JP2014115016A - 地中熱利用冷暖房システム - Google Patents

Abstract

【課題】地中熱を熱源として利用したヒートポンプ式冷暖房システムにおいて、冷暖房効率の向上とコスト削減を図る。
【解決手段】地中熱利用冷暖房システムは、地表から帯水層１０の中に互いに離間して掘削された第１及び第２の井戸１１、１２、第１の井戸１１の中に挿入された第１の通水管１３と、第２の井戸の１２中に挿入された第２の通水管１４と、冷媒管２１を流れる冷媒と第３の通水管２２を流れる地下水との間で熱交換を行う熱交換器２３、井戸ポンプ２４を備える。そして、井戸ポンプ２４により第１の通水管１１を通して第１の井戸１１から揚水した地下水を第３の通水管２１に流して冷媒との間で熱交換した後に、第２の通水管１４を通して第２の井戸１２に排水する。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱利用冷暖房システムに関する。

従来、地中熱を熱源として利用したヒートポンプ式冷暖房システムが開発されている。このシステムでは、地中の温度は年間を通して安定しているため、ほぼ一定の高効率（ＣＯP)で稼働でき、冷暖房の省エネルギー化が可能である。同時に、室外機の騒音を低減し冷房時の放熱によるヒートアイランド現象の低減にも効果的である。

この種のヒートポンプ式冷暖房システムとして、地中に埋め込んだＵチューブより地中熱を吸収するものが知られている。

特開２００８−３０９３８２号公報

しかしながら、地中の熱拡散熱伝導性は、非常に悪く、年間を通して安定して利用するためには７５ｍ〜１５０ｍの非常に深い井戸の中にＵチューブを設置しなくてはならない。この井戸の掘削のためには非常に高い工事費を必要とし、また、集熱配管としてのＵチューブも１５０ｍ〜３００ｍという長さを必要とする。結果として、冷暖房機本体の５〜１０倍のコストを必要として当該システムの普及の大きな弊害となっている。

また、冷房負荷と暖房負荷では、東京地区においても「冷房１００：暖房１２５」と大きな差があるため、熱拡散の悪い地質では、毎年の冷暖房で差分が累積され、結果的にヒートポンプ内の氷結に至り、吸熱ができなくなる。特に、Ｕチューブが氷結に至った場合、井戸が深いためにその回復は非常に困難である。

上述の課題に鑑み、本発明の地中熱利用冷暖房システムは、地表から帯水層の中に、互いに離間して掘削された第１及び第２の井戸と、前記第１の井戸の中に挿入された第１の通水管と、前記第２の井戸の中に挿入された第２の通水管と、冷媒管を流れる冷媒と第３の通水管を流れる地下水との間で熱交換を行う熱交換器と、井戸ポンプと、を備え、前記井戸ポンプにより前記第１の通水管を通して第１の井戸から揚水した地下水を前記第３の通水管に流して前記冷媒との間で熱交換した後に、前記第２の通水管を通して前記第２の井戸に排水することを特徴とする。

本発明によれば、２つの井戸から地下水を揚水・排水し、この地下水と冷媒との間で熱交換するというヒートポンプシステムを構成したので、１０ｍ程度の比較的浅い井戸でも高い冷暖房効率を得ることができ、システムのコスト削減を図ることができる。

また、２つの井戸の揚水・排水を反転させることで冷房運転と暖房運転を切り換えることができる。さらに、冷房運転時に熱交換後の地下水を太陽光集熱器で昇温させて、排水井戸を介して地下に蓄熱することで冬季における地下水の低温化を抑えて、年間の熱バランスを改善することもできる。

本発明の実施形態における地中熱利用冷暖房システムの構成を示す図（暖房運転時）である。 本発明の実施形態における地中熱利用冷暖房システムの構成を示す図（冷房運転時）である。

図１は本発明の実施形態における地中熱利用冷暖房システムの構成図（暖房運転時）であり、図２は冷房運転時の同システムの構成図である。

この地中熱利用冷暖房システムは、地表から地中の帯水層１０の中に互いに離間して掘削された第１の井戸１１及び第２の井戸１２、第１の井戸１１の中に挿入された第１の通水管１３、第２の井戸１２の中に挿入された第２の通水管１４、地下水を熱源として熱交換を行う地中熱利用ユニット２０、冷暖房用の室外機３０、及び冷暖房用の室内機４０を含んで構成されている。

地中熱利用ユニット２０は、冷媒管２１を流れる冷媒（例えば、代替フロン）と第３の通水管２２を流れる地下水との間で熱交換を行う熱交換器２３、第３の通水管２２に挿入された井戸ポンプ２４、冷房運転・暖房運転に応じて地下水の通水経路を切り換えるための第１の三方弁２５及び第２の三方弁２６を含んで構成されている。

室外機３０は、よく知られた構成のもので、圧縮機３１（コンプレッサ）、膨張弁３２、冷房運転／暖房運転に応じて冷媒通路を切り換えるための第３の三方弁３３及び第４の三方弁３４を含んで構成される。室内機４０もよく知られた構成のもので、室内熱交換機４１、ファン４２を含んで構成されている。

また、第３の通水管２２と第１の通水管１３の間に太陽光集熱器２７を接続することにより、冷房運転時に、第３の通水路２２を通して熱交換器２３によって熱交換された後の地下水を太陽光集熱器２７により昇温させて第１の通水管１３を通して第１の井戸１１に排水することで、地下水の低温化を抑えることができる。

次に、地中熱利用冷暖房システムの冷暖房運転について詳述する。

（暖房運転時）
暖房運転では、図１の矢印で示すように、第１及び第２の三方弁２５、２６は、井戸ポンプ２４により第１の通水管１３を通して第１の井戸１１から揚水した地下水を第３の通水管２２に流して、冷媒管２１を流れる冷媒との間で熱交換した後に、熱交換後の地下水を第２の通水管１４を通して第２の井戸１２に排水する暖房用通水路を形成するように切り換えられる。

この場合は、第１の井戸１１は揚水井戸、第２の井戸１２は排水井戸となり、第１の井戸１１から揚水した地下水は熱交換器２３により冷却されて第２の井戸１２に排水される、一方冷媒は加熱される。

また、室外機３０の第３及び第４の三方弁３３、３４は暖房運転に対応するように切り換えられる。すなわち、冷媒管２１を流れる冷媒は圧縮機３１により圧縮（液化）される。この時に発生する熱は、室内熱交換器４１、ファン４２を介して温風となって室内に放出される。室内熱交換器４１を通った冷媒は次の圧縮に備えて膨張弁３２により膨張（気化）される。このように、暖房運転では、圧縮→室内熱交換→膨張→圧縮→・・というサイクルが繰り返される。
（冷房運転）
一方、冷房運転では、図２の矢印で示すように、第１及び第２の三方弁２５、２６は、井戸ポンプ２４により第２の通水管１４を通して第２の井戸１２から揚水した地下水を第３の通水管２２に流して、冷媒管２１を流れる冷媒との間で熱交換した後に、第１の通水管１３を通して第１の井戸１１に排水する冷房用通水路を形成するように通水路が切り換えられる。

この場合は、第１の井戸１１は排水井戸、第２の井戸１２は揚水井戸となり、
第２の井戸１２から揚水した地下水は熱交換器２３により加熱されて第２の井戸１２に排水される一方、冷媒は冷却される。

また、室外機３０の第３及び第４の三方弁３３、３４は冷房運転に対応するように切り換えられる。すなわち、冷媒管２１を流れる冷媒は膨張弁３２により膨張（気化）される。この時の気化熱で冷媒の温度が下がり、室内熱交換器４１、ファン４２を介して冷風となって室内に放出される。室内熱交換器４１を通った冷媒は次の膨張に備えて圧縮機により圧縮（液化）される。このように、冷房運転では、膨張→室内熱交換→圧縮→膨張→・・というサイクルが繰り返される。

このように、本発明の実施形態によれば、第１及び第２の井戸１１，１２から地下水を揚水・排水し、この地下水と冷媒との間で熱交換するというヒートポンプシステムを構成したので、第１及び第２の井戸１１，１２が１０ｍ程度と比較的浅くとも、２ｍ以上の厚さの帯水層１０の中に掘削されたものであれば、高い冷暖房効率を得ることができる。また、第１及び第２の井戸１１，１２の揚水・排水を反転させることで冷房運転と暖房運転を切り換えることができる。

また、前述のように太陽光集熱器２７を設けることにより、冷房運転時に、熱交換器２３によって熱交換された後の地下水を太陽光集熱器２７により昇温させて第１の井戸１１に排水し、地下に蓄熱することで冬季における地下水の低温化を抑えて、年間の熱バランスを改善することができる。

次に、第１の井戸１１と第２の井戸１２の間の距離、排水井戸と敷地境界の間の距離の決め方について説明する。
（１）第１の井戸１１と第２の井戸１２の間の距離について
暖房運転の場合、熱交換器２３により熱交換されて第２の井戸１２（排水井戸）に排水され地中に浸透した地下水が、第１の井戸１１（揚水井戸）に到達することは好ましくない。同様に、冷房運転の場合は、熱交換器２３により熱交換されて第１の井戸１１（排水井戸）に排水され地中に浸透した地下水が、第２の井戸１２（揚水井戸）に到達することは好ましくない。そこで、第１及び第２の井戸１１，１２の距離は、排水井戸から排水され地中に浸透した地下水が揚水井戸に到達しないように決定される。

以下、その距離を概算する。水で飽和した砂（または礫）層である、帯水層１０の厚さをＤｍ、帯水層１０の間隙率をｎ（比率で表す）とする。間隙率の定義は、土の体積をＶ、空隙の体積をＶｖとしたとき、ｎ＝Ｖｖ／Ｖである。また熱交換器２３の熱交換による地下水の温度差をΔＴ（℃）する。

熱交換された水が広がった面積をＡとすると、熱交換された水で満たされた帯水層１０の体積は、Ａ×Ｄｍ^３）となる。すると、体積Ａ×Ｄの中にある水の体積は、ｎ×Ａ×Ｄｍ^３）となる。体積ｎ×Ａ×Ｄｍ^３）の水の温度がΔＴ（℃）だけ下降（または上昇）したときに、吸熱（加熱）された熱量Ｑは、式（１）で表される。

Ｑ＝ｎ×Ａ×Ｄ×ΔＴ×１．１６（ＫＷｈ）・・・（１）
暖房（冷房）による年間の負荷量をＰＫＷｈとする。熱交換器２３により、体積ｎ×Ａ×Ｄｍ^３の水をΔＴ（℃）だけ下降（上昇）させたとすれば、式（２）が成り立つ。

Ｐ＝Ｑ＝ｎ×Ａ×Ｄ×ΔＴ×１．１６（ＫＷｈ）・・・（２）
そこで、暖房または冷房による年間の負荷量のうち大きいほうをＰとする（通常は暖房による負荷量のほうが大きい）。Ｐ、Ｄ、ΔＴを与えると、式（２）から
熱交換された水が広がる面積Ａが算出される。面積Ａの領域を円であるとすれば、式Ａ=πＲ１²より、その半径Ｒ１が求められる。熱交換された水が、揚水井戸に到達することは好ましくないので、排水井戸の中心から揚水井戸までの距離は、Ｒ１以上に離すことが好ましい。排水井戸の半径をｒとすると、排水井戸と揚水井戸との距離、つまり第１の井戸１１と第２の井戸１２の距離ＬはＬ１＝Ｒ１−ｒとなる。
（２）排水井戸と敷地境界の間の距離について
暖房運転の場合を考えると、熱交換器２３により熱交換されて第２の井戸１２（排水井戸）に排水された地下水は、移流（浸透）により第２の井戸１２の周辺に広がっていくが、そのとき、土粒子を冷やしながら進んでいく。この温度が変化する地中領域が、敷地境界（地中熱利用冷暖房システムが設置される自己の敷地と他人の敷地との境界）に到達することは好ましくない。そこで、第２の井戸１２と敷地境界の距離は、
温度が変化する地中領域が敷地境界に到達しないように決定される。

以下、その距離を概算する。水で飽和した砂層である帯水層１０の密度をρsoil（ｔｏｎ／ｍ^３）、比熱をcsoil(ＭＪ／ｔｏｎ／Ｋとする。

熱交換による地下水の温度差をΔＴ（℃）、熱交換される砂層の面積をＢとすれば、Ｂ×Ｄ（ｍ^３）の体積の土の温度がΔＴ（℃）だけ下降したときに吸熱される熱量Ｑは、式（３）で表される。

Ｑ=ρsoil ×csoil×Ｂ×Ｄ×ΔＴ×１．１６（ＫＷｈ）・・・（３）
暖房による年間の負荷量をＰＫＷｈとする。熱交換により、体積Ｂ×Ｄｍ^３）の土をΔＴ（℃）だけ下降させたとすれば、式（４）が成り立つ。

Ｐ＝Ｑ＝ρsoil ×csoil×Ｂ×Ｄ×ΔＴ×１．１６（ＫＷｈ）・・・（４）
Ｐ、Ｄ、ρsoil、csoil、ΔＴを与えると式（４）から熱交換される砂層の面積Ｂが算出される。面積Ｂの領域を円であるとすれば、Ｂ＝πＲ２²より、その半径Ｒ２が求められる。

熱交換される領域（面積）が敷地境界を越えることは好ましくないので、第２の井戸１２（排水井戸）の中心と敷地境界までの距離は、Ｒ２以上に離すことが好ましい。第２の井戸１２（排水井戸）の半径をｒとすると、第２の井戸１２（排水井戸）と敷地境界との距離はＬ２はＬ２＝Ｒ２−ｒとなる。

以上暖房運転について説明したが、冷房運転の場合も同様に第１の井戸１１（排水井戸）と敷地境界との距離が決定される。

１０ 帯水層
１１ 第１の井戸
１２ 第２の井戸
１３ 第１の通水管
１４ 第２の通水管
２０ 地中熱利用ユニット
２１ 冷媒管
２２ 第３の通水管
２３ 熱交換器
２４ 井戸ポンプ
２５ 第１の三方弁
２６ 第２の三方弁
３０ 室外機
３１ 圧縮機
３２ 膨張弁
３３ 第３の三方弁
３４ 第４の三方弁
４０ 室内機
４１ 室内熱交換機
４２ ファン

Claims (5)

1. 地表から帯水層の中に、互いに離間して掘削された第１及び第２の井戸と、
   前記第１の井戸の中に挿入された第１の通水管と、
   前記第２の井戸の中に挿入された第２の通水管と、
   冷媒管を流れる冷媒と第３の通水管を流れる地下水との間で熱交換を行う熱交換器と、
   井戸ポンプと、を備え、
   前記井戸ポンプにより前記第１の通水管を通して第１の井戸から揚水した地下水を前記第３の通水管に流して前記冷媒との間で熱交換した後に、前記第２の通水管を通して前記第２の井戸に排水することを特徴とする地中熱利用冷暖房システム。
2. 暖房運転時は、前記井戸ポンプにより前記第１の通水管を通して前記第１の井戸から揚水した地下水を前記第３の通水管に流して前記冷媒との間で熱交換した後に、熱交換後の地下水を前記第２の通水管を通して前記第２の井戸に排水する暖房用通水路を形成し、冷房運転時は、前記井戸ポンプにより前記第２の通水管を通して前記第２の井戸から揚水した地下水を前記第３の通水管に流して前記冷媒との間で熱交換した後に、前記第１の通水管を通して前記第１の井戸に排水する冷房用通水路を形成するように通水路を切り換える通水路切換弁を備えることを特徴とする請求項１に記載の地中熱利用冷暖房システム。
3. 前記第３の通水管と前記第１の通水管の間に接続された太陽光集熱器を備え、冷房時に、前記第３の通水路を通して前記熱交換器によって熱交換された後の地下水を前記太陽光集熱器により昇温させて前記第１の通水管を通して前記第１の井戸に排水することを特徴とする請求項２に記載の地中熱利用冷暖房システム。
4. 前記熱交換器により熱交換されて前記第２の井戸に排水され地中に浸透した地下水が、前記第１の井戸に到達しないように、前記第１の井戸と前記第２の井戸の間の距離が決定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の地中熱利用冷暖房システム。
5. 前記熱交換器により熱交換されて前記第２の井戸に排水された地下水が地中に浸透することにより温度が変化する地中領域が、敷地境界に到達しないように前記第２の井戸と敷地境界の間の距離が決定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の地中熱利用冷暖房システム。

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