JPH04350464A - 地下熱エネルギーの活用法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は地下の非帯水層に蓄えら
れている熱エネルギーを屋根融雪や道路消雪などに利用
する地下熱エネルギーの活用法に係るものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】地下の
地層は、地下水の有無によって次の２つに区分できる。

【０００３】・地下水面より下方の飽和帯・・・帯水層
・地下水面より上方の不飽和帯・・非帯水層この帯水層
内の地下水を直接汲み上げて屋根融雪や道路消雪などに
利用することは、文献を提示するまでもなく常用されて
いることで非常に秀れた成果をあげているが、反面使用
地下水量の増加に伴って地下水の水位低下や地盤沈下の
現象が生じ、この解決が大きな問題となっている。

【０００４】この対策として、特開昭５３−１４３０４
４号公報の地熱利用の熱交換装置が開示されているが、
この考え方は地盤に蓄えられている熱エネルギーを取り
出すために、地中にボーリングした穴の中で、空気や水
を強制的に循環させ、周辺土壌の熱を集熱する方法に係
るものである。この集熱装置は、円筒型の穴の内部に、
砂利等の通気性を有する媒体を充填し、穴の上下に開口
部を持つ２本のパイプを配した構造を有する。

【０００５】また、地中に穿孔した穴を利用して周辺土
壌の熱を集める考え方は実願昭６０−２８９９５号の融
雪工法にも採用されているが、前記の地熱利用の熱交換
装置も穴の周辺土壌の熱を集める方式であることには変
わりがない。

【０００６】また、同様な特開昭５４−１６７６３号公
報の自然エネルギー利用暖冷房用土壌式熱交換装置にお
いては、土壌の熱特性を次のように位置付けている。

【０００７】■土壌は、熱容量が大きく、安価な蓄熱材
料として利用できる。

【０００８】■土壌は、熱伝導率が小さく保温性は高い
ため、長期の蓄熱に適するが、半面、熱を取り出すとき
、集熱が困難である。

【０００９】この土壌の熱の不伝導性は、前記の実願昭
６０−２８９９５号、特開昭５３−１４３０４４号公報
の地中の縦穴を利用した集熱装置においても、集熱効率
を低下させ、多くの熱を取り出すには、多数の穴を掘ら
ねばならないという問題は避けられない。

【００１０】この点この先願は、地中の集熱効率を上げ
るために次の方策を提示している。■地面を全面的に開
削して熱交換用パイプを多層に土中に埋設し、土との接
触面積を広く確保する。

【００１１】■土壌の熱の移動速度を大きくするために
、上方の埋設パイプから水を浸透流下させ、土粒子によ
って暖められた水が下方に移動し、下方の埋設パイプか
ら集熱している。

【００１２】この方策によって、埋設パイプの集熱効率
は確かに高まるが、パイプを埋めるために大がかりな掘
削が必要となり、経済性、施工性上問題がある。

【００１３】本発明はかかる問題点を解決した地下熱エ
ネルギーの活用法を提示するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】添付図面を参照して本発
明の要旨を説明する。

【００１５】地下の帯水層ａ上部の非帯水層ｂに蓄えら
れている自然の熱エネルギーを加圧又は減圧によって非
帯水層ｂ内部を強制的に流動させた空気を媒体として地
上に取り出し、この空気の温熱源として利用することを
特徴とする地下熱エネルギーの活用法に係るものである
。

【００１６】

【作用】帯水層ａは、土粒子の間隙　（通常砂礫層中で
は１０〜３０％）　が地下水によって満たされているが
、非帯水層ｂは土粒子の間隙が空気によって満たされて
いる。

【００１７】通常地下においては、地表にくらべて温度
の変化が小さく、年間を通じて１３℃前後で安定してい
る。

【００１８】このため、地下水も年間を通して温度変化
が少なく、１０℃〜１５℃程度を維持する為夏は冷房・
冷却用の冷熱源とし、冬は暖房・消雪用等の温熱源とし
て一般に広く利用されている。

【００１９】ところで、地下の帯水層中においては、地
下水が帯水層ａの全容積に占める割合は通常１０〜３０
％程度で、残りの７０〜９０％は土粒子が埋めている。

【００２０】仮に、 ・水の体積熱容量　　　　　　　　１０００ｋｃａｌ／
ｍ３・℃・土粒子の体積熱容量　　　　５５０ｋｃａｌ
／ｍ３・℃・帯水層の間隙率　　　　　　　　０．３（
３０％）とすると、 帯水層１ｍ３の熱容量は、土粒子と水の熱容量の体積比
率を考慮した平均で、 　　　　０．３×１０００ｋｃａｌ／ｍ３・℃＋（１−
０．３）×５５０ｋｃａｌ／ｍ３・℃　　　　≒７００
ｋｃａｌ／ｍ３・℃ 　　　　＝６８５ｋｃａｌ／．．．７００ｋｃａｌ．．
．となる。

【００２１】この時、土粒子と水の熱容量の比率は　　
（水の熱容量）：（土粒子の熱容量）＝０．３×１００
０：（１−０．３）×５５０　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＝３００：３
８５ となる。

【００２２】すなわち、地下の帯水層ａ中においては、
地下水の水温として蓄えられている熱より多くの熱量が
土粒子の温度（顕熱）として地下に存在しているのであ
る。

【００２３】同様な理論は非帯水層ｂについても成り立
つ。

【００２４】非帯水層ｂ特に帯水層ａに近い非帯水層ｂ
（不飽和層）の土粒子には、先に試算に示したように、
同体積の帯水層ａ中の地下水の熱エネルギーに匹敵する
顕熱エネルギーが蓄えられていることになる。

【００２５】従来、地下水面より下の飽和帯においては
、井戸を設けて地下水を汲み上げることによって、地下
水熱及び土粒子の熱エネルギーを水を媒体として取り出
すことが可能であった。

【００２６】しかし、地下水面より上の不飽和帯におい
ては、地下水という熱の媒体が存在しないため、この部
分の熱エネルギーを効率よく取り出すことは困難であっ
た。従来技術の項で列記したような穴の周辺の熱エネル
ギーを吸引する方法やパイプを上下多層に埋設して集熱
する方法などは集熱効果が悪かったり、経済性が悪かっ
たりして実用的ではなかった。

【００２７】本発明においては、この不飽和帯の土粒子
に蓄えられた熱エネルギーを地下水の代わりに空気とい
う媒体を用い、而かも加圧又は減圧によって非帯水層内
部を強制的に流動だせることにより非帯水層ｂに蓄えら
れている自然の熱エネルギーを空気を媒体として地上に
取り出し、この空気を温熱源又は冷熱源として利用する
もので、空気が非帯水層ｂ中を流動通過する際直接熱エ
ネルギーを集熱するから極めて経済的に而かも効率よく
地下の自然の熱エネルギーを空気と一緒に集熱し得るこ
とになり、従来の地下に砂利等を埋設して人工的な蓄熱
槽を作り、そこに温風あるいは冷風を通して温熱あるい
は冷熱を蓄え、各種の熱源として利用するというような
小規模なものはなく、自然の大地の不飽和帯の顕熱を単
に空気を強制的に流動通過させるだけで容易に且つ経済
的に取り出してを利用する大容量熱利用システムとなる
。

【００２８】

【実施例】本発明は、図１に示すように、地中に設置さ
れた集気装置１と，非帯水層ｂ中の空気を吸引するため
のエアーポンプ２から構成される。

【００２９】集気装置１としては、有孔管，　金網筒，
　有底筒を採用するなど土壌中の空気を吸い込み得る構
造のものならどのような構造に設定しても良い。

【００３０】さらに、集気装置１に、地下に埋設された
下水道管、電線管等の空隙部を連通状態に連設すると既
存の地下埋設施設も利用することができる。

【００３１】また、エアーポンプ２は吸排気用の各種の
エアーポンプを利用する。

【００３２】次に応用例として本発明を道路消雪用熱源
として利用した場合の実施の一例を図３，図４に基づい
て説明する。

【００３３】地下の非帯水層ｂ中に設けられた下部が地
下水面に近いか又は届く程度に吸入装置６と集気装置１
を深く掘設し、集気装置１に集気スクリーン７を設け、
この集気スクリーン７より１０〜１５℃の空気を集め、
この温風をエアーポンプ２により熱交換器１４に送り込
み、熱交換した冷気を吸入装置６に圧入して循環せしめ
る。熱交換器１４により暖められた暖気や河川水などの
熱交換流体がポンプ８によりパイプライン１２を介して
例えば道路９の舗装１０の下に埋設された多孔質媒体１
１中を通過して舗装１０を加温して積もった降雪を融雪
したり、直接舗装１０上に散水して融雪する。

【００３４】また、屋根雪処理としては、屋根１３の上
に敷かれたナイロン布等の半通気性の素材でできたエア
ーバック１５に、前記温風を送り込み、エアーバック１
５から上方にわずかづつもれる温風熱によって降ってく
る雪を融かすことが可能である。

【００３５】また、屋根１３上にエアーバック１５の代
わりに温風放出管やその他の温風を利用して融雪する装
置を配設し、融雪する方法を採用しても良い。

【００３６】

【発明の効果】本発明は上述のように、地下の帯水層上
部の非帯水層に蓄えられている自然の熱エネルギーを加
圧又は減圧によって非帯水層内部を強制的に流動させた
空気を媒体として地上に取り出し、この空気の温熱源と
して利用することを特徴とするものであるから従来利用
困難であった地下の土壌粒子の持つ温熱あるいは冷熱を
空気を媒体として極めて効率良く且つ経済的に集気する
ことができるから次のような特長を有する。

【００３７】（１）冷気を吸入装置に圧入し、非帯水層
中を強制的に流動通過させた空気を集気装置より集気し
て媒体として非帯水層中の自然の熱エネルギーを集熱す
る方式を採用しているため、地下水のように過剰揚水に
よる水枯れや地盤沈下という問題が生じない。

【００３８】（２）空気を媒体としているため、井戸の
目づまりの問題が少なく維持管理が容易である。

【００３９】（３）空気の単位体積当たりの熱容量は、
水にくらべて小さいため同量の熱量を得るためには地下
水に比べ大容積の空気を必要とする。

【００４０】このため、エアーポンプの口径や送風管の
径が地下水の場合に比べて太くなるが、空気は軽い為、
地下水と同じ熱量を得るのに必要なエアーポンプの動力
は同じ熱量の地下水を汲み上げるのに必要な揚水ポンプ
の動力とほぼ同じである。

【００４１】従って、ランニングコストは、地下水を熱
源として汲み上げる場合と略同じである。

【００４２】（４）空気の強制注入と強制排気により非
帯水層中に広く空気を流動させ、空気を媒体として地下
の自然の熱エネルギーを集熱するものであるから蓄熱を
人為的に行うことも可能となる。

【００４３】水を媒体として、地下に熱を蓄える場合、
水の注入時に帯水層中で生じる目づまりが大きな問題と
なっている。

【００４４】空気を媒体とした場合、例えば暖気吸引用
縦穴にエアーフィルターを採用すれば目詰まりの問題も
なく、容易に集熱することも、また蓄熱することもでき
る。 （５）地下水の過剰揚水により地下水の水位低下の著し
い地域において、本発明は特に有効で、地下水位が下が
るとその分不飽和帯の厚さが増し、それだけ採集空気量
が多くなる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の集気装置の説明図である。

【図２】本発明の集気装置と吸引装置との関係を示す説
明図である。

【図３】本発明の集気装置と吸引装置で非帯水層中の空
気を循環させ熱交換器により熱伝達を行う実施例の説明
図である。

【図４】本発明を消雪装置に採用した実施応用例の説明
図である。

【符号の説明】

ａ　　帯水層 ｂ　　非帯水層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　地下の帯水層上部の非帯水層に蓄えら
   れている自然の熱エネルギーを加圧又は減圧によって非
   帯水層内部を強制的に流動させた空気を媒体として地上
   に取り出し、この空気の温熱源として利用することを特
   徴とする地下熱エネルギーの活用法。