JP2005127612A - 地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】 効率の良い地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システムを提供することを目的とする。
【解決手段】 地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システムにおいて、地中に設置された水槽内の水又はブラインをヒートポンプの熱源水とし、１日或いは１サイクル毎の冷却または加熱運転終了時の熱源水温度上昇又は下降が、空気熱源等の他のヒートポンプよりも優れた成績係数（冷却・加熱能力／使用電力）を確保できる温度範囲内に納まり得る熱源水量を水槽内に確保し、次の日或いは次のサイクルの運転開始前の電力の安価な時間帯に上昇又は下降した熱源水温度を回復させる運転をすることにより、毎日或いは毎サイクルの能力低下がない運転を繰り返すことを可能としたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、通年安定した外気との温度差を持つ温度差エネルギーの一つである地中熱を、地下水槽に貯蔵した熱源水により間接的に利用する地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システムに関する。

外気に左右されず年間を通して安定した温度に保たれる地中に、地中熱交換器を設置し、地中熱交換器とヒートポンプとの間で熱交換可能として負荷設備を冷却・加熱する地中熱利用システムが開発されている。
地中熱利用システムは、年間を通じて安定した温度の大地を熱源として利用するため、空気熱源等の他システムに比べ成績係数（冷却・加熱能力／使用電力）の高いシステムである。
「地球熱利用システム・地中熱利用ヒートポンプシステムの特徴と課題」新エネルギー産業技術総合開発機構（ＮEＤO）発行パンフレット９ページ。

従来の地中熱利用システムは、地中に設置された熱交換器とヒートポンプとの間で冷却・加熱運転のための放熱又は採熱の熱交換が続くと、時間の経過にともない地中熱交換器周辺の地中温度が上昇又は下降し、地中熱交換器の放熱又は採熱能力は減少し、やがて見掛け上安定する。
従来の地中熱利用システムの冷却又は加熱能力は、地中熱交換器の放熱又は採熱能力が減少し、見掛け上安定した後の能力を基に設計されているのが現状である。このため、標準的な戸建住宅では、冷暖房・給湯負荷等を地中熱でまかなう場合、一般的に１００ｍ程度のボアホール型地中熱交換器が必要になっており、また、住宅以外の業務用建築物では、敷地内に設置し得る数量の地中熱交換器で安定的に得られる冷却・加熱能力が建物全体の負荷に満たない場合が多く、成績係数の高い地中熱利用システムは部分的にしか使用できず、空気熱源等成績係数の劣る他のシステムと併用して採用しなければならない事例が多い。

本発明は、上記従来の地中熱利用システムの持つ問題点を解消する、地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システムを提供することを目的とする。

本第１発明は、前記課題を解決するために、地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システムにおいて、地中に設置された水槽内の水又はブラインをヒートポンプの熱源水とし、１日毎或いは１サイクル毎の冷却又は加熱運転終了時の熱源水温度上昇又は下降が、空気熱源等の他のヒートポンプよりも優れた成績係数（冷却・加熱能力／使用電力）を確保できる温度範囲内に納まり得る熱源水量を水槽内に確保し、次の日或いは次のサイクルの運転開始前の電力の安価な時間帯に上昇又は下降した熱源水温度を回復させる運転をすることにより、毎日或いは毎サイクルの能力低下がない運転を繰り返すことを可能としたことを特徴とする。

本第２発明は、本第１発明の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システムにおいて、地中に設置され、水又はブラインを熱源水として貯蔵した水槽をヒートポンプの凝縮器又は蒸発器の一方と熱交換可能に連結し、ヒートポンプの凝縮器又は蒸発器の他方と冷熱又は温熱を利用する負荷設備及び大気との熱交換器とを切替可能に連結し、冷却又は加熱運転時以外の電気料金が安価な時間帯に、地下水槽、ヒートポンプ、大気との熱交換器とを連結し、ヒートポンプを冷却又は加熱運転時と反対の運転をすることにより、冷却又は加熱運転時に上昇又は下降した地下水槽中の熱源水温度を回復させることを特徴とする。

本第３発明は、本第１発明の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システムにおいて、地中に設置され、水又はブラインを熱源水として貯蔵した水槽をヒートポンプの凝縮器又は蒸発器の一方と熱交換可能に連結し、ヒートポンプの凝縮器又は蒸発器の他方と冷熱又は温熱を利用する負荷設備及び地中熱交換器とを切替可能に連結し、冷却又は加熱運転時以外の電気料金が安価な時間帯に、地下水槽、ヒートポンプ、地中熱交換器とを連結し、ヒートポンプを冷却又は加熱運転時と反対の運転をすることにより、冷却又は加熱運転時に上昇又は下降した地下水槽中の熱源水温度を回復させることを特徴とする。

本第４発明は、本第１〜３のいずれか１つの発明の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システムにおいて、地下水槽が複数設けられていることを特徴とする。

本第５発明は、本第３又は第４発明の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システムにおいて、地中熱交換器が複数設けられていることを特徴とする。

本第６発明は、本第１〜５のいずれか１つの発明の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システムにおいて、地下水槽及び地中熱交換器の少なくとも一方を下端に管径より大きい羽根を備えた回転圧入鋼管により構築することを特徴とする。

本第７発明は、本第１〜５のいずれか１つの発明の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システムにおいて、地下水槽及び地中熱交換器の少なくとも一方を建物の基礎杭としての下端に杭径より大きい羽根を備えた回転圧入鋼管杭により構築することを特徴とする。

常に周囲土壌の安定した温度の影響を受け、周囲土壌温度と同じ温度で通年安定している地中に設置された水槽内の水又はブラインをヒートポンプの熱源とすることにより、初期状態において、従来の地中熱利用システム同様、空気熱源等の他のヒートポンプよりも優れた成績係数（冷却・加熱能力／使用電力）で冷却又は加熱運転を開始できる。
冷却又は加熱運転時には、熱源水への放熱又は熱源水からの採熱により熱源水温度が上昇又は下降すると、周囲土壌との間に温度勾配が生じ、熱源水から土壌への放熱又は土壌から熱源水への採熱が行われる。すなわち、地下水槽水熱源ヒートポンプは熱源水を介して土壌熱も熱源として利用する地中熱利用システムである。
回復運転時には、熱源水温度が周囲土壌温度より上昇又は下降した状態から、周囲土壌温度と同等まで戻す運転であるため、投入した冷熱又は温熱を損失することがなく、周囲土壌からも回復運転を軽減できる冷熱又は温熱を受け取ることができ、回復時においても地中熱を利用している。
回復運転にて熱源水温度を初期状態に戻すことにより、冷却および加熱運転を長期間繰り返しても、毎日或いは毎サイクル、初期状態同様の優れた成績係数の冷却及び加熱運転を行うことができ、さらに、１日或いは１サイクルの積算負荷と他熱源より優れた成績係数を確保可能な熱源水温度上昇又は下降に見合う熱源水容量を確保出来れば、建物全体の負荷処理を行うことができるシステム構築も可能となる。
水又はブライン等の熱源水は土壌よりも容積比熱が大きく、また対流を伴うので熱応答に優れているので、地下水槽中に十分な熱源水を確保することにより、効率の良いヒートポンプ地中熱利用システムとすることができる。
地下水槽、地中熱交換器として、管径より大きい羽根を備えた鋼管の回転圧入工法によって構築される鋼管製水槽を用いる構成により、従来の地下水槽、地中熱交換器の構築のため必要とした地中掘削、掘削残土の処理等がなく、地下水槽、地中熱交換器の構築のための施工期間を短縮することができ、且つ施工コストを大幅に低減することができ、また、地下水槽又は地中熱交換器と土壌との熱交換面積が増加し、回復運転を大いに軽減することが可能となる。
地下水槽、地中熱交換器として、建物の基礎杭としての杭径より大きい羽根を備えた回転圧入鋼管杭を用いて構築する構成により、地下水槽と基礎杭として兼用できるため、地下水槽、地中熱交換器の施工コストを大幅に低減することができる。
回復運転用の熱交換器として地中熱交換器を用いることにより、地中熱交換器に夏期に放熱した温熱を冬期に利用し、冬期に採熱した後の冷熱を夏期に利用する季間蓄熱を可能とする。

本発明の実施の形態を図により説明する。
図１は、本発明の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム１を、夏期の冷熱利用の冷却運転１３に適用した一実施形態を示す図である。
地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム１は、１日或いは１サイクル毎の冷却又は加熱運転終了時の熱源水温度上昇又は下降が、空気熱源等の他のヒートポンプよりも優れた成績係数（冷却・加熱能力／使用電力）を確保できる温度範囲内に納まり得る量の熱源水１９を収容した地下水槽２と、ヒートポンプ３、負荷設備４、大気との熱交換器５及びブライン（熱媒体液体又は熱媒体気体）を循環させるブライン配管６とを有する。
ヒートポンプ３は、圧縮機７と凝縮器８と膨張弁９と蒸発器１０とそれらを接続し冷媒を循環する冷媒配管１１と冷媒の流れを正逆方向に切り替える四方弁１２とから構成される。
図１に示されるように、地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム１を夏期の冷熱利用の冷却運転に適用する場合、地下水槽２内の熱源水１９とヒートポンプ３の凝縮器８からブライン配管６を通して循環するブラインとで熱交換し、熱源水１９に放熱し、負荷設備４とヒートポンプ３の蒸発器１０との間で熱交換し、負荷設備４で冷熱を利用して冷却する。

地下水槽水熱源ヒートポンプ地熱利用システム１の冷却運転時以外で、電気使用料金が安価な時（例えば夜間）に、地下水槽２中の熱源水１９の放熱能力を回復するための放熱能力回復運転１４を行う。図２は放熱能力回復運転の実施状態を示す図である。
放熱能力回復運転１４では、冷媒の冷媒配管１１を通しての循環が冷却運転時とは逆循環とし、ヒートポンプ３の凝縮器８と大気との熱交換器５との間で熱交換し、ヒートポンプ３の蒸発器１０からブライン配管６を通して循環するブラインと地下水槽２内の熱源水１９とで熱交換し、熱源水１９を冷却し、地下水槽２内の熱源水１９の放熱能力を回復させる。

図３は、地下水槽水熱源ヒートポンプ地熱利用システム１を、冬期の温熱利用の加熱運転１５に適用した一実施形態を示す図である。
図３に示されるように、地下水槽水熱源ヒートポンプ地熱利用システム１を加熱運転１５する場合、地下水槽２内の熱源水１９と、ヒートポンプ３の蒸発器１０からブライン配管６を通して循環するブラインとで熱交換し、熱源水１９から採熱し、負荷設備４とヒートポンプ３の凝縮器８との間で熱交換し、負荷設備４で温熱を利用して加熱する。

地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム１の加熱運転時以外で、電気使用料金が安価な時（例えば夜間）に、地下水槽２中の熱源水１９の採熱能力を回復するための採熱能力回復運転１６を行う。図４は採熱能力回復運転１６の実施状態を示す図である。
この状態では、冷媒の冷媒配管１１を通しての循環が加熱運転時とは逆循環とし、ヒートポンプ３の蒸発器１０と大気との熱交換器５との間で熱交換し、ヒートポンプ３の凝縮器８からブライン配管６を通して循環するブラインと、地下水槽２内の熱源水１９とで熱交換し、地下水槽２内の熱源水１９を加熱し熱源水１９の採熱能力を回復させる。

図５は、本発明の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム１の冷却又は加熱運転時における１日毎の成績係数の変化を示した図であり、冷却又は加熱運転と放熱又は採熱能力回復運転が毎日又は毎サイクル交互に行われる状態を模擬的に示した図である。
冷却又は加熱運転時には、熱源水への放熱又は熱源水からの採熱により熱源水温度が上昇又は下降するため成績係数はこの温度変化に伴い実線にて示すように次第に低下する。
続いて放熱又は採熱能力回復運転を行い、熱源水を冷却又は加熱することにより熱源水温度を下降又は上昇させ、１日の冷却又は加熱運転開始時の初期温度まで回復させる。
これにより成績係数も１日の冷却又は加熱運転開始時の初期性能まで回復する。
点線で示すのは、放熱又は採熱能力回復運転により成績係数が回復していく状況を模擬的に示した図である。
ただし、熱源水温度の回復に伴い各時点にて冷却又は加熱運転を開始した場合の成績係数を示したものであり、放熱又は採熱能力回復運転の成績係数を示したものではない。

図６は、本発明の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム１を夏季の冷却運転期間の冷却運転時外であって電気使用料金が安価な時（夜間）に実施される地下水層２内の熱源水１９の放熱能力回復運転１４の他の実施例を示す図である。
この実施形態においては、地下水槽２以外に地中熱交換器１７を備える。地下水槽２と地中熱交換器１７は所定間隔を置いて配置されるのが好ましい。
この実施形態においても、冷却運転時は図１に示される実施形態と同様に、地下水槽２内の熱源水１９とヒートポンプ３の凝縮器８からブライン配管６を通して循環するブラインとで熱交換し、負荷設備４とヒートポンプ３の蒸発器１０との間で熱交換し、地中に放熱し、負荷設備４を冷却する。
この実施形態における放熱能力回復運転１４は、ヒートポンプ３の蒸発器１０からブライン配管６を通して循環するブラインと地下水槽２内の熱源水１９とで熱交換し、地下水槽２内の熱源水１９を冷却し、熱源水１９の放熱能力を回復させ、ヒートポンプ３の凝縮器８からブライン配管６を通して循環するブラインと地中熱交換器１７内の充填材と熱交換して、地中熱交換器１７周囲の地中に放熱し、次の加熱運転期間の採熱能力を向上させるための長期的な高温蓄熱が実施され、大気との熱交換器５による放熱を実施しない。

図７は、本発明の地下水槽水熱源ヒートポンプ地熱利用システム１を冬期の加熱運転期間の加熱運転時外で電気使用料金が安価な時に実施される地下水槽２内の熱減水１９の採熱能力回復運転１６の他の実施形態を示す図である。
この実施形態においても、加熱運転時は図４に示される実施形態と同様に、地下水槽２内の熱源水１９とヒートポンプ３の蒸発器１０からブライン配管６を通して循環するブラインとで熱交換し、負荷設備４とヒートポンプ３の凝縮器８との間で熱交換し、熱源水１９から採熱し、負荷設備４を加熱する。
この実施形態における採熱能力回復運転１６は、ヒートポンプ３の凝縮器８からブライン配管６を通して循環するブラインと一方の地下水槽２内の熱源水１９とで熱交換し、地下水槽２内の熱源水１９を加熱し、地下水槽２内の熱源水１９の採熱能力を回復させ、ヒートポンプ３の蒸発器１０からブライン配管６を通して循環するブラインと地中熱交換機１７内の充填材と熱交換して、地中熱交換器１７周囲の土壌から採熱し、次の冷却運転期間の放熱能力を向上させるための長期的な低温蓄熱が実施され、大気との熱交換器５による熱交換を実施しない。

本発明の地下水槽水熱源ヒートポンプ地熱利用システム１に用いられる地下水槽２、地中熱交換器１７を、下端に管径より大きい羽根１８を備えた鋼管を全旋回機等の回転圧入装置で地中に圧入して構築すると、地中掘削した後、地下水槽を埋設設置する構築方法に比較し、地中掘削の必要がなく、且つ掘削残土の処理の必要がないため、施工期間の短縮及び施工コストの大幅な低減を図ることができる。

本発明の地下水槽水熱源ヒートポンプ地熱利用システム１に用いられる地下水槽２、地中熱交換器１７を、建物の基礎杭としての下端に管径より大きい羽根１８を備えた鋼管杭を全旋回機等の回転圧入装置で地中に圧入して構築し、基礎杭と兼用することにより、より施工コストが安価な地下水槽、地中熱交換器とすることができる。

本発明の冷房運転時の一実施形態を示す図である。 本発明の放熱能力回復運転の一実施形態を示す図である。 本発明の暖房運転時の一実施形態を示す図である。 本発明の採熱能力回復運転の一実施形態を示す図である。 本発明の放熱能力又は採熱能力回復運転が交互に行われる状態を示す図である。 本発明の放熱能力回復運転の他の実施形態を示す図である。 本発明の採熱能力回復運転の他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１：地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム
２：地下水槽
３：ヒートポンプ
４：負荷設備
５：大気との熱交換器
６：ブライン用配管
７：圧縮機
８：凝縮器
９：膨張弁
１０：蒸発器
１１：冷媒用配管
１２：四方弁
１３：冷却運転
１４：放熱能力回復運転
１５：加熱運転
１６：採熱能力回復運転
１７：地中熱交換器
１８：羽根
１９：熱源水

Claims (7)

1. 地中に設置された水槽内の水又はブラインをヒートポンプの熱源水とし、１日毎或いは１サイクル毎の冷却又は加熱運転終了時の熱源水温度上昇又は下降が、空気熱源等の他のヒートポンプよりも優れた成績係数（冷却・加熱能力／使用電力）を確保できる温度範囲内に納まり得る熱源水量を水槽内に確保し、次の日或いは次のサイクルの運転開始前の電力の安価な時間帯に上昇又は下降した熱源水温度を回復させる運転をすることにより、毎日或いは毎サイクルの能力低下がない運転を繰り返すことを可能としたことを特徴とする地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム。
2. 地中に設置され、水又はブラインを熱源水として貯蔵した水槽をヒートポンプの凝縮器又は蒸発器の一方と熱交換可能に連結し、ヒートポンプの凝縮器又は蒸発器の他方と冷熱又は温熱を利用する負荷設備及び大気との熱交換器とを切替可能に連結し、冷却又は加熱運転時以外の電気料金が安価な時間帯に、地下水槽、ヒートポンプ、大気との熱交換器とを連結し、ヒートポンプを冷却又は加熱運転時と反対の運転をすることにより、冷却又は加熱運転時に上昇又は下降した地下水槽中の熱源水温度を回復させることを特徴とする請求項１に記載の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム。
3. 地中に設置され、水又はブラインを熱源水として貯蔵した水槽をヒートポンプの凝縮器又は蒸発器の一方と熱交換可能に連結し、ヒートポンプの凝縮器又は蒸発器の他方と冷熱又は温熱を利用する負荷設備及び地中熱交換器とを切替可能に連結し、冷却又は加熱運転時以外の電気料金が安価な時間帯に、地下水槽、ヒートポンプ、地中熱交換器とを連結し、ヒートポンプを冷却又は加熱運転時と反対の運転をすることにより、冷却又は加熱運転時に上昇又は下降した地下水槽中の熱源水温度を回復させることを特徴とする請求項１に記載の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム。
4. 地下水槽が複数設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム。
5. 地中熱交換器が複数設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム。
6. 地下水槽及び地中熱交換器の少なくとも一方を下端に管径より大きい羽根を備えた回転圧入鋼管により構築することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム。
7. 地下水槽及び地中熱交換器の少なくとも一方を建物の基礎杭としての下端に杭径より大きい羽根を備えた回転圧入鋼管杭により構築することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の地下水槽水熱源ヒートポンプ地中熱利用システム。

Images