地中熱交換用外管を備えた杭およびその杭を利用した地中熱交換器の構築方法
【課題】地中熱交換用外管付杭と、地中熱交換用外管付杭を地中熱交換器の一部として利用した地中熱交換器の構築方法を提供する。
【解決手段】 鋼管杭又はコンクリート既成杭等の中空杭の内面又は外面に、杭内径よりも小さな外径の地中熱交換用外管４を杭軸に沿って設置している地中熱交換用外管付杭１としている。また、その地中熱交換用外管付杭１を打設した後に、前記の地中熱交換用外管４を、Ｕ字管方式あるいは二重管方式等の地中熱交換器の一部として利用して地中熱交換器を構築する。
【解決手段】 鋼管杭又はコンクリート既成杭等の中空杭の内面又は外面に、杭内径よりも小さな外径の地中熱交換用外管４を杭軸に沿って設置している地中熱交換用外管付杭１としている。また、その地中熱交換用外管付杭１を打設した後に、前記の地中熱交換用外管４を、Ｕ字管方式あるいは二重管方式等の地中熱交換器の一部として利用して地中熱交換器を構築する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、杭体の内面または外面あるいは杭体内に地中熱交換用外管を備えた地中熱交換用外管付杭およびその杭を利用した地中熱交換器の構築方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大地が有する安定した温度を熱源として採放熱して利用する地中熱源方式や、大地の大きな熱容量を利用して土壌に蓄熱を行なう地中蓄熱方式等の地中熱利用システムにおいて、大地と熱利用側の熱授受に用いられる地中熱交換器が知られている。
【０００３】
大地が有する安定した温度を熱源として採放熱して利用する地中熱源方式や、大地の大きな熱容量を利用して土壌に蓄熱を行なう地中蓄熱方式等の地中熱利用システムは、空調や融雪等に用いられるエネルギーの消費量を削減する方法の１つとして非常に有効である。このように地中熱を利用する場合において、大地と熱利用側との熱授受に用いられる地中熱交換器は、（１）Ｕ字管方式や、（２）鋼管井戸方式（二重管方式）によるものが一般的である［非特許文献１および非特許文献２参照］。
【０００４】
非特許文献３にも記載されているように、上記（１）のＵ字管方式による地中熱交換器は以下の工程で形成される。図１２を参照して説明すると、まず予め地中に孔２９を中空スクリュウーオーガー３７により掘削し、仮ケーシング３８を挿入して孔の側壁を維持する［図１２（ａ）（ｂ）参照］。次に、この仮ケーシング３８内に送水直管および還水直管の下端部を連結してなるＵ字管２６を１組（１往復分）または２組（２往復分）挿入する［図１２（ｂ）参照］。そして、仮ケーシング３８を引き抜きつつ、孔とＵ字管との間隙にモルタル、グラウト等の充填材を充填して埋め戻して設置が完了する［図１２（ｃ），（ｄ）参照］。なお、孔壁維持のためには、仮ケーシング挿入ではなく泥水を用いる場合もある。
【０００５】
また非特許文献４にも記載されているように、上記（２）の二重管方式による地中熱交換器は、予め地中に孔を掘削し、この孔内に内挿管を挿入した後、孔と内挿管との間隙にモルタル、グラウト等を充填して埋め戻し、内挿管の内部に送水管および還水管の少なくとも一方を設置することで形成される。
【０００６】
上記（１）、（２）の地中熱交換器はいずれもエネルギー消費が少ない点で優れている。しかし、いずれの方式による場合も掘削、管挿入、埋め戻し、と工程が多く、このうち掘削費は特に高額である。さらに、孔壁維持のための泥水や仮ケーシングの使用、廃土処理の問題などから設置にかかる建設コストが高くなるため、現在は幅広い普及が阻害されている状況である［非特許文献２および非特許文献５参照］。
【０００７】
地中熱交換器を構築する場合に、送水直管および還水直管、あるいはＵ字管等を配置する中空縦孔部を地盤にいかに設置するかが重要なポイントになる。
【０００８】
これらの点を改善し、杭形式とすることにより経済性を向上させる発明として、本出願人により、杭先端部を基本的に閉端杭とし杭体内に土砂が進入しない非常に有利な構成とした「回転圧入工法で埋設された中空管体による地中熱交換器およびそれを利用した高効率熱エネルギーシステム」（特願２００３−１２９２２３）がある。
【非特許文献１】遠藤，「蓄熱工学Ｉ［基礎編］，第４章地中蓄熱」，森北出版株式会社，１９９５年１２月，１０１〜１０３Ｐ
【非特許文献２】濱田他，「垂直埋設Ｕ字管を用いた地中蓄熱型冷暖房システムの実験と解析」，空気調和・衛生工学会論文集，Ｎｏ．６１，１９９６年４月，４６〜４７Ｐ
【非特許文献３】落藤他，「深部地盤直接蓄熱システムに関する調査研究報告書」，財団法人エンジニアリング振興協会地下開発利用研究センター，平成１１年３月，４６〜４７Ｐ
【非特許文献４】長野，「特集クリーンエネルギーを目指して ８．地熱ヒートポンプ」，冷凍，社団法人日本冷凍空調学会，２００１年１２月号第７６巻第８９０号，８Ｐ
【非特許文献５】宮本他，「地中熱融雪Ｓのコスト削減等 福井県雪対策班，省エネ化も」，週間エネルギー通信，エンジニアリングニュース社，第９７６号 平成１４年８月５日（月）発行，１７Ｐ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、前記の改善された発明でも、杭径がφ１０００を越えるような大径の閉端杭を地中に打設することは非常に施工効率が悪くなる場合が多く、地盤の状況によっては施工そのものがほぼ不可能になってしまう場合もある。
【００１０】
また、前記の改善された発明は閉端杭を対象としているため、その他の一般的な杭工法、例えば、既製コンクリート杭又は鋼管杭によるプレボーリング杭、中堀杭、ソイルセメント杭、開端の回転圧入杭や打ち込み杭などは基本的には対象としていない技術である。
【００１１】
本発明は、これら一般的な杭工法全てを対象可能とし、杭を利用した地中熱交換器に関わる技術で、地中熱交換のために利用するＵ字管や二重管を挿入するための地中熱交換用外管を杭体に設置した地中熱交換用外管付杭と、その地中熱交換用外管付杭を地中熱交換器の一部として利用した地中熱交換器の構築方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の課題を有利に解決するために、第１発明の地中熱交換用外管付杭においては、鋼管杭又はコンクリート既成杭等の中空杭の内面又は外面に、杭内径よりも小さな外径の地中熱交換用外管または地中熱交換用外管構成部材を杭軸に沿って設置していることを特徴とする。
【００１３】
また、第２発明の地中熱交換器の構築方法においては、杭設置前に予め鋼管杭又はコンクリート既成杭等の中空杭の内面又は外面に杭径よりも小さな外径の地中熱交換用外管または地中熱交換用外管構成部材を杭軸に沿って設置して地中熱交換用外管付杭を構成し、その地中熱交換用外管付杭を打設した後に、前記の地中熱交換用外管を、Ｕ字管方式あるいは二重管方式等の地中熱交換器の一部として利用して地中熱交換器を構築することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１発明によると、鋼管杭又はコンクリート既成杭等の中空杭の内面又は外面に杭内径よりも小さな外径の地中熱交換用外管または地中熱交換用外管構成部材を杭軸に沿って設置するだけで、簡単な構造の地中熱交換用外管付杭を容易に構成することができ、そのため、その地中熱交換用外管付杭を使用して安価に地中熱交換器を構築することができる。
【００１５】
第２発明によると、地中熱交換用外管付杭を打設した後に、その杭における地中熱交換用外管を地中熱交換器の一部として有効に利用して地中熱交換器を構築するため、地中熱交換器を容易に安価に短工期で構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に本発明の実施形態を図によって詳細に説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
図１〜図５は、本発明の第１実施形態を示すものであって、この形態では、中空杭体３の内面２に中空杭体３の内径Ｄよりも小さい外径ｄの鋼製等の地中熱交換用外管４が杭軸に沿って設置され、中空杭体３と地中熱交換用外管４を継ぎ足し可能に構成して、これらを複数継ぎ足して地中熱交換用外管付杭１を構成した形態である。
【００１８】
さらに説明すると、鋼管からなる中空杭体３の先端部が螺旋状に切断されて、その螺旋状に切断された中空杭体３の先端面に螺旋状の羽根６が環状に溶接等により一体に設けられて、螺旋状の羽根６の中央部に開口部１５を有する回転圧入可能な螺旋状羽根付鋼管５とされ、開口部１５により積極的に中空杭体３内に土砂３２の侵入を容易にしているが、地中熱交換用外管４の下端面は閉塞しているため、地中熱交換用外管４内に土砂が侵入することはない。中空杭体３内の土砂は、小型のアースオーガその他の排土手段を併用して排出するようにしてもよい。
【００１９】
中空杭体３の下端部付近から上端部付近の内面２には、平面円弧状の鋼製スペーサ７が溶接等により固定され、その鋼製スペーサ７の横方向両端部には、適宜雌ねじ孔が設けられて、地中熱交換用外管４を押えるバンド金具８をボルト９により着脱可能に取り付け、地中熱交換用外管４の位置保持を容易にしている。
また、地中熱交換用外管４の外周面には、バンド金具８の上面に係合するずれ止め部材１６が横方向に突出するように溶接等により固定され、地中熱交換用外管４の下方向へのずれを防止すると共に上方向へのずれは許容している。このようなずれ止め部材１６を設ける形態では、下位の地中熱交換用外管４を上位の地中熱交換用外管４に後記のねじ付中空接続用短管１４により接続した後、下位の中空杭体３の上端と上位の中空杭体３の下端部を溶接等により接続しようとする場合に、上位の地中熱交換用外管４が上方向にずれることで、スムーズな施工が可能になる。
【００２０】
図４に示すように、地中熱交換用外管４の下端部は底板１０により液密に閉塞されて地中熱交換用外管４内は液密な中空部１３とされており、また、地中熱交換用外管４の上端部には連結用の雄ねじ部（図示の場合）１１または雌ねじ部を備えており、上位の中空杭体３内に同様に配置されている地中熱交換用外管４に接続可能にされている。
なお、上位の中空杭体３に配置される地中熱交換用外管４は、図３に示すように、地中熱交換用外管４を中空杭体３の軸方向に沿って鋼製スペーサ７を介して配置し、バンド金具８およびボルト９により固定される点等は同様である。
【００２１】
地中熱交換用外管４を備えた下位の中空杭体３が地盤１２に回転圧入された後、図３に示すような地中熱交換用外管４を備えた上位の中空杭体３を下位の中空杭体３上に配置して、ねじ付中空接続用短管１４が下位の地中熱交換用外管４と上位の地中熱交換用外管４との雄ねじ部１１に液密にねじ込み接続された後、上位の中空杭体３が降下されて、下位の中空杭体３の上端部と上位の中空杭体３の下端部とが現場溶接Ｗにより一体化された後、再度、上位の中空杭体３を全旋回オールケーシング掘削機により把持して回転圧入され、前記のような地中熱交換用外管４付の中空杭体３の継ぎ足し工程および回転圧入工程を必要回数繰り返して、連続した地中熱交換用外管付杭１が地中に形成される。
【００２２】
なお、最下段に位置する地中熱交換用外管４は、鋼製スペーサ７に溶接により固定して引き出し不能にしてもよく、このようにすると、全旋回オールケーシング掘削機等により螺旋羽根付鋼管５を地盤１２に貫入する時に、地中熱交換用外管４下面の土圧に充分抵抗することができ、ずれが防止できる。また、Ω状等バンド金具８の形状によっては、鋼製スペーサ７を用いず、バンド金具８を中空杭体３の内面に直接溶接等の方法で接続（固定）してもよい。
【００２３】
前記のように、例えば、地中熱交換用外管付杭１が形成された後、連続化された地中熱交換用外管４を地中熱交換器の一部として利用すべく地中熱交換用外管４にまたはその地中熱交換用外管４内に、図５に示すように、送水管１７および還水管１８の下端部を連結して構成された１組（１往復分）のＵ字管２６が地中熱交換用外管４の内側に挿入される。地中熱交換用外管４とＵ字管２６との間隙あるいは中空杭体３と地中熱交換用外管４との間隙には水またはモルタル、グラウト等の充填材４１が充填されており、水またはその他の熱媒をＵ字管２６の内部に循環させることで、中空杭体３内の土砂３２および中空杭体３を介して周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されている。なお、図５の例では地中熱交換用外管４の内側に挿入されたＵ字管２６は１組（１往復分）であるが、２組（２往復分）のＵ字管を配置する構成でもよい。なお、中空杭体３の内部は、土砂のままでも良く、水またはモルタル、グラウト等を充填しても良い。
【００２４】
なお、地中熱交換用外管４の内部に送水管および還水管のＵ字管を設置するばかりでなく、地中熱交換用外管４の内部空間は液密であるので、これを熱媒の循環流路として直接使用する構成とし、周囲土壌より採熱または放熱ができるようにしてもよい。例えば、図６に示すように、地中熱交換用外管４が小口径の場合には、図６（ａ）に示すように送水管１７および還水管１８のいずれか一方を内挿する二重管方式となる（図示例では送水管１７が内挿されている）。また地中熱交換用外管４の口径が大きい場合には、図６（ｂ）に示すように送水管１７および還水管１８の両方を地中熱交換用外管４内に内挿する鋼管井戸方式としてもよい。
【００２５】
このように地中熱交換用外管４が確実に密閉した管路を形成できる場合には、地中熱交換用外管４を地中熱交換器の管路として利用して、その中に、送水管あるいは排水管を配置してもよい。また、図示を省略するが、内外管の間を断熱層とした２重管を地中熱交換用外管４内に配置する形態等各種の形態の送水管・還水管の配管により地中熱交換器を構成することが可能である。
【００２６】
また、図示を省略するが、中空杭体３の外側に中空杭体３の内径よりも小さな外径の地中熱交換用外管４を設置する形態としてもよく、このような場合には中空杭体３内にアースオーガを配置して排土しながら施工できる。また、図示を省略するが、地中熱交換用外管４を周方向に間隔をおいて複数設ける形態でもよい。また、下位の外管４に上位の外管４を接続する場合には、適宜ねじ付接続用短管を利用すればよい。さらに、中空杭体３としては、中空のコンクリート既製杭としてもよく、このような中空のコンクリート既製杭を使用する場合には、鋼製スペーサ７を取り付ける部材を予め埋め込み配置しておくとよい。
【００２７】
このように、鋼管杭又はコンクリート既製杭等の中空杭の内面又は外面に杭内径よりも小さな外径の地中熱交換用外管を杭軸に沿って設置するだけで、簡単な構造の地中熱交換用外管付杭を容易に構成することができ、そのため、その地中熱交換用外管付杭を使用して安価に地中熱交換器を構築することができる。
【００２８】
（第２実施形態）
図７〜図９は本発明の第２実施形態を示すものであって、この形態では鋼製中空杭体３の先端部に螺旋状羽根を備えておらず、打ち込み形式や中掘式等の杭の場合で、鋼製中空杭体３の外側に溝形鋼などの断面溝形部材２０等の断面溝付の地中熱交換用外管構成部材２０ａが溶接により液密に固定されることで、中空杭体３の外面と溝形部材２０の溝内面とにより地中熱交換用外管４としての管路を形成するようにされている形態である。
【００２９】
さらに説明すると、下位の中空杭体３に取り付けられた溝形部材２０と、上位の中空杭体３に取り付けられた溝形部材２０に接続するように、短尺の接続用溝形部材２１（２０ａ）が、上位の中空杭体３および下位の中空杭体３ならびに各上下の溝形部材２０に溶接により液密に固定されて地中熱交換用外管４ａの管路が形成されている。
【００３０】
また、この第２実施形態の変形形態として、図１０に示すように、溝形部材２０を中空杭体３の内側に配置し、中空杭体３の内周面と溝形部材２０の溝内面とにより管路を形成することも可能であるが、この場合には、接続用溝形部材２１を各溝形部材２０の外側に被せるようになり、接続用溝形部材２１（２０ａ）により液密に上下の溝形部材２０による管路を接続することができる場合は、溝形部材２０と中空杭体３の内周面とにより形成された管路を地中熱交換用外管４として利用することができる。
【００３１】
しかし、接続用溝形部材２１の上下方向の一端側のみ溶接により固定することができ、他端側が溶接できない場合には、液密とはならず、管内に水を充填する二重管方式を直接適用することはできないので、Ｕ字管２６形式等の送水管１７および還水管１８を配置するようになる。その他の構成は、前記実施形態と同様であるので、同様な部分には、同様な符号を付して説明を省略する。
【００３２】
図１１に示す形態は、建物を支持する基礎杭としての地中熱交換用外管付杭１を地中に埋設し、地中熱交換用外管付杭１における地中熱交換用外管４内の内部空間を利用して構築される地中熱交換器である。この形態では、建物の支持に元来必要である基礎杭を熱交換器として兼用するため、熱交換器単独の埋設設置コストは不要となり、より一層のコスト削減が可能になる。なお、送水管１７および還水管１８の取り出し方法としては、図１１（ａ）に示すように、通常通り、地中熱交換用外管付杭１の頂部にフーチング２２を被せる取り合いとし、送水管１７および還水管１８を水平取り出しする方法や、地中熱交換用外管付杭１頂部のフーチング取合部外周に突起物を取り付けて、地中熱交換用外管付杭１からフーチング２２に支持力を伝達することとし、送水管１７および還水管１８を垂直に取り出す方法、そしてこれらを併用した方法が考えられる。
【００３３】
なお、本発明を実施する場合、地中熱交換用外管４としては、円形管でも多角形管でもよく、また、中空杭体３の内周面あるいは外周面と他の溝形部材２０とで構成される地中熱交換用外管４としては、適宜の断面形態でもよいが、熱交換効率のよい形態が望ましい。
【００３４】
また、本発明を実施する場合、先端が開口している開端回転圧入鋼管杭あるいは打撃杭の場合に、杭先端から進入する土砂が杭の全長に達しない場合については、杭上部に存在する空間には、水や土砂その他の充填材を詰めて熱交換効率を高めると良い。
【００３５】
なお、本発明を実施する場合、地中熱交換用外管構成部材としては、半円形断面その他の溝付断面あるいは断面Ω状等、溝を有する部材であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）は、地中熱交換用外管付杭本体を継ぎ足して本発明の第１実施形態の地中熱交換用外管を備えた杭を形成する手順を示す概略斜視図である。（ｂ）は杭の内面側に地中熱交換用外管を取り付けた状態の横平面図である。
【図２】下位の地中熱交換用外管付杭本体に、上位の地中熱交換用外管付杭本体を接続した状態を示す概略斜視図である。
【図３】接続する場合の地中熱交換用外管付杭本体を示す一部切欠斜視図である。
【図４】地中に設置された地中熱交換用外管付杭本体を拡大して示す縦断側面図である。
【図５】図４の状態から地中熱交換用外管内にＵ字状管体を配置して地中熱交換器を構築した状態を示す一部を省略した縦断側面図である。
【図６】地中熱交換用外管を利用して送水管および還水管を設けて地中熱交換器とする形態例を示した図である。
【図７】中空杭体の外周面に溝形部材を設けて、中空杭体と溝形部材とにより地中熱交換用外管を構成する場合の形態を示す図であって、下位の中空杭体に上位の中空杭体を接続する直前の状態を示す斜視図である。
【図８】図７の状態から、下位の中空杭体に上位の中空杭体を接続した状態を示す斜視図である。
【図９】溝形部材を備えた中空杭体を接続して地中熱交換用外管付杭を地盤に設置すると共に、その地中熱交換用外管内に配管して地中熱交換用外管器を形成した状態を示す縦断側面図である。
【図１０】中空杭体の内側に断面溝形部材を設けて地中熱交換用外管を構成する場合の一形態を示す断面図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は中空杭体を建物の基礎として用いる場合の形態を示す断面図である。
【図１２】従来のＵ字管方式による地中熱交換器の施工工程を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 地中熱交換用外管付杭
２ 内面
３ 中空杭体
４ 地中熱交換用外管
４ａ 地中熱交換用外管
５ 螺旋状羽根付鋼管
６ 螺旋状の羽根
７ 鋼製スペーサ
８ バンド金具
９ ボルト
１０ 底板
１１ 雄ねじ部
１２ 地盤
１３ 中空部
１４ 雄ねじ付中空接続用短管
１５ 開口部
１６ ずれ止め部材
１７ 送水管
１８ 還水管
２０ 溝形部材
２０ａ 地中熱交換用外管構成部材
２１ 接続用溝形部材
２２ フーチング
２４ 地中熱交換器
２５ コンクリート
２６ Ｕ字管
２９ 縦孔
３０ コンクリート
３１ 地中熱交換用外管
３２ 土砂
３７ 中空スクリュウーオーガー
４０ モルタル
４１ 充填材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、杭体の内面または外面あるいは杭体内に地中熱交換用外管を備えた地中熱交換用外管付杭およびその杭を利用した地中熱交換器の構築方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大地が有する安定した温度を熱源として採放熱して利用する地中熱源方式や、大地の大きな熱容量を利用して土壌に蓄熱を行なう地中蓄熱方式等の地中熱利用システムにおいて、大地と熱利用側の熱授受に用いられる地中熱交換器が知られている。
【０００３】
大地が有する安定した温度を熱源として採放熱して利用する地中熱源方式や、大地の大きな熱容量を利用して土壌に蓄熱を行なう地中蓄熱方式等の地中熱利用システムは、空調や融雪等に用いられるエネルギーの消費量を削減する方法の１つとして非常に有効である。このように地中熱を利用する場合において、大地と熱利用側との熱授受に用いられる地中熱交換器は、（１）Ｕ字管方式や、（２）鋼管井戸方式（二重管方式）によるものが一般的である［非特許文献１および非特許文献２参照］。
【０００４】
非特許文献３にも記載されているように、上記（１）のＵ字管方式による地中熱交換器は以下の工程で形成される。図１２を参照して説明すると、まず予め地中に孔２９を中空スクリュウーオーガー３７により掘削し、仮ケーシング３８を挿入して孔の側壁を維持する［図１２（ａ）（ｂ）参照］。次に、この仮ケーシング３８内に送水直管および還水直管の下端部を連結してなるＵ字管２６を１組（１往復分）または２組（２往復分）挿入する［図１２（ｂ）参照］。そして、仮ケーシング３８を引き抜きつつ、孔とＵ字管との間隙にモルタル、グラウト等の充填材を充填して埋め戻して設置が完了する［図１２（ｃ），（ｄ）参照］。なお、孔壁維持のためには、仮ケーシング挿入ではなく泥水を用いる場合もある。
【０００５】
また非特許文献４にも記載されているように、上記（２）の二重管方式による地中熱交換器は、予め地中に孔を掘削し、この孔内に内挿管を挿入した後、孔と内挿管との間隙にモルタル、グラウト等を充填して埋め戻し、内挿管の内部に送水管および還水管の少なくとも一方を設置することで形成される。
【０００６】
上記（１）、（２）の地中熱交換器はいずれもエネルギー消費が少ない点で優れている。しかし、いずれの方式による場合も掘削、管挿入、埋め戻し、と工程が多く、このうち掘削費は特に高額である。さらに、孔壁維持のための泥水や仮ケーシングの使用、廃土処理の問題などから設置にかかる建設コストが高くなるため、現在は幅広い普及が阻害されている状況である［非特許文献２および非特許文献５参照］。
【０００７】
地中熱交換器を構築する場合に、送水直管および還水直管、あるいはＵ字管等を配置する中空縦孔部を地盤にいかに設置するかが重要なポイントになる。
【０００８】
これらの点を改善し、杭形式とすることにより経済性を向上させる発明として、本出願人により、杭先端部を基本的に閉端杭とし杭体内に土砂が進入しない非常に有利な構成とした「回転圧入工法で埋設された中空管体による地中熱交換器およびそれを利用した高効率熱エネルギーシステム」（特願２００３−１２９２２３）がある。
【非特許文献１】遠藤，「蓄熱工学Ｉ［基礎編］，第４章地中蓄熱」，森北出版株式会社，１９９５年１２月，１０１〜１０３Ｐ
【非特許文献２】濱田他，「垂直埋設Ｕ字管を用いた地中蓄熱型冷暖房システムの実験と解析」，空気調和・衛生工学会論文集，Ｎｏ．６１，１９９６年４月，４６〜４７Ｐ
【非特許文献３】落藤他，「深部地盤直接蓄熱システムに関する調査研究報告書」，財団法人エンジニアリング振興協会地下開発利用研究センター，平成１１年３月，４６〜４７Ｐ
【非特許文献４】長野，「特集クリーンエネルギーを目指して ８．地熱ヒートポンプ」，冷凍，社団法人日本冷凍空調学会，２００１年１２月号第７６巻第８９０号，８Ｐ
【非特許文献５】宮本他，「地中熱融雪Ｓのコスト削減等 福井県雪対策班，省エネ化も」，週間エネルギー通信，エンジニアリングニュース社，第９７６号 平成１４年８月５日（月）発行，１７Ｐ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、前記の改善された発明でも、杭径がφ１０００を越えるような大径の閉端杭を地中に打設することは非常に施工効率が悪くなる場合が多く、地盤の状況によっては施工そのものがほぼ不可能になってしまう場合もある。
【００１０】
また、前記の改善された発明は閉端杭を対象としているため、その他の一般的な杭工法、例えば、既製コンクリート杭又は鋼管杭によるプレボーリング杭、中堀杭、ソイルセメント杭、開端の回転圧入杭や打ち込み杭などは基本的には対象としていない技術である。
【００１１】
本発明は、これら一般的な杭工法全てを対象可能とし、杭を利用した地中熱交換器に関わる技術で、地中熱交換のために利用するＵ字管や二重管を挿入するための地中熱交換用外管を杭体に設置した地中熱交換用外管付杭と、その地中熱交換用外管付杭を地中熱交換器の一部として利用した地中熱交換器の構築方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の課題を有利に解決するために、第１発明の地中熱交換用外管付杭においては、鋼管杭又はコンクリート既成杭等の中空杭の内面又は外面に、杭内径よりも小さな外径の地中熱交換用外管または地中熱交換用外管構成部材を杭軸に沿って設置していることを特徴とする。
【００１３】
また、第２発明の地中熱交換器の構築方法においては、杭設置前に予め鋼管杭又はコンクリート既成杭等の中空杭の内面又は外面に杭径よりも小さな外径の地中熱交換用外管または地中熱交換用外管構成部材を杭軸に沿って設置して地中熱交換用外管付杭を構成し、その地中熱交換用外管付杭を打設した後に、前記の地中熱交換用外管を、Ｕ字管方式あるいは二重管方式等の地中熱交換器の一部として利用して地中熱交換器を構築することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１発明によると、鋼管杭又はコンクリート既成杭等の中空杭の内面又は外面に杭内径よりも小さな外径の地中熱交換用外管または地中熱交換用外管構成部材を杭軸に沿って設置するだけで、簡単な構造の地中熱交換用外管付杭を容易に構成することができ、そのため、その地中熱交換用外管付杭を使用して安価に地中熱交換器を構築することができる。
【００１５】
第２発明によると、地中熱交換用外管付杭を打設した後に、その杭における地中熱交換用外管を地中熱交換器の一部として有効に利用して地中熱交換器を構築するため、地中熱交換器を容易に安価に短工期で構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に本発明の実施形態を図によって詳細に説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
図１〜図５は、本発明の第１実施形態を示すものであって、この形態では、中空杭体３の内面２に中空杭体３の内径Ｄよりも小さい外径ｄの鋼製等の地中熱交換用外管４が杭軸に沿って設置され、中空杭体３と地中熱交換用外管４を継ぎ足し可能に構成して、これらを複数継ぎ足して地中熱交換用外管付杭１を構成した形態である。
【００１８】
さらに説明すると、鋼管からなる中空杭体３の先端部が螺旋状に切断されて、その螺旋状に切断された中空杭体３の先端面に螺旋状の羽根６が環状に溶接等により一体に設けられて、螺旋状の羽根６の中央部に開口部１５を有する回転圧入可能な螺旋状羽根付鋼管５とされ、開口部１５により積極的に中空杭体３内に土砂３２の侵入を容易にしているが、地中熱交換用外管４の下端面は閉塞しているため、地中熱交換用外管４内に土砂が侵入することはない。中空杭体３内の土砂は、小型のアースオーガその他の排土手段を併用して排出するようにしてもよい。
【００１９】
中空杭体３の下端部付近から上端部付近の内面２には、平面円弧状の鋼製スペーサ７が溶接等により固定され、その鋼製スペーサ７の横方向両端部には、適宜雌ねじ孔が設けられて、地中熱交換用外管４を押えるバンド金具８をボルト９により着脱可能に取り付け、地中熱交換用外管４の位置保持を容易にしている。
また、地中熱交換用外管４の外周面には、バンド金具８の上面に係合するずれ止め部材１６が横方向に突出するように溶接等により固定され、地中熱交換用外管４の下方向へのずれを防止すると共に上方向へのずれは許容している。このようなずれ止め部材１６を設ける形態では、下位の地中熱交換用外管４を上位の地中熱交換用外管４に後記のねじ付中空接続用短管１４により接続した後、下位の中空杭体３の上端と上位の中空杭体３の下端部を溶接等により接続しようとする場合に、上位の地中熱交換用外管４が上方向にずれることで、スムーズな施工が可能になる。
【００２０】
図４に示すように、地中熱交換用外管４の下端部は底板１０により液密に閉塞されて地中熱交換用外管４内は液密な中空部１３とされており、また、地中熱交換用外管４の上端部には連結用の雄ねじ部（図示の場合）１１または雌ねじ部を備えており、上位の中空杭体３内に同様に配置されている地中熱交換用外管４に接続可能にされている。
なお、上位の中空杭体３に配置される地中熱交換用外管４は、図３に示すように、地中熱交換用外管４を中空杭体３の軸方向に沿って鋼製スペーサ７を介して配置し、バンド金具８およびボルト９により固定される点等は同様である。
【００２１】
地中熱交換用外管４を備えた下位の中空杭体３が地盤１２に回転圧入された後、図３に示すような地中熱交換用外管４を備えた上位の中空杭体３を下位の中空杭体３上に配置して、ねじ付中空接続用短管１４が下位の地中熱交換用外管４と上位の地中熱交換用外管４との雄ねじ部１１に液密にねじ込み接続された後、上位の中空杭体３が降下されて、下位の中空杭体３の上端部と上位の中空杭体３の下端部とが現場溶接Ｗにより一体化された後、再度、上位の中空杭体３を全旋回オールケーシング掘削機により把持して回転圧入され、前記のような地中熱交換用外管４付の中空杭体３の継ぎ足し工程および回転圧入工程を必要回数繰り返して、連続した地中熱交換用外管付杭１が地中に形成される。
【００２２】
なお、最下段に位置する地中熱交換用外管４は、鋼製スペーサ７に溶接により固定して引き出し不能にしてもよく、このようにすると、全旋回オールケーシング掘削機等により螺旋羽根付鋼管５を地盤１２に貫入する時に、地中熱交換用外管４下面の土圧に充分抵抗することができ、ずれが防止できる。また、Ω状等バンド金具８の形状によっては、鋼製スペーサ７を用いず、バンド金具８を中空杭体３の内面に直接溶接等の方法で接続（固定）してもよい。
【００２３】
前記のように、例えば、地中熱交換用外管付杭１が形成された後、連続化された地中熱交換用外管４を地中熱交換器の一部として利用すべく地中熱交換用外管４にまたはその地中熱交換用外管４内に、図５に示すように、送水管１７および還水管１８の下端部を連結して構成された１組（１往復分）のＵ字管２６が地中熱交換用外管４の内側に挿入される。地中熱交換用外管４とＵ字管２６との間隙あるいは中空杭体３と地中熱交換用外管４との間隙には水またはモルタル、グラウト等の充填材４１が充填されており、水またはその他の熱媒をＵ字管２６の内部に循環させることで、中空杭体３内の土砂３２および中空杭体３を介して周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されている。なお、図５の例では地中熱交換用外管４の内側に挿入されたＵ字管２６は１組（１往復分）であるが、２組（２往復分）のＵ字管を配置する構成でもよい。なお、中空杭体３の内部は、土砂のままでも良く、水またはモルタル、グラウト等を充填しても良い。
【００２４】
なお、地中熱交換用外管４の内部に送水管および還水管のＵ字管を設置するばかりでなく、地中熱交換用外管４の内部空間は液密であるので、これを熱媒の循環流路として直接使用する構成とし、周囲土壌より採熱または放熱ができるようにしてもよい。例えば、図６に示すように、地中熱交換用外管４が小口径の場合には、図６（ａ）に示すように送水管１７および還水管１８のいずれか一方を内挿する二重管方式となる（図示例では送水管１７が内挿されている）。また地中熱交換用外管４の口径が大きい場合には、図６（ｂ）に示すように送水管１７および還水管１８の両方を地中熱交換用外管４内に内挿する鋼管井戸方式としてもよい。
【００２５】
このように地中熱交換用外管４が確実に密閉した管路を形成できる場合には、地中熱交換用外管４を地中熱交換器の管路として利用して、その中に、送水管あるいは排水管を配置してもよい。また、図示を省略するが、内外管の間を断熱層とした２重管を地中熱交換用外管４内に配置する形態等各種の形態の送水管・還水管の配管により地中熱交換器を構成することが可能である。
【００２６】
また、図示を省略するが、中空杭体３の外側に中空杭体３の内径よりも小さな外径の地中熱交換用外管４を設置する形態としてもよく、このような場合には中空杭体３内にアースオーガを配置して排土しながら施工できる。また、図示を省略するが、地中熱交換用外管４を周方向に間隔をおいて複数設ける形態でもよい。また、下位の外管４に上位の外管４を接続する場合には、適宜ねじ付接続用短管を利用すればよい。さらに、中空杭体３としては、中空のコンクリート既製杭としてもよく、このような中空のコンクリート既製杭を使用する場合には、鋼製スペーサ７を取り付ける部材を予め埋め込み配置しておくとよい。
【００２７】
このように、鋼管杭又はコンクリート既製杭等の中空杭の内面又は外面に杭内径よりも小さな外径の地中熱交換用外管を杭軸に沿って設置するだけで、簡単な構造の地中熱交換用外管付杭を容易に構成することができ、そのため、その地中熱交換用外管付杭を使用して安価に地中熱交換器を構築することができる。
【００２８】
（第２実施形態）
図７〜図９は本発明の第２実施形態を示すものであって、この形態では鋼製中空杭体３の先端部に螺旋状羽根を備えておらず、打ち込み形式や中掘式等の杭の場合で、鋼製中空杭体３の外側に溝形鋼などの断面溝形部材２０等の断面溝付の地中熱交換用外管構成部材２０ａが溶接により液密に固定されることで、中空杭体３の外面と溝形部材２０の溝内面とにより地中熱交換用外管４としての管路を形成するようにされている形態である。
【００２９】
さらに説明すると、下位の中空杭体３に取り付けられた溝形部材２０と、上位の中空杭体３に取り付けられた溝形部材２０に接続するように、短尺の接続用溝形部材２１（２０ａ）が、上位の中空杭体３および下位の中空杭体３ならびに各上下の溝形部材２０に溶接により液密に固定されて地中熱交換用外管４ａの管路が形成されている。
【００３０】
また、この第２実施形態の変形形態として、図１０に示すように、溝形部材２０を中空杭体３の内側に配置し、中空杭体３の内周面と溝形部材２０の溝内面とにより管路を形成することも可能であるが、この場合には、接続用溝形部材２１を各溝形部材２０の外側に被せるようになり、接続用溝形部材２１（２０ａ）により液密に上下の溝形部材２０による管路を接続することができる場合は、溝形部材２０と中空杭体３の内周面とにより形成された管路を地中熱交換用外管４として利用することができる。
【００３１】
しかし、接続用溝形部材２１の上下方向の一端側のみ溶接により固定することができ、他端側が溶接できない場合には、液密とはならず、管内に水を充填する二重管方式を直接適用することはできないので、Ｕ字管２６形式等の送水管１７および還水管１８を配置するようになる。その他の構成は、前記実施形態と同様であるので、同様な部分には、同様な符号を付して説明を省略する。
【００３２】
図１１に示す形態は、建物を支持する基礎杭としての地中熱交換用外管付杭１を地中に埋設し、地中熱交換用外管付杭１における地中熱交換用外管４内の内部空間を利用して構築される地中熱交換器である。この形態では、建物の支持に元来必要である基礎杭を熱交換器として兼用するため、熱交換器単独の埋設設置コストは不要となり、より一層のコスト削減が可能になる。なお、送水管１７および還水管１８の取り出し方法としては、図１１（ａ）に示すように、通常通り、地中熱交換用外管付杭１の頂部にフーチング２２を被せる取り合いとし、送水管１７および還水管１８を水平取り出しする方法や、地中熱交換用外管付杭１頂部のフーチング取合部外周に突起物を取り付けて、地中熱交換用外管付杭１からフーチング２２に支持力を伝達することとし、送水管１７および還水管１８を垂直に取り出す方法、そしてこれらを併用した方法が考えられる。
【００３３】
なお、本発明を実施する場合、地中熱交換用外管４としては、円形管でも多角形管でもよく、また、中空杭体３の内周面あるいは外周面と他の溝形部材２０とで構成される地中熱交換用外管４としては、適宜の断面形態でもよいが、熱交換効率のよい形態が望ましい。
【００３４】
また、本発明を実施する場合、先端が開口している開端回転圧入鋼管杭あるいは打撃杭の場合に、杭先端から進入する土砂が杭の全長に達しない場合については、杭上部に存在する空間には、水や土砂その他の充填材を詰めて熱交換効率を高めると良い。
【００３５】
なお、本発明を実施する場合、地中熱交換用外管構成部材としては、半円形断面その他の溝付断面あるいは断面Ω状等、溝を有する部材であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）は、地中熱交換用外管付杭本体を継ぎ足して本発明の第１実施形態の地中熱交換用外管を備えた杭を形成する手順を示す概略斜視図である。（ｂ）は杭の内面側に地中熱交換用外管を取り付けた状態の横平面図である。
【図２】下位の地中熱交換用外管付杭本体に、上位の地中熱交換用外管付杭本体を接続した状態を示す概略斜視図である。
【図３】接続する場合の地中熱交換用外管付杭本体を示す一部切欠斜視図である。
【図４】地中に設置された地中熱交換用外管付杭本体を拡大して示す縦断側面図である。
【図５】図４の状態から地中熱交換用外管内にＵ字状管体を配置して地中熱交換器を構築した状態を示す一部を省略した縦断側面図である。
【図６】地中熱交換用外管を利用して送水管および還水管を設けて地中熱交換器とする形態例を示した図である。
【図７】中空杭体の外周面に溝形部材を設けて、中空杭体と溝形部材とにより地中熱交換用外管を構成する場合の形態を示す図であって、下位の中空杭体に上位の中空杭体を接続する直前の状態を示す斜視図である。
【図８】図７の状態から、下位の中空杭体に上位の中空杭体を接続した状態を示す斜視図である。
【図９】溝形部材を備えた中空杭体を接続して地中熱交換用外管付杭を地盤に設置すると共に、その地中熱交換用外管内に配管して地中熱交換用外管器を形成した状態を示す縦断側面図である。
【図１０】中空杭体の内側に断面溝形部材を設けて地中熱交換用外管を構成する場合の一形態を示す断面図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は中空杭体を建物の基礎として用いる場合の形態を示す断面図である。
【図１２】従来のＵ字管方式による地中熱交換器の施工工程を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 地中熱交換用外管付杭
２ 内面
３ 中空杭体
４ 地中熱交換用外管
４ａ 地中熱交換用外管
５ 螺旋状羽根付鋼管
６ 螺旋状の羽根
７ 鋼製スペーサ
８ バンド金具
９ ボルト
１０ 底板
１１ 雄ねじ部
１２ 地盤
１３ 中空部
１４ 雄ねじ付中空接続用短管
１５ 開口部
１６ ずれ止め部材
１７ 送水管
１８ 還水管
２０ 溝形部材
２０ａ 地中熱交換用外管構成部材
２１ 接続用溝形部材
２２ フーチング
２４ 地中熱交換器
２５ コンクリート
２６ Ｕ字管
２９ 縦孔
３０ コンクリート
３１ 地中熱交換用外管
３２ 土砂
３７ 中空スクリュウーオーガー
４０ モルタル
４１ 充填材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管杭又はコンクリート既成杭等の中空杭の内面又は外面に、杭内径よりも小さな外径の地中熱交換用外管または地中熱交換用外管構成部材を杭軸に沿って設置していることを特徴とする地中熱交換用外管付杭。
【請求項２】
杭設置前に予め鋼管杭又はコンクリート既成杭等の中空杭の内面又は外面に杭径よりも小さな外径の地中熱交換用外管または地中熱交換用外管構成部材を杭軸に沿って設置して地中熱交換用外管付杭を構成し、その地中熱交換用外管付杭を打設した後に、前記の地中熱交換用外管を、Ｕ字管方式あるいは二重管方式等の地中熱交換器の一部として利用して地中熱交換器を構築することを特徴とする地中熱交換器の構築方法。
【請求項１】
鋼管杭又はコンクリート既成杭等の中空杭の内面又は外面に、杭内径よりも小さな外径の地中熱交換用外管または地中熱交換用外管構成部材を杭軸に沿って設置していることを特徴とする地中熱交換用外管付杭。
【請求項２】
杭設置前に予め鋼管杭又はコンクリート既成杭等の中空杭の内面又は外面に杭径よりも小さな外径の地中熱交換用外管または地中熱交換用外管構成部材を杭軸に沿って設置して地中熱交換用外管付杭を構成し、その地中熱交換用外管付杭を打設した後に、前記の地中熱交換用外管を、Ｕ字管方式あるいは二重管方式等の地中熱交換器の一部として利用して地中熱交換器を構築することを特徴とする地中熱交換器の構築方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−５２５８８（Ｐ２００６−５２５８８Ａ）
【公開日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２３５２５１（Ｐ２００４−２３５２５１）
【出願日】平成１６年８月１２日（２００４．８．１２）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月１２日（２００４．８．１２）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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