特開 2024-127271 地中熱交換器の設置方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024127271

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】地中熱交換器の設置方法

(51)【国際特許分類】

   F24T 10/15 20180101AFI20240912BHJP

   F28D 21/00 20060101ALI20240912BHJP

【ＦＩ】

F24T10/15

F28D21/00 Z

【審査請求】有

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023036305

(22)【出願日】2023-03-09

(71)【出願人】

【識別番号】000236610

【氏名又は名称】株式会社不動テトラ

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100111235

【弁理士】

【氏名又は名称】原 裕子

(74)【代理人】

【識別番号】100170575

【弁理士】

【氏名又は名称】森 太士

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 英次

(72)【発明者】

【氏名】山下 祐司

(72)【発明者】

【氏名】吉田 悠都

(57)【要約】

【課題】往路管と復路管間の離隔距離及び隣り合う地中熱交換器間の配置間隔を大きく取ることができ、熱干渉の影響を低減させることができる地中熱交換器の設置方法を提供する。
【解決手段】地中の深層部Ｓ側へ熱媒Ｗを流すための往路管１１と、往路管１１を通って深層部Ｓ側に到達した熱媒Ｗを地表１ａ側へ流すための復路管１２と、往路管１１の管軸方向の端部１１ｂと復路管１２の管軸方向の端部１２ｂとを所定間隔離間させて連結する連結管１３と、を備え、地盤１との間で熱交換を行うＵ字状の地中熱交換器１０の設置方法であって、大口径の掘削孔２を削孔し、この大口径の掘削孔２内に複数の地中熱交換器１０を一定の配置間隔Ｈを有して平行になるように並列に配置すると共に、大口径の掘削孔２と複数の地中熱交換器１０との間に充填材８を充填し、複数の地中熱交換器１０の往復路において同一方向に熱媒Ｗを循環させる。
【選択図】図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

地中の深層部側へ熱媒を流すための往路管と、前記往路管を通って前記深層部側に到達した前記熱媒を地表側へ流すための復路管と、前記往路管の管軸方向の端部と前記復路管の管軸方向の端部とを所定間隔離間させて連結する連結管と、を備え、地盤との間で熱交換を行うＵ字状の地中熱交換器の設置方法であって、
大口径の掘削孔を削孔し、
前記大口径の掘削孔内に複数の前記地中熱交換器を一定の配置間隔を有して平行になるように並列に配置すると共に、前記大口径の掘削孔と前記複数の地中熱交換器との間に充填材を充填し、
前記複数の地中熱交換器の往復路において同一方向に前記熱媒を循環させることを特徴とする地中熱交換器の設置方法。

【請求項2】

請求項１記載の地中熱交換器の設置方法であって、
前記複数の地中熱交換器の各往路管と各復路管とが一定の離隔距離を有して平行になるものを用いることを特徴とする地中熱交換器の設置方法。

【請求項3】

請求項１記載の地中熱交換器の設置方法であって、
前記複数の地中熱交換器の各往路管と各復路管とが前記地盤の地表側に向かうにつれ離隔距離が大きくなるものを用いることを特徴とする地中熱交換器の設置方法。

【請求項4】

請求項１記載の地中熱交換器の設置方法であって、
前記複数の地中熱交換器の各往復管と各復路管間の離隔距離を前記複数の地中熱交換器の隣り合う各地中熱交換器間の配置間隔よりも大きく或いは等しくすることを特徴とする地中熱交換器の設置方法。

【請求項5】

請求項１記載の地中熱交換器の設置方法であって、
前記削孔時に削孔用のケーシング内に前記複数の地中熱交換器及び前記充填材を予め挿入した状態にすることを特徴とする地中熱交換器の設置方法。

【請求項6】

地中の深層部側へ熱媒を流すための往路管と、前記往路管を通って前記深層部側に到達した前記熱媒を地表側へ流すための復路管と、前記往路管の下方の先端部と前記復路管の下方の先端部とを所定間隔離間させて連結する連結管と、を備え、地盤との間で熱交換を行うＵ字状の地中熱交換器の設置方法であって、
大口径の掘削孔を複数削孔し、
前記複数の大口径の掘削孔内に複数の前記地中熱交換器を一定の配置間隔を有して平行になるようにそれぞれ並列に配置すると共に、前記複数の大口径の掘削孔と前記複数の地中熱交換器との間に充填材をそれぞれ充填し、
前記複数の大口径の掘削孔内に設置された前記複数の地中熱交換器を直列に連結する場合に、同一掘削孔内に設置された地中熱交換器の前記熱媒の循環方向が同じくなるように前記複数の大口径の掘削孔内の地中熱交換器を配列することを特徴とする地中熱交換器の設置方法。

【請求項7】

請求項６記載の地中熱交換器の設置方法であって、
前記削孔時に削孔用のケーシング内に前記複数の地中熱交換器及び前記充填材を予め挿入した状態にすることを特徴とする地中熱交換器の設置方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地盤との間で熱交換を行う地中熱交換器の設置方法に関する。

【背景技術】

【0002】

この種の地中熱交換器の設置方法として所謂ボアホール方式が広く採用されている（例えば、特許文献１参照）。このボアホール方式は、口径１００～２００ｍｍのボアホール（掘削孔）内にシングルＵチューブ（１組の往路管と復路管を有したＵ字状の地中熱交換器）或いはダブルＵチューブ（２組の往路管と復路管を有したＵ字状の地中熱交換器）を建て込むものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－２２７３６１号公報

【特許文献2】特開２０１３－２５３７４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、前記従来のシングルＵチューブでは、図１Ｃのボアホール方式の比較例で示すように、往路管１１と復路管１２の各管内側間の離隔距離Ｌ１が短い（例えば、Ｌ１＝１０ｍｍ程度）ため、熱干渉の影響で採熱・放熱の効率が悪いという問題がある。また、前記従来のダブルＵチューブでは、２組の往路管と復路管が隣り合うように配置されているため、熱干渉の影響を大きく受け、シングルＵチューブに対し、１．２～１．３倍程度の効率しか望めないという問題がある。

【0005】

そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、往路管と復路管との間の離隔距離及び隣り合う地中熱交換器間の配置間隔を大きく取ることができ、熱干渉の影響を低減させることができる地中熱交換器の設置方法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】

【0006】

本発明の態様に係る地中熱交換器の設置方法は、地中の深層部側へ熱媒を流すための往路管と、前記往路管を通って前記深層部側に到達した前記熱媒を地表側へ流すための復路管と、前記往路管の下方の先端部と前記復路管の下方の先端部とを所定間隔離間させて連結する連結管と、を備え、地盤との間で熱交換を行うＵ字状の地中熱交換器の設置方法であって、大口径の掘削孔を削孔し、前記大口径の掘削孔内に複数の前記地中熱交換器を一定の配置間隔を有して平行になるように並列に配置すると共に、前記大口径の掘削孔と前記複数の地中熱交換器との間に充填材を充填し、前記複数の地中熱交換器の往復路において同一方向に前記熱媒を循環させることを特徴とする。

【0007】

本発明の他の態様に係る地中熱交換器の設置方法は、地中の深層部側へ熱媒を流すための往路管と、前記往路管を通って前記深層部側に到達した前記熱媒を地表側へ流すための復路管と、前記往路管の管軸方向の端部と前記復路管の管軸方向の端部とを所定間隔離間させて連結する連結管と、を備え、地盤との間で熱交換を行うＵ字状の地中熱交換器の設置方法であって、大口径の掘削孔を複数削孔し、前記複数の大口径の掘削孔内に複数の前記地中熱交換器を一定の配置間隔を有して平行になるようにそれぞれ並列に配置すると共に、前記複数の大口径の掘削孔と前記複数の地中熱交換器との間に充填材をそれぞれ充填し、前記複数の大口径の掘削孔内に設置された前記複数の地中熱交換器を直列に連結する場合に、同一掘削孔内に設置された地中熱交換器の前記熱媒の循環方向が同じくなるように前記複数の大口径の掘削孔内の地中熱交換器を配列することを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、地盤の掘削に大口径のケーシングを用いることにより、往路管と復路管との間の離隔距離及び隣り合う地中熱交換器間の配置間隔を大きく取ることができ、熱干渉の影響を低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1A】本発明の第１実施形態の地中熱交換器の設置状態を示す側面図である。

【図1B】上記地中熱交換器の設置状態を示す正面図である。

【図1C】比較例の地中熱交換器の設置状態を示す側面図である。

【図2A】本発明の第２実施形態の地中熱交換器の設置状態を示す側面図である。

【図2B】上記第２実施形態の地中熱交換器の設置状態を示す正面図である。

【図3】本発明の第３実施形態の複数の掘削孔に設置された複数の地中熱交換器の接続状態を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

【0011】

図１Ａは本発明の第１実施形態の地中熱交換器の設置状態を示す側面図、図１Ｂは地中熱交換器の設置状態を示す正面図、図１Ｃは比較例の地中熱交換器の設置状態を示す側面図である。

【0012】

図１Ａ、図１Ｂに示すように、本第１実施形態の設置方法に用いられる地中熱交換器１０は、往路管１１と復路管１２及び連結管１３とでＵ字状に形成され、各管内に熱媒Ｗを循環させて地盤１との間で熱交換を行うものである。ここで、熱媒Ｗとして水または不凍液等の液体が利用される。つまり、地中熱交換器１０は、地中に埋設したＵ字状の管内に水等の熱媒Ｗを循環させ、空調装置等から排出される熱を放熱したり、地中の熱を採熱して空調装置に供給したりすることにより、効率的に空調装置を運転する目的で利用される。

【0013】

図１Ａに示すように、往路管１１は、熱媒Ｗを地盤１の深層部Ｓ側へ流すためのものであり、高い長期静水圧強度を備えた高密度ポリエチレン製の円筒状に形成されている。また、復路管１２は、往路管１１を通って深層部Ｓ側に到達した熱媒Ｗを地表１ａ側へ流すためのものであり、高い長期静水圧強度を備えた高密度ポリエチレン製の円筒状に形成されている。尚、図１Ａ中符号Ｓは、地中の温度が年中一定の約１０ｍ以深の深層部を示し、図１Ａ中符号Ｐは、地中の温度が季節により変化し易い３ｍ以浅の浅層部を示す。

【0014】

図１Ａに示すように、連結管１３は、高い長期静水圧強度を備えた高密度ポリエチレン製の円筒状でＵ字状に形成されており、往路管１１の下端部（管軸方向の端部）１１ｂと復路管１２の下端部（管軸方向の端部）１２ｂとを連結するものである。この連結管１３で連結された往路管１１と復路管１２には、幅保持部材としてのスペーサ１４が複数取り付けられている。このスペーサ１４により、往路管１１と復路管１２は、所定の離隔距離Ｌを有して平行になるように並列に設けられている。

【0015】

尚、図１Ａに示すように、往路管１１の上端側（管軸方向の他方の端部側）は、Ｌ字形に折れ曲がった熱媒Ｗの入口部１１ａとなっており、また、復路管１２の上端側（管軸方向の他方の端部側）は、Ｌ字形に折れ曲がった熱媒Ｗの出口部１２ａとなっている。これら入口部１１ａと出口部１２ａは、掘削孔２の上側に掘削された溝３に位置している。さらに、掘削孔２と２つの地中熱交換器１０との間には、砂等の充填材８が充填されている。これにより、充填材８を介して２つの地中熱交換器１０の熱媒Ｗと地盤１との間で熱交換が行われる。

【0016】

次に、前記構成の地中熱交換器１０の設置手順を説明する。

【0017】

まず、地盤１に大口径のケーシング５を用いて大口径（例えば、直径４００ｍｍ）の掘削孔２を削孔する。大口径の掘削孔２内に地中熱交換器１０を建て込んで設置する際に、図１Ａに示すように、往路管１１と復路管１２との間が一定の離隔距離Ｌを有して平行になっている２つ（２組）の地中熱交換器１０を用いる。

【0018】

次に、図１Ｂに示すように、大口径の掘削孔２内に２つの地中熱交換器１０を一定の配置間隔Ｈを有して平行になるように並列に配置する。大口径のケーシング５による削孔時に該ケーシング５内に２つの地中熱交換器１０及び充填材８を予め挿入した状態にしておくことで、大口径の掘削孔２と２つの地中熱交換器１０との間には、砂等の充填材８が充填される。

【0019】

また、大口径の掘削孔２内に２つの地中熱交換器１０を建て込む際に、２つの地中熱交換器１０の配置間隔Ｈ（例えば、Ｈ＝２５０ｍｍ）が、各地中熱交換器１０の平行に並列された往路管１１と復路管１２の各管外側間の離隔距離Ｌ（例えば、Ｌ＝３００ｍｍ）よりも小さくなる（Ｈ＜Ｌ）ように２つの地中熱交換器１０を配置する。そして、２つの地中熱交換器１０に熱媒Ｗを流す場合には、２つの地中熱交換器１０の往復路において同一方向に熱媒Ｗを循環させる。

【0020】

このように、大口径のケーシング５により掘削した大口径の掘削孔２内に、往路管１１と復路管１２間に所定の離隔距離Ｌを有した地中熱交換器１０を建て込むことで、地中熱交換器１０の往路管１１と復路管１２間の離隔距離Ｌを図１Ｃに示す比較例に比べて大きく取ることができる。さらに、大口径のケーシング５により掘削した大口径の掘削孔２内に、２つの地中熱交換器１０を所定の配置間隔Ｈを有して建て込むことにより、隣り合う２つの地中熱交換器１０間の配置間隔Ｈを図１Ｃに示す比較例に比べて大きく取ることができる。これらにより、図１Ｃに示す比較例よりも熱干渉の影響を低減させることができる。即ち、熱のロスを低減することができ、地中熱交換器１０の熱変換効率を向上させることができる。

【0021】

図２Ａは本発明の第２実施形態の地中熱交換器の設置状態を示す側面図、図２Ｂは地中熱交換器の設置状態を示す正面図である。

【0022】

この第２実施形態の地中熱交換器の設置方法は、２つの地中熱交換器１０の各往路管１１と各復路管１２とが地盤１の地表１ａ側に向かうにつれ離隔距離Ｌが大きくなるものを用いる点が、前記第１実施形態のものとは異なる。尚、他の構成は、前記第１実施形態と同様であるため、同一構成部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【0023】

この第２実施形態の地中熱交換器の設置方法では、２つの地中熱交換器１０の各往路管１１と各復路管１２とが地盤１の地表１ａ側に向かうにつれ離隔距離Ｌが大きくなるものを用いることで、前記第１実施形態と同様の作用・効果を奏する。

【0024】

図３は本発明の第３実施形態の複数の掘削孔に設置された複数の地中熱交換器の接続状態を示す平面図である。

【0025】

この第３実施形態の地中熱交換器の設置方法は、大口径のケーシング５により大口径の掘削孔２を複数削孔し、この各大口径の掘削孔２内に２つの地中熱交換器１０をそれぞれ配置する点が、前記第１実施形態のものとは異なる。尚、他の構成は、前記第１実施形態と同様であるため、同一構成部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【0026】

この第３実施形態では、複数の大口径の掘削孔２内にそれぞれ設置された各２つの地中熱交換器１０を直列に連結する場合に、同一掘削孔２内に設置された地中熱交換器１０の熱媒Ｗの循環方向が同じくなって空調装置のヒートパイプ１５に接続されるように複数の大口径の掘削孔２内の地中熱交換器１０を配列する。これにより、熱干渉の影響を低減させることができると共に、地中熱交換器１０の熱変換効率をより一段と向上させることができる。

【0027】

尚、前記各実施形態によれば、１組の往路管１１と復路管１２の各管外側間の離隔距離Ｌを２つの地中熱交換器１０の配置間隔Ｈよりも大きくなる（Ｌ＞Ｈ）ようにしたが、離隔距離Ｌと配置間隔Ｈを等しくなる（Ｌ＝Ｈ）ようにしても良い。この場合、例えば、Ｌ＝Ｈ＝２５０～３００ｍｍ位が良い。

【0028】

また、前記各実施形態によれば、大口径のケーシングにより削孔された大口径の掘削孔内に２つの地中熱交換器を建て込んだが、大口径の掘削孔内に３つ以上の地中熱交換器を建て込んでも良い。

【0029】

さらに、前記各実施形態によれば、往路管と復路管と挿入管及び連結管は、高密度ポリエチレン製としたが、それらの素材はこれに限定されることはなく、例えば、通常密度のポリエチレン等の熱可塑性樹脂でも良く、また、樹脂以外の材料でも良い。

【実施例0030】

図１Ｃの比較例で示すボアホール方式（小口径の掘削孔内に往路管と復路管及び連結管を有したＵ字状の地中熱交換器を建て込む方式）に対し、より大口径の掘削孔にＵ字状の地中熱交換器を建て込んだ場合の放熱効率を実験により求めた。ここで、Ｕ字状の地中熱交換器をＵチューブといい、１組の往路管と復路管を有したＵ字状の地中熱交換器をシングルＵチューブといい、２組の往路管と復路管を有したＵ字状の地中熱交換器をダブルＵチューブという。

【0031】

［その１］往路・復路の離隔有無
水深７ｍ、内径３００ｍｍの井戸にＵチューブを建て込み、管内に３０℃の温水を８時間１０リットル／分の流速で循環させ、管内の水温を井戸水に放熱する試験を行った。

【0032】

＜実験１＞
ボアホール方式と同様にＵチューブの往路・復路の間隔がほとんどない状態としたシングルＵチューブを用いて、８時間後の入口・出口の温度差を求める。その結果、温度差は０．８℃となった。

【0033】

＜実験２＞
Ｕチューブの往路・復路の間隔が２５０ｍｍとなるようにして、実験１と同様の実験を行った。その結果、温度差は１．０℃となった。

【0034】

＜考察＞
以上より、離隔をとることにより、１．２５倍の放熱効果が得られることとなった。

【0035】

［その２］シングルＵチューブ、ダブルＵチューブの効率
深さ７．５ｍの実験土槽に往路・復路の離隔３００ｍｍを確保したＵチューブを２組ほぼ隙間なく併設して建て込み、周辺に砂を充填した状態で、管内に３０℃の温水を８時間１０リットル／分の流速で循環させ、管内の水温を実験地盤内に放熱する試験を行った。地下水位は地表面より１ｍとなるよう設定した。

【0036】

＜実験３＞
片側（１組）のＵチューブのみに温水を循環させ、８時間後の入口・出口の温度差を求める。その結果、温度差は０．５℃となった。

【0037】

＜実験４＞
両側（２組）のＵチューブに同時に温水を循環させ、８時間後の入口・出口の温度差を求める。この時、往路側・復路側が隣り合うように温水を循環させる。その結果、温度差は０．８℃となった。

【0038】

＜考察＞
シングルＵチューブに対しダブルＵチューブの効率は、１．６倍となる。ボアホール方式では１．２～１．３倍程度とされているので、約１．３倍高い効率が得られた。

【0039】

以上より、その１とその２を組み合わせることにより、大口径の掘削孔を用いることにより、ボアホール方式のシングルＵチューブに比べ２倍（１．２５×１．６）、ダブルＵチューブに比べ約１．６倍の効率が得られることが分る。

【符号の説明】

【0040】

１ 地盤
１ａ 地表
２ 大口径の掘削孔
８ 充填材
１０ 地中熱交換器
１１ 往路管
１１ｂ 下端部（管軸方向の端部）
１２ 復路管
１２ｂ 下端部（管軸方向の端部）
１３ 連結管
Ｓ 深層部
Ｗ 熱媒
Ｌ 離隔距離
Ｈ 配置間隔

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図3】