JP2010175136A - 地中熱ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地中熱の最適な採熱により総合的に効率のよい運転を可能とする地中熱ヒートポンプ装置を提供する。
【解決手段】制御手段１９は、負荷運転中に、地中熱交換器９から流出した熱媒の温度を検出する地中戻り温度検出手段１４の検出する熱媒温度と所定値とを比較し、熱媒温度が所定値以上の場合は、地中熱交換器９への熱媒供給を制御する開閉手段１２を制御して採熱する地中熱交換器９の本数を減少させ、地中戻り温度検出手段１４の検出する熱媒温度と所定値とを比較し、熱媒温度が所定値より低い場合には、開閉手段１２を制御して採熱する地中熱交換器９の本数を増加させるので、地中の温度を地中戻り温度検出手段１４で監視し、常に地中の温度状態に追従した形で地中熱交換器９の本数増減制御が可能となり、採熱し過ぎることなく、また、採熱し足りないこともなく、最適な採熱ができ、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率を向上させることができる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、年間を通じて温度が比較的安定している地中熱をヒートポンプを介して利用する地中熱ヒートポンプ装置に関するものである。

従来この種の地中熱ヒートポンプ装置においては、図９に示すようなものがあった。
まず、ヒートポンプユニット１０１は、圧縮機１０２と、圧縮機１０２から吐出された高圧冷媒を流通させ負荷側の熱媒と熱交換する凝縮器としての負荷側熱交換器１０３と、減圧手段としての膨張弁１０４と、膨張弁１０４からの低圧冷媒を流通させ外部の熱媒と熱交換する蒸発器としての熱源側熱交換器１０５とを備えているものであり、さらに、地中熱交換部１０６は、地盤Ｇ中に埋設され互いに並列に接続された複数の地中熱交換器１０７と、熱源側熱交換器１０５と地中熱交換器１０７との間を循環可能に接続する地中熱循環回路１０８と、地中熱循環回路１０８に熱媒である循環液を循環させる回転数可変の地中熱循環ポンプ１０９と、地中熱交換器１０７毎に複数（ここでは、４本）に分岐した地中熱循環回路１０８に各々設けられその開閉により地中熱交換器１０７への循環液の流通を制御する開閉弁１１０（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）とを備えているものである。

ここで、開閉弁１１０は負荷側の負荷に応じて複数の地中熱交換器１０７のうち、所定数の地中熱交換器１０７に循環液を循環させるように開閉制御が行われるようになっている。すなわち、当初は負荷側の負荷、例えば空調用の室内機（図示せず）の負荷の大きさにより開閉弁１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄの全てを開弁して全ての地中熱交換器１０７に循環液を循環させるよう制御しているような状態で、その後、負荷側の負荷が半分になった場合には、複数の地中熱交換器１０７のうち半分の開閉弁１１０、例えば開閉弁１１０ａ、１１０ｂを閉じて、且つ地中熱循環ポンプ１０９の回転数を制御して循環流量をそれまでの半分に調節するものがあった。（例えば、特許文献１参照。）

特開２００６−２９２３１３号公報

ところで、この従来の地中熱ヒートポンプ装置は、地盤Ｇ中の温度が一定で複数の地中熱交換器１０７のそれぞれから採取できる採熱量が一定であるという条件の場合には、上述したように、例えば、負荷側の負荷が半分になったら開閉弁１１０を制御して採熱を行う地中熱交換器１０７を半分にして、地中熱循環ポンプ１０９の回転数を制御して循環流量をそれまでの半分に調節すればよいが、実際の地盤Ｇ中の温度は日射、地下水の流れ、前日の地中熱ヒートポンプ装置の運転状況等の要因により一定ではないため、必ずしも地中熱交換器１０７の１本当たりの採熱量は一定ではない。

そうすると、負荷側の負荷が半分になったからといって、単純に採熱を行う地中熱交換器１０７を半分にし、地中熱循環ポンプ１０９の回転数を制御して循環流量をそれまでの半分に調節してしまうと、採熱量が足りなくなる、または採熱量が過剰になる可能性があり、最適な採熱ができずに総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率を低下させてしまうという問題を生じるおそれがあった。

また、負荷側熱交換器１０３を蒸発器、熱源側熱交換器１０５を凝縮器として作用させ、空調用の室内機（図示せず）により被空調空間を冷房する冷房運転を行い、地中熱交換器１０７により地盤Ｇ中に放熱する場合においても、上述したものと同様の負荷に応じた制御をすると、放熱量が足りなくなる、または放熱量が過剰になる可能性があり、最適な採熱ができずに総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率を低下させてしまうという問題を生じるおそれがあった。

この発明は上記課題を解決するために、特に請求項１ではその構成を、圧縮機、負荷側熱交換器、減圧手段、熱源側熱交換器を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路と、地中に埋設され互いに並列または直列に接続された複数の地中熱交換器と、該地中熱交換器と前記熱源側熱交換器との間を循環可能に接続する地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に熱媒を循環させる地中熱循環ポンプと、前記地中熱交換器毎への熱媒供給を制御する開閉手段と、前記地中熱交換器に流入する熱媒の温度を検出する地中往き温度検出手段、前記地中熱交換器から流出した熱媒の温度を検出する地中戻り温度検出手段と、これらの作動を制御する制御手段とを備え、前記地中熱交換器により地中熱を採熱し、前記熱源側熱交換器を蒸発器として機能させると共に、前記負荷側熱交換器を凝縮器として機能させて負荷側を加熱する負荷運転を行う地中熱ヒートポンプ装置において、前記制御手段は、前記負荷運転中に、前記地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度と所定値とを比較し、前記熱媒温度が前記所定値以上の場合は、前記開閉手段を制御して採熱する前記地中熱交換器の本数を減少させ、前記地中戻り温度検出手段の検出する前記熱媒温度と前記所定値とを比較し、前記熱媒温度が前記所定値より低い場合には、前記開閉手段を制御して採熱する前記地中熱交換器の本数を増加させるものとした。

また、請求項２では、前記所定値は、前記負荷運転を最大出力で行って、前記地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度が安定した際の前記地中戻り温度検出手段で検出した熱媒温度とするものとした。

また、請求項３では、前記負荷運転中に、前記地中往き温度検出手段の検出する熱媒温度が、前記熱媒の濃度に基づいて予め設定された下限温度より低くなった場合には、前記開閉手段を制御して採熱する前記地中熱交換器の本数を増加させるものとした。

また、請求項４では、圧縮機、負荷側熱交換器、減圧手段、熱源側熱交換器を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路と、地中に埋設され互いに並列または直列に複数接続された地中熱交換器と、該地中熱交換器と前記熱源側熱交換器との間を循環可能に接続する地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に熱媒を循環させる地中熱循環ポンプと、前記地中熱交換器毎への熱媒供給を制御する開閉手段と、前記地中熱交換器に流入する熱媒の温度を検出する地中往き温度検出手段、前記地中熱交換器から流出した熱媒の温度を検出する地中戻り温度検出手段と、これらの作動を制御する制御手段とを備え、前記地中熱交換器により地中に放熱し、前記熱源側熱交換器を凝縮器として機能させると共に、前記負荷側熱交換器を蒸発器として機能させて負荷側を冷却する負荷運転を行う地中熱ヒートポンプ装置において、前記制御手段は、前記負荷運転中に、前記地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度と所定値とを比較し、前記熱媒温度が前記所定値以下の場合は、前記開閉手段を制御して地中に放熱する前記地中熱交換器の本数を減少させ、前記地中戻り温度検出手段の検出する前記熱媒温度と前記所定値とを比較し、前記熱媒温度が前記所定値より高い場合には、前記開閉手段を制御して地中に放熱する地中熱交換器の本数を増加させるものとした。

また、請求項５では、前記所定値は、前記負荷運転を最大出力で行って、前記地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度が安定した際の前記地中戻り温度検出手段で検出した熱媒温度とするものとした。

この発明の請求項１によれば、制御手段は、負荷運転中に、地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度と所定値とを比較し、熱媒温度が所定値以上の場合は、開閉手段を制御して採熱する地中熱交換器の本数を減少させ、地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度と所定値とを比較し、熱媒温度が所定値より低い場合には、開閉手段を制御して採熱する地中熱交換器の本数を増加させるので、地中の温度を地中戻り温度検出手段で監視して、常に地中の温度状態に追従した形で地中熱交換器本数増減制御が可能となり、採熱し過ぎることなく、また、採熱し足りないこともなく、最適な採熱ができ、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率を向上させることができるものである。

また、請求項２によれば、所定値は、負荷運転を最大出力で行って、地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度が安定した際の地中戻り温度検出手段で検出した熱媒温度としたので、所定値としてその土地での最適な地中戻り温度を設定できると共に、所定値に基づき採熱するのに必要な最低限の地中熱交換器本数にでき、それにより最適な採熱ができ、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率を向上させることができるものである。

また、請求項３によれば、負荷運転中に、地中往き温度検出手段の検出する熱媒温度が、熱媒の濃度に基づいて予め設定された下限温度より低くなった場合には、開閉手段を制御して採熱する地中熱交換器の本数を増加させることで、採熱量を増やして地中熱交換器に向かう地中往き温度を上昇させるので、熱媒の凍結を防止できると共に、熱媒温度低下による熱媒の粘度増大を抑え地中熱循環ポンプの動作負荷の増大を防止して、地中熱循環ポンプ１１の消費電力の増加を防止することができ、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率の低下を防止することができるものである。

また、請求項４によれば、制御手段は、負荷運転中に、地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度と所定値とを比較し、熱媒温度が所定値以下の場合は、開閉手段を制御して地中に放熱する地中熱交換器の本数を減少させ、地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度と所定値とを比較し、熱媒温度が所定値より高い場合には、開閉手段を制御して地中に放熱する地中熱交換器の本数を増加させるので、地中の温度を地中戻り温度検出手段で監視して、常に地中の温度状態に追従した形での地中熱交換器本数増減制御が可能となり、放熱し過ぎることなく、また、放熱し足りないこともなく、最適な放熱ができ、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率を向上させることができるものである。

また、請求項５によれば、所定値は、負荷運転を最大出力で行って、地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度が安定した際の地中戻り温度検出手段で検出した熱媒温度としたので、所定値としてその土地での最適な地中戻り温度を設定できると共に、所定値に基づき放熱に必要な最低限の地中熱交換器本数にでき、それにより最適な放熱ができ、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率を向上させることができるものである。

この発明の一実施形態の地中熱ヒートポンプ装置の概略構成図。 同一実施形態の負荷運転時の作動を示すフローチャート。 同一実施形態の負荷運転時の作動を示すタイムチャート。 （ａ）同一実施形態の負荷運転を給湯等に使用する湯水を加熱沸き上げする沸き上げ運転とした場合の概略図。 （ｂ）同一実施形態の負荷運転を空調用の室内機で被空調空間を暖める暖房運転とした場合の概略図。 同一実施形態における地中熱交換器を直列接続とした場合の概略図。 この発明の他の実施形態の地中熱ヒートポンプ装置の概略構成図。 同他の実施形態の負荷運転時の作動を示すフローチャート。 同他の実施形態の負荷運転時の作動を示すタイムチャート。 従来の地中熱ヒートポンプ装置の概略構成図。

次に、この発明の一実施形態の地中熱ヒートポンプ装置を図１に基づき説明する。
図示のように、本実施形態の地中熱ヒートポンプ装置は、大きく分けてヒートポンプユニット１と、地中熱交換部２と、負荷熱交換部３とから構成されるものである。

前記ヒートポンプユニット１は、冷媒を圧縮する能力可変の圧縮機４と、圧縮機４から吐出された高圧冷媒を流通させこの高圧冷媒と負荷熱交換部３の負荷側の熱媒との熱交換を行う凝縮器としての負荷側熱交換器５と、負荷側熱交換器５から流出する冷媒を減圧する減圧手段としての膨張弁６と、膨張弁６からの低圧冷媒を流通させこの低圧冷媒と地中熱交換部２の熱源側の熱媒との熱交換を行う蒸発器としての熱源側熱交換器７とを備え、これらを冷媒配管で環状に接続しヒートポンプ回路８を形成しているものである。なお、ヒートポンプユニット１の冷媒としては、二酸化炭素冷媒やＨＦＣ冷媒等の任意の冷媒を用いることができるものである。

前記地中熱交換部２は、熱源側熱交換器７と、地盤Ｇ中に埋設され互いに並列に接続された複数の地中熱交換器９と、熱源側熱交換器７と地中熱交換器９との間を循環可能に接続する地中熱循環回路１０と、地中熱循環回路１０に熱媒である不凍液を循環させる回転数可変の地中熱循環ポンプ１１と、地中熱交換器９毎に複数、ここでは４本に分岐した地中熱循環回路１０に各々設けられその開閉により地中熱交換器９毎への不凍液の供給を制御する開閉手段としての開閉弁１２（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）と、地中熱循環回路１０に設けられ地中熱循環ポンプ１１から吐出されて地中熱交換器９に流入する不凍液の温度を検出する地中往き温度検出手段としての地中往き温度センサ１３と、地中熱循環回路１０に設けられ地中熱交換器９から流出した不凍液の温度を検出する地中戻り温度検出手段としての地中戻り温度センサ１４とを備えているものである。

ここで、前記地中熱交換部２では、前記地中熱交換器９によって地盤Ｇ中から地中熱が採熱され、その熱を帯びた不凍液が地中熱循環ポンプ１１により熱源側熱交換器７に供給される。そして、熱源側熱交換器７にて冷媒と不凍液とが対向して流れて熱交換が行われ、地中熱交換器９にて採熱された地中熱がヒートポンプユニット１の冷媒側に汲み上げられ、熱源側熱交換器７は蒸発器として機能するものとなる。

前記負荷熱交換部３は、負荷端末１５側に熱を与える前記負荷側熱交換器５と、被空調空間を加熱する床暖房パネル等の負荷端末１５と、負荷側熱交換器５と負荷端末１５を循環可能に接続する負荷側循環回路１６と、負荷側循環回路１６に加熱用循環液を循環させる負荷側循環ポンプ１７と、負荷端末１５毎に分岐した負荷側循環回路１６に各々設けられその開閉により負荷端末１５への加熱用循環液の供給を制御する熱動弁１８（１８ａ、１８ｂ）とを備えているものである。

前記負荷端末１５によって加熱される被空調空間には、リモコン（図示せず）が各々設置されており、このリモコンにより被空調空間の加熱の指示がなされると、圧縮機４及び負荷側循環ポンプ１７の駆動を開始させ、負荷側熱交換器５を凝縮器として機能させて負荷側を加熱する負荷運転が行われる。前記負荷運転の際、前記負荷側熱交換器５では、冷媒と加熱用循環液とが対向して流れて熱交換が行われ、負荷側熱交換器５にて加熱された加熱用循環液は、熱動弁１８を介して負荷端末１５に送られ、リモコンにより指示を受けた被空調空間を加熱するものである。

１９は地中往き温度センサ１３、地中戻り温度センサ１４の入力を受けて、圧縮機４、膨張弁６、地中熱循環ポンプ１１、開閉弁１２等の各アクチュエータの駆動を制御するマイコンを有し制御部を構成する制御手段であり、前記負荷運転を制御するものである。

次に、図１に示す一実施形態の負荷運転時の作動について図２に示すフローチャートに基づき説明する。
前記リモコンにより負荷端末１５による被空調空間の暖房の指示がなされると、前記制御手段１９は圧縮機４、地中熱循環ポンプ１１、負荷側循環ポンプ１７の駆動を開始させると共に、開閉弁１２を全て開弁し前記負荷運転としての暖房運転が開始される。負荷側熱交換器５では負荷側循環ポンプ１７により循環される加熱用循環液と圧縮機４から吐出された高温高圧の冷媒とが熱交換され、加熱された加熱用循環液が負荷端末１５に供給され被空調空間を加熱すると共に、熱源側熱交換器７では、地中熱循環ポンプ１１により循環され地中熱交換器９を介して地中熱を採熱した不凍液と膨張弁６から吐出された低温低圧の冷媒とが熱交換され、地中熱により冷媒を加熱し蒸発させるものである。

前記暖房運転が行われ、地中往き温度センサ１３の検出する不凍液の温度、または地中戻り温度センサ１４の検出する不凍液の温度が安定したら、地中戻り温度センサ１４で不凍液の温度を検出して、制御手段１９はその時の不凍液の温度Ａを記憶し（ステップＳ１）、所定値Ｘと温度Ａの比較を行うものである（ステップＳ２）。

ここで、前記所定値Ｘは、地中熱ヒートポンプ装置施工後の試運転時等に設定するものであり、前記所定値Ｘは、圧縮機４を最大出力で駆動させて前記暖房運転を行って、地中戻り温度センサ１４の検出する不凍液の温度が安定した際の地中戻り温度センサ１４で検出した不凍液の温度とし、この時の温度を所定値Ｘとして制御手段１９は記憶するものである。なお、所定値Ｘは制御する上で±αのヒステリシスを持つものとし、αは０以上の任意の値を使用するものとする。また、前記下限温度は地中熱循環回路１０を循環する不凍液の濃度に基づいて予め設定されるものとする。

前記ステップＳ２で、制御手段１９は前記温度Ａが所定値（Ｘ＋α）以上であるか否かを判断し、温度Ａが所定値（Ｘ＋α）以上であると判断したら、開閉弁１２のうちの任意の一つを閉弁制御し、地中熱を採熱する地中熱交換器９の本数を１本減少させる（ステップＳ３）。この時、地中熱循環ポンプ１１の回転数は、開閉弁１２が開かれている地中熱交換器９に循環される地中熱交換器９の１本当たりの循環流量を一定に保つように制御されるものである。

前記ステップＳ３にて地中熱交換器９の本数を減少させたら、地中往き温度センサ１３で検出する地中往き温度または地中戻り温度センサ１４で検出する地中戻り温度が安定するまで待つか、または予め定めた所定時間待った後、地中往き温度センサ１３で不凍液の温度を検出して、制御手段１９はその時の不凍液の温度Bを記憶し（ステップＳ４）、予め設定された前記下限温度と温度Ｂとの比較し、温度Ｂが下限温度より低いか否かを判断し（ステップＳ５）、温度Ｂが下限温度より低いと判断したら、閉じている開閉弁１２のうちの任意の一つを開弁制御し、地中熱を採熱する地中熱交換器９の本数を１本増加させ（ステップＳ６）、地中往き温度センサ１３で検出する地中往き温度または地中戻り温度センサ１４で検出する地中戻り温度が安定するまで待つか、または予め定めた所定時間待った後、前記ステップＳ１の処理に戻るものである。なお、前記ステップＳ５で温度Ｂが下限温度以上であると判断したらすぐに前記ステップＳ１の処理に戻るものである。

一方、前記ステップＳ２で、制御手段１９は温度Ａが所定値（Ｘ＋α）より低いと判断したら、前記温度Ａが所定値（Ｘ−α）以上であるか否かを判断し（ステップＳ７）、温度Ａが所定値（Ｘ−α）以上であると判断したら、前記ステップＳ４の処理に進み、前記ステップＳ７で、温度Ａが所定値（Ｘ−α）より低いと判断したら、前記ステップＳ６の処理に進むものである。

なお、地中熱を採熱する地中熱交換器９を最大本数（ここでは、４本）使用している状態で暖房運転を行っている場合において、前記ステップＳ６の処理が発生したときは、そのまま地中熱交換器９を最大本数使用する状態で暖房運転を継続し、また、地中熱を採熱する地中熱交換器９を最少本数（ここでは、１本）使用している状態で暖房運転を行っている場合において、前記ステップＳ３の処理が発生したときは、そのまま地中熱交換器９を最少本数使用する状態で暖房運転を継続するものとする。

次に、図２のフローチャートで示した負荷運転を図３のタイムチャートを用いて詳細に説明する。ここで、初期条件として前記所定値Ｘを５℃、前記下限温度を０℃、前記αを０．５とし、時間ｔ０は、前記暖房運転が行われ、地中往き温度センサ１３の検出する不凍液の温度、または地中戻り温度センサ１４の検出する不凍液の温度が安定した時間とする。

まず、時間ｔ１では、制御手段１９は地中戻り温度センサ１４にて不凍液の温度を検出し、検出温度、ここでは５℃を温度Ａとして記憶し（前記ステップＳ１）、温度Ａが所定値（Ｘ＋α）以上であるか否かを判断し（前記ステップＳ２）、温度Ａ＝５℃が所定値＝５．５℃より低いので、前記ステップＳ７に進み、ステップＳ７で前記温度Ａが所定値（Ｘ−α）以上であるか否かを判断し、温度Ａ＝５℃が所定値＝４．５℃以上なので、前記ステップＳ４に進み、地中往き温度センサ１３にて不凍液の温度を検出し、検出温度、ここでは０℃を温度Ｂとして記憶し（前記ステップＳ４）、温度Ｂが予め設定された下限温度より低いか否かを判断し（前記ステップＳ５）、温度Ｂ＝０℃は下限温度＝０℃と同じなので、前記ステップＳ１の処理に戻るものである。

次に、時間ｔ２では、制御手段１９は地中戻り温度センサ１４にて不凍液の温度を検出し、検出温度、ここでは８℃を温度Ａとして記憶し（前記ステップＳ１）、温度Ａが所定値（Ｘ＋α）以上であるか否かを判断し（前記ステップＳ２）、温度Ａ＝８℃が所定値＝５．５℃以上なので、前記ステップＳ３に進み、開閉弁１２のうちの任意の一つ、例えば開閉弁１２ａを閉弁制御し、地中熱を採熱する地中熱交換器９の本数を１本減少させ、前記ステップＳ４に進み、地中往き温度センサ１３にて不凍液の温度を検出し、検出温度、ここでは４℃を温度Ｂとして記憶し（前記ステップＳ４）、温度Ｂが予め設定された下限温度より低いか否かを判断し（前記ステップＳ５）、温度Ｂ＝４℃は下限温度＝０℃より大きいので、前記ステップＳ１の処理に戻るものである。

さらに、時間ｔ３、ｔ４では、それぞれ前記ステップＳ１→前記ステップＳ２→前記ステップＳ３→前記ステップＳ４→前記ステップＳ５の順に処理を行い前記ステップＳ１の処理に戻り、時間ｔ５では、制御手段１９は地中戻り温度センサ１４にて不凍液の温度を検出し、検出温度、ここでは４．５℃を温度Ａとして記憶し（前記ステップＳ１）、温度Ａが所定値（Ｘ＋α）以上であるか否かを判断し（前記ステップＳ２）、温度Ａ＝４．５℃が所定値＝５．５℃より低いので、前記ステップＳ７に進み、前記ステップＳ７で前記温度Ａが所定値（Ｘ−α）以上であるか否かを判断し、温度Ａ＝４．５℃が所定値＝４．５℃と同じなので、前記ステップＳ４に進み、地中往き温度センサ１３にて不凍液の温度を検出し、検出温度、ここでは−１℃を温度Ｂとして記憶し（前記ステップＳ４）、温度Ｂが予め設定された下限温度より低いか否かを判断し（前記ステップＳ５）、温度Ｂ＝−１℃は下限温度＝０℃より低いので、前記ステップＳ６の処理に進み、前記ステップＳ６で開閉弁１２のうちの任意の一つ、例えば開閉弁１２ａを開弁制御し、地中熱を採熱する地中熱交換器９の本数を１本増加させ、前記ステップＳ１の処理に戻るものである。

同様に、時間ｔ６では、前記ステップＳ１→前記ステップＳ２→前記ステップＳ７→前記ステップＳ４→前記ステップＳ５の順に処理を行い前記ステップＳ１の処理に戻り、時間ｔ７では、制御手段１９は地中戻り温度センサ１４にて不凍液の温度を検出し、検出温度、ここでは４℃を温度Ａとして記憶し（前記ステップＳ１）、温度Ａが所定値（Ｘ＋α）以上であるか否かを判断し（前記ステップＳ２）、温度Ａ＝４℃が所定値＝５．５℃より低いので、前記ステップＳ７に進み、ステップＳ７で前記温度Ａが所定値（Ｘ−α）以上であるか否かを判断し、温度Ａ＝４℃が所定値＝４．５℃より低いので、前記ステップＳ６に進み、前記ステップＳ６で開閉弁１２のうちの任意の一つ、例えば開閉弁１２ｂを開弁制御し、地中熱を採熱する地中熱交換器９の本数を１本増加させ、前記ステップＳ１の処理に戻るものである。

以上説明した負荷運転としての暖房運転において、前記ステップＳ２で、暖房運転中に、地中戻り温度センサ１４の検出する不凍液の温度と所定値とを比較し、検出した不凍液の温度が所定値以上の場合は、前記ステップＳ３で、開閉弁１２を制御して採熱する地中熱交換器９の本数を減少させ、且つ地中熱循環ポンプ１１の回転数を、開閉弁１２が開かれている地中熱交換器９に循環される地中熱交換器９の１本当たりの循環流量を一定に保つように制御させることで、負荷に対して採熱し過ぎることなく最適な採熱ができると共に、地中熱循環ポンプ１１の動作負荷を低減させ地中熱循環ポンプ１１の消費電力を低下させることができ、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率を向上させることができるものである。また、前記ステップＳ７で、地中戻り温度センサ１４の検出する不凍液の温度と所定値とを比較し、検出した不凍液の温度が所定値より低い場合には、前記ステップＳ６で、開閉弁１２を制御して採熱する地中熱交換器９の本数を増加させるようにしたことで、負荷に対して採熱量が不足することなく最適な採熱ができるものである。従って、前記ステップＳ２及び前記ステップＳ７により、地盤Ｇ中の温度を地中戻り温度センサ１４で監視して、常に地盤Ｇ中の温度状態に追従した形での地中熱交換器９の本数増減制御が可能となり、採熱し過ぎることなく、また、採熱し足りないこともなく、最適な採熱ができ、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率を向上させることができるものである。

また、前記所定値を、圧縮機４を最大出力で駆動させて前記暖房運転を行って、地中戻り温度センサ１４の検出する不凍液の温度が安定した際の地中戻り温度センサ１４で検出した不凍液の温度としたことで、所定値は必要とされる採熱量を確保できる基準となるので、所定値としてその土地での最適な地中戻り温度を設定できると共に、所定値に基づき採熱に必要な最低限の地中熱交換器９の本数にでき、それにより最適な採熱ができると共に、地中熱循環ポンプ１１の回転数を、地中熱交換器９の１本当たりの循環流量を一定に保つように制御させるので、地中熱循環ポンプ１１の動作負荷を低減させ地中熱循環ポンプ１１の消費電力を低下させることができ、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率を向上させることができるものである。

また、暖房運転中に、前記ステップＳ５で地中往き温度センサ１３の検出する不凍液の温度が、不凍液の濃度に基づいて予め設定された下限温度より低くなった場合には、前記ステップＳ６で開閉弁１２を制御して採熱する地中熱交換器９の本数を増加させている。ここで、不凍液の濃度に基づいて予め設定した下限温度を超えて不凍液の温度が低下すると、不凍液が凍結するおそれがあり、また、不凍液の粘度が大きくなり圧力損失が大きくなって地中熱循環ポンプ１１の動作負荷が増大するため、地中熱交換器９へ循環させるのに必要な循環流速を保とうとしたら地中熱循環ポンプ１１を目標回転数で回転させるための消費電力が増大し、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率を低下させることになってしまう。よって、地中往き温度センサ１３の検出する不凍液の温度が予め設定された下限温度より低くなった場合には、開閉弁１２を制御して採熱する地中熱交換器９の本数を増加させることで、採熱量を増やして熱源側熱交換器７から地中熱交換器９に向かう地中往き温度を上昇させるので、不凍液の凍結を防止できると共に、不凍液の温度低下による粘度増大を抑え地中熱循環ポンプ１１の動作負荷の増大を防止して、地中熱循環ポンプ１１の消費電力の増加を防止することができ、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率の低下を防止することができるものである。

なお、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、前記ステップＳ３にて地中熱交換器９の本数を減少させたら、地中往き温度センサ１３で検出する地中往き温度または地中戻り温度センサ１４で検出する地中戻り温度が安定するまで待つか、または予め定めた所定時間待った後、前記ステップＳ４で地中往き温度センサ１３で不凍液の温度を検出して、前記ステップＳ５で予め設定された前記下限温度と温度Ｂとの比較したが、常時、地中往き温度センサ１３にて検出する不凍液の温度を監視して、前記下限温度を下回った時点で、すぐに採熱する地中熱交換器９を１本増加するような制御にしてもよい。そうすることで、常に、不凍液の温度低下による粘度増大を防ぐので、地中熱循環ポンプ１１の動作負荷の増大を防止することができ、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率の低下を防止することができるものである。

また、本実施形態では、床暖房パネル等の負荷端末１５により被空調空間である室内を加熱する暖房運転時に本発明の制御を適用したが、図４（ａ）に示すように、負荷端末１５が給湯等に使用する湯水を貯湯する貯湯タンク２０であり、負荷運転として貯湯タンク２０内の湯水を沸き上げる沸き上げ運転に本発明の制御を適用してもよいものであり、また、図４（ｂ）に示すように、負荷運転として空調用の室内機２１による暖房運転に本発明の制御を適用してもよいものであり、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な変形が可能であり、これを妨げるものではない。

また、本実施形態では、地中に埋設された複数の地中熱交換器９は互いに並列に接続されているものにおいて、地盤Ｇ中から採熱する地中熱交換器９の本数を増減させる制御を適用したが、図５に示すように複数の地中熱交換器９を互いに直列に接続し、開閉手段としての三方弁２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）及びバイパス回路２３（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ）を設けたものにおいて、地中戻り温度センサ１４の検出する不凍液の温度に基づき、三方弁２２の切替による開閉により地中熱交換器９毎への不凍液の供給を制御して、地盤Ｇ中から採熱する地中熱交換器９の本数を増減させる制御を適用してもよいものであり、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な変形が可能であり、これを妨げるものではない。

次に、図６に示す他の実施形態について説明するが、この実施形態は先に説明した一実施形態と同じ構成についての説明は省略し、相違点についてのみ説明すると、負荷熱交換部３が空調用の室内機２１で、被空調空間を冷却するものであり、室内機２１によって冷却される被空調空間には、リモコン（図示せず）が設置されており、このリモコンにより被空調空間の冷却の指示がなされると、圧縮機４の駆動を開始させ、負荷側熱交換器５を蒸発器として機能させて負荷側を冷却する負荷運転が行われる。負荷運転の際、負荷側熱交換器５では、膨張弁６から吐出された低温低圧の冷媒と被空調空間の空気とで熱交換が行われ、負荷側熱交換器５にて冷却された空気は被空調空間に送られ、リモコンにより指示を受けた被空調空間を冷却するものである。

ここで、前記負荷運転中の際、前記地中熱交換部２の熱源側熱交換器７では、圧縮機４から吐出された高温高圧の冷媒と地中熱循環ポンプ１１の駆動により地中熱循環回路１０を循環する不凍液とが対向して流れて熱交換が行われ、熱源側熱交換器７を凝縮器として機能させて地中熱交換部２側に熱を与え、その熱を帯びた不凍液が開閉弁１２を介して地中熱交換器９に供給され、地中熱交換器９により地盤Ｇ中に放熱されるものである。

次に、図６に示す他の実施形態の負荷運転時の作動について図７に示すフローチャートに基づき説明する。
前記リモコンにより被空調空間の冷房の指示がなされると、前記制御手段１９は圧縮機４、地中熱循環ポンプ１１の駆動を開始させると共に、開閉弁１２を全て開弁し前記負荷運転としての冷房運転が開始される。負荷側熱交換器５では被空調空間の空気と膨張弁６から吐出された低温低圧の冷媒とが熱交換され、冷却された被空調空間の空気が被空調空間に供給され被空調空間を冷却すると共に、熱源側熱交換器７では、圧縮機４から吐出された高温高圧の冷媒と地中熱循環ポンプ１１により循環された不凍液とが熱交換され、その熱を帯びた不凍液が開閉弁１２を介して地中熱交換器９に供給され、地中熱交換器９により地盤Ｇ中に放熱されるものである。

前記冷房運転が行われ、地中往き温度センサ１３の検出する不凍液の温度、または地中戻り温度センサ１４の検出する不凍液の温度が安定したら、地中戻り温度センサ１４で不凍液の温度を検出して、制御手段１９はその時の不凍液の温度Ｃを記憶し（ステップＳ８）、所定値Ｙと温度Ｃの比較を行うものである（ステップＳ９）。

ここで、前記所定値Ｙは、地中熱ヒートポンプ装置施工後の試運転時等に設定するものであり、前記所定値Ｙは、圧縮機４を最大出力で駆動させて前記冷房運転を行って、地中戻り温度センサ１４の検出する不凍液の温度が安定した際の地中戻り温度センサ１４で検出した不凍液の温度とし、この時の温度を所定値Ｙとして制御手段１９は記憶するものである。なお、所定値Ｙは制御する上で±βのヒステリシスを持つものとし、βは０以上の任意の値を使用するものとする。

前記ステップＳ９で、制御手段１９は前記温度Ｃが所定値（Ｙ−β）以下であるか否かを判断し、温度Ｃが所定値（Ｙ＋β）以下であると判断したら、開閉弁１２のうちの任意の一つを閉弁制御し、地盤Ｇ中に放熱する地中熱交換器９の本数を１本減少させる（ステップＳ１０）。この時、地中熱循環ポンプ１１の回転数は、開閉弁１２が開かれている地中熱交換器９に循環される地中熱交換器９の１本当たりの循環流量を一定に保つように制御されるものである。

前記ステップＳ１０にて地中熱交換器９の本数を減少させたら、地中往き温度センサ１３で検出する地中往き温度または地中戻り温度センサ１４で検出する地中戻り温度が安定するまで待つか、または予め定めた所定時間待った後、前記ステップＳ８の処理に戻るものである。

一方、前記ステップＳ９で、制御手段１９は温度Ｃが所定値（Ｙ−β）より高いと判断したら、前記温度Ｃが所定値（Ｙ＋β）以下であるか否かを判断し（ステップＳ１１）、温度Ｃが所定値（Ｙ＋β）以下であると判断したら、前記ステップＳ８の処理に戻り、前記ステップＳ１１で、温度Ｃが所定値（Ｙ＋β）より高いと判断したら、閉じている開閉弁１２のうちの任意の一つを開弁制御し、地盤Ｇ中に放熱させる地中熱交換器９の本数を１本増加させ（ステップＳ１２）、地中往き温度センサ１３で検出する地中往き温度または地中戻り温度センサ１４で検出する地中戻り温度が安定するまで待つか、または予め定めた所定時間待った後、前記ステップＳ８の処理に戻るものである。

なお、地盤Ｇ中に放熱する地中熱交換器９を最大本数（ここでは、４本）使用している状態で冷房運転を行っている場合において、前記ステップＳ１２の処理が発生したときは、そのまま地中熱交換器９を最大本数使用する状態で冷房運転を継続し、また、地盤Ｇ中に放熱する地中熱交換器９を最少本数（ここでは、１本）使用している状態で冷房運転を行っている場合において、前記ステップＳ１０の処理が発生したときは、そのまま地中熱交換器９を最少本数使用する状態で冷房運転を継続するものとする。

次に、図７のフローチャートで示した負荷運転を図８のタイムチャートを用いて詳細に説明する。ここで、初期条件として前記所定値Ｙを１５℃、前記βを０．５とし、時間ｔ０は、前記冷房運転が行われ、地中往き温度センサ１３の検出する不凍液の温度、または地中戻り温度センサ１４の検出する不凍液の温度が安定した時間とする。

まず、時間ｔ１では、制御手段１９は地中戻り温度センサ１４にて不凍液の温度を検出し、検出温度、ここでは１５℃を温度Ｃとして記憶し（前記ステップＳ８）、温度Ｃが所定値（Ｙ−β）以下であるか否かを判断し（前記ステップＳ９）、温度Ｃ＝１５℃が所定値＝１４．５℃より高いので、前記ステップＳ１１に進み、ステップＳ１１で前記温度Ｃが所定値（Ｙ＋β）以下であるか否かを判断し、温度Ｃ＝１５℃が所定値＝１５．５℃以下なので、前記ステップＳ８の処理に戻るものである。

次に、時間ｔ２では、制御手段１９は地中戻り温度センサ１４にて不凍液の温度を検出し、検出温度、ここでは１２℃を温度Ｃとして記憶し（前記ステップＳ８）、温度Ｃが所定値（Ｙ−β）以下であるか否かを判断し（前記ステップＳ９）、温度Ｃ＝１２℃が所定値＝１４．５℃以下なので、前記ステップＳ１０に進み、開閉弁１２のうちの任意の一つ、例えば開閉弁１２ａを閉弁制御し、地盤Ｇ中に放熱する地中熱交換器９の本数を１本減少させ、例えば、予め定めた所定時間待った後、前記ステップＳ８の処理に戻るものである。

さらに、時間ｔ３、ｔ４では、それぞれ前記ステップＳ８→前記ステップＳ９→前記ステップＳ１０の順に処理を行い前記ステップＳ８の処理に戻り、時間ｔ５では、制御手段１９は地中戻り温度センサ１４にて不凍液の温度を検出し、検出温度、ここでは１７℃を温度Ｃとして記憶し（前記ステップＳ８）、温度Ｃが所定値（Ｙ−β）以下であるか否かを判断し（前記ステップＳ９）、温度Ｃ＝１７℃が所定値＝１４．５℃より高いので、前記ステップＳ１１に進み、前記ステップＳ１１で前記温度Ｃが所定値（Ｙ＋β）以下であるか否かを判断し、温度Ｃ＝１７℃が所定値＝１５．５℃より高いので、前記ステップＳ１２の処理に進み、前記ステップＳ１２で開閉弁１２のうちの任意の一つ、例えば開閉弁１２ａを開弁制御し、地盤Ｇ中に放熱する地中熱交換器９の本数を１本増加させ、前記ステップＳ８の処理に戻るものである。

同様に、時間ｔ６では、前記ステップＳ８→前記ステップＳ９→前記ステップＳ１１の順に処理を行い前記ステップＳ８の処理に戻り、時間ｔ７では、制御手段１９は地中戻り温度センサ１４にて不凍液の温度を検出し、検出温度、ここでは１７℃を温度Ｃとして記憶し（前記ステップＳ８）、温度Ｃが所定値（Ｙ−β）以下であるか否かを判断し（前記ステップＳ９）、温度Ｃ＝１７℃が所定値＝１４．５℃より高いので、前記ステップＳ１１に進み、ステップＳ１１で前記温度Ｃが所定値（Ｙ＋β）以下であるか否かを判断し、温度Ｃ＝１７℃が所定値＝１５．５℃より高いので、前記ステップＳ１２に進み、前記ステップＳ１２で開閉弁１２のうちの任意の一つ、例えば開閉弁１２ｂを開弁制御し、地盤Ｇ中に放熱する地中熱交換器９の本数を１本増加させ、前記ステップＳ８の処理に戻るものである。

以上説明した負荷運転としての冷房運転において、前記ステップＳ９で、冷房運転中に、地中戻り温度センサ１４の検出する不凍液の温度と所定値とを比較し、検出した不凍液の温度が所定値以下の場合は、前記ステップＳ１０で、開閉弁１２を制御して地盤Ｇ中に放熱する地中熱交換器９の本数を減少させ、且つ地中熱循環ポンプ１１の回転数を、開閉弁１２が開かれている地中熱交換器９に循環される地中熱交換器９の１本当たりの循環流量を一定に保つように制御させることで、負荷に対して地盤Ｇ中に放熱し過ぎることなく最適な放熱ができると共に、地中熱循環ポンプ１１の動作負荷を低減させ地中熱循環ポンプ１１の消費電力を低下させることができ、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率を向上させることができるものである。また、前記ステップＳ１１で、地中戻り温度センサ１４の検出する不凍液の温度と所定値とを比較し、検出した不凍液の温度が所定値より高い場合には、前記ステップＳ１２で、開閉弁１２を制御して採熱する地中熱交換器９の本数を増加させるようにしたことで、負荷に対して放熱量が不足することなく最適な放熱ができるものである。従って、前記ステップＳ９及び前記ステップＳ１１により、地盤Ｇ中の温度を地中戻り温度センサ１４で監視して、常に地盤Ｇ中の温度状態に追従した形での地中熱交換器９の本数増減制御が可能となり、放熱し過ぎることなく、また、放熱し足りないこともなく、最適な放熱ができ、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率を向上させることができるものである。

また、前記所定値を、圧縮機４を最大出力で駆動させて前記冷房運転を行って、地中戻り温度センサ１４の検出する不凍液の温度が安定した際の地中戻り温度センサ１４で検出した不凍液の温度としたことで、所定値は必要とされる放熱量を確保できる基準となるので、所定値としてその土地での最適な地中戻り温度を設定できると共に、所定値に基づき放熱に必要な最低限の地中熱交換器９の本数にでき、それにより最適な放熱ができると共に、地中熱循環ポンプ１１の回転数を、地中熱交換器９の１本当たりの循環流量を一定に保つように制御させるので、地中熱循環ポンプ１１の動作負荷を低減させ地中熱循環ポンプ１１の消費電力を低下させることができ、総合的な地中熱ヒートポンプ装置の効率を向上させることができるものである。

なお、本実施形態では、室内機２１の負荷側熱交換器５にて膨張弁６から吐出された冷媒と被空調空間の空気とで直接熱交換して被空調空間を冷却する冷房運転をするものにおいて、本発明の制御を適用したものであるが、本発明は上記の他の実施形態に限定されるものではなく、負荷熱交換部３を熱媒循環式のものとして、負荷側熱交換器５で膨張弁６から吐出された冷媒と負荷熱交換部３側の熱媒とで熱交換して、負荷熱交換部３側の熱媒を循環させて負荷端末により被空調空間である室内を冷却する冷房運転を行うものにおいても、本発明の制御を適用してもよいものであり、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な変形が可能であり、これを妨げるものではない。

また、本実施形態では、地中に埋設された複数の地中熱交換器９は互いに並列に接続されているものにおいて、地盤Ｇ中から採熱する地中熱交換器９の本数を増減させる制御を適用したが、上述した図５に示すように複数の地中熱交換器９を互いに直列に接続し、開閉手段としての三方弁２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）及びバイパス回路２３（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ）を設けたものにおいて、三方弁２２の切替による開閉により地中熱交換器９毎への不凍液の供給を制御して、地盤Ｇ中に放熱する地中熱交換器９の本数を増減させる制御を適用してもよいものであり、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な変形が可能であり、これを妨げるものではない。

４ 圧縮機
５ 負荷側熱交換器
６ 減圧手段（膨張弁）
７ 熱源側熱交換器
８ ヒートポンプ回路
９ 地中熱交換器
１０ 地中熱循環回路
１１ 地中熱循環ポンプ
１２ 開閉手段（開閉弁）
１３ 地中往き温度検出手段（地中往き温度センサ）
１４ 地中戻り温度検出手段（地中戻り温度センサ）
１９ 制御手段

Claims (5)

1. 圧縮機、負荷側熱交換器、減圧手段、熱源側熱交換器を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路と、地中に埋設され互いに並列または直列に接続された複数の地中熱交換器と、該地中熱交換器と前記熱源側熱交換器との間を循環可能に接続する地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に熱媒を循環させる地中熱循環ポンプと、前記地中熱交換器毎への熱媒供給を制御する開閉手段と、前記地中熱交換器に流入する熱媒の温度を検出する地中往き温度検出手段、前記地中熱交換器から流出した熱媒の温度を検出する地中戻り温度検出手段と、これらの作動を制御する制御手段とを備え、前記地中熱交換器により地中熱を採熱し、前記熱源側熱交換器を蒸発器として機能させると共に、前記負荷側熱交換器を凝縮器として機能させて負荷側を加熱する負荷運転を行う地中熱ヒートポンプ装置において、前記制御手段は、前記負荷運転中に、前記地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度と所定値とを比較し、前記熱媒温度が前記所定値以上の場合は、前記開閉手段を制御して採熱する前記地中熱交換器の本数を減少させ、前記地中戻り温度検出手段の検出する前記熱媒温度と前記所定値とを比較し、前記熱媒温度が前記所定値より低い場合には、前記開閉手段を制御して採熱する前記地中熱交換器の本数を増加させるようにした地中熱ヒートポンプ装置。
2. 前記所定値は、前記負荷運転を最大出力で行って、前記地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度が安定した際の前記地中戻り温度検出手段で検出した熱媒温度とすることを特徴とする請求項１記載の地中熱ヒートポンプ装置。
3. 前記負荷運転中に、前記地中往き温度検出手段の検出する熱媒温度が、前記熱媒の濃度に基づいて予め設定された下限温度より低くなった場合には、前記開閉手段を制御して採熱する前記地中熱交換器の本数を増加させるようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の地中熱ヒートポンプ装置。
4. 圧縮機、負荷側熱交換器、減圧手段、熱源側熱交換器を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路と、地中に埋設され互いに並列または直列に複数接続された地中熱交換器と、該地中熱交換器と前記熱源側熱交換器との間を循環可能に接続する地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に熱媒を循環させる地中熱循環ポンプと、前記地中熱交換器毎への熱媒供給を制御する開閉手段と、前記地中熱交換器に流入する熱媒の温度を検出する地中往き温度検出手段、前記地中熱交換器から流出した熱媒の温度を検出する地中戻り温度検出手段と、これらの作動を制御する制御手段とを備え、前記地中熱交換器により地中に放熱し、前記熱源側熱交換器を凝縮器として機能させると共に、前記負荷側熱交換器を蒸発器として機能させて負荷側を冷却する負荷運転を行う地中熱ヒートポンプ装置において、前記制御手段は、前記負荷運転中に、前記地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度と所定値とを比較し、前記熱媒温度が前記所定値以下の場合は、前記開閉手段を制御して地中に放熱する前記地中熱交換器の本数を減少させ、前記地中戻り温度検出手段の検出する前記熱媒温度と前記所定値とを比較し、前記熱媒温度が前記所定値より高い場合には、前記開閉手段を制御して地中に放熱する地中熱交換器の本数を増加させるようにした地中熱ヒートポンプ装置。
5. 前記所定値は、前記負荷運転を最大出力で行って、前記地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度が安定した際の前記地中戻り温度検出手段で検出した熱媒温度とすることを特徴とする請求項４記載の地中熱ヒートポンプ装置。

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