JP2006153347A - 熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】夏場における地中からの採熱不良を確実に防止してヒートポンプの高効率運転を実現することができ、しかも、採熱に伴う冷熱を有効に利用することができる熱交換システムを提供する。
【解決手段】給湯用貯留槽２と、給湯用貯留槽２の水を加温するヒートポンプ１と、地中に埋設された地中採熱手段３とを備える。建築物の床下空間に床下採熱手段５を設ける。地中採熱手段３と床下採熱手段５とを切換自在にヒートポンプ１に接続し、地中採熱手段３と床下採熱手段５とを切換えてヒートポンプ１に接続する接続切換手段２１，２２を設ける。床下採熱手段５の温度を検出する温度検出手段２５と、接続切換手段２１，２２の切換え動作を制御する切換制御手段２４とを設ける。切換制御手段２４は、温度検出手段２５の検出温度が所定温度以下となったとき、接続切換手段２１，２２によりヒートポンプ１と地中採熱手段３とを接続する。
【選択図】図２

Description

本発明は、給湯用温水の生成等に採用される熱交換システムに関する。

従来、ヒートポンプにより地中から採熱して給湯用貯留槽内の水を加温貯留する熱交換システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。ヒートポンプを採用することにより、電力を熱エネルギーに変換する電気ヒータを用いた場合に比べてエネルギー効率が良好である。更に近年では、夜間電力を利用して給湯用貯留槽内の水を加熱して湯を生成しておき、貯留槽内の湯を必要な時に使用する給湯設備が環境面、経済面ともに有利であるとされている。

しかし、ヒートポンプにより地中からの採熱を続けた場合に、特に夜間であっても気温より地中温度が低い夏場においては、採熱箇所の地中温度が比較的短時間のうちにかなりの低温度にまで低下してしまい、採熱不良が生じてヒートポンプの効率が悪化し、十分な温熱発生量が得られないばかりか、消費動力が増大する不都合がある。しかも、地中温度が極度に低下すると、地中からの採熱不能となるだけでなく、地中温度が回復して採熱できるようになるまでかなりの時間が必要になるといった不都合がある。
特開２０００−３５６４３３号公報

かかる不都合を解消して、本発明は、夏場における地中からの採熱不良を確実に防止してヒートポンプの高効率運転を実現することができ、しかも、採熱に伴う冷熱を有効に利用することができる熱交換システムを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の熱交換システムは、給湯用水を貯留する給湯用貯留槽と、該給湯用貯留槽の水を加温して温水を生成するヒートポンプと、該ヒートポンプに接続されて地中に埋設された地中採熱手段と、該地中採熱手段と切換自在に前記ヒートポンプに接続されて建築物の床下空間に敷設された床下採熱手段と、前記ヒートポンプに対する前記地中採熱手段の接続と前記床下採熱手段の接続とを切換える接続切換手段と、前記床下採熱手段の冷媒温度を検出する温度検出手段と、前記接続切換手段の切換え動作を制御する切換制御手段とを備え、該切換制御手段は、前記温度検出手段の検出温度が所定温度以下となったとき、前記接続切換手段により前記ヒートポンプと前記地中採熱手段とを接続することを特徴とする。

本発明によれば、夏場にヒートポンプにより給湯用貯留槽内の水を加温貯留するとき、ヒートポンプは、前記床下採熱手段によって建築物の床下空間からの採熱を行う。通常、夏場は地中温度よりも気温が高いので、建築物の床下空間に敷設された床下採熱手段からの採熱により安定した熱交換効率を得ることができ、ヒートポンプを効率よく運転することができる。

更に、ヒートポンプの駆動により床下採熱手段の冷媒温度が極度に低下した場合であっても、前記温度検出手段によって検出される床下採熱手段の冷媒温度が所定温度以下となったときに前記切換制御手段により前記接続切換手段を介してヒートポンプと前記地中採熱手段とが接続されるので、床下採熱手段の冷媒温度の極度な低下によるヒートポンプの運転効率低下を防止することができる。なお、ヒートポンプが地中採熱手段からの採熱により温水を生成中に、床下採熱手段の冷媒温度が採熱可能な温度に回復すれば、切換制御手段によって接続切換手段を介してヒートポンプと床下採熱手段とが接続される。このように、地中採熱手段からの採熱が長時間継続して行われることが防止でき、地中温度の極度な低下を確実に防止することができる。

また、本発明の熱交換システムにおいては、前記床下採熱手段により冷却された床下空間の冷気を建築物の室内に送り出す冷気送出手段を備えることを特徴とする。床下採熱手段からの採熱により床下空間内の空気が冷却される。このとき、床下空間内の冷気を前記冷気送出手段により室内に送ることで、室内冷房を行うことができる。しかも、冷気送出手段により床下空間の冷気を室内に送り出すことにより、床下空間内への冷気の停留が防止できるので、床下採熱手段の冷媒温度が急激に低下することがなく、安定した熱交換効率を維持してヒートポンプを効率よく運転することができる。

また、本発明の熱交換システムにおいて、前記地中採熱手段と前記床下採熱手段とは、前記接続切換手段を介して互いに接続自在とされ、前記ヒートポンプによる前記給湯用貯留槽における温水生成が停止しているとき、前記切換制御手段は、前記接続切換手段により前記地中採熱手段と前記床下採熱手段とを互いに接続し、前記地中採熱手段と前記床下採熱手段とは互いに熱交換を行うことを特徴とする。

夜間電力を用いる場合には昼間にヒートポンプ運転が停止され、或いは、給湯用貯留槽の湯温が給湯可能な温度となったときにヒートポンプ運転が停止される。このように、ヒートポンプによる温水生成が停止しているときには、ヒートポンプは地中採熱手段や床下採熱手段からの採熱が不要となる。このとき、本発明においては、前記切換制御手段によって接続切換手段を介して地中採熱手段と床下採熱手段とが互いに接続される。そして、夏場においては気温よりも低い温度の地中と、地中温度よりも高い温度の床下空間との間で、地中採熱手段と床下採熱手段とを介しての熱交換が行われる。これによって、床下空間の温度が低下し、低い温度の空気を屋内へ送れば屋内冷房が可能となると同時に、低下した地中温度を容易に回復させることができる。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の熱交換システムの設置例を示す説明図、図２は本実施形態の熱交換システムの構成を示す説明図である。

本実施形態の熱交換システムは、図１に示すように、ヒートポンプ１と、ヒートポンプ１により湯（温水）が生成されて貯留される給湯用貯留槽２とを備えている。ヒートポンプ１には、地中に埋設されたボアホールと呼ばれる地中採熱手段３と、家屋４（建築物）の内部の床下地面上に敷設された床下採熱手段５とが接続されている。床下採熱手段５は、コンクリート製の蓄冷板６と、蓄冷板６の内部に設けられた冷媒導通管７とによって構成されている。なお、本実施形態の蓄冷板６はコンクリートを蓄熱材として用いたものであるが、それ以外に蓄冷板６の蓄熱材として採用することで一層高い蓄熱性能が得られるものとして、パラフィン若しくは水溶物の潜熱蓄熱材を挙げることができる。

床下採熱手段５上には家屋４の床板８との間に床下空間９が形成されている。また、家屋４の壁１０には、床下空間９と連通するダクト１１が設けられており、床下空間９とダクト１１との境界位置には、床下空間９内の空気を強制的にダクト１１に送り出す送風機１２（冷気送出手段）が設けられている。図示しないが、ダクト１１は家屋４の天井部にわたって延設されており、その先端が家屋４の室内に開口している。

次に、各部を詳細に説明する。図２に示すように、給湯用貯留槽２は、ヒートポンプ１に内蔵された熱交換器１３（凝縮器）との間で高温冷媒回路１４を構成する湯沸し用の熱交換器１５を備えている。該高温冷媒回路１４内の高温冷媒はヒートポンプ１に内蔵された第１冷媒循環用ポンプ１６により高温冷媒回路１４内を循環される。給湯用貯留槽２の内部には、市水導入管１７を介して水が供給され貯留される。給湯用貯留槽２の内部において熱交換器１５によって加温されて生成された湯（温水）は、給湯用貯留槽２の内部から給湯管１８を介して導出される。

地中採熱手段３は、ヒートポンプ１に内蔵された熱交換器１９（蒸発器）との間で冷媒回路２０を構成している。該冷媒回路２０には、地中採熱手段３の上流側に第１の三方弁２１が設けられ、地中採熱手段３の下流側に第２の三方弁２２が設けられている。床下採熱手段５は、その冷媒導通管７の上流側が第１の三方弁２１と第２の三方弁２２とに接続され、冷媒導通管７の下流側が地中採熱手段３の下流側に合流して。ヒートポンプ１に内蔵された熱交換器１９（蒸発器）に接続されている。ヒートポンプ１と地中採熱手段３及び地中採熱手段３との間の冷媒回路２０の内部の冷媒は、ヒートポンプ１に内蔵された第２冷媒循環用ポンプ２３により冷媒回路２０内を循環される。第１の三方弁２１と第２の三方弁２２とは、本発明の接続切換手段を構成している。

また、図２において符号２４により示すものは、第１の三方弁２１と第２の三方弁２２とを制御する切換制御手段である。地中採熱手段３には、該地中採熱手段３の冷媒温度を検出する第１温度センサー２５が設けられており、床下採熱手段５には、該床下採熱手段５の冷媒温度を検出する第２温度センサー２６（本発明における温度検出手段）が設けられている。切換制御手段２４は、第１温度センサー２５及び第２温度センサー２６により検出された冷媒温度に基づいて、第１の三方弁２１と第２の三方弁２２とを制御し、地中採熱手段３と地中採熱手段３との冷媒回路２０への切換え接続を行う。更に、切換制御手段２４は、ヒートポンプ１の図示しないコントローラ等に電気的に接続されており、ヒートポンプ１から出力される運転・停止に関する信号に応じた第１の三方弁２１と第２の三方弁２２との制御も行えるようになっている。

第１の三方弁２１は、ヒートポンプ１の熱交換器１９（蒸発器）の冷媒流出側が第１ポートＡに接続され、第２ポートＢには地中採熱手段３の上流が接続され、第３ポートＣには床下採熱手段５の上流が接続されている。そして切換え作動により、第１ポートＡから第２ポートＢへの導通と、第１ポートＡから第３ポートＣへの導通とを切換えることができるようになっている。

第２の三方弁２２は、地中採熱手段３の上流が第１ポートＡに接続され、第２ポートＢにはヒートポンプ１の熱交換器１９（蒸発器）の冷媒流入側（床下採熱手段５の下流に合流している）が接続され、第３ポートＣには床下採熱手段５の上流が接続されている。そして切換え作動により、第１の三方弁２１と同様にして、第１ポートＡから第２ポートＢへの導通と、第１ポートＡから第３ポートＣへの導通とを切換えることができるようになっている。

次に、以上の構成からなる本実施形態の熱交換システムの作動を説明する。本実施形態においては、ヒートポンプ１を運転して給湯用貯留槽２の内部の水を加温して湯を生成する。ヒートポンプ１は夜間電力が用いられ、給湯用貯留槽２の内部の湯が沸きあがると運転が停止するようになっている。夏場において、ヒートポンプ１を運転するとき、前記切換制御手段２４の制御により、第１の三方弁２１と第２の三方弁２２との両方において第１ポートＡと第３ポートＣとが導通される。これによって、ヒートポンプ１の熱交換器１９（蒸発器）側の冷媒回路２０に床下採熱手段５が接続され、冷媒が床下採熱手段５の冷媒導通管７内を流動する。一方、地中採熱手段３は冷媒回路２０から切り離された状態となる。これによって、ヒートポンプ１は床下採熱手段５から採熱して給湯用貯留槽２の内部の水を加温する。このとき、床下採熱手段５は低温冷媒が供給されるので、図１を参照すれば、蓄冷板６に蓄冷されると共に床下空間９の空気が冷やされる。そして、送風機１２を作動させることにより、床下空間９の冷気が家屋４の室内に供給され、室内冷房を行うことができる。また、床下空間９の冷気が送風機１２によって床下空間９の外に送り出されることにより、床下空間９への冷気の停留が防止でき、熱交換効率を向上してヒートポンプ１を効率良く運転させることができる。

また、図２に示すように、床下採熱手段５に設けられた第２温度センサー２６が床下採熱手段５の冷媒温度を検出して切換制御手段２４に入力しており、この検出温度が所定温度以下（ヒートポンプ１による熱交換効率が低下する下限値であり、例えば、５℃以下）となったとき、切換制御手段２４の制御によって、第１の三方弁２１と第２の三方弁２２との両方において第１ポートＡと第２ポートＢとが導通される。これにより、ヒートポンプ１の熱交換器１９（蒸発器）側の冷媒回路２０に地中採熱手段３が接続され、床下採熱手段５は冷媒回路２０から切り離される。この状態で、床下採熱手段５の温度が上昇し十分な採熱が行えるようになるまで、ヒートポンプ１は地中採熱手段３から採熱して給湯用貯留槽２の内部の水を加温する。このとき、図１示の送風機１２を作動させていれば、床下空間９の冷気が送り出されて室内冷房が行えるだけでなく、床下採熱手段５の温度を迅速に回復させることができる。そして、床下採熱手段５に設けられた第２温度センサー２６により検出された温度が、床下採熱手段５の採熱可能な温度以上となったとき、切換制御手段２４の制御によって、第１の三方弁２１と第２の三方弁２２との両方において第１ポートＡと第３ポートＣとが導通される。これにより、地中採熱手段３からの採熱が長時間にわたって継続して行われることなく床下採熱手段５の採熱に切換えられるので、地中温度の極度な低下を防止することができる。

また、給湯用貯留槽２の内部の湯が沸きあがったとき、或いは、夜間電力の供給が停止する昼間には、ヒートポンプ１の運転が停止される。このとき、ヒートポンプ１の運転停止に関する信号が切換制御手段２４に入力され、切換制御手段２４の制御によって、第１の三方弁２１においては第１ポートＡと第２ポートＢとが導通され、第２の三方弁２２においては第１ポートＡと第３ポートＣとが導通される。これによって、ヒートポンプ１の熱交換器１９（蒸発器）側の冷媒回路２０に、地中採熱手段３と床下採熱手段５とが直列に接続された状態となる。

一方、ヒートポンプ１による給湯用貯留槽２の内部における湯の生成が停止されていることにより、冷媒回路２０においてはヒートポンプ１の熱交換器１９（蒸発器）による熱交換は行われない。このため、ヒートポンプ１に内蔵された第２冷媒循環用ポンプ２３を作動させるだけで、地中採熱手段３と床下採熱手段５との間で冷媒の循環流動が行われ、これに伴って、地中と床下空間９との間で熱交換が行われる。即ち、夏場においては、地中温度が気温より低いので、床下空間９内の空気が地中温度により冷却され、前記送風機１２の作動により床下空間９内の空気によって室内冷房を行うことができる。同時に、地中温度も上昇されて地中に蓄熱され、地中採熱手段３の採熱が効果的に行われる状態を長期にわたって維持することができる。

本発明の実施形態の熱交換システムの設置例を示す説明図。 本発明の一実施形態の熱交換システムの構成を示す説明図。

符号の説明

２…給湯用貯留槽、３…地中採熱手段、５…床下採熱手段、１２…送風機（冷気送出手段）、２１…第１の三方弁（接続切換手段）、２２…第２の三方弁（接続切換手段）、２４…切換制御手段、２５…第１温度センサー（温度検出手段）、２６…第２温度センサー（温度検出手段）。

Claims (3)

1. 給湯用水を貯留する給湯用貯留槽と、該給湯用貯留槽の水を加温して温水を生成するヒートポンプと、該ヒートポンプに接続されて地中に埋設された地中採熱手段と、該地中採熱手段と切換自在に前記ヒートポンプに接続されて建築物の床下空間に敷設された床下採熱手段と、前記ヒートポンプに対する前記地中採熱手段の接続と前記床下採熱手段の接続とを切換える接続切換手段と、前記床下採熱手段の冷媒温度を検出する温度検出手段と、前記接続切換手段の切換え動作を制御する切換制御手段とを備え、
   該切換制御手段は、前記温度検出手段の検出温度が所定温度以下となったとき、前記接続切換手段により前記ヒートポンプと前記地中採熱手段とを接続することを特徴とする熱交換システム。
2. 前記床下採熱手段により冷却された床下空間の冷気を建築物の室内に送り出す冷気送出手段を備えることを特徴とする請求項１記載の熱交換システム。
3. 前記地中採熱手段と前記床下採熱手段とは、前記接続切換手段を介して互いに接続自在とされ、
   前記ヒートポンプによる前記給湯用貯留槽における温水生成が停止しているとき、前記切換制御手段は、前記接続切換手段により前記地中採熱手段と前記床下採熱手段とを互いに接続し、前記地中採熱手段と前記床下採熱手段とは互いに熱交換を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換システム。

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