JP2010019462A - 地熱利用空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】大量の水を用いて熱効率を高め、効率的に地熱を利用することが可能な地熱利用空調システムを提供する。
【解決手段】地熱を利用して空調を行う地熱利用空調システムＡを、地中に埋設した水槽１と、空調機の熱源設備２と、水槽１に貯留した水Ｗを水槽１と熱源設備２の間で循環させる水循環機構３とを備えて構成する。また、水循環機構３に繋がる第１冷却塔４ａを備え、熱源設備２と第１冷却塔４ａの間で循環させて水Ｗを冷却する第１冷却循環機構４を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、地熱利用空調システムに関する。

従来、地熱を熱源として利用することにより、空調用エネルギーの消費量を削減するようにした地熱利用空調システムが知られている。また、この種の地熱利用空調システムには、管（地熱交換器）を地中に埋設し、地上に設置した空調機の熱源設備（ヒートポンプ）と地中との間で水を循環させるように構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

そして、この地熱利用空調システムにおいては、地熱が年間を通じて１５℃前後に維持されているため、冷房時には、熱源設備との熱交換で加熱された水が管を流通し地中に達するとともに地熱によって冷却され、再度冷却水として熱源設備に供給される。また、暖房時には、熱源設備との熱交換で冷却された水が地中に達するとともに地熱によって加熱され、再度熱源水として熱源設備に供給される。
特開２００６−２２６６２７号公報

しかしながら、上記従来の地熱利用空調システムにおいては、地中に埋設した管を地熱交換器として用いているため、大量の水を使用することができず、地熱と水の熱交換の効率が悪いという問題があった。また、管を長くしたり（地中の深部まで埋設させたり）、大径の管を用いるなどして、より多くの水を循環させ熱効率を高めることも考えられるが、この場合には、管内摩擦抵抗が大きくなるなどし、大きなポンプによって水を循環させる必要が生じ、結果的に消費エネルギーの削減効果が低下してしまう。

本発明は、上記事情に鑑み、大量の水を用いて熱効率を高め、効率的に地熱を利用することが可能な地熱利用空調システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の地熱利用空調システムは、地熱を利用して空調を行う地熱利用空調システムであって、地中に埋設した水槽と、空調機の熱源設備と、前記水槽に貯留した水を前記水槽と前記熱源設備の間で循環させる水循環機構とを備えて構成されていることを特徴とする。

この発明においては、冷房時に、水循環機構によって、水槽から空調機の熱源設備（冷凍機、ヒートポンプ）に水が供給されるとともに、この水が熱源設備から熱を吸収し、加熱された水（暖まった水）が水槽内に返送される。また、暖房時には、水循環機構によって、水槽から熱源設備（ヒートポンプ）に水が供給されるとともに、熱源設備がこの水から熱を吸収し、冷却された水（冷えた水）が水槽内に返送される。そして、冷房時に加熱された水が、暖房時に冷却された水がそれぞれ水槽内に返送されることで、水槽内の水の温度が、冷房時に上昇、暖房時に低下することになるが、この水槽が地中に埋設されているため、水槽内の水は、地熱によって冷房時に徐々に冷やされ、暖房時に徐々に加熱され、その温度が地熱の温度まで回復する。

このように、水循環機構によって水槽に貯留した水を熱源設備に供給し熱源設備との間で熱交換を行った水を再度水槽に返送して貯留することで、水槽の大きさに応じた大量の水を、消費エネルギーを増やすことなく循環させることが可能になる。また、地熱交換器として水槽を用い、この水槽を適宜大きく形成して地盤（土壌、地下水）と水槽の接触面積を大きくすることで、水槽内の水を効率的に地熱によって冷却あるいは加熱することができ、地中に埋設した管（地熱交換器）で水を循環させる従来の地熱利用空調システムと比較し、熱効率を高めることが可能になる。

また、本発明の地熱利用空調システムにおいては、前記水循環機構に繋がる第１冷却塔を備え、前記熱源設備と前記第１冷却塔の間で循環させて水を冷却する第１冷却循環機構が設けられていることが望ましい。

この発明においては、冷房時に、熱源設備から返送された水（加熱された水）により、水槽内の水が地熱によって効率的に冷却できないほどに暖まった場合（水槽内の水から地盤に移動する熱量以上の加熱された水が水槽内に返送される場合）に、熱源設備と第１冷却塔の間で水を循環させるように切り替えて、第１冷却塔で冷却した水を熱源設備に供給することが可能になる。これにより、水槽内の水が一定温度以上になった場合においても、持続的に空調を行うことができ、水槽内の水が地熱によって一定温度以下になった段階で再度水循環機構によって水を循環させることにより、省エネルギー化を図りつつ常時安定した状態で空調を行うことが可能になる。

さらに、本発明の地熱利用空調システムにおいては、第２冷却塔を備え、前記水槽と前記第２冷却塔の間で循環させて前記水槽に貯留した水を冷却する第２冷却循環機構が設けられていることがより望ましい。

この発明においては、冷房時に、熱源設備から返送された水（加熱された水）により、水槽内の水が地熱によって効率的に冷却できないほどに暖まった場合に、水槽と第２冷却塔の間で水槽に貯留した水を循環させ、第２冷却塔で水槽に貯留した水を冷却することが可能になる。これにより、水槽内の水が一定温度以上になった場合においても、早期に水槽内の水の温度を回復させることができ、省エネルギー化を図りつつ常時安定した状態で空調を行うことが可能になる。

また、本発明の地熱利用空調システムにおいては、一端を前記水槽に接続して前記地中に延設された熱伝導体を備えていることがさらに望ましい。

この発明においては、水槽に加えて熱伝導体を通じ、水槽内の水を地熱によって冷却あるいは加熱することが可能になる。すなわち熱伝導体を設けることで実質的に地盤との接触面積を増大させることができ、さらなる熱効率の向上を図ることが可能になる。これにより、早期に水槽内の水の温度を回復させることができ、省エネルギー化を図りつつ常時安定した状態で空調を行うことが可能になる。

さらに、本発明の地熱利用空調システムにおいては、免震ピットに貯留した水の浮力と免震装置で構造物を支持する浮体式免震構造の前記免震ピットを、前記水槽として利用するようにしてもよい。

この発明においては、大量の水を貯留した浮体式免震構造の免震ピットを、地熱利用空調システムの水槽として利用することで、構造物に免震性能を付与するための浮体式免震構造を地熱利用空調システムにも利用することが可能になり、経済性を高めることが可能になる。

本発明の地熱利用空調システムによれば、水循環機構によって水槽に貯留した水を熱源設備に供給し熱源設備との間で熱交換を行った水を再度水槽に返送して貯留するように構成することで、水槽の大きさに応じた大量の水を、消費エネルギーを増やすことなく循環させることが可能になる。また、水槽を地熱交換器として用い、この水槽内の水を効率的に地熱によって冷却あるいは加熱することが可能になる。これにより、地中に埋設した管を地熱交換器として用いる従来の地熱利用空調システムと比較し、大量の水を用いて熱効率を高め、効率的に地熱を利用することが可能になり、確実に省エネルギー化を図ることが可能になる。

以下、図１を参照し、本発明の一実施形態に係る地熱利用空調システムについて説明する。本実施形態は、地熱を熱源として利用することにより、空調用エネルギーの消費量を削減するようにした地熱利用空調システムに関し、特に地熱交換器として浮体式免震構造の免震ピットを利用した地熱利用空調システムに関するものである。

本実施形態の地熱利用空調システムＡは、図１に示すように、地中に埋設した水槽１と、空調機の熱源設備２である水冷式冷凍機（又はヒートポンプ）と、水槽１に貯留した水Ｗを水槽１と熱源設備２の間で循環させる水循環機構３と、第１冷却塔４ａを備えた第１冷却循環機構４とで構成されている。

本実施形態においては、水槽１として浮体式免震構造Ｂの免震ピット１を利用している。浮体式免震構造Ｂは、地盤Ｇを掘削して構築した免震ピット１に大量の水Ｗが貯留され、この水Ｗに構造物（建物）５を挿入し、構造物５と地盤Ｇとを図示せぬ免震装置で連結して構成されている。ちなみに、この浮体式免震構造Ｂでは、構造物５を水Ｗの浮力と免震装置によって支持することで、構造物５の固有周期を例えば地震動の卓越周期帯域から長周期側にずらし、応答加速度を小さくして、構造物５の揺れを抑えるようにしている。

水循環機構３は、ポンプ３ａを介して水槽１と熱源設備２を繋ぐように延設され、ポンプ３ａの駆動によって水槽１内の水Ｗを熱源設備２に供給する給送管３ｂと、水槽１と熱源設備２を繋ぐように延設され、給送管３ａによって熱源設備２に供給した水Ｗを水槽１内に返送する返送管３ｃとを備えて構成されている。また、給送管３ｂと返送管３ｃにはそれぞれ、開閉弁３ｄ、３ｅが取り付けられている。これにより、水循環機構３は、各開閉弁３ｄ、３ｅを開いた状態でポンプ３ａを駆動することにより、給送管３ｂ及び返送管３ｃを通じて、水槽１に貯留した水Ｗを水槽１と熱源設備２の間で循環させることができる。

一方、第１冷却循環機構４は、一端が第１冷却塔４ａに、他端が水循環機構３の給送管３ｂに繋がる給送管４ｂと、一端が水循環機構３の返送管３ｃに、他端が第１冷却塔４ａに繋がる返送管４ｃとを備え、これら第１冷却循環機構４の給送管４ｂと返送管４ｃにより第１冷却塔４ａを水循環機構３に繋げて構成されている。また、第１冷却循環機構４の給送管４ｂと返送管４ｃにはそれぞれ、開閉弁４ｄ、４ｅが取り付けられている。そして、この第１冷却循環機構４においは、水循環機構３の開閉弁３ｄ、３ｅを閉じ、第１冷却機構４の開閉弁４ｄ、４ｅを開くとともに、ポンプ３ａの駆動によって水Ｗが熱源設備２から水循環機構３の返送管３ｃ、第１冷却循環機構４の返送管４ｃを通じて第１冷却塔４ａに返送され、この第１冷却塔４ａで外気を用いて冷却される。さらに、第１冷却塔４ａで冷却した水Ｗが第１冷却循環機構４の給送管４ｂ、水循環機構３の給送管３ｂを通じて熱源設備２に給送される。これにより、第１冷却循環機構４は、水循環機構３による水Ｗの循環を切り替えて、熱源設備２と第１冷却塔４ａの間で循環させることができる。

ついで、上記構成からなる地熱利用空調システムＡを用いて空調を行う方法について説明するとともに、本実施形態の地熱利用空調システムＡの作用及び効果について説明する。

はじめに、本実施形態の地熱利用空調システムＡを用いて空調を行う際には、第１冷却循環機構４の開閉弁４ｄ、４ｅを閉じ、水循環機構３の開閉弁３ｄ、３ｅを開いて、熱源設備２と水槽１の間で水槽１に貯留した水Ｗを循環させる。そして、冷房時には、水循環機構３の給送管３ｂを通じて、水槽１から熱源設備（冷凍機、ヒートポンプ）２に水が供給されるとともに、この水Ｗが熱源設備２から熱を吸収し、加熱された水（暖まった水）Ｗが水循環機構３の返送管３ｃを通じて水槽１内に返送される。このように、冷房時に、加熱された水Ｗが水槽１内に返送されることで、水槽１内の水Ｗの温度が上昇することになるが、この水槽１が地中に埋設されているため、水槽１内の水Ｗは、地熱Ｈによって徐々に冷やされ、その温度が地熱Ｈの温度まで回復する。すなわち、この水槽１を地熱交換器として用い、地熱Ｈによって水槽１に貯留した水Ｗが順次冷却される。

また、このとき、水槽１を地熱交換器として用いることで、大きな面積で地盤Ｇと接触することになり、地中に埋設した管を地熱交換器として用いる従来の地熱利用空調システムと比較し、水槽１内の水Ｗと地盤Ｇの間の熱交換が効率的に行われる。さらに、熱源設備２と水槽１との間に延設され、地上に配設された管（給送管３ｂ、返送管３ｃ）により、水槽１に貯留した水Ｗを熱源設備２と水槽１との間で循環させるように構成されているため、従来の地熱利用空調システムと比較し、大きなポンプを用いることなく、水槽１の大きさに応じた大量の水を循環させて、効率的に熱交換が行える。

ここで、水槽（免震ピット）１の底面積を８７７０ｍ^２、側面積を６６００ｍ^２とし、地熱Ｈの温度が１７℃、水槽１内の水温が３０℃である場合には、約２４０００ｋｃａｌ／ｈの熱量を熱交換することができる。また、熱負荷が１５０ｋｃａｌ／ｍ^２ｈで１６０ｍ^２の室内の空調に利用することを想定し、この室の省エネルギー量を試算した結果、通常のパッケージエアコン方式の空調と比較して年間で約１０％の消費電力を削減できることが確認されている。さらに、水槽１が持つ熱容量のみを利用したとすると、水槽１の容積が１５４００ｍ^３のときに、浮体式免震構造Ｂの免震ピット１内の夏期最高水温が２２．９℃程度になるため、３０℃まで利用すると、その温度差が７℃となり、このときの利用熱量が１０７８００Ｍｃａｌとなる。そして、１６０ｍ^２の室を１５０ｋｃａｌ／ｍ^２ｈの熱負荷で連続空調した場合には、１４０日分のエネルギーが省エネルギー化でき、８００ｍ^２の室においても２８日分のエネルギーが省エネルギー化できる。

一方、冷房時には、熱源設備２から返送された水（加熱された水）Ｗにより、水槽１内の水Ｗが地熱Ｈによって効率的に冷却できないほどに暖まる可能性がある。すなわち、加熱された水Ｗが返送されて、水槽１内の水Ｗが地盤Ｇに移動する熱量以上に暖まってしまう可能性がある。

これに対し、本実施形態においては、第１冷却循環機構４が設けられており、水槽１内の水Ｗが地盤Ｇに移動する熱量以上に暖まるとともに、水循環機構３の開閉弁３ｄ、３ｅを閉じ、第１冷却循環機構４の開閉弁４ｄ、４ｅを開いて、熱源設備２と第１冷却塔４ａの間で水Ｗを循環させるように切り替える。これにより、ポンプ３ａの駆動とともに熱源設備２から返送された水（加熱された水）Ｗが、水循環機構３の返送管３ｃ、第１冷却循環機構４の返送管４ｃを通じて第１冷却塔４ａに送られ、この第１冷却塔４ａで外気により冷却される。そして、冷却した水Ｗが、第１冷却循環機構４の給送管４ｂ、水循環機構３の給送管３ｂを通じて熱源設備２に送られ、冷却水として使用される。よって、本実施形態においては、水槽１内の水Ｗが一定温度以上になった場合においても、持続的に空調が行われ、水槽１内の水Ｗが地熱Ｈによって一定温度以下になった段階で再度水循環機構３により水Ｗを循環させるようにすることで、省エネルギー化を図りつつ常時安定した状態で空調が行える。

また、暖房時には、水循環機構３によって、水槽１から熱源設備（ヒートポンプ）２に水Ｗが供給されるとともに、熱源設備２がこの水Ｗから熱を吸収し、冷却された水（冷えた水）Ｗが水槽１内に返送される。そして、冷却された水Ｗが返送されて、水槽１内の水Ｗの温度が低下するとともに、この水槽１内の水Ｗは、地熱Ｈによって徐々に加熱され、その温度が地熱Ｈの温度まで回復する。すなわち、この水槽１を地熱交換器として用い、地熱Ｈによって水槽１に貯留した水Ｗが順次加熱され、冷房時と同様、水槽１を地熱交換器として用い、大きな面積で地盤Ｇと接触しているため、従来の地熱利用空調システムと比較し、水槽１内の水Ｗと地盤Ｇの間の熱交換が効率的に行われる。

したがって、本実施形態の地熱利用空調システムＡにおいては、水循環機構３によって水槽１に貯留した水Ｗを熱源設備２に供給し熱源設備２との間で熱交換を行った水Ｗを再度水槽１に返送して貯留するように構成することで、水槽１の大きさに応じた大量の水を、消費エネルギーを増やすことなく循環させることが可能になる。また、地熱交換器として水槽１を用い、この水槽１を適宜大きく形成して地盤Ｇと水槽１の接触面積を大きくすることで、水槽１内の水Ｗを効率的に地熱Ｈによって冷却あるいは加熱することができ、地中に埋設した管（地熱交換器）で水を循環させる従来の地熱利用空調システムと比較し、熱効率を高めることが可能になる。

よって、本実施形態の地熱利用空調システムＡによれば、水槽１を地熱交換器として用い、この水槽１内の水Ｗを効率的に地熱Ｈによって冷却あるいは加熱することが可能になるため、地中に埋設した管を地熱交換器として用いる従来の地熱利用空調システムと比較し、大量の水Ｗを用いて熱効率を高め、効率的に地熱Ｈを利用することが可能になり、確実に省エネルギー化を図ることが可能になる。

また、本実施形態においては、熱源設備２と第１冷却塔４ａの間で循環させて水Ｗを冷却する第１冷却循環機構４が設けられていることにより、冷房時に、熱源設備２から返送された水Ｗによって水槽１内の水Ｗが一定温度以上になった場合においても、熱源設備２と第１冷却塔４ａの間で水Ｗを循環させるように切り替え、第１冷却塔４ａで冷却した水Ｗを熱源設備２に供給することが可能になる。これにより、持続的に空調を行うことができ、水槽１内の水Ｗが地熱Ｈによって一定温度以下になった段階で再度水循環機構３によって水Ｗを循環させることにより、省エネルギー化を図りつつ常時安定した状態で空調を行うことが可能になる。

さらに、大量の水Ｗを貯留した浮体式免震構造Ｂの免震ピットを、地熱利用空調システムＡの水槽１として利用することで、構造物５に免震性能を付与するための浮体式免震構造Ｂを地熱利用空調システムＡにも利用することが可能になり、経済性を高めることが可能になる。

以上、本発明に係る地熱利用空調システムの一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、水槽１が浮体式免震構造Ｂの免震ピットであるものとして説明を行ったが、本発明に係る水槽は、地中に埋設され、熱源設備２との間で循環する水Ｗを貯留して、地熱Ｈによって冷却あるいは加熱されるように構成されていればよく、浮体式免震構造Ｂの免震ピットに限定する必要はない。

また、本実施形態では、水循環機構３が、ポンプ３ａと、給送管３ｂと、返送管３ｃと、開閉板３ｄ、３ｅとで構成されているものとしたが、本発明に係る水循環機構は、熱源設備２と水槽１の間で水槽１に貯留した水Ｗを循環させることが可能であれば、特にその構成を限定する必要はない。

さらに、本実施形態では、第１冷却循環機構４が設けられ、この第１冷却循環機構４が、第１冷却塔４ａと、給送管４ｂと、返送管４ｃと、開閉弁４ｄ、４ｅとを備え、水循環機構３のポンプ３ａの駆動によって、水Ｗを、熱源設備２から水循環機構３の返送管３ｃ、第１冷却循環機構４の返送管４ｃを通じて第１冷却塔４ａに返送し、この第１冷却塔４ａで外気を用いて冷却し、さらに第１冷却塔４ａで冷却した水Ｗを、第１冷却循環機構４の給送管４ｂ、水循環機構３の給送管３ｂを通じて熱源設備２に給送するように構成されているものとした。これに対し、本発明においては、必ずしも第１冷却循環機構４を備えていなくてもよく、また、第１冷却循環機構４を設ける場合においても、本発明に係る第１冷却循環機構は、熱源設備２と第１冷却塔４ａの間で水Ｗを循環させることが可能であれば、その構成を限定する必要はない。

また、例えば図２に示すように、第２冷却塔６ａとポンプ６ｂと給送管６ｃと返送管６ｄとを備え、ポンプ６ｂの駆動とともに水槽１と第２冷却塔６ａの間で循環させて水槽１に貯留した水Ｗを冷却する第２冷却循環機構６が設けられていてもよい。この場合には、冷房時に、熱源設備２から返送された水（加熱された水）Ｗにより、水槽１内の水Ｗが地熱Ｈによって効率的に冷却できないほど暖まった場合に、水槽１と第２冷却塔６ａの間で水Ｗを循環させ、第２冷却塔６ａで水槽１に貯留した水Ｗを冷却することが可能になる。これにより、水槽１内の水Ｗが一定温度以上になった場合においても、早期に水槽１内の水Ｗの温度を回復させることができ、省エネルギー化を図りつつ常時安定した状態で空調を行うことが可能になる。

さらに、例えば図３に示すように、一端を水槽１に接続して地中に延設された熱伝導体７を備えるようにしてもよい。また、この熱伝導体７は、図３に示すように、免震ピット（水槽１）及び構造物５を支持する支持杭であってもよい。そして、この場合には、水槽１に加えて熱伝導体７を通じ、水槽１内の水Ｗを地熱Ｈによって冷却あるいは加熱することが可能になる。すなわち熱伝導体７を設けることで実質的に地盤Ｇとの接触面積を増大させることができ、さらなる熱効率の向上を図ることが可能になる。これにより、早期に水槽１内の水Ｗの温度を回復させることができ、省エネルギー化を図りつつ常時安定した状態で空調を行うことが可能になる。

本発明の一実施形態に係る地熱利用空調システムを示す図である。 本発明の一実施形態に係る地熱利用空調システムの変形例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る地熱利用空調システムの変形例を示す図である。

符号の説明

１ 水槽（免震ピット）
２ 熱源設備（冷凍機、ヒートポンプ）
３ 水循環機構
３ａ ポンプ
３ｂ 給送管
３ｃ 返送管
３ｄ 開閉弁
３ｅ 開閉弁
４ 第１冷却循環機構
４ａ 第１冷却塔
４ｂ 給送管
４ｃ 返送管
４ｄ 開閉弁
４ｅ 開閉弁
５ 構造物（建物）
６ 第２冷却循環機構
６ａ 第２冷却塔
６ｂ ポンプ
６ｃ 給送管
６ｄ 返送管
７ 熱伝導体（支持杭）
Ａ 地熱利用空調システム
Ｂ 浮体式免震構造
Ｇ 地盤
Ｈ 地熱

Claims (5)

1. 地熱を利用して空調を行う地熱利用空調システムであって、
   地中に埋設した水槽と、空調機の熱源設備と、前記水槽に貯留した水を前記水槽と前記熱源設備の間で循環させる水循環機構とを備えて構成されていることを特徴とする地熱利用空調システム。
2. 請求項１記載の地熱利用空調システムにおいて、
   前記水循環機構に繋がる第１冷却塔を備え、前記熱源設備と前記第１冷却塔の間で循環させて水を冷却する第１冷却循環機構が設けられていることを特徴とする地熱利用空調システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の地熱利用空調システムにおいて、
   第２冷却塔を備え、前記水槽と前記第２冷却塔の間で循環させて前記水槽に貯留した水を冷却する第２冷却循環機構が設けられていることを特徴とする地熱利用空調システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の地熱利用空調システムにおいて、
   一端を前記水槽に接続して前記地中に延設された熱伝導体を備えていることを特徴とする地熱利用空調システム。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の地熱利用空調システムにおいて、
   免震ピットに貯留した水の浮力と免震装置で構造物を支持する浮体式免震構造の前記免震ピットを、前記水槽として利用することを特徴とする地熱利用空調システム。

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