地熱利用融雪システム
【課題】外気より高温多湿な空気の潜熱と顕熱とを利用して融雪を効率よく行うことができ、また、埋設する管に循環経路を必要としないため設備導入コストを抑制することができ、さらに、熱源として燃料を必要としないためランニングコストを抑制することができる地熱利用融雪システムを提供する。
【解決手段】開口部が地表に臨むように地中に埋設された貯水槽３０と、地中に埋設され、外気を導入するとともに該導入した外気と地中熱との間で熱交換を行わせることにより外気よりも高温の空気を生成してこれを貯水槽３０内に導入する外気導入管２０と、貯水槽３０の開口部に設けられ、外気導入管２０から導入された高温の空気が貯水槽３０内で加湿されてなる高温多湿の融雪用空気を地表へ排出させる一方、地表からの融雪水５１の流入を許容する蓋材４０と、を備えたことを特徴とするものである。
【解決手段】開口部が地表に臨むように地中に埋設された貯水槽３０と、地中に埋設され、外気を導入するとともに該導入した外気と地中熱との間で熱交換を行わせることにより外気よりも高温の空気を生成してこれを貯水槽３０内に導入する外気導入管２０と、貯水槽３０の開口部に設けられ、外気導入管２０から導入された高温の空気が貯水槽３０内で加湿されてなる高温多湿の融雪用空気を地表へ排出させる一方、地表からの融雪水５１の流入を許容する蓋材４０と、を備えたことを特徴とするものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外気を地中熱と熱交換させた後、加湿して外気より高温多湿の融雪用空気を生成し、その空気を地中から路面上に排出させることで路面上の積雪を融かす地熱利用融雪システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冬場の道路や歩道上の積雪を融かす方法としては、外気よりも温度の高い地下水を汲み上げて散水することで道路上の積雪を融かす融雪方法や、塩化カルシウムなどの融雪剤を道路上に散布して積雪を融かす融雪方法が一般的に行われている。
【０００３】
しかしながら、地下水を利用する融雪方法は、地下水の汲み上げにより地中が空洞化を起こすため、地盤沈下が発生する虞がある。一方、融雪剤を使用した融雪方法は、融雪剤が塩化物からなるため、融雪剤が車体に付着した場合に車体の腐食の原因となったり、融雪剤が河川や土壌へと流出して塩害などの汚染の原因となったりして問題となっている。
【０００４】
そこで、地下水や融雪剤を使用しないで、道路などの積雪を融かす融雪装置が特許文献１に提案されている。この融雪装置は、熱交換器によって貯水池内の水から熱を採取し、その熱をヒートポンプで高温化し不凍液に伝達させた後、路面下に敷設された放熱管内に高温の不凍液を循環させて、路面上の積雪を顕熱によって融かすといったものである。
【０００５】
しかしながら、この融雪装置を用いて広範囲の積雪を融かすには、放熱管から放熱される熱の届く範囲が狭いため、放熱管を網の目のように多量に路面下に敷設しなければならず、さらに、放熱管の管路は循環式であるため、不凍液の戻り経路の管も必要となり、放熱管の敷設に多大なコストがかかってしまうという問題がある。
【０００６】
一方、路面の下に管を埋設することなく積雪を融かす融雪装置が特許文献２に提案されている。この融雪装置は、ガスや灯油などを熱源としてボイラーによって水を加熱することで高温多湿の空気を生成させ、この高温多湿の空気と熱源から発生する排気ガスとを混合させた混合ガスを積雪に放出させて融雪するというものである。そして、この融雪装置は、高温多湿の混合ガスを積雪に放出することによって、混合ガス内の水分を雪表面に結露させ、その結露時に発生する潜熱によって積雪を融かすというものであり、これは顕熱を利用した融雪装置の数倍の融雪効果を有する。
【特許文献１】特開２００３−３０１４０６号公報
【特許文献２】特公平７−８１２５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献２に記載された融雪装置は、近年価格高騰している化石燃料などを熱源として使用しているため、ランニングコストが多大となるだけでなく、二酸化炭素を多量に排出することから、環境に与える影響の面でも問題があった。
【０００８】
また、一般的に、燃料を燃焼させるボイラーなどにおいては、各部材がステンレス鋼などの鉄系の材質でできている場合が多いため、高温状態となっている上記部材に水が付着すると腐食し易く、耐用年数が短くなるという問題があった。
【０００９】
本発明は係る実情に鑑みてなされたもので、その目的は、外気より高温多湿な空気の潜熱と顕熱とを利用して融雪を効率よく行うことができ、また、埋設する管に循環経路を必要としないため設備導入コストを抑制することができ、さらに、熱源として燃料を必要としないためランニングコストを抑制することができる地熱利用融雪システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の地熱利用融雪システムは、開口部が地表に臨むように地中に埋設された貯水槽と、地中に埋設され、外気を導入するとともに該導入した外気と地中熱との間で熱交換を行わせることにより外気よりも高温の空気を生成してこれを該貯水槽内に導入する外気導入管と、前記貯水槽の開口部に設けられ、前記外気導入管から導入された高温の空気が前記貯水槽内で加湿されてなる高温多湿の融雪用空気を地表へ排出させる一方、地表からの融雪水の流入を許容する蓋材と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
このような本発明によると、外気よりも高温多湿な融雪用空気を蓋材上の積雪に対して排出させることができるので、融雪用空気の顕熱による融雪効果だけでなく、融雪用空気中の水分が雪表面に結露した際に発生する潜熱により、効率的に融雪することができる。
【００１２】
また、不凍液を循環させた放熱管を埋設して放熱管の放熱により融雪する融雪装置とは異なり、網の目のように多量の管を埋設する必要がなく、また、外気導入管を循環させる必要がないため、設備導入コストを抑制することができる。
【００１３】
また、熱源として化石燃料やガスを使用せず、地中熱を利用するため、ランニングコストを抑制することができ、また、設備の耐用年数も向上させることができる。
【００１４】
さらに、融雪によって発生する融雪水は、蓋材を介して貯水槽内へと流入し貯水されていくため、融雪水が地表に留まり蒸発して周辺の空気や地表の潜熱を奪い、融雪効率が悪くなるといったことがなく、また、外気導入管から貯水槽内に導入される高温の空気を加湿するために、貯水槽内に貯水された融雪水を利用することができる。
【００１５】
また、前記外気導入管には、熱交換された高温の空気を前記貯水槽内に排出させる排出口が設けられ、該排出口が、前記貯水槽内の水面に向けられたものであってもよい。
【００１６】
この場合、排出口によって熱交換された高温の空気が貯水槽内の水面に向かって排出されるため、この高温の空気を貯水槽内に普通に排出するより加湿されやすく、融雪用空気の湿度をより高湿にすることができる。
【００１７】
したがって、この融雪用空気が蓋材を介して排出された際に、蓋材上の積雪に対する融雪効率を向上させることができる。
【００１８】
また、前記貯水槽には貯水量が所定量以上となると余剰な水を排出する排水手段が設けられるとともに、該排水手段には排水トラップが設けられたものであってもよい。
【００１９】
この場合、排水手段が設けられることで、地表から融雪水が流入して貯水槽内が所定量以上となることがなく、貯水槽から外気導入管内に水が浸入する虞がない。したがって、外気導入管内が水によって詰まってしまい貯水槽内に高温の空気を導入できなくなったり、外気導入管内にカビが発生してメンテナンスの必要が生じたりするといったことがない。
【００２０】
また、排水手段には排水トラップが設けられているので、融雪用空気が排水手段へと流出するのを防止することができ、融雪用空気は確実に地表へと排出されるため、融雪効率が悪くなるといったことがなく、また、排水手段に連結された下水管などから悪臭が逆流するといった虞もない。
【００２１】
また、前記外気導入管は、前記熱交換を行う部分が硬質塩化ビニル樹脂からなり、その外周面には所定間隔を隔てて複数の環状リブが形成されたものであってもよい。
【００２２】
この場合、外気導入管は、熱交換を行う部分が硬質塩化ビニル樹脂からなり、その外周面に所定間隔を隔てて複数の環状リブが形成されたものであるから、通常の硬質塩化ビニル製の円筒管よりも扁平強度を著しく高くすることができる。
【００２３】
そのため、本発明の外気導入管の熱交換を行う部分は、通常の円筒管よりも高い扁平強度とした状態で、環状リブのない薄肉部分の肉厚を通常の円筒管の１／２から１／４程度まで薄くすることができる。
【００２４】
したがって、外気導入管の熱交換を行う部分における薄肉部分を上記の範囲の肉厚とした場合には、通常の円筒管よりも、外気導入管の熱交換を行う部分内の空気と地中熱との熱交換率を著しく高くさせることができ、また、外気導入管を大幅に軽量化することができるので、運搬および施工現場での取り扱いが容易となり、この空調システムを導入するための初期費用を抑えることができる。
【００２５】
また、前記熱交換を行う部分は、熱伝導率が０．５〜３．０Ｗ/ｍ・Ｋであって、且つ、熱放射率が０．８以上であることが好ましい。
【００２６】
この場合、外気導入管の熱交換を行う部分の熱伝導率は、通常の硬質塩化ビニル樹脂の熱伝導率０．１８Ｗ／ｍ・Ｋと比較して、土の熱伝導率０．７〜１．６Ｗ／ｍ・Ｋに近い値であるから、外気導入管の熱交換を行う部分内の空気と地中熱との熱交換が円滑に行われ、熱交換率が向上する。ここで、この外気導入管の熱交換を行う部分の熱伝導率の下限値を０．５Ｗ/ｍ・Ｋとしたのは、熱伝導率がこの値未満であると、外気導入管の熱交換を行う部分がその内部の空気と地中熱との熱交換を阻害してしまう虞があるからである。また、外気導入管の熱交換を行う部分の熱伝導率の上限値を３．０Ｗ/ｍ・Ｋとしたのは、熱伝導率がこの値を超えると、硬質塩化ビニル樹脂の耐食性や成形性などの優れた機能を著しく低下させてしまう虞があるからである。
【００２７】
また、外気導入管の熱交換を行う部分は、熱放射率が０．８以上であるため、熱放射率０．８未満である通常の硬質塩化ビニル管とは異なり、外気導入管の熱交換を行う部分自体に留まる熱量を減少でき、外気導入管の熱交換を行う部分内の空気と地中熱との熱交換率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の地熱利用融雪システムは、外気より高温多湿な空気の潜熱と顕熱とを利用して融雪を効率よく行うことができ、また、埋設する管に循環経路を必要としないため設備導入コストを抑制することができ、さらに、熱源として燃料を必要としないためランニングコストを抑制することができるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３０】
図１は、本実施の形態における地熱利用融雪システムを示す概略図である。
【００３１】
本実施の形態における地熱利用融雪システム１０は、貯水槽３０と、外気導入管２０と、蓋材４０とを備えている。また、図１に示す地熱利用融雪システム１０には、外気導入管２０内に外気を導入するための送風手段６０が設けられている。
【００３２】
上記貯水槽３０は、後述する外気導入管２０から導入された高温の空気を加湿するためのものである。貯水槽３０は、開口部が地表に臨むように地中に埋設されており、内部に水３３が貯水されている。
【００３３】
貯水槽３０としては、水漏れを生じなければ特に限定するものではなく、例えば、一般的なコンクリートや高熱伝導コンクリートを用いたもの、地面を開削して貯水槽３０を形成しその表面を遮水シートで覆ったもの、透水性の低い土壌の際には地面を開削して貯水槽３０を形成したものなどがあげられる。
【００３４】
なお、貯水槽３０の壁面及び底面は、貯水槽３０内の水３３が壁面及び底面を介して地中熱と熱交換することができるような材質とすることが好ましく、これにより、貯水槽３０内の水３３は外気温度と比べて比較的高い温度を有することができる。
【００３５】
例えば、乾球温度５℃相対湿度３０％の外気を外気導入管２０内で熱交換させて、乾球温度１５℃相対湿度１５％の空気を生成した場合、この空気を貯水槽３０内に導入すると理論的には乾球温度１３℃相対湿度２５％程度の空気が生成されるはずであり、この空気の比エンタルピーは１８ｋＪ／ｋｇ（ＤＡ）を有することとなる。しかしながら、実際は、貯水槽３０内の水３３が地中熱と熱交換を行い水３３の温度が比較的高くなっているため、貯水槽３０内の空気は乾球温度１３℃でありながら相対湿度４０％を上回る値となっており、より高湿度の融雪用空気を生成することができた。そして、この融雪用空気の比エンタルピーは２２ｋＪ／ｋｇ（ＤＡ）と、理論値よりも４ｋＪ／ｋｇ（ＤＡ）も上昇させることができ、潜熱による融雪効果も向上させることができる。ここで、比エンタルピーとは、０℃の乾き空気「ドライエア（ＤＡ）」を基準として、乾き空気１ｋｇ（ＤＡ）当たりの熱量「ｋＪ／ｋｇ（ＤＡ）」を表したものをいう。
【００３６】
貯水槽３０の貯水量は、特に限定するものではないが、底面から３０ｍｍ以上とするのが好ましい。この貯水量が３０ｍｍ未満であると、貯水槽３０の面積が広い場合に水３３が貯水槽３０内に行き渡らないことが生じたり、本システム１０を運転休止させた場合に貯水槽３０内の水３３が凍結したりする虞がある。
【００３７】
また、貯水槽３０には貯水量が所定量以上となると余剰な水３３を排出する排水手段３１が設けられるとともに、この排水手段３１には排水トラップ３２が設けられたものであってもよい。
【００３８】
この場合、排水手段３１が設けられることで、地表から融雪水５１が流入して貯水槽３０内が所定量以上となることがなく、貯水槽３０から外気導入管２０内に水３３が浸入する虞がない。したがって、外気導入管２０内が水によって詰まってしまい貯水槽３０内に高温の空気を導入できなくなったり、外気導入管２０内にカビが発生してメンテナンスの必要が生じたりするといったことがない。
【００３９】
また、排水手段３１には排水トラップ３２が設けられているので、融雪用空気が排水手段３１へと流出するのを防止することができ、融雪用空気は確実に地表へと排出されるため、融雪効率が悪くなるといったことがなく、また、排水手段３１に連結された下水管などから悪臭が逆流するといった虞もない。
【００４０】
上記外気導入管２０は、地中に埋設され、外気を導入するとともに該導入した外気と地中熱との間で熱交換を行わせることにより外気よりも高温の空気を生成してこれを貯水槽３０内に導入するためのものである。外気導入管２０は、図１に示すように、外気を所定深さまで導入する導入部２１、この導入部２１から導入された外気と地中熱との熱交換を行う熱交換部２２、及び、熱交換部２２により熱交換された高温の空気を貯水槽３０内に排出する排出部２３を備えている。
【００４１】
上記導入部２１は、後述する送風手段６０により地上の一端から外気が導入され、また、他端が熱交換部２２に連結されている。
【００４２】
上記熱交換部２２は、一端が導入部２１に連結され、他端が排出部２３に連結されている。
【００４３】
熱交換部２２は、硬質塩化ビニル樹脂を用いている。これは、硬質塩化ビニル樹脂が、酸やアルカリなど様々な環境下において良好な耐食性を有しており、また、材料コストおよび製造コストが比較的安価であるためである。
【００４４】
また、熱交換部２２の形状は、図２に示すように、外周面に所定間隔を隔てて複数の環状リブ２２ａが形成されたものが用いられる。これにより、本実施の形態の熱交換部２２は、通常の円筒管に比べ扁平強度を飛躍的に向上させることができ、結果として、本実施の形態の熱交換部２２は通常の円筒管より高い扁平強度とした状態で、環状リブ２２ａのない薄肉部分２２ｂの肉厚を通常の円筒管の１／２〜１／４とすることができる。したがって、熱交換部２２の薄肉部分２２ｂを上記の範囲の肉厚とした場合には、通常の円筒管よりも、熱交換部２２内の空気と地中熱との熱交換率を著しく高くすることができ、また、熱交換部２２を大幅に軽量化（例えば、６０％前後くらいに）することができるので、運搬および施工現場での取り扱いを容易に行える。
【００４５】
また、このように熱交換部２２は扁平強度が高いため、地面を開削して熱交換部２２を地中に埋設する際の埋め戻し土に制約がない。したがって、開削した際に発生した土を再び埋め戻しに使用することができ、軽い砂などを新たに用意する必要がないため、工事の施工コストを削減することができる。
【００４６】
上記熱交換部２２の環状リブ２２ａ同士の間隔は、熱交換部２２の内径に対して８〜１５％の長さとなるように形成するとよく、また、環状リブ２２ａの厚みは、３〜７ｍｍ程度とするとよく、さらに、環状リブ２２ａの高さは、熱交換部２２の内径に対して２〜１０％程度となるように形成するとよい。熱交換部２２の環状リブ２２ａをこのような構造とすることにより、熱交換部２２は、地中に埋設するには十分な扁平強度が得られ、且つ、熱交換に最も寄与する熱交換部２２の薄肉部分２２ｂの領域を十分に確保することができる。
【００４７】
また、熱交換部２２は、熱伝導率が０．５〜３．０Ｗ/ｍ・Ｋであって、且つ、熱放射率が０．８以上であることが好ましい。
【００４８】
この場合、熱交換部２２の熱伝導率は、通常の硬質塩化ビニル樹脂の熱伝導率０．１８Ｗ／ｍ・Ｋと比較して、土の熱伝導率０．７〜１．６Ｗ／ｍ・Ｋに近い値であるから、熱交換部２２内の空気と地中熱との熱交換が円滑に行われ、熱交換率が向上する。ここで、この熱交換部２２の熱伝導率の下限値を０．５Ｗ/ｍ・Ｋとしたのは、熱伝導率がこの値未満であると、熱交換部２２がその内部の空気と地中熱との熱交換を阻害してしまう虞があるからである。また、熱交換部２２の熱伝導率の上限値を３．０Ｗ/ｍ・Ｋとしたのは、熱伝導率がこの値を超えると、硬質塩化ビニル樹脂の耐食性や成形性などの優れた機能を著しく低下させてしまう虞があるからである。
【００４９】
また、熱交換部２２は、熱放射率が０．８以上であるため、熱放射率０．８未満である通常の硬質塩化ビニル管とは異なり、熱交換部２２自体に留まる熱量を減少でき、熱交換部２２内の空気と地中熱との熱交換率を向上させることができる。
【００５０】
上記したように、熱交換部２２の熱伝導率を０．５〜３．０Ｗ/ｍ・Ｋとし、且つ、熱放射率を０．８以上とするためには、硬質塩化ビニル樹脂に熱伝導率の高い材料および熱放射率の高い材料を含有させるとよい。
【００５１】
上記熱交換部２２の熱伝導率を向上させるために含有させる材料としては、特に限定するものではなく、例えば、鉄、すず、亜鉛、金、銅、銀、クロム、チタン、マグネシウムなどの金属やそれらの酸化物、アルミナや窒化珪素などの無機材料、および、カーボングラファイトなどをそれぞれ単体でまたは複数を混合したものなどがあげられる。
【００５２】
この熱伝導率を上げる含有物の形状としては、特に限定するものではないが、例えば、粒状のものや針状のものなどがあげられる。
【００５３】
上記粒状の含有物を硬質塩化ビニル樹脂内に含有させた場合、この含有物は硬質塩化ビニル樹脂中で海島構造となってしまい、それぞれの含有物が硬質塩化ビニル樹脂中で分断された状態となることが多い。その場合、含有物を介した熱の伝導が不十分となるため、熱伝導率の高い材料を含有させても熱交換部２２の熱伝導率を向上させる効果が少なくなってしまう。
【００５４】
このような場合には、硬質塩化ビニル樹脂内に、粒状の材料と針状の材料とを混在させて含有させるのが好ましい。これにより、粒状の含有物が硬質塩化ビニル樹脂中に海島構造となって含有物同士が互いに分断された状態となっていても、針状の含有物を混在させることで海島構造の粒状の含有物を針状の含有物がそれぞれ繋げることとなり、含有物の含有量をそれほど多くしなくても熱交換部２２の熱伝導率を向上させることができる。
【００５５】
この熱伝導率を上げる含有物の硬質塩化ビニル樹脂への含有量としては、上記熱伝導率を達成するためには１〜５０ｗｔ％程度必要であるが、熱交換部２２の耐食性や扁平強度などの性能および成形性などを考慮すると３〜３３ｗｔ％とするとよく、さらに３〜２０ｗｔ％の範囲とするのが好ましい。
【００５６】
また、上記熱交換部２２の熱放射率を向上させるために含有させる材料としては、特に限定するものではなく、例えば、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化マンガン、珪酸ナトリウム、炭化ケイ素、カーボンブラック、酸化マグネシウム、および、天然の蛇紋石などがあげられる。
【００５７】
ここで、上記した熱放射率を向上させる材料のうち、酸化マグネシウム以外は硬質塩化ビニル樹脂に含有させても上記した熱伝導率を向上させることができず、さらには熱伝導率を低下させてしまうものもあるため、熱放射率を向上させる材料と熱伝導率を向上させる材料との含有量を調整することが重要である。
【００５８】
この放射率を上げる含有物の形状としては、特に限定するものではなく、例えば、粒状のものや針状のものなどがあげられる。
【００５９】
この放射率を上げる含有物の硬質塩化ビニル樹脂への含有量は、少なすぎると放射率を上昇させる効果が少なく、多すぎると成形性が悪くなるため、１〜３３ｗｔ％程度とするのが好ましく、さらには３〜２０ｗｔ％程度とするのが好ましい。
【００６０】
また、硬質塩化ビニル樹脂に各種粘度調整剤や界面活性剤を添加して成形性を向上させてもよい。
【００６１】
さらに、硬質塩化ビニル樹脂に付加的機能を有する材料を添加してもよく、このような材料としては、例えば、紫外線吸収剤、滑剤、帯電防止剤、耐光性改良剤、難燃剤、結露防止剤、充填剤、着色剤、補強剤、および、繊維などがあげられる。
【００６２】
上記熱交換部２２の成形方法としては、特に限定するものではなく、例えば、押出成形によって硬質塩化ビニル樹脂の円筒体を成形した後、この樹脂が凝固する前に円筒体の外周面にコルゲートマシンで環状リブ２２ａを成形する方法や、中空成形、回転成形、射出成形などによって熱交換部２２の最終形状を一気に成形する方法などがあげられる。
【００６３】
熱交換部２２の内径としては、特に限定するものではなく、例えば、１００〜４００ｍｍとするのが好ましい。この熱交換部２２の内径が１００ｍｍ以下であった場合、後述する送風手段６０によって熱交換部２２内の風速を制御する場合に、送風手段６０の送風量を僅かに調節しただけで、熱交換部２２内の風速が大きく変化してしまうため、熱交換部２２内の風速の制御が難しくなってしまう。また、この熱交換部２２の内径が４００ｍｍ以上であった場合、熱交換部２２の重量が重くなってしまうため、運搬および施工現場での取り扱いが容易でなくなってしまい、施工コストが高額になってしまう。
【００６４】
上記排出部２３は、一端が熱交換部２２に連結され、他端が貯水槽３０内に設置されており、また、この他端側には、熱交換された高温の空気を貯水槽３０内に排出させる排出口２４が設けられている。
【００６５】
上記排出口２４としては、特に限定するものではなく、例えば、図３に示すように側方にのみ空気が排出されるようなもの、図４に示すように下方にのみ空気が排出されるようなもの、及び、図５に示すように側方と下方との両方に空気が排出されるようなものなどがあげられる。
【００６６】
上記の図４及び図５に示すような排出口２４は、下方に空気が排出されるようになっており、排出口２４から排出された高温の空気が貯水槽３０内の水面に向けられている。
【００６７】
この場合、排出口２４によって熱交換された高温の空気が貯水槽３０内の水面に向かって排出されるため、この高温の空気を貯水槽３０内に普通に排出するより加湿されやすく、融雪用空気の湿度をより高湿にすることができる。したがって、この融雪用空気が後述する蓋材４０を介して排出された際に、蓋材４０上の雪５０に対する融雪効率を向上させることができる。
【００６８】
また、上記の図３及び図４に示すような排出口２４は、側方に空気が排出されるようになっているため、貯水槽３０が大きい場合であっても、排出された空気を貯水槽３０内全域に行き渡らせることができる。
【００６９】
さらに、排出口２４は、上方に向かって空気を排出するような構造を避けることが好ましい。排出口２４が上方に向かって空気を排出する構造であると、外気導入管２０内で高温となった空気が貯水槽３０内で加湿される間もなく、蓋材４０を介して地表に排出されてしまうため、この地表に排出される空気は高温で低湿となってしまい、潜熱による融雪効果が得られず顕熱による融雪しかできなくなってしまうためである。
【００７０】
なお、排出部２３には、貯水槽３０から外気導入管２０へと空気や水が逆流するのを防ぐための逆止弁２５が設けられるとよく（例えば、図３、４及び５）、これにより、外気導入管２０内に水、ほこり及び虫などが侵入する虞がなくなり、外気導入管２０内にカビや汚れなどが発生するといったことがない。
【００７１】
上記蓋材４０は、道路や歩道などの表面層を構成するものである。蓋材４０は、貯水槽３０の開口に設けられ、貯水槽３０内で生成された高温多湿の融雪用空気を地表へ排出させることができ、また、地表からの融雪水５１の流入を許容することができる。これにより、外気よりも高温多湿な融雪用空気を蓋材４０上の雪５０に対して排出させることができるので、融雪用空気の顕熱による融雪効果だけでなく、融雪用空気中の水分が雪５０表面に結露した際に発生する潜熱により、効率的に融雪することができる。
【００７２】
また、融雪によって発生する融雪水５１は、蓋材４０を介して貯水槽３０内へと流入し貯水されていくため、融雪水５１が地表に留まり蒸発して周辺の空気や地表の潜熱を奪い、融雪効率が悪くなるといったことがなく、また、外気導入管２０から貯水槽３０内に導入される高温の空気を加湿するために、貯水槽３０内に貯水された融雪水５１を利用することができる。
【００７３】
蓋材４０としては、貯水槽３０内の融雪用空気を地表へ排出させることができ、また、地表からの融雪水５１の流入を許容することができるものであれば、特に限定するものではなく、例えば、透水性タイル、透水性アスファルト、及び、透水性コンクリートなどがあげられる。
【００７４】
なお、融雪する面積が広範囲に及び貯水槽３０の面積が広い場合、図１に示すように１枚の蓋材４０を端部のみで支える構造では、蓋材４０の強度を確保するのが困難であるため、蓋材４０を端部以外の部分でも支えることが可能な構造とするとよい。
【００７５】
このように蓋材４０を端部以外の部分でも支えることが可能な構造としては、特に限定するものではなく、例えば、貯水槽３０内に複数の支柱を設置して蓋材４０を支える構造や、図６に示すような複数の細孔が開口された天板に複数の脚が設けられた蓋材載置部材４１を貯水槽３０内に並べその上から蓋材４０を設置する構造などがあげられる（図７参照）。
【００７６】
また、上記したように貯水槽３０の面積が広い場合、１枚の蓋材４０のみを用いる構造とすると、蓋材４０が大きく重すぎて、蓋材４０の運搬及び設置の作業が煩瑣になることから、図７に示すように、複数枚の蓋材４０を用いるとよい。
【００７７】
上記送風手段６０は、外気導入管２０内に外気を導入するためのものである。送風手段６０としては、特に限定するものではなく、例えば、回転数を制御することができるファンなどを用いるのが好ましい。このようなファンを用いることで、外気導入管２０の熱交換部２２内の風速をファンの回転数を制御することによって行えるため、熱交換部２２内で空気の流速が速すぎて空気と地中熱との熱交換が不十分になるといったことがない。また、上記したような内径が１００〜４００ｍｍの範囲の熱交換部２２を用いた場合、送風手段によって熱交換部２２内の空気の流速を１２ｍ／ｓ以下となるように制御すると、熱伝交換部２２内の空気と地中熱との熱交換を良好に行わせることができる。
【００７８】
次に、本実施の形態の地熱利用融雪システム１０によって蓋材４０上の積雪５０を融かす方法について図１を用いて説明する。
【００７９】
まず、送風手段６０によって外気を外気導入管２０の導入部２１内へと導入し、その外気を導入部２１に連結された熱交換部２２内に到達させる。この外気は熱交換部２２内の導入部２１側から排出部２３側に移動する間に、熱交換部２２を介して地中熱と熱交換を行い、高温で低湿な空気となる。この高温低湿な空気は、送風手段６０の送風によって熱交換部２２に連結された排出部２３へと移動し、排出部２３に設けられた排出口２４から貯水槽３０内へと排出され、貯水槽３０内の高湿な空気と混合されて外気よりも高温多湿な融雪用空気となる。
【００８０】
この高温多湿な融雪用空気は、外気導入管２０の排出口２４からの送風によって、貯水槽３０の開口に設けられた蓋材４０を介して地表に排出され、蓋材４０上の積雪５０と接触することとなる。そして、高温多湿の融雪用空気内の水分が、雪５０の表面で結露して、その際に生じる潜熱により雪５０を融かしていき、さらに、外気よりも高温の融雪用空気は、その顕熱によっても雪５０を融かしていくこととなる。
【００８１】
最後に、融雪によって生じた融雪水５１は、蓋材４０を介して貯水槽３０内に流入し、貯水槽３０内の空気の加湿に使用され、余剰な水３３は排水手段３１により貯水槽３０外に排出される。
【００８２】
次に、本実施の形態の地熱利用融雪システム１０（実施例）と従来の地熱利用融雪システム１０（比較例）とで比較実験を行った結果について説明する。
【００８３】
ここで、全ての実施例および比較例の地熱利用融雪システム１０における共通する構造は、地上に配置した送風手段６０の直下から外気導入管２０の導入部２１を２ｍの深さまで垂直に埋設し、その導入部２１の下端に長さ５０ｍの熱交換部２２の一端を接続して地中に埋設し、その熱交換部２２の他端に排出部２３の下端を接続して垂直に貯水槽３０内に引き込み、さらに蓋材４０を貯水槽３０の開口に設けた（図７参照）。
【００８４】
また、全ての実施例および比較例において、外気導入管２０の熱交換部２２は、内径２５０ｍｍのものを用い、また、導入部２１及び排出部２３には、汎用ＶＵ管（硬質塩化ビニル薄肉管）を用い、さらに、送風手段６０は、送風量を７００ｍ3／ｈとした。
【００８５】
また、全ての実施例および比較例において、貯水槽３０は、底面が１０００ｍｍ×３０００ｍｍで深さが３１０ｍｍとされており、十分に底面積が広いため、蓋材載置部材４１を用いてその上に複数枚の蓋材４０を載置させることし、詳しくは、天板が１０００ｍｍ×１０００ｍｍで高さが２５０ｍｍの蓋材載置部材４１（図６参照）を貯水槽３０内に３つ並べ、その上に５００ｍｍ角で厚みが６０ｍｍの蓋材４０を１２枚載置させた（図７参照）。
【００８６】
また、全ての実施例および比較例２において貯水槽３０内の貯水量は、水位が４０ｍｍとなるように排水手段３１を設けている。
【００８７】
また、実施例２及び３で用いられた熱交換部２２は、硬質塩化ビニル樹脂からなり、その外周面に所定間隔を隔てて複数の環状リブ２２ａが形成されたものであり、実施例１、比較例１及び２で用いられた熱交換部２２は、汎用ＶＵ管である。また、実施例３で用いられた熱交換部２２は、硬質塩化ビニル樹脂中に平均粒径１２μｍのアルミナを１０ｗｔ％、長さ３００μｍのカーボン短繊維を３ｗｔ％、および、酸化マグネシウムを５ｗｔ％含有させて、熱伝導率０．６Ｗ／ｍ・Ｋおよび熱放射率０．８２とした熱交換部２２を用いた。
【００８８】
また、比較例１の地熱利用融雪システム１０は、実施例１の地熱利用融雪システム１０における貯水槽３０内の水３３を予め空にしておいたものであり、また、比較例２の地熱利用融雪システム１０は、実施例１の熱利用融雪システム１０に排水トラップ３２を設けなかったものである。
【００８９】
本実験はこれらの実施例および比較例の地熱利用融雪システム１０を用いて、冬場に蓋材４０上の積雪５０を融かすことを目的として行った。また、本実験における評価項目としては、外気の乾球温度及び相対湿度、貯水槽３０内の乾球温度及び相対湿度（実験開始から６０分経過後の乾球温度及び相対湿度）、並びに、蓋材４０上の５ｃｍの雪５０（密度０．２ｇ／ｃｍ3、温度−５℃）を融雪するのに要した時間（以下、融雪時間という）を評価した。
【００９０】
表１に本実験における実施例および比較例の評価結果を示す。
【００９１】
【表１】
今回の実験において、全ての実施例の地熱利用融雪システム１０は、比較例１及び２の地熱利用融雪システム１０と比較して、融雪時間が短く、実施例の地熱利用融雪システム１０の融雪効率が良好であることが確認された。
【００９２】
また、比較例１の地熱利用融雪システム１０は、貯水槽３０内の水３３が予め空となっていたため、最初は、外気導入管２０から貯水槽３０内に導入された高温低湿の空気が蓋材４０を介して地表に排出され、顕熱のみで雪５０を融かしていた。しかし、その際に生じた融雪水５１が貯水槽３０内に流下して貯水された後は、潜熱と顕熱との両方で融雪することができ、実施例の地熱利用融雪システム１０と比較して融雪時間が長くなったが、融雪は行えるという結果となった。
【００９３】
また、比較例２の地熱利用融雪システム１０は、排水トラップ３２が設けられていなかったため、貯水槽３０内の融雪用空気は雪５０で覆われた蓋材４０の方には流れず、排水手段３１へと流出してしまい地表の雪５０を融かすことができなかった。
【００９４】
また、実施例１、実施例２及び実施例３の地熱利用融雪システム１０を比較した場合、外気導入管２０の熱交換部２２に環状リブ２２ａを形成した実施例２及び実施例３の方が融雪時間を短くすることでき、さらに、熱交換部２２の熱伝導率と熱放射率とを改善した実施例３の方が融雪時間を短くすることができた。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明における地熱利用融雪システムを示す概略図である。
【図２】本発明における外気導入管の熱交換を行う部分（熱交換部）を示す半断面図である。
【図３】本発明における外気導入管の排出口を示す概略図である。
【図４】本発明における外気導入管の排出口の他の例を示す概略図である。
【図５】本発明における外気導入管の排出口のさらに他の例を示す概略図である。
【図６】本発明における蓋材載置部材を示す斜視図である。
【図７】本発明における地熱利用空調システムの他の例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０ 地熱利用融雪システム
２０ 外気導入管
２１ 導入部
２２ 熱交換部
２２ａ 環状リブ
２２ｂ 薄肉部分
２３ 排出部
２４ 排出口
３０ 貯水槽
３１ 排水手段
３２ 排水トラップ
３３ 水
４０ 蓋材
５０ 雪
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外気を地中熱と熱交換させた後、加湿して外気より高温多湿の融雪用空気を生成し、その空気を地中から路面上に排出させることで路面上の積雪を融かす地熱利用融雪システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冬場の道路や歩道上の積雪を融かす方法としては、外気よりも温度の高い地下水を汲み上げて散水することで道路上の積雪を融かす融雪方法や、塩化カルシウムなどの融雪剤を道路上に散布して積雪を融かす融雪方法が一般的に行われている。
【０００３】
しかしながら、地下水を利用する融雪方法は、地下水の汲み上げにより地中が空洞化を起こすため、地盤沈下が発生する虞がある。一方、融雪剤を使用した融雪方法は、融雪剤が塩化物からなるため、融雪剤が車体に付着した場合に車体の腐食の原因となったり、融雪剤が河川や土壌へと流出して塩害などの汚染の原因となったりして問題となっている。
【０００４】
そこで、地下水や融雪剤を使用しないで、道路などの積雪を融かす融雪装置が特許文献１に提案されている。この融雪装置は、熱交換器によって貯水池内の水から熱を採取し、その熱をヒートポンプで高温化し不凍液に伝達させた後、路面下に敷設された放熱管内に高温の不凍液を循環させて、路面上の積雪を顕熱によって融かすといったものである。
【０００５】
しかしながら、この融雪装置を用いて広範囲の積雪を融かすには、放熱管から放熱される熱の届く範囲が狭いため、放熱管を網の目のように多量に路面下に敷設しなければならず、さらに、放熱管の管路は循環式であるため、不凍液の戻り経路の管も必要となり、放熱管の敷設に多大なコストがかかってしまうという問題がある。
【０００６】
一方、路面の下に管を埋設することなく積雪を融かす融雪装置が特許文献２に提案されている。この融雪装置は、ガスや灯油などを熱源としてボイラーによって水を加熱することで高温多湿の空気を生成させ、この高温多湿の空気と熱源から発生する排気ガスとを混合させた混合ガスを積雪に放出させて融雪するというものである。そして、この融雪装置は、高温多湿の混合ガスを積雪に放出することによって、混合ガス内の水分を雪表面に結露させ、その結露時に発生する潜熱によって積雪を融かすというものであり、これは顕熱を利用した融雪装置の数倍の融雪効果を有する。
【特許文献１】特開２００３−３０１４０６号公報
【特許文献２】特公平７−８１２５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献２に記載された融雪装置は、近年価格高騰している化石燃料などを熱源として使用しているため、ランニングコストが多大となるだけでなく、二酸化炭素を多量に排出することから、環境に与える影響の面でも問題があった。
【０００８】
また、一般的に、燃料を燃焼させるボイラーなどにおいては、各部材がステンレス鋼などの鉄系の材質でできている場合が多いため、高温状態となっている上記部材に水が付着すると腐食し易く、耐用年数が短くなるという問題があった。
【０００９】
本発明は係る実情に鑑みてなされたもので、その目的は、外気より高温多湿な空気の潜熱と顕熱とを利用して融雪を効率よく行うことができ、また、埋設する管に循環経路を必要としないため設備導入コストを抑制することができ、さらに、熱源として燃料を必要としないためランニングコストを抑制することができる地熱利用融雪システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の地熱利用融雪システムは、開口部が地表に臨むように地中に埋設された貯水槽と、地中に埋設され、外気を導入するとともに該導入した外気と地中熱との間で熱交換を行わせることにより外気よりも高温の空気を生成してこれを該貯水槽内に導入する外気導入管と、前記貯水槽の開口部に設けられ、前記外気導入管から導入された高温の空気が前記貯水槽内で加湿されてなる高温多湿の融雪用空気を地表へ排出させる一方、地表からの融雪水の流入を許容する蓋材と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
このような本発明によると、外気よりも高温多湿な融雪用空気を蓋材上の積雪に対して排出させることができるので、融雪用空気の顕熱による融雪効果だけでなく、融雪用空気中の水分が雪表面に結露した際に発生する潜熱により、効率的に融雪することができる。
【００１２】
また、不凍液を循環させた放熱管を埋設して放熱管の放熱により融雪する融雪装置とは異なり、網の目のように多量の管を埋設する必要がなく、また、外気導入管を循環させる必要がないため、設備導入コストを抑制することができる。
【００１３】
また、熱源として化石燃料やガスを使用せず、地中熱を利用するため、ランニングコストを抑制することができ、また、設備の耐用年数も向上させることができる。
【００１４】
さらに、融雪によって発生する融雪水は、蓋材を介して貯水槽内へと流入し貯水されていくため、融雪水が地表に留まり蒸発して周辺の空気や地表の潜熱を奪い、融雪効率が悪くなるといったことがなく、また、外気導入管から貯水槽内に導入される高温の空気を加湿するために、貯水槽内に貯水された融雪水を利用することができる。
【００１５】
また、前記外気導入管には、熱交換された高温の空気を前記貯水槽内に排出させる排出口が設けられ、該排出口が、前記貯水槽内の水面に向けられたものであってもよい。
【００１６】
この場合、排出口によって熱交換された高温の空気が貯水槽内の水面に向かって排出されるため、この高温の空気を貯水槽内に普通に排出するより加湿されやすく、融雪用空気の湿度をより高湿にすることができる。
【００１７】
したがって、この融雪用空気が蓋材を介して排出された際に、蓋材上の積雪に対する融雪効率を向上させることができる。
【００１８】
また、前記貯水槽には貯水量が所定量以上となると余剰な水を排出する排水手段が設けられるとともに、該排水手段には排水トラップが設けられたものであってもよい。
【００１９】
この場合、排水手段が設けられることで、地表から融雪水が流入して貯水槽内が所定量以上となることがなく、貯水槽から外気導入管内に水が浸入する虞がない。したがって、外気導入管内が水によって詰まってしまい貯水槽内に高温の空気を導入できなくなったり、外気導入管内にカビが発生してメンテナンスの必要が生じたりするといったことがない。
【００２０】
また、排水手段には排水トラップが設けられているので、融雪用空気が排水手段へと流出するのを防止することができ、融雪用空気は確実に地表へと排出されるため、融雪効率が悪くなるといったことがなく、また、排水手段に連結された下水管などから悪臭が逆流するといった虞もない。
【００２１】
また、前記外気導入管は、前記熱交換を行う部分が硬質塩化ビニル樹脂からなり、その外周面には所定間隔を隔てて複数の環状リブが形成されたものであってもよい。
【００２２】
この場合、外気導入管は、熱交換を行う部分が硬質塩化ビニル樹脂からなり、その外周面に所定間隔を隔てて複数の環状リブが形成されたものであるから、通常の硬質塩化ビニル製の円筒管よりも扁平強度を著しく高くすることができる。
【００２３】
そのため、本発明の外気導入管の熱交換を行う部分は、通常の円筒管よりも高い扁平強度とした状態で、環状リブのない薄肉部分の肉厚を通常の円筒管の１／２から１／４程度まで薄くすることができる。
【００２４】
したがって、外気導入管の熱交換を行う部分における薄肉部分を上記の範囲の肉厚とした場合には、通常の円筒管よりも、外気導入管の熱交換を行う部分内の空気と地中熱との熱交換率を著しく高くさせることができ、また、外気導入管を大幅に軽量化することができるので、運搬および施工現場での取り扱いが容易となり、この空調システムを導入するための初期費用を抑えることができる。
【００２５】
また、前記熱交換を行う部分は、熱伝導率が０．５〜３．０Ｗ/ｍ・Ｋであって、且つ、熱放射率が０．８以上であることが好ましい。
【００２６】
この場合、外気導入管の熱交換を行う部分の熱伝導率は、通常の硬質塩化ビニル樹脂の熱伝導率０．１８Ｗ／ｍ・Ｋと比較して、土の熱伝導率０．７〜１．６Ｗ／ｍ・Ｋに近い値であるから、外気導入管の熱交換を行う部分内の空気と地中熱との熱交換が円滑に行われ、熱交換率が向上する。ここで、この外気導入管の熱交換を行う部分の熱伝導率の下限値を０．５Ｗ/ｍ・Ｋとしたのは、熱伝導率がこの値未満であると、外気導入管の熱交換を行う部分がその内部の空気と地中熱との熱交換を阻害してしまう虞があるからである。また、外気導入管の熱交換を行う部分の熱伝導率の上限値を３．０Ｗ/ｍ・Ｋとしたのは、熱伝導率がこの値を超えると、硬質塩化ビニル樹脂の耐食性や成形性などの優れた機能を著しく低下させてしまう虞があるからである。
【００２７】
また、外気導入管の熱交換を行う部分は、熱放射率が０．８以上であるため、熱放射率０．８未満である通常の硬質塩化ビニル管とは異なり、外気導入管の熱交換を行う部分自体に留まる熱量を減少でき、外気導入管の熱交換を行う部分内の空気と地中熱との熱交換率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の地熱利用融雪システムは、外気より高温多湿な空気の潜熱と顕熱とを利用して融雪を効率よく行うことができ、また、埋設する管に循環経路を必要としないため設備導入コストを抑制することができ、さらに、熱源として燃料を必要としないためランニングコストを抑制することができるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３０】
図１は、本実施の形態における地熱利用融雪システムを示す概略図である。
【００３１】
本実施の形態における地熱利用融雪システム１０は、貯水槽３０と、外気導入管２０と、蓋材４０とを備えている。また、図１に示す地熱利用融雪システム１０には、外気導入管２０内に外気を導入するための送風手段６０が設けられている。
【００３２】
上記貯水槽３０は、後述する外気導入管２０から導入された高温の空気を加湿するためのものである。貯水槽３０は、開口部が地表に臨むように地中に埋設されており、内部に水３３が貯水されている。
【００３３】
貯水槽３０としては、水漏れを生じなければ特に限定するものではなく、例えば、一般的なコンクリートや高熱伝導コンクリートを用いたもの、地面を開削して貯水槽３０を形成しその表面を遮水シートで覆ったもの、透水性の低い土壌の際には地面を開削して貯水槽３０を形成したものなどがあげられる。
【００３４】
なお、貯水槽３０の壁面及び底面は、貯水槽３０内の水３３が壁面及び底面を介して地中熱と熱交換することができるような材質とすることが好ましく、これにより、貯水槽３０内の水３３は外気温度と比べて比較的高い温度を有することができる。
【００３５】
例えば、乾球温度５℃相対湿度３０％の外気を外気導入管２０内で熱交換させて、乾球温度１５℃相対湿度１５％の空気を生成した場合、この空気を貯水槽３０内に導入すると理論的には乾球温度１３℃相対湿度２５％程度の空気が生成されるはずであり、この空気の比エンタルピーは１８ｋＪ／ｋｇ（ＤＡ）を有することとなる。しかしながら、実際は、貯水槽３０内の水３３が地中熱と熱交換を行い水３３の温度が比較的高くなっているため、貯水槽３０内の空気は乾球温度１３℃でありながら相対湿度４０％を上回る値となっており、より高湿度の融雪用空気を生成することができた。そして、この融雪用空気の比エンタルピーは２２ｋＪ／ｋｇ（ＤＡ）と、理論値よりも４ｋＪ／ｋｇ（ＤＡ）も上昇させることができ、潜熱による融雪効果も向上させることができる。ここで、比エンタルピーとは、０℃の乾き空気「ドライエア（ＤＡ）」を基準として、乾き空気１ｋｇ（ＤＡ）当たりの熱量「ｋＪ／ｋｇ（ＤＡ）」を表したものをいう。
【００３６】
貯水槽３０の貯水量は、特に限定するものではないが、底面から３０ｍｍ以上とするのが好ましい。この貯水量が３０ｍｍ未満であると、貯水槽３０の面積が広い場合に水３３が貯水槽３０内に行き渡らないことが生じたり、本システム１０を運転休止させた場合に貯水槽３０内の水３３が凍結したりする虞がある。
【００３７】
また、貯水槽３０には貯水量が所定量以上となると余剰な水３３を排出する排水手段３１が設けられるとともに、この排水手段３１には排水トラップ３２が設けられたものであってもよい。
【００３８】
この場合、排水手段３１が設けられることで、地表から融雪水５１が流入して貯水槽３０内が所定量以上となることがなく、貯水槽３０から外気導入管２０内に水３３が浸入する虞がない。したがって、外気導入管２０内が水によって詰まってしまい貯水槽３０内に高温の空気を導入できなくなったり、外気導入管２０内にカビが発生してメンテナンスの必要が生じたりするといったことがない。
【００３９】
また、排水手段３１には排水トラップ３２が設けられているので、融雪用空気が排水手段３１へと流出するのを防止することができ、融雪用空気は確実に地表へと排出されるため、融雪効率が悪くなるといったことがなく、また、排水手段３１に連結された下水管などから悪臭が逆流するといった虞もない。
【００４０】
上記外気導入管２０は、地中に埋設され、外気を導入するとともに該導入した外気と地中熱との間で熱交換を行わせることにより外気よりも高温の空気を生成してこれを貯水槽３０内に導入するためのものである。外気導入管２０は、図１に示すように、外気を所定深さまで導入する導入部２１、この導入部２１から導入された外気と地中熱との熱交換を行う熱交換部２２、及び、熱交換部２２により熱交換された高温の空気を貯水槽３０内に排出する排出部２３を備えている。
【００４１】
上記導入部２１は、後述する送風手段６０により地上の一端から外気が導入され、また、他端が熱交換部２２に連結されている。
【００４２】
上記熱交換部２２は、一端が導入部２１に連結され、他端が排出部２３に連結されている。
【００４３】
熱交換部２２は、硬質塩化ビニル樹脂を用いている。これは、硬質塩化ビニル樹脂が、酸やアルカリなど様々な環境下において良好な耐食性を有しており、また、材料コストおよび製造コストが比較的安価であるためである。
【００４４】
また、熱交換部２２の形状は、図２に示すように、外周面に所定間隔を隔てて複数の環状リブ２２ａが形成されたものが用いられる。これにより、本実施の形態の熱交換部２２は、通常の円筒管に比べ扁平強度を飛躍的に向上させることができ、結果として、本実施の形態の熱交換部２２は通常の円筒管より高い扁平強度とした状態で、環状リブ２２ａのない薄肉部分２２ｂの肉厚を通常の円筒管の１／２〜１／４とすることができる。したがって、熱交換部２２の薄肉部分２２ｂを上記の範囲の肉厚とした場合には、通常の円筒管よりも、熱交換部２２内の空気と地中熱との熱交換率を著しく高くすることができ、また、熱交換部２２を大幅に軽量化（例えば、６０％前後くらいに）することができるので、運搬および施工現場での取り扱いを容易に行える。
【００４５】
また、このように熱交換部２２は扁平強度が高いため、地面を開削して熱交換部２２を地中に埋設する際の埋め戻し土に制約がない。したがって、開削した際に発生した土を再び埋め戻しに使用することができ、軽い砂などを新たに用意する必要がないため、工事の施工コストを削減することができる。
【００４６】
上記熱交換部２２の環状リブ２２ａ同士の間隔は、熱交換部２２の内径に対して８〜１５％の長さとなるように形成するとよく、また、環状リブ２２ａの厚みは、３〜７ｍｍ程度とするとよく、さらに、環状リブ２２ａの高さは、熱交換部２２の内径に対して２〜１０％程度となるように形成するとよい。熱交換部２２の環状リブ２２ａをこのような構造とすることにより、熱交換部２２は、地中に埋設するには十分な扁平強度が得られ、且つ、熱交換に最も寄与する熱交換部２２の薄肉部分２２ｂの領域を十分に確保することができる。
【００４７】
また、熱交換部２２は、熱伝導率が０．５〜３．０Ｗ/ｍ・Ｋであって、且つ、熱放射率が０．８以上であることが好ましい。
【００４８】
この場合、熱交換部２２の熱伝導率は、通常の硬質塩化ビニル樹脂の熱伝導率０．１８Ｗ／ｍ・Ｋと比較して、土の熱伝導率０．７〜１．６Ｗ／ｍ・Ｋに近い値であるから、熱交換部２２内の空気と地中熱との熱交換が円滑に行われ、熱交換率が向上する。ここで、この熱交換部２２の熱伝導率の下限値を０．５Ｗ/ｍ・Ｋとしたのは、熱伝導率がこの値未満であると、熱交換部２２がその内部の空気と地中熱との熱交換を阻害してしまう虞があるからである。また、熱交換部２２の熱伝導率の上限値を３．０Ｗ/ｍ・Ｋとしたのは、熱伝導率がこの値を超えると、硬質塩化ビニル樹脂の耐食性や成形性などの優れた機能を著しく低下させてしまう虞があるからである。
【００４９】
また、熱交換部２２は、熱放射率が０．８以上であるため、熱放射率０．８未満である通常の硬質塩化ビニル管とは異なり、熱交換部２２自体に留まる熱量を減少でき、熱交換部２２内の空気と地中熱との熱交換率を向上させることができる。
【００５０】
上記したように、熱交換部２２の熱伝導率を０．５〜３．０Ｗ/ｍ・Ｋとし、且つ、熱放射率を０．８以上とするためには、硬質塩化ビニル樹脂に熱伝導率の高い材料および熱放射率の高い材料を含有させるとよい。
【００５１】
上記熱交換部２２の熱伝導率を向上させるために含有させる材料としては、特に限定するものではなく、例えば、鉄、すず、亜鉛、金、銅、銀、クロム、チタン、マグネシウムなどの金属やそれらの酸化物、アルミナや窒化珪素などの無機材料、および、カーボングラファイトなどをそれぞれ単体でまたは複数を混合したものなどがあげられる。
【００５２】
この熱伝導率を上げる含有物の形状としては、特に限定するものではないが、例えば、粒状のものや針状のものなどがあげられる。
【００５３】
上記粒状の含有物を硬質塩化ビニル樹脂内に含有させた場合、この含有物は硬質塩化ビニル樹脂中で海島構造となってしまい、それぞれの含有物が硬質塩化ビニル樹脂中で分断された状態となることが多い。その場合、含有物を介した熱の伝導が不十分となるため、熱伝導率の高い材料を含有させても熱交換部２２の熱伝導率を向上させる効果が少なくなってしまう。
【００５４】
このような場合には、硬質塩化ビニル樹脂内に、粒状の材料と針状の材料とを混在させて含有させるのが好ましい。これにより、粒状の含有物が硬質塩化ビニル樹脂中に海島構造となって含有物同士が互いに分断された状態となっていても、針状の含有物を混在させることで海島構造の粒状の含有物を針状の含有物がそれぞれ繋げることとなり、含有物の含有量をそれほど多くしなくても熱交換部２２の熱伝導率を向上させることができる。
【００５５】
この熱伝導率を上げる含有物の硬質塩化ビニル樹脂への含有量としては、上記熱伝導率を達成するためには１〜５０ｗｔ％程度必要であるが、熱交換部２２の耐食性や扁平強度などの性能および成形性などを考慮すると３〜３３ｗｔ％とするとよく、さらに３〜２０ｗｔ％の範囲とするのが好ましい。
【００５６】
また、上記熱交換部２２の熱放射率を向上させるために含有させる材料としては、特に限定するものではなく、例えば、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化マンガン、珪酸ナトリウム、炭化ケイ素、カーボンブラック、酸化マグネシウム、および、天然の蛇紋石などがあげられる。
【００５７】
ここで、上記した熱放射率を向上させる材料のうち、酸化マグネシウム以外は硬質塩化ビニル樹脂に含有させても上記した熱伝導率を向上させることができず、さらには熱伝導率を低下させてしまうものもあるため、熱放射率を向上させる材料と熱伝導率を向上させる材料との含有量を調整することが重要である。
【００５８】
この放射率を上げる含有物の形状としては、特に限定するものではなく、例えば、粒状のものや針状のものなどがあげられる。
【００５９】
この放射率を上げる含有物の硬質塩化ビニル樹脂への含有量は、少なすぎると放射率を上昇させる効果が少なく、多すぎると成形性が悪くなるため、１〜３３ｗｔ％程度とするのが好ましく、さらには３〜２０ｗｔ％程度とするのが好ましい。
【００６０】
また、硬質塩化ビニル樹脂に各種粘度調整剤や界面活性剤を添加して成形性を向上させてもよい。
【００６１】
さらに、硬質塩化ビニル樹脂に付加的機能を有する材料を添加してもよく、このような材料としては、例えば、紫外線吸収剤、滑剤、帯電防止剤、耐光性改良剤、難燃剤、結露防止剤、充填剤、着色剤、補強剤、および、繊維などがあげられる。
【００６２】
上記熱交換部２２の成形方法としては、特に限定するものではなく、例えば、押出成形によって硬質塩化ビニル樹脂の円筒体を成形した後、この樹脂が凝固する前に円筒体の外周面にコルゲートマシンで環状リブ２２ａを成形する方法や、中空成形、回転成形、射出成形などによって熱交換部２２の最終形状を一気に成形する方法などがあげられる。
【００６３】
熱交換部２２の内径としては、特に限定するものではなく、例えば、１００〜４００ｍｍとするのが好ましい。この熱交換部２２の内径が１００ｍｍ以下であった場合、後述する送風手段６０によって熱交換部２２内の風速を制御する場合に、送風手段６０の送風量を僅かに調節しただけで、熱交換部２２内の風速が大きく変化してしまうため、熱交換部２２内の風速の制御が難しくなってしまう。また、この熱交換部２２の内径が４００ｍｍ以上であった場合、熱交換部２２の重量が重くなってしまうため、運搬および施工現場での取り扱いが容易でなくなってしまい、施工コストが高額になってしまう。
【００６４】
上記排出部２３は、一端が熱交換部２２に連結され、他端が貯水槽３０内に設置されており、また、この他端側には、熱交換された高温の空気を貯水槽３０内に排出させる排出口２４が設けられている。
【００６５】
上記排出口２４としては、特に限定するものではなく、例えば、図３に示すように側方にのみ空気が排出されるようなもの、図４に示すように下方にのみ空気が排出されるようなもの、及び、図５に示すように側方と下方との両方に空気が排出されるようなものなどがあげられる。
【００６６】
上記の図４及び図５に示すような排出口２４は、下方に空気が排出されるようになっており、排出口２４から排出された高温の空気が貯水槽３０内の水面に向けられている。
【００６７】
この場合、排出口２４によって熱交換された高温の空気が貯水槽３０内の水面に向かって排出されるため、この高温の空気を貯水槽３０内に普通に排出するより加湿されやすく、融雪用空気の湿度をより高湿にすることができる。したがって、この融雪用空気が後述する蓋材４０を介して排出された際に、蓋材４０上の雪５０に対する融雪効率を向上させることができる。
【００６８】
また、上記の図３及び図４に示すような排出口２４は、側方に空気が排出されるようになっているため、貯水槽３０が大きい場合であっても、排出された空気を貯水槽３０内全域に行き渡らせることができる。
【００６９】
さらに、排出口２４は、上方に向かって空気を排出するような構造を避けることが好ましい。排出口２４が上方に向かって空気を排出する構造であると、外気導入管２０内で高温となった空気が貯水槽３０内で加湿される間もなく、蓋材４０を介して地表に排出されてしまうため、この地表に排出される空気は高温で低湿となってしまい、潜熱による融雪効果が得られず顕熱による融雪しかできなくなってしまうためである。
【００７０】
なお、排出部２３には、貯水槽３０から外気導入管２０へと空気や水が逆流するのを防ぐための逆止弁２５が設けられるとよく（例えば、図３、４及び５）、これにより、外気導入管２０内に水、ほこり及び虫などが侵入する虞がなくなり、外気導入管２０内にカビや汚れなどが発生するといったことがない。
【００７１】
上記蓋材４０は、道路や歩道などの表面層を構成するものである。蓋材４０は、貯水槽３０の開口に設けられ、貯水槽３０内で生成された高温多湿の融雪用空気を地表へ排出させることができ、また、地表からの融雪水５１の流入を許容することができる。これにより、外気よりも高温多湿な融雪用空気を蓋材４０上の雪５０に対して排出させることができるので、融雪用空気の顕熱による融雪効果だけでなく、融雪用空気中の水分が雪５０表面に結露した際に発生する潜熱により、効率的に融雪することができる。
【００７２】
また、融雪によって発生する融雪水５１は、蓋材４０を介して貯水槽３０内へと流入し貯水されていくため、融雪水５１が地表に留まり蒸発して周辺の空気や地表の潜熱を奪い、融雪効率が悪くなるといったことがなく、また、外気導入管２０から貯水槽３０内に導入される高温の空気を加湿するために、貯水槽３０内に貯水された融雪水５１を利用することができる。
【００７３】
蓋材４０としては、貯水槽３０内の融雪用空気を地表へ排出させることができ、また、地表からの融雪水５１の流入を許容することができるものであれば、特に限定するものではなく、例えば、透水性タイル、透水性アスファルト、及び、透水性コンクリートなどがあげられる。
【００７４】
なお、融雪する面積が広範囲に及び貯水槽３０の面積が広い場合、図１に示すように１枚の蓋材４０を端部のみで支える構造では、蓋材４０の強度を確保するのが困難であるため、蓋材４０を端部以外の部分でも支えることが可能な構造とするとよい。
【００７５】
このように蓋材４０を端部以外の部分でも支えることが可能な構造としては、特に限定するものではなく、例えば、貯水槽３０内に複数の支柱を設置して蓋材４０を支える構造や、図６に示すような複数の細孔が開口された天板に複数の脚が設けられた蓋材載置部材４１を貯水槽３０内に並べその上から蓋材４０を設置する構造などがあげられる（図７参照）。
【００７６】
また、上記したように貯水槽３０の面積が広い場合、１枚の蓋材４０のみを用いる構造とすると、蓋材４０が大きく重すぎて、蓋材４０の運搬及び設置の作業が煩瑣になることから、図７に示すように、複数枚の蓋材４０を用いるとよい。
【００７７】
上記送風手段６０は、外気導入管２０内に外気を導入するためのものである。送風手段６０としては、特に限定するものではなく、例えば、回転数を制御することができるファンなどを用いるのが好ましい。このようなファンを用いることで、外気導入管２０の熱交換部２２内の風速をファンの回転数を制御することによって行えるため、熱交換部２２内で空気の流速が速すぎて空気と地中熱との熱交換が不十分になるといったことがない。また、上記したような内径が１００〜４００ｍｍの範囲の熱交換部２２を用いた場合、送風手段によって熱交換部２２内の空気の流速を１２ｍ／ｓ以下となるように制御すると、熱伝交換部２２内の空気と地中熱との熱交換を良好に行わせることができる。
【００７８】
次に、本実施の形態の地熱利用融雪システム１０によって蓋材４０上の積雪５０を融かす方法について図１を用いて説明する。
【００７９】
まず、送風手段６０によって外気を外気導入管２０の導入部２１内へと導入し、その外気を導入部２１に連結された熱交換部２２内に到達させる。この外気は熱交換部２２内の導入部２１側から排出部２３側に移動する間に、熱交換部２２を介して地中熱と熱交換を行い、高温で低湿な空気となる。この高温低湿な空気は、送風手段６０の送風によって熱交換部２２に連結された排出部２３へと移動し、排出部２３に設けられた排出口２４から貯水槽３０内へと排出され、貯水槽３０内の高湿な空気と混合されて外気よりも高温多湿な融雪用空気となる。
【００８０】
この高温多湿な融雪用空気は、外気導入管２０の排出口２４からの送風によって、貯水槽３０の開口に設けられた蓋材４０を介して地表に排出され、蓋材４０上の積雪５０と接触することとなる。そして、高温多湿の融雪用空気内の水分が、雪５０の表面で結露して、その際に生じる潜熱により雪５０を融かしていき、さらに、外気よりも高温の融雪用空気は、その顕熱によっても雪５０を融かしていくこととなる。
【００８１】
最後に、融雪によって生じた融雪水５１は、蓋材４０を介して貯水槽３０内に流入し、貯水槽３０内の空気の加湿に使用され、余剰な水３３は排水手段３１により貯水槽３０外に排出される。
【００８２】
次に、本実施の形態の地熱利用融雪システム１０（実施例）と従来の地熱利用融雪システム１０（比較例）とで比較実験を行った結果について説明する。
【００８３】
ここで、全ての実施例および比較例の地熱利用融雪システム１０における共通する構造は、地上に配置した送風手段６０の直下から外気導入管２０の導入部２１を２ｍの深さまで垂直に埋設し、その導入部２１の下端に長さ５０ｍの熱交換部２２の一端を接続して地中に埋設し、その熱交換部２２の他端に排出部２３の下端を接続して垂直に貯水槽３０内に引き込み、さらに蓋材４０を貯水槽３０の開口に設けた（図７参照）。
【００８４】
また、全ての実施例および比較例において、外気導入管２０の熱交換部２２は、内径２５０ｍｍのものを用い、また、導入部２１及び排出部２３には、汎用ＶＵ管（硬質塩化ビニル薄肉管）を用い、さらに、送風手段６０は、送風量を７００ｍ3／ｈとした。
【００８５】
また、全ての実施例および比較例において、貯水槽３０は、底面が１０００ｍｍ×３０００ｍｍで深さが３１０ｍｍとされており、十分に底面積が広いため、蓋材載置部材４１を用いてその上に複数枚の蓋材４０を載置させることし、詳しくは、天板が１０００ｍｍ×１０００ｍｍで高さが２５０ｍｍの蓋材載置部材４１（図６参照）を貯水槽３０内に３つ並べ、その上に５００ｍｍ角で厚みが６０ｍｍの蓋材４０を１２枚載置させた（図７参照）。
【００８６】
また、全ての実施例および比較例２において貯水槽３０内の貯水量は、水位が４０ｍｍとなるように排水手段３１を設けている。
【００８７】
また、実施例２及び３で用いられた熱交換部２２は、硬質塩化ビニル樹脂からなり、その外周面に所定間隔を隔てて複数の環状リブ２２ａが形成されたものであり、実施例１、比較例１及び２で用いられた熱交換部２２は、汎用ＶＵ管である。また、実施例３で用いられた熱交換部２２は、硬質塩化ビニル樹脂中に平均粒径１２μｍのアルミナを１０ｗｔ％、長さ３００μｍのカーボン短繊維を３ｗｔ％、および、酸化マグネシウムを５ｗｔ％含有させて、熱伝導率０．６Ｗ／ｍ・Ｋおよび熱放射率０．８２とした熱交換部２２を用いた。
【００８８】
また、比較例１の地熱利用融雪システム１０は、実施例１の地熱利用融雪システム１０における貯水槽３０内の水３３を予め空にしておいたものであり、また、比較例２の地熱利用融雪システム１０は、実施例１の熱利用融雪システム１０に排水トラップ３２を設けなかったものである。
【００８９】
本実験はこれらの実施例および比較例の地熱利用融雪システム１０を用いて、冬場に蓋材４０上の積雪５０を融かすことを目的として行った。また、本実験における評価項目としては、外気の乾球温度及び相対湿度、貯水槽３０内の乾球温度及び相対湿度（実験開始から６０分経過後の乾球温度及び相対湿度）、並びに、蓋材４０上の５ｃｍの雪５０（密度０．２ｇ／ｃｍ3、温度−５℃）を融雪するのに要した時間（以下、融雪時間という）を評価した。
【００９０】
表１に本実験における実施例および比較例の評価結果を示す。
【００９１】
【表１】
今回の実験において、全ての実施例の地熱利用融雪システム１０は、比較例１及び２の地熱利用融雪システム１０と比較して、融雪時間が短く、実施例の地熱利用融雪システム１０の融雪効率が良好であることが確認された。
【００９２】
また、比較例１の地熱利用融雪システム１０は、貯水槽３０内の水３３が予め空となっていたため、最初は、外気導入管２０から貯水槽３０内に導入された高温低湿の空気が蓋材４０を介して地表に排出され、顕熱のみで雪５０を融かしていた。しかし、その際に生じた融雪水５１が貯水槽３０内に流下して貯水された後は、潜熱と顕熱との両方で融雪することができ、実施例の地熱利用融雪システム１０と比較して融雪時間が長くなったが、融雪は行えるという結果となった。
【００９３】
また、比較例２の地熱利用融雪システム１０は、排水トラップ３２が設けられていなかったため、貯水槽３０内の融雪用空気は雪５０で覆われた蓋材４０の方には流れず、排水手段３１へと流出してしまい地表の雪５０を融かすことができなかった。
【００９４】
また、実施例１、実施例２及び実施例３の地熱利用融雪システム１０を比較した場合、外気導入管２０の熱交換部２２に環状リブ２２ａを形成した実施例２及び実施例３の方が融雪時間を短くすることでき、さらに、熱交換部２２の熱伝導率と熱放射率とを改善した実施例３の方が融雪時間を短くすることができた。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明における地熱利用融雪システムを示す概略図である。
【図２】本発明における外気導入管の熱交換を行う部分（熱交換部）を示す半断面図である。
【図３】本発明における外気導入管の排出口を示す概略図である。
【図４】本発明における外気導入管の排出口の他の例を示す概略図である。
【図５】本発明における外気導入管の排出口のさらに他の例を示す概略図である。
【図６】本発明における蓋材載置部材を示す斜視図である。
【図７】本発明における地熱利用空調システムの他の例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０ 地熱利用融雪システム
２０ 外気導入管
２１ 導入部
２２ 熱交換部
２２ａ 環状リブ
２２ｂ 薄肉部分
２３ 排出部
２４ 排出口
３０ 貯水槽
３１ 排水手段
３２ 排水トラップ
３３ 水
４０ 蓋材
５０ 雪
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部が地表に臨むように地中に埋設された貯水槽と、
地中に埋設され、外気を導入するとともに該導入した外気と地中熱との間で熱交換を行わせることにより外気よりも高温の空気を生成してこれを該貯水槽内に導入する外気導入管と、
前記貯水槽の開口部に設けられ、前記外気導入管から導入された高温の空気が前記貯水槽内で加湿されてなる高温多湿の融雪用空気を地表へ排出させる一方、地表からの融雪水の流入を許容する蓋材と、
を備えたことを特徴とする地熱利用融雪システム。
【請求項２】
前記外気導入管には、熱交換された高温の空気を前記貯水槽内に排出させる排出口が設けられ、
該排出口が、前記貯水槽内の水面に向けられたことを特徴とする請求項１に記載の地熱利用融雪システム。
【請求項３】
前記貯水槽には貯水量が所定量以上となると余剰な水を排出する排水手段が設けられるとともに、該排水手段には排水トラップが設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の地熱利用融雪システム。
【請求項４】
前記外気導入管は、前記熱交換を行う部分が硬質塩化ビニル樹脂からなり、その外周面には所定間隔を隔てて複数の環状リブが形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の地熱利用融雪システム。
【請求項５】
前記熱交換を行う部分は、熱伝導率が０．５〜３．０Ｗ/ｍ・Ｋであって、且つ、熱放射率が０．８以上であることを特徴とする請求項４に記載の地熱利用融雪システム。
【請求項１】
開口部が地表に臨むように地中に埋設された貯水槽と、
地中に埋設され、外気を導入するとともに該導入した外気と地中熱との間で熱交換を行わせることにより外気よりも高温の空気を生成してこれを該貯水槽内に導入する外気導入管と、
前記貯水槽の開口部に設けられ、前記外気導入管から導入された高温の空気が前記貯水槽内で加湿されてなる高温多湿の融雪用空気を地表へ排出させる一方、地表からの融雪水の流入を許容する蓋材と、
を備えたことを特徴とする地熱利用融雪システム。
【請求項２】
前記外気導入管には、熱交換された高温の空気を前記貯水槽内に排出させる排出口が設けられ、
該排出口が、前記貯水槽内の水面に向けられたことを特徴とする請求項１に記載の地熱利用融雪システム。
【請求項３】
前記貯水槽には貯水量が所定量以上となると余剰な水を排出する排水手段が設けられるとともに、該排水手段には排水トラップが設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の地熱利用融雪システム。
【請求項４】
前記外気導入管は、前記熱交換を行う部分が硬質塩化ビニル樹脂からなり、その外周面には所定間隔を隔てて複数の環状リブが形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の地熱利用融雪システム。
【請求項５】
前記熱交換を行う部分は、熱伝導率が０．５〜３．０Ｗ/ｍ・Ｋであって、且つ、熱放射率が０．８以上であることを特徴とする請求項４に記載の地熱利用融雪システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−１０１３７８（Ｐ２００８−１０１３７８Ａ）
【公開日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２８４０７６（Ｐ２００６−２８４０７６）
【出願日】平成１８年１０月１８日（２００６．１０．１８）
【出願人】（０００００２１７４）積水化学工業株式会社 (5,781)
【出願人】（０００２４１９４６）積水化学北海道株式会社 (7)
【出願人】（５０１０９４９７１）株式会社ホクスイ設計コンサル (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月１８日（２００６．１０．１８）
【出願人】（０００００２１７４）積水化学工業株式会社 (5,781)
【出願人】（０００２４１９４６）積水化学北海道株式会社 (7)
【出願人】（５０１０９４９７１）株式会社ホクスイ設計コンサル (5)
【Ｆターム（参考）】
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