JP7010751B2 - 地中熱交換器の埋設方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプに接続される地中熱交換器の埋設方法に関するものである。

従来、地盤中の砂質土層などを流れる地下水が保有する熱エネルギーを、ヒートポンプの熱源に利用する設備が用いられている。これらの設備は、空調、給湯、融雪用などに用いられている。

図８は、従来の地中熱ヒートポンプシステム１１９を示す図である。地中熱ヒートポンプシステム１１９は、ヒートポンプ１１１、地中熱交換器１２１等からなる。ヒートポンプ１１１は、熱を利用する建物１１５の近傍に設置される。地中熱交換器１２１は、地盤１０１にボーリングで鉛直孔を削孔して設置される。

地中熱交換器１２１は、例えば、地盤１０１の粘性土層１０３、帯水層１０５、粘性土層１０７を貫通して帯水層１０９に到達するように設置される。地中熱ヒートポンプシステム１１９では、熱媒体となる流体を地中熱交換器１２１とヒートポンプ１１１とに連続して循環させ、地中から採熱した熱エネルギーを、ヒートポンプ１１１の熱源に利用する。この際、特に、効率良く熱交換を行うことができる帯水層１０５、帯水層１０９が、地下熱利用範囲１１７となる。

他に、地表から帯水層まで掘削用シャフトと連結用シャフトを掘削し、掘削用シャフトから連結用シャフトに向けて帯水層内を水平方向にボーリングして採熱管やヒートパイプを設置して採熱する方法（例えば、特許文献１参照）や、地表から帯水層まで掘削用シャフトを掘削し、掘削用シャフトから横方向にボーリングして汲上ストレーナーパイプおよび注入ストレーナーパイプを敷設し、汲上ストレーナーパイプから地下水を汲み上げて熱源として利用した後に注入ストレーナーパイプに環水する方法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。

特開２０００－１７９２７６号公報 特開２００４－２７０４１２号公報

しかしながら、図８に示す地中熱ヒートポンプシステム１１９では、地中熱交換器１２１の設置長に対して、地下熱利用範囲１１７に配置される有効長が限られる。そのため、必要な有効長を得るためには、地中熱交換器の設置本数を増やしたり、設置長を長くしたりする必要があり、工費が嵩むという問題があった。

水平にボーリング孔を削孔して採熱する方法は、上述した問題点を解消することができるが、ボーリングを行うためのシャフトを構築する必要があった。また、帯水層が水平に堆積していない場合には、配管を設置するためのボーリング孔を採熱に適した位置に削孔できない可能性があった。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることは、帯水層から効率良く採熱できる位置に採熱用の配管を容易に設置できる地中熱交換器の埋設方法を提供することである。

前述した目的を達成するために本発明は、ヒートポンプに接続される地中熱交換器の埋設方法であって、地上から削孔ロッドを発進させ、前記削孔ロッドに振動を、ないしは前記削孔ロッドの先端ビットに打撃を加えつつ、前記削孔ロッドの回転と非回転とを制御することにより、地盤の帯水層内に位置する埋設ルートを含むように曲がりボーリング孔を削孔する工程ａと、前記曲がりボーリング孔を用いて、前記埋設ルートに採熱用の配管を設置し、前記削孔ロッドを引き抜く工程ｂと、を具備し、前記工程ａで、前記先端ビットに設けられた探査部によって前記帯水層の位置を探査して前記埋設ルートを決定しつつ、前記曲がりボーリング孔を削孔することを特徴とする地中熱交換器の埋設方法である。

削孔ロッドに振動を、ないしは前記削孔ロッドの先端ビットに打撃を加えつつ、削孔ロッドの回転と非回転とを制御すれば、地盤の帯水層内の埋設ルートを含むように三次元的に曲がりボーリング孔を削孔することができる。これにより、帯水層が水平に堆積している場合だけでなく、傾きをもって堆積している場合や厚みが変化するように堆積している場合にも、帯水層から効率良く採熱できる位置に曲がりボーリング孔を削孔して採熱用の配管を容易に設置することができる。本発明で削孔ロッドに加える振動成分は、軸方向であってもよいし、複数方向であってもよい。複数方向の振動成分を加えることにより、地盤が硬い場合や、地盤の硬さが変化する場合にも、削孔方向がぶれることなく、計画された方向に削孔を行うことができる。

前記埋設ルートが、平面視で渦巻き状または蛇行状であることが望ましい。
これにより、少ない削孔本数で帯水層内に配管を密に配置して採熱に用いる有効長を長くし、効率良く採熱することができる。

本発明では、前記工程ａで、前記先端ビットに設けられた探査部によって前記帯水層の位置を探査して前記埋設ルートを決定しつつ、前記曲がりボーリング孔を削孔する。
これにより、帯水層の深度、層厚、傾斜程度や水平的な広がりを探査して埋設ルートを決定しつつ、曲がりボーリング孔を削孔することができる。また、事前に地盤を探査して埋設ルートを決定しておく必要がなくなるため、工期を短縮できる。

前記探査部は、例えば、前記地盤に注水する注水部と、前記曲がりボーリング孔を閉塞するパッカと、前記地盤の透水性を検知する間隙水圧計とを有する。
このような構成の探査部を用いれば、削孔中にリアルタイムで地盤の透水性を探査することができる。

前記工程ｂで、水流を用いて前記採熱用の配管を前記埋設ルートに設置することが望ましい。
配管の先端から水流を後方に噴射すれば、埋設ルートに配置されている削孔ロッド内に配管を容易に設置できる。

前記工程ａで、前記削孔ロッドを、熱利用施設の周囲から発進させることが望ましい。
これにより、地上に設置したボーリングマシンと熱利用施設とが干渉することなく、曲がりボーリング孔を削孔することができる。

本発明によれば、帯水層から効率良く採熱できる位置に採熱用の配管を容易に設置できる地中熱交換器の埋設方法を提供できる。

曲がりボーリング孔２１を削孔する工程を示す図 削孔ロッド１１の先端ビット１２付近の断面図 地中熱交換器３９を設置した状態を示す図 埋設ルート１５に削孔した曲がりボーリング孔２１に地中熱交換器３９の配管２９を配置する方法を示す図 地下熱利用範囲１７における配管２９の平面図 地下熱利用範囲１７ａにおける配管２９ａの平面図 帯水層５ａ内での埋設ルート１５ａを三次元的に設定した例を示す図 従来の地中熱ヒートポンプシステム１１９を示す図

以下、図面に基づいて、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、曲がりボーリング孔２１を削孔する工程を示す図である。図１（ａ）は、地上から地盤１に削孔ロッド１１を発進させた状態を示す図、図１（ｂ）は、地盤１に曲がりボーリング孔２１を削孔した状態を示す図である。図２は、削孔ロッド１１の先端ビット１２付近の断面図である。図２（ａ）は、地盤１を削孔している状態を示す図、図２（ｂ）は、地盤１の透水性を探査している状態を示す図である。

図１に示すように、地盤１は、例えば、粘性土層３の下方に砂質土層である帯水層５が存在し、その下方に粘性土層７が、さらにその下方に帯水層９が存在するものとする。地盤１上には、熱利用施設１９が存在する。熱利用施設１９の周囲の地盤１上には、削孔ロッド１１を駆動するためのボーリングマシン１３が設置される。

図２に示すように、削孔ロッド１１は、管状材であり、先端ビット１２に削孔方向決定部材２０が設けられる。削孔ロッド１１は、大きな靱性を有する。削孔方向決定部材２０は、削孔ロッド１１の軸方向（図２（ａ）に示す矢印Ｘの方向）に対して所定の角度をなすように取り付けられる。削孔ロッド１１の先端ビット１２には、位置探査のための図示しない発信器が設置される。また、ボーリングマシン１３には、図示しないジャイロ挿入引き込み装置が一体化される。

ボーリングマシン１３は、削孔ロッド１１の全体を矢印Ａに示すように回転させることができる。さらに、必要に応じて削孔ロッド１１を先端方向に押し出すことが可能である。削孔ロッド１１は、ボーリングマシン１３によって軸方向に振動が加えられるような構成、ないしは、先端ビット１２の基端部側に設置された図示しないハンマー等で先端ビット１２に打撃が加えられるような構成とする。

削孔ロッド１１は、回転と、削孔ロッド１１への軸方向の振動ないしは先端ビット１２への打撃とを組み合わせることで直進する。また、削孔ロッド１１の回転を停止して非回転の状態で削孔ロッド１１への軸方向の振動ないしは先端ビット１２への打撃を加えることで、削孔方向決定部材２０の方向への削孔が行われ、削孔方向を任意の方向に曲げることができる。なお、掘削対象となる地盤の状況に応じて単位時間あたりの打撃回数を増減するなどして、振動ないしは打撃の加え方と押し出し力を調整することによって、削孔の曲率を調整することもできる。

図２に示すように、削孔ロッド１１は、先端ビット１２に探査部２２が設けられる。探査部２２は、削孔ロッド１１の先端ビット１２を図２（ｂ）に示す矢印Ｂの方向に引き戻すことにより、先端ビット１２から出し入れ可能である。探査部２２は、地盤１に注水する注水部２８と、曲がりボーリング孔２１を閉塞するパッカ２５と、地盤１の透水性を検知する間隙水圧計２３とを有する。

削孔ロッド１１の内部には注水管２７が設置され、注水部２８は、削孔ロッド１１の先端ビット１２付近において、注水管２７の複数の箇所に設けられる。パッカ２５は、膨張と伸縮が可能な部材であり、注水部２８の後方において、注水管２７の周囲に設けられる。間隙水圧計２３は、パッカ２５の前方において、注水管２７の表面に設けられる。

図２（ａ）に示すように、地盤１を削孔している状態では、探査部２２は削孔ロッド１１の内部に位置する。このとき、パッカ２５は収縮し、注水管２７は注水を停止している。図２（ｂ）に示すように、地盤１を探査している状態では、探査部２２は削孔ロッド１１の先端から露出している。このとき、パッカ２５はて曲がりボーリング孔２１の孔壁に押し付けられ、注水管２７は各注水部２８から矢印Ｃに示す方向に注水する。

図１（ａ）、（ｂ）に示す工程では、地盤１上から削孔ロッド１１を発進させ、ボーリングマシン１３を用いて削孔ロッド１１に軸方向に振動を加えつつ、ないしは先端ビット１２に打撃を加えつつ削孔ロッド１１の回転と非回転とを制御することにより、削孔ロッド１１で地盤１に曲がりボーリング孔２１を削孔する。削孔ロッド１１を発進させる際には、図１（ａ）に示す地盤１の帯水層５の位置は把握できておらず、埋設ルート１５も決定されていない。削孔ロッド１１は、地盤１を所定の距離だけ削孔する作業と、探査部２２によって帯水層５の位置を探査して埋設ルート１５を決定する作業とを繰り返して、曲がりボーリング孔２１を削孔する。

埋設ルート１５を決定する際には、削孔ロッド１１は、図２（ａ）に示す状態で地盤１を所定の距離だけ削孔した後、削孔を一旦中断する。次に、図２（ｂ）に示すように矢印Ｂの方向に先端ビット１２を引き戻し、パッカ２５を膨張させて曲がりボーリング孔２１を閉塞する。その後、注水部２８から矢印Ｃに示すように水を注入し、閉塞した曲がりボーリング孔２１に水圧をかけて地盤１に水を浸透させ、間隙水圧計２３で土中の間隙圧を測定して地盤１の透水性を検知し、帯水層５の深度、層厚、傾斜程度や水平的な広がりを把握して削孔ロッド１１の埋設ルート１５を決定する。埋設ルート１５が決定したら、パッカ２５を収縮させて削孔ロッド１１の先端ビット１２を元の位置に戻して削孔を再開し、再び所定の距離を削孔する。

地下熱利用範囲１７は、通常は熱利用施設１９の敷地内に設定される。埋設ルート１５は、地下熱利用範囲１７において帯水層５内を通るように決定される。埋設ルート１５は、例えば、平面視で蛇行状となるように決定される。

図１に示す工程では、削孔ロッド１１による地盤１の削孔中に、削孔ロッド１１の先端ビット１２に設置した図示しない発信器の位置を、地上部からリアルタイムで探査する。また、削孔中の適切な時期に、ボーリングマシン１３と一体化された図示しないジャイロ挿入引き込み装置を用いて、削孔ロッド１１の先端ビット１２付近に図示しないジャイロスコープを挿入して引き込むことにより、削孔ロッド１１の削孔軌跡を計測する。削孔中に問題が生じた場合は、数ｍ手前まで削孔ロッド１１を引き戻し、方向を変えて削孔し直す。

図３は、地中熱交換器３９を設置した状態を示す図である。図４は、埋設ルート１５に削孔した曲がりボーリング孔２１に地中熱交換器３９の配管２９を配置する方法を示す図である。図４（ａ）は、削孔ロッド１１から探査部２２を撤去した状態を示す図、図４（ｂ）は、削孔ロッド１１に配管２９を挿入した状態を示す図、図４（ｃ）は、曲がりボーリング孔２１から削孔ロッド１１を撤去した状態を示す図である。

図３に示す工程では、埋設ルート１５に削孔した曲がりボーリング孔２１内に、地上から地中熱交換器３９の配管２９を挿入して配置する。配管２９は、例えばＵチューブである。配管２９を配置するには、まず、図２（ａ）に示す状態の削孔ロッド１１の内部から、図４（ａ）に示すように、注水管２７を撤去する。注水管２７は、地上側から引き抜いて撤去される。

次に、図４（ｂ）に示すように、配管２９の先端に設けられたノズル３３から水流３５を後方に噴出することにより、水流３５の勢いで配管２９を削孔ロッド１１の内部に挿入する。埋設ルート１５の全長に配管２９を配置したら、水流３５の噴出を停止し、埋設ルート１５に削孔した曲がりボーリング孔２１から、図４（ｃ）に示すように、削孔ロッド１１を撤去する。この際、必要に応じて、曲がりボーリング孔２１と配管２９との間を砂で埋め戻す。

図３に示す地中熱ヒートポンプシステム３７では、曲がりボーリング孔２１に地中熱交換器３９の配管２９を設置した後、地上に設置したヒートポンプ３１に、地中熱交換器３９の地上部分を接続する。地中熱ヒートポンプシステム３７は、地中熱交換器３９とヒートポンプ３１との間で不凍液等の媒体を循環させて、地中熱交換器３９によって地下熱利用範囲１７の地下水から採熱した熱を、ヒートポンプ３１の熱源に利用する。

このように、第１の実施の形態によれば、削孔ロッドに軸方向に振動を加えつつ、ないしは削孔ロッドの先端ビットに打撃を加えつつ、削孔ロッドの回転と非回転とを制御することにより削孔方向を任意の方向に曲げることができる削孔ロッド１１を地上から発進させて、地盤１の帯水層５内の埋設ルート１５を含むように曲がりボーリング孔２１を削孔することにより、帯水層５から効率良く採熱できる位置に曲がりボーリング孔２１を削孔して採熱用の配管２９を設置することができる。また、帯水層５に配管２９を平面視で蛇行状に配置することにより、配管２９の採熱に用いる有効長を長くすることができ、削孔の本数を減らすことができる。

また、削孔ロッド１１の先端ビット１２に探査部２２を設け、探査部２２によって削孔中にリアルタイムで地盤１の透水性を検知することにより、帯水層５の深度、層厚、傾斜程度や水平的な広がりを探査して埋設ルート１５を最適な位置に決定しつつ、曲がりボーリング孔２１を削孔することができる。また、事前に地盤１を探査して埋設ルート１５を決定しておく必要がなくなるため、工期を短縮できる。

第１の実施の形態では、地中熱交換器３９の配管２９の先端から水流３５を後方に噴射することにより、埋設ルート１５に配置されている削孔ロッド１１内に配管２９を容易に設置できる。また、削孔ロッド１１を熱利用施設１９の周囲から発進させることにより、地上に設置したボーリングマシン１３と熱利用施設１９とが干渉することなく、曲がりボーリング孔２１を削孔することができる。

次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、第１の実施の形態と異なる点について説明し、同様の構成については図等で同じ符号を付すなどして説明を省略する。

第２の実施の形態では、図１に示すボーリングマシン１３が、図２に示す削孔ロッド１１に複数方向の振動を加えるとともに、削孔ロッド１１の全体を図２に示す矢印Ａに示すように回転させる。ボーリングマシン１３は、削孔ロッド１１に、例えば、図２に示す矢印Ｙの方向などに振動成分を加えてもよく、三次元的に振動を付与してもよい。さらに、ボーリングマシン１３は、必要に応じて削孔ロッド１１を先端ビット１２の方向に押し出すことが可能である。

削孔ロッド１１は、回転と振動とを組み合わせることで直進する。また、削孔ロッド１１の回転を停止して非回転状態として振動を加えることで、削孔方向決定部材２０の方向への削孔が行われ、削孔方向を任意の方向に曲げることができる。なお、振動の加え方と押し出し力を調整することによって、削孔の曲率を調整することもできる。

第２の実施の形態では、図１に示す工程で、ボーリングマシン１３を用いて削孔ロッド１１に振動を加えつつ削孔ロッド１１の回転と非回転とを制御することにより、地盤１上から削孔ロッド１１を発進させて、削孔ロッド１１で地盤１に曲がりボーリング孔２１を削孔する。第２の実施の形態では、曲がりボーリング孔２１を削孔した後、第１の実施の形態と同様の手順で地中熱ヒートポンプシステム３７を施工する。

第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。加えて、第１の実施の形態で削孔ロッド１１に加えられる振動や先端ビット１２に加えられる打撃は、軸方向への衝撃であるため、ロッドが長い場合には衝撃力が減衰するが、第２の実施の形態の削孔ロッド１１の振動は、複数方向に加えられ、ロッドが長い場合にも減衰せずに伝播するため、長距離の削孔が可能である。

第１の実施の形態では、軸方向への振動や打撃で前方の掘削と掘進を行うため、硬さが固い地盤の掘削は困難である。しかし、第２の実施の形態では、削孔ロッド１１が、複数方向の振動によって地盤を破壊して削孔し、後方からの軸方向への押し出し力は、削孔にほとんど寄与せずにロッドの前進にのみ利用される。このため、固い地盤やコンクリートなどであっても、振動によって前方の地盤等の削孔が可能である。また、固い地盤と軟らかい地盤との境界部近傍を削孔する際にも、第１の実施の形態では、軸方向への振動や打撃で前方への掘進を行うため、ロッド先端が軟らかい地盤側に逃げてしまうが、第２の実施の形態では、削孔ロッド１１が、複数方向の振動によって前方の地盤を破壊して削孔するため、進行方向がぶれることがない。このように、第２の実施の形態によれば、地盤が硬い場合や、地盤の硬さが変化する場合にも、削孔方向がぶれることなく、計画された方向に曲線状に削孔を行うことができる。また、複数方向の振動を付与することで、排泥が促進されるとともに、曲がりボーリング孔２１の孔壁を安定させることができる。

なお、上述した実施の形態では、地下熱利用範囲１７の直上の熱利用施設１９の周囲から削孔ロッド１１を発進させ、蛇行状に曲がりボーリング孔２１を削孔して配管２９を設置したが、削孔ロッド１１の発進位置や削孔形状はこれに限らない。地下熱利用範囲１７の直上に構造物等がない場合は、ボーリングマシンを地下熱利用範囲１７の直上に設置して削孔ロッド１１を発進させてもよい。削孔ロッド１１は、第２の実施の形態のように複数方向の振動を加えつつ回転と非回転とを制御することにより、曲がりボーリング孔の曲率を、例えばＲ１０からＲ２０の間で可変設定できるため、蛇行状以外の形状に削孔することもできる。

図５、図６は、地下熱利用範囲１７における配管２９の平面図である。図５、図６に示す例では、地下熱利用範囲１７の中央付近の上方の地表から削孔ロッド１１を発進させ、地下熱利用範囲１７の中央から外側に向けて、それぞれ４本、８本の曲がりボーリング孔を平面視で渦巻き状となるように削孔し、配管２９を設置する。図５、図６に示すように、配管２９を渦巻き状に配置する場合にも、配管２９の採熱に用いる有効長を長くし、効率良く採熱することができる。

また、上述した実施の形態では、帯水層５が水平方向に略一定の厚さで堆積しており、帯水層５内での埋設ルート１５を略水平に設定して配管２９を設置する例を示したが、帯水層内での埋設ルートは略水平に限らない。図７は、帯水層５ａ内での埋設ルート１５ａを三次元的に設定した例を示す図である。図７に示す例では、地盤１の帯水層５ａが、傾きをもって、且つ、厚みが変化するように堆積している。

図７に示すような地盤１ａにおいても、削孔ロッド１１で所定の距離を削孔する毎に、探査部２２で地盤１ａの透水性を検知することにより、帯水層５ａの位置を探査することができる。削孔ロッド１１は、地下熱利用範囲１７において帯水層５ａ内を通るように埋設ルート１５ａを決定しつつ、地盤１ａに曲がりボーリング孔２１ａを削孔していく。

図７に示す地中熱ヒートポンプシステム３７ａでは、削孔ロッド１１で曲がりボーリング孔２１ａを三次元的に削孔して地中熱交換器３９の配管２９を配置する。これにより、帯水層５ａが傾きをもって堆積している場合や厚みが変化するように堆積している場合でも、効率良く採熱できる位置に曲がりボーリング孔２１ａを削孔し、採熱用の配管２９を容易に設置することができる。

上述した実施の形態では、探査部２２で帯水層の位置を探査して埋設ルートを決定しつつ、曲がりボーリング孔を削孔したが、事前に帯水層の位置の探査を行って埋設ルートを決定した後に曲がりボーリング孔を削孔してもよい。また、上述した実施の形態では、配管２９としてＵチューブを埋設したが、本発明の地中熱交換器の埋設方法はヒートパイプの埋設にも適用できる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１、１ａ、１０１………地盤
３、７、１０３、１０７………粘性土層
５、５ａ、９、１０５、１０９………帯水層
１１………削孔ロッド
１２………先端ビット
１３………ボーリングマシン
１５、１５ａ………埋設ルート
１７、１７ａ、１１７………地下熱利用範囲
１９………熱利用施設
２０………削孔方向決定部材
２１、２１ａ………曲がりボーリング孔
２２………探査部
２３………間隙水圧計
２５………パッカ
２７………注水管
２８………注水部
２９、２９ａ………配管
３１、１１１………ヒートポンプ
３３………ノズル
３５………水流
３７、３７ａ、１１９………地中熱ヒートポンプシステム
３９、１２１………地中熱交換器
１１５………建物

Claims (5)

1. ヒートポンプに接続される地中熱交換器の埋設方法であって、
   地上から削孔ロッドを発進させ、前記削孔ロッドに振動を、ないしは前記削孔ロッドの先端ビットに打撃を加えつつ、前記削孔ロッドの回転と非回転とを制御することにより、地盤の帯水層内に位置する埋設ルートを含むように曲がりボーリング孔を削孔する工程ａと、
   前記曲がりボーリング孔を用いて、前記埋設ルートに採熱用の配管を設置し、前記削孔ロッドを引き抜く工程ｂと、
   を具備し、
   前記工程ａで、前記先端ビットに設けられた探査部によって前記帯水層の位置を探査して前記埋設ルートを決定しつつ、前記曲がりボーリング孔を削孔することを特徴とする地中熱交換器の埋設方法。
2. 前記埋設ルートが、平面視で渦巻き状または蛇行状であることを特徴とする請求項１記載の地中熱交換器の埋設方法。
3. 前記探査部は、前記地盤に注水する注水部と、前記曲がりボーリング孔を閉塞するパッカと、前記地盤の透水性を検知する間隙水圧計とを有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の地中熱交換器の埋設方法。
4. 前記工程ｂで、水流を用いて前記採熱用の配管を前記埋設ルートに設置することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の地中熱交換器の埋設方法。
5. 前記工程ａで、前記削孔ロッドを、熱利用施設の周囲から発進させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の地中熱交換器の埋設方法。

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