JP2010223511A - 地中熱利用の空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地中に埋設された熱交換部の枝パイプを流れる空気流量のバラツキを減じ、熱交換性能の低下や枝パイプ内の結露等を効果的に防止する。
【解決手段】 地中に略水平に埋設された一対の主パイプ２ａ、２ａ間を、該主パイプ２ａと直交してのびる複数本の枝パイプ２ｂで連結した地中熱交換部２と、一端が前記主パイプ２ａに連通しかつ他端が外気に連通する導入部３と、一端が前記主パイプ２ａに連通しかつ他端が建物Ｈの内部に連通する供給部４とを含むみ、前記導入部３から導入された外気を前記地中熱交換部２で熱交換し供給部４を介して建物Ｈの内部に供給する地中熱利用の空調装置１である。前記枝パイプ２ｂの内径ｄ２と前記主パイプ２ａの内径ｄ１との比（ｄ２／ｄ１）が０．１５〜０．４５であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱利用の空調装置に関し、詳しくは地中に埋設された熱交換部の枝パイプを流れる空気流量のバラツキを減じ、熱交換性能の低下や枝パイプ内の結露等を効果的に防止しうる技術に関する。

近年の省エネルギー化の要請により、地中熱を利用した空調装置が種々提案されている（例えば下記特許文献１ないし３参照）。この種の代表的な空調装置としては、外気を、地中に埋設された熱交換用のパイプを経由させて建物内に供給するものが知られている（このような方式は、クールチューブ方式とも呼ばれる。）。

地表から２〜３ｍ程度の深さになると、その温度は、季節を問わず約１５℃程度で安定する。従って、上記空調装置では、夏は高温の外気を熱交換用のパイプを通して冷却でき、逆に冬では、冷たい外気を上記パイプで暖めてそれぞれ建物の中に供給できる利点がある。

特開２００３−３５４５６号公報 特開２００７−３３３３６０号公報 特開２００８−７６０１５号公報

図９には、地中に埋設される熱交換部の概略平面図を示す。従来の熱交換部では、一対の主パイプａ１、ａ２と、その間を連結する複数本の枝パイプｂとから構成されている。枝パイプｂの内径ｄ２は、主パイプａ１及びａ２のそれとほぼ同一に形成されている。

しかしながら、発明者らの種々の実験の結果、従来の熱交換部の構造では、空気をＩＮからＯＵＴへ通過させるとき、枝パイプｂを流れる空気流量のバラツキが大きく、ひいては熱交換性能が十分に発揮されていないことが判明した。このため、空気流量の少ない枝パイプｂには、内部に結露が生じやすく、また早期にカビが発生するという問題があり、熱交換された空気に異臭を生じさせるおそれもあった。

発明者らは、各枝パイプｂに流れる空気流量のバラツキを低減させるために種々の実験、解析を行ったところ、意外にも、枝パイプｂの内径ｄ２を、主パイプの内径ｄ１に対して十分に小さく絞り込むと、枝パイプｂを流れる空気流量が均一化されることを知見し、本発明を完成させるに至った。

以上のように、本発明は、熱交換部の枝パイプを流れる空気流量のバラツキを減じ、熱交換性能の低下や枝パイプ内の結露等を効果的に防止しうる地中熱利用の空調装置を提供することを主たる目的としている。

本発明のうち請求項１記載の発明は、地中に略水平に埋設された一対の主パイプ間を、該主パイプと直交してのびる複数本の枝パイプで連結した地中熱交換部と、一端が前記主パイプに連通しかつ他端が外気に連通する導入部と、一端が前記主パイプに連通しかつ他端が建物内部に連通する供給部とを含み、前記導入部から導入された外気を前記地中熱交換部で熱交換し供給部を介して建物内部に供給する地中熱利用の空調装置であって、前記枝パイプの内径ｄ２と前記主パイプの内径ｄ１との比（ｄ２／ｄ１）が０．１５〜０．４５であることを特徴とする。

また請求項２記載の発明は、前記比（ｄ２／ｄ１）が０．２０〜０．４０である請求項１記載の地中熱利用の空調装置である。

また請求項３記載の発明は、前記主パイプの内径ｄ１が１００〜３００mmである請求項１又は２記載の地中熱利用の空調装置である。

また請求項４記載の発明は、前記枝パイプの配設ピッチが２００〜６００mmである請求項１乃至３のいずれかに記載の地中熱利用の空調装置である。

また請求項５記載の発明は、前記枝パイプの長さが１０００〜２００００mmである請求項１乃至４のいずれかに記載の地中熱利用の空調装置である。

また請求項６記載の発明は、前記枝パイプは、前記内径ｄ２で前記主パイプに接続される請求項１乃至５のいずれかに記載の地中熱利用の空調装置である。

本発明の地中熱利用の空調装置は、熱交換部の枝パイプの内径ｄ２と主パイプの内径ｄ１との比（ｄ２／ｄ１）を従来に比して著しく小さい範囲、具体的には０．１５〜０．４５に限定される。これにより、熱交換部の枝パイプを流れる空気流量のバラツキが小さくなり、熱交換性能の低下や枝パイプ内の結露等の発生が効果的に防止される。

特に、請求項２記載の発明のように、前記比（ｄ２／ｄ１）が０．２０〜０．４０に設定されると、上記効果がより一層高められる。

また、請求項３記載のように、前記主パイプの好ましくは内径ｄ１が１００〜３００mmに設定されると、上記効果がより一層高められる。

さらに、請求項４記載の発明のように、前記枝パイプの配設ピッチが２００〜９００mmに設定されると、上記効果がより一層高められる。

さらに、請求項５記載の発明ように、前記枝パイプの長さが１０００〜２００００mmに設定されると、上記効果がより一層高められる。

さらに、請求項６記載の発明のように、前記枝パイプは、前記内径ｄ２で前記主パイプに接続されることにより、上記効果がより一層高められる。

本発明の実施形態を示す家屋に用いられた空調装置の平面図である。 図１の断面図である。 本実施形態の熱交換部の平面図である。 本実施形態の主パイプと枝パイプとの接続部を示す断面図である。 他の実施形態の主パイプと枝パイプとの接続部を示す断面図である。 実施例等の熱交換部の寸法を説明する平面図である。 他の実施例の熱交換部の寸法を説明する平面図である。 他の実施例等の熱交換部の寸法を説明する平面図である。 従来の熱交換部の平面概略図である。

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１には、本発明の地中熱利用の空調装置が一戸建ての家屋Ｈの空調装置として用いられた平面図が示される。また、図２にはその断面図が示される。

本実施形態の空調装置１は、家屋Ｈに隣接して設けられており、本実施形態では庭Ｙの地中Ｇに埋設された地中熱交換部２と、外気を該地中熱交換部２に導入しうる導入部３と、前記地中熱交換部２で熱交換された外気を家屋Ｈに供給しうる供給部４とを含んで構成される。

前記地中熱交換部２は、地中Ｇに略水平に埋設された一対の主パイプ２ａ、２ａと、該主パイプ２ａ、２ａ間を主パイプ２ａと直交して連結する複数本の枝パイプ２ｂとを含み、平面視が略梯子状に構成されている。

前記主パイプ２ａ及び枝パイプ２ｂは、季節にかかわらずほぼ一定の温度となる地中（例えば地表から２〜３ｍ程度の深さの地中）Ｇに埋設されるのが良い。本実施形態では、主パイプ２ａ及び枝パイプ２ｂは、いずれも断面円形のパイプで構成される。これらの主パイプ２ａ及び枝パイプ２ｂは、種々の材料で構成することができ、成形性、耐久性、防錆性及び熱伝導性に鑑みれば、非金属材料、とりわけ硬質塩化ビニル樹脂等の樹脂材料で形成されるのが望ましい。

本実施形態において、前記一対の主パイプ２ａ、２ａは、略水平にかつ同深さで互いに平行に埋設されている。「略水平」であるから、主パイプ２ａは、厳密に水平に埋設されている必要はない。本実施形態では、主パイプ２ａの内面に生じた結露水などを主パイプ２ａの一端側に設けたドレイン部６に集めるために、主パイプ２ａには、３〜１０度程度の勾配が設けられる。また、ドレイン部６には、図示しないポンプ等が地表側より挿入され、適宜結露水が外部に吸い上げられる。

図３には、地中熱交換部２の拡大平面図が示され、図４には、図３のＸ部の拡大断面図が示される。各主パイプ２ａは、パイプ状をなす第１部分２ａ１と、この第１部分２ａ１に接続されて軸方向にのびるとともに途中に該軸方向と直角にのび前記枝パイプ２ｂが接続される分岐部５を有する第２部分２ａ２とが軸方向に交互に接続されて構成される。このような主パイプ２ａは、第１部分２ａ１の軸方向の長さを変えることにより、主パイプ２ａと枝パイプ２ｂとの接続位置を自在に設定できる。従って、地中熱交換部２の汎用性を高め、製造コストを低く抑えるのに役立つ。

前記第１部分２ａ１は、例えば実質的に一定の内径ｄ１でのびる単純なパイプ状で構成されている。

また、前記第２部分２ａ２は、第１部分２ａ１の内径ｄ１と等しい内径で軸方向にのびるとともに、その両端には前記第１部分２ａ１を挿入可能な拡径部９が形成されている。これにより、主パイプ２ａは、実質的に前記内径ｄ１で連続してのびる。

また、第２部分２ａ２は、その軸方向の長さの略中間部に、前記分岐部５が突設される。該分岐部５は、枝パイプ２ｂと実質的に等しい内径ｄ２でその全長さをのびる。つまり、分岐部５は、主パイプ２ａとの接続部から徐々に内径が変化するものではなく、本実施形態では、急激な断面積の減少を伴って分岐している。さらに、分岐部５の先端部には、枝パイプ２ｂを挿入可能な拡径部１０が設けられている。これにより、前記内径ｄ２は、枝パイプ２ｂ及び分岐部５で連続する。

図４の実施形態において、第２部分２ａ２の分岐部５は、主パイプ２ａに対して直角かつ真っ直ぐに接続されている。しかしながら、図５に示されるように、分岐部５は、主パイプ２ａに円弧部１１を介して接続させることもできる。この円弧部１１は、例えば空気の主要な流れがＮで示されるとき、その空気の分岐時の抵抗を小さくする向きに湾曲することは言うまでもない。

各枝パイプ２ｂは、主パイプ２ａ、２ａ間を前記分岐部５を介して接続しており、本実施形態では互いに一定の配設ピッチＰで設けられている。なお、本実施形態において、各枝パイプ２ｂと主パイプ２ａとは、互いの中心線の高さを揃えて連結されている。

このように、熱交換部２は、主パイプ２ａと枝パイプ２ｂとの間で空気の行き来が可能に構成される。なお、各主パイプ２ａの両端には、それぞれエンドキャップＣが装着されて閉塞されている。

前記導入部３は、図２に示されるように、上下にのびるパイプ状をなすとともに、その下方の一端３ａが地中Ｇに埋設される。そして、一端３ａは、前記一対の主パイプ２ａのうちの一方（Ａ）の端部に接続されかつ連通する。また、図３に示されるように、この接続位置は、最も端の枝パイプ２ｂの接続位置から外側（図において左側）にそれた位置である。

また、導入部３の上側の他端３ｂは、地上に露出するとともに、約１８０度湾曲して下向きで開口している。このような下向きの開口は、雨水等の進入を防止できる。また、この他端３ｂの開口には、フィルターｆ等を配し、該導入部３内への虫や異物の侵入を防ぐことが望ましい。

前記供給部４は、パイプ状をなすとともに、その下方の一端４ａが地中Ｇに埋設されて前記一対の主パイプ２ａのうちの他方（Ｂ）の端部に接続されかつ連通する。この接続位置も、最も端の枝パイプ２ｂの接続位置よりも外側（図において左側、即ち、導入部３の接続部側）にそれた位置にある。

また、本実施形態の供給部４は、地中Ｇをのびるとともに、その他端４ｂは家屋Ｈの床下空間８で開口している。そして、床下空間８には、例えば供給部４の他端４ｂから空気を強制的に吸い上げる吸気用ファン７が接続される。なお、本実施形態において、家屋Ｈの床下空間８は、基礎によって囲まれかつ外気とは断熱された空間であり、この床下空間の空気は、床部に設けた開口Ｏ１又はＯ２から居室内部へと供給され、矢印にて空気の流れの一例を示すように、家屋内の空気流路を通って各部へと供給される。

以上のように構成された空調装置１は、吸気用ファン７を駆動することにより、外気を導入部３から地中熱交換部２の一方（Ａ）の主パイプ２ａへと導入しうる。また、一方（Ａ）の主パイプ２ａに導入された外気は、主パイプ２ａ及び各枝パイプ２ｂで熱交換、即ち、夏では冷却される一方、冬では暖められる。そして、熱交換された空気は、他方（Ｂ）の主パイプ２ａを通って供給部３から家屋Ｈの床下空間へと供給される。

以上のような空調装置１において、本発明では、枝パイプ２ｂの内径ｄ２と主パイプ２ａの内径ｄ１との比（ｄ２／ｄ１）が０．１５〜０．４５に設定される。このように、枝パイプ２ｂの内径ｄ２を、主パイプ２ａの内径ｄ１に比して著しく小さく絞り込むことにより、地中熱交換部２の各枝パイプ２ｂを流れる空気流量のバラツキが低減され、ひいては外気は効率良く各枝パイプ２ｂで熱交換されることを本発明者らは種々の実験の結果から確かめている。また、各枝パイプ２ｂには、満遍なく空気が安定的に流れるため、各枝パイプ２Ｂの内表面への結露の発生を抑制でき、ひいてはカビや異臭の発生を効果的に抑制しうる。

このような本発明の効果を明らかにするために、本発明者らが行った実験について以下説明する。

［実験１］
図６には、本実験に用いた熱交換部の平面視のレイアウトを示す。本実験１では、図６において下側の主パイプ２ａの一端側Ｓ１の端部（ＩＮ）から空気を吸い込むとともに、図６において上側の主パイプ２ａの他端側Ｓ２の端部（ＯＵＴ）から空気を排出させた。つまり、図６において、対角線状に空気を通過させ、一対の主パイプ２ａを流れる空気の向きを同一方向とした。また、枝パイプの本数は４とした。

また、空気は、送風ファン（図示省略）で前記端部（ＯＵＴ）側から強制的に排気し、給気側の端部（ＩＮ）の風量が５０m³／ｈとなるように調整を行った。そして、そのときのファン電圧（ファン回転数の関数である）及び各枝パイプ２ｂ（図において右から順次枝パイプ１ないし４とする）に流れる風速（風量に比例）がそれぞれ測定された。

なお、圧損が大きすぎて前記風量が得られないケースについては、ファンへの負荷が大きく省エネには不向きとなるので実験を中止した。また、主パイプ２ａ及び枝パイプ２ｂは、いずれも硬質塩化ビニル樹脂製のパイプからなり、主パイプの第２部分２ａ２は、図４に示す構造とした。共通寸法は次の通りである。

主パイプの全長Ｌ１：３２００mm
主パイプの軸間距離Ｌ２：１２００mm
主パイプの一端から枝パイプまでの距離Ｌ３：１０５０mm
主パイプの他端から枝パイプまでの距離Ｌ４：１０５０mm
枝パイプの配設ピッチＰ：３００mm（一定）

そして、枝パイプ２ｂの内径ｄ２を下表のように変化させて実験が行われた。結果を表１に示す。

テストの結果、枝パイプ２ｂの内径ｄ２と主パイプ２ａの内径ｄ１との比（ｄ２／ｄ１）を０．２０〜０．４０に限定した実施例１〜２については、枝パイプ２ｂの風速のバラツキがいずれも４０％以下と非常に小さくなっており、臨界的な効果が確認できる。

これに対して、前記比（ｄ２／ｄ１）が０．１０である比較例１では、圧力損失が大きすぎて送風ファンへの負荷が非常に大きく実用できではなかった。比較例２〜３から明らかなように、前記比（ｄ２／ｄ１）が０．４５を超えると、枝パイプの風速のバラツキが著しく大きくなることも確認できた。

以上より、前記比（ｄ２／ｄ１）を従来に比して著しく小さい一定範囲、より好ましくは０．２０〜０．４０に限定することにより、各枝パイプ２ｂの風速のバラツキがより効果的に抑えられる。また、実施例の枝パイプ２ｂの平均風速は、比較例に比べて向上していることも確認できる。従って、枝パイプ２ｂを通過する空気の風速のバラツキが抑えられることで、各枝パイプ２ｂ内でバランス良く熱交換が行われる。また、比較例のように、特定の枝パイプ２ｂの風速が著しく低下することがないため、当該特定の枝パイプ２ｂに結露やカビが発生するといった不具合をも防止できる。

［実験２］
次に、上記実施例１をベースとして、枝パイプ２ｂの配設ピッチＰを変えて上記と同様の実験を行った。なお、主パイプの全長さＬ１は実験１と同じであり、その中央に枝パイプ群を配設した。実験２の結果を表２に示す。

表２から明らかなように、実施例１と、実施例３〜４との比較から明らかなように、少なくとも枝パイプ２ｂの配設ピッチＰが３００〜９００mmの範囲では、枝パイプの風速のバラツキが非常に小さく抑えられていることが確認できる。なお、枝パイプの配設ピッチＰが２００mm未満又は９００mmよりも大になると、やや枝パイプの風速のバラツキが大きくなることが確認されている。

［実験３］
次に、上記実施例１をベースとして、主パイプ２ａの軸間距離Ｌ２を変えて上記と同様の実験を行った。なお、主パイプの全長さＬ１及び枝パイプの配設ピッチＰは実験１と同じとした。実験３の結果を表３に示すが、この結果からも、主パイプ２ａの軸間距離が５００〜２００の範囲では、枝パイプの風速のバラツキが小さく抑えられていることが確認できる。

［実験４］
次に、上記実施例１をベースとして、空気を流す方向等を異ならせたときの枝パイプの風速のバラツキを調べた。

先ず、実施例１では、図６に示したように、一方（Ａ）の主パイプ２ａの一端側Ｓ１から空気を吸い込むとともに、他方（Ｂ）の主パイプの他端側Ｓ２から空気を排出させている。

これに対して、実施例７として、図７に示されるように、一方（Ａ）の主パイプ２ａの他端側Ｓ２から空気を吸い込むとともに、他方（Ｂ）の主パイプ２ａの他端側Ｓ２から空気を排出させている。つまり、一対の主パイプ２ａ、２ａを流れる空気の向きを互いに逆向きとした態様である。

さらに、実施例８として、図８に示されるように、主パイプ２ａの第２部分に、円弧部１１を有するものを採用している。この円弧部１１は、空気の流れに沿った向きに湾曲させており、該円弧部１１の曲率半径ｒは約８５mmとした。また、空気の流れは、実施例７と同じである。テストの結果を表４に示す。

テストの結果、実施例７及び８は、平均流速を増加させつつ風速のバラツキをさらに小さくしていることが確認できた。特に、実施例８では、枝パイプの風速のバラツキをさらに改善しつつ平均風速が向上していることも確認できた。

なお、枝パイプ２ｂの本数を変えてさらに他の実験を行ったが、いずれも本発明の効果が奏されることを確認している。

本発明は、各種の建物の空調装置、とりわけ戸建て住宅向けの小型の空調装置として好適に利用することができる。

１ 空調装置
２ 地中熱交換部
２ａ 主パイプ
２ａ１ 第１部分
２ａ２ 第２部分
２ｂ 枝パイプ
３ 導入部
４ 供給部
５ 分岐部
７ 吸気ファン
８ 床下空間
Ｇ 地中

Claims (6)

1. 地中に略水平に埋設された一対の主パイプ間を、該主パイプと直交してのびる複数本の枝パイプで連結した地中熱交換部と、
   一端が前記主パイプに連通しかつ他端が外気に連通する導入部と、
   一端が前記主パイプに連通しかつ他端が建物内部に連通する供給部とを含み、
   前記導入部から導入された外気を前記地中熱交換部で熱交換し供給部を介して建物内部に供給する地中熱利用の空調装置であって、
   前記枝パイプの内径ｄ２と前記主パイプの内径ｄ１との比（ｄ２／ｄ１）が０．１５〜０．４５であることを特徴とする地中熱利用の空調装置。
2. 前記比（ｄ２／ｄ１）が０．２０〜０．４０である請求項１記載の地中熱利用の空調装置。
3. 前記主パイプの内径ｄ１が１００〜３００mmである請求項１又は２記載の地中熱利用の空調装置。
4. 前記枝パイプの配設ピッチが２００〜９００mmである請求項１乃至３のいずれかに記載の地中熱利用の空調装置。
5. 前記枝パイプの長さが１０００〜２００００mmである請求項１乃至４のいずれかに記載の地中熱利用の空調装置。
6. 前記枝パイプは、前記内径ｄ２で前記主パイプに接続される請求項１乃至５のいずれかに記載の地中熱利用の空調装置。

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