JP2013092307A - 地中熱と太陽熱を利用した空調システム。 - Google Patents

Abstract

【課題】年間を通じて安定した地中恒温層の地中熱と冬期は屋根下の太陽熱の熱が加算利用できる空調システムを提供する。
【解決手段】空調システムは地中熱と太陽熱を利用した建築物の空調システムであって、断熱壁は建築物の外壁部断熱材２２とその外壁部断熱材２２の地中側に連結され地中３ｍ以上に挿入されている遮水性能を付加した地中側断熱材１と、建築物の地下階の下側に天井部を地下階に設けた断熱床、壁部を壁断熱、底部を蓄熱層１９により形成した床下放熱ボックス３と、循環ダクト９と、各室と床下放熱ボックス３を接続した、屋根下ダクトと床下放熱ボックス３を接続した太陽熱循環ダクト１２と、からなり、床下放熱ボックス３の太陽熱循環ダクト１２の吹出口Ａは循環ダクト９の吹出口Ｃより蓄熱層１９側に設けていることを特徴したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱と太陽熱を利用した空調システムに関するものである。

地中熱や太陽熱を利用した空調システムはいろいろな構成が考えられているが、例えば、特許文献１に開示されている空調システムは地中熱を建築物の冷暖房等に利用するシステムであって地中恒温層まで延びる板状の断熱壁で建築物を囲い埋設し、地中熱を有効に利用している構成である。断熱壁は板状で相互に連接する突合せ縁の一方に嵌合条、残る他方に嵌合溝を有する構造であり、内外を連通する通湿孔も設け、通気性又は通水性を発揮できる構造になっている。

また、特許文献２に開示されている地中熱と太陽熱を利用している空調システムでは地中熱は夏期に太陽熱は冬期に使い分けしているシステムである。建物の地下に水槽を設け、水槽の周囲は断熱壁でおおわれている。水槽には熱交換パイプが設けられ、換気パイプを介して各室と接続されている。夏期は水槽の床構造であるコンクリートブロック内に中空層を設け、その中空層に水を入れて、地中熱をその水を介して水槽に伝導するようにして、地中熱の１５〜１６℃を利用するようにしている。
冬期は水槽の床のコンクリートブロックの水を抜いて空気を入れ地中熱が水槽に伝わらないようにし、屋根に設けた太陽熱温水器により採熱した太陽熱を水槽に伝導させる様にして、太陽熱のみを利用する様にしている。

特開２００７−１２０２９７号公報 特開平５−２９６６０３号公報

特許文献１は、この地中熱のみを建築物の冷暖房等に利用する地熱利用構造物においては、地中恒温層の地中熱を利用するシステムとしては優れているシステムであるが夏期は地中熱を利用して一定の冷房ができるが、冬期は地中熱１５℃〜１６℃では暖房温度を十分に得ることが難しい。
また、断熱壁は突合せ縁の嵌合条、嵌合溝や板状の断熱壁の内外を連通する通湿孔を設けているので地下水や雨水が流出入し、その結果、地中熱が影響を受けて、安定的な地中熱の確保が難しい。

特許文献２については、夏期は地中熱を伝熱床に伝導し、水槽を介して熱交換パイプに地中熱を伝導し、連通換気パイプを経て各室換気パイプで吹き出し冷房するので一定の冷房ができるが熱交換パイプに結露が発生するので機能の持続が難しい。
冬期は太陽熱温水器から温水循環パイプから水槽を介して水槽の温水熱交換パイプで水槽内の熱交換パイプに伝導し、連通換気パイプを経て各室換気パイプで吹き出し暖房するが冬期の太陽の日射のみでは不安定で暖房温度の確保が難しい。

地中熱と太陽熱を利用した建築物の空調システムにおいて、
建築物の外壁部断熱材とその外壁部断熱材の地中側に連結され地中３ｍ以上に挿入されている遮水性能を付加した地中側断熱材とからなる断熱壁と、
建築物の地下階床を天井部とし、壁部を断熱壁、底部を蓄熱層により形成した床下放熱ボックスと、
建築物の各室には天井側と床側に吹出吸込口を設け、床下放熱ボックスに設けた冬期用送風機、夏期用送風機を介して床下放熱ボックスと各室を循環ダクトで接続し、床下放熱ボックス上部に吹出口を設けた循環ダクトと、
床下放熱ボックス上部に吸込口を設け、壁ダクト、軒先、屋根下ダクト、降下ダクトに接
続し、降下送風機を介して床下放熱ボックス下部の吹出口に接続している太陽熱循環ダクトと、
からなり、床下放熱ボックスの太陽熱循環ダクトの吹出口は循環ダクトの吹出口より蓄熱層側に設けていることを特徴とする。

また、蓄熱層は床下放熱ボックスの断熱壁内側の床面に蓄熱材と基礎コンクリートを設けることを特徴とする。

また、地中側断熱材は断熱板であって、断熱板を矢板に装着して床下放熱ボックスの周囲に形成しているオーガー工法のベントナイト、ソイルセメント、コンクリート内に挿入することを特徴とする。

また、地中側断熱材単体を掘削部に施工することを特徴とする。

また、太陽熱循環ダクトは外気を取り入れるための吸気口で取り入れた外気を排出するための自然換気窓に接続していることを特徴とする。

本発明の地中熱と太陽熱を利用した空調システムは夏期に地中熱を利用して、冬期には地中熱に太陽熱を加算して、熱を床下放熱ボックスに蓄熱し、床下放熱ボックスより夏期用送風機、冬期用送風機を介して各室の天井側と床側に設けた吹出吸込口で循環させることによって空調するシステムである。
特に冬期は地中熱の１５〜１６℃と晴天時の太陽熱の４０〜６０℃を加算蓄熱でき、地下階床よりも地中側に床下放熱ボックスを設けた構成と合いまって、より冬期でも十分な温度の確保ができるように構成されている。

本発明の断熱壁は建築物の外壁部断熱材とその外壁部断熱材の地中側に連結され地中３ｍ以上に挿入され、遮水性能を持った地中側断熱材により地下水や雨水の影響を受けずに地中恒温層の地中熱を利用し、また、断熱壁で囲まれた床下放熱ボックス内と蓄熱層に安定した地中熱を熱平衡で確保ができる。
地中側断熱材の地中３ｍ以下では外気温の影響を地中熱が受けるため地中３ｍ以上とすることで地下階床よりも地中側に床下放熱ボックスを設けた構成と合いまって、より外気温の影響が少なくなり安定した地中熱の確保ができる。

床下放熱ボックスの太陽熱循環ダクトの吹出口は循環ダクトの吹出口より蓄熱層側に設けていることで循環ダクトの吹出口より吹き出した空気が混合することが避けられ、蓄熱層に直接的に蓄熱されて地中熱に太陽熱を加算蓄熱できる利点があり冬期でも暖房温度の確保できる。
また、断熱壁が建築物の４方を囲み、上部を断熱床で囲まれているので、地下階床よりも地中側に床下放熱ボックスを設けた構成と合いまって、より床下放熱ボックスは外気温の影響が少ない。

本発明の床下放熱ボックスにより効率的に冷暖房ができ、夏期には一定の冷房ができ、また、晴天時の冬期には地中熱に太陽熱を加算できるため快適な温かさが確保でき、年間を通して十分な冷暖房が達成できる。

床下放熱ボックスは地下階床下の地中側からなることで外気温の影響を受けなく、保温性を維持できる。
また、掘り下げて体積を多くすることで床下放熱ボックスの放熱量が多くなり各室の冷暖房効率が改善される。

床下放熱ボックスは地下階床下の地中側からなることで地中熱の熱平衡が高まり、太陽熱循環ダクトで通気して地中熱に太陽熱を効率的に加算蓄熱でき、各室の暖房効率が改善される。

蓄熱層は地下階床下の床下放熱ボックスの断熱壁内側の床面に蓄熱材と基礎コンクリートを設けることで外気温の影響がなく、地中熱に太陽熱を効率的に加算蓄熱でき、緩やかに放熱する。

地中側断熱材は断熱板であって、断熱板を矢板に装着し、また、断熱壁単体で床下放熱ボックスの周囲に形成しているオーガー工法のベントナイト、ソイルセメント、コンクリート内に挿入することで、隣接地近くに施工でき、土地利用が図れ、施工精度もよくなる。

地中側断熱材単体を掘削部に施工することで工事の単純化、工事費が削減でき、工期の短縮になる。

太陽熱循環ダクトは外気を取り入れるための吸気口で取り入れた外気を排出するための自然換気窓に接続しているので夏期の屋根下面の太陽熱を排気でき、地中熱による冷房が効率よくなる。

雪国の冬期には地中熱を床下放熱ボックス上部に吸込口を設け、壁ダクト、軒先、屋根下ダクトに地中熱を通気し、軒先、屋根の融雪が図れ、屋根下ダクトで日射の太陽熱を早期に地中熱に太陽熱を加算できる。

蓄熱層下部の砂利下に防水シートを設けることで常時灌水層による熱伝導が高まり地中熱が蓄熱層に伝導される。

本発明に係る全体構成断面図 本発明に係る地中側断熱材挿入側面図 本発明に係る地中側断熱材矢板装着・遮水連結部平断面図 本発明に係る地中側断熱材単体・遮水連結部・連結金物付き平断面図 本発明に係る地中側断熱壁単体・遮水連結部平断面図 本発明に係る操作盤及び温度制御部の構成図 本発明に係る冬期の全体構成断面図 本発明に係る夏期の全体構成断面図

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明の図１の全体構成断面図に示しているように、建築物の外壁部断熱材２２とその外壁部断熱材２２の地中側に連結され地中３ｍ以上に挿入されている遮水性能を付加し
た地中側断熱材１とからなる断熱壁と、
建築物の地下階床の下側に天井部を地下階床下に設けた断熱床、壁部を断熱壁、底部を蓄熱層１９により形成した床下放熱ボックス３と、
建築物の各室には天井側と床側に吹出吸込口１１を設け、床下放熱ボックス３に設けた冬期用送風機６、夏期用送風機７を介して床下放熱ボックス３と各室を循環ダクト９で接続し、床下放熱ボックス３上部に吹出口Ｂを設けた循環ダクト９と、
床下放熱ボックス３上部に吸込口Ｄを設け、太陽熱循環ダクト１２、軒先３４、太陽熱循環ダクト１２に接続し、降下送風機１５を介して床下放熱ボックス３下部の吹出口Ａに接続している太陽熱循環ダクト１２と、
からなり、床下放熱ボックス３の太陽熱循環ダクト１２の吹出口Ａは循環ダクト９の吹出口Ｂより蓄熱層１９側に設けている。

本発明の図２に記載されているように、遮水性能を付加した板状の地中側断熱材１は地上側の板状の外壁断熱材２２と設計地盤付近で遮水連結され、３ｍ以上の深さに挿入されている。

本発明の図３に記載されているように、矢板２７に装着された地中側断熱材１は水３倍膨張ゴム１０を装着しており、地中に埋設後は水３倍膨張ゴム１０が水膨張し、遮水隔離できるようにしている。

尚、図４のように矢板２９に装着されることなく連結する構成としては、図４に記載されているように、例えば地中側断熱材１単体を重ねて掘削部に施工し、その隅部を補強金物４０と連結金物４１を持ち、水３倍膨張ゴム１０を地中側断熱材１と地中側断熱材１の間に装着しており、地中に埋設後は水３倍膨張ゴム１０が水膨張し、遮水隔離できるようにしている。

あるいは、図５に記載されているように、地中側断熱材１単体を重ねて遮水連結部２には水３倍膨張ゴム１０を地中側断熱材１と地中側断熱材１の間に装着して、地中に埋設後は水３倍膨張ゴム１０が水膨張し、遮水隔離できるようにしている。

冬期の太陽熱の集熱の仕組みについては屋根材と屋根材受け登り桟木と屋根材受け登り桟木の間と屋根下地材に囲まれた空間か筒型ダクトが屋根下ダクト１３で屋根材下部空間で太陽熱の集熱し、上昇気流で暖気を換気棟２４に集中させて降下送風機１６を介して降下ダクト１４で床下放熱ボックス３の蓄熱層１０に送風して蓄熱させている。
また、太陽熱温水器１７でも太陽熱の集熱し、循環ポンプ３１を介して２系統の温水パイプで床下放熱ボックス３の放熱機１８で蓄熱層１９に送風して蓄熱させている。
尚、床下放熱ボックス３の蓄熱層１９のパラフィン材料の蓄熱材３３と基礎コンクリート４に地中熱に太陽熱を加算蓄熱され、ゆっくりと床下放熱ボックス３内に放熱をする。
循環ダクト９、壁ダクト１６は縦桟と縦桟、壁下地と壁下地の間にある空間か筒型ダクトで断熱材に囲われている。

本発明は図６に記載されているように、操作盤及び温度制御部の構成図で温度制御は温度制御部によって行なわれる。室内には温度センサーと湿度センサーと操作盤が設置されていて、操作盤には温度設定部、冷房・暖房と自動・強・中・弱の切換部があり、冬期用送風機６、夏期用送風機７、降下送風機１５の切換部がある。冬期送風機６、夏期送風機７には強・中・弱の切換部があり、除湿機８のＯＮ／ＯＦＦの切換部もある。
また、温度制御部には温度センサーのための温度検出部、湿度センサーのための湿度検出部、温度コントロール部、冬期送風機６、夏期送風機７、降下送風機１５の風量調節部、除湿機８のＯＮ／ＯＦＦが内蔵されている。降下ダクト１４内には降下送風機１５とダンパー５が内蔵され、床下放熱ボックス３内には冬期送風機６、夏期送風機７や除湿機８のＯＮ／ＯＦＦが内蔵され、床下放熱ボックス３内に循環ダクト９にはダンパー５のＯＮ／ＯＦＦが設けられ、循環ダクト９上部にもダンパー５が設けられ連動している。

このような制御によって、例えば、室内の温度を温度設定部で調節することで放熱ボックス３内の冬期送風機６、夏期送風機７で送風し、風量も調節され、放熱量が調節される。
また、同時に各室に吹き出すための冬期送風機６、夏期送風機７の風量も調節され、室内温度が調節される。
操作盤には冬期送風機６、夏期送風機７の送風調整スィッチがあり自動、強、中、弱がある。また、風量調整スィッチがあり自動、強、中、弱があり、風量も調節され、これを組み合わせることで各室温度を調節することができる。

例えば、夏期には室内の温度が３０℃の時に操作盤で室内の温度設定を操作し、２５℃に設定すると、自動制御であれば、床下放熱ボックス３内の黴除去フィルター２３に通気し、除湿機８で除湿し、夏期送風機７が送風し、風量も調整され、１５〜１６℃位の温度を放冷しつつ、天井側、吹出吸込口１１より各室に吹き出し、風量も調整され、室内温度センサーが２５℃になるまで自動的に運転される。
冬期に室内の温度が５℃の時に操作盤で室内の温度設定を操作し、１３℃に設定すると、自動制御であれば、床下放熱ボックス３内の黴除去フィルター２３に通気し、冬期送風機６で送風し、風量も調整され、１５〜１６℃位の温度を放熱しつつ、床下放熱ボックス３内の循環ダクト９で床側の吸込吹出口１１より各室に吹き出し、風量も調整され、室内温度センサーが１３℃になるまで自動的に運転される。
尚、冬期の晴天時に屋根下ダクト１３の太陽熱と太陽温水器１７の太陽熱を床下放熱ボックス３に放熱すると２５℃位で放熱するが各室に循環するがの熱損失もあり１８〜２０位の室内温度になる。

このような構成によって、例えば関西地区以西では、地中下部３ｍ以上の地中熱は年間を通じて１５〜１６℃前後であるので、２４時間冷暖房した場合、夏期では室内温度が２２〜２８℃になり、冬期には各室暖房温度が地中熱だけでは１３℃位になるが晴天時に屋根下からの太陽熱を循環送風し、太陽熱温水器１７の熱を加算することで室内温度が１８〜２０℃位になる。

本発明は図７に記載されているように、冬期の地下階を有する冬期の全体構成断面図で地中側断熱材１（遮水・断熱材３ｍ以上）を基礎コンクリート４、床下放熱ボックス３を囲う。
床下放熱ボックス３内に地中恒温層２０から２４時間熱平衡できる地中熱と晴天時の屋根下ダクト１３の太陽熱を棟部の強化ガラス３５でさらに加温し、屋根下の降下送風機１５を介して開放したダンパー５に通気し、降下ダクト１４で下降し、床下放熱ボックス３下部の吹出口Ａより床下放熱ボックス３と蓄熱層１９の蓄熱材３３と基礎コンクリート４に加算蓄熱ができ、さらに、太陽熱温水器１７の温水を循環ポンプ３１を介して放熱機１８で放熱し、床下放熱ボックス３と蓄熱層１９の蓄熱材３３と基礎コンクリート４にさらに加算蓄熱し、暖房温度を上昇させて床下放熱ボックス３に放熱し、床下放熱ボックス３上部の吸込口Ｄより黴除去フィルター２３と開放したダンパー５を通気して循環をする。
床下放熱ボックス３内の黴除去フィルター２３に通気させて除湿機８、冬期用送風機６を介して循環ダクト９で壁下の吹出吸込口１１より吹き出し各室の暖房し、壁上の吹出吸込口１１より吸い込み循環ダクト９で床下放熱ボックス３上部に設けた吹出口Ｂより吹き出し、飽和過剰水をＳＵＳ金網３６で自然結露し、排水溝より排水し、空気を循環する。
また、冬期は床下放熱ボックス３の上部の吸込口Ｄより地中熱を壁ダクト１６、軒先３４、屋根下ダクト１３に通気させることで軒先３４と屋根の融雪が図れ、軒先３４のすが漏りがなくなり、太陽熱の採取を早めることができ、耐久性が向上する。
さらに、地中恒温層２０からの地下水の侵入防止用の防水シート３２が基礎コンクリート４下に敷き込み床下放熱ボックス３内の漏水、乾燥を確保すると共に蓄熱層下部の砂利下に防水シート３２を敷き込み常時灌水層３７に水を保ち、水の伝導熱で伝導率が高まる。

本発明は図８に記載されているように、夏期の地下階を有する夏期の全体構成断面図で地中側断熱材１（遮水・断熱材３ｍ以上）を基礎コンクリート４、床下放熱ボックス３を囲う。
床下放熱ボックス３内に地中恒温層２０から２４時間熱平衡できる。床下放熱ボックス３上部の吸込口Ｄより黴除去フィルター２３と開放したダンパー５を通気して循環をする。
床下放熱ボックス３内の黴除去フィルター２３に通気させて除湿機８、夏期用送風機７を介して循環ダクト９で壁下の吹出吸込口１１より吹き出し各室の暖房し、壁上の吹出吸込口１１より吹き出し循環ダクト９で床下放熱ボックス３上部に設けた吹出口Ｃより吹き出し、飽和過剰水をＳＵＳ金網３６で自然結露し、排水溝より排水し、空気を循環する。
また、外壁断熱材２２の下方側に吸込口２８を設け、屋根に設けた換気棟２４に自然換気窓２５を設け、夏期は外部の吸気口２８より外気を壁ダクト１６、軒先３４に通気させて屋根下ダクト１３の熱風を換気棟２４の自然換気窓２５で自然換気する。
さらに、地中恒温層２１からの地下水の侵入防止用の防水シート４０が基礎コンクリート４下に敷き込み床下放熱ボックス３内の漏水、乾燥を確保すると共に蓄熱層下部の砂利下に防水シート３２を敷き込み常時灌水層３７に水を保ち、水の伝導熱で伝導率が高まる。

本発明は、地域特性としてその地域の年平均気温が地中恒温層３ｍ以上の地中熱であり場所により採用できる。地熱の違いがあるが何処の地域でも冷暖房が可能となる。
また、木造住宅、一般住宅、定温倉庫、農業用温室等、野菜工場、学校、体育館、劇場、公会堂、集会所、マンション、事務所、公共建築物、既設建物、木造２×４工法、鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造、鉄骨造等の建物の空調システムに適用できる。

１・・地中側断熱材
２・・遮水連結部
３・・床下放熱ボックス
４・・基礎コンクリート
５・・ダンパー
６・・冬期用送風機
７・・夏期用送風機
８・・除湿機
９・・循環ダクト
１０・・水３倍膨張ゴム
１１・・吹出吸込口
１２・・太陽熱循環ダクト
１３・・屋根下ダクト
１４・・降下ダクト
１５・・降下送風機
１６・・壁ダクト
１７・・太陽熱温水器
１８・・放熱機
１９・・蓄熱層
２０・・地中恒温層
２１・・外壁
２２・・外壁部断熱材
２３・・黴除去フィルター
２４・・換気棟
２５・・自然換気窓
２６・・オーガー掘削（チエン式）
２７・・矢板
２８・・吸気口
２９・・防水層
３０・・小屋裏
３１・・循環ポンプ
３２・・防水シート
３３・・蓄熱材
３４・・軒先
３５・・強化ガラス
３６・・ＳＵＳ金網
３７・・常時灌水層
３８・・雨水中水道タンク
３９・・雨水防災タンク
４０・・端部補強金物
４１・・連結金物
Ａ・・吹出口
Ｂ・・吹出口
Ｃ・・吹出口
Ｄ・・吸込口

Claims (5)

1. 地中熱と太陽熱を利用した建築物の空調システムにおいて、
   建築物の外壁部断熱材とその外壁部断熱材の地中側に連結され地中３ｍ以上に挿入されている遮水性能を付加した地中側断熱材とからなる断熱壁と、
   建築物の地下階床を天井部とし、壁部を断熱壁、底部を蓄熱層により形成した床下放熱ボックスと、
   建築物の各室には天井側と床側に吹出吸込口を設け、床下放熱ボックスに設けた冬期用送風機、夏期用送風機を介して床下放熱ボックスと各室を循環ダクトで接続し、床下放熱ボックス上部に吹出口を設けた循環ダクトと、
   床下放熱ボックス上部に吸込口を設け、壁ダクト、軒先、屋根下ダクト、降下ダクトに接続し、降下送風機を介して床下放熱ボックス下部の吹出口に接続している太陽熱循環ダクトと、
   からなり床下放熱ボックスの太陽熱循環ダクトの吹出口は循環ダクトの吹出口より蓄熱層側に設けていることを特徴とする地中熱と太陽熱を利用した空調システム。
2. 蓄熱層は床下放熱ボックスの断熱壁内側の床面に蓄熱材と基礎コンクリートを設けることを特徴とする請求項１に記載の地中熱と太陽熱を利用した空調システム。
3. 地中側断熱材は断熱板であって、断熱板を矢板に装着して床下放熱ボックスの周囲に形成しているオーガー工法のベントナイト、ソイルセメント、コンクリート内に挿入することを特徴とする請求項１に記載の地中熱と太陽熱を利用した空調システム。
4. 地中側断熱材単体を掘削部に施工することを特徴とする請求項１に記載の地中熱と太陽熱を利用した空調システム。
5. 太陽熱循環ダクトは外気を取り入れるための吸気口で取り入れた外気を排出するための自然換気窓に接続していることを特徴とする請求項１に記載の地中熱と太陽熱を利用した空調システム。

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