JP2012063062A - Air conditioning system including underground thermal-storage layer, and structure of underground thermal-storage layer used for the air conditioning system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は太陽光等の自然エネルギーを熱源とした地中蓄熱システムに係り、特に蓄熱と熱源利用の効率化を図るよう構成した地中蓄熱による冷暖房システムおよび同システムに好適な地下蓄熱層の構造に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an underground heat storage system using natural energy such as sunlight as a heat source, and more particularly, an underground heating / cooling system using underground heat storage configured to improve the efficiency of heat storage and heat source use, and a structure of an underground heat storage layer suitable for the system. About.
昨今の省エネルギー指向に対応して、家屋をはじめとする各種建築物おいても自然エネルギーを有効利用した冷暖房システムが色々と提案されている。特に暖房に関しては熱源として太陽エネルギー等の自然エネルギーが直接利用できることから下記特許文献に示されるように各種の蓄熱システム、暖房システムが提案されている。
上記特許文献のうち1乃至3は蓄熱媒体として水を利用したシステムである。蓄熱媒体として水を用いたシステムは、比熱が最大の水を利用するため蓄熱効率が高いこと、また配管、ポンプ等を利用して水を所望の場所にまで供給可能であること等から暖房も効率的に行えるという利点がある。 Among the above patent documents, 1 to 3 are systems using water as a heat storage medium. The system using water as the heat storage medium uses water with the highest specific heat, so it has high heat storage efficiency, and it can supply water to the desired location using piping, pumps, etc. There is an advantage that it can be done efficiently.
一方、水を供給する配管系は複雑になり、かつ弁、ポンプ、放熱用のファン等の補機類を多数使用する必要があるため、熱源として自然エネルギーを利用しているにも関わらず、電力等の人工エネルギーを相当量使用する必要が生じ、システム全体では必ずしも十分な省エネルギー化を達成しているとは言い難い状態となっている。 On the other hand, the piping system for supplying water is complicated, and it is necessary to use a large number of auxiliary equipment such as valves, pumps, and heat dissipating fans, so despite using natural energy as a heat source, A considerable amount of artificial energy such as electric power needs to be used, and it is difficult to say that the system as a whole has achieved sufficient energy saving.
このような観点から、特許文献3では地下の水槽である蓄熱槽と建物の床面との間に伝熱手段としてヒートパイプを配置し、このヒートパイプに対して蓄熱槽の熱を直接床面に伝達する構成を採用している。このように構成すれば上記の複雑な配管系、補機類等は基本的に不要となり、システムを単純に構成することが可能となる。
From such a point of view, in
しかしながら、ヒートパイプは高温側から低温側に常時伝熱する機能を有しているため、伝熱に関しては非常に効果的であるが暖房を不要とする夏場において、室内に蓄熱槽内の熱を不要に伝達してしまうことになる。この問題を解決するには、ヒートパイプの放熱部を断熱するか、最も蓄熱が効果的な夏場の蓄熱を中止する等、本来の目的とは相反する不合理な対策を実施せざるを得なくなる。 However, since the heat pipe has a function of constantly transferring heat from the high temperature side to the low temperature side, it is very effective in terms of heat transfer, but in the summer when heating is not required, the heat in the heat storage tank is indoors. It will be transmitted unnecessarily. In order to solve this problem, it is necessary to implement unreasonable measures that are contrary to the original purpose, such as heat insulation of the heat dissipation part of the heat pipe, or stopping the heat storage in summer when the heat storage is most effective. .
特許文献4及び5は地下の蓄熱材としてぐり石や礫を用いたものであり、基本的には水を用いた場合と同様の利点及び欠点がある。
本発明は上記特許文献に代表される従来技術の問題点を解決し、自然エネルギーのより有効な活用が可能となるシステムを提供することを目的とする。
即ち、家屋等の建築物の地下に配置された地下蓄熱部を有し、地下蓄熱部は太陽エネルギー等の自然エネルギーを蓄熱するよう構成され、かつ蓄熱された熱は家屋の床面を介して家屋内に伝熱可能に構成され、この地下蓄熱部と家屋の床面との間には両者を仕切る層として温度調節が可能な層(温度調節層)が配置され、当該温度調節層の温度を調節することにより、蓄熱層側の熱を床面に対して伝達し或いは伝熱を遮断し、蓄熱層内の温度とは関わりなく床面温度を調節することが可能なように構成された自然エネルギーを利用した蓄熱システムである。
An object of the present invention is to solve the problems of the prior art represented by the above-mentioned patent documents, and to provide a system that enables more effective utilization of natural energy.
That is, it has an underground heat storage part arranged in the basement of a building such as a house, the underground heat storage part is configured to store natural energy such as solar energy, and the stored heat is transmitted through the floor of the house. It is configured to be able to transfer heat inside the house, and between this underground heat storage section and the floor of the house, a temperature-controllable layer (temperature-control layer) is placed as a partition layer between the two, and the temperature of the temperature-control layer By adjusting the temperature, the heat on the heat storage layer side is transferred to the floor surface or the heat transfer is cut off, and the floor surface temperature can be adjusted regardless of the temperature in the heat storage layer. It is a heat storage system using natural energy.
温度調節層により地下蓄熱部の熱の伝達、遮断を自由に行えるので蓄熱に最も効果的な夏期においては温度調節層の温度を蓄熱層の温度よりも低く設定することによって、室内温度を上昇させることなく地下蓄熱部に対して十分に蓄熱することが可能となる。 The temperature control layer can freely transfer and block the heat of the underground heat storage part, so in the summer when it is most effective for heat storage, the temperature of the temperature control layer is set lower than the temperature of the heat storage layer to increase the room temperature. It is possible to sufficiently store heat in the underground heat storage section without any problems.
暖房が必要となる時期には温度調節層の温度を地下蓄熱層と同等或いはやや高くすることにより、地下蓄熱層の熱を床面側に伝達することにより地下蓄熱層の熱を部屋側に放熱して効果的な暖房を行うことができる。 When heating is required, the temperature of the temperature control layer is made equal to or slightly higher than that of the underground heat storage layer, so that the heat of the underground heat storage layer is transferred to the floor side to dissipate the heat of the underground heat storage layer to the room side. Effective heating.
上記各効果を発揮することによって、自然エネルギーの効果的な蓄積と必要に応じた放熱が可能となると共に、システムは複雑な補機や配管系を必要としないため蓄積した自然エネルギーを低コストで効果的に利用することが可能となる。 By demonstrating the above effects, it is possible to effectively store natural energy and dissipate heat as needed, and the system does not require complicated auxiliary equipment or piping systems, so the stored natural energy can be stored at low cost. It can be used effectively.
以下本発明の実施例を図面を参考に具体的に説明する。
図1は本発明の第1の実施例を示す。
先ず本発明の実施対象物の構成の概略を説明すると、図中符号Hは家屋等の構造物(以下「家屋」で説明する)である。家屋Hの床面1の裏面、即ち床下には温度調節層2が形成され、かつこの温度調節層2の下部には地下蓄熱層3が形成されている。またこの地下蓄熱層3と温度調節層2の間には防湿層4が形成されている。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
First, the outline of the configuration of the object to be implemented according to the present invention will be described. In the drawing, a symbol H is a structure such as a house (hereinafter described as “house”). A
一方符号5は地下水タンク、6は雨水タンクであって後述するように所定の場所に加熱あるいは非加熱の水を供給するよう構成されている。符号7は太陽光Sによりこの水を加熱するための手段として配置されている太陽熱温水器(以下単に「温水器」とする)である。
On the other hand,
次に上記構成の各部についての詳細を説明する。
最初に、符号3で示される地下蓄熱層は、本発明においてその構成、構造に特徴があるのではなく、要するに家屋Hの地下に所定量の熱が蓄熱可能であればその構成の如何を問うものではない。即ち、前記引用文献1乃至5に記載のように蓄熱用の水を湛えた水槽であったり、コンクリート層であったり、或いはぐり石や礫を用いたもの等何れの構成であってもよい。
Next, details of each part of the above configuration will be described.
First, the underground heat storage layer indicated by
以上のとおりであるので、本発明の地下蓄熱層も当然上記の構成の何れかであっもよいが、図示の地下蓄熱層3は上記構成の地下蓄熱層の構造とは趣が異なる構成となっている。即ち上記引用文献記載の地下蓄熱層はいずれも地下に所定の空間を区画形成して、この空間内に水、ぐり石等の蓄熱材を充填する構成であるが、図示の構成は地下蓄熱層3の底部が形成されず、地下蓄熱層3の下部は家屋Hが立設する地盤に開放された構成(以下「地下開放型蓄熱層」とする)となっている。
As described above, the underground thermal storage layer of the present invention may naturally have any of the above-described configurations, but the illustrated underground
即ち構造物である家屋Hの基礎を兼ねる壁が家屋Hの底部周縁に沿って鉛直方向に地下に展出して地下開放型隔壁11を形成している。この地下開放型隔壁11はその名のとおり各隔壁11に連設する水平方向の底板部分を持たず、このため各地下開放型隔壁11により囲われた地下蓄熱層3は地下に向かって開放された構成となっている。
That is, the wall that also serves as the foundation of the house H, which is a structure, extends vertically below the periphery of the bottom of the house H to form the underground
図示の地下蓄熱層3は上記の構成となっているため、蓄熱材はその地盤を構成する土、礫等をそのまま利用するか、或いはぐり石等を充填して蓄熱材とする等の構成となっている。符号8は地下蓄熱層3内に配置された放水手段であって、例えば加熱された水をこの地下蓄熱層3内の蓄熱材に放水することによりこの蓄熱材と熱交換して蓄熱材を加熱する。なお、この地下蓄熱層3の構成では放水された水はそのまま地盤に吸収ささることになる。このため、前記地下水タンク5を井戸として形成しておけば放水した水の一部を地下水として回収することも可能となる。
Since the illustrated underground
上記構成の地下蓄熱層3の場合、蓄熱材に対して直接温水等の熱媒体が接触するため、伝熱効率が非常に高く、例えば熱媒体と蓄熱材との温度差が極めて僅か、例えば1℃である場合でも、蓄熱材に対して確実に伝熱することが出来る。このような観点から、本願発明のシステムに用いる地下蓄熱層の構成としては、蓄熱効率、省エネルギーの点からこの位置か開放型の地下蓄熱層が好適であると言える。
In the case of the underground
一方図示の開放型の地下蓄熱層ではなく前記各特許文献のように密閉された地下空間としての地下蓄熱層の場合には、当然のことながらこの空間内に配管して、配管内の温水の熱のみを蓄熱媒体に伝達し、熱伝達した温水は回収するよう構成して、水が閉鎖空間である地下蓄熱層に溜まらないようにしておく。 On the other hand, in the case of an underground heat storage layer as a sealed underground space as in each of the above-mentioned patent documents instead of the open type underground heat storage layer shown in the figure, naturally, piping in this space and hot water in the piping Only heat is transmitted to the heat storage medium, and the hot water having the heat transferred is configured to be collected so that the water does not collect in the underground heat storage layer that is a closed space.
次に温度調節層2の構成について説明する。
温度調節層2は上記の地下蓄熱層3と家屋Hの床面1との間に介在位置している。符号9はこの温度調節層2に埋設配置された配管であって、水或いは気体或いは他の流動可能な媒体が通過或いは滞留可能に構成されている。図示の構成では地下水或いは雨水である水が供給されるよう構成されている。
Next, the structure of the
The
温度調節層2は後述のとおり所定の温度の液体或いは気体を通過或いは滞留させることにより地下蓄熱層3側の熱を床面1に伝達したり或いはこの地下蓄熱層3の熱を遮断する機能を有している。このため温度調節層2を構成する材料は一定の伝熱機能を有していることが望ましい。その構成材料としては従来から蓄熱材としても利用されているコンクリートが一般的であるが、家屋Hの立替え等将来の家屋の取壊しまで考えると、大量の建築廃棄物となってしまうコンクリートは必ずしも妥当な材料ではない。
The
上記コクリートに代えて、例えば壁土等の天然素材により前記温度調節層2を形成すればコンクリートとほぼ同様或いはそれ以上の伝熱特性を有する温度調節層を形成することが可能となる。なお、図示の構成では床面1に対して温度調節層2が直接密着した構成としてあるが、この温度調節層2に対して根太に対応する支持構造を埋設する等の構成としておけば温度調節層2は床面を支持する構造とする必要がないため、前記天然素材で十分構成可能である。
If the
符号4は温度調節層2と地下蓄熱層3との間に介在配置された防湿層である。地下蓄熱層3に対しては、図示の構成では地中放水手段(以下単に「放水手段」とする)8を介して水が放水されるため、この放水された水分が室内側に漏れ出ないようにする必要上防湿層4が配置されている。防湿層4としては金属膜とプラスチックフィルムとの積層膜等、水分を通さないフィルム状の膜であればその目的を十分達成することができる。
上記構成の機能を、先ず夏場等地下蓄熱層3に対して蓄熱する場合について説明する。 バルブV1、V2を開として地下水タンク5内の水をポンプ10等の移送手段を用いて温水器7に供給する。温水器7においては供給された水は太陽光Sにより、日光の量にもよるが最高80℃程度に加熱され、バルブV3を開としておくことにより地下蓄熱層3内の放水手段8を介して地下蓄熱層3の蓄熱材に放水する。これにより地下蓄熱層3は徐々に昇温し熱が蓄積される。この場合前記地下開放型の蓄熱層を用いた場合には温水が直接蓄熱材に接触するため、伝熱効率が極めて高いものとなる。
First, the function of the above configuration will be described in the case where heat is stored in the underground
一方、床面からの放熱は室内温度を上昇させてしまうため、夏期等の暖房を必要としない時期においては地下蓄熱層3からの放熱を遮断する必要がある。この放熱の遮断は図示の構成では以下のとおり実施される。
即ち、バルブV4を閉としておき、この状態でバルブV5を開として前記温水器7に供給する地下水の一部を温度調節層2内の配管9に流入させる。地域によっても異なるが通常地下水は季節に係わりなく14℃から16℃程度で一定であるため、配管9にこの地下水を供給することによって温度調節層2の温度を地下蓄熱層3の温度よりも低く設定し、地下蓄熱層3から伝熱される温度と相殺してしまい、これにより地下蓄熱層3からの熱が床面1に伝達されるのを遮断する。
On the other hand, since heat radiation from the floor raises the room temperature, it is necessary to block heat radiation from the underground
That is, the valve V4 is kept closed, and in this state, the valve V5 is opened and a part of the groundwater supplied to the
なお、配管9に対する地下水の単位時間流量を調節することにより床面温度を調節することが可能である。即ち流量が多ければ床面温度は地下水の温度近くまで降下させることが可能であり、床面の必要温度に対応して地下水の流量を調節する。このようにして夏場を中心として地下蓄熱層3に対して、家屋Hの室内温度の上昇を考慮することなく十分に蓄熱することが可能となり、暖房が必要な冬場に備えることになる。なお、バルブV6を開として前記地下水に替えて或いはこの地下水に加えて雨水タンク6内の雨水を利用することも可能である。図示の構成では水の供給経路を主体として示してあり、雨水タンク6が外気に露出しているように表示されているが、地下水タンク5と同様タンクを地下に埋設して雨水の温度も前記地下水に近い一定の温度として用いるのが望ましい。
It is possible to adjust the floor surface temperature by adjusting the unit time flow rate of groundwater to the pipe 9. That is, if the flow rate is large, the floor surface temperature can be lowered to near the groundwater temperature, and the flow rate of the groundwater is adjusted in accordance with the required temperature of the floor surface. In this way, it becomes possible to store heat sufficiently in the underground
次に冬場等、地下蓄熱層3の熱を利用する場合について説明する。
先ず、通常はバルブV4、V5を閉としておき、配管9内の水は当該配管内に滞留させておく。この状態で温度調節層2は地下蓄熱層3からの熱により昇温して温度調節層2と地下蓄熱層3は熱的に一体化し、これにより地下蓄熱層3に蓄熱された熱は防湿層4、温度調節層2を経て床面1に伝達され、家屋Hの室内を暖房する。この場合、温度調節層2の配管9内に滞留した水は地下蓄熱層3からの熱によりこの熱量に対応した温度にまで昇温し、温度調節層2全体として地下蓄熱層3側の熱を室内に伝達することになる。換言すれば温度調節層2自体が室内に対する発熱体として機能し、地下蓄熱層3はこの発熱体たる温度調節層2に対して熱エネルギーを供給する手段として作用すると解することもできる。この場合、配管9内には最も熱容量の大きい水が充填されているため温度調節層2自体が所定の温度を保持し、室内を安定的に暖房することができる。
Next, the case where the heat of the underground
First, the valves V4 and V5 are normally closed, and the water in the pipe 9 is retained in the pipe. In this state, the
また、冬場であっても晴天時には温水器7内の水は地下蓄熱層3から供給される熱量に対応する温度よりも高くなることがある。この場合にはバルブV3を開として温水を放水手段8により地下蓄熱層3に放水して、地下蓄熱層3に蓄えられた熱量を補充する。またこれと同時にバルブV4を開としてこの温水の一部を温度調節層2の配管9に送り、この温水により温度調節層2自体で発熱させて床面1の温度を上昇させるようにしてもよい。
Even in the winter, the water in the
上述した構成では、温度調節層2に対しては水が供給されるよう構成されているが、温度調節層2は地下蓄熱層3の熱を室内に対して伝達あるいは遮断するために、その目的に対応した温度に調整することにその機能があるのであるから、この機能の達成が可能であれば温度調節層2に供給する流体は水に限る必要はなく、所定の温度の空気などの気体であっても構わない。
In the above-described configuration, water is supplied to the
図2は上記した構成要素の系統を示す。図中符号10で示す加熱補助手段とは、家屋Hの室内を暖房する際に地下蓄熱層3からの熱では不十分であり、かつ温水器7からの熱量も十分確保できない場合に使用する人工的な加熱手段であって、例えば電気ヒータ等である。この加熱補助手段はあくまでも例外的、かつ補助的に使用するものであり、そのエネルギー源も前述の電気のように人工的エネルギーを直接使用する外、例えば電気発生のための燃料電池作動時に生じる熱を利用する等、本来廃棄される熱を利用することも可能である。また、前記地下開放型の蓄熱層の場合には暖房の場合夏期を含む長期間に渡って大量の熱量を蓄熱することが可能であるため、地下蓄熱層の容量にもよるが基本的にはこの加熱補助手段は必要ない。
FIG. 2 shows a system of the above-described components. The heating auxiliary means indicated by
図3は水を供給する場合の各バルブの開閉のタイミングの一例を示している。
先ずケースC1として床1の床面温度が適正温度として予め設定されている温度(設定温度)よりも高い場合にはバルブV5を開として地下水を直接温度調節層2に供給して地下蓄熱層3側の熱が床面に伝達されのを阻止する。
FIG. 3 shows an example of the opening / closing timing of each valve when water is supplied.
First, as the case C1, when the floor surface temperature of the
ケースC2は上記ケースC1とは逆に床面温度が設定温度よりも低い場合であって、この場合にはバルブV4を開として温水器7から温水を供給して床面温度を設定温度まで上昇させる。この場合温水器7から供給される温水温度が前記設定温度に達しない場合には前記加熱補助手段10により所定の温度まで床面を昇温させる。
Case C2 is a case where the floor surface temperature is lower than the set temperature, as opposed to case C1, and in this case, the valve V4 is opened and hot water is supplied from the
ケースC3は地下蓄熱層3の蓄熱に関するものであって、温水器7から排出される温水の温度が地下蓄熱層3の温度よりも高い場合にはバルブV3を開として放水手段8から地下蓄熱層3に対して温水を放出する。前述のとおり夏場は殆どこの状態であり、ほとんどの場合このケースC3は前記ケースC1と同時進行的に実施されることになる。
Case C3 relates to heat storage in the underground
以上本発明を、主として冬季に室内暖房を実施するために、夏期を中心として自然エネルギーを蓄熱する場合を例に説明したが、逆に夏場の冷房を主目的として実施する場合にも本発をそのまま実施することができる。 In the above, the present invention has been described by taking as an example the case of storing natural energy mainly in the summer in order to carry out the indoor heating mainly in the winter, but conversely, the present invention is also applied to the case where the main purpose is cooling in the summer. It can be carried out as it is.
即ち、冬季に一定量以上の積雪がある地域において、地下蓄熱層3は地下空間内に運び込んだ雪或いは氷により構成し、冬季はこの雪や氷により床面が冷却されないよう温度調節層2に対して温水等の媒体を供給して地下蓄熱層3側のマイナスの熱量が伝達されないように構成し、夏期はこの地下蓄熱層3のマイナス熱量を温度調節層2を介して床面に伝達して冷房を行うよう構成することも可能である。
That is, in an area where there is a certain amount of snow in winter, the underground
また、上記実施例では本発明の実施対象が家屋という比較的小規模な構造物であったが、本発明の構成はビルや工場等の大型の構造物に対しても実施可能である。 In the above embodiment, the object of the present invention is a relatively small structure such as a house. However, the structure of the present invention can be applied to a large structure such as a building or a factory.
1 (家屋Hの)床面
2 温度調節層
3 地下蓄熱層
4 防湿層
5 地下水タンク
6 雨水タンク
7 太陽熱温水器
8 放水手段
9 配管
10 ボンプ
11 地下開放型隔壁
H 家屋
S 太陽光
V1〜V6 バルブ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
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