JP2018165607A - 建物の空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地中パイプ内の結露による悪影響を受けずに空調を良好に機能させることができる建物の空調装置を提供する。【解決手段】地中に埋設した地中パイプ１０に空気を流して地中熱による熱交換を行い、熱交換された空気を建物内に導入して住宅１内の空調を行なう空調装置である。地中パイプ１０は、縦長の導入パイプ１１と導出パイプ１２を下部で接続して略Ｕ字状に形成され、地中に鉛直に埋設される。地中パイプ１２内には、排水チューブ９が、その吸入口を地中パイプ１０の水溜部１５内に位置させて挿入され埋設される。地中パイプ１０の水溜部１５内に溜まった水を地上に排水するための水中ポンプ７が排水チューブ９に接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、住宅などの建物内の空調を行なう空調装置に関し、特に年間を通して比較的安定した温度を維持する地中熱（地中の温熱や冷熱）を利用して空調を行なう建物の空調装置に関する。

地中熱を利用して住宅などの建物内の空調を行なう空調装置として、従来、下記特許文献１などにおいて、地中に埋設した地中パイプに、外気を通し、地中熱により熱交換した空気を、住宅の床下空間や室内に送風し、住宅の空調を行なう空調装置が知られている。

特開２００３−３５４３３号公報

しかし、この従来の空調装置は、梅雨時など、外気温度が高く且つ外気の湿度が高い状態で、装置を運転した場合、空気が地中パイプ内を通過して冷やされる際、パイプ内面に結露が発生し、その露水が地中パイプ内に溜まる不具合があった。

特に、例えば気温が高く湿度の高い梅雨時などに、空調装置を長時間運転した場合、相当量の露水が地中パイプの最も低い部分に多量に溜まこととなる。このため、地中パイプ内の空気流通路が露水で閉鎖され、或いは通路の断面積が縮小されて空気の流通が阻害され、空調機能が低下する課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するものであり、地中パイプ内の結露による悪影響を受けずに、空調を良好に機能させることができる建物の空調装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の空調装置は、
地中に埋設した地中パイプに空気を流して地中熱による熱交換を行い、熱交換された空気を建物内に導入して建物内の空調を行なう建物の空調装置において、
該地中パイプは、縦長の導入パイプと導出パイプを下部で接続して略Ｕ字状に形成されて、地中に略鉛直に埋設され、該地中パイプの下端に水溜部が設けられ、該地中パイプ内に排水チューブが吸入口を該水溜部内に位置させて挿入され、該地中パイプの水溜部内に溜まった水を地上に排水するためのポンプが該排水チューブに接続されたことを特徴とする。

この発明によれば、地中温度は年間を通して略一定のため、空気が地中パイプ内に吸入されて内部を通過する際、その空気が地中熱（温熱または冷熱）により熱交換されて、外気温が高い夏季には空気が冷却され、外気温の低い冬季には空気が加温され、空調された空気が建物内に導入される。このとき、梅雨時などに空気の湿度が高い場合、地中パイプ内面に結露が発生し、露水が地中パイプ下部の水溜部に溜まるが、溜まった露水は排水チューブにより排水される。

このため、地中パイプの下部に多量の水が溜まることはなく、空調機能の低下を防止し、年間を通して地中熱を利用した空調を良好に行なうことができる。また、地中パイプ内の水が排水されるため、建物内に送風する空気の湿度を下げることができる。また、地中パイプは、地中穴内に略鉛直に挿入され、地中深くまで埋設されるため、夏季には十分に低い温度の冷風を、冬季には十分に高い温度の温風を、室内空調に使用することができる。

ここで、上記地中パイプの導入パイプの空気導入口及び導出パイプの吹出口は、建物の室内に連通接続することが好ましい。これによれば、夏季の冷房、冬季の暖房における室内空調を、効率良く行うことができる。

また、排水のためのポンプとして、小型の水中ポンプを地中パイプ内の水溜部に配することが好ましい。これによれば、水溜部に溜まった露水を効率良く排水することができる。

また、上記地中パイプの導入パイプの空気導入口及び導出パイプの吹出口は、上記室内の床に連通接続され、導入パイプの空気導入口近傍に、送風機を配設する構成とすることが好ましい。これによれば、送風機の保守管理を容易に行うことができるとともに、室内の空気を、送風機によって地中パイプ内に導入し、地中の温熱または冷熱により熱交換した後、その空気を室内に良好に送風し、快適な空調を効率良く行うことができる。

また、地中パイプの導入パイプと導出パイプは地中鉛直方向に略平行に、且つ該パイプの外径以上の間隔をあけて配することが好ましい。これによれば、往復するパイプ内で地中熱による熱交換を効率良く行うことができる。

またここで、上記地中パイプの導入パイプと導出パイプは雨樋用アルミニウムパイプを略Ｕ字状に接続して形成され、導出パイプの下端に水溜部が設けられ、導入パイプの下端は傾斜したＬ形接続パイプ及びＴ形接続パイプを介して水溜部に接続することが好ましい。

これによれば、既製の雨樋用アルミニウムパイプをそのまま使用して、任意の長さに切断するとともに、既製の接続部材を使用してパイプを接続し、安価に且つ簡便に地中パイプを製造することができ、非常に安価に施工することが可能となる。また、露水は、傾斜したＬ形接続パイプ及びＴ形接続パイプを通して、良好に水溜部に流下させて溜めることができる。

本発明の建物の空調装置によれば、地中パイプ内の結露による悪影響を受けずに、地中熱を利用して建物の空調を良好に行うことができる。

本発明の一実施形態を示す建物の空調装置の構成図である。 空調装置に使用する地中パイプの正面図である。 空調装置の制御系のブロック図である。 気温及び地中０．３ｍ〜５ｍの温度の年間の変化を示すグラフである。 他の実施形態の地中パイプの正面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、この空調装置は、住宅（建物）１下の地中に埋設した地中パイプ１０に空気を流して地中熱による熱交換を行い、熱交換された空気を室内内に導入して建物内の空調を行なうものである。住宅１の基礎４の下には、約５ｍの深さの地中穴が略鉛直に掘削され、その中に、地中パイプ１０が略鉛直に挿入されて埋設される。

図１に示すように、地中パイプ１０の上部は基礎４の上に突出し、一方の空気導入口１３は、床２に接続されて室内に開口し、他方の吹出口１４は、同様に床２に接続されて室内に開口している。

地中パイプ１０は、図１に示す如く、縦長の導入パイプ１１と導出パイプ１２を下部で接続して略Ｕ字状に形成されている。また、図２に示すように、地中パイプ１０の導入パイプ１１と導出パイプ１２は、雨樋用アルミニウムパイプを用いて構成され、それらの下端部は、Ｌ形接続パイプ１７、Ｌ形接続パイプ１８、及びＴ形接続パイプ１９を用いて、略Ｕ字状に接続される。

図１に示す如く、直線状の導入パイプ１１の上端部は、床下空間３を鉛直に配置され、床２に設けた空気導入口１３に接続される。一方、直線状の導出パイプ１２の上端には、図２に示す如く、Ｌ形接続パイプ１７が接続され、そのＬ形接続パイプ１７の他端に、横引パイプ１１ａが床下空間３内で水平方向に接続される。図１に示すように、この横引パイプ１１ａは床下空間３内を通り、先端がＬ形接続パイプを介して床２に設けた吹出口１４に接続される。空気導入口１３内近傍には送風機５が配設され、空気導入口１３を通して吸引した空気を、送風機５により地中パイプ１０の導入パイプ１１内に送風する。

図２に示すように、導入パイプ１１の下部にはＴ形接続パイプ１９が接続される。Ｔ形接続パイプ１９の下側は閉鎖されて、その内部に地中パイプ１０の水溜部１５が形成される。水溜部１５の底部は閉鎖され、これにより、パイプ内で結露した露水が落下し水溜部１５内に溜まる構造である。

Ｔ形接続パイプ１９の側方の接続部分は上方に傾斜して形成され、その端部には、鈍角に傾斜して形成されたＬ形接続パイプ１８が接続され、Ｌ形接続パイプ１８の上端に、直線状の導出パイプ１２の下端が接続される。これにより、導入パイプ１１の下端部が斜め下方に傾斜する傾斜パイプを介して導出パイプ１２の下端の水溜部１５に接続されることとなる。これにより、導入パイプ１１内に結露した露水を、良好且つ確実に水溜部１５に落下させることができる。

図１に示すように、地中パイプ１０の導出パイプ１２と導入パイプ１１は長尺に形成され且つ平行に配置されるが、その平行部分は図２にように連結部材１６により相互に連結され、地中に掘削した地中穴内に挿入して埋設する際、挿入しやすくしている。

このような導入パイプ１１、導出パイプ１２、Ｌ形接続パイプ１７、Ｌ形接続パイプ１８、及びＴ形接続パイプ１９は、全て既製の雨樋用アルミニウムパイプを用いて形成される。従って、それらのパイプの接続は、パイプ端部を相互に嵌合させ、嵌合部を接着材（コーキング材）により接着することができる。このため、パイプの接合に、溶接などの接合方法を使用する必要がなく、地中パイプ１０を、既製の雨樋用アルミニウムパイプのみで、非常に安価に製作することができる。

次に、空調装置の施工方法を説明する。住宅１の建設予定地に、地中パイプ１０用の地中穴を掘削する。地中穴は、約４５ｃｍの内径で、約５ｍの深さに掘削するが、例えば小型アースオーガーを使用して簡単に掘削することができる。次に、その地中穴に地中パイプ１０を挿入し、地中穴を埋め戻し、地中パイプ１０を地中に埋設した状態とする。図１に示すように、地中パイプ１０を埋設する場所は、住宅１の基礎４の真下としているが、真下以外に基礎４の近傍とすることもできる。

次に、基礎コンクリートを打設して住宅１の基礎４を作り、この状態で、基礎４から突出した地中パイプ１０の導入パイプ１１上端を、床２に設けた空気導入口１３に接続する。一方、導出パイプ１２の上端には、Ｌ形接続パイプ１７を介して横引パイプ１１ａを接続し、横引パイプ１１ａの先端は、床２に設けた吹出口１４に接続される。導入パイプ１１と導出パイプ１２の上部には、断熱材を巻き付けることが望ましい。

住宅１の建屋の建築を行なう間、図１に示すように、導入パイプ１１の上端を空気導入口１３に接続し、床下空間３内の導出パイプ１２の横行パイプ１１ａの先端は床２の吹出口１４に接続される。床下空間３に配設される横行パイプ１１ａは、吹出口１４の位置に合せて任意長さで任意の方向に延設することができる。また、空気導入口１３に位置が導入パイプ１３の位置から離れている場合、導出パイプ１２と同様に、導入パイプ１１の上端に横行パイプを接続し、横行パイプを介して空気導入口１３に導入パイプ１１の上端を接続してもよい。

地中パイプ１０の導入パイプ１１の水溜部１５内には、その水溜部１５内に溜まった露水を排水するために、図１のように、小型の水中ポンプ７を下端に設けた排水チューブ９が、上から挿入される。水中ポンプ７は水溜部１５内に入った状態で設置され、水溜部１５内の露水は水中ポンプ７により吸引される。排水チューブ９の上端は、住宅１の外側の排水枡などに接続され、水中ポンプ７の運転により、水溜部１５内に溜まった露水を排水する。

さらに、水溜部１５の水位を検出し、その水位が所定の水位に達したとき、検出信号を出力する水位センサ８が水溜部１５内に挿入される。水位センサ８としては、例えばアズワンフロート型水位センサが使用される。この種の水位センサは水溜部１５内に簡単に設置可能であり、設定水位を正確に検出して検出信号を出力することができる。水位センサ８のリード線は、図３に示すように、水中ポンプ７の制御を行なう制御部２０に接続され、出力信号を制御部２０に送る。

なお、水位センサ８に代えてユーザが操作する排水スイッチを制御部２０に設けることもできる。この場合、ユーザが、露水が溜まったと思われる適当な時期に、排水スイッチをオン操作して、水中ポンプ７を起動させ、水溜部１５から露水を排水することとなるので、水位センサ８及びその制御回路は不要となり、コストを抑えることができる。

導入パイプ１１の空気導入口１３近傍内に、図１のように、小型の送風機５が配設され、空気導入口１３から吸引した室内の空気を地中パイプ１０内に送風するように設置される。送風機５には雨樋用アルミニウムパイプ内に設置可能な小型送風機が使用されるが、空調に必要な風量は十分に確保することができる。なお、必要に応じて、導入パイプ１１の上端部に大径のケーシングを接続し、送風機をその内部に取り付けることもできる。また、送風機は導出パイプ１２内に装着することもできる。

この空調装置に使用する電気機器は、送風機５、水中ポンプ７、及び水位センサ８であるが、図３に示すように、それらの電源として、太陽電池（太陽電池パネル）２１、太陽電池２１の起電力を、充電回路２２を通して蓄電する蓄電池２３を含む直流電源が設けられる。充電回路２２は、昼間などに太陽電池２１の出力電圧が所定の充電電圧以上に上昇したとき、蓄電池２３に充電電流を流して蓄電するように構成される。

制御部２０は、送風機５の起動・停止を制御するように構成され、タイマーにより予め設定した時刻に送風機５をオンまたはオフし、或いは使用者のスイッチ操作により送風機５の起動・停止を制御するように動作する。また、制御部２０は、地中パイプ１０の水溜部１５に露水が溜まり、その水位が所定水位に達して、水位センサ８からその検出信号が送られたとき、水中ポンプ７を起動して露水を排水するように動作する。

なお、送風機５、水中ポンプ７が交流駆動の場合、インバーターを使用して蓄電池２３の直流電力を交流に変換し、送風機５、水中ポンプ７に電力を供給すればよい。また、太陽電池２１、充電回路２２、蓄電池２３の直流電源を使用せずに、通常の商用電源を使用して、送風機５を動作させることもできる。この場合、太陽電池２１、充電回路２２、蓄電池２３の直流電源が不要となり、空調装置の設備費を低減することができる。

上記構成の空調装置は、送風機５が起動すると、図１に示すように、室内の空気が、空気導入口１３から導入パイプ１１に吸引され、地中に鉛直に埋設された地中パイプ１０の導入パイプ１１を通り、導出パイプ１２に送られる。この間、パイプ内の空気は、地中パイプ１０の導入パイプ１１と導出パイプ１２を往復して通過し、地中で効率良く熱交換が行われ、熱交換された空気が吹出口１４から室内に送風される。これにより、夏季には冷却された空気が、冬季には加温された空気が、導出パイプ１２の先端の吹出口１４から住宅の室内に送風される。このように、室内の空気が地中パイプ１０を通して熱交換され、循環されることとなる。

気象庁の資料によれば、図４に示すように、地表面〜地下約５ｍまでの地中温度は、夏季（５月〜８月）に気温が高い状態であっても、地下約５ｍまで深くなるにつれて、徐々に低下し、冬季（１１月〜２月）に気温が低い状態であっても、地中温度は、地下約５ｍまで深くなるにつれて、徐々に上昇する。

さらに図４のグラフに示す如く、夏季と冬季の地下約５ｍの温度は、地表面温度や気温の変化に対し、完全に逆転し、夏季の地中温度は冬季の地中温度より低く、冬季の地中温度は夏季の地中温度より高くなる。しかも、それらの地中温度は、約１７℃（夏季）〜約１９℃（冬季）と非常に安定した温度を維持する。このため、夏季の地下約５ｍの温度は、夏季には非常に涼しく、冬季の地下約５ｍの温度は、冬季には非常に暖かく感じる温度である。

したがって、地中パイプ１０の長さを約５ｍとして、鉛直に掘削した地中穴に埋設すれば、送風機５の運転により、室内の空気が、導入パイプ１１を通り、地中約５ｍの深さに埋設された地中パイプ１０内に送られる。そして、地中パイプ１０を空気が通過する際、地中熱（温熱、冷熱）との間で、効率良く熱交換が行われ、室内に戻される空気は、夏季には非常に涼しく、冬季には非常に暖かく感じるものとなる。

つまり、夏季には温度の高い空気が、地中パイプ１０内を通過する際、地中の冷熱により冷やされ、導出パイプ１２を通して吹出口１４から室内に冷風が送風され、冬季には温度の低い空気が、地中パイプ１０内通過する際、地中の温熱により空気流が加温され、導出パイプ１２を通して吹出口１４から室内に温風が送風される。また、地中パイプ１０は、導入パイプ１１と導出パイプ１２を、少なくともパイプの外径以上の間隔をあけて、平行に配置され地中に埋設されるので、空気流は導入パイプ１１と導出パイプ１２で往復し効率良く熱交換される。このようにして、室内の空気が送風機５の作動により地中パイプ１０を通して循環され、地中パイプ１０内で熱交換された空気流は継続して室内に流され、室内の空調が行なわれる。

さらに、本空調装置では、送風機５を運転するのみで、地中パイプ１０内を通過して熱交換された空気を室内に導入するので、モータ等で駆動するコンプレッサーを用いた熱交換器を使用して空調する装置に比べ、最少エネルギーで効率良く住宅内の空調を行なうことができる。

また、送風機５は、太陽電池２１の起電力を蓄電する蓄電池２３の電力により動作するので、商用電力を使用せずに自然エネルギーのみで空調装置を運転することができる。

一方、梅雨時に空調装置を長時間運転した場合、湿度の高い空気が地中パイプ１０内に吸引されて冷やされるので、導入パイプ１１、導出パイプ１２内面に結露が発生し、その露水は導入パイプ１１、導出パイプ１２を落下して水溜部１５内に溜まる。その露水の水位が予め設定した水位に達すると、水位センサ８から検出信号が出力されて制御部２０に送られ、このとき、制御部２０は水中ポンプ７を動作させる。

水中ポンプ７が起動すると、地中パイプ１０の水溜部１５内に溜まった露水が排水チューブ９を通して地上に排水され、地中パイプ１０の水溜部１５に溜まった露水は排水される。これにより、湿度の高い梅雨時などに、露水が地中パイプ１０に溜まって空気流路が遮断され或いは狭窄されることはなく、梅雨時などにおいても、継続して空調装置を運転することができる。また、パイプ内の露水の排水により、梅雨時に、室内に送風する空気の湿度を下げることもできる。

なお、上記実施形態では、地中パイプ１０を住宅１の基礎４下の地中に埋設したが、基礎４の地中ではなく、基礎の近傍の地中に穴を掘削し、その地中穴に地中パイプ１０を挿入すれば、既存の住宅であっても、本空調装置を設置することができる。その場合、地中パイプ１０の導入パイプ及び導出パイプの上端部は、各々、基礎に設けた通風口から横引パイプを介して床下空間内に挿入し、導入側の横引パイプの先端を室内の空気導入口に接続し、導出側の横引パイプの先端を室内の吹出口に接続すればよい。

また、導入パイプの先端（空気導入口）を床下空間３内に配置し、床下空間３の空気を導入パイプの空気導入口から導入し、地中パイプ１０を通して熱交換を行った後、吹出口から室内に吹き出すように構成することもできる。この場合、床下空間の温度は、通常、夏季の外気温までは上昇せず、冬季の外気温までは低下せずに比較的一定であるため、本空調装置を用いて、効率良く室内の冷房を行うことができる。

また、上記実施形態では、導出パイプ１２の下端に水溜部１５を設けたが、導入パイプ１１の下端に水溜部を設けることもできる。また、上記では、雨樋用アルミニウムパイプを地中パイプ１０に使用したが、地中に埋設したときに充分な耐久性の得られる金属パイプであれば、他のパイプを使用することもできる。

図５は他の実施形態の地中パイプ３０を示している。この地中パイプ３０は、縦長の導入パイプ１１と導出パイプ１２がその下部で、Ｌ形接続パイプ１７、Ｌ形接続パイプ１８、及びＴ形接続パイプ１９を用いて、略Ｕ字状に接続され、Ｔ形接続パイプ１９の下部に、水溜部１５が設けられる点で、上記実施形態の地中パイプ１０と同様である。上記実施形態と同様な部分については、図５に、上記と同じ符号を付してその説明を省略する。

図５に示すように、この地中パイプ３０は、その導入パイプ１１の上部が、接続パイプ３２を介して可撓性チューブ３１に接続され、その導出パイプ１２の上部が、接続パイプ３４を介して可撓性チューブ３３に接続される。接続パイプ３２，３４には、金属パイプより断熱性が高く熱伝導性の低い合成樹脂パイプが使用され、これにより、地上部に露出するパイプ部分からの放熱や熱吸収を小さくしている。また、可撓性チューブ３１，３３には、空調用ダクトに使用される、例えば内径１０ｃｍ程度のフレキシブルダクトが使用される。フレキシブルダクトによる可撓性チューブ３１，３３は、消音性能が高く、優れた断熱性を有しているので、空調用空気を低騒音で且つ高い空調効率をもって送風することができる。

可撓性チューブ３１，３３は、床下空間３に敷設され、導入側の可撓性チューブ３１は床２の空気導入口１３に接続され、導出側の可撓性チューブ３３は床２の吹出口１４に接続される。このような可撓性チューブ３１，３３は、床下空間３内を、任意の位置まで自由に曲げて敷設することができるので、床２の空気導入口１３や吹出口１４の位置が、設置する住宅１に応じて、変更があった場合でも、容易に適用することができる。

１ 住宅
２ 床
３ 床下空間
４ 基礎
５ 送風機
７ 水中ポンプ
８ 水位センサ
９ 排水チューブ
１０ 地中パイプ
１１ 導入パイプ
１１ａ 横引パイプ
１２ 導出パイプ
１３ 空気導入口
１４ 吹出口
１５ 水溜部
１６ 連結部材
１７ Ｌ形接続パイプ
１８ Ｌ形接続パイプ
１９ Ｔ形接続パイプ
２０ 制御部
２１ 太陽電池
２２ 充電回路
２３ 蓄電池

Claims (6)

1. 地中に埋設した地中パイプに空気を流して地中熱による熱交換を行い、熱交換された空気を建物内に導入して建物内の空調を行なう建物の空調装置において、
   該地中パイプは、縦長の導入パイプと導出パイプを下部で接続して略Ｕ字状に形成されて、地中に鉛直に埋設され、該地中パイプの下端に水溜部が設けられ、該地中パイプ内に排水チューブが吸入口を該水溜部内に位置させて挿入され、該地中パイプの水溜部内に溜まった水を地上に排水するためのポンプが該排水チューブに接続されたことを特徴とする建物の空調装置。
2. 前記地中パイプの導入パイプの空気導入口及び導出パイプの吹出口は、前記建物の室内に連通接続されたことを特徴とする請求項１記載の建物の空調装置。
3. 排水のための前記ポンプとして、小型の水中ポンプが前記水溜部内に配設されたことを特徴とする請求項１記載の建物の空調装置。
4. 前記地中パイプの導入パイプの空気導入口及び導出パイプの吹出口は、前記室内の床に連通接続され、該導入パイプの空気導入口近傍に、送風機が配設されたことを特徴とする請求項２記載の建物の空調装置。
5. 前記地中パイプの導入パイプと導出パイプは、地中鉛直方向に略平行に且つ該パイプの外径以上の間隔をあけて地中地盤に埋設されたことを特徴とする請求項１記載の建物の空調装置。
6. 前記地中パイプの導入パイプと導出パイプは雨樋用アルミニウムパイプを略Ｕ字状に接続して形成され、該導出パイプの下端に前記水溜部が設けられ、該導入パイプの下端は傾斜したＬ形接続パイプ及びＴ形接続パイプを介して該水溜部に接続されたことを特徴とする請求項５記載の建物の空調装置。
   

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