JP6018983B2

JP6018983B2 - 地中熱ヒートポンプシステム用の地中熱交換器

Info

Publication number: JP6018983B2
Application number: JP2013152983A
Authority: JP
Inventors: 田中　弘; 弘田中
Original assignee: 北海バネ株式会社
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: JP2015021714A

Description

本発明は、地中熱ヒートポンプシステムに係り、とくに地面に対して垂直方向に埋設する地中熱交換器に関する。

地中熱ヒートポンプシステムは熱（Heat）を汲み上げる（Pump）システム、すなわち、温度の低いところから温度の高いところへ熱を移動させるシステムである。冬期は外気に較べて温かい地中熱を採熱して室内の暖房等に活用し、夏場は外気に較べて温度の低い地中に熱を捨てて室内等の冷房効率を高める。

地中熱ヒートポンプシステムは、再生可能エネルギーの一種である地中熱を利用し、同一のヒートポンプ装置を用いて暖冷房を行うことが出来るだけでなく、投入エネルギーの数倍の熱エネルギーを取り出せるので、暖房時のＣＯ２排出量を抑え、冷房時の電力消費を低減できる等、さまざまな利点をもつもので、システム構成としては、地中熱交換器（一次側システム）と、ヒートポンプ装置（熱源機器システム）と、室内機（二次側システム）とから構成される（特許文献１）。

本発明は、地中熱交換器（一次側システム）に係る技術である。採排熱用（熱交換用）の流体を循環させる地中熱交換器（一次側システム）は、さまざまな構成がある。大きく分けると水平埋設型と垂直埋設型であるが、本発明は、垂直埋設型に係るものである。

わが国における地中熱ヒートポンプシステムは、ボアホール方式と呼ばれる垂直埋設型を採用することが多い。図１１に示すように、従来一般のボアホール式の地中熱ヒートポンプシステムは、例えば家屋５の冷暖房を行うため、地面に対して垂直に掘削穴を設け、この掘削穴にＵ字状チューブ管７を納めた後、掘削穴を土等で埋め戻し、地中熱交換器を作る。

そして、ヒートポンプ装置２を介してＵ字状チューブ管７の内部の採排熱用流体（例えば水、不凍液）を循環させ、ヒートポンプ装置２において熱エネルギーの移動を行い、室内機３を介して室内の冷房／暖房を行う。

Ｕ字状チューブ管７の内部を循環させる採排熱用流体（例えば水、不凍液）を介して、冬場には地中熱を採熱し、夏場には地中に熱を捨てるので、採排熱用流体は出来るだけ長時間Ｕ字状チューブ管７の内部を流れることが好ましく、このため、従来、掘削穴の深度Ｈ１は通常１００〜１５０ｍに設定された。

特開２０１３−００７５５１号

ところで、欧米諸外国に較べてわが国における地中熱ヒートポンプシステムの普及率はきわめて低い。理由は次の通りである。

第一に、ボアホール方式の場合、地中熱交換器として使用するＵチューブから取り出せる熱量が少ないため、掘削深度を１００〜１５０ｍ程度にする必要があること。

第二に、掘削費用が高いこと（例えば１万円／１ｍ）。

第三に、掘削に伴って残土等の産業廃棄物が発生し処理費用が嵩むこと、などである。

とくに、掘削費用が嵩む点が普及を妨げる大きな原因となっている。大規模なマンションやオフィスビル等では、深度１００ｍを超える掘削穴を複数本設ける必要があるが、掘削費用だけでも経済的負担が重くなるため、地中熱ヒートポンプシステムの利点を勘案しても、導入するのをためらうケースが少なくないからである。

そこで、本発明の目的は、地面に対して垂直に埋設するボアホール方式の地中熱交換器の設置コストを、より低減させることにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る地中熱交換器は、地面に垂直に埋設する地中熱ヒートポンプシステム用の地中熱交換器を技術的前提として、ヒートポンプ装置を介して循環させる採排熱用流体を暫時貯留する金属製の埋設管と、ヒートポンプ装置を介して該埋設管へ前記採排熱用流体を送り込む流体送入管と、該埋設管の内部の採排熱用流体を前記ヒートポンプ装置へ還流させる流体送出管とを備えるとともに、前記埋設管の外周面に、金属製の螺旋翼板を外方へ突出させて固定し、前記螺旋翼板の横幅を、前記埋設管の外径の２〜３倍の寸法に設定する（請求項１）。

本発明に係る地中熱交換器は、埋設管の外周に金属製の螺旋翼板を備えるので、地中における接触面積が拡大する。

このため、採排熱用流体の採熱／排熱（放熱）の効率は、螺旋翼板の面積に略比例して向上させることが出来、埋設管の埋設深度を浅くした場合でも、好ましい採熱／排熱を行うことが可能となる。本発明に係る金属製の螺旋翼板の横幅は、埋設管の外径の２〜３倍の寸法に設定するので、埋設管の外周面積の総計が少ない場合でも、螺旋翼板の面積がそれを補って十分な熱交換を実現する。

ボアホール方式の地中熱交換器の問題は、地面掘削に伴うコストが嵩む点にあったので、埋設管の埋設深度を浅くしても十分な熱交換を実現することによって、地中熱ヒートポンプシステムの導入コストを確実に低減できる。

また、本発明に係る地中熱交換器は、埋設管の外周面に螺旋翼板を備えるので、地面に掘削穴を設けてから埋設管を埋設しなくても良い。螺旋翼板を利用して埋設管を回転貫入させることが出来るからである。回転貫入させた場合は、地面の垂直掘削に要した工事費用を大幅に減少させることが出来る。

螺旋翼板は、上面および下面のうち少なくとも一方に、複数のディンプルまたは小凸部を備える場合がある（請求項２）。

螺旋翼板の面積が同一である場合、螺旋翼板の上面／下面に複数のディンプル（小凹部）を設けることにより、或いは、当該螺旋翼板の上面／下面に複数の小凸部（例えば断面円弧状のもの）を設けることにより、地中における接触面積を増大させることが可能となり、採排熱用流体の採熱／排熱（放熱）の効率をより高めることが出来る。

埋設管の上端部に内部中空の埋設補助管を固定して設け、当該埋設補助管を、地面下に埋設して設ける場合がある（請求項３）。

埋設管の上端部に内部中空の埋設補助管を設けることにより、パワーショベル等の作業機械に取り付けたモータ装置を介して埋設補助管を回転貫入出来る。このため、埋設管の埋設深度は、埋設補助管の上下寸法に応じて自由に設定できるようになる。

地面下の温度は、通常、地面下の浅い深度、例えば約５〜１０ｍ程度で安定する。このため、気候条件等に応じて、埋設補助管を介して埋設管の深度を調整することにより、設置コストを最も抑えることが出来る埋設深度を実現することが可能となる。なお、無用な熱損失を防止するため埋設補助管も地面下に埋設した上で、当該埋設補助管の上端部から外部へ引き出す流体送入管および流体送出管も、所定長を地面下に埋設することが望ましい。

本発明に係る地中熱交換器によれば、地面に対して垂直に埋設する地中熱交換器の設置コストを、より低減させることが可能となる。

実施形態に係る地中熱交換器を例示する断面図である。実施形態に係る埋設管の外観を例示する斜視図である。本発明に係る螺旋翼板の第二の実施形態を例示する図である。本発明に係る螺旋翼板の第三の実施形態を例示する図である。本発明に係る埋設管の埋設例を例示する図である。本発明に係る埋設補助管を例示する図である。本発明に係る継手部材を例示する図である。図７に示す継手部材を介した埋設管と埋設補助管の接続例を示す図である。図８における流体送入管と流体送出管の延設状態を例示する図である。本発明に係る埋設補助管を用いた場合の埋設状態を例示する図である。従来の地中熱ヒートポンプシステムを例示する図である。

図１に示すように、本発明に係る地中熱交換器１０は、ヒートポンプ装置２を介して循環させる採排熱用流体Ｒを暫時貯留する金属製の埋設管１１と、ヒートポンプ装置２を介して該埋設管１１へ採排熱用流体Ｒを送り込む流体送入管１４と、該埋設管１１の内部の採排熱用流体Ｒをヒートポンプ装置２へ還流させる流体送出管１５とを備え、埋設管１１の外周面に金属製の螺旋翼板２０を備える。この地中熱交換器１０は、工場において予め螺旋翼板２０を固定しておく。

埋設管（主管）１１は、金属製であり、例えば鋼管を用いる。この埋設管１１は、採排熱用流体Ｒを暫時貯留して地中熱との熱交換（採熱／排熱）を行うものであるから、下端と上端は適宜材を用いて閉じておく。有底有蓋の封入管とすることによって、採排熱用流体Ｒは、流体送入管１４と流体送出管１５とを介して埋設管１１の内部に貯留され、熱交換を行いつつヒートポンプ装置２との間を循環する。

埋設管１１の内面には、発錆処理を施すことが望ましい。例えば、メッキ処理を施すこと、防錆材をコーティングすること、或いは、樹脂成形した円筒形のインナー材を配する等である。埋設管１１の上下寸法Ｈ２は、例えば５〜１５ｍ程度とすることが出来る。好ましくは５．５〜６ｍの鋼管を用いる。

流体送入管１４と流体送出管１５は、樹脂管または金属管を用いる。

流体送入管１４の下端開口は、埋設管１１の底部近傍に配設することが望ましい。埋設管１１の採排熱用流体Ｒを流動攪拌して地中熱との熱交換を均等化させるためである。

流体送出管１５は、埋設管１１の適宜位置、例えば上部近傍に配する。埋設管１１の内部に暫時貯留される採排熱用流体Ｒは、流動攪拌されるので温度は均等化されているからである。採排熱用流体Ｒとしては、水、不凍液、冷媒等、適宜の流体を使用できる。

螺旋翼板２０は金属製であり、冬期暖房時は地中熱を金属製の埋設管１１に伝達し、夏期冷房時は埋設管１１の熱を奪って地中に排熱する機能を営む。金属製の螺旋翼板２０は、例えば、適宜の肉厚をもった長尺の金属板（平板）を用いて成形することが出来る。金属板としては、例えば鋼板を用いることが出来る。

螺旋翼板２０は、先端部が埋設管１１の外方へ突出するよう固定する。螺旋翼板２０の内周基端部は、適宜の手段、例えば溶接によって埋設管１１の外周面に固定する。

採熱または排熱の効果を高めるには、図２に示すように、埋設管１１の外径Ｗ１に対して螺旋翼板２０の突出量Ｗ２を大きくするか、或いは、螺旋翼板２０のピッチを狭めて翼数を増やす。これらの条件は、地中熱交換器１０を設置する土地の気候条件、使用環境（ヒートポンプ装置の稼働能力）等に応じて設定することが好ましいが、少なくとも、螺旋翼板２０の突出量（横幅）Ｗ２は、埋設管１１の外径Ｗ１の１．５〜３．５倍に設定する。螺旋翼板２０を介した採熱／排熱（放熱）の効果を担保するためである。実施に際しては、螺旋翼板２０の突出量（横幅）Ｗ２は、埋設管１１の外径Ｗ１の２〜３倍程度とすることが望ましい。

従って、かかる地中熱交換器１０によれば、金属製の螺旋翼板２０が、地面中における接触面積を増大させ、埋設管１１の採熱／排熱効果を高める。

この結果、埋設管１１の上下寸法Ｈ２を小さくしても、埋設管１１の内部の採排熱用流体Ｒは十分な熱交換を行うことが可能であり、従来のボアホール方式の地中熱交換器に較べて、格段に浅い深度での熱交換効率を実現できる。

従来のように細いＵチューブを用いるのではなく、ある程度の内径をもった埋設管１１を用いて採排熱用流体Ｒを暫時貯留しつつ循環させれば、螺旋翼板２０を介した採熱／排熱の加算的効果によって、より浅い深度での地中熱交換が可能となる。

このため、埋設管１１の上下寸法を５〜１５ｍに設置すれば、Ｕチューブを用いた従来の深度１００〜１５０ｍのボアホール方式の地中熱交換器に相当する熱交換効率を獲得できる。埋設深度を浅くできるため、設置コストは確実に低減される。

また、埋設管１１の外周面に螺旋翼板２０を設けることによって、埋設管１１の埋設に際しては、ボアホール（掘削穴）を設ける必要がなくなる。螺旋翼板２０がネジと同じ作用を営むため、埋設管１１を地面に対して垂直に回転貫入させることが出来るからである。このため、従来、掘削に要した経済負担も大幅に低減できる。

本発明に係る地中熱交換器は、前記実施形態のものに限定されない。例えば、図３に示すように、螺旋翼板２０として使用する金属板（平板）Ｐの表面（上面／下面／両面）には、複数の小さなディンプル（小凹部）３１を形成してもよい。全体面積が同一である場合には、ディンプル３１の形成によって地中における接触面積が増大するからである。

同様に、複数の小凸部３３を形成してもよい（図４参照）。螺旋翼板２０の全体面積が同一である場合には、小凸部３３の形成によって接触面積が増大するからである。小凸部３３は、例えば断面円弧状の小突起とすることが出来る。埋設管１１を回転貫入させる場合は、小凸部３３は螺旋翼板２０の上面に配し、貫入時の障害にならないようにすることが望ましい。

埋設管１１の埋設深度を深くするため、埋設管１１の上に、埋設管１１の回転貫入を支援する補助部材を設けても良い。

図５〜図１０は、埋設管１１の上に補助部材である埋設補助管３０を設け、埋設管１１を地面下に回転貫入させる埋設方法を例示するものである。

この場合、埋設管１１を地面下に回転貫入させる場合は、まず、図５に示すように地表面ＧＬを少し掘り下げて作業面ＧＬ２を作り、この作業面ＧＬ２から埋設管１１を垂直に回転貫入させる。作業面ＧＬ２は、地表面ＧＬを、例えば０．５〜２ｍ程度掘り下げて成形する。掘り下げ量は、通常の場合、１ｍ程度とすることが望ましい。

この状態で、流体送入管１４と流体送出管１５とをヒートポンプ装置２に接続させてから掘り下げた土砂を埋め戻しても良いが、埋設管１１の上下寸法を５〜６ｍ程度とした場合は、埋設管１１の埋設深度が若干浅くなるので、好ましくは、図６に示すように、埋設管１１の上端部に内部中空の埋設補助管３０を固定して設け、この埋設補助管３０を回転させることによって埋設管１１をより深い地中へ貫入埋設させる。

埋設補助管３０は、例えば鋼管を使用できる。埋設管１１と異なり内部に流体を満たすものではないから、とくに必要がない場合は、防錆処理を施さなくても構わない。埋設補助管３０は、その上端部を作業面ＧＬ２の近傍まで貫入させる。

埋設管１１の上端部と埋設補助管３０の下端部との接続は、溶接、ボルト締め等、適宜の手段をもって行うことが出来る。

図７は、埋設管１１と埋設補助管３０との接続の一例を示すもので、例えば、埋設管１１の上端部に金属製の継手部材４２を設け、この継手部材４２を介して埋設管１１と埋設補助管３０の接続を行う。

継手部材４２は、埋設管１１に嵌合できる外径をもった肉厚の円板形状に成形する。この継手部材４２には、例えば、流体送入管１４と流体送出管１５と上方へ案内する縦方向のガイド孔４４、４５と、横方向のボルト穴３６とを設ける。

図８に示すように、埋設管１１の上端部に継手部材４２を設置した後、埋設管１１の上に埋設補助管３０を載置して、ボルト穴３６に螺合させるボルトＢを介して埋設管１１と埋設補助管３０とを接続固定する。ボルト穴３６の数は適宜増減して良い。

また、図９に示すように、ガイド孔４４、４５を利用し、埋設管１１が備える流体送入管１４と流体送出管１５を上方へ延設させる。流体送入管１４、流体送出管１５は、適宜の管継手（図示せず）を介して延長させれば良い。

従って、かかる構成によれば、作業面ＧＬ２から埋設管１１を地面に回転貫入させた後、埋設管１１の上に埋設補助管３０を設けることによって、埋設管１１をさらに深度深くに回転貫入させることが可能となる。

その後、流体送入管１４と流体送出管１５とを適宜の接続管を用いてヒートポンプ装置２に接続し、作業面ＧＬ２と地表面ＧＬとの掘削段差を埋め戻すことによって地熱交換器の設置作業を終了する。

このようにすれば、例えば、埋設管１１の上下寸法を５ｍ、埋設補助管３０の上下寸法を４ｍ、埋め戻しの上下寸法を１ｍとした場合、図１０に示すように、地表面ＧＬから埋設管１１の下端までの上下寸法Ｄは１０ｍとなり、埋設管１１は、ほぼ全体が地中熱の安定温度帯域である地面下５ｍ以下の位置に埋設されることになる。

このように、埋設補助管３０を設けることによって、埋設管１１を比較的浅めの深度に自由に埋設でき、螺旋翼板２０を介した採熱／放熱による効率的な熱交換を行うことが出来る。

埋設補助管３０の配設数は、ひとつに限定されない。埋設管１１の上に埋設補助管３０を設けた後、さらに当該埋設補助管３０の上に二段目の埋設補助管（３０）を設けても良い。埋設管１１の埋設深度を調整するためである。二段目の埋設補助管（３０）の上に三段目の埋設補助管（３０）を接続固定しても良い。埋設補助管（３０）の個数は限定されない。埋設補助管（３０）同士の接続は、適宜方法、例えば、前記継手部材（４２）を介して行うことが出来る。

２ヒートポンプ装置
１０地中熱交換器
１１埋設管
１４流体送入管
１５流体送出管
２０螺旋翼板
３０埋設補助管
３１ディンプル（小凹部）
３３小凸部
３６ボルト穴
４２継手部材
４４、４５ガイド孔
ＧＬ地表面
ＧＬ２作業面
Ｈ２埋設管の上下寸法
Ｒ採排熱用流体
Ｗ１埋設管の外径
Ｗ２螺旋翼板の突出量

Claims

地面に垂直に埋設する地中熱ヒートポンプシステム用の地中熱交換器において、
ヒートポンプ装置を介して循環させる採排熱用流体を暫時貯留する金属製の埋設管と、
当該埋設管の上端部に固定した埋設補助管と、
ヒートポンプ装置を介して前記埋設管へ前記採排熱用流体を送り込む流体送入管と、
前記埋設管の内部の採排熱用流体を前記ヒートポンプ装置へ還流させる流体送出管とを備えるとともに、
前記埋設管の外周面に、金属製の螺旋翼板を外方へ突出させて固定し、
前記螺旋翼板の横幅を、前記埋設管の外径の１．５〜３．５倍に設定するものであって、
前記埋設補助管は、
前記埋設管の埋設深度を調整するものであり、その内部に前記採排熱用流体を満たさないことを特徴とする地中熱ヒートポンプシステム用の地中熱交換器。
螺旋翼板は、
上面および下面のうち少なくとも一方に、
複数のディンプルまたは小凸部を備えることを特徴とする請求項１記載の地中熱ヒートポンプシステム用の地中熱交換器。