JP2012184912A - 地中熱利用の空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】、構成を複雑にせず、コストも大幅に高めることなく、熱変換効率を向上させることを図り、地中熱利用システムを一般冷暖房用にも用いることを実現するための地中熱利用の空調装置を提供する。
【解決手段】熱交換換気器５の排気を利用して、ヒートポンプ部４を暖房時には加熱し、また冷房時には冷却する。これにより地中熱とヒートポンプ部４と熱交換換気器５とにより、外気の加熱温度を上げたり、また外気の冷却温度を下げたりする熱変換効率が上がり、空調装置全体としての冷暖房効率が高まる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気直接熱交換方式の地中熱を利用して家屋（室内）の空気調節を行うための空調装置に関するものである。

近年、地中熱を利用した冷暖房システムが注目されている。特に空気直接熱交換方式の地中熱利用は、外気と違って地中の温度は年間を通して大きな変化がないため、地中熱を暖房／冷房用の熱源と考え、夏場には外気温よりも低い温度になっている地中に熱を放出して冷房を行い、冬場には外気温よりも暖かい地中から熱を取り出して暖房を行う地中熱利用システムが提案されている。

昨今の温暖化問題や環境問題、および自然エネルギーの利用などが一般に認識されている状況になっており、それに伴い各種多様の地中熱利用システムが提案され、地中熱を有効利用するための各種技術が実施されてきている。

特開２０１１−１２９１８号公報 特開２００９−１２７９８２号公報

特許文献１，２には、地中に埋設した熱交換用パイプ部材に外気を通し、地中にて空気を地中熱により直接熱交換し、熱交換後の空気を冷暖房に利用する地中熱利用システムが記載されている。これらの地中熱利用システムに関する技術では、地中熱を有効に利用する工夫がなされている。

ところで、地中熱利用システムを一般室内の冷暖房用の空調装置として用いる場合には、冬場の低温状態から夏場の高温状態まで温度調整を可能にすることを想定して、地中熱利用システムを設計する必要がある。

地中の温度は、年間を通して変化が少ないが、この地中熱を冷暖房に設定される低温乃至高温に調整する範囲は、地中温度の範囲内に限られてしまう。そこで、ヒートポンプを補助的に各部屋に設置する方法もあるが、初期投資と運転コストが高くなることに加え、集中制御が難しくなる。

また、効率が良く運転コストの安い熱交換器と地中熱利用システムを組み合わせる方法もあるが、除湿効果がほとんど得られない欠点がある。一般室内冷暖房用件を満たし、かつコストを安くするために、単純にヒートポンプや熱交換器を組み合わせるだけでは、それぞれが単独で機能する製品になっており、組み合わせることを想定していないため、コストが高く効率が悪くなってしまう。

そこで、本発明は、構成を複雑にせず、コストを大幅に高めることなく、熱変換効率を向上させることを図り、地中熱利用システムを一般冷暖房用に用いることを実現化するための地中熱利用の空調装置を提供することを目的とする。

本発明の地中熱利用の空調装置は、地中に埋設した熱交換用パイプ部材に外気を通して地中にて熱交換を行い、熱交換後の空気を室内に導入して冷暖房を行う地中熱利用の空調装置において、前記熱交換用パイプ部材に外気を吸入する外気取入部と、前記熱交換用パイプ部材にて熱交換を受けた空気に対して設定された冷房／暖房温度にするヒートポンプ部と、前記ヒートポンプ部からの空気を吸気して室内に供給し、また室内の空気を排気する全熱交換換気型の熱交換換気器と、前記熱交換用パイプ部材にて熱交換を受けた空気と前記熱交換換気器から送り出された室内の空気とを前記ヒートポンプ部を経由して吸気／排出する空気通路とを備えたことを特徴とする。

また、前記空気通路は、前記ヒートポンプ部を構成するラジエーター部分を経由して設置されることを特徴とする。

また、前記ヒートポンプ部は、室外機部分と室内機部分とで構成されることを特徴とする。

また、前記ヒートポンプ部と前記熱交換換気器とをユニット化したことを特徴とする。

また、前記ユニット体を当該空調装置が設置される家屋の床下部分に設置することを特徴とする。

また、前記ヒートポンプ部と前記熱交換部を、前記熱交換用パイプ部材による地中熱利用空調と併用して、それぞれ単独稼働可能にしたことを特徴とする。

本発明によれば、特に、熱交換用パイプ部材にて熱交換を受けた空気と、熱交換換気器から送り出された室内の空気とを、ヒートポンプ部を経て吸気・排出するため、外部排出空気の温度によって、ヒートポンプ部のラジエーター部などが冷房時には冷却され、また暖房時には加熱されることになる。このため外気は、地中熱，ヒートポンプ部，熱変換換気器により有効かつ効率的に冷やされ、また温められることになる。よって、構成を複雑にせず、コストを高めることなく、地中熱を利用した一般住宅用冷暖房装置を提供することが実現する。

さらに、ヒートポンプ部と熱交換換気器とをユニット化することにより、一般住宅用の地中熱利用の空調装置として、取り扱い／設置が容易なものにすることができる。

また、ヒートポンプ部及び熱交換換気器を、温度，湿度等の外気条件に応じて、熱交換用パイプ部材による地中熱利用空調と併用して、それぞれ単独稼働して空調を行うようにすることにより、高効率の空調運転が実現する。

本発明に係る実施形態である地中熱利用の空調装置の全体構成と冬場における各部位の暖房状態の温度についての説明図である。 本実施形態の全体構成と夏場における冷房状態の各部位の温度についての説明図である。

以下に本発明の好適な実施形態を図面にて説明する。

図１は本発明に係る地中熱利用の空調装置の実施形態の全体構成を示し、１は空調対象の家屋、２は外気を取り入れるための吸引ファンやフィルターなどからなる外気取入部、３は外気を地中へ導入して熱交換するための熱交換用パイプ部材である。

４は、熱交換用パイプ部材３からの空気を受け、使用者によって設定された温度の冷気／暖気にして、家屋１内へ送り出すヒートポンプ部である。このヒートポンプ部４は、発熱現象と吸熱現象とを利用する冷暖房用の構造のものであって、詳細には図示しないが、室内機と室外機からなる、所謂エアコンを用いる。

また、５は全熱交換換気構造の熱交換換気器であって、顕熱（温度）だけでなく、潜熱（水蒸気）も交換する省エネ型の構造のものである。

前記熱交換用パイプ部材３からの家屋１内への空気経路（通過路）は、本例では、パイプ部材により形成されている。
空気取入経路は、地中から延出する熱交換用パイプ部材３から第１空気経路６を通ってヒートポンプ部４に達する。本例では該経路は、ヒートポンプ部４を構成する室外機のラジエーター部分４ａを通るようにしている。ヒートポンプ部４のラジエーター部分４ａを通過した空気は、第２空気経路７を経て熱交換換気器５に達し、空気が家屋１内へ給気される。

排気の空気経路は、熱交換換気器５から第３空気経路８を通ってヒートポンプ部４のラジエーター部分４ａを通り、空気が外部へ排出されるようになっている。

図１には本実施形態における暖房時（冬場）の空気流と各部位の温度測定例を示している。

本例では、外気が−５℃程度であり、地中熱が１８℃程度であるとしており、この場合、熱交換用パイプ部材３により外気は約８℃程度にすることができる。この約８℃の空気を、第１空気経路６を通してヒートポンプ部４に送って、ヒートポンプ部４により３５℃程度の暖気とする。第２空気経路７からの暖気を、熱交換換気器５を通して３０℃の空気として家屋１内へ給気する。これにより家屋１全体としては室温を２５℃程度にすることができる。

また、暖房時の家屋１からの排気は、室温の空気が還気として熱交換換気器５を通り、第３空気経路８から外部へ排気（約２８℃程度）される。本例では、ヒートポンプ部４を構成する室外機のラジエーター部分４ａを経て外部に排気する。このとき２８℃の排気空気によりヒートポンプ部４のラジエーター部分４ａが温まり、それにより外部に排出される空気温度は約１５℃程度になる。

このように、ヒートポンプ部４のラジエーター部分４ａが温まることにより、暖房時のヒートポンプ部４における熱変換効率が向上することになる。

図２には本実施形態における冷房時（夏場）の空気流と各部位の温度測定例を示している。

本例では、外気が３３℃程度であり、地中熱が１８℃程度であるとしており、この場合、熱交換用パイプ部材３により外気は約２２℃程度にすることができる。この約２２℃の空気を、第１空気経路６を通してヒートポンプ部４に送り、ヒートポンプ部４により１３℃程度の冷気とする。このとき、過冷却現象によって大きな除湿効果が得られる。そして第２空気経路７からの冷気を、熱交換換気器５を通して１８℃の空気として家屋１内へ給気する。これにより家屋１全体としては室温を２５℃程度にすることができる。

冷房時の家屋１からの排気は、室温の空気が還気として熱交換換気器５を通り、第３空気経路８から外部へ排気（約２０℃程度）される。本例では、ヒートポンプ部４を構成する室外機のラジエーター部分４ａを経て外部に排気する。このとき２０℃の排気空気によりヒートポンプ部４のラジエーター部分４ａが冷やされ、それにより外部に排出される空気温度は約４５℃程度になる。

このように、ヒートポンプ部４のラジエーター部分４ａが冷えることにより、冷房時においてもヒートポンプ部４における熱変換効率が向上することになる。

上記のように本実施形態によれば、熱交換換気器５の排気（排熱）を利用して、ヒートポンプ部４を暖房時には加熱し、また冷房時には冷却することができるようになる。よって、地中熱とヒートポンプ部４と熱交換換気器５とにより、外気を効率的に加熱し、また冷却することができることになり、空調装置全体としての冷暖房効率が高まる。

なお、本実施形態において、空気経路がヒートポンプ部４を構成するラジエーター部４ａを経由すると説明したが、ヒートポンプ部４の他の適所を経由させるようにしてもよい。

また、施工のし易さなどを考慮して、ヒートポンプ部４と熱交換換気器５とをユニット体にしたり、該ユニット体を当該空調装置が設置される家屋の床下部分に設置したりすることも考えられる。

また、本実施形態において、ヒートポンプ部４と熱交換換気器５とを、外気条件（温度，湿度等）に応じて熱交換用パイプ部材３による地中熱利用空調と併用可能にし、それぞれ単独稼働可能にすることによって、これらを適宜組み合わせて空調を行うことができる。このため、単純にヒートポンプ部４と熱交換換気器５とを組み合わせるような構成に比べて、低コストで高効率の空調運転が可能になる。

本発明は、一般的な家屋のみならず、マンション，ビルなどの室内個別の冷暖房設備の一部に利用しても有効である。

１ 家屋
２ 外気取入部
３ 熱交換用パイプ部材
４ ヒートポンプ部
４ａ ラジエーター部
５ 熱交換換気器
６ 第１空気経路
７ 第２空気経路
８ 第３空気経路

Claims (6)

1. 地中に埋設した熱交換用パイプ部材に外気を通して地中にて熱交換を行い、熱交換後の空気を室内に導入して冷暖房を行う地中熱利用の空調装置において、
   前記熱交換用パイプ部材に外気を吸入する外気取入部と、
   前記熱交換用パイプ部材にて熱交換を受けた空気に対して設定された冷房／暖房温度にするヒートポンプ部と、
   前記ヒートポンプ部からの空気を吸気して室内に供給し、また室内の空気を排気する全熱交換換気型の熱交換換気器と、
   前記熱交換用パイプ部材にて熱交換を受けた空気と前記熱交換換気器から送り出された室内の空気とを前記ヒートポンプ部を経由して吸気／排出する空気通路と、
   を備えたことを特徴とする地中熱利用の空調装置。
2. 前記空気通路は、前記ヒートポンプ部を構成するラジエーター部分を経由して設置されることを特徴とする請求項１に記載の地中熱利用の空調装置。
3. 前記ヒートポンプ部は、室外機部分と室内機部分とで構成されることを特徴とする請求項１に記載の地中熱利用の空調装置。
4. 前記ヒートポンプ部と前記熱交換換気器とをユニット化したことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の地中熱利用の空調装置。
5. 前記ユニット体を当該空調装置が設置される家屋の床下部分に設置することを特徴とする請求項４に記載の地中熱利用の空調装置。
6. 前記ヒートポンプ部と前記熱交換部を、前記熱交換用パイプ部材による地中熱利用空調と併用して、それぞれ単独稼働可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の地中熱利用の空調装置。

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