JP2014031991A - ヒートポンプ空調機の効率改善装置 - Google Patents

Abstract

【課題】園芸用に限定されることなく一般の家庭や工場に用いることができ、ヒートポンプ空調機の熱効率をより高くすることのできるヒートポンプ空調機の効率改善装置を提供すること。
【解決手段】ヒートポンプ空調機５０の効率改善装置１００は、室内に配置される室内機５１と、屋外に配置される室外機５２とを有するヒートポンプ空調機の熱効率を改善するためのものである。ヒートポンプ空調機の効率改善装置は、地下水貯留部３０内に配置される地下水汲み上げ用ポンプＰに連結され、地下水汲み上げ用ポンプＰで汲み上げられた地下水と外気の間で熱交換を行う熱交換器１０と、熱交換器を経た地下水を地下水貯留部に戻すことなく、外部装置７０に供給するための地下水供給管４５と、を備えている。熱交換器は、室外機の吸気側に隣接して設けられている。外部装置は、地下水供給管に連結され、熱交換器を経た地下水を用いて発電する水力発電機を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、室内に配置される室内機と、屋外に配置される室外機とを有するヒートポンプ空調機の熱効率を改善するためのヒートポンプ空調機の効率改善装置に関する。

従来から、地中熱を利用してヒートポンプ空調機の効率を改善することが試みられている。例えば、地中に埋設された熱交換器により熱媒に地中熱を取り込み、ヒートポンプ空調機の室外機近傍に配置された熱交換器で熱媒から放熱することで、ヒートポンプ空調機の室外機の吸気温度と室内温度の温度差を減少させて、ヒートポンプ空調機の効率を改善することが試みられている（例えば特許文献１及び２参照）。

特許文献１に記載された発明は、地中熱を利用することで、冬季に暖房運転する際に、除霜サイクルを行うことなく、連続的に暖房運転を行うことを可能にしたものである。また、特許文献２に記載された発明は、地中熱を利用して既設のヒートポンプ空調機の効率を改善させるためのものである。

特許文献１に記載された発明は、用途が園芸用に限定されており、一般の家庭や工場に用いることは想定されていない。また、特許文献１に記載された発明では、貯水槽内の水は一度循環ポンプで汲み上げられるが、熱交換器を経て貯水槽に戻されることとなる。

また、特許文献２に記載された発明は、熱媒を地中の熱交換器で循環させて地中熱を取り込むので、地中から熱媒に熱交換を行うために必要な時間が長くなり、効率的に地中熱を活用することができない。また、熱媒が、地中に設置された熱交換器及び地表に設置された熱交換器の各々と１回ずつ、合計２回の熱交換を行うので、熱交換で生じるロスが大きくなってしまっていることが推測される。

特開２００９−２３６３２９号公報 特開２０１１−１４１０７３号公報

以上のような点に鑑み、本発明は、園芸用に限定されることなく一般の家庭や工場に用いることができ、ヒートポンプ空調機の熱効率をより高くすることのできるヒートポンプ空調機の効率改善装置を提供する。

本発明のヒートポンプ空調機の効率改善装置は、
室内に配置される室内機と、屋外に配置される室外機とを有するヒートポンプ空調機の熱効率を改善するためのヒートポンプ空調機の効率改善装置であって、
地下水の貯留された地下水貯留部内に配置される地下水汲み上げ用ポンプと、
前記地下水汲み上げ用ポンプに連結され、前記地下水汲み上げ用ポンプで汲み上げられた地下水と外気の間で熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器を経た地下水を前記地下水貯留部に戻すことなく、外部装置に供給するための地下水供給管と、を備え、
前記熱交換器が、前記室外機の吸気側に隣接して設けられ、
前記外部装置が、前記地下水供給管に連結され、前記熱交換器を経た地下水を用いて発電する水力発電機を有している。

本発明のヒートポンプ空調機の効率改善装置において、
前記外部装置は、前記地下水供給管に連結されて前記熱交換器を経た地下水を散水するための散水設備を有してもよい。

本発明のヒートポンプ空調機の効率改善装置において、
前記水力発電機は、前記散水設備で用いられなかった地下水を用いて発電してもよい。

本発明のヒートポンプ空調機の効率改善装置において、
前記散水設備は、建物の屋上又は屋根に設置されてもよい。

本発明のヒートポンプ空調機の効率改善装置において、
前記外部装置は、前記水力発電機に連結され、前記水力発電機で用いられた地下水を用いる冷却水系統を有してもよい。

本発明のヒートポンプ空調機の効率改善装置において、
前記水力発電機はマイクロ水力発電機であってもよい。

本発明によれば、ヒートポンプ空調機の室外機の吸気側に隣接して設けられた熱交換器で地下水と外気の間の熱交換を行うだけでなく、熱交換器を経た地下水を地下水貯留部に戻さない。このため、地下水貯留部内の地下水の温度を一定に保ちつつ、熱交換器における地下水と外気の間で熱交換を実施することができる。この結果、ヒートポンプ空調機の熱効率をより高くすることができる。

さらに、本発明によれば、外部装置が、熱交換器を経た地下水を用いて発電する水力発電機を有しているので、熱交換器で用いられた地下水を発電に利用することができる。

図１は、本発明の実施の形態によるヒートポンプ空調機の効率改善装置の構成を示した概略構成図である。 図２は、本発明の実施の形態の変形例によるヒートポンプ空調機の効率改善装置の構成を示した概略構成図である。

実施の形態
《構成》
以下、本発明に係るヒートポンプ空調機の効率改善装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１は本発明の実施の形態によるヒートポンプ空調機の効率改善装置の構成を示した概略構成図であり、図２は本発明の実施の形態の変形例によるヒートポンプ空調機の効率改善装置の構成を示した概略構成図である。

図１に示すように、本実施の形態のヒートポンプ空調機５０の効率改善装置１００は、室内に配置される室内機５１と、屋外に配置される室外機５２とを有するヒートポンプ空調機５０の熱効率を改善するためのものである。また、本実施の形態のヒートポンプ空調機５０の効率改善装置１００は、特許文献１のように園芸用に限定されるものではなく、一般の家庭や工場にも用いることができる。

本実施の形態のヒートポンプ空調機５０の効率改善装置１００は、地下水の貯留された井戸（特許請求の範囲の「地下水貯留部」に該当する。）３０内に配置される地下水汲み上げ用ポンプＰと、地下水汲み上げ用ポンプＰに地下水汲み上げ管４０を介して連結され、地下水汲み上げ用ポンプＰで汲み上げられた地下水と外気の間で熱交換を行う熱交換器１０と、熱交換器１０を経た地下水を井戸３０に戻すことなく外部装置６０，７０に供給するための地下水供給管４５と、を備えている。熱交換器１０は、ヒートポンプ空調機５０の室外機５２の吸気側に隣接して設けられている。

本実施の形態の外部装置６０，７０は、地下水供給管４５に連結され、熱交換器１０を経た地下水を散水するための散水設備６０と、地下水供給管４５に連結され、熱交換器１０を経た地下水、より具体的には熱交換器１０を経た後であって散水設備６０で散水されなかった地下水を用いて発電する水力発電機７０とを有している。なお、このような水力発電機７０としては、例えばマイクロ水力発電機を用いることができる。

本実施の形態の散水設備６０は、例えば建物の屋上又は屋根に設置され、これら建物の屋上又は屋根に対して散水するようになっている。

熱交換器１０と散水設備６０の間には、散水設備６０に地下水を供給するときには開状態となり、散水設備６０に地下水を供給しないときには閉状態となる散水設備用バルブ６１が設けられている。また、熱交換器１０と水力発電機７０の間には、水力発電機７０に地下水を供給するときには開状態となり、水力発電機７０に地下水を供給しないときには閉状態となる発電機用バルブ７１が設けられている。

また、水力発電機７０で用いられた地下水は、排水配管４６を介して下水８０に流されることとなる。

《作用・効果》
次に、上述した構成からなる本実施の形態による作用・効果について説明する。

本実施の形態によれば、ヒートポンプ空調機５０の室外機５２の吸気側に隣接して設けられた熱交換器１０で地下水と外気の間の熱交換を行うだけでなく、熱交換器１０を経た地下水を井戸３０に戻さない。このため、井戸３０内の地下水の温度を従来技術と比較して確実に一定に保つことができ、このような地下水を用いて、熱交換器１０で地下水と外気の間の熱交換を実施することができる。この結果、ヒートポンプ空調機５０の熱効率をより高くすることができる。

すなわち、特許文献１及び特許文献２に記載されているような従来技術では、熱交換器を経た地下水が井戸等の地下水貯留部に戻される。このため、地下水貯留部内の地下水の温度が変化してしまうことがある。このように地下水の温度が変化してしまうと、熱交換器における地下水と外気の間の熱交換効率が下がってしまい、ひいては、室内の温度と室外機が吸引する空気の温度の温度差が十分小さくならず、ヒートポンプ空調機の熱効率が下がってしまう。これに対して、本実施の形態によれば、熱交換器１０を経た地下水は散水設備６０又は水力発電機７０に供給され、井戸３０内に戻されない。このため、井戸３０内の地下水の温度を従来技術と比較して確実に一定に保ちつつ、熱交換器１０で地下水と外気の間の熱交換を実施することができる。この結果、室内の温度と室外機５２が吸引する空気の温度の温度差を十分小さくすることができ、ヒートポンプ空調機５０の熱効率を、特許文献１及び特許文献２に記載されているような従来技術と比較して高めることができる。

また、特許文献２に記載された発明と比較すると、特許文献２に記載された発明では、地中熱と熱媒の間で熱交換を行い、かつ、熱媒と外気の間で熱交換を行うので、熱交換で生じるロスが大きくなってしまうが、本実施の形態によれば、地下水と外気の間の熱交換が１回行われるだけなので、熱交換で生じるロスを小さくすることができる。

また、本実施の形態では、熱交換器１０を経た地下水を用いて発電する水力発電機７０が設けられている。このため、熱交換器１０で用いられた地下水を発電に利用することができる。

また、本実施の形態では、散水設備６０で用いられなかった地下水の全てが水力発電機７０の発電に用いられる。このため、水力発電機７０による発電量を多くすることができる。

ところで、水力発電機７０の発電に用いられた地下水は、上述したように下水８０に流されてもよいが、工場内の設備等を冷却するための冷却水系統９０に流されてもよい（図２参照）。このような冷却水系統９０に地下水を流すことで、工場等で用いられる水道水の使用量や冷凍機の消費電力等を削減することができる。なお、水力発電機７０と冷却水系統９０の間には、地下水を案内する流水導入管４９が設けられており、当該流水導入管４９には必要に応じて流入ポンプＰ’が設けられる（図２参照）。

次に、ヒートポンプ空調機５０が、冬季で暖房運転されるとき、及び、夏季で冷房運転されるときの各々について説明する。

〈夏季の冷房運転時〉
最初に、ヒートポンプ空調機５０が夏季で冷房運転されるときについて説明する。

まず、地下水汲み上げ用ポンプＰによって地下水が汲み上げられ、当該地下水が熱交換器１０に供給される。上述したように、地下水は年間を通して温度がほぼ一定となっている。

このように地下水が熱交換器１０に供給されると、熱交換器１０近傍の外気が冷やされ、ひいては室外機５２近傍の外気が冷やされることとなる。この結果、室内の温度と室外機５２が吸引する空気の温度の温度差が小さくなり、ヒートポンプ空調機５０の熱効率を改善することができる。

そして、熱交換器１０を経た地下水は散水設備６０に供給され、当該散水設備６０によって例えば建物の屋上又は屋根に地下水が散水される。このため、建物自体の温度を下げることができ、建物の室内を冷やすための空調負荷を削減することができる。また、従来であれば、このように建物自体の温度を下げるために水道水を用いていたが、このような水道水を用いる必要がなくなるので、従来と比べて水道水の使用量を削減することができる。

本実施の形態では、このように熱交換器１０を経た地下水が散水設備６０に供給されて井戸３０に戻さないことから、井戸３０内の地下水の温度を従来技術と比較して確実に一定に保ちつつ、熱交換器１０で地下水と外気の間の熱交換を実施することができる。このため、室外機５２近傍の外気を効率よく冷やすことができ、ヒートポンプ空調機５０の熱効率をより高くすることができる。

なお、熱交換器１０に導入される外気を冷やすために、当該外気の存在するエリアに散水設備６０によって地下水を散水することもできる。このような態様によれば、熱交換器１０における熱交換効率を向上させることができ、ひいては、ヒートポンプ５０の熱効率をより向上させることができる。

また、本実施の形態では、熱交換器１０を経た地下水がマイクロ水力発電機等の水力発電機７０に送られ、当該水力発電機７０で電力を発電することができる。そして、このように発電した電力を、例えばヒートポンプ空調機５０による冷房運転に用いることができる。なお、マイクロ水力発電機に１５０ｌ／ｍｉｎの地下水を１．５ｍの高さから通水することで、１ｋｗの出力を得ることができる。

ところで、散水設備６０で地下水を用いる場合には、散水設備用バルブ６１が開状態となっている。また、水力発電機７０で地下水を用いる場合には、発電機用バルブ７１が開状態となっている。

〈冬季の暖房運転時〉
次に、ヒートポンプ空調機５０が冬季で暖房運転されるときについて説明する。

まず、地下水汲み上げ用ポンプＰによって地下水が汲み上げられ、当該地下水が熱交換器１０に供給される。なお、地下水は年間を通して温度がほぼ一定となっている。

このように地下水が熱交換器１０に供給されると、熱交換器１０近傍の外気が暖められて、ひいては室外機５２近傍の外気が暖められることとなる。この結果、室内の温度と室外機５２が吸引する空気の温度の温度差が小さくなり、ヒートポンプ空調機５０の熱効率を改善することができる。

本実施の形態では、このように熱交換器１０を経た地下水が井戸３０に戻さないことから、井戸３０内の地下水の温度を従来技術と比較して確実に一定に保ちつつ、熱交換器１０で地下水と外気の間の熱交換を実施することができる。このため、室外機５２近傍の外気を効率よく暖めることができ、ヒートポンプ空調機５０の熱効率をより高くすることができる。

また、冬季においては、一般に、散水設備６０によって例えば建物の屋上又は屋根に地下水が散水されることは行われないが、熱交換器１０を経た地下水を、マイクロ水力発電機等の水力発電機７０に送り、当該水力発電機７０で電力を発電することは行われる。そして、このように発電した電力を、例えばヒートポンプ空調機５０による暖房運転に用いることができる。

１０ 熱交換器
３０ 井戸（地下水貯留部）
４０ 地下水汲み上げ管
４５ 地下水供給管
４６ 排水配管
４９ 流水導入管
５０ ヒートポンプ空調機
５１ 室内機
５２ 室外機
６０ 散水設備（外部装置）
６１ 散水設備用バルブ
７０ 発電機（外部装置）
７１ 発電機用バルブ
８０ 下水
９０ 冷却水系統
１００ 効率改善装置
Ｐ 地下水汲み上げ用ポンプ
Ｐ’ 流入ポンプ

Claims (6)

1. 室内に配置される室内機と、屋外に配置される室外機とを有するヒートポンプ空調機の熱効率を改善するためのヒートポンプ空調機の効率改善装置であって、
   地下水の貯留された地下水貯留部内に配置される地下水汲み上げ用ポンプと、
   前記地下水汲み上げ用ポンプに連結され、前記地下水汲み上げ用ポンプで汲み上げられた地下水と外気の間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記熱交換器を経た地下水を前記地下水貯留部に戻すことなく、外部装置に供給するための地下水供給管と、を備え、
   前記熱交換器は、前記室外機の吸気側に隣接して設けられ、
   前記外部装置は、前記地下水供給管に連結され、前記熱交換器を経た地下水を用いて発電する水力発電機を有することを特徴とするヒートポンプ空調機の効率改善装置。
2. 前記外部装置は、前記地下水供給管に連結されて前記熱交換器を経た地下水を散水するための散水設備を有することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ空調機の効率改善装置。
3. 前記水力発電機は、前記散水設備で用いられなかった地下水を用いて発電することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ空調機の効率改善装置。
4. 前記散水設備は、建物の屋上又は屋根に設置されることを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載のヒートポンプ空調機の効率改善装置。
5. 前記外部装置は、前記水力発電機に連結され、前記水力発電機で用いられた地下水を用いる冷却水系統を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートポンプ空調機の効率改善装置。
6. 前記水力発電機はマイクロ水力発電機であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒートポンプ空調機の効率改善装置。

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