JP2008261535A

JP2008261535A - 地中熱を利用した省エネ恒温換気システム

Info

Publication number: JP2008261535A
Application number: JP2007103739A
Authority: JP
Inventors: Kuniaki Hasumi; 邦昭蓮實
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-10-30

Abstract

【課題】簡単な構造により地中熱を有効に利用した省エネ恒温換気システムを提供する。
【解決手段】熱交換機構と吸気手段と排気手段とからなり、熱交換機構は外気熱交換器と前記外気熱交換器に両端部を連結し適宜の箇所に循環ポンプを取り付け、不凍液を循環させる不凍液循環パイプによって構成されている。不凍液を地中熱によって熱交換するように前記不凍液循環パイプの一部を地中に埋設した竪穴に挿入してなり、前記外気熱交換器によって熱交換された空気を吸気手段により居室部の吹出口から供給する。前記地中に設けた竪穴は、地盤改良の際に打ち込んだ鋼管杭を利用することが好ましいが、地中に設けた竪穴は、地盤改良とは別に形成した竪穴であってもよい。また、外気熱交換器と吸気手段とを配設する順序は特に限定されるものではないが、空気の流れにおいて、吸気手段を外気熱交換器の前方に設けることが好ましい。
【選択図】図１

Description

この発明は、地中の恒温性を利用した地中熱を利用した省エネ恒温換気システムに係り、特に、２４時間計画換気システムにおいて、地中熱を利用して低コストの冷暖房を行うことができる地中熱を利用した省エネ恒温換気システムに関するものである。

近年、戸建て住宅において、気密性の高い材料を使ってドアや窓の隙間をなくし暖めた空気や冷やした空気が屋外に逃げていかないようにした断熱性と気密性を高めた戸建て住宅が求められている。断熱性と気密性が高まると、室内温度のロスが少ない熱効率の優れた住宅になるが、反面、気密性が向上すれば当然、換気や温度管理は冷暖房器具に頼らざるを得ません。そして、冷暖房効果を高め、省エネを図るためには、さらなる気密化が進められることになります。

気密性が高められ空気の入れ替えが少なくなると、建築物や建具、衣類等から排出される有害物質の影響を受けることになり、居住者が、建物が原因でのめまい、吐き気、頭痛、平衡感覚の失調や呼吸器疾患などいろいろな症状、体の不調を感じる、所謂シックハウス症候群、あるいは化学物質過敏症が問題となっている。こられの対策として、高気密高断熱の家には２４時間計画換気システムを設けなければならないと法律で定められた。

これらの２４時間計画換気システムを備えた戸建て住宅では、システム換気装置が用いられ、外部の新鮮な空気を外気熱交換器を介して取り込み、熱交換されて暖められ、あるいは冷却された空気が、送風ファン及び送風ダクトを通じて１階居室部、２階居室部における複数の吹出口から吹き出すように構成されている。
特開平０８−１８４０６３号公報特開２００３−１４３８５号公報

しかしながら、上記のような地中熱交換器による地中からの地中熱の取り出しには、設備及び工事に多額の費用がかかる。また、熱交換率には必ずしも満足できるものではないし、地中を循環した空気には湿気が含まれており除湿機の取り付けが必要になることもあり、必ずしも省エネルギ対策に寄与するものではなかった。このために、地中深く埋め込んだ地中熱交換器を用いた地中熱利用交換システムの実用化は困難であった。

一方、平成１５年７月より、建築基準法の改正に伴い原則としてすべての建築物に換気設備を設置するよう義務づけられたことから、効率的な換気システムが求められている。

この発明は、上述のような事情に鑑みてなされたものであって、従来の高気密、高断熱の構造を備えた戸建て住宅にも、簡単な設備と工事によって恒温の室内環境を実現する地中熱を利用した省エネ恒温換気システムを提供することを目的とする。

この目的を達成するため、この発明に係る地中熱を利用した省エネ恒温換気システムは、次のような構成とした。即ち、
熱交換機構と吸気手段と排気手段とからなり、熱交換機構は外気熱交換器と前記外気熱交換器に両端部を連結し適宜の箇所に循環ポンプを取り付け、不凍液を循環させる不凍液循環パイプによって構成されている。不凍液を地中熱によって熱交換するように前記不凍液循環パイプの一部を地中に埋設した竪穴に挿入してなり、前記外気熱交換器によって熱交換された空気を吸気手段により居室部の吹出口から吹き出させることを特徴とする。
前記地中に設けた竪穴は、地盤改良の際に打ち込んだ鋼管杭を利用することが好ましいが、地中に設けた竪穴は、地盤改良とは別に形成した竪穴であってもよい。また、外気熱交換器と吸気手段とを配設する順序は特に限定されるものではないが、空気の流れにおいて、吸気手段を外気熱交換器の前方に設けることが好ましい。吸気手段を外気熱交換器の前方に設けた場合には、外気熱交換器にごみ等を除去するフィルターを設けることを省略することができる。

この発明の地中熱を利用した省エネ恒温換気システムは、季節にかかわらず地中熱によって熱交換された不凍液を外気の熱を交換する外気熱交換器に循環させるので、吸気手段によって吸気された外気は、夏季は冷却されて吹出口から居室部に供給され、また冬季は加熱されて吹出口から居室部に供給される。供給される空気の温度は、外気温ではなく熱交換によって地中熱とほぼ同じ温度に調整されているから、冷暖房に要する費用を大きく節約することができる。
また、地中に設けた竪穴として地盤改良の際に打ち込んだ鋼管杭を利用する場合には、工事が簡単であるとともに、竪穴を形成する費用と時間を省略することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。図１に示すように、この地中熱を利用した省エネ恒温換気システムは、熱交換機構５と吸気手段３と排気手段４とからなる。熱交換機構５を構成する不凍液循環パイプ１の一部は地中に形成した竪穴に挿入されており、不凍液循環パイプ１の両端部は外気熱交換器２に連結してなり、前記不凍液循環パイプ１には、不凍液を循環させる循環ポンプ６が取り付けられ、吸気手段３に連結する吸気ダクト８は外気熱交換器２を介して連結されている。

前記吸気手段３には、１階の吹出口１０に連結する空気供給管１１と、２階の吹出口１３に連結する空気供給管１４が配設されている。前記空気供給管１１と空気供給管１４は、チャンバーボックス１５によって分岐されている。また、排気手段４には、２階の適所に配設した吸込口１６に連結する空気排出管１７と床下空間部１９に開口する空気排出管２０とが連結されており、さらに排気ダクト２１が連結されている。尚、上記実施形態では、吸気手段３と排気手段４は、吸気手段３と排気手段４を一台のモータで駆動する一体型が一般的であるが、明確にするために独立させたものを図示した。

図示する戸建て住宅は、布基礎２３上に土台２４が構築され、土台２４上に軸組構造としての柱２５が支持され、柱２５上に屋根構造２７が支持されている。床構造２８は、公知のように、根太が格子状に組まれた床根太上に構造用合板からなる床材が敷設されている。

また、壁構造は、柱の室内側に内装下地材を、柱の室外側に構造用面材をそれぞれ取り付け、さらに、構造用面材の室外側に配設した通気胴縁に壁外装材を取り付けてなり、構造用面材の室外側には、壁外装材との間に外壁通気層となる隙間を設けてなる。また、屋根構造２７は、構造用面材の上面側に通気胴縁を配設し、構造用面材と屋根野地板との間に屋根通気層を設けてなる。前記外壁通気層と屋根通気層とは連通していることが好ましい。

次に、上記熱交換機構５を構成する不凍液循環パイプ１について説明する。不凍液循環パイプ１の一部は、地下の数メートルから数十メートルの深さに埋設した鋼管杭３０の中に挿入してなる。不凍液循環パイプ１は、鋼管杭３０の下端部においてＵ字状に折り返して挿入されており適宜の箇所に循環ポンプ６を取り付けるとともに、上部両端部を外気熱交換器２に連結して不凍液が循環可能に配設されている。

戸建て住宅の建築に当たっても耐震性を考慮して地盤調査が行われており、地盤調査の結果、軟弱地盤と診断された土地に対して建築される住宅が耐えられるように地盤改良が行われる。地盤改良の工法には、柱状改良工法、表層改良工法、鋼管杭改良工法等があるが、この発明では、鋼管杭改良工法による鋼管杭を利用するものである。

鋼管杭改良工法では、住宅の荷重を鋼管杭を介して強固な地盤に伝えるために、上部の住宅の大きさや施工深度により直径約１０２ｍｍ〜２７０ｍｍの鋼管杭が用いられ、中空の鋼管杭には不凍液循環パイプ１を挿入することができる。不凍液循環パイプ１の両端部は、外気熱交換器２の入口と出口に連結されており、途中には不凍液を循環させる循環ポンプ６が配設されている。循環ポンプ６は、図示する実施形態では１階の天井に設置したが、設置位置は適宜選択できることは勿論である。

前記不凍液パイプ１は、樹脂管、金属管、木管等いずれであってもよいが、地上温度の影響を小さくするには金属管よりも樹脂管が好ましい。また、鋼管杭は数メートルから数十メートルの深さに達しているから、これらの中に挿入可能であり、充分な耐久性を有することが好ましい。

外気熱交換器２は、例えば図２に示すように、筐体２ａに不凍液循環パイプ１を連結したラジエーター２ｂが密閉されており、筐体２ａの両側に吸気ダクト８が取り付けられている構造とすることができる。吸気手段３によって外気が吸気ダクト８から吸気されると、ラジエーター２ｂを通過する際に、熱交換される。外気熱交換器２の構造については、上記構造に限定されるものではなく、不凍液が循環可能であれば公知の外気熱交換器のいずれでも使用することが可能である。

地中熱は、恒温であり夏でも冬でもほとんど変わらないから、夏の暑い大気が入ってきた場合には外気熱交換器２によって冷やされることになり、冬の冷たい大気が入ってきた場合には外気熱交換器２によって暖められることになり、居室部には１年を通してあまり変わらない温度の空気を供給することができる。

不凍液パイプ１内を循環し外気熱交換器２で熱交換された不凍液は、地中の鋼管杭の中では季節によらず約１５℃〜１８℃の温度に保たれている地中熱によって熱交換される。従って、外気熱交換器２には常に約１５℃〜１８℃の温度の不凍液を循環させることになり、冷暖房費を節約することができる。

例えば、外気が０℃であり室内温度が２０℃とすると、空気を入れ替えると０℃の冷たい空気がそのまま取り入れることなるが、外気熱交換器を通過させことによって１５℃程度の新鮮な空気を取り入れることができる。したがって、暖房時には５℃分だけ上げれば良いことになり、０℃から１５℃まで上げるエネルギーを節約することができる。夏の冷房時には、冬とは逆のことになり、熱交換されて冷却された新鮮な外気を取り入れることができる。

また、図３に示すように、不凍液循環パイプ１のうち鋼管杭３０の中に挿入された部分には、地中熱を効率よく吸収するために吸熱板３１を取り付けることが好ましい。吸熱板３１は、鋼管杭３０に内接する大きさであり、往復する不凍液パイプ１を貫通させる構成とすることができる。このような吸熱板３１を取り付けることによって、地中熱による熱交換が効率よく行われるばかりでなく、不凍液循環パイプ１を確実に保持することができる。

さらに、不凍液循環パイプ１は、吸熱板３１に変えて鋼管杭に熱伝導効率の良い充填体を充填して保持するようにしても良い。充填体には、例えば、コンクリート、モルタル、土砂、土等を用いることができる。また、鋼管杭に充填体を充填することによって、吸熱板３１を取り付けた場合と同様に、地震等の振動によって破損したり切断されるのを防止することができる。

図４は、外気熱交換器２と吸気手段３との連結を図１の場合とは逆にした実施形態を示す。即ち、吸気手段３を通った空気が外気熱交換器２を通過するように、空気の流れにおいて外気熱交換器２を吸気手段３の前方に配設したものである。このように、吸気手段３に続いて外気熱交換器２を配設した場合には、吸気手段３によってごみ等が取り除かれているので外気熱交換器２自体にフィルターを取り付ける必要がなくなる。また、一般には吸気手段３と吸気ダクトの吸気口との間にはあまり距離はないから、外気熱交換器２は吸気手段３の前方に配設することが好ましいとともに、既設の２４時間計画換気システムにも汎用性を持たせることができる。

上記構成において、吸気手段３とともに循環ポンプ６を作動させると、吸気ダクと８から空気が吸い込まれ、外気熱交換器２によって略１５℃〜１８℃に熱せられ、あるいは冷却された新鮮な空気が吹出口１０，１３から供給される。前記吹出口１３は、例えば、２階から１階に下る階段の下り口にある階段ホールの天井面に設けることができ、吹出口１０は、玄関ホールの天井面に設けることができる。

吹出口１３から吹き出された新鮮な空気は、各居室部の開口部から入り込み、各吸込口１６から吸い込まれて外部へ排出される。また、吹出口１０から吹き出された新鮮な空気は、各居室部の開口部から入り込み、床面に設けた通気口３２から床下空間部１９に吸引され、空気排出管１７、排気ダクト２１によって外部へ排出される。

なお、上記構成においては、竪穴は地盤改良の際に打ち込んだ鋼管杭を利用したが、他の材質の中空パイプでもよいし、地盤改良とは別に不凍液循環パイプを挿入するために形成した竪穴であってもよい。

上記実施形態では、不凍液循環パイプはいずれも１つの竪穴によって構成したが、複数の箇所に設けて連結管によって連結する構成としてもよい。また、吸気ダクト及び吸気手段の数は、戸建て住宅の大きさ、立地条件、場所等に応じて適宜決定すればよい。

図５は、既存住宅に応用した場合の地中熱を利用した省エネ恒温換気システムの構成を示す。前記実施形態では、新築の際に地盤改良工法として打ち込まれた鋼管杭を竪穴として利用したものであるが、この発明は、２４時間計画換気システムを備えた既存住宅にも応用することができる。既存住宅に応用するには、布基礎２３の外周の適宜の位置に竪穴として鋼管杭３０ａを打ち込み、前記鋼管杭３０ａに不凍液循環パイプ１ａの一部を挿入する。

不凍液循環パイプ１ａは、鋼管杭３０ａの下端部においてＵ字状に折り返し、地上においては住宅の壁面に沿って配設すればよい。図示する実施形態では、不凍液循環パイプ１ａを２階から屋内に引き込み外気熱交換器２に連結してなる。前記不凍液循環パイプ１ａには、不凍液を循環させる循環ポンプ６が取り付けられる。

このように、鋼管杭等による竪穴を布基礎の外周に埋設することによって、既設の２４時間計画換気システムを備えた既存住宅においても、地中熱を利用した省エネの恒温換気システムとすることができる。
尚、上記第２実施形態においては、布基礎の外周に埋設した竪穴を利用する以外は第１実施形態と同じであるから、同一構成については同一符号を付してその説明は簡略化のために省略する。また、前記外気熱交換器２、吸気手段３、排気手段４及び循環ポンプ６等の設備の設置位置については、適宜決定することができる。

この発明の一実施形態に係る地中熱を利用した省エネ恒温換気システムの構成を示す模式図である。循環ポンプを取り付けた不凍液循環パイプと外気熱交換器とからなる熱交換機構を示す一部を切り欠いた説明用斜視図である。竪穴に充填した不凍液循環パイプに吸熱板を取り付けた他の実施形態を示す説明用断面図である。外気熱交換器と吸気手段の配列順序を変えた他の実施形態の説明図である。既存住宅に応用した場合の地中熱を利用した省エネ恒温換気システムの構成を示す模式図である。

符号の説明

１，１ａ：不凍液循環パイプ
２：外気熱交換器
３：吸気手段
４：排気手段
５：熱交換機構
６：循環ポンプ
８：吸気ダクト
１０：吹出口
１１：空気供給管
１３：吹出口
１４：空気供給管
１５：チャンバーボックス
１６：吸込口
１７：空気排出管
１９：床下空間部
２０：空気排出管
２１：排気ダクト
２３：布基礎
２４：土台
２５：支柱
２７：屋根構造
２８：床構造
３０，３０ａ：鋼管杭
３１：吸熱板

Claims

熱交換機構と吸気手段と排気手段とからなり、熱交換機構は外気熱交換器と前記外気熱交換器に両端部を連結し適宜の箇所に循環ポンプを取り付け、不凍液を循環させる不凍液循環パイプによって構成されており、不凍液を地中熱によって熱交換するように前記不凍液循環パイプの一部を地中に埋設した竪穴に挿入してなり、前記外気熱交換器によって熱交換された空気を吸気手段により居室部の吹出口から吹き出させることを特徴とする地中熱を利用した省エネ恒温換気システム。
地中に設けた竪穴は、地盤改良の際に打ち込んだ鋼管杭を利用することを特徴とする請求項１に記載の地中熱を利用した省エネ恒温換気システム。
地中に設けた竪穴は、地盤改良とは別に形成した竪穴であることを特徴とする請求項１に記載の地中熱を利用した省エネ恒温換気システム。
空気の流れ方向において、吸気手段を熱交換器の前方に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の地中熱を利用した省エネ恒温換気システム。
空気の流れ方向において、外気熱交換器を吸気手段の前方に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の地中熱を利用した省エネ恒温換気システム。