JP5895306B2 - 地中熱利用のための既製コンクリート杭及び地中熱利用システム - Google Patents

Description

この発明は、地中熱利用のための既製コンクリート杭及び地中熱利用システムに関し、中空杭の内部に熱交換設備を設置して、構造物基礎としてのみならず地中熱を有効に利用する技術に関する。

季節によって変動する外気温に比べて、地中の温度は年間を通して約１５度Ｃと一定であり、この地中熱を例えば夏期には冷熱として冬期には温熱として利用することが従来から行われている。

地中に埋設される基礎杭は本来は構造物を支持するためのものであるが、中空杭の内部空間を利用して熱交換設備を設置することも数多く提案されている。図８は、その一例を示している。図に示す中空杭は上下に金属製の端板５１を有する既製コンクリート杭５０である。近年の杭施工は、プレボーリング工法等の埋込み杭工法が適用され、杭５０の内部空間や杭外周と掘削した杭穴壁５２との間の空隙はソイルセメント５３，５４で満たされている。

杭５０の内部に配置される熱交換パイプ５５は一般にＵ字型のものであり、Ｕ字の先端を境に一方が送り管５５ａ、他方が戻り管５５ｂを形成している。熱交換パイプ５５内の熱媒体は、杭５０の内部を流れる際に熱の授受を行う。具体的には、図に矢印で示すように、熱はソイルセメント５３を介して杭体５０ａや端板５１に流れ、さらにソイルセメント５４を介して周辺地盤５６に流れる。

しかしながら、杭５０が図示の例のようにコンクリート製のものである場合、熱交換パイプ５５と地盤５６との間に介在しているソイルセメント５４及びコンクリート杭体５０ａはいずれも熱伝導性が悪く、鋼管杭を用いる場合に比べて熱交換効率が良くないという問題がある。

特許文献１には、コンクリート杭として先端が閉塞した閉塞杭を用い、内部に熱伝導性の良い材料を充填することが開示されている。しかしながら、閉塞杭の場合は杭の施工性が著しく低下する。また、同文献には充填材料の種類が具体的に開示されていない。

特許文献２には、コンクリート杭の杭体内部（肉厚部分）に熱交換パイプを埋め込む技術が開示されている。しかしながら、そのようなコンクリート杭を製造するには特殊な技術や製造設備が必要であり製造コストが増大するだけでなく、杭体本来の性能にも影響を及ぼすおそれがある。

特開昭６０−８６５９号公報 特開平１１−３３６００８号公報

この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の目的は、杭の施工性に影響を及ぼすことなく、また特殊な技術や製造設備も必要とすることなく、コンクリート杭の熱伝導性を改善し、地盤との熱交換効率を高めることができる地中熱利用のための既製コンクリート杭及び地中熱利用システムを提供することにある。

この発明の発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねたところ、コンクリート杭における上下の端板に着目した。この端板は金属製（一般には鋼製）であって、熱伝導性に優れている。そこで、杭体内周に熱伝導性に優れた熱伝導体を配置して、この熱伝導体を端板に接続すれば、熱の流れが促進されることを見出した。

この発明は上記のような知見に基づくものであって、次のような手段を採用している。 すなわち、この発明は、端部に環状の金属製端板を有する中空の既製コンクリート杭であって、
杭体内周及び外周に杭軸方向に沿って延びる、コンクリートよりも熱伝導性に優れた熱伝導体を設け、その端部を前記端板に接合したことを特徴とする地中熱利用のための既製コンクリート杭にある。

上記構成に加え、前記端板又はこの端板から延びて杭体の端部を覆う補強バンドに熱交換を助長するための金属製部材を設けた構成を採用してもよい。

また、この発明は上記既製コンクリート杭を利用した地中熱利用システムであって、
杭の内部に熱媒体の送り管と戻り管とを形成するＵ字形の熱交換パイプが配置され、前記送り管と戻り管との間に熱伝導体を挟み込んだことを特徴とする地中熱利用システムにある。

さらに、この発明は、既製コンクリート杭を利用した地中熱利用システムであって、
金属製の端板を端部に有して、地盤内に形成された杭穴内に設置される中空の既製コンクリート杭と、
コンクリートよりも熱伝導性に優れ、前記既製コンクリート杭の内周面に杭軸方向に沿って延設されるとともに、端部が前記端板に接合された熱伝導体と、
前記既製コンクリート杭の内部に配置された熱交換パイプと、
前記既製コンクリート杭の内部空間に満たされたソイルセメントと、
前記既製コンクリート杭の外周と前記杭穴壁の間の空隙に満たされたソイルセメントと、を備えており、
前記熱交換パイプ内の熱媒体の熱を前記内部空間に満たされた前記ソイルセメントを介して前記熱伝導体から前記端板に流し、
更に前記端板から前記空隙に満たされた前記ソイルセメントを介して前記地盤に流すことを特徴とする地中熱利用システムにある。

上記地中熱利用システムにおいて、コンクリートよりも熱伝導性に優れ、前記既製コンクリート杭の外周面に杭軸方向に沿って延設されるとともに端部が前記端板に接合された熱伝導体を更に備えており、
前記熱交換パイプ内の熱媒体の熱を前記内部空間に満たされた前記ソイルセメントを介して、前記既製コンクリート杭の内周面に設けられた前記熱伝導体から前記端板に流し、
更に前記端板から前記既製コンクリート杭の外周面に設けられた前記熱伝導体及び前記空隙に満たされた前記ソイルセメントを介して前記地盤に流す構成を採用してもよい。

この発明によれば、コンクリート杭の杭体内周、あるいは、それに加えて杭体外周にも熱伝導体を設けて、これを杭体の金属製端板に接合するという簡単な構成で熱の流れを促進させることができる。これによって、施工性に影響を及ぼすことなく、また特殊な技術や製造設備も必要とすることなく、コンクリート杭の熱伝導性を改善し、地盤との熱交換効率を高めることができる。

この発明による既製コンクリート杭の実施形態を示し、（ａ）は杭軸方向の断面図、（ｂ）は杭軸直角方向の断面図である。 杭端部付近における熱の流れを示す杭軸方向の拡大断面図である。 継手部付近における熱の流れを示す杭軸方向の拡大断面図である。 別の実施形態を示し、（ａ）は杭軸方向の断面図、（ｂ）は杭軸直角方向の断面図である。 この発明による地中熱利用システムの実施形態を示し、（ａ）は杭軸方向の断面図、（ｂ），（ｃ）は杭軸直角方向の断面図である。 熱伝導体の形状例を示す斜視図である。 杭端板に設けた熱交換を助長する部材の実施形態を示す断面図である。 従来例を示す杭軸方向の断面図である。

この発明の実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、この発明の実施形態を示している。コンクリート杭１は中空のものであり、先端は開放している。杭体１ａの上下端部には環状の端板２が設けられている。また杭体１ａの上下部外周には端板２から延びる補強バンド３が設けられている。これら端板２及び補強バンド３はいずれも鋼製のものである。図示の例は、複数本のコンクリート杭１を繋ぎ合わせて地盤に設置する継ぎ杭であり、上下の杭１，１間には継手部４が形成される。継手部４は上下杭の端板２，２どうしを溶接等により接合して形成される。ここで、この発明が適用される既製コンクリート杭には、遠心力高強度プレストレストコンクリート杭（ＰＨＣ杭）、プレストレスト鉄筋コンクリート杭（ＰＲＣ杭）、遠心力鉄筋コンクリート杭（ＲＣ杭）、プレストレストコンクリート杭（ＰＣ杭）のほか、外殻鋼管付き鉄筋コンクリート杭（ＳＣ杭）も含まれる。

杭１，１の内部空間や杭外周と杭穴壁５との間の空隙は、杭施工の際にソイルセメント６，７で満たされている。杭１の内部に配置される熱交換パイプ８は、背景技術の項で説明したように、一般にＵ字型のものであり、Ｕ字の先端を境に一方が送り管８ａ、他方が戻り管８ｂを形成している。以上のような、杭構造及び熱交換パイプ８の配置状態は従来と同様である。

この発明によれば、各杭体１ａの内周に杭軸方向に沿って延びる熱伝導体１０が設けられている。熱伝導体１０は、コンクリートよりも熱伝導性に優れた材料、例えば金属材料からなる。熱伝導性が高い金属材料としては、アルミニウム、鋼、銅などを挙げることができるが、コストの点を鑑みて安価な鋼が用いられる。

熱伝導体１０は、この実施形態では棒状のもの、すなわち鋼棒あるいは鉄筋が用いられ、杭体１ａの周方向に間隔を置いて複数本配置されている。そして、各熱伝導体１０の両端部は杭体１ａの上下に設けられた鋼製の端板２に溶接等により接合されている。熱伝導体１０は、継ぎ杭の場合、全ての杭１，１に亘って配置してもよいが、例えば、温度変化が比較的大きい地表近くの杭を除き、それ以深の杭にのみ配置するというように、一部の杭にのみ配置してもよい。また、熱伝導体１０は、各杭１，１に関してもその全長に亘ってではなく、部分的に配置するようにしてもよい。

図２，図３は上記コンクリート杭１における熱の流れを矢印で示している。図２は、杭の端部付近を示し、図３は継手部付近を示している。熱交換パイプ８内の熱媒体の熱は、ソイルセメント６を介して熱伝導体１０に流れ、この熱伝導体１０を移動して端板２に流れ、さらにソイルセメント７を介して周辺地盤１１に流れる。もちろん、従来と同様に杭体コンクリートにも熱は移動するが、熱伝導体１０は伝導性に優れているので、杭体コンクリートだけの場合に比べて熱の移動が促進される。したがって、熱交換効率を高めることができる。

図４は別の実施形態を示している。この実施形態は、杭体１ａの外周にも熱伝導体１２を設けた例である。熱伝導体１２は、上記実施形態と同様に鋼棒あるいは鉄筋からなり、杭体１ａの周方向に間隔を置いて複数本配置され、これらの熱伝導体１２の両端部は端板２に接合されている。このように、杭体１ａの外周にも熱伝導体１２を設けることにより、熱移動が一層促進される。

図５は、上記のような既製コンクリート杭を用い、さらに熱移動の促進を図った地中熱利用システムの実施形態である。すなわち、熱交換パイプ８の送り管８ａと戻り管８ｂとの間に熱伝導体１３が挟み込まれるように配置してある。熱伝導体１３は、上記で挙げた金属材料からなる熱伝導性が高い金属板、この実施形態では鋼板からなる。熱伝導体１３は、（ｂ）に示すような一文字形あるいは（Ｃ）に示すような十文字形とすることができる。この実施形態によれば、熱交換パイプ８の伝熱面積が拡がるので、熱移動が促進される。

また、熱伝導体１３は熱交換パイプ８を未硬化状態のソイルセメント６中に押し込むための治具とし利用することができる。なお、この実施形態の熱伝導体１３は図４に示した実施形態にも適用できる。

コンクリート杭１に設ける熱伝導体１０は、図６に示すように、種々の形状を採ることができる。（ａ）は図１，図２の実施形態で示したように、熱伝導体１０を棒状のものとした例である。（ｂ）は、熱伝導体１０を複数の棒部材１０ａとリング部材１０ｂとで構成し、かご状のものとした例である。また、（ｃ）は熱伝導体１０を円筒形のものとした例である。なお、これらの形状は、図４に示した杭体外周に配置される熱伝導体１２にも適用できる。

上記のように、端板２は熱伝導の点で重要な役割を担っているが、この端板２やこれに連なる補強バンド３に改良を加えることにより、熱交換を助長してその交換効率を高めることができる。図７はその実施形態を示している。（ａ）は、端板２の端面及び補強バンド３の外周に多数の金属製（鋼製）突起１５を設けた例である。

また、（ｂ）は補強バンド３の外周に周面との間に間隔を置いて金属製（鋼製）の円筒形部材又は部分円筒形部材１６を設けた例である。この部材１６は熱交換効率を向上させるだけでなく、杭穴に杭を建て込む際のスペーサーとしての役割を果たす。これらの突起１５や円筒形部材１６は、杭下端のみだけでなく杭上端や継ぎ杭の場合の継手部にも適用することができ、さらには杭体内周に熱伝導体を配置する場合のみならず、杭体内外周に熱伝導体を配置する場合にも適用することができる。

この発明は上記各実施形態で示した例に限らず、種々の態様を採ることができる。例えば、上記各実施形態ではコンクリート杭を先端開放杭とし、内部にソイルセメントが満たされる場合を示したが、先端閉塞杭として内部に水などの流体を満たすようにしてもよい。また、杭の内部に配置される熱交換設備としては、Ｕ字形の熱交換パイプに限らず、コイル状の熱交換パイプを用いることもできる。

１ 杭
１ａ 各杭体
２ 端板
３ 補強バンド
４ 継手部
６，７ ソイルセメント
８ 熱交換パイプ
１０，１２ 熱伝導体

Claims (5)

1. 端部に環状の金属製端板を有する中空の既製コンクリート杭であって、
   杭体内周及び外周に杭軸方向に沿って延びる、コンクリートよりも熱伝導性に優れた熱伝導体を設け、その端部を前記端板に接合したことを特徴とする地中熱利用のための既製コンクリート杭。
2. 前記端板又はこの端板から延びて杭体の端部を覆う補強バンドに熱交換を助長するための金属製部材を設けたことを特徴とする請求項１記載の地中熱利用のための既製コンクリート杭。
3. 請求項１又は２記載の既製コンクリート杭を利用した地中熱利用システムであって、
   杭の内部に熱媒体の送り管と戻り管とを形成するＵ字形の熱交換パイプが配置され、前記送り管と戻り管との間に熱伝導体を挟み込んだことを特徴とする地中熱利用システム。
4. 既製コンクリート杭を利用した地中熱利用システムであって、
   金属製の端板を端部に有して、地盤内に形成された杭穴内に設置される中空の既製コンクリート杭と、
   コンクリートよりも熱伝導性に優れ、前記既製コンクリート杭の内周面に杭軸方向に沿って延設されるとともに、端部が前記端板に接合された熱伝導体と、
   前記既製コンクリート杭の内部に配置された熱交換パイプと、
   前記既製コンクリート杭の内部空間に満たされたソイルセメントと、
   前記既製コンクリート杭の外周と前記杭穴壁の間の空隙に満たされたソイルセメントと、を備えており、
   前記熱交換パイプ内の熱媒体の熱を前記内部空間に満たされた前記ソイルセメントを介して前記熱伝導体から前記端板に流し、
   更に前記端板から前記空隙に満たされた前記ソイルセメントを介して前記地盤に流すことを特徴とする地中熱利用システム。
5. コンクリートよりも熱伝導性に優れ、前記既製コンクリート杭の外周面に杭軸方向に沿って延設されるとともに端部が前記端板に接合された熱伝導体を更に備えており、
   前記熱交換パイプ内の熱媒体の熱を前記内部空間に満たされた前記ソイルセメントを介して、前記既製コンクリート杭の内周面に設けられた前記熱伝導体から前記端板に流し、
   更に前記端板から前記既製コンクリート杭の外周面に設けられた前記熱伝導体及び前記空隙に満たされた前記ソイルセメントを介して前記地盤に流すことを特徴とする請求項４に記載の地中熱利用システム。

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