JP2007120781A - 地熱利用水冷ヒートポンプ空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒凍結を防止でき、電力の平準化と省エネ化を図れ、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水冷ヒートポンプ空調システムを得る。
【解決手段】地中の地表近くに埋設される地中熱交換器７と、地中熱交換器７にて温調した熱媒が流れる熱源水回路４と、熱源水回路４の熱媒を熱源として被空調空間の空調を行う水冷ヒートポンプ式空調機９と、を備える。熱源水回路４に、熱媒を加熱する加熱装置６を、接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は地熱利用水冷ヒートポンプ空調システムに関するものである。

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がある。このシステムは地中熱交換器と、この地中熱交換器にて温調した熱媒を熱源として被空調空間の空調を行う水冷ヒートポンプ式空調機と、を備えている。

特開２００１−２８９５３３号公報 特開２００３−２０７１７４号公報

この地中熱交換器を地表近くの地中に埋設した場合、太陽熱の影響を受けやすく、冬期に夜間運転を行って地中熱交換器で長時間連続して採熱を続けると、周辺の地中温度が低下し続けて、熱媒が凍結する問題がある。このような熱媒凍結を防止するために不凍液を使用するとなると土壌汚染の心配が残ることになる。また、地中熱交換器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字状地中熱交換器の容量の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しており、Ｕ字状地中熱交換器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、地中の地表近くに埋設される地中熱交換器と、この地中熱交換器にて温調した熱媒が流れる熱源水回路と、この熱源水回路の前記熱媒を熱源として被空調空間の空調を行う水冷ヒートポンプ式空調機と、を備え、前記熱源水回路に、前記熱媒を加熱する加熱装置を、接続し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、冬期に夜間運転する場合、加熱装置６で熱媒の凍結を防止でき、長時間の連続空調運転を行えると共に、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、冬期で水冷ヒートポンプ式空調機５の弱運転時または停止時のときに、加熱装置６を用いて地中熱交換器７から地中へ放熱して蓄熱し、その蓄熱を利用して運転を行うこともでき、電力の平準化と省エネに役立つ。
請求項２の発明によれば、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。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。

図１〜図３は、本発明の地熱利用水冷ヒートポンプ空調システムの一実施例を示しており、この空調システムは、地中の地表近くに埋設される地中熱交換器７と、この地中熱交換器７にて温調した熱媒が流れる熱源水回路４と、熱媒を矢印方向に送る図示省略の送水ポンプと、熱源水回路４の熱媒を熱源として被空調空間の空調を行う水冷ヒートポンプ式空調機５と、熱源水回路４に開閉バルブ等を介して配管接続されて熱媒を加熱するボイラーや空冷ヒートポンプ式チラーなどの加熱装置６と、を備えている。

水冷ヒートポンプ式空調機５は、ケーシング内に、圧縮式ヒートポンプ１１と、給気用送風機と、を備えている。水冷ヒートポンプ１１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や熱媒など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空気熱交換器１３及び熱媒が通水される水熱交換器１２と、循環冷媒を圧縮する圧縮機１４と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構と、空気熱交換器１３及び水熱交換器１２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。この水冷ヒートポンプ１１の空気熱交換器１３にて空調用空気を冷却又は加熱し、冷房運転と暖房運転を切換自在に行い、被空調空間に給気して空調する。

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、熱源水回路４に配管接続される。なお、加熱装置６は熱源水回路４の往路管部側と復路管部側の何れの側に接続するも自由である。また、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３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４（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４（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、熱交換効率が向上する。なお、図５（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５（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６は往路管部１の巻形状を長円状にした例で、図６（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６（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６（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６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。また、地中熱交換器７をＵ字管などに変更するも自由である。

本発明の一実施例を示す簡略斜視図。 水冷ヒートポンプ式空調機の説明図。 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 熱源水回路
５ 水冷ヒートポンプ式空調機
６ 加熱装置
７ 地中熱交換器

Claims (4)

1. 地中の地表近くに埋設される地中熱交換器７と、この地中熱交換器７にて温調した熱媒が流れる熱源水回路４と、この熱源水回路４の前記熱媒を熱源として被空調空間の空調を行う水冷ヒートポンプ式空調機９と、を備え、前記熱源水回路４に、前記熱媒を加熱する加熱装置６を、接続したことを特徴とする地熱利用水冷ヒートポンプ空調システム。
2. 地中熱交換器７が、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記載の地熱利用水冷ヒートポンプ空調システム。
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記載の地熱利用水冷ヒートポンプ空調システム。
4. 往路管部１を扁平管とした請求項２又は３記載の地熱利用水冷ヒートポンプ空調システム。

Images