JP2005241041A

JP2005241041A - 地熱利用の空調システム

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Publication number: JP2005241041A
Application number: JP2004047762A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Mikami; 三上征宏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-24
Also published as: JP3562527B1

Abstract

【課題】
室内に入れる空気は常にきれいに保ち、夏季は地熱で冷やされた外気で室内を冷やし、結露した水は家の外部に排出し、冬季は地熱で外気を暖め換気による熱損失を削減し、春季と秋季は外気をそのまま室内に入れる、メンテナンスの容易な空調システムを安価に提供する。
【解決手段】
基礎コンクリート及びその直下の大地の巨大な熱容量を利用するために基礎コンクリートを周囲の地表から断熱し、基礎コンクリートの上に地熱伝達板と地熱伝達器を設置した。切換手段により空気の経路を切り換えることにより、夏季は暑い外気を地熱伝達器で基礎コンクリートの表面温度まで冷やして室内に入れて室内を冷やし、冬季は冷たい外気を地熱伝達器で基礎コンクリートの表面温度まで暖めて室内に入れて換気による熱損失を削減し、春季と秋季は外気をそのまま室内に入れた。
【選択図】図１

Description

本発明は、地熱を利用して外気を快適な温度及び湿度に調整して室内に取り込む空調システムに関する。

従来より、大地の熱容量と季節により変化しない地中の温度を利用して住宅の冷房と暖房を行う技術が開発され、実用化されてきた。近年、外断熱工法が実用化され、周囲に断熱材を敷設することにより基礎コンクリートを周囲の地表から断熱した住宅が建設されている。住宅の周囲に断熱材を敷設することにより、住宅の直下の大地は温度変化の大きい周囲の地表から断熱されるのでその温度は深い地中の温度とほぼ同じになる。この特性を利用して住宅の暖房及び冷房をするもの（例えば、特許文献１参照。）がある。

以下、図１０により従来例の地熱を利用した空調システムについて説明する。住宅本体８５の周囲の地盤には、砂を敷き、その上に基礎９３外側の断熱材に接する状態に１００ミリ厚の断熱材９１を２メートル幅で敷設されている。この断熱材９１の地下約１メートルの深さには埋設外気導入管９２が埋設されている。埋設外気導入管９２は、住宅本体８５の外側に形成した給気室８９の中に外気導入口９０を露出させて住宅本体８５をほぼ１周し、再び給気室８９の下に回って来たところで分岐ピット部を介して各居室に給気を行う給気管９４に連通連結している。埋設外気導入管９２は、入気部分から分岐ピット部に向って緩勾配で上昇しているので入気部分が最も低くなっており、入気部分はそれよりも下方に配した結露枡に通じているので、埋設外気導入管９２が外気を地熱と熱交換した際に結露した水は、結露枡に自動的に集められるようになっている。

通気管８３は、夏季には、床下空間９５の湿気と冷気を送気ファン８２により強制的に天井８４面下に吸い上げ、室内温度上昇の抑制と床下の除湿を行って住宅の耐久性を向上させ、且つ秋の始めから冬季までの日中は、居室部８８の天井８４近傍に溜まった暖気を送気ファン８２により強制的に吸って床下空間９５に放出し、これを比重が大きく熱容量の大きい防湿コンクリート９７及び土９６に蓄熱して、夜間冷え込む居室部８８を温めるのと同時に、冬季の床下の平均温度を高めるものである。

換気室８７は、天井８４面に開口して住宅本体８５の最上部にまで立ち上げて形成されており、上部一側面を大換気口８７として住宅本体８５の外側に開口し、中間部には断熱気密性のよい開閉扉８６を設けている。開閉扉８６は上下に揺動開閉操作することで入排気量を調節するものであり、開閉扉８６を大きく持ち上げれば大換気口８７を介して住宅内外に出入する入排気量は大きくなり、開閉扉８６を持ち上げる角度を小さくすれば入排気量は小さく調節されるものである。

特願平６−１７７９９（特開平７−２０８７６４）（図１）

従来の、埋設外気導入管により外気を大地と熱交換する方法は基礎の周囲に断熱材を敷設し、その下に埋設外気導入管を埋設するため、大量の断熱材と長い外気導入管が必要であり、その埋設工事費が高価であり、地中に埋もれているため埋設外気導入管が地震等で破損した場合や埃で汚れた場合のメンテナンスが困難である。

従来の通気管により床下の空気と天井付近の空気を交換する方法は、送風しない期間に床下に溜まった埃を送風の開始の時舞い上がらせ室内に送るため、室内に埃が入り不清潔であり、使用上不適当である。

更に、外気の温度が室内の温度より少し高く湿度が高い梅雨の時期に開閉扉を大きく持ち上げ住宅内に入る入気量を大きくすると室内の湿度が高くなり過ぎ、また、開閉扉からの入気量を少なくすれば、埋設外気導入管からの空気の温度は低いため室内が冷やされ室内温度が下がり過ぎ、適宜に調整するのは困難である。

本発明は前記従来例の不具合を解消し、夏季は地熱で冷やした換気の空気で室内を冷やし、結露した水を家の外部に排出し、冬季は地熱で外気を暖め換気による熱損失を削減し、春季と秋季は外気をそのまま室内に入れ、常にきれいな空気を室内に取り入れ、メンテナンスの容易な空調システムを安価に提供するものである。

請求項１記載の本発明によれば、本発明の地熱利用の空調システムは周囲に敷設された地中断熱材により住宅外部の地表から断熱された住宅の基礎コンクリートと、通過する空気に熱伝達する複数の熱伝達フィンを有する地熱伝達器と、前記地熱伝達器と前記基礎コンクリートとの間に設置され、前記地熱伝達器の底面より広い熱伝達板と、屋外から取り入れられた外気が前記地熱伝達器を通過して室内に取り入れられる地熱伝達経路と、屋外から取り入れられた外気が空調されずに室内に取り入れられるバイパス経路と、屋外から取り入れられた外気を前記地熱伝達経路と前記バイパス経路のいずれかに流す第一切換手段とを含む。

大地の表面の温度は気温により大きく変化するが、地中深くなるほど大地の熱容量と熱伝導によりその変化が減衰され、小さくなる。地質により異なるが通常５ｍの深さでは殆ど温度の変化はない。

前記基礎コンクリートは敷設された前記地中断熱材で外気により温度が大きく変化する地表とは断熱されているが前記地中断熱材の下の大地を経由して地表の温度変化の影響を受ける。変化の度合は前記地中断熱材の深さと前記基礎コンクリートの形状により異なる。例えば前記地中断熱材の深さを１ｍとし、前記基礎コンクリートの形状を１０ｍｘ１０ｍとした場合、家の外部の地表と前記基礎コンクリートの距離は平均で約７ｍとなる。従って、外気の気温による前記基礎コンクリートの温度変化はほとんどなく、ほぼ外気の平均気温であり、深さ５メートル以上の地中温度と同じであり、その温度を定常地中温度と呼ぶ。

外気温度が前記定常地中温度より低い時には、空気の経路を前記地熱伝達経路に切換え、冷たい外気を前記基礎コンクリートの温度付近まで暖めて室内に入れ、室内温度が冷房開始温度（冷房を開始する設定温度）より高い時には、空気の経路を前記地熱伝達経路に切換え、暑い外気を前記基礎コンクリートの温度付近まで冷やし、外気が多湿の場合は外気は結露により除湿され室内に取り入れられる。それ以外の時には、空気の経路を前記バイパス経路に切換え、外気をそのまま室内に入れる。これにより、夏は冷たい空気を室内に入れて冷房し、冬は冷たい外気を暖めて室内に入れ換気による熱損失を減少し、春季と秋季、外気の温度が前記定常地中温度より高く、室内温度より低い時は外気をそのまま取り入れる。

室内が冷房開始温度より少し高い場合、外気は前記地熱伝達経路で冷却、除湿されるので室内の温度と湿度は下がり、室内が冷房開始温度より下がる。室内が冷房終了温度（冷房を終了する温度で冷房開始温度より低い設定温度）より下がった場合は前記バイパス経路に切換り、高温多湿の外気が入り室内の温度と湿度が上り、室内温度は冷房終了温度と冷房開始温度の間に保たれる。なお、空気の経路は経路制御手段が検出した室内温度と外気温度から前記第一切換手段を制御することにより切換わる。

コンクリートと大地の熱抵抗と熱容量は比較的大きいため、熱拡散率が小さく、銅やアルミニュームに比べて１００分の１以下である。従って、コンクリートと大地に伝達された熱は局部的に蓄熱され、その温度は局部的に変化する。熱が前記地熱伝達器から直接前記基礎コンクリートに伝達された場合、前記地熱伝達器に接触している部分とその付近のみに熱が伝わり、蓄熱され、前記基礎コンクリートの一部のみを利用しているだけである。

熱拡散率の大きい銅やアルミニューム等で作られた前記熱伝達板を前記基礎コンクリートと前記地熱伝達器の間に設置することにより、前記地熱伝達器が吸収又は放出した熱を広範囲の前記基礎コンクリートに伝達できる。前記熱伝達フィンが吸収又は放出した熱は前記熱伝達板に伝達されその直下と近辺の基礎コンクリートに蓄積され、その温度が変化する。前記熱伝達板の面積を大きくすることによりその熱を蓄熱する基礎コンクリートの熱容量が大きくなり、その温度変化は小さくなる。

前記地熱伝達器の出口の空気の温度は前記熱伝達フィンの面積が大きいほど前記熱伝達フィンの温度に近くなる。前記熱伝達フィンの面積が約６０平方メートルである場合、外気が高温多湿の場合でも前記地熱伝達器の出口の空気の温度と前記熱伝達フィンの温度との差は約１度である。高熱伝導で接触しているので前記熱伝達フィンと前記地熱伝達器と前記熱伝達板とその直下の基礎コンクリートの表面の温度はほぼ同じである。

外気が高温高湿の場合は前記地熱伝達器で結露する。結露した場合は凝固熱を放出し、その凝固熱も前記熱伝達フィンに吸収される。温度３０度、湿度７０％の空気は１立方メートルあたり２５ｇの水分を含み、その空気を２４度まで冷やすと湿度が１００％となり、結露を始める。結露する時に、５４０ｃａｌ／ｇの凝縮熱を放出するので見かけ上熱容量が大きくなったように見える。１度下がるごとに結露する量は温度により異なるが２０度付近では１立方メートルあたり１．２ｇである。従って、２０度付近の飽和した空気は１度下がるごとに９５０ｃａｌの熱を放出し、結露しない時の３．２倍である。

前記熱伝達フィンが吸収または放出した熱は前記熱伝達板を通って前記基礎コンクリートに伝達されて蓄熱され、前記基礎コンクリートの温度及びその付近の大地の温度が上昇または下降する。時間が経つにつれて地中の奥まで熱が伝達され、蓄熱される。熱を伝達する表面積が大きいほど、また時間が経つほど多くの熱を蓄積できる。前記基礎コンクリートの表面温度の変化は蓄熱する基礎コンクリートの表面積が大きいほど少なく、時間が経つに連れて大きくなる。

従って、大きい面積の前記熱伝達板と約６０平方メートルの面積の前記熱伝達フィンを使うことにより、前記地熱伝達器の出口の空気の温度をその直下の基礎コンクリートの温度とほぼ等しくできる。前記基礎コンクリートの表面温度は最初、前記定常地中温度に近い温度であるが徐々に上昇又は下降する。前記基礎コンクリートの表面温度が変化すると前記地熱伝達器の出口の空気の温度が外気の温度に近くなるため地熱による空調の効果は減少する。

請求項２記載の本発明によれば、本発明の地熱利用の空調システムは周囲に敷設された地中断熱材により住宅外部の地表から断熱された住宅の基礎コンクリートと、通過する空気に熱伝達する複数の熱伝達フィンを有する地熱伝達器と、前記地熱伝達器と前記基礎コンクリートとの間に設置され、前記地熱伝達器の底面より広い熱伝達板と、通過する空気が互いに熱交換する第一熱交換経路と第二熱交換経路を備えた熱交換器と、屋外から取り入れられた外気が前記地熱伝達器を通過して室内に取り入れられる地熱伝達経路と、屋外から取り入れられた外気が空調されずに室内に取り入れられるバイパス経路と、屋外から取り入れられた外気が最初に前記第一熱交換経路を通り、次に前記地熱伝達器を通り、次に前記第二熱交換経路を通って室内に取り入れられる熱交換器経路と、屋外から取り入れられた外気を前記地熱伝達経路と前記バイパス経路と前記熱交換器経路のいずれかに流す第二切換手段とを含む。

外気温度が前記定常地中温度より低い時には、空気の経路を前記地熱伝達経路に切換え、冷たい外気を前記基礎コンクリートの表面温度付近まで暖めて室内に入れる。外気温度が前記定常地中温度より高く、室内温度が弱冷房開始温度（弱冷房を開始する設定温度）より低いときは空気の経路を前記バイパス経路に切換え、外気をそのまま室内に入れる。なお、空気の経路は経路制御手段が検出した室内温度と外気温度から前記第二切換手段を制御することにより切換わる。

室内温度が弱冷房開始温度より高い時には、空気の経路を前記熱交換器経路に切換える。前記熱交換器経路の場合、屋外から取り入れられた外気は最初、前記第一熱交換経路を通り、前記第二熱交換経路を通っている冷たい空気で冷やされ、その後前記地熱伝達器に入り、前記基礎コンクリートの表面温度付近にまで冷やされる。多湿の場合は結露する。前記地熱伝達器から出た空気は前記第二熱交換経路に入り、前記第一熱交換経路の暖かい空気で暖められ、室内に取り入れられる。高温多湿の外気は一度前記基礎コンクリートの表面温度付近になり、結露し水分が取り除かれ、その後暖められるので室内に入る時は、外気の温度より少し低く、室内を少し冷やす。前記基礎コンクリートの表面温度を１５度とし室温を２５度とすると室内にはいる空気の湿度は約５５％であり、除湿される。

室内が弱冷房開始温度より少し高い場合、外気は前記熱交換器経路で冷却、除湿されるので室内の温度と湿度は下がり、室内が弱冷房開始温度より下がる。室内が弱冷房終了温度（弱冷房を終了する温度で、弱冷房開始温度より低い設定温度）より下がった場合は前記バイパス経路に切り換り、高温多湿の外気が入り室内の温度と湿度は上る。

室内が強冷房開始温度（強冷房を開始する温度で、弱冷房開始温度より高い設定温度）より少し高い時前記地熱伝達経路に切換え外気は冷却、除湿され、室内が強冷房終了温度（強冷房を終了する温度で、強冷房開始温度より低い設定温度）より下がる。室内が強冷房終了温度より下がった時前記熱交換器経路に切換わるが外気は除湿されているので湿度は上がらない。従って、外気が強冷房開始温度以上では常に除湿された空気が室内に取り込まれる。

請求項３記載の本発明によれば、前記地熱伝達器が、通過する空気に熱伝達する複数の熱伝達フィンを有する複数の小地熱伝達器で構成され、全ての前記小地熱伝達器は連結ダクトで直列に連結され、各前記小地熱伝達器は前記小地熱伝達器の底面より広い小熱伝達板上に設置され、内部で結露した水を排出する排水管を備えている。

外気温度が前記定常地中温度より低い場合、空気の経路は前記地熱伝達経路であり、外気が最初の小地熱伝達器の熱伝達フィンから熱を吸収して暖められ、前記熱伝達フィンは熱を放出して冷やされる。その熱は前記小熱伝達板経由で前記小熱伝達板直下の基礎コンクリートから吸収され基礎コンクリートは熱容量が大きいのでその温度は徐々に下がる。それと同時に最初の小地熱伝達器の温度が下がる。

最初の小地熱伝達器の温度が下がるとそこから出る空気の温度も前記定常地中温度より低くなり、それにより２番目の小地熱伝達器の直下の基礎コンクリートの温度も下がり、２番目の小地熱伝達器の温度も下がる。このように２番目の小地熱伝達器の温度も下がるが最初の小地熱伝達器の温度変化より小さく且つ時間遅れがある。温度変化はより小さくなるが順次ゆっくりその温度変化が３番目、４番目の小地熱伝達器へと伝わっていく。最後の小地熱伝達器の温度が前記定常地中温度より下った時に室内に入る空気の温度が前記定常地中温度より低くなる。

複数の前記小地熱伝達器を直列に接続した場合、最初の小地熱伝達器の前記定常地中温度からの温度変化は大きいが下流に行くほどその変化は小さく、時間遅れが大きい。同じ条件で複数の前記小地熱伝達板と前記小地熱伝達器を使った場合と全小地熱伝達板の合計の面積に等しい面積を有する前記地熱伝達板と１つの前記地熱伝達器を使用した場合の温度変化を比較する。全蓄熱量はほぼ等しいので前記地熱伝達器の温度変化はほぼ全前記小地熱伝達器の温度変化の平均値である。

従って、複数の前記小地熱伝達器を直列に接続した場合、最後の前記小地熱伝達器から出て来る空気の温度は、前記地熱伝達器から出て来る空気の温度よりはるかに前記定常地中温度に近く地熱による空調効果が大きい。更に、前記小地熱伝達器の長さは前記地熱伝達器より短いので、製造が容易となり、設置のレイアウトの自由度が増す。更に、前記小地熱伝達器は結露した水を排出するために傾斜して設置するのでのその高さを低くでき、床下に容易に設置できる。

前記小地熱伝達器の最下部に家の外部に向かって緩勾配で下降して前記排水管を設置し、高温高湿の外気が前記基礎コンクリートの温度まで冷却された時に結露する水を排出する。

前記基礎コンクリートの温度変化を長期的に見ると、前記基礎コンクリートの温度は冬季の期間温度は下がり続けて晩冬最も低くなる。春は殆ど前記バイパス経路が使われるので前記基礎コンクリートの温度は蓄熱された（負の）熱が拡散し、前記定常地中温度に近づく。前記基礎コンクリートの温度は夏季の期間上がり続けて晩夏に最も高くなる。秋は殆ど前記バイパス経路が使われるので前記基礎コンクリートの温度は蓄熱された熱が拡散し、前記定常地中温度に近づく。従って、長年に亘って大地の巨大な熱容量を使って、夏室内を冷房し、冬換気による熱損失を減少できる。

地熱伝達器を、面積が大きく熱拡散率の高い地熱伝達板を介して周囲の地表から断熱された基礎コンクリートに熱的に接触させることにより、基礎コンクリート及びその直下の大地の巨大な熱容量を利用できるようにし、切換手段により空気の経路を地熱伝達経路とバイパス経路と熱交換器経路のいずれかに切り換え、夏季は地熱を利用して室内の冷房と除湿をし、冬季は地熱で外気を暖め換気による熱損失を削減し、春季と秋季は外気をそのまま室内に入れて前記課題を解決した。

以上述べたように、本発明の地熱利用の空調システムは、周囲の地表から断熱された基礎コンクリート及びその直下の大地の巨大な熱容量を利用し、室内に入る経路を地熱伝達経路とバイパス経路と熱交換器経路のいずれかに切換えることにより、夏は換気の空気で室内の冷房と除湿をし、冬は換気による熱損失を少なくし、快適な住環境を提供する。また装置は簡単で価格は安く、基礎コンクリートの上に設置するのでその設置とメンテナンスは容易で安価である。更に、空調のための電気、石油等を大幅に削減でき、環境に優しい住宅を提供する。

以下、図面について本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の地熱利用の空調システムの１実施形態を示す断面図である。家の気密断熱空間は気密断熱層１５と基礎コンクリート１３で形成されている。地中断熱材１４は大地より上の気密断熱層１５の延長で寒冷地では地中約１ｍまで敷設され、基礎コンクリート１３直下の大地１１を家の外部の大地１２の地表から断熱している。熱伝達経路１０は外部の地表と基礎コンクリート１３間の熱伝達の経路を示す。例えば地中断熱材１４の深さを１ｍとし、基礎コンクリート１３の形状を１０ｍｘ１０ｍとした場合、熱伝達経路１０は平均で約７ｍとなる。従って、他に熱源が無い場合外気の気温により基礎コンクリート１３の温度はほとんど変わらず、定常地中温度にほぼ等しい。

地熱伝達器２６は熱抵抗の小さい地熱伝達器台２１の上にその全底面を接触して設置する。地熱伝達器台２１は地熱伝達器２６内で結露した水を排水管２８に集めるためにその上面が傾斜している。地熱伝達器台２１は熱拡散率の大きい銅やアルミニューム等で作成された熱伝達板２０の上に設置されている。熱伝達板２０は基礎コンクリート１３の上に密着して設置されている。熱伝達板２０の面積は大きいほどその直下の基礎コンクリート１３及び大地の巨大な熱容量を利用できるため、できるだけ大きくするのが好ましい。

図２に示すように地熱伝達器２６の内部には垂直に配置され互いに熱的に導通した複数の薄い金属シートからなる熱伝達フィン２９があり、通過する空気との熱伝達を大きくして空気が地熱伝達器２６を出るときにその温度がほぼ熱伝達フィン２９の温度となるようにする。熱伝達フィン２９の面積が約６０平方メートルある場合、高温多湿の外気でも地熱伝達器２６の出口の温度と熱伝達フィン２９の温度の差を約１度にできるので熱伝達フィン２９の面積が約６０平方メートルあるのが好ましい。

給気口２２から給気ファン２３により取り入れられた外気は、切換えダンパー２４によりバイパスダクト２５を通るバイパス経路と地熱伝達器２６を通る地熱伝達経路かのいずれかを通って吹出し口２７から室内に入いる。室内の空気は排気ダクト１６を通り空気槽１７を経由して排気ダクト１８で排出される。外気がバイパス経路を通って室内に入る場合は空調されず、地熱伝達経路を通って室内に入る場合は外気の温度は室内に入る時基礎コンクリートの表面温度Ｔ７にほぼ等しい地熱伝達器２６の温度に調整される。

高温高湿の外気が低温の熱伝達フィン２９に接触し、温度が下がり、湿度が飽和点に達すると熱伝達フィン２９上に結露し、結露した水は地熱伝達器２６の底部に流れ、排水管２８を通して排出される。排水管２８は家の外部に向かって緩勾配で下降して配管されている。地熱伝達器２６が給気ファン２３の下流にあるためその内部の気圧は屋外の気圧より高く排水管２８内の空気は家の外に排出されるので、排水管２８内に埃が溜まっても室内には入らない。

図３は切換えダンパー２４が選択する空気経路と室内温度と外気温度との関係を示す。切換えダンパー２４が図３の関係により空気経路を切り換えた時の外気温度と室内温度の関係を図４に示す。但し、室内には熱源が無いものとする。

冷房終了温度Ｔ１と冷房開始温度Ｔ２と暖房開始外気温度Ｔ３と暖房終了外気温度Ｔ４は切換えダンパー２４を制御する経路制御手段の内部の設定温度であり、暖房開始外気温度Ｔ３を定常地中温度に設定し、暖房終了外気温度Ｔ４を暖房開始外気温度Ｔ３より少し高く設定する。図３の斜線部分の経路は斜線部分に入る前の経路を保持する。

外気温度が暖房開始外気温度Ｔ３より低い場合、空気経路は地熱伝達経路であるので外気は基礎コンクリートの表面温度Ｔ７にまで暖められて室内に取り入れられるので換気による熱損失が減少し、室内の温度は基礎コンクリートの表面温度Ｔ７になる。基礎コンクリートの表面温度Ｔ７は熱を放出して下がる。

外気温度が暖房終了外気温度Ｔ４より高く、且つ室内温度が冷房開始温度Ｔ２より低い場合、外気はバイパス経路を通り室内に取り入れられ、室内温度は外気と同じ温度になり、外気の温度が上がるに従って室内温度も上る。

バイパス経路の時、外気温度が暖房開始外気温度Ｔ３より下がると地熱伝達経路になり、外気は基礎コンクリートの表面温度Ｔ７にまで暖められて室内に取り入れられる。暖房終了外気温度Ｔ４を暖房開始外気温度Ｔ３より高く設定し、切換えダンパー２４の切換え回数を減らし、故障の頻度を減らす。

外気の温度が更に高くなり、室内温度が冷房開始温度Ｔ２より上がった場合、地熱伝達経路になり、外気は基礎コンクリートの表面温度Ｔ７にまで冷やされて室内に取り入れられ、室内を冷やす。外気の温度が冷房開始温度Ｔ２より少し高い時、換気の空気の温度は基礎コンクリートの表面温度Ｔ７になり、室内温度を下げる。外気の温度が冷房終了温度Ｔ１より下がった時バイパス経路になり、暖かい外気が室内に入り室内温度は上昇する。外気温度が冷房開始温度Ｔ２より少し高い場合はバイパス経路である時間が長く、地熱伝達経路である時間が短い。外気温度が高くなるほど地熱伝達経路である時間が長くなり、外気温度が常時冷房外気温度Ｔ６以上の時は常に地熱伝達経路になる。外気温度が冷房開始外気温度Ｔ５から常時冷房外気温度Ｔ６まで室内温度はほぼ冷房終了温度Ｔ１と冷房開始温度Ｔ２の間の温度に保たれる。

外気温度が常時冷房外気温度Ｔ６以上に上昇すると室内温度は冷房開始温度Ｔ２より上昇する。これは気密断熱層１５を通して室内に入る熱量が基礎コンクリートの表面温度Ｔ７の換気の空気が吸収する熱量より大きいためである。

図５は本発明の熱交換器を使用した地熱利用の空調システムの１実施形態を示す断面図である。給気口２２から給気ファン２３により取り入れられた外気は、切換えダンパー３５と３６によりバイパス経路か地熱伝達経路か熱交換器経路かのいずれかを通って吹出し口２７から室内に入いる。

バイパス経路は外気がバイパスダクト２５を通って吹出し口２７から室内に入る経路である。バイパス経路が選択された時、切換えダンパー３５は給気口２２からの外気をバイパスダクト２５に流す。バイパス経路の場合、外気は空調されないで室内に入る。

地熱伝達経路は外気が第一熱交換経路３８を通り、地熱伝達器２６を通って吹出し口２７から室内に入る経路である。地熱伝達経路が選択された時、切換えダンパー３５は給気口２２からの外気を第一熱交換経路３８に流し、切換えダンパー３６は地熱伝達器２６からの空気を吹出し口２７へ流す。地熱伝達経路において給気口２２からの外気が第一熱交換経路３８を通るが第二熱交換経路３９には空気が流れていないので熱交換は無い。地熱伝達経路の場合、外気は基礎コンクリートの表面温度Ｔ７まで調整され、高湿の外気は除湿され、室内に入る。

熱交換器経路は外気が第一熱交換経路３８に通り、地熱伝達器２６を通り、第二熱交換経路３９を通り、吹出し口２７から室内に入る経路である。熱交換器経路が選択された時、切換えダンパー３５は給気口２２からの外気を第一熱交換経路３８に流し、切換えダンパー３６は地熱伝達器２６からの空気を第二熱交換経路３９に流す。熱交換器経路において、給気口２２からの外気が第一熱交換経路３８を通過する時第二熱交換経路３９を通っている冷たい空気により冷やされ、次に地熱伝達器２６で基礎コンクリートの表面温度Ｔ７まで冷やされ、次に第二熱交換経路３９を通過する時に第一熱交換経路３８を通っている暖かい空気により暖められ、室内に取り入れられる。従って、熱交換器経路の場合、地熱伝達器２６を通るので外気が高湿度の時は除湿され、室内に入る時の温度は外気より少し低いので弱く室内を冷やす。また外気は地熱伝達器２６に入る前に熱交換器３７によって冷やされるので地熱伝達器２６での吸熱は少ない。

図６は室内温度と外気温度と空気経路との関係を示し、図７は外気温度と室内温度の関係を示す。但し、室内には熱源が無いものとする。弱冷房終了温度Ｔ８と弱冷房開始温度Ｔ９と強冷房終了温度Ｔ１０と強冷房開始温度Ｔ１１と暖房開始外気温度Ｔ３と暖房終了外気温度Ｔ４は経路制御手段内部の設定温度であり、暖房開始外気温度Ｔ３を定常地中温度に設定し、暖房終了外気温度Ｔ４を暖房開始外気温度Ｔ３より少し高く設定する。斜線部分の経路は斜線部分に入る前の経路を保持する。

地熱伝達経路とバイパス経路は図1の実施形態と同様である。

外気の温度が暖房終了外気温度Ｔ４より高く、室内温度が弱冷房開始温度Ｔ９より上がった場合または室内温度が強冷房終了温度Ｔ１０より下がった場合、熱交換器経路になる。

外気温度が暖房終了外気温度Ｔ４より高くなると地熱伝達経路からバイパス経路になる。外気温度が弱冷房開始温度Ｔ９とほぼ同じ温度である弱冷房開始外気温度Ｔ１２より高く、強冷房開始外気温度Ｔ１３より低い時、バイパス経路と熱交換器経路間を遷移し、室内温度は弱冷房終了温度Ｔ８と弱冷房開始温度Ｔ９の間を上下する。外気温度が弱冷房開始外気温度Ｔ１２に近い程バイパス経路が長く、熱交換器経路が短い。外気温度が強冷房開始外気温度Ｔ１３に近い程熱交換器経路が長く、バイパス経路が短い。

外気温度が強冷房開始外気温度Ｔ１３より高く、常時冷房外気温度Ｔ６より低い時、地熱伝達経路と熱交換器経路間を遷移し、室内温度は強冷房終了温度Ｔ１０と強冷房開始温度Ｔ１１の間を上下する。外気温度が常時冷房外気温度Ｔ６以上に上昇すると常に地熱伝達経路となり、室内温度は外気温度が上昇するに従って上昇する。

図８は複数の小地熱伝達器で構成された地熱伝達器の１実施例の断面図である。地熱伝達器２６は２個の小地熱伝達器３１で構成され、連結ダクト３４で直列に連結されている。各小地熱伝達器３１は小地熱伝達台３３の上に設置され、小地熱伝達台３３は小地熱伝達板３２の上に設置されている。排水管２８は結露した水を排水するために小地熱伝達器３１の最下部から配管されている。

図９は複数の小地熱伝達器で構成された地熱利用の空調システムの１実施例の平面図である。基礎コンクリート１３の上に４個の小地熱伝達板３２が配置され、その上の小地熱伝達台３３の上に小地熱伝達器３１が設置されている。各小地熱伝達器３１は連結ダクト３４により直列に連結されている。各小地熱伝達器３１は隣接の小地熱伝達器３１からの熱的な干渉を少なくするために２メートルほど離して設置するのが好ましい。

以上、図示例に基づき説明したが、本発明は特に高気密高断熱の住宅に適しているが、中気密中断熱及び低気密低断熱の住宅でも有効であり、適用可能である。

本発明の地熱利用の空調システムの１実施形態を示す断面図である。地熱伝達器の断面図を示す。室内温度と外気温度と空気経路との関係を示す。外気温度と室内温度の関係を示す。本発明の熱交換器を使用した地熱利用の空調システムの１実施形態を示す断面図である。室内温度と外気温度と空気経路との関係を示す。外気温度と室内温度の関係を示す。複数の小地熱伝達器で構成された地熱伝達器の１実施例の断面図である。本発明の複数の小地熱伝達器で構成された地熱利用の空調システムの１実施例の平面図である。従来例の地熱利用の空調システムを示す断面図である

符号の説明

１０熱伝達経路
１１、１２大地
１３基礎コンクリート
１４地中断熱材
１５気密断熱層
１６ダクト
１７空気槽
１８排気ダクト
１９床
２０熱伝達板
２１地熱伝達器台
２２給気口
２３給気ファン
２４切換えダンパー
２５バイパスダクト
２６地熱伝達器
２７吹出し口
２８排水管
２９熱伝達フィン
３１小地熱伝達器
３２小地熱伝達板
３３小地熱伝達台
３４連結ダクト
３５、３６切換えダンパー
３７熱交換器
３８第一熱交換経路
３９第二熱交換経路
８２送気ファン
８３通気管
８４天井
８５住宅本体
８６開閉扉
８７換気室
８８居室部
８９給気室
９０外気導入口
９１断熱材
９２埋設外気導入管
９３基礎
９４給気管
９５床下空間
９６土
９７防湿コンクリート
Ｔ１冷房終了温度
Ｔ２冷房開始温度
Ｔ３暖房開始外気温度
Ｔ４暖房終了外気温度
Ｔ５冷房開始外気温度
Ｔ６常時冷房外気温度
Ｔ７基礎コンクリートの表面温度
Ｔ８弱冷房終了温度
Ｔ９弱冷房開始温度
Ｔ１０強冷房終了温度
Ｔ１１強冷房開始温度
Ｔ１２弱冷房開始外気温度
Ｔ１３強冷房開始外気温度

Claims

地熱により外気を空調して室内に取り入れる地熱利用の空調システムにおいて、周囲に敷設された地中断熱材により住宅外部の地表から断熱された住宅の基礎コンクリートと、通過する空気に熱伝達する複数の熱伝達フィンを有する地熱伝達器と、前記地熱伝達器と前記基礎コンクリートとの間に設置され、前記地熱伝達器の底面より広い熱伝達板と、屋外から取り入れられた外気が前記地熱伝達器を通過して室内に取り入れられる地熱伝達経路と、屋外から取り入れられた外気が空調されずに室内に取り入れられるバイパス経路と、屋外から取り入れられた外気を前記地熱伝達経路と前記バイパス経路のいずれかに流す第一切換手段とを含むことを特徴とする地熱利用の空調システム
地熱により外気を空調して室内に取り入れる地熱利用の空調システムにおいて、周囲に敷設された地中断熱材により住宅外部の地表から断熱された住宅の基礎コンクリートと、通過する空気に熱伝達する複数の熱伝達フィンを有する地熱伝達器と、前記地熱伝達器と前記基礎コンクリートとの間に設置され、前記地熱伝達器の底面より広い熱伝達板と、通過する空気が互いに熱交換する第一熱交換経路と第二熱交換経路を備えた熱交換器と、屋外から取り入れられた外気が前記地熱伝達器を通過して室内に取り入れられる地熱伝達経路と、屋外から取り入れられた外気が空調されずに室内に取り入れられるバイパス経路と、屋外から取り入れられた外気が最初に前記第一熱交換経路を通り、次に前記地熱伝達器を通り、次に前記第二熱交換経路を通って室内に取り入れられる熱交換器経路と、屋外から取り入れられた外気を前記地熱伝達経路と前記バイパス経路と前記熱交換器経路のいずれかに流す第二切換手段とを含むことを特徴とする地熱利用の空調システム
前記地熱伝達器が、通過する空気に熱伝達する複数の熱伝達フィンを有する複数の小地熱伝達器で構成され、全ての前記小地熱伝達器は連結ダクトで直列に連結され、各前記小地熱伝達器は前記小地熱伝達器の底面より広い小熱伝達板上に設置され、内部で結露した水を排出する排水管を備えている請求項１及び請求項２記載の地熱利用の空調システム