JP2012242045A - 地下水熱利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な設備で十分な熱効率が得られる地下水熱利用システムを提供する。
【解決手段】基礎スラブ１と最下階の床２との間に湧水処理層３を設置し、地下外壁４と周囲地盤との間に地下水集水層５を設置し、周囲地盤中の地下水を地下水集水層により集水して湧水処理層に導入し、地下水の保有熱をヒートポンプ１３の熱源として利用する。湧水処理層に導入した地下水をピット９に集水しポンプ１１によりヒートポンプに直接供給する。あるいは湧水処理層および／または地下水集水層に熱交換用配管を設置し、ヒートポンプに供給する熱源水を熱交換用配管に通して熱交換を行う。地下水集水層と湧水処理層との間に地下水導入管７を設置し調整弁８により地下水導入量を調整可能とする。ピットへの流入量を越流堰１０により調整する。湧水処理層に導入した湧水を中水として利用する。湧水処理層に沈澱堆積物を除去するための洗浄設備を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は建物の周囲地盤の地下水を熱源として有効利用するための地下水熱利用システムに関する。

地下水の保有熱エネルギーを建物における冷暖房用の熱源等に利用するためのシステムとしては、採熱用の専用の井戸（ボアホール）を利用する方法（ボアホール内に熱交換器を設置し、または地下水を汲み上げて利用する）や、杭の周囲に地下水との間で熱交換を行うための熱交換器を設置するシステムが知られている他、たとえば特許文献１〜３に示されるようなシステムが提案されている。

特許文献１に示される地中熱交換システムは、建物の下部に透水層を設けてそこに熱媒体を通す熱交換用のパイプを配管し、建物の周囲を流れる地下水を通水口から透水層に導いて排水口から排水させる間に地下水と熱媒体との間で熱交換を行うようにしたものである。

特許文献２に示される地下帯水層熱の利用システムは、地盤面下に設置した貯留水層の側壁から多管式地中熱交換器を地中に設置し、その多管式地中熱交換器により地下水熱を採取し熱媒を冷却するようにしたものである。

特許文献３に示される地熱利用ヒートポンプシステムは、地中浅層部に埋設した採熱管により地中浅層部に存在する地下水または伏流水から地熱を採取するようにしたものである。

特開２００８−２７５２６３号公報 特開２００２−１４７８９２号公報 特開２００５−４９０１６号公報

しかし、専用の井戸（ボアホール）を利用するシステムでは井戸を設置するために多大の費用を必要とするばかりでなく、地下水の流れが小さい場合は十分な熱効率が得られない場合が多い。

また、杭を利用して熱交換を行うシステムでは専用の井戸に代えて杭を利用できる点で合理的であるが、多数の杭が密に設置される構造の建物にしか適用できないし、井戸による場合と同様に地下水の流れが小さい場合は十分な熱効率が得られるものではない。

さらに、特許文献１〜３に示されるようなシステムは、いずれも大掛かりな設備を必要とするばかりでなく必ずしも十分な熱効率が得られるものでもなく、普及するに至っていない。

上記事情に鑑み、本発明は簡易な設備で十分な熱効率が得られる合理的で有効適切な地下水熱利用システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明の地下水熱利用システムは、建物の基礎スラブと最下階の床との間に湧水処理層を設置するとともに、該建物の地下外壁とその周囲地盤との間に前記湧水処理層に通じる地下水集水層を設置し、前記建物の周囲地盤中の地下水を前記地下水集水層により集水して前記湧水処理層に導入することより、該地下水の保有熱を水熱源ヒートポンプの熱源として利用可能としたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の地下水熱利用システムであって、前記湧水処理層に導入した地下水を該湧水処理層からポンプにより前記水熱源ヒートポンプに供給可能としたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の地下水熱利用システムであって、前記湧水処理層および前記地下水集水層の双方もしくはいずれか一方に、前記水熱源ヒートポンプに供給する熱源水が循環して前記湧水処理層内の湧水および／または前記地下水集水層内の地下水と熱交換を行う熱交換用配管を設置したことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１，２または３記載の地下水熱利用システムであって、前記地下水集水層と前記湧水処理層との間に、前記地下水集水層により集水した地下水を前記湧水処理層に導入するための地下水導入管を設置し、かつ該地下水導入管に、前記地下水集水層から前記湧水処理層への地下水導入量を調整可能な調整弁を設けたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１，２，３または４記載の地下水熱利用システムであって、前記湧水処理層にピットを設けるとともに該ピットへの地下水流入量を調整する越流堰を設けたことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１，２，３，４または５記載の地下水熱利用システムであって、前記湧水処理層に導入された湧水を水処理して中水として利用可能としたことを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１，２，３，４，５または６記載の地下水熱利用システムであって、前記湧水処理層に洗浄水を供給して沈澱堆積物を除去する洗浄設備を設けたことを特徴とする。

本発明の地下水熱利用システムは、地下外壁の外側に地下水集水層を設けて建物の周囲地盤から地下水を積極的にかつ効率的に集水し、集水した地下水を湧水として基礎部に設けた湧水処理層に導くことにより、水熱源ヒートポンプにおける熱源水として有効に利用して効率的なヒートポンプ運転が可能である。
特に本発明の地下水熱利用システムは、地下外壁の外側に適宜の透水性材料を設置することのみで地下水集水層を低コストで設置可能であるし、湧水処理層は通常の建物においても不可欠である湧水槽を転用可能であるから、従来システムに比較してイニシャルコストを十分に軽減することが可能である。

本発明の地下水熱利用システムの第１実施形態を示す概略構成図である。 同、湧水処理層を示す平面図である。 本発明の地下水熱利用システムの第２実施形態を示す概略構成図である。 同、湧水処理層を示す平面図である。 本発明の地下水熱利用システムの他の構成例を示す図である。

本発明の地下水熱利用システムの第１実施形態を図１〜図２に示す。
これは、地下水位が比較的高い地盤に建設される建物に適用されたもので、建物の周辺地盤から建物内に湧水として流入する地下水の保有熱エネルギーを冷暖房用の熱源として利用するとともに、熱利用後の湧水を建物内において中水（雑用水）としても利用するようにしたものである。

本実施形態のシステムでは、建物の基礎スラブ１と最下階の床２との間に湧水処理層３を設置するとともに、建物の地下外壁４とその周囲地盤との間には湧水処理層３に通じる地下水集水層５を設け、建物周辺地盤の地下水を地下水集水層５により集水して湧水処理層３に導入することを主眼としている。

具体的には、図示例の場合には地下外壁４の周囲に山留め壁６が設けられていて、その山留め壁６と地下外壁４との間に適宜の排水材パネルや不織布等の透水性材料が介装されることで地下水集水層５が形成されている。
なお、山留め壁６は建物の施工時に仮設的に設けたものを残置してそのまま利用すれば良いが、建物の完成後にはその内側に地下水を流入させるとともに地下水集水層５を保護する機能を要するので、山留め壁６としては地下水の流入を完全には阻止しないような適度の通水機能を有する構造のもの（たとえば親杭横矢板工法による山留め壁のように完全止水壁としては機能しない構造のもの）とすることが好ましい。
但し、山留め壁６は地下水を集水するうえでは必ずしも必要ではなく、地下水集水層５がそれ自体で十分な集水機能を有しかつ格別の保護を必要としないものであれば山留め壁６を撤去しても良いし、山留め壁６を設けずとも地下水集水層５を支障なく形成できる場合には山留め壁６をはじめから省略することでも差し支えない。

また、上記の湧水処理層３は基本的には通常の建物においても湧水を処理するために基礎部に設けられる湧水槽と同様に機能するものであるが、本実施形態では図２に示すように格子状の通水路を有する湧水処理パネルが基礎スラブ１上に設置されることで湧水処理層３が形成されており、その湧水処理パネル上に押さえコンクリートが打設されて最下階の床２が形成されるようになっている。
なお、基礎スラブ１と湧水処理パネルとの間にはたとえばゴムアスファルト系塗膜防水材の塗布等による適宜の防水処理を施すことが好ましい。また、必要であれば上記の地下水集水層５と地下外壁４との間にも同様の防水処理を施せば良い。

上記の地下水集水層５の下部と湧水処理層３との間には地下外壁４を貫通する地下水導入管７が所定間隔で設置されていて、地下水集水層５に集水された地下水はそれら地下水導入管７を通して湧水処理層３に導入可能とされ、かつ各地下水導入管７の先端部に設けられている調整弁８の開度調整により湧水処理層３への地下水の導入量が調整可能とされている。

湧水処理層３の一角部にはピット９が設けられていて湧水処理層３全体はそのピット９に向かって下がり勾配となるように形成されており、したがって地下水導入管７から湧水処理層３の各所に導入された地下水は図中の矢印で示すようにピット９に向かって自然流下してピット９に貯留されるようになっている。
なお、湧水処理層３からピット９への流入部には越流堰１０が設けられていて、その越流堰１０の高さの調整により湧水処理層３からピット９への流入量や湧水処理層３内における湧水の水位や滞留時間を適切に調整可能とされている。

そして、ピット９内にはポンプ１１が設置されていて、そのポンプ１１により汲み上げた湧水を水質処理装置１２を経てヒートポンプ（水熱源ヒートポンプ）１３に供給し、ヒートポンプ１３は湧水を熱源水として利用して冷房時においては冷水を調製するとともに暖房時においては温水を調製して空調機に供給するようになっている。
なお、上記のヒートポンプ１３としては冷暖房用の熱源機のみならず、必要に応じて給湯用その他の用途に供する熱源機も適用できる。

さらに、ヒートポンプ１３により熱源水として利用した後の湧水は建物内の各所に中水として供給して雑用水として利用するようになっており、それによる節水効果が得られるものとなっている。なお、そのように熱利用後の湧水を中水として利用するためには、上記の水質処理装置１２は湧水を熱源水として利用可能な水質とするばかりでなく中水としても利用可能な水質に調整し得るものとしておく必要がある。

通常の建物では周囲地盤全体から建物内に無駄に流入してくる湧水を単に排水処理するしかないが、本実施形態の地下水熱利用システムは地下外壁４の外側に敢えて地下水集水層５を設けて建物の周囲地盤から地下水を積極的にかつ効率的に集水して湧水処理層３に導き、その湧水を冷暖房用あるいは他の用途の熱源水として有効に利用することが可能であり、しかもその湧水の水温は年間を通じて１５〜１８℃程度と安定しているから効率的なヒートポンプ運転が可能であり、極めて有効にして合理的なものである。

特に本発明の地下水熱利用システムは、地下外壁４の外側に適宜の透水性材料を設置することのみで地下水集水層５を低コストで設置可能であるし、湧水処理層３は通常の建物においても不可欠である湧水槽を転用可能であるから、多数の専用の井戸を設けたり多数の杭を利用して地下水との熱交換を行う従来システムに比較してイニシャルコストを十分に軽減することが可能である。

しかも、本発明の地下水熱利用システムでは、地下水導入管７に設けた調整弁８や越流堰１０の調整によって所望の湧水量を確保することが可能であり、それにより年間を通じて最適かつ効率的な地下水熱利用が可能であるし、仮に地下水の利用が不要となったり湧水処理層３への湧水の導入を停止する必要が生じた場合には調整弁８を閉じてしまえば必要以上の湧水の流入を阻止できるから、地下水熱利用システムとして極めて合理的あり有効である。

図３〜図４は本発明の地下水熱利用システムの第２実施形態を示すものである。
上記第１実施形態ではピット９に集水した湧水をポンプ１１によりヒートポンプ１３に供給して熱源水として直接的に利用するものとしたが、本第２実施形態では地下水集水層５内の地下水および湧水処理層３内の湧水との熱交換によりその保有熱エネルギーを間接的に利用するものである。

具体的には、本第２実施形態では地下水集水層５内および湧水処理層３内に一連の熱交換用配管１４を蛇行状態で配管してそれに熱媒体（冷温水あるいはブライン）を循環させることにより、地下水集水層５内を下方に向かって流下する地下水および湧水処理層３内をピット９に向かって流下する湧水と熱媒体との間で熱交換を行いつつ、その熱媒体をヒートポンプ１３に供給するようにしたものである。
なお、熱交換用配管１４の所要長や熱媒体流量等の諸元は、集水される地下水量やその温度条件等を考慮して所望の熱交換効率が得られるように適切に設定すれば良い。
また、熱交換用配管１４は必ずしも図示例のように地下水集水層５内および湧水処理層３内の全体にわたって配管することはなく必要範囲に設置すれば良く、場合によっては地下水集水層５内にのみ設置したり湧水処理層３内にのみ設置することでも良いし、必要に応じて複数系統の熱交換用配管１４を適宜のゾーニングを設定して設置すれば良い。

また、本第２実施形態においても、熱利用後の湧水を最終的には中水として利用するべく、ピット９内の湧水をポンプ１１により汲み上げて水質処理装置１２を経て建物内各所に供給するようにしており、したがって本第２実施形態においても、第１実施形態の場合と全く同様に、地下水集水層５により積極的に集水して湧水処理層３に導入した湧水を熱源水として有効に利用でき、かつ熱利用後の湧水を中水としても有効に利用可能である。

以上で本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものでは勿論なく、たとえば以下に列挙するような適宜の設計的変更や応用が可能である。

上記第１実施形態ではピット９に集水した湧水を熱源水として直接利用するものとし、第２実施形態ではピット９に流入する前の地下水（湧水）を熱交換により間接利用するようにしたが、地下水の水温や熱源水として必要とされる水温その他の条件によっては双方を組み合わせて併用することも可能である。

上記実施形態では熱利用後の湧水をさらに中水として利用するようにしたが、その必要がなければ熱利用後の湧水は適宜排水してしまえば良い。
また、中水として利用する場合において、熱利用後の湧水が中水としての所要量よりも多量である場合には余剰分を排水してしまえば良い。
さらに、地下水の水質が良質であってそれを熱源水や中水として利用するうえで格別の水質処理を行う必要が無ければ、上記実施形態における水質処理装置１２は省略可能である。

上記各実施形態では地下水集水層５と湧水処理層３とを地下水導入管７を介して連通させ、かつ地下水導入管７には調整弁８を設けて導入量を調整可能としたが、その必要がなければ地下水導入管７を省略して地下水集水層５と湧水処理層３とを単に連続的に設けておけば良い。
また、上記各実施形態では湧水処理層３からピット９への流入部に越流堰１０を設けたが、越流堰１０が不要であれば省略しても良いし、さらに湧水処理層３自体で十分な水深を確保し得て格別のピットを設ける必要がなければ上記実施形態におけるピット９を省略しても差し支えない。

上記各実施形態のように地下水導入管７に調整弁８を設ける場合、その調整弁８は手動操作により開閉するものでも良い（その場合、地下水導入管７を床下に設けている場合には、調整弁８を操作するための点検口を床２の要所に設けておけば良い）が、調整弁８を電磁弁や電動弁等により構成して遠方操作することが好ましい。その場合、適宜のセンサによって地下水量や地下水温、熱負荷等を検出して地下水集水層５から湧水処理層３への導入量が最適となるように調整弁８を自動制御するようなシステムを付加することも考えられ、それにより最適な自動運転が可能となる。
併せて、上記実施形態のようにピット９への流入量を越流堰１０により調整する場合においては、その越流堰１０を可動堰としてそれを調整弁８の操作と関連づけてあるいはそれとは独立に自動制御することも好ましい。

上記各実施形態のように地下水導入管７および調整弁８は床下に設置することでも良いが、あるいは図５に示すように床上に設置することでも良く、その場合は調整弁８を容易に手動操作することができる。

また、地下水に含まれる砂等の固形物が湧水処理層３内に沈澱堆積することも想定されるので、それを防止するために洗浄設備を備えることも好ましい。
その場合、具体的にはたとえば図５に示したように地下水導入管７を床上に配管するとともに、その地下水導入管７に対して洗浄管１５をフラッシュ弁１６を介して接続しておき、定期的にあるいは必要に応じて調整弁８を閉じてフラッシュ弁１６を開いて洗浄水を湧水処理層３内に高圧で噴射させることにより、湧水処理層３内の沈澱堆積物を容易に洗浄除去することができる。

上記各実施形態では格子状の通水路を有する湧水処理パネルを基礎スラブ１上に設置することで湧水処理層３を形成したが、必ずしもそうすることはなく、湧水処理層３は少なくともそこに導入された湧水を熱源水として利用可能なように設ければ良く、その限りにおいて湧水処理層３の形態や構造、設置範囲は任意である。
地下外壁４の外側に設ける地下水集水層５についても、地下水を効率的に集水して湧水処理層３に導入できるものであれば良く、その限りにおいて地下水集水層５の形態や構造、設置範囲は任意である。

１ 基礎スラブ
２ 床
３ 湧水処理層
４ 地下外壁
５ 地下水集水層
６ 山留め壁
７ 地下水導入管
８ 調整弁
９ ピット
１０ 越流堰
１１ ポンプ
１２ 水質処理装置
１３ ヒートポンプ（水熱源ヒートポンプ）
１４ 熱交換用配管
１５ 洗浄管（洗浄設備）
１６ フラッシュ弁（洗浄設備）

Claims (7)

1. 建物の基礎スラブと最下階の床との間に湧水処理層を設置するとともに、該建物の地下外壁とその周囲地盤との間に前記湧水処理層に通じる地下水集水層を設置し、前記建物の周囲地盤中の地下水を前記地下水集水層により集水して前記湧水処理層に導入することにより、該地下水の保有熱を水熱源ヒートポンプの熱源として利用可能としたことを特徴とする地下水熱利用システム。
2. 請求項１記載の地下水熱利用システムであって、
   前記湧水処理層に導入した地下水を該湧水処理層からポンプにより前記水熱源ヒートポンプに供給可能としたことを特徴とする地下水熱利用システム。
3. 請求項１または２記載の地下水熱利用システムであって、
   前記湧水処理層および前記地下水集水層の双方もしくはいずれか一方に、前記水熱源ヒートポンプに供給する熱源水が循環して前記湧水処理層内の湧水および／または前記地下水集水層内の地下水と熱交換を行う熱交換用配管を設置したことを特徴とする地下水熱利用システム。
4. 請求項１，２または３記載の地下水熱利用システムであって、
   前記地下水集水層と前記湧水処理層との間に、前記地下水集水層により集水した地下水を前記湧水処理層に導入するための地下水導入管を設置し、かつ該地下水導入管に、前記地下水集水層から前記湧水処理層への地下水導入量を調整可能な調整弁を設けたことを特徴とする地下水熱利用システム。
5. 請求項１，２，３または４記載の地下水熱利用システムであって、
   前記湧水処理層にピットを設けるとともに該ピットへの地下水流入量を調整する越流堰を設けたことを特徴とする地下水熱利用システム。
6. 請求項１，２，３，４または５記載の地下水熱利用システムであって、
   前記湧水処理層に導入された湧水を水処理して中水として利用可能としたことを特徴とする地下水熱利用システム。
7. 請求項１，２，３，４，５または６記載の地下水熱利用システムであって、
   前記湧水処理層に洗浄水を供給して沈澱堆積物を除去する洗浄設備を設けたことを特徴とする地下水熱利用システム。

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