JP2014214887A - 地中熱利用の空調設備を具えた建物 - Google Patents

地中熱利用の空調設備を具えた建物 Download PDF

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Abstract

【課題】地中熱と熱交換された空気と、外気とを適宜切り替えて、建物本体に供給することができる地中熱利用の空調設備を有する建物を提供する。
【解決手段】地中熱利用の空調設備を具えた建物１である。建物本体２と、地中熱回収装置３と、給気装置４とを含む。地中熱回収装置３は、入口１１と出口１２とを有する管１０を含む。管１０の一部は、地中に埋設された熱交換部１６を含む。給気装置４は、建物本体２の屋外側に設置されたケーシング２０を含む。ケーシング２０内には、建物本体２に、外気又は地中熱回収装置３で熱交換された空気を切換可能に供給する供給手段１９が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱利用の空調設備を具えた建物に関し、詳しくは、地中熱と熱交換された空気と、外気とを切り替えて建物本体に供給することができる技術に関する。
近年の省エネルギー化の要請により、地中熱を利用した空調設備が種々提案されている（例えば下記特許文献１ないし３参照）。典型的なものとして、入口と出口とを有する管を含み、この管の一部が、地中熱と熱交換可能に地中に埋設された熱交換部とされている地中熱回収装置がある。この装置では、管の入口から外気が導入される。この外気は、熱交換部で地中熱と熱交換される。熱交換された空気は、管の出口から直接又は他のダクトを経由して建物本体へと供給される。
特開２００３−３５４５６号公報 特開２００７−３３３３６０号公報 特開２００８−７６０１５号公報
一般に、地中は、１年を通してほぼ安定的な温度を持っており、この温度は、夏期と冬期との気温差が大きい地域において、通常、夏期では、外気の温度よりも低いことが多い。従って、夏場では、地中熱で冷やされた空気が建物本体へと供給される。
しかしながら、発明者等の種々の研究の結果、常夏地帯等の夏期と冬期との気温差が小さい地域において、夏期であっても、夜間には、外気の温度が地中温度よりも低くなる地域があることが判明した。このような地域では、これまでの空調設備を十分に活用できないという問題があった。
本発明は、以上のような問題点に鑑み、案出されたもので、その課題は、地中熱と熱交換された空気と、外気とを適宜切り替えて、建物本体に供給することができる地中熱利用の空調設備を有する建物を提供することである。
本発明のうち請求項１記載の発明は、地中熱利用の空調設備を具えた建物であって、建物本体と、地中熱回収装置と、給気装置とを含み、前記地中熱回収装置は、入口と出口とを有する管を含み、前記管の一部は、地中熱と熱交換可能に地中に埋設された熱交換部を含み、前記給気装置は、前記建物本体の屋外側に設置されたケーシングを含み、このケーシング内には、前記建物本体に、外気又は前記地中熱回収装置で熱交換された空気を切換可能に供給する供給手段が設けられていることを特徴としている。
また請求項２記載の発明は、前記ケーシングは、箱体状である請求項１記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物である。
また請求項３記載の発明は、前記ケーシングは、前記供給手段を点検するための開閉可能な扉を有する請求項１又は２記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物である。
また請求項４記載の発明は、前記ケーシングは、地面側の底面を有し、前記底面は、前記地中熱回収装置の前記管の出口側が接続又は挿入される第１開口部が設けられている請求項１乃至３のいずれかに記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物である。
また請求項５記載の発明は、前記ケーシングは、上下にのびる側面を有し、前記側面は、外気を導入可能な第２開口部が設けられている請求項１乃至４のいずれかに記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物である。
また請求項６記載の発明は、前記ケーシングは、前記建物本体側で上下にのびる背面を有し、前記背面には、前記供給手段と前記建物本体内とを連通させるダクトが通る第３開口部が設けられている請求項１乃至５のいずれかに記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物である。
また請求項７記載の発明は、前記供給手段は、ダンパーを含み、前記ダンパーは、前記地中熱回収装置の前記管の出口が接続された第１入口と、外気と連通している第２入口と、出口と、前記第１入口又は第２入口を前記出口に選択的に連通させる切換具とを含む請求項１乃至６のいずれかに記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物である。
また請求項８記載の発明は、前記供給手段は、前記ダンパーの下流側に、異物を除去するフィルター装置が設けられている請求項７記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物である。
また請求項９記載の発明は、前記供給手段は、前記フィルター装置の下流側に、ファンが設けられている請求項８記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物である。
また請求項１０記載の発明は、前記ケーシング内をのびるダクトの少なくとも一部は、断熱材で被覆されている請求項１乃至９のいずれかに記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物である。
本発明の地中熱利用の空調設備を具えた建物は、建物本体と、地中熱回収装置と、給気装置とを含んでいる。
地中熱回収装置は、入口と出口とを有する管を含み、前記管の一部は、地中熱と熱交換可能に地中に埋設された熱交換部を含んでいる。従って、地中熱回収装置は、入口から導入された外気が熱交換部で温め又は冷やされる。熱交換された空気は、地中熱回収装置の管の出口から回収される。
給気装置は、建物本体の屋外側に設置されたケーシングを含んでいる。このケーシング内には、建物本体に、外気又は前記地中熱回収装置で熱交換された空気を切換可能に供給する供給手段が設けられている。
従って、本発明の地中熱利用の空調設備を具えた建物は、好ましい状況に応じて、外気又は地中熱回収装置の熱交換された空気が供給され得る。従って、設置された地域ごとに、最適な空調管理が可能になる。例えば、常夏地帯等では、冷房効果を得るために、日中は地中熱と熱交換された空気が、夜間は外気が、それぞれ建物本体に供給されることが望ましい。
さらに、給気装置は、建物外部に設けられているため、容易に外気を導入することができる。また、供給手段がケーシング内に設けられているため、外部からの風雨に曝されることがないので、耐久性が向上する。
本発明の地中熱利用の空調設備を具えた建物の断面図である。 図１の地中熱回収装置の拡大図である。 図１のケーシングの斜視図である。 ケーシングの内部の拡大図である。 従来例及び実施例の建物の室温の変化を示すグラフである。
以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１には、本実施形態の地中熱利用の空調設備を具えた建物１（以下、単に建物１ということがある。）の断面図が示されている。図１に示されているように、建物１は、建物本体２と、地中熱回収装置３と、給気装置４とを含んでいる。
建物本体２の形態は、特に限定されるものではない。本実施形態の建物本体２は、例えば、３階建ての住宅である。建物本体２の例えば小屋裏５には、建物本体２の内部の空気を屋外へ排出しうる排気ファン５１が設けられている。
図２には、地中熱回収装置３の拡大図が示される。地中熱回収装置３は、管１０を含んでいる。管１０は、入口部１３と、熱交換部１６と、出口部１７とを含む。
入口部１３は、管１０の入口１１を含めた管１０の一部が、地上に設けられている。これにより、入口１１は、管１０内に外気を取り込むことができる。
入口部１３は、第１部分１３Ａ、第２部分１３Ｂ、及び、第３部分１３Ｃを含んでいる。第１部分１３Ａは、入口１１から上方にのびる。第２部分１３Ｂは、第１部分１３Ａに連なり、水平方向にのびる。第３部分１３Ｃは、第２部分１３Ｂに連なり、下方にのびる。これにより、入口１１は、地上側を向いている。このような入口１１は、管１０内への雨水の進入を効果的に抑制する。
入口１１には、防虫ネット１４が設けられているのが望ましい。管１０内への虫の侵入を効果的に抑制するために、防虫ネット１４の網目の大きさは、例えば、１mm以下が望ましい。
熱交換部１６は、入口部１３に連なり、地中Ｇに埋設されている。従って、地中熱回収装置３の熱交換部１６は、入口１１から導入された外気が、地中の熱エネルギーと管１０を介して熱交換され、温め又は冷やされる。特に夏場の日中では、前記外気は冷却される。熱交換された空気は、地中熱回収装置３の管１０の出口１２から回収される。
熱交換部１６は、例えば、地表から０．５〜２．０ｍの深さｄ１の地中に埋設されている。このような深さの地中は、外気に比べると、温度変化が小さい。
熱交換部１６は、地中との接触面積を大きく得るために、波状又はジグザグ状の管で形成されても良い。
熱交換部１６には、例えば、非金属材料が採用されている。非金属材料としては、好ましくは、塩化ビニル樹脂等の樹脂材料が採用される。これにより、熱交換部１６の地中での耐久性が維持されつつ、高い熱伝導性が発揮される。
出口部１７は、熱交換部１６に連なり、出口１２を含んで地上に設けられている。出口１２は、給気装置４に接続される。
給気装置４は、建物本体２の屋外側に設置されたケーシング２０と、その中に配された供給手段１９とを含んでいる。
図３には、ケーシング２０の斜視図が示されている。図４には、ケーシング２０の正面図が示されている。図３及び図４に示されているように、ケーシング２０は、例えば、箱体状である。図３に示されているように、ケーシング２０は、地面側の底面２１、扉３４が設けられた前面２４、前面２４の両側で上下にのびる側面２２Ａ、２２Ｂ、及び、建物本体側で上下にのびる背面２３を含む。
ケーシング２０の底面２１には、例えば、ケーシング２０を支える脚部２７が設けられている。
ケーシング２０の底面２１には、第１開口部３１が設けられている。図４に示されているように、第１開口部３１は、地中熱回収装置３の管１０の出口１２が接続又は挿入されている。これにより、地中熱回収装置の管１０は、地表から真っ直ぐにのびてケーシング２０内まで導かれている。
図３に示されているように、前面２４には、開閉可能な扉３４が設けられている。
前面２４の両側で上下にのびる側面２２Ａ、２２Ｂは、矩形状の平面である。一方の側面２２Ａには、第２開口部３２が設けられている。第２開口部３２は、ケーシング２０の内部に外気を導入することができる。
第２開口部３２には、防虫ネット３７が設けられているのが望ましい。これにより、ケーシング２０の内部に虫が侵入するのが抑制される。
第２開口部３２が、ケーシング２０の底面２１近傍に設けられていると、湿度が大きい地表付近の空気をケーシング２０内に導入するおそれがある。このため、第２開口部３２は、ケーシング２０の高さ方向の中央部２０ｃよりも上側に設けられているのが望ましい。
ケーシングの背面２３には、第３開口部３３が設けられている。第３開口部３３には、ケーシング２０と建物本体とを連通させるダクト３６が通る。
図４に示されている通り、このケーシング２０内には、供給手段１９が設けられている。このため、供給手段１９が外部からの風雨に曝されることがない。従って、供給手段１９の耐久性が向上する。
供給手段１９は、ダンパー４０、フィルター装置４５及びファン４６を含んでいる。
ダンパー４０は、空気の入口である第１入口４１及び第２入口４２、並びに、空気の出口４３を含む。
第１入口４１には、地中熱回収装置３の管１０の出口１２が接続されている。これにより、ダンパー４０には、地中熱回収装置３で熱交換された空気が供給される。
第２入口４２は、ダクト３８の一端３８ａと接続している。ダクト３８の他端３８ｂは、ケーシング２０の第２開口部３２と接続されている。これにより、第２入口４２は、外気と連通している。
ケーシング２０内をのびるダクト３８の少なくとも一部は、断熱材で被覆されているのが望ましい。このようなダクト３８は、内部を通る空気の温度変化を効果的に抑制する。
ダンパー４０は、切換具４４を含む。切換具４４は、第１入口４１又は第２入口４２を出口４３に選択的に連通させる。このような切換具４４は、必要に応じて、外気又は地中熱回収装置３で熱交換された空気を切換可能に供給する。
従って、本発明の地中熱利用の空調設備を具えた建物は、好ましい状況に応じて、外気又は地中熱回収装置の熱交換された空気が供給され得る。例えば、常夏地帯等では、建物本体を冷やすために、日中は熱交換された空気が、夜間は地中よりも低音の外気が、それぞれ建物本体に供給されることが望ましい。従って、設置された地域ごとに、最適な空調管理が可能になる。
切換具４４の切換は、例えば、時刻に連動して実施されるのが望ましい。例えば、外気温が地中の温度より高い日中の間は、切換具４４は、出口４３と第１入口４１とを連通させる。これにより、地中熱回収装置で熱交換され十分に冷却された空気が建物内に供給される。日没後、外気温が地中の温度より低くなる時刻では、切換具４４は、出口４３と第２入口４２とを連通させる。これにより、外気が建物内に供給される。
切換具４４の切換は、地中及び外気の温度に同調させて制御されても良い。例えば、地中及び外気の温度を検知する温度検知手段が設けられ、温度検知の結果によって切換具４４が制御されるのが望ましい。
フィルター装置４５は、管３９Ａを介してダンパー４０と連通している。フィルター装置４５は、例えば、空気中の塵等を濾過する濾過紙を含む。フィルター装置４５は、ダンパー４０の出口４３から供給された空気を濾過する。これにより、建物本体内に供給される空気が清浄になる。
ファン４６は、管３９Ｂを介してフィルター装置４５と連通している。ファン４６は、フィルター装置４５から供給された空気を、管３９Ｃを介して建物本体内に供給する。管３９Ｃは、ケーシング２０の第３開口部３３を通る。これにより、管３９Ｃは、ケーシング２０と建物本体とを連通させるダクト３６（図３に示す）と連通する。
図１に示されているように、建物本体２に導入された空気は、例えば、流路４７内を通って最上階の出口４８まで案内され、３階の一室に供給される。建物１内の空気は、排気ダクト５０及び排気ファン５１を通って、建物１の外部に排出される。
以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。
空調設備が異なる下記の建物Ａ及び建物Ｂについて、テストが行われた。建物Ａ及びＢの空調設備は、以下の通りである。
建物Ａ：エアコンを有し、かつ、本発明の地中熱利用の空調設備を具えた建物である。
建物Ｂ：エアコンのみを有する建物である。
建物Ａと建物Ｂとは、空調設備以外は全て同じ仕様である。建物Ａと建物Ｂとの共通仕様は、以下の通りである。
建物の形状：図１に示される３階建ての住宅
外壁の断熱材：厚さ５０mmのガラスウール
天井の断熱材：厚さ２００mmのガラスウール
日射遮断方法：３階の東西の開口部に、日射遮断用の外付けブラインドが設置
テスト方法は、以下の通りである。
各建物本体の室温が、午前６時から２４時間測定された。各建物は、午後９時から午後１０時の間に、エアコン（ＣＯＰ＝４．０）が作動され、午後１０時の時点で室温２４℃に設定された。その後、エアコンが停止された。
建物Ａには、午前１１時から午前０時までは、地中熱回収装置で熱交換された空気が供給され、午前０時から午前１１時までは、外気が供給された。建物Ａへの空気の供給量は、２００ｍ3/ｈｒである。
各建物の室温の変化が、図５に示されている。各建物の午後１１時から午前６時まで最高室温、及び、エアコンの消費電力が、表１に示されている。
Figure 2014214887
図５に示されているように、本発明の実施例である建物Ａは、１日を通して、快適温度である２８℃前後の室温を維持しているのが確認できた。表１に示されるように、建物Ａの２３時から６時までの最大室温は、建物Ｂの前記最大室温よりも小さい。建物Ａの消費電力は、建物Ｂの消費電力よりも小さい。即ち、本発明の実施例である建物Ａは、建物Ｂよりも消費電力を抑制しつつ、快適性を向上させている。
１ 建物
２ 建物本体
３ 地中熱回収装置
４ 給気装置
１０ 管
１１ 入口
１２ 出口
１６ 熱交換部
１９ 供給手段
２０ ケーシング

Claims (10)

  1. 地中熱利用の空調設備を具えた建物であって、
    建物本体と、地中熱回収装置と、給気装置とを含み、
    前記地中熱回収装置は、入口と出口とを有する管を含み、前記管の一部は、地中熱と熱交換可能に地中に埋設された熱交換部を含み、
    前記給気装置は、前記建物本体の屋外側に設置されたケーシングを含み、
    このケーシング内には、前記建物本体に、外気又は前記地中熱回収装置で熱交換された空気を切換可能に供給する供給手段が設けられていることを特徴とする地中熱利用の空調設備を具えた建物。
  2. 前記ケーシングは、箱体状である請求項１記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物。
  3. 前記ケーシングは、前記供給手段を点検するための開閉可能な扉を有する請求項１又は２記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物。
  4. 前記ケーシングは、地面側の底面を有し、
    前記底面は、前記地中熱回収装置の前記管の出口側が接続又は挿入される第１開口部が設けられている請求項１乃至３のいずれかに記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物。
  5. 前記ケーシングは、上下にのびる側面を有し、
    前記側面は、外気を導入可能な第２開口部が設けられている請求項１乃至４のいずれかに記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物。
  6. 前記ケーシングは、前記建物本体側で上下にのびる背面を有し、前記背面には、前記供給手段と前記建物本体内とを連通させるダクトが通る第３開口部が設けられている請求項１乃至５のいずれかに記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物。
  7. 前記供給手段は、ダンパーを含み、
    前記ダンパーは、前記地中熱回収装置の前記管の出口が接続された第１入口と、外気と連通している第２入口と、出口と、前記第１入口又は第２入口を前記出口に選択的に連通させる切換具とを含む請求項１乃至６のいずれかに記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物。
  8. 前記供給手段は、前記ダンパーの下流側に、異物を除去するフィルター装置が設けられている請求項７記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物。
  9. 前記供給手段は、前記フィルター装置の下流側に、ファンが設けられている請求項８記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物。
  10. 前記ケーシング内をのびるダクトの少なくとも一部は、断熱材で被覆されている請求項１乃至９のいずれかに記載の地中熱利用の空調設備を具えた建物。
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