JP7316686B2 - 熱利用装置 - Google Patents

Description

本発明は、貯留槽に貯留した熱媒体流体の熱を利用する熱利用装置に関するものである。

特許文献１に記載の地下水熱利用設備では、地面に埋め込まれたトグロ管状の循環密閉
回路式融雪設備に地下水を循環させ、融雪などに用いるようにしている。

特開２００６－００９３３５公報

ところで、上記循環密閉回路式融雪設備は、地面の温熱や冷熱を集熱するのにも利用することができる。しかしながら、従来構造の循環密閉回路式融雪設備をそのまま集熱に用いた場合には、集熱能力の不足が懸念される。

このような課題に鑑みて、本発明は、以下の構成を具備するものである。
ブラインである熱媒体流体を貯留した熱媒体流体貯留槽と、前記熱媒体流体貯留槽から吸入するブラインである前記熱媒体流体の熱を外部熱と熱交換して前記熱媒体流体貯留槽へ戻すように配管接続された集熱配管系統と、前記熱媒体流体貯留槽から吸入したブラインである前記熱媒体流体を利用機器に通過させて前記熱媒体流体貯留槽へ戻すように配管接続された利用配管系統とを具備し、
前記集熱配管系統は、ブラインである前記熱媒体流体を流すものであり、地中に埋め込まれた地中熱交換器に、外気に曝された外気熱交換器を接続し、ブラインである前記熱媒体流体を前記熱媒体流体貯留槽へ戻すものであり、前記熱媒体流体貯留槽は、地中に埋め込まれた外側筒部と、この外側筒部に内在された内側筒部とを具備して二重筒状に構成され、前記外側筒部の周壁には、内外に貫通する通水路が設けられ、前記内側筒部と前記外側筒部の間には、前記通水路を介して流入する地下水を貯留する地下水貯留室が設けられ 、前記内側筒部は、内側の空間を、前記熱媒体流体を貯留する熱媒体流体貯留室とし、この熱媒体流体貯留室と前記地下水貯留室とを水密に仕切っており、前記内側筒部と前記外側筒部の間には、その上端側に断熱材が設けられ、前記断熱材よりも下方側に前記地下水貯留室及び前記通水路が設けられていることを特徴とする熱利用装置。

本発明は、以上説明したように構成されているので、集熱能力を効果的に向上することができる。

本発明に係る熱利用装置の一例を模式的に示す縦断面図である。 同熱利用装置における外気熱交換器の一例を示す正面図である。 外気熱交換器の他例を示す正面図である。

本実施の形態では、以下の特徴を開示している。
第１の特徴は、熱媒体流体を貯留した熱媒体流体貯留槽と、前記熱媒体流体貯留槽から吸入する熱媒体流体の熱を外部熱と熱交換して前記熱媒体流体貯留槽へ戻すように配管接続された集熱配管系統と、前記熱媒体流体貯留槽から吸入した熱媒体流体を利用機器に通過させて前記熱媒体流体貯留槽へ戻すように配管接続された利用配管系統とを具備し、前記集熱配管系統は、地中に埋め込まれた地中熱交換器に、外気に曝された外気熱交換器を接続している（図１及び図２参照）。

第２の特徴として、前記外気熱交換器は、地中に埋め込まれた地中管部と、前記地中管部に連通状に接続されるとともに外気に曝された露出管部とを有し、その管内に前記熱媒体流体を流通する（図１及び図２参照）。

第３の特徴として、前記露出管部は、鉛直状に立ち上がった管状に形成されている（図１及び図２参照）。

第４の特徴として、前記熱媒体流体貯留槽は、地中に埋め込まれた外側筒部と、この外側筒部に内在された内側筒部とを具備して二重筒状に構成され、前記外側筒部の周壁には、内外に貫通する通水路が設けられ、前記内側筒部と前記外側筒部の間には、前記通水路を介して流入する地下水を貯留する地下水貯留室が設けられ、前記内側筒部は、内側の空間を、前記熱媒体流体を貯留する熱媒体流体貯留室とし、この熱媒体流体貯留室と前記地下水貯留室とを水密に仕切っている（図１参照）。

第５の特徴として、前記内側筒部と前記外側筒部の間には、その上端側に断熱材が設けられ、前記断熱材よりも下方側に前記地下水貯留室及び前記通水路が設けられている（図１参照）。

＜具体的実施態様＞
次に、上記特徴を有する具体的な実施態様について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る熱利用装置の一例を示している。
この熱利用装置は、地下に埋め込まれるとともに熱媒体流体Ｂを貯留した熱媒体流体貯留槽１と、熱媒体流体貯留槽１から吸入した熱媒体流体Ｂを外部熱と熱交換して熱媒体流体貯留槽１へ戻すように配管接続された集熱配管系統２と、熱媒体流体貯留槽１から吸入した熱媒体流体Ｂを利用機器Ｘに通過させて熱媒体流体貯留槽１へ戻すように配管接続された利用配管系統３とを具備し、地下水及び集熱配管系統２によって温度調整された熱媒体流体Ｂの熱を利用配管系統３にて利用する。

熱媒体流体貯留槽１が埋設される地中は、不透水層及び帯水層を有する。帯水層は、上下の不透水層の間に形成される水を含んだ地層であり、例えば、砂層、礫層などの多孔質浸透性の未固結地層、または割れ目を有した砂岩、礫岩、稀に玄武岩、分散した溶岩が重なり合った火成岩層、あるいは多孔質、空洞のある石灰岩の層等によって構成される。図示例の熱媒体流体貯留槽１は、不透水層及びその下側の帯水層に挿通されるようにして埋設される。

熱媒体流体貯留槽１は、地中に埋め込まれた外側筒部１２と、この外側筒部１２に内在された内側筒部１１とを具備して二重筒状に構成される。
この熱媒体流体貯留槽１は、内側筒部１１内に熱媒体流体Ｂを貯留するための熱媒体流体貯留室１Ａを確保するとともに、内側筒部１１の外周面と外側筒部１２の内周面との間に、通水路１２ａを介して流入する地下水を一時的に貯留する地下水貯留室１Ｂを確保している。

内側筒部１１は、円筒状の周壁部とその下端の底部とから有底筒状に形成される。内側筒部１１の周壁部は、例えば、金属製パイプを上下方向へ複数連結することで構成される。
内側筒部１１の周壁部及び底部は、熱媒体流体貯留室１Ａと地下水貯留室１Ｂとを水密に仕切っている。内側筒部１１の上端部は、円盤状の蓋部材１３によって閉鎖されている。

内側筒部１１内には、熱媒体流体Ｂが貯留される。
熱媒体流体Ｂは、防食不凍液であり、ブライン等と呼称される場合もある。この熱媒体流体Ｂには、例えばエチレングリコール等を主成分としたブライン不凍液を用いればよいが、水やその他の液体を用いることも可能である。

また、外側筒部１２は、内側筒部１１の外径よりも大きい円筒状の周壁部の下端を底部により閉鎖した有底筒状に形成される。
この外側筒部１２と内側筒部１１の間には、その上部側に断熱材１４が設けられ、断熱材１４よりも下の空間が地下水貯留室１Ｂになっている。

外側筒部１２の周壁部には、周方向に間隔を置いて複数の通水路１２ａが設けられる。
各通水路１２ａは、断熱材１４よりも下側にて、上下方向へわたって外側筒部１２の周壁部を貫通するスリット状に形成される。
この通水路１２ａは、図示例によれば、地中における不透水層からその下側の帯水層に跨る長尺状に形成され、外側筒部１２の周方向に間隔を置いて複数設けられる。
各通水路１２ａの周方向の幅は、外側筒部１２周囲の礫（小石）等を通過させ難いように適宜に設定される。

断熱材１４は、内側筒部１１と外側筒部１２の間における上端側に、隙間がないように、円筒状に設けられる。
この断熱材１４は、不透水層中において外気温の影響を受け易い深度（外気温干渉深度）以内に設けられる。
図示例によれば、熱媒体流体貯留槽１の全長が５０～１００ｍ程度であり、断熱材１４の全長（深さ方向の寸法）ｄは約１０ｍである。
断熱材１４の材質は、水を吸収しない材料であることが好ましく、例えば、発泡ポリスチレンや、ウレタンフォーム等の発泡プラスチック系断熱材等とすればよい。
上記構成の断熱材１４によれば、熱媒体流体貯留槽１内の熱媒体流体Ｂが外気温の影響を受けて温度変動するのを防ぐことができる。

集熱配管系統２は、地中に埋め込まれた地中熱交換器２５に、外気に曝された外気熱交換器２０を直列に接続しており、内側筒部１１内の熱媒体流体Ｂを、比較的上層側で吸入し、地中熱交換器２５及び外気熱交換器２０によって熱交換した後に、内側筒部１１内に戻す。

詳細に説明すれば、集熱配管系統２は、内側筒部１１内にて吸入口２ａから上方へ延設され蓋部材１３を貫通し地表寄りの地中熱交換器２５まで延設された往管２ｂ、この往管２ｂの途中に設けられて管内の熱媒体流体Ｂを強制搬送するポンプＰ、外気熱交換器２０を通過した熱媒体流体Ｂを内側筒部１１内へ戻す還管２ｃ等を具備する。

図１に示す一例によれば、往管２ｂの吸入口２ａは、内側筒部１１内に貯留された熱媒体流体Ｂの上層寄りに位置する。そして、還管２ｃの吐出口は、内側筒部１１内において熱媒体流体Ｂの液面よりも上側に位置する。

地中熱交換器２５は、例えばトグロ状等に巻かれた管体であり、その周壁の内部に熱媒体流体Ｂを流通するとともに、周壁外面を地中に接している。
なお、図１によれば、地中熱交換器２５は、縦方向（地中の深さ方向）にトグロ状に巻かれているが、これは地中熱交換器２５の構造を模式的に示すものであり、実際の地中熱交換器２５は、地表近くで略水平にトグロ状に巻かれており、冬場は路面の融雪装置として利用可能である。
また、地中熱交換器２５は、トグロ状以外に、例えばヘアピンコイル状（外気熱交換器２０と略同形状）に形成してもよい。

外気熱交換器２０は、熱交換部２１と、この熱交換部２１を支持する支持体２２とを具備し、搬送可能な一体状に構成される。
この外気熱交換器２０は、その一部または全部が、地中熱交換器２５の真上に位置するように設けられ、特に好ましい一例の外気熱交換器２０は、地中熱交換器２５の水平方向の設置面積中に含まれるようにして地中熱交換器２５の上方側に配置される。

熱交換部２１は、水平方向へ間隔を置いて鉛直状に設けられた複数の直管部２１ａと、これら直管部２１ａの上端と下端を交互に接続するヘアピン管部２１ｂとを具備し、地中に埋め込まれた地中管部２０ａと、前記地中管部に連通状に接続されるとともに外気に曝された露出管部２０ｂとを有するとともに、上下に蛇行する一体管状に構成される。
熱交換部２１の上流側端部は、地中熱交換器２５を構成する配管の下流側端部に連通状に接続され、熱交換部２１の下流側端部は、還管２ｃに連通状に接続される。
この熱交換部２１の高さ寸法Ｈは、例えば、５ｍ程度に設定される。

地中管部２０ａは、直管部２１ａの下端側部分と、下側のヘアピン管部２１ｂ等により構成され、地中に埋め込まれている。
露出管部２０ｂは、直管部２１ａの地表面よりも上側の部分と、上側のヘアピン管部２１ｂにより構成され、外気に晒される。

支持体２２は、図２に示すように、矩形状の枠体２２ａと、枠体２２ａの外周に固定された複数の吊持具２２ｂと、枠体２２ａ内を覆うようにして周縁側が枠体２２ａに止着された網状部材２２ｃとを備え、網状部材２２ｃに、熱交換部２１を固定している。

この支持体２２は、下端側が地中に埋め込まれて鉛直状に立設され、熱交換部２１を鉛直状に支持するとともに、網状部材２２ｃの網目に空気を流通させて、熱交換部２１の熱交換作用を促進する。
また、吊持具２２ｂは、アイボルトやＵ字ボルト等により構成される。この吊持具２２ｂには、外気熱交換器２０の搬送の際に、ワイヤー及びフック等が掛けられる。

利用配管系統３は、利用機器Ｘと、この利用機器に接続された往管３１、ポンプＰ，還管３２等により構成される。

利用機器Ｘは、往管３１及びポンプＰによって汲み上げた熱媒体流体Ｂを熱源側熱交換器ｘ１に通過させて熱利用し、その利用後の熱媒体流体Ｂを還管３２へ戻す。
往管３１の吸入口３１ａは、熱媒体流体Ｂの底側に位置する。還管３２の吐出口は、内側筒部１１内において熱媒体流体Ｂの液面よりも上側に位置する。
利用機器Ｘは、冷凍サイクルを具備したヒートポンプ式給湯器である。この利用機器Ｘの他例としては、冷暖切り替えが可能なヒートポンプ式冷凍空調機器（例えば、水冷ヒートポンプ冷暖房機器等を含む）やコールドチェーン機器、融雪機等とすることも可能である。

次に、上記構成の熱利用装置について、その特徴的な作用効果を詳細に説明する。
熱媒体流体貯留槽１の熱媒体流体Ｂは、地下水、地中熱及び外気との熱交換により適温に維持される。そして、この熱媒体流体Ｂの熱が、利用配管系統３を循環して利用機器Ｘに利用される。

詳細に説明すれば、熱媒体流体貯留槽１では、複数の通水路１２ａを介して、地下水貯留室１Ｂに地下水が浸入する。この地下水は、図１に示す一例によれば、帯水層と不透水層の境目よりも若干上側に液面を有する。
この地下水は、温度や液圧等の変化に応じて、地下水貯留室１Ｂ内へ侵入したり外側筒部１２外へ流出したりして、流動する。
地下水の熱は、内側筒部１１の管壁を介して、熱媒体流体Ｂへ伝達する。内側筒部１１内と地下水貯留室１Ｂは内側筒部１１の管壁により仕切られているため、熱媒体流体Ｂが地下水貯留室１Ｂへ侵入することはない。

一方、集熱配管系統２は、熱媒体流体貯留槽１から熱媒体流体Ｂを汲み上げ、地中熱交換器２５及び外気熱交換器２０に流通させた後、熱媒体流体貯留槽１へ戻す。この流通過程において、熱媒体流体Ｂの熱は、地中熱交換器２５によって地熱と熱交換され、さらに、外気熱交換器２０によって外気熱とも熱交換される。

よって、熱媒体流体貯留槽１内の熱媒体流体Ｂを、地下水及び集熱配管系統２による熱交換によって適温に維持することができる。

なお、集熱配管系統２には、必要に応じて、地中熱交換器２５と外気熱交換器２０のうち、何れか一方又は双方の流量を調整する流量調整部（具体的には、流量調整弁や、流量調整配管回路等）が設けられる。

そして、利用配管系統３では、利用機器Ｘが、熱媒体流体貯留槽１から汲み上げた熱媒体流体Ｂの熱を、図示しない熱交換器等を介して熱利用した後、熱媒体流体Ｂを熱媒体流体貯留槽１へ戻す。

よって、上記構成の熱利用装置によれば、比較的設置面積の小さい集熱配管系統２により、集熱能力を効果的に向上することができる。

以下、上記熱利用装置の具体的な利用態様について説明する。
例えば、利用機器Ｘがヒートポンプ式給湯器であり、このヒートポンプ式給湯器を、夏場、地下水温Ｔ１＝１３～１５℃、外気温Ｔ２＝３０～３５℃、地中熱交換器２５周囲の表層地中温度＝４０～６０℃の温度条件下で利用する。
熱媒体流体貯留槽１内の熱媒体流体Ｂは、地下水貯留室１Ｂ内の地下水との熱交換によりある程度安定的に保持される。
この熱媒体流体Ｂは、利用機器Ｘに吸入されて熱源側熱交換器ｘ１を通過する際に、利用機器Ｘの冷凍サイクル中の低温ガスと熱交換され冷却されて、熱媒体流体貯留槽１へ戻される。
一方、この熱媒体流体Ｂは、集熱配管系統２に吸入されて地中熱交換器２５及び外気熱交換器２０を通過する際に、比較的高温の表層地中及び外気と熱交換することで、加熱されて熱媒体流体貯留槽１へ戻される。
したがって、これらの熱交換作用により、熱媒体流体貯留槽１内の熱媒体流体Ｂを適温に保持することができ、ひいては、利用機器Ｘの性能を安定させることができる。

＜変形例＞

なお、上記実施態様によれば、熱交換部２１を構成する配管（直管部２１ａ及びヘアピン管部２１ｂ）として、内外壁面に凹凸のない通常の管体を用いたが、熱交換部２１の他例としては、内面溝付き管や外面溝付き管を用いた態様や、プレートフィンコイルを用いた態様、その他の熱交換器を用いた態様とすることも可能である。

さらに、他例としては、熱交換部２１を、図３に示す熱交換部２３に置換することが可能である。
熱交換部２３は、略平行に並設された往管２３ａと還管２３ｂとを、略トグロ巻状に構成し、枠体２２ａに固定したものである。
詳細に説明すれば、往管２３ａと還管２３ｂの一端側には、入口２３ａ１と出口２３ｂ１が重ね合わせられている。これら往管２３ａ及び還管２３ｂの他端側は、重ね合わせられ、枠体２２ａの中心部へ向かって、略トグロ巻状（他の表現を用いれば渦巻状）に曲げられ、前記中心部で連通状に接続されている。
入口２３ａ１は、地中熱交換器２５の下流側（出口側）に接続され、出口２３ｂ１は、還管２ｃの上流側に接続される。
重ね合わせられた往管２３ａ及び還管２３ｂの外周面は外気に晒される。
上記構成の熱交換部２３によれば、上述した熱交換部２１と同様の作用効果を奏する上、独自のトグロ状配管により熱交換性能をより向上することができる。

また、上記実施態様に付加する構成として、熱交換部２１の近傍に熱交換部２１に送風を吹き付けるファンを設けて、より集熱性能を向上するようにしてもよい。

本発明は上述した実施態様に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更可能である。

１：熱媒体流体貯留槽
２：集熱配管系統
３：利用配管系統
１１：内側筒部
１２：外側筒部
１２ａ：通水路
１４：断熱材
２０：外気熱交換器
２０ａ：地中管部
２０ｂ：露出管部
２１，２３：熱交換部
２５：地中熱交換器
Ｂ：熱媒体流体
Ｘ：利用機器

Claims (3)

1. ブラインである熱媒体流体を貯留した熱媒体流体貯留槽と、前記熱媒体流体貯留槽から吸入するブラインである前記熱媒体流体の熱を外部熱と熱交換して前記熱媒体流体貯留槽へ戻すように配管接続された集熱配管系統と、前記熱媒体流体貯留槽から吸入したブラインである前記熱媒体流体を利用機器に通過させて前記熱媒体流体貯留槽へ戻すように配管接続された利用配管系統とを具備し、
   前記集熱配管系統は、ブラインである前記熱媒体流体を流すものであり、地中に埋め込まれた地中熱交換器に、外気に曝された外気熱交換器を接続し、ブラインである前記熱媒体流体を前記熱媒体流体貯留槽へ戻すものであり、
   前記熱媒体流体貯留槽は、地中に埋め込まれた外側筒部と、この外側筒部に内在された内側筒部とを具備して二重筒状に構成され、
   前記外側筒部の周壁には、内外に貫通する通水路が設けられ、前記内側筒部と前記外側筒部の間には、前記通水路を介して流入する地下水を貯留する地下水貯留室が設けられ、前記内側筒部は、内側の空間を、前記熱媒体流体を貯留する熱媒体流体貯留室とし、この熱媒体流体貯留室と前記地下水貯留室とを水密に仕切っており、
   前記内側筒部と前記外側筒部の間には、その上端側に断熱材が設けられ、前記断熱材よりも下方側に前記地下水貯留室及び前記通水路が設けられていることを特徴とする熱利用装置。
   
2. 前記外気熱交換器は、地中に埋め込まれた地中管部と、前記地中管部に連通状に接続されるとともに外気に曝された露出管部とを有し、その管内にブラインである前記熱媒体流体を流通することを特徴とする請求項１記載の熱利用装置。
   
3. 前記露出管部は、鉛直状に立ち上がった管状に形成されていることを特徴とする請求項
   ２記載の熱利用装置。
   

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