特許 6738596 地中熱交換機構

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6738596

(24)【登録日】2020年7月22日

(45)【発行日】2020年8月12日

(54)【発明の名称】地中熱交換機構

(51)【国際特許分類】

   F24T 10/17 20180101AFI20200730BHJP

   F25B 30/06 20060101ALI20200730BHJP

【ＦＩ】

   F24T10/17

   F25B30/06 T

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-196825(P2015-196825)

(22)【出願日】2015年10月2日

(65)【公開番号】特開2017-67419(P2017-67419A)

(43)【公開日】2017年4月6日

【審査請求日】2018年9月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003621

【氏名又は名称】株式会社竹中工務店

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(74)【代理人】

【識別番号】100099025

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 浩志

(72)【発明者】

【氏名】清水 大和

(72)【発明者】

【氏名】清水 孝昭

(72)【発明者】

【氏名】中島 朋宏

(72)【発明者】

【氏名】樋原 達夫

(72)【発明者】

【氏名】清塘 悠

(72)【発明者】

【氏名】和田 一樹

(72)【発明者】

【氏名】稲葉 薫

【審査官】 豊島 ひろみ

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０９７９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２０２１４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０８７９７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３０９３８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２４Ｔ １０／００ − ５０／００

Ｆ２５Ｂ １９／００ − ３０／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

帯水層を有する地盤に設けられた縦孔の内部へ配置され、地上側から地中側へ送られた熱媒体を地中側から地上側へ還流させる循環管と、
前記循環管と前記縦孔の間に充填されて隙間を形成し、前記隙間に前記帯水層の地下水を浸透させる珪砂と、
前記循環管の前記帯水層を通る部分に形成された熱交換部と、
前記循環管の前記帯水層でない地層を通る部分に形成され、前記熱交換部よりも熱交換効率が小さい熱交換抑制部と、
を有する地中熱交換機構。

【請求項2】

前記熱交換部は前記循環管の往路に形成されたスパイラル管で、前記熱交換抑制部は前記往路に形成され前記熱交換部よりも熱交換効率が小さくなるように断熱された直管で構成されている、請求項１に記載の地中熱交換機構。

【請求項3】

前記循環管は二重管とされると共に、
外管は、地上側から地中側へ熱媒体を送る往路管とされ、
前記外管より断面積が小さい内管は、地中側から地上側へ熱媒体を還流させる復路管とされ、
前記熱交換部は、前記外管において前記帯水層を通る部分に形成され、
前記熱交換抑制部は、前記外管において前記帯水層でない地層を通る部分に形成され、前記熱交換部よりも熱交換効率が小さくなるように断熱されている、
請求項１に記載の地中熱交換機構。

【請求項4】

前記縦孔には、前記帯水層でない地層を通る部分に止水材が設けられている、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の地中熱交換機構。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地中熱交換機構に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、地中熱交換器を挿入するための地中熱交換井を複数の帯水層に跨って設け、該地中熱交換井に地下水流動部を形成して、地中熱交換井内の熱こもりを低減させる地中熱利用システムが開示されている（例えば、特許文献１）。また、熱媒体を循環させる熱媒管を螺旋状に配置して、地中熱の採熱効率を向上させる地中熱交換器が開示されている（例えば、特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１−１９１０１４号公報

【特許文献2】特開２０１４−５９８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上記特許文献１に開示された地中熱利用システムでは、地中熱交換器の帯水層を通る部分と、帯水層でない地層を通る部分とが、共に直管状の構成とされている。このため、帯水層を通る部分と、帯水層でない地層を通る部分における熱媒体の流通速度が等しく、帯水層を通る部分で集中的に熱交換することができない。

【0005】

また、上記特許文献２に開示された地中熱交換器では、地中熱交換器の長手方向の全長に亘って熱媒管が螺旋状に配置されており、該地中熱交換器を、帯水層を有する地盤に設置した場合、地中熱交換器の帯水層を通る部分と、帯水層でない地層を通る部分とが同様の構成となる。このため、帯水層を通る部分と、帯水層でない地層を通る部分における熱媒体の流通速度が等しく、帯水層を通る部分で熱交換された熱媒体が、帯水層でない地層を通る部分で熱ロスが生じる可能性がある。

【0006】

本発明は、上記事実を考慮し、帯水層を通る部分で効率的に熱交換し、帯水層でない地層を通る部分で熱ロスを低減することができる地中熱交換機構を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

請求項１に係る地中熱交換機構は、帯水層を有する地盤に設けられた縦孔の内部へ配置され、地上側から地中側へ送られた熱媒体を地中側から地上側へ還流させる循環管と、前記循環管と前記縦孔の間に充填されて隙間を形成し、前記隙間に前記帯水層の地下水を浸透させる珪砂と、前記循環管の前記帯水層を通る部分に形成された熱交換部と、前記循環管の前記帯水層でない地層を通る部分に形成され、前記熱交換部よりも熱交換効率が小さい熱交換抑制部と、を有する。

【0008】

請求項１に係る地中熱交換機構によれば、熱媒体は循環管が帯水層を通る部分で集中的に熱交換し、例えば夏季において熱媒体は帯水層で集中的に冷却される。したがって、熱交換の効率を高めることができる。また、循環管が帯水層でない地層を通る部分では、帯水層を通る部分と比較して、熱交換が抑制される。したがって、例えば夏季において、帯水層を通る部分で冷却された熱媒体が暖められにくい。

【0009】

請求項２に係る地中熱交換機構は、請求項１の地中熱交換機構において、前記熱交換部は前記循環管の往路に形成されたスパイラル管で、前記熱交換抑制部は前記往路に形成され前記熱交換部よりも熱交換効率が小さくなるように断熱された直管で構成されている。

【0010】

請求項２に係る地中熱交換機構によれば、循環管が帯水層を通る部分で、熱媒体の縦孔軸方向への流速が遅くなる。また、循環管が帯水層でない地層を通る部分で、熱媒体の縦孔軸方向への流速が早くなる。このため、熱媒体が帯水層と熱交換できる時間が長くなり、熱媒体が帯水層でない地層で熱ロスする時間が短くなる。したがって、熱交換の効率を高めて、熱ロスを低減することができる。

【0011】

請求項３に係る地中熱交換機構は、請求項１の地中熱交換機構において、前記循環管は二重管とされると共に、外管は、地上側から地中側へ熱媒体を送る往路管とされ、前記外管より断面積が小さい内管は、地中側から地上側へ熱媒体を還流させる復路管とされ、前記熱交換部は、前記外管において前記帯水層を通る部分に形成され、前記熱交換抑制部は、前記外管において前記帯水層でない地層を通る部分に形成され、前記熱交換部よりも熱交換効率が小さくなるように断熱されている。

【0012】

請求項３に係る地中熱交換機構によれば、熱媒体は、循環管の外管が帯水層を通る部分では帯水層と熱交換を行い、外管に覆われる内管部分では地盤との熱交換が抑制される。したがって、熱ロスを低減する効果を高めることができる。

【0013】

請求項４に係る地中熱交換機構は、請求項１〜請求項２の何れか１項の地中熱交換機構において、前記縦孔には、前記帯水層でない地層を通る部分に止水材が設けられている。

【0014】

請求項４に係る地中熱交換機構によれば、止水材によって、熱媒体と熱交換した帯水層の地下水が、縦孔の内部を通って、異なる帯水層へ流れ込むことが抑制される。これにより、例えば夏季において熱媒体と熱交換して暖められた帯水層の地下水が、縦孔の内部を通って流れる際に、下部の帯水層に流れることを抑制される。これにより、熱媒体と下部の帯水層との熱交換の効率を高くすることができる。また、異なる帯水層の地下水が混ざることによる環境負荷を抑制することができる。

【発明の効果】

【0015】

以上説明したように、本発明の地中熱交換機構は、帯水層を通る部分で効率的に熱交換し、帯水層でない地層を通る部分で熱ロスを低減することができる、という優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１実施形態に係る地中熱交換機構の熱交換機構を示す概念図である。

【図2】（Ａ）は第１実施形態に係る地中熱交換部の立断面図であり、（Ｂ）は平断面図である。

【図3】（Ａ）は第２実施形態に係る地中熱交換部の立断面図であり、（Ｂ）は平断面図である。

【図4】熱交換効率の解析モデルを示す概念図である。

【図5】（Ａ）は第１比較例に係る地中熱交換部の立断面図であり、（Ｂ）は第２比較例に係る地中熱交換部の立断面図である。

【図6】第１実施形態に係る地中熱交換部、第２実施形態に係る地中熱交換部、第１比較例に係る地中熱交換部、第２比較例に係る地中熱交換部の熱交換効率を解析した解析結果を表すグラフである。

【図7】第１実施形態に係る地中熱交換部、第２実施形態に係る地中熱交換部、比較例に係る地中熱交換部の熱交換効率試験の状況を示す図である。

【図8】熱交換効率試験に用いた試験体に係る諸条件を示す図である。

【図9】熱交換効率試験の結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

［第１実施形態］
以下、図１、図２を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る地中熱交換機構の一例について説明する。

【0018】

（熱交換機構）
まず、本実施形態に係る熱交換機構１０の全体構造について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る熱交換機構１０は、地中熱交換部２０、ヒートポンプ４０、及び熱利用部６０を含んで構成される。

【0019】

地中熱交換部２０は、帯水層８２と難透水層８４とが層状に重なる地盤８０に設けられた縦孔２２と、一方の端部が縦孔２２の孔底に配置され、他方の端部がヒートポンプ４０を構成する凝縮器４２の内部に配置される循環管２４と、循環管２４の内部に熱媒体２６を還流させる動力源としてのポンプ２８と、を備えている。

【0020】

ここで、帯水層とは、砂や礫等を含んで形成された透水性の地層が地下水を含んだ状態の地層のことを指し、難透水層とは、粘性土や固結岩盤等によって形成され、帯水層に比べて透水性の劣る地層のことを指す。帯水層の地下水は滞留していてもよいが、流れがあるほうがより好ましい。

【0021】

なお、本実施形態において熱媒体２６は水を用いているが、本発明の実施形態はこれに限られず、例えば寒冷地などでは不凍液などを用いてもよい。

【0022】

ヒートポンプ４０は、凝縮器４２、膨張弁４４、蒸発器４６、圧縮機４８から構成された循環流路内部を、熱媒体が液化及び気化を繰り返しながら循環する熱交換器であり、例えば空調設備の室外機に組み込まれている。

【0023】

熱利用部６０は、例えば空調設備の室内機とされ、熱利用部６０とヒートポンプ４０の蒸発器４６との間を循環管６４を通じて熱媒体６６が循環している。

【0024】

なお、本実施形態においては、熱利用部６０の循環管６４と地中熱交換部２０の循環管２４とを別に設け、ヒートポンプ４０を利用して熱交換しているが、本発明の実施形態はこれに限られない。例えばヒートポンプ４０、循環管６４を用いずに、循環管２４を直接熱利用部まで配設して熱交換させるものとしてもよい。

【0025】

（地中熱交換部）
次に、図２を参照して、地中熱交換部２０の構成について詳細に説明する。

【0026】

上述したように、地中熱交換部２０は、帯水層８２（８２Ａ、８２Ｂ）と難透水層８４（８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃ）とが層状に重なる地盤８０に設けられており、縦孔２２は、２つの帯水層８２Ａと帯水層８２Ｂを貫通している。なお、帯水層８２Ａは地上側の層であり、帯水層８２Ｂは地中側の層である。

【0027】

縦孔２２の内部に配置された循環管２４は樹脂製とされ、熱媒体２６が地上側から地中側へ流れる往路部において、螺旋状に形成されたスパイラル管２４Ａと、直線状に形成され、断熱材３０で被覆された往路直管２４Ｂと、を備えている。スパイラル管２４Ａは帯水層８２Ａ、８２Ｂを通る部分に形成され、往路直管２４Ｂは難透水層８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃを通る部分に形成されている。本実施形態においては、スパイラル管２４Ａと往路直管２４Ｂとは別部材とされ、図示しない継手部材によって接合されているが、本発明の実施形態はこれに限られず、例えばスパイラル管２４Ａと往路直管２４Ｂとは一体的に形成されていてもよい。なお、スパイラル管２４Ａは本発明の熱交換部の一例であり、往路直管２４Ｂは、本発明の熱交換抑制部の一例である。また、図２において符号の無い矢印は、熱媒体２６が流れる方向を示している（図３、図５（Ａ）、（Ｂ）についても同様）。

【0028】

また循環管２４は、熱媒体２６が地中側から地上側へ流れる復路部においては、断熱材３０によって被覆された復路直管２４Ｃとされている。復路直管２４Ｃは、縦孔２２の底部では、断熱材３０で被覆されたＵ字管２４Ｄによって往路直管２４Ｂと接合され、帯水層８２Ａ、８２Ｂを通る部分ではスパイラル管２４Ａの螺旋の内部を通るように配置されている。

【0029】

縦孔２２の内壁と循環管２４との間には、充填材として珪砂３２が充填されている。すなわち、地中熱交換部２０は、砂杭（サンドパイル）の内部に循環管２４が埋設された構成となっている。これにより、帯水層８２Ａ、８２Ｂの地下水は、珪砂３２の間の隙間に浸透し、循環管２４に直接接触することができる。

【0030】

縦孔２２の内部で帯水層８２Ａと８２Ｂに挟まれた難透水層８４Ｂの部分には、縦孔２２を塞ぐ止水材としてのセメント層３４が設けられており、帯水層８２Ａの地下水が縦孔２２を通って帯水層８２Ｂに流れ込むことを抑制している。なお、本実施形態においては止水材としてセメント層３４を用いているが本発明の実施形態はこれに限られず、例えば粘性土や不透水シートなどを用いてもよい。あるいは、充填材としてセメントを用いて、止水材としての機能を兼用させてもよい。この場合、帯水層８２Ａ、８２Ｂの地下水は、循環管２４接触することができないが、硬化したセメントの熱伝導により熱交換することができる。

【0031】

［作用及び効果］
次に、第１実施形態の作用並びに効果を説明する。

【0032】

本実施形態においては、帯水層８２を通る部分の循環管２４が、スパイラル管２４Ａとされている。このため、熱媒体２６は縦孔２２の軸方向（図２の矢印Ｄで示した方向）を軸として巻回する螺旋状に流れるため、該軸方向への流速が、往路直管２４Ｂ及び復路直管２４Ｃと比較して遅くなる。したがって、熱媒体２６は帯水層８２Ａ、８２Ｂを流れる地下水と熱交換する時間が長くなり、熱交換の効率が高められる。

【0033】

また、往路直管２４Ｂ及び復路直管２４Ｃはスパイラル管２４Ａと比較して縦孔２２の軸方向への流速が早く、また断熱材で被覆されているため、地盤８０との熱交換や往路直管２４Ｂと復路直管２４Ｃの間の熱交換、すなわち熱ロスが低減される。

【0034】

具体的には、外気温と比較して帯水層８２を流れる地下水の温度が低い季節や地域では、熱媒体２６は帯水層８２をゆっくり通過することで集中的に冷され、一旦冷された熱媒体２６は、帯水層８２以外の部分を速く通過し、また断熱材で被覆されることで暖められにくい。

【0035】

さらに、外気温と比較して帯水層８２を流れる地下水の温度が高い季節や地域では、熱媒体２６は帯水層８２をゆっくり通過することで集中的に暖められ、一旦暖められた熱媒体２６は、帯水層８２以外の部分を速く通過し、また断熱材３０で被覆されることで冷めにくい。

【0036】

なお、本実施形態においては往路直管２４Ｂ及び復路直管２４Ｃは断熱材３０で被覆されているが、本発明の実施形態はこれに限られない。例えば断熱材３０で被覆しなくてもよい。断熱材３０で被覆しなくても、スパイラル管２４Ａと比較して縦孔２２の軸方向への流速が早いため、熱ロスが低減される。

【0037】

このように、外気温が高い季節や地域では熱媒体２６が外気よりも低い温度に効率よく冷され、外気温が低い季節や地域では熱媒体２６が外気よりも高い温度に効率よく暖められる。このように冷され、あるいは暖められた熱媒体２６をヒートポンプ４０との熱交換に用いることで、外気をヒートポンプ４０との熱交換に用いる場合と比較して、空調設備のエネルギー負荷を低減することができる。

【0038】

また、本実施形態においては、止水材としてのセメント層３４によって、帯水層８２Ａの地下水が縦孔２２を通って帯水層８２Ｂに流れ込むことが抑制されている。

【0039】

このため、スパイラル管２４Ａを通る熱媒体２６と熱交換した帯水層８２Ａの地下水、例えば夏季においては暖かい熱媒体２６と熱交換して暖められた地下水が、縦孔２２を通って帯水層８２Ｂに流れ込み、帯水層８２Ｂの地下水の温度を上げることが抑制される。したがって、縦孔２２に止水材を設けない場合と比較して、帯水層８２Ｂと熱媒体２６との熱交換の効率が高められている。

【0040】

さらに、異なる帯水層の地下水が混ざり合うと、成分濃度や水圧等が変化して本来の自然環境に影響を与えることが考えられるが、止水材を設けることによりそのような影響を抑制することができる。

【0041】

［第２実施形態］
次に、図１、図３を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る地中熱交換機構の一例について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

【0042】

（熱交換機構）
図１に示すように、本実施形態に係る熱交換機構１１は、地中熱交換部９０、ヒートポンプ４０、及び熱利用部６０を含んで構成される。

【0043】

（地中熱交換部）
次に、図３を参照して、地中熱交換部９０の構成について詳細に説明する。地中熱交換部９０は、縦孔２２と、循環管９４と、循環管９４の内部に熱媒体２６を還流させる動力源としてのポンプ２８（図１参照）と、を備えている。

【0044】

縦孔２２の内部に配置された循環管９４は、復路部（復路管）が往路部（往路管）の内部に挿入された二重管構造とされている。具体的には、熱媒体２６が地上側から地中側へ流れる往路部においては、断熱材３０によって被覆されない外管９４Ａと、断熱材３０で被覆された外管９４Ｂと、を備えている。外管９４Ａと外管９４Ｂとは、同一部材、同一径とされ、外管９４Ａは帯水層８２Ａ、８２Ｂを通る部分に配置され、外管９４Ｂは難透水層８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃを通る部分に配置されている。外管９４Ｂの端部は縦孔２２の底部で塞がれており、熱媒体２６が外部に漏れない構成とされている。なお、外管９４Ａは本発明の熱交換部の一例であり、断熱材３０で被覆された外管９４Ｂは、本発明の熱交換抑制部の一例である。

【0045】

循環管９４は、熱媒体２６が地中側から地上側へ流れる復路部においては、断熱材３０によって被覆された内管９４Ｃとされている。内管９４Ｃは、外管９４Ａ、９４Ｂの内部に挿入されており、内管９４Ｃの底部が開口して、外管９４Ｂから熱媒体２６が流入する構成とされている。

【0046】

外管９４Ａの断面積から内管９４Ｃの断面積を引いた面積、すなわち熱媒体２６の往路部流路面積Ｓ１は、内管９４Ｃの断面積、すなわち復路部流路面積Ｓ２よりも大きく形成されている。なお、内管９４Ｃは、本発明の熱交換抑制部の一例である。

【0047】

［作用及び効果］
次に、第２実施形態の作用並びに効果を説明する。

【0048】

本実施形態においては、図３に示すように、内管９４Ｃは断熱材３０によって被覆され、さらに外管９４Ａ、９４Ｂに覆われるので、内管９４Ｃを通る熱媒体２６が、地盤８０と熱交換することが抑制される。例えば夏季において、往路部の外管９４Ａを通過する際に帯水層８２Ａ、８２Ｂと熱交換して冷やされた熱媒体２６が、復路部の内管９４Ｃを通る際に、難透水層８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃによって暖められることが抑制される。したがって、熱ロスを低減することができる。

【0049】

また、本実施形態においては、熱媒体２６の往路部流路面積Ｓ１は、復路部流路面積Ｓ２よりも大きく形成されている。このため、熱媒体２６が往路部の外管９４Ａを流れる速度は、復路部の内管９４Ｃを流れる速度よりも遅い。したがって、熱媒体２６は帯水層８２Ａ、８２Ｂを流れる地下水と熱交換する時間が長くなり、熱交換の効率が高められる。

【0050】

［熱交換効率解析］
次に、第１実施形態の地中熱交換部２０、及び第２実施形態の地中熱交換部９０の熱交換効率について解析した結果について説明する。

【0051】

図４には、熱交換効率を解析するための解析モデル１００が示されている。解析モデル１００は、深さ５０ｍの縦孔１０２を中心とした２０ｍ四方、深さが７０ｍの直方体とされ、地表面ＧＬからＧＬ−１０ｍまでが難透水層、ＧＬ−１０ｍより低い部分は帯水層とされている。

【0052】

この縦孔１０２に、第１実施形態の循環管２４、第２実施形態の循環管９４、図５（Ａ）に示した第１比較例の循環管１０４、及び、図５（Ｂ）に示した第２比較例の循環管１２４をそれぞれ挿入して熱交換杭を構成し、地表面深さと熱媒体温度との相関関係を解析した。

【0053】

なお、解析モデル１００において、ＧＬ−１０ｍより低い部分が帯水層とされているため、本解析に適用される第１実施形態の循環管２４は、ＧＬ−１０ｍからＧＬ−５０ｍまでがスパイラル管２４Ａとされている。

【0054】

なお、第２実施形態の循環管９４の内管９４Ｃの管径は、第１実施形態の循環管２４の往路直管２４Ｂ及び復路直管２４Ｃの管径と等しい。また、第１比較例の循環管１０４は、往路部と復路部が直管とされ、管径は、循環管９４の内管９４Ｃの管径と等しい。第２比較例の循環管１２４は、第１比較例の循環管１０４が２本併設された構成とされている。なお、循環管２４、９４、１０４、１２４は、いずれも断熱材によって被覆されていない。

【0055】

単位時間当たりの熱媒体還流量、熱媒体の初期温度、帯水層の地下水温度及び難透水層の土壌温度等の諸条件は、循環管２４、９４、１０４、１２４の解析モデル１００では等しくされている。

【0056】

図６は、解析結果を示すグラフである。図６において実線で示されるグラフは循環管２４（スパイラル管）が適用された熱交換杭における地表面深さと熱媒体温度との関係を示し、点線で示されるグラフは循環管９４（二重管）、一点鎖線で示されるグラフは循環管１０４（シングル管）、二点鎖線で示されるグラフは循環管１２４（ダブル管）がそれぞれ適用された熱交換杭における地表面深さと熱媒体温度との相関関係を示している。

【0057】

図６に示される通り、循環管２４、９４、１０４、１２４を適用した熱交換杭における熱媒体の地表面と、孔底（ＧＬ−５０ｍ）の温度差の絶対値はそれぞれ、約９℃、約５℃、約３．５℃、約２．５℃であった。

【0058】

すなわち、解析モデル１００においては、本発明の第１実施形態に用いられた循環管２４、本発明の第２実施形態に用いられた循環管９４、第２比較例に用いられた循環管１２４、第１比較例に用いられた循環管１０４、の順に熱交換効率が高い。換言すると、本発明に係る熱交換杭は、比較例に係る熱交換杭よりも熱交換効率が高い。

【0059】

［熱交換効率試験］
次に、第１実施形態の地中熱交換部２０、第２実施形態の地中熱交換部９０、及び比較例の熱交換効率試験について説明する。なお、試験は「官庁施設における地中熱利用システム導入ガイドライン（案）」（国土交通省、平成２５年１０月）に示された方法に準拠して行った。また、試験結果については、同ガイドラインに示されたケルビンの線源理論に基づき、温度の経時データから算定した有効熱伝導率により評価した。

【0060】

まず、試験方法について説明する。図７に示すように、試験体として、比較例に相当する試験体Ａ（一重直管）、第２実施形態の地中熱交換部９０に相当する試験体Ｂ（二重直管）、第１実施形態の地中熱交換部２０に相当する試験体Ｃ（一重らせん管）を、試験地盤Ｄに埋設したものを採用した。試験地盤Ｄには、難透水層Ｄ_ｓｃ１層、Ｄ_ｃ５層が存在し、難透水層Ｄ_ｓｃ１層、Ｄ_ｃ５層以外の部分が、細砂からなる３つの帯水層に分割されている。

【0061】

なお、図７において試験体Ａ、Ｂ、Ｃの各概要図に示された黒点は熱電対の概略位置を示しており、Ｎ値（標準貫入試験値）を示す柱状図に示された黒点は、対応する深度で測定したＮ値を示している。また、Ｎ値を示す柱状図の隣に示された下向き三角の記号は各帯水層の地下水位を示している。

【0062】

図８に示すように、試験体Ａの一重直管は、２５ＡのＰＥ（ポリエチレン）管を採用した。

【0063】

試験体Ｂの二重直管は、外管と内管の間を熱媒の往路管、内管を熱媒の復路管としたものであり、一重管よりも往路の通水断面積、地盤との接触面積が大きく、熱媒を循環する際に、一重管よりも地盤との熱交換時間が長くかつ熱交換面積が大きい。また、復路管は往路間への熱ロスを低減するため、通水断面積が小さく熱媒の熱交換時間を短縮するために２０ＡのＰＥ管とした。

【0064】

試験体Ｃの一重らせん管は、往路の帯水層部分のみ２５Ａのサクションホースを用いたらせん形状とし、帯水層部分以外の部分における直管の７．３倍の長さとした。往路のシルト層部分は試験体Ａと同じ２５ＡのＰＥ管とし、復路は２０ＡのＰＥ管とした。試験体Ｃは、試験体Ａよりも往路の管長が長く、地盤との接触面積も大きいため、試験体Ａよりも地盤との熱交換時間が長くかつ熱交換面積が大きい。

【0065】

いずれの試験体も、掘削孔と熱交換管の隙間に２号硅砂を充填した。また、地下水位の異なる帯水層間で鉛直浸透流を生じさせないように、Ｄ_ｓｃ１層とＤ_ｃ５層の深度には、２号硅砂の代わりに止水材料としてベントナイトペレットを充填した。

【0066】

浅層部においては、気温の変化を受けやすい深度や地下水位以浅の深度では、熱交換管の周囲に保温材（発泡ポリエチレン）を施し、その外周に塩ビ管（ＶＰ１２５）を挿入して地盤との断熱処理を行った。地盤温度の計測部においては、熱交換管外側の所定の深度に、熱交換管に沿って熱電対を設置し、孔内設置時の破損を防ぐために熱電対の周りに保護ネットを設置した。さらに保護ネットの端部をビニルテープ及び結束バンドを用いて熱交換管に固定し、保護ネットが容易にずれたり剥がれたりしないようにした。

【0067】

以上の条件の下、試験体Ａ、Ｂ、Ｃのそれぞれについて、ポンプにより循環水を循環させ、電気ヒーターにより循環水を加熱し、循環水の流量、入り口温度、出口温度の上昇を計測する温水循環試験の後、電気ヒーターとポンプを停止し、循環水の温度の回復を計測した（温度回復試験）。

【0068】

なお、試験体Ａ、Ｂ、Ｃにおける加熱電力は、全て４２００Ｗとした。循環水の流量は、それぞれ１９．６８Ｌ／ｍｉｎ、１４．９７Ｌ／ｍｉｎ、７．８９Ｌ／ｍｉｎとなった。循環水の流量が異なるのは、ポンプの圧送圧力に対して、熱交換管の圧送抵抗により差異が出るためである。

【0069】

次に、試験結果について説明する。上述したように、試験結果は循環水の温度の経時データから算定した有効熱伝導率により評価した。

【0070】

図９には、試験体Ａ、Ｂ、Ｃの熱交換管外側の所定の深度に設置した熱電対が測定した温度データから算出した有効熱伝導率の値が示されている。なお、有効熱伝導率は、単位厚みあたり１度の温度差がある場合に単位時間で単位面積を移動する熱量であり、値が大きいほど熱が伝わりやすく、熱交換効率が高いことを示す。

【0071】

図９に示したように、試験体Ａ（一重直管）の有効熱伝導率は１．４１〜１．７７Ｗ／ｍＫであり、試験体Ｂ（二重直管）の有効熱伝導率は１．６２〜１．９１Ｗ／ｍＫであり、試験体Ｃ（一重らせん管）の有効熱伝導率は１．９１〜２．０５Ｗ／ｍＫであった。すなわち、熱交換効率は、試験体Ｃが最も高く、次いで、試験体Ｂが高かった。換言すると、本発明に係る熱交換杭（試験体Ｂ、Ｃ）は、比較例に係る熱交換杭（試験体Ａ）よりも熱交換効率が高かった。

【0072】

［変形例］
次に、上記実施形態の変形例について説明する。

【0073】

第１実施形態においては、スパイラル管２４Ａが往路部のみに形成されていたが、本発明の実施形態はこれに限られない。例えば復路部のみに形成されていてもよいし、往路部、復路部の双方に形成されていてもよい。復路部のみに形成する場合は、熱媒体２６の循環方向を逆にすればよく、循環管２４をこのように構成しても熱交換効率を高くすることができる。また、往路部、復路部の双方に形成する場合は、熱交換効率をさらに向上させることができる。

【0074】

また、第１実施形態においては、地中熱交換部２０は、砂杭（サンドパイル）の内部に循環管２４が埋設された構成としたが、本発明の実施形態はこれに限られない。例えば、筒状の鋼管杭を地盤８０に埋設して、該鋼管杭の内部に珪砂を充填し、該鋼管杭を介して帯水層８２Ａ、８２Ｂから熱伝達されるものであってもよい。管体を用いることで、止水材を用いることなく、帯水層８２Ａの地下水が地中熱交換部２０を通って帯水層８２Ｂに流入することを抑制できる。また、地震時などに循環管２４が破断することを抑制することができる。
あるいは、鋼管杭の管体の帯水層８２Ａ、８２Ｂを通る部分に、適宜な大きさと間隔を有するスクリーン（縦長のスリット、円形に削孔された孔等）を設けてもよい。このようにすれば、循環管２４の破断を抑制しつつ、帯水層８２Ａ、８２Ｂの地下水とスパイラル管２４Ａとが直接熱交換することができる。なお、管体を用いる構成については、第２実施形態、及び各変形例において適用してもよい。

【0075】

また、第１実施形態においては、地中熱交換部２０の縦孔２２は、２層の帯水層８２Ａと帯水層８２Ｂを貫通しており、循環管２４はそれぞれの帯水層に対応する部分にスパイラル管２４Ａを備えるものとしたが本発明の実施形態はこれに限られない。例えば縦孔２２が貫通する帯水層は１層であってもよいし、３層以上であってもよい。また、縦孔２２が複数の帯水層を貫通する場合において、スパイラル管２４Ａは全ての帯水層に対応する部分に設けられている必要はなく、例えば年間を通して温度が安定している地中深い部分の帯水層に対応する部分のみに設けてもよい。このように、地中熱交換部２０の構成は、地盤８０の状態に合わせて適宜変更することができる。

【0076】

また、第２実施形態においては、帯水層８２Ａ、８２Ｂに対応する部分に設けられた外管９４Ａと、難透水層８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃに対応する部分に設けられた外管９４Ｂとは同一径の同一部材とされているが本発明の実施形態はこれに限られない。例えば外管９４Ａを、外管９４Ｂよりも太径として、継手部材等で接合してもよい。このように外管９４Ａを太径とすることで、熱媒体２６が帯水層８２Ａ、８２Ｂを通過する速度が遅くなるので、熱交換効率を高めることができる。この場合の外管９４Ｂは、熱交換抑制部の一例である。同様に、第１実施形態のスパイラル管２４Ａも、往路直管２４Ｂ、復路直管２４Ｃと比較して太径としてもよい。

【0077】

また、第２実施形態においては、循環管９４の外管９４Ａ、９４Ｂが往路管とされ、内管９４Ｃが復路管とされているが本発明の実施形態はこれに限られない。例えば外管９４Ａ、９４Ｂを復路管として、内管９４Ｃを往路管としてもよい。循環管９４をこのように構成しても、熱交換効率を高くすることができる。

【0078】

また、第１実施形態においては、循環管２４を樹脂製としたが本発明の実施形態はこれに限られず、複数の材料を組み合わせて構成してもよい。例えばスパイラル管２４Ａをステンレス、アルミ等の金属製とし、往路直管２４Ｂ、復路直管２４Ｃを、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン等の合成樹脂としてもよい。これにより、帯水層を通る部分での熱交換効率をさらに高めることができる。同様に、第２実施形態においても、外管９４Ａを金属製とし、外管９４Ｂ、内管９４Ｃを合成樹脂製としてもよい。

【0079】

以上、本発明の実施形態の例について説明したが、本発明はこうした実施形態に限定されるものでなく、一実施形態及び各種の変形例を適宜組み合わせて用いても良いし、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

【符号の説明】

【0080】

１０、１１ 地中熱交換機構
２２ 縦孔
２４、９４ 循環管
２４Ａ スパイラル管（熱交換部）
２４Ｂ 往路直管（熱交換抑制部）
２４Ｃ 復路直管
２６ 熱媒体
３２ 珪砂（充填材）
３４ セメント層（止水材）
８０ 地盤
８２Ａ、８２Ｂ 帯水層
８４Ａ、８４Ｂ 難透水層（帯水層でない地層）
９４Ａ 外管（熱交換部）
９４Ｂ 外管（熱交換抑制部）
９４Ｃ 内管（熱交換抑制部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】