JP2010216770A

JP2010216770A - 空気調和装置

Info

Publication number: JP2010216770A
Application number: JP2009066815A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yamaguchi; 山口　　広一
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】本発明は、コストを小さく抑えつつ充分な熱量を採取できるとともに、地中熱交換器に不具合が生じても空調能力への影響を小さく抑えることができる空気調和装置を提供する。
【解決手段】空気調和装置１０は、圧縮機１と、四方弁２と、室内熱交換器３と、膨張弁４と、室外熱交換器５と、地中熱利用熱交換器６とを備える冷凍サイクル３０と、地中１１に埋没された基礎杭１６内に設けられる地中熱交換器７と、地中熱交換器７と地中熱利用熱交換器６との間に設けられるとともに、地中熱利用熱交換器６と地中熱交換器７との間で熱媒体Ｈを循環可能な流体回路２２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、地熱を利用する空気調和装置に関する。

に関する

地熱を利用する空気調和装置が提案されている。この種の空気調和装置は、地中熱交換器を備えている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、地中熱交換器が唯一の熱源となっている。また、地中熱交換器から地中熱をくみ上げるために、言い換えると、地中熱交換器で用いられる熱媒体を流動させるために、ポンプが用いられている。

また、地中との間で熱交換をする熱交換器と、空気との間で熱交換をする熱交換器とを備え、これらの熱交換器を切り換えることができる空気調和装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特許文献１，２に開示される空気調和装置においては、地中に埋められる地中熱交換器は、空調負荷をまかなえるように設定される必要がある。この設定は、具体的には、地中深さなどである。しかしながら、地中熱交換器を地中に埋めるべく地面を掘削する場合、掘削深さに比例してコストが高くなる。このため、空調負荷をまかなえるように充分な深さに地中熱交換器を埋める場合、コストが高くなる傾向にある。

また、特許文献１に開示される空気調和装置では、地中熱をくみあげるポンプが故障すると、冷凍サイクルが機能できなくなる。特許文献２に開示される空気調和装置においては、地中側に不具合が生じてその結果採取熱量が低下した場合、空調負荷をまかなうために空気と熱交換を行う熱交換器が用いられる、その場合では地中熱交換器を用いることができなくなる。

このように、特許文献１，２に開示される空気調和装置においては、コストが高くなるとともに、ポンプの不具合や地中側の不具合によっては地中熱交換器を利用できなくなり、それゆえ、空気調和装置の空調能力に影響を与えてしまうことが考えられる。

特開２００５−４８９７２号公報特開２００７−１７８００８号公報

地中熱交換器を備える空気調和装置において、住宅用の基礎杭を利用する技術が提案されている。地中に埋められる基礎杭を利用することによって、地中熱交換器を地中に埋める際にコストを、小さく抑えることができる。

しかしながら、基礎杭の本数は住宅によって決定されるとともに、基礎杭は充分な深さに埋められるものではない。このため、基礎杭を利用して地中熱交換器を地中に埋める構成においては、充分な熱量を採取できないことが考えられる。

また、基礎杭内に地中熱交換器を挿入するため、地中熱交換器に不具合が生じても地中熱交換器を交換することができない。

このように、住宅用の基礎杭を利用して地中熱を採取する空気調和装置においてはコストを小さくすることができるが、充分な熱量を採取できないとともに、地中熱交換器に不具合が生じると空気調和装置の空調能力に影響を与えてしまうことが考えられる。

本発明の目的は、コストを小さく抑えつつ充分な熱量を採取できるとともに、地中熱交換器に不具合が生じても空調能力への影響を小さく抑えることができる空気調和装置を提供することである。

請求項１に記載の空気調和装置は、冷凍サイクルと、地中熱交換器と、流体回路とを備える。冷凍サイクルは、圧縮機に順次四方弁と室内熱交換器と膨張装置と室外熱交換器と地中熱利用熱交換器とが接続されて構成されるとともに内部を冷媒が流動可能である。前記地中熱交換器は、地中に埋没された杭内に設けられる。前記流体回路は、前記地中熱交換器と前記地中熱利用熱交換器との間に設けられるとともに、前記地中熱利用熱交換器と前記地中熱交換器との間で熱媒体を循環可能である。

本発明は、コストを小さく抑えつつ充分な熱量を採取できるとともに、地中熱交換器に不具合が生じても空調能力への影響を小さく抑えることができる空気調和装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る空気調和装置を概略的に示す概略図。本発明の第２の実施形態に係る空気調和装置のポンプ流量を示すグラフ本発明の第３の実施形態に係る空気調和装置を概略的に示す概略図。

本発明の第１の実施形態に係る空気調和装置を、図１を用いて説明する。図１は、空気調和装置１０を示す概略図である。空気調和装置１０は、一例として、住宅１５に設けられている。住宅１５は、基礎杭１６を備えている。基礎杭１６は、住宅１５を建設する際に用いられ杭であって、地中１１に埋められている。基礎杭１６は、複数設けられてもよい。なお、図中では、一例として基礎杭１６を１つ示している。基礎杭１６は、本発明で言う杭の一例である。

図１に示すように、空気調和装置１０は、順次、冷媒管９を介して接続された圧縮機１と、四方弁２と、室内熱交換器３と、膨張弁４と、室外熱交換器５と、地中熱利用熱交換器６とからなる冷凍サイクル３０と、地中熱交換器７と、前記地中熱利用熱交換器６と前記地中熱交換器７間に熱媒体を循環させる流体回路２２とを備えている。膨張弁４は、本発明で言う膨張装置の一例である。

本実施形態では、一例として、室内熱交換器３が住宅１５の室内に設けられており、他の機器が室外に設けられている。

冷凍サイクル３０中を冷媒Ｌが流動する。冷凍サイクル３０は、四方弁２を切換えることによって、冷房運転と暖房運転が可能である。図中、冷房運転時の冷媒Ｌの流れを１点鎖線の矢印で示し、暖房運転時の冷媒Ｌの流れを２点鎖線の矢印で示す。

地中熱交換器７は、基礎杭１６内に設けられている。地中熱交換器７と地中熱利用熱交換器６とは、流体回路２２を介して連結されている。流体回路２２は、流路部２１と、ポンプ８とを備えている。流路部２１は、内部を熱媒体Ｈが流動するとともに、当該熱媒体Ｈを、地中熱交換器７と地中熱利用熱交換器６との間で循環させている。ポンプ８は、流路部２１に設けられており、流体回路２２中に熱媒体Ｈを循環させる。ポンプ８は、例えば制御装置２３に接続されており、当該制御装置２３の制御によって、流体回路２２中の熱媒体Ｈの流量を調整する。

熱媒体Ｈは、地中熱交換器７内を流動する際に、基礎杭１６内の土や砂などとの間で熱交換を行うことにより、周囲の地中に対し吸放熱を行う。熱媒体Ｈは、地中熱利用熱交換器６内を流動する際に、冷媒Ｌと熱交換を行う。

つぎに、空気調和装置１０の動作を説明する。まず、空気調和装置１０の冷房運転を説明する。冷房運転時には、圧縮機１から流出した高温高圧のガス冷媒Ｌは、四方弁２を通った後、地中熱利用熱交換器６に導かれる。冷媒Ｌは、地中熱利用熱交換器６内を流動する際に、当該地中熱利用熱交換器６内で熱媒体Ｈとの間で熱交換が行われる。この結果、冷媒Ｌの一部が凝縮する。

ついで、地中熱利用熱交換器６を通過した冷媒Ｌは、室外熱交換器５に導かれる。室外熱交換器５に導かれた冷媒Ｌは、凝縮が完了される。室外熱交換器５を出た冷媒Ｌは、ついで、膨張弁４に導かれる。冷媒Ｌは、膨張弁４によって低温低圧状態になり、ついで室内熱交換器３に導かれる。

冷媒Ｌは、室内熱交換器３内で蒸発して室内の空気と熱交換し、それゆえ、住室内を冷房する。室内熱交換器３を通過した冷媒Ｌは、圧縮機１に戻る。

冷房運転では、冷媒Ｌは、地中熱利用熱交換器６で一部が凝縮されるので室外熱交換器５での凝縮割合を少なくすることができる。この結果、室外熱交換器５での凝縮温度が低下するので、空気調和装置１０の消費エネルギ量を小さく抑えることができる。

ついで、空気調和装置１０の暖房運転を説明する。圧縮機１から出た冷媒Ｌは、四方弁２を通った後、室内熱交換器３に導かれる。冷媒Ｌは、室内熱交換器３内で凝縮して室内の空気と熱交換を行い、室内を暖房する。室内熱交換器３を出た冷媒Ｌは、ついで、膨張弁４に導かれる。

膨張弁４に導かれた冷媒Ｌは、膨張弁４を経て低温低圧状態となる。膨張弁４を通過した冷媒Ｌは、ついで、室外熱交換器５に導かれる。冷媒Ｌは、室外熱交換器５内で一部蒸発した後、地中熱利用熱交換器６に導かれる。冷媒Ｌは、地中熱利用熱交換器６内を通過する際に熱媒体Ｈとの間で熱交換され、その結果、蒸発が完了される。

地中熱利用熱交換器６を利用して冷媒Ｌを蒸発することができるため、膨張弁４の開度を大きくして冷媒Ｌの蒸発圧力（蒸発温度）を大きくしても、室外熱交換器５と地中熱利用熱交換器６との両方を用いることによって冷媒Ｌを全て蒸発させることができる。冷媒Ｌの蒸発温度を高くすると、室外熱交換器５で熱交換する冷媒Ｌと空気との温度が小さくなり、このため、室外熱交換器５での熱交換量が減少して室外熱交換器５での蒸発割合が小さくなる。

地中熱利用熱交換器６で蒸発が完了された冷媒Ｌは、四方弁２を通り、圧縮機１に戻る。

暖房運転では、膨張弁４の開度を大きくして冷媒の蒸発圧力を高くできるので、圧縮機１に戻った冷媒Ｌの圧力と、圧縮機１によって圧縮されて排出される冷媒Ｌの圧力との差が小さくなる。このため、圧縮機１の仕事量を小さくできるので、空気調和装置１０が消費するエネルギ量を小さくすることができる。

このように構成される空気調和装置１０では、住宅１５用の基礎杭１６を利用するので、地中熱交換器７を地中１１に埋める際のコストを小さくすることができる。また、室外熱交換器５と地中熱利用熱交換器６とが直列接続されているので、住宅１５用の基礎杭１６に設けられる地中熱交換器７と地中熱利用熱交換器６とからなる地中熱利用システムによる地中熱の採取量が小さい場合でも、室外熱交換器５を同時に用いるので、必要な空調負荷を確保することができる。なお、ここで言う空調負荷とは、住宅１５の室内を所望の温度にするために必要な熱量を示している。

また、地中熱交換器７に不具合が生じた場合であっても（複数の基礎杭１６が用いられてこれら基礎杭１６内に地中熱交換器７が設けられる場合は、これら複数の基礎杭１６のうちいずれかに設けられる地中熱交換器７に不具合が生じる場合も含む）、室外熱交換器５を同時に用いているので、空調負荷に影響を与えることがなく空調運転（冷房運転、暖房運転）を継続することができる。

また、膨張弁４と地中熱利用熱交換器６との間に室外熱交換器５が設置される構成であるので、暖房運転の低負荷時では、空気調和装置１０の運転の信頼性を確保することができる。この点について具体的に説明する。

暖房運転の低負荷時では、室外熱交換器５で熱交換の対象とされる空気（外気）の温度は、冷媒Ｌの蒸発温度よりも低くなることがある。このような場合では、膨張弁４と室外熱交換器５と間に地中熱利用熱交換器６が設置される構成であると、地中熱利用熱交換器６で蒸発した冷媒Ｌが室外熱交換器５で再び凝縮した後、圧縮機１に戻ることが考えられる。

これに対して、本願の構成では、膨張弁４と地中熱利用熱交換器６との間に室外熱交換器５が配置されるので、室外熱交換器５の下流に地中熱利用熱交換器６が配置されることになる。地中１１と熱交換をする熱媒体Ｈの温度は、冷媒Ｌの蒸発温度よりも低くなりにくいので、地中熱利用熱交換器６を通過した冷媒Ｌが再び凝縮することが抑制される。この結果、空気調和装置１０の運転の信頼性を確保することができる。

つぎに、本発明の第２の実施形態に係る空気調和装置を、図２を用いて説明する。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する構成は同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態の空気調和装置１０の構成は、第１の実施形態の空気調和装置１０と同じであってよい。本実施形態では、流体回路２２のポンプ８の動作が第１の実施形態と異なる。他の動作は第１の実施形態と同様であってよい。上記異なる点について具体的に説明する。

図２は、ポンプ８の動作を制御する際に用いられるマップＭである。制御装置２３は、ポンプ８をマップＭにしたがって制御する。制御装置２３は、要求される空調負荷のデータが入力されるようになっている。例えば、室内に設置されるリモコンによる室内の所望温度（人によって入力される設定温度）などのデータが制御装置２３に入力される。制御装置２３は、これらのデータから要求される空調負荷を得るとともにマップＭより当該空調負荷に対応するポンプ流量を算出し、当該ポンプ流量が得られるようにポンプ８を制御する。

マップＭは、空調負荷に対応するポンプ流量（ポンプ８の動作による熱媒体Ｈの流量）を示している。マップＭでは、横軸が空調負荷を示している。図中右側に進むにつれて空調負荷が大きくなる。縦軸は、ポンプ流量を示している。図中上方に進むにつれて熱媒体Ｈの流量が増加する。

ポンプ流量が多くなるにつれて、ポンプ８で消費されるエネルギ量は多くなる。マップＭで示されるポンプ流量とは、当該ポンプ流量を確保するためにポンプ８で消費されるエネルギ量（例えば電力）が、地中熱を用いることによるポンプ８以外での消費エネルギの減少分（例えば第１の実施形態で説明した圧縮機１での消費エネルギの減少分など）よりも小さくなるように設定されている。

図２に示されるマップＭにしたがってポンプ８が動作されることによって、ポンプ８で消費されるエネルギ量は、地中熱を用いることによるポンプ８以外での消費エネルギ量の減少分よりも小さくなる。

本実施形態では、マップＭにしたがってポンプ流量を制御つまり可変（本発明で言う流体回路の流量を可変とすること）とすることによって、第１の実施形態の効果に加えて、空気調和装置１０で消費されるエネルギ量を効果的に小さくするとこができる。

つぎに、本発明の第３の実施形態に係る空気調和装置を、図３を用いて説明する。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する構成は、第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態では、複数の基礎杭を用いるとともにこれら複数の基礎杭のうち利用する基礎杭を選択できる選択手段を備える点が第１の実施形態と異なる。他の構成は、第１の実施形態と同様であってよい。上記異なる点について具体的に説明する。

図３は、本実施形態の空気調和装置１０を概略的に示す概略図である。図３に示すように、本実施形態では、冷凍サイクル３０は、第１の実施形態と同様である。

図３に示すように、本実施形態では、住宅１５用の基礎杭として、一例として第１〜３の基礎杭４１，４２，４３が用いられるとともに各基礎杭４１〜４３内に地中熱交換器７が設けられている。なお、地中熱交換器７が設けられる基礎杭の数は、３つに限定されない。他の複数の基礎杭が用いられてもよい。本実施形態の流体回路２２を説明する。図３に示すように、流体回路２２においてポンプ８の下流には、ヘッダ４４が設けられている。ヘッダ４４の下流には、第１〜３の基礎杭４１〜４３が設けられている。第１〜３の基礎杭４３〜４３内に設けられる地中熱交換器７とヘッダ４４とは、第１〜３の流路４５〜４７によって熱媒体Ｈが流動可能に連結されている。熱媒体Ｈは、ヘッダ４４に流入した後、第１〜３の流路４５〜４７を通って、第１〜３の基礎杭４１〜４３の熱交換器７に導かれる。

なお、第１〜３の流路４５〜４７は、流路部２１の一部である。また、第１〜３の基礎杭４１〜４３の地中熱交換器７は、第４の流路４８を介して地中熱利用熱交換器６に連結されている。地中熱交換器７で熱交換された熱媒体Ｈは、第４の流路４８を通って地中熱利用熱交換器６に導かれる。第４の流路４８は、流路部２１の一部である。

第１〜３の流路４５〜４７には、第１〜３の流量制御弁５１〜５３が設けられている。第１〜３の流量制御弁５１〜５３は、第１〜３の流路４５〜４７を通る熱媒体Ｈの流量を制御する。第１〜３の流量制御弁５１〜５３が閉（全閉）じると、第１〜３の流路４５〜４７のうち、閉じられた流量制御弁が設けられる流路につながる地中熱交換器７には、熱媒体Ｈが流入しない。第１〜３の流量制御弁５１〜５３は、例えば制御装置２３によって動作が制御されている。

第１〜３の流量制御弁５１〜５３の開度を調整することによって、第１〜３の流路４５〜４７を流動する熱媒体Ｈの流量を調整可能である。具体的には、開度を小さくすることによって流量を小さくすることができる。また、開度を大きくすることによって、流量を多くすることができる。

第１〜３の流量制御弁５１〜５３の動作を制御することによって、用いる第１〜３の基礎杭４１〜４３に設けられる地中熱交換器７を選択することができる。具体的には、第１の流量制御弁５１を閉（全閉）じるとともに、第２，３の流量制御弁５２，５３を開（全開）くと、第１の基礎杭４１の地中熱交換器７に熱媒体Ｈが流入しないとともに第２，３の基礎杭４２，４３の地中熱交換器７に熱媒体Ｈが流入するようになる。

ヘッダ４４と、第１〜３の流路４５〜４７と、第１〜３の流量制御弁５１〜５３とは、選択手段１００を構成している。選択手段１００は、本発明で言う選択手段の一例である。しかしながら、選択手段の構成は、これに限定されない。要するに、複数用いられる杭のいずれかを任意に選択し、当該選択された杭内の地中熱交換器を用いることができる構成であればよい。

つぎに、本実施形態の空気調和装置１０の動作を説明する。まず、充分な空調負荷を確保する必要がある場合では、第１〜３の流量制御弁５１〜５３は、全て開かれる（各制御弁５１〜５３は、各々全開）。この状態では、ポンプ８によって流動される熱媒体Ｈは、ヘッダ４４に流入する。ヘッダ４４に流入した熱媒体Ｈは、第１〜３の流路４５〜４７を通って第１〜３の基礎杭４１〜４３内の地中熱交換器７に流入する。熱媒体Ｈは、地中熱交換器７を通る際に熱交換される。地中熱交換器７を出た熱媒体Ｈは、第４の流路４８を通って地中熱利用熱交換器６に導かれる。

ついで、空調負荷の低下に伴う地中熱の利用の減少に対しては、当該減少量に応じて、第１〜３の流量制御弁５１〜５３が閉じられる。このとき、地中熱利用熱交換器６から離れた位置の地中熱交換器７への熱媒体Ｈの供給から停止するように、第１〜３の流量制御弁５１〜５３が閉じられる。本実施形態では、一例として、第１の基礎杭４１、第２の基礎杭４２、第３の基礎杭４３の順番で地中熱利用熱交換器６から離れて配置されている。

例えば、空調負荷の減少が少量の場合は、第３の流量制御弁５３が閉じられる（全閉）。第３の流量制御弁５３が閉じられることによって、第３の基礎杭４３内の地中熱交換器７には熱媒体Ｈが流入しなくなる。空調負荷の減少量がさらに多くなる場合は、当該減少量に応じて第２，３の流量制御弁５２，５３が閉じられる。このことによって、第１の基礎杭４１内の地中熱交換器７にのみ熱媒体Ｈが流入するようになる。

第１〜３の流量制御弁５１〜５３のいずれかが閉じることにより、熱媒体Ｈの流動する際の流路抵抗が小さくなる。この結果、ポンプ８で消費されるエネルギ量が小さくなる。第１〜３の流量制御弁５１〜５３のうち閉じられる制御弁の数は、ポンプ８で消費されるエネルギ量が、地中熱を利用することによるポンプ８以外で消費されるエネルギ量の減少分よりも小さくなるように決定されることが好ましい。

なお、制御装置２３へは、要求される空調負荷のデータが入力される。制御装置２３は、得られる空調負荷に応じて上記制御を行う。

本実施形態では、空調負荷に応じてポンプ８での消費エネルギを調整できるので、第１の実施形態の効果に加えて、空気調和装置１０での消費されるエネルギ量を効率よく抑えることができる。

本実施形態では、複数の基礎杭の一例として、３つの基礎杭（第１〜３の基礎杭４１〜４３）が用いられたがこれに限定されない。例えば、４つや５つなど他の複数の基礎杭が用いられてもよい。この場合であっても、これら複数の基礎杭には地中熱交換器７が設けられる。そして、これら地中熱交換器７は、第１〜３の基礎杭４１〜４３と同様にヘッダ４４と流路を介して接続されるとともに、流路中に流量制御弁が設けられる。

また、第１〜３の実施形態では、本発明で言う杭の一例として住宅用の杭を用いたが、これに限定されない。住宅用ではなく、もともと別の用途で用いられる杭が利用されてもよい。例えば住宅以外の建物に本願の空気調和装置が用いられる場合では当該建物の基礎杭が利用されてもよい。または、地中熱交換器を地中に埋めるための目的とは別の目的で地中に埋められる部材があれば、それを利用してもよい。

この発明は、上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、上述した実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…圧縮機、２…四方弁、３…室内熱交換器、４…膨張弁（膨張装置）、５…室外熱交換器、６…地中熱利用熱交換器、７…地中熱交換器、１０…空気調和装置、１６…基礎杭（杭）、２２…流体回路、３０…冷凍サイクル、４１…第１の基礎杭（杭）、４２…第２の基礎杭（杭）、４３…第３の基礎杭（杭）、１００…選択手段、Ｈ…熱媒体、Ｌ…冷媒。

Claims

圧縮機に順次四方弁と室内熱交換器と膨張装置と室外熱交換器と地中熱利用熱交換器とが接続されて構成されるとともに内部を冷媒が流動可能な冷凍サイクルと、
地中に埋没された杭内に設けられる地中熱交換器と、
前記地中熱利用熱交換器と前記地中熱交換器との間で熱媒体を循環可能な流体回路と
を具備する
ことを特徴とする空気調和装置。
前記流体回路の流量を可変とする
ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
前記地中熱交換器が設けられる前記杭が複数設けられ、かつ、これら複数の前記杭のうち用いる杭を選択できる選択手段を具備する
ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。