JP2017101834A - 黒曜石パーライトを用いた蓄熱蓄冷装置及び冷暖房装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】黒曜石パーライトの蓄熱蓄冷効果を最大限に生かした蓄熱蓄冷装置及び冷暖房装置を提供する。【解決手段】蓄熱蓄冷装置1は、貯留槽2と、外周筐体3と、黒曜石パーライト層4とを有している。黒曜石パーライトは独立気泡構造を有しており、この黒曜石パーライト同士を押し固めることによって密着させると、お互いが絡み合って一体となり、独立気泡構造を有する大きな塊となる。そのため、この蓄熱蓄冷装置1のように黒曜石パーライトを押し固めて、貯留槽2の周囲に黒曜石パーライト層4を形成すると、貯留槽2が一塊の黒曜石パーライトによって囲まれた状態となり、黒曜石パーライトの蓄熱蓄冷効果を最大限に生かし得る状態となる。したがって、この蓄熱蓄冷装置1は、貯留槽2内に温水・冷水等の熱媒体を貯留すると、その熱媒体の温度を一定のまま長期間保持できる。【選択図】 図1

Description

本発明は、黒曜石パーライトを用いた蓄熱蓄冷装置及び冷暖房装置に関する。
黒曜石と真珠岩を原材料とするパーライトは、従来より、蓄熱蓄冷用の材料として用いられている(特許文献1)。
特開平7−77395号公報
これらのパーライトは、黒曜石や真珠岩を所定温度で熱することにより形成される。
黒曜石の場合、含まれる水分(以下、結晶水とよぶ)が少ないため、熱せられるとき、この結晶水が水蒸気となって膨張し、それぞれが独立した小部屋を形成する。以下、このような構造を独立気泡構造と呼ぶ。
一方、真珠岩は、結晶水が多いため、熱せられるとき小部屋が爆裂して壁が崩れ、各小部屋がつながった状態になる。以下、このような構造を連続気泡構造と呼ぶ。
このように、これらのパーライトは、構造が異なっており、黒曜石パーライトは、その独立気泡により真珠岩パーライトに比べ断熱性が優れている。
しかし、黒曜石パーライトは、断熱性に優れていることは知られているものの、その蓄熱蓄冷効果を最大限に生かす方法は知られていなかった。
そこで本発明は、黒曜石パーライトの蓄熱蓄冷効果を最大限に生かした蓄熱蓄冷装置及び冷暖房装置を提供することを目的とする。
請求項1に記載の蓄熱蓄冷装置は、
貯留槽と、
この貯留槽の全体を空間をあけて囲む外周筐体と、
前記空間に黒曜石パーライトを押し固めて充填した黒曜石パーライト層と、
を備えることを特徴とする。
黒曜石パーライトは、上述のように独立気泡構造を有しており、この黒曜石パーライト同士を押し固めることによって密着させると、お互いが絡み合って一体となり、独立気泡構造を有する大きな塊となる。
そのため、本発明のように黒曜石パーライトを押し固めて、貯留槽の周囲に黒曜石パーライト層を形成すると、貯留槽が一塊の黒曜石パーライトによって囲まれた状態となり、黒曜石パーライトの蓄熱蓄冷効果を最大限に生かし得る状態となる。
したがって、本発明の蓄熱蓄冷装置は、貯留槽内に熱媒体を貯留すると、その熱媒体の温度を一定のまま長期間保持できる。
この蓄熱蓄冷装置を用いると、エネルギーを長時間持続させることができるので、地球温暖化に寄与することはもちろんエネルギーを無駄なく利用できるメリットがある。
また、温水・冷水を長時間エネルギーロスなく使用できるとすると、家庭、温室、動植物飼育、食品加工で利用され、また、工業用温水として利用される温水・冷水の熱効率を改善することができるので、それぞれにおいてコストを削減することができる。
また、太陽光エネルギーを利用して温水を作り、夜間に利用することや、ゴミ処理時の排熱を利用して温水を作り、焼却炉停止中に利用することや、冬場に雪を用いて冷水を作り、夏に利用するなど、様々な利用形態が考えられる。
尚、押し固める圧力は、人力で押し固めることができる程度の圧力であることが好ましい。
また、黒曜石パーライトは、所定の量の黒曜石パーライトを所定の容器に入れて押し固めたとき、押し固めた後の体積が押し固める前の体積の1/2〜1/3となるように押し固めると良い。
このように圧力を加えると、各黒曜石パーライトの表面のみで絡み合い、所定の通気性は保ちつつも、各黒曜石パーライトの独立気泡は残る。また、押し固めた黒曜石パーライトは絡み合って一体となり、独立気泡が全体に形成された板状の構造物になる。絡み合い板状になる事で(1つ1つの個体が1つになる)より蓄熱蓄冷効果が上がる。
また、黒曜石パーライトは、黒曜石を高温で焼いて発砲させたものである。
また、請求項2に記載したように、黒曜石パーライト層は、直径10mm〜50mmの黒曜石パーライトを10cm以上の厚みを有する層とするとよい。
この厚みは、15cm以上とするとよく、20cm以上とするとさらによい。
次に、請求項3に記載の蓄熱蓄冷装置のように、貯留槽内に火成岩を配置してもよい。
このようにすると、火成岩は蓄熱性が高いため、熱媒体内に沈めておくと、蓄熱蓄冷の効果を向上することができる。
次に、請求項4に記載の蓄熱蓄冷装置のように、貯留槽内でナノバブルを発生させるバブル発生機を配置させてもよい。
このようにすると、蓄熱蓄冷の効果の向上が確認されたので、貯留層内に蓄熱蓄冷媒体内に入れると、蓄熱蓄冷の効果を向上することができる。
次に、請求項5に記載したように、貯留槽内に、その内部を上下の複数の部屋に分ける仕切材を備え、仕切材として、黒曜石パーライトを押し固めて充填した仕切材を用いてもよい。この仕切材として、例えば、パンチングメタルで形成した筐体の中に、黒曜石パーライトを押し固めて挿入したものを用いてもよい。また、接着剤を混ぜ合わせてもよい。
次に、請求項6に記載した蓄熱蓄冷装置のように、外周筐体の少なくとも一部が吸熱層を構成するようにしてもよい。
この場合、例えば、太陽光が外周筐体に当たると、その熱により黒曜石パーライト層が熱せられるので、貯留槽に温水を貯留した場合、温水の熱が一層放熱されにくくなる。
したがって、本発明の蓄熱蓄冷装置は、貯留槽内に熱媒体を貯留すると、その熱媒体の温度を一定のままより長期間保持できる。
尚、吸熱層としては、波状に形成されたステンレスを用いてもよい。
次に、請求項7に記載の冷暖房装置は、
背面側に形成した黒曜石パーライトを押し固めた黒曜石パーライト層と、
正面側に形成した伝熱層と、
前記黒曜石パーライト層と前記伝熱層との間に形成された通過層、又は、前記黒曜石パーライト層内に形成された通過路であって、冷房用媒体又は暖房用媒体を通過させる通過層又は通過路と、を備えることを特徴とする。
この冷暖房装置は、背面側に設けられた黒曜石パーライト層により、冷房用又は暖房用媒体の熱が逃げることが防止されるので、正面側に設けられた伝熱層から、冷気や暖気を効率よく外部に伝えることができる。
そのため、本発明の冷暖房装置を用いると、黒曜石パーライトの蓄熱蓄冷効果を最大限に生かした冷房又は暖房を行うことができる。
尚、伝熱層は、暖房用媒体から熱を受けたときに、遠赤外線を発するものが一例として考えられ、金属で構成されていても良いし、石や、鋳物、カーボンで構成されていてもよい。
因みに、上記各手段等の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記各手段等の括弧内の符号に示された具体的手段等に限定されるものではない。
第1実施形態の蓄熱蓄冷装置の模式図である。 図1のA−A’断面の断面図である。 図2の円αで囲った部分の拡大図で、太陽光を模式的に示している。 第1実施形態の蓄熱蓄冷装置の蓄熱蓄冷効果を実証するためのグラフで、時間−温度グラフである。(1)真珠岩パーライト、(2)発砲スチロール、(3)直径1mm以下の黒曜石パーライト粉、(4)直径1mm〜10mmの黒曜石パーライト、(5)火成岩と、バブル発生機とを備えていないもの、(6)火成岩を有していないもの、(7)火成岩もバブル発生機22も備えているものである。(8)は外気温である。 第1実施形態の蓄熱蓄冷装置を用いた応用例を示す模式図であり、(a)は全体図、(b)は暖房機、(c)は温水流路を示している。 第2実施形態の蓄熱蓄冷装置の説明図で、(a)は斜視図、(b)は(a)のA−A’断面図である。 第2実施形態の変形例である蓄熱蓄冷装置の説明図で、(a)は図5(b)と同様の断面図、(b)は伝熱層7を取り外し、かつ、黒曜石パーライト層6の筐体60内から黒曜石パーライトを取り出して、パイプ9が露出した様子を示す模式図である。
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
(第1実施形態)
第1実施形態は、蓄熱蓄冷装置1の実施形態である。以下、第1実施形態の説明中では、第1実施形態の蓄熱蓄冷装置1を単に本実施形態の蓄熱蓄冷装置1と呼ぶ。
本実施形態の蓄熱蓄冷装置1は、図1に示すように、貯留槽2と、この貯留槽2の全体を空間をあけて囲む外周筐体3と、貯留槽2と外周筐体3との間に黒曜石パーライトを押し固めて充填した黒曜石パーライト層4とを有している。
このうち貯留槽2は、100Lのポリタンク(ポリエチレン製のタンク)である。
外周筐体3は、図2に示すように、底面を除く各面が波状に形成されたステンレスによって形成され、吸熱層を形成している。この外周筐体3は、図3に示すように、屋外に設置した場合、太陽光を段階的に反射させることによって、吸熱を行う。
黒曜石パーライト層4は、直径10mm〜50mmの黒曜石パーライトを手作業によって押し固めた15cmの厚みを有する層である。
貯留槽2内には、図1に示すように、火成岩20が配置されるとともに、ナノバブル(直径が1μm以下の気泡)を発生させるバブル発生機22が設置されている。本実施形態では、貯留槽2に温水や冷水が溜められたときに、このバブル発生機22を動作させ、温水又は冷水中にナノバブルを放出している。
また、貯留槽2内には、その内部を上下の複数の部屋に分ける2つの仕切材24を備えている。この仕切材24は、パンチングメタルで形成した立方体形状の筐体の中に、黒曜石パーライトを押し固めて挿入したものである。この仕切材24で用いられる黒曜石パーライトは、黒曜石パーライト層4で用いられる黒曜石パーライトと同様のものである。
本実施形態では、この仕切材24を2つ設け、貯留槽2内の空間を上中下の3つの空間2a〜2cに仕切っており、最上部の空間2aを空気層と呼び、下部の2つの空間2b、2cを貯水層と呼んでいる。
また、本実施形態の蓄熱蓄冷装置1は、この蓄熱蓄冷装置1の天井部をなす貯留槽2、黒曜石パーライト層4、外周筐体3を外部から貫いて、各パイプの端部が貯留槽2内に位置するように、4本のパイプが設置されている。
このうち第1パイプ1aは最下部の貯水層2cに、第2パイプ1bは最上部の空気層2aに、第3パイプ1cは中央の貯水層2bに、第4パイプ1dは最下部の貯水層2cに、それぞれの端部が位置するよう設置されている。
このうち、第2パイプ1b及び第3パイプ1cは、蓄熱蓄冷装置1の外部に温度膨張弁1e,1fを備えている。
また、本実施形態の蓄熱蓄冷装置1は、その側面部を貫き、最下部の貯水層2cに対して一方の端部が開口し、他方の端部が外部で開口するように設置された水抜パイプ1gを備えている。
次に、この蓄熱蓄冷装置1に温水または冷水を貯留する方法、または、この蓄熱蓄冷装置1に溜めた温水または冷水を利用する方法について説明する。
本実施形態の蓄熱蓄冷装置1では、温水を貯留する場合、第1パイプ1aを介して給水される。貯留槽2内に給水された温水は、最初に貯水層2cに溜まり、この貯水層2cが一杯になると、下方の仕切材24内にしみだし、貯水層2b内に溜まる。
また、温水が蒸発した蒸気は、上方の仕切材24も通過し、空気層2aに至り、空気層2a内の空気を暖める。
この蓄熱蓄冷装置1に貯留された温水を利用する場合、最初に、第3パイプ1cを介して貯水層2bから外部に取り出す。
また、空気層2aに溜まった暖かい空気を利用する場合、第2パイプ1bを介して外部に取り出す。
本実施形態の蓄熱蓄冷装置1では、冷水を貯留する場合、第1パイプ1aを介して給水される。貯留槽2内に給水された冷水は、最初に貯水層2cに溜まり、この貯水層2cが一杯になると、下方の仕切材24内にしみだし、貯水層2b内に溜まる。
また、冷水によって冷やされた空気は、上方の仕切材24も通過し、空気層2aに至り、空気層2a内の空気を冷やす。
この蓄熱蓄冷装置1に貯留された冷水を利用する場合、最初に、第4パイプ1dを介して貯水層2bから外部に取り出す。
また、空気層2aに溜まった冷たい空気を利用する場合、第2パイプ1bを介して外部に取り出す。
次に、本実施形態の蓄熱蓄冷装置1が有する蓄熱蓄冷効果について検証したので、以下説明する。
この実験は屋外で行い、図4に示すように、実験開始日の午前8時30分から2時間おきに2日間、外気の温度と実験対象内の温度とを測定した。
実験対象は、(1)真珠岩パーライト(直径は上記実施形態の黒曜石パーライトに同じ)で100Lのポリタンクの周囲を囲ったもの、(2)発砲スチロールで形成された箱である。
(3)以下は、上記実施形態の蓄熱蓄冷装置1に相当するものであるが、(3)は、直径1mm以下の黒曜石パーライト粉で黒曜石パーライト層を構成したもの、(4)は直径1mm〜10mmの黒曜石パーライトで黒曜石パーライト層を構成したものである。
(5)〜(7)は直径10mm〜50mmの黒曜石パーライトで黒曜石パーライト層4を構成したものであって、(5)は火成岩20と、バブル発生機22とを備えておらず、(6)は火成岩20を有しておらず、(7)は火成岩20もバブル発生機22も備えているものである。
尚、(8)は外気温である。
また、それぞれの実験対象には65℃の温水100Lを給水した。
(1)及び(2)は、実験終了までの54時間の間に、貯留していた温水の温度が約20℃まで下がった。
また、実験終了までの54時間の間に(3)〜(7)に貯留していた温水の温度も下がったが、(3)が最も温度が低く、以下(4)(5)(6)(7)の順に温度が高くなる傾向を示した。
上記実施形態と同じ構造の蓄熱蓄冷装置1は、54時間後でも、約57.8度の温度を保っていた。
以上説明した蓄熱蓄冷装置1は以下のような特徴的な作用効果を奏する。
黒曜石パーライトは独立気泡構造を有しており、この黒曜石パーライト同士を押し固めることによって密着させると、お互いが絡み合って一体となり、独立気泡構造を有する大きな塊となる。
そのため、本実施形態の蓄熱蓄冷装置1のように黒曜石パーライトを押し固めて、貯留槽2の周囲に黒曜石パーライト層4を形成すると、貯留槽2が一塊の黒曜石パーライトによって囲まれた状態となり、黒曜石パーライトの蓄熱蓄冷効果を最大限に生かし得る状態となる。
したがって、本実施形態の蓄熱蓄冷装置1は、貯留槽2内に温水・冷水等の熱媒体を貯留すると、その熱媒体の温度を一定のまま長期間保持できる。
尚、黒曜石パーライトを押し固める圧力は、人力で押し固めることができる程度の圧力であればよい。
また、上記実験で証明されたように、貯留槽2内に火成岩20を配置しており、火成岩は蓄熱性が高いため、温水等の熱媒体内に沈めておくと、蓄熱蓄冷の効果を向上することができる。
さらに、上記実験で証明されたように、貯留槽2内でナノバブルを発生させると、蓄熱蓄冷の効果を向上させることができる。
次に、本実施形態の蓄熱蓄冷装置1のように、外周筐体3が吸熱層を構成し、太陽光が外周筐体に当たると、その熱により黒曜石パーライト層4が熱せられるので、貯留槽2に温水を貯留した場合、温水の熱が一層放熱されにくくなる。
したがって、本実施形態の蓄熱蓄冷装置1は、貯留槽2内に温水等の熱媒体を貯留すると、その熱媒体の温度を一定のままより長期間保持できる。
上述した蓄熱蓄冷装置1の応用例について説明する。
この応用例は、図5(a)に示すように、炭化炉から得た温水を蓄熱蓄冷装置1に貯留し、この蓄熱蓄冷装置1に貯留された温水を、必要なときに、暖房器9a、9bに供給して、暖房を行おうとするものである。
暖房機9a、9bは、図5(b)に示すように、半球状に形成された貯留体9cの中に、黒曜石パーライト9dを詰め、球面の内側には温められると遠赤外線を発する金属9eが配置されたものである。これら暖房器9b、9cは、半球の向きが上下逆になっている点、及び、大きさに違いがある点が異なるが、その他の構成は略同一である。暖房機9aは天井側に設置し、暖房機9cは床面に設置する。尚、暖房機9aの下方に伸びている3本の長尺物は脚である。
この貯留体9cの中には、図5(c)に示すように、渦巻き状にパイプ9fが配置され、半球の先端に向かうほど渦の大きさが小さくなっている。
蓄熱蓄冷装置1から送られてきた温水は、半球の底部側から頂部側に向かって渦巻き状に流れ、頂部に到達すると半球体から出る。
このようにすると、遠赤外線を発生する金属9eが温められ、遠赤外線が出る。
尚、お湯を回すのは、蓄熱蓄冷装置1へ速く戻す為である。流れのスピードを速くすると、熱交換が起こりにくくなるからである。
(第2実施形態)
第2実施形態は、冷暖房装置5の実施形態である。以下、第2実施形態の説明中では、第2実施形態の冷暖房装置5を単に本実施形態の冷暖房装置5と呼ぶ。
本実施形態の冷暖房装置5は、図6に示すように、背面側に形成した黒曜石パーライトを押し固めた黒曜石パーライト層6と、正面側に形成した伝熱層7と、黒曜石パーライト層6と伝熱層7との間に形成された通過空間8であって、冷房用媒体又は暖房用媒体を通過させる通過空間8とを有する。
黒曜石パーライト層6は、第1実施形態の蓄熱蓄冷装置1と同様、直径10mm〜50mmの黒曜石パーライトを手作業によって押し固めた15cmの厚みを有する層であり、全体で直方体形状に形成されているものである。
伝熱層7は、正方形状に形成された板材で、カーボンで形成されている。尚、この伝熱層7は、温水により遠赤外線を発するものであれば、石板で構成してもよく、また、セラミックなどで構成してもよく、材料は特に限定されるものではない。
通過空間8には、図6(a)に示すように、黒曜石パーライト層6を背面側から貫いた一対のパイプ80、81が連通している。このうちパイプ80は、黒曜石パーライト層6の背面側であって、この黒曜石パーライト層6の2つの上隅のうち一方の上隅70の近傍から黒曜石パーライト層6を貫いている。また、パイプ81は、黒曜石パーライト層6の背面側であって、この黒曜石パーライト層6の2つの下隅21うち、対応する上隅20側とは反対側の下隅71の近傍から黒曜石パーライト層6を貫いている。
冷房用媒体又は暖房用媒体は、パイプ80から供給され、通過空間8を通過した後、パイプ81を介して排出される。
この冷暖房装置5は、背面側に設けられた黒曜石パーライト層6により、冷房用又は暖房用媒体の熱が逃げることが防止されるので、正面側に設けられた伝熱層から、冷気や暖気を効率よく外部に伝えることができる。
そのため、本実施形態の冷暖房装置5を用いると、黒曜石パーライトの蓄熱蓄冷効果を最大限に生かした冷房又は暖房を行うことができる。
[他の実施形態]
以上、実施形態について説明したが、特許請求の範囲に記載された発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
(1)上記第1実施形態で説明した蓄熱蓄冷装置1、及び、第2実施形態で説明した冷暖房装置5はあくまでも一例であり、これに限定されるものではない。
(2)上記第1実施形態では、黒曜石パーライト層4の厚みを15mmとしたが、厚みが10mm以上であれば、どのような厚みとしてもよい。
(3)上記第2実施形態では、黒曜石パーライト層6と伝熱層7との間に通過空間8が形成された例について説明したが、図7に示すように、通過空間8に代えて、黒曜石パーライト層6内を蛇行しながら冷房用媒体又は暖房用媒体を通す通過路を形成するパイプ9を設置してもよい。この場合、パイプ9は、伝熱層7に近い位置に配置されるとよい。また、黒曜石パーライト層6は、伝熱層7が取り付けられる側が開口した直方体形状の筐体60内に投入されて押し固められ、全体で直方体形状に形成されている。伝熱層7は筐体60の開口を閉じる蓋の役割もしている。
パイプ9が蛇行しているのは、伝熱層7の全体に均一に熱が伝わるようにするためである。尚、伝熱層7の全体に均一に熱が伝わるようにするため、パイプ9として多数に分岐したものを用いてもよい。
(4)上記実施形態の蓄熱蓄冷装置1では、貯水槽2b内に仕切材24を設置したが、これらをはずし、黒曜石パーライトを四角状に押し固めてまとめた集合体をステンレス製のワイヤで貯水槽2b内にぶら下げてもよい。
この集合体を貯水槽2b内に設置すると、黒曜石パーライトが有する各独立気泡が暖められ、又は冷やされ、温度が下がりにくい又は直ぐには上がりにくいからである。
(5)本発明の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。
(第1実施形態)
1… 蓄熱蓄冷装置 2… 貯留槽 2a… 空気層 2b… 貯水層 2c… 貯水層
3… 外周筐体 4… 黒曜石パーライト層 20… 火成岩 22… バブル発生機
24… 仕切材 1a… 第1パイプ 1b… 第2パイプ 1c… 第3パイプ
1d… 第4パイプ 1e、1f… 温度膨張弁 1g… 水抜パイプ
(第2実施形態)
5… 冷暖房装置 6… 黒曜石パーライト層 7… 伝熱層 8… 通過空間
9… パイプ 60… 筐体 70… 上隅 71… 下隅 80… パイプ
81… パイプ

Claims (7)

  1. 貯留槽と、
    この貯留槽の全体を空間をあけて囲む外周筐体と、
    前記空間に黒曜石パーライトを押し固めて充填した黒曜石パーライト層と、
    を備えることを特徴とする蓄熱蓄冷装置。
  2. 請求項1に記載の蓄熱蓄冷装置において、
    前記黒曜石パーライト層は、
    直径10mm〜50mmの黒曜石パーライトを10cm以上の厚みを有する層としたことを特徴とする蓄熱蓄冷装置。
  3. 請求項1、2の何れかに記載の蓄熱蓄冷装置において、
    前記貯留槽内に火成岩を配置したことを特徴とする蓄熱蓄冷装置。
  4. 請求項1〜3の何れかに記載の蓄熱蓄冷装置において、
    前記貯留槽内でナノバブルを発生させるバブル発生機を配置したことを特徴とする蓄熱蓄冷装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄熱蓄冷装置において、
    前記貯留槽内は、その内部を上下の複数の部屋に分ける仕切材を備え、
    前記仕切材は、黒曜石パーライトを押し固めて充填した仕切材である
    ことを特徴とする蓄熱蓄冷装置。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄熱蓄冷装置において、
    前記外周筐体は吸熱層を構成することを特徴とする蓄熱蓄冷装置。
  7. 背面側に形成した黒曜石パーライトを押し固めた黒曜石パーライト層と、
    正面側に形成した伝熱層と、
    前記黒曜石パーライト層と前記伝熱層との間に形成された通過空間、又は、前記黒曜石パーライト層内に形成された通過路であって、冷房用媒体又は暖房用媒体を通過させる通過空間又は通過路と、
    を備えることを特徴とする冷暖房装置。
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