中熱交換器装置
4…熱交換用堀
5…地中熱利用ヒートポンプ
6…熱媒体
8…圧縮部(圧縮機)
9…膨張部(膨張弁)
10…第1熱交換部
10a…第1循環流体路
10b…第1循環流体
11…第2熱交換部
11a…第2循環流体路
11b…第2循環流体
31、131…第1地中熱交換器部
32、132…第2地中熱交換器部
35、135、235、335…シート状水分維持部材
36、236、336…浸透用溝(浸透口部)
136…浸透用楕円穴(浸透口部)
Claims (3)
- 地面に形成される形状が略長方形状であって、所定の深さに掘削された熱交換用堀と、
前記地面より所定の深さの第1深さ位置に、U字部が交互に反対方向を向くように蛇行して形成されている連続U字型流体路、円環状の部位が連続するように形成されている連続ループ型流体路、及び、螺旋状に形成されているスパイラル型流体路から選択される一つの流体路が、水平または略水平に、前記熱交換用堀内の土壌に埋設され、地中と熱交換を行うための循環流体が流通する第1地中熱交換器部と、
前記地面と前記第1地中熱交換器部との間に埋設され、前記地中の水分が大気に放出されてしまうことを防止して前記地中の水分を維持するためのシート状水分維持部材とを備え、
前記シート状水分維持部材は、不透水性を有するシート状の部材であって、熱により前記土壌中から蒸発する水分を下面側で凝集させ、水滴状になった前記水分を前記土壌に供給して前記水分を前記土壌中に維持し、前記土壌の熱伝導率を維持することで前記土壌の熱交換効率を維持するものであり、
前記シート状水分維持部材は、前記熱交換用堀の長手方向に対して直交する妻手方向の鉛直平面で切断した断面において、中央部または中央部近傍が低くなって、地上に降った水分を集水するための集水部を有する形状になっており、
前記シート状水分維持部材には、前記集水部に集水された水分を前記地中に浸透させるための浸透口部が、前記集水部の前記長手方向の所定の位置に、一または複数、形成されている
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置。 - 請求項1に記載された地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置において、
前記熱交換用堀には、前記第1深さ位置より深い所定の第2深さ位置に、U字部が交互に反対方向を向くように蛇行して形成されている連続U字型流体路、円環状の部位が連続するように形成されている連続ループ型流体路、及び、螺旋状に形成されているスパイラル型流体路から選択される一つの流体路が、水平または略水平に、前記熱交換用堀内の土壌に埋設され、前記地中と熱交換を行うための循環流体が流通する第2地中熱交換器部が一または複数設けられている
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置。 - 請求項2に記載された地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置において、
前記第1地中熱交換器部の前記流体路と前記第2地中熱交換器部の前記流体路とは、連続に、または、別々に流通する流体路を形成するようになっている
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの水平埋設式地中熱交換器装置。
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