JP2008190177A - ヒートポンプ用採熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヒートポンプ用の採熱装置を，建造物の床下地表面からその地表熱を利用することによって簡易且つ低コストに提供できるものとする。
【解決手段】 建造物１の新築時にコンクリートの密封べた基礎２を形成するとともに該基礎２の外側に１〜２ｍ幅の断熱パネル４を横向き水平に配置し，密封べた基礎２のコンクリート層２２上に流体を充填して，その上面及び側面を断熱材８で被覆した採熱敷設体５を載置固定して，密封べた基礎２で囲まれる囲繞採熱面３からコンクリート層２２を介して採熱敷設体５の流体に採熱し，流体をポンプ９によってヒートポンプＢとの間を循環させるようにする。囲繞採熱面３は外気の影響を受けないので，比較的一定の温度を保ち，冷暖房エネルギーを得るヒートポンプの採熱に有効に利用できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は，ヒートポンプの熱交換によって建造物の冷暖房エネルギーを得るようにしたヒートポンプ用採熱装置に関する。

この種採熱装置として，例えば特許文献１の如くに，地中に採熱管を埋設し，該採熱管に流体を往復循環させることによって，地中熱を熱源としてヒートポンプによって冷却乃至昇温して，冷暖房エネルギーとして使用するものとされ，また特許文献２の如くに，該採熱管は，例えばＵ字状の配管を複数収納したものを，地下水に到達するように地中深くに埋設するものとされる。

特開２００６−２９２３１０号 特開２００５−３３７５９０号

この場合，建造物に必要な一部又は全部の冷暖房エネルギーを得ることができるが，上記Ｕ字状の採熱管は，上記地下水に到達する如くに，地中深くに埋設する必要があり，従って採熱装置の設置工事が煩雑であるとともにコスト高になるという問題点があり，また該採熱管は，そのメンテナンス等の関係から建造物外側の敷地内に配置されるのが一般であり，これによって敷地内にデッドスペースが形成されるために，敷地の有効利用が制約されるという問題点がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので，その解決課題とするところは，可及的簡易にして低コストに採熱することが可能にして敷地内のデッドスペース形成による敷地有効利用の制約を解消し得るようにしたヒートポンプ用採熱装置を提供するにある。

上記課題に沿って鋭意研究したところ，例えば５ｍ程度の深さの地中温度は，外気温度の影響を殆ど受けずに比較的一定の範囲，例えば１５℃内外の範囲に納まっていること，建造物の床下地表面は，その上位に建造物が存在すること及び土壌の熱伝導率は低いために緩慢ながらも，地中温度の熱伝導を受けることによって，外気温度の影響を受けることが少なく，ある程度の範囲内の温度を保持し得ること，建造物の基礎を密封した，即ち一般に設置される換気用開口を持たないコンクリートの密封べた基礎とすることによって，更に外気温度の影響を解消して温度をより一定とすることが可能になること，コンクリート層は，熱伝導率が高いため，該密封べた基礎が外気温度の影響を受けないように断熱措置を施すことによって更に温度を一定とすることが可能となること，例えば東京都における平均気温は６℃〜２７℃程度であるが，例えば５ｍ程度の深さの地中温度は，大方１５℃程度であり，熱伝導が緩慢ながら，床下地面はこれに近い温度を得ることが可能であること，従って建造物の基礎を，コンクリートの密封べた基礎として地表面の囲繞採熱面から地熱（地表熱といってもよい）の採熱を行なって，これをヒートポンプで熱交換することによって建造物の冷暖房エネルギーとして使用することが可能であること，この場合，囲繞採熱面上のコンクリート層に採熱用敷設体を敷設することにより，該敷設体が，コンクリート層を介して床下地表面からの採熱をなし得ること，該採熱用敷設体の上面乃至側面に断熱措置を施すことにより，囲繞採熱面に対する外気温度による影響を防止できること，このように採熱装置を構成することによって，その工事を簡易且つ低コストになし得るとともに建造物の建坪（１階床面積）内に納まることによって，建造物外側の敷地使用を解消できること，１リットルの比熱１の媒体の温度差が１℃であるとき，その熱容量は１ｋｃａｌであるから，例えば１０立方メートルの媒体の温度差が１０℃であるとき，その熱容量は１０万ｋｃａｌとなり，従って建坪１平方メートル当り２０リットル程度の蓄熱媒体を介して得た地熱を利用すれば，理論上，小型の灯油ストーブ３２００ｋｃａｌ／ｈや家庭用エアコン２４００ｋｃａｌ／ｈ（２．８ｋｗ）等と比較しても，その熱容量から見て１日分の冷暖房負荷を充分に確保することができ，例えば一般の住宅に見られる建坪（１階床面積）５０平方メートルの建造物における床下地表面の場合，外気温との温度差を１５℃として，土質や含水率によって変動するが，採熱量を１平方メートル当り２５ｋｃａｌ／ｈと仮定すると，得られる２４時間分の採熱量は，１日当り約３４．９ｋｗｈとなること，従って床下地表面の囲繞採熱面からの地熱の採熱は，ヒートポンプ用採熱装置として有効に活用できること等の事実について知見を得るに至った。

本発明はかかる知見に基づいてなされたものであって，即ち請求項１に記載の発明を，建造物の床下地表面を囲繞採熱面とした地熱利用の採熱装置であって，該建造物の囲繞採熱面上に形成したコンクリートの密封べた基礎と，該密封べた基礎上に敷設した地熱蓄熱用の流体を充填した採熱用敷設体と，該採熱用敷設体をその上面又は上面と側面で被覆する断熱材とを備えてなることを特徴とするヒートポンプ用採熱装置としたものである。

また請求項２に記載の発明は，同じく上記知見に基づいてなされたものであって，上記採熱用敷設体の採熱に代えて，囲繞採熱面上の密封べた基礎におけるコンクリート層中に埋設した採熱用配管によって採熱するとともに該囲繞採熱面に断熱措置を施すものとするように，これを，建造物床下地表面を囲繞採熱面とした地熱利用の採熱装置であって，該建造物の囲繞採熱面上に形成したコンクリートの密封べた基礎と，該密封べた基礎中に埋設して地熱蓄熱用の流体を充填した採熱用配管と，上記密封べた基礎をその上面で覆う断熱材を備えてなることを特徴とするヒートポンプ用採熱装置としたものである。

請求項３に記載の発明は，同じく上記に加えて，建造物外側の，例えば庭等の敷地が外気や直射日光等に曝されて変化する地表温度が熱伝導することによって，上記囲繞採熱面の温度に影響するのを防止して，該囲繞採熱面の温度変化を回避するように，これを，上記密封べた基礎外周の地表乃至地表から浅い位置に上記密封べた基礎の外側に向けて配設し又は該密封べた基礎外周の地表から地中に向けて埋設し，密封べた基礎外部の地表温度の変化による囲繞採熱面に対する影響を遮断する断熱体を備えてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ用採熱装置としたものである。

請求項４に記載の発明は，同じく上記に加えて，例えば冷暖房面積が広い場合，冷暖房とともに，例えば給湯器等の，冷暖房以外のエネルギー消費を行う場合の如くに，熱容量を更に大きくすることを可能とするように，これを，上記採熱用敷設体又は採熱用配管に，屋根材上の太陽熱，屋根材下又は壁面の日射熱を採熱する二次採熱用配管を接続してなることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のヒートポンプ用採熱装置としたものである。

本発明は，これらをそれぞれ発明の要旨として，上記課題解決の手段としたものである。

本発明は以上のとおりに構成したから，請求項１及び請求項２に記載の発明は，建造物の基礎を，コンクリートの密封べた基礎として床下地表面を囲繞することによって，外気温度の影響を受けずに略一定の温度を維持して温度変化が少ない床下地表面の囲繞採熱面から大きな熱容量を確保した採熱を行うことにより，可及的簡易にして低コストに大きな熱容量の採熱を可能として敷地内のデッドスペース形成による敷地有効利用の制約を解消しうるようにしたヒートポンプ用採熱装置を提供することができる。

請求項３に記載の発明は，上記に加えて，建造物外側の，例えば庭等の敷地が外気や直射日光等に曝されて変化する地表温度が熱伝導することによって，上記囲繞採熱面の温度に影響するのを防止して，該囲繞採熱面の温度変化を回避したヒートポンプ用採熱装置とすることができる。

請求項４に記載の発明は，同じく上記に加えて，例えば冷暖房面積が広い場合，冷暖房とともに，例えば給湯器等の，冷暖房以外のエネルギー消費を行う場合の如くに，熱容量を更に大きくすることが可能なヒートポンプ用採熱装置とすることができる。

以下図面の例に従って本発明を更に具体的に説明すれば，図１及び図２において，Ａは地熱利用のヒートポンプＢ用の採熱装置であり，該採熱装置Ａは，建造物１の床下地表面を囲繞採熱面３としたものとしてあり，該採熱装置Ａは，該建造物１の囲繞採熱面３上に形成したコンクリートの密封べた基礎２と，該密封べた基礎２上に敷設した地熱蓄熱用の流体を充填した採熱用敷設体５と，該採熱用敷設体５をその上面又は上面と側面で被覆する断熱材８とを備えたものとしてあり，本例にあって該採熱装置Ａは，上記密封べた基礎２外周の地表乃至地表から浅い位置に上記密封べた基礎２の外側に向けて配設し，密封べた基礎２外部の地表温度の変化による囲繞採熱面３に対する影響を遮断する断熱体４を備えたものとしてある。

即ち，本例の採熱装置Ａは，例えば建坪を５０ｍ^２の住宅とした建造物１の新築時に，該建造物１の基礎を，例えば床下換気用の換気口を設けることなく密封したコンクリートの密封べた基礎２によって形成してあり，該密封べた基礎２は，常法に従って，布基礎に相当する上記換気口設置のない起立壁２１と該起立壁２１間の地面にコンクリートを打設して形成した平坦なコンクリート層２２を形成してあり，本例にあっては，例えばその外周の起立壁２１内を４区分するように十字状に内側の起立壁２１を配置して，建造物の荷重支持を行うようにし，囲繞採熱面３上にコンクリート層２２を４面形成したものとしてあり，このとき本例にあって該十字状内側の起立壁２１はその床下空気の流通を可能とする通気口を開設したものとしてある。

密封べた基礎２のコンクリート層２２は，該コンクリート層２２を介して上記囲繞採熱面３から床下地表面の地熱を採熱可能としてあり，このとき本例にあって該囲繞採熱面３への温度影響を回避するための上記断熱体４は，密封べた基礎２の外周を，例えば起立壁２１の外周に一端を対接して，例えば地表から数十ｃｍ乃至１ｍ程度の深さとした地中の浅い位置に，例えば横向きの水平にして，１〜２ｍ程度の出幅をなすように該密封べた基礎２を囲繞して配置してあり，これによって囲繞採熱面３に，建造物１外側において直接に外気の影響を受ける地表温度が熱伝導して，該囲繞採熱面３が熱せられ又は冷却される影響を回避してある。図示した例は，例えば独立気泡によって断熱性を確保した軽量発泡コンクリートパネル（ＡＬＣパネル）を，密封べた基礎２の長手方向端部を留め切りして用いて，該長手方向端部に空隙が生じるのを防止して，これを敷設配置することによって該囲繞採熱面３の断熱措置としてある。即ち本例の断熱体４は，これによって建造物１外側の敷地からの温度変化を回避するものとしてあるが，建造物１外側の敷地にあってもその１〜２ｍ深さの地中は，外気による温度変化を受ける程度が比較的少ない一方，囲繞採熱面３に対する地表温度の熱伝導は，比較的地表に近い極く表層で行われるところ，実験によれば，密封べた基礎２の外側１〜２ｍ程度の幅で地表を囲うようにすると，その影響は，図１の一点鎖線で示した如くに，外気の温度変化を有効に回避することができる上，断熱体４は，地表を浅掘りして上記ＡＬＣパネルを底面に載置し掘削土で被覆すればよく，その設置が極めて容易になし得るので都合がよい。上記起立壁２１長手方向両端，即ち建造物１の出隅部分等で断熱体４に空隙が生じると，該空隙から囲繞採熱面３が温度変化を受ける可能性があり，従って断熱体４の設置に際しては空隙が発生しないように，上記空隙防止措置を施すことが好ましい。

このとき本例にあって採熱用敷設体５による採熱は，上記採熱用敷設体５を密封べた基礎２における囲繞採熱面３上に位置するコンクリート層２２に直置き載置するように敷設して，該コンクリート層２２を介して採熱用敷設体５によって行うものとしてあり，本例にあって該採熱用敷設体５は，囲繞採熱面３上の４区分したコンクリート層２２毎にそれぞれ配置するように，例えば４体としてあり，該採熱用敷設体５は，例えば水又は不凍液による流体をこれらに充填するとともに，例えば上記十字状の起立壁２１を貫通する連結管によって連結することによって，上記流体が各採熱用敷設体５を循環するようにしてあり，本例の採熱用敷設体５は，例えば防水性シート等の防水材を平面矩形とするように形成した袋体によるものとするとともに，その内部に一連の流路，例えば対向する側壁の片側からそれぞれ先端を開放した，例えば同じく防水材による仕切壁５１を所定間隔交互に配置することによって内部に蛇行状一連にして圧力損失を可及的に解消するように幅広太径の流路を形成したものとしてあり，このとき該採熱用敷設体５は，その容量を，囲繞採熱面の１ｍ^２当り２０リットルとするように設定した比較的大容量のものとしてある。

採熱用敷設体５は，上記断熱材８によってこれを被覆してあり，本例にあって該断熱材８は採熱用敷設体５の上面と側面でその被覆を行なったものとしてあり，このとき該断熱材８は，例えば独立気泡の発泡樹脂板を用いて，これを採熱用敷設体５の形状に合せて被嵌被覆し，同じく独立気泡の発泡樹脂剤を用いて，これを現場発泡して採熱用敷設体５に対して接着被覆するか，グラスウール等その余の断熱材を袋詰めしたものや空気を注入したエアバック等を用いるかして，これを採熱用敷設体５に載置固定するとともにべた基礎の起立壁２１との間に詰め込み配置して被覆する等してあり，これによって採熱した流体に温度変化が生じるのを防止するようにしてある。

採熱用敷設体５は，例えば建造物１内に設置したヒートポンプＢとの間に往路間と復路管を配置し，ヒートポンプＢとの間に上記流体を循環させ，該流体を熱媒体としてヒートポンプＢによる熱交換を行うことによって，常法に従って冷暖房エネルギーとして使用するものとしてあり，上記採熱用敷設体５内及びこれとヒートポンプＢ間の流体の循環は，ヒートポンプＢ内又はその外側に設置したポンプ９の作動によって，これを行うものとしてある。

図３は，上記採熱装置Ａにおける上記採熱用敷設体５に，屋根材上の太陽熱，屋根材下又は壁面の日射熱を採熱する二次採熱配管６を接続することによって，該太陽熱乃至日射熱をヒートポンプＢの熱交換に追加的に用いて，上記冷暖房エネルギーとしての利用に加えて，例えば給湯エネルギーとして利用する場合，比較的面積が広い公共施設等における冷暖房エネルギーとして利用する場合の如くに，消費エネルギーが大きいときに熱容量を可及的に大きくし得るようにした例であり，本例にあって該二次採熱配管６は，例えば屋根材下位の小屋組みの空間に蛇腹状一連に配置して直射日光によって加熱された該空間の日射熱を熱源として採熱するものとしてあり，このように日射熱を熱源とすることによって該二次採熱配管６が，屋根材上に露出して建造物の外観を損なうのを防止するようにしてあり，該二次採熱配管６は，上記と同様に往路管と復路管とを備えて上記採熱用敷設体５に接続し，その流体が採熱用敷設体５と該屋根下とを，上記ポンプ９の作動によって循環することによって，該採熱敷設管５からヒートポンプＢに至るようにしてある。

このとき本例の採熱装置Ａは，上記例における横向き水平の断熱体に代えて，密封べた基礎２外周の地表から地中に向けて埋設した断熱体４を用いることにより，該密封べた基礎２外部の地表温度の変化による囲繞採熱面３に対する影響を遮断するようにしてあり，本例にあって該断熱体４は，例えば同様なＡＬＣパネルを用いて，密封べた基礎２乃至その下端から地中方向に向けて建造物1外側の敷地側に１〜２ｍ程度の深さをなすように傾斜配置したものとしてあり，この場合，上記のとおり，建造物１外側の敷地にあってもその１〜２ｍ深さの地中は，外気による温度変化を受ける程度が比較的少なく，囲繞採熱面３に対する地表温度の熱伝導は，比較的地表に近い極く表層で行われるところ，本例にあっては，１〜２ｍ程度の断熱壁を形成することになり，図１の一点鎖線で示したように，同じく外気の温度変化を有効に回避することができる上，断熱体４の設置は，それ程の深さとする必要もなく，比較的容易になし得て都合がよい。なおこの場合も密封べた基礎２の長手方向端部や出隅等に空隙が発生しないように，同じく空隙防止措置を施すことが好ましい。その余は上記例と変わらないので，同一符号を付して重複する説明を省略する。

図４は，採熱装置Ａを，建造物１床下地表面を囲繞採熱面３とし，同じく該建造物１の囲繞採熱面３上にコンクリートの密封べた基礎２を形成する一方，該密封べた基礎２中に埋設して地熱蓄熱用の流体を充填した採熱用配管７と，上記密封べた基礎２をその上面で覆う断熱材８を備えて形成した例を示すもので，同じく新築の密封べた基礎２形成時に，上記採熱用配管７を囲繞採熱面３から浮かし状に配置し，これにコンクリートを打設することによって，該採熱用配管７をコンクリート層２２中に埋設するものとしてあり，このとき該採熱用配管７は，これを，上記４区分した囲繞採熱面上のコンクリート層２２毎に蛇行配置して，同じく連結管によって起立壁２１相互間に一連に埋設するか又は両側にヘッダーを配置し，該ヘッダー間にこれに交差するように平行多数のパイプ材を一体的に配置した採熱用配管ユニットを用いて，該ヘッダー間に連結管を配置して起立壁２１相互間に一連に埋設することによって配置してある。このとき後者の採熱用配管ユニットを用いるようにするのが，ヘッダー間で平行多数のパイプ材を流体が移動し得るとともにその圧力損失を可及的に減少することができて好ましい。

本例にあって密封べた基礎２の外周に配置した断熱体４は，その起立壁２１の外周乃至その下端から地中方向に向けて垂直な断熱壁をなすように，これを垂直に設置してあり，また上記例と同様に囲繞採熱面３上に形成したコンクリート層２２の上面には，各起立壁２１間に及ぶように断熱材８を配置して，その上面を被覆することによって断熱措置を施してあり，本例にあって該断熱材８による被覆は，上記と同様に独立気泡の発泡樹脂板の載置固定，独立気泡の発泡樹脂剤の現場発泡樹脂，その余の断熱材を袋詰めしたものや上記ＡＬＣパネルの載置固定等によって，これを行ってある。その余は上記と同様に例と変わらないので，同じく同一符号を付して重複する説明を省略する。

図示した例は以上のとおりとしたが，上記採熱用敷設体を，囲繞採熱面上に形成した単一のコンクリート層に対して複数分割したものとすること，断熱壁を上記ＡＬＣパネル以外の低発泡によって断熱性と埋設に適した強度を備えた合成樹脂製のパネルとすること，断熱壁の埋設を，例えば隣地との境界側で垂直配置し，庭側で傾斜配置する等，垂直と傾斜の配置を併用すること，二次採熱用配管を用いるとき，屋根材上に配置して太陽熱を採熱するものとすること等を含めて，本発明の実施に当って，囲繞採熱面，密封べた基礎，採熱用敷設体，断熱材，採熱用配管，断熱体，二次採熱用配管等の各具体的形状，構造，材質，これらの関係，これらに対する付加等は，上記発明の要旨に反しない限り様々な形態のものとすることができる。

採熱装置を示す縦断面図である。 図１における採熱用敷設体の配置状態を示す横断面図である。 他の例にかかる採熱装置を示す縦断面図である。 同じく他の例にかかる採熱装置を示す縦断面図である。

符号の説明

Ａ 採熱装置
Ｂ ヒートポンプ
１ 建造物
２ べた基礎
２１ 起立壁
２２ コンクリート層
３ 囲繞採熱面
４ 断熱体
５ 採熱用敷設体
５１ 仕切壁
６ 二次採熱配管
７ 採熱用配管
８ 断熱材
９ ポンプ

Claims (4)

1. 建造物の床下地表面を囲繞採熱面とした地熱利用の採熱装置であって，該建造物の囲繞採熱面上に形成したコンクリートの密封べた基礎と，該密封べた基礎上に敷設した地熱蓄熱用の流体を充填した採熱用敷設体と，該採熱用敷設体をその上面又は上面と側面で被覆する断熱材とを備えてなることを特徴とするヒートポンプ用採熱装置。
2. 建造物床下地表面を囲繞採熱面とした地熱利用の採熱装置であって，該建造物の囲繞採熱面上に形成したコンクリートの密封べた基礎と，該密封べた基礎中に埋設して地熱蓄熱用の流体を充填した採熱用配管と，上記密封べた基礎をその上面で覆う断熱材を備えてなることを特徴とするヒートポンプ用採熱装置。
3. 上記密封べた基礎外周の地表乃至地表から浅い位置に上記密封べた基礎の外側に向けて配設し又は該密封べた基礎外周の地表から地中に向けて埋設し，密封べた基礎外部の地表温度の変化による囲繞採熱面に対する影響を遮断する断熱体を備えてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ用採熱装置。
4. 上記採熱用敷設体又は採熱用配管に，屋根材上の太陽熱，屋根材下又は壁面の日射熱を採熱する二次採熱用配管を接続してなることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のヒートポンプ用採熱装置。

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