JP2015083911A

JP2015083911A - 地中熱交換杭

Info

Publication number: JP2015083911A
Application number: JP2013235426A
Authority: JP
Inventors: 重信宮本; Shigenobu Miyamoto
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-26
Filing date: 2013-10-26
Publication date: 2015-04-30

Abstract

【課題】接合箇所のないポリエチレン管製の地中熱熱交換杭の提供。【解決手段】ポリエチレン管製の地中熱交換杭において、熱媒体液が往きと戻りでターンする曲げ区域をポリエチレン管１の外径より大きな内径の金属鞘管２に通してＵ字状に曲げることでポリエチレン管１の接合をなくし、これをセメントミルク泥水３内に圧入し、セメントミルク泥水３を硬化する。【選択図】図１

Description

本発明は熱媒体液が往きと戻りでＵターンするポリエチレン管を用いた地中熱交換杭に関するものである。

地中の温度は真夏の気温に対して低く、冬場は暖かいため、両季節においては地上と地中との間で熱の交換を行って地中から集熱すれば、冷暖房での省エネルギー化となる。

軟らかく崩れない地盤の欧米ではボーリングによる深さ約１００ｍの掘削が容易であることから、ボーリング孔内にＵターンするポリエチレン管（以下Ｕチューブ）を挿入し、冷媒を循環させて地中熱を集熱する冷暖房が普及している。日本においては冷暖房需要の多い都市の地盤は沖積平野に位置し、その多くが柔らかい砂や粘土地盤の地層が続き、その後に礫層、次いで岩盤層となっている。このような地盤では、ビルだけでなく、一戸建て住宅でも基礎杭や地盤改良を行うことが多い。

そこで、基礎杭を熱交換杭に兼用することで熱交換杭の設置費用の縮減が図られている。基礎杭兼用利用では、鋼管杭や工場製作のコンクリート杭の中空に貯水するが、その貯水を直接循環すると運転時の水圧で杭から漏水し、あるいは冬季に凍結することから、貯水内にＵチューブを挿入し、Ｕチューブ内に不凍液を充填してこれを循環することが多い。また、基礎杭の外側や内側に、Ｕチューブを取り付けることで、掘削費を省き、設置費を削減できる。

更に、建築現場にある杭打ち機や地盤改良機で地盤を撹拌し、その緩められた孔内に、Ｕチューブを挿入する方法を出願人は開発している。ところが、これら固い地層は施工できないので、ボーリングによって削孔された内部に挿入する方法に比べると、その埋設深度が浅い。従って、ボーリング工法に比べて、ポリエチレン管を往復でＵターンさせる頻度が多くなる。その一方で、基礎杭利用や杭打ち機や地盤改良機による工法では、孔の直径が大きくなる。

そこで、この大口径掘削を活かして、埋設するＵチューブの行きと戻りの間隔を広げれば、熱干渉を減らして地中熱の集熱効果を高められる。なお、修理が地中であることで困難なことから、このような地中熱Ｕチューブには、耐久性と耐震性、施工性を考慮して、ほとんどでポリエチレン管が使用されている。

発明が解決しようとする課題

地中熱交換杭として汎用的に使われている代表的な管は内径２１ｍｍ、厚み３ｍｍと、内径２５ｍｍ、厚み３．５ｍｍの２種類で、接続なしで長く施工でき、長期耐久性に優れるポリエチレン管を用いている。そのメーカー保証の最小曲げ直径は約１．７ｍで、長尺の搬送は可能だが、地中の孔内で循環液の流れを往きから戻りするためにＵターンさせようと曲げることはできない。実際に、ポリエチレン管を限られた掘削穴の中で、Ｕターンさせるように曲げるとパイプの断面形状は、楕円形に潰れ、更に曲げ半径を狭めるとパイプは折れる。肉厚を薄くする、あるいは軟質管を用いれば曲げ半径を狭くできるが、土木工事の現場での地面や土砂との接触や引きずりによる傷による破損リスクが高くなる。

現状でのＵターンでは、杭底で行きと戻りの２本のポリエチレン管の間に、金型製法で造られた２つのエルボあるいはＵターン製品を介在させて、その相互を電熱融着やネジ加圧などで接合している。しかし、このような接合には施工不良による漏水リスクが伴う。特に、この接合箇所は、埋設後では修復困難な地中深部なので、その接合で漏水が生じないかを地盤埋設前に注水して圧力を加え、その圧力低下などで検査している。水圧試験で圧力を上下すると、管の膨張収縮が時間遅れで生じるため、その圧力の安定に時間を要し、わずかな漏水を見逃さないためには時間と手間を要する。

熱交換杭の深さが短くなるケースではＵチューブの熱交換杭を複数直列に接合することが多くなるが、このような直列接合ではいずれかの１本のＵチューブが漏水すると直列されたＵチューブ全てが使用できなくなる。また、熱交換杭の深さが短くなると熱交換杭長さ当たりの接合箇所数が増えて費用が嵩む。更に、金属鞘管による接合には腐食によるリスクも生じる。こうしたことから、地中深部の埋設となる箇所では接続箇所を設けたくない。

基礎杭の兼用利用や地盤改良機などでの熱交換杭Ｕチューブの圧入では、ボーリング工法による１００ｍの深さの熱交換杭に比べて接続数が増えて接続することが大きな課題となる。一方、この基礎杭の兼用利用や地盤改良機などでのＵチューブ設置では、挿入する地中孔はボーリング工法に比べて大きくなる。そこで、地中孔が大きくなることを活かして、この課題の解決を図った。

課題を解決するための手段

熱交換となるポリエチレン管外径よりわずかに大きな金属鞘管内に、当該ポリエチレン管をＵターン位置まで通してその金属鞘管を外側から金属鞘管ベンダーで曲げる。金属鞘管の曲げには、金属鞘管が潰れないように工夫された冷間のロータリー・ドローベンディングなどの技術があるので、金属鞘管内部のポリエチレン管も金属鞘管に拘束されて潰れない。

例えば外径２７ｍｍ、内径２０ｍｍのポリエチレン管を金属鞘管なしで曲げ径を狭めて曲げると円筒が潰れ、最後には折れて、その折れた幅は３８ｍｍになる。従って、この例では３８ｍｍより小さい内径の金属鞘管を鞘管に用いれば完全に折れて潰れることは生じない。

さて、金属鞘管で折れずに曲げ加工できたとしても、曲げ部分のポリエチレン管はクリープなどによる強度低下が懸念される。しかし、ポリエチレン管は内圧が高まると膨張して、金属鞘管との隙間が小さければ隙間はやがてなくなる。その後の内圧が増加しても、ポリエチレン管の延びは金属鞘管に比べて２桁大きく、強度も金属鞘管が桁違いに大きいことから、ポリエチレン管は金属鞘管の内側で拘束されて、金属鞘管なしの区間のポリエチレン管より先に破裂することはない。なお、内圧の増加では、薄肉管は管直交方向の応力が軸方向応力の２倍なので、管直交方向に膨らんで破裂する。

この金属鞘管の拘束による破裂の抑制は、ポリエチレン管と金属鞘管の隙間が大き過ぎると作用しない。逆に、隙間が狭すぎると金属鞘管にポリエチレン管を通しにくい。

そこで、実際に汎用的なポリエチレン管での実験にて、その隙間の適性範囲を調べた。ポリエチレン管（外径２７ｍｍ、厚さ３ｍｍ）長さ４００ｍｍをその中央まで、構造用炭素鋼鋼管（内径２９．４ｍｍ、厚さ２３ｍｍ）長さ７０ｃｍの中に通して、その鋼管を直径２５ｃｍで半円形に鋼管ベンダーで曲げた。この冷間の曲げベンダーによる半円形曲げによって曲げ区間の鋼管内径は１ｍｍ狭い２８．４ｍｍに絞られ、ポリエチレン管と鋼管の隙間２．４ｍｍは１．４ｍｍに狭まった。

この長さ４００ｃｍのポリエチレン管の内圧を高めると、内圧５ＭＰａでポリエチレン管は外径で１ｍｍ膨らみ２８ｍｍにまでなったが、ポリエチレン管と鋼管の隙間１．４ｍｍは埋まらなかった。約６．５ＭＰａの加圧で、ポリエチレン管は鞘管区間外で、管軸方向長６ｃｍ、管軸直交幅１ｃｍの周辺から徐々に膨らみ、その中央部で外径３３ｍｍに膨らみ管軸方向に裂けた。ポリエチレン管は破裂時局部的に最大６ｍｍ膨らんで、鋼管鞘管の内径２９．４ｍｍより更に２．６ｍｍ太くなって破裂した。この実験から余裕を考慮しても、ポリエチレン管より４ｍｍ以内大きな金属鞘管で覆われた区間内では、内圧によるポリエチレン管の膨張は鋼管に拘束され、曲げない区間により先には破裂しないことが分かった。このことから、曲げ加工した部分のポリエチレン管は仮にクリープによって強度低下が生じても金属鞘管の拘束によって、金属鞘管のない区間より先に破裂させない効果が得られる。

また、外からの水圧は鞘管の中にも及ぶので、その外からの水圧によるポエチレン管の破損が問題になる。このケースではポリエチレン管は円筒形状から内断面積が小さくなる楕円筒形状に、更には潰れた形状に変形する。従って、曲げても潰れないように金属鞘管とポリエチレン管の隙間が設定されていれば、この変形は金属鞘管によって抑制され、金属鞘管のない区間より先に問題なるような潰れには至らない。ポリエチレン管外径２７ｍｍが潰れると幅は３８ｍｍになることから、曲げと外からの水圧による潰れと内圧での破裂を比べると、内圧での破裂抑制が金属鞘管とポリエチレン管の隙間を最も狭く要求することが分かる。

さて、ポリエチレン管外径より内径が６ｍｍ大きくても曲げた金属鞘管には、ポリエチレン管は強くて通せない。しかし、長さ１ｍまでの直管金属鞘管であれば、外径と内径での隙間が２．６ｍｍ大きければポリエチレン管は容易に通せる。従って、この金属鞘管で曲げを覆ったポリエチレン管の形態は、ポリエチレン管を先に金属鞘管に通した後に金属鞘管を曲げるという製法で実用的に造られる。その上、ベンダーでの絞り込んでの曲げによって金属鞘管の内径は１ｍｍ程狭くなる。

配管用鋼管、圧力配管用鋼管、構造用鋼管、ステンレス管など直径や肉厚、強度も多様なものが市販され、ポリエチレン管の外径やその設置方法などに応じて最適なものを選択できる。

発明の効果

本発明によって、地中埋設のポリエチレン管自体から接続箇所をなくせるので、漏水リスクは無くなり、圧力試験を行う必要はなくなり、ポリエチレン管を潰すことなく曲げ半径を小さくＵターンできる。

この方法は、従来のボーリング工法での直径１４ｃｍほどの狭い孔内での適用は困難である。しかし、Ｕターンの直径が２０ｃｍ以上取れる基礎杭の壁の内側や外側に取り付ける方法や地盤改良機での大口径の掘削孔には十分適用できる。そして、このような適用可能な工法は掘削深度が短くて、掘削孔が大きいことからＵチューブを多数設置することになり、杭の長さ当たりのＵターン数が多く、本発明の効果が十分に発揮される。更に、長さが短いことは、金属鞘管を通す長さが短くなり、その設置工数も減じる。

また、杭底に位置するＵターン部分は、Ｕチューブを地中孔に挿入する時に、挿入先端に位置し、地中と直交し、地中との接触で最も傷付きやすく、外力が局所的に最も加わりやすい区間である。その箇所を金属鞘管が内部のポリエチレン管を保護する。あるいは、圧入先端に位置することから、Ｕチューブを地中圧入ロッドで圧入する施工法では、ロッドの受け金具としても利用できる。更に、基礎杭貯水内への挿入方式では金属鞘管は重りともなる。

その上、金属鞘管によって、その往きと戻りの管の間隔を広く一定に保持することができ、熱干渉が減り地中熱集熱の効果が高まる。
この他に、このような曲げ加工は、エルボや樹脂製の急激な曲げに比べて、熱媒体液の循環時の速度損失が小さいので、循環ポンプの小型化、節電となる。

以上、本発明は、金属鞘管の中にポリエチレン管を通すという容易な方法と金属鞘管の延性を利用した曲げ加工技術を用いることで、ポリエチレン管を折らずに小さな半径で曲げることを実現した。そのことで、接合なしでのＵターンを狭い地中の孔内で可能とした。更に、施工時のポリエチレン管の外傷や外圧を抑制し、圧入時の受け器具として効果を発揮する。貯水孔内への投入設置では重りとしても機能する。また、ポリエチレンの曲げによるクリープや疲労などの強度低下には、ポリエチレン管は破裂までに管径が大きくなる点に着目し、その伸びに余裕を見込んだ範囲内に、鋼管内径とポリエチレン外径の隙間にすることで、曲げ箇所での破裂を曲げない箇所より先には生じない効果を得ている。その他、地中熱Ｕチューブの耐久性と施工性、集熱性能、熱媒体液の速度抵抗削減の効果を、曲げの必要箇所だけに用いることで非常に安価に実現している。

本発明の一実施形態を示す断面図。本発明の他の実施例を示す断面図。本発明の更なる別の実施例を示す斜視図。本発明の更なる別の実施例を示す断面図。

発明を実施するための態様

図１は、地盤改良機７やプレボーリング工法対応杭打ち機を用いて地盤を掘削撹拌し貧配合のセメントミルク泥水３で泥化した孔に、Ｕチューブ５を圧入用ロッド４で圧入する施工途中の実施例である。
ここで、ポリエチレン管１はその下端部がＵ字状に曲げられているが、下端部には金属鞘管２が取付けられ、該ポリエチレン管１の下端部を保護している。圧入用ロッド４の下端には金属管挟み治具６が取着され、この金属管挟み治具６によって金属鞘管２を挟み込んでポリエチレン管１をセメントミルク泥水３に圧入する。そして、金属鞘管２が所定の深さに達したならば、圧入用ロッド４は上昇して引抜かれ、その後、セメントミルク泥水３が硬化することでＵ字状のポリエチレン管１は固定される。

図２は、プレボーリング工法での実施例での施工時の断面を示すものである。この施工では、杭打ち機のオーガーで造られたセメントミルク泥水３の穴の中に、工場製作の内面空洞のコンクリート杭８を挿入する際に、予めその杭壁９の内側に本発明の金属製鞘管２でＵ曲げを施したＵチューブ５を固定してコンクリート杭８と一体にして地中に挿入する事例である。同図に示す実施例では、Ｕチューブ５は杭壁９の内側に設置しているが、これは外側設置でもよい。
そして、コンクリート杭８に金属製鞘管２を固定する為の杭壁固定金具１０を用い、金属製鞘管２はコンクリート杭８の下端に固定されている。この状態でクレーン１１によって吊り下げたコンクリート杭８は、セメントミルク泥水３が満たされた穴に降下し、該セメントミルク泥水３が硬化することで、ポリエチレン管１にて構成したＵチューブ５はコンクリート杭８と共に地中に固定される。

図３は、場所打ちコンクリート杭での施工において、主鉄筋１５または帯鉄筋１６とＵチューブ５を固定したものを孔壁安定液で保護された孔内に沈めて設置する実施例を示す斜視図である。なお、一つの孔にＵチューブが多数となる図のようなケースでは、杭頭部でも往きと戻りのＵターン曲げとなるので、この杭頭部のＵターン曲げ箇所も金属鞘管が用いられる。この主鉄筋と帯鉄筋１６とＵチューブ５が埋設された後に、トレミー管で生コンクリートが投入される。

図４は、鋼管杭あるいはコンクリート杭１２の内部に貯水した水１３の中に、Ｕチューブ５を設置する実施例を示す断面図である。なお、このコンクリート杭１２は杭底１４を閉じた状態で施工され、杭壁９の内部は注水されて水１３で満たされている。同図に示す実施例では、金属製鞘管２は、Ｕチューブ５を沈降させる重りとしても効果を発揮することが出来る。

１ポリエチレン管
２金属鞘管
３セメントミルク泥水
４圧入用ロッド
５Ｕチューブ
６金属管挟み治具
７地盤改良機
８コンクリート杭
９杭壁
１０杭壁固定金具
１１クレーン
１２コンクリート杭または鋼管杭
１３水
１４杭底
１５主鉄筋
１６帯鉄筋
１７孔壁安定液
１８ポリエチレン管間隔保持用スペーサー
Ｇ地表面

Claims

ポリエチレン管製の地中熱交換杭において、熱媒体液が往きと戻りでターンする曲げ区域をポリエチレン管外径より大きな内径の金属鞘管に通してＵ字状に曲げることでポリエチレン管の接合をなくしたことを特徴とするポリエチレン管製の地中熱交換杭。
Ｕ字状に曲げた金属鞘管を下端部や上端部に配置したポリエチレン管で構成するＵチューブをセメントミルク泥水内に圧入して該セメントミルク泥水を硬化した請求項１記載のポリエチレン管製の地中熱交換杭。
Ｕ字状に曲げた金属鞘管を下端部や上端部に配置したポリエチレン管で構成するＵチューブをコンクリート杭の杭壁に沿って配置すると共に、金属鞘管をコンクリート杭の下端部に杭壁固定金具を介して固定し、コンクリート杭と共にセメントミルク泥水内に降下し、該セメントミルク泥水を硬化した請求項１記載のポリエチレン管製の地中熱交換杭。
Ｕ字状に曲げた金属鞘管を下端部や上端部に配置したポリエチレン管で構成するＵチューブを場所打ちコンクリートの主鉄筋に沿わせて取り付け、これを孔壁安定液の中に沈めた請求項１記載のポリエチレン管製の地中熱交換杭。
Ｕ字状に曲げた金属鞘管を下端部や上端部に配置したポリエチレン管で構成するＵチューブを水で満たしたコンクリート杭の内部に沈めた請求項１記載のポリエチレン管製の地中熱交換杭。