JP2008196834A - 地熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、地下に２０ｍ〜６０ｍもの深さの熱交換パイプ埋設用の穴を形成する必要もなく、しかも雨水貯水施設内の急激な水温変化も起こり難く、それ故、より長時間に亘って運転の可能な地熱利用装置を提供することにある。
【解決手段】 本発明の地熱利用装置は、室内の空調機１８と、地下に形成した雨水貯水施設３と、地下に形成され雨水貯水施設３との間に雨水貯水施設３内の雨水を循環させる雨水循環パイプ１１、１２が配設された熱交換槽４と、熱交換槽４内の水温が規定温度に達したら、雨水貯水施設３と熱交換槽４との間で雨水貯水施設３内の雨水を循環させる制御装置６と、空調機１８と熱交換槽４との間に設けられかつ空調機１８及び熱交換槽４との間にそれぞれ熱交換パイプ１、５が配設されてなるヒートポンプ２とを有することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、戸建住宅やマンション等の地下に設けられている雨水貯水施設内の雨水を利用して住宅やオフィス内の空調を行う地熱利用装置に関するものである。

従来から、例えば、地球温暖化防止や省エネルギーの観点から、戸建住宅やマンション内（以下単に室内という）の空調を、地熱を利用して行う方法が提案され、一部実施に移されている。
この方法は、その先端が地中約２０ｍ〜６０ｍの深さまで達する熱交換パイプを地下に埋設するものである。このように熱交換パイプを地中約２０ｍ〜６０ｍの深さに埋設する理由は、このような深さにすると地中温度を１０℃〜１５℃でほぼ安定して保持できるから、とされている。
しかしながら地下２０ｍ〜６０ｍに達するような深い穴を掘るにはコストが高過ぎる、という問題がある。
そこで特許文献１にも記載されているように、昨今、マンションや戸建住宅の駐車場等の地下に、大雨の際の洪水防止や夏季の水不足に対応することを目的に設置されている雨水貯水施設を室内の空調に利用する検討が進められている。

特許第３２５５９５９号（特開平５-２９６５７５号）公報

前記特許文献１に記載の方法は、地下に形成された雨水貯水施設内に、例えば、戸建住宅内の各室内に設けられている換気パイプに連通する熱交換パイプを配設しておくものである。
このようにしておき、例えば、夏季の場合であれば、各室内で暖められ、前記換気パイプを介して前記熱交換パイプに導かれた搬送空気を、前記雨水貯水施設内に導いて雨水で冷やし、冷やした搬送空気を、熱交換パイプと換気パイプとで室内に戻して室内の温度を冷却している。
しかしながらこの方法では、特に、雨水貯水施設が比較的小さい戸建住宅の場合には、雨水貯水施設内の水温が比較的短時間で上昇してしまって、搬送空気と熱交換槽内の雨水との温度差が短時間で小さくなってしまう。その結果、冷却運転を長時間続けることができない、という問題があった。

また、昨今では、前記雨水貯水施設をより低価格で建設したい、との希望から、前述した雨水貯水施設の側壁、あるいは床部を機械的強度の高いコンクリートではなく、例えば、樹脂製の板材や樹脂製の遮水シートを組み合わせて形成したものが多い。
その場合、前述したように雨水貯水施設内の水温が上昇して高温になると、その熱で床部や側壁を構成している樹脂製の板材や遮水シートが劣化し、機械的強度が低下する、という危険がある。そして最悪の場合には、破損してしまう、という問題があった。

上記問題に鑑み、本発明の目的は、地下に２０ｍ〜６０ｍもの深さの熱交換パイプ埋設用の穴を形成する必要もなく、しかも雨水貯水施設内の急激な水温の変化も防止でき、それ故、より長時間に亘って運転の可能な地熱利用装置を提供することにある。

前記目的を達成すべく本発明の請求項１記載の地熱利用装置は、室内の空調機と、地下に形成した雨水貯水施設と、地下に形成され前記雨水貯水施設との間に前記雨水貯水施設内の雨水を循環させる雨水循環パイプが配設された熱交換槽と、該熱交換槽内の水温が規定温度に達したら、前記雨水貯水施設と前記熱交換槽との間で前記雨水貯水施設内の雨水を循環させる制御装置と、前記空調機と前記熱交換槽との間に設けられかつ前記空調機及び前記熱交換槽との間にそれぞれ熱交換パイプが配設されてなるヒートポンプとを有することを特徴とするものである。

また本発明の請求項２記載の地熱利用装置は、室内の空調機と、地下に形成した雨水貯水施設と、地下に形成され前記雨水貯水施設との間に第１のループ状熱交換パイプが配設された熱交換槽と、前記空調機と前記熱交換槽との間に設けられかつ前記空調機及び前記熱交換槽との間にそれぞれ熱交換パイプが配設されてなるヒートポンプとを有することを特徴としている。

また請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２いずれかに記載の地熱利用装置において、前記地熱利用装置は、前記雨水貯水施設内の雨水を対流させるために前記雨水貯水施設内に対流用ループパイプをさらに有することを特徴としている。

さらにまた請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３いずれかに記載の地熱利用装置において、前記地熱利用装置は、前記雨水貯水施設と地中との間に配設された第２の熱交換パイプをさらに有することを特徴とするものである。

さらに請求項５記載の発明は、請求項２記載の地熱利用装置において、前記第１のループ状熱交換パイプは管の途中の少なくとも２箇所に前記管よりも高い熱伝導率を有する材料からなる管が連結されていて、このより高い熱伝導率を有する材料からなる管の一方は前記熱交換槽内に、他方は雨水貯水施設内に設置されていることを特徴としている。

加えて請求項６記載の発明は、請求項４記載の地熱利用装置において、前記第２のループ状熱交換パイプは管の途中の少なくとも２箇所に前記管よりも高い熱伝導率を有する材料からなる管が連結されていて、このより高い熱伝導率を有する材料からなる管の一方は前記雨水貯水施設内に、他方は地中に設置されていることを特徴とするものである。

また請求項７記載の発明は、請求項５または請求項６いずれかに記載の地熱利用装置において、前記第１のループ状熱交換パイプまたは第２のループ状熱交換パイプは樹脂管であり、この樹脂管より高い熱伝導率を有する材料からなる管は金属管であることを特徴とするものである。

このようにしてなる本発明によれば、ヒートポンプと雨水貯水施設との間に熱交換槽を介在させ、この熱交換槽をヒートポンプと雨水貯水施設間の緩衝槽として利用している。そのため、熱交換槽が存在しない特許文献１に記載のものと異なり、ヒートポンプと雨水貯水施設間に熱交換槽がある分、貯水施設内の水温上昇が緩和される。そのため、より長時間の運転が可能になる。また、雨水貯水施設内の水温上昇が緩和されれば、雨水貯水施設を形成している樹脂製の床材や壁材の温度上昇も緩和され、これら材料の熱による機械的強度劣化の度合いも緩和され得る。
さらにまた、本発明に係わる雨水貯水施設や熱交換槽の設置には、地下数ｍ、具体的には１〜２ｍ掘るだけでよいから、通常、安定的な熱交換を行うためほぼ地下水レベルに達する確率が高く、仮に地下水レベルに到達しなくとも地熱が安定しているとされている地下２０ｍから６０ｍの深さにまで、熱交換パイプ布設のために穴を掘削する必要もない。よって建設コストを抑えることもできる。

以上のようにしてなる本発明によれば、地下に２０ｍ〜６０ｍもの深さの熱交換パイプ埋設用の穴を形成する必要もなく、しかも雨水貯水施設内の急激な水温の変化も緩和でき、それ故、より長時間に亘って運転可能な地熱利用装置を提供することができる。

以下に図を用いて本発明の地熱利用装置を詳細に説明する。
図１は、本発明の地熱利用装置の一実施例を示す概略断面図である。図１に示すように、本発明の地熱利用装置は、例えば、戸建住宅内の室内の空調機（図示していない）と熱交換パイプ１で接続されているヒートポンプ２を備えている。また、符号３は、例えば、戸建住宅やマンション等の駐車場の地下１〜２ｍ下方に設けられている貯水量が１０トン程度の雨水貯水施設である。図１では省略されているが、この雨水貯水施設３には雨水の流入口と流出口が設けられている。特に、この発明の地熱利用装置では後述するように雨水貯水施設３内の雨水を利用するため、雨水貯水施設３内には常にある一定以上の水量を確保しておく必要がある。そのため、流出口の位置は通常のものよりも高い位置に設けられている方が好ましい。
尚、この雨水貯水施設３は、貯水型の貯水装置である。それ故、雨水貯水施設３の床部や側壁は遮水構造にすべく遮水シートあるいはこれと樹脂製の板材を組み合わせる等して覆われている。

また符号４は、本発明の特徴である熱交換槽で、その容量は約０．５トン程度になっていて、内部には雨水等の水が入っている。そして、前述したヒートポンプ２とは熱交換パイプ５で連結されていて、ヒートポンプ２から出た熱交換パイプ５は、熱交換槽４内でらせん状に曲げられて距離を稼ぎ、熱交換槽４内の水との接触面積を多くとっている。
符号６は制御装置である。この制御装置６は雨水貯水施設３内及び熱交換槽４内に各々伸びる温度センサ７、８を有していて、もし熱交換槽４内の温度センサ８の温度がある設定温度を超えたら、もしくは温度センサ８と雨水貯水施設３内の温度センサ７との温度差が設定温度以上になったら、制御装置６から信号線９を介して雨水貯水施設３内のポンプ１０に指示を出して、雨水貯水施設３内の水を雨水循環パイプ１１を介して熱交換槽４側に送り込むようになっている。

また符号１２は、水を熱交換槽４から雨水貯水施設３側に戻すために用いる雨水循環パイプである。この雨水循環パイプ１２には枝パイプ１３が形成されていて、オーバーフロー分はこの枝パイプ１３により熱交換槽４から外部（地中）へと排水することができるようになっている。すなわち、雨水循環パイプ１１、１２とで水を雨水貯水施設３と熱交換槽４との間で循環させる。また、符号２０は地表を示している。

図１における地熱利用装置の動作を以下に詳細に説明する。
図では省略されている室内の空調機で、例えば、夏季に室内の冷房を行う場合を説明する。同時に、省エネルギーのために、最初は空調機内の熱媒体を電気を全く使用せずに、熱交換槽４内や雨水貯水施設３内の水を用いて冷却する場合を考える。
ヒートポンプ２は、熱交換槽４内の水で冷却されてヒートポンプ２へ戻ってきた熱交換パイプ５内の熱媒体（一般的には水）で、空調機との間で循環する熱交換パイプ１内の冷媒を冷やし続ける。例えば、ヒートポンプ２から熱交換槽４へ行く熱媒体の温度を３０℃とすると、熱交換槽４からヒートポンプ２に戻るときは２５℃になっている。

運転を続けているうちに熱交換槽４内の水温が上昇して、ある設定温度、例えば、２５℃を超えたら、これを温度センサ８で検知した制御装置６は信号線９を介してポンプ１０に運転開始を指示する。ポンプ１０が運転を開始すると、雨水貯水施設３内の水が雨水循環パイプ１１を介して熱交換槽４側へと供給される。
雨水貯水施設３側から供給された水が所定量を超えたら、雨水循環パイプ１２を介して一部は雨水貯水施設３側に戻す。電力消費量をより少なくしようとするならば、ここではポンプを使用せずに重力差を用いて熱交換槽４から雨水貯水施設３に水が戻るようにしてもよい。具体的には、熱交換槽４を雨水貯水施設３よりも地下の浅い位置に設置する。もちろんポンプを設置して熱交換槽４内の水を雨水貯水施設３側に戻してもよいことはいうまでもない。

このようにして熱交換槽４内の水温が設定温度を超えたら雨水貯水施設３側から水を熱交換槽４へと供給し、かつ熱交換槽４側から雨水貯水施設３側へと水を循環させながら、ヒートポンプ２と空調機間で熱の授受を行い、室内の冷房運転を続ける。
そして、この方法での運転時間が長くなって、万が一、温度センサ７を介して検知した雨水貯水施設３内の水温がある設定温度、例えば、３０℃に達したら、制御装置６はポンプ１０の運転を停止して熱交換槽４と雨水貯水施設３を用いた冷房運転を停止する。同時に、制御装置６から信号線１４、１５を介してヒートポンプ２と空調機に指示を出し、室内の冷房運転を電気による冷房運転に切り換える。
しばらくして温度センサ７が検知した雨水貯水施設３内の水温がある設定温度以下に下がったら、制御装置６からその旨を信号線１４、１５を介してヒートポンプ２や空調機に伝え、前述した熱交換槽４内及び雨水貯水施設３内の水を用いた冷房に切り換える。

前記実施例では、熱交換槽４内の水や雨水貯水施設３内の水を用いて室内の冷房を行っている間は、電気の使用を完全に停止している。しかしながら、熱交換槽４内の水や雨水貯水施設３内の水で冷房を行うのと併用して、通常よりも低電力で空調機を運転する方法も有効である。このようにすればより長時間、熱交換槽４と雨水貯水施設３を用いた冷房を続けることができる。
また、前記実施例では雨水貯水施設３内に設置されている温度センサ７の温度が、設定温度、上記例では３０℃に達したら熱交換槽４や雨水貯水施設３を利用した運転を停止したが、温度センサ７と熱交換槽４内に設置されている温度センサ８の温度差が設定温度、例えば、０℃になった場合にもこの熱交換槽４と雨水貯水施設３を利用した運転を停止させるようにしておくこともできる。但し、雨水貯水施設３の樹脂製床部や側壁の機械的強度劣化を防ぐためには、温度センサ７がある設定温度に達したら熱交換槽４や雨水貯水施設３を利用した運転を停止させるようにしておくことが必要である。

また、冬季に室内を暖房する場合にも本発明の地熱利用装置を利用するができる。
すなわち、室内の温度よりも暖かい地下にある熱交換槽４内、あるいは雨水貯水施設３内の水を利用する。具体的には、熱交換槽４内の水でヒートポンプ２から伸びる熱交換パイプ５内の熱媒体（通常は水）を加温し、温まった熱媒体で空調機から来る熱交換パイプ１内の熱媒体を加温し、室内を暖める。
熱交換槽４内の水温がある温度以下になったことを温度センサ８が検知したら、制御装置６は信号線９を介してポンプ１０を稼動させ、雨水貯水施設３内の水を熱交換槽４側に送り、熱交換槽４内の水温を上げる。このようにして暖房運転を続け、万が一、温度センサ７で検知する雨水貯水施設３内の水温がある設定温度以下になったら、制御装置６は信号線１４、１５を介してヒートポンプ２と空調機に暖房運転を電気による運転に切り換えるように指示を出す。
そして雨水貯水施設３内の水温がある設定温度以上に戻ったら、熱交換槽４と雨水貯水施設３を用いた暖房運転に切り換えるよう制御装置６はヒートポンプ２や空調機に指示を送る。

この暖房運転においても、熱交換槽４と雨水貯水施設３を使用した運転と電気による空調機の運転を併用してもよい。
また、温度センサ７がある温度に低下したらポンプ１０を止めて、熱交換槽４と雨水貯水施設３を用いた運転を停止する。このようにしておけば、雨水貯水施設３内の水温が下がり過ぎて、床部や側壁を構成する樹脂製板材が低温に曝されて機械的強度を劣化させてしまう危険を回避できる。
あるいはこのように雨水貯水施設３内の温度の下限値を設定すると同時に、温度センサ７と温度センサ８の温度差がある範囲内になったらポンプ１０を止め、熱交換槽４と雨水貯水施設３を用いた運転を停止するようにしておいて、少なくともいずれか一方が生じたら、熱交換槽４と雨水貯水施設３を用いた運転を停止するようにしておいてもよい。

以上に述べたように本発明の地熱利用装置を用いれば、あるいはこれと電気による空調機の運転を併用すれば、室内の冷暖房の費用を大幅に低減することができる。
また、従来のものと異なり、ヒートポンプ２と雨水貯水施設３との間に熱交換槽４を介在させていることから、雨水貯水施設３内の水温が、短時間に一挙に上昇したり下降したりしてしまうことがない。それ故、雨水貯水施設３の床部や側壁を構成している材料が樹脂であっても、突然の温度上昇あるいは温度低下によりその機械的強度が低下して、雨水貯水施設３が破損する、という恐れも少なくでき、より長時間に亘っての冷暖房運転が可能になる。

図２は本発明の地熱利用装置の別の実施例を示す概略断面図である。
図２に示す地熱利用装置も、ヒートポンプ２と雨水貯水施設３との間に熱交換槽４を有していて、図１に示すものとその大きさや設置場所、容量等を含め実質同じ構造になっている。しかしながら、図２に示すものは、図１に示すものよりも、より一層の省エネルギー化を進めた点に大きな特徴がある。尚、図１と同じものには同一の符号を付してある。

図２において、符号１７は戸建住宅を、符号１８は室内の空調機をそれぞれ示している。この地熱利用装置の大きな特徴は、図１に示したポンプ１０を無くして、より自然エネルギーを多く利用している点にある。以下にこの地熱利用装置の夏季、冬季の運転状態を説明する。
図１に示す地熱利用装置で、夏季、冷房運転を行う場合を説明する。
冷房運転の場合、ヒートポンプ２は、熱交換槽４内の水で冷却されてヒートポンプ２へ戻ってきた熱交換パイプ５内の熱媒体（一般的には水）で、空調機１８との間で循環する熱交換パイプ１内の熱媒体を冷やし続ける。例えば、ヒートポンプ２から熱交換槽４へ行く熱媒体の温度を３０℃とすると、熱交換槽４からヒートポンプ２に戻るときは２５℃になっている。

このように熱交換槽４内の水温の低さを利用して冷房運転を続けていると、次第に熱交換槽４内の水温が上昇してくる。その結果、当初その水温が熱交換槽４内の水温とほぼ同じであった雨水貯水施設３内の水温との間に温度差が生じて来る。両者の間に温度差が生じると、熱交換槽４と雨水貯水施設３との間で第１のループ状熱交換パイプ３０が動作して、熱交換槽４内の水温を雨水貯水施設３内のより低い水温で下げる。すなわち、第１のループ状熱交換パイプ３０内には熱媒体、この例では水が封入されていて、熱交換槽４内の水温と雨水貯水施設３内の水温差で、第１のループ状熱交換パイプ３０内に封入されている水の密度に差が発生して、この密度差を駆動源にして、図２においては時計回りにパイプ内を水が移動して熱交換を行う。

このようにして冷房運転を続けていくと、次第に熱交換槽４内の水温と雨水貯水施設３内の水温がほぼ等しくなってしまう。もしそのようになって冷房効率が落ちたら空調機１８の冷房運転を電気による運転に切り換える。
具体的には、図１に示す地熱利用装置のように、雨水貯水施設３内及び熱交換槽４内にそれぞれ温度センサ７、８を挿入しておいて、雨水貯水施設３内の温度センサ７の温度がある設定温度、例えば、３０℃を超えるか、あるいは温度センサ７と温度センサ８の温度差がなくなったかのいずれかが生じたら、制御装置６から信号線１４、１５を介してヒートポンプ２と空調機１８とに指示を出し、熱交換槽４や雨水貯水施設３を利用した運転から電気を利用した冷房運転に切り換えればよい。

しばらくして温度センサ７が検知した雨水貯水施設３内の水温がある設定温度以下に下がったら、制御装置６からその旨を信号線１４、１５を介してヒートポンプ２や空調機１８に伝え、前述した熱交換槽４及び雨水貯水施設３を用いた冷房運転に切り換える。

前記実施例では、熱交換槽４内や雨水貯水施設３内の水の温度を利用して室内の冷房運転を行っている間は、電気の使用を完全に停止している。しかしながら、熱交換槽４や雨水貯水施設３を用いて冷房運転を行うのと併用して、通常よりも低電力で空調機１８を運転（冷房運転）する方法も有効で、このようにすればより長時間、熱交換槽４や雨水貯水施設３を用いた冷房運転を続けることができる。
尚、図１に示す地熱利用装置と同様に、雨水貯水施設３の樹脂製床部や側壁の機械的強度劣化を防ぐために、温度センサ７がある設定温度に達したら熱交換槽４と雨水貯水施設３を用いた運転を停止させるようにしておく。

次に、冬季に室内を暖房する場合について説明する。
具体的には、熱交換槽４内の水でヒートポンプ２から伸びる熱交換パイプ５内の熱媒体（通常は水）を加温し、温まった熱媒体で空調機から来る熱交換パイプ１内の熱媒体を加温し、室内を暖める。
運転を続けていると次第に、当初ほぼ同じであった熱交換槽４内の水温と雨水貯水施設３内の水温との間に差が生じて来る。このように両者の間に温度差が発生すると、第１のループ状熱交換パイプ３０において、熱交換槽４側と雨水貯水施設３側との温度差で第１のループ状熱交換パイプ３０内の水の密度に差が生じ、図２において反時計回りに第１のループ状熱交換パイプ３０内の水がパイプ内で移動を開始して、雨水貯水施設３側の熱が熱交換槽４側に移動し、熱交換槽４内の水温を上げる。このようにして暖房運転が続けられる。

暖房運転を続けている間に、万が一、温度センサ７で検知する雨水貯水施設３内の水温がある設定温度以下になったら、制御装置６は信号線１４、１５を介してヒートポンプ２と空調機１８に暖房運転を電気による運転に切り換えるように指示を出す。
そして雨水貯水施設３内の水温がある設定温度以上に戻ったら、熱交換槽４と雨水貯水施設３を用いた暖房運転に切り換えるよう制御装置６はヒートポンプ２や空調機１８に指示を送る。
この暖房運転においても、熱交換槽４と雨水貯水施設３を用いた運転と電気による空調機１８の運転を併用してもよい。
また、温度センサ７がある温度に低下したら、この雨水貯水施設３と熱交換槽４とを用いた暖房運転を停止する。このようにしておけば、雨水貯水施設３内の水温が下がり過ぎて、床部や側壁を構成する樹脂製板材が低温に曝されて機械的強度を劣化させてしまう危険を回避でき好ましい。

あるいは前述したように雨水貯水施設３内の温度の下限値を設定すると同時に、温度センサ７と温度センサ８の温度差がある範囲内になったら雨水貯水施設３と熱交換槽４とを利用した運転を停止するようにしておいて、少なくともいずれか一方が生じたら、熱交換槽４と雨水貯水施設３を用いた運転を停止するようにしておいてもよい。

このように図２に示す本発明の地熱利用装置によれば、電力をエネルギー源とするポンプ１０を用いていない分、図１に示す地熱利用装置より、より一層の省エネルギー化を実現できる。
尚、空調運転をより安定して行うために、図２の地熱利用装置においても空調機１８の運転を、熱交換槽４と雨水貯水施設３を用いる運転と、低電力で行う運転と併用することもできる。いずれにせよ、室内の冷暖房費用を大幅に低減することができる。
また、図２に示す地熱利用装置でも、ヒートポンプ２と雨水貯水施設３との間に熱交換槽４を介在させていることから、例えば、雨水貯水施設３内の水温が、短時間に一挙に上昇したり下降してしまうことがない。それ故、雨水貯水施設３の床部や側壁を構成している材料が樹脂であっても、突然の温度変化によりその機械的強度が低下して、雨水貯水施設３が破損する、という恐れも少なくすることができる。よってより長時間に亘っての冷暖房運転が可能になる。

ところで図２の熱交換パイプ５は、図を簡単にするために、らせん状に折り曲げていないが、実際には熱交換効率を高めるためにらせん状に折り曲げて、熱交換槽４内の水との接触面積を大きくとるようにしてある。
また、図２では図を判り易くするため第１のループ状熱交換パイプ３０を１本のみ示しているが、実際には複数本である。熱交換槽４と雨水貯水施設３の各容量、あるいは冷暖房する部屋の大きさ等考慮して多数のループ状熱交換パイプ３０が設置されている。

ところで、図２に示す樹脂製の第１のループ状熱交換パイプ３０を、図３に示すように、雨水貯水施設３内及び熱交換槽４内に没している部分の一部を銅管３２、３３に換えると、熱交換槽４側と雨水貯水施設３側の水温差でパイプ内を流れる熱媒体の流れがよりスムーズに行われる。その理由は、樹脂と銅との熱伝導率の差が大きいことから、樹脂管内に存在している熱媒体と銅管内に存在している熱媒体との間に瞬間的により大きな密度差が発生するからである。その意味では、両者の熱伝導率の差はできるだけ大きい方が望ましい。その結果、このより大きな密度差はよりスムーズな熱媒体のパイプ３０内での移動を促すからである。

因みに、この実施例では第１のループ状熱交換パイプ３０を樹脂管で、管３２、３３を銅管で形成しているが、両者は互いに異なる熱伝導率を有していればよい。例えば、管３０を比較的熱伝導率の低い材料で形成し、管３２、３３をそれよりも相対的に高い熱伝導率の材料で形成すればよい。前記実施例では、第１のループ状熱交換パイプ３０のコストも考慮して、第１のループ状熱交換パイプ３０をポリエチレン等の樹脂管で形成し、管３２、３３を樹脂管よりも熱伝導率の高い金属管である銅管で形成した。金属管としては銅管以外に、例えば、アルミ管、黄銅管、ニッケル管、ステンレス管、鉄管等の使用が可能である。また樹脂管としては、ポリエチレン管、ポリプロピレン管、塩化ビニル管等が使用できる。
金属管と樹脂管の熱伝導率差は非常に大きいため、前述した金属管や樹脂管のいずれの組み合わせでもよいが、望ましい組み合わせとしては、最も熱伝導率に優れる銅管と、ポリエチレン管またはポリプロピレン管の組み合わせが挙げられる。尚、金属管には、熱伝導率をあまり低下させない範囲で防食処理を施したものを使用することもできる。

ここで図４を用いて、第１のループ状熱交換パイプ３０での水の移動原理を、より具体的に説明する。図４は、樹脂製の第１のループ状熱交換パイプ３０の途中に銅管３３を組み込んだ、図３における熱交換槽４内の垂直直線部Ｌ＝２ｍの部分の断面模式図である。
図４に示す銅管３３内の水温をａ℃、密度をρとし、斜線で示す樹脂管３０内の水温をｂ℃、その密度をρ_０とした場合、△ｐの圧力差が生じ、この圧力差△ｐによって、第１のループ状熱交換パイプ３０内で水が移動し、循環する。
圧力差△ｐは、△ｐ＝（ρ―ρ_０）Ｌ・ｇ・ｓｉｎθで表すことができる。ここでＬは図３、図４における水頭長、ｇは重力加速度である。

具体的に水温が１５℃の場合の密度をρ_０＝９９１ｋｇ/ｍ^３、３０℃の密度ρ＝９９６．６５ｋｇ/ｍ^３とすると、△ｐ＝６７．６２（Ｐａ）の圧力差が発生する。
また、第１のループ状熱交換パイプ３０（銅管３２、３３も含む）の内径や表面粗さも重要なパラメーターである。例えば、パイプ３０の内径が小さ過ぎたり、表面粗さが大き過ぎると、圧力差よりもパイプ内面の流体抵抗が大きくなり、水はパイプ内で移動することができなくなる。一方、パイプ３０の内径が大き過ぎると、パイプ内で水が乱流を起してしまって、効率よく循環しなくなってしまう。

本発明者等の実験によれば、樹脂管と銅管を組み合わせた例では、以下の知見を得ている。すなわち、銅管３３内の水温ａ℃＝３０℃、樹脂管３０内の水温ｂ℃＝１５℃とすると、圧力差△ｐ＝６７．６Ｐａとなり、このときの最適な第１のループ状熱交換パイプ３０（銅管３３を含む）の内径は、１〜６ｍｍとなる。
尚、銅管３２や３３の位置は、第１のループ状熱交換パイプ３０の頂点（最高点）にあると循環が生じ難いため、少なくとも頂点より少し低い位置に設けることが望ましい。また樹脂管と銅管の接続は、架橋ポリエチレン管用継手等市販されている異種間継手を用いれば容易に接続できる。

また雨水貯水施設３と地中との間に第２のループ状熱交換パイプ４０を設けて、前記第１のループ状熱交換パイプ３０と同様に地熱を利用して、雨水貯水施設３内の雨水の水温を上げたり、下げたりすれば、より一層省エネルギー効果を上げることができる。
すなわち、第２のループ状熱交換パイプ４０内の熱媒体、例えば、水を使って、冷房運転中に雨水貯水施設３内の水温と地中との間に温度差が生じたら、この第２のループ状熱交換パイプ４０を用いて、雨水貯水施設３内の熱を地中側に移動させ、水温を下げる。
尚、図では第２のループ状熱交換パイプ４０も１本のみ示されているが、実際には、雨水貯水施設３の容量等鑑みて複数本布設される。

一方、暖房運転中に雨水貯水施設３内の水温が下がって、雨水貯水施設３内の水温と地中の温度との間に温度差が発生したら、この第２のループ状熱交換パイプ４０が作動して地中の熱を雨水貯水施設３側に移動せしめ、雨水貯水施設３の水温を上昇させる。
尚、この第２のループ状熱交換パイプ４０においても、図３に示すように樹脂管と銅管を組み合わせてループ状熱交換パイプ４０内の熱媒体の移動を促進させることもできる。
因みに、この場合の第２のループ状熱交換パイプ４０内での水の移動、循環の原理は、前述した第１のループ状熱交換パイプ３０の場合と同じである。

さらにまた、図２に示すように、雨水貯水施設３内に対流用ループパイプ５０を必要本数設けてもよい。このようにすると雨水貯水施設３内の上部と下部で温度差が生じた場合、その温度差で対流用ループパイプ５０内の熱媒体に密度差が発生して、対流用ループパイプ５０内を熱媒体が移動し、雨水貯水施設３内全体の温度がより均一になり、冷暖房運転時の雨水貯水施設３の利用率を高めることができる。図１には雨水貯水施設３内にこの対流用ループパイプ５０が書かれていないが、必要なら図１の雨水貯水施設３内にもこの対流用ループパイプ５０を設置すればよい。

また、前記各実施例では熱交換パイプ５、第１のループ状熱交換パイプ３０、第２のループ状熱交換パイプ４０、さらには対流用ループパイプ５０内に封入してある熱媒体は水であるが、不凍液やアルコール等であってもよい。さらに、これらに防腐剤を加えたものでもよい。但し、各パイプから漏れてしまった場合の環境問題等を考えると、漏れても安全な水を用いることが好ましい。
ところで、雨水貯水施設３や熱交換槽４の床部や側壁の材料としては、例えば、断熱性に優れた発泡樹脂、具体的には、厚さ５０〜６０ｍｍ前後の発泡ポリエチレン樹脂が好ましい。

また、図１及び図２に示す雨水貯水施設３や熱交換槽４は、地下せいぜい１〜２ｍの深さに形成される。すなわち、従来のもののように地下２０ｍ〜６０ｍもの深さの穴を掘る必要がない。また、ヒートポンプ２と雨水貯水施設３の間に熱交換槽４を介在させて運転するため、雨水貯水施設３の急激な温度変化も防ぐことができ、この急激な温度変化に伴う雨水貯水施設３の床部や側壁の熱劣化を防止することができる。すなわち、この地熱利用装置は長期に亘っての運転が可能になる。

ところで図１、図２に示す実施例では、いずれにおいても雨水貯水施設３や熱交換槽４を用いての冷暖房が限界に達した場合に、空調機の運転を電力による運転に切り替えているが、例えば、雨水貯水施設の貯水容量が大きく、雨水貯水施設や熱交換槽を用いた運転だけで空調機の運転がまかなえる場合には、制御装置から空調機への運転切り替えの指示のシステム部分は不要である。

以上に述べたように、本発明によれば、地下に２０ｍ〜６０ｍもの深さの熱交換パイプ埋設用の穴を形成する必要もなく、しかも雨水貯水施設内の水温の急激な変化を緩和でき、それ故、より長時間に亘って運転の可能な地熱利用装置を提供することができる。

本発明の地熱利用装置の一実施例を示す概略断面図である。 本発明の地熱利用装置の別の実施例を示す概略断面図である。 図２に示す第１のループ状熱交換パイプの変形例を示す概略図である。 図３に示す熱交換槽内における第１のループ状熱交換パイプの垂直直線部の断面模式図である。

符号の説明

１ 熱交換パイプ
２ ヒートポンプ
３ 雨水貯水施設
４ 熱交換槽
５ 熱交換パイプ
６ 制御装置
７、８ 温度センサ
１１、１２ 雨水循環パイプ
１８ 空調機
３０ 第１のループ状熱交換パイプ
４０ 第２のループ状熱交換パイプ
５０ 対流用ループパイプ

Claims (7)

1. 室内の空調機と、地下に形成した雨水貯水施設と、地下に形成され前記雨水貯水施設との間に前記雨水貯水施設内の雨水を循環させる雨水循環パイプが配設された熱交換槽と、該熱交換槽内の水温が規定温度に達したら、前記雨水貯水施設と前記熱交換槽との間で前記雨水貯水施設内の雨水を循環させる制御装置と、前記空調機と前記熱交換槽との間に設けられかつ前記空調機及び前記熱交換槽との間にそれぞれ熱交換パイプが配設されてなるヒートポンプとを有することを特徴とする地熱利用装置。
2. 室内の空調機と、地下に形成した雨水貯水施設と、地下に形成され前記雨水貯水施設との間に第１のループ状熱交換パイプが配設された熱交換槽と、前記空調機と前記熱交換槽との間に設けられかつ前記空調機及び前記熱交換槽との間にそれぞれ熱交換パイプが配設されてなるヒートポンプとを有することを特徴とする地熱利用装置。
3. 前記地熱利用装置は、前記雨水貯水施設内の雨水を対流させるために前記雨水貯水施設内に対流用ループパイプをさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２いずれかに記載の地熱利用装置。
4. 前記地熱利用装置は、前記雨水貯水施設と地中との間に配設された第２のループ状熱交換パイプをさらに有することを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の地熱利用装置。
5. 前記第１のループ状熱交換パイプは管の途中の少なくとも２箇所に前記管よりも高い熱伝導率を有する材料からなる管が連結されていて、このより高い熱伝導率を有する材料からなる管の一方は前記熱交換槽内に、他方は雨水貯水施設内に設置されていることを特徴とする請求項２記載の地熱利用装置。
6. 前記第２のループ状熱交換パイプは管の途中の少なくとも２箇所に前記管よりも高い熱伝導率を有する材料からなる管が連結されていて、このより高い熱伝導率を有する材料からなる管の一方は前記雨水貯水施設内に、他方は地中に設置されていることを特徴とする請求項４記載の地熱利用装置。
7. 前記第１のループ状熱交換パイプまたは第２のループ状熱交換パイプは樹脂管であり、この樹脂管より高い熱伝導率を有する材料からなる管は金属管であることを特徴とする請求項５または請求項６いずれかに記載の地熱利用装置。

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