地中熱交換用チューブの埋設方法
【課題】Ｈ形鋼等の芯材の挿入、建て込み作業に制限を受けず、ソイルセメント連続壁内の任意の位置に地中熱交換用チューブを設置する。
【解決手段】保護部材２６を備え、下端部２１ａが尖形の埋設ユニット２０にＵチューブ取付部２３ａを介してＵチューブ２３を取り付ける。Ｈ形鋼が挿入される前又は挿入された後に、埋設ユニット２０をシャーピン３１を介して押込ロッド３０と連結し、未硬化状態のソイルセメントに挿入し、押込ロッド３０を押し込むことによってソイルセメント中を降下させる。ストッパー２７が地盤に接して降下が停止した後に、押込ロッド３０をさらに押し込んでシャーピン３１を破断し、押込ロッド３０を回収する。
【解決手段】保護部材２６を備え、下端部２１ａが尖形の埋設ユニット２０にＵチューブ取付部２３ａを介してＵチューブ２３を取り付ける。Ｈ形鋼が挿入される前又は挿入された後に、埋設ユニット２０をシャーピン３１を介して押込ロッド３０と連結し、未硬化状態のソイルセメントに挿入し、押込ロッド３０を押し込むことによってソイルセメント中を降下させる。ストッパー２７が地盤に接して降下が停止した後に、押込ロッド３０をさらに押し込んでシャーピン３１を破断し、押込ロッド３０を回収する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱交換井の地中熱を利用して熱制御対象物を加熱又は冷却する地中熱利用ヒートポンプシステムを構成する地中熱交換用チューブの埋設方法に関する。さらに詳しくは、土留め用などとして地中に構築されるソイルセメント連続壁内に上記地中熱交換用チューブを埋設する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、地中熱を利用する地中熱交換井の方式としては、地中熱交換井内にポリエチレン製パイプをＵ字状に曲げて構成された地中熱交換用Ｕチューブ（以下、Ｕチューブと記載する）を埋設する方式、地中熱交換井内に、ステンレス管を外管にし、ポリエチレン製パイプを内管とする二重管等を埋設する方式等が知られている。
【０００３】
地中の温度は、年間を通してほぼ一定であり、外気温度に比べると、夏は低く、冬は高くなっている。従って、外気との温度差を利用するために地中にＵチューブ、同軸二重管等を埋設し、Ｕチューブ、同軸二重管等により、この地中熱を採熱し、ヒートポンプの熱源とする試みがなされている。
【０００４】
すなわち、地中においてほぼ一定である１０〜１５℃の恒温状態にある地中熱を利用して熱交換を行なうもので、例えば、冬であれば高温エネルギーとして暖房用熱源又は融雪用熱源等のため採熱し利用することができる。又、夏であれば低温エネルギーとして冷房用熱源等のために採熱し利用することができる。このような地中熱利用ヒートポンプシステムは、人工的な熱源、例えば冷暖房装置等からの排熱を大気に放熱しないため、自然エネルギー利用の１つとして例えば夏には都市部のヒートアイランド抑制対策としても注目されている。又、大気よりも安定した温度のエネルギーであるので、効率的な省エネルギーとなり且つＣＯ２（二酸化炭素）の発生の少ない冷暖房用熱源としても注目されている。
【０００５】
しかしながら、地中熱交換井の設置場所の確保、地中熱交換井等の多額な施工費用等の問題もあり、どのように普及拡大させていくのかが課題の一つとなっている。これに関しては、建造物（例えば、高層ビル）の地下工事のために地中を掘削する際に周囲に構築する土留め壁に地中熱交換用チューブを設置することが提案されている。
【０００６】
例えば特許文献１には、土留め用、止水用のソイルセメントからなる地中壁内に地中熱交換用チューブを埋設する施工方法が開示されている。これはＨ形鋼がソイルセメントに建て込まれる前に、予め地中熱交換用チューブ（地熱熱交換パイプユニット）をＨ形鋼に固定しておき、Ｈ形鋼が未硬化のソイルセメントに建て込まれるときに、これに固定されている地中熱交換用チューブも共に建て込まれるようにした施工方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３９３５８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Ｈ形鋼を未硬化のソイルセメント内に降下させる際、途中の地盤の崩落等による障害物によって所定深度まで降下させることができない場合がある。このような場合には、Ｈ形鋼を上から落下させ、その衝撃力を利用して障害物を突破して所定深度まで降下させる方法が採用されている。この場合、上記特許文献１に示す技術では、Ｈ形鋼に固定された地中熱交換用チューブが損傷してしまうという問題が生じる。
【０００９】
また、特許文献１の例ではＵ字状に形成された地中熱交換用チューブを使用しているが、このＵ字の両直線部がＨ形鋼のウェブを挟んで固定されているため配管方法が制限されていた。このケースでは、地中熱交換用チューブの高さをＨ形鋼と概ね同等としなければならず、地中熱交換用チューブの高さをＨ形鋼より低くしようとした場合、Ｈ形鋼の下端部に切欠を形成しなければならない（特許文献１の段落０００９）。また、地中で地中熱交換用チューブを配管しようとした場合、Ｈ形鋼のウェブ及びフランジを避ける経路を取らなければならず、配管の自由度が著しく制限されてしまう。
【００１０】
しかしながら、Ｈ形鋼と連結せずに地中熱交換用チューブのみをソイルセメントに挿入しようとしても、ソイルセメントの粘度が高く、流動性が低いため、従来のソイルセメント連続壁の構築工法では極めて困難であった。一般的に高粘度・低流動性のソイルセメント中に、１０ｍ以上の深さまで軽量の地中熱交換用チューブを押し込むことは、ほぼ不可能であることはいうまでもない。
【００１１】
これに対して近年、流動化剤としてアロンソイル（登録商標）を使用したＥＣＯ−ＭＷ工法（国土交通省新技術情報提供システム（ＮＥＴＩＳ）登録）が採用されている。ＥＣＯ−ＭＷ工法によって、使用するセメントミルク量を抑制することにより排出する泥土の量を大幅に低減させることが可能である。また、ソイルセメントの流動性を長時間確保することができるためＨ形鋼等の芯材の挿入もスムーズであり、従来では不可能であった「地中熱交換用チューブをソイルセメント中へ押し込む」ことに関する可能性も生じた。但し、この場合であっても、地中熱交換用チューブを単体でソイルセメント中に押し込むことは困難である。
【００１２】
本発明は、このような従来の技術における問題点を解決するために開発されたものであり、次の目的を達成する。
【００１３】
本発明の目的は、Ｈ形鋼等の芯材の挿入、建て込み作業に制限を受けず、ソイルセメント中に地中熱交換用チューブを押し込むことを可能とし、地中に構築されたソイルセメント連続壁内の任意の位置に、地中熱交換用チューブ損傷させることなく設置することが可能な地中熱交換用チューブの埋設方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明１の地中熱交換用チューブの埋設方法は、地中熱を利用して熱制御対象物を加熱又は冷却する地中熱利用ヒートポンプシステム（１）を構成する地中熱交換用チューブ（地中熱交換用Ｕチューブ２３）の埋設方法であって、前記地中熱交換用チューブは、地中に設けられたソイルセメント連続壁（１０）内に設置されるものであり、前記地中熱交換用チューブの底部を保護する保護部材（２６）を備える埋設ユニット（２０）に前記地中熱交換用チューブを固定した状態とし、未硬化状態のソイルセメントに前記埋設ユニットを挿入することにより、当該地中熱交換用チューブの設置を芯材（Ｈ形鋼１２）の設置と分離して行うことを特徴とする。
【００１５】
本発明２の地中熱交換用チューブの埋設方法は、発明１において、前記埋設ユニット（２０）の下端部（２１ａ）は尖形であることを特徴とする。
【００１６】
本発明３の地中熱交換用チューブの埋設方法は、発明２において、前記埋設ユニット（２０）は前記下端部（２１ａ）の上方に埋込防止部材（ストッパー２７）を備えており、前記ソイルセメントに挿入した埋設ユニットを下降させ、その下端部が前記ソイルセメント下方の地盤に一定の高さ食い込み、前記埋め込み防止部材が当該地盤に接した状態となることで当該埋設ユニットの下降を停止させることを特徴とする。
【００１７】
本発明４の地中熱交換用チューブの埋設方法は、発明３において、前記埋設ユニット（２０）は、連結部材（シャーピン３１）を介して押込ロッド（３０）に連結されており、前記連結部材は、前記押込ロッドの押し込み力を前記埋設ユニットに伝達し、且つ前記押込ロッドを前記埋設ユニットから離脱可能とするものであり、前記埋設ユニットを前記ソイルセメント中で下降させる際、前記押込ロッドを下方に押し込むことで前記埋設ユニットを下降させ、前記埋設ユニットの下降が停止した後、前記押込ロッドを前記埋設ユニットから離脱させ、当該押込ロッドを地上に回収することを特徴とする。
【００１８】
後述する実施例では、埋設ユニット２０はシャーピン３１を介して押込ロッド３０に連結されており、埋設ユニット２０の下降が停止した後、さらに押込ロッド３０を押し込むことでシャーピン３１を破断させて押込ロッド３０を埋設ユニットから離脱させている。
【００１９】
本発明５の地中熱交換用チューブの埋設方法は、発明１ないし４から選択されるいずれか１において、前記ソイルセメント連続壁（１０）には前記芯材（Ｈ形鋼１２）が隔孔設置され、前記地中熱交換用チューブ（地中熱交換用Ｕチューブ２３）は、前記芯材が設置されない孔に設置されることを特徴とする。
【００２０】
本発明６の地中熱交換用チューブの埋設方法は、発明５において、前記地中熱交換用チューブ（地中熱交換用Ｕチューブ２３）は、前記芯材（Ｈ形鋼１２）が設置されない孔の中心を基準として、建造物とは反対側の地盤寄りに設置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、Ｈ形鋼等の芯材の挿入、建て込み作業に制限を受けず、ソイルセメント中に地中熱交換用チューブを押し込むことが可能である。また、地中に構築されたソイルセメント連続壁内の任意の位置に地中熱交換用チューブを埋設することが可能である。そのため配管の自由度が高く、建造物とは反対側の地盤に近い位置に地中熱交換用チューブを配置することも可能であり、これにより熱交換を効率良く行うことができる。また地中熱交換用チューブの高さも任意に調整でき、地中熱交換用チューブ同士を地中で接続することも容易となる。
【００２２】
本発明では地中熱交換用チューブを埋設する際に、地中熱交換用チューブの底部を保護する保護部材を備える埋設ユニットを使用している。これにより、地中熱交換用チューブが降下中に損傷することを防止することができる。また埋設ユニットの下端部を尖形としている。従ってソイルセメント中で埋設ユニットを降下させることが容易となり、設置作業の迅速化に寄与し、設置精度も向上する。このように地中熱交換用チューブの設置を安全、高効率、高精度に行うことが可能であり、ソイルセメント連続壁の構築に際して、容易に地中熱交換器を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、ＥＣＯ−ＭＷ工法で、ソイルセメント連続壁を構築している状態を模式的に示した構成図である。
【図２】図２は、ソイルセメント連続壁の平面図であり、（ａ）はＨ形鋼を隔孔設置したときの平面図、（ｂ）はＨ形鋼を全孔設置したときの平面図である。
【図３】図３は、地中熱利用ヒートポンプシステムを模式的に示した説明図である。
【図４】図４（ａ）は、Ｕチューブを取り付けた埋設ユニットの正面図であり、図４（ｂ）は、同側面図である。
【図５】図５（ａ）はＨ形鋼を隔孔設置し、Ｈ形鋼を設置していない孔にＵチューブを設置したときの平面図、（ｂ）はＵチューブを設置した孔の拡大図である。
【図６】図６はＵチューブ設置位置の変形例を示す平面図であり、図５に相当する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、地中熱を利用して熱制御対象物を加熱又は冷却する地中熱利用ヒートポンプシステムを構成する地中熱交換用チューブ（地中熱交換用Ｕチューブ２３）の埋設方法に関するものである。特に、この地中熱交換用チューブを、土留め用又は止水用等として地中に構築されるソイルセメント連続壁内に埋設する方法に関する。このソイルセメント連続壁には、ソイルセメント未硬化時にＨ形鋼等の芯材が建て込まれるが、このＨ形鋼から独立して地中熱交換用チューブを設置することを可能とするものである。
【００２５】
［ソイルセメント連続壁］
１は、ＥＣＯ−ＭＷ工法で、ソイルセメント連続壁を構築している状態を模式的に示した構成図、図２は、図１の平面図であり、（ａ）は隔孔設置、（ｂ）は全孔設置を示した図である。図３は、地中熱利用ヒートポンプシステムを模式的に示した説明図である。
【００２６】
地中にソイルセメント連続壁を構築する方法として、ＥＣＯ−ＭＷ工法が知られている（NETIS登録No.KK-050019）。ＥＣＯ−ＭＷ工法は公知の技術であり、本実施の形態では詳細な説明を省略するが、本実施の形態の理解を容易にするために、その概略を図１、２に基づいて説明する。図１に示すように、ＥＣＯ−ＭＷ工法は、地盤５を所定の深さまで掘削するとともにセメントスラリーを注入し、原位置土とセメントスラリーとを混合・攪拌してソイルセメント壁１１を形成し、これらソイルセメント壁１１を連続させてソイルセメント連続壁１０を構築する工法である。ここで使用するセメントスラリーには本工法用に開発された流動化剤であるアロンソイル（登録商標）が添加されていて、ソイルセメントの流動性が長時間確保されている。
【００２７】
ソイルセメント連続壁１０は、建造物Ｂを建造する際の土留め用、止水用等の用途のために構築されるものである。ソイルセメント壁１１内には、ソイルセメント固化前に芯材としてのＨ形鋼１２が建て込まれている。Ｈ形鋼１２は、隔孔設置（図２（ａ）参照）、全孔設置（図２（ｂ）参照）、隔孔設置と全孔設置との組み合わせ（図示せず）のように設置されるものであり、地盤５の状態等により適宜所望の間隔で建て込まれるものである。
【００２８】
［地中熱利用ヒートポンプシステム］
次に、地中熱利用ヒートポンプシステム１について説明を行う。
地中熱利用ヒートポンプシステム１は、周知な技術であるが、本実施の形態の理解を容易にするために、その概略を図３に基づいて説明する。
なお、ソイルセメント連続壁１０には、Ｈ形鋼１２が複数本建て込まれているものとする。また、Ｈ形鋼１２から独立して、熱交換パイプとしてポリエチレン製パイプをＵ字状に曲げて構成されたＵ字状の管、すなわち地中熱交換用Ｕチューブ（以下、Ｕチューブと記載する）２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３が設けられている。そして、Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３は、内部に形成された管路が、順次、連続するように接続され、循環路を形成している。
【００２９】
Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３を含む第１循環路７１を循環する第１循環流体７３は、不凍液（ブライン）、水等であり、地中熱利用ヒートポンプ６０内の第１熱交換部（凝縮器）６２で熱交換をしながら、Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３を経て循環している。このような構成の第１循環路７１を循環する第１循環流体７３は、例えば冬季の場合、地上側の地中熱利用ヒートポンプ６０の第１熱交換部６２で熱交換し、Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３を含む第１循環路７１を循環し、再び第１熱交換部６２に戻る。Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３等が地中熱交換器２を構築する。
【００３０】
このとき、地上の外気温度に比べ地中は恒温状態であり、地中温度が高くなっている。そのため、第１循環流体７３は地上側から地中に送り込まれると、地中熱交換器２を構築するＵチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３で採熱し、暖められて第１熱交換部６２側に循環することになる。第１熱交換部６２で、第１循環流体７３と熱交換された熱媒体は地中熱利用ヒートポンプ６０によってさらに暖められ、循環する。熱媒体は第２熱交換部（蒸発器）６４で第２循環流体８３と熱交換する。温水となった第２循環流体８３は、熱制御対象物（例えば、建造物等）の暖房等の設備である熱交換装置８４の負荷側熱交換部８４ａで暖房等のための熱源として利用される。第２循環流体８３は、不凍液（ブライン）、水等であるとよい。
【００３１】
次に、地中熱利用ヒートポンプ６０の説明を行う。
地中熱利用ヒートポンプ６０は、第１熱交換部（凝縮器）６２、第２熱交換部（蒸発器）６４、圧縮部（圧縮機）６１、膨張部（膨張弁）６３、熱媒体循環路６５等から構成されている。暖房用の熱源とする場合、熱媒体〔例えば、冷媒番号（ＩＳＯ８１７）：Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ等〕が、熱媒体循環路６５内を、実線で示した矢印方向に循環する。第１熱交換部６２は、第１循環流体７３と熱媒体との間で熱交換を行なう部位である。すなわち、第１循環路７１を循環する第１循環流体７３の熱量を熱媒体に熱移動させる。第２熱交換部６４は、熱媒体と第２循環流体８３との間で熱交換を行なう部位である。すなわち、熱媒体の熱量を第２循環流体８３に熱移動させる。熱移動された第２循環流体８３は、第２循環路８１を循環し、負荷側熱交換部（例えば、床暖房、ファンコイルユニット等）８４ａで熱源として利用される。
【００３２】
Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３を含む第１循環路７１を循環する第１循環流体７３は、第１循環ポンプ７２によって循環する。第１循環流体７３は、Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３内を循環し、ソイルセメント壁１１等を介して地中との間で熱交換（熱採取）を行う。地中との熱交換によって熱を得た第１循環流体７３は中温水となって地上に戻り、地中熱利用ヒートポンプ６０の第１熱交換部６２を通過する。
【００３３】
第１循環流体７３は、第１熱交換部６２において熱媒体との間で熱交換を行なって低温水となってＵチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３に戻り、再び、地中と熱交換（熱採取）を行なう。第１熱交換部６２において、第１循環流体７３との間で熱交換した熱媒体は、圧縮部６１において圧縮されることによってさらに高温となり、第２熱交換部６４に送られる。
【００３４】
第２熱交換部６４で、熱媒体は、第２循環流体８３との間で熱交換を行う。第２循環流体８３は、第２循環ポンプ８２によって第２循環路８１を循環し、熱交換装置８４の負荷側熱交換部８４ａに循環し熱源として利用される。すなわち、熱媒体との間で熱交換を行ない、熱を得た第２循環流体８３は温水となって、負荷側熱交換部８４ａにおいて、暖房システム、暖房装置等の熱源として利用される。
【００３５】
一方、冷房用の熱源とする場合には、熱媒体が、熱媒体循環路６５内を破線で示した矢印方向に循環する。第１循環流体７３は、Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３を通過する際、外気温度より低い温度の地中と熱交換し、低い温度の第１循環流体７３となる。第１循環流体７３と熱交換した熱媒体は冷却され、膨張部６３によって減圧されることによって、さらに低温となって第２熱交換部６４に送られる。ここで、低温の熱媒体は、第２熱交換部６４で第２循環流体８３と熱交換する。低温になった第２循環流体８３は負荷側熱交換部８４ａにおいて、冷房システム、冷房装置等の熱源として利用される。
【００３６】
なお、本実施例においては、地中熱利用ヒートポンプシステム１が、第２熱交換部６４及び第２循環路８１を備えており、第２循環流体８３が第２循環ポンプ８２によって第２循環路８１を循環する例について説明した。このようなシステムとしては、水−水ヒートポンプシステムが代表的である。このような第２循環流体８３を使用せず、第１循環流体７３及び熱媒体のみを使用するシステムとしても良い。即ち、第２熱交換部６４及び第２循環路８１を備えておらず、熱媒体が負荷側熱交換部８４ａにおいて熱源として利用されるようにしても良い。このようなシステムとしては、水−冷媒ヒートポンプシステムが代表的であり、ビル用マルチ空調システムで多く使用されている。
【００３７】
［埋設ユニット］
本発明では上記Ｕチューブ２３をソイルセメント壁１１に設置する際に図４に示す埋設ユニット２０を使用している。埋設ユニット２０は、図４に示すように基体となる鋼板２１、保護部材２６、及びストッパー２７によって構成される。この埋設ユニット２０にＵチューブ２３を取り付けてソイルセメント壁１１に挿入し、未硬化のソイルセメント内を降下させ、ソイルセメント壁１１の底部で固定する。その後、ソイルセメントが硬化することによって、Ｕチューブ２３が固定された埋設ユニット２０は、ソイルセメント壁１１内に埋め込まれることになる。
【００３８】
鋼板２１の下端部２１ａは尖形であり、図４の例では矢じり状となっている。従ってソイルセメント内に埋設ユニット２０を挿入し易く、挿入後も下端部２１ａの先端に力が集中し、ソイルセメント中を降下させることが容易である。これにより、Ｕチューブ２３の設置作業を効率化することができる。尖形状の下端部２１ａはソイルセメントの粘度が高い場合に特に有効に機能する。さらに、この下端部２１ａは最終的にソイルセメント連続壁１０下方の地層に食い込んで埋設ユニット２０を固定する。これによりＵチューブ２３の設置位置が決定する。
【００３９】
鋼板２１の片面又は両面には、Ｕチューブ２３が取り付けられる。２組のＵチューブ２３を挿入するダブルＵチューブ方式の場合には、図４に示すように鋼板２１の両面にＵチューブ２３を取り付ける。また、１組のＵチューブ２３を挿入するシングルＵチューブ方式の場合には、鋼板２１の片面のみにＵチューブ２３を取り付ける。ここでＵチューブ２３の底部（Ｕ字の底部分）にはＵチューブ取付部２３ａが設けられている。Ｕチューブ取付部２３ａは例えば樹脂部品であり、熱融着等の方法によってＵチューブ２３の底部と一体化されている。Ｕチューブ２３は、このＵチューブ取付部２３ａを介して鋼板２１に固定される。なお、Ｕチューブ２３は、熱伝導性を有し、耐性・防食性に優れ、広い使用温度範囲を有し、高可撓性、管内面が滑らかである等の条件を満たすものであれば他の材質のものであってもよい。
【００４０】
Ｕチューブ取付部２３ａには、Ｕチューブ側連結孔２３ｂが形成されている。鋼板２１には、Ｕチューブ側連結孔２３ｂに対応する基体側連結孔２１ｂが形成されている。Ｕチューブ取付部２３ａは鋼板２１とＵチューブ連結ネジ２５によって一体化される。図４（ｂ）に示すように、Ｕチューブ側連結孔２３ｂ及び基体側連結孔２１ｂの位置を合致させて、形成された孔にＵチューブ連結ネジ２５を挿入して締め付けることで、Ｕチューブ２３を、Ｕチューブ取付部２３ａを介して鋼板２１と一体化させることができる。
【００４１】
基体側連結孔２１ｂは、鋼板２１の鉛直方向に沿って複数設けられており、任意の孔にＵチューブ側連結孔２３ｂを合わせることで、任意の位置にＵチューブ２３を固定することができる。これによりストッパー２７からの距離、即ちＵチューブを設置する高さを調整することができる。
【００４２】
鋼板２１に取り付けられたＵチューブ取付部２３ａの下方には、Ｖ字状の保護部材２６が設けられている。この保護部材２６は例えば鋼板を曲げ加工したものであり、溶接等の方法によって鋼板２１と接合されている。Ｕチューブ２３の底部が保護部材２６によって保護され、埋設ユニット２０を降下させるときにＵチューブ２３が損傷することを防止する。例えば、埋設ユニット２０を降下させる経路途中に地盤の崩落等による障害物が存在する場合、埋設ユニット２０を強制的に上から押し込む方法を採ることが想定される。鋼板２１は頑丈であり、且つ下端部２１ａが尖形であるため強制的に上から押し込む、あるいは付勢して降下（落下）させることで、その衝撃力を利用して障害物を突破できる可能性がある。この場合にＵチューブ２３が損傷する可能性があるが、この保護部材２６が存在することによって、Ｕチューブ２３の損傷を防止する。保護部材２６は鋼板に限らず、鋼板２１に固定が容易で、ソイルセメントに挿入時に変形などしない材料で形成されたものであればよい。保護部材は、平面状のものが好ましいが、曲面状のものなど他の形状のものであってもよい。
【００４３】
保護部材２６と下端部２１ａとの間には、埋込防止部材としてストッパー２７が設けられている。ストッパー２７は平板状物であり、地盤と平行になるように（鋼板２１と鉛直方向に交差するように）鋼板２１に固定されている。ストッパー２７は例えば鋼板であり、鋼板２１と溶接等の方法によって接合されている。本例では、ストッパー２７は、下端部２１ａと保護部材２６の概ね中間に設けられており、埋設ユニット２０が一定以上地盤に食い込むことを防止する。
【００４４】
Ｕチューブ２３を固定した埋設ユニット２０をソイルセメント内で降下させると、最終的には鋼板２１の重量等によって下端部２１ａがソイルセメント下方の地盤に食い込む。また、後述する押込ロッド３０等を使用して下端部２１ａを地盤に食い込ませる場合もある。
【００４５】
このような場合、鋼板２１の地盤への食い込みの度合が一定でないことで、Ｕチューブ２３の設置精度が低下する問題がある。この埋設ユニット２０においては、ストッパー２７が地盤に接した時点を基準として、これ以上鋼板２１が地盤に食い込むことがない。即ち鋼板２１を下方に押し込んで、下降が完全に停止した時点で地盤とストッパー２７が同位置（同じ高さ）にある。このストッパー２７からＵチューブ側連結孔２３ｂまでの距離は、前述したように基体側連結孔２１ｂを選択することにより任意に調整可能であるから、Ｕチューブ２３を設置する高さを調整可能である。このようにしてＵチューブ２３の設置精度を高めることができる。特に、前述したように降下経路の途中に障害物が存在するときには、鋼板２１を付勢して降下させることがある。この場合には鋼板２１が地盤に食い込みすぎてＵチューブ２３の位置調整が困難であるが、このような場合にストッパー２７が有効に作用する。
【００４６】
鋼板２１は、地上から押し込み力を伝える押込ロッド３０を接続可能な機構を有している。図４（ａ）の例では、鋼板２１が２本のシャーピン３１を介して押込ロッド３０と連結されている。鋼板２１の側部には、シャーピン３１を挿入可能な孔が設けられている。ソイルセメントの流動性が低く、埋設ユニット２０を押し込むことが困難な場合には、押込ロッド３０を使用することが好ましい。また、押込ロッド３０の先端には、水等の液体を循環させることができるように孔が設けられていると良い。
【００４７】
埋設ユニット２０にシャーピン３１によって連結された押込ロッド３０が押し込まれると、これに伴い、押込ロッド３０の押し込み力がシャーピン３１を介して埋設ユニット２０に伝わり、埋設ユニット２０がソイルセメント中を降下する。埋設ユニット２０がソイルセメント連続壁の底部に到達したときに、下端部２１ａが地盤に食い込み、ここからさらに押込ロッド３０で押し込まれることでストッパー２７が地盤と接して下降が完全に停止する。この位置からさらに押込ロッド３０が押し込まれると、シャーピン３１に応力が集中して破断し、押込ロッド３０が埋設ユニット２０から離脱する。その後、押込ロッド３０のみを地上に回収する。なお、シャーピン３１を破断させたとき、押込ロッド３０の先端が地層に食い込むことを防止するため、ストッパー２７が押込ロッド３０の下方までカバーしている（図４（ａ））。そのため押込ロッド３０はストッパー２７の上面と接触し、地層に食い込むことがない。このようにストッパー２７は受け金具としての役割も果たしているが、ストッパー２７とは別個に受け金具を設けるようにしても良い。
【００４８】
本例では、図４に示すように鋼板２１の両面に保護部材２６を備えており、基体側連結孔２１ｂに両面からＵチューブ連結ネジ２５を挿入可能である。従って１の埋設ユニット２０で２組のＵチューブ２３を同時に設置可能であり、ダブルＵチューブ方式にも対応している。これにより、設置作業の効率化を図ることができる。なお、埋設ユニット２０は、Ｕチューブ２３の底部を保護可能なものであれば良く、その高さは問題とならない。従って、ソイルセメント連続壁１０の高さと比較して無視できる程度の高さ（例えば１０分の１以下であり、好ましくは数十ｃｍ以下）とすることで、当該埋設ユニット２０がソイルセメント連続壁１０に与える影響を考慮する必要が無くなる。また、使用する鋼板の量も少なくてすむ。
【００４９】
また、本例では押込ロッド３０と埋設ユニット２０との連結部材としてシャーピン３１を用いているが、連結部材はこれに限られない。押込ロッド３０の押し込み力を埋設ユニット２０に伝え、且つ、押込ロッド３０を埋設ユニット２０から離脱可能とするものであれば良い。
【００５０】
［Ｕチューブの設置例］
図５は、ソイルセメント連続壁１０において、Ｈ形鋼１２を隔孔設置し、Ｈ形鋼１２を設置していない孔にＵチューブ２３を設置したときの平面図である。本発明では、Ｈ形鋼１２が設置される前又は設置された後にＵチューブ２３の設置作業を独立して行うことが可能であるため、Ｈ形鋼１２が設置されていない孔にＵチューブ２３を設置することが可能である。この図５に示すように、Ｕチューブ２３を、Ｈ形鋼１２が設置されていない孔の中心を基準として、建造物とは反対側の地盤寄り（建造物から遠い位置）に設置することも可能であり、これにより建造物が障害とならない地盤近くで熱交換を効率よく行うことができる。
【００５１】
鋼板１２の両面にＵチューブ２３を取り付けて、Ｈ形鋼１２のウェブと平行にして、孔中心から地盤寄りの位置（建造物から遠い位置）に挿入することで、２組のＵチューブ２３を地盤近くに平行に設置することができる（図５（ｂ））。従来技術のようにＨ形鋼１２のウェブ又はフランジにＵチューブ２３を固定するケースでは、孔の中心付近にＵチューブが位置することになるが、これと比較すると本例における熱交換の効率性は良い。
【００５２】
図６は図５の変形例である。鋼板１２の片面にＵチューブ２３を取り付けて、Ｈ形鋼１２のウェブと平行にして、孔中心から地盤寄りの位置（建造物から遠い位置）に挿入することで、Ｕチューブ２３を地盤近くに設置することができる。熱交換の効率性が重視される場合にはこのような設置態様を採ることもできる。なお図５及び図６の例に示すような隔孔設置の場合に限らず、Ｈ形鋼を全孔設置した場合にも当然に本発明を適用可能である。
【００５３】
以上説明したように、本発明はＨ形鋼等の芯材の挿入、建て込みに制限を受けることなく、地中熱交換用チューブをソイルセメント連続壁内に設置することを可能とするものである。一般的にソイルセメントの粘度及び流動性を考慮すると、その中にＵチューブを押し込むことは困難であり、通常はＨ形鋼等に組み付けた状態で挿入する（特許文献１）。しかしながら、本発明では埋設ユニットを用いることでＨ形鋼の設置作業と分離してＵチューブの設置作業を行うことを可能とした。これにより配管の自由度が向上し、設置位置によっては熱交換の効率向上も期待できる。特に、近年は前述したＥＣＯ−ＭＷ工法が採用されつつあり、ソイルセメントの流動性を長時間確保することも可能となっているため、埋設ユニットの挿入性も確保することができ、本発明を好適に実施することができると考えられる。
【００５４】
本発明を適用することで、地中熱交換器を、都市部の建造物（高層ビル）等でも容易に地中熱利用ヒートポンプシステムによる冷暖房の熱源とすることができ、地球環境にやさしく、ＣＯ２（二酸化炭素）の発生等がたいへん少ない冷暖房システムを構築することが可能となった。さらに、地中熱交換器構築のために、ボアホールを新たに掘削する作業等が不要となる。そのため、地中熱利用ヒートポンプシステムの構築する費用を大幅に低減することができ、普及拡大に大いに貢献することができる。
【００５５】
本発明の実施の形態について以上のとおり説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されない。本発明の目的、趣旨を逸脱しない範囲内での変更が可能なことはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５６】
１…地中熱利用ヒートポンプシステム
１０…ソイルセメント連続壁
１１…ソイルセメント壁
１２…Ｈ形鋼
２…地中熱交換器
２１…鋼板
２１ａ…下端部
２３、２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ…地中熱交換用Ｕチューブ
２３ａ…Ｕチューブ取付部
２５…Ｕチューブ連結ネジ
２６…保護部材
２７…ストッパー
３０…押込ロッド
３１…シャーピン
６０…地中熱利用ヒートポンプ
６５…熱媒体循環路
７１…第１循環路
８１…第２循環路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱交換井の地中熱を利用して熱制御対象物を加熱又は冷却する地中熱利用ヒートポンプシステムを構成する地中熱交換用チューブの埋設方法に関する。さらに詳しくは、土留め用などとして地中に構築されるソイルセメント連続壁内に上記地中熱交換用チューブを埋設する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、地中熱を利用する地中熱交換井の方式としては、地中熱交換井内にポリエチレン製パイプをＵ字状に曲げて構成された地中熱交換用Ｕチューブ（以下、Ｕチューブと記載する）を埋設する方式、地中熱交換井内に、ステンレス管を外管にし、ポリエチレン製パイプを内管とする二重管等を埋設する方式等が知られている。
【０００３】
地中の温度は、年間を通してほぼ一定であり、外気温度に比べると、夏は低く、冬は高くなっている。従って、外気との温度差を利用するために地中にＵチューブ、同軸二重管等を埋設し、Ｕチューブ、同軸二重管等により、この地中熱を採熱し、ヒートポンプの熱源とする試みがなされている。
【０００４】
すなわち、地中においてほぼ一定である１０〜１５℃の恒温状態にある地中熱を利用して熱交換を行なうもので、例えば、冬であれば高温エネルギーとして暖房用熱源又は融雪用熱源等のため採熱し利用することができる。又、夏であれば低温エネルギーとして冷房用熱源等のために採熱し利用することができる。このような地中熱利用ヒートポンプシステムは、人工的な熱源、例えば冷暖房装置等からの排熱を大気に放熱しないため、自然エネルギー利用の１つとして例えば夏には都市部のヒートアイランド抑制対策としても注目されている。又、大気よりも安定した温度のエネルギーであるので、効率的な省エネルギーとなり且つＣＯ２（二酸化炭素）の発生の少ない冷暖房用熱源としても注目されている。
【０００５】
しかしながら、地中熱交換井の設置場所の確保、地中熱交換井等の多額な施工費用等の問題もあり、どのように普及拡大させていくのかが課題の一つとなっている。これに関しては、建造物（例えば、高層ビル）の地下工事のために地中を掘削する際に周囲に構築する土留め壁に地中熱交換用チューブを設置することが提案されている。
【０００６】
例えば特許文献１には、土留め用、止水用のソイルセメントからなる地中壁内に地中熱交換用チューブを埋設する施工方法が開示されている。これはＨ形鋼がソイルセメントに建て込まれる前に、予め地中熱交換用チューブ（地熱熱交換パイプユニット）をＨ形鋼に固定しておき、Ｈ形鋼が未硬化のソイルセメントに建て込まれるときに、これに固定されている地中熱交換用チューブも共に建て込まれるようにした施工方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３９３５８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Ｈ形鋼を未硬化のソイルセメント内に降下させる際、途中の地盤の崩落等による障害物によって所定深度まで降下させることができない場合がある。このような場合には、Ｈ形鋼を上から落下させ、その衝撃力を利用して障害物を突破して所定深度まで降下させる方法が採用されている。この場合、上記特許文献１に示す技術では、Ｈ形鋼に固定された地中熱交換用チューブが損傷してしまうという問題が生じる。
【０００９】
また、特許文献１の例ではＵ字状に形成された地中熱交換用チューブを使用しているが、このＵ字の両直線部がＨ形鋼のウェブを挟んで固定されているため配管方法が制限されていた。このケースでは、地中熱交換用チューブの高さをＨ形鋼と概ね同等としなければならず、地中熱交換用チューブの高さをＨ形鋼より低くしようとした場合、Ｈ形鋼の下端部に切欠を形成しなければならない（特許文献１の段落０００９）。また、地中で地中熱交換用チューブを配管しようとした場合、Ｈ形鋼のウェブ及びフランジを避ける経路を取らなければならず、配管の自由度が著しく制限されてしまう。
【００１０】
しかしながら、Ｈ形鋼と連結せずに地中熱交換用チューブのみをソイルセメントに挿入しようとしても、ソイルセメントの粘度が高く、流動性が低いため、従来のソイルセメント連続壁の構築工法では極めて困難であった。一般的に高粘度・低流動性のソイルセメント中に、１０ｍ以上の深さまで軽量の地中熱交換用チューブを押し込むことは、ほぼ不可能であることはいうまでもない。
【００１１】
これに対して近年、流動化剤としてアロンソイル（登録商標）を使用したＥＣＯ−ＭＷ工法（国土交通省新技術情報提供システム（ＮＥＴＩＳ）登録）が採用されている。ＥＣＯ−ＭＷ工法によって、使用するセメントミルク量を抑制することにより排出する泥土の量を大幅に低減させることが可能である。また、ソイルセメントの流動性を長時間確保することができるためＨ形鋼等の芯材の挿入もスムーズであり、従来では不可能であった「地中熱交換用チューブをソイルセメント中へ押し込む」ことに関する可能性も生じた。但し、この場合であっても、地中熱交換用チューブを単体でソイルセメント中に押し込むことは困難である。
【００１２】
本発明は、このような従来の技術における問題点を解決するために開発されたものであり、次の目的を達成する。
【００１３】
本発明の目的は、Ｈ形鋼等の芯材の挿入、建て込み作業に制限を受けず、ソイルセメント中に地中熱交換用チューブを押し込むことを可能とし、地中に構築されたソイルセメント連続壁内の任意の位置に、地中熱交換用チューブ損傷させることなく設置することが可能な地中熱交換用チューブの埋設方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明１の地中熱交換用チューブの埋設方法は、地中熱を利用して熱制御対象物を加熱又は冷却する地中熱利用ヒートポンプシステム（１）を構成する地中熱交換用チューブ（地中熱交換用Ｕチューブ２３）の埋設方法であって、前記地中熱交換用チューブは、地中に設けられたソイルセメント連続壁（１０）内に設置されるものであり、前記地中熱交換用チューブの底部を保護する保護部材（２６）を備える埋設ユニット（２０）に前記地中熱交換用チューブを固定した状態とし、未硬化状態のソイルセメントに前記埋設ユニットを挿入することにより、当該地中熱交換用チューブの設置を芯材（Ｈ形鋼１２）の設置と分離して行うことを特徴とする。
【００１５】
本発明２の地中熱交換用チューブの埋設方法は、発明１において、前記埋設ユニット（２０）の下端部（２１ａ）は尖形であることを特徴とする。
【００１６】
本発明３の地中熱交換用チューブの埋設方法は、発明２において、前記埋設ユニット（２０）は前記下端部（２１ａ）の上方に埋込防止部材（ストッパー２７）を備えており、前記ソイルセメントに挿入した埋設ユニットを下降させ、その下端部が前記ソイルセメント下方の地盤に一定の高さ食い込み、前記埋め込み防止部材が当該地盤に接した状態となることで当該埋設ユニットの下降を停止させることを特徴とする。
【００１７】
本発明４の地中熱交換用チューブの埋設方法は、発明３において、前記埋設ユニット（２０）は、連結部材（シャーピン３１）を介して押込ロッド（３０）に連結されており、前記連結部材は、前記押込ロッドの押し込み力を前記埋設ユニットに伝達し、且つ前記押込ロッドを前記埋設ユニットから離脱可能とするものであり、前記埋設ユニットを前記ソイルセメント中で下降させる際、前記押込ロッドを下方に押し込むことで前記埋設ユニットを下降させ、前記埋設ユニットの下降が停止した後、前記押込ロッドを前記埋設ユニットから離脱させ、当該押込ロッドを地上に回収することを特徴とする。
【００１８】
後述する実施例では、埋設ユニット２０はシャーピン３１を介して押込ロッド３０に連結されており、埋設ユニット２０の下降が停止した後、さらに押込ロッド３０を押し込むことでシャーピン３１を破断させて押込ロッド３０を埋設ユニットから離脱させている。
【００１９】
本発明５の地中熱交換用チューブの埋設方法は、発明１ないし４から選択されるいずれか１において、前記ソイルセメント連続壁（１０）には前記芯材（Ｈ形鋼１２）が隔孔設置され、前記地中熱交換用チューブ（地中熱交換用Ｕチューブ２３）は、前記芯材が設置されない孔に設置されることを特徴とする。
【００２０】
本発明６の地中熱交換用チューブの埋設方法は、発明５において、前記地中熱交換用チューブ（地中熱交換用Ｕチューブ２３）は、前記芯材（Ｈ形鋼１２）が設置されない孔の中心を基準として、建造物とは反対側の地盤寄りに設置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、Ｈ形鋼等の芯材の挿入、建て込み作業に制限を受けず、ソイルセメント中に地中熱交換用チューブを押し込むことが可能である。また、地中に構築されたソイルセメント連続壁内の任意の位置に地中熱交換用チューブを埋設することが可能である。そのため配管の自由度が高く、建造物とは反対側の地盤に近い位置に地中熱交換用チューブを配置することも可能であり、これにより熱交換を効率良く行うことができる。また地中熱交換用チューブの高さも任意に調整でき、地中熱交換用チューブ同士を地中で接続することも容易となる。
【００２２】
本発明では地中熱交換用チューブを埋設する際に、地中熱交換用チューブの底部を保護する保護部材を備える埋設ユニットを使用している。これにより、地中熱交換用チューブが降下中に損傷することを防止することができる。また埋設ユニットの下端部を尖形としている。従ってソイルセメント中で埋設ユニットを降下させることが容易となり、設置作業の迅速化に寄与し、設置精度も向上する。このように地中熱交換用チューブの設置を安全、高効率、高精度に行うことが可能であり、ソイルセメント連続壁の構築に際して、容易に地中熱交換器を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、ＥＣＯ−ＭＷ工法で、ソイルセメント連続壁を構築している状態を模式的に示した構成図である。
【図２】図２は、ソイルセメント連続壁の平面図であり、（ａ）はＨ形鋼を隔孔設置したときの平面図、（ｂ）はＨ形鋼を全孔設置したときの平面図である。
【図３】図３は、地中熱利用ヒートポンプシステムを模式的に示した説明図である。
【図４】図４（ａ）は、Ｕチューブを取り付けた埋設ユニットの正面図であり、図４（ｂ）は、同側面図である。
【図５】図５（ａ）はＨ形鋼を隔孔設置し、Ｈ形鋼を設置していない孔にＵチューブを設置したときの平面図、（ｂ）はＵチューブを設置した孔の拡大図である。
【図６】図６はＵチューブ設置位置の変形例を示す平面図であり、図５に相当する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、地中熱を利用して熱制御対象物を加熱又は冷却する地中熱利用ヒートポンプシステムを構成する地中熱交換用チューブ（地中熱交換用Ｕチューブ２３）の埋設方法に関するものである。特に、この地中熱交換用チューブを、土留め用又は止水用等として地中に構築されるソイルセメント連続壁内に埋設する方法に関する。このソイルセメント連続壁には、ソイルセメント未硬化時にＨ形鋼等の芯材が建て込まれるが、このＨ形鋼から独立して地中熱交換用チューブを設置することを可能とするものである。
【００２５】
［ソイルセメント連続壁］
１は、ＥＣＯ−ＭＷ工法で、ソイルセメント連続壁を構築している状態を模式的に示した構成図、図２は、図１の平面図であり、（ａ）は隔孔設置、（ｂ）は全孔設置を示した図である。図３は、地中熱利用ヒートポンプシステムを模式的に示した説明図である。
【００２６】
地中にソイルセメント連続壁を構築する方法として、ＥＣＯ−ＭＷ工法が知られている（NETIS登録No.KK-050019）。ＥＣＯ−ＭＷ工法は公知の技術であり、本実施の形態では詳細な説明を省略するが、本実施の形態の理解を容易にするために、その概略を図１、２に基づいて説明する。図１に示すように、ＥＣＯ−ＭＷ工法は、地盤５を所定の深さまで掘削するとともにセメントスラリーを注入し、原位置土とセメントスラリーとを混合・攪拌してソイルセメント壁１１を形成し、これらソイルセメント壁１１を連続させてソイルセメント連続壁１０を構築する工法である。ここで使用するセメントスラリーには本工法用に開発された流動化剤であるアロンソイル（登録商標）が添加されていて、ソイルセメントの流動性が長時間確保されている。
【００２７】
ソイルセメント連続壁１０は、建造物Ｂを建造する際の土留め用、止水用等の用途のために構築されるものである。ソイルセメント壁１１内には、ソイルセメント固化前に芯材としてのＨ形鋼１２が建て込まれている。Ｈ形鋼１２は、隔孔設置（図２（ａ）参照）、全孔設置（図２（ｂ）参照）、隔孔設置と全孔設置との組み合わせ（図示せず）のように設置されるものであり、地盤５の状態等により適宜所望の間隔で建て込まれるものである。
【００２８】
［地中熱利用ヒートポンプシステム］
次に、地中熱利用ヒートポンプシステム１について説明を行う。
地中熱利用ヒートポンプシステム１は、周知な技術であるが、本実施の形態の理解を容易にするために、その概略を図３に基づいて説明する。
なお、ソイルセメント連続壁１０には、Ｈ形鋼１２が複数本建て込まれているものとする。また、Ｈ形鋼１２から独立して、熱交換パイプとしてポリエチレン製パイプをＵ字状に曲げて構成されたＵ字状の管、すなわち地中熱交換用Ｕチューブ（以下、Ｕチューブと記載する）２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３が設けられている。そして、Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３は、内部に形成された管路が、順次、連続するように接続され、循環路を形成している。
【００２９】
Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３を含む第１循環路７１を循環する第１循環流体７３は、不凍液（ブライン）、水等であり、地中熱利用ヒートポンプ６０内の第１熱交換部（凝縮器）６２で熱交換をしながら、Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３を経て循環している。このような構成の第１循環路７１を循環する第１循環流体７３は、例えば冬季の場合、地上側の地中熱利用ヒートポンプ６０の第１熱交換部６２で熱交換し、Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３を含む第１循環路７１を循環し、再び第１熱交換部６２に戻る。Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３等が地中熱交換器２を構築する。
【００３０】
このとき、地上の外気温度に比べ地中は恒温状態であり、地中温度が高くなっている。そのため、第１循環流体７３は地上側から地中に送り込まれると、地中熱交換器２を構築するＵチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３で採熱し、暖められて第１熱交換部６２側に循環することになる。第１熱交換部６２で、第１循環流体７３と熱交換された熱媒体は地中熱利用ヒートポンプ６０によってさらに暖められ、循環する。熱媒体は第２熱交換部（蒸発器）６４で第２循環流体８３と熱交換する。温水となった第２循環流体８３は、熱制御対象物（例えば、建造物等）の暖房等の設備である熱交換装置８４の負荷側熱交換部８４ａで暖房等のための熱源として利用される。第２循環流体８３は、不凍液（ブライン）、水等であるとよい。
【００３１】
次に、地中熱利用ヒートポンプ６０の説明を行う。
地中熱利用ヒートポンプ６０は、第１熱交換部（凝縮器）６２、第２熱交換部（蒸発器）６４、圧縮部（圧縮機）６１、膨張部（膨張弁）６３、熱媒体循環路６５等から構成されている。暖房用の熱源とする場合、熱媒体〔例えば、冷媒番号（ＩＳＯ８１７）：Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ等〕が、熱媒体循環路６５内を、実線で示した矢印方向に循環する。第１熱交換部６２は、第１循環流体７３と熱媒体との間で熱交換を行なう部位である。すなわち、第１循環路７１を循環する第１循環流体７３の熱量を熱媒体に熱移動させる。第２熱交換部６４は、熱媒体と第２循環流体８３との間で熱交換を行なう部位である。すなわち、熱媒体の熱量を第２循環流体８３に熱移動させる。熱移動された第２循環流体８３は、第２循環路８１を循環し、負荷側熱交換部（例えば、床暖房、ファンコイルユニット等）８４ａで熱源として利用される。
【００３２】
Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３を含む第１循環路７１を循環する第１循環流体７３は、第１循環ポンプ７２によって循環する。第１循環流体７３は、Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３内を循環し、ソイルセメント壁１１等を介して地中との間で熱交換（熱採取）を行う。地中との熱交換によって熱を得た第１循環流体７３は中温水となって地上に戻り、地中熱利用ヒートポンプ６０の第１熱交換部６２を通過する。
【００３３】
第１循環流体７３は、第１熱交換部６２において熱媒体との間で熱交換を行なって低温水となってＵチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３に戻り、再び、地中と熱交換（熱採取）を行なう。第１熱交換部６２において、第１循環流体７３との間で熱交換した熱媒体は、圧縮部６１において圧縮されることによってさらに高温となり、第２熱交換部６４に送られる。
【００３４】
第２熱交換部６４で、熱媒体は、第２循環流体８３との間で熱交換を行う。第２循環流体８３は、第２循環ポンプ８２によって第２循環路８１を循環し、熱交換装置８４の負荷側熱交換部８４ａに循環し熱源として利用される。すなわち、熱媒体との間で熱交換を行ない、熱を得た第２循環流体８３は温水となって、負荷側熱交換部８４ａにおいて、暖房システム、暖房装置等の熱源として利用される。
【００３５】
一方、冷房用の熱源とする場合には、熱媒体が、熱媒体循環路６５内を破線で示した矢印方向に循環する。第１循環流体７３は、Ｕチューブ２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ、２３を通過する際、外気温度より低い温度の地中と熱交換し、低い温度の第１循環流体７３となる。第１循環流体７３と熱交換した熱媒体は冷却され、膨張部６３によって減圧されることによって、さらに低温となって第２熱交換部６４に送られる。ここで、低温の熱媒体は、第２熱交換部６４で第２循環流体８３と熱交換する。低温になった第２循環流体８３は負荷側熱交換部８４ａにおいて、冷房システム、冷房装置等の熱源として利用される。
【００３６】
なお、本実施例においては、地中熱利用ヒートポンプシステム１が、第２熱交換部６４及び第２循環路８１を備えており、第２循環流体８３が第２循環ポンプ８２によって第２循環路８１を循環する例について説明した。このようなシステムとしては、水−水ヒートポンプシステムが代表的である。このような第２循環流体８３を使用せず、第１循環流体７３及び熱媒体のみを使用するシステムとしても良い。即ち、第２熱交換部６４及び第２循環路８１を備えておらず、熱媒体が負荷側熱交換部８４ａにおいて熱源として利用されるようにしても良い。このようなシステムとしては、水−冷媒ヒートポンプシステムが代表的であり、ビル用マルチ空調システムで多く使用されている。
【００３７】
［埋設ユニット］
本発明では上記Ｕチューブ２３をソイルセメント壁１１に設置する際に図４に示す埋設ユニット２０を使用している。埋設ユニット２０は、図４に示すように基体となる鋼板２１、保護部材２６、及びストッパー２７によって構成される。この埋設ユニット２０にＵチューブ２３を取り付けてソイルセメント壁１１に挿入し、未硬化のソイルセメント内を降下させ、ソイルセメント壁１１の底部で固定する。その後、ソイルセメントが硬化することによって、Ｕチューブ２３が固定された埋設ユニット２０は、ソイルセメント壁１１内に埋め込まれることになる。
【００３８】
鋼板２１の下端部２１ａは尖形であり、図４の例では矢じり状となっている。従ってソイルセメント内に埋設ユニット２０を挿入し易く、挿入後も下端部２１ａの先端に力が集中し、ソイルセメント中を降下させることが容易である。これにより、Ｕチューブ２３の設置作業を効率化することができる。尖形状の下端部２１ａはソイルセメントの粘度が高い場合に特に有効に機能する。さらに、この下端部２１ａは最終的にソイルセメント連続壁１０下方の地層に食い込んで埋設ユニット２０を固定する。これによりＵチューブ２３の設置位置が決定する。
【００３９】
鋼板２１の片面又は両面には、Ｕチューブ２３が取り付けられる。２組のＵチューブ２３を挿入するダブルＵチューブ方式の場合には、図４に示すように鋼板２１の両面にＵチューブ２３を取り付ける。また、１組のＵチューブ２３を挿入するシングルＵチューブ方式の場合には、鋼板２１の片面のみにＵチューブ２３を取り付ける。ここでＵチューブ２３の底部（Ｕ字の底部分）にはＵチューブ取付部２３ａが設けられている。Ｕチューブ取付部２３ａは例えば樹脂部品であり、熱融着等の方法によってＵチューブ２３の底部と一体化されている。Ｕチューブ２３は、このＵチューブ取付部２３ａを介して鋼板２１に固定される。なお、Ｕチューブ２３は、熱伝導性を有し、耐性・防食性に優れ、広い使用温度範囲を有し、高可撓性、管内面が滑らかである等の条件を満たすものであれば他の材質のものであってもよい。
【００４０】
Ｕチューブ取付部２３ａには、Ｕチューブ側連結孔２３ｂが形成されている。鋼板２１には、Ｕチューブ側連結孔２３ｂに対応する基体側連結孔２１ｂが形成されている。Ｕチューブ取付部２３ａは鋼板２１とＵチューブ連結ネジ２５によって一体化される。図４（ｂ）に示すように、Ｕチューブ側連結孔２３ｂ及び基体側連結孔２１ｂの位置を合致させて、形成された孔にＵチューブ連結ネジ２５を挿入して締め付けることで、Ｕチューブ２３を、Ｕチューブ取付部２３ａを介して鋼板２１と一体化させることができる。
【００４１】
基体側連結孔２１ｂは、鋼板２１の鉛直方向に沿って複数設けられており、任意の孔にＵチューブ側連結孔２３ｂを合わせることで、任意の位置にＵチューブ２３を固定することができる。これによりストッパー２７からの距離、即ちＵチューブを設置する高さを調整することができる。
【００４２】
鋼板２１に取り付けられたＵチューブ取付部２３ａの下方には、Ｖ字状の保護部材２６が設けられている。この保護部材２６は例えば鋼板を曲げ加工したものであり、溶接等の方法によって鋼板２１と接合されている。Ｕチューブ２３の底部が保護部材２６によって保護され、埋設ユニット２０を降下させるときにＵチューブ２３が損傷することを防止する。例えば、埋設ユニット２０を降下させる経路途中に地盤の崩落等による障害物が存在する場合、埋設ユニット２０を強制的に上から押し込む方法を採ることが想定される。鋼板２１は頑丈であり、且つ下端部２１ａが尖形であるため強制的に上から押し込む、あるいは付勢して降下（落下）させることで、その衝撃力を利用して障害物を突破できる可能性がある。この場合にＵチューブ２３が損傷する可能性があるが、この保護部材２６が存在することによって、Ｕチューブ２３の損傷を防止する。保護部材２６は鋼板に限らず、鋼板２１に固定が容易で、ソイルセメントに挿入時に変形などしない材料で形成されたものであればよい。保護部材は、平面状のものが好ましいが、曲面状のものなど他の形状のものであってもよい。
【００４３】
保護部材２６と下端部２１ａとの間には、埋込防止部材としてストッパー２７が設けられている。ストッパー２７は平板状物であり、地盤と平行になるように（鋼板２１と鉛直方向に交差するように）鋼板２１に固定されている。ストッパー２７は例えば鋼板であり、鋼板２１と溶接等の方法によって接合されている。本例では、ストッパー２７は、下端部２１ａと保護部材２６の概ね中間に設けられており、埋設ユニット２０が一定以上地盤に食い込むことを防止する。
【００４４】
Ｕチューブ２３を固定した埋設ユニット２０をソイルセメント内で降下させると、最終的には鋼板２１の重量等によって下端部２１ａがソイルセメント下方の地盤に食い込む。また、後述する押込ロッド３０等を使用して下端部２１ａを地盤に食い込ませる場合もある。
【００４５】
このような場合、鋼板２１の地盤への食い込みの度合が一定でないことで、Ｕチューブ２３の設置精度が低下する問題がある。この埋設ユニット２０においては、ストッパー２７が地盤に接した時点を基準として、これ以上鋼板２１が地盤に食い込むことがない。即ち鋼板２１を下方に押し込んで、下降が完全に停止した時点で地盤とストッパー２７が同位置（同じ高さ）にある。このストッパー２７からＵチューブ側連結孔２３ｂまでの距離は、前述したように基体側連結孔２１ｂを選択することにより任意に調整可能であるから、Ｕチューブ２３を設置する高さを調整可能である。このようにしてＵチューブ２３の設置精度を高めることができる。特に、前述したように降下経路の途中に障害物が存在するときには、鋼板２１を付勢して降下させることがある。この場合には鋼板２１が地盤に食い込みすぎてＵチューブ２３の位置調整が困難であるが、このような場合にストッパー２７が有効に作用する。
【００４６】
鋼板２１は、地上から押し込み力を伝える押込ロッド３０を接続可能な機構を有している。図４（ａ）の例では、鋼板２１が２本のシャーピン３１を介して押込ロッド３０と連結されている。鋼板２１の側部には、シャーピン３１を挿入可能な孔が設けられている。ソイルセメントの流動性が低く、埋設ユニット２０を押し込むことが困難な場合には、押込ロッド３０を使用することが好ましい。また、押込ロッド３０の先端には、水等の液体を循環させることができるように孔が設けられていると良い。
【００４７】
埋設ユニット２０にシャーピン３１によって連結された押込ロッド３０が押し込まれると、これに伴い、押込ロッド３０の押し込み力がシャーピン３１を介して埋設ユニット２０に伝わり、埋設ユニット２０がソイルセメント中を降下する。埋設ユニット２０がソイルセメント連続壁の底部に到達したときに、下端部２１ａが地盤に食い込み、ここからさらに押込ロッド３０で押し込まれることでストッパー２７が地盤と接して下降が完全に停止する。この位置からさらに押込ロッド３０が押し込まれると、シャーピン３１に応力が集中して破断し、押込ロッド３０が埋設ユニット２０から離脱する。その後、押込ロッド３０のみを地上に回収する。なお、シャーピン３１を破断させたとき、押込ロッド３０の先端が地層に食い込むことを防止するため、ストッパー２７が押込ロッド３０の下方までカバーしている（図４（ａ））。そのため押込ロッド３０はストッパー２７の上面と接触し、地層に食い込むことがない。このようにストッパー２７は受け金具としての役割も果たしているが、ストッパー２７とは別個に受け金具を設けるようにしても良い。
【００４８】
本例では、図４に示すように鋼板２１の両面に保護部材２６を備えており、基体側連結孔２１ｂに両面からＵチューブ連結ネジ２５を挿入可能である。従って１の埋設ユニット２０で２組のＵチューブ２３を同時に設置可能であり、ダブルＵチューブ方式にも対応している。これにより、設置作業の効率化を図ることができる。なお、埋設ユニット２０は、Ｕチューブ２３の底部を保護可能なものであれば良く、その高さは問題とならない。従って、ソイルセメント連続壁１０の高さと比較して無視できる程度の高さ（例えば１０分の１以下であり、好ましくは数十ｃｍ以下）とすることで、当該埋設ユニット２０がソイルセメント連続壁１０に与える影響を考慮する必要が無くなる。また、使用する鋼板の量も少なくてすむ。
【００４９】
また、本例では押込ロッド３０と埋設ユニット２０との連結部材としてシャーピン３１を用いているが、連結部材はこれに限られない。押込ロッド３０の押し込み力を埋設ユニット２０に伝え、且つ、押込ロッド３０を埋設ユニット２０から離脱可能とするものであれば良い。
【００５０】
［Ｕチューブの設置例］
図５は、ソイルセメント連続壁１０において、Ｈ形鋼１２を隔孔設置し、Ｈ形鋼１２を設置していない孔にＵチューブ２３を設置したときの平面図である。本発明では、Ｈ形鋼１２が設置される前又は設置された後にＵチューブ２３の設置作業を独立して行うことが可能であるため、Ｈ形鋼１２が設置されていない孔にＵチューブ２３を設置することが可能である。この図５に示すように、Ｕチューブ２３を、Ｈ形鋼１２が設置されていない孔の中心を基準として、建造物とは反対側の地盤寄り（建造物から遠い位置）に設置することも可能であり、これにより建造物が障害とならない地盤近くで熱交換を効率よく行うことができる。
【００５１】
鋼板１２の両面にＵチューブ２３を取り付けて、Ｈ形鋼１２のウェブと平行にして、孔中心から地盤寄りの位置（建造物から遠い位置）に挿入することで、２組のＵチューブ２３を地盤近くに平行に設置することができる（図５（ｂ））。従来技術のようにＨ形鋼１２のウェブ又はフランジにＵチューブ２３を固定するケースでは、孔の中心付近にＵチューブが位置することになるが、これと比較すると本例における熱交換の効率性は良い。
【００５２】
図６は図５の変形例である。鋼板１２の片面にＵチューブ２３を取り付けて、Ｈ形鋼１２のウェブと平行にして、孔中心から地盤寄りの位置（建造物から遠い位置）に挿入することで、Ｕチューブ２３を地盤近くに設置することができる。熱交換の効率性が重視される場合にはこのような設置態様を採ることもできる。なお図５及び図６の例に示すような隔孔設置の場合に限らず、Ｈ形鋼を全孔設置した場合にも当然に本発明を適用可能である。
【００５３】
以上説明したように、本発明はＨ形鋼等の芯材の挿入、建て込みに制限を受けることなく、地中熱交換用チューブをソイルセメント連続壁内に設置することを可能とするものである。一般的にソイルセメントの粘度及び流動性を考慮すると、その中にＵチューブを押し込むことは困難であり、通常はＨ形鋼等に組み付けた状態で挿入する（特許文献１）。しかしながら、本発明では埋設ユニットを用いることでＨ形鋼の設置作業と分離してＵチューブの設置作業を行うことを可能とした。これにより配管の自由度が向上し、設置位置によっては熱交換の効率向上も期待できる。特に、近年は前述したＥＣＯ−ＭＷ工法が採用されつつあり、ソイルセメントの流動性を長時間確保することも可能となっているため、埋設ユニットの挿入性も確保することができ、本発明を好適に実施することができると考えられる。
【００５４】
本発明を適用することで、地中熱交換器を、都市部の建造物（高層ビル）等でも容易に地中熱利用ヒートポンプシステムによる冷暖房の熱源とすることができ、地球環境にやさしく、ＣＯ２（二酸化炭素）の発生等がたいへん少ない冷暖房システムを構築することが可能となった。さらに、地中熱交換器構築のために、ボアホールを新たに掘削する作業等が不要となる。そのため、地中熱利用ヒートポンプシステムの構築する費用を大幅に低減することができ、普及拡大に大いに貢献することができる。
【００５５】
本発明の実施の形態について以上のとおり説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されない。本発明の目的、趣旨を逸脱しない範囲内での変更が可能なことはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５６】
１…地中熱利用ヒートポンプシステム
１０…ソイルセメント連続壁
１１…ソイルセメント壁
１２…Ｈ形鋼
２…地中熱交換器
２１…鋼板
２１ａ…下端部
２３、２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ…地中熱交換用Ｕチューブ
２３ａ…Ｕチューブ取付部
２５…Ｕチューブ連結ネジ
２６…保護部材
２７…ストッパー
３０…押込ロッド
３１…シャーピン
６０…地中熱利用ヒートポンプ
６５…熱媒体循環路
７１…第１循環路
８１…第２循環路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中熱を利用して熱制御対象物を加熱又は冷却する地中熱利用ヒートポンプシステムを構成する地中熱交換用チューブの埋設方法であって、
前記地中熱交換用チューブは、地中に設けられたソイルセメント連続壁内に設置されるものであり、
前記地中熱交換用チューブの底部を保護する保護部材を備える埋設ユニットに前記地中熱交換用チューブを固定した状態とし、未硬化状態のソイルセメントに前記埋設ユニットを挿入することにより、当該地中熱交換用チューブの設置を芯材の設置と分離して行う
ことを特徴とする地中熱交換用チューブの埋設方法。
【請求項２】
請求項１に記載した地中熱交換用チューブの埋設方法であって、
前記埋設ユニットの下端部は尖形であることを特徴とする地中熱交換用チューブの埋設方法。
【請求項３】
請求項２に記載した地中熱交換用チューブの埋設方法であって、
前記埋設ユニットは前記下端部の上方に埋込防止部材を備えており、
前記ソイルセメントに挿入した埋設ユニットを下降させ、その下端部が前記ソイルセメント下方の地盤に一定の高さ食い込み、前記埋め込み防止部材が当該地盤に接した状態となることで当該埋設ユニットの下降を停止させる
ことを特徴とする地中熱交換用チューブの埋設方法。
【請求項４】
請求項３に記載した地中熱交換用チューブの埋設方法であって、
前記埋設ユニットは、連結部材を介して押込ロッドに連結されており、
前記連結部材は、前記押込ロッドの押し込み力を前記埋設ユニットに伝達し、且つ前記押込ロッドを前記埋設ユニットから離脱可能とするものであり、
前記埋設ユニットを前記ソイルセメント中で下降させる際、前記押込ロッドを下方に押し込むことで前記埋設ユニットを下降させ、前記埋設ユニットの下降が停止した後、前記押込ロッドを前記埋設ユニットから離脱させ、当該押込ロッドを地上に回収する
ことを特徴とする地中熱交換用チューブの埋設方法。
【請求項５】
請求項１ないし４から選択される１項に記載した地中熱交換用チューブの埋設方法であって、
前記ソイルセメント連続壁には前記芯材が隔孔設置され、
前記地中熱交換用チューブは、前記芯材が設置されない孔に設置される
ことを特徴とする地中熱交換用チューブの埋設方法。
【請求項６】
請求項５に記載した地中熱交換用チューブの埋設方法であって、
前記地中熱交換用チューブは、前記芯材が設置されない孔の中心を基準として、建造物とは反対側の地盤寄りに設置される
ことを特徴とする地中熱交換用チューブの埋設方法。
【請求項１】
地中熱を利用して熱制御対象物を加熱又は冷却する地中熱利用ヒートポンプシステムを構成する地中熱交換用チューブの埋設方法であって、
前記地中熱交換用チューブは、地中に設けられたソイルセメント連続壁内に設置されるものであり、
前記地中熱交換用チューブの底部を保護する保護部材を備える埋設ユニットに前記地中熱交換用チューブを固定した状態とし、未硬化状態のソイルセメントに前記埋設ユニットを挿入することにより、当該地中熱交換用チューブの設置を芯材の設置と分離して行う
ことを特徴とする地中熱交換用チューブの埋設方法。
【請求項２】
請求項１に記載した地中熱交換用チューブの埋設方法であって、
前記埋設ユニットの下端部は尖形であることを特徴とする地中熱交換用チューブの埋設方法。
【請求項３】
請求項２に記載した地中熱交換用チューブの埋設方法であって、
前記埋設ユニットは前記下端部の上方に埋込防止部材を備えており、
前記ソイルセメントに挿入した埋設ユニットを下降させ、その下端部が前記ソイルセメント下方の地盤に一定の高さ食い込み、前記埋め込み防止部材が当該地盤に接した状態となることで当該埋設ユニットの下降を停止させる
ことを特徴とする地中熱交換用チューブの埋設方法。
【請求項４】
請求項３に記載した地中熱交換用チューブの埋設方法であって、
前記埋設ユニットは、連結部材を介して押込ロッドに連結されており、
前記連結部材は、前記押込ロッドの押し込み力を前記埋設ユニットに伝達し、且つ前記押込ロッドを前記埋設ユニットから離脱可能とするものであり、
前記埋設ユニットを前記ソイルセメント中で下降させる際、前記押込ロッドを下方に押し込むことで前記埋設ユニットを下降させ、前記埋設ユニットの下降が停止した後、前記押込ロッドを前記埋設ユニットから離脱させ、当該押込ロッドを地上に回収する
ことを特徴とする地中熱交換用チューブの埋設方法。
【請求項５】
請求項１ないし４から選択される１項に記載した地中熱交換用チューブの埋設方法であって、
前記ソイルセメント連続壁には前記芯材が隔孔設置され、
前記地中熱交換用チューブは、前記芯材が設置されない孔に設置される
ことを特徴とする地中熱交換用チューブの埋設方法。
【請求項６】
請求項５に記載した地中熱交換用チューブの埋設方法であって、
前記地中熱交換用チューブは、前記芯材が設置されない孔の中心を基準として、建造物とは反対側の地盤寄りに設置される
ことを特徴とする地中熱交換用チューブの埋設方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１８４８５７（Ｐ２０１１−１８４８５７Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４７９４０（Ｐ２０１０−４７９４０）
【出願日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【出願人】（３９０００４８７９）三菱マテリアルテクノ株式会社 (201)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【出願人】（３９０００４８７９）三菱マテリアルテクノ株式会社 (201)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]