JP2988905B2

JP2988905B2 - 土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP2988905B2
Application number: JP10127837A
Authority: JP
Inventors: 俊之日野
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 1999-12-13
Anticipated expiration: 2018-05-11
Also published as: JPH11325649A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は土壌熱源氷蓄熱ヒー
トポンプ装置に関し、とくに氷蓄熱の冷水を利用して土
壌熱吸収能力を高め、且つ暖房高負荷時の冷凍サイクル
吸熱を一時的に製氷でまかなうことにより小型化した土
壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ヒートポンプの熱源としては、手近で豊
富にあり且つ熱交換器が安価である等の理由から、通常
は大気熱源（空気熱源）が利用されている。しかし寒冷
地では季節により大気温度が非常に低温となるため、大
気熱源ヒートポンプの暖房能力が低下する等の問題があ
る。

【０００３】他方、地中温度は大気温度に比し安定して
いる。例えば10ｍより深い地中の温度は季節変化による
影響が非常に小さく、年間を通じてその土地の年間平均
気温程度に維持されることが知られている（例えば東京
周辺では約15℃、札幌では10℃前後）。そのため大地の
保有する熱（以下、土壌熱という。）は、ヒートポンプ
の熱源として望ましい特性を備えている。また、地下水
があれば熱交換性能が改善され、地下水の流れがない場
合には、年間蓄熱の効果も期待できるとされている。

【０００４】この地熱を、ヒートポンプによって汲み上
げて暖房などの加熱源にする技術は土壌熱源ヒートポン
プと呼ばれ、我が国でも北海道など空気熱源ヒートポン
プが使えない寒冷地を中心にして研究開発が行なわれ、
欧米では実用化が進みつつある。

【０００５】図７及び図８は、土壌熱との熱交換のため
地中に埋設した採熱管（以下、地中熱交換器ということ
がある。）31を有する土壌熱源ヒートポンプ30を例示す
る。採熱管31の一例は、図９に示すように、同心二重円
筒管構造とした内管32と外管33とを有し且つ内管32及び
外管33をそれぞれ入口34及び出口35に連通させたもので
ある。外管33は例えば炭素鋼製であり、回転圧入方式又
は穿孔掘削方式により地中に埋設される。内管32は例え
ば樹脂製又は鋼製とすることができ、埋設後の外管33内
に挿入される。

【０００６】図７はヒートポンプの冷媒を採熱管31へ直
接循環させる直膨方式の土壌熱源ヒートポンプシステム
30を示し、図８は採熱管31に採熱流体として不凍液を循
環させ且つその不凍液とヒートポンプの冷媒との熱交換
器39を設けたグランドカップル方式の土壌熱源ヒートポ
ンプシステム30を示す。不凍液は冷媒よりも扱い易く、
かつ０℃以下でも凍結しないため採熱能力は高い。ま
た、熱交換能力は劣るが、不凍液の替わりに冷水を採熱
流体として採熱管31に循環させる方式もある。

【０００７】また、地下水を汲み上げて熱源（採熱と放
熱）とする技術もあり、これは井水熱源ヒートポンプと
呼ばれる。熱交換後の井水は放流する場合と、地盤沈下
防止等のため還元井へ戻す場合がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来の土壌熱源
ヒートポンプ及び井水熱源ヒートポンプには、以下のよ
うな問題点がある。

【０００９】（１）グランドカップル方式で不凍液にエ
チレングリコール水溶液等を用いる場合は、採熱管が破
損して不凍液が漏れた場合に土壌や地下水の汚染のおそ
れがある。直膨方式であっても、漏れた場合は冷媒や潤
滑油による土壌汚染が生ずる。

【００１０】（２）不凍液や冷媒を循環する場合は、氷
点下になることもあるので、地中熱交換器に接する土の
中の水分が凍る（凍上する）ことがあり、建物等の構造
体に悪影響を及ぼすことがある。

【００１１】（３）上述した環境汚染や凍上の問題を避
けるため、採熱流体に冷水を使う場合は、冷凍機の凍結
防止の観点から採熱管内の水温としては４〜５℃が下限
であり、土との熱交換温度差を大きくとれないため、採
熱管長を増やす必要がある。しかし、採熱管の埋設工事
に係るイニシャルコストが高いため、採熱管は短いこと
が望ましい。

【００１２】（４）採熱管を放熱器にすれば冷房運転が
可能であるが、夜間電力を利用できないため、最近の大
きな課題である電力負荷の平準化に対応できない。

【００１３】（５）井水熱源ヒートポンプにあっては、
地下水温度が低かったり、汲み上げ量が少ない場合は、
冷媒蒸発器の水側に凍結のおそれが生ずる。また前項
（４）の場合と同様に、従来の井水熱源ヒートポンプで
は、冷房時の電力負荷の平準化ができない。

【００１４】そこで本発明の目的は、土壌熱の採熱流体
及び蓄冷体（冷熱を蓄積する媒体）を無公害の水とし且
つ地中熱交換器の小型化と共に駆動動力の平準化を可能
にした土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置を提供すること
にある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記目的達成のため、本
発明者は、次の諸点に注目した。

【００１６】（ア）先ず、土壌熱源における不凍液や冷
媒の漏れに起因する公害は、土壌熱採熱流体に水を使え
ば解決できること。

【００１７】（イ）次に、その採熱流体に水を使えば凍
上は起こり得ないこと。

【００１８】（ウ）冷媒蒸発器が製氷用であれば凍結破
損の恐れはなく、また氷を融かした冷水は限りなく０℃
に近いため、土壌熱交換器の吸熱能力を高めることがで
きる。

【００１９】（エ）また、夜間電力の利用は、冷房期が
重要であるが、暖房で土壌熱の集熱に利用した氷蓄熱
が、配管の切り替えで冷房へ容易に転用できること。

【００２０】（オ）さらに、土壌熱源における採熱管の
大型化の問題、及び井水熱源ヒートポンプ冷媒蒸発器の
凍結の問題は、前記暖房高負荷時の蓄熱水の氷結による
土壌熱源に対するピーク負荷の低減によって解決できる
こと。

【００２１】図１及び図２の実施例を参照するに、本発
明の土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置１は、冷熱を氷と
して蓄える蓄冷槽２とこれを冷却する冷凍サイクル５と
を有する氷蓄熱ヒートポンプ装置において、前記冷凍サ
イクル５の冷媒凝縮の冷媒温熱と熱的に結合した高温流
路18、前記蓄冷槽２内の水４の冷熱と熱的に結合した低
温流路21、及び前記低温流路21を地中熱交換器24へ熱的
に結合して前記冷熱との熱交換により土壌熱源Ｇから採
熱する土壌熱結合手段を備え、前記高温流路18を空調負
荷15に接続し該空調負荷15の熱負荷が前記土壌熱源Ｇか
らの熱量を超える時に前記蓄冷槽２で氷結させて前記土
壌熱源Ｇからの採熱を補い且つ空調負荷15の熱負荷が土
壌熱源Ｇからの熱量以下の時に蓄冷槽２の氷を融解する
ことにより前記地中熱交換器24の容量を抑制してなるも
のである。図１の実施例において前記土壌熱結合手段
は、低温流路21と結合した冷水熱交換器20、土壌熱用循
環ポンプ28、及び土壌熱伝達路25からなる。図３に示す
他の実施例では、高温流路18を土壌熱源Ｇへ結合する。

【００２２】ここに、冷凍サイクルは、冷媒の蒸発―圧
縮―凝縮―膨張の四つの状態変化を繰り返すサイクルを
いう。冷凍サイクルを実施する装置は、例えば冷凍機で
あって冷媒蒸発器12、冷媒圧縮機８、冷媒凝縮器９、及
び膨張弁10を含む。

【００２３】また、冷媒蒸発器は必ずしも蓄冷槽の中に
置かなくてもよい。たとえば製氷コイルへ不凍液を循環
する方式や、蓄冷槽外部で流動性の氷を作り、蓄冷槽へ
貯める方式なども適用できる。

【００２４】本発明の土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置
１を用いる暖房方式によれば、温熱需要の変動は製氷量
によって吸収することができる。すなわち朝の暖房立ち
上げ時のように負荷が大きい場合は、土壌熱による融解
量以上に製氷を行うので貯氷量は増加する。一方、温暖
日の昼間のように暖房負荷すなわち温熱需要が小さいと
きは、土壌熱による融解が勝るため貯氷量は減少する。
そして蓄冷槽内の氷が無くなることもある。

【００２５】なお、最近の建物では冬期でも日中に冷房
が必要になることもあるが、この場合は蓄冷槽の冷熱を
冷房に供することも可能である。

【００２６】図１及び図３に図示する本発明による土壌
熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置１の他の実施例は、蓄冷槽
２内の水を氷結まで冷却できる冷媒蒸発器12付き冷凍サ
イクル５を有する氷蓄熱ヒートポンプ装置であって、冷
凍サイクル５の圧縮機８の出口冷媒の温熱を土壌熱源Ｇ
に排熱するため土壌熱源Ｇに連通する高温流路18aへ熱
的に結合した冷凍サイクル５の冷媒凝縮器９、及び蓄冷
槽２内の水４と熱的に結合されて該水４の冷熱を外部へ
伝熱する低温流路21を備えてなるものである。この実施
例は、冷房装置として作用する。

【００２７】図１〜図３の実施例において、負荷14を、
空調器15を介し冷媒凝縮器９へ結合するか又は蓄冷槽２
の水４若しくは冷水熱交換器20へ熱的に結合したものと
して示したが、空調器15及び負荷14は本発明の構成要件
ではなく、土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置の出力が動
作時に負荷14へ熱的に結合されていれば足りる。

【００２８】又、これらの実施例の土壌熱源Ｇと冷媒凝
縮器９又は冷水熱交換器20との間の熱的結合は、地中熱
交換器24、土壌熱伝達路25及び土壌熱用循環ポンプ28か
らなり、土壌熱を熱媒としての水に与えその水を循環さ
せることにより熱的結合を実現している。地中熱交換器
24には、垂直管、水平管、斜管などがあり、また建物の
基礎に埋め込む樹脂配管等があるが、本発明ではこれら
の何れをも適宜に適用できるものである。また地中熱交
換器24は、地中からの採熱だけでなく、地中への放熱を
も行なうものである。

【００２９】本発明外の井水熱源ヒートポンプの場合
は、地中熱交換器24がなく、汲み上げ水をそのまま用い
ることになる（図示せず）。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、図２及び図３を参照して、
土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置１による暖房運転時及
び冷房運転時の作用を説明する。

【００３１】［暖房運転］図２（Ａ）は暖房運転時にお
ける土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置１の配管を示し、
図２（Ｂ）は暖房運転時の熱の流れを表す。図２を参照
するに、暖房運転時には、冷凍サイクル５の冷媒蒸発器
12側の冷媒蒸発で水を冷却して製氷することにより、冷
媒凝縮器９側の冷媒凝縮に伴う温熱の取り出しが可能に
なり、取り出した温熱で例えば35〜50℃の温水を作り、
空調器用冷温水循環ポンプ16により空調器15へ温水を循
環させる。

【００３２】本発明においては、蓄冷槽２を設け、冷媒
蒸発器12を蓄冷槽２内の水４に接触させて設けること、
及び暖房運転時に単なる水４の冷却をするのではなく必
要に応じ氷結させることが重要である。

【００３３】また、図２（Ａ）において、冷媒凝縮器９
は、冷凍サイクル５の冷媒の凝縮と共に空調機15への温
水を作るための温水熱交換器としても作用している。

【００３４】図示例の高温流路18は、冷媒凝縮器９と空
調機15との間における温水の循環路として機能する。ま
た空調器15は、例えば温風熱交換器又は床暖房装置など
とすることができる。

【００３５】暖房運転を継続すると蓄冷槽２内の氷が増
加する。蓄冷槽２の水が全て氷になると製氷の継続が不
可能となるので、暖房運転の継続のためには冷水熱交換
器20を介して氷を溶かす必要がある。図２（Ａ）の実施
例では蓄冷槽２を、この場合水循環ポンプ22付き水循環
路である低温流路21により冷水熱交換器20へ接続してい
る。この冷水熱交換器20は、ヒートポンプ熱源としての
土壌熱源Ｇに接続されている。冷水循環ポンプ22により
蓄冷槽２内の水を冷水熱交換器20を通して循環させ、例
えば約２℃で蓄冷槽２から送り出し、冷水熱交換器20で
土壌熱を得て約７℃で蓄冷槽２へ戻せば、蓄冷槽２内の
氷を融かすことができる。

【００３６】本発明の土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置
１は蓄冷槽２を有するので、例えば土壌熱用循環ポンプ
28を終日運転することにより、蓄冷槽２の氷を一日かけ
てゆっくり融かすことができる。暖房負荷が大きな時
は、熱負荷の大きさに応じて急速に氷が作られる。すな
わち蓄冷槽２は熱的なバッファとして働くことになる。
このバッファ機能のため、暖房高負荷時における冷凍サ
イクル５の冷媒蒸発器12側の氷結を蓄冷槽２内に局限
し、地中熱交換器24へ広がるのを防ぎ、凍上を完全に防
止することができる。

【００３７】土壌熱が十分に得られるか、又は暖房負荷
が小さい場合は、蓄冷槽２の氷が溶け切った状態となり
得る。この場合は冷媒循環路６により無理に氷を作る必
要はなく、蓄冷槽２内の水を冷やす運転により暖房運転
を継続することができる。この場合は、蓄冷槽２は冷水
蓄冷槽として働くことになる。

【００３８】なお、図２（Ａ）に高温流路18で示す空調
器用循環水の系統に、暖房用の蓄熱設備や適当な躯体蓄
熱設備等の付加的蓄熱設備を設けることにより、それら
付加的蓄熱設備の運転を夜間主体にすることが可能であ
る。又、暖房高負荷時に溜まった蓄冷槽２の氷を、電力
料が低い夜間の運転で水にしておくことも可能である。
これらにより、暖房時でも安価な夜間電力の利用を図る
ことができる。

【００３９】［冷房運転］図３（Ａ）は冷房運転時にお
ける土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置１の配管を示し、
図３（Ｂ）は冷房運転時の熱の流れを表す。

【００４０】本発明では蓄冷槽2を設けるので、冷房高
負荷時にその高負荷に等しい冷熱を冷凍サイクル５の冷
媒蒸発器12に発生させる必要はなく、冷房低負荷時、主
に夜間に冷凍サイクル５を稼動し、安価な夜間電力を利
用して蓄冷槽２内に氷を作っておき、冷房高負荷時にそ
の氷から冷熱を冷水熱交換器20経由で空調器15及び負荷
14へ供給することができる。よって、動力や使用電力の
平準化だけでなく、冷凍サイクル５及び土壌熱源氷蓄熱
ヒートポンプ装置１の小型化を図ることができる。この
際、冷媒凝縮器９からの排熱により土壌熱の採熱流体を
加熱し、加熱した採熱流体を土壌熱伝達路25経由で地中
熱交換器24へ送り放熱する。例えば土壌熱の採熱流体を
水とし、地中温度を15℃程度とした場合は、冷媒凝縮器
９から土壌熱伝達路25へ約30℃で送り出した温水を約25
℃として回収することが期待できる。

【００４１】蓄冷槽２に蓄えた冷熱は、冷水熱交換器20
及び冷水流路19を介して空調器15へ送られる。例えば冷
水熱交換器20から冷水流路19へ約２℃で送り出した冷水
を約10℃として回収することが期待できる。

【００４２】冷房負荷の大きい真夏には、蓄冷槽２への
夜間の製氷量だけでは不足することも考えられる。その
場合は、昼間においても冷凍サイクル５を稼動して追い
かけ運転を行うことができる。すなわち冷房負荷の大き
いときは、地中熱交換器24を介して昼夜にわたり放熱が
行われる。すなわち放熱運転が昼間に限定される図６、
図７の土壌熱源ヒートポンプ30に比し、地中熱交換器24
の小型化をも図ることができる。

【００４３】しかも、地中熱交換器24における採熱流体
として水を使うので、公害のおそれがない。

【００４４】こうして本発明の目的である「土壌熱の採
熱流体及び蓄冷体を無公害の水とし且つ地中熱交換器の
小型化と共に駆動動力の平準化を可能にした土壌熱源氷
蓄熱ヒートポンプ装置の提供」を達成できる。

【００４５】

【実施例】図１に示す土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置
１の実施例には、土壌熱源Ｇを、蓄冷槽２に到る低温流
路21と冷媒凝縮器９に到る高温流路18aとの何れかへ選
択的に接続する土壌熱源切替弁V1、V2、V5、V6を設け
る。さらに、負荷14側の空調器15を、冷媒凝縮器９に到
る高温流路18と蓄冷槽２に到る低温流路21との何れかへ
選択的に接続する負荷切替弁V3、V4、V7、V8を設ける。
同図の切替弁V1、V2、V3、V4が冷水熱交換器20を介して
低温流路21へ接続されており、冷熱の伝達先を選択する
ので冷熱切替弁と呼ぶことも可能である。ただし、冷水
熱交換器20は省略することができる。また、切替弁V5、
V6、V7、V8は、冷媒凝縮器９の温熱の伝達先を選択する
ので温熱切替弁と呼ぶことも可能である。

【００４６】図１では、土壌熱交換器24から冷熱切替弁
V1、V2を介して冷水熱交換器20に到る土壌熱採熱流体の
流路を土壌熱伝達路25とし、その土壌熱伝達路25から分
岐し温熱切替弁V5、V6を介して冷媒凝縮器９に到る冷房
時高温流路18aを設けている。運転に際し、上記弁V1、V
2、V5、V6の切替により、冷水熱交換器20と冷媒凝縮器
９との何れか一方のみが土壌熱交換器24に結合される。

【００４７】ただし本発明の土壌熱源氷蓄熱ヒートポン
プ装置１は土壌熱交換器24を必須とするものではない。
例えば土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置１に井戸（図示
せず）を含め、井戸から汲み上げた地下水の冷水熱交換
器20又は冷媒凝縮器９への給水路を土壌熱伝達路25とす
ることができ、この場合は土壌熱交換器24を省略するこ
とができる。

【００４８】また図１の冷媒循環路６及び蓄冷槽２は、
冷媒直膨式スタティック製氷システムの氷蓄冷槽を示
す。すなわち凝縮した冷媒液を膨張弁10経由で蓄冷槽２
内の冷媒蒸発器12である製氷熱交換器へ直接送り込む方
式の直膨式により蓄冷槽２内の水から熱を奪い、製氷熱
交換器上に氷を成長させるスタティック製氷のものであ
る。

【００４９】ただし蓄冷槽２は図１の製氷システムに限
定されない。例えば直膨式に替えて不凍液等の二次冷媒
を循環させる不凍液循環式とすることができ、またスタ
ティック製氷に替えて連続的又は定期的に氷を除去する
ダイナミック製氷とすることができる。

【００５０】氷蓄冷槽は冷水蓄冷槽に比し蓄冷槽の容量
を５分の１以下にすることができるので、氷蓄冷槽の利
用により本発明装置の適用範囲が広がる。また後述する
ように、冷水蓄熱に比し氷蓄熱によれば冷水熱交換器20
における土壌熱の採熱流体の温度を一層下げることがで
きるので、土壌熱交換器24の熱交換能力が上がるという
効果がある。但し本発明の蓄冷槽２は氷蓄冷槽に限定さ
れず、冷水蓄冷槽とすることができる。

【００５１】図４の実施例は、土壌熱源に適合した冷凍
サイクル50の冷媒、例えば図１及び２を参照して前述し
た蓄冷槽２冷却用の冷熱を持つ冷媒又は凝縮温熱を持つ
冷媒を、図１の空調器15のような室内ユニット44へ直接
に循環させるシステムを示す。これはパッケージ式の氷
蓄熱ヒートポンプエアコン（１台の従来の氷蓄熱冷凍サ
イクル５に、１ないし２台の室内ユニット44が接続する
もの）や氷蓄熱方式ビル用マルチエアコン（１台の室外
型の氷蓄熱冷凍サイクル５を複数の室内ユニット44へ特
別の分岐部（図示せず）付き配管により接続するもの）
と類似している。こうした直膨式空調器では、室内に水
を循環しないので漏水による室内汚損の恐れがなく、熱
搬送動力も小さい。また量産化されているので製造費が
安価になる利点もある。そして本発明の要点は、土壌熱
を利用する部分に限定する。

【００５２】図４の冷凍サイクル50の圧縮機ユニット
（図示せず）内部には、圧縮機に加えて冷媒配管切替弁
その他が内蔵されるが、これは製氷方式や氷蓄熱槽（図
示せず）からの冷熱取り出し法によって異なるものであ
る。例えば製氷方式が直膨スタティック製氷であれば、
冷媒配管切替弁程度であるが、ダイナミック製氷であれ
ば圧縮機ユニット内部に製氷器を内蔵する代わりに、氷
蓄熱槽内部には製氷コイルは不要である。

【００５３】また冷熱取り出し法によっても、冷媒液の
過冷却方式であれば冷媒配管切替弁程度であるが、冷媒
液ポンプ方式や冷媒ガスポンプ方式であれば圧縮機ユニ
ット内部に冷媒液ポンプや冷媒ガスポンプを内蔵する必
要がある。

【００５４】また図４では、冷媒凝縮器の機能を示すた
めに圧縮機ユニットとは別になっているが、両者は一体
化されて室外ユニットと呼ばれ、氷蓄熱と並べて屋外に
設置されるのが普通である。

【００５５】但しこうした技術的な詳細やバリエーショ
ンが本発明の目的ではなく、要は土壌熱を氷蓄熱を介し
て吸熱するという簡単な構造によって、暖房または給湯
等の効果的な加熱手段を実現することである。そして冷
房・冷蔵等の冷却運転では、同じ氷蓄熱槽を用いて、そ
のまま氷蓄熱システムとして機能させることができる。
冷却運転では、冷媒凝縮器の排熱を土壌へ放熱すること
になる。

【００５６】図５は、本発明における蓄冷槽２として直
接接触式氷蓄熱システムを用いた実施例を示す。直接接
触式氷蓄熱システムとは、難水溶性の冷媒液と水とを直
接接触させ且つ冷媒を蒸発させることにより水を冷却
し、さらには氷をつくり、蒸発後の冷媒を再び液化する
冷凍サイクルを利用した氷蓄熱システムである。

【００５７】従来の製氷技術では構造が複雑で冷媒蒸発
温度も−10℃と低いものが多く、本発明の効果を十分に
生かすことが難しい面を持つが、水と冷媒の直接接触製
氷式の氷蓄熱システムを用いれば、構造が簡単であり、
製氷時の熱交換効率が良好であるため製氷時の冷媒蒸発
温度を−３℃程度で運転効率も高いため、本発明には特
に適したものである。

【００５８】一方、冷媒直接接触製氷式の氷蓄熱システ
ム単独では暖房機能を実現できない欠点を有するが、本
発明の土壌を熱源とするシステムにより暖房機能が容易
に実現できることになる。

【００５９】ただし、冷媒直接接触製氷式の氷蓄熱シス
テムは、未だ実用化の進んだ技術ではない。そこで、こ
こでは冷媒直接接触製氷式の氷蓄熱システムの一例とし
て、特に同一発明者による特許例で説明する。

【００６０】図５を参照して直接接触式氷蓄熱システム
を説明するに、蓄冷槽２には脱気された状態で水と冷媒
が封入されている。冷媒循環路6c側からの冷媒と蓄冷槽
2に連通した水循環路である低温流路21側からの水とを
直接に接触させた冷媒と水との混合液を、ノズル13によ
って、蓄冷槽２の上部空間３へ噴出させる。噴出された
冷媒は水との直接接触下で蒸発し、その蒸発潜熱により
水を冷却するか又は凍結させる。

【００６１】圧縮機８により蓄冷槽２内を減圧すると、
気化した冷媒が蓄冷槽２の上部に接続した冷媒ガス出口
管6aから圧縮機８に吸引される。冷媒はさらに圧縮機８
で圧縮されて高温となり、冷媒凝縮器９で冷やされて液
化する。凝縮器９から温熱を受けた温水は、負荷に連通
した高温流路18と空調器15を介して負荷14へ結合される
か（暖房時）、又は冷房時高温流路18aと土壌熱伝達路2
5を介して土壌熱源Ｇに結合される（冷房時）。凝縮器
９で液化した冷媒液は、ガストラップ11又は膨張弁を通
り、冷媒液管6c経由で冷水戻り管である低温流路21との
合流点へ送られ、上記のように水と混合される。

【００６２】図５では、冷媒蒸発手段として、冷媒液及
び水の各取入れ口と冷媒液及び水の混合液の噴射口とを
有するノズル13を設けている。ノズル13の水取入れ口
は、水循環路である低温流路21の冷水熱交換器20に接続
される。ノズル13の冷媒液取入れ口は、冷媒液管6cに接
続される。ノズル13の噴射口は蓄冷槽２の上方空間３に
臨む。冷媒液と水との混合液はノズル13で減圧され、蓄
冷槽２の上部空間３へ放出される。上部空間３において
冷媒液は水との直接接触下で蒸発し、水を冷やし氷を作
る。蓄冷槽２内が氷で一杯になった場合には、適当なセ
ンサー（図示せず）がこれを検知し、圧縮機８を停止さ
せる。

【００６３】このような直接接触式氷蓄熱システムは、
以下に述べる理由により、本発明の土壌熱源氷蓄熱ヒー
トポンプ装置１の蓄冷槽２との併用に特に適している。

【００６４】（１）コンパクト。氷蓄冷槽２の氷充填率が高く、しかも冷凍サイクル５と
水循環路である低温流路21と蓄氷可能な蓄冷槽２とが一
体化できるので、土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置１の
コンパクト化・小型化を図ることができる。

【００６５】（２）運転性能が高い。冷媒と水との直接接触熱交換は、伝熱壁を有する間接的
な熱交換に比し、製氷時の伝熱性能が高い。また図１の
蓄冷槽２では冷媒蒸発器12に氷が付着すると熱抵抗が増
すのに対し、図５の製氷方式では氷が蓄積しても熱抵抗
が増加しない。従って製氷運転性能を高く維持できる。

【００６６】（３）低コスト。図１の冷媒蒸発器12のような製氷用の熱交換器を必要せ
ず、装置の製造コストを低く押さえることができる。

【００６７】本発明は、図１〜図５に示した実施例に限
定されるものではなく、本発明の技術的範囲内において
各種変更を図示例に加えることが可能である。例えば図
１、図５では、冷水熱交換器20を介さずに、氷が融けた
冷水を直ちに循環させることも可能である。

【００６８】また本発明の土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ
装置１を、暖房だけでなく給湯にも利用すること、冷房
運転時における排熱を地中へ捨てずに給湯に利用するこ
と、冷房のみならず冷蔵などの冷却用途に適用すること
等も可能である。

【００６９】図１〜図５では、地中熱交換器24と氷蓄熱
ヒートポンプ１とが一対一の関係にあるが、これに限定
されるものではない。図６では、一つの地中熱交換器に
対して複数の氷蓄熱ヒートポンプを連結させる例を示
す。

【００７０】大規模な設備では、大型の氷蓄熱ヒートポ
ンプを用いてセントラル空調するよりも小型機を多数台
用いる方が、個別負荷への対応や制御性の面で望ましい
場合がある。また建物の部位により、例えば北側のゾー
ンでは暖房が、南側やインテリアゾーンでは冷房が同時
に必要になることも起こり得るが、図６のように小型の
氷蓄熱ヒートポンプユニット48を分散配置してそれぞれ
を暖房モードと冷房モードで運転すれば対応できるのみ
ならず、冷房の排熱を暖房熱源に用いるといった、所謂
排熱回収効果も実現できることになる。

【００７１】図６における各氷蓄熱ヒートポンプユニッ
ト48は、例えば図１に示すように、氷で冷熱蓄積が可能
な蓄冷槽２の中の蒸発器12で冷媒を蒸発させる冷凍サイ
クル５による氷蓄熱ヒートポンプであって、その冷凍サ
イクル５の冷媒凝縮の冷媒温熱と熱的に結合した高温流
路18、及び蓄冷槽２内の水４と熱的に結合した低温流路
21を有する。図６の場合、土壌熱交換器24を土壌熱源Ｇ
と熱的に結合させ、その土壌熱交換器24に接続した地熱
供給管51と地熱リターン管52とによって土壌熱幹線60を
形成する。土壌熱幹線60は、土壌熱交換器24において土
壌熱源Ｇと熱交換する熱搬送媒体の流路である。各氷蓄
熱ヒートポンプユニット48を、例えばその低温流路21に
おいて土壌熱幹線60に接続することにより、本発明の土
壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置１とする。図中、供給分
岐管51a、ユニット供給管51b、リターン分岐管52a、ユ
ニットリターン管52bは、土壌熱幹線60を各氷蓄熱ヒー
トポンプユニット48へ接続する配管を示す。

【００７２】こうして、複数の氷蓄熱ヒートポンプユニ
ット48と単一の土壌熱幹線60とからな土壌熱源氷蓄熱ヒ
ートポンプシステムが形成される。

【００７３】上記土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプシステム
の氷蓄熱ヒートポンプユニット48における土壌熱幹線60
との接続部位は、低温流路21に限定されず、例えば高温
流路18であってもよく、暖房と冷房の必要に応じて切替
えるようにする。

【００７４】また、図１〜図５の実施例では土壌熱源Ｇ
のみを熱源としているが、本発明はこれに限定されな
い。図６では放熱能力を補助するための放熱手段56とし
ての冷却塔、及び土壌からの吸熱を補助するための加熱
手段55としてのボイラーを備える例を示す。地中熱交換
器は一般に高価であり、また設置条件によっては十分な
熱交換容量を確保できない場合もあるため、こうした補
助的な集放熱源を備えることが合理的な場合もある。

【００７５】白然エネルギー利用が望ましい場合には、
ボイラーに代えて太陽熱集熱器を用いることもできる
（図示せず）。太陽熱集熱器へは氷を融かすための低温
（例えば２〜４℃）の冷水が循環することになるので、
カバーガラスは省略することができる。カバーガラスの
無い集熱器では集熱板が外気と接触することになる。冬
期であっても晴天日の日中の気温が、例えば東京では１
０℃近くまで、上昇するため空気から集熱することも可
能である。

【００７６】カバーガラスの無い集熱器はまた、日射を
受けない条件（例えば夜間）では冷房の放熱器として機
能させることも可能である。このときは、赤外線ふく射
および外気への対流熱交換を併用して放熱することにな
る。

【００７７】また、一般的な空気熱交換器を用いても、
集熱と放熱の機能を実現することができる。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の土壌熱源氷
蓄熱ヒートポンプ装置は、蓄冷槽内の水を氷結まで冷却
できる冷媒蒸発器付き冷凍サイクルを氷蓄熱ヒートポン
プとして用い、さらに前記蓄冷槽内の水と土壌熱源とへ
熱的に結合されて土壌熱源から前記水へ採熱する冷水熱
交換器を用いるので、次の顕著な効果を奏する。

【００７９】（イ）暖房運転において、従来の土壌熱源
ヒートポンプでは、朝の暖房立ち上げが負荷ピークとな
る。この負荷ピーク時に、地中熱交換器での採熱不足や
土壌熱の採熱流体温度の氷点下への低下等の不具合が生
じないように、従来は、地中熱交換器の採熱負荷を、ヒ
ートポンプの最大負荷値に応じた大容量にする必要があ
った。

【００８０】これに対し本発明によれば、氷蓄熱の介在
により、一時的な高暖房負荷に伴う排熱を製氷によって
吸収し、低暖房負荷時にその氷を融かすので、地中熱交
換器を最大暖房負荷に合わせた大容量のものとする必要
がなくなった。さらに地中熱交換器からの熱による解氷
を24時間に分散できるので、昼間のみ暖房するケースで
は、地中熱交換器を最大暖房負荷に応じた容量のものの
半分以下に小型化できる。

【００８１】（ロ）土壌汚染防止の観点から、土壌熱の
採熱流体として冷水を使うことが望ましいが、冷媒蒸発
器における凍結の恐れから、採熱流体としての冷水の温
度を下げられない制限があった。

【００８２】これに対し本発明では、氷蓄熱を用い、そ
の氷の融解水又はこれと熱交換した冷水を土壌熱の採熱
流体として使えるので、その採熱流体の温度を安全に０
℃近くまで下げることができる。例えば２〜４℃の冷水
は容易に得られるため、従来の氷蓄熱を使わない冷水の
場合に比し、本発明では地中熱交換器を数十％程度小さ
くできる。

【００８３】（ハ）氷を融かした冷水は０℃以上である
から、採熱流体が氷点下となるおそれがなく、地盤上の
構造物に凍上などを起こすおそれが全くない。

【００８４】（ニ）冷房運転において、夜間に製氷運転
を行い、昼間に生じ得る冷熱不足を冷凍サイクルの追い
かけ運転で補うケースでは、冷凍サイクル及び地下熱交
換器の容量を従来に比し半減できる。言い換えれば、地
中熱交換器の放熱能力不足を運転時間の延長で補うこと
が可能となる。

【００８５】（ホ）夜間に圧縮機を運転をするため、電
力負荷が平準化され、大幅な夜間割引料金を利用でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明装置の一実施例の説明図である。

【図２】は、本発明の暖房用土壌熱源氷蓄熱ヒートポン
プ装置の説明図である。

【図３】は、本発明の冷房用土壌熱源氷蓄熱ヒートポン
プ装置の説明図である。

【図４】は、本発明装置の他の実施例の説明図である。

【図５】は、直接接触式蓄熱方法を用いた本発明の実施
例の説明図である。

【図６】は、本発明の土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプシス
テムの説明図である。

【図７】は、直膨方式の土壌熱源ヒートポンプの説明図
である。

【図８】は、グランドカップル方式の土壌熱源ヒートポ
ンプの説明図である。

【図９】は、土壌熱源ヒートポンプの採熱管の説明図で
ある。

【符号の説明】

１…土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置２…蓄冷槽３…上部空間４…水５…冷凍サイクル６…冷媒循環路 6a…冷媒ガス出口管 6b…吐出冷媒ガス管 6c…冷媒液管８…冷媒圧縮機９…冷媒凝縮器 10…膨張弁 11…トラップ 12…冷媒蒸発器 13…ノズル 14…負荷 15…空調器 16…空調器用冷温水循環ポンプ 18…高温流路 19…冷水流路 20…冷水熱交換器 21…低温流路 21a…冷水出口管 21b…冷水戻り管 22…冷水循環ポンプ 24…地中熱交換器 25…土壌熱伝達路 28…土壌熱用循環ポンプ 30…土壌熱源ヒートポンプ 31…採熱管 32…内管 33…外管 34…入口 35…出口 36…圧縮機 37…空調器 38…膨張弁 39…熱交換器 40…循環ポンプ 44…室内ユニット 45…配管 48…氷蓄熱ヒートポンプユニット 50…冷凍サイクル装置 51…供給管 52…リターン管 55…加熱手段 56…放熱手段 60…土壌熱幹線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F25B 27/00 F24F 5/00 102 F25B 13/00 351 F25B 30/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】冷熱を氷として蓄える蓄冷槽とこれを冷却
する冷凍サイクルとを有する氷蓄熱ヒートポンプ装置に
おいて、前記冷凍サイクルの冷媒凝縮の冷媒温熱と熱的
に結合した高温流路、前記蓄冷槽内の水の冷熱と熱的に
結合した低温流路、及び前記低温流路を地中熱交換器へ
熱的に結合して前記冷熱との熱交換により土壌熱源から
採熱する土壌熱結合手段を備え、前記高温流路を空調負
荷に接続し該空調負荷の熱負荷が前記土壌熱源からの熱
量を超える時に前記蓄冷槽で氷結させて前記採熱を補い
且つ該空調負荷の熱負荷が前記土壌熱源からの熱量以下
の時に前記蓄冷槽の氷を融解することにより前記地中熱
交換器の容量を抑制してなる土壌熱源氷蓄熱ヒートポン
プ装置。
【請求項２】請求項１のヒートポンプ装置において、前
記低温流路に代えて高温流路を土壌熱源へ熱的に結合す
る土壌熱結合手段を設け、前記低温流路を空調負荷に接
続し、前記蓄冷糟内の冷熱を空調負荷の冷房に用いてな
る土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置。
【請求項３】請求項１又は２のヒートポンプ装置におい
て、前記冷凍サイクルの蒸発器が冷媒液を水との直接接
触下で蒸発させることにより氷が含まれるか又は含まれ
ない冷水を生成し、蒸発後の冷媒蒸気を前記冷凍サイク
ルの圧縮の際に圧縮機に吸引してなる土壌熱源氷蓄熱ヒ
ートポンプ装置。
【請求項４】請求項１、２又は３のヒートポンプ装置に
おいて、前記冷凍サイクルの冷媒蒸発器を、前記冷凍サ
イクルの凝縮後の冷媒液と前記蓄冷槽からの水との各々
に対する取入れ口及び取り入れられた冷媒液と水との混
合液の噴射口を有するノズルとし、前記噴射口を前記蓄
冷槽の上部空間に臨ませると共に前記上部空間に噴射し
た冷媒液を水との直接接触下で蒸発させ、且つ蒸発後の
冷媒を前記冷凍サイクルの圧縮の際に圧縮機に吸引して
なる土壌熱源氷蓄熱ヒートポンプ装置。
【請求項５】冷熱を氷として蓄える蓄冷槽とこれを冷却
する冷凍サイクルとを有する氷蓄熱ヒートポンプ装置に
おいて、前記冷凍サイクルの圧縮用の水冷型冷媒凝縮器
と；暖房運転時における前記冷凍サイクルの凝縮温熱を
持つ冷媒への接続、又は冷房運転時における前記冷凍サ
イクルの冷熱を持つ冷媒への接続の切替えが可能な１個
以上の負荷室内ユニットと；暖房運転では前記蓄冷槽の
冷熱を土壌熱源から採熱する地中熱交換器に熱的に結合
させてこれを集熱源とし、冷房運転では前記凝縮器を土
壌熱源から採熱する地中熱交換器に熱的に結合してこれ
を放熱源とする切り替え機構とを備え、前記暖房運転の
熱負荷が前記土壌熱源からの熱量を超える時に前記蓄冷
槽に氷として蓄冷し、該熱負荷が前記土壌熱源からの熱
量以下の時に前記蓄冷槽の氷を融解することにより前記
地中熱交換器の容量を抑制してなる土壌熱源氷蓄熱ヒー
トポンプ装置。
【請求項６】冷熱を氷として蓄える蓄冷槽とこれを冷却
する冷凍サイクルとを有する氷蓄熱ヒートポンプ装置に
おいて、前記冷凍サイクルの冷媒凝縮の冷媒温熱と熱的
に結合した高温流路、前記蓄冷槽の水の冷熱と熱的に結
合した低温流路、及び暖房運転時に前記高温流路を暖房
負荷へ接続すると共に前記低温流路を土壌熱源へ接続し
且つ冷房運転時に前記高温流路を土壌熱源へ接続すると
共に前記低温流路を冷房負荷へ接続する切替え弁を備
え、前記冷房運転時に前記冷熱により冷房負荷を冷房す
ると共に前記冷媒凝縮の冷媒温熱を土壌熱源へ放熱し、
前記暖房運転時に前記冷熱との熱交換により土壌熱源か
ら集熱した熱を冷凍サイクルにより暖房負荷へ移して暖
房し、前記暖房運転時の熱負荷が前記土壌熱源からの採
熱を超える時に前記蓄冷槽で氷結させて集熱を補い且つ
該熱負荷が前記土壌熱源からの熱量以下の時に前記蓄冷
槽の氷を前記土壌熱源の熱で融解することにより前記地
中熱交換器の容量を抑制してなる土壌熱源氷蓄熱ヒート
ポンプ装置。
【請求項７】それぞれ冷熱を氷として蓄える蓄冷槽とこ
れを冷却する冷凍サイクルを有する氷蓄熱ヒートポンプ
装置であって、該冷凍サイクルの冷媒凝縮の冷媒温熱へ
熱的に結合した高温流路と前記蓄冷槽内の水へ熱的に結
合した低温流路とを有する複数の氷蓄熱ヒートポンプユ
ニット、土壌熱源に接続した熱搬送媒体の往復流路から
なる土壌熱幹線、及び前記ユニットの高温流路又は低温
流路を前記土壌熱幹線に接続する配管系を備えてなる土
壌熱源氷蓄熱ヒートポンプシステム。
【請求項８】請求項７のヒートポンプシステムにおい
て、土壌熱源からの土壌熱幹線を、熱搬送媒体の加熱手
段及び／又は放熱手段に結合してなる土壌熱源氷蓄熱ヒ
ートポンプシステム。
【請求項９】請求項８のヒートポンプシステムにおい
て、前記熱搬送媒体の加熱手段をボイラー又は太陽熱集
熱器とし、前記冷却手段を冷却塔としてなる土壌熱源氷
蓄熱ヒートポンプシステム。
【請求項１０】請求項９のヒートポンプシステムにおい
て、外気と接触する集熱板又は熱交換器を設けてなる土
壌熱源氷蓄熱ヒートポンプシステム。