JP2015025612A

JP2015025612A - 地中熱ヒートポンプ

Info

Publication number: JP2015025612A
Application number: JP2013155150A
Authority: JP
Inventors: 哲明武田; Tetsuaki Takeda
Original assignee: University of Yamanashi NUC
Current assignee: University of Yamanashi NUC
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2015-02-05

Abstract

【課題】熱交換効率を高め、ボアホール深さの短い地中熱ヒートポンプを提供する。
【解決手段】ボアホール１内に注入した周りの水２、あるいは不凍液２に自然対流を発生させるため、攪拌あるいは微小な気泡を熱交換器下端から導入して、対流を生じさせたりすることで、ボアホール１深さが浅く、かつボアホール１本数が少なくても熱交換効率を向上させてヒートポンプの性能を向上させた。
【選択図】図３

Description

本発明は、地中熱ヒートポンプに関する。

この発明は、現在稼働している地中熱ヒートポンプにおいて一次系の熱交換媒体として、プロピレングリコールなどの不凍液に代わり、冷熱媒を媒体として、直接地中と熱交換させることで、熱交換効率を高めようとする地中熱交換器に関するものである。特に、本発明は、ヒートポンプからの熱を液体内に挿入した金属製円管を用いて行い、自然対流による熱交換の促進、あるいは底部から微小気泡を導入することにより、流れを乱して熱交換効率を向上することができる方法である。本発明は、具体的には水、あるいは不凍液などを満たした下端を閉じた円管あるいは矩形管内にU字型の流路を構成する特定の金属管を挿入して、ヒートポンプからの熱を地中部分と熱交換を行うために利用される。

従来の技術においては、一次系が間接方式であっても、直膨方式であっても、単純なストレート円管をU字型にして挿入し、それらを水または珪砂等を充てんして、地中熱交換器を構成し地中との熱交換を行うものがある。また、二重管とした採熱管にＣＯ２を循環させて地中熱を吸収させる地中熱ヒートポンプが開示されている。

特願２００７−２００１４９

従来の地中熱ヒートポンプでは、地中熱交換効率が悪いことから、地中部分の配管長を長くとらなければならないという欠点があった。そこで、本発明は、上記の問題を解決し、熱交換効率を高め、ボアホール深さの短い地中熱ヒートポンプを提供する。

本発明の各課題は、以下の発明により解決することができる。
本発明は、地中に埋設された採熱管から地中熱を採取して熱源として利用する地中熱直接膨張方式ヒートポンプ装置において、従来技術の問題点を解決して画期的な地中熱交換器を実現するために水、または不凍液等の液体が注入されたボアホールとボアホール内に挿入された採熱管とを備え、採熱管は、所定の円管を１本または２本〜4本の複数管として、Ｕ字型流路の一方をスパイラル状にして、熱交換部の距離を稼ぐことで熱交換効率を高めている。

また採熱管のスパイラル状の円管は、接続される円管よりも小口径であり、伝熱効率を高めている。

ボアホール内に注入した周りの水、あるいは不凍液に自然対流を発生させるため、攪拌あるいは微小な気泡を熱交換器下端から導入して、対流を生じさせたりすることで、ボアホール深さが浅く、かつボアホール本数が少なくても熱交換効率を向上させてヒートポンプの性能を向上させた地中熱ヒートポンプ装置としている。

本発明により、単位ボアホール深さ当たりの伝熱管表面積を増大させることができるため、ボアホール掘削深さを短縮することができる。

直接膨張方式地中熱ヒートポンプ概要図予備試験におけるＣＯＰ測定結果本発明の採熱管構造図本発明の気泡を導入した採熱管構造図本発明の攪拌翼を導入した採熱管構造図

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。

内径が数ｍｍ以下の1本または複数の円管をスパイラル状にして、その下端は内径が１０ｍｍ前後の１本の円管と溶接して伝熱管を製作する。片方の円管はスパイラル状の内側を通し、Ｕ字型の熱交換器を製作する。腐食、熱伝導性能の観点から銅が望ましいが、ステンレスやさびに強い金属であればよい。これを収めるボアホールとなるカップ状の円管材質もステンレスが望ましいが、酸素による腐食が防げる材質であれば問題ない。気泡あるいはマイクロバブルの導入は導入管を熱交換器と一緒に容器内に挿入する。導入はガスボンベ、コンプレッサーなどの方法で気体を送り出す。また、気体の代わりに水を導入してボアホール内の流体を撹拌する場合もある。プロペラの場合は小さな攪拌翼のようなものにモーターと電線を接続して、熱交換器を一緒に容器内に挿入する。

これまでのボアホール深さに対して１本の直管表面積に等しい、あるいはそれ以上の表面積を有するようにボアホール深さと複数本の伝熱管、さらにスパイラル状にすることによって熱交換器を製作するため、バブルあるいは攪拌翼、水注入による容器内に対流を発生させることで熱伝達を向上させ、交換熱量を増大させることができる。

（比較例）
予備的な実験としてボアホール長５０ｍと７５ｍの直膨式地中熱ヒートポンプを用いて、試験結果を示す。装置の概要は図1に示す。その性能を調べた結果が図２に占めすＣＯＰ（Coefficient Of Performance、成績係数）値であり、概ね４〜５となっている。

１次系熱交換器は直膨式クローズド型で、従来の空気熱ヒートポンプのＵ字型の採熱部分を地中に直接埋設している。１次側の冷媒としてＲ４１０Ａ（フルオロカーボン４１０Ａ）を用い、２次側には水を循環させ給湯負荷に見立てた貯水槽(容量1t)を設置して、槽内温度をサーモスタッドで制御している。圧縮機には、既製品を使用している。

この実験では膨張弁を設置せず、代わりに採熱管をキャピラリーチューブ加工している。冷暖房運転は、７５ｍのボアホールを使用し、２次系の貯水槽内温度は、２０〜３０℃に設定されている。２次側の循環水流量は１０Ｌ/ｍｉｎである。

（実施例）
図３にスパイラル構造とした採熱管3を示す。スパイラル状の円管は２本あり、１本の直管に接続され、液体2が満たされたボアホール1内に設置されている。

図４には、ボアホール1内の液体2を流動するために気体を導入する仕組みを用いている。気体はボンベ4により供給されているが、ポンプを用いてもよく、また液体を導入してもよい。

図５には、ボアホール内の液体を流動するためにボアホール底部に攪拌翼を設置している。攪拌翼7はモーターにより回転数を制御してもよい。また設置箇所も流動状態に応じ、上部、中部でもよい。

直管型の採熱管に比べ、これらの構造を持つ採熱管を使用することで伝熱効率の向上が期待できる。

１…ボアホール
２…液体
３…採熱管（スパイラルＵ字管）
４…窒素ガスボンベ
５…導管
６…気泡
７…攪拌翼

Claims

地中に埋設された採熱管から地中熱を採取して熱源として利用する地中熱直接膨張方式ヒートポンプ装置において、
液体が注入されたボアホールとボアホール内に挿入された採熱管とを備え、
該採熱管は１本又は複数の円管をスパイラル状にして、その下端が１本の円管と接続されていることを特徴とする地中熱ヒートポンプ装置。
前記採熱管のスパイラル状の円管は、該接続される円管よりも小口径であることを特徴とする請求項１に記載の地中熱ヒートポンプ装置。
前記ボアホール内に液体の対流を促進するための流動装置が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の地中熱ヒートポンプ装置。
前記流動装置は、攪拌翼、または気体、液体を噴出させることにより、液体を流動させることを特徴とする請求項３に記載の地中熱ヒートポンプ装置。