地中熱採熱システム
【課題】継続して地中熱を採熱可能な地中熱採熱システムを提供すること。
【解決手段】地中熱採熱システム１は、第１の地中熱採熱ユニット１０と、第２の地中熱採熱ユニット２０と、第１の搬出管１３、３３、１４と、第２の搬出管２３、３３、２４とを備える。第１の地中熱採熱ユニット１０は、原地下水面Ｓ０よりも上方に地下水を揚水する第１の揚水井戸１１と、第１の地下水枯渇領域Ｔ１（揚水によって低下した第１の低下水面Ｓ１と原地下水面Ｓ０とで囲まれた領域）に主に配設された第１の地中熱採熱管１２とを有する。第２の地中熱採熱ユニット２０は、第１の地下水枯渇領域Ｔ１の外側に設けられ、第１の地中熱採熱ユニット１０と同様に構成されている。第１搬出管１３〜１４は第１揚水井戸１１から揚水した地下水を第１地下水枯渇領域Ｔ１の外側に導き、第２搬出管２３〜２４は第２揚水井戸２１から揚水した地下水を第２地下水枯渇領域の外側に導く。
【解決手段】地中熱採熱システム１は、第１の地中熱採熱ユニット１０と、第２の地中熱採熱ユニット２０と、第１の搬出管１３、３３、１４と、第２の搬出管２３、３３、２４とを備える。第１の地中熱採熱ユニット１０は、原地下水面Ｓ０よりも上方に地下水を揚水する第１の揚水井戸１１と、第１の地下水枯渇領域Ｔ１（揚水によって低下した第１の低下水面Ｓ１と原地下水面Ｓ０とで囲まれた領域）に主に配設された第１の地中熱採熱管１２とを有する。第２の地中熱採熱ユニット２０は、第１の地下水枯渇領域Ｔ１の外側に設けられ、第１の地中熱採熱ユニット１０と同様に構成されている。第１搬出管１３〜１４は第１揚水井戸１１から揚水した地下水を第１地下水枯渇領域Ｔ１の外側に導き、第２搬出管２３〜２４は第２揚水井戸２１から揚水した地下水を第２地下水枯渇領域の外側に導く。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は地中熱採熱システムに関し、特に継続して地中熱を採熱可能な地中熱採熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる地球環境問題を背景に、自然エネルギー活用の一形態として、地中熱を採取し利用するシステムが近年採用され始めている。地中熱を採取する手法として、内部に流体の熱媒体を流す地中熱採熱管を地中に埋設し、熱媒体と地中とで熱交換させるものがある。このような手法で地中熱を採熱する際、地中熱の採取が進むにつれて熱媒体と地中との温度差が小さくなり、やがて地中熱が採取できなくなる熱飽和の状態が生じ得る。この、熱飽和により地中熱の採熱が不能になることを回避するべく、地中熱採熱管周辺の地下水を揚水し、その地中熱採熱管の上方に放出して、地中熱採熱管まわりの地下水を流動させた地中熱採熱システムがある（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４３４２号公報（図９等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の地中熱採熱システムでは、地下水を流動させた当初はよいものの、最終的には熱飽和してしまう場合があった。
【０００５】
本発明は上述の課題に鑑み、継続して地中熱を採熱可能な地中熱採熱システム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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る地中熱採熱システムは、例えば図１に示すように、揚水する前の地下水面である原地下水面Ｓ０よりも上方に地下水Ｇｗを揚水する第１の揚水井戸１１と、第１の揚水井戸１１からの地下水Ｇｗの揚水によって低下した地下水面である第１の低下水面Ｓ１と原地下水面Ｓ０とで囲まれた第１の地下水枯渇領域Ｔ１に主に配設された第１の地中熱採熱管１２であって、地中熱と熱交換する熱媒体Ｈｍを内部に流す第１の地中熱採熱管１２と、を有する第１の地中熱採熱ユニット１０と；地表から見て第１の地下水枯渇領域Ｔ１の外側に設けられた第２の地中熱採熱ユニット２０であって、原地下水面Ｓ０よりも上方に地下水Ｇｗを揚水する第２の揚水井戸２１と、第２の揚水井戸２１からの地下水Ｇｗの揚水によって低下した地下水面である第２の低下水面Ｓ２（例えば図３参照）と原地下水面Ｓ０とで囲まれた第２の地下水枯渇領域Ｔ２（例えば図３参照）に主に配設された第２の地中熱採熱管２２であって、地中熱と熱交換する熱媒体Ｈｍを内部に流す第２の地中熱採熱管２２と、を有する第２の地中熱採熱ユニット２０と；第１の揚水井戸１１から揚水した地下水Ｇｗを、地表から見て第１の地下水枯渇領域Ｔ１の外側に導く第１の搬出管１３、３３、１４と；第２の揚水井戸２１から揚水した地下水Ｇｗを、地表から見て第２の地下水枯渇領域Ｔ２（例えば図３参照）の外側に導く第２の搬出管２３、３３、２４とを備える。
【０００７】
このように構成すると、第１の地中熱採熱管における熱媒体と地中との交換熱量が少なくなったときに、第１の地中熱採熱管の周囲の地下水を第１の揚水井戸から揚水して、地表から見て第１の地下水枯渇領域の外側に導くことにより、新たな地下水を第１の地下水枯渇領域に誘導することができて再び第１の地中熱採熱管における熱媒体と地中との交換熱量を増加させることができると共に、第１の地下水枯渇領域が新たな地下水で満たされるまでは第２の地中熱採熱管において熱媒体と地中との熱交換を行わせることができて、継続して地中熱を採熱することができる。
【０００８】
また、本発明の第２の態様に係る地中熱採熱システムは、例えば図４に示すように、上記本発明の第１の態様に係る地中熱採熱システムにおいて、第１の揚水井戸１１が複数本あり、複数の第１の揚水井戸１１Ａ、１１Ｂの間に第１の地中熱採熱管１２が配設されている。
【０００９】
このように構成すると、複数の第１の揚水井戸から同時に地下水を揚水することで、第１の地下水枯渇領域の深部側をより拡大することが可能になり、第１の地中熱採熱管まわりの地下水の入れ替えをより確実に行うことが可能になる。
【００１０】
また、本発明の第３の態様に係る地中熱採熱システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様又は第２の態様に係る地中熱採熱システム１において、原地下水面Ｓ０よりも上方の、地表から見て第１の地下水枯渇領域Ｔ１の外側に設けられた浸透水槽２５であって、導入した地下水を地中に浸透させる浸透水槽２５を備え；第１の搬出管１４の末端が浸透水槽２５に接続されている。
【００１１】
このように構成すると、浸透水槽に導入された地下水のヘッドで地下水を地中へ浸透させることができると共に、地下水を地中に戻すこととなって地下水の汲み上げによって生じる地盤沈下等の悪影響を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１の地中熱採熱管における熱媒体と地中との交換熱量が少なくなったときに、第１の地中熱採熱管の周囲の地下水を第１の揚水井戸から揚水して、地表から見て第１の地下水枯渇領域の外側に導くことにより、新たな地下水を第１の地下水枯渇領域に誘導することができて再び第１の地中熱採熱管における熱媒体と地中との交換熱量を増加させることができると共に、第１の地下水枯渇領域が新たな地下水で満たされるまでは第２の地中熱採熱管において熱媒体と地中との熱交換を行わせることができて、継続して地中熱を採熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る地中熱採熱システムの、一方の地中熱採熱ユニット側の地下水面が低下した状態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る地中熱採熱システムの構成要素の図であり、（ａ）は地中熱採熱ユニットの平面図、（ｂ）は地中熱採熱管の透視斜視図、（ｃ）は変形例に係る地中熱採熱管の透視斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る地中熱採熱システムの、他方の地中熱採熱ユニット側の地下水面が低下した状態を示す概略構成図である。
【図４】本発明の実施の形態の変形例に係る地中熱採熱システムを構成する地中熱採熱ユニットの部分概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１５】
まず、図１を参照して、本発明の実施の形態に係る地中熱採熱システム１を説明する。図１は、地中熱採熱システム１の概略構成図である。地中熱採熱システム１は、第１の地中熱採熱ユニットとしての第１採熱ユニット１０と、第２の地中熱採熱ユニットとしての第２採熱ユニット２０と、第１の搬出管を構成する第１搬出管１３、１４と、第２の搬出管を構成する第２搬出管２３、２４と、共通搬出管３３と、第１水槽１５と、第２水槽２５とを備えている。共通搬出管３３は、第１の搬出管の一部及び第２の搬出管の一部を兼ねるものである。本実施の形態では、第１採熱ユニット１０と第２採熱ユニット２０とが、同様の構成となっている。
【００１６】
第１採熱ユニット１０は、第１の揚水井戸としての第１揚水井戸１１と、第１の地中熱採熱管としての第１採熱管１２とを有している。第１採熱ユニット１０は、地表Ｇｓよりも下部である地中に設置されている。本実施の形態では、第１揚水井戸１１及び第１採熱管１２が帯水層に埋設されている。帯水層は、地層を構成する粒子の間隙が大きく、地下水によって飽和されている透水層である。地下水は、地質（地層）に応じて被圧地下水又は自由地下水となっている。本実施の形態では、地中に原地下水面Ｓ０が存在している。原地下水面Ｓ０は、地下水Ｇｗが揚水井戸を介して揚水される前の地下水面である。本実施の形態の第１採熱ユニット１０は、１本の第１揚水井戸１１と複数本の第１採熱管１２とを有している。
【００１７】
第１揚水井戸１１は、揚水ポンプ１１ｐ及びこれに接続された揚水管１１ｖがスリーブ１１ｓの中に配設されて構成されている。スリーブ１１ｓは、典型的には円筒状の部材でその軸線が鉛直になるように配設されている。スリーブ１１ｓは、典型的には、地下水Ｇｗは通すが土を通さないスリット状の細孔が側面に形成されているが、細孔はなくてもよい。スリーブ１１ｓの内部は、土が入らずに地下水Ｇｗが充填されており、原地下水面Ｓ０が現れるようになっている。本実施の形態では、スリーブ１１ｓの上端が第１水槽１５の底面により塞がれている。揚水ポンプ１１ｐは、原地下水面Ｓ０よりも深部の帯水層に設置されており、例えば原地下水面Ｓ０から３０ｍ〜６０ｍの深さに設置されている。揚水管１１ｖは、一端が揚水ポンプ１１ｐの吐出側に接続されており、他端が第１水槽１５の底面を貫通している。
【００１８】
第１揚水井戸１１が１本である本実施の形態では、揚水ポンプ１１ｐの起動により地下水Ｇｗが揚水されると、第１揚水井戸１１まわりの地下水面が低下して、第１揚水井戸１１上のある点を頂点とする逆円錐状の地下水面が現れる。この、第１揚水井戸１１からの地下水Ｇｗの揚水によって低下した地下水面を第１の低下水面Ｓ１といい（以下「第１低下水面Ｓ１」という。）、原地下水面Ｓ０と第１低下水面Ｓ１とによって囲まれた領域を第１の地下水枯渇領域である第１枯渇領域Ｔ１ということとする。原地下水面Ｓ０と第１低下水面Ｓ１とは、同時に現れずに時間差で現れるが、第１枯渇領域Ｔ１の概念における原地下水面Ｓ０は揚水開始前のものとして考える。第１枯渇領域Ｔ１は、第１揚水井戸１１からの地下水Ｇｗの揚水によって出現し、揚水前には出現していない。
【００１９】
第１採熱管１２は、地中熱を利用場所に搬送する熱媒体Ｈｍを内部に流す部材であり、典型的には軸線を鉛直に向けて、第１枯渇領域Ｔ１に主に配設されている。「主に配設され」とは、表面積の少なくとも半分以上が、好ましくは７０％以上が、より好ましくは９０％以上が第１枯渇領域Ｔ１に存在する状態である。第１採熱管１２の全体が第１枯渇領域Ｔ１に存在（つまり表面積の１００％が第１枯渇領域Ｔ１に存在）していてもよい。
【００２０】
ここで図２を参照して第１採熱管１２の詳細を説明する。図２は、地中熱採熱システム１の構成要素である第１採熱管１２まわりを説明する図であり、（ａ）は第１採熱ユニット１０の平面図、（ｂ）は第１採熱管１２が透明であると仮定したときの透視斜視図である。まず、図２（ａ）を参照して第１採熱管１２の平面的な配置について説明する。本実施の形態では、地表から見て（平面視において）正方形の第１水槽１５を囲むように、８本の第１採熱管１２が配設されている。第１水槽１５の中央（対角線の交点）には第１揚水井戸１１が配設されている。隣り合う第１採熱管１２の間の距離Ｌ１は、隣接する第１採熱管１２における熱媒体Ｈｍと地中との熱交換に影響を与えない距離以上とすることが好ましい。また、第１揚水井戸１１と第１採熱管１２との距離は、第１低下水面Ｓ１（図１参照）が逆円錐状となることに鑑みて、第１採熱管１２の表面積が第１枯渇領域Ｔ１（図１参照）に極力多く存在することとなる距離にとどめることが好ましい。これらの事情を考慮して、本実施の形態では、隣り合う第１採熱管１２の軸線間の距離Ｌ１を４〜５ｍ、第１揚水井戸１１を中心とする半径Ｌ２が７．１ｍの仮想円の中にすべての第１採熱管１２の軸線が含まれる態様で、第１採熱管１２を配設している。なお、距離Ｌ１は、地質の熱伝導率によって適宜調節することができ（例えば熱伝導率が小さければ間隔を狭くする）、それに応じて半径Ｌ２も調節することができる。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、第１採熱管１２は、地中に接する外管１２ｓと、外管１２ｓ内に配設されて外管１２ｓに熱媒体Ｈｍを導入する導入管１２ｃと、外管１２ｓの上部側壁に接続されて外管１２ｓ内の熱媒体Ｈｍを第１採熱管１２の外に導出する導出管１２ｄとを有している。本実施の形態では、導入管１２ｃが外管１２ｓと同軸に配設されている。導入管１２ｃは、外管１２ｓ内の下部であって外管１２ｓの底面のやや上方で下端が開口しており、上端は外管１２ｓの上端に設けられた蓋（不図示）又は外管１２ｓの上部側面を貫通して外管１２ｓの外側に延びている。外管１２ｓは、地中との熱伝達率を向上させる観点から比較的熱伝導率が高い材料である鋼管を用いるとよい。導入管１２ｃは、導入管１２ｃ内外における熱媒体Ｈｍ間の熱伝達を抑制する観点から樹脂管を用いるのが好ましいが、強度を向上させる観点から鋼管を用いてもよい。図２（ａ）の平面図に示すように、複数の第１採熱管１２のそれぞれは、導入管１２ｃの上端が導入枝管４１ｃに接続され、導出管１２ｄが導出枝管４６ｄに接続されている。各導入枝管４１ｃは第１往管４１に接続されており、１つの流路を構成する第１往管４１から各導入枝管４１ｃに熱媒体Ｈｍが分配されるように構成されている。各導出枝管４６ｄは第１還管４６に接続されており、１つの流路を構成する第１還管４６に各導出枝管４６ｄからの熱媒体Ｈｍが集合するように構成されている。熱媒体Ｈｍは典型的には水であり、熱媒体Ｈｍの系統は地中の地下水Ｇｗと混合しないように構成されている。
【００２２】
なお、図２（ｃ）に示す変形例に係る第１採熱管１２Ａのように、第１採熱管１２（図２（ｂ）参照）における導出管１２ｄに相当する導出管１２ｅを、外管１２ｓの側壁に接続することに代えて、外管１２ｓ内に導入管１２ｃと並べて配設してもよい。このとき、導出管１２ｅの下端は、導入管１２ｃの下端よりも上方で、典型的には外管１２ｓ内の極力上部で開口することが好ましい。また、導出管１２ｅの上端は外管１２ｓを貫通して外管１２ｓの外側に延びている。
【００２３】
再び図１に戻って、適宜図２を参照して、地中熱採熱システム１の構成の説明を続ける。第１水槽１５は、導入した地下水Ｇｗを地中に浸透させる浸透水槽である。第１水槽１５は、例えば地中と接する面に透水シートや浸透孔を有していて内部の地下水Ｇｗを外側の地中に浸透させることができるように構成されているが、その他公知の地下水を浸透可能な構造が採用されていてもよい。第１水槽１５は、原地下水面Ｓ０よりも上方に設置されている。本実施の形態では、第１水槽１５の底面も含めて全体が原地下水面Ｓ０よりも上方に設置されている。このように構成されていると、内部の地下水Ｇｗを帯水層に拡散する際の位置ヘッドを大きくとることができる。第１水槽１５の底面には上述のようにスリーブ１１ｓが接触しているが、揚水管１１ｖは第１水槽１５の底面を貫通して第１水槽１５内に配設された第１搬出管１３に接続されている。
【００２４】
第２採熱ユニット２０は、本実施の形態では、上述のように第１採熱ユニット１０と同一構造に構成されている。具体的には、第２採熱ユニット２０は、第１採熱ユニット１０の第１揚水井戸１１及び第１採熱管１２に対応する構成として、第２揚水井戸２１及び第２採熱管２２を有している。第２揚水井戸２１は、第１揚水井戸１１の揚水ポンプ１１ｐ、揚水管１１ｖ及びスリーブ１１ｓに対応する、揚水ポンプ２１ｐ、揚水管２１ｖ及びスリーブ２１ｓをそれぞれ有している。第２採熱管２２は、第１採熱管１２の外管１２ｓ、導入管１２ｃ及び導出管１２ｄに対応する、外管２２ｓ、導入管２２ｃ及び導出管２２ｄをそれぞれ有している。第２採熱ユニット２０と第１採熱ユニット１０とが、揚水ポンプ１１ｐ、２１ｐの容量や浸透水槽のサイズ等も含めて同一構造（対称の配置も含む）であると、設計が共通となり、施工も容易になる。
【００２５】
図３も併せて参照して理解されるように、第２採熱ユニット２０においては、第１採熱ユニット１０における第１低下水面Ｓ１及び第１枯渇領域Ｔ１に対応する概念として、第２の低下水面Ｓ２（第２揚水井戸２１からの地下水Ｇｗの揚水によって低下した地下水面であり、以下「第２低下水面Ｓ２」という。）及び第２の地下水枯渇領域である第２枯渇領域Ｔ２が存在する。第２枯渇領域Ｔ２は、原地下水面Ｓ０と第２低下水面Ｓ２とによって囲まれた領域である。また、スリーブ２１ｓの上方の原地下水面Ｓ０よりも上方には、第２水槽２５が設置されている。第２水槽２５の底面にはスリーブ２１ｓが接触しているが、揚水管２１ｖは第２水槽２５の底面を貫通して第２水槽２５内に配設された第２搬出管２３に接続されている。また、地表Ｇｓから見て（平面視において）、第１採熱ユニット１０は第２枯渇領域Ｔ２の外側に設けられており、第２採熱ユニット２０は第１枯渇領域Ｔ１の外側に設けられている。
【００２６】
第２採熱管２２は、本実施の形態では、平面視において正方形の第２水槽２５を囲むように８本が、典型的には軸線を鉛直に向けて、第２枯渇領域Ｔ２に主に配設されている。複数の第２採熱管２２のそれぞれは、導入管２２ｃの上端が導入枝管４２ｃに接続され、導出管２２ｄが導出枝管４７ｄに接続されている。各導入枝管４２ｃは第２往管４２に接続されており、１つの流路を構成する第２往管４２から各導入枝管４２ｃに熱媒体Ｈｍが分配されるように構成されている。各導出枝管４７ｄは第２還管４７に接続されており、１つの流路を構成する第２還管４７に各導出枝管４７ｄからの熱媒体Ｈｍが集合するように構成されている。
【００２７】
第１水槽１５を通った第１搬出管１３は、共通搬出管３３及び第２搬出管２４に接続されている。第２搬出管２４の他端（末端）は第１水槽１５内で開口している。第２搬出管２４には、内部を流れる地下水Ｇｗの流路を遮断可能な開閉弁２４ｖが配設されている。共通搬出管３３の他端は、第２水槽２５側で第２搬出管２３及び第１搬出管１４に接続されている。第１搬出管１４の他端は第２水槽２５内で開口している。第１搬出管１４には、内部を流れる地下水Ｇｗの流路を遮断可能な開閉弁１４ｖが配設されている。開閉弁１４ｖを開けて開閉弁２４ｖを閉じることで第１揚水井戸１１から揚水された地下水Ｇｗを第２水槽２５に流入させることができ、開閉弁２４ｖを開けて開閉弁１４ｖを閉じることで第２揚水井戸２１から揚水された地下水Ｇｗを第１水槽１５に流入させることができるように構成されている。このとき、共通搬出管３３は第１の搬出管と第２の搬出管とを兼ねるので、イニシャルコストの低減及び施工の簡素化を図ることができる。
【００２８】
地中熱採熱システム１は、熱源機器としてのヒートポンプチラー５１をも備えている。ヒートポンプチラー５１は、熱媒体Ｈｍを熱源として冷温水ＣＨの温度を調節する機器である。冷温水ＣＨは、典型的には二次側配管４９を介して冷房や暖房が行われる熱利用場所とヒートポンプチラー５１との間を循環する。冷温水ＣＨは、二次側ポンプ４９ｐの起動により熱利用場所へ搬送されて利用され、熱が利用された後に再びヒートポンプチラー５１に戻る。ヒートポンプチラー５１には、二次側配管４９のほか、熱媒体Ｈｍを導出する主往管４３と、熱媒体Ｈｍを導入する主還管４８とが接続されている。主還管４８には、熱媒体Ｈｍを流動させる熱媒体ポンプ４８ｐが配設されている。なお、地中熱採熱システム１で用いられるヒートポンプチラー５１は汎用品で足りる。
【００２９】
主往管４３の他端には、第１往管４１及び第２往管４２が接続されている。第１往管４１は主往管４３と各導入枝管４１ｃとを仲介する配管であり、第２往管４２は主往管４３と各導入枝管４２ｃとを仲介する配管である。第１往管４１には、内部を流れる熱媒体Ｈｍの流路を遮断可能な開閉弁４１ｖが配設されている。第２往管４２には、内部を流れる熱媒体Ｈｍの流路を遮断可能な開閉弁４２ｖが配設されている。主還管４８の他端には、第１還管４６及び第２還管４７が接続されている。第１還管４６は主還管４８と各導出枝管４６ｄとを仲介する配管であり、第２還管４７は主還管４８と各導出枝管４７ｄとを仲介する配管である。第１還管４６には、内部を流れる熱媒体Ｈｍの流路を遮断可能な開閉弁４６ｖが配設されている。第２還管４７には、内部を流れる熱媒体Ｈｍの流路を遮断可能な開閉弁４７ｖが配設されている。
【００３０】
引き続き図１乃至図３を参照して地中熱採熱システム１の作用を説明する。地中の帯水層の温度は、年間を通じて約１５℃〜１８℃程度で安定している。以下に、地中から冷熱を採取する例を説明する。当初、地下水Ｇｗの水面は原地下水面Ｓ０にあり、原地下水面Ｓ０より上方の第１揚水井戸１１及び第２用水井戸２１は内部が空になっており、第１水槽１５及び第２水槽２５の内部が空になっている。第１採熱管１２及び第２採熱管２２は、熱媒体Ｈｍの流路を構成するクローズド流路であるため、地下水Ｇｗの水面変動にかかわらず熱媒体Ｈｍが充満している。
【００３１】
まず、第１採熱ユニット１０側から冷熱を採取する場合を説明する。第１採熱ユニット１０から地中熱を採熱する場合は、開閉弁４１ｖ及び開閉弁４６ｖを開にし、開閉弁４２ｖ及び開閉弁４７ｖを閉にする。この状態で熱媒体ポンプ４８ｐを起動すると、熱媒体Ｈｍは流動する。このとき、ヒートポンプチラー５１の熱媒体Ｈｍは、主往管４３を介して第１往管４１を流れ、各導入枝管４１ｃに分配される。導入枝管４１ｃに流入した熱媒体Ｈｍは、第１採熱管１２の導入管１２ｃに流入する。このときの熱媒体Ｈｍは、地中の温度よりも高い温度になっている。導入管１２ｃを流れる熱媒体Ｈｍは、下端の開口から外管１２ｓ内に流出し、上部に接続されている導出管１２ｄに向かって上昇する。
【００３２】
熱媒体Ｈｍは、外管１２ｓ内を上昇しているときに地中と熱交換することにより地中熱を採熱する。ここでは、両者の熱交換により熱媒体Ｈｍの温度が低下して地中の温度が上昇する。つまり、ここでの熱媒体Ｈｍは、地中から冷熱を採熱する。冷熱を採取して温度が低下した熱媒体Ｈｍは、導出管１２ｄを介して第１採熱管１２から流出し、導出枝管４６ｄを流れて第１還管４６に至る。第１還管４６には、各導出枝管４６ｄから熱媒体Ｈｍが集合する。第１還管４６を流れる熱媒体Ｈｍは、主還管４８を介してヒートポンプチラー５１に流入する。ヒートポンプチラー５１に流入した熱媒体Ｈｍは、ヒートポンプチラー５１内で冷凍サイクルを行う冷媒（不図示）を冷却し、自身は温度が上昇して、ヒートポンプチラー５１から導出される。温度が上昇した熱媒体Ｈｍは、上述の要領で、第１採熱管１２に搬送され、地中との熱交換により冷却された後に再びヒートポンプチラー５１に戻されるという作用を繰り返す。なお、ヒートポンプチラー５１内で熱媒体Ｈｍに冷却された冷媒（不図示）は、液体の状態で減圧されたうえで冷温水ＣＨと熱交換し、蒸発する際の潜熱を冷温水ＣＨから奪うことにより冷温水ＣＨを冷却する。冷却された冷温水ＣＨは、熱利用場所に搬送されて冷房等の利用（蓄熱を含む）に供される。地中熱の採熱は、地質にもよるが、およそ１日〜５日程度かけて、長い場合は半月程度かけて、さらに長い場合は１月程度かけて行われる。
【００３３】
さて、上述の要領で熱媒体Ｈｍが地中の冷熱を採取していると、地中の温度が次第に上昇して行き、地中と熱媒体Ｈｍとの温度差が小さくなって、期待するほど地中の冷熱を採取することができなくなる。それでも地中熱の採熱を続けると、最終的には地中が熱的に飽和してしまい、地中の冷熱で熱媒体Ｈｍを冷却することができなくなってしまう。このような不都合を回避するために、地中熱採熱システム１では、地中と熱媒体との交換熱量が低下してきたら、地中熱の採取先を第１採熱ユニット１０から第２採熱ユニット２０へと切り替える。地中熱の採取先を切り替えるタイミングは、ヒートポンプチラー５１に流入する熱媒体Ｈｍの温度を計測する温度センサ（不図示）を設け、その温度センサ（不図示）で計測した温度が所定の温度以下になったときに行ってもよく、あるいは熱媒体ポンプ４８ｐを起動してから予め決められた時間が経過したときに行ってもよい。
【００３４】
地中熱の採取先を切り替える際は、開閉弁４２ｖ及び開閉弁４７ｖを開にし、次いで開閉弁４１ｖ及び開閉弁４６ｖを閉にする。すると、ヒートポンプチラー５１から流出して主往管４３を流れる熱媒体Ｈｍは、第２往管４２を流れ、各導入枝管４２ｃに分配される。導入枝管４２ｃに流入した熱媒体Ｈｍは、第２採熱管２２の導入管２２ｃに流入する。導入管２２ｃを流れる熱媒体Ｈｍは、下端の開口から外管２２ｓ内に流出し、上部に向かって上昇する。熱媒体Ｈｍは、外管２２ｓ内を上昇しながら地中と熱交換し、熱媒体Ｈｍの温度が低下して地中の温度が上昇する。冷熱を採取して温度が低下した熱媒体Ｈｍは、導出管２２ｄを介して第２採熱管２２から流出し、導出枝管４７ｄを流れて第２還管４７に至る。各導出枝管４７ｄから第２還管４７に熱媒体Ｈｍが集合し、第２還管４７を流れる熱媒体Ｈｍは、主還管４８を介してヒートポンプチラー５１に流入する。ヒートポンプチラー５１に流入した熱媒体Ｈｍは、ヒートポンプチラー５１内で冷凍サイクルを行う冷媒（不図示）を冷却し、自身は温度が上昇して、ヒートポンプチラー５１から導出され、以下同様の作用を繰り返す。
【００３５】
このように、地中熱の採取先を第１採熱ユニット１０から第２採熱ユニット２０へ適切に切り替えることにより、継続して地中熱を採熱することができる。ところで、上述のように、熱媒体Ｈｍとの交換熱量が減少した第１採熱ユニット１０から、地中熱を採熱可能な第２採熱ユニット２０に地中熱の採取先を切り替えた後、第１採熱ユニット１０の第１採熱管１２まわりの地中温度が元通りの地中熱を採熱可能な温度（例えば１５℃〜１８℃）に戻るまでには、相当の時間を要することが多い。第１採熱管１２まわりの地中温度が地中熱を採熱可能な温度に戻る前に、第２採熱ユニット２０の第２採熱管２２まわりの地中が熱飽和してしまうと、継続した地中熱の採熱が困難になる。そこで、地中熱採熱システム１では、地中熱の採取先を第１採熱ユニット１０から第２採熱ユニット２０へと切り替えた後の適切な時期（典型的には第２採熱管２２まわりの地中が熱飽和する前に第１採熱ユニット１０の第１採熱管１２まわりの地中温度が元通りになるタイミング）に、以下のような運転を行う。
【００３６】
まず、開閉弁２４ｖを閉じ、開閉弁１４ｖを開けたうえで、揚水ポンプ１１ｐを起動する。すると、揚水ポンプ１１ｐによって揚水された地下水Ｇｗは、第１採熱ユニット１０側の第１搬出管１３、共通搬出管３３、第２採熱ユニット２０側の第１搬出管１４を流れて第２水槽２５に流入する。これにより、地下水Ｇｗの水面が、原地下水面Ｓ０から第１揚水井戸１１を中心として徐々に低下して行き、いずれ図１に示すように第１低下水面Ｓ１となる。本実施の形態では、およそ１日〜２日程度かけて原地下水面Ｓ０から第１低下水面Ｓ１に低下する流量で揚水ポンプ１１ｐを運転することとしている。地質にもよるが、一般に帯水層における地下水の含有率は１０〜１５％であるため、揚水ポンプ１１ｐの吐出流量は比較的少なく、本実施の形態の揚水ポンプ１１ｐは１．５ｋＷ〜２．２ｋＷ程度のもので足りる。さらに地下水Ｇｗの流動速度を考慮して、第１枯渇領域Ｔ１分の地下水Ｇｗを約１日〜２日程度かけて第１水槽１５に搬送する。揚水ポンプ１１ｐの起動により比較的温度が高い地下水Ｇｗが第１搬出管１４から第２水槽２５に流入するが、第１搬出管１４から第２水槽２５に流入する地下水Ｇｗの流量が少ないため、第２採熱管２２まわりの地中熱の採熱に影響を及ぼさない。
【００３７】
地下水Ｇｗの水面が第１低下水面Ｓ１まで低下することで、第１採熱管１２の主な部分のまわりの地下水Ｇｗが一旦取り除かれて第１枯渇領域Ｔ１が現れる。このとき、揚水ポンプ１１ｐで揚水された地下水Ｇｗの搬送先である第２水槽２５が、平面視において第１枯渇領域Ｔ１の外側に設置されているので、揚水ポンプ１１ｐで揚水された地下水Ｇｗが直ちに第１枯渇領域Ｔ１へとショートサーキットすることがない。第１採熱管１２の主な部分のまわりの地下水Ｇｗが取り除かれたら、揚水ポンプ１１ｐを停止する。すると、第１低下水面Ｓ１まで低下した地下水Ｇｗの水面は原地下水面Ｓ０まで戻ろうとし、第１枯渇領域Ｔ１の外側の地下水Ｇｗが被圧により第１枯渇領域Ｔ１内に流入してくる。このとき、第２水槽２５周辺は第２水槽２５内の水位だけ位置ヘッドが加わっているが、一般にこの位置ヘッドよりも被圧の方が大きいため、第１枯渇領域Ｔ１外側の地下水Ｇｗが第１枯渇領域Ｔ１内に入る。第２水槽２５内の地下水Ｇｗは、周囲の地中にゆっくりと拡散して行く過程で地中の温度（例えば１５℃〜１８℃）に近づいて行き、いずれ元の地中温度となる。地下水Ｇｗが地中を流動する速度は地質により異なるが、本実施の形態では、揚水ポンプ１１ｐを停止してからおよそ２日〜４日程度かけて、地下水Ｇｗの水面が第１低下水面Ｓ１から原地下水面Ｓ０に戻る。新たに流入してきた第１採熱管１２まわりの地下水Ｇｗは、先に第１採熱管１２まわりで行われた熱交換の影響を受けていないものなので、元の地中温度に戻っている。このように熱交換が行われた地下水Ｇｗを入れ替えることで、入れ替えない場合に比べて早く地中温度を元の温度に戻すことができる。
【００３８】
このように、第１採熱ユニット１０側の地中温度が元に戻っていると、現在地中熱を採取している第２採熱ユニット２０側の採取冷熱量が減少してきたときに、地中熱の採取先を第２採熱ユニット２０から第１採熱ユニット１０へと切り替えることにより、継続して地中熱を採熱することができる。そして、今度は第２採熱ユニット２０側の地中温度を元に戻すべく、開閉弁１４ｖを閉じ、開閉弁２４ｖを開けたうえで、揚水ポンプ２１ｐを起動して、揚水ポンプ２１ｐで揚水した地下水Ｇｗを第１水槽１５に搬送し、地下水Ｇｗの水面を図３に示すように第２低下水面Ｓ２まで低下させて、第２採熱管２２の主な部分のまわりの地下水Ｇｗを一旦取り除く。第２採熱管２２の主な部分のまわりの地下水Ｇｗが取り除かれたら、揚水ポンプ２１ｐを停止して、第２枯渇領域Ｔ２の外側の地下水Ｇｗを第２枯渇領域Ｔ２内に流入させ、第２採熱ユニット２０側の地中温度を早期に元に戻す。このように、地中熱の採取先の切り替え及び地下水Ｇｗの入れ替えを、第１採熱ユニット１０側と第２採熱ユニット２０側とで適宜行うことにより、安定的に継続して地中熱を採熱することが可能となる。なお、地下水Ｇｗの入れ替えを考慮すると、地中熱の採取先を切り替えるタイミングは、上述した、温度センサ（不図示）で計測した温度が所定の温度以下になったときや、熱媒体ポンプ４８ｐを起動してから予め決められた時間が経過したときのほか、揚水ポンプ１１ｐ（又は揚水ポンプ２１ｐ）を停止してから、第１枯渇領域Ｔ１（又は第２枯渇領域Ｔ２）に地中熱を採熱可能な程度に再び地下水Ｇｗが満たされるまでの時間を予め計測しておいた、当該時間が経過したときとしてもよい。
【００３９】
これまで説明したように、本発明の本実施の形態に係る地中熱採熱システム１は、従来のように単に地中熱採熱管まわりで地下水を循環させるのではなく、地中熱の採取先の切り替え及び地下水Ｇｗの入れ替えを、第１採熱ユニット１０側と第２採熱ユニット２０側とで適宜行うので、安定的に継続して地中熱を採熱することができる。また、地下水Ｇｗを直接ヒートポンプチラー５１に導入せずに熱媒体Ｈｍを介して地中熱を利用しているので、地下水Ｇｗの揚水流量とヒートポンプチラー５１への熱媒体Ｈｍの導入流量とを個別に制御することができて安定した地中熱の採熱ができると共に、異物が混入した水がヒートポンプチラー５１に導入されることを回避することができて熱源機器の長寿命化を図ることができる。
【００４０】
以上では冷熱を採取する場合で説明したが、温熱を採取する場合も適用できることはいうまでもない。温熱を採取する際は、導入管１２ｃ、２２ｃから外管１２ｓ、２２ｓに流入する熱媒体Ｈｍの温度が地中の温度よりも低くなっており、地中熱を採熱して温度が上昇した熱媒体Ｈｍは、ヒートポンプチラー５１においてヒートポンプサイクルを行う冷媒（不図示）に温熱を与えて自身は温度が低下することとなる。
【００４１】
以上の説明では、地中熱採熱システム１は第１水槽１５と第２水槽２５とを備えているとしたが、第１（第２）揚水井戸１１（１２）から揚水した地下水Ｇｗを第１（第２）枯渇領域Ｔ１（Ｔ２）の外側に導くこととすれば、第１水槽１５及び／又は第２水槽２５を設けずに、揚水した地下水Ｇｗを直接地中に戻してもよく、あるいは揚水した地下水Ｇｗを地中に戻す必要がない場合は生活用水等として使用してもよい。また、第１水槽１５及び／又は第２水槽２５を設ける場合も、例えば第１（第２）枯渇領域Ｔ１（Ｔ２）の外側に位置する建物のピットを第１（第２）水槽１５（２５）として用いてもよい。
【００４２】
以上の説明では、スリーブ１１ｓ（２１ｓ）及び第１（第２）採熱管１２（２２）が、その軸線が鉛直になるように配設されているとしたが、軸線が斜めあるいは水平になるように配設されていてもよい。しかしながら、第１（第２）採熱管１２（２２）の主な部分のまわりの地下水Ｇｗを取り除くのが容易となるように平面における地下水除去部分の面積を小さくする観点から及び地中熱採熱システム１の設置面積を小さくする観点から、軸線が鉛直になるように配設されていることが好ましい。
【００４３】
以上の説明では、複数の第１採熱管１２が地表から見て正方形に設置されているとしたが、第１揚水井戸１１を中心とした半径Ｌ２の円周上に設置されていてもよく、あるいは第１枯渇領域Ｔ１内に主な部分が存在することとなれば熱汚染（ここでは、ある第１採熱管１２が他の第１採熱管１２によって地中との熱交換が阻害されることをいう。）を生じない範囲でランダムに設置されていてもよい。
【００４４】
以上の説明では、地中熱採熱システム１がヒートポンプチラー５１を備えることしたが、熱媒体Ｈｍが保有する冷熱又は温熱を直接利用してもよい。また、熱源機器がヒートポンプチラー５１であるとしたが、冷凍機等その他の熱源機器であってもよい。
【００４５】
以上の説明では、第１採熱ユニット１０が、地表から見て（平面視において）、１本の第１揚水井戸１１を複数本の第１採熱管１２が囲んで配置されているとしたが、以下のように構成されていてもよい。
図４は、本発明の実施の形態の変形例に係る地中熱採熱システムを構成する地中熱採熱ユニット（以下「第１採熱ユニット１０Ａ」という。）の部分概略構成図である。第１採熱ユニット１０Ａの、第１採熱ユニット１０（図１〜３参照）と異なる点は、第１揚水井戸１１（図１〜３参照）と同様の構成の揚水井戸を２つ備え（第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂ）、２つの第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂの間に第１採熱管１２が設置されている点である。なお、図４では第１採熱管１２が１本になっているが、図示されているのは最低限設置される第１採熱管１２であり、実際には図示していない第１採熱管１２も設置されている。このとき、典型的には、各第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂをそれぞれ囲むように複数の第１採熱管１２が設置されており、複数設置された第１採熱管１２のうちの少なくとも１つ（典型的には複数）が２つの第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂの間に設置される第１採熱管１２となる。２つの第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂの間隔は、距離Ｌ１（図２（ａ）参照）の１．３〜３倍程度、好ましくは２倍とするとよい。上記以外の第１搬出管１３等の構成は第１採熱ユニット１０（図１〜３参照）と同様である。
【００４６】
上記のように構成された第１採熱ユニット１０Ａでは、熱媒体Ｈｍと地中との交換熱量が減少して地中熱の採取先を第２の地中熱採熱ユニット側に切り替えたときに、２つの第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂがそれぞれ有する揚水ポンプ１１ｐＡ、１１ｐＢを同時に起動する。両揚水ポンプ１１ｐＡ、１１ｐＢで地下水Ｇｗが揚水されることによって、地下水Ｇｗの水面が、原地下水面Ｓ０から徐々に低下して行き、いずれ図４に示すような第１低下水面Ｓ１Ａとなる。第１採熱ユニット１０Ａにおける第１低下水面Ｓ１Ａは、図４に示すように、２つの第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂの間で水平に近い上方に凸のアーチ状となる。図４から明らかなように、第１採熱ユニット１０Ａでは、２つの第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂの間の第１枯渇領域Ｔ１が、当該間の第１低下水面Ｓ１Ａが下がる分だけ大きくなる。これにより、当該部分に設置された第１採熱管１２のまわりの地下水Ｇｗを取り除く部分を大きくすることができ、第１採熱管１２のまわりの地下水Ｇｗの入れ替えを確実に行うことが可能になる。なお、第２の地中熱採熱ユニット側も、第１採熱ユニット１０Ａと同様の構成の第２採熱ユニット２０Ａとしてもよい。
【００４７】
以上の説明では、地中熱採熱システム１は第１採熱ユニット１０（１０Ａ）と第２採熱ユニット２０（２０Ａ）とが同様の構成となっているとしたが、第１（第２）揚水井戸１１（２１）及び／又は第１（第２）採熱管１２（２２）の配置や数、あるいは周囲の第１（第２）水槽１５（２５）の有無、第１（第２）搬出管１３、１４（２３、２４）の構成等を適宜変更して、第１採熱ユニット１０（１０Ａ）と第２採熱ユニット２０（２０Ａ）とが異なる構成となることとしてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１ 地中熱採熱システム
１０ 第１採熱ユニット
１１ 第１揚水井戸
１２ 第１採熱管
１３、１４ 第１搬出管
１５ 第１水槽
２０ 第２採熱ユニット
２１ 第２揚水井戸
２２ 第２採熱管
２３、２４ 第２搬出管
２５ 第２水槽
３３ 共通搬出管
Ｈｍ 熱媒体
Ｓ０ 原地下水面
Ｓ１ 第１低下水面
Ｓ２ 第２低下水面
Ｔ１ 第１枯渇領域
Ｔ２ 第２枯渇領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は地中熱採熱システムに関し、特に継続して地中熱を採熱可能な地中熱採熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる地球環境問題を背景に、自然エネルギー活用の一形態として、地中熱を採取し利用するシステムが近年採用され始めている。地中熱を採取する手法として、内部に流体の熱媒体を流す地中熱採熱管を地中に埋設し、熱媒体と地中とで熱交換させるものがある。このような手法で地中熱を採熱する際、地中熱の採取が進むにつれて熱媒体と地中との温度差が小さくなり、やがて地中熱が採取できなくなる熱飽和の状態が生じ得る。この、熱飽和により地中熱の採熱が不能になることを回避するべく、地中熱採熱管周辺の地下水を揚水し、その地中熱採熱管の上方に放出して、地中熱採熱管まわりの地下水を流動させた地中熱採熱システムがある（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４３４２号公報（図９等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の地中熱採熱システムでは、地下水を流動させた当初はよいものの、最終的には熱飽和してしまう場合があった。
【０００５】
本発明は上述の課題に鑑み、継続して地中熱を採熱可能な地中熱採熱システム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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る地中熱採熱システムは、例えば図１に示すように、揚水する前の地下水面である原地下水面Ｓ０よりも上方に地下水Ｇｗを揚水する第１の揚水井戸１１と、第１の揚水井戸１１からの地下水Ｇｗの揚水によって低下した地下水面である第１の低下水面Ｓ１と原地下水面Ｓ０とで囲まれた第１の地下水枯渇領域Ｔ１に主に配設された第１の地中熱採熱管１２であって、地中熱と熱交換する熱媒体Ｈｍを内部に流す第１の地中熱採熱管１２と、を有する第１の地中熱採熱ユニット１０と；地表から見て第１の地下水枯渇領域Ｔ１の外側に設けられた第２の地中熱採熱ユニット２０であって、原地下水面Ｓ０よりも上方に地下水Ｇｗを揚水する第２の揚水井戸２１と、第２の揚水井戸２１からの地下水Ｇｗの揚水によって低下した地下水面である第２の低下水面Ｓ２（例えば図３参照）と原地下水面Ｓ０とで囲まれた第２の地下水枯渇領域Ｔ２（例えば図３参照）に主に配設された第２の地中熱採熱管２２であって、地中熱と熱交換する熱媒体Ｈｍを内部に流す第２の地中熱採熱管２２と、を有する第２の地中熱採熱ユニット２０と；第１の揚水井戸１１から揚水した地下水Ｇｗを、地表から見て第１の地下水枯渇領域Ｔ１の外側に導く第１の搬出管１３、３３、１４と；第２の揚水井戸２１から揚水した地下水Ｇｗを、地表から見て第２の地下水枯渇領域Ｔ２（例えば図３参照）の外側に導く第２の搬出管２３、３３、２４とを備える。
【０００７】
このように構成すると、第１の地中熱採熱管における熱媒体と地中との交換熱量が少なくなったときに、第１の地中熱採熱管の周囲の地下水を第１の揚水井戸から揚水して、地表から見て第１の地下水枯渇領域の外側に導くことにより、新たな地下水を第１の地下水枯渇領域に誘導することができて再び第１の地中熱採熱管における熱媒体と地中との交換熱量を増加させることができると共に、第１の地下水枯渇領域が新たな地下水で満たされるまでは第２の地中熱採熱管において熱媒体と地中との熱交換を行わせることができて、継続して地中熱を採熱することができる。
【０００８】
また、本発明の第２の態様に係る地中熱採熱システムは、例えば図４に示すように、上記本発明の第１の態様に係る地中熱採熱システムにおいて、第１の揚水井戸１１が複数本あり、複数の第１の揚水井戸１１Ａ、１１Ｂの間に第１の地中熱採熱管１２が配設されている。
【０００９】
このように構成すると、複数の第１の揚水井戸から同時に地下水を揚水することで、第１の地下水枯渇領域の深部側をより拡大することが可能になり、第１の地中熱採熱管まわりの地下水の入れ替えをより確実に行うことが可能になる。
【００１０】
また、本発明の第３の態様に係る地中熱採熱システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様又は第２の態様に係る地中熱採熱システム１において、原地下水面Ｓ０よりも上方の、地表から見て第１の地下水枯渇領域Ｔ１の外側に設けられた浸透水槽２５であって、導入した地下水を地中に浸透させる浸透水槽２５を備え；第１の搬出管１４の末端が浸透水槽２５に接続されている。
【００１１】
このように構成すると、浸透水槽に導入された地下水のヘッドで地下水を地中へ浸透させることができると共に、地下水を地中に戻すこととなって地下水の汲み上げによって生じる地盤沈下等の悪影響を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１の地中熱採熱管における熱媒体と地中との交換熱量が少なくなったときに、第１の地中熱採熱管の周囲の地下水を第１の揚水井戸から揚水して、地表から見て第１の地下水枯渇領域の外側に導くことにより、新たな地下水を第１の地下水枯渇領域に誘導することができて再び第１の地中熱採熱管における熱媒体と地中との交換熱量を増加させることができると共に、第１の地下水枯渇領域が新たな地下水で満たされるまでは第２の地中熱採熱管において熱媒体と地中との熱交換を行わせることができて、継続して地中熱を採熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る地中熱採熱システムの、一方の地中熱採熱ユニット側の地下水面が低下した状態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る地中熱採熱システムの構成要素の図であり、（ａ）は地中熱採熱ユニットの平面図、（ｂ）は地中熱採熱管の透視斜視図、（ｃ）は変形例に係る地中熱採熱管の透視斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る地中熱採熱システムの、他方の地中熱採熱ユニット側の地下水面が低下した状態を示す概略構成図である。
【図４】本発明の実施の形態の変形例に係る地中熱採熱システムを構成する地中熱採熱ユニットの部分概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１５】
まず、図１を参照して、本発明の実施の形態に係る地中熱採熱システム１を説明する。図１は、地中熱採熱システム１の概略構成図である。地中熱採熱システム１は、第１の地中熱採熱ユニットとしての第１採熱ユニット１０と、第２の地中熱採熱ユニットとしての第２採熱ユニット２０と、第１の搬出管を構成する第１搬出管１３、１４と、第２の搬出管を構成する第２搬出管２３、２４と、共通搬出管３３と、第１水槽１５と、第２水槽２５とを備えている。共通搬出管３３は、第１の搬出管の一部及び第２の搬出管の一部を兼ねるものである。本実施の形態では、第１採熱ユニット１０と第２採熱ユニット２０とが、同様の構成となっている。
【００１６】
第１採熱ユニット１０は、第１の揚水井戸としての第１揚水井戸１１と、第１の地中熱採熱管としての第１採熱管１２とを有している。第１採熱ユニット１０は、地表Ｇｓよりも下部である地中に設置されている。本実施の形態では、第１揚水井戸１１及び第１採熱管１２が帯水層に埋設されている。帯水層は、地層を構成する粒子の間隙が大きく、地下水によって飽和されている透水層である。地下水は、地質（地層）に応じて被圧地下水又は自由地下水となっている。本実施の形態では、地中に原地下水面Ｓ０が存在している。原地下水面Ｓ０は、地下水Ｇｗが揚水井戸を介して揚水される前の地下水面である。本実施の形態の第１採熱ユニット１０は、１本の第１揚水井戸１１と複数本の第１採熱管１２とを有している。
【００１７】
第１揚水井戸１１は、揚水ポンプ１１ｐ及びこれに接続された揚水管１１ｖがスリーブ１１ｓの中に配設されて構成されている。スリーブ１１ｓは、典型的には円筒状の部材でその軸線が鉛直になるように配設されている。スリーブ１１ｓは、典型的には、地下水Ｇｗは通すが土を通さないスリット状の細孔が側面に形成されているが、細孔はなくてもよい。スリーブ１１ｓの内部は、土が入らずに地下水Ｇｗが充填されており、原地下水面Ｓ０が現れるようになっている。本実施の形態では、スリーブ１１ｓの上端が第１水槽１５の底面により塞がれている。揚水ポンプ１１ｐは、原地下水面Ｓ０よりも深部の帯水層に設置されており、例えば原地下水面Ｓ０から３０ｍ〜６０ｍの深さに設置されている。揚水管１１ｖは、一端が揚水ポンプ１１ｐの吐出側に接続されており、他端が第１水槽１５の底面を貫通している。
【００１８】
第１揚水井戸１１が１本である本実施の形態では、揚水ポンプ１１ｐの起動により地下水Ｇｗが揚水されると、第１揚水井戸１１まわりの地下水面が低下して、第１揚水井戸１１上のある点を頂点とする逆円錐状の地下水面が現れる。この、第１揚水井戸１１からの地下水Ｇｗの揚水によって低下した地下水面を第１の低下水面Ｓ１といい（以下「第１低下水面Ｓ１」という。）、原地下水面Ｓ０と第１低下水面Ｓ１とによって囲まれた領域を第１の地下水枯渇領域である第１枯渇領域Ｔ１ということとする。原地下水面Ｓ０と第１低下水面Ｓ１とは、同時に現れずに時間差で現れるが、第１枯渇領域Ｔ１の概念における原地下水面Ｓ０は揚水開始前のものとして考える。第１枯渇領域Ｔ１は、第１揚水井戸１１からの地下水Ｇｗの揚水によって出現し、揚水前には出現していない。
【００１９】
第１採熱管１２は、地中熱を利用場所に搬送する熱媒体Ｈｍを内部に流す部材であり、典型的には軸線を鉛直に向けて、第１枯渇領域Ｔ１に主に配設されている。「主に配設され」とは、表面積の少なくとも半分以上が、好ましくは７０％以上が、より好ましくは９０％以上が第１枯渇領域Ｔ１に存在する状態である。第１採熱管１２の全体が第１枯渇領域Ｔ１に存在（つまり表面積の１００％が第１枯渇領域Ｔ１に存在）していてもよい。
【００２０】
ここで図２を参照して第１採熱管１２の詳細を説明する。図２は、地中熱採熱システム１の構成要素である第１採熱管１２まわりを説明する図であり、（ａ）は第１採熱ユニット１０の平面図、（ｂ）は第１採熱管１２が透明であると仮定したときの透視斜視図である。まず、図２（ａ）を参照して第１採熱管１２の平面的な配置について説明する。本実施の形態では、地表から見て（平面視において）正方形の第１水槽１５を囲むように、８本の第１採熱管１２が配設されている。第１水槽１５の中央（対角線の交点）には第１揚水井戸１１が配設されている。隣り合う第１採熱管１２の間の距離Ｌ１は、隣接する第１採熱管１２における熱媒体Ｈｍと地中との熱交換に影響を与えない距離以上とすることが好ましい。また、第１揚水井戸１１と第１採熱管１２との距離は、第１低下水面Ｓ１（図１参照）が逆円錐状となることに鑑みて、第１採熱管１２の表面積が第１枯渇領域Ｔ１（図１参照）に極力多く存在することとなる距離にとどめることが好ましい。これらの事情を考慮して、本実施の形態では、隣り合う第１採熱管１２の軸線間の距離Ｌ１を４〜５ｍ、第１揚水井戸１１を中心とする半径Ｌ２が７．１ｍの仮想円の中にすべての第１採熱管１２の軸線が含まれる態様で、第１採熱管１２を配設している。なお、距離Ｌ１は、地質の熱伝導率によって適宜調節することができ（例えば熱伝導率が小さければ間隔を狭くする）、それに応じて半径Ｌ２も調節することができる。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、第１採熱管１２は、地中に接する外管１２ｓと、外管１２ｓ内に配設されて外管１２ｓに熱媒体Ｈｍを導入する導入管１２ｃと、外管１２ｓの上部側壁に接続されて外管１２ｓ内の熱媒体Ｈｍを第１採熱管１２の外に導出する導出管１２ｄとを有している。本実施の形態では、導入管１２ｃが外管１２ｓと同軸に配設されている。導入管１２ｃは、外管１２ｓ内の下部であって外管１２ｓの底面のやや上方で下端が開口しており、上端は外管１２ｓの上端に設けられた蓋（不図示）又は外管１２ｓの上部側面を貫通して外管１２ｓの外側に延びている。外管１２ｓは、地中との熱伝達率を向上させる観点から比較的熱伝導率が高い材料である鋼管を用いるとよい。導入管１２ｃは、導入管１２ｃ内外における熱媒体Ｈｍ間の熱伝達を抑制する観点から樹脂管を用いるのが好ましいが、強度を向上させる観点から鋼管を用いてもよい。図２（ａ）の平面図に示すように、複数の第１採熱管１２のそれぞれは、導入管１２ｃの上端が導入枝管４１ｃに接続され、導出管１２ｄが導出枝管４６ｄに接続されている。各導入枝管４１ｃは第１往管４１に接続されており、１つの流路を構成する第１往管４１から各導入枝管４１ｃに熱媒体Ｈｍが分配されるように構成されている。各導出枝管４６ｄは第１還管４６に接続されており、１つの流路を構成する第１還管４６に各導出枝管４６ｄからの熱媒体Ｈｍが集合するように構成されている。熱媒体Ｈｍは典型的には水であり、熱媒体Ｈｍの系統は地中の地下水Ｇｗと混合しないように構成されている。
【００２２】
なお、図２（ｃ）に示す変形例に係る第１採熱管１２Ａのように、第１採熱管１２（図２（ｂ）参照）における導出管１２ｄに相当する導出管１２ｅを、外管１２ｓの側壁に接続することに代えて、外管１２ｓ内に導入管１２ｃと並べて配設してもよい。このとき、導出管１２ｅの下端は、導入管１２ｃの下端よりも上方で、典型的には外管１２ｓ内の極力上部で開口することが好ましい。また、導出管１２ｅの上端は外管１２ｓを貫通して外管１２ｓの外側に延びている。
【００２３】
再び図１に戻って、適宜図２を参照して、地中熱採熱システム１の構成の説明を続ける。第１水槽１５は、導入した地下水Ｇｗを地中に浸透させる浸透水槽である。第１水槽１５は、例えば地中と接する面に透水シートや浸透孔を有していて内部の地下水Ｇｗを外側の地中に浸透させることができるように構成されているが、その他公知の地下水を浸透可能な構造が採用されていてもよい。第１水槽１５は、原地下水面Ｓ０よりも上方に設置されている。本実施の形態では、第１水槽１５の底面も含めて全体が原地下水面Ｓ０よりも上方に設置されている。このように構成されていると、内部の地下水Ｇｗを帯水層に拡散する際の位置ヘッドを大きくとることができる。第１水槽１５の底面には上述のようにスリーブ１１ｓが接触しているが、揚水管１１ｖは第１水槽１５の底面を貫通して第１水槽１５内に配設された第１搬出管１３に接続されている。
【００２４】
第２採熱ユニット２０は、本実施の形態では、上述のように第１採熱ユニット１０と同一構造に構成されている。具体的には、第２採熱ユニット２０は、第１採熱ユニット１０の第１揚水井戸１１及び第１採熱管１２に対応する構成として、第２揚水井戸２１及び第２採熱管２２を有している。第２揚水井戸２１は、第１揚水井戸１１の揚水ポンプ１１ｐ、揚水管１１ｖ及びスリーブ１１ｓに対応する、揚水ポンプ２１ｐ、揚水管２１ｖ及びスリーブ２１ｓをそれぞれ有している。第２採熱管２２は、第１採熱管１２の外管１２ｓ、導入管１２ｃ及び導出管１２ｄに対応する、外管２２ｓ、導入管２２ｃ及び導出管２２ｄをそれぞれ有している。第２採熱ユニット２０と第１採熱ユニット１０とが、揚水ポンプ１１ｐ、２１ｐの容量や浸透水槽のサイズ等も含めて同一構造（対称の配置も含む）であると、設計が共通となり、施工も容易になる。
【００２５】
図３も併せて参照して理解されるように、第２採熱ユニット２０においては、第１採熱ユニット１０における第１低下水面Ｓ１及び第１枯渇領域Ｔ１に対応する概念として、第２の低下水面Ｓ２（第２揚水井戸２１からの地下水Ｇｗの揚水によって低下した地下水面であり、以下「第２低下水面Ｓ２」という。）及び第２の地下水枯渇領域である第２枯渇領域Ｔ２が存在する。第２枯渇領域Ｔ２は、原地下水面Ｓ０と第２低下水面Ｓ２とによって囲まれた領域である。また、スリーブ２１ｓの上方の原地下水面Ｓ０よりも上方には、第２水槽２５が設置されている。第２水槽２５の底面にはスリーブ２１ｓが接触しているが、揚水管２１ｖは第２水槽２５の底面を貫通して第２水槽２５内に配設された第２搬出管２３に接続されている。また、地表Ｇｓから見て（平面視において）、第１採熱ユニット１０は第２枯渇領域Ｔ２の外側に設けられており、第２採熱ユニット２０は第１枯渇領域Ｔ１の外側に設けられている。
【００２６】
第２採熱管２２は、本実施の形態では、平面視において正方形の第２水槽２５を囲むように８本が、典型的には軸線を鉛直に向けて、第２枯渇領域Ｔ２に主に配設されている。複数の第２採熱管２２のそれぞれは、導入管２２ｃの上端が導入枝管４２ｃに接続され、導出管２２ｄが導出枝管４７ｄに接続されている。各導入枝管４２ｃは第２往管４２に接続されており、１つの流路を構成する第２往管４２から各導入枝管４２ｃに熱媒体Ｈｍが分配されるように構成されている。各導出枝管４７ｄは第２還管４７に接続されており、１つの流路を構成する第２還管４７に各導出枝管４７ｄからの熱媒体Ｈｍが集合するように構成されている。
【００２７】
第１水槽１５を通った第１搬出管１３は、共通搬出管３３及び第２搬出管２４に接続されている。第２搬出管２４の他端（末端）は第１水槽１５内で開口している。第２搬出管２４には、内部を流れる地下水Ｇｗの流路を遮断可能な開閉弁２４ｖが配設されている。共通搬出管３３の他端は、第２水槽２５側で第２搬出管２３及び第１搬出管１４に接続されている。第１搬出管１４の他端は第２水槽２５内で開口している。第１搬出管１４には、内部を流れる地下水Ｇｗの流路を遮断可能な開閉弁１４ｖが配設されている。開閉弁１４ｖを開けて開閉弁２４ｖを閉じることで第１揚水井戸１１から揚水された地下水Ｇｗを第２水槽２５に流入させることができ、開閉弁２４ｖを開けて開閉弁１４ｖを閉じることで第２揚水井戸２１から揚水された地下水Ｇｗを第１水槽１５に流入させることができるように構成されている。このとき、共通搬出管３３は第１の搬出管と第２の搬出管とを兼ねるので、イニシャルコストの低減及び施工の簡素化を図ることができる。
【００２８】
地中熱採熱システム１は、熱源機器としてのヒートポンプチラー５１をも備えている。ヒートポンプチラー５１は、熱媒体Ｈｍを熱源として冷温水ＣＨの温度を調節する機器である。冷温水ＣＨは、典型的には二次側配管４９を介して冷房や暖房が行われる熱利用場所とヒートポンプチラー５１との間を循環する。冷温水ＣＨは、二次側ポンプ４９ｐの起動により熱利用場所へ搬送されて利用され、熱が利用された後に再びヒートポンプチラー５１に戻る。ヒートポンプチラー５１には、二次側配管４９のほか、熱媒体Ｈｍを導出する主往管４３と、熱媒体Ｈｍを導入する主還管４８とが接続されている。主還管４８には、熱媒体Ｈｍを流動させる熱媒体ポンプ４８ｐが配設されている。なお、地中熱採熱システム１で用いられるヒートポンプチラー５１は汎用品で足りる。
【００２９】
主往管４３の他端には、第１往管４１及び第２往管４２が接続されている。第１往管４１は主往管４３と各導入枝管４１ｃとを仲介する配管であり、第２往管４２は主往管４３と各導入枝管４２ｃとを仲介する配管である。第１往管４１には、内部を流れる熱媒体Ｈｍの流路を遮断可能な開閉弁４１ｖが配設されている。第２往管４２には、内部を流れる熱媒体Ｈｍの流路を遮断可能な開閉弁４２ｖが配設されている。主還管４８の他端には、第１還管４６及び第２還管４７が接続されている。第１還管４６は主還管４８と各導出枝管４６ｄとを仲介する配管であり、第２還管４７は主還管４８と各導出枝管４７ｄとを仲介する配管である。第１還管４６には、内部を流れる熱媒体Ｈｍの流路を遮断可能な開閉弁４６ｖが配設されている。第２還管４７には、内部を流れる熱媒体Ｈｍの流路を遮断可能な開閉弁４７ｖが配設されている。
【００３０】
引き続き図１乃至図３を参照して地中熱採熱システム１の作用を説明する。地中の帯水層の温度は、年間を通じて約１５℃〜１８℃程度で安定している。以下に、地中から冷熱を採取する例を説明する。当初、地下水Ｇｗの水面は原地下水面Ｓ０にあり、原地下水面Ｓ０より上方の第１揚水井戸１１及び第２用水井戸２１は内部が空になっており、第１水槽１５及び第２水槽２５の内部が空になっている。第１採熱管１２及び第２採熱管２２は、熱媒体Ｈｍの流路を構成するクローズド流路であるため、地下水Ｇｗの水面変動にかかわらず熱媒体Ｈｍが充満している。
【００３１】
まず、第１採熱ユニット１０側から冷熱を採取する場合を説明する。第１採熱ユニット１０から地中熱を採熱する場合は、開閉弁４１ｖ及び開閉弁４６ｖを開にし、開閉弁４２ｖ及び開閉弁４７ｖを閉にする。この状態で熱媒体ポンプ４８ｐを起動すると、熱媒体Ｈｍは流動する。このとき、ヒートポンプチラー５１の熱媒体Ｈｍは、主往管４３を介して第１往管４１を流れ、各導入枝管４１ｃに分配される。導入枝管４１ｃに流入した熱媒体Ｈｍは、第１採熱管１２の導入管１２ｃに流入する。このときの熱媒体Ｈｍは、地中の温度よりも高い温度になっている。導入管１２ｃを流れる熱媒体Ｈｍは、下端の開口から外管１２ｓ内に流出し、上部に接続されている導出管１２ｄに向かって上昇する。
【００３２】
熱媒体Ｈｍは、外管１２ｓ内を上昇しているときに地中と熱交換することにより地中熱を採熱する。ここでは、両者の熱交換により熱媒体Ｈｍの温度が低下して地中の温度が上昇する。つまり、ここでの熱媒体Ｈｍは、地中から冷熱を採熱する。冷熱を採取して温度が低下した熱媒体Ｈｍは、導出管１２ｄを介して第１採熱管１２から流出し、導出枝管４６ｄを流れて第１還管４６に至る。第１還管４６には、各導出枝管４６ｄから熱媒体Ｈｍが集合する。第１還管４６を流れる熱媒体Ｈｍは、主還管４８を介してヒートポンプチラー５１に流入する。ヒートポンプチラー５１に流入した熱媒体Ｈｍは、ヒートポンプチラー５１内で冷凍サイクルを行う冷媒（不図示）を冷却し、自身は温度が上昇して、ヒートポンプチラー５１から導出される。温度が上昇した熱媒体Ｈｍは、上述の要領で、第１採熱管１２に搬送され、地中との熱交換により冷却された後に再びヒートポンプチラー５１に戻されるという作用を繰り返す。なお、ヒートポンプチラー５１内で熱媒体Ｈｍに冷却された冷媒（不図示）は、液体の状態で減圧されたうえで冷温水ＣＨと熱交換し、蒸発する際の潜熱を冷温水ＣＨから奪うことにより冷温水ＣＨを冷却する。冷却された冷温水ＣＨは、熱利用場所に搬送されて冷房等の利用（蓄熱を含む）に供される。地中熱の採熱は、地質にもよるが、およそ１日〜５日程度かけて、長い場合は半月程度かけて、さらに長い場合は１月程度かけて行われる。
【００３３】
さて、上述の要領で熱媒体Ｈｍが地中の冷熱を採取していると、地中の温度が次第に上昇して行き、地中と熱媒体Ｈｍとの温度差が小さくなって、期待するほど地中の冷熱を採取することができなくなる。それでも地中熱の採熱を続けると、最終的には地中が熱的に飽和してしまい、地中の冷熱で熱媒体Ｈｍを冷却することができなくなってしまう。このような不都合を回避するために、地中熱採熱システム１では、地中と熱媒体との交換熱量が低下してきたら、地中熱の採取先を第１採熱ユニット１０から第２採熱ユニット２０へと切り替える。地中熱の採取先を切り替えるタイミングは、ヒートポンプチラー５１に流入する熱媒体Ｈｍの温度を計測する温度センサ（不図示）を設け、その温度センサ（不図示）で計測した温度が所定の温度以下になったときに行ってもよく、あるいは熱媒体ポンプ４８ｐを起動してから予め決められた時間が経過したときに行ってもよい。
【００３４】
地中熱の採取先を切り替える際は、開閉弁４２ｖ及び開閉弁４７ｖを開にし、次いで開閉弁４１ｖ及び開閉弁４６ｖを閉にする。すると、ヒートポンプチラー５１から流出して主往管４３を流れる熱媒体Ｈｍは、第２往管４２を流れ、各導入枝管４２ｃに分配される。導入枝管４２ｃに流入した熱媒体Ｈｍは、第２採熱管２２の導入管２２ｃに流入する。導入管２２ｃを流れる熱媒体Ｈｍは、下端の開口から外管２２ｓ内に流出し、上部に向かって上昇する。熱媒体Ｈｍは、外管２２ｓ内を上昇しながら地中と熱交換し、熱媒体Ｈｍの温度が低下して地中の温度が上昇する。冷熱を採取して温度が低下した熱媒体Ｈｍは、導出管２２ｄを介して第２採熱管２２から流出し、導出枝管４７ｄを流れて第２還管４７に至る。各導出枝管４７ｄから第２還管４７に熱媒体Ｈｍが集合し、第２還管４７を流れる熱媒体Ｈｍは、主還管４８を介してヒートポンプチラー５１に流入する。ヒートポンプチラー５１に流入した熱媒体Ｈｍは、ヒートポンプチラー５１内で冷凍サイクルを行う冷媒（不図示）を冷却し、自身は温度が上昇して、ヒートポンプチラー５１から導出され、以下同様の作用を繰り返す。
【００３５】
このように、地中熱の採取先を第１採熱ユニット１０から第２採熱ユニット２０へ適切に切り替えることにより、継続して地中熱を採熱することができる。ところで、上述のように、熱媒体Ｈｍとの交換熱量が減少した第１採熱ユニット１０から、地中熱を採熱可能な第２採熱ユニット２０に地中熱の採取先を切り替えた後、第１採熱ユニット１０の第１採熱管１２まわりの地中温度が元通りの地中熱を採熱可能な温度（例えば１５℃〜１８℃）に戻るまでには、相当の時間を要することが多い。第１採熱管１２まわりの地中温度が地中熱を採熱可能な温度に戻る前に、第２採熱ユニット２０の第２採熱管２２まわりの地中が熱飽和してしまうと、継続した地中熱の採熱が困難になる。そこで、地中熱採熱システム１では、地中熱の採取先を第１採熱ユニット１０から第２採熱ユニット２０へと切り替えた後の適切な時期（典型的には第２採熱管２２まわりの地中が熱飽和する前に第１採熱ユニット１０の第１採熱管１２まわりの地中温度が元通りになるタイミング）に、以下のような運転を行う。
【００３６】
まず、開閉弁２４ｖを閉じ、開閉弁１４ｖを開けたうえで、揚水ポンプ１１ｐを起動する。すると、揚水ポンプ１１ｐによって揚水された地下水Ｇｗは、第１採熱ユニット１０側の第１搬出管１３、共通搬出管３３、第２採熱ユニット２０側の第１搬出管１４を流れて第２水槽２５に流入する。これにより、地下水Ｇｗの水面が、原地下水面Ｓ０から第１揚水井戸１１を中心として徐々に低下して行き、いずれ図１に示すように第１低下水面Ｓ１となる。本実施の形態では、およそ１日〜２日程度かけて原地下水面Ｓ０から第１低下水面Ｓ１に低下する流量で揚水ポンプ１１ｐを運転することとしている。地質にもよるが、一般に帯水層における地下水の含有率は１０〜１５％であるため、揚水ポンプ１１ｐの吐出流量は比較的少なく、本実施の形態の揚水ポンプ１１ｐは１．５ｋＷ〜２．２ｋＷ程度のもので足りる。さらに地下水Ｇｗの流動速度を考慮して、第１枯渇領域Ｔ１分の地下水Ｇｗを約１日〜２日程度かけて第１水槽１５に搬送する。揚水ポンプ１１ｐの起動により比較的温度が高い地下水Ｇｗが第１搬出管１４から第２水槽２５に流入するが、第１搬出管１４から第２水槽２５に流入する地下水Ｇｗの流量が少ないため、第２採熱管２２まわりの地中熱の採熱に影響を及ぼさない。
【００３７】
地下水Ｇｗの水面が第１低下水面Ｓ１まで低下することで、第１採熱管１２の主な部分のまわりの地下水Ｇｗが一旦取り除かれて第１枯渇領域Ｔ１が現れる。このとき、揚水ポンプ１１ｐで揚水された地下水Ｇｗの搬送先である第２水槽２５が、平面視において第１枯渇領域Ｔ１の外側に設置されているので、揚水ポンプ１１ｐで揚水された地下水Ｇｗが直ちに第１枯渇領域Ｔ１へとショートサーキットすることがない。第１採熱管１２の主な部分のまわりの地下水Ｇｗが取り除かれたら、揚水ポンプ１１ｐを停止する。すると、第１低下水面Ｓ１まで低下した地下水Ｇｗの水面は原地下水面Ｓ０まで戻ろうとし、第１枯渇領域Ｔ１の外側の地下水Ｇｗが被圧により第１枯渇領域Ｔ１内に流入してくる。このとき、第２水槽２５周辺は第２水槽２５内の水位だけ位置ヘッドが加わっているが、一般にこの位置ヘッドよりも被圧の方が大きいため、第１枯渇領域Ｔ１外側の地下水Ｇｗが第１枯渇領域Ｔ１内に入る。第２水槽２５内の地下水Ｇｗは、周囲の地中にゆっくりと拡散して行く過程で地中の温度（例えば１５℃〜１８℃）に近づいて行き、いずれ元の地中温度となる。地下水Ｇｗが地中を流動する速度は地質により異なるが、本実施の形態では、揚水ポンプ１１ｐを停止してからおよそ２日〜４日程度かけて、地下水Ｇｗの水面が第１低下水面Ｓ１から原地下水面Ｓ０に戻る。新たに流入してきた第１採熱管１２まわりの地下水Ｇｗは、先に第１採熱管１２まわりで行われた熱交換の影響を受けていないものなので、元の地中温度に戻っている。このように熱交換が行われた地下水Ｇｗを入れ替えることで、入れ替えない場合に比べて早く地中温度を元の温度に戻すことができる。
【００３８】
このように、第１採熱ユニット１０側の地中温度が元に戻っていると、現在地中熱を採取している第２採熱ユニット２０側の採取冷熱量が減少してきたときに、地中熱の採取先を第２採熱ユニット２０から第１採熱ユニット１０へと切り替えることにより、継続して地中熱を採熱することができる。そして、今度は第２採熱ユニット２０側の地中温度を元に戻すべく、開閉弁１４ｖを閉じ、開閉弁２４ｖを開けたうえで、揚水ポンプ２１ｐを起動して、揚水ポンプ２１ｐで揚水した地下水Ｇｗを第１水槽１５に搬送し、地下水Ｇｗの水面を図３に示すように第２低下水面Ｓ２まで低下させて、第２採熱管２２の主な部分のまわりの地下水Ｇｗを一旦取り除く。第２採熱管２２の主な部分のまわりの地下水Ｇｗが取り除かれたら、揚水ポンプ２１ｐを停止して、第２枯渇領域Ｔ２の外側の地下水Ｇｗを第２枯渇領域Ｔ２内に流入させ、第２採熱ユニット２０側の地中温度を早期に元に戻す。このように、地中熱の採取先の切り替え及び地下水Ｇｗの入れ替えを、第１採熱ユニット１０側と第２採熱ユニット２０側とで適宜行うことにより、安定的に継続して地中熱を採熱することが可能となる。なお、地下水Ｇｗの入れ替えを考慮すると、地中熱の採取先を切り替えるタイミングは、上述した、温度センサ（不図示）で計測した温度が所定の温度以下になったときや、熱媒体ポンプ４８ｐを起動してから予め決められた時間が経過したときのほか、揚水ポンプ１１ｐ（又は揚水ポンプ２１ｐ）を停止してから、第１枯渇領域Ｔ１（又は第２枯渇領域Ｔ２）に地中熱を採熱可能な程度に再び地下水Ｇｗが満たされるまでの時間を予め計測しておいた、当該時間が経過したときとしてもよい。
【００３９】
これまで説明したように、本発明の本実施の形態に係る地中熱採熱システム１は、従来のように単に地中熱採熱管まわりで地下水を循環させるのではなく、地中熱の採取先の切り替え及び地下水Ｇｗの入れ替えを、第１採熱ユニット１０側と第２採熱ユニット２０側とで適宜行うので、安定的に継続して地中熱を採熱することができる。また、地下水Ｇｗを直接ヒートポンプチラー５１に導入せずに熱媒体Ｈｍを介して地中熱を利用しているので、地下水Ｇｗの揚水流量とヒートポンプチラー５１への熱媒体Ｈｍの導入流量とを個別に制御することができて安定した地中熱の採熱ができると共に、異物が混入した水がヒートポンプチラー５１に導入されることを回避することができて熱源機器の長寿命化を図ることができる。
【００４０】
以上では冷熱を採取する場合で説明したが、温熱を採取する場合も適用できることはいうまでもない。温熱を採取する際は、導入管１２ｃ、２２ｃから外管１２ｓ、２２ｓに流入する熱媒体Ｈｍの温度が地中の温度よりも低くなっており、地中熱を採熱して温度が上昇した熱媒体Ｈｍは、ヒートポンプチラー５１においてヒートポンプサイクルを行う冷媒（不図示）に温熱を与えて自身は温度が低下することとなる。
【００４１】
以上の説明では、地中熱採熱システム１は第１水槽１５と第２水槽２５とを備えているとしたが、第１（第２）揚水井戸１１（１２）から揚水した地下水Ｇｗを第１（第２）枯渇領域Ｔ１（Ｔ２）の外側に導くこととすれば、第１水槽１５及び／又は第２水槽２５を設けずに、揚水した地下水Ｇｗを直接地中に戻してもよく、あるいは揚水した地下水Ｇｗを地中に戻す必要がない場合は生活用水等として使用してもよい。また、第１水槽１５及び／又は第２水槽２５を設ける場合も、例えば第１（第２）枯渇領域Ｔ１（Ｔ２）の外側に位置する建物のピットを第１（第２）水槽１５（２５）として用いてもよい。
【００４２】
以上の説明では、スリーブ１１ｓ（２１ｓ）及び第１（第２）採熱管１２（２２）が、その軸線が鉛直になるように配設されているとしたが、軸線が斜めあるいは水平になるように配設されていてもよい。しかしながら、第１（第２）採熱管１２（２２）の主な部分のまわりの地下水Ｇｗを取り除くのが容易となるように平面における地下水除去部分の面積を小さくする観点から及び地中熱採熱システム１の設置面積を小さくする観点から、軸線が鉛直になるように配設されていることが好ましい。
【００４３】
以上の説明では、複数の第１採熱管１２が地表から見て正方形に設置されているとしたが、第１揚水井戸１１を中心とした半径Ｌ２の円周上に設置されていてもよく、あるいは第１枯渇領域Ｔ１内に主な部分が存在することとなれば熱汚染（ここでは、ある第１採熱管１２が他の第１採熱管１２によって地中との熱交換が阻害されることをいう。）を生じない範囲でランダムに設置されていてもよい。
【００４４】
以上の説明では、地中熱採熱システム１がヒートポンプチラー５１を備えることしたが、熱媒体Ｈｍが保有する冷熱又は温熱を直接利用してもよい。また、熱源機器がヒートポンプチラー５１であるとしたが、冷凍機等その他の熱源機器であってもよい。
【００４５】
以上の説明では、第１採熱ユニット１０が、地表から見て（平面視において）、１本の第１揚水井戸１１を複数本の第１採熱管１２が囲んで配置されているとしたが、以下のように構成されていてもよい。
図４は、本発明の実施の形態の変形例に係る地中熱採熱システムを構成する地中熱採熱ユニット（以下「第１採熱ユニット１０Ａ」という。）の部分概略構成図である。第１採熱ユニット１０Ａの、第１採熱ユニット１０（図１〜３参照）と異なる点は、第１揚水井戸１１（図１〜３参照）と同様の構成の揚水井戸を２つ備え（第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂ）、２つの第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂの間に第１採熱管１２が設置されている点である。なお、図４では第１採熱管１２が１本になっているが、図示されているのは最低限設置される第１採熱管１２であり、実際には図示していない第１採熱管１２も設置されている。このとき、典型的には、各第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂをそれぞれ囲むように複数の第１採熱管１２が設置されており、複数設置された第１採熱管１２のうちの少なくとも１つ（典型的には複数）が２つの第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂの間に設置される第１採熱管１２となる。２つの第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂの間隔は、距離Ｌ１（図２（ａ）参照）の１．３〜３倍程度、好ましくは２倍とするとよい。上記以外の第１搬出管１３等の構成は第１採熱ユニット１０（図１〜３参照）と同様である。
【００４６】
上記のように構成された第１採熱ユニット１０Ａでは、熱媒体Ｈｍと地中との交換熱量が減少して地中熱の採取先を第２の地中熱採熱ユニット側に切り替えたときに、２つの第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂがそれぞれ有する揚水ポンプ１１ｐＡ、１１ｐＢを同時に起動する。両揚水ポンプ１１ｐＡ、１１ｐＢで地下水Ｇｗが揚水されることによって、地下水Ｇｗの水面が、原地下水面Ｓ０から徐々に低下して行き、いずれ図４に示すような第１低下水面Ｓ１Ａとなる。第１採熱ユニット１０Ａにおける第１低下水面Ｓ１Ａは、図４に示すように、２つの第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂの間で水平に近い上方に凸のアーチ状となる。図４から明らかなように、第１採熱ユニット１０Ａでは、２つの第１揚水井戸１１Ａ、１１Ｂの間の第１枯渇領域Ｔ１が、当該間の第１低下水面Ｓ１Ａが下がる分だけ大きくなる。これにより、当該部分に設置された第１採熱管１２のまわりの地下水Ｇｗを取り除く部分を大きくすることができ、第１採熱管１２のまわりの地下水Ｇｗの入れ替えを確実に行うことが可能になる。なお、第２の地中熱採熱ユニット側も、第１採熱ユニット１０Ａと同様の構成の第２採熱ユニット２０Ａとしてもよい。
【００４７】
以上の説明では、地中熱採熱システム１は第１採熱ユニット１０（１０Ａ）と第２採熱ユニット２０（２０Ａ）とが同様の構成となっているとしたが、第１（第２）揚水井戸１１（２１）及び／又は第１（第２）採熱管１２（２２）の配置や数、あるいは周囲の第１（第２）水槽１５（２５）の有無、第１（第２）搬出管１３、１４（２３、２４）の構成等を適宜変更して、第１採熱ユニット１０（１０Ａ）と第２採熱ユニット２０（２０Ａ）とが異なる構成となることとしてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１ 地中熱採熱システム
１０ 第１採熱ユニット
１１ 第１揚水井戸
１２ 第１採熱管
１３、１４ 第１搬出管
１５ 第１水槽
２０ 第２採熱ユニット
２１ 第２揚水井戸
２２ 第２採熱管
２３、２４ 第２搬出管
２５ 第２水槽
３３ 共通搬出管
Ｈｍ 熱媒体
Ｓ０ 原地下水面
Ｓ１ 第１低下水面
Ｓ２ 第２低下水面
Ｔ１ 第１枯渇領域
Ｔ２ 第２枯渇領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
揚水する前の地下水面である原地下水面よりも上方に地下水を揚水する第１の揚水井戸と、
前記第１の揚水井戸からの地下水の揚水によって低下した地下水面である第１の低下水面と前記原地下水面とで囲まれた第１の地下水枯渇領域に主に配設された第１の地中熱採熱管であって、地中熱と熱交換する熱媒体を内部に流す第１の地中熱採熱管と、
を有する第１の地中熱採熱ユニットと；
地表から見て前記第１の地下水枯渇領域の外側に設けられた第２の地中熱採熱ユニットであって、
前記原地下水面よりも上方に地下水を揚水する第２の揚水井戸と、
前記第２の揚水井戸からの地下水の揚水によって低下した地下水面である第２の低下水面と前記原地下水面とで囲まれた第２の地下水枯渇領域に主に配設された第２の地中熱採熱管であって、地中熱と熱交換する熱媒体を内部に流す第２の地中熱採熱管と、
を有する第２の地中熱採熱ユニットと；
前記第１の揚水井戸から揚水した地下水を、地表から見て前記第１の地下水枯渇領域の外側に導く第１の搬出管と；
前記第２の揚水井戸から揚水した地下水を、地表から見て前記第２の地下水枯渇領域の外側に導く第２の搬出管とを備える；
地中熱採熱システム。
【請求項２】
前記第１の揚水井戸が複数本あり、複数の前記第１の揚水井戸の間に前記第１の地中熱採熱管が配設された；
請求項１に記載の地中熱採熱システム。
【請求項３】
前記原地下水面よりも上方の、地表から見て前記第１の地下水枯渇領域の外側に設けられた浸透水槽であって、導入した地下水を地中に浸透させる浸透水槽を備え；
前記第１の搬出管の末端が前記浸透水槽に接続された；
請求項１又は請求項２に記載の地中熱採熱システム。
【請求項１】
揚水する前の地下水面である原地下水面よりも上方に地下水を揚水する第１の揚水井戸と、
前記第１の揚水井戸からの地下水の揚水によって低下した地下水面である第１の低下水面と前記原地下水面とで囲まれた第１の地下水枯渇領域に主に配設された第１の地中熱採熱管であって、地中熱と熱交換する熱媒体を内部に流す第１の地中熱採熱管と、
を有する第１の地中熱採熱ユニットと；
地表から見て前記第１の地下水枯渇領域の外側に設けられた第２の地中熱採熱ユニットであって、
前記原地下水面よりも上方に地下水を揚水する第２の揚水井戸と、
前記第２の揚水井戸からの地下水の揚水によって低下した地下水面である第２の低下水面と前記原地下水面とで囲まれた第２の地下水枯渇領域に主に配設された第２の地中熱採熱管であって、地中熱と熱交換する熱媒体を内部に流す第２の地中熱採熱管と、
を有する第２の地中熱採熱ユニットと；
前記第１の揚水井戸から揚水した地下水を、地表から見て前記第１の地下水枯渇領域の外側に導く第１の搬出管と；
前記第２の揚水井戸から揚水した地下水を、地表から見て前記第２の地下水枯渇領域の外側に導く第２の搬出管とを備える；
地中熱採熱システム。
【請求項２】
前記第１の揚水井戸が複数本あり、複数の前記第１の揚水井戸の間に前記第１の地中熱採熱管が配設された；
請求項１に記載の地中熱採熱システム。
【請求項３】
前記原地下水面よりも上方の、地表から見て前記第１の地下水枯渇領域の外側に設けられた浸透水槽であって、導入した地下水を地中に浸透させる浸透水槽を備え；
前記第１の搬出管の末端が前記浸透水槽に接続された；
請求項１又は請求項２に記載の地中熱採熱システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−８０６４４（Ｐ２０１１−８０６４４Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３１８５５（Ｐ２００９−２３１８５５）
【出願日】平成２１年１０月５日（２００９．１０．５）
【出願人】（３０７０１８４０５）株式会社エコ・パワー (19)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月５日（２００９．１０．５）
【出願人】（３０７０１８４０５）株式会社エコ・パワー (19)
【Ｆターム（参考）】
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