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(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】
(24)【登録日】2022-09-28
(45)【発行日】2022-10-06
(54)【発明の名称】地中熱利用システム
(51)【国際特許分類】
F03D 9/35 20160101AFI20220929BHJP
F24T 50/00 20180101ALI20220929BHJP
F24T 10/15 20180101ALI20220929BHJP
【ＦＩ】
F03D9/35
F24T50/00
F24T10/15
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2021092298
(22)【出願日】2021-06-01
(62)【分割の表示】P 2019121569の分割
【原出願日】2019-06-28
(65)【公開番号】P2021139370
(43)【公開日】2021-09-16
【審査請求日】2021-06-01
(73)【特許権者】
【識別番号】000198307
【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ建材工業
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(74)【代理人】
【識別番号】100169764
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 雄一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100167553
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 久典
(74)【代理人】
【識別番号】100188891
【弁理士】
【氏名又は名称】丹野 拓人
(72)【発明者】
【氏名】峯▲崎▼ 晃洋
(72)【発明者】
【氏名】三上 恭伸
(72)【発明者】
【氏名】久米 毅志
(72)【発明者】
【氏名】内藤 泰文
(72)【発明者】
【氏名】増田 宏
(72)【発明者】
【氏名】守谷 憲和
(72)【発明者】
【氏名】小西 智樹
【審査官】高吉 統久
(56)【参考文献】
【文献】特開昭６０－１１９３０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１０７２８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－０５２５８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－３２６１２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５８－２２２９８４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０３Ｄ ９／３５
Ｆ０３Ｇ ７／０４
Ｆ２４Ｔ ５０／００
Ｆ２４Ｔ １０／１５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のセグメントが連結されていて地中熱の高い地層に埋設された筒体と、前記筒体に装着されていて熱媒を流通させる第一の熱交換器と、
前記筒体に設置されていて、前記筒体の内部空間内において、前記内部空間の中央領域と前記筒体の内周面近傍領域との温度差による熱対流で生じる風力によって回転する風車により発電する風力発電装置と、
を備えたことを特徴とする地中熱利用システム。
【請求項2】
前記セグメントにはケーシング管が装着され、前記ケーシング管の内部にＵ字状に形成された前記第一の熱交換器が装着されている請求項１に記載された地中熱利用システム。
【請求項3】
前記セグメントには閉鎖空間を形成するケーシング管が装着され、前記第一の熱交換器は前記ケーシング管の内部に熱媒を流通させている請求項１に記載された地中熱利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えば複数のセグメントからなる筒体を地中熱の高い地層に埋設して、熱交換器内を流通する熱媒を高温の地層の地熱と熱交換することで採熱して利用する地中熱利用システムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、山間地等に構築される送電用鉄塔や橋梁の基礎杭を利用して熱交換器を地中に埋設し、その熱交換器内を流通する熱媒を高温の周囲地層と熱交換させることで周囲の地層から採熱する熱交換システムが知られている。この熱交換システムは、例えば地中を１か所ずつ掘削してその内部に熱媒を流通させる配管状の熱交換器を個別に設置して埋め戻している。
熱交換器は比較的低温の蒸気や熱水等の熱媒を地中に供給して地中熱の高い地層で地熱と熱交換して、高温になった熱媒を地上に取り出している。採取した熱エネルギーは、発電や、橋梁路面や道路路面の融雪設備、農業用ハウスの暖房設備、建築物の暖房設備等に利用されている。
熱交換器は比較的低温の蒸気や熱水等の熱媒を地中に供給して地中熱の高い地層で地熱と熱交換して、高温になった熱媒を地上に取り出している。採取した熱エネルギーは、発電や、橋梁路面や道路路面の融雪設備、農業用ハウスの暖房設備、建築物の暖房設備等に利用されている。
【0003】
また、例えば特許文献１に記載された場所打ちコンクリート杭では、杭外周部の外周面に熱伝導率の高い筒状の鋼管を設置し、鋼管の全外周面を地熱温度の高い地盤の透水層と接触させる。そして、熱交換パイプを鋼管の内面に接するように配設することで、熱交換パイプ内を循環する熱媒に地熱を効率よく伝達させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１２－９７９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上述した熱交換システムでは１か所ずつ掘削して熱交換器を地中に埋設するため、広域的に地熱を採取するためには時間とコストがかかるという不具合がある。
また、特許文献１に記載された熱交換装置は、場所打ちコンクリート杭の外周面に鋼管を設置し、その内面に熱交換パイプを配設するため、施工コストが高く構造も煩雑になるという問題がある。
また、特許文献１に記載された熱交換装置は、場所打ちコンクリート杭の外周面に鋼管を設置し、その内面に熱交換パイプを配設するため、施工コストが高く構造も煩雑になるという問題がある。
【0006】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、施工コストが低廉で、地熱を効率よく熱交換して利用できる地中熱利用システム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】
本発明に係る地中熱利用システムは、複数のセグメントが連結されていて地中熱の高い地層に埋設された筒体と、筒体に装着されていて熱媒を流通させる第一の熱交換器と、筒体の内部空間に設置されていて熱媒を流通させる第二の熱交換器と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、地中に埋設されたセグメントの筒体に第一の熱交換器を装着しているため地中熱の高い地層の地熱を筒体に装着された第一の熱交換器内の熱媒と熱交換し、第一の熱交換器内の熱媒を回収して採熱すると共に、筒体の内部空間に装着された第二の熱交換器内の熱媒を地中熱の高い地層の地熱と熱交換して採熱できるため、施工が簡単で低コストであり、効率よく熱交換して採熱することができる。
本発明によれば、地中に埋設されたセグメントの筒体に第一の熱交換器を装着しているため地中熱の高い地層の地熱を筒体に装着された第一の熱交換器内の熱媒と熱交換し、第一の熱交換器内の熱媒を回収して採熱すると共に、筒体の内部空間に装着された第二の熱交換器内の熱媒を地中熱の高い地層の地熱と熱交換して採熱できるため、施工が簡単で低コストであり、効率よく熱交換して採熱することができる。
【0008】
本発明に係る地中熱利用システムは、複数のセグメントが連結されていて地中熱の高い地層に埋設する筒体と、セグメントに装着されていて熱媒を流通させる第一の熱交換器と、筒体に設置されていて筒体の内部空間内の温度差による熱対流で生じる風力によって回転する風車により発電する風力発電装置と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、地中熱の高い地層の地熱を筒体に装着された第一の熱交換器の熱媒と熱交換して第一の熱交換器の高温の熱媒を回収して採熱すると共に、筒体の内部空間では中央領域と内周面近傍領域との温度差による熱対流により風車を回転させて、風力発電装置で発電することができる。
本発明によれば、地中熱の高い地層の地熱を筒体に装着された第一の熱交換器の熱媒と熱交換して第一の熱交換器の高温の熱媒を回収して採熱すると共に、筒体の内部空間では中央領域と内周面近傍領域との温度差による熱対流により風車を回転させて、風力発電装置で発電することができる。
【0009】
本発明に係る地中熱利用システムは、地中に埋設された地中構造物と、地中構造物の周囲に複数のセグメントが連結されて配設されていて地中熱の高い地層に埋設された筒体と、筒体に装着されていて熱媒を流通させる第一の熱交換器と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、杭や柱等の地中構造物の周囲に複数のセグメントからなる筒体が埋設されて第一の熱交換器が装着されているため、筒体に装着した第一の熱交換器によって地熱を熱交換して採熱すると共に、地中構造物を筒体で補強して耐震性と耐久性を向上できる。
本発明によれば、杭や柱等の地中構造物の周囲に複数のセグメントからなる筒体が埋設されて第一の熱交換器が装着されているため、筒体に装着した第一の熱交換器によって地熱を熱交換して採熱すると共に、地中構造物を筒体で補強して耐震性と耐久性を向上できる。
【0010】
本発明に係る地中熱利用システムは、複数のセグメントが連結されていて地中熱の高い地層に埋設された筒体と、セグメントに装着されていて熱媒を流通させる第一の熱交換器と、筒体の内部空間に形成された放水路または換気坑と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、筒体に装着した第一の熱交換器によって地熱を熱交換して採熱すると共に、筒体の内部空間を放水路または換気坑として利用できるため筒体の内部空間を有効利用できる。
本発明によれば、筒体に装着した第一の熱交換器によって地熱を熱交換して採熱すると共に、筒体の内部空間を放水路または換気坑として利用できるため筒体の内部空間を有効利用できる。
【0011】
また、セグメントにはケーシング管が装着され、ケーシング管の内部にＵ字状に形成された第一の熱交換器が装着されていることが好ましい。
筒体のセグメントにケーシング管が装着されており、このケーシング管にＵ字状の第一の熱交換器が装着されているため、地中熱の高い地層の地熱を筒体のケーシング管に装着した第一の熱交換器と筒体の内部空間の地中に埋設した第二の熱交換器とで熱交換して採熱することができる。また、第一の熱交換器はケーシング管内に挿入されて保護されるため耐久性が高い。しかも、第一の熱交換器自体はケーシング管に対して交換可能であり、メンテナンス性が高く経済的に優位である。
筒体のセグメントにケーシング管が装着されており、このケーシング管にＵ字状の第一の熱交換器が装着されているため、地中熱の高い地層の地熱を筒体のケーシング管に装着した第一の熱交換器と筒体の内部空間の地中に埋設した第二の熱交換器とで熱交換して採熱することができる。また、第一の熱交換器はケーシング管内に挿入されて保護されるため耐久性が高い。しかも、第一の熱交換器自体はケーシング管に対して交換可能であり、メンテナンス性が高く経済的に優位である。
【0012】
また、セグメントには閉鎖空間を形成するケーシング管が装着され、第一の熱交換器はケーシング管の内部に熱媒を流通させていてもよい。
第一の熱交換器の熱媒はケーシング管内の閉鎖空間に充満された状態で周囲の地中熱の高い地層Ｔの地熱との間で熱交換され、高温となった熱媒は閉鎖空間内で上方に移動して第一の熱交換器を通して地上に引き上げられて採熱される。
第一の熱交換器の熱媒はケーシング管内の閉鎖空間に充満された状態で周囲の地中熱の高い地層Ｔの地熱との間で熱交換され、高温となった熱媒は閉鎖空間内で上方に移動して第一の熱交換器を通して地上に引き上げられて採熱される。
【発明の効果】
【0013】
本発明に係る地中熱利用システムによれば、例えば地中に散在し、或いは集中して存在する地中熱の高い地層の地熱を、筒体をなすセグメントに設けた第一の熱交換器と筒体の内部空間に設けた第二の熱交換器によって、広域的に採取して適宜の用途に利用することができる。
【0014】
また、本発明に係る地中熱利用システムは、筒体を形成するセグメントに設けた第一の熱交換器で地熱と熱交換すると共に、筒体の内部空間に設けた風力発電装置、放水路または換気坑によって別の用途に効率的に利用できる。
また、地中構造物の外周側に設けた筒体の熱交換器の熱媒と地熱と熱交換すると共に、筒体によって地中構造物を補強して耐震性と耐久性を向上できる。
また、地中構造物の外周側に設けた筒体の熱交換器の熱媒と地熱と熱交換すると共に、筒体によって地中構造物を補強して耐震性と耐久性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の第一実施形態による地中熱利用システムを示すもので、セグメントの筒体を地中熱の高い地層に埋設した説明図である。
【図2】セグメントの斜視図である。
【図3】筒体の平面図である。
【図4】筒体のセグメントに設けたケーシング管に熱交換器を収納した縦断面図である。
【図6】セグメントのケーシング管に熱交換器を装着した縦断面図である。
【図7】セグメントに熱交換器を装着した縦断面図である。
【図8】筒体の変形例を示す水平断面図である。
【図9】本発明の第二実施形態による地熱利用システムの縦断面図である。
【図11】本発明の第三実施形態による地熱利用システムの縦断面図である。
【図12】本発明の第四実施形態による地中熱利用システムの縦断面図である。
【図13】本発明の第五実施形態による地中熱利用システムの縦断面図である。
【図14】地中熱利用システムに用いる既設地中構造物の図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の各実施形態による地中熱利用システムについて添付図面を参照して説明する。
図１乃至図７は本発明の第一実施形態による地中熱利用システム１を示すものである。
この地中熱利用システム１は、図２に示すセグメント２を円板状に連結したセグメントリング３を千鳥組（またはいも継ぎ）で上下方向に例えば４段組付けた筒体４を有している。筒体４は地中に埋設されており、例えば３段目のセグメントリング３が地中熱の高い地層Ｔに対向している。
図２に示すセグメント２は、略円弧状に形成された一対の主桁板６と、平板状に形成された一対の継手板７と、を備えていて、全体に略四角形で円弧版状に湾曲して形成されている。その外周面(地山側)にスキンプレート８が形成されている。
図１乃至図７は本発明の第一実施形態による地中熱利用システム１を示すものである。
この地中熱利用システム１は、図２に示すセグメント２を円板状に連結したセグメントリング３を千鳥組（またはいも継ぎ）で上下方向に例えば４段組付けた筒体４を有している。筒体４は地中に埋設されており、例えば３段目のセグメントリング３が地中熱の高い地層Ｔに対向している。
図２に示すセグメント２は、略円弧状に形成された一対の主桁板６と、平板状に形成された一対の継手板７と、を備えていて、全体に略四角形で円弧版状に湾曲して形成されている。その外周面(地山側)にスキンプレート８が形成されている。
【0017】
セグメント２の内周面は開放空間とされているが、内周面にもスキンプレート８を配設してもよい。これら主桁板６、継手板７、スキンプレート８とで金属製セグメントの筐体１０を構築し、内部は空間とされている。筐体１０は高強度で熱交換をスムーズに行うために熱伝導率の良い金属、例えばスチール、アルミ、ステンレス等で形成されている。
セグメント２の筐体１０の対向する一対の主桁板６の間には所定間隔で複数のケーシング管１２が装着されている。ケーシング管１２も熱伝導を行うために例えばスチール、アルミ、ステンレス等の熱伝導率の良い金属で形成されている。ケーシング管１２内には後述する管状の熱交換器１５が装着可能である。
セグメント２の筐体１０の対向する一対の主桁板６の間には所定間隔で複数のケーシング管１２が装着されている。ケーシング管１２も熱伝導を行うために例えばスチール、アルミ、ステンレス等の熱伝導率の良い金属で形成されている。ケーシング管１２内には後述する管状の熱交換器１５が装着可能である。
【0018】
セグメント２の筐体１０の対向する主桁板６にはボルト等のリング継手１３が配設され、対向する継手板７にはボルト等のセグメント継手１４が配設されている。そのため、セグメント２は継手板７同士をセグメント継手１４で連結することで、例えば図１及び図３に示すセグメントリング３を構築できる。主桁板６同士をリング継手１３で連結することでセグメントリング３同士を上下に連結することができる。
【0019】
図４及び図５は地中熱利用システム１の上下段に連結されたセグメント２のケーシング管１２を示すものである。ケーシング管１２内には開口を通して管状の熱交換器１５が装着されている。熱交換器１５は中空の管体が例えば略Ｕ字状に湾曲して形成されており、ケーシング管１２内に挿入可能である。熱交換器１５として、図４に示すシングルＵチューブの他に２組のＵチューブが交差して配置されたダブルＵチューブや３組のＵチューブを交差させたトリプルＵチューブ等を採用できる。
熱交換器１５は例えば鋼管パイプであり、その内部には熱交換用の熱媒が流通している。地熱採取用の熱媒として例えば蒸気、熱水、不凍液、或いはブライン等を用いることができる。熱交換器１５内の熱媒は地中熱の高い地層Ｔにおいて高温の地熱と熱交換される。
熱交換器１５は例えば鋼管パイプであり、その内部には熱交換用の熱媒が流通している。地熱採取用の熱媒として例えば蒸気、熱水、不凍液、或いはブライン等を用いることができる。熱交換器１５内の熱媒は地中熱の高い地層Ｔにおいて高温の地熱と熱交換される。
【0020】
ケーシング管１２は、図５に示すように、一方の端部が主桁板６から突出する凸部からなるほぞ１２ａを形成し、他方の端部はほぞ１２ａと嵌合するためのほぞ穴１２ｂを形成している。ケーシング管１２の内部には図５に示す管状の熱交換器１５が嵌挿可能とされている。
図６に示す例では、セグメント２は上下二段で千鳥組の構成を示している。二段のセグメント２内をケーシング管１２が図６に示すようにほぞ１２ａとほぞ穴１２ｂで連結されて延びている。略Ｕ字管状の熱交換器１５は熱媒が上下二段（図１に示すように四段でもよい）のセグメント２のケーシング管１２内部を循環しており、周囲の地中熱の高い地層Ｔの地熱を筐体１０内のケーシング管１２を介して熱交換器１５の熱媒と熱交換し、高温の熱媒が回収される。
図６に示す例では、セグメント２は上下二段で千鳥組の構成を示している。二段のセグメント２内をケーシング管１２が図６に示すようにほぞ１２ａとほぞ穴１２ｂで連結されて延びている。略Ｕ字管状の熱交換器１５は熱媒が上下二段（図１に示すように四段でもよい）のセグメント２のケーシング管１２内部を循環しており、周囲の地中熱の高い地層Ｔの地熱を筐体１０内のケーシング管１２を介して熱交換器１５の熱媒と熱交換し、高温の熱媒が回収される。
【0021】
筒体４のセグメントリング３が図１に示すように４段等の多段であれば、ケーシング管１２は上下方向に４段のセグメント２内で互いに上下に連結されて連通している。そして、ケーシング管１２内に挿入される熱交換器１５は４段のケーシング管１２内を延びて下端部近傍で略Ｕ字状に湾曲して形成されている。ケーシング管１２の下端部には下蓋１７が設けられていてもよい。
【0022】
図６はケーシング管１２と熱交換器１５の別の配置構成例を示すものである。
図６において、熱交換器１５が第一配管１５ａと第二配管１５ｂとに分割されている。
しかも、上段のセグメント２のケーシング管１２は上端開口に上蓋１６を有し、下段のセグメント２のケーシング管１２は下端開口に下蓋１７を有している。上段のケーシング管１２と下段のケーシング管１２はほぞ１２ａとほぞ穴１２ｂとで互いに連結されている。
そのため、上段のケーシング管１２と下段のケーシング管１２の内部は一体の閉鎖空間２０を形成する。
熱交換器１５の第一配管１５ａはケーシング管１２の上蓋１６を貫通した直後に閉鎖空間２０内に開口を有し、第二配管１５ｂは上蓋１６を貫通して下方に延びて下蓋１７の近傍で閉鎖空間２０に開口している。
図６において、熱交換器１５が第一配管１５ａと第二配管１５ｂとに分割されている。
しかも、上段のセグメント２のケーシング管１２は上端開口に上蓋１６を有し、下段のセグメント２のケーシング管１２は下端開口に下蓋１７を有している。上段のケーシング管１２と下段のケーシング管１２はほぞ１２ａとほぞ穴１２ｂとで互いに連結されている。
そのため、上段のケーシング管１２と下段のケーシング管１２の内部は一体の閉鎖空間２０を形成する。
熱交換器１５の第一配管１５ａはケーシング管１２の上蓋１６を貫通した直後に閉鎖空間２０内に開口を有し、第二配管１５ｂは上蓋１６を貫通して下方に延びて下蓋１７の近傍で閉鎖空間２０に開口している。
【0023】
そして、熱交換器１５の第二配管１５ｂの開口から比較的低温の熱媒が閉鎖空間２０内に放出される。熱媒はケーシング管１２内の上蓋１６と下蓋１７の間の閉鎖空間２０に充満された状態で周囲の地中熱の高い地層Ｔの地熱との間で熱交換される。高温となった熱媒はケーシング管１２の閉鎖空間２０内で上方に移動して第一配管１５ａの開口を通して第一配管１５ａ内に流入して地上に引き上げられる。
この配置構成例では、ケーシング管１２の閉鎖空間２０を熱交換に利用して熱交換器１５の第一配管１５ａと第二配管１５ｂで熱媒を循環できる。
この配置構成例では、ケーシング管１２の閉鎖空間２０を熱交換に利用して熱交換器１５の第一配管１５ａと第二配管１５ｂで熱媒を循環できる。
【0024】
図７は熱交換器１５の更に別の配置構成例であり、ケーシング管１２を備えていない。
この配置構成例では、上下段のセグメント２の上下の主桁板６に貫通孔２１が形成され、この貫通孔２１内に略Ｕ字状の熱交換器１５を挿入することができる。この場合、最下段のセグメント２の下側の主桁板６に貫通孔２１が形成されないため、熱交換器１５内の放熱を抑制することができる。熱交換器１５内に充填された熱媒は各セグメント２に装着された状態で内部の空気を介して周囲の地中熱の高い地層Ｔの地熱との間で熱交換される。
なお、セグメント２の筒体４は円筒状に形成したが、筒体４の構成は円筒状に限定されない。例えば、断面矩形、小判型、楕円形、異形、扁平断面、直線状等、任意の断面形状に構築できる。
この配置構成例では、上下段のセグメント２の上下の主桁板６に貫通孔２１が形成され、この貫通孔２１内に略Ｕ字状の熱交換器１５を挿入することができる。この場合、最下段のセグメント２の下側の主桁板６に貫通孔２１が形成されないため、熱交換器１５内の放熱を抑制することができる。熱交換器１５内に充填された熱媒は各セグメント２に装着された状態で内部の空気を介して周囲の地中熱の高い地層Ｔの地熱との間で熱交換される。
なお、セグメント２の筒体４は円筒状に形成したが、筒体４の構成は円筒状に限定されない。例えば、断面矩形、小判型、楕円形、異形、扁平断面、直線状等、任意の断面形状に構築できる。
【0025】
本実施形態による地中熱利用システム１では、例えば図４に示すように、セグメント２の主桁板６に装着したケーシング管１２内に配管状の熱交換器１５を装着した構成を採用するものとする。そして、図３に示すように、地盤を掘削して例えば４段のセグメントリング３からなる筒体４が埋設されており、筒体４の４段のセグメントリング３に各セグメント２に装着したケーシング管１２を通してＵ字状の熱交換器１５が装着されている。
この状態で、Ｕ字状の熱交換器１５は下端のセグメント２の下端部の主桁板６の近傍に延びている。地中熱の高い地層Ｔに接触する筒体４内で熱交換器１５内の熱媒は比較的低温の状態で供給され、例えば地中に散在し、或いは集中して存在する地中熱の高い地層Ｔの地熱と熱交換されて地上に搬送されて採熱される。
この状態で、Ｕ字状の熱交換器１５は下端のセグメント２の下端部の主桁板６の近傍に延びている。地中熱の高い地層Ｔに接触する筒体４内で熱交換器１５内の熱媒は比較的低温の状態で供給され、例えば地中に散在し、或いは集中して存在する地中熱の高い地層Ｔの地熱と熱交換されて地上に搬送されて採熱される。
【0026】
また、図３に示すように、筒体４の内部空間２３には所定間隔で例えばＵ字状の熱交換器１５が直接設置されており、その隙間には土が埋め戻されている。ここで、内部空間２３に挿入する熱交換器１５は少なくとも地中熱の高い地層Ｔまで延びていればよい。内部空間２３内に埋設された熱交換器１５も、地中熱の高い地層Ｔから筒体４及び埋設された土を伝達された高温の地熱が熱交換器１５内の熱媒と熱交換されて地上に搬送されて採熱される。
【0027】
本実施形態による地中熱利用システム１は上述した構成を備えており、次にその施工方法について説明する。
例えば地盤を掘削することで地中熱の高い地層Ｔを含む地層に略円柱状の立て坑を形成し、その外周側の壁面にセグメント２をセグメント継手１４により連結して順次構築してセグメントリング３を構築する。そして、地上に向けて千鳥組またはいも継ぎによりリング継手１３とセグメント継手１４を用いて順次セグメントリング３を上段に向けて連結して施工し、図１及び図３に示す筒体４を構築する。
各セグメント２にケーシング管１２が装着されている場合には、セグメント２の主桁板６同士の連結時にケーシング管１２のほぞ１２ａとほぞ穴１２ｂとを連結する。
例えば地盤を掘削することで地中熱の高い地層Ｔを含む地層に略円柱状の立て坑を形成し、その外周側の壁面にセグメント２をセグメント継手１４により連結して順次構築してセグメントリング３を構築する。そして、地上に向けて千鳥組またはいも継ぎによりリング継手１３とセグメント継手１４を用いて順次セグメントリング３を上段に向けて連結して施工し、図１及び図３に示す筒体４を構築する。
各セグメント２にケーシング管１２が装着されている場合には、セグメント２の主桁板６同士の連結時にケーシング管１２のほぞ１２ａとほぞ穴１２ｂとを連結する。
【0028】
次に図４に示すように、筒体４の上面に設けたケーシング管１２の開口から下方のセグメント２に装着したケーシング管１２に向けてＵ字状の熱交換器１５を挿入する。４段のセグメントリング３を構築した筒体４では熱交換器１５をケーシング管１２の下端の下蓋１７近傍まで差し込む。
そして、筒体４の内部空間２３内には所定間隔でＵ字状の熱交換器１５を設置して保持し、掘削した土を埋め戻す。これによって、図３に示す地中熱利用システム１を短時間で簡単に構築でき、しかも低コストである。
そして、筒体４の内部空間２３内には所定間隔でＵ字状の熱交換器１５を設置して保持し、掘削した土を埋め戻す。これによって、図３に示す地中熱利用システム１を短時間で簡単に構築でき、しかも低コストである。
【0029】
地中熱の高い地層Ｔの地熱は筒体４の各セグメント２を介してケーシング管１２内の熱交換器１５内の熱媒と熱交換されて、高温となった熱媒が熱交換器１５内を地上に送られて採熱される。また、筒体４の内部空間２３内で地中に埋められた熱交換器１５は埋め戻された地盤を通して地中熱の高い地層Ｔの地熱が伝達され、熱交換器１５内の熱媒と熱交換されて高温となった熱媒が熱交換器１５内を地上に送られて採熱される。
なお、熱交換器１５は図６に示すようにケーシング管１２内の閉鎖空間２０内に熱媒を放出して熱交換後に熱交換器１５内に取り出してもよい。或いは、図７に示すように、セグメント２内にケーシング管１２を装着せず、貫通孔２１を通して直接、熱交換器１５を装着してもよい。
なお、熱交換器１５は図６に示すようにケーシング管１２内の閉鎖空間２０内に熱媒を放出して熱交換後に熱交換器１５内に取り出してもよい。或いは、図７に示すように、セグメント２内にケーシング管１２を装着せず、貫通孔２１を通して直接、熱交換器１５を装着してもよい。
【0030】
上述したように、本第一実施形態による地中熱利用システム１によれば、地盤を１か所掘削するだけで埋め込まれた筒体４の各セグメント２に熱交換器１５を装着し、更に筒体４の内部空間２３に熱交換器１５を直接地中に埋め込んでいる。そのため、地中熱利用システム１を１回の掘削で短時間で施工できるため、従来の地中に個別に埋設した熱交換器と比較して、施工が容易で施工コストを大幅に低廉にすることができる。
しかも、地中熱の高い地層Ｔの地熱を筒体４の熱交換器１５とその内部空間２３内の地中に埋設した熱交換器１５とで熱交換して採熱することができる。
また、熱交換器１５はケーシング管１２内に挿入されて保護される場合には耐久性が高い。しかも、熱交換器１５自体はケーシング管１２に対して交換可能であり、メンテナンス性が高く経済的に優位である。
しかも、地中熱の高い地層Ｔの地熱を筒体４の熱交換器１５とその内部空間２３内の地中に埋設した熱交換器１５とで熱交換して採熱することができる。
また、熱交換器１５はケーシング管１２内に挿入されて保護される場合には耐久性が高い。しかも、熱交換器１５自体はケーシング管１２に対して交換可能であり、メンテナンス性が高く経済的に優位である。
【0031】
以上、本発明の第一実施形態による地中熱利用システム１について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜の変更や置換等が可能であり、これらはいずれも本発明に含まれる。以下に、本第一実施形態の変形例や他の実施形態等について説明するが、上述の実施形態と同一または同様な部分、部材には同一の符号を用いて説明を省略する。
【0032】
図８は上述した第一実施形態の変形例による地中熱利用システム１の筒体４Ａを示すものである。
図８に示すセグメント２Ａは円弧状に湾曲しておらず、平板状に形成されている。しかも、各セグメント２Ａは個々に適宜長さに形成されている。このセグメント２Ａは水平断面視略Ｌ字状に組み合わせて筒状をなす筒体４Ａに構築されている。例えば、各セグメント２Ａの主桁板６には主桁板６間を連通する貫通孔２１が形成され、この貫通孔２１内に熱交換器１５が嵌挿されて装着されている(図７参照)。筒体４Ａが例えば４段のセグメントリング３で構築されている場合には、熱交換器１５は最上段の主桁板６から貫通孔２１を通して最下段の主桁板６近傍まで延びている。
図８に示すセグメント２Ａは円弧状に湾曲しておらず、平板状に形成されている。しかも、各セグメント２Ａは個々に適宜長さに形成されている。このセグメント２Ａは水平断面視略Ｌ字状に組み合わせて筒状をなす筒体４Ａに構築されている。例えば、各セグメント２Ａの主桁板６には主桁板６間を連通する貫通孔２１が形成され、この貫通孔２１内に熱交換器１５が嵌挿されて装着されている(図７参照)。筒体４Ａが例えば４段のセグメントリング３で構築されている場合には、熱交換器１５は最上段の主桁板６から貫通孔２１を通して最下段の主桁板６近傍まで延びている。
【0033】
そして、各セグメント２Ａはその内部に水平断面視略Ｌ字状の内部空間２３を構築しており、この内部空間２３内に所定間隔で熱交換器１５が装着された状態で土が埋め戻されている。なお、熱交換器１５を受け入れるセグメント２Ａの構成は図４に示すようにケーシング管１２を装着してもよいし、図６に示すようにケーシング管１２内の閉鎖空間２０に熱交換器１５の第一配管１５ａ及び第二配管１５ｂを開口させてもよい。
【0034】
次に図９及び図１０は本発明の第二実施形態による地中熱利用システム１Ａを示すものである。
図９及び図１０において、地盤を略円筒状に掘削してセグメント２を例えばいも継ぎで構築してなる筒体４を施工する。筒体４の各セグメント２内にはＵ字状の熱交換器１５が直接貫通孔２１内に装着されている。更に、筒体４内の円筒状の内部空間２３における対向する位置で、地上側から垂下させた熱交換器１５の第一配管１５ａ及び第二配管１５ｂを少なくとも地中熱の高い地層Ｔの領域まで降下させている。そして、地中熱の高い地層Ｔのレベルで、筒体４の空間内で熱交換器１５の中間配管１５ｃが蛇行して水平方向に配列されており、その両端部が第一配管１５ａ及び第二配管１５ｂにそれぞれ連結されている。
図９及び図１０において、地盤を略円筒状に掘削してセグメント２を例えばいも継ぎで構築してなる筒体４を施工する。筒体４の各セグメント２内にはＵ字状の熱交換器１５が直接貫通孔２１内に装着されている。更に、筒体４内の円筒状の内部空間２３における対向する位置で、地上側から垂下させた熱交換器１５の第一配管１５ａ及び第二配管１５ｂを少なくとも地中熱の高い地層Ｔの領域まで降下させている。そして、地中熱の高い地層Ｔのレベルで、筒体４の空間内で熱交換器１５の中間配管１５ｃが蛇行して水平方向に配列されており、その両端部が第一配管１５ａ及び第二配管１５ｂにそれぞれ連結されている。
【0035】
そのため、地中熱の高い地層Ｔの地熱が筒体４の各セグメント２内に配設されたＵ字状の熱交換器１５の熱媒と熱交換されて高温の熱媒が地上に送られて採熱される。また、筒体４の内部空間２３では熱交換器１５の第二配管１５ｂ内を流通する比較的低温の熱媒が、地中熱の高い地層Ｔと同レベルの中間配管１５ｃ内を流通する間に地熱と熱交換され、高温の熱媒が中間配管１５ｃから第一配管１５ａを流通して地上に送られて採熱される。
【0036】
次に本発明の第三実施形態による地中熱利用システム１Ｂについて図１１により説明する。
図１１において、地中に例えば円筒状の筒体４が埋設されており、各セグメント２には上述したように例えばケーシング管１２及び熱交換器１５または熱交換器１５が装着されている。そして、筒体４の内部空間２３には熱交換器１５や土等は設けられておらず、空間を形成している。そして、この内部空間２３は集中豪雨対策用の地下放水路として有効活用されている。内部空間２３は鉛直方向に設置されているが、これに代えて、あるいはこれに加えて水平方向に延びる地下放水路としての筒体４の内部空間２３を備えていてもよい。
或いは、筒体４の内部空間２３は図示しない道路トンネルに接続された換気坑として有効活用してもよい。
図１１において、地中に例えば円筒状の筒体４が埋設されており、各セグメント２には上述したように例えばケーシング管１２及び熱交換器１５または熱交換器１５が装着されている。そして、筒体４の内部空間２３には熱交換器１５や土等は設けられておらず、空間を形成している。そして、この内部空間２３は集中豪雨対策用の地下放水路として有効活用されている。内部空間２３は鉛直方向に設置されているが、これに代えて、あるいはこれに加えて水平方向に延びる地下放水路としての筒体４の内部空間２３を備えていてもよい。
或いは、筒体４の内部空間２３は図示しない道路トンネルに接続された換気坑として有効活用してもよい。
【0037】
次に本発明の第四実施形態による地中熱利用システム１Ｃについて図１２により説明する。
図１２において、地中に例えば円筒状の筒体４が埋設されており、各セグメント２には上述したようにケーシング管１２および熱交換器１５または熱交換器１５が装着されている。筒体４の内周面は何も設けない内部空間２３とされ、熱交換器１５や土等は埋設されていない。筒体４の地上に露出する上端部には風車２８が設置されている。風車２８は風力発電装置２９に接続されており、風車２８の回転に応じて風力発電するようになっている。
図１２において、地中に例えば円筒状の筒体４が埋設されており、各セグメント２には上述したようにケーシング管１２および熱交換器１５または熱交換器１５が装着されている。筒体４の内周面は何も設けない内部空間２３とされ、熱交換器１５や土等は埋設されていない。筒体４の地上に露出する上端部には風車２８が設置されている。風車２８は風力発電装置２９に接続されており、風車２８の回転に応じて風力発電するようになっている。
【0038】
筒体４の略円柱状の内部空間２３において、上端部には風車２８が設置され、下端部は地盤の地層で封止されている。筒体４の内部空間２３内において、筒体４の内周面近傍領域Ｓ１は地中熱の高い地層Ｔとセグメント２に装着された熱交換器１５との熱交換の影響により比較的高温になるが、内部空間２３の中央領域Ｓ２は地中熱の高い地層Ｔ及び熱交換器１５から離間しているため比較的低温とされている。
そのため、筒体４の内部空間２３内において、中央領域Ｓ２と内周面近傍領域Ｓ１との温度差による熱対流が発生する。即ち、内部空間２３の中央領域Ｓ２では比較的低温の空気が降下し、底部付近では中央領域Ｓ２から放射状に外側に流れて筒体４の内周面近傍領域Ｓ１を比較的高温の空気となって上昇するという対流現象が生じる。筒体４の内周面近傍領域Ｓ１を上昇する比較的高温の空気は筒体４の上端部で風車２８を回転させ、風車２８の回転を受けて風力発電装置２９によって発電を行うことができる。また、筒体４の中央では比較的低温の外気が中央領域Ｓ２に降下して流入する。
そのため、筒体４の内部空間２３内において、中央領域Ｓ２と内周面近傍領域Ｓ１との温度差による熱対流が発生する。即ち、内部空間２３の中央領域Ｓ２では比較的低温の空気が降下し、底部付近では中央領域Ｓ２から放射状に外側に流れて筒体４の内周面近傍領域Ｓ１を比較的高温の空気となって上昇するという対流現象が生じる。筒体４の内周面近傍領域Ｓ１を上昇する比較的高温の空気は筒体４の上端部で風車２８を回転させ、風車２８の回転を受けて風力発電装置２９によって発電を行うことができる。また、筒体４の中央では比較的低温の外気が中央領域Ｓ２に降下して流入する。
【0039】
そのため、本第四実施形態による地中熱利用システム１Ｃによれば、地中熱の高い地層Ｔに接触する筒体４の各セグメント２に設けた熱交換器１５によって地熱と熱交換され、熱交換器１５内の高温となった熱媒が地上に送られて採熱される。しかも、筒体４内の内部空間２３において、熱対流によって中央領域Ｓ２を降下して外側に湾曲して内周面近傍領域Ｓ１を上昇する空気の流れにより、風車２８を回転させて風力発電装置２９で風力発電することができる。
【0040】
次に本発明の第五実施形態による地中熱利用システム１Ｄについて図１３及び図１４により説明する。
図１３において、地中に例えば杭や柱等の既設地中構造物３２が埋設されている。そして、図１４に示すように、既設地中構造物３２の外周面に、地中熱利用システム１Ｄを構築する円筒状の筒体４が埋設されている。この筒体４は、複数のセグメント２を周方向及び上下方向にリング継手１３及びセグメント継手１４を介して連結させて、既設地中構造物３２を囲うようにリング状に施工されている。
図１３において、地中に例えば杭や柱等の既設地中構造物３２が埋設されている。そして、図１４に示すように、既設地中構造物３２の外周面に、地中熱利用システム１Ｄを構築する円筒状の筒体４が埋設されている。この筒体４は、複数のセグメント２を周方向及び上下方向にリング継手１３及びセグメント継手１４を介して連結させて、既設地中構造物３２を囲うようにリング状に施工されている。
【0041】
本実施形態において、各セグメント２には例えば主桁板６間にケーシング管１２が装着されており、上下方向の各セグメント２間でケーシング管１２同士がほぞ１２ａとほぞ穴１２ｂとによって連結されている。そして、上下方向に連結されたケーシング管１２内に熱交換器１５を装着することで、本実施形態による地中熱利用システム１Ｄが構築されている。
なお、地中構造物は先に埋設された既設地中構造物３２に限定されるものではなく、筒体４と共に新設施工して埋設する地中構造物でもよい。
なお、地中構造物は先に埋設された既設地中構造物３２に限定されるものではなく、筒体４と共に新設施工して埋設する地中構造物でもよい。
【0042】
本実施形態による地中熱利用システム１Ｄでは、地中に埋設された既設地中構造物３２の周囲を筒体４からなる地中熱利用システム１Ｄで囲うことによって地中熱の高い地層Ｔの地熱を熱交換器１５の熱媒と熱交換して採熱し利用できる。
既設地中構造物３２の周囲に地中熱利用システム１Ｄを設けたことによって、既設地中構造物３２の補強効果が得られ、既設地中構造物３２の耐用年数と耐震性が向上する。しかも、既設地中構造物３２が老朽化した設備である場合には、地中熱利用システム１Ｄによって一層の補強効果と耐用年数及び耐震性の向上が図れる。
既設地中構造物３２の周囲に地中熱利用システム１Ｄを設けたことによって、既設地中構造物３２の補強効果が得られ、既設地中構造物３２の耐用年数と耐震性が向上する。しかも、既設地中構造物３２が老朽化した設備である場合には、地中熱利用システム１Ｄによって一層の補強効果と耐用年数及び耐震性の向上が図れる。
【0043】
なお、上述した地中熱利用システム１において、筒体４の内部空間２３内に熱交換器１５を設置すると共に土で埋設するようにしたが、土で埋設しなくてもよく、熱交換器１５の周囲に空気が充填されていてもよい。
また、筒体４の各セグメント２に装着された熱交換器１５は第一の熱交換器に含まれ、内部空間２３内に配設された熱交換器１５は第二の熱交換器に含まれる。
また、筒体４の各セグメント２に装着された熱交換器１５は第一の熱交換器に含まれ、内部空間２３内に配設された熱交換器１５は第二の熱交換器に含まれる。
【符号の説明】
【0044】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 地中熱利用システム
２、２Ａ セグメント
３ セグメントリング
４、４Ａ 筒体
６ 主桁板
７ 継手板
１２ ケーシング管
１５ 熱交換器
１５ａ 第一配管
１５ｂ 第二配管
１５ｃ 中間配管
１６ 上蓋
１７ 下蓋
２０ 閉鎖空間
２３ 内部空間
２８ 風車
２９ 風力発電装置
３２ 既設地中構造物
Ｓ１ 内周面近傍領域
Ｓ２ 中央領域
Ｔ 地中熱の高い地層
２、２Ａ セグメント
３ セグメントリング
４、４Ａ 筒体
６ 主桁板
７ 継手板
１２ ケーシング管
１５ 熱交換器
１５ａ 第一配管
１５ｂ 第二配管
１５ｃ 中間配管
１６ 上蓋
１７ 下蓋
２０ 閉鎖空間
２３ 内部空間
２８ 風車
２９ 風力発電装置
３２ 既設地中構造物
Ｓ１ 内周面近傍領域
Ｓ２ 中央領域
Ｔ 地中熱の高い地層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】