JP2017015284A - 空冷ヒートポンプおよび熱供給設備 - Google Patents

Abstract

【課題】導入コストおよびランニングコストの増加を抑制でき、かつ熱効率を安定させることができる空冷ヒートポンプおよび熱供給設備を提供する。
【解決手段】空冷ヒートポンプ１０は、熱交換器１３を持つ。熱交換器１３は、外気と熱交換するように構成される。熱交換器１３は、熱保持体２を通過した外気と熱交換を行う。外気導入ファン４を駆動し、矢印Ａで示すように、外気を外気通流路２０内に導入し、土壌２と熱交換を行う。土壌２の温度は、外気温と比較して、年間を通じて変動が小さくなっている。夏季等の外気温が高い時期には、外気を外気よりも低温な土壌２内に形成された外気通流路２０内に導入することで、導入された外気の温度を低下させることができる。また、冬季等の外気温が低い時期には、外気を外気よりも高温な土壌２内に形成された外気通流路２０内に導入することで、導入された外気の温度を上昇させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、空冷ヒートポンプおよび熱供給設備に関する。

土壌等の熱保持体内に熱媒流体用の配管を敷設して熱交換を行う熱源システムがある。前記熱源システムにおいては、熱保持体内への配管の敷設に伴って、導入コストが増加する場合があった。また、配管内の熱媒流体を搬送するためのポンプ動力が必要となる。
また、外気を熱源とする空冷ヒートポンプがある。空冷ヒートポンプは、外気温によって熱交換の効率が変動し、熱効率が低下する場合があった。

特開２０１４−２２８２３８号公報

本発明が解決しようとする課題は、導入コストおよびランニングコストの増加を抑制でき、かつ熱効率を安定させることができる空冷ヒートポンプおよび熱供給設備を提供することである。

実施形態の空冷ヒートポンプは、熱交換器を持つ。熱交換器は、空気と熱交換するように構成される。熱交換器は、熱保持体を通過した空気と熱交換を行う。

第１の実施形態の熱供給設備の構成を示す部分断面図。 第１の実施形態の第１の変形例の熱供給設備の構成を示す部分断面図。 第１の実施形態の第２の変形例の熱供給設備の構成を示す部分断面図。 第２の実施形態の熱供給設備の平面図。 第２の実施形態の熱供給設備の構成を示す部分断面図。

以下、実施形態の空冷ヒートポンプおよび熱供給設備を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の熱供給設備の構成を示す部分断面図である。
図１に示すように、第１の実施形態の熱供給設備１は、複数の空冷ヒートポンプ１０（以下、単に「ヒートポンプ１０」という。）と、土壌２内に形成された外気通流路２０と、を備えている。

外気通流路２０は、土壌２内、すなわち地中に形成され、空気が通流する。外気通流路２０は、土壌２を平面視矩形状に掘削することで形成された地下溝３に設けられている。地下溝３は、水平方向に沿って平坦に形成された底部３ａと、上下方向に沿って平坦に形成された側壁部３ｂと、上部開口を閉塞するように配置された基礎５と、により囲まれている。基礎５は、例えば鉄板や鉄筋コンクリート等により板状に形成された部材である。基礎５の上面は、水平方向に沿うように設けられている。土壌２は、外気と比較して優れた断熱性と蓄熱性とを有しており、熱保持体として機能する。このため、土壌２の温度は、外気温と比較して、年間を通じて変動が小さくなっている。

複数のヒートポンプ１０は、間隔をあけて土壌２の外側、すなわち地上に並んで配置されている。具体的に、複数のヒートポンプ１０は、基礎５上において等間隔で一列に配置されている。ヒートポンプ１０は、冷水または温水を生成し、例えば屋内に設置された図示しない水熱交換器に通水して屋内を冷暖房するのに用いられる。ヒートポンプ１０は、略下半分に設けられた機械部１１と、機械部１１の上部に設けられた熱交換部１３と、を有している。隣り合うヒートポンプ１０同士の間の空間は、熱交換部１３の内部に取り込まれる空気が通流する通気空間Ｓとなっている（詳細は後述）。ヒートポンプ１０は、上下方向から見て矩形状に形成されている。以下の説明では、ヒートポンプ１０が等間隔で配置された方向を並設方向という。また、並設方向および上下方向に直交する方向を奥行方向という。

熱交換部１３は、奥行方向から見て、上方から下方に向かって並設方向における寸法が漸次小さくなるように形成されている。熱交換部１３は、一対の熱交換器１５と、天板部１４と、送風機１７と、を有している。熱交換器１５は、複数の放熱板を備えている。熱交換器１５は、空気と熱交換するように構成されている。一対の熱交換器１５は、熱交換部１３における並設方向の両側に配置されている。熱交換器１５は、通気空間Ｓに面するように配置されている。熱交換器１５は、上下方向に対して、下方に向かって傾斜するように配置されている。すなわち熱交換器１５は、後述する開口部６に向かって傾斜するように配置されている。天板部１４は、ヒートポンプ１０の筐体の一部であって、熱交換部１３の上部に配置されている。天板部１４には、円筒状の吹出口１４ａが設けられている。送風機１７は、天板部１４の吹出口１４ａ内に配置されている。送風機１７は、吹出口１４ａ内に配置されたプロペラファン（不図示）と、このプロペラファンを回転させるファンモータ（不図示）と、を備えている。

熱交換部１３は、送風機１７により内部が負圧にされることで、熱交換器１５を通して空気を取り込む。この際、熱交換部１３は、熱交換器１５において空気と熱交換を行う。熱交換部１３の内部に取り込まれた空気は、送風機１７により上方に向かって外部へ排出される。

機械部１１は、奥行方向から見て、下方から上方に向かって並設方向における寸法が漸次大きくなるように形成されている。機械部１１の上端部は、奥行方向から見て、熱交換部１３の下端部と同等の幅になっている。機械部１１の下端部は、奥行方向から見て、熱交換部１３の天板部１４と同等の幅となっている。これにより、ヒートポンプ１０は、奥行方向から見て、上下方向の中間部分がくびれた形状に形成されている。機械部１１は、筐体１２内に、冷凍サイクルユニットや電装部品等を備えている。

通気空間Ｓの周囲には、通気空間Ｓを覆う壁部３０が配置されている。壁部３０は、通気空間Ｓの奥行方向の両側に配置された一対の側壁３１と、通気空間Ｓの上方に配置された天壁３２と、を有する。なお、図１では、通気空間Ｓの奥行方向の両側に配置された一対の側壁３１のうち、紙面手前側の側壁３１のみを図示するとともに、紙面手前側の側壁３１を２点鎖線で示している。

各側壁３１は、奥行方向から見て矩形状に形成されている。各側壁３１は、奥行方向に直交する面方向に沿って延びている。各側壁３１は、奥行方向から見て、通気空間Ｓよりも並設方向に広くなるように形成されている。各側壁３１の上端縁の位置は、ヒートポンプ１０の天板部１４の位置と一致している。各側壁３１は、ヒートポンプ１０の奥行方向に面する側面１０ａに沿うように配置され、隣り合うヒートポンプ１０の側面１０ａ同士を接続している。

天壁３２は、上下方向から見て矩形状に形成されている。天壁３２は、並設方向および奥行方向に沿って延びている。天壁３２は、上下方向から見て、通気空間Ｓよりも並設方向に広くなるように形成されている。天壁３２の奥行方向における寸法は、ヒートポンプ１０の奥行方向における寸法と同等となっている。天壁３２は、ヒートポンプ１０の天板部１４に沿うように配置され、隣り合うヒートポンプ１０の天板部１４同士を接続している。

基礎５における隣り合うヒートポンプ１０同士の間には、開口部６が形成されている。開口部６は、通気空間Ｓと、外気通流路２０と、を連通している。開口部６は、上下方向から見て矩形状に形成されている。開口部６の並設方向における開口寸法は、隣り合うヒートポンプ１０の離間距離と同等となっている。開口部６の奥行方向における開口寸法は、ヒートポンプ１０の奥行方向における寸法と同等となっている。

基礎５における並設方向の両端に配置された一対のヒートポンプ１０の外側には、それぞれ空気導入口７が形成されている。空気導入口７は、並んで配置された複数のヒートポンプ１０よりも外側の空間と、外気通流路２０と、を連通している。空気導入口７は、上下方向から見て例えば矩形状に形成されている。一対の空気導入口７には、それぞれ外気導入ファン４が配置されている。各外気導入ファン４は、並んで配置された複数のヒートポンプ１０よりも外側の空間の空気（外気）を外気通流路２０内に導入する。

以下、本実施形態の熱供給設備１およびヒートポンプ１０の作用について説明する。
熱供給設備１の運転は、外気導入ファン４を駆動し、矢印Ａで示すように、外気を外気通流路２０内に導入する。外気通流路２０内に導入された外気は、土壌２と熱交換を行う。ここで一般に、土壌２の温度は、外気温と比較して、年間を通じて変動が小さくなっている。具体的に、夏季では土壌２の温度は外気温よりも低く、冬季では土壌２の温度は外気温よりも高い。このため、例えば夏季等の外気温が高い時期には、外気を外気よりも低温な土壌２内に形成された外気通流路２０内に導入することで、導入された外気の温度を低下させることができる。また、例えば冬季等の外気温が低い時期には、外気を外気よりも高温な土壌２内に形成された外気通流路２０内に導入することで、導入された外気の温度を上昇させることができる。

ここで、ヒートポンプ１０は、上述のように冷水または温水を生成する。冷水生成時のヒートポンプ１０は、熱交換部１３において熱交換器１５と空気とを熱交換させ、熱交換器１５から空気へ放熱する。また、温水生成時のヒートポンプ１０は、熱交換部１３において熱交換器１５と空気とを熱交換させ、熱交換器１５に空気から吸熱させる。

最初に、夏季等の外気温が高い環境下における冷水生成時の運用について説明する。
外気通流路２０内において温度が低下した外気（以下、「冷却空気」という。）は、開口部６を通って、矢印Ｂが指向する方向に沿って通気空間Ｓに送り込まれる。すると、冷却空気は、送風機１７による負圧によって、矢印Ｃが指向する方向に沿ってヒートポンプ１０の熱交換部１３内に取り込まれる。この際、冷却空気は、熱交換器１５を通ることにより、熱交換器１５と熱交換が行われる。ここで、一般にヒートポンプの特性として、冷水生成時では、熱交換器を通過する空気の温度が低いほど冷水生成の効率が向上する。通気空間Ｓ内の冷却空気は、外気温と比較して低温となっているため、熱交換器１５における熱交換を効率よく行くことができる。最後に、熱交換部１３内に取り込まれた冷却空気は、送風機１７により上方に向かって外部へ放出される。

次に、冬季等の外気温が低い環境下における温水生成時の運用について説明する。
外気通流路２０内において温度が上昇した外気（以下、「加熱空気」という。）は、開口部６を通って、矢印Ｂが指向する方向に沿って通気空間Ｓに送り込まれる。すると、加熱空気は、送風機１７による負圧によって、矢印Ｃが指向する方向に沿ってヒートポンプ１０の熱交換部１３内に取り込まれる。この際、加熱空気は、熱交換器１５を通ることにより、熱交換器１５と熱交換が行われる。ここで、一般にヒートポンプの特性として、温水生成時では、熱交換器を通過する空気の温度が高いほど温水生成の効率が向上する。通気空間Ｓ内の加熱空気は、外気温と比較して高温となっているため、熱交換器１５における熱交換を効率よく行くことができる。最後に、熱交換部１３内に取り込まれた加熱空気は、送風機１７により上方に向かって外部へ放出される。

以上説明した第１の実施形態によれば、ヒートポンプ１０が土壌２を通過した空気と熱交換を行う熱交換器１５を持つことにより、夏季には外気温よりも低温の空気と熱交換を行うことができ、冬季には外気温よりも高温の空気と熱交換を行うことができる。これにより、熱交換器１５における熱交換の効率を向上させることができる。しかも、熱交換器１５は空気と熱交換を行うため、熱媒流体用の配管等を敷設する必要がなく、配管内を搬送するためのポンプ動力も必要がない。したがって、導入コストおよびランニングコストの増加を抑制でき、かつ熱効率を安定させることができるヒートポンプ１０とすることができる。

さらに、冬季等の外気温が低い時には、熱交換器１５に霜が付着する場合がある。この場合には、熱交換器１５に付着した霜を溶かすデフロスト運転を行うが、デフロスト運転中は熱交換器１５において熱交換を行えず温水生成の効率が低下する。
本実施形態によれば、冬季等の外気温が低い時期においては、外気通流路２０を通過して温度が上昇した加熱空気が熱交換器１５を通過するため、熱交換器１５への霜の付着を低減させることができる。これにより、温水生成の効率の低下を抑制できる。

さらに、熱保持体が土壌２であるため、年間を通して温度変化の小さい熱保持体を容易に得ることができる。したがって、ヒートポンプ１０の導入コストの増加をより一層抑制できる。

さらに、熱供給設備１では、ヒートポンプ１０の熱交換器１５が通気空間Ｓに面するように配置され、外気通流路２０と通気空間Ｓとが開口部６を通じて連通している。これにより、ヒートポンプ１０が、熱交換器１５において、土壌２と熱交換を行った空気との熱交換を容易に行うことができる。したがって、土壌２を通過した空気と熱交換を行うヒートポンプ１０を備える熱供給設備１を、簡素な構成で実現でき、導入コストおよびランニングコストの増加を抑制できる。

さらに、通気空間Ｓを覆う壁部３０を備えているため、通気空間Ｓ内の空気が外部へ漏出することを防止できる。これにより、ヒートポンプ１０は、熱交換器１５において、外気通流路２０を通過した空気と確実に熱交換を行うことができる。したがって、ヒートポンプ１０の熱効率をより安定させることができる。

さらに、熱交換器１５が開口部６に向かって傾斜するように配置されているため、開口部６から通気空間Ｓに送り込まれた空気を、スムーズに熱交換器１５に通すことができる。これにより、外気通流路２０を通過した空気の通流がスムーズになり、熱交換器１５における熱交換の効率を向上させることができる。したがって、ヒートポンプ１０の熱効率をより安定させることができる。

図２は、第１の実施形態の第１の変形例の熱供給設備の構成を示す部分断面図である。
なお、図１に示す第１の実施形態では、外気通流路２０（地下溝３）の底部３ａおよび側壁部３ｂは、平坦に形成されていたが、これに限定されるものではない。図２に示すように、外気通流路１２０（地下溝１０３）の底部１０３ａおよび側壁部１０３ｂには、凹凸部１０８が形成されていてもよい。具体的に、凹凸部１０８は、例えば奥行方向から見た断面視で波状に形成されている。

本変形例によれば、外気通流路１２０の内面（底部１０３ａおよび側壁部１０３ｂ）に凹凸部１０８が形成されているため、外気通流路１２０内における土壌２の表面積を大きくすることができる。このため、外気通流路１２０に導入された外気と土壌２との熱交換の効率を向上させることができる。これにより、通気空間Ｓに対して、夏季には土壌２の温度により近い低温の空気を送り込むことができ、冬季には土壌２の温度により近い高温の空気を送り込むことができる。したがって、ヒートポンプ１０の熱効率をより安定させることができる。

図３は、第１の実施形態の第２の変形例の熱供給設備の構成を示す部分断面図である。
また、図３に示すように、外気通流路２０には、放熱フィン１０９が設けられていてもよい。放熱フィン１０９は、例えば金属材料等により形成されている。放熱フィン１０９は、その一部が土壌２内に埋設されている。これにより、外気通流路２０内の空気は、放熱フィン１０９を介して土壌２と効率よく熱交換することが可能となっている。

本変形例によれば、外気通流路２０には、放熱フィン１０９が設けられているため、外気通流路２０に導入された外気と土壌２との熱交換の効率を向上させることができる。これにより、通気空間Ｓに対して、夏季には土壌２の温度により近い低温の空気を送り込むことができ、冬季には土壌２の温度により近い高温の空気を送り込むことができる。したがって、ヒートポンプ１０の熱効率をより安定させることができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態の熱供給設備の平面図である。図５は、第２の実施形態の熱供給設備の構成を示す部分断面図である。
図１に示す第１の実施形態では、ヒートポンプ１０が上下方向から見て矩形状に形成されている。これに対して、図４に示す第２の実施形態では、空冷ヒートポンプ２１０（以下、単に「ヒートポンプ２１０」という。）が上下方向から見て六角形状に形成されている点で、第１の実施形態と異なっている。また、図１に示す第１の実施形態では、ヒートポンプ１０が奥行方向から見て並設方向における寸法が上方から下方に向かって漸次小さくなるように形成されている。これに対して、図５に示す第２の実施形態では、ヒートポンプ２１０が奥行方向から見て並設方向における寸法が上下方向に略一様となるように形成されている点で、第１の実施形態と異なっている。なお、図１に示す第１の実施形態と同様の構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図４および図５に示すように、第２の実施形態の熱供給設備２０１は、複数のヒートポンプ２１０と、外気通流路２０と、を備えている。
ヒートポンプ２１０は、六角柱状に形成されている。ヒートポンプ２１０は、上下方向から見て奥行方向に長い六角形状に形成された天板部２１４と、天板部２１４の外周縁から下方に向かって延びる外壁部２１６と、を有する。天板部２１４および外壁部２１６の内側には、第１の実施形態のヒートポンプ１０における機械部１１と同様に、冷凍サイクルユニットや電装部品等が配置されている。

図４に示すように、天板部２１４は、並設方向に沿う一対の側辺２１４ａと、並設方向および奥行方向に交差する４つの側辺２１４ｂと、を有する。一対の側辺２１４ａの寸法は、互いに同等となっている。４つの側辺２１４ｂの寸法は、互いに同等であって、一対の側辺２１４ａよりも長くなっている。天板部２１４には、円筒状の吹出口２１４ｃが奥行方向に沿って等間隔で３個形成されている。各吹出口２１４ｃの内側には、送風機１７が配置されている。

図５に示すように、ヒートポンプ２１０の外壁部２１６のうち、天板部２１４の４つの側辺２１４ｂから下方に延びる面には、それぞれ熱交換器２１５が設けられている。熱交換器２１５は、上下方向に沿うように配置されている。熱交換器２１５は、第１の実施形態のヒートポンプ１０における熱交換器１５と同様に、複数の放熱板を備え、空気と熱交換するように構成されている。

ヒートポンプ２１０は、送風機１７により内部が負圧にされることで、熱交換器２１５を通して空気を取り込む。この際、ヒートポンプ２１０は、熱交換器２１５において空気と熱交換を行う。ヒートポンプ２１０の内部に取り込まれた空気は、送風機１７により上方に向かって外部へ排出される。

隣り合うヒートポンプ２１０同士の間の通気空間Ｓの周囲には、通気空間Ｓを覆う壁部２３０が配置されている。壁部２３０は、通気空間Ｓの奥行方向の両側に配置された一対の側壁２３１（図４参照）と、通気空間Ｓの上方に配置された天壁２３２と、を有する。なお、図４では、天壁２３２を２点鎖線で示している。また、図５では、通気空間Ｓの奥行方向の両側に配置された一対の側壁２３１のうち、紙面手前側の側壁２３１のみを図示するとともに、紙面手前側の側壁２３１を２点鎖線で示している。

以上説明した第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、ヒートポンプ２１０が土壌２を通過した空気と熱交換を行う熱交換器２１５を持つことにより、熱交換器２１５における熱交換の効率を向上させることができる。しかも、熱交換器２１５は空気と熱交換を行うため、熱媒流体用の配管等を敷設する必要がなく、配管内を搬送するためのポンプ動力も必要がない。したがって、導入コストおよびランニングコストの増加を抑制でき、かつ熱効率を安定させることができるヒートポンプ２１０とすることができる。

ただし、熱交換器２１５は、上下方向に沿うように配置されている。これに対して、第１の実施形態におけるヒートポンプ１０の熱交換器１５は、開口部６に向かって傾斜するように配置されている。このため、開口部６から通気空間Ｓに送り込まれた空気をスムーズに熱交換器に通すという点では、第１の実施形態におけるヒートポンプ１０のほうがより効果的である。

なお、上記各実施形態では、外気通流路２０の空気導入口７に外気導入ファン４が配置されていたが、これに限定されず、外気導入ファン４が配置されない構成であってもよい。

また、上記各実施形態では、複数のヒートポンプ１０，２１０が並設方向に沿って一列に配置されていたが、これに限定されず、複数のヒートポンプ１０，２１０が奥行方向に複数列に配置されていてもよい。

また、上記各実施形態では、熱保持体が土壌２であったが、これに限定されるものではない。熱保持体は、外気温と比較して、年間を通じて温度の変動が小さければよく、例えば海水等であってもよい。この場合には、海水中に空洞の容器等を沈めて、容器内を外気通流路とする。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、ヒートポンプが土壌を通過した空気と熱交換を行う熱交換器を持つことにより、夏季には外気温よりも低温の空気と熱交換を行うことができ、冬季には外気温よりも高温の空気と熱交換を行うことができる。これにより、熱交換器における熱交換の効率を向上させることができる。しかも、熱交換器は空気と熱交換を行うため、熱媒流体用の配管等を敷設する必要がなく、配管内を搬送するためのポンプ動力も必要がない。したがって、導入コストおよびランニングコストの増加を抑制でき、かつ熱効率を安定させることができるヒートポンプとすることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１，２０１…熱供給設備、２…土壌（熱保持体）、３ａ…地下溝の底部（外気通流路の内面）、３ｂ…地下溝の側壁部（外気通流路の内面）、６…開口部、１０，２１０…空冷ヒートポンプ、１５，２１５…熱交換器、２０…外気通流路、１０８…凹凸部、１０９…放熱フィン、Ｓ…通気空間

Claims (7)

1. 空気と熱交換するように構成される熱交換器を備え、
   前記熱交換器は、熱保持体を通過した空気と熱交換を行う空冷ヒートポンプ。
2. 前記熱保持体は、土壌である請求項１に記載の空冷ヒートポンプ。
3. 請求項１または２に記載の複数の空冷ヒートポンプと、
   前記熱保持体に形成され、空気が通流する外気通流路と、
   を備え、
   前記複数の空冷ヒートポンプは、間隔をあけて前記熱保持体の外側に並んで設置され、
   前記熱交換器は、隣り合う前記空冷ヒートポンプ同士の間の通気空間に面するように配置され、
   前記外気通流路と前記通気空間とは、隣り合う前記空冷ヒートポンプ同士の間に形成された開口部を通じて連通している熱供給設備。
4. 前記通気空間を覆う壁部を備える請求項３に記載の熱供給設備。
5. 前記外気通流路の内面の少なくとも一部には、凹凸部が形成されている請求項３または４に記載の熱供給設備。
6. 前記外気通流路には、前記熱保持体と空気との間で熱交換を行う放熱フィンが設けられている請求項３から５のいずれか１項に記載の熱供給設備。
7. 前記熱交換器は、前記開口部に向かって傾斜するように配置されている請求項３から６のいずれか１項に記載の熱供給設備。

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