JP2007040635A - 地熱利用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気熱源ヒートポンプの負荷を削減できて省エネ化を図れ、地中熱交換器の熱交換効率がよくて熱交換ロスがなく、地中熱交換器の加工や、地中熱交換器を埋める穴の掘削と埋設作業が容易な地熱利用空調装置を得る。
【解決手段】循環冷媒を介して通風空気を熱交換する圧縮式の空気熱源ヒートポンプ９を、備える。空気熱源ヒートポンプ９の給気側熱交換器４及び熱源側熱交換器５の一方又は両方であって外気が通風される熱交換器の風上に、この外気を地中熱交換器で温調した熱媒にて熱交換する水コイル８を、設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は地熱利用空調装置に関するものである。

室内排気から熱回収しながら外気を熱交換して給気する圧縮式の空気熱源ヒートポンプを備えた空調装置がある。

特開２００２−３６４８７４号公報 特開２００１−２８９５３３号公報

上記の空調装置では熱回収により省エネ化を図れるが、ますます厳しくなるエネルギー事情から、さらなる省エネ化が求められている。また、空気熱源ヒートポンプの冷却・加熱の能力は外気温度に影響されやすく暑地や寒冷地では所望の給気温度に制御するのが難しかった。一方、地中はある深さ以下になると年間を通してほぼ一定の温度であるので、その地中熱を利用し空調を行うシステムなどがある。この地中熱を熱媒を介して採熱などを行うのが地中熱交換器で、熱媒を地上から地中の深層部まで下ろしてから反転させて地上へ返すように全体がＵ字を成す往復路管部を、備え、これを掘削した穴に挿入して埋め、地中と熱媒の間で熱交換を行っており、この往復路管部には耐蝕性、耐久性などの点から樹脂製パイプが用いられている。上記のＵ字状往復路管部で必要な熱量を得るためには、深層部に向け縦穴を特殊な掘削機械で長時間かけて掘らねばならず、しかも穴の崩れ防止や泥土や湧水などの処理も必要で、非常に手間と時間がかかりコスト高となる問題がある。そのために、一つの穴にＵ字状往復路管部の容量を大きくしたものを埋めたり、一つの穴に複数本を埋めたりすると、地中の狭い範囲で集中して採熱することとなり、例えば冬期では地中から奪う単位体積当りの熱量が多くなって地中温度の回復に長時間かかるため、採熱量が低下し続けて空調運転できなくなったり、凍結防止のために不凍液を使用しなければならないため環境汚染が発生する問題がある。また、Ｕ字状往復路管部では往路も復路も同じ経路を熱媒が流れるため、例えば冬期では、熱媒が地表へ戻る際、せっかく採熱温調した熱媒が地上近くで放熱して、熱ロスが生じる問題がある。

本発明は上記課題を解決するため、循環冷媒を介して通風空気を熱交換する圧縮式の空気熱源ヒートポンプを、備え、この空気熱源ヒートポンプの給気側熱交換器及び熱源側熱交換器の一方又は両方であって外気が通風される熱交換器の風上に、この外気を地中熱交換器で温調した熱媒にて熱交換する水コイルを、設けたことを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明によれば、空気熱源ヒートポンプ９の熱交換器で通風外気を冷却又は加熱する前に、この通風外気を水コイル８の熱媒で予め冷却又は加熱することにより、空気熱源ヒートポンプ９の負荷を削減できて大幅省エネとなり、かつ暑地や寒冷地でも所望の給気温度に制御することができる。水コイル８は地中熱を熱源としているのでボイラーやチラーなどの熱源機が不要で、運転コストを安くできる。
請求項２の発明によれば、地域により異なるが深度１ｍ位までの地中温度は外気の影響を受けて冬は低く夏は高くなるが、熱媒が採熱（冬期）・放熱（夏期）可能な温度差が地中に対してあるため、地中熱交換器７の往路管部１を細くて長い渦巻き状として地表近くに埋め、熱媒を地熱流に対してカウンターフローで流して、熱交換効率を良くしつつ地中で広範囲に分散して少しずつ熱交換させることにより、熱媒を温度調節するために必要とされる地熱量を得ることができ、かつ地中から奪う単位体積当りの地熱量を少なくできる。そのため、地中温度が回復しやすく、長時間の連続空調運転も可能となり、環境汚染の心配の無い水を熱媒として使用でき、不凍液を使わずに済む。さらに往路管部１は継ぎ目のない１本の管を巻設するだけよいので加工が簡単になり、バネ状に巻設して伸縮性をもたせてあるので免震性に優れ、地震に対する耐久性が十分で、破損による熱媒漏れなどを防止できる。地中熱交換器７の復路管部２は地上に熱媒を戻すだけでよいので短くてよく、地中との再熱交換による熱ロスが皆無で、熱交換効率の向上を図れて熱媒温度が安定する。往路管部１の埋設用穴は地表近くをパワーショベルなどの普通の掘削機械で浅く掘るだけでよく、掘削の時間と費用の削減を図れて施工が容易となる。
請求項３の発明によれば、一巻き毎に地中熱交換器７の往路管部１の径の大きさを変えることで管部同士の熱交換領域の重複部をなくし、地中の広い範囲で満遍なく熱交換させて地中温度の早期回復を図り、かつ熱交換効率を向上させることができる。下方に向かって順次拡径するように巻設した往路管部１では、深くなるにつれて被地中熱量が増えて安定するのに合わせて、往路管部１の径を大きく長くして熱交換量を増やすことにより、熱交換効率を高めることができる。さらに、往路管部１を埋める際、径中央部から土を盛ることにより、往路管部１の形に沿った山形となり、往路管部１の形を崩さずに容易に埋めることができる。下方に向かって順次縮径するように巻設した往路管部１では、その形状に合わせて埋設用穴は擂り鉢状でよいので掘りやすく、一層施工が容易となる。
請求項４の発明によれば、地中熱交換器７の往路管部１が扁平管なので短径側外面から管中央部の熱媒への伝熱が早く、熱交換効率がさらに良くなる。扁平管なので曲げやすく、往路管部１を渦巻き状に簡単に形成することができる。
請求項５の発明によれば、水コイル８と給気側熱交換器４及び熱源側熱交換器５の圧力損失が減少して熱交換効率が向上するので小型のファンを用いることができ騒音低減を図れる。水コイル８と給気側熱交換器４及び熱源側熱交換器５も小型化でき空調装置全体のコンパクト化を図れる。

図１と図２は、本発明の地熱利用空調装置の一実施例を示しており、実線及び点線の白抜き矢印は送風方向を示す。この空調装置は、循環冷媒を介して通風空気たる熱源用空気と給気用空気を熱交換する圧縮式の空気熱源ヒートポンプ９と、空気熱源ヒートポンプ９の給気側熱交換器４及び熱源側熱交換器５を一体に内設した本体ケーシング１３と、備え、この空気熱源ヒートポンプ９の給気側熱交換器４及び熱源側熱交換器５の一方又は両方であって外気が通風される熱交換器の風上に、この外気を地中熱交換器７で温調した熱媒にて熱交換する水コイル８を、設けたもので、本体ケーシング１３は例えば天井内などに設置される。

空気熱源ヒートポンプ９は、循環冷媒に対して蒸発・圧縮・凝縮・膨張の工程順を繰返し、この循環冷媒と熱交換する空気に対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うもので、循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を行う給気側熱交換器４及び熱源側熱交換器５と、循環冷媒を圧縮する圧縮機６と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構と、給気側熱交換器４及び熱源側熱交換器５の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の切換機構と、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して成る。給気側熱交換器４では循環冷媒で給気用空気を冷却又は加熱し、熱源側熱交換器５では熱源用空気で循環冷媒を凝縮又は蒸発させる。水コイル８はフィンコイルなどを用いる。給気側熱交換器４及び熱源側熱交換器５と水コイル８の各伝熱管は圧損の少ない楕円管にするのが好ましいが円形管でもよい。

水コイル８と地中熱交換器７は熱媒が循環するように配管接続し、水コイル８に対して熱媒が流通・停止切換自在となるように構成する。本体ケーシング１３は給気用送風路１０と熱源用送風路１１を備え、給気用送風路１０に給気側熱交換器４と水コイル８と給気用ファンを設けると共に熱源用送風路１１には熱源側熱交換器５と熱源用ファンを設ける。給気用送風路１０の空気出口と熱源用送風路１１の空気入口は、ダクトなどを介して屋内と連通させ、給気用送風路１０の空気入口と熱源用送風路１１の空気出口は、ダクトなどを介して屋外と連通させる。図１は給気用空気が外気で熱源用空気が還気の場合の例で、屋内からの還気を熱源側熱交換器５で熱回収しつつ、屋外からの外気を水コイル８で予冷又は予熱して空気熱源ヒートポンプ９の負荷を減らしてから給気側熱交換器４で温調して屋内へ給気する。図例では水コイル８を本体ケーシング１３内に設けているが、図３の如く本体ケーシング１３とは別個に設けてもよい。図４は、給気用空気と熱源用空気が外気の場合の例で、外気を水コイル８で予冷又は予熱して空気熱源ヒートポンプ９の負荷を減らしてから、熱源側熱交換器５と給気側熱交換器４で熱交換する。図例では給気側熱交換器４と熱源側熱交換器５の風上に各々水コイル８を設けているが、１つの水コイル８で共用するも自由である（図示省略）。このように通風空気の種類の変更は自由で、図示省略するが給気用空気が還気で熱源用空気が外気の場合は、熱源側熱交換器５の風上に水コイル８を設ければよい。なお、前記各実施例において水コイル８の配置や数の変更は自由である。

図２と図５に示すように、地中熱交換器７は、地中に埋設されると共に内部を流れる熱媒を地中熱で温度調節するものであって、地表近くで前記熱媒が渦巻き状に下りながら流れる樹脂製の往路管部１と、この往路管部１から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部２と、を備えている。往路管部１の巻形状の平均径は、すくなくとも略２ｍ以上の大きな曲率に設定する。復路管部２は可能な限り短く細くして熱媒を地上へ迅速に戻すようにする。図例では往路管部１の内径側に立設して外径側にはみ出さないようにし、埋設用穴３に収まり易くして掘削及び埋設作業の迅速化を図る。往路管部１と復路管部２は、１本の管で一体に形成又は別個の管を接続して成り、例えば深さ３ｍ位の地表近くに掘削された埋設用穴３に埋められ、往路管部１と復路管部２が、水コイル８の熱媒出入口に配管接続される。なお、熱媒として水を用いる以外に、ブラインやその他各種の液体を用いるも自由である。

往路管部１は、下方に向かって順次縮径するように巻設し、その巻形状を円形状や楕円形状の丸状として、一巻き毎に往路管部１を左右方向にずらして管部同士の熱交換領域（図５の仮想線参照）の重複部をなくす。この場合、埋設用穴３を掘りやすい擂り鉢状にすることができる。往路管部１は、径方向切断面が円形状や楕円形状（図示省略）の丸形管としているが、図６（ａ）のように、往路管部１の外周壁を周方向に向かって蛇行状となるように形成してもよく、あるいは、図６（ｂ）のように、長径側を両外側に向かって細くなる尖状にした扁平管に形成してもよく、往路管部１が扁平管で長径側が尖状なので熱媒が乱流となって強制対流により伝熱が促進され、熱交換効率がさらに向上する。なお、図７（ａ）のように、往路管部１を、下方に向かって順次拡径するように巻設してもよく、仮想線で示すように、埋設作業時に往路管部１の径中央部で埋設土が山形となって往路管部１に内側から自然に沿うようにする。復路管部２は往路管部１の内径側に沿って立設して外径側にはみ出さないようにしているが、外径側で立設してもよい。また、図７（ｂ）のように、往路管部１を全て同径になるよう巻設してもよい。

図８は往路管部１の巻形状を長円状にした例で、図８（ａ）は往路管部１を下方に向かって順次拡径するように、図８（ｂ）は、往路管部１を下方に向かって順次縮径するように、図８（ｃ）は、往路管部１を全て同径になるように、各々巻設した場合を示している。図８の場合、埋設用穴３を掘りやすい幅の狭い溝状にすることができる。なお、前記各実施例は図例に限定されず、往路管部１の巻数（段数）や径の寸法変更は自由で、さらに往路管部１を下方に向かって全体的又は部分的に拡縮させるも自由である。

本発明の一実施例を示す平面図。 地中熱交換器の簡略斜視図。 他の実施例を示す平面図。 別の実施例を示す正面図。 地中熱交換器の往路管部の断面図。 地中熱交換器の往路管部の他の形状例の断面図。 地中熱交換器の往路管部の他の形状例の簡略斜視図。 地中熱交換器の往路管部の別の形状例の簡略斜視図。

符号の説明

１ 往路管部
２ 復路管部
４ 給気側熱交換器
５ 熱源側熱交換器
７ 地中熱交換器
８ 水コイル
９ 空気熱源ヒートポンプ

Claims (5)

1. 循環冷媒を介して通風空気を熱交換する圧縮式の空気熱源ヒートポンプ９を、備え、この空気熱源ヒートポンプ９の給気側熱交換器４及び熱源側熱交換器５の一方又は両方であって外気が通風される熱交換器の風上に、この外気を地中熱交換器７で温調した熱媒にて熱交換する水コイル８を、設けたことを特徴とする地熱利用空調装置。
2. 地中熱交換器７が、地中の地表近くで熱媒が渦巻き状に下りながら流れる樹脂製の往路管部１と、この往路管部１から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部２と、を備えた請求項１記載の地熱利用空調装置。
3. 地中熱交換器７の往路管部１を、下方に向かって順次拡径するように、又は、下方に向かって順次縮径するように、巻設した請求項２記載の地熱利用空調装置。
4. 往路管部１を扁平管とした請求項２又は３記載の地熱利用空調装置。
5. 給気側熱交換器４及び熱源側熱交換器５と水コイル８の各伝熱管を楕円管にした請求項１、２、３又は４記載の地熱利用空調装置。

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