JP2017227416A - 冷暖房システム - Google Patents

Abstract

【課題】設置工事費用が安価な暖房システムを提供すること。【解決手段】冷暖房システム１は、地中熱交換部６と、熱源側の第１熱交換器７と、負荷側の第２熱交換器８とを備える地中熱ヒートポンプ装置２と、空気熱ヒートポンプ装置４と、地中熱ヒートポンプ装置６および空気熱ヒートポンプ装置４で昇温された熱媒Ｆ３を循環させて建物４０内の空気と熱交換する室内熱交換器４３，４５と、を有し、地中熱交換部６には、地中に埋設された第１の槽３の内部に第１の潜熱蓄熱材Ｐが収容され、第１の潜熱蓄熱材Ｐと第１熱交換器７とに配管Ｌ１を介して熱媒Ｆが循環される。【選択図】図２

Description

本発明は、冷暖房システムに関する。

従来の一般建物の暖房システムとしては、薪ストーブ、石油ストーブやガスストーブなどを熱源として部屋ごとに室内を直接暖房する場合が多く、部屋ごとに温度差が生じたり、一つの部屋の中においても、場所によって温度差が生じたりするなど快適な暖房環境を得ることは困難であった。このような暖房システムに対して、建物内全体の温度差を小さくして快適な温度環境を実現するものとして、たとえば、セントラルヒーティングや床暖房などがある。しかし、セントラルヒーティングや床暖房などは、エネルギー消費量が高く、燃料費など経済的負担が大きくなってしまうという課題があった。

その対応策として、特許文献１には、年間を通じて温度がほぼ一定である地中熱を利用する地中熱ヒートポンプ装置を用いた暖房システムが開示されている。特許文献１に記載の暖房システムは、地中熱ヒートポンプ装置を用いて昇温された熱媒を床暖房パネルなどに流通させて建物内の暖房を行うものである。

特開２０１１−２２６６６０号公報

特許文献１のように地中熱を利用する暖房システムは、地中から安定した熱を得るために、一般に、概ね１００ｍ程度の地中深度に地中熱交換部を埋設するので、埋設場所の地下層の構成に制約があったり、設置費用が高額になったりすることで、一般住宅には普及しにくいという課題を有している。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、設置工事費用が安価な冷暖房システムを提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、本発明の冷暖房システムは、地中熱交換部と、熱源側の熱交換器と、負荷側の熱交換器とを備える地中熱ヒートポンプ装置と、空気熱ヒートポンプ装置と、地中熱ヒートポンプ装置および空気熱ヒートポンプ装置で昇温された熱媒を流通し建物内の空気と熱交換する室内熱交換器と、を有し、地中熱交換部には、地中に埋設された槽の内部に第１の潜熱蓄熱材が収容され、第１の潜熱蓄熱材と前記熱源側の熱交換器との間に配管を介して前記熱媒が循環されることとする。

また、上記発明に加えて、地中熱交換部の埋設深さは、建物が設置される地域の概ね年平均気温とほぼ同じ地中温度となる深さとし、第１の潜熱蓄熱材の相変位点は、年平均気温とほぼ同じにすることが好ましい。

また、上記発明に加えて、地中熱ヒートポンプ装置は、地中に埋設される地中熱交換部に加え、地上に配設される空気中熱交換部を有し、空気中熱交換部には、地上に配設された第２の槽に第２の潜熱蓄熱材が収容され、第２の潜熱蓄熱材と、第１の潜熱蓄熱材と、熱源側の熱交換器とに配管を介して熱媒を循環させることが好ましい。

また、上記発明に加えて、第２の潜熱蓄熱材の相変位点は、第１の潜熱蓄熱材の相変位点と同じにすることが好ましい。

また、上記発明に加えて、第２の潜熱蓄熱材と、第１の潜熱蓄熱材と、熱源側の熱交換器との間に配管を介して熱媒を循環させる流路と、第２の潜熱蓄熱材と第１の潜熱蓄熱材とに専用配管を介して熱媒を循環させる専用流路と、を有していることが好ましい。

また、上記発明に加えて、第２潜熱蓄熱材を昇温する加熱ヒーターが配設されていることが好ましい。

また、上記発明に加えて、配管および専用配管は、少なくとも第１の潜熱蓄熱材または第２の潜熱蓄熱材内に埋設する部分は、熱伝導性が高い材料で構成されていることが好ましい。

また、上記発明に加えて、建物内の空気と熱媒との間で熱交換する室内熱交換器は、床上に配置される主として暖房用の室内熱交換器と、天井付近に配置される主として冷房用の室内熱交換器とからなり、暖房用の室内熱交換器と冷房用の室内熱交換器とを、切り替えて駆動することが可能である、ことが好ましい。

本発明の第１の実施の形態に係る冷暖房システムを示す全体構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係る冷暖房システムを示す構成説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る制御部の動作の実施例について示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る冷暖房システムを示す構成説明図である。 本発明の第３の実施の形態に係る冷暖房システムを示す構成説明図である。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る冷冷暖房システム１を示す全体構成図である。図１に示すように、冷暖房システム１は、たとえば、建物４０の室内４１を暖房することおよび冷房することが可能となっている。室内４１には、床上４２に暖房用の室内熱交換器４３が配置され、天井４４付近に冷房用の室内熱交換器４５が配設されている。屋外には、地中熱ヒートポンプ装置２と空気熱ヒートポンプ装置４が配置されている。室内熱交換器４３および室内熱交換器４５に接続される配管Ｌ５，Ｌ６内には、地中熱ヒートポンプ装置２および空気熱ヒートポンプ装置４によって昇温され、暖房用の熱源となる熱媒Ｆ３が循環される。熱媒Ｆ３は、たとえば不凍液などである。なお、冷涼な地域では室内熱交換器４３は、省略することが可能で室内熱交換器４３だけでもよく、あるいは、室内熱交換器４３，４５を共に暖房用としてもよく、天候や気温などの状況によって切り替えて使い分けることが可能である。地中熱ヒートポンプ装置２は、地中に埋設される地中熱交換部６を有していて地中熱を集熱源とする。空気熱ヒートポンプ装置４は、図２の説明で後述する空気中熱交換部２０を有していて空気熱を集熱源としている。

地中熱ヒートポンプ装置２と空気熱ヒートポンプ装置４は、共働して熱媒Ｆ３を所定の温度に昇温し、室内熱交換器４３および室内熱交換器４５に循環させる。そして、室内熱交換器４３は、室内４１に昇温された温風を送風して暖房する。また、室内交換機４５は、室内４１に降温された冷風を送風して冷房する。なお、図１の家屋は、１階構造を例示しているが、冷暖房システム１は、２階または３階構造などにも適合可能である。

図２は、第１の実施の形態に係る冷冷暖房システム１を示す構成説明図である。図２に示すように、冷暖房システム１は、地中熱ヒートポンプ装置２と空気熱ヒートポンプ装置４と、室内熱交換器４３，４５を有している。また、冷暖房システム１は、地中熱ヒートポンプ装置２、空気熱ヒートポンプ装置４および室内熱交換器４３，４５を制御する制御部５を有している。制御部５は、ユーザーにより設定された室温に基づき、地中熱ヒートポンプ装置２、空気熱ヒートポンプ装置４および室内熱交換器４３，４５の駆動制御、これらを接続する各熱媒の流路の確保、各熱媒の単位時間当たりの流量および流速などを制御する機能を有している。

地中熱ヒートポンプ装置２は、地中熱と配管Ｌ１内の熱媒Ｆとの間で熱交換して熱源である地中熱を集熱する地中熱交換部６と、熱源側の熱交換器７（第１熱交換器７と記載する）と、負荷側の熱交換器８（第２熱交換器８と記載する）とを有している。地中熱交換部６と第１熱交換器７は、配管Ｌ１で連結されていてポンプ９によって、熱媒Ｆである液体が、地中熱交換部６と第１熱交換部７の間で図示矢印方向に循環される。熱媒Ｆとしては、熱伝導性が高い不凍液が使用されるが、水であってもよい。地中熱交換部６は、１０ｍ〜２０ｍの深度に埋設される第１の槽３と、第１の槽３に収容される第１の潜熱蓄熱材Ｐと、配管Ｌ１とで構成される。配管Ｌ１の先端部は、地中に埋設された第１の潜熱蓄熱材Ｐ内に配設され、第１の潜熱蓄熱材Ｐと第１熱交換器７との間に熱媒Ｆが循環される。

第１の潜熱蓄熱材Ｐは、固相から液相への相変位点（または相変化点ともいう）において潜熱（融解熱）を蓄熱し、液相から固相への相変位点において潜熱（凝固熱）を放熱するものである。第１の潜熱蓄熱材Ｐとしては、たとえば、塩化カルシウム６水塩、硫酸ナトリウム１０水塩、酢酸ナトリウム３水塩などの無機水和塩や、パラフィン（パラフィン系素材）などの有機化合物がある。本実施の形態の例では、第１の潜熱蓄熱材Ｐとしては、潜熱蓄熱量が１３０〜２５０ｋＪ／ｋｇ程度で他の蓄熱素材よりも潜熱蓄熱量が高く、化学的に安定しているパラフィンを使用している。パラフィンの潜熱エネルギーは、たとえば、固相から液相に変位するときの溶解潜熱が温度変化＋４℃で概ね２００ｋＪ／ｋｇ程度のもの、液相から固相に変位するときの凝固潜熱が温度変化−２℃で概ね２４０ｋＪ／ｋｇ（−２４０ｋＪ／ｋｇと表すことがある）程度である。

パラフィンは、相変位点が−２０℃〜＋５０℃と幅広く調整が可能で、それらの中から任意に相変位点を選択できるという利点もある。また、冷暖房システム１に使用される第１の潜熱蓄熱材Ｐ（パラフィン）の相変位点は、建物４０が設置される地域の概ね年平均気温とする。地中温度は、深度１０ｍ〜２０ｍで概ね年平均気温である。地中温度は、深度２０ｍより深くなるに従い高くなり、深度１００ｍで概ね１５℃であることが知られている。なお、長野市の年平均気温は、１１．９℃（統計期間１９８１年〜２０１０年）である。すなわち、長野市に冷暖房システム１設置する場合には、深度１０ｍ〜２０ｍで、地中温度が年平均１１．９℃であると判断できるから第１の潜熱蓄熱材Ｐの相変位点を１１．９℃程度にすればよい。

配管Ｌ１は、地中熱交換部６から第１熱交換器７までの間は断熱性が高い架橋ポリエチレン管などの樹脂管が使用され、第１熱交換器７内は銅管などの熱伝導性が高い金属製のものが使用される。また、配管Ｌ１のうち、第１の潜熱蓄熱材Ｐ内に埋設される部分は、地中熱を集熱し易くするために、熱伝導性が高い材料、たとえば、銅管やステンレス鋼などで構成されることが好ましい。また、第１の槽３の材質は、プラスチック製でもよいが、熱伝導性が高い材料および地中で耐久性が優れたステンレス鋼などがより好ましい。第１の潜熱蓄熱材Ｐは、温度変化に伴う体積の増減を考慮して、第１の槽３の容積に対して１０％程度の余裕を有して第１の槽３に充填される。

第１熱交換器７と第２熱交換器８は、配管Ｌ２で連結されていて、配管Ｌ２には、熱媒Ｆ２としてＨＦＣ（代替フロンガス）またはＨＣ（ノンフロンガス）などが充填され、図示矢印方向に循環される。第２熱交換器８の上流側には第１圧縮機１０が配置され、下流側には第１膨張弁１１が配置されている。第１圧縮機１０は、熱媒Ｆ２を圧縮して昇温する。また、第１膨張弁１１は、いわゆる蒸発器であって第１圧縮機１０によって昇温された熱媒Ｆ２を降温する。第１圧縮機１０で昇温された熱媒Ｆ２と熱媒Ｆ３との間で熱交換することで建物４０側の暖房用熱媒である熱媒Ｆ３の温度を昇温する。熱媒Ｆは、降温されて地中温度に近い温度の熱媒として地中に戻される。地中に戻された熱媒Ｆは、第１の潜熱蓄熱材Ｐを介して地中熱交換部６の熱交換作用によって集熱するが、第１の潜熱蓄熱材Ｐの相変位作用により、相変位するまでは温度が一定に維持され、その間の潜熱が蓄熱される。

第２熱交換器８と室内熱交換器４３，４５は、配管Ｌ３、Ｌ４によって接続されている。室内熱交換器４３，４５は、暖房用の室内熱交換器４３と冷房用の室内熱交換器４５を有し、それぞれ配管Ｌ３から室内熱交換器４３側の配管Ｌ５と室内熱交換器４５側の配管Ｌ６に熱媒Ｆ３が分流される。配管Ｌ５，Ｌ６は、架橋ポリエチレン管などの樹脂製のものや銅管などの金属製のものとする。また、熱媒Ｆ３には、熱媒Ｆと同じように不凍液または水が用いられる。配管Ｌ３は、室内熱交換器４３，４５に熱媒Ｆ３を送流することから往管Ｌ３と記載することがある。一方、配管Ｌ４は、室内熱交換器４３，４５から熱媒Ｆ３を第２熱交換器８側に戻すことから還管Ｌ４と記載することがある。

往管Ｌ３には、第２熱交換器８側から順にポンプ１５、逆止弁１６、往管ヘッダー１７が接続されている。ポンプ１５は、熱媒Ｆ３を図示矢印方向に所定の流速および所定の単位時間当たりの流量で送流する。逆止弁１６は、蓄熱材熱交換器３側から第２熱交換器８側に熱媒Ｆ３が逆流することを防止する機能を有する。そして、往管ヘッダー１７は、往管Ｌ３に送流される熱媒Ｆ３を配管Ｌ５，Ｌ６の各々にほぼ同じ流速、流量で分岐して送流する。また、還管Ｌ４には、還管ヘッダー１８が接続されている。還管ヘッダー１８は、室内熱交換器４３，４５からの戻りの熱媒Ｆ３をまとめ、流量条件を往き（往管Ｌ３）の流量条件とほぼ同じにして第２熱交換器８に戻す。ここで、配管Ｌ３〜Ｌ６を架橋ポリエチレン管としたとき、往還ヘッダー１７および還管ヘッダー１８をサヤ管ヘッダーとすれば、配管を容易に行うことが可能となる。また、還管Ｌ４には、熱媒Ｆ３の温度を検出する温度センサー１９が配置されている。温度センサー１９は、室内熱交換器４３，４５からの戻り流路の熱媒Ｆ３の温度を検出するもので、この温度を戻り熱媒温度と記載することがある。

冷暖房システム１は、地中熱ヒートポンプ装置２に加えて空気熱ヒートポンプ装置４を有している。空気熱ヒートポンプ装置４は、空気中熱交換部２０と、第３熱交換器２１を有している。空気中熱交換部２０は、蒸発器として動作する。空気中熱交換部２０と第３熱交換部２１は、配管Ｌ７によって連結されている。配管Ｌ７には、熱媒Ｆ４が充填されている。熱媒Ｆ４は、熱媒Ｆ２と同じＨＦＣ（代替フロンガス）またはＨＣ（ノンフロンガス）などであって、図示矢印方向に循環される。第３熱交換器２１の上流側には、第２圧縮機２２が配設され、下流側には、第２膨張弁２３が配設されている。配管Ｌ７には、熱伝導率が高い銅管などの金属製のものが使用される。

第２圧縮機２２は、第４熱媒Ｆ４を圧縮して昇温する。また、第２膨張弁２３は、いわゆる蒸発器であって、第２圧縮機２２によって昇温された第４熱媒Ｆ４を降温する。第２圧縮機２２で昇温された熱媒Ｆ４は、建物４０側の熱媒Ｆ３の間との熱交換によって熱媒Ｆ３を昇温する。また、第２膨張弁２３は、昇温された第４熱媒Ｆ４を降温する。空気中熱交換部２０は、外気から集熱する機能を有する。第３熱交換器２１には、第２熱交換器８で昇温された熱媒Ｆ３が配管Ｌ８を通って循環される。第３熱交換器２１の熱交換作用によってさらに昇温された熱媒Ｆ３は、配管Ｌ９を通って送流される。

第２熱交換器８から送流された熱媒Ｆ３は、ポンプ１５と逆止弁１６の間で室内熱交換器４３，４５側に向かう流れと第３熱交換器２１側に向かう流れとに分岐部２４で分岐される。分岐部２４には、三方弁などが配設される。また、第３熱交換器２１から送流される熱媒Ｆ３は、逆止弁１６と往管ヘッダー１７の間の合流部２５で往管Ｌ３に合流される。合流部２５には、三方弁などが配設される。往管Ｌ３の合流部２５と分岐部２４の間には逆止弁１６が配設されていて、室内熱交換器４３，４５側から第２熱交換器８側および第３熱交換器２１側に向かって熱媒Ｆ３が逆流しないようにしている。

配管Ｌ９には、第３熱交換器２１側から順にポンプ２６、熱動弁２７、定流量弁２８が接続されている。ポンプ２６は、分岐部２４で分流された熱媒Ｆ３を図示矢印方向に送流する。熱動弁２７は、配管Ｌ９を開閉することにより第３熱交換器２１から送流される熱媒Ｆ３の送流または送流を停止する機能を有する。また、定流量弁２８は、往管Ｌ３に合流する第３熱交換器２１からの熱媒Ｆ３の流量を制御する機能を有する。なお、第３熱交換器２１から送流される熱媒Ｆ３の単位時間当たりの流量は、第２熱交換器８から送流される熱媒Ｆ３の流量よりも少ない。往管ヘッダー１７は、第２熱交換器８および第３熱交換器２１の両方から送流された熱媒Ｆ３を、暖房用の室内熱交換器４３と冷房用の室内熱交換器４５とに分流する。往管ヘッダー１７の作用によって、室内熱交換器４３と室内熱交換器４５に流れる熱媒Ｆ３の単位時間当たりの流量は、ほぼ同じとなる。

制御部５は、地中熱ヒートポンプ装置２、蓄熱材熱交換器３、および空気熱ヒートポンプ装置４の動作を制御する。地中熱ヒートポンプ装置２においては、ポンプ９の駆動制御、第１圧縮機１０および第１膨張弁１１の駆動制御を行う。なお、ポンプ９は、地中最深部から第１熱交換器７まで第１熱媒Ｆ１を送流可能な揚程を有するものを選択する。制御部５は、温度センサー１９で検出した戻り熱媒温度に基づき第２熱交換器８の昇温制御を行う。また、制御部５は、ポンプ１５の駆動制御を行う。ポンプ１５では、室内熱交換器４３，４５に送流する熱媒Ｆ３の流速および単位時間当たりの流量などを制御する。操作パネル（不図示）は、建物４０の室内４１に配置され、室温などの設定を行う。室温の設定は、リモコンなどで入力するようにしてもよい。

また、制御部５は、空気熱ヒートポンプ装置４において、第２圧縮機２２および第２膨張弁２３の駆動を制御する。第２圧縮機２２は、地中熱ヒートポンプ装置２が熱媒Ｆ３の昇温動作を行っても、戻り熱媒温度が所定温度以下の場合に駆動され、同時にポンプ２６が駆動される。このとき熱動弁２７が解放され第３熱交換器２１で昇温された熱媒Ｆ３が合流部２５に向かって送り出される。第３熱交換器２１を駆動しないときには、分岐部２４の三方弁を制御して、第２熱交換器８側から蓄熱材熱交換器３に向かう熱媒Ｆ３の送流を継続し、第３熱交換器２１側には熱媒Ｆ３を送流しない。第３熱交換器２１を駆動するときには、分岐部２４の三方弁を全部解放、または所定量解放して、第２熱交換器８および第３熱交換器２１の両方から熱媒Ｆ３が蓄熱材熱交換器３に向かって送流される。

暖房用の室内熱交換器４３だけ運転する場合には、室内熱交換器４３にのみ熱媒Ｆ３を送流するよう往管ヘッダー１７を制御する。冷房用の室内熱交換器４５２だけ運転する場合には、室内熱交換器４５のみに熱媒Ｆ３を送流するよう往管ヘッダー１７を制御し、両方の室内熱交換器を運転する（たとえば暖房する）場合には、往管ヘッダー１７をすべて解放して室内熱交換器４３，４５の両方に熱媒Ｆ３を送流する。

なお、室内４１には、暖房対象の部屋の温度を検出する室内温度センサー２９が設置されている。設定された室温に対して検出した室温との差がある場合には、制御部５により地中熱ヒートポンプ装置２および空気熱ヒートポンプ装置４を駆動制御することによって昇温または降温する。

本実施の形態では、たとえば、地中熱ヒートポンプ装置２のポンプ１５の送出可能流量に比べて空気熱ヒートポンプ装置４のポンプ２６の送出可能流量を小さくしている。これは、熱動弁２７を開放状態にした場合、地中熱ヒートポンプ装置２から送出される熱媒Ｆ３のうちの一部が空気熱ヒートポンプ装置４に流れるようにしていることによる。たとえば、ポンプ１５の送出可能流量を毎分１５リットルしたとき、ポンプ２６の送出可能流量を毎分５リットルなどとすることができる。空気熱ヒートポンプ装置４に流れる熱媒Ｆ３の流量は、分岐部２５の三方弁の開閉度で制御可能である。

図３は、制御部５の動作の実施例について示すフローチャートである。制御部５には、不図示の操作パネルからの操作によりユーザーが所望する温度が設定されているものとする。設定温度の１例として、ここではユーザーが室温を２０℃に設定していることとする。また、このとき、制御部５は、室温の設定温度に対する適切な戻り熱媒温度の情報を予め不図示のメモリに記憶していて、自動的に、戻り熱媒温度を設定するものとする。なお、前述したメモリに記憶されている情報は、冷暖房システム１の製造メーカが実験やシミュレーションなどによって取得したものである。あるいは、ユーザーが室温および戻り温水温度の双方を任意に設定可能としてもよい。

また、制御部５には、温度センサー１９からの戻り熱媒温度の測定結果と、室内温度センサー２９からの暖房対象となる室内温度の測定結果が伝達されているものとする。ここで「ＳＴＡＲＴ」の条件は、室内熱交換器４３、地中熱ヒートポンプ装置６、および空気熱ヒートポンプ装置４にそれぞれ電源が供給されていると共に、設定温度と室内温度とに差が生じていることする。なお、室内熱交換器４３は温風機であって、電源が供給された時点で送風を行っているものとする。

ステップＳ１０において、制御部５は、室内温度センサー２９の測定結果と設定温度との差を判定する。ステップＳ１０において、設定温度と室内温度との差が大きいと判定されると、フローは、ステップＳ１１に進む。一方、ステップＳ１０において、設定温度と室内温度との差が大きくないと判定されると、フローは、ステップＳ１２に進む。なお、ここで「設定温度と室内温度との差が大きい」とは、地中熱ヒートポンプ装置６の熱量だけでは室内温度を設定温度に上げることができないほどの温度差であり、たとえば室内温度が設定温度よりも５℃を超えてさらに下回っているような場合である。ステップＳ１１において、制御部５は、地中熱ヒートポンプ装置６と共に空気熱ヒートポンプ装置７を駆動し、フローは、ステップＳ１２に進む。

上述したように、「設定温度と室内温度との差が大きい」場合に地中熱ヒートポンプ装置６と共に空気熱ヒートポンプ装置７を駆動させることで、地中熱ヒートポンプ装置６のみの駆動の場合に比べて、熱媒Ｆ３に大きな熱量を与えることができ（熱媒Ｆ３の温度を高くすることができ）、室内温度を設定温度により近づけ易くなる。

ステップＳ１２において、制御部５は、設定温度と室内温度との差を判定する。ステップＳ１２において、設定温度と室内温度との差が中程度であると判定されると、フローは、ステップＳ１３に進む。一方、ステップＳ１２において、設定温度と室内温度との差が中程度ではないと判定されると、フローは、ステップＳ１４に進む。なお、ここで「設定温度と室内温度との差が中程度」とは、地中熱ヒートポンプ装置６の熱量だけで室内温度を設定温度に上げることができる温度差であり、たとえば、設定温度と室内温度との差が５℃以内であるような場合である。ステップＳ１３において、制御部５は、地中熱ヒートポンプ装置６のみを駆動し、フローは、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４において、制御部５は、設定温度と室内温度との差を判定する。ステップＳ１４において、設定温度と室内温度との差が無いと判定されると、フローは、ステップＳ１５に進む。一方、ステップＳ１４において、設定温度と室内温度との差が有ると判定されると、フローは、ステップＳ１０に戻る。なお、ここで「設定温度と室内温度との差が無い」とは、たとえば設定温度と室内温度との差が１℃以内であるような場合を想定している。

ステップＳ１５において、制御部５は、地中熱ヒートポンプ装置６、および空気熱ヒートポンプ装置７を停止させる（ＥＮＤ）。

なお、図３のフローチャートの処理は、いったん終了（ＥＮＤ）しても再び「ＳＴＡＲＴ」の条件が整えば開始される。すなわち、設定温度と室内温度との差が無くなり、図３のフローチャートの処理が終了した後に、室内温度が下がって設定温度との差が生じると、図３のフローチャートの処理は再び開始される。このように図３に示すフローチャートの処理によれば、室内温度センサー２９の測定結果だけに基づいて制御を行うことができるので、処理を簡便に行うことができる。室内４１を冷房する場合のフローは、上記暖房用の制御部５の動作フローを踏襲し、室内温度が設定温度よりも高い場合というように置き換えることで説明できる。

以上説明した第１の実施形態の冷暖房システム１は、地中熱交換部６と、熱源側の第１熱交換器７と、負荷側の熱交換器８とを備える地中熱ヒートポンプ装置２と、空気熱ヒートポンプ装置４と、地中熱ヒートポンプ装置２および空気熱ヒートポンプ装置４で昇温された熱媒Ｆ３を循環させて建物４０内の空気と熱交換する室内熱交換器４３，４５とを有している。地中熱交換部６には、地中に埋設された第１の槽３の内部に第１の潜熱蓄熱材Ｐが収容され、潜熱蓄熱材と熱源側の熱交換器とに配管を介して熱媒Ｆ３が循環される。

第１の潜熱蓄熱材Ｐは、固相から液相への相変位点において潜熱（融解熱）を蓄熱し、液相から固相への相変位点において潜熱（凝固熱）を放熱する。この潜熱を熱源として利用することで、従来の地中熱交換部６の深度が１００ｍ程度であることに対して地中熱交換部６を１０ｍ〜２０ｍの深度に浅くしても、深度１００ｍの従来例と同等な地中熱集熱効果が得られる。したがって、掘削工事費用を１０分の１〜数分の１に低減することができる。

また、地中熱交換部６の埋設深さは、建物４０が設置される地域の概ね年平均気温とほぼ同じ地中温度となる深さとし、第１の潜熱蓄熱材Ｐの相変位点は、年平均気温とほぼ同じにする。地中温度が、年平均気温にほぼ同じになる深度は１０ｍ〜２０ｍとなる。そこで、第１の潜熱蓄熱材Ｐの相変位点を年平均気温とほぼ同じにすることで、 固相から液相、液相から固相への相変位によって潜熱を効率的に蓄熱できる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態に係る冷暖房システム５０について図４を参照しながら説明する。第１の実施の形態に記載の地中熱ヒートポンプ装置２は、地中に埋設された地中熱交換部６を有しているが、第２の実施の形態では、地中熱交換部６に加えて地上に配設される空気中熱交換部５２を有していることが異なる。以下に、第１の実施の形態との相違箇所を中心に説明する。また、第１の実施の形態と同じ部分には、図２と同じ符号を付して説明する。

図４は、第２の実施の形態に係る冷暖房システム５０を示す構成説明図である。図４に示すように、地中熱ヒートポンプ装置５０は、地中に埋設される地中熱交換部６と、地上に配設される空気中熱交換部５２とを有している。空気中熱交換部５２は、地上に配置された第２の槽５３を備え、第２の槽５３には、第２の潜熱蓄熱材Ｐ２が収容されている。地中熱交換部６と空気中熱交換部５２とは、配管Ｌ１で接続されている。配管Ｌ１は、第１の潜熱蓄熱材Ｐおよび第２の潜熱蓄熱材Ｐ２内に埋設され、第１熱交換部７に接続されている。配管Ｌ１には熱媒Ｆが循環される。地中熱交換部６の構成は、第１の実施の形態と同じである。

地中熱ヒートポンプ装置５１は、地中熱交換部６によって地中熱と熱媒Ｆとの間で熱交換して熱源である地中熱を集熱する。しかし、空気中熱交換部５２が無い構成では、この熱交換（集熱）によって第１の槽３の周囲の地温が低下することがあり、熱媒Ｆが地中から十分に集熱しきれない場合がある。そのような場合には、空気中熱交換器５２が、熱媒Ｆと空気中熱交換部５２との間で熱交換し、第２の潜熱蓄熱材Ｐ２の相変位による潜熱を集熱し昇温された熱媒Ｆを地中熱交換部６の第１の潜熱蓄熱材Ｐ内に循環させることで、地中熱交換部６の昇温を補完する。したがって、第２の潜熱蓄熱材Ｐ２の相変位点は、第１の潜熱蓄熱材Ｐと同じか、高くすることが好ましい。また、第２の潜熱蓄熱材Ｐ２には、第１の潜熱蓄熱材Ｐと同じようにパラフィンが用いられる。

以上説明したように、地中熱ヒートポンプ装置５１は、地中に埋設される地中熱交換部６に加え、地上に配設される空気中熱交換部５２を有する。空気中熱交換部５２には、地上に配設された第２の槽５３に第２の潜熱蓄熱材Ｐ２が収容され、第２の潜熱蓄熱材Ｐ２と、第１の潜熱蓄熱材Ｐと、熱源側の第１熱交換器７とに配管を介して熱媒Ｆを循環させる。このように、空気中熱交換部５２を設けることによって、地上の外気により昇温された熱媒Ｆを地中熱交換部６の第１の潜熱蓄熱材Ｐ内に循環させて第１の潜熱蓄熱材Ｐと熱媒Ｆとの間で熱交換し、熱媒Ｆの集熱を安定維持することができる。

また、第２の潜熱蓄熱材Ｐ２の相変位点は、地中の第１の潜熱蓄熱材Ｐの相変位点とほぼ同じにしている。このようにすれば、配管Ｌ１を循環する熱媒Ｆの温度をほぼ一定に維持することができる。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態に係る冷暖房システム６０について図５を参照しながら説明する。前述した第２の実施の形態に記載の地中熱ヒートポンプ装置５０は、地中熱交換部６と空気中熱交換部５１とを有し、地中熱交換部６、空気中熱交換部５２および第１熱交換器７の間を配管Ｌ１で熱媒Ｆを循環させる流路を有している。第３の実施の形態は、この流路に加えて、地中熱交換部６と空気中熱交換部５２とに熱媒Ｆを循環する専用流路を有していることが異なる。したがって、第２の実施の形態との相違箇所を中心に説明する。また、第２の実施の形態と同じ部分には、図４と同じ符号を付して説明する。

図５は、第３の実施の形態に係る冷暖房システム６０を示す構成説明図である。図５に示すように、地中熱ヒートポンプ装置６１は、地中に埋設される地中熱交換部６と、地上に配設される空気中熱交換部５２とを有している。空気中熱交換部５２は、地上に配設された第２の槽５３を備え、第２の槽５３内には、第２の潜熱蓄熱材Ｐ２が収容されている。配管Ｌ１は、地中側の第１の潜熱蓄熱材Ｐおよび地上側の第２の潜熱蓄熱材Ｐ２内を通り、第１熱交換器７に接続され、熱媒Ｆが循環される流路を有している。

また、地中熱ヒートポンプ装置６１には、地中熱交換部６と空気中熱交換部５２の間を接続する専用配管Ｌ１０が設けられ、地中側の第１の潜熱蓄熱材Ｐおよび地上側の第２の潜熱蓄熱材Ｐ２内を通り、専用配管Ｌ１０内に熱媒Ｆが循環される専用流路を有している。この専用流路は、配管Ｌ１とは独立した流路であり、第１の潜熱蓄熱材Ｐと第２の潜熱蓄熱材Ｐ２内に埋設され、地中熱交換部６と空気中熱交換部５２の両方に熱媒Ｆを循環させる。専用配管Ｌ１０の流路の途中には、熱媒Ｆを循環させるポンプ６２が配置されている。専用配管Ｌ１０は、地中熱交換部６と空気中熱交換部５２との間に熱媒Ｆを循環させる閉回路となっている。

ポンプ６２は、制御部５によって駆動制御される。ポンプ６２は、配管Ｌ１の流路に熱媒Ｆを循環させても室内の温度が設定温度に対して差が大きいときに駆動される。専用流路は、地中熱交換部６において第１の潜熱蓄熱材Ｐを介して地中熱との熱交換によって専用配管Ｌ１０内の熱媒Ｆを昇温させ、さらに空気中熱交換部５２において潜熱蓄熱材Ｆを介して空気熱との熱交換によって専用配管Ｌ１０内の熱媒Ｆを昇温して地中熱交換部６に戻すという循環流路を構成する。

以上説明したように、冷暖房システム６０は、第２の潜熱蓄熱材Ｐ２と、第１の潜熱蓄熱材Ｐと、熱源側の熱交換器７との間に配管Ｌ１を介して熱媒Ｆを循環させる流路と、第２の潜熱蓄熱材Ｐ２と第１の潜熱蓄熱材Ｐとに第２の配管Ｌ２を介して熱媒Ｆを循環させる専用流路とを有している。たとえば、上記第２の実施の形態のように、配管Ｌ１に熱媒Ｆを循環させても、設定温度に達しない場合において、地中の第１の潜熱蓄熱材Ｐと地上（空気中）の第２の潜熱蓄熱材Ｐ２との間に熱媒Ｆを配管Ｌ１０（専用流路）で循環させ、熱媒Ｆの流路を２系統とすることで、第１熱交換器７に送り込む熱媒Ｆを所定温度に安定維持することが可能となる。

（第３の実施の形態の変形例）
次に、第３の実施の形態の変形例について図５を参照して説明する。この変形例による冷暖房システム６０は、第２の槽５３内、つまり第２の潜熱蓄熱材Ｐ２内に加熱ヒーター６３を備えている。加熱ヒーター６３は、第２の潜熱蓄熱材Ｐ２を昇温させる。加熱ヒーター６３は、たとえば赤外線ヒーターなどであって、第２の潜熱蓄熱材Ｐ２の相変位点とほぼ同じ温度に制御される。加熱ヒーター６３は、地中熱熱交換部６および空気中熱交換部５２を駆動し、さらに、専用配管Ｌ１０内に熱媒Ｆを循環させてもなお、設定温度に対して室内温度の差が大きいと判定された際に駆動し、第２の潜熱蓄熱材Ｐ２に加熱ヒーター６３から熱エネルギーを供給し、地中熱交換部６の集熱を補完する。

潜熱蓄熱材は、地中温度がほぼ一定であること、固相から液相に変位するときに融解熱を吸熱し、液相から固相に変位するときに凝固熱を放出する。したがって、加熱ヒーター６３は、間欠的に短時間通電すればよく、加熱ヒーター６３の消費電力を抑えることが可能である。加熱ヒーター６３は、設定室温に対して室温差が所定の差以上になったときに、制御部５によってＯＮし、差がなくなったときに、制御部５によってＯＦＦされる。

以上説明した第３の実施の形態に係る変形例による地中熱ヒートポンプ装置６１には、第２潜熱蓄熱材Ｐ２を昇温する加熱ヒーターが配設されている。加熱ヒーター６３は、設定温度に対して室内温度の差が大きいと判定された際に駆動し、地中熱交換部６の集熱を補完するために設けられている。加熱ヒーター６３を設けて第１の潜熱蓄熱材Ｐおよび第２の潜熱蓄熱材Ｐ２に熱エネルギーを補完することで、地中温度が所定の設定温度との差が大きい場所や、気温変動が大きい場所などにおいても快適な室内温度を維持することが可能となる。また、このことから、冷暖房システム６０は、従来よりも浅い深度に地中熱交換部を設置する場合であっても、あるいは、建物設置場所によって年平均気温に対して地中温度の差がある場合であっても、省エネルギー冷暖房を実現できる。

また、前述した第１の実施の形態〜第３の実施の形態において、配管Ｌ１および専用配管Ｌ１０は、第１の潜熱蓄熱材Ｐまたは第２の潜熱蓄熱材Ｐ２内に埋設する部分は、銅管などの熱伝導性が高い材料で構成されている。このようにすることで、配管Ｌ１および専用配管Ｌ１０内の熱媒Ｆと第１の潜熱蓄熱材Ｐおよび第２の潜熱蓄熱材Ｐ２との熱交換の効率を高めることができる。なお、第１の潜熱蓄熱材Ｐおよび第２の潜熱蓄熱材Ｐ２の外部において、配管Ｌ１および専用配管Ｌ１０は、断熱性が高い架橋ポリエチレンンなどにすることが好ましい。

また、前述した冷暖房システム１，５０，６０は、建物４０内の空気と熱媒Ｆ３との間で熱交換する室内熱交換器は、床上４２に配置される主として暖房用の室内熱交換器４３と、天井４４付近に配置される主として冷房用の室内熱交換器４５とからなり、暖房用の室内熱交換器３と冷房用の室内熱交換器４５とを、切り替えて駆動することを可能としている。このようにすれば、気温が低いときに室内熱交換器４３、気温が高いときに室内熱交換器４５に切り替え、気温が低いときには室内熱交換器４３および室内熱交換器４５の両方を運転するようにすれば、年間を通じて快適な室温環境を得ることが可能となる。

なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。たとえば、地上に配置される空気中熱交換部５２は、別配置される太陽熱交換器に接続し、第２の潜熱蓄熱材Ｐ２を昇温するようにしてもよい。この場合、第２の潜熱蓄熱材Ｐ２の相変位点は、地中温度より高く設定されることが好ましい。また、第３の実施の形態の変形例では、加熱ヒーター６３を配置する例を記載しているが、ソーラーパネルを設けて加熱ヒーター６３の電源としてもよい。

また、第１の実施の形態〜第３の実施の形態では、室内熱交換器４３，４５を１台ずつ備える例を記載しているが、室内４１が広い面積を有している場合などには、室内熱交換器４３，４５の設置台数を増やすことも可能である。

１…冷暖房システム（第1の実施の形態）
２…地中熱ヒートポンプ装置
３…第１の槽
４…空気熱ヒートポンプ装置
６…地中熱交換部
７…第１熱交換器（熱源側の熱交換器）
８…第２熱交換器（負荷側の熱交換器）
２０…空気中熱交換部（第1の実施の形態）
４０…建物
４１…室内
４２…床上
４４…天井
４３，４５…室内熱交換器
５０…冷暖房システム（第２の実施の形態）
５１…地中熱ヒートポンプ装置（第２の実施の形態）
５２…空気中熱交換部（第２の実施の形態）
５３…第２の槽
６０…冷暖房システム（第３の実施の形態）
６１…地中熱ヒートポンプ装置（第３の実施の形態）
６３…加熱ヒーター
Ｌ１…配管（地中熱交換部）
Ｌ１０…専用配管
Ｆ…熱媒
Ｐ…第１の潜熱蓄熱材
Ｐ２…第２の潜熱蓄熱材

Claims (8)

1. 地中熱交換部と、熱源側の熱交換器と、負荷側の熱交換器とを備える地中熱ヒートポンプ装置と、
   空気熱ヒートポンプ装置と、
   前記地中熱ヒートポンプ装置および前記空気熱ヒートポンプ装置で昇温された熱媒を循環させて建物内の空気と熱交換する室内熱交換器と、
   を有し、
   前記地中熱交換部には、地中に埋設された第１の槽の内部に第１の潜熱蓄熱材が収容され、
   該第１の潜熱蓄熱材と前記熱源側の熱交換器とに配管を介して前記熱媒が循環される、
   ことを特徴とする冷暖房システム。
2. 請求項１に記載の冷暖房システムにおいて、
   前記地中熱交換部の埋設深さは、建物が設置される地域の概ね年平均気温とほぼ同じ地中温度となる深さとし、
   前記第１の潜熱蓄熱材の相変位点は、前記年平均気温とほぼ同じにする、
   ことを特徴とする冷暖房システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の冷暖房システムにおいて、
   前記地中熱ヒートポンプ装置は、地中に埋設される前記地中熱交換部に加え、地上に配設される空気中熱交換部を有し、
   前記空気中熱交換部には、地上に配設された第２の槽に第２の潜熱蓄熱材が収容され、
   前記第２の潜熱蓄熱材と、前記第１の潜熱蓄熱材と、前記熱源側の熱交換器とに前記配管を介して前記熱媒を循環させる、
   ことを特徴とする冷暖房システム。
4. 請求項３に記載の冷暖房システムにおいて、
   前記第２の潜熱蓄熱材の相変位点は、前記第１の潜熱蓄熱材の相変位点とほぼ同じにすること、
   を特徴とする冷暖房システム。
5. 請求項３に記載の冷暖房システムにおいて、
   前記第２の潜熱蓄熱材と、前記第１の潜熱蓄熱材と、前記熱源側の熱交換器との間に前記配管を介して前記熱媒を循環させる流路と、
   前記第２の潜熱蓄熱材と前記第１の潜熱蓄熱材とに専用配管を介して前記熱媒を循環させる専用流路と、
   を有している、
   ことを特徴とする冷暖房システム。
6. 請求項５に記載の冷暖房システムにおいて、
   前記第２潜熱蓄熱材を昇温する加熱ヒーターが配設されている、
   ことを特徴とする冷暖房システム。
7. 請求項１から請求項５に記載の冷暖房システムにおいて、
   前記配管および前記専用配管は、前記第１の潜熱蓄熱材または前記第２の潜熱蓄熱材内に埋設する部分は、熱伝導性が高い材料で構成されている、
   ことを特徴とする冷暖房システム。
8. 請求項１に記載の冷暖房システムにおいて、
   前記室内熱交換器は、床上に配置される主として暖房用の室内熱交換器と、天井付近に配置される主として冷房用の室内熱交換器とからなり、
   前記暖房用の室内熱交換器と前記冷房用の室内熱交換器とを、切り替えて駆動することが可能である、
   ことを特徴とする冷暖房システム。

Images