JP2006084093A

JP2006084093A - ヒートポンプ式冷暖房装置

Info

Publication number: JP2006084093A
Application number: JP2004268093A
Authority: JP
Inventors: Toko Hashimoto; 東光橋本
Original assignee: Tokoh Kogyo
Current assignee: Tokoh Kogyo
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】快適な生活環境を保つ為に少ないエネルギーで冷暖房を行うヒートポンプシステムは、従来の夏には室内機が蒸発器、室外機が凝縮器となり、冬には室内機が凝縮器、室外機が蒸発器となるが、基本的に夏の暑い空気で冷媒を冷却凝縮、又寒い冬の空気で冷媒を昇温蒸発させるのは性能の上で不合理であった。
【課題を解決するための手段】
室外機を備えたヒートポンプ式冷暖房装置の、該室外機の熱交換器に、地中に埋入した二重管構造の熱交換器に外気を送って熱交換させた空気を衝てて、該ヒートポンプの冷媒を凝縮、あるいは気化させることを特徴とする。
上記二重管構造の熱交換器は、先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめ、該外管の先端を下にして地下に埋入して、内管と外管の隙間に空気を流して地熱と熱交換させる構造であって、該外管は地下５ｍの深さまで埋入してなることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、一戸建て住宅、集合住宅、ホテル、病院、学校、体育館、養老院などの建物や、動物飼育設備、植物栽培のビニールハウス等に適用することができるヒートポンプ式冷暖房装置に係わるものであり、更に詳しくは、地中熱交換器と組み合わせた熱効率の極めて優れたヒートポンプ式冷暖房装置にかかわるものである。

快適な生活環境を保つ為に少ないエネルギーで冷暖房を行うことを目的にしたヒートポンプシステムには、下記のような不合理な問題が存在する。すなわち、
１．夏には室内機が蒸発器、室外機が凝縮器となり、冬には室内機が凝縮器、室外機が蒸発器となるが、基本的に夏の暑い空気で冷媒を冷却凝縮、又寒い冬の空気で冷媒を昇温蒸発させるのは性能上極めて不合理である。
２．冬季、外気の温度が５℃以下になると、冷媒温度をマイナスにまで下げざるを得ない為に、熱交換器の表面に外気中の水分が氷結するので、氷結を防ぐため（霜取りのため）に、暖房運転を中止し冷房運転に切り替えて氷結を防止すると言う熱的には極めて不経済な運転方式を採用しているのが現状である。

かかる問題点を解消するために、冬、暖かく、夏、冷たい、地中熱と組み合わせて利用する試みがある。

地中熱は、地中深く１０m以上になると略その地中の平均気温となり夏は比較的涼しく、冬は比較的暖かい温度になる事から、この熱を回収する為に、従来は、地中５０mから
１００mの深さまでも掘り下げて熱交換パイプを埋入して、熱交換パイプに熱媒体を通して、ヒートポンプ形式で熱回収をしていた。例えば日本では、平均気温１５℃の地中では、夏場に３２℃、冬場にマイナス０．５℃の気温の時でも、１０m以上の深さで１５℃になる。この温度差を利用して冷暖房に使用しているが、この方法は、地中深くまで掘り下げる必要があり、コストが極めて高くなる欠点がある。

最近、地下５mから２０m程度の深さでも熱回収出来るとして改良した発明（特許文献１）も出願されているが、エネルギーの成績係数COP、は３．２程度である。
この技術では、掘削のコストは改善されたがエネルギー的には従来と同じレベルである。
要すれば、地中熱を利用する従来技術の問題点は、熱交換パイプを埋入する掘削深度が深く、掘削コストが高いこと、そして地中熱と熱交換する熱媒体として水を使用しており、
ＣＯＰは３．５程度で満足すべき熱効率が達成されていないことである。
なおエネルギーの成績係数COPとは、エネルギーを１投入して何倍の冷暖房効果が得られるかを表す指数である。ＣＯＰ１０とは、エネルギーを１投入して１０倍の冷暖房効果が得られることを示す。つまり、電気やガスのエネルギーを投入して得られる冷暖房システム、冷凍機やヒートポンプの効率を表す指標として用いられている。

特開2004-177013号

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、浅い掘削深度でなおかつ十分な熱効率が得られる地中熱交換器とヒートポンプを組み合わせた新しい構造の冷暖房装置を提供せんとするものである。

本発明者らは上記課題に関して鋭意研究を行った結果、次の知見を得た。
すなわち、
地中の温度特性として地下5mまでの深さでは、太陽熱の伝熱の時間遅れから、夏は地下深度１０ｍ以上の地中の平均気温よりも更に低い温度になること、そして冬は同じく地下深度１０ｍ以上の地中の平均気温よりも更に高い温度になることがわかった。そこでこの特性を利用して、地中熱交換器のパイプは地下5mの深さまで埋入した時、熱交換効率的にも、掘削経費の点からも最も効果的であること、そしてこの地中熱交換器で熱交換した空気をエアコン室外機の熱交換器に衝てた時、エアコンの冷暖房費用を画期的に削減できることがわかった。
本発明は以上の知見に基づいてなされたものであり、下記の構成からなる。
１．室外機を備えたヒートポンプ式冷暖房装置の、該室外機の熱交換器に、地中に埋入した二重管構造の熱交換器に外気を送って熱交換させた空気を衝てて、該ヒートポンプの冷媒を凝縮、あるいは気化させることを特徴とするヒートポンプ式冷暖房装置。
２．上記二重管構造の熱交換器は、先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた構造の二重管の、該外管の先端を下にして地下に埋入して、内管と外管の隙間に空気を流して地熱と熱交換させる構造の交換器であって、該外管は地下５ｍの深さまで埋入されてなることを特徴とする上記１に記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
３．上記二重管構造の熱交換器の地表から地下0.5〜１ｍの深さまで、該外管外周と地面の間を断熱されてなることを特徴とする上記２に記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
４．上記二重管構造の熱交換器の外管外周部とその周辺区域に、地表から地下0.3〜１ｍの深さまで、断熱材を敷設してなることを特徴とする上記２に記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
５．上記二重管構造の熱交換器の外管外周の、地中２〜５ｍの深さに埋入した区間に、外管の中心軸と同じ方向に良熱伝導性フィンを取り付け、外管と一体的に地中に埋入してなることを特徴とする上記２〜４のいずれかに記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
６．上記二重管構造の熱交換器を埋入する地中とその周辺区域に、良熱伝導性の物質、鉱物あるいは金属塊、粒を密に埋入してなることを特徴とする上記１〜５のいずれかに記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
７．上記二重管構造の熱交換器外管の底に結露水を滞留させ、該滞留した結露水の中に内管の下端を浸漬せしめてなることを特徴とする上記２〜６のいずれかに記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
８．上記二重管構造の熱交換器を地面に埋入するに際して、該熱交換器の周囲に、該熱交換器を包囲するように、熱遮断壁を埋め込んで、屋外の大地と該熱交換器の周囲の大地を熱的に遮断してなることを特徴とする上記１〜７のいずれかに記載のヒートポンプ式冷暖房装置。

１．室外機の熱交換器に外気の空気を衝てるよりは、地中熱と熱交換した空気を衝てる方が、夏はより冷却効果があり、冬はより昇温効果があるので、熱交換に必要なエネルギーが少なくて済むと同時に、熱交換器における平均温度差が大きくとれ、設備をよりコンパクトにすることができる。省エネ効果極めて大。
２．設備がコンパクトになるので装置内に蓄える冷媒の量も少なくなり、冷媒を循環する為の圧縮機を含め、配管系が全て小型で機能的に出来る。全体の設備費が安くなる。
３．冬場での暖房運転時には、従来は外気の温度が５℃以下になると冷媒温度をマイナスにまで下げざるを得ない為熱交換器の表面に外気中の水分が氷結し霜取りの為に暖房運転を中止し冷房運転に切り替えて氷結を防止すると言う熱的には不経済なシーケンスを組んでいたが、この発明により比較的暖かい温度（例えば外気がマイナス０．５℃でも地中で熱交換した空気は年間の平均気温が１５℃近辺の土地では１０℃程度）が得られる為、氷結を防ぐ霜取りの工程、余分なシーケンスは不要となり合理的かつ経済的な装置が得られる。省エネ効果極めて大。設備費大幅削減可能。

本発明の構造とその作用機能を図面で説明する。
図１は地中熱交換器の構造の説明図である。
熱交換器は、熱伝導の良い金属のパイプの中に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた構造からなる。
外管の先端は封止され、もう一方の端は開放され、この封止された先端が地中に垂直に埋入されている。
内管と外管の隙間に外気の空気を流して地熱と熱交換させて、内管を通って上昇する。
夏季、外気温が３２℃の時、熱交換されて内管を上昇する空気の温度は２６℃まで下がっている。冬季、外温度が０℃の時でも、熱交換された空気は１０℃程度まで上昇する。
外管は熱伝導の良い金属のパイプ（たとえばアルミ製）、内管は熱伝導の悪い、たとえば樹脂製（たとえばポリエチレンのような）パイプからなる。
外管の埋入深さは、地中５mの深さが、熱効率的にも、掘削費用の点でも、最も好ましい。

図２は、図１の地中熱交換器をヒートポンプの室外機に取り付けた時の説明図である。
ファンより送入された外気は地中熱交換器を通って夏は冷やされ（年間気温が１５℃近辺の土地では２３〜２７℃）、冬は暖められた（１０℃程度）後、室外機の熱交換器に送り込まれて、夏は冷媒の冷却凝縮に使用され、冬は冷媒の昇温気化に使用される。
室外機には、室外機の熱交換器（フィンチューブ）に外気を衝てるためのファンが設置されているが、本発明では、地中熱交換器に外気を送風するためのファンと兼用しても良い。

冬季、外気の温度が５℃以下になると、冷媒温度をマイナスにまで下げざるを得ない為に、熱交換器の表面に外気中の水分が氷結するので、従来は、氷結防止（霜取り）の為に暖房運転を中止し、一旦冷房運転に切り替えて氷結を防止すると言う、熱的には極めて不経済な運転を強いられているが、本発明では、外気がたとえ氷点下でも、地中熱交換によって暖かい温度（例えば外気がマイナス０．５℃でも地中で熱交換した空気は年間の平均気温が１５℃近辺の土地では１０℃程度）が得られる為に、氷結を防ぐ霜取工程が不要になり、余分なシーケンス装置が不要となる。本発明装置は構造が極めて簡略で、極めて大きな省エネ効果が得られる。

図３，図４は、それぞれ冬と夏の地中温度の一日の変化を示した図である。
上記した様に地中温度は、６ｍ以上の深さで、ほぼ一定（平均温度）してくるが、夏場では２〜５ｍの深さ部分は、これよりも低く、冬場では逆に高くなる。
又、大地の表層部、0.5mの深さまでは、大気温の日中変化の影響を受けて、大きく変動し、0.5ｍから２ｍまでは、ほぼ指数曲線的に低下する。
従来構造の熱交換パイプは、地中での熱交換の媒体として水を使用しても、地下十数ｍまで埋入するタイプでは熱効率はCOPで３．５程度であるが、本発明は、熱交換の媒体として外気を使用するにもかかわらず、地下２〜５ｍの深さ部分の地中熱を積極的に利用すると、COPは１０以上になり、極めて高い効率が得られる。

図５は地中熱交換器を埋入した区域の地面表層部とその周辺区域を断熱した構造の説明図である。図６はその時の地中の深さ方向の温度分布を示す図である。
地面表層部の断熱は、地面表層部に直接、断熱材を敷設しても良いし、あるいは表層部３００〜５００ｍｍ掘削して、掘削した後の凹部に断熱材を埋めても良い。
地面表層部に直接、断熱材を敷設する時は、敷設してない地表からの熱拡散によって影響を受けるので、熱交換器を埋入した区域よりも相当広い範囲を断熱する必要がある。
断熱材を敷設してない区域の地表からの熱拡散を最小限に留めるためには、表層部３００〜５００ｍｍ掘削して、掘削した後に断熱材を埋め込む構造が好ましい。
図５はこのときの説明図である。
断熱材には、多孔質の樹脂、天然鉱物、無機質焼成体等が好ましい。とりわけ発泡樹脂が好適である。
断熱材の厚さは、断熱材の種類によっても変わってくるが、発泡樹脂、珪藻土のような天然鉱物の場合で、少なくとも３００mm以上あれば大気温の影響を遮断できる。５００mm以上は不経済である。

図６は、地面を５００ｍｍ掘削、除去した後の凹所に、厚さ５００ｍｍの発泡樹脂を埋め込んだときの樹脂の下面から深さ方向の温度分布を示した図である。
断熱してない場合（点線の曲線）に比べて、表層断熱（実線の曲線）によって、熱交換可能なパイプの長さが１ｍ以上長くなることがわかる。
これによって約ＣＯＰは１．４倍向上する。

図７は屋外大地の表層部の熱が屋内の大地に拡散するのを防ぐために、地中熱交換器の周囲を包囲するように断熱材を埋め込んで断熱したときの説明図である。
断熱材には、上記した様に、多孔質の樹脂、天然鉱物、無機質焼成体等が好適である。とりわけ発泡樹脂が好ましい。厚さ５０mm以上の断熱板を、垂直方向、深さ３００〜
５００mmまで、地中熱交換器の周囲を包囲するように埋め込んで断熱することが好ましい。

地表から５００〜１０００mm深さの大地の温度は、夏季温度が高く、冬季温度が低い。このために、地面に埋入した熱交換パイプの、地表から５００〜１０００mm深さ部分は、この熱影響を受ける。通常パイプ材料には熱伝導性に優れたアルミ合金が使用されているために、この熱影響は、パイプのより深い部分にも伝播して、パイプが接触する地面よりも高くなる部分が発生する。当然パイプの熱交換効率を下げることとなる。

図８は、地面と熱交換パイプの間の隙間に、断熱材を入れて断熱した構造の説明図であ
る。
断熱材は、熱交換パイプを包囲するように、５００〜１０００mm程度の深さまで差し込む。
５００mm未満では、地表面の熱影響を受けるので好ましくない。１０００mmを超えると不経済である。
断熱材の厚さは、１００〜２００mm程度の厚さが好ましい。アルミパイプが熱影響を
受けないように断熱するためには、少なくとも１００ｍｍ以上の厚さが必要である。また２００mm以上は不経済である。
本構造の場合、地中の温度分布は変化しないが、熱交換に寄与するパイプの長さが長く
なることによって、ＣＯＰが２〜３改善される。

図９は、地面に埋入した熱交換パイプの外表面にフィンを取り付けた構造の説明図である。
熱交換パイプの熱交換面積を広げるための構造であって、フィンは、パイプの長さ方向に金属の板を溶接等の方法で取り付ける。
フィンは、熱交換パイプの外管を作るときに一体成形して製造したものでも良いし、後から溶接で取り付けた構造でも良い。
フィンは地下温度の最も低い区間、地下深さ２〜５ｍの間に取り付けると最も効率が良くなる。
また、フィンの根本は太くして熱の伝導を良くするほうが望ましい。
フィンの面積を広げることによって、大地との接触面積を２〜３倍程度までに容易に増やすことが可能になる。

大地は一年を通じてほぼ一定した温度の無限の熱容量を持つ物体であるが、土の成分は無機質の酸化物で、熱伝導が悪い欠点がある。
熱交換パイプの効率をあげるためには、大地の熱が速やかに熱拡散する構造にしなければならない。つまり大地の熱伝導度を大きくする必要がある。
図１０の構造は、良熱伝導性の物質、鉱物、メタルスラグ等を地下に密に埋め込んで大地の熱の良好な熱伝達を図るものである。
良熱伝導性の物質としては、熱伝導性に優れた炭素材料が好ましい。炭素材料は地中に埋入されても腐食して変質することなく、安価である点が優れている。塊状、粒状にして隙間なく密に埋め込む。隙間は、できるだけなくすように、これらの材料の微粒を使って、あるいは通常の土で埋めても良い。いずれにせよ、隙間なく密に広い体積で埋めるほうが良い。これら良熱伝導材料は地下温度の夏場で最も低く、冬場で最も高い区間、地下深さ２〜５ｍの間に埋入すると最も効率が良くなる。
炭素材料としては安価な石炭、コークス等が好ましい。

図１１は本発明構造の地中熱交換器を家屋に適用した時の一例を説明した図である。
地中熱交換器の周辺を厚さ２０cm深さ５０cmの発泡スチロールの熱遮断壁を埋め込んで、地中熱交換器の周辺の大地と屋外の大地を熱的に遮断する。
家屋床下の地下２〜５ｍの区間に、石炭、コークスの塊を密に埋め込む。数ミリ、数センチから十数センチの大きさの塊を密に積み上げて埋め込み隙間は土で充填する。

外管がアルミパイプからなるパイプ熱交換器は地中深さ５ｍまで埋入する。
外管（アルミパイプ）の周囲、長さ方向２〜５ｍの区間に幅１００mm×長さ３０００ｍｍ×厚さ１０ｍｍのアルミ製のフィンを５〜１０枚、溶接で取り付けて地中に埋入する。
屋内の空気は、パイプ熱交換器の外管と内間（ポリエチレンパイプ）の隙間に吹き込まれて、地中熱と熱交換されて、外管の底に衝突して、内管を通って上に吹き上がる。
夏季には冷やされた空気が、冬季には暖められた空気が、屋内に放出されることとなる。
空気はファンで送入される。地中熱を回収するために投入されるエネルギーはファンの駆動に必要な電気代と結露水を間欠的に排出する電気代のみ。これをもとにしてＣＯＰが計算できる。

外管パイプの底には、結露水がたまるが、内管の下端を結露水の中に浸けることによって、内管の底で空気のバブリングが起こる。このとき、水のOH⁻イオンが発生して空気と一緒に上昇して、室内に送り込まれる。いわゆるマイナスイオン効果を発生させることができる。同時に、水の中に有害物質、すなわち、ＶＯＣ，花粉、粉塵等を水に吸着させて空気中から除去する機能も有する。

１．建築物全般の冷暖房に利用できる。
２．動物飼育、植物栽培のグリーンハウスなどの温度調整に利用できる。
３．水、その他の流体の冷却、昇温等、産業上発生する気体、液体の冷却、昇温に利用できる。

図１は、地中熱交換器の説明図である。図２は、実施例の説明図。装置の全体を示した図である。図３は、地中温度の冬の一日の変化を示した図である。図４は、地中温度の夏の一日の変化を示した図である。図５は、実施例の説明図。地表面断熱構造の説明図。図６は、地表面断熱時の地中温度分布の説明図である。図７は、実施例の説明図。地中熱交換器の周囲を断熱するときの説明図である。図８は、実施例の説明図。外管周囲を断熱するときの説明図である。図９は、実施例の説明図。外管周囲にフィンを取り付けた構造の説明図である。図１０は、実施例の説明図。地中に良熱伝導鉱物を埋入したときの説明図である。図１１は、総合的な実施例の説明図である。

Claims

室外機を備えたヒートポンプ式冷暖房装置の、該室外機の熱交換器に、地中に埋入した二重管構造の熱交換器に外気を送って熱交換させた空気を衝てて、該ヒートポンプの冷媒を凝縮、あるいは気化させることを特徴とするヒートポンプ式冷暖房装置。
上記二重管構造の熱交換器は、先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた構造の二重管の、該外管の先端を下にして地下に埋入して、内管と外管の隙間に空気を流して地熱と熱交換させる構造の交換器であって、該外管は地下５ｍの深さまで埋入されてなることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
上記二重管構造の熱交換器の地表から地下0.5〜１ｍの深さまで、該外管外周と地面の間を断熱されてなることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
上記二重管構造の熱交換器の外管外周部とその周辺区域に、地表から地下0.3〜１ｍの深さまで、断熱材を敷設してなることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
上記二重管構造の熱交換器の外管外周の、地中２〜５ｍの深さに埋入した区間に、外管の中心軸と同じ方向に良熱伝導性フィンを取り付け、外管と一体的に地中に埋入してなることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
上記二重管構造の熱交換器を埋入する地中とその周辺区域に、良熱伝導性の物質、鉱物あるいは金属塊、粒を密に埋入してなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
上記二重管構造の熱交換器外管の底に結露水を滞留させ、該滞留した結露水の中に内管の下端を浸漬せしめてなることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
上記二重管構造の熱交換器を地面に埋入するに際して、該熱交換器の周囲に、該熱交換器を包囲するように、熱遮断壁を埋め込んで、屋外の大地と該熱交換器の周囲の大地を熱的に遮断してなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のヒートポンプ式冷暖房装置。