JP2016070530A - 環境に配慮した地下水熱利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】地中より汲み上げた地下水を熱交換に利用した後に地中に戻す際に、水温、水質の両面で地中環境への衝撃を最小限に抑えることを可能とする環境に配慮した地下水熱利用システムを提供することを目的とする。
【解決手段】地中より地下水を汲み上げる揚水井１と、揚水井１から汲み上げた地下水の熱エネルギーを利用した冷暖房設備と、冷暖房設備で利用後の地下水の温度を元の地下水温に近づけるための熱緩衝装置と、熱緩衝装置を通過した地下水を揚水井に戻す還元管１８を有する。冷暖房設備は地下水を熱源とする水熱源ヒートポンプ１６による冷暖房システムが利便性の点で最適である。また、熱緩衝装置は熱交換器１１を設置した熱緩衝孔９や地中に平面的に熱交換パイプを設置する方法等が望ましい。さらには、利用後の地下水を揚水井１の地下水面直下に流入させる複数の吐出口を還元管１８に付加してもよい。
【選択図】図１

Description

この発明は、環境に配慮した地下水から汲み上げた地下水の熱エネルギーを冷暖房のために利用する地下水熱利用システムに関する。

現在、省エネの観点から空気を熱源とした空冷式ヒートポンプが我が国おいて広く普及している。しかし、空冷式ヒートポンプでは、屋外の空気を熱源とし、夏季には３０度以上の外気を用いて室内の空気を冷却し、冬季には氷点下程度の外気を用いて室内の空気を加熱する。一方、地下水熱利用システムは、年間を通じて平均気温と同程度の安定した地下水を熱源として利用することにより、効率的に室内の空気を夏は冷却、冬は加温することが可能であり、環境負荷の少ない再生可能エネルギーとして注目されている。

そして、地下水資源に恵まれた地域では、熱交換で利用した後の地下水を、そのまま排水することも多いが、一般的には地下水資源保全の観点から、地下水を汲み上げるための井戸（揚水井）に加えて、別途地下の帯水層に達する井戸（還元井）を掘削し、排水を帯水層に戻す方式が採用されている（非特許文献１）。

そして、還元井を利用した地下水熱利用システムでは、還元井の目詰まり防止等の観点から特許文献１などで様々なシステムが提案されている。

特開２０１１−２１８０４号公報

「地中熱ヒートポンプシステム」、環境省 平成２５年３月

非特許文献１に示された従来からの地下水熱利用システムでは、熱交換を行なった後の地下水の温度が、夏季には５度程度上昇、冬季には５度程度低下する。これほどの温度差が生じた水を帯水層に直接戻すことは、地中環境に大きな熱衝撃（サーマルショック）を与えることとなり、化学的、物理的並びに生物的に影響が地中に生じることが懸念されるケースも多い。しかし、地下環境への影響を評価する手法が確立されておらず、懸念を払拭することが困難なため、計画が頓挫するケースも多く、我が国における地下水熱利用システムを普及する上での大きな課題の一つとなっている。

また、還元井を用いて排水を帯水層に戻す場合でも、近接しているとはいえ、揚水地点と還元地点が異なるため、既存井戸への水量的な影響を懸念して、地域住民等から同意が得られないケースも多く、我が国における地下水熱利用システムを普及する上での大きな課題の一つとなっている。

上記事情に鑑み、本発明は、地中より汲み上げた地下水を地下水熱利用システムで熱交換に利用した後に、極力元の地下水温に近い状態に戻した上で、元の揚水地点から地中に戻すことにより、地中環境への熱衝撃（サーマルショック）を最小限に抑えるとともに、揚水井設置地点での地下水の量的収支を０にし、周辺の既存井戸への水量的な影響を解消することを可能とする環境に配慮した地下水熱利用システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明の地下水熱利用システムは、地中より地下水を汲み上げるための揚水井と、前記揚水井から汲み上げた地下水の熱エネルギーを利用して冷暖房を行なう冷暖房設備と、前記冷暖房設備により利用した後の地下水の温度を元の地下水温に近づけるための熱緩衝装置と、前記熱緩衝装置を通過した利用後の地下水を揚水井に戻す還元流路を有することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の地下水熱利用システムであって、前記冷暖房設備は、地下水を熱源とする水熱源ヒートポンプによるヒートポンプ冷暖房システムを有することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の地下水熱利用システムであって、前記熱緩衝装置として地中に熱交換パイプを平面的に設置した熱交換器を有することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の地下水熱利用システムであって、前記熱緩衝装置として熱交換器を設置した熱緩衝孔を有することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の地下水熱利用システムであって、利用後の地下水を揚水井の地下水面直下に戻すことを可能とするための複数の吐出口を前記還元流路に有することを特徴とする。

本発明の地下水熱利用システムによれば、熱交換後の地下水を熱緩衝装置により元の地下水温に近づけて地中に戻すことができ、還元水による地中への熱衝撃（サーマルショック）を最小限に抑えることが可能である。

また、本発明の地下水熱利用システムによれば、揚水井より汲み上げた地下水を再び揚水井に全量戻すことにより、地下水の量的収支が０となり、周辺井戸の地下水位への影響を解消することが可能である。

加えて、本発明の地下水熱利用システムによれば、揚水井の地下水位変動に追従して地下水面直下にて熱交換後の地下水を揚水井に戻すことにより、冷房時に地下水に吸熱させる場合には、元の地下水と比較して高温で軽い還元水を地下水面付近に滞留させて温度躍層（サーモクライン）を形成させることで、汲み上げる地下水の水温上昇を最小限に止め、冷房効率の低下を防止すると同時に、温度躍層が冷えて元の地下水との温度差が僅かになった後に温度躍層が消滅し、揚水井内で混合が進むため、地下水への熱衝撃（サーマルショック）を最小限に止めることが可能である。

また、暖房時に地下水から採熱する場合には、元の地下水と比較して低温で重い還元水を地下水面付近から還元井内に流入させることで冷水塊の沈降による還元井内での熱的擾乱を引き起こし、揚水井内での混合効率を高め、揚水井底部での冷水溜りの形成を防止し、地下水の水温低下を最小限に止めることができる。したがって、暖房効率の低下を防止すると同時に、地下水への熱衝撃（サーマルショック）を最小限に止めることが可能である。

本発明の地下水熱利用システムの概要を示す図である。 地下水位に追従して還元管吐出口を切り替える実施例を示す図である。 温度躍層の冷却過程の説明図である。 熱緩衝装置の別実施形態の概要を示す図である。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明は図１に示すように、揚水井１は地下水熱利用のため井戸であって、取水用ストレーナ付きのケーシング２が挿入されている。

さらに、図１に示すように、ケーシング２内には、水位計測用の水位センサー１９並びに揚水ポンプ３が設置され、揚水管４と接続し、地上まで地下水を揚水できるようになっている。揚水ポンプ３は制御回路によりヒートポンプ１６と連動し、ヒートポンプ１６が稼動すると同時に運転を開始し、ヒートポンプ１６が運転を停止すると同時に運転を停止する構成となっている。なお、揚水ポンプは地上に揚水用のポンプを設置することもできる。

汲み上げた地下水は熱交換器５で地下水と熱媒流路（往き）１３の熱媒との間で熱交換を行なった後、排水管６を通じて排水される。排水管６には送水ポンプ７が設置され、熱緩衝装置の熱緩衝孔９内に設置された熱交換器１１へと導かれる。また、熱緩衝孔９には、ストレーナ付きのケーシング１０が設置され、送水ポンプ７と熱緩衝孔９の間には、逆止弁８が設置されており、サイホン作用等による逆流を防止する構成としている。

本実施例では、熱交換器１１は内径２０から３０ｍｍ程度の高密度ポリエチレン等の樹脂性の熱交換パイプとし、熱交換パイプ内に送水ポンプ７で圧送された熱交換後の排水を流すことにより、熱緩衝孔内の地下水と混合することなく熱交換を行い、元の地下水との温度差を縮小させる構成としている。なお、排水との熱交換により熱緩衝孔内の地下水温は冷房時には上昇、暖房時には低下するが、熱緩衝孔内の多量の地下水は熱容量が非常に大きいため、温度変化は僅かである。なお、扇状地内で地下水熱利用システムを導入する場合には、地下水の流動が早く、熱緩衝孔内に地下水が滞留している時間が短いため、温度変化が更に生じにくく、特に有効である。また、事前に熱応答試験（ＴＲＴ試験）を実施し、熱交換量と熱緩衝孔内の地下水の温度変化の関係を把握することが可能なため、熱応答試験結果を基に熱衝撃（サーマルショック）が小さい範囲で設計するとよい。

熱交換器１１で熱緩衝を行った後、排水は還元管１８を通って揚水井１に戻される。還元管１８には電磁弁１２が設置されており、揚水ポンプ停止時には還元管を閉じて逆流を防止する構成としている。

熱媒流路（往き）１３は熱交換器５と接続され、熱媒（２５％エチレングリコール溶液の不凍液等）を熱交換器５へと導き、熱交換器５の熱媒側流出部には熱媒流路（戻り）１４が接続されており、熱媒流路の他方末端はヒートポンプ１６と接続され、熱交換器５にて地下水との熱交換を行った後の熱媒がヒートポンプ１６に戻る構成となっている。また、熱媒流路（戻り）１４には循環ポンプ１５を設置し、本実施例では、ヒートポンプ１６、熱媒流路（往き）１３、熱交換器５、熱媒流路（戻り）１４の閉鎖回路内を熱媒が循環する構成としている。

熱交換器５を介して地下水との間で採放熱した熱はヒートポンプ１６により、二次側の冷温水回路１７へと導かれ、冷温水回路１７に接続されたファンコイルユニットなどの空調機により冷暖房を行なう構成となっている。なお、図１の実施例はインバータ制御を行なうヒートポンプ１６を想定したものであるが、オンオフ制御を行なうタイプのヒートポンプを使用する場合など、必要に応じて冷温水回路１７の途中にバッファータンクを設置する構成とする。

図２は、地下水位に追従して還元管１８吐出口を切り替える実施例を示す図である。
本実施例では、市販の水中用電磁弁（ＳＶ１〜ＳＶ４）を用いて地下水位変化に追従させる構成としている。図１の揚水井１内に設置した水位センサー１９により計測した地下水位を基に、図２に示したどの地下水位帯に現在の地下水位が位置しているかを同定し、制御回路により各地下水位帯に対応する電磁弁を開放して還元管１８から揚水井内に地下水を戻すことで、吐出する位置を地下水位変化に追従させて切り替える。なお、電磁弁の設置間隔と地下水位帯の設定については、地下水流動の早さや地下水揚水量などの影響を受けるため、事前に現地試験を実施し、その結果を踏まえて決定するとよい。

図３は、温度躍層の冷却過程の説明図である。
地下水熱利用システムによる冷房設備では、対象施設を所定の温度まで冷却した後は、熱放射等による新たに加わる熱量分だけを冷却すればいいため、常時地下水を汲み上げて熱交換を行なう必要はなく、図３に示すように間欠運転となるのが通常である。したがって、冷房設備が運転し、汲み上げた地下水に吸熱させて対象施設を冷却させた場合には、揚水井１の地下水位直下に還元管１８から使用後の暖かくて軽い地下水が戻されるため、地下水面付近に温度躍層（サーモクライン）が形成される。その後、対象施設が所定の温度まで冷却され揚水ポンプ３が停止すると、温度躍層が躍層の下の地下水等により冷やされて次第に縮小し、最終的には消失する。

なお、上記開示された本発明の実施形態は、あくまで例示である。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって示されるとともに、当該記載と均等と評価される技術的構成まで含むものである。例えば、本発明の実施例では、ヒートポンプ１６を用いているが、穀物倉庫の冷房などの用途によっては、ヒートポンプを使用せずに、熱交換器５で地下水と熱交換を行なった熱媒をそのまま冷温水回路１７に導いて熱利用しても構わない。

また、本発明の実施例では、熱交換器５を通じて地下水と熱媒間で熱交換を行なう構成としているが、地下水の水質が冷凍空調機器用水質ガイドライン（社団法人日本冷凍空調工業会）に定める水質基準に適合し、地下水水質に起因する配管等の設備の腐食やスケール生成の心配がない場合には、熱交換器５を省略し、地下水を直接、熱媒流路（往き）１３並びに熱媒流路（戻り）１４に流しても問題ない。

また、本発明の実施例では、熱緩衝装置として熱緩衝孔を設置し、樹脂性の熱交換パイプを用いて熱交換し熱緩衝を行う構成としているが、熱緩衝装置としては、冷房時に熱交換後の排水を元の地下水温近くまで冷却、暖房時に元の地下水温近くまで加温できればよく、例えば温泉排水や太陽熱を加温に、表流水を冷却に利用しても構わない。また、十分な敷地が確保可能な場合には、図４に示すように地中に樹脂製の熱交換パイプを平面的に設置し地中との間で熱交換を行ない熱緩衝させる構成としてもよい。また、熱交換器１１についても、樹脂性の熱交換パイプのほか、ステンレスやチタンなどを用いたコイル式の熱交換器などを使用してもよい。

さらには、本発明の実施例では、地下水位の変化に併せて還元管１８の吐出位置を地下水面直下になるよう切り替えるために、水中センサー１９と図２に示した水中用電磁弁による構成としたが、水位に応じて吐出口を切り替え可能な構成であればよく、例えば水位センサーの変わりにフロートスイッチや電極棒を使用しても構わない。また、還元管１８の吐出口についても水中用電磁弁の代わりに地上に電磁弁を設置し、流路を切り替える構成としても問題ない。

１ 揚水井
２ ケーシング
３ 揚水ポンプ
４ 揚水管
５ 熱交換器
６ 排水管
７ 送水ポンプ
８ 逆止弁
９ 熱緩衝孔
10 ケーシング
11 熱交換器
12 電磁弁
13 熱媒流路（往き）
14 熱媒流路（戻り）
15 循環ポンプ
16 ヒートポンプ
17 冷温水回路
18 還元管
19 水位センサー

Claims (5)

1. 地中より地下水を汲み上げるための揚水井と、前記揚水井から汲み上げた地下水の熱エネルギーを利用して冷暖房を行なう冷暖房設備と、前記冷暖房設備により利用した後の地下水の温度を元の地下水温に近づけるための熱緩衝装置と、前記熱緩衝装置を通過した利用後の地下水を揚水井に戻す還元流路を有することを特徴とする地下水熱利用システム。
2. 請求項１記載の地下水熱利用システムであって、
   前記冷暖房設備は、地下水を熱源とする水熱源ヒートポンプによるヒートポンプ冷暖房システムを有することを特徴とする地下水熱利用システム。
3. 請求項１または２記載の地下水熱利用システムであって、
   前記熱緩衝装置として地中に熱交換パイプを平面的に設置した熱交換器を有することを特徴とする地下水熱利用システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の地下水熱利用システムであって、
   前記熱緩衝装置として熱交換器を設置した熱緩衝孔を有することを特徴とする地下水熱利用システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の地下水熱利用システムであって、利用後の地下水を揚水井の地下水面直下に戻すことを可能とするための複数の吐出口を前記還元流路に有することを特徴とする地下水熱利用システム。

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