JP5779206B2 - Underground heat exchanger - Google Patents
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Description
本発明は、利用側熱源で生成される熱と、地中熱とを所定の熱媒体を介して熱交換する地中熱熱交換装置に関し、さらに詳しく言えば、地下水を利用してより熱交換効率を高めた地中熱熱交換装置に関する。 The present invention relates to a geothermal heat exchange device that exchanges heat generated by a use-side heat source and geothermal heat via a predetermined heat medium, and more specifically, more heat exchange using groundwater. The present invention relates to a geothermal heat exchange device with improved efficiency.
地中熱の利用形態としては、熱媒体を循環させる熱交換チューブを地中に設けられた熱交換井に埋設して熱交換を行う地中熱利用型と、地下水を汲み上げて熱交換に利用する地下水利用型の2種類に大別されるが、最近では、両者を合わせたハイブリッド型の地中熱熱交換装置も提案されている。 Geothermal heat can be used in a heat exchange tube that circulates the heat medium embedded in a heat exchange well installed in the ground to exchange heat, or to use groundwater for heat exchange. In recent years, hybrid ground heat exchangers that combine both types have been proposed.
すなわち、例えば特許文献1に記載されているように、ハイブリッド型の地中熱熱交換装置では、地表面から地中に形成された熱交換井に沿って差し込まれるケーシングの一部にスリットなどの透水処理を施すことで、ケーシング(鋼管)内に地下水が流れるようにし、そこに熱交換チューブを差し込んで地下水との間で熱交換させるようにしている。
That is, as described in
これによれば、常に一定温度の地下水がケーシング内に流れるため、熱交換チューブと地下水との間で安定した熱交換が行われるようになっている。 According to this, since groundwater of constant temperature always flows in the casing, stable heat exchange is performed between the heat exchange tube and the groundwater.
しかしながら、このハイブリッド型地中熱熱交換装置には、以下のような問題が残されている。すなわち、従来のハイブリッド型は、ケーシング内部の地下水位面から地表面までの間が中空(すなわち、熱伝導率が最も悪い空気層)であるため、その間では熱交換はほとんど行われていなかった。 However, the following problems remain in this hybrid type underground heat exchanger. That is, in the conventional hybrid type, since the space between the groundwater level surface inside the casing and the ground surface is hollow (that is, the air layer having the lowest thermal conductivity), almost no heat exchange is performed between them.
また、従来の熱交換チューブには、一本の熱交換チューブをU字状に折り曲げて、束ねたUチューブをケーシング内に挿入して熱交換を行っているが、Uチューブを束ねているため、往路側と復路側が接触しやすく、その部分での熱交換効率が落ち、その結果、装置全体の熱交換効率が低下することがある。 In addition, in the conventional heat exchange tube, one heat exchange tube is bent into a U shape, and the bundled U tube is inserted into the casing for heat exchange. However, the U tube is bundled. The forward path side and the return path side are likely to come into contact with each other, and the heat exchange efficiency at that portion is lowered. As a result, the heat exchange efficiency of the entire apparatus may be lowered.
そこで、本発明の課題は、ケーシング内に配置された熱交換チューブの地下水との熱交換効率を高めた地中熱熱交換装置を提供することにある。 Then, the subject of this invention is providing the underground heat heat exchange apparatus which raised the heat exchange efficiency with the groundwater of the heat exchange tube arrange | positioned in the casing.
上述した課題を解決するため、本発明は、利用側熱源で生成された熱と、地中熱とを所定の熱媒体を介して熱交換する地中熱熱交換装置において、地表面から地中の帯水層に向けて掘削される熱交換井と、上記熱交換井に沿って挿入される筒状のケーシングと、上記熱媒体が流れる熱交換チューブとを有し、上記ケーシング内で上記熱交換チューブが上記地表面から上記熱交換井の底部にかけて配置されており、上記ケーシングには、上記帯水層内の地下水の一部を上記ケーシング内に流すための透水孔が施されているとともに、上記ケーシングの地下水位線よりも上の上部側には、仕切り板を介して充填材が充填されていることを特徴としている。 To solve the problems described above, the present invention includes a heat generated in the use side heat source, in the underground heat heat exchanger device for heat exchange through a predetermined heat medium and geothermal heat, the ground from the ground surface A heat exchanging well drilled toward the aquifer, a cylindrical casing inserted along the heat exchanging well, and a heat exchanging tube through which the heat medium flows, and the heat in the casing exchange tube is disposed over the bottom of the heat exchanger well from the ground surface, in the casing, together with permeability hole for passing a part of the groundwater of the aquifer in the in the casing is applied The upper part of the casing above the groundwater level line is filled with a filler via a partition plate .
好ましくは、上記熱交換チューブには、上記熱交換チューブ同士を所定の間隔をもって保持するためのスペーサが設けられる。Preferably, the heat exchange tube is provided with a spacer for holding the heat exchange tubes at a predetermined interval.
また、好ましくは、上記充填材として、コンクリート、モルタルまたは土のいずれかが用いられる。
Also, preferably, the upper Symbol filler, concrete, either mortar or soil is used.
本発明によれば、ケーシングの上部に充填材を充填することで、地下水が存在しないケーシングの上部側での熱交換を促し、システム全体の熱交換効率を高めることができる。また、熱交換チューブの往路側と復路側とがスペーサを介して一定間隔をもって支持されることにより、常に一定の熱交換効率を確保することができる。
According to the present invention , by filling the upper portion of the casing with the filler, it is possible to promote heat exchange on the upper side of the casing where no groundwater exists, and to increase the heat exchange efficiency of the entire system. In addition, since the forward path side and the backward path side of the heat exchange tube are supported at a predetermined interval via the spacer, it is possible to always ensure a constant heat exchange efficiency.
次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
図1に示すように、この地中熱熱交換装置1には、複数の地中熱熱交換器1a〜1iが含まれている。各地中熱熱交換器1a〜1iは、地表面Gから地中に向かってほぼ垂直に掘削されており、この例では所定の間隔をもって9箇所に配置されている。なお、各地中熱熱交換器1a〜1iの基本的な構成は同一である。
As shown in FIG. 1, the
各地中熱熱交換器1a〜1iは、地表面Gから地中に向かって垂直に掘削された熱交換井2と、熱交換井2に沿って挿入されるケーシング3と、ケーシング3の内部に挿入される熱交換チューブ4とを備えている。
The heat heat exchangers 1a to 1i in each location include a heat exchange well 2 excavated vertically from the ground surface G toward the ground, a
各地中熱熱交換器1a〜1iのうち、地中熱熱交換器1aの熱交換井2a(以下、一番熱交換井2a)は、その底部が地下の帯水層Aよりもさらに不透水層まで至る深さまで掘削されている。 Among the local heat exchangers 1a to 1i, the heat exchange well 2a (hereinafter, the first heat exchange well 2a) of the underground heat exchanger 1a is more impermeable than the underground aquifer A. Drilled to a depth up to the formation.
すなわち、一番熱交換井2aは、まず最初に掘削される試掘用の熱交換井であり、帯水層Aの正確な位置の把握や、以降に掘削される地中熱熱交換器1b〜1iの各熱交換井2の掘削深さや帯水層Aにおける温度変化や地下水の流速などを計測するためのTRT/TCPテスト(Thermal Response Test/Thermal Conductivity Test)に供するために帯水層Aよりも深く(不透水層Bに到達する位置)なるように形成されている。
That is, the first heat exchanging well 2a is a heat exchanging well for test excavation that is excavated first, grasping the exact position of the aquifer A, and the underground
この一番熱熱交換井2aには、上述したTRT/TCPテストに供するため専用のケーシング3aが挿入されている。ケーシング3aは、地表面Gから底部に至るまでの長さを有する鋼管からなり、その表面には透水処理としてのスリット31が多数設けられている。
A
この例において、スリット31は、図4(a)に示すように、ケーシング3aの軸線方向に沿って平行なスリットを千鳥状に配置したものからなり、ケーシングの下端側から上端側のほぼ全域にわたって形成されている。
In this example, as shown in FIG. 4A, the
なお、図4(b)に示すように、スリット31に代えて丸孔31bであってもよいし、角穴などであってもよい。さらに、その配置も千鳥状や格子状など、使用に応じて任意に選択されてよい。
In addition, as shown in FIG.4 (b), it may replace with the
これによれば、ケーシング3aの全周に渡ってスリット31が設けられていることにより、ケーシング3aを一番熱交換井2aに沿って埋め込むと、スリット31を通ってケーシング3aの内側に地下水が流れる。
According to this, since the
その際、ケーシング3aの上端から底部にかけて一定間隔で温度センサを配置し、TRT/TCPテストによって温度分布変化を計測することにより、帯水層Aの正確な範囲と、帯水層Aの中で地下水がどのように流れているかを計測することができ、その結果、熱交換がより効果的となる位置を判別することができる。
At that time, by arranging temperature sensors at regular intervals from the upper end to the bottom of the
この測定データに基づいて、二番熱交換井2b以降のケーシング3は、その長さが地表面Gから帯水層Aのほぼ下端にかけての長さとなるように形成され、さらに帯水層Aに対応した最適な位置にスリット31を設けることで、ケーシング3の施工コストを抑えることができる。
Based on this measurement data, the
より好ましい態様としては、地下水が積極的に流れる位置でスリットの本数や面積を増やすことにより、さらに熱交換効率を高めた運転が可能となる。 As a more preferable aspect, by increasing the number and area of slits at a position where groundwater actively flows, an operation with further improved heat exchange efficiency is possible.
ケーシング3の上部側(地下水位線WLよりも上方となる位置)には、充填材(グラウト)32が充填されている。図2を併せて参照して、ケーシング3の上部側には、充填材32を充填するための蓋部材(パッカー)33と、蓋部材33を押さえるストッパー34とを備えている。
An upper side of the casing 3 (a position above the groundwater level line WL) is filled with a filler (grout) 32. Referring also to FIG. 2, on the upper side of the
ストッパー34は、ケーシング3の内周面に沿って形成されたフランジ状を呈し、例えば溶接などによってケーシング3の内周面に一体的に固定されている。この例において、ストッパはリング状に形成されているが、これ以外の形状であってもよく、少なくとも蓋部材33の抜け落ちを防止できればよい。
The
蓋部材33は、例えば鋼板やグレーチングなどからなり、後述する熱交換チューブ4が挿通される挿通部331を備えている。蓋部材33の材質は、少なくとも充填材32が下に落ちないような形状を備えていればよい。
The
充填材32は、コンクリートやモルタル、熱交換井2を掘削した際の残土などを充填したものからなり、熱交換チューブ4に沿って密着するように設けられている。また、充填材32に透水性を持たせて、充填材32に水を染みこませてより熱交換効率を高めるようにしてもよい。
これによれば、ケーシング3の上部側を充填材32で満たすことで、地下水位線WLよりも上方に配置された熱交換チューブ4の熱交換を促すことができ、より熱交換効率を高めることができる。
According to this, by satisfying the upper side of the
さらに、図3に示すように、ケーシング3の内周面には、スリット31を介して土砂がケーシング3の内側に流れ込まないようにするための土砂防止シート35が設けられている。土砂防止シート35は、透水性を有するシートからなり、ケーシング3の内周面に沿って密着するように貼り合わせられている。
Further, as shown in FIG. 3, a
この例において、土砂防止シート35はケーシング3の内周面に貼り合わせられているが、ケーシング3の外周面に沿って貼り付けられていてもよい。
In this example, the earth and
次に、熱交換チューブ4には、直管チューブをU字状に折り曲げて、一方を往路側、他方と復路側としたU字管が用いられ、その折り曲げた先端がケーシング3の底部に向けて挿入されている。この例において、熱交換チューブ4は、1つの熱交換井2に対して1本の熱交換チューブ4を備えているが、例えば2つのU字状の熱交換チューブ4をX字状に交差させて挿入してもよい。
Next, as the
熱交換チューブ4の入口側と出口側はともに、図示しない熱交換装置に接続されている。本発明において、熱交換装置は特に限定されないが、代表例としては、ヒートサイクルを利用した給湯やエアコンなどが利用側熱源として用いられる。
Both the inlet side and the outlet side of the
本発明の熱交換チューブ4には、熱交換チューブ4の往路側と復路側とを所定の間隔をもって支持するためのスペーサ5が設けられている。図3および図5を参照して、スペーサ5は、平板のベース51を有し、その両端にコ字型のクリップ部52,52を備えたスパナ状に形成されている。この例において、スペーサ5は、熱交換チューブ5の長さ方向に沿って所定間隔をもって複数設けられている。
The
各クリップ部52,52は、熱交換チューブ4の外径に合致するように半円状に形成されており、そこに熱交換チューブ4が嵌合されるようになっている。この例において、各クリップ部52,52は、その先端がC字状に形成されているが、熱交換チューブ4を保持可能な形状であれば、その形態は仕様に応じて任意に選択されてよい。
Each
また、この実施形態において、スペーサ5は、U字管の熱交換チューブ4を一本配置する場合に用いられるが、例えば十字状のベース51を設け、各先端にクリップ部52を4箇所に設けておくことで、上述したX字状の熱交換チューブ4にも用いることができる。
In this embodiment, the
これによれば、スペーサ5によって熱交換チューブ4の往路側と復路側とが所定の間隔をもって支持されるため、熱交換チューブ4と地下水との熱交換効率を常に一定とすることができ、その結果、システム全体の熱交換効率を高めることができる。
According to this, since the forward path side and the return path side of the
1a〜1i 地中熱熱交換器
2(2a〜2i) 熱交換井
3(3a〜3i) ケーシング
31 スリット
32 充填材(グラウト)
33 蓋部材(パッカー)
4 熱交換チューブ
5 スペーサ
A 帯水層
WL 地下水位面
1a-1i Underground heat exchanger 2 (2a-2i) Heat exchange well 3 (3a-3i)
33 Lid member (packer)
4
Claims (3)
地表面から地中の帯水層に向けて掘削される熱交換井と、上記熱交換井に沿って挿入される筒状のケーシングと、上記熱媒体が流れる熱交換チューブとを有し、上記ケーシング内で上記熱交換チューブが上記地表面から上記熱交換井の底部にかけて配置されており、上記ケーシングには、上記帯水層内の地下水の一部を上記ケーシング内に流すための透水孔が施されているとともに、上記ケーシングの地下水位線よりも上の上部側には、仕切り板を介して充填材が充填されていることを特徴とする地中熱熱交換装置。 In the underground heat heat exchange device for exchanging heat generated by the use side heat source and underground heat through a predetermined heat medium,
A heat exchange wells to be drilled from the ground surface toward the aquifer in the ground, a cylindrical casing which is inserted along the heat exchanger well, a heat exchange tube in which the heating medium flows, the The heat exchange tube is disposed in the casing from the ground surface to the bottom of the heat exchange well, and the casing has a water permeable hole for allowing a part of groundwater in the aquifer to flow into the casing. A geothermal heat exchange device characterized in that the upper side of the casing above the groundwater level line is filled with a filler via a partition plate .
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