JP5389565B2 - 地中熱利用空調システム - Google Patents

Description

本発明は、冷暖房等の空調に用いられる地中熱利用空調システムに関するものであり、併せて給湯や融雪等にも利用することができる。

建物（工場や倉庫などを含む）の空調や給湯等を目的として、少ない電力で運用でき、地球温暖化につながるＣＯ₂の削減やヒートアイランド現象の緩和に効果のある地中熱利用技術が注目されている。

地中熱利用技術の一つとして、地中熱を利用した空調システムがあり、地盤内に掘削した地熱交換井から得られる地中熱を熱源とし、地熱交換井内に挿入した地熱交換パイプ内を循環させる熱媒体（水、不凍液、あるいは気体など）との間で熱交換を行い、熱媒体を介して得られた地中熱を建物の空調に利用している。

さらに、ヒートポンプを介在させ、地中熱のみで冷暖房や給湯を行うこともできる。ヒートポンプは、蒸発、圧縮、凝縮、膨張のサイクルを利用したものであり、ヒートポンプ内は、代替フロンやイソブタンなどの低沸点の冷媒が熱移動媒体として循環している。

地中熱利用において、さらにヒートポンプを用いる場合、例えば、暖房時は、ヒートポンプ内の液状の冷媒が、地熱交換パイプより循環してきた熱媒体から熱を吸収し、蒸発器で気化し、気化した冷媒は圧縮器で加圧され、約７０℃以上に昇温され、昇温したガス状の冷媒は熱交換器に移動し、そこで熱を受けた空気が約４０℃となって室内へ供給される。空気に熱を奪われた冷媒はガスから液体に戻り、膨張弁で冷却され、蒸発器に戻る。冷房時は、暖房と逆サイクルとなる。

また、ヒートポンプを介さない空調においては、例えば地熱交換パイプからの配管を空調設備の給気口部分に導き、コイル状に巻回させた配管部分で熱交換を行うようにし、冬は地中熱により暖められた熱媒体の熱を利用して冷たい外気を数℃昇温させて給気し、夏は逆に地中で冷やされた熱媒体の冷熱を利用して暖かい空気を数℃降温させて給気することで、冷暖房における電力負荷を低減させることができる。

非特許文献１〜３には、地中熱利用技術の原理と、現在、実用化されているシステムおよび装置や地熱交換パイプ等が紹介されている。

その他、特許文献１には、熱交換効率および施工性に優れた地熱交換システムとして、地熱交換井に挿入された地熱交換パイプを、セメントに骨材と共に粘性材を配合した良熱伝導性および良流動性の材料からなるグラウト材で覆ったものが記載されている。

また、特許文献２には、ヒートポンプを通して得た熱と、ヒートポンプを通さずに地中から採取した熱を同時に供給できるようにした地中熱利用冷暖房システムが記載されている。

また、特許文献３には、施工コストをかけずに、実用的に十分な地中熱を利用して冷暖房が行えるようにすることを目的として、地熱交換パイプを地盤内に地表面から０．２〜２ｍの深さで水平方向に沿って埋設するものが記載されている。

特開２００４−１６９９８５号公報 特開２００６−０８４１４９号公報 特開２００６−２０７９１９号公報

地中熱利用促進協会ホームページ、［online］、地中熱利用促進協会、［平成２１年７月１９日検索］、インターネット＜URL：http://www.geohpaj.org/index.htm＞ "地中熱利用のすすめ"、［online］、株式会社 ワイビーエム、［平成２１年７月１９日検索］、インターネット＜URL：http://www.ybm.jp/newtech/chichunetsu/chichunetsu4.htm＞ "地中熱利用システムとは"、［online］、三菱マテリアルテクノ株式会社、［平成２１年７月１９日検索］、インターネット＜URL：http://www.mmtec.co.jp/0305/1.html＞

地中熱を利用する利点は、一般的に地中の温度が１年を通じて安定しており、周囲との温度差により熱交換を行うことにより、夏は冷房、冬は暖房、給湯等が効率良く低いランニングコストで可能となる点にある。

このような地中熱利用技術において、地熱交換井と空調等の対象となる建物との間で熱媒体を循環させる地熱交換パイプや配管の敷設費用、熱効率等を考えると、一見、できるだけ空調の対象となる建物の近くにある地中熱を利用することが経済的であり、かつ効率的であるように思われる。

しかしながら、地熱交換井において、例えば夏場に温度の高い熱媒体が送られてくる地熱交換パイプとの間で熱交換が行われることで、地熱交換井の周囲が徐々に熱を吸収し温まるため、すなわち熱がこもることで熱交換の効率が落ち、地熱利用の意義が損なわれてしまうことになる。冬場も逆の現象により、地熱交換井における熱交換の効率が落ち、その意義が損なわれる。

また、地中熱利用に代え、熱交換パイプを、海中や河川に導いて熱交換を行うようにすれば、熱こもりの問題はなくなるが、その場合、海洋生物の付着などにより、熱交換パイプのメンテナンスが困難になるといった問題があり、実用的でない。

本発明は、このような課題に対し、一般地域では移動速度が極わずか（種々の条件によって異なるが、例えば、1日に数ｃｍ）である地下水の流速が、特定の条件においてははるかに速い流れとなり、その流速を利用することで地熱交換井近傍での熱のこもりを緩和し、高効率の熱交換が可能となることに着目したものであり、前記熱のこもりを緩和することにより建物との距離が大きくても、より高効率の熱交換が可能な、海における潮の満干、あるいは河川の流れの影響を利用した地中熱利用空調システム及び地熱交換井の近傍で発生する熱ごもりの緩和方法を提供することを目的としている。

本願に係る基本的発明は、地盤内に掘削した地熱交換井から得られる地中熱を熱源とし、該地熱交換井内に挿入した地熱交換パイプ内を循環する熱媒体との間で熱交換を行い、前記熱媒体を介して得られた地中熱を建物の空調に利用する際、海における潮の干満、あるいは河川の流れの影響を利用した地中熱利用空調システムであって、海または河川に接する護岸構造物までの距離が５０〜１０００ｍの距離に位置する建物を対象として、前記地熱交換井を、前記護岸構造物から水平方向に２０ｍ以内の、海における潮の干満、あるいは河川の流れの影響により、地下水位の変動が顕著になる範囲内に設けることで、前記地下水位の変動に伴う一般地域より流速の大きい地下水流を利用して地熱交換井近傍での熱ごもりを緩和して高効率の熱交換が可能となるようにし、熱源からの距離が大きい建物でも地中熱を利用できるようにしたこと特徴とする地中熱利用空調システムである。

発明が解決しようとする課題の項で述べたように、一般的には地下水の流速は非常に遅く、そのため熱交換による熱が地熱交換井の周辺に蓄積され、熱交換の効率が落ちるという問題がある。

これに対し、海や河川に接する護岸構造物の近傍では、潮の満干あるいは河川の流れの影響により地下水の移動が比較的顕著である。この部分に地熱交換井を設けることで、地熱交換井周囲の熱ごもりの問題が解消され、高効率の熱交換が可能となる。

すなわち、建物等との距離が大きくなり、配管の敷設などに要するイニシャルコストが高くついても、高い熱交換効率が確保されることでシステム全体としての経済性を向上させることができる。

海または河川に接する護岸構造物から水平方向に２０ｍ以内としたのは、護岸構造物の構造や地盤条件その他によっても異なるが、潮の満干、あるいは河川における堤防等の影響による地下水の流速が顕著に大きくなる範囲が一般的に１０ｍないし２０ｍ以内程度であるためである。

一方、１０００ｍを超えると、配管の敷設費用、メンテナンス費用等が嵩むことや、１０００ｍを超える範囲であれば、広い範囲で熱交換を図ることも考えられるので、本発明では上限を１０００ｍとした。

本発明の地中熱利用空調システムにおいては、前記地熱交換井を、鉛直方向、斜め方向または水平方向に掘削できる。

従来一般的な地熱交換井は鉛直方向のボーリングによって掘削されているが、斜めでもよく、また護岸構造物近傍での地下水流を考慮した場合、比較的浅い深さに水平方向に設けることでも、熱交換効率の向上が期待できる。
例えば、前記地熱交換井を水平方向に延び鉛直方向に複数段配置した形態とし、前記地熱交換井内に往復の地熱交換パイプを配置して前記地熱交換井と地盤と間で熱交換するようにしたことを特徴とする請求項１記載の地中熱利用空調システム（請求項２）にすることができる。

護岸構造物が、例えば鋼矢板等の鋼材を構成要素とする場合、地熱交換井あるいはその中に挿入される地熱交換パイプが熱伝導率の高い鋼材の近傍に位置するようにすることで、熱交換効率を上げることができる。

本発明に係る地中熱利用空調システムにおいては、前記地熱交換井と前記建物との間で熱媒体を循環させる配管を工夫することもできる。
例えば、前記地熱交換井と前記建物との間で熱媒体を循環させる配管を、前記建物の給気口部分の予冷・予温コイルに導き、該給気口から取り入れられる外気との間で熱交換するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の地中熱利用空調システム（請求項３）とすることができる。
なお、前記地熱交換井と前記建物との間の区間は、地表面高さ近傍に設置した地熱交換
パイプより大径の配管を介して熱媒体を循環させることは好ましい。

地熱交換井の数は、必要とする熱容量に応じて設計され、例えば護岸構造物の近傍に数十から数百本設けられる場合、地熱交換パイプは、市販のものを利用することができるが、離れた位置にある建物あるいはヒートポンプまでは、より大径の配管を介して熱媒体を循環させることで、施工コストを抑えることができ、メンテナンスも容易となる。

本発明の地中熱利用空調システムにおいては、前記地熱交換井と前記建物との間にヒートポンプを介在させることを特徴とする請求項１、２または３記載の地中熱利用空調システム（請求項４）とすることは好ましい。

ヒートポンプを介在させる場合には、空調装置において、より高温（冬場）またはより低温（夏場）での熱交換を行うことができ、電力負荷をさらに低減することができる。また、冬場の給湯への利用も可能となる。

本発明に係る地中熱利用空調システムにおいては、建物の空調に加え、給湯または溶雪にも併用することができ、これらも含めて地中熱利用空調システムという。

本発明における地中熱利用空調システムは、本発明の地中熱利用システムを用いた主として冷暖房といった空調設備への利用を対象としたものであるが、空調に限らず、給湯あるいは溶雪等、他の地熱利用も併せて行うことは好ましい。

本発明では、地熱交換井を、一般的な地域に比べ地下水の移動が顕著である海または河川に接する護岸構造物の近傍に設けることで、地熱交換井周囲での熱こもりが解消され、高効率の熱交換が可能となる。

すなわち、建物等との距離が大きくなり、配管などに要するイニシャルコストが高くついても高い熱交換効率が確保されることで、システム全体としての経済性を向上させることが可能となる。

本発明の地中熱利用システムの一実施形態（実施例１）を概念的に示したものであり、(a)は鉛直断面図、(b)は平面図である。 本発明の地中熱利用システムの他の実施形態（実施例２）を概念的に示したものであり、(a)は鉛直断面図、(b)は平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の地中熱空調システムの一実施形態を示したものであり、海に接する埋立地の護岸構造物としての岸壁１からＬ₂＝５〜２０ｍの範囲に、鉛直方向の地熱交換井２を１〜２ｍ間隔で掘削し、地熱交換井２内に往復の地熱交換パイプ３を設置し、地熱交換井２周囲の地盤との間で熱交換するようにしたものである。

冷暖房の対象となる建物６までの距離は、Ｌ₁＝５００ｍ程度を想定しており、またこの例では、建物６との間にヒートポンプ５を介在させてある。

すなわち、多数の地熱交換パイプ３とヒートポンプ５との間の配管４を通じて、熱媒体としての不凍液等の液体を循環させ、地熱交換井２位置での熱交換により得られた熱エネルギーを、ヒートポンプ５位置でさらに熱交換し、夏は建物の冷房に、冬は建物の暖房や給湯に利用するようにしている。また、寒冷地等では、冬場の道路や屋根の融雪にも利用することができる。

海に接する岸壁１近傍では、海の満干に影響されて、地下水位の変動が顕著であり、その水位変動に伴う一般地域より流速の大きい地下水流により、従来の地熱利用で問題となっていた熱のこもりが少なく、効率の良い熱交換が可能となる。

図２は、本発明の地中熱空調システムの他の実施形態を示したものであり、地熱交換井１２を水平方向に複数段配置し、水平方向に延びる地熱交換井１２内に往復の地熱交換パイプ１３を設置し、地熱交換井１２周囲の地盤との間で熱交換するようにしたものである。

また、この例では護岸構造物が鋼矢板１１である場合を想定しており、水平方向に延び、鉛直方向に複数段配置した多数の地熱交換井１２をできるだけ鋼矢板１１に近接するように配置している。

すなわち、鋼材からなる鋼矢板１１は熱伝導率が高いため、地熱交換井１２を鋼矢板１１に近接させて配置することで、護岸構造物近傍での地下水の流速を利用した高熱交換効率に加え、さらに高い熱交換効率を期待することができる。

なお、この例は、ヒートポンプを用いず、工場・ビル等の吸気時の予冷・予温に直接利用する場合を想定しており、配管１４を給気口部分１５の予冷・予温コイルに導き、給気口部分１５から取り入れられる外気との間で熱交換するようにしたものであるが、実施例１のようにヒートポンプを介在させることもできる。

本発明の地中熱利用空調システムは、地球温暖化につながるＣＯ₂の削減やヒートアイランド現象の緩和に効果があり、海または河川に接する護岸構造物から水平方向に２０ｍ以内に設けられる地熱交換井からの地中熱を利用することができる建物であれば、建物と熱源（地熱交換井）との距離がある程度大きくても前記建物の冷暖房に利用することができ、併せて給湯や融雪等にも用いることができる。

１…岸壁、２…地熱交換井、３…地熱交換パイプ、４…配管、５…ヒートポンプ、６…建物、１１…鋼矢板、１２…地熱交換井、１３…地熱交換パイプ、１４…配管、１５…給気口部分、１６…建物

Claims (4)

1. 地盤内に掘削した地熱交換井から得られる地中熱を熱源とし、該地熱交換井内に挿入した地熱交換パイプ内を循環する熱媒体との間で熱交換を行い、前記熱媒体を介して得られた地中熱を建物の空調に利用する際、海における潮の干満、あるいは河川の流れの影響を利用した地中熱利用空調システムであって、海または河川に接する護岸構造物までの距離が５０〜１０００ｍの距離に位置する建物を対象として、前記地熱交換井を、前記護岸構造物から水平方向に２０ｍ以内の、海における潮の干満、あるいは河川の流れの影響により、地下水位の変動が顕著になる範囲内に設けることで、前記地下水位の変動に伴う一般地域より流速の大きい地下水流を利用して地熱交換井近傍での熱ごもりを緩和して高効率の熱交換が可能となるようにし、熱源からの距離が大きい建物でも地中熱を利用できるようにしたこと特徴とする地中熱利用空調システム。
2. 前記地熱交換井を水平方向に延び鉛直方向に複数段配置した形態とし、前記地熱交換井内に往復の地熱交換パイプを配置して前記地熱交換井と地盤と間で熱交換するようにしたことを特徴とする請求項１記載の地中熱利用空調システム。
3. 前記地熱交換井と前記建物との間で熱媒体を循環させる配管を、前記建物の給気口部分の予冷・予温コイルに導き、該給気口から取り入れられる外気との間で熱交換するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の地中熱利用空調システム。
4. 前記地熱交換井と前記建物との間にヒートポンプを介在させることを特徴とする請求項１、２または３記載の地中熱利用空調システム。

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