地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器
【課題】地中に所定深さまで土留め用として構築されるソイルセメント連続壁内に、構築可能な地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器の提供。
【解決手段】本発明は、ソイルセメント連続壁構築工法で構築された連続土留め壁１０内に建て込まれるＨ形鋼１２に設置される地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器２０である。Ｈ形鋼１２の溝空間の少なくとも一方に設けられ、地中と熱交換を行うための循環流体が循環する地中熱交換用チューブ２３と、Ｈ形鋼１２のフランジ部またはウェブ部に設けられ、地中熱交換用チューブ２３を保持する保持部を有するチューブ取付部材２１，２４と、Ｈ形鋼１２の下端または下端近傍に、地中熱交換用チューブが設けられた溝空間の下方側を覆うように設けられ、固化前のソイルセメントにＨ形鋼及び地中熱交換用チューブを挿入する際、地中熱交換用チューブの保護を行う保護部材２５とを備えている。
【解決手段】本発明は、ソイルセメント連続壁構築工法で構築された連続土留め壁１０内に建て込まれるＨ形鋼１２に設置される地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器２０である。Ｈ形鋼１２の溝空間の少なくとも一方に設けられ、地中と熱交換を行うための循環流体が循環する地中熱交換用チューブ２３と、Ｈ形鋼１２のフランジ部またはウェブ部に設けられ、地中熱交換用チューブ２３を保持する保持部を有するチューブ取付部材２１，２４と、Ｈ形鋼１２の下端または下端近傍に、地中熱交換用チューブが設けられた溝空間の下方側を覆うように設けられ、固化前のソイルセメントにＨ形鋼及び地中熱交換用チューブを挿入する際、地中熱交換用チューブの保護を行う保護部材２５とを備えている。
【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の地中熱交換器に関する。さらに詳しくは、土留め用などとして構築される連続ソイルセメント壁内に構築可能な地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器に関する。
【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して利用することが行われており、これに関しては種々の提案がなされている。
【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。
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。
【０００５】
一方、東京都のような都市部に建造される建造物である高層ビルに地中熱利用ヒートポンプシステムを設置しようとした場合、地中熱交換器をどのように構築するかが重要な課題となる。このような高層ビルに設置される地中熱利用ヒートポンプシステムの例として、高層ビルの基礎杭の鉄筋と一緒にＵチューブを埋設しコンクリートで固定する場所打ちコンクリート杭タイプのものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、中空の基礎杭の中にＵチューブを入れて地中熱と熱交換する方式の基礎杭タイプのものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
しかしながら、東京都心部（以下、都心部と記載する）の高層ビルの場合、通常は地下３〜４階まで地下建造物が構築されていることが多い。このように地下深部まで地下建造物がある場合、建築用の基礎杭はほとんど必要がない地層状況となるため場所打ちコンクリート杭タイプ、基礎杭タイプの技術は採用できない。地中熱交換器を構築する場合、地下建造物の最下位の床面から、更に下に向けてボアホール（掘削孔）を掘削して地中熱交換井を設置する必要がある。
【０００７】
また、都心部においては、地下４階等の深度は地下水位面に当たり、地中熱交換井を掘削しようとした場合、ボアホールからの地下水の湧出等が問題となる。さらに、地中熱交換井を設置するに当たってはＵチューブが出る口元部分の耐水圧性、水密構造等が問題となるおそれがあった。
【０００８】
そこで、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器を設置することが提案されている。
すなわち、土留め用、止水用の連続したソイルセメントからなる地中壁内に、地中熱交換器を埋設する施工方法であって、チェーン式カッターで一定幅の溝を掘削し、溝内に注入したソイルセメントが固化する前に地中熱交換器を挿入、配置する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
さらに、Ｈ鋼がソイルセメントに立て込まれる前に、地熱熱交換パイプユニットがＨ鋼に固定され、Ｈ鋼が未硬化のソイルセメントに立て込まれるときＨ鋼と地熱熱交換パイプユニットとが共に立て込まれる地熱熱交換パイプユニットの施工方法が知られている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００４−３３２３３０号公報
【特許文献２】特開２００３−１４８０７９号公報
【特許文献３】特許第３８７０３１７号公報
【特許文献４】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】
【００１０】
現在、地中連続壁を施工する工法として、ソイルセメント連続壁構築工法の一つであるいわゆるＳＭＷ工法（ソイルミキシングウォール工法）（登録商標）が多く採用されている。しかしながら、ＳＭＷ工法では、Ｈ形鋼の両方のフランジ部、ウェブ部で形成される溝空間の外側に熱交換パイプであるＵチューブがはみ出ると、掘削に障害を与えたり、設置したＵチューブを損傷、破損等させたりするおそれがあった。言い換えると、特許文献４に開示されたＨ鋼に地中熱交換用Ｕチューブ（熱交換パイプ）を取り付けるための保持部、取付部材などの構成は、まだまだ改良改善の余地があるものであった。
そこで、Ｈ形鋼にＵチューブを取り付けることができる取り付け構造を備え、ＳＭＷ工法に構築されるソイルセメント連続壁に好適な地中熱交換器の開発が要望されている。
【００１１】
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。
【００１２】
本発明の目的は、芯材であるＨ形鋼に一体に設置された地中熱交換用チューブ（熱交換パイプ）を損傷等させることなくソイルセメント内に挿入可能で、ソイルセメント連続壁に好適な地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器は、
地中に所定深さまでソイルセメント連続壁構築工法で掘削された連続土留め壁内に芯材として建て込まれるＨ形鋼に設置される地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器であって、前記Ｈ形鋼のフランジ部及びウェブ部で形成される溝空間の少なくとも一方に設けられ、前記地中と熱交換を行うための循環流体が循環する地中熱交換用チューブと、前記Ｈ形鋼のフランジ部及び／または前記ウェブ部に取り付けられ、前記地中熱交換用チューブを保持する保持部を有するチューブ取付部材と、前記Ｈ形鋼を建て込む姿勢における前記Ｈ形鋼の下端または下端近傍に、少なくとも前記地中熱交換用チューブが設けられた前記溝空間の下方側を覆うように設けられ、固化前の前記ソイルセメントに前記Ｈ形鋼及び前記地中熱交換用チューブを挿入する際、前記地中熱交換用チューブの保護を行う保護部材とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
本発明２の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器は、本発明１において、
前記保護部材は、両方の前記溝空間の下方側を覆う、側面視略Ｖ字状のものであることを特徴とする。
【００１５】
本発明３の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器は、本発明１または２において、
前記チューブ取付部材は、前記Ｈ形鋼の両方の前記フランジ部間、または、一方の前記フランジ部と前記ウェブ部との間に跨るように設けられる取付板部と、この取付板部から前記溝空間内に突出し、前記地中熱交換用チューブを保持可能な凸状の保持部とからなっているものであることを特徴とする。
【００１６】
本発明４の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器は、本発明１または２において、
前記チューブ取付部材は、前記Ｈ形鋼のウェブ部に取り付けられる取付板部と、この取付板部から前記溝空間内に突出し、前記地中熱交換用チューブを保持するためのＣ字形状またはＵ字形状の部位が形成された保持部とからなっているものであることを特徴とする。
【００１７】
本発明５の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器は、本発明１または２において、
前記チューブ取付部材は、前記Ｈ形鋼のフランジ部及び／または前記ウェブ部に取り付けられ、前記フランジ部及び／または前記ウェブ部との間に形成された保持用空間に、前記地中熱交換用チューブを保持可能なものであることを特徴とする。
【００１８】
本発明６の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器は、本発明１から５において、
前記地中熱交換用チューブは、下端側がＵ字状に曲げられたＵ状部と、このＵ状部の下端側に被取付部が一体に形成されたものであり、最下方に位置する前記チューブ取付部材には、前記被取付部に形成された連結孔に係脱可能に係合されるＵチューブ連結ピンが設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器は、下端または下端近傍に保護部材が設けられているとともに、地中熱交換用チューブが芯材であるＨ形鋼の溝空間より突出しないように形成されている。そのため、Ｈ形鋼と一体に取り付けられた地中熱交換用チューブ（熱交換パイプ）を損傷、破損等させずに未固化ソイルセメント内に挿入させることができる。特に、Ｕ状の先端部の損傷、破損等を保護部材によって、防止することができる。従って、ソイルセメント連続壁構築工法において、容易に、地中熱交換器を構築することができる。
【００２０】
また、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、ソイルミキシングウォール（登録商標）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。
【００２２】
図４は、本発明の地中熱交換器の実施の形態１の部分正面図、図５は、図４の側面図、図６は、図４をＡ−Ａ線で切断した断面図である。図７は、地中熱交換器の実施の形態２を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。図８は、地中熱交換器の実施の形態２の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。図９は、地中熱交換器の実施の形態２の他の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。図１０は、地中熱交換器の実施の形態３を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。図１１は、地中熱交換器の実施の形態３の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。
【００２３】
ＳＭＷ工法（登録商標）は周知な技術であり、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、ＳＭＷ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。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。
【００２４】
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１２Ａ、１２Ｂ・・１２Ｎ、１２が複数本建て込まれているものとする。また、Ｈ形鋼１２Ａ、１２Ｂ・・１２Ｎ、１２に沿って、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。
【００２５】
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２０を構築する。
【００２６】
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２０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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、Ｈ形鋼１２Ａ、１２Ｂ・・１２Ｎ、１２に、各々、取り付けられた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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
〔実施の形態１〕
地中熱交換器２０の実施の形態１について図４〜６に従って説明を行う。
実施の形態１の地中熱交換器２０は、図４に示すように前述したＨ形鋼１２に設けられている。Ｈ形鋼１２は、図６に示すように、「Ｈ」の縦２本の部位であるフランジ部１２ｂと、中央の横１本の部位であるウェブ部１２ａとからなっている。フランジ部１２ｂとウェブ部１２ａ間に溝空間１８が形成されている。
【００３３】
Ｈ形鋼１２の溝空間１８には、Ｕチューブ２３が配置されている。なお、Ｕチューブは、耐性・防食性に優れ、高い熱伝導性、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ことはいうまでもない。
Ｕチューブ２３の下端側には、Ｕ字状のＵ状部と、Ｕ状部の下方側の被取付部２３ａとが一体に形成されている。被取付部２３ａには、Ｕチューブ側連結孔２３ｂが形成されている。
【００３４】
Ｈ形鋼１２の溝空間１８の開口部側に、Ｕチューブ取付部材２１、２４の取付板部２１ａ、２４ａが、両方のフランジ部１２ｂの端部に跨るように配置され溶接等で固定されている。Ｕチューブ取付部材２４は、Ｈ形鋼１２の下端側の位置に、Ｕチューブ取付部材２１は、下端以外のその他の中間の所定の位置に設けられている。Ｕチューブ取付部材２１は、所定の間隔毎に設けられているものであり、Ｈ形鋼１２等の長さに対応して適宜の数量設けられている。Ｕチューブ取付部材２１の取付板部２１ａには、凸状保持部を構成する凸状保持部材２２が、溝空間１８側に突出するように設けられている。Ｕチューブ取付部材２４の取付板部２４ａには、凸状保持部材２２、Ｕチューブ連結ピン２６が、溝空間１８側に突出するように設けられている。
【００３５】
この実施の形態１の凸状保持部は、２本の凸状保持部材２２がＵチューブ２３の外周面部を挟むようにして保持することで構成される。Ｕチューブ連結ピン２６は、Ｕチューブ連結孔２３ｂに、係脱可能に係合される。Ｕチューブ連結ピン２６は、Ｕチューブ連結孔２３ｂに挿入され、係合したとき、Ｕチューブ２３の下端側を連結支持するものである。
なお、Ｕチューブ取付部材は、取付板部が、一方のフランジ部の端部とウェブ部との間に、跨るように設けられているものであってもよい。
【００３６】
Ｈ形鋼１２の下端には、側面視の先端側がＶ字状に形成された保護部材２５が溶接等で固定されている。この保護部材２５は、Ｕチューブ２３が取り付けられたＨ形鋼１２をソイルセメントに挿入し、建て込む工程の作業を容易にするとともに、挿入・建て込み工程時に、Ｕチューブ２３を損傷、破損等させないためのものである。なお、保護部材２５は、例えば鉄板、鋼板など、Ｈ形鋼に固定が容易で、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。また、保護部材は、Ｈ形鋼の下端近傍に設けられていてもよい。すなわち、保護部材は、Ｕチューブ、被取付部より下方の位置に設けられればよい。
【００３７】
なお、Ｕチューブ取付部材２１、２４、Ｕチューブ２３、保護部材２５等は、ソイルセメント連続壁１０を構築する前に、工場、構築現場等で溶接等して一体に組み付けられているとよい。
【００３８】
そして、Ｕチューブ２３が保持されたＨ形鋼１２は、今までと同様の方法で、固化前のソイルセメントに挿入・建て込む工程の作業を行えばよい。この時、保護部材２５が下端または下端近傍に設けられているので、ソイルセメントへの挿入が容易である。言い換えると、従来のＨ形鋼のみを挿入しているときとほとんど差がない。また、保護部材２５を設けているので、Ｕチューブ２３、Ｕチューブ取付部材２１、２４、凸状保持部材２２等をガードしているようになっており、Ｕチューブ２３（特に、Ｕ状の先端部）等を損傷、破損させる可能性をたいへん低くすることができる。
【００３９】
なお、この実施の形態１では、Ｈ形鋼の一方の溝空間にＵチューブを設けた構成で説明を行っているが、両方の溝空間にＵチューブを設けてもよい。
また、Ｈ形鋼の一方の溝空間にＵチューブを設けた場合、保護部材は、Ｕチューブ側のみに設けられたものであってもよい。すなわち、ソイルセメントに挿入する姿勢において、フランジ部端部と、フランジ部端部より下方に位置するウェブ部との間に、平面または曲面状の保護部材が、Ｕチューブを設けた側（一方の側）にのみ設けられたものであってもよい。例えば、保護部材は、片矢印のような形状のものが、Ｈ形鋼に設けられたものであってもよい。
【００４０】
〔実施の形態２〕
図７〜９に従って、地中熱交換器２０の実施の形態２の説明を行う。なお、実施の形態２におけるＵチューブ２３、Ｈ形鋼１２等の構成は、前述した実施の形態１のものとほぼ同一であり、実施の形態１と同一の部位には同一の符号を付与し、詳細な説明を省略する。言い換えると、Ｕチューブ２３を保持するためのＵチューブ取付部材（取付板部、保持部）の形状等が異なるのみであるので、その異なる部分についてのみ説明を行う。
【００４１】
図７は、地中熱交換器２０の実施の形態２を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。図７に示すように、この実施の形態２のＵチューブ取付部材３１（または３４）は、取付板部３１ａ（３４ａ）とＵ字状保持部３２とから構成されている。Ｈ形鋼１２のウェブ部１２ａに、取付板部３１ａ（３４ａ）が溶接等で固定されている。この取付板部３１ａ（または３４ａ）には、先端がＵ字状に形成され、Ｕチューブ２３の外周部を保持可能なＵ字状保持部３２が突出するように設けられている。Ｕ字状保持部３２は、Ｕチューブ２３の外周部を包囲するようなものでも、弾性力で保持するようなものであってもよい。なお、Ｕチューブ取付部材３４は、Ｕ字状保持部３２のほか、Ｕチューブ連結ピンが設けられた実施の形態１のＵチューブ取付部材２４に相当するものである。
【００４２】
なお、Ｕチューブ取付部材３１、３４、Ｕチューブ２３、保護部材２５等は、ソイルセメント連続壁１０を構築する前に、工場、構築現場等で溶接等して一体に組み付けられているとよい。
【００４３】
図８は、地中熱交換器２０の実施の形態２の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。図８に示すように、実施の形態２の変形例のＵチューブ取付部材４１（または４４）は、コ字状の取付板部４１ａ（４４ａ）とＵ字状保持部４２とから構成されている。Ｈ形鋼１２のウェブ部１２ａに、断面コ字状の取付板部４１ａ（または４４ａ）が溶接等で固定されている。この取付板部４１ａ（または４４ａ）には、先端がＵ字状に形成され、Ｕチューブ２３の外周部を保持可能なＵ字状保持部４２が設けられている。Ｕ字状保持部４２は、Ｕチューブ２３の外周部を包囲するようなものでも、弾性力で保持するようなものであってもよい。なお、Ｕチューブ取付部材４４は、Ｕ字状保持部４２のほか、Ｕチューブ連結ピンが設けられた実施の形態１のＵチューブ取付部材２４に相当するものである。
【００４４】
なお、Ｕチューブ取付部材４１、４４、Ｕチューブ２３、保護部材２５等は、ソイルセメント連続壁１０を構築する前に、工場、構築現場等で溶接等して一体に組み付けられているとよい。
【００４５】
図９は、地中熱交換器２０の実施の形態２の他の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。図９に示すように、この他の変形例のＵチューブ取付部材５１（または５４）は、取付板部５１ａ（５４ａ）とＣ（またはΩ）字状保持部５２とが一体に形成されているものである。Ｈ形鋼１２のウェブ部１２ａに、取付板部５１ａ（または５４ａ）が溶接等で固定されている。このＣ字状保持部５２は、Ｕチューブ２３の外周部を包囲するように形成されている。なお、Ｕチューブ取付部材５４は、Ｃ字状保持部５２のほか、Ｕチューブ連結ピンが設けられた実施の形態１のＵチューブ取付部材２４に相当するものである。
【００４６】
なお、Ｕチューブ取付部材５１、５４、Ｕチューブ２３、保護部材２５等は、ソイルセメント連続壁１０を構築する前に、工場、構築現場等で溶接等して一体に組み付けられているとよい。
【００４７】
〔実施の形態３〕
図１０、１１に従って、地中熱交換器２０の実施の形態３の説明を行う。
図１０は、地中熱交換器２０の実施の形態３を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。なお、実施の形態３におけるＵチューブ２３、Ｈ形鋼１２等の構成は、前述した実施の形態１のものとほぼ同一であり、実施の形態１と同一の部位には同一の符号を付与し、詳細な説明を省略する。言い換えると、Ｕチューブ２３を保持するためのＵチューブ取付部材（取付板部、保持部）の形状等が異なるのみであるので、その異なる部分についてのみ説明を行う。
【００４８】
図１０に示すように、Ｈ形鋼１２のウェブ部１２ａに、段状に折り曲げられた板状のＵチューブ取付部材５７が溶接等で固定されている。フランジ部１２ｂ、ウェブ部１２ａ、Ｕチューブ取付部材５７で形成される保持用空間１８ａに、Ｕチューブ２３が挿入され保持される。このように、Ｕチューブ２３が、保持用空間１８ａに隙間をもって保持されるものであっても、ソイルセメント内に挿入するときに、例えば、Ｕチューブ２３が溝空間１８または保持用空間１８ａから飛び出て破損、損傷等しなければよい。
【００４９】
図１１は、地中熱交換器２０の実施の形態３の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。
この変形例に示すように、折り曲げた板状のＵチューブ取付部材５８は、次のように成形してもよい。すなわち、Ｌ字状の板材（想像線で記載）をウェブ１２ａに溶接等で固定しておき、Ｕチューブ２３を挿入後折り曲げて、板状のＵチューブ取付部材５８にしてもよい。
さらに、図示はしていないが、Ｈ形鋼１２のフランジ部、ウェブ部の両方に、折り曲げた板状のＵチューブ取付部材を溶接等で固定し、保持用空間を形成してもよい。
【００５０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、ソイルミキシングウォール工法で、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、図１の平面図であり、（ａ）に隔孔設置、（ｂ）に全孔設置の平面図を示している。
【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は、本発明の地中熱交換器の実施の形態１の部分正面図である。
【図５】図５は、図４の側面図である。
【図６】図６は、図４をＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図７】図７は、地中熱交換器の実施の形態２を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。
【図８】図８は、地中熱交換器の実施の形態２の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。
【図９】図９は、地中熱交換器の実施の形態２の他の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。
【図１０】図１０は、地中熱交換器の実施の形態３を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。
【図１１】図１１は、地中熱交換器の実施の形態３の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。
【符号の説明】
【００５２】
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、１２Ａ、１２Ｂ・・１２Ｎ…Ｈ形鋼
２０…地中熱交換器
２１…Ｕチューブ取付部材
２２…凸状保持部材
２３、２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ…地中熱交換用Ｕチューブ
２４…Ｕチューブ取付部材
２５…保護部材
２６…Ｕチューブ連結ピン
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の地中熱交換器に関する。さらに詳しくは、土留め用などとして構築される連続ソイルセメント壁内に構築可能な地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器に関する。
【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して利用することが行われており、これに関しては種々の提案がなされている。
【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。
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。
【０００５】
一方、東京都のような都市部に建造される建造物である高層ビルに地中熱利用ヒートポンプシステムを設置しようとした場合、地中熱交換器をどのように構築するかが重要な課題となる。このような高層ビルに設置される地中熱利用ヒートポンプシステムの例として、高層ビルの基礎杭の鉄筋と一緒にＵチューブを埋設しコンクリートで固定する場所打ちコンクリート杭タイプのものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、中空の基礎杭の中にＵチューブを入れて地中熱と熱交換する方式の基礎杭タイプのものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
しかしながら、東京都心部（以下、都心部と記載する）の高層ビルの場合、通常は地下３〜４階まで地下建造物が構築されていることが多い。このように地下深部まで地下建造物がある場合、建築用の基礎杭はほとんど必要がない地層状況となるため場所打ちコンクリート杭タイプ、基礎杭タイプの技術は採用できない。地中熱交換器を構築する場合、地下建造物の最下位の床面から、更に下に向けてボアホール（掘削孔）を掘削して地中熱交換井を設置する必要がある。
【０００７】
また、都心部においては、地下４階等の深度は地下水位面に当たり、地中熱交換井を掘削しようとした場合、ボアホールからの地下水の湧出等が問題となる。さらに、地中熱交換井を設置するに当たってはＵチューブが出る口元部分の耐水圧性、水密構造等が問題となるおそれがあった。
【０００８】
そこで、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器を設置することが提案されている。
すなわち、土留め用、止水用の連続したソイルセメントからなる地中壁内に、地中熱交換器を埋設する施工方法であって、チェーン式カッターで一定幅の溝を掘削し、溝内に注入したソイルセメントが固化する前に地中熱交換器を挿入、配置する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
さらに、Ｈ鋼がソイルセメントに立て込まれる前に、地熱熱交換パイプユニットがＨ鋼に固定され、Ｈ鋼が未硬化のソイルセメントに立て込まれるときＨ鋼と地熱熱交換パイプユニットとが共に立て込まれる地熱熱交換パイプユニットの施工方法が知られている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００４−３３２３３０号公報
【特許文献２】特開２００３−１４８０７９号公報
【特許文献３】特許第３８７０３１７号公報
【特許文献４】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】
【００１０】
現在、地中連続壁を施工する工法として、ソイルセメント連続壁構築工法の一つであるいわゆるＳＭＷ工法（ソイルミキシングウォール工法）（登録商標）が多く採用されている。しかしながら、ＳＭＷ工法では、Ｈ形鋼の両方のフランジ部、ウェブ部で形成される溝空間の外側に熱交換パイプであるＵチューブがはみ出ると、掘削に障害を与えたり、設置したＵチューブを損傷、破損等させたりするおそれがあった。言い換えると、特許文献４に開示されたＨ鋼に地中熱交換用Ｕチューブ（熱交換パイプ）を取り付けるための保持部、取付部材などの構成は、まだまだ改良改善の余地があるものであった。
そこで、Ｈ形鋼にＵチューブを取り付けることができる取り付け構造を備え、ＳＭＷ工法に構築されるソイルセメント連続壁に好適な地中熱交換器の開発が要望されている。
【００１１】
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。
【００１２】
本発明の目的は、芯材であるＨ形鋼に一体に設置された地中熱交換用チューブ（熱交換パイプ）を損傷等させることなくソイルセメント内に挿入可能で、ソイルセメント連続壁に好適な地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器は、
地中に所定深さまでソイルセメント連続壁構築工法で掘削された連続土留め壁内に芯材として建て込まれるＨ形鋼に設置される地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器であって、前記Ｈ形鋼のフランジ部及びウェブ部で形成される溝空間の少なくとも一方に設けられ、前記地中と熱交換を行うための循環流体が循環する地中熱交換用チューブと、前記Ｈ形鋼のフランジ部及び／または前記ウェブ部に取り付けられ、前記地中熱交換用チューブを保持する保持部を有するチューブ取付部材と、前記Ｈ形鋼を建て込む姿勢における前記Ｈ形鋼の下端または下端近傍に、少なくとも前記地中熱交換用チューブが設けられた前記溝空間の下方側を覆うように設けられ、固化前の前記ソイルセメントに前記Ｈ形鋼及び前記地中熱交換用チューブを挿入する際、前記地中熱交換用チューブの保護を行う保護部材とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
本発明２の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器は、本発明１において、
前記保護部材は、両方の前記溝空間の下方側を覆う、側面視略Ｖ字状のものであることを特徴とする。
【００１５】
本発明３の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器は、本発明１または２において、
前記チューブ取付部材は、前記Ｈ形鋼の両方の前記フランジ部間、または、一方の前記フランジ部と前記ウェブ部との間に跨るように設けられる取付板部と、この取付板部から前記溝空間内に突出し、前記地中熱交換用チューブを保持可能な凸状の保持部とからなっているものであることを特徴とする。
【００１６】
本発明４の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器は、本発明１または２において、
前記チューブ取付部材は、前記Ｈ形鋼のウェブ部に取り付けられる取付板部と、この取付板部から前記溝空間内に突出し、前記地中熱交換用チューブを保持するためのＣ字形状またはＵ字形状の部位が形成された保持部とからなっているものであることを特徴とする。
【００１７】
本発明５の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器は、本発明１または２において、
前記チューブ取付部材は、前記Ｈ形鋼のフランジ部及び／または前記ウェブ部に取り付けられ、前記フランジ部及び／または前記ウェブ部との間に形成された保持用空間に、前記地中熱交換用チューブを保持可能なものであることを特徴とする。
【００１８】
本発明６の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器は、本発明１から５において、
前記地中熱交換用チューブは、下端側がＵ字状に曲げられたＵ状部と、このＵ状部の下端側に被取付部が一体に形成されたものであり、最下方に位置する前記チューブ取付部材には、前記被取付部に形成された連結孔に係脱可能に係合されるＵチューブ連結ピンが設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器は、下端または下端近傍に保護部材が設けられているとともに、地中熱交換用チューブが芯材であるＨ形鋼の溝空間より突出しないように形成されている。そのため、Ｈ形鋼と一体に取り付けられた地中熱交換用チューブ（熱交換パイプ）を損傷、破損等させずに未固化ソイルセメント内に挿入させることができる。特に、Ｕ状の先端部の損傷、破損等を保護部材によって、防止することができる。従って、ソイルセメント連続壁構築工法において、容易に、地中熱交換器を構築することができる。
【００２０】
また、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、ソイルミキシングウォール（登録商標）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。
【００２２】
図４は、本発明の地中熱交換器の実施の形態１の部分正面図、図５は、図４の側面図、図６は、図４をＡ−Ａ線で切断した断面図である。図７は、地中熱交換器の実施の形態２を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。図８は、地中熱交換器の実施の形態２の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。図９は、地中熱交換器の実施の形態２の他の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。図１０は、地中熱交換器の実施の形態３を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。図１１は、地中熱交換器の実施の形態３の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。
【００２３】
ＳＭＷ工法（登録商標）は周知な技術であり、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、ＳＭＷ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。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。
【００２４】
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１２Ａ、１２Ｂ・・１２Ｎ、１２が複数本建て込まれているものとする。また、Ｈ形鋼１２Ａ、１２Ｂ・・１２Ｎ、１２に沿って、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。
【００２５】
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２０を構築する。
【００２６】
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２０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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、Ｈ形鋼１２Ａ、１２Ｂ・・１２Ｎ、１２に、各々、取り付けられた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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
〔実施の形態１〕
地中熱交換器２０の実施の形態１について図４〜６に従って説明を行う。
実施の形態１の地中熱交換器２０は、図４に示すように前述したＨ形鋼１２に設けられている。Ｈ形鋼１２は、図６に示すように、「Ｈ」の縦２本の部位であるフランジ部１２ｂと、中央の横１本の部位であるウェブ部１２ａとからなっている。フランジ部１２ｂとウェブ部１２ａ間に溝空間１８が形成されている。
【００３３】
Ｈ形鋼１２の溝空間１８には、Ｕチューブ２３が配置されている。なお、Ｕチューブは、耐性・防食性に優れ、高い熱伝導性、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ことはいうまでもない。
Ｕチューブ２３の下端側には、Ｕ字状のＵ状部と、Ｕ状部の下方側の被取付部２３ａとが一体に形成されている。被取付部２３ａには、Ｕチューブ側連結孔２３ｂが形成されている。
【００３４】
Ｈ形鋼１２の溝空間１８の開口部側に、Ｕチューブ取付部材２１、２４の取付板部２１ａ、２４ａが、両方のフランジ部１２ｂの端部に跨るように配置され溶接等で固定されている。Ｕチューブ取付部材２４は、Ｈ形鋼１２の下端側の位置に、Ｕチューブ取付部材２１は、下端以外のその他の中間の所定の位置に設けられている。Ｕチューブ取付部材２１は、所定の間隔毎に設けられているものであり、Ｈ形鋼１２等の長さに対応して適宜の数量設けられている。Ｕチューブ取付部材２１の取付板部２１ａには、凸状保持部を構成する凸状保持部材２２が、溝空間１８側に突出するように設けられている。Ｕチューブ取付部材２４の取付板部２４ａには、凸状保持部材２２、Ｕチューブ連結ピン２６が、溝空間１８側に突出するように設けられている。
【００３５】
この実施の形態１の凸状保持部は、２本の凸状保持部材２２がＵチューブ２３の外周面部を挟むようにして保持することで構成される。Ｕチューブ連結ピン２６は、Ｕチューブ連結孔２３ｂに、係脱可能に係合される。Ｕチューブ連結ピン２６は、Ｕチューブ連結孔２３ｂに挿入され、係合したとき、Ｕチューブ２３の下端側を連結支持するものである。
なお、Ｕチューブ取付部材は、取付板部が、一方のフランジ部の端部とウェブ部との間に、跨るように設けられているものであってもよい。
【００３６】
Ｈ形鋼１２の下端には、側面視の先端側がＶ字状に形成された保護部材２５が溶接等で固定されている。この保護部材２５は、Ｕチューブ２３が取り付けられたＨ形鋼１２をソイルセメントに挿入し、建て込む工程の作業を容易にするとともに、挿入・建て込み工程時に、Ｕチューブ２３を損傷、破損等させないためのものである。なお、保護部材２５は、例えば鉄板、鋼板など、Ｈ形鋼に固定が容易で、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。また、保護部材は、Ｈ形鋼の下端近傍に設けられていてもよい。すなわち、保護部材は、Ｕチューブ、被取付部より下方の位置に設けられればよい。
【００３７】
なお、Ｕチューブ取付部材２１、２４、Ｕチューブ２３、保護部材２５等は、ソイルセメント連続壁１０を構築する前に、工場、構築現場等で溶接等して一体に組み付けられているとよい。
【００３８】
そして、Ｕチューブ２３が保持されたＨ形鋼１２は、今までと同様の方法で、固化前のソイルセメントに挿入・建て込む工程の作業を行えばよい。この時、保護部材２５が下端または下端近傍に設けられているので、ソイルセメントへの挿入が容易である。言い換えると、従来のＨ形鋼のみを挿入しているときとほとんど差がない。また、保護部材２５を設けているので、Ｕチューブ２３、Ｕチューブ取付部材２１、２４、凸状保持部材２２等をガードしているようになっており、Ｕチューブ２３（特に、Ｕ状の先端部）等を損傷、破損させる可能性をたいへん低くすることができる。
【００３９】
なお、この実施の形態１では、Ｈ形鋼の一方の溝空間にＵチューブを設けた構成で説明を行っているが、両方の溝空間にＵチューブを設けてもよい。
また、Ｈ形鋼の一方の溝空間にＵチューブを設けた場合、保護部材は、Ｕチューブ側のみに設けられたものであってもよい。すなわち、ソイルセメントに挿入する姿勢において、フランジ部端部と、フランジ部端部より下方に位置するウェブ部との間に、平面または曲面状の保護部材が、Ｕチューブを設けた側（一方の側）にのみ設けられたものであってもよい。例えば、保護部材は、片矢印のような形状のものが、Ｈ形鋼に設けられたものであってもよい。
【００４０】
〔実施の形態２〕
図７〜９に従って、地中熱交換器２０の実施の形態２の説明を行う。なお、実施の形態２におけるＵチューブ２３、Ｈ形鋼１２等の構成は、前述した実施の形態１のものとほぼ同一であり、実施の形態１と同一の部位には同一の符号を付与し、詳細な説明を省略する。言い換えると、Ｕチューブ２３を保持するためのＵチューブ取付部材（取付板部、保持部）の形状等が異なるのみであるので、その異なる部分についてのみ説明を行う。
【００４１】
図７は、地中熱交換器２０の実施の形態２を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。図７に示すように、この実施の形態２のＵチューブ取付部材３１（または３４）は、取付板部３１ａ（３４ａ）とＵ字状保持部３２とから構成されている。Ｈ形鋼１２のウェブ部１２ａに、取付板部３１ａ（３４ａ）が溶接等で固定されている。この取付板部３１ａ（または３４ａ）には、先端がＵ字状に形成され、Ｕチューブ２３の外周部を保持可能なＵ字状保持部３２が突出するように設けられている。Ｕ字状保持部３２は、Ｕチューブ２３の外周部を包囲するようなものでも、弾性力で保持するようなものであってもよい。なお、Ｕチューブ取付部材３４は、Ｕ字状保持部３２のほか、Ｕチューブ連結ピンが設けられた実施の形態１のＵチューブ取付部材２４に相当するものである。
【００４２】
なお、Ｕチューブ取付部材３１、３４、Ｕチューブ２３、保護部材２５等は、ソイルセメント連続壁１０を構築する前に、工場、構築現場等で溶接等して一体に組み付けられているとよい。
【００４３】
図８は、地中熱交換器２０の実施の形態２の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。図８に示すように、実施の形態２の変形例のＵチューブ取付部材４１（または４４）は、コ字状の取付板部４１ａ（４４ａ）とＵ字状保持部４２とから構成されている。Ｈ形鋼１２のウェブ部１２ａに、断面コ字状の取付板部４１ａ（または４４ａ）が溶接等で固定されている。この取付板部４１ａ（または４４ａ）には、先端がＵ字状に形成され、Ｕチューブ２３の外周部を保持可能なＵ字状保持部４２が設けられている。Ｕ字状保持部４２は、Ｕチューブ２３の外周部を包囲するようなものでも、弾性力で保持するようなものであってもよい。なお、Ｕチューブ取付部材４４は、Ｕ字状保持部４２のほか、Ｕチューブ連結ピンが設けられた実施の形態１のＵチューブ取付部材２４に相当するものである。
【００４４】
なお、Ｕチューブ取付部材４１、４４、Ｕチューブ２３、保護部材２５等は、ソイルセメント連続壁１０を構築する前に、工場、構築現場等で溶接等して一体に組み付けられているとよい。
【００４５】
図９は、地中熱交換器２０の実施の形態２の他の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。図９に示すように、この他の変形例のＵチューブ取付部材５１（または５４）は、取付板部５１ａ（５４ａ）とＣ（またはΩ）字状保持部５２とが一体に形成されているものである。Ｈ形鋼１２のウェブ部１２ａに、取付板部５１ａ（または５４ａ）が溶接等で固定されている。このＣ字状保持部５２は、Ｕチューブ２３の外周部を包囲するように形成されている。なお、Ｕチューブ取付部材５４は、Ｃ字状保持部５２のほか、Ｕチューブ連結ピンが設けられた実施の形態１のＵチューブ取付部材２４に相当するものである。
【００４６】
なお、Ｕチューブ取付部材５１、５４、Ｕチューブ２３、保護部材２５等は、ソイルセメント連続壁１０を構築する前に、工場、構築現場等で溶接等して一体に組み付けられているとよい。
【００４７】
〔実施の形態３〕
図１０、１１に従って、地中熱交換器２０の実施の形態３の説明を行う。
図１０は、地中熱交換器２０の実施の形態３を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。なお、実施の形態３におけるＵチューブ２３、Ｈ形鋼１２等の構成は、前述した実施の形態１のものとほぼ同一であり、実施の形態１と同一の部位には同一の符号を付与し、詳細な説明を省略する。言い換えると、Ｕチューブ２３を保持するためのＵチューブ取付部材（取付板部、保持部）の形状等が異なるのみであるので、その異なる部分についてのみ説明を行う。
【００４８】
図１０に示すように、Ｈ形鋼１２のウェブ部１２ａに、段状に折り曲げられた板状のＵチューブ取付部材５７が溶接等で固定されている。フランジ部１２ｂ、ウェブ部１２ａ、Ｕチューブ取付部材５７で形成される保持用空間１８ａに、Ｕチューブ２３が挿入され保持される。このように、Ｕチューブ２３が、保持用空間１８ａに隙間をもって保持されるものであっても、ソイルセメント内に挿入するときに、例えば、Ｕチューブ２３が溝空間１８または保持用空間１８ａから飛び出て破損、損傷等しなければよい。
【００４９】
図１１は、地中熱交換器２０の実施の形態３の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。
この変形例に示すように、折り曲げた板状のＵチューブ取付部材５８は、次のように成形してもよい。すなわち、Ｌ字状の板材（想像線で記載）をウェブ１２ａに溶接等で固定しておき、Ｕチューブ２３を挿入後折り曲げて、板状のＵチューブ取付部材５８にしてもよい。
さらに、図示はしていないが、Ｈ形鋼１２のフランジ部、ウェブ部の両方に、折り曲げた板状のＵチューブ取付部材を溶接等で固定し、保持用空間を形成してもよい。
【００５０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、ソイルミキシングウォール工法で、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、図１の平面図であり、（ａ）に隔孔設置、（ｂ）に全孔設置の平面図を示している。
【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は、本発明の地中熱交換器の実施の形態１の部分正面図である。
【図５】図５は、図４の側面図である。
【図６】図６は、図４をＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図７】図７は、地中熱交換器の実施の形態２を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。
【図８】図８は、地中熱交換器の実施の形態２の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。
【図９】図９は、地中熱交換器の実施の形態２の他の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。
【図１０】図１０は、地中熱交換器の実施の形態３を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。
【図１１】図１１は、地中熱交換器の実施の形態３の変形例を示す断面図であって、実施の形態１の図６に相当する図である。
【符号の説明】
【００５２】
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、１２Ａ、１２Ｂ・・１２Ｎ…Ｈ形鋼
２０…地中熱交換器
２１…Ｕチューブ取付部材
２２…凸状保持部材
２３、２３Ａ、２３Ｂ・・２３Ｎ…地中熱交換用Ｕチューブ
２４…Ｕチューブ取付部材
２５…保護部材
２６…Ｕチューブ連結ピン
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】
地中に所定深さまでソイルセメント連続壁構築工法で構築された連続土留め壁内に芯材として建て込まれるＨ形鋼に設置される地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器であって、
前記Ｈ形鋼のフランジ部及びウェブ部で形成される溝空間の少なくとも一方に設けられ、前記地中と熱交換を行うための循環流体が循環する地中熱交換用チュープと、
前記Ｈ形鋼の前記フランジ部及び／または前記ウェブ部に取り付けられ、前記地中熱交換用チューブを保持する保持部を有するチューブ取付部材と、
前記Ｈ形鋼を建て込む姿勢における前記Ｈ形鋼の下端または下端近傍に、少なくとも前記地中熱交換用チューブが設けられた前記溝空間の下方側を覆うように設けられ、固化前の前記ソイルセメントに前記Ｈ形鋼及び前記地中熱交換用チューブを挿入する際、前記地中熱交換用チューブの保護を行う保護部材とを備えている
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載された地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器において、
前記保護部材は、両方の前記溝空間の下方側を覆う、側面視略Ｖ字状のものである
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器。
【請求項３】
請求項１または２に記載された地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器において、
前記チューブ取付部材は、前記Ｈ形鋼の両方の前記フランジ部間、または、一方の前記フランジ部と前記ウェブ部との間に跨るように設けられる取付板部と、この取付板部から前記溝空間内に突出し、前記地中熱交換用チューブを保持可能な凸状の保持部とからなっているものである
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器。
【請求項４】
請求項１または２に記載された地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器において、
前記チューブ取付部材は、前記Ｈ形鋼のウェブ部に取り付けられる取付板部と、この取付板部から前記溝空間内に突出し、前記地中熱交換用チューブを保持するためのＣ字形状またはＵ字形状の部位が形成された保持部とからなっているものである
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器。
【請求項５】
請求項１または２に記載の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器において、
前記チューブ取付部材は、前記Ｈ形鋼のフランジ部及び／または前記ウェブ部に取り付けられ、前記フランジ部及び／または前記ウェブ部との間に形成された保持用空間に、前記地中熱交換用チューブを保持可能なものである
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載された地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器において、
前記地中熱交換用チューブは、下端側がＵ字状に曲げられたＵ状部と、このＵ状部の下端側に被取付部が一体に形成されたものであり、
最下方に位置する前記チューブ取付部材には、前記被取付部に形成された連結孔に係脱可能に係合されるＵチューブ連結ピンが設けられている
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器。
【請求項１】
地中に所定深さまでソイルセメント連続壁構築工法で構築された連続土留め壁内に芯材として建て込まれるＨ形鋼に設置される地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器であって、
前記Ｈ形鋼のフランジ部及びウェブ部で形成される溝空間の少なくとも一方に設けられ、前記地中と熱交換を行うための循環流体が循環する地中熱交換用チュープと、
前記Ｈ形鋼の前記フランジ部及び／または前記ウェブ部に取り付けられ、前記地中熱交換用チューブを保持する保持部を有するチューブ取付部材と、
前記Ｈ形鋼を建て込む姿勢における前記Ｈ形鋼の下端または下端近傍に、少なくとも前記地中熱交換用チューブが設けられた前記溝空間の下方側を覆うように設けられ、固化前の前記ソイルセメントに前記Ｈ形鋼及び前記地中熱交換用チューブを挿入する際、前記地中熱交換用チューブの保護を行う保護部材とを備えている
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載された地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器において、
前記保護部材は、両方の前記溝空間の下方側を覆う、側面視略Ｖ字状のものである
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器。
【請求項３】
請求項１または２に記載された地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器において、
前記チューブ取付部材は、前記Ｈ形鋼の両方の前記フランジ部間、または、一方の前記フランジ部と前記ウェブ部との間に跨るように設けられる取付板部と、この取付板部から前記溝空間内に突出し、前記地中熱交換用チューブを保持可能な凸状の保持部とからなっているものである
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器。
【請求項４】
請求項１または２に記載された地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器において、
前記チューブ取付部材は、前記Ｈ形鋼のウェブ部に取り付けられる取付板部と、この取付板部から前記溝空間内に突出し、前記地中熱交換用チューブを保持するためのＣ字形状またはＵ字形状の部位が形成された保持部とからなっているものである
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器。
【請求項５】
請求項１または２に記載の地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器において、
前記チューブ取付部材は、前記Ｈ形鋼のフランジ部及び／または前記ウェブ部に取り付けられ、前記フランジ部及び／または前記ウェブ部との間に形成された保持用空間に、前記地中熱交換用チューブを保持可能なものである
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載された地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器において、
前記地中熱交換用チューブは、下端側がＵ字状に曲げられたＵ状部と、このＵ状部の下端側に被取付部が一体に形成されたものであり、
最下方に位置する前記チューブ取付部材には、前記被取付部に形成された連結孔に係脱可能に係合されるＵチューブ連結ピンが設けられている
ことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−６０２４７（Ｐ２０１０−６０２４７Ａ）
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２８８６２（Ｐ２００８−２２８８６２）
【出願日】平成２０年９月５日（２００８．９．５）
【出願人】（３９０００４８７９）三菱マテリアルテクノ株式会社 (201)
【出願人】（５０９１９９０１８）成幸利根株式会社 (5)
【出願人】（５９２０１９３１６）中村土木株式会社 (4)
【上記１名の代理人】
【識別番号】１０００９３６８７
【弁理士】
【氏名又は名称】富崎 元成
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月５日（２００８．９．５）
【出願人】（３９０００４８７９）三菱マテリアルテクノ株式会社 (201)
【出願人】（５０９１９９０１８）成幸利根株式会社 (5)
【出願人】（５９２０１９３１６）中村土木株式会社 (4)
【上記１名の代理人】
【識別番号】１０００９３６８７
【弁理士】
【氏名又は名称】富崎 元成
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