JP6529151B2 - Groundwater heat utilization system - Google Patents
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Description
本発明は、地下水熱利用システムに係り、特に、地下帯水層を流れる地下水を熱資源として利用する地下水熱利用システムに関する。 BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a groundwater heat utilization system, and more particularly to a groundwater heat utilization system which utilizes groundwater flowing in a subsurface aquifer as a heat source.
近年、再生可能エネルギーとして地中熱を利用したエネルギーが注目されている。このエネルギーを利用するシステムを広義の「地中熱利用システム」と称す。この広義の「地中熱利用システム」には、地下水や土粒子に貯えられた地中熱をヒートソース(熱源)として直接利用する狭義の「地中熱利用システム」、及び、主に地下水に貯えられた熱を熱源水として利用する「地下水熱利用システム」が含まれる。 In recent years, energy utilizing ground heat has attracted attention as renewable energy. A system that uses this energy is broadly called "ground heat utilization system". In this broad "ground heat utilization system", narrow ground "ground heat utilization system" that directly uses the ground heat stored in groundwater or soil particles as a heat source (heat source), and mainly to ground water The “groundwater heat utilization system” that uses the stored heat as heat source water is included.
狭義の地中熱利用システムとして、例えば、特許文献1に地中熱を高効率で融雪、暖房、給湯等に利用可能な地中熱利用ヒートポンプ装置が開示されている。一般的に、この地中熱利用システムでは地中熱を採取して熱源として利用する地中熱利用ヒートポンプ等を用いるため、設備コストやランニングコストが高くなる。また、ヒートソース(熱源)より地中熱が採熱された後に、新鮮な地中熱がヒートソースに供給されるが、この熱供給は、地下水の他に地中の土粒子や空気などを媒体にするため、地下水のみの場合に比べて熱供給効率が悪く、ヒートポンプ等の運転能力を上げるための費用が嵩む。 As a ground heat utilization system in a narrow sense, for example, Patent Document 1 discloses a ground heat use heat pump device that can be used for snow melting, heating, hot water supply, etc. with high efficiency. Generally, in this ground heat utilization system, since the ground heat utilization heat pump etc. which extract ground heat and use it as a heat source are used, installation cost and running cost become high. In addition, after ground heat is collected from the heat source (heat source), fresh ground heat is supplied to the heat source. This heat supply includes not only underground water but also soil particles and air in the ground. In order to use it as a medium, the heat supply efficiency is worse than in the case of using only ground water, and the cost for increasing the operation capacity of a heat pump or the like is increased.
一方、地下水熱利用システムには、地下帯水層を流れる地下水を直接汲み上げて熱源水として利用するシステム、及び地下帯水層を流れる地下水から熱交換により採熱し、熱源水として利用するシステムがある。このうち、地下帯水層を流れる地下水を直接汲み上げて熱源水として利用するシステムは、例えば、路面に積もった雪を溶かすために地下水を汲み上げて直接路面に散水するシステムなどである。この地下水熱を利用するシステムは、地中熱を利用するシステムと比べて熱交換能力が高い。また、地下帯水層には温度の高い新鮮な地下水が連続的に供給されるため、有効なヒートソース(熱源)となり得る。しかし、地下水を直接散水することから、地下水に含まれる、例えば鉄分等の含有物の影響により、例えば、粉塵公害や路面の赤褐色化による景観上の問題が生じた。 On the other hand, in groundwater heat utilization systems, there is a system that directly pumps up groundwater flowing in the underground aquifer and uses it as heat source water, and a system that extracts heat from the groundwater flowing in the underground aquifer by heat exchange and uses it as heat source water . Among them, a system that directly pumps up groundwater flowing in the underground aquifer and uses it as a heat source water is, for example, a system that pumps up groundwater and sprinkles water directly on the road surface to melt snow accumulated on the road surface. This system using groundwater heat has a higher heat exchange capacity than a system using ground heat. In addition, high temperature fresh underground water is continuously supplied to the underground aquifer, which can be an effective heat source (heat source). However, direct watering of the ground water causes a landscape problem due to dust pollution and reddish browning of the road surface, for example, due to the influence of inclusions such as iron contained in the ground water.
また、地下帯水層を流れる地下水から熱交換により採熱し、熱源水として利用するシステムの例として、例えば、特許文献2には、構造が簡単で安価な地下水を利用したヒートポンプシステムが開示されている。ここでは、打込工法によって地盤に二つの浅井戸を設けて、冷房時において、一方の井戸から汲み上げた地下帯水層の地下水を、冷媒の熱交換に利用した後、他方の井戸に注入して地下帯水層に還元し、暖房時において、他方の井戸から汲み上げた地下帯水層の地下水を、冷媒の熱交換に利用した後、一方の井戸に注入して地下帯水層へ還流させることが記載されている。このように、地下水等を負荷側に直接送り込むのではなく、熱交換により間接的に地下水熱を熱源として利用し、利用後の地下水は同じ地下帯水層に還流させるシステムが提案されている。
In addition, as an example of a system that extracts heat from the groundwater flowing in the underground aquifer by heat exchange and uses it as heat source water, for example,
また、地下水熱を利用するシステムの場合、外気と十分に温度差のない「低温熱源水」である地下水を利用する。このため、この低温熱源水から必要な熱エネルギーを取り出すために、重油、電気等多くの化石エネルギーが併用されている。また、温度差の取れない低温熱源水から熱資源を取り出すためにヒートポンプや水―水熱交換器などの設備機器が用いられるのが一般的である。 Also, in the case of a system that uses ground water heat, it uses ground water that is "low-temperature heat source water" that does not have a sufficient temperature difference with the outside air. For this reason, in order to take out necessary heat energy from this low-temperature heat source water, many fossil energy, such as heavy oil and electricity, is used together. In addition, equipment such as a heat pump and a water-water heat exchanger are generally used to extract heat resources from low-temperature heat source water where temperature difference can not be obtained.
この低温熱源水から必要な熱エネルギーを取り出すための地下水熱利用システムが提案されている。例えば、特許文献3には、水熱源ヒートポンプの熱源水としてブラインを用い、そのブラインを還元井及び地中熱井を兼用した熱交換器が開示されている。ここでは、水熱源ヒートポンプの熱源水としてブラインを用い、そのブラインを還元井及び地中熱井を兼用した熱交換器において地下水及び地中から熱を吸熱し、さらに水−水熱交換器において地下水と熱交換して地下水から熱を吸熱する。また、地下水脈から抽出した地下水の元の地下水脈に地下水を戻すために還元井にUチューブ熱交換器を挿入し、Uチューブの外とケーシングの間は透水性をもった充填材により充填し、地表部から水が溢れないようにする蓋を擁した還元井及び地中熱井を兼用した装置を用いることが記載されている。
A groundwater heat utilization system has been proposed for extracting necessary heat energy from the low-temperature heat source water. For example,
また、特許文献4には、複数の井戸に採熱管と水管を併設する地中熱交換システムが開示されている。ここでは、一つの井戸から吸い上げた地下水を他の井戸の同じ地下水層に還流して地中への蓄熱を防止し、揚水井と還元井の両方の井戸に設けた採熱管を並列に熱交換器に接続して双方の井戸から採熱するシステムが記載されている。 Patent Document 4 discloses an underground heat exchange system in which a heat collection pipe and a water pipe are provided in a plurality of wells. Here, the groundwater collected from one well is returned to the same groundwater layer of the other well to prevent heat storage in the ground, and heat-exchange tubes provided in both the well and the well are connected in parallel. A system is described which is connected to the vessel and picks up heat from both wells.
ここでエクセルギーについて説明する。「エネルギー」は熱力学第1法則であるエネルギー保存則によりある系内の全エネルギーは保存され消費されない。しかし、実用上では、使えば消費されるエネルギーを表す概念としてエクセルギーが用いられる。このエクセルギーとは、ある系が周囲の環境平衡状態に達するまでに取り出すことのできる最大の仕事量(エネルギー)をいう。例えば、室温T0の環境に温度Tの系が置かれている場合、熱容量をCとし、熱効率をηとしたときに、微小熱量δQだけエネルギーを放出したとすると、そのうち力学的エネルギーに変換されるのは、δW=ηδQ=(1−T0/T)CdTとなる。この式より、熱効率ηを上げてエクセルギーを向上させるには、T0/Tを最小にすればよい。すなわち、温度差(T―T0)を大きくするか、又は“T”を大きくすればよいことがわかる。 Here we explain exergy. "Energy" is the first law of thermodynamics. According to the energy conservation law, all the energy in a system is conserved and not consumed. However, in practical use, exergy is used as a concept that represents energy to be consumed. This exergy refers to the maximum amount of work (energy) that a system can extract before reaching the surrounding environmental equilibrium state. For example, when the system of temperature T is placed in an environment of room temperature T 0 , if the heat capacity is C and the thermal efficiency is η, if energy is released by only minute heat quantity δQ, then it is converted to mechanical energy Runowa, the δW = ηδQ = (1-T 0 / T) CdT. From this equation, to increase the thermal efficiency て and improve the exergy, T 0 / T should be minimized. That is, it is understood that the temperature difference (T−T 0 ) may be increased or “T” may be increased.
特許文献4には、エネルギー変換機器のエクセルギー損失評価を、エネルギー変換機器を構成する各構成要素をブロック化し、各構成要素のエクセルギー損失を算出し、それらを統合化して全体の評価を行うエネルギー変換機器性能評価システムが開示されている。ここでは、エクセルギーを用いてエネルギー変換機器の性能評価を行うエネルギー変換機器性能評価システムは、入力パラメータに基づいてシミュレーション実行部が出力した各構成要素における熱学演算値を用いて各構成要素のエクセルギー損失を演算出力するエクセルギー演算部と、出力されたエクセルギー損失からエネルギー変換機器の性能評価を行う評価部とが備えられている。 In Patent Document 4, evaluation of exergy loss of energy conversion equipment is performed by blocking each component of the energy conversion equipment, exergy loss of each component is calculated, and they are integrated to evaluate the whole. An energy conversion equipment performance evaluation system is disclosed. Here, the energy conversion device performance evaluation system that performs performance evaluation of the energy conversion device using exergy is the thermology calculation value of each component output by the simulation execution unit based on the input parameter. An exergy computing unit that computes and outputs an exergy loss, and an evaluation unit that performs performance evaluation of an energy conversion device from the output exergy loss are provided.
上述したように、地下水熱利用システムでは、汲み上げた地下水を同じ地下帯水層か又は異なる地下帯水層へ還流させるため揚水井に対して還元井を設け、還元水配管により揚水井から還元井に地下水を還流させるシステムが採用される場合が多い。ここで、本発明は、この地下水を還流させる箇所としては還元井に限らず還元水が熱交換可能な程度に貯水された箇所であり、例えば、升、水槽、池、河川の一部等をも対象とする。以下、これらの箇所を「還元用水溜り」と称する。 As described above, in the groundwater heat utilization system, a reduction well is provided to the pumping well to return the pumped groundwater to the same underground aquifer or to a different underground aquifer, and from the pumping well to the reduction well piping In many cases, a system is used to return groundwater to the ground. Here, according to the present invention, the ground water is returned to a place where the reduced water is stored to such an extent that it can exchange heat without being limited to the reduction well. For example, a weir, a water tank, a pond, a part of a river, etc. Target as well. Hereinafter, these locations are referred to as "reduction puddles".
そして、低温熱源水から必要な熱エネルギーを取り出すため、揚水井だけではなく還元用水溜り又は還元井からも採熱するシステムが好ましい。しかし、揚水井から循環水配管により熱交換された地下水は温度が低下するため、還元水配管により還元用水溜り又は還元井に還元された地下水は、熱資源として期待できない、つまり、低品位な熱資源となるという問題がある。 And in order to take out necessary heat energy from low-temperature heat source water, the system which heat-collects not only from a pumping well but also from a puddle for reduction or a reduction well is preferable. However, since the temperature of the groundwater that has been heat exchanged from the pumping well by the circulating water piping decreases, the groundwater that has been reduced to the reduction reservoir or reduction well by the reducing water piping can not be expected as a heat resource, that is, low grade heat There is a problem of becoming a resource.
これは、揚水井にて汲み上げた地下水熱を熱資源として採熱する地下水熱利用システムにおいて、採熱した地下水を同じ地下帯水層か又は異なる地下帯水層に水資源として環水する場合、揚水井にて採熱の効率を上げればそれだけ還元用水溜り又は還元井での採熱が低品位になるということである。 This is the case where the groundwater heat utilization system which uses the groundwater heat pumped up by the pumping well as heat source and flushes the collected groundwater as the water resource to the same underground aquifer or different underground aquifer, The higher the efficiency of heat collection at the pumping well, the lower the grade of heat collection at the reduction reservoir or reduction well.
そして、低温熱源水から必要な熱エネルギーを取り出す地下水熱利用システムは、そもそも再生可能エネルギーとしての活用が期待される技術である。そのため、化石燃料を消費するヒートポンプ等の設備機器を全く使用しないか、或いは設備機器の負担を極力軽減するような簡易な方法により、高品位な熱資源を採熱すべきである。 And the groundwater heat utilization system which takes out necessary heat energy from low-temperature heat source water is a technology that is expected to be utilized as renewable energy in the first place. Therefore, high-grade heat resources should be collected by a simple method that does not use facility equipment such as a heat pump that consumes fossil fuel at all, or reduces the load on the facility equipment as much as possible.
本願の目的は、かかる課題を解決し、地下水のエネルギー熱効率を高めた高品位な熱資源を簡易に採熱することができる地下水熱利用システムを提供することである。 An object of the present application is to provide a groundwater heat utilization system which solves such problems and can easily collect high-grade heat resources with enhanced energy thermal efficiency of groundwater.
上記目的を達成するため、本発明に係る地下水熱利用システムは、地下帯水層を貫通して削孔された揚水井に流入した地下水を還元水用ポンプにより揚水井底部に設けられた地下水入口から吸込んで還元井底部に設けられた地下水出口から吐き出させ、揚水井に下方に向かう水流と、還元井に上方に向かう水流とを発生させる還元水配管と、還元井に設けられたU字管を構成する第1の戻り管と第1の送り管からなる第1の採放熱管と、揚水井に設けられたU字管を構成する第2の戻り管と第2の送り管からなる第2の採放熱管とを直列に連結して循環水を流通させる循環水配管と、採熱された循環水の熱エネルギーを放熱させるヒートシンクと、を備え、第1の採放熱管を流通する循環水は、揚水井から流出した還元水と対向する第2の戻り管において向流式熱交換により第1の熱エネルギーを採熱し、第2の採放熱管を流通する循環水は、地下水から汲み上げられた井水と対向する第2の送り管において向流式熱交換により第2の熱エネルギーを採熱することを特徴とする。 To achieve the above object, groundwater heat utilization system according to the present invention, groundwater provided underground water flowing into drilled been pumping well through the earth loincloth water layer pumping well bottom by reducing the water pump A reducing water pipe that sucks in from the inlet and discharges from the groundwater outlet provided at the bottom of the reduction well and generates a water flow going downward to the pumping well and a water flow going upward to the reduction well , and a U-shape provided in the reduction well It consists of a first heat extraction pipe consisting of a first return pipe and a first feed pipe which constitute a pipe, and a second return pipe and a second feed pipe which constitute a U-shaped pipe provided in a pumping well. A circulating water pipe for connecting circulating water by connecting a second heat collecting pipe in series and a heat sink for radiating heat energy of the collected circulating water, and flowing through the first heat collecting pipe The circulating water is the second return opposite to the reduced water flowing out of the pumping well. In the pipe, the first heat energy is collected by countercurrent heat exchange, and the circulating water flowing through the second heat sink is countercurrent heat in the second feed pipe facing the well water pumped up from the ground water. The second heat energy is collected by exchange .
上記構成により、地下水熱利用システムは、還元水配管が地下帯水層を貫通して削孔された揚水井に流入した地下水を吸上げ、還元井に還元水として還流させる。これによる第1の効果として、揚水井にて循環水と熱交換して温度が低下した井水を還元水として還元井に流出させて地下帯水層に還流させ、地下帯水層から新鮮で温度の高い地下水を流入させることができる。そして、地下水のエネルギー熱効率を高めることができ、高品位な熱資源として採熱することができる。また、第2の効果として、環元水を水資源としても利用可能となる。なお、還元用水溜りに流出された還元水は、直接地下帯水層へと還流しても良く、還元井から地盤に漏れ出して地下帯水層へと到達しても良い。 According to the above configuration, the groundwater heat utilization system sucks up the groundwater flowing into the pumping well drilled by the reducing water pipe penetrating the underground aquifer, and returns it to the reducing well as the reducing water. The first effect of this is that the well water whose temperature is reduced by heat exchange with circulating water in the pumping well is made to flow out as reduction water to the reduction well and is returned to the underground aquifer, fresh from the underground aquifer Hot groundwater can be introduced. And the energy thermal efficiency of underground water can be raised and it can be heat-collected as a high grade heat resource. In addition, as a second effect, ring water can be used as a water resource. The reduced water that has been drained to the reduction reservoir may be directly returned to the underground aquifer, or may leak from the reduction well to the ground and reach the underground aquifer.
また、揚水井に設けられた第1の採放熱管と、還元用水溜りに設けられた第2の採放熱管とが直列に連結して循環水を流通させる。すなわち、揚水井において、井水から循環水が採熱するという熱交換が行われ、還元井において、還元水から循環水が採熱するという熱交換が行われるが、これらの熱交換が行われる第1の採放熱管及び第2の採放熱管が直列に連結されることで、地下水のエネルギー熱効率を高めることが可能となり、高品位な熱資源として採熱することができる。 In addition, the first heat collection pipe provided in the pumping well and the second heat collection pipe provided in the puddle are connected in series to circulate circulating water. That is, in the pumping well, heat exchange is performed such that the circulating water is collected from the well water, and in the reduction well , heat exchange is performed such that the circulating water is collected from the reduced water, but these heat exchanges are performed By connecting the first heat radiation pipe and the second heat radiation pipe in series, the energy thermal efficiency of the ground water can be enhanced, and heat can be collected as a high-grade heat resource.
また、地下水熱利用システムは、還元用水溜りが、削孔された還元井であり、この還元井は、揚水井で吸い上げられた地下水を、揚水井と同じ地下帯水層か、又は前記揚水井とは異なる地下帯水層に環流させることが好ましい。すなわち、還元井は、揚水井と同じ地下帯水層に削孔され、揚水井で汲み上げられた地下水が還元井で同じ地下帯水層に還流しても良く、揚水井で汲み上げられた地下水が還元井で異なる地下帯水層に還流しても良い。 In addition, the groundwater heat utilization system is a reduction well where the reduction water reservoir is drilled, and this reduction well is the same groundwater aquifer as the pumping well, or the above pumping well It is preferable to circulate in a different underground aquifer. That is, instead Motoi is drilled into the same aquifers and pumping wells, ground water pumped up by the pumping well is may be recirculated to same aquifers in reinjection wells, groundwater pumped up by pumping well May return to a different underground aquifer in a reduction well.
また、地下水熱利用システムは、循環水配管が、第1の採放熱管を流通する循環水が還元井のヒートソースから第1の熱交換により採熱した第1の熱エネルギーと、第2の採放熱管を流通する循環水が揚水井側のヒートソースから第2の熱交換により採熱した第2の熱エネルギーと、を累積して循環させることが好ましい。このように、第1の熱交換が行われる第1の採放熱管、及び第2の熱交換が行われる第2の採放熱管が直列に連結され、還元水においても温度差を利用して採熱し、高品位な熱資源とすることができる。 Furthermore, ground water heat utilization system, circulating water pipe, a first thermal energy circulating water flowing through the first adoption radiator tube is heated adopted by the first heat exchanger from the place Motoi heat source, the second It is preferable that circulating water flowing through the heat-radiating pipe accumulates and circulates second heat energy collected from the heat source on the pumping well side by the second heat exchange. As described above, the first heat radiation pipe in which the first heat exchange is performed and the second heat radiation pipe in which the second heat exchange is performed are connected in series , and the temperature difference is also used in the reduced water. Heat can be collected to provide high quality heat resources.
また、地下水熱利用システムは、第1の熱エネルギーが、揚水井における第2の熱交換により温度が低下した還元水から、ヒートシンクにおいて放熱されて温度がより低下した循環水が、還元水との温度差により採熱する第1の熱エネルギーであることが好ましい。このように、第1の熱交換が行われる第1の採放熱管、及び第2の熱交換が行われる第2の採放熱管が直列に連結され、還元水においても温度差を利用して採熱し、高品位な熱資源とすることができる。 In addition, in the groundwater heat utilization system, the first heat energy is dissipated at the heat sink from the reduced water whose temperature has dropped due to the second heat exchange in the pumping well, and the circulating water whose temperature is further lowered is reduced with the reduced water. It is preferable that it is the 1st thermal energy heat-collected by a temperature difference. Thus, the first heat radiation pipe in which the first heat exchange is performed and the second heat radiation pipe in which the second heat exchange is performed are connected in series, and the temperature difference is also used in the reduced water It is possible to collect heat and make it a high grade heat source.
上記目的を達成するため、本発明に係る地下水熱利用システムは、地下帯水層を貫通して削孔された揚水井に流入した地下水を吸上げ、還元井に流出させて地下帯水層に地下水を還流させる還元水配管と、還元井に設けられた第1の採放熱管と、揚水井に設けられた第2の採放熱管とを並列に連結して循環水を流通させる循環水配管と、を備え、揚水井及び還元井は、それぞれ独立した循環水用ポンプによりそれぞれのヒートソースから熱エネルギーを採熱し、それぞれ独立したヒ−トシンクに放熱し、還元水用ポンプを共有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the groundwater heat utilization system according to the present invention sucks up groundwater flowing into a pumping well drilled through a subsurface aquifer, flows it into a reduction well, and flows into a subsurface aquifer Recirculating water piping that circulates circulating water by connecting in parallel a reduced water piping that returns ground water, a first heat extraction and radiation pipe provided in a reduction well, and a second heat extraction and radiation pipe provided in a pumping well And, the pumping well and the reduction well respectively collect heat energy from their respective heat sources by independent circulating water pumps, radiate heat to the independent heat sinks, and share the reducing water pumps. It features.
また、地下水熱利用システムは、第1の採放熱管のうち揚水井から流出した還元水と向流式熱交換を行う部分は、循環水を螺旋状に降下させる第1のスパイラル採放熱管であり、第2の採放熱管のうち地下水から汲み上げられた井水と向流式熱交換を行う部分は、循環水を螺旋状に上昇させる第2のスパイラル採放熱管であることが好ましい。これにより、還元井内又は揚水井内において向流式熱交換を行う採放熱管は、螺旋状に上昇又は下降することで還元水又は井水と向流により熱交換する表面積が増加し、向流式熱交換による熱エネルギーの採熱をより効果的に発揮させることができる。 In the groundwater heat utilization system, the portion of the first heat collection and release pipe that performs countercurrent heat exchange with the reduced water flowing out from the pumping well is the first spiral heat collection and release pipe that lowers the circulating water spirally. It is preferable that the part which performs countercurrent heat exchange with the well water pumped up from groundwater among the 2nd heat sink tubes is a 2nd spiral heat sink pipe which raises circulating water spirally. As a result, the heat sink tube performing countercurrent heat exchange in the reduction well or the pumping well increases the surface area that exchanges heat with the reduced water or well water by moving up or down in a spiral, and the countercurrent type Heat extraction of heat energy by heat exchange can be exhibited more effectively.
また、地下水熱利用システムは、循環水配管が一つのポンプにより循環水を循環させ、還元水配管は、一つのポンプにより地下水を揚水井に汲み上げて井水とし、揚水井から井水を吸上げて還元井に還元水として吐き出し、還元水を還元井から前記揚水井と同じ地下帯水層か、又は前記揚水井とは異なる地下帯水層に地下水として環流させることが好ましい。これにより、循環水を一つのポンプのみで流通させることでより簡易なシステムとすることができる。また、還元水を一つのポンプにより流通させるだけではなく、地下帯水層から新鮮で地中熱により温度が比較的高い地下水を容易に揚水井に流入させることができ、また、還元水を地下水として容易に環水させることができる。 In addition, in the groundwater heat utilization system, circulating water piping circulates circulating water by one pump, and reduced water piping pumps ground water to the pumping well by one pump to make well water and sucks well water from the pumping well instead discharged as reducing water Motoi Te, same aquifers or with the pumping well the reduced water from the reinjection wells, or it is preferable to circulate as groundwater different aquifers and the pumping well. Thus, a more simple system can be achieved by circulating circulating water with only one pump. In addition to circulating reduced water with a single pump, groundwater that is fresh from underground aquifers and has a relatively high temperature due to ground heat can be easily made to flow into the pumping well, and the reduced water can also be groundwater It can be easily ringed.
また、地下水熱利用システムは、ヒートシンクが熱交換器を備え、前記熱交換器は、循環水配管を流通する循環水から熱エネルギーを採熱し、熱源水配管を流通する熱源水に放熱し、熱資源として利用させることが好ましい。このように、ヒートシンクが熱交換器を備えて熱源水配管を流通する熱源水に放熱することで、循環水と熱源水とを異なる液体にすることができる。 In the groundwater heat utilization system, the heat sink is provided with a heat exchanger, and the heat exchanger collects heat energy from the circulating water flowing through the circulating water piping, dissipates heat to the heat source water circulating through the heat source water piping, It is preferable to use it as a resource. Thus, circulating water and heat-source water can be made into a different liquid because heat sinks are provided with a heat exchanger and thermally radiate to the heat-source water which distribute | circulates heat-source water piping.
また、地下水熱利用システムは、還元水配管が還元水の一部を還元水用ポンプから分岐させ、水資源として利用させることが好ましい。このように、還元水配管から分岐された配下により還元水を熱資源だけではなく水源水としても活用できる。 In addition, in the groundwater heat utilization system, it is preferable that the reducing water piping branch a part of the reducing water from the reducing water pump and use it as a water resource. Thus, the reduced water branched from the reduced water piping can be used not only as a heat source but also as water source water.
また、地下水熱利用システムは、還元水配管が一部又は全部が井戸内に挿入され、還元水を流通させるポンプは地上に設けられるか、又は揚水井の内部に水中ポンプとして設けられることが好ましい。これにより、揚水井において熱交換により温度低下した井水が還元水として吐き出されるまでに地中内の比較的高い温度により温められ、還元井からよりエネルギー熱効率の高い高品位な熱資源を揚水井に送ることができる。 In the groundwater heat utilization system, it is preferable that a part or all of the reducing water pipe be inserted in the well, and a pump for circulating the reducing water be provided on the ground or as a submersible pump inside the pumping well . As a result, the well whose temperature is lowered by heat exchange in the pumping well is warmed by a relatively high temperature in the ground until it is expelled as reduced water, and the high-grade heat resource having higher energy thermal efficiency from the reducing well is pumped away Can be sent to
また、地下水熱利用システムは、還元水配管及び循環水配管がそれぞれ揚水井、及び、還元用水溜り又は還元井内で複数の採放熱管に分岐して採熱することが好ましい。これにより、採放熱管の内部を流通する循環水と、井水又は還元水との向流式熱交換が行われる採放熱管の表面積が増大し、交換される熱量が増大する。 Further, in the groundwater heat utilization system, it is preferable that the reducing water piping and the circulating water piping are respectively branched into a plurality of heat receiving and discharging pipes in the pumping well and the reduction water reservoir or the reduction well to collect heat. As a result, the surface area of the heat sink tube in which the countercurrent heat exchange between the circulating water flowing inside the heat sink tube and the well water or the reduced water is performed is increased, and the amount of heat exchanged is increased.
さらに、地下水熱利用システムは、揚水井が地下帯水層を貫通する部位の外壁に地下水を流入させる複数の開口部を有し、還元井は、地下帯水層を貫通する部位の外壁に地下水として流出させる複数の開口部を有することが好ましい。これにより、揚水井において地下水を容易に井水として容易に吸込み、還元井において還元水を地下水として容易に環元することができる。なお、還元井については、この複数の開口部がなく、還元井から地盤へ地下水が漏れ出しても良い。 Furthermore, the groundwater heat utilization system has a plurality of openings that allow groundwater to flow into the outer wall of the portion where the pumping well penetrates the underground aquifer, and the reduction well is the groundwater in the outer wall of the portion penetrating the underground aquifer It is preferable to have a plurality of openings to be drained out. Thereby, groundwater can be easily absorbed as well water in the pumping well, and reduced water can be easily recycled as groundwater in the reduction well . In addition, about a reduction well, there may not be this several opening part, and underground water may leak out to a ground from a reduction well .
以上のように、本発明に係る地下水熱利用システムによれば、地下水のエネルギー熱効率を高めた高品位な熱資源を簡易に採熱することができる地下水熱利用システムを提供することができる。 As described above, according to the groundwater heat utilization system according to the present invention, it is possible to provide a groundwater heat utilization system capable of easily collecting high-grade heat resources with enhanced energy thermal efficiency of ground water.
以下に、図面を用いて本発明に係る地下水熱利用システム1の実施形態につき、詳細に説明する。本発明は地下帯水層12の地下水14を熱資源として利用する地下水熱利用システム1である。ここで、揚水井2から汲み上げられた地下水が流出される箇所は、削孔された井戸である還元井3に限らず、還元水が熱交換可能な程度に貯水された、例えば、升、水槽、池、河川の一部等のも含まれる。本実施形態では、例えば、升、水槽、池、河川の一部等を「還元用水溜り」と総称する。そして、本実施形態ではこの地下水が流出される箇所が還元井3である場合について説明するが、還元用水溜りの場合であっても同様に適用される。
Hereinafter, an embodiment of the groundwater heat utilization system 1 according to the present invention will be described in detail using the drawings. The present invention is a groundwater heat utilization system 1 using the
(地下水熱利用システムの構成)
図1に、本発明に係る地下水熱利用システム1の1つの実施形態の概略構成を示す。本地下水熱利用システム1は、揚水井2、還元井3、還元水配管4、循環水配管5、採放熱管6a及び6b、還元水用ポンプ8、及び循環水用ポンプ9から構成される。揚水井2は、地下帯水層12を貫通して設けられた井戸であり、流入した地下水14が井水22として揚水井2内に貯まる。還元井3は、揚水井2と同じ地下帯水層12、又は揚水井2と異なる地下帯水層12に設けられた井戸であり、汲み上げられた揚水井2の井水22が還元井3において還元水16として流出する。このように、揚水井2にて汲み上げられた地下水14は、還元井3において揚水井2と同じ地下帯水層12、又は異なる揚水井2と異なる地下帯水層12に再度地下水14として還流される。なお、図1の揚水井2及び還元井3において、地下帯水層12内に記載された白抜きの矢印は、地下水14の地下帯水層12内における流れの方向を示す。これは、以下の図面においても同様である。また、揚水井2が設けられる地下帯水層12と、還元井3が設けられる地下帯水層12とは、同じ地下帯水層12であっても、異なる地下帯水層12であっても、いずれも地下水14として還流されることに変わりがないため、いずれでも良い。
(Configuration of groundwater heat utilization system)
FIG. 1 shows a schematic configuration of an embodiment of a groundwater heat utilization system 1 according to the present invention. The present groundwater heat utilization system 1 includes a pumping well 2, a reducing well 3, a reducing water pipe 4, a circulating
図2(a)に揚水井2及び還元井3と地下帯水層12との関係を側面図で示す。図2(a)の側面図は、揚水井2及び還元井3に共通の側面である。揚水井2及び還元井3の外径は、例えば、略300mmであるが、これに限らない。図2(a)に示すように、揚水井2及び還元井3のうち地下帯水層12を貫通する部分には、井戸の側壁に開口部であるスリット18が設けられる。そして、このスリット18を介して地下水14が揚水井2に流入して井水22となるか、又は還元井3から還元水16が流出して地下水14となる。このスリット18は、揚水井2及び還元井3に設けられた開口部であれば図2(a)の形状に限らず、例えば、揚水井2又は還元井3の側壁に螺旋状に巻かれた巻き線型の開口部等であっても良い。また、揚水井2と還元井3とで異なる形状の開口部であっても良い。図2(b)に示す黒塗りの矢印は、地下帯水層12を流れる地下水14の揚水井2及び還元井3に対する流入又は流出の方向を示す。これは、以下の図面においても同様である。この黒塗りの矢印で示すように、地下帯水層12を流れる地下水14は、揚水井2のスリット18から揚水井2の内部に流入し、還元井3のスリット18から還元井3の外部へ流出する。
The relationship between the pumping well 2 and the
図2(b)に揚水井2及び還元井3を図1のA−A断面で示す。図2(b)の断面は、揚水井2及び還元井3をそれぞれ個別に示している。還元水用ポンプ8は、還元水配管4により揚水井2から吸い上げた井水22を還元井3に還元水16として吐き出し、再び地下水14に還流させる。図2(b)に示すように、還元水用ポンプ8は、揚水井2に向かう方向に地下水14を吸引し、還元井3から離れる方向に地下水14を吐出する。なお、本明細書では、揚水井2に流入した地下水14を井水22と称し、還元井3に流出された地下水14を還元水16と称し、揚水井2と同じ地下帯水層12か、又は異なる地下帯水層12に還流された還元水16を地下水14と称して区別する。なお、揚水井2が設けられる地下帯水層12と、還元井3が設けられる地下帯水層12とは、同じ地下帯水層12であっても良く、異なる地下帯水層12であっても良い。
The pumping well 2 and the reduction well 3 are shown in FIG.2 (b) by the AA cross section of FIG. The cross section of FIG.2 (b) has shown the pumping well 2 and the reduction well 3 each separately. The reduced
図1に示す循環水配管5は、還元井3の内部に設けられたU字管である第1採放熱管6a、揚水井2の内部に設けられたU字管である第2採放熱管6b、及び第1採放熱管6aと第2採放熱管6bとを直列に連結する連結採放熱管6c,6dから構成される。第1採放熱管6aはヒートソース(熱源)11aから熱エネルギーを採熱し、第2採放熱管6bはヒートソース(熱源)11bから熱エネルギーを採熱する。本実施形態では、循環水配管5は一つの循環水用ポンプ9により循環水15を循環させる。循環水配管5を流通する液体は、例えば、ブライン等の不凍液であり、これを循環水15と称する。図1に示すように、循環水15は循環水ポンプ9により、還元井3内の第1採放熱管6a、連結採放熱管(往路)6c、第2採放熱管6b、連結採放熱管(復路)6dという循環ルートを循環する。ヒートシンク10は、連結採放熱管(復路)6dに設けられる。この循環ルートの方向は、揚水井2内を循環する第2採放熱管6bを通過後すぐにヒートシンク10に向かう方向が好ましく、逆回りの循環ルートであると熱交換効果は低減される。ヒートシンク10では、後述するように、循環水配管5により流入した循環水15の熱エネルギーが採熱されて熱資源として利用される。また、図2(b)に示すように、還元井3内の第1採放熱管6a、及び揚水井2内の第2採放熱管6bは、それぞれ戻り管と送り管の2本が還元水配管4と共に配設される。
The circulating
(地下水熱利用システムの特徴)
図1に示した地下水熱利用システム1の特徴を説明する。まず、基本的な特徴である「連携直列利用」という点を説明する。そして、この特徴を「エクセルギー」により理論的に説明し、さらに「2重向流式熱交換方式」及び「カスケード熱移動方式」というキーワードにより具体的に説明する。
(Characteristics of groundwater heat utilization system)
The features of the groundwater heat utilization system 1 shown in FIG. 1 will be described. First, the basic feature "linked in-line use" will be described. Then, this feature will be described theoretically by "exergy" and further specifically explained by the keywords "two-phase counterflow heat exchange system" and "cascade heat transfer system".
本発明の特徴である連携直列利用モデルによる地下水熱利用システム1aについて説明するうえで、比較のために、単純熱交換モデルの地下水熱利用システム1b、及び非連携並列利用モデルによる地下水熱利用システム1cをそれぞれ説明する。
In describing the groundwater
(単純熱交換モデルによる地下水熱利用システム)
図3に、単純熱交換モデルによる地下水熱利用システム1bを示す。この単純熱交換モデルによる地下水熱利用システム1bでは、揚水井2において地下水14を汲み上げて還元水用ポンプ8により還元井3に吐き出し、揚水井2と同じ地下帯水層12か、又は揚水井2とは異なる地下帯水層12に地下水14として還流させる。そして、揚水井2のみをヒートソース(熱源)11bとして揚水井2に流入した地下水14である井水22と、循環水配管5の第2採放熱管6b内を流通する循環水15とを単純に熱交換させる。この単純熱交換モデルによる地下水熱利用システム1bは、地下水環境を乱さない点は、地中のヒートソースから熱源水を汲み上げて直接負荷に供給する従来の地下水熱利用システムの問題点を改善している。また、この単純熱交換モデルによる地下水熱利用システム1bは、従来の地中熱利用システムよりも高品位な熱資源を採熱できるシステムである。これは、揚水井2において既に熱交換され水温が低下した井水22を汲みあげて還元井3に吐き出すことで、地下帯水層12から新鮮でより高品位な熱資源が確保できるからである。ここで、「高品位な熱資源」とは、本明細書では、後述するエクセルギー値が高い熱源をいい、採熱する際により温度差の大きな熱源をいう。すなわち、新鮮な地下水14とは、熱交換により水温が低下していない地下水14をいう。
(Groundwater heat utilization system by simple heat exchange model)
The groundwater
この単純熱交換モデルについて地下帯水層12も含めた3次元FDM(有限差分法)解析モデルによりシミュレーションを行った結果、揚水井2のヒートソース11bの温度を15℃とした場合に、ヒートシンク10に供給されて熱利用される循環水配管5内の循環水15が9℃であり、ヒートシンク10で熱利用されて排出される循環水配管5内の循環水15は3℃であった。また、還元水配管4内の還元水16は9℃であった。つまり、ヒートシンク10において9℃から3℃に低下した循環水15は、15℃のヒートソース11bにおける採熱により温度が9℃に上昇する。
When the temperature of the
(非連携並列利用モデルによる地下水熱利用システム)
図4に、非連携並列利用モデルによる地下水熱利用システム1cを示す。このモデルでは、揚水井側ヒートソース11bだけではなく還元井側ヒートソース11aからも採熱する。ここでは、還元井側循環水ポンプ9a及び揚水井側循環水ポンプ9bによりそれぞれ独立して熱エネルギーを採熱する。つまり、揚水井2側と還元井3側とは非連携であり、並列的に熱エネルギーを採熱するシステムである。一方、揚水井2において汲み上げられた井水22は、還元水用ポンプ8により還元井3に還元水16として吐き出され、揚水井2と同じ地下帯水層12か、又は揚水井2とは異なる地下帯水層12に地下水14として還流される。このように、揚水井2において熱エネルギーを採熱されて低温となった還元水16が連続的に還元井3に供給されるため、還元井側ヒートソース11aは揚水井側ヒートソース11bに比べて低い温度となる。
(Groundwater heat utilization system by non-cooperative parallel use model)
The groundwater
図4の非連携並列利用モデルによる地下水熱利用システム1cについて、地下帯水層12も含めた3次元FDM(有限差分法)解析モデルによりシミュレーションを行った結果、揚水井側ヒートソース11bの温度を15℃とした場合に、揚水井側ヒートシンク10bに供給されて熱利用される循環水配管5内の循環水15が9℃であり、揚水井側ヒートシンク10bで熱利用されて排出する循環水配管5の循環水15は3℃であった。また、還元井側ヒートシンク10aに供給されて熱利用される循環水配管5の循環水15が6℃であるのに対し、還元井側ヒートシンク10aで熱利用されて排出する循環水配管5の循環水15は3℃であった。さらに、還元水配管4の還元水16は10℃であった。つまり、揚水井側ヒートシンク10bにおいては、図3の単純熱交換モデルによる地下水熱利用システム1bと同様に、9℃から3℃に低下した循環水15は、15℃の揚水井側ヒートソース11bからの採熱により温度が9℃に上昇する。一方、還元井側ヒートシンク10aにおいては、6℃から3℃に低下した循環水15は、10℃の還元井側ヒートソース11aからの採熱により温度が6℃に上昇するが、上述したように還元水16の影響で採熱効率は揚水井側ヒートシンク10bよりも低くなる。
The groundwater heat utilization system 1c according to the non-collaborative parallel use model of FIG. 4 was simulated by a three-dimensional FDM (finite difference method) analysis model including the underground aquifer 12, and as a result, the temperature of the water storage well side heat source 11b When the temperature is 15 ° C., the circulating water 15 in the circulating water pipe 5 supplied to the pumping well side heat sink 10 b and thermally utilized is 9 ° C., and the circulating water pipe drains thermally utilizing the pumping bore side heat sink 10 b The circulating water 15 of 5 was 3 ° C. Further, while the circulating water 15 of the circulating water pipe 5 supplied to the reduction well side heat sink 10a and subjected to heat utilization is 6 ° C., the circulation of the circulation water pipe 5 to be thermally utilized by the reduction well side heat sink 10a and discharged Water 15 was at 3 ° C. Furthermore, the reduced water 16 of the reduced water piping 4 was 10 ° C. That is, in the pumping well side heat sink 10b, as in the case of the groundwater heat utilization system 1b according to the simple heat exchange model of FIG. 3, the circulating water 15 lowered from 9 ° C to 3 ° C is from the pumping well side heat source 11b at 15 ° C. Temperature rises to 9 ° C due to heat collection. On the other hand, in the reduction well
(連携直列利用モデルによる地下水熱利用システム)
図1に示す、連携直列利用モデルによる地下水熱利用システム1aについて、「連携」「直列」という2つの特徴を、図4の非連携並列利用モデルによる地下水熱利用システム1cと比較しながら説明する。第1の特徴は、図4が「並列」利用モデルであるのに対し、図1が「直列」利用モデルである点である。つまり、非連携並列利用モデルによる地下水熱利用システム1cは、並列であるためヒートシンク10a,10bが2つに分離され、循環水配管5の循環ループも2つに分離される。一方、本連携直列利用モデルによる地下水熱利用システム1aは、直列であるためヒートシンク10が一つに集約され、循環水配管5の循環ループが一つに集約される。すなわち、循環水15は一つの循環水用ポンプ9により還元井3内の第1採放熱管6a、連結採放熱管(往路)6c、第2採放熱管6b、連結採放熱管(復路)6dという循環ルートを循環する。このように熱源が「直列」であることにより、熱源が「並列」である場合に比べて装置やシステムが簡略化され、熱資源を簡易に採熱できる。
(Peripheral water heat utilization system by cooperation series use model)
About the groundwater
第2の特徴は、図4が「非連携」利用モデルであるのに対し、図1が「連携」利用モデルである点を特徴である。つまり、図4の「非連携」利用モデルによる地下水熱利用システム1cは、2つのヒートソース11a,11bにおける熱交換が非連携で独立しているため、双方の熱源から採熱した熱エネルギーは加算されない。一方、図1の「連携」利用モデルによる地下水熱利用システム1aは、2つのヒートソース11a,11bにおける熱交換が連携であり結合されるため、双方の熱源から採熱した熱エネルギーが一つの熱源として加算される。このように熱源が「連携」することにより、ヒートシンク10には双方の熱源から採熱した熱エネルギーが加算され、より高い、高品位な熱源を得ることができる。
The second feature is that FIG. 4 is a “collaborative” usage model while FIG. 4 is a “non-collaborative” usage model. That is, since the heat exchange in the two
図1の連携直列利用モデルによる地下水熱利用システム1aについて地下帯水層12も含めた3次元FDM(有限差分法)解析モデルによりシミュレーションを行った結果、揚水井2のヒートソース11bの温度を15℃とした場合に、ヒートシンク10に供給されて熱利用される循環水配管5内の循環水15が11℃であるのに対し、ヒートシンク10で熱利用されて排出する循環水配管5内の循環水15は3℃であった。また、還元井3に流入する循環水配管5内の循環水15が3℃であるのに対し、還元井3から流出する循環水配管5内の循環水15は8℃であった。また、揚水井2に入る循環水配管5の循環水15が8℃であるのに対し、揚水井2から出る循環水配管5内の循環水15は11℃であった。さらに、還元水配管4の還元水16は9℃であった。すなわち、ヒートシンク10に入る循環水配管5の循環水15は、非連携並列利用モデルによる地下水熱利用システム1cが9℃であったのに対し、連携直列利用モデル1では熱エネルギーが加算されて11℃となった。 As a result of performing simulation by three-dimensional FDM (finite difference method) analysis model including underground aquifer 12 about groundwater heat utilization system 1a by cooperation serial use model of Fig. 1, temperature of heat source 11b of pumping well 2 is 15 C., the circulating water 15 in the circulating water pipe 5 supplied to the heat sink 10 and thermally utilized is 11 DEG C., while the circulation in the circulating water pipe 5 thermally exhausted by the heat sink 10 and discharged Water 15 was at 3 ° C. Further, while the circulating water 15 in the circulating water pipe 5 flowing into the reduction well 3 is 3 ° C., the circulating water 15 in the circulating water pipe 5 flowing out from the reduction well 3 is 8 ° C. The circulating water 15 in the circulating water pipe 5 entering the pumping well 2 is 8 ° C., whereas the circulating water 15 in the circulating water pipe 5 exiting the pumping well 2 is 11 ° C. Furthermore, the reduced water 16 of the reduced water pipe 4 was 9 ° C. That is, the circulating water 15 in the circulating water pipe 5 entering the heat sink 10 is 9 ° C. in the groundwater heat utilization system 1 c according to the non-cooperative parallel use model, whereas thermal energy is added in the cooperative series use model 1 11 It became ° C.
ここで、上述したエクセルギーにより、連携直列利用モデルによる地下水熱利用システム1aと非連携並列利用モデルによる地下水熱利用システム1cとの比較を行ってみる。上述したように、熱効率ηを上げてエクセルギーを向上させるには、T0/Tを最小にすればよい。すなわち、温度差(T―T0)を大きくするか、又は“T”自体を大きくすればよい。ここで、T0は系が置かれている環境温度又は室温であり、Tはそのモデルの温度である。シミュレーション結果では、図1の直列モデルによる地下水熱利用システム1aではヒートシンク10にT=11℃の循環水15が流入する。また、図3の単純熱交換モデルによる地下水熱利用システム1bではヒートシンク10にT=9℃の循環水15が流入する。さらに、図4の非連携並列利用モデル1cでは揚水井側ヒートシンク10bにT=9℃の循環水15が流入し、還元井側ヒートシンク10aにT=6℃の循環水15が流入するという結果になった。このヒートシンク10,10a,10bにおける周囲の気温(T0)が冬季であり0℃とすると、Tが高いほど熱効率ηが上がりエクセルギーが向上することがわかる。これらのシミュレーション結果からは、連携直列利用モデルによる地下水熱利用システム1aは、単純熱交換モデルによる地下水熱利用システム1b、及び非連携並列モデルによる地下水熱利用システム1cより高い温度(T)を得ることができる。つまり、非連携並列利用モデルによる地下水熱利用システム1cが2つの熱源からそれぞれ個別に採熱するのに対し、連携直列利用モデルによる地下水熱利用システム1aはそれらの熱源を集約してより高品位な熱資源を簡易に採熱できることが分かる。
Here, a comparison will be made between the groundwater
上述したシミュレーション結果は、温度Tに影響を与える多くの設定値が変数として設定されている。例えば、揚水井2及び還元井3の井戸としての径、及びスリット18の大きさ、還元水配管4による還元水16の流速(Vp)及び流量(Mp)、循環水配管5による循環水15の流速(Vq)及び流量(Mq)などである。実際に地下水熱利用システム1を設計する際に、シミュレーションによりこれらの設定値を決定し、地下水熱利用システム1の施工値とすることができる。このように、地下水熱利用システム1の施工に際して連携直列利用モデルによる地下水熱利用システム1aの設定値をシミュレーションにより探索し、より高品位な熱源を得ることができる。
In the simulation results described above, many set values that affect the temperature T are set as variables. For example, the diameter of the pumping well 2 and the reducing well 3 and the size of the
(二重向流式熱交換方式)
図5に、二重向流式熱交換を説明するため、連携直列利用モデルによる地下水熱利用システム1aをモデル化して示す。ここで「向流式熱交換」とは、熱交換における一つの伝熱形式であり、内部流体と外部流体とが伝熱面に沿って平行に流れ、高温流体と低温流体とが反対方向に流れて熱交換を行う形式をいう。図5には「向流式熱交換」の説明図として、揚水井2、還元井3、ヒートシンク10、還元水配管4、循環水配管5、第1採放熱管6a,第2採放熱管6b、連結採放熱管(往路)6c,連結採放熱管(復路)6d、地下水入口24、及び地下水出口25を示す。ヒートシンク10を出た循環水15は、ポイントM1(温度Ta),M2(温度Tb),M3(温度Tc),N1(温度Td),N2(温度Te),N3(温度Tf)の順で図中の矢印のように循環する。また、還元水配管4では、還元水用ポンプ8により、揚水井2の底部において井水22を吸込み、還元井3の底部において還元水16を吐き出す。このため、揚水井2内の井水22には下方に向う水流が発生し、還元井3内の還元水16には上方に向う水流が発生する。
(Double countercurrent heat exchange system)
In FIG. 5, in order to demonstrate double countercurrent heat exchange, the groundwater
この還元水16、井水22、循環水15の流れのなかで、還元井3側に向流式熱交換う域23aが発生し、揚水井2側に向流式熱交換領域23bが発生する。すなわち、内部流体である循環水15と外部流体である井水22又は還元水16とが伝熱面である第1採放熱管6a又は第2採放熱管6bに沿って平行に流れる。また、ポイントM1での循環水15の温度Taは3℃であり、ポイントM2での循環水15の温度Tbは還元水16との熱交換によりTb=6℃〜8℃となる。さらに、ポイントM3での循環水15の温度TcはTbとほぼ同じ温度であるか、若干高い温度Tc=8℃となる。一方、還元水16の温度(Tx)は9℃であり、比較的高温である。つまり、還元井3側の向流式熱交換領域23aでは、比較的高温な流体である還元水16が図に向かって上向きに流れ、比較的低温な流体である循環水15の一方が図に向かって下向きに流れる。そして、それぞれ反対方向に流れることで向流式の熱交換が行われる。
In the flow of the reduced
また、ポイントN1での循環水15の温度Tdは8℃であり、ポイントN2での循環水15の温度Teは井水22による高温領域での熱交換によりTe=9℃〜11℃となる。さらに、ポイントN3での循環水15の温度TfはTeとほぼ同じ温度であるか、若干高い温度Tf=11℃となる。一方、井水22の温度(Ty)は15℃であり、比較的高温である。つまり、揚水井2側の向流式熱交換領域23bでは、高温流体である井水22が図に向かって下向きに流れ、低温流体である循環水15の一方が図に向かって上向きに流れる。そして、それぞれ反対方向に流れて向流式の熱交換が行われる。この地下水熱利用システム1aは、還元井3側に向流式熱交換領域23aが設けられ、揚水井2側に向流式熱交換領域23bが設けられる。そして、これらを直列に連携することで二重向流式熱交換となる。すなわち、第1採放熱管6aを流通する循環水15は、揚水井2から流出した還元水16と対向する流れの部分において向流式熱交換により第1熱エネルギーを採熱し、第2採放熱管6bを流通する循環水15は、地下水14から汲み上げられた井水22と対向する流れの部分において向流式熱交換により第2熱エネルギーを採熱する。これにより効率的な熱交換、つまりエネルギー熱効率を高めた高品位な熱資源を容易に採熱することができる。
The temperature Td of the circulating
この図5に示すU字管を用いた連携直列利用モデルを用いた地下水熱利用システム1aでは、U字管を構成する戻り管又は送り管のいずれか一方向の配管が向流式熱交換を行う。他方向の配管は、必然的に井水22又は還元水16の流れの方向と一致するため向流式熱交換にはならない。しかし、還元水配管4による吸込み及び吐き出しにより還元井3内又は揚水井2内に上昇又は下降する水流を発生させ、循環水配管5の採放熱管6a,6bと向流させることで熱交換を促進させることができる。
In the groundwater
(実施例:スパイラル採放熱管)
図6に、スパイラル採放熱管20を用いた地下水熱利用システム1dの実施例を示す。この実施例では、向流式熱交換を行う還元井3側の採放熱管を螺旋状の第1スパイラル採放熱管20aとし、他方向の配管は、第1採放熱管(戻り管)20cとする。また、向流式熱交換を行う揚水井2側の採放熱管を螺旋状の第2スパイラル採放熱管20bとし、他方向の配管は、第2採放熱管(送り管)20dとする。このように、U字管のうち向流式熱交換を行う部分を螺旋状のスパイラル採放熱管20とする。これにより、還元水16又は井水22と向流により熱交換する採放熱管6の表面積が増加し、向流式熱交換による熱エネルギーの採熱をより効果的にすることが可能となる。
(Example: Spiral heat sink tube)
In FIG. 6, the Example of the groundwater heat utilization system 1d which used the spiral heat radiating tube 20 is shown. In this embodiment, the heat dissipation pipe on the reduction well 3 side performing countercurrent heat exchange is a spiral first spiral
(カスケード熱移動方式)
ヒートシンク10では、還元井3において、第1採放熱管6aの循環水15が揚水井2において熱放出した還元水16から第1熱交換により採熱し、揚水井2に流通させた第1熱エネルギーと、揚水井2において、第2採放熱管6bの循環水15が井水22から第2熱交換により採熱した第2熱エネルギーを加算して熱交換する。このことは、あたかも滝が連鎖的に伝搬する状態とのアナロジーから「カスケード熱移動方式」と称する。以下、図7を用いてこの「カスケード熱移動方式」を説明する。
(Cascade heat transfer method)
In the
図7に、採放熱管6内の循環水15の深度方向の温度分布のモデルを図示する。縦軸は地表面からの深度(d)であり、横軸はその深度(d)における温度(t)を示す。一点波線(L)は、揚水井2に流入した地下水14、つまり井水22の一般的な温度分布をモデル化して示す。この揚水井2内の井水22の温度分布は地表面近くでは、例えば大気の温度等に影響されるが本モデルではこの影響を無視して記載した。また、井水22の温度分布は地下深くなるほど温度が上がることから、ほぼ直線にモデル化した。
The model of the temperature distribution of the depth direction of circulating
実線による曲線(M)は、還元井3内における第1採放熱管6a内を流通する循環水15の深度による温度分布の変化を示す。循環水15が還元井3に進入する入口(M1)では、ヒートシンク10により熱交換された直後であるため温度Ta=3℃である。その後、第1採放熱管6aの最下点(M2)までは循環水15の温度は還元水16との第1熱交換により次第に上昇する。そして、最下点(M2)から折り返した循環水15の温度は還元水16との第1熱交換によりやや上昇する。しかし、還元水16は上部になるほど温度が低くなるため、循環水15の温度は緩やかに低下し、循環水15が還元井3を退出する出口(M3)にて還元井3を温度Tc=8℃で退出する。その結果、還元井3内においては、図7に示すループを描く。
A curve (M) by a solid line shows a change in temperature distribution according to the depth of the circulating
また、実線による曲線(N)は、揚水井2における第2採放熱管6bを流通する循環水15の温度分布の変化を示す。循環水15が揚水井2に進入する入口(N1)では、温度Td=8℃である。その後、第2採放熱管6bの最下点(N2)までは循環水15の温度は井水22との第2熱交換により次第に上昇する。そして、最下点(N2)から折り返した循環水15の温度は井水22との第2熱交換により上昇する。しかし、井水22は上部になるほど温度が低くなるため、循環水15の温度は緩やかに低下し、第2採放熱管6bの最上点(N3)にて温度Ta=11℃となり、揚水井2を退出し、ヒートシンク10に向かう。その結果、揚水井2内においては、図7に示すループを描く。
Further, a curve (N) by a solid line shows a change in temperature distribution of circulating
図7に示すように、曲線(M)は、点(M1)から点(M3)へとループを描き、曲線(N)は、点(M3)と同じ点(N1)から点(N3)へとループを描く。すなわち、あたかも滝が連鎖的に伝搬するように、熱エネルギーが累積する。このように、揚水井2と還元井3とを一つのペアとしてその間に還元水配管4を配管し、全ての揚水井2及び還元井3を循環水配管5にて直列に連携させれば、カスケード熱移動方式による地下水熱利用システム1aが出来上がる。
As shown in FIG. 7, the curve (M) draws a loop from the point (M1) to the point (M3), and the curve (N) from the same point (N1) to the point (N3) as the point (M3) And draw a loop. That is, thermal energy is accumulated as if cascades propagate in a chain. In this way, if the pumping well 2 and the reducing well 3 are paired as one pair and the reduced water pipe 4 is piped between them, and all the
(第2実施形態:複数の採放熱管)
図8に、複数の採放熱管6が設けられた地下水熱利用システム1eの実施形態を示す。還元井3における第1熱交換、及び揚水井2における第2熱交換は、低温で揚水井2又は還元井3に進入した循環水15が、循環水配管5を介してそれぞれ向流式の熱交換を行うことで温度を上昇させてヒートシンク10に向かい熱利用させる。この第1熱交換及び第2熱交換において、循環水配管5の第1採放熱管6a及び第2採放熱管6bが熱交換を行う表面積が大きいほど熱交換が迅速に行われ、ヒートシンク10において熱エネルギーを効率的に熱利用できる。そこで、揚水井2及び還元井3内で複数の採放熱管6に分岐して採熱することが効果的となる。図8に示すように、第1採放熱管6a及び第2採放熱管6bは、それぞれ3本に分岐し、分岐管はそれぞれU字状となって揚水井2又は還元井3に設けられる。この分岐の数は3本に限らず、例えば2本、4本などであっても良い。
(Second embodiment: multiple heat radiation tubes)
FIG. 8 shows an embodiment of a groundwater
(実施例:還元水配管の地中埋設)
図9に、実施例として揚水井2において還元水配管4又は還元水用ポンプ8が井戸内に設置された場合を示す。すなわち、還元水配管4は、揚水井2と還元井3とを接続する部分の一部又は全部が地中内に埋め込まれる。また、還元水16を流通させる還元水用ポンプ8は、図9に示すように水中に設置される。しかし、この還元水用ポンプ8は、水中への設置に限らず、地上に据え付けられても良い。
(Example: Underground laying of reduced water piping)
In FIG. 9, the case where the reduced water piping 4 or the
揚水井2に流入した井水22は、第2採放熱管6bを流通する循環水15と第2熱交換を行い、温度(Tα)に低下した状態で還元水16として還元井3に流入する。還元井3では、還元水16はヒートシンク10により温度(Tβ)に低下して第1採放熱管6aを流通する循環水15と第1熱交換を行う。
The
この還元井3における第1熱交換の際に熱効率ηを上げてエクセルギーを向上させるには、Tβ/Tαを最小にすればよい。すなわち、温度差(Tβ−Tα)を大きくするか、又は“Tα”を大きくすればよい。上述した3次元FDM(有限差分法)解析モデルによるシミュレーション結果では、Tβ=3℃であり、Tα=8℃である。共に低い温度ではあるものの、この温度差がエクセルギーを生じる。従って、還元水16の温度(Tα)を上げることにより還元井3において採熱される第1熱エネルギーを増加させることができる。つまり、還元水配管4について、揚水井2と還元井3とを接続する部分の一部又は全部を地中内に埋め込むことで地中熱により還元水16の温度(Tα)を上げることができる。
In the
(ヒートシンクの構成の実施例)
図10に、ヒートシンク10の構成の実施例として、ヒートソース(熱源)11から採熱された熱エネルギーを道路や屋根の融雪装置19に用いる場合を示すが、この用途に限らず他の用途であっても良い。ヒートシンク(heat sink)10とは、発熱する機械や電気部品に取り付けて、熱の放散によって温度を下げることを目的とした部品であり、放熱器と称される。本実施形態では、このヒートシンク10を破線で示し、ヒートソース(熱源)11から採熱された熱エネルギーを利用する部分として示す。図10(a)の実施例では、循環水15は、循環水配管5の連結採放熱管(復路)6dにおいて循環水用ポンプ9により融雪装置19の循環水配管5へ直接送られる。融雪装置19を巡って熱エネルギーを放出した循環水15は、第1採放熱管6aに流入し、連結採放熱管(往路)6c、第2採放熱管6b、連結採放熱管(復路)6dへと循環する。このヒートシンク10の構成では、循環水15は水の場合でも良く、水以外の例えば、ブラインなどの不凍液の場合でも良い。
(Example of heat sink configuration)
Although the case where the thermal energy extracted from the heat source (heat source) 11 is used for the
図10(b)には、ヒートシンク10の構成の他の実施例を示す。ここでは、実施例として、例えば路面などの融雪装置19を用いて説明するが、この用途に限らず他の用途であっても良い。上述した地下水熱利用システム1の循環水配管5の連結採放熱管(復路)6dにおいて循環水15は、熱交換器7により融雪装置用循環水17と熱交換する。そして、融雪装置用循環水17は、熱交換器7により融雪装置19の融雪装置用循環水配管21へ送られる。そして、融雪装置19を巡って熱エネルギーを放出した融雪装置用循環水17は、熱交換器7に戻り、熱交換後、再度融雪装置用循環水配管21を循環する。循環水15は、熱交換器7を出ると第1採放熱管6aに流入し、連結採放熱管(往路)6c、第2採放熱管6b、連結採放熱管(復路)6dへと循環する。この構成は、循環水15及び融雪装置用循環水17が水の場合でも良く、水以外の例えば、ブラインなどの不凍液の場合でも良い。さらに、循環水15が水以外の例えば、ブラインなどの不凍液であり、融雪装置用循環水17が水の場合であっても使用できる。
FIG. 10 (b) shows another embodiment of the configuration of the
図11に、図10(a)の実施例において、還元水16の一部が水資源として利用される実施例を示す。本実施例では、還元水16の一部が還元水用ポンプ8から分岐し、バルブ28を介して貯水槽26に貯められ、水資源として活用された後に水路等27に排水されるか、又は貯水槽26から直接水路等27に排水される。このように、還元水16の一部が熱資源としてだけではなく水資源としても利用される場合もある。
FIG. 11 shows an embodiment in which a part of the reduced
1 地下水熱利用システム、1a 連携直列利用モデル、1b 単純熱交換モデル、1c 非連携並列利用モデル、1d スパイラル採放熱管を用いた地下水熱利用システム、1e 複数の採放熱管を用いた地下水熱利用システム、2 揚水井、3 還元井、4 還元水配管、5 循環水配管、6 採放熱管,6a 第1採放熱管,6b 第2採放熱管、6c 連結採放熱管(往路),6d 連結採放熱管(復路)、7 熱交換器、8 還元水用ポンプ、9 循環水用ポンプ、9a 還元井側循環水ポンプ,9b 揚水井側循環水ポンプ、10 ヒートシンク、10a 還元井側ヒートシンク,10b 揚水井側ヒートシンク、11 ヒートソース,11a 還元井側ヒートソース,11b 揚水井側ヒートソース、12 地下帯水層、14 地下水、15 循環水、16 還元水、17 融雪装置用循環水、18 スリット、19 融雪装置、20 スパイラル採放熱管,20a 第1スパイラル採放熱管,20b 第2スパイラル採放熱管,20c 第1採放熱管(戻り管),20d 第2採放熱管(送り管)、21 融雪装置用循環水配管、22 井水、23 向流式熱交換領域,23a 還元井側向流式熱交換領域,23b 揚水井側向流式熱交換領域、24 地下水入口、25 地下水出口、26 貯水槽、27 水路等、28 バルブ、L 揚水内の井水の温度分布を示す線、M 還元井内の第1採放熱管を流通する循環水の温度分布を示す線、M1,M2,M3 循環水の温度分布を示す線Mのポイント、N 揚水井内の第2採放熱管を流通する循環水の温度分布を示す線、Mp 還元水の流量、Mq 循環水の流量、N1,N2,N3 循環水の温度分布を示す線Nのポイント、T0 周囲の環境温度、又は室温、Ta ポイントM1の温度、Tb ポイントM2の温度、Tc ポイントM3の温度、Td ポイントN1の温度、Te ポイントN2の温度、Tf ポイントN3の温度、Tx 還元井内の還元水の温度、Ty 揚水井内の井水の温度、Vp 還元水の流速、Vq 循環水の流速。 1 Groundwater Heat Utilization System, 1a Cooperative Series Use Model, 1b Simple Heat Exchange Model, 1c Non-Parallel Parallel Use Model, 1d Groundwater Heat Use System with Spiral Heat Sink, 1e Groundwater Heat Use with Multiple Heat Sinks System, 2 pumping well, 3 reducing well, 4 reducing water piping, 5 circulating water piping, 6 heat radiating pipe, 6a first heat radiating pipe, 6b second heat radiating pipe, 6c connected heat radiating pipe (outgoing route), 6d connected Heat sink tube (return path), 7 heat exchanger, 8 pump for reducing water, 9 pump for circulating water, 9a reducing well side circulating water pump, 9b pumping well side circulating water pump, 10 heat sink, 10a reducing well side heat sink, 10b Pumping well side heat sink, 11 heat sources, 11a reducing well side heat source, 11b Pumping well side heat source, 12 underground aquifers, 14 underground water, 15 circulating water, 16 reduced water, 1 Circulating water for snow melting equipment, 18 slits, 19 snow melting equipment, 20 spiral heat radiation tubes, 20a first spiral heat radiation tubes, 20b second spiral heat radiation tubes, 20c first heat radiation tubes (return pipe), 20 d second collection Heat dissipation pipe (feed pipe), 21 Circulating water piping for snow melting equipment, 22 well water, 23 countercurrent heat exchange area, 23a reduct well side countercurrent heat exchange area, 23b Pumping well side countercurrent heat exchange area, 24 Ground water inlet, 25 Ground water outlet, 26 water reservoirs, 27 water channels, etc., 28 valves, L A line showing temperature distribution of well water in pumped water, M Temperature distribution of circulating water flowing through the first heat release pipe in the reduction well Line, M1, M2, M3 Point of line M showing temperature distribution of circulating water, N Line showing temperature distribution of circulating water flowing through the second heat radiation pipe in the pumping well, Mp Flow rate of reduced water, Mq Circulating water Flow rate, N1, N2, N3 Circulating water temperature component Point indicating line N, ambient temperature around T 0 or room temperature, temperature of Ta point M1, temperature of Tb point M2, temperature of Tc point M3, temperature of Td point N1, temperature of Te point N2, Tf point Temperature of N3, temperature of reduced water in Tx reduction well, temperature of well water in pumping well, Vp reduced water flow velocity, Vq circulating water flow velocity.
Claims (9)
前記還元井に設けられたU字管を構成する第1の戻り管と第1の送り管からなる第1の採放熱管と、前記揚水井に設けられたU字管を構成する第2の戻り管と第2の送り管からなる第2の採放熱管とを直列に連結して循環水を流通させる循環水配管と、
採熱された前記循環水の熱エネルギーを放熱させるヒートシンクと、
を備え、
前記第1の採放熱管を流通する前記循環水は、揚水井から流出した還元水と対向する前記第2の戻り管において向流式熱交換により第1の熱エネルギーを採熱し、前記第2の採放熱管を流通する前記循環水は、前記地下水から汲み上げられた井水と対向する前記第2の送り管において向流式熱交換により第2の熱エネルギーを採熱することを特徴とする地下水熱利用システム。 The groundwater flowing into the pumping well drilled through the underground aquifer is sucked from the groundwater inlet provided at the bottom of the pumping well by the pump for reduced water and discharged from the groundwater outlet provided at the bottom of the well. Reduced water piping for generating a water flow directed downward to the pumping well and a water flow directed upward to the reduction well;
A first heat receiving and radiating pipe consisting of a first return pipe and a first feed pipe which constitute a U-shaped pipe provided in the reduction well, and a second one which constitutes a U-shaped pipe provided in the pumping well Circulating water piping for circulating circulating water by connecting in series a return pipe and a second heat extraction pipe consisting of a second feed pipe;
A heat sink for dissipating heat energy of the collected circulating water;
Equipped with
The circulating water flowing through the first heat radiation pipe collects the first thermal energy by countercurrent heat exchange in the second return pipe facing the reduced water flowing out from the pumping well, and the second The circulating water flowing through the heat-radiating pipe is characterized in that the second heat energy is collected by countercurrent heat exchange in the second feed pipe facing the well water pumped up from the ground water. Groundwater heat utilization system.
A groundwater heat utilization system according to any one of claims 1 to 8, lifting fluid well includes a plurality of apertures for flowing groundwater to the outer wall of the site through the aquifers, instead 2. The groundwater heat utilization system according to claim 1, wherein the well is provided with a plurality of the openings which are made to flow out as the groundwater on an outer wall of a portion which penetrates the underground aquifer.
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