JP2023133835A - Underground heat exchange device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、地中に溜められた水(雨水や地下水等)と熱交換した冷媒を空気調和機等のヒートポンプサイクルに利用する地中熱交換装置に関し、さらに詳しく言えば、安価に構築できるとともに、高い熱交換能力が発揮される地中熱交換装置に関するものである。 The present invention relates to an underground heat exchange device that uses a refrigerant that has undergone heat exchange with water stored underground (rainwater, groundwater, etc.) in a heat pump cycle of an air conditioner, etc. More specifically, it can be constructed at low cost, and , relates to an underground heat exchange device that exhibits high heat exchange capacity.
例えば特許文献1に記載されているように、一般的な地中熱交換システムは、一次冷媒が循環される一次熱交換回路と、空気調和機などの二次熱交換回路とを有し、一次熱交換回路側の一方の熱交換器を地中に埋設して、他方の熱交換器にて二次熱交換回路との間で熱交換することにより、二次熱交換回路で発生した熱と地中熱との間で熱交換するようにしている。 For example, as described in Patent Document 1, a general underground heat exchange system has a primary heat exchange circuit in which a primary refrigerant is circulated, and a secondary heat exchange circuit such as an air conditioner. By burying one heat exchanger on the heat exchange circuit side underground and exchanging heat with the secondary heat exchange circuit using the other heat exchanger, the heat generated in the secondary heat exchange circuit and It exchanges heat with underground heat.
通常、地中は一年を通して一定温度(約15℃前後)であるため、夏場はヒートポンプサイクルによって温められた冷媒の熱を地中に逃がし、冬場は冷やされた冷媒を地熱で温める。これにより、二次熱交換回路に設けられた圧縮機への負担を減らし、省電力およびCO2排出量を大幅に減らすことができる。 Normally, the temperature underground is constant throughout the year (approximately 15 degrees Celsius), so in the summer, the heat from the refrigerant heated by the heat pump cycle is released underground, and in the winter, the cooled refrigerant is heated by geothermal heat. This reduces the load on the compressor provided in the secondary heat exchange circuit, making it possible to save power and significantly reduce CO2 emissions.
多くの場合、一次熱交換側の熱交換器は、地下水を含む地盤の中に地中約10~200mの深さに形成された直径150mm程度の熱交換井の中に一次冷媒を循環させた熱交換パイプ(φ30mm程度)を配置し、さらに熱交換井の内部に砂や砂利などで満たすことによって形成されている。これによれば、熱交換井の内部に地下水が満たされ、熱交換が促進される。 In most cases, the heat exchanger on the primary heat exchange side circulates the primary refrigerant in a heat exchange well with a diameter of about 150 mm that is formed at a depth of about 10 to 200 meters underground in the ground containing groundwater. It is formed by arranging heat exchange pipes (about 30 mm in diameter) and filling the inside of the heat exchange well with sand, gravel, etc. According to this, the inside of the heat exchange well is filled with groundwater, and heat exchange is promoted.
しかしながら、一般的な地下水位は、地下5~10m程度のところにあるため、熱交換井の内部が水で満たされるのも地下5~10mよりも下の位置となり、地表から地下水位までの間では、熱交換が十分発揮されてない。 However, since the general groundwater level is approximately 5 to 10 meters underground, the inside of the heat exchange well is filled with water at a location lower than 5 to 10 meters underground, and there is a gap between the ground surface and the groundwater level. In this case, heat exchange is not performed sufficiently.
また、別の観点として、都市部では地表面の多くがアスファルトなどの不透水層で覆われており、地表に降った雨の多くが地中に浸透することなく、下水道を介して海に戻されるため、地下水が減少している。 Another point of view is that in urban areas, much of the ground surface is covered with impermeable layers such as asphalt, and much of the rain that falls on the ground does not permeate into the ground and is returned to the sea via sewers. Groundwater is decreasing due to water leakage.
そこで、本出願人は、特許文献2において、熱交換井に雨水などの水を積極的に浸透させる水浸透手段を設けて、地表面から地下水位面に至るまでの間の熱交換井の空間に水を供給することを提案している。これによれば、より熱交換効率を高めることができるが、他方において、熱交換井を掘削するには1本あたりかなりのコストがかかる、という問題がある。 Therefore, in Patent Document 2, the present applicant provides a water infiltration means for actively infiltrating water such as rainwater into the heat exchange well, and the space of the heat exchange well from the ground surface to the groundwater level is provided. It is proposed to supply water to According to this, the heat exchange efficiency can be further improved, but on the other hand, there is a problem in that drilling a heat exchange well requires a considerable amount of cost per well.
したがって、本発明の課題は、安価に構築できるとともに、高い熱交換能力が発揮される地中熱交換装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide an underground heat exchange device that can be constructed at low cost and exhibits high heat exchange ability.
上記課題を解決するため、本発明は、冷媒を地中に溜められた水との間で熱交換させる地中熱交換器を有し、上記地中熱交換器にて熱交換された上記冷媒を用いて、所定のヒートポンプ装置との間でさらに熱交換する地中熱交換装置において、
地表面から所定の容積をもって掘削され雨水等の水を貯留する浸透升を有し、上記地中熱交換器が水平埋設型として上記冷媒が流される熱交換パイプを上記浸透升の底面に沿って配設したことを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention includes an underground heat exchanger that exchanges heat between a refrigerant and water stored underground, and the refrigerant is heat-exchanged in the underground heat exchanger. In a geothermal heat exchange device that further exchanges heat with a predetermined heat pump device using
The underground heat exchanger has a permeation tank excavated with a predetermined volume from the ground surface to store water such as rainwater, and the underground heat exchanger is a horizontally buried type, and a heat exchange pipe through which the refrigerant is flowed is installed along the bottom surface of the permeation tank. It is characterized by its placement.
本発明において、上記熱交換パイプを上記浸透升の底面に沿って配設するにあたって、螺旋型、蛇行型、シート型のいずれかが選択されることが好ましい。 In the present invention, when disposing the heat exchange pipe along the bottom surface of the permeation chamber, it is preferable that one of a spiral type, a meandering type, and a sheet type is selected.
また、本発明の好ましい態様によると、雨水等の水を上記浸透升に供給する水供給手段を備える。 Further, according to a preferred embodiment of the present invention, water supply means is provided for supplying water such as rainwater to the permeation tank.
また、上記浸透升の上面および内周面には透水シートが設けられることが好ましい。 Further, it is preferable that a water-permeable sheet is provided on the upper surface and inner circumferential surface of the permeation cell.
本発明によれば、地表面から所定の容積をもって雨水等の水を貯留する浸透升を掘削し、上記浸透升の底面に沿って冷媒が流される熱交換パイプを配設するだけでよいことから、安価に構築できるとともに、高い熱交換能力が発揮される地中熱熱交換装置を提供することができる。 According to the present invention, it is only necessary to excavate an infiltration tank with a predetermined volume from the ground surface for storing water such as rainwater, and to install a heat exchange pipe through which a refrigerant flows along the bottom of the infiltration tank. Therefore, it is possible to provide a geothermal heat exchange device that can be constructed at low cost and exhibits high heat exchange ability.
次に、図1および図2により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2, but the present invention is not limited thereto.
図1を参照して、この地中熱交換装置は、雨水等の水との間で熱交換を行う一次側熱交換回路100と、所定のヒートポンプ装置(この例では空気調和機)の一部に組み込まれる二次側熱交換回路200とを備えている。
Referring to FIG. 1, this underground heat exchange device includes a primary
一次側熱交換回路100は、地中熱交換器110と、ポンプPを介して地中熱交換器110に一次側冷媒を循環させる循環パイプ120と、二次側熱交換回路200との間で熱交換を行うための熱交換器130とを備えている。
The primary
一次側熱交換回路100に用いられる一次側冷媒としては、冬場においても凍らないように不凍液が好適であるが、地熱温度が高い場合など、冷媒が凍らないような状況であれば、蒸留水などであってもよく、仕様に応じて任意に変更されてよい。
As the primary refrigerant used in the primary
地中熱交換器110は水平埋設型の熱交換器として、地表から所定の容積をもって形成された浸透升140の底面に沿って配設される。地下水が豊富な地域においては、浸透升140は、内部に地下水が流れるように地下水位深度よりも深く掘削されるが、通常の地域では例えば1~2m程度の深さであってよい。浸透升140は、建物の床下に設けられてもよい。
The
好ましい態様として、浸透升140の内周面(底面が含まれてもよい)には、浸透升140内に土砂等が入り込まないようにするための透水シート(透水フィルタ)141が設けられる。
In a preferred embodiment, a water-permeable sheet (water-permeable filter) 141 is provided on the inner circumferential surface (which may include the bottom surface) of the
また、浸透升140の上面は、透水シート142によって覆われる。浸透升140の上面に適用される透水シート142は、透水性アスファルトからなる路盤が好ましいが、これ以外に砂利や透水ブロックなどであってもよく、基本的に透水性を備えていれば、仕様に応じて任意に選択可能である。
Further, the upper surface of the
浸透升140内には、砂利や砕石、あるいは透水ブロックが充填されていることが好ましい。これによれば、砂利などの間にできた空間に水が蓄えられる。浸透升140の形状は、通常の枡形以外に円筒状などであってもよく、その容積も、施工現場の状況や仕様に応じて任意に変更されてよい。
It is preferable that the
浸透升140には、雨水等を浸透升140内に積極的に浸透させるための水供給手段160が設けられる。水供給手段160は、例えばビルBの屋上などに降り注いだ雨水を集めて排水する排水パイプ161と、排水パイプ161の他端側に接続される給水パイプ162とを備えている。
The
この例において、排水パイプ161は、建物(ビル)Bの屋上に設置された雨水等の排水口に接続されているが、これ以外の場所に設置されていてもよい。また、雨水等の水を一時的に溜めておくタンクや、雨水を供給するポンプおよびその制御装置などに接続されていてもよい。
In this example, the
さらには、例えばプールや噴水などに接続しておき、その残り水を利用するようにしてもよく、また、工場排水や多くの水を使用する例えば水産施設等から排水される水が使用されてもよい。 Furthermore, it may be connected to a pool or fountain, for example, and the remaining water may be used, or the water drained from factory wastewater or from a fishery facility that uses a lot of water, for example, may be used. Good too.
図2を参照して、本実施形態における地中熱交換器110は螺旋型として、1本の熱交換パイプ111を平面に沿って一部分が重なるようにずらしながら環状に巻いた複数の環状部112を有し、水平埋設型の熱交換器として浸透升140の底面に沿って配設される。
Referring to FIG. 2, the
熱交換パイプ111は、熱交換効率のよい素材が好ましく用いられるが、耐食性や耐候性なども考慮して樹脂製パイプが最も好ましい。
For the
地中熱交換器110に使用する熱交換パイプ111の長さLpは、環状部112の直径をd,環状部112のピッチ(ずらし量)をP,地中熱熱交換器110の長さをL1として、次式(1)により求められる。
これによれば、熱交換パイプ111の単位面積当たりの敷設量をより多くする(より密にする)ことができるため、浸透升140内の水との熱交換能力が高められる。また、設置現場での敷設面積に応じて、単位ユニットを工場等で必要量を作製し、コンパクトに包装を行い設置現場に搬入することができる。
According to this, the amount of
地中熱交換器110は螺旋型以外に、熱交換パイプを床暖房やロードヒーティング等と同様にワイヤーメッシュ等に括り付けて蛇行状に施工する蛇行型や、2本のヘッダー管の間に複数本の熱交換パイプを並列に接続してなるシート型であってもよい。
In addition to the spiral type, the
再び図1を参照して、二次熱交換回路200は、ビルB内に配置される室内機ユニット220と、各室内機ユニット220に接続された室外機ユニット210とを有し、それらが専用の配管を介して接続されている。
Referring again to FIG. 1, the secondary
室外機ユニット210には、内部に図示しないコンプレッサや四方弁などの冷凍サイクル機構が配置されている。室外機ユニット210には、さらに、一次熱交換回路100と二次熱交換回路200との間で熱交換を行う熱交換器130が設けられている。
The
この例において、熱交換器130は、一次冷媒管が組み込まれた金属製の熱交換板と、二次冷媒管が組み込まれた金属製の熱交換板とを互いに接触させることにより、熱交換を行う形式となっているが、一次冷媒を溜めたタンク内に二次冷媒管を配置して直接熱交換を行ってもよく、一次冷媒と二次冷媒との熱交換ができれば、その具体的な方法は特に限定されない。
In this example, the
また、本実施形態においては、一次側熱交換回路100と二次側熱交換回路200との間で相互に雨水等の熱を熱交換するようにしているが、浸透升140の底部に配置される地中熱交換器110を二次側熱交換回路200の室外機側の熱交換器として用いることもできる。
Furthermore, in this embodiment, the primary
さらには、本実施形態において、二次熱交換回路200はビル空調システムの冷凍サイクルに組み込まれているが、これ以外のヒートポンプ給湯システムなど冷媒と地熱との間で相互熱交換を行う基本構成を備えていれば、これら変形例も本発明に含まれる。
Furthermore, in this embodiment, the secondary
以上、本発明について実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の記載に限定されるものではない。当業者であるならば上記実施形態に加えられる変更もしくは改良も本発明の技術的範囲に含まれる。 Although the present invention has been described above using embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the description of the above embodiments. Changes or improvements made to the above-described embodiments by those skilled in the art also fall within the technical scope of the present invention.
1 空気調和機
100 一次側熱交換回路
110 地中熱熱交換器(水平式地中熱熱交換器)
111 熱交換パイプ
112 環状部
120 循環パイプ
130 熱交換器
140 浸透升
141,142 透水シート
160 水供給手段
162 給水パイプ
200 二次側熱交換回路
B 建物(ビル)
1
111
Claims (4)
地表面から所定の容積をもって掘削され雨水等の水を貯留する浸透升を有し、上記地中熱交換器として上記冷媒が流される熱交換パイプを上記浸透升の底面に沿って配設したことを特徴とする地中熱交換装置。 It has a geothermal heat exchanger that exchanges heat between a refrigerant and water stored underground, and uses the refrigerant heat-exchanged in the geothermal heat exchanger to connect the refrigerant to a predetermined heat pump device. In underground heat exchange equipment that further exchanges heat,
A permeation tank is excavated from the ground surface with a predetermined volume to store water such as rainwater, and a heat exchange pipe through which the refrigerant is flowed as the underground heat exchanger is arranged along the bottom of the permeation tank. A geothermal heat exchange device featuring:
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