JP2011085271A - Geothermal heat collector and ecologically-friendly air conditioning system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一年を通して温度が大きく変化しない地熱を収集して地上の建築物に送る地熱集熱器、およびこれを用いた、地球環境に優しいエコ空調システムに関するものである。 The present invention relates to a geothermal heat collector that collects geothermal heat whose temperature does not change significantly throughout the year and sends it to a building on the ground, and an eco-air conditioning system that uses this and is friendly to the global environment.
近年、社会問題化しているシックハウス症候群に対処するため、2003年7月1日以降に新築される住宅に関して、室内空気を継続換気する24時間換気システムの設置が義務化されてきた。このシステムは室内空気を2時間程度で入れ換えるもので、自然対流を利用した自然換気でも機械を用いた強制換気でもよいとされている。
ところが、この24時間換気システムを用いて室内換気を行なうと、夏場は暖かい外気を室内に取り込んで冷気を強制的に追い出し、冬場は冷たい外気を室内に取り込んで暖気を強制的に追い出すので、換気によるエネルギーロスが50%以上と多く、消費電力量を増やす原因となっている。特に、夏場のシステム稼動は地球温暖化につながるとともに、冷房エネルギー使用量が多くなるという不具合もある。
In recent years, in order to cope with the sick house syndrome that has become a social problem, it has become mandatory to install a 24-hour ventilation system for continuously ventilating indoor air in a house newly constructed after July 1, 2003. This system replaces room air in about 2 hours, and it is said that natural ventilation using natural convection or forced ventilation using a machine may be used.
However, when this room is ventilated using this 24-hour ventilation system, in the summer, warm outside air is taken into the room and the cold air is forced out, and in winter, cold outside air is taken into the room and the warm air is forced out. The energy loss due to is as high as 50% or more, which increases the power consumption. In particular, the system operation in summer leads to global warming, and there is a problem that the amount of cooling energy used increases.
一方で、夏場の気温は28〜35℃、冬場の気温は3〜8℃であり、地中の温度(地中深さ3m以上)は13〜15℃で年中ほとんど変わらないことが知られている。そこで、このような地熱を利用する地熱利用装置が多く開発され、例えば下記特許文献1〜4に記載されている。これら文献記載の地熱利用装置は、管心をほぼ垂直方向に向けて地中に埋設される有底円筒状の外管(ヒートパイル)と、外管の内壁面との間に空気流通空間を有して外管内に配備された内管とを備える2重管式のものである。内管の下端は外管の内底面から浮かせて配置され、上端は建築物の空気利用空間に開口している。外管の上端開口は地上に開口している。これら文献記載の地熱利用装置では、送風ファンなどの駆動により、地上の空気が外管の上端開口から外管と内管との間に流入し内底面に向かう。流下する空気は地中から地熱を受け取って夏場は冷却冬場は加温されたのち、内管に流入して上昇する。内管内を上昇する空気は、その途中で、前記空気流通空間を流下中の空気と熱交換を行なう。結果として熱の内部循環はあるが、冷却または加温された空気が内管の上端から建築物の空気利用空間に供給されるようになっている。
On the other hand, the summer temperature is 28-35 ° C, the winter temperature is 3-8 ° C, and the underground temperature (underground depth of 3m or more) is 13-15 ° C, which is known to be almost unchanged throughout the year. ing. Therefore, many geothermal utilization devices that use such geothermal heat have been developed, and are described in, for example,
ところで、上記従来の地熱利用装置は、ヒートパイルを地中10〜30mと深く打ち込まなければならないため、工事費が300〜1000万円と高額になり、一般家庭での実施は経済的に困難であった。そこで、住宅建築会社では住宅の基礎コンクリートを利用した床下の地熱を24時間換気システムに組み入れて室内に送風するようにしている。しかしながら、このような基礎コンクリート利用のシステムは、システム運転開始当初は冷たい空気が送られるが、基礎コンクリートが地表にあり熱容量が小さいため、周囲の地中から受ける地熱が追いつかず直に外気に近い温度の空気が出てくることとなる。 By the way, the above-mentioned conventional geothermal utilization device has to drive the heat pile deeply into the ground at 10 to 30 m, so that the construction cost becomes as high as 3 to 10 million yen, and it is economically difficult to implement in a general household. there were. Therefore, a housing construction company incorporates geothermal heat under the floor using basic concrete of a house into a 24-hour ventilation system to blow air into the room. However, in such a system using foundation concrete, cold air is sent at the beginning of system operation, but since the foundation concrete is on the ground surface and the heat capacity is small, the geothermal heat received from the surrounding underground cannot catch up and it is close to the outside air. Air of temperature will come out.
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであって、構成が簡素で安価に得られるために一般家庭でも採用できて、熱利用効率の高い地熱集熱器およびエコ空調システムの提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and since it has a simple configuration and can be obtained at a low cost, it can be adopted in general households, and a geothermal collector and an eco air conditioning system with high heat utilization efficiency. The purpose is to provide.
上記目的を達成するために、本発明に係る地熱集熱器は、地中に埋設される中空密閉状の本体容器と、本体容器内に配備された空気流通管路とを備えてなり、空気流通管路は一端が本体容器外の空気流入管と接続され他端が本体容器外の空気流出管と接続される地熱集熱器であって、空気流通管路外の本体容器内に、固相と液相間の相変化を生じさせる相変化温度が20℃以上28℃以下である相変化物を含む蓄熱材を配備した構成にしてある。 In order to achieve the above object, a geothermal collector according to the present invention comprises a hollow sealed main body container embedded in the ground, and an air circulation pipe disposed in the main body container. The distribution pipe is a geothermal collector in which one end is connected to the air inflow pipe outside the main body container and the other end is connected to the air outflow pipe outside the main body container. A heat storage material including a phase change material having a phase change temperature of 20 ° C. or higher and 28 ° C. or lower causing a phase change between the phase and the liquid phase is provided.
相変化する蓄熱材料用の物質としては、酢酸ナトリウム三水和物、硝酸リチウム三水和物などの無機化合物、n−パラフィン、高級脂肪酸、高級アルコールなどの有機化合物が挙げられる。そのうち、固相と液相間で相変化を生じる相変化温度が、「空気調和に適する温度」である20℃以上28℃以下となる相変化物を得るためには、例えば下記のn−パラフィン化合物を用いると好適である。 Examples of the material for the heat storage material that changes in phase include inorganic compounds such as sodium acetate trihydrate and lithium nitrate trihydrate, and organic compounds such as n-paraffin, higher fatty acid, and higher alcohol. Among them, in order to obtain a phase change product in which the phase change temperature causing a phase change between the solid phase and the liquid phase is 20 ° C. or higher and 28 ° C. or lower, which is a “temperature suitable for air conditioning”, for example, the following n-paraffin It is preferred to use a compound.
「好適なn−パラフィン化合物」;
n−トリデカン (C数:13、融点:−5℃、比重(25℃):0.7559)、
n−テトラデカン(C数:14、融点: 5℃、比重(25℃):0.7624)、
n−ペンタデカン(C数:15、融点:10℃、比重(25℃):0.7689)、
n−ヘキサデカン(C数:16、融点:18℃、比重(25℃):0.7734)、
n−ヘプタデカン(C数:17、融点:22℃、比重(25℃):0.7770)、
n−オクタデカン(C数:18、融点:28℃、比重(25℃):0.7786)、
n−ノナデカン (C数:19、融点:33℃、比重(25℃):0.7860)、
n−イコサン (C数:20、融点:37℃、比重(25℃):0.7890)。
"Suitable n-paraffin compound";
n-tridecane (C number: 13, melting point: -5 ° C, specific gravity (25 ° C): 0.7559),
n-tetradecane (C number: 14, melting point: 5 ° C., specific gravity (25 ° C.): 0.7624),
n-pentadecane (C number: 15, melting point: 10 ° C., specific gravity (25 ° C.): 0.7689),
n-hexadecane (C number: 16, melting point: 18 ° C., specific gravity (25 ° C.): 0.7734),
n-heptadecane (C number: 17, melting point: 22 ° C., specific gravity (25 ° C.): 0.7770),
n-octadecane (C number: 18, melting point: 28 ° C., specific gravity (25 ° C.): 0.7786),
n-nonadecane (C number: 19, melting point: 33 ° C., specific gravity (25 ° C.): 0.7860),
n-icosane (C number: 20, melting point: 37 ° C., specific gravity (25 ° C.): 0.7890).
上記のn−パラフィン化合物を適宜選択し適宜の割合で混合して混合物を調整することにより、目標として設定される相変化温度を有する相変化物を得ることができる。例えば、相変化温度が26℃の相変化物を得たい場合は、約33wt%量のn−ヘプタデカンと約67wt%量のn−オクタデカンを混合した混合物を調製すればよい。このようにn−ヘプタデカンを添加することによって、融点が高いn−オクタデカンからみて融点降下を生じる。尚、n−トリデカン〜n−イコサンの融解熱量は、ほぼ180〜230KJ/kgと比較的大きい。 A phase change product having a phase change temperature set as a target can be obtained by appropriately selecting the n-paraffin compound and mixing the mixture in an appropriate ratio to adjust the mixture. For example, when a phase change product having a phase change temperature of 26 ° C. is desired, a mixture in which about 33 wt% of n-heptadecane and about 67 wt% of n-octadecane are mixed may be prepared. By adding n-heptadecane in this way, a melting point drop occurs as seen from n-octadecane having a high melting point. In addition, the heat of fusion of n-tridecane to n-icosane is relatively large at about 180 to 230 KJ / kg.
そして、上記のように調製された相変化物はそのままの形態で地熱集熱器の本体容器に封入して使用することができる。また、小ぶりな密封容器に充填したものを本体容器内に多数収容して使用することもできる。あるいは、上記の相変化物を内包させたマイクロカプセルを蓄熱材として使用することも可能である。特に、有機化合物の場合は、マイクロカプセルに内包させて使用すると取扱いが極めて楽になる。かかるマイクロカプセルは合成樹脂殻中に液体や固体の物質を内包させた微少な粒状体として知られている。 And the phase change material prepared as mentioned above can be used by being enclosed in the main body container of the geothermal collector in the form as it is. Further, a large number of small sealed containers filled can be accommodated in the main body container and used. Or it is also possible to use the microcapsule which included said phase change thing as a heat storage material. In particular, in the case of an organic compound, handling is extremely easy if it is used in a microcapsule. Such a microcapsule is known as a fine granular material in which a liquid or solid substance is encapsulated in a synthetic resin shell.
上記の相変化物を内包したマイクロカプセルを作製する方法は特に限定されることなく慣用法を用いることができる。かかる慣用法としては例えばコアセルベーション法、インサイチュー法、界面重合法などが挙げられる。これらのマイクロカプセル製法により、球体微小粒子である多数のマイクロカプセルが分散媒中に分散した乳白色のスラリー状体が得られ、このスラリー状体を蓄熱材としてそのまま用いてよい。あるいは分散媒を乾燥などで除去して得られたマイクロカプセルのみの集合体である粉粒体や、粉粒体をバインダで固めた固形物にして使用することも可能である。 The method for producing the microcapsules encapsulating the phase change product is not particularly limited, and a conventional method can be used. Examples of such conventional methods include a coacervation method, an in situ method, and an interfacial polymerization method. By these microcapsule production methods, a milky white slurry-like body in which a large number of microcapsules that are spherical microparticles are dispersed in a dispersion medium is obtained, and this slurry-like body may be used as a heat storage material as it is. Alternatively, it is also possible to use a granular material which is an aggregate of only microcapsules obtained by removing the dispersion medium by drying or the like, or a solid material obtained by solidifying the granular material with a binder.
更に、前記のスラリー状体をそのまま収容した密閉袋体を蓄熱材としてもよいし、スラリー状体から水を除去して得られたマイクロカプセルの粉粒体や、この粉粒体をバインダで固形化させて成る固形物を収容した密閉袋体を蓄熱材として用いることもできる。 Further, a sealed bag body containing the slurry-like body as it is may be used as a heat storage material, microcapsule powder obtained by removing water from the slurry-like body, or solidified with a binder. A hermetic bag body containing the solid material obtained by making it into a solid can also be used as a heat storage material.
また、本発明に係るエコ空調システムは、前記した各構成の地熱集熱器と、地熱集熱器に接続された空気流入管に空気を送り込む送風ファンとを備えて成り、地熱集熱器に接続された空気流出管からの空気を建築物に送る構成としたものである。 Moreover, the eco air conditioning system according to the present invention includes a geothermal heat collector having each configuration described above and a blower fan that sends air to an air inflow pipe connected to the geothermal heat collector. It is configured to send air from the connected air outflow pipe to the building.
本発明に係る地熱集熱器によれば、地中に埋設される本体容器と、本体容器内に配備された空気流通管路と、空気流通管路外の本体容器内に配備された相変化物を含む蓄熱材とから成っているだけなので、構成が簡素で済み安価に提供することができる。従って、一般家庭でも本発明の地熱集熱器を利用することができる。しかも相変化物の潜熱を利用した蓄熱によって、高い熱利用効率で地熱を地上の空気調和に利用することができる。 According to the geothermal collector according to the present invention, the main body container buried in the ground, the air circulation pipe arranged in the main body container, and the phase change arranged in the main body container outside the air circulation pipe Since it consists only of a heat storage material containing a thing, the structure is simple and can be provided at low cost. Therefore, the geothermal heat collector of the present invention can be used even in ordinary households. Moreover, geothermal heat can be used for air conditioning on the ground with high heat utilization efficiency by heat storage using the latent heat of the phase change material.
また、蓄熱材が相変化物を内包するマイクロカプセルである場合は、相変化物を構成する無機化合物や有機化合物がカプセル殻内に封入されているために、酸化などの変質化を受けにくい。また、これらの無機化合物や有機化合物が直接手に触れないので取扱いも楽である。 Further, when the heat storage material is a microcapsule enclosing a phase change product, since the inorganic compound or organic compound constituting the phase change product is enclosed in the capsule shell, it is difficult to undergo alteration such as oxidation. Moreover, since these inorganic compounds and organic compounds are not directly touched, handling is easy.
そして、蓄熱材が相変化物を内包するマイクロカプセルを水に分散させたスラリー状体である場合、マイクロカプセルは水中に極めて安定に分散しているので使いやすい。また、例え相変化物が有機化合物などの可燃物であったとしても、有機化合物はカプセル殻内に封入されており、しかもマイクロカプセルの周囲には必ず水が存在しているために、安全性に問題はない。 When the heat storage material is a slurry-like body in which microcapsules containing phase change substances are dispersed in water, the microcapsules are extremely stable and are easily used in water. Even if the phase change material is a combustible material such as an organic compound, the organic compound is enclosed in the capsule shell, and water is always present around the microcapsule. There is no problem.
更に、蓄熱材がマイクロカプセルを収容した密閉袋体である場合は、この密閉袋体を本体容器内に多数充填すればよいので、取扱いが極めて楽になる。 Furthermore, when the heat storage material is a sealed bag body containing microcapsules, it is only necessary to fill a large number of the sealed bag body in the main body container, which makes handling extremely easy.
上記したようにマイクロカプセルの殻内に内包された相変化物は、カプセル内で融点以下への冷却により潜熱を外部に放出して凝固し、融点以上への加熱により外部から潜熱を受け取って融解する。すなわち、融点をはさんだ周囲環境の温度上昇下降により、カプセル殻内で凝固・融解が繰り返され、その際に著しく大きな相変化物の潜熱が蓄熱または放熱される。 As described above, the phase change material encapsulated in the shell of the microcapsule is solidified by releasing the latent heat to the outside by cooling to below the melting point in the capsule, and receiving the latent heat from the outside to melt by heating to above the melting point. To do. That is, as the temperature rises and falls in the surrounding environment across the melting point, solidification and melting are repeated in the capsule shell, and at that time, the latent heat of the remarkably large phase change material is stored or released.
また、本発明に係るエコ空調システムによれば、相変化物の潜熱および顕熱を利用して地熱を蓄熱した地熱集熱器で冷却または加温された空気が送風ファンの駆動により建築物に送られるので、地熱および蓄熱を建築物内の補助空調として利用することができ、空調にかかるエネルギーコストを低減化できる。また、新築住宅の場合は、法で設置義務化されている24時間換気システムとの併用により、24時間換気システムによるエネルギーロスの補完を行なうことができる。 Further, according to the eco air conditioning system of the present invention, the air cooled or heated by the geothermal heat collector that stores the geothermal heat using the latent heat and sensible heat of the phase change material is driven into the building by the driving of the blower fan. Since it is sent, geothermal heat and heat storage can be used as auxiliary air conditioning in the building, and the energy cost for air conditioning can be reduced. In addition, in the case of a newly-built house, the energy loss by the 24-hour ventilation system can be complemented by using it together with the 24-hour ventilation system that is obligated to install by law.
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下に述べる実施形態は本発明を具体化した一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものでない。図1は本発明の一実施形態に係る地熱集熱器の外観図、図2は前記地熱集熱器の正断面図、図3は図2におけるA−A線矢視断面図である。
各図において、この実施形態に係る地熱集熱器1は、地中Eに埋設される中空密閉状の本体容器2と、本体容器2よりも小型で本体容器2内の底板5上に設置される中空密閉状の内容器3とを備えている。内容器3は例えば本体容器2と同じドラム軸心で配置されている。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment described below is merely an example embodying the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention. 1 is an external view of a geothermal collector according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a front sectional view of the geothermal collector, and FIG. 3 is a sectional view taken along line AA in FIG.
In each figure, a
本体容器2は、市販のステンレスオープンドラム(金属製ドラム(パッキング9以外は全てステンレス鋼製)、内容量420L、日鐵ドラム社製)を転用した。本体容器2は、円筒状に形成されたドラム本体4と、ドラム本体4の底面開口を封止する底板5と、ドラム本体4の上面開口38を開閉可能に封止する蓋板11とから主に構成されている。底板5の外周縁部は、ドラム本体4の底面開口縁とともに全周にわたり共巻きされかしめられて全周カシメ部6とされている。この全周カシメ部6によりドラム本体4の底面開口が封止されている。ドラム本体4は補強用のため2条の全周突部8,8が外向きに突出して形成されており、ドラム本体4の外周面には例えば12枚のフィン13,13,13,・・・が周方向に所定の間隔をあけて溶接で固着されている。フィン13の溶接部は符号Wを付して示してある。
The
ドラム本体4の上面開口38の開口縁は外巻きにされて全周リング部7とされている。全周リング部7の上面にはリング板状のパッキング9が載置される。パッキング9の上には、円板状の蓋板11の周縁部に全周にわたり上向きに凹んで形成された嵌合凹部10が被せられる。そして、欠円リング状のボルト式バンド12が嵌合凹部10および全周リング部7の周囲に巻きつけられる。ボルト式バンド12の一端にはボルト挿通穴を有する止穴部21が固着され、他端にはボルト挿通穴を有する止穴部22が固着されている。これらの止穴部21,22が対面配置され、それぞれのボルト挿通穴にボルト23が挿通されナット24で螺止されることにより、ボルト式バンド12が嵌合凹部10および全周リング部7を締め付けてドラム本体4の上面開口38を開閉可能に封止する。蓋板11における周縁部近傍位置には通孔39が貫通して形成されている。この通孔39に空気流入管16が挿通され溶接で蓋板11に固着されている。そして、蓋板11において通孔39と反対側の周縁部近傍位置に、通孔19が貫通して形成されている。この通孔19に空気流出管18が挿通され溶接で蓋板11に固着されている。空気流入管16および空気流出管18の溶接部は符号Wを付して示してある。蓋板11の下方位置には、ステンレス鋼管を曲げてコイル状に形成された空気流通管路34が配置されている。空気流通管路34の一端開口は空気流入管16の先端開口と接続され、空気流通管路34の他端開口は空気流出管18の先端開口と接続されている。これにより、蓋板11、空気流通管路34、空気流入管16、および空気流出管18が一体構成となっている。
The opening edge of the upper surface opening 38 of the
内容器3は、市販のステンレスクローズドラム(金属製ドラム(オールステンレス鋼製)、内容量212L、日鐵ドラム社製)を転用した。内容器3は、円筒状に形成された容器本体25と、容器本体25の底面開口を封止する底板26と、ドラム本体4の上面開口を封止する蓋板29とから主に構成され、その内部には蓄熱材33が貯留されている。底板26は容器本体25の底面開口縁とともに巻きかしめて形成された全周カシメ部27より容器本体25の底面開口を封止している。蓋板29は容器本体25の上面開口縁とともに巻きかしめて形成された全周カシメ部30より容器本体25の上面開口を封止している。蓋板29には雌ネジ孔31が貫通して形成され、この雌ネジ孔31はキャップ32の雄ネジ部が螺止されて封止される。また、容器本体25には補強用として2条の全周突部28,28が外向きに突出して形成されている。
As the
内容器3内には、図2中の拡大円B内に示すように、蓄熱材33としてのスラリー状体64が貯留されている。スラリー状体64は、カプセル殻61内に相変化物62を封入して成るマイクロカプセル63が水60中に分散している。スラリー状体64は、マイクロカプセル殻を構成する固形分の濃度が約40wt%の白濁液である。また、スラリー状体64中のマイクロカプセル63の粒径は約5〜20μmである。このスラリー状体64は殻内の相変化物62が融解と凝固を多数回にわたって繰り返されても、マイクロカプセル63,63同士の凝集を生じさせない分散剤を含む極めて安定な液状物である。尚、内容器3内に貯留される蓄熱材としては、前記のスラリー状体64に替え、スラリー状体64から水60を乾燥、除去することにより、無数のマイクロカプセル63,63,63,・・・の微粒子からなる粉粒体を用いても構わない。ここで例示した相変化物62は例えば33wt%量のn−ヘプタデカンと67wt%量のn−オクタデカンとの混合物であり、この混合物の相変化温度は約26℃である。
As shown in an enlarged circle B in FIG. 2, a slurry-
上記のように構成された地熱集熱器1の作用を次に説明する。まず、地熱集熱器1の埋設予定地(例えば庭の地中)に深さ1〜2mの設置用穴を予め掘っておく。この設置用穴に、上面開口38が開放された本体容器2を運んで設置する。次に、内容器3の雌ネジ孔31から蓄熱材33を充填してドラム内の9分目位まで満たしたのち、内容器3内の空気を窒素ガスで置換する。その後、雌ネジ孔31をキャップ32で螺止して内容器3を密封する。この内容器3を本体容器2内に入れて底板5上に設置する。続いて、所定量の水17をドラム本体4内に注入したのち、水17中に窒素ガスをバブリングする。水17には不凍液、防カビ剤、防腐剤、および防錆剤がそれぞれ適量含まれている。次に、本体容器2の全周リング部7上にパッキング9を置く。そして、蓋板11と一体の空気流通管路34を本体容器2の上面開口38からドラム本体4内に装入し、内容器3の外方に配置する。そして、蓋板11の嵌合凹部10をパッキング9上に載せる。尚、このように、蓋板11を本体容器2の上面開口38に設置したとき、水17の水位がドラム本体4内で9分目位になるよう、水17の注入量が決められている。そして、嵌合凹部10および全周リング部7の周囲にボルト式バンド12をあてがい、ボルト式バンド12の止穴部21,22にボルト23を通してナット24で螺止する。これにより、本体容器2の上面開口38が封止される。尚、その後必要であれば、ナット24を緩めることにより、本体容器2の上面開口38を再び開放でき、地熱集熱器1内のメンテナンスを行なうことができる。
Next, the operation of the
このように、本体容器2のドラム本体4の上面開口38を開閉可能にする構成を採用したことにより、本体容器2、内容器3、および蓄熱材33を設置現場に搬送し、蓄熱材33を現地で充填し、その後上面開口38を蓋板11で封止するといったことができる。
Thus, by adopting a configuration that allows opening and closing of the upper surface opening 38 of the
前記した地熱集熱器1は予め地中Eの浅層1〜2mの深さに埋設されており、例えば空気流入管16または空気流出管18に送風ファン(ここでは図示省略)が接続され、空気流出管18の末端側が建築物内の空気利用空間に開口している。地中Eの地熱はフィン13,13,13,・・・および容器外面から本体容器2に取り込まれる。本体容器2に取り込まれた地熱は、ドラム本体4の内周面4aから水17を伝わって内容器3に取り込まれる。内容器3内に取り込まれた地熱は、蓄熱材33に潜熱および顕熱として蓄熱される。このとき、例えば夏場の場合、蓄熱材33の相変化物62は温度が相変化温度M(例えば26℃、図4参照)以上であって、全量が溶融しているものとする。そこで、相変化物62の温度は、図4に示した矢印Sの時間方向に沿って挙動する。すなわち、冷たい地熱を受けて相変化物62の温度が下降して相変化温度Mに達すると、相変化物62は潜熱を放出して凝固し始める。相変化物62は全量凝固するまで相変化温度Mに保持される。そして、相変化物62は全量凝固すると、温度が再び下降する。このようにして、潜熱分および顕熱分の冷熱の蓄熱が行なわれる。
The
そうして、上記した蓄熱を利用する際には送風ファンが駆動される。この送風ファンの駆動により、外気または建築物の床下の空気が空気流入管16に送り込まれて空気流通管路34に流入する。空気流通管路34に流入した空気は管路内を流通しながら、ドラム本体4内の水17を通して、ドラム本体4の内周面4aからの地熱、並びに内容器3内の蓄熱材33に蓄熱された潜熱および顕熱を受けて、夏場は冷却される。
Thus, when using the above-described heat storage, the blower fan is driven. By driving the blower fan, outside air or air under the floor of the building is sent to the
このとき、相変化物62の温度は、図4に示した矢印Rの時間方向に沿って挙動する。すなわち、空気流通管路34内の空気を冷やすことにより、相変化物62の温度が上昇して相変化温度Mに達すると、相変化物62は空気からの熱を潜熱として吸収し融解を始める。相変化物62は全量が融解するまで相変化温度Mに保持される。そして、相変化物62は全量が融解すると、温度が再び上昇する。このようにして冷熱の蓄熱分が消費される。
このように、マイクロカプセル63に内包された相変化物62は、融点以下への冷却により潜熱を外部に放出して凝固し、融点以上への加熱により外部から潜熱を受け取って融解する。すなわち、融点をはさんだ周囲環境温度の上昇下降により、カプセル殻内で凝固・融解が繰り返され、その際に著しく大きな相変化物の潜熱が蓄熱または放熱されるのである。
尚、冬場は、ドラム本体4から伝わる地熱と、蓄熱材33に蓄熱されている顕熱とが利用されて、空気流通管路34内の空気が加温される。しかしながら、蓄熱材33が相変化温度M(例えば26℃)以上になることはないので、蓄熱材33の潜熱利用はない。
At this time, the temperature of the
As described above, the
In winter, geothermal heat transmitted from the
上記のように地熱および蓄熱を受けた空気は空気流通管路34から空気流出管18に流出して建築物内の空気利用空間に供給される。尚、地熱集熱器1の埋設深さは2〜3mであるから、その深さの土中温度は夏場が20〜23℃前後であり冬場が10〜15℃前後である。
The air which received geothermal heat and heat storage as described above flows out from the
上記したように、この実施形態の地熱集熱器1は、空気流通管路34付きの本体容器2、小型の内容器3、および蓄熱材33のみで構成されているだけなので、構成が簡素で済み安価に提供することができる。また、それ自体は可動部分がないことも併せて簡素な構成であるから、メンテナンスはほとんど不要である。因みに、住宅建築の竣工後は空間高さ20cm程度しかない床下に人が入ることは極めて困難であるため、床下および地中の機器に関してメンテナンスフリーであることは極めて重要なことである。そして、地熱集熱器1は蓄熱材33に蓄熱された潜熱を特に利用することから、建築物40の基礎コンクリート部分から顕熱だけの地熱を受ける従来構成よりも格段と熱利用効率が高い。また、地熱集熱器1に用いた本体容器2および内容器3を構成しているステンレス鋼製ドラムは市販されているから、容易かつ安価に入手することができ、ドラムサイズもメーカーの在庫範囲内で自由に選定することができる。
As described above, the
ここで、本実施形態に係るエコ空調システムを図5に示す。このエコ空調システムFは、地中Eに埋設された2基の地熱集熱器1,1と、24時間換気システムGとを組み合わせた構成となっている。24時間換気システムGは、住宅などの建築物40内に設置されて空気を分配する分配箱43と、地熱集熱器1の一方の空気流出管18と分配箱43の空気流入側とを連結する電磁開閉弁56付きの送気管42と、小屋裏の空気を吸い込むために分配箱43の空気流入側に連結された電磁開閉弁54付きの吸気管55と、複数の空気利用空間内にそれぞれ配備された送気口部48,48,48・・・と、これらの送気口部48,48,48・・・と分配箱43の空気流出側とをそれぞれ連結する送気管47,47,47,・・・と、例えば分配箱43に配備されていて送気管42から空気を吸い込んで送気管47,47,47・・・に送り出す送風ファン44と、送風ファン44を駆動制御する制御器45と、制御器45の制御目標値を外部から設定入力したり各空間の検出温度や設定条件などを表示するリモートコントローラ46と、一部の空気利用空間に分配箱43からの空気を送る局所ファン53とから主に構成されている。
Here, the eco air conditioning system according to the present embodiment is shown in FIG. This eco air conditioning system F has a configuration in which two
建築物40内の空気利用空間としては、例えばリビング、ホール、キッチン、吹き抜け、洋室、和室、トイレ、洗面室、小屋裏などが挙げられる。全ての空気利用空間には排気口49が設けられている。また、建築物40には換気口50,50が壁面を貫通して設けられており、キッチンにも換気口51が壁面を貫通して設けられている。この換気口51には換気扇52が設置されている。そして、上記した2基の地熱集熱器1,1は直列に連結されている。すなわち、一方の地熱集熱器1の空気流出管18が他方の地熱集熱器1の空気流入管16と連結され、他方の地熱集熱器1の空気流入管16が24時間換気システムGの送気管42と連結されている。
Examples of the air use space in the
この24時間換気システムGは常時駆動しなければならないので、地熱集熱器1,1を利用しない場合、制御器45は電磁開閉弁56を閉止するとともに電磁開閉弁54を開放する。そして、送風ファン44の駆動により小屋裏の空気が吸気管55から吸い込まれて各室に供給される。一方、地熱集熱器1,1の蓄熱を利用する場合は、電磁開閉弁56が開放されるとともに電磁開閉弁54が閉止される。その場合、上流側に配置された第1の地熱集熱器1の空気取入口41から外気が吸入されて空気流入管16に送り込まれる。空気流入管16から第1の地熱集熱器1に流入した空気は、上記で詳述したように本体容器2内および内容器3内で地熱および蓄熱を受けて冷却または加温されたのち、第2の地熱集熱器1でも更に地熱および蓄熱を受けて冷却または加温される。第2の地熱集熱器1の空気流出管18から流出した空気は送気管42を経て分配箱42内に送り込まれたのち、送気管47,47,47,・・・を経て送気口部48,48,48,・・・からそれぞれの空気利用空間に供給される。また、分配箱42内の一部の空気は局所ファン53の駆動によりリビングに供給される。各空気利用空間を冷却または加温した空気はそれぞれの排気口49から建築物40内の放出通路に排出され、更に換気口50から建物外に放出される。
Since the 24-hour ventilation system G must be driven at all times, when the
以上のように、エコ空調システムFによれば、設置義務が課されている24時間換気システムGと地熱集熱器1,1とを好適に併用することができる。これにより、24時間換気システムによるエネルギーロスの補完を行なうことができ、室内の温度を大きく変化させることなく換気できる。殊に、夏場は空調機の除湿運転で済ませることが可能であり冬場は少ない暖房エネルギーで済ませることが可能であるから、一般家庭では年間10〜12万円程度の光熱費を削減することができる。ひいては、我が国が目標とする1990年度比25%のCO2発生量削減の達成に寄与することができる。
As described above, according to the eco air conditioning system F, the 24-hour ventilation system G and the
また、この実施形態の地熱集熱器1は外径と高さのいずれもが2m以下と小型であるため、あたかも浄化槽と同様の取扱いあるいは浄化槽よりも簡便な取扱いで、汎用の住宅基礎工事用機械を用いて、駐車場や庭の地中Eに容易に埋設できるから、高額な工事費がかからない。また、要求される熱交換量に応じて地熱集熱器1の埋設基数を増やすことができる。このように複数基の地熱集熱器1を使用する場合、地熱集熱器1を直列に接続してよいし並列に接続しても構わない。そして、個々の地熱集熱器1は簡素な構成であり安価であるから、複数基の地熱集熱器1を使用しても、従来のヒートパイル型地熱利用装置と比べて、装置自体の価格および埋設工事費といったイニシャルコストが安価で済み、工事の手間もかからない。
In addition, since the
尚、上記の実施形態では、マイクロカプセル63を含むスラリー状体64から成る蓄熱材33を内容器3内に直接収容した例を示したが、図6に示すように、多数の密閉袋体65,65,65,・・・から成る蓄熱材33Aを内容器3内に収容した地熱集熱器1Aも、本発明に含まれる。密閉袋体65は、図6中の拡大円C内に示すように、マイクロカプセル63の粉粒体を収容するものであり、袋自体は厚手のアルミニウム箔や合成樹脂シートで構成される。尚、本発明の蓄熱材としては、マイクロカプセル63を含むスラリー状体64を収容した密閉袋体であっても構わない。
この地熱集熱器1Aによれば、蓄熱材33Aの密閉袋体65を素手で持って内容器3内に多数充填することができるので、取扱いが極めて楽である。また、密閉袋体65自体は、ポリエチレン袋、ポリプロピレン袋、アルミニウム箔袋などの市販品を使用できるので、入手が容易で利用しやすいという利点がある。
In the above embodiment, an example in which the
According to this
また、上記では、本体容器2内に内容器3を設置し、内容器3内に蓄熱材33,33Aを収容する例を示したが、図7に示すように、内容器3を省略し、蓄熱材33としてスラリー状体64をそのまま本体容器2内に収容した地熱集熱器1Bも、本発明に含まれる。
Moreover, although the example which installs the
かかる地熱集熱器1Bによれば、本体容器2内に収容されたスラリー状体64は、水17や内容器3を介することなく、空気流通管路34およびドラム容器4の内周面4aから直に受熱したり放熱したりすることができる。従って、地熱集熱器1Bは極めて熱利用効率が高く構造も最も簡素なものであるといえる。このような構成であっても、相変化物62はマイクロカプセル63のカプセル殻61内に封入されているし、マイクロカプセル63の周囲には必ず水60が存在しているので、安全性に問題は生じない。
尚、上記したスラリー状体64に替えて、マイクロカプセル63の粉粒体を収容した密閉袋体65や、マイクロカプセル63を含むスラリー状体64を収容した密閉袋体を、直に本体容器2内に収容した地熱集熱器も、本発明に含まれる。
According to the
In place of the slurry-
また、上記では、本体容器2内に配備される空気流通管路34として、ステンレス鋼管で構成したものを示したが、それに替えて、例えばアルミニウム管や銅管など他の金属管で空気流通管路を構成してよい。あるいは、合成樹脂管で空気流通管路を構成することもでき、その場合は極めて安価な空気流通管路を提供することができる。特にポリ塩化ビニルなどの熱可塑性合成樹脂製の管を用いると、バーナなどを用いた加熱処理により、ラセン状の空気流通管路を容易に製作することができる。
In the above description, the
また、上記では、夏場潜熱利用の相変化物として相変化温度が26℃のものを用いたが、これに替えて、それぞれ適当量のn−テトラデカン、n−ペンタデカン、n−ヘキサデカンなどをブレンドして相変化温度を例えば13℃としたものを、冬場潜熱利用の相変化物として用いることもできる。 Further, in the above, the phase change material having a phase change temperature of 26 ° C. was used as a summer phase latent heat-utilized phase change material. Thus, a phase change temperature of, for example, 13 ° C. can be used as a phase change product utilizing winter latent heat.
そして、上記では、本体容器と内容器として市販のステンレスドラムを用いたが、本発明に係る本体容器と内容器は市販ドラムに限らず、例えば独自に製作したものでよく、あるいは円筒形のものでなくても構わない。また、金属製ドラムはステンレス製のものに限らず、銅製、黄銅製、アルミニウム製などのドラムであっても構わない。あるいは耐久性すなわち耐腐食性に重きを置かない場合、鉄製のドラムを用いることも可能である。 In the above description, a commercially available stainless steel drum is used as the main body container and the inner container. However, the main body container and the inner container according to the present invention are not limited to the commercially available drums, and may be, for example, independently manufactured or cylindrical ones. It doesn't have to be. Further, the metal drum is not limited to a stainless steel drum, and may be a copper drum, a brass drum, an aluminum drum, or the like. Alternatively, an iron drum can be used when the durability, that is, the corrosion resistance is not emphasized.
そして、本発明が適用される建築物としては、住宅に限らず、例えばオフィスビル、工場、仮設事務所、農業用ビニルハウスなどに適用可能である。殊に、農業用ビニルハウスに用いると、冷暖房用の燃料の削減化につながることから、品質のよい農作物を安く生産することができる。
また、屋外に地熱集熱器1,1を埋設可能な敷地を確保できない場合、図5中の2点鎖線で示した床下下方の地中Eに地熱集熱器1,1を埋設しても構わない。その場合、建築物40の竣工後に地熱集熱器1のメンテナンスを行なうことはできないが、地熱集熱器1上方の地表が常に建築物40の日陰になることから、特に夏場の使用に好適となる。
The building to which the present invention is applied is not limited to a house, and can be applied to, for example, an office building, a factory, a temporary office, an agricultural vinyl house, and the like. In particular, when used in an agricultural vinyl house, it leads to a reduction in fuel for air conditioning, so that high quality crops can be produced at low cost.
In addition, if a site where the
1,1A,1B 地熱集熱器
2 本体容器
16 空気流入管
18 空気流出管
33,33A 蓄熱材
34 空気流通管路
40 建築物
44 送風ファン
47 送気管
60 水
62 相変化物
63 マイクロカプセル
64 スラリー状体
65 密閉袋体
E 地中
F エコ空調システム
G 24時間換気システム
M 相変化温度
1, 1A, 1B
Claims (5)
空気流通管路外の本体容器内に、固相と液相間の相変化を生じさせる相変化温度が20℃以上28℃以下である相変化物を含む蓄熱材を配備したことを特徴とする地熱集熱器。 A hollow hermetically sealed main body container buried in the ground and an air circulation pipe arranged in the main body container, one end of which is connected to an air inflow pipe outside the main body container and the other end Is a geothermal collector connected to the air outflow pipe outside the main body container,
A heat storage material including a phase change material having a phase change temperature of 20 ° C. or higher and 28 ° C. or lower that causes a phase change between a solid phase and a liquid phase is disposed in a main body container outside the air circulation pipe. Geothermal collector.
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CN103644682A (en) * | 2013-12-04 | 2014-03-19 | 华中科技大学 | Phase change heat storage type ground heat exchanger |
JP2014181864A (en) * | 2013-03-19 | 2014-09-29 | Okaya Koki Kk | Accumulator |
JP2015113645A (en) * | 2013-12-12 | 2015-06-22 | 東京瓦斯株式会社 | Steel sheet pile |
KR102152001B1 (en) * | 2019-07-26 | 2020-09-04 | 동명대학교산학협력단 | Agricultural Heating and Cooling System Using Renewable Energy |
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-
2009
- 2009-10-13 JP JP2009236281A patent/JP2011085271A/en active Pending
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