JP3219819U - 地中熱利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】電気ヒートポンプ式エアコンを変更・改造することなくそのまま利用し、簡易な構成によりエネルギー消費効率ＣＯＰを改善する地中熱利用システムを提供する。【解決手段】地中熱利用システムは、エアコン室内機１と、エアコン室内機に冷媒配管２を介して接続されたエアコン室外機３と、エアコン室外機の外気吸入口２ａ側に密接して取り付けられエアコン室外機の運転により吸入される外気の温度を調節する地中熱利用の外気温度調節用熱交換器４と、を備え、エアコン室外機が吸引する外気温度を変えることで、省電力化を実現する。外気温度調節用熱交換器４は、サーペンタイン状に折り曲げ加工された冷媒管４ａと、冷媒管に取り付けられた熱交換促進用のフィン４ｂとを備え、冷媒と外気の間の熱交換を行う。外気温調節用熱交換器には、井戸５の地下水で冷却または加温された地下水温度相当の冷媒を流す地下水温度利用熱交換器８が接続される。【選択図】図１

Description

本考案は、外気温度調節用熱交換器を備えた地中熱利用システムに関する。

従来より、電気ヒートポンプ式エアコンと地下水を利用した地中熱利用エアコンが知られている。電気ヒートポンプ式エアコンは、基準外気温度を外れると、エアコンのエネルギー消費効率ＣＯＰが悪化する。一般的に電気ヒートポンプ式エアコンの性能表示の基準外気温度は、冷房時は２７℃、暖房時は７℃なので、ＣＯＰの最大値がこの温度近傍となるよう設計されている。従って、電気ヒートポンプ式エアコンは、基準外気温度を外れると、エアコンのエネルギー消費効率ＣＯＰが悪化する。外気温度が３０℃を越える夏日や０℃以下の日にはＣＯＰは大幅に悪化する。

一方、地中熱利用エアコンの場合、外気に代えて、外気温度に関係なくほぼ一定の
地中温度（地下水温度）１５〜１８℃を利用するので、猛暑日や厳寒日でも変わることなく最大効率相当のＣＯＰで運転できる。そのため、外気温度を使う電気ヒートポンプ式エアコンに比べて大幅に消費電力を節減することができる。年間で３０〜４０％の節減が報告されている。

特許文献１には、地下水を熱源とした熱交換器及び冷房システムが記載されている。特許文献２には、地下水を熱源としたヒートポンプ式冷暖房システムが記載されている。

特開２０１４−２０２３６４号公報 特開２０１４−１１５０１６号公報

本考案は、電気ヒートポンプ式エアコンを変更・改造することなくそのまま利用し、簡易な構成によりＣＯＰを改善することを目的とする。

上述の課題に鑑み、本考案による地中熱利用システムは、エアコン室内機と、エアコン室内に接続されたエアコン室外機と、エアコン室外機の外気吸入口側に密接して取り付けられエアコン室外機の運転により吸入される外気の温度を調節する外気温度調節用熱交換器と、を備えることを特徴とする。

本考案によれば、新設・既設の電気ヒートポンプ式エアコンを変更・改造することなく、外気温度調節用熱交換器をエアコン室外機の外気吸入口側に密接して取り付け、エアコン室外機が吸引する外気温度を変えることで、エネルギー消費効率ＣＯＰを大きく改善し、省電力化を実現することができる。

本考案の実施形態におけるヒートポンプ式エアコンを示す図である。 室外機に外気温度調節用熱交換器を取り付けた状態を示す図である。 冷房運転におけるＣＯＰと外気温度の関係を示す図である。 暖房運転におけるＣＯＰと外気温度の関係を示す図である。 地中温度利用熱交換部の構成例を示す図である。 地中温度利用熱交換部の他の構成例を示す図である。

次に、本考案の地中熱利用システムの一実施形態としてヒートポンプ式エアコンを図１及び図２に基づいて説明する。このヒートポンプ式エアコンは、エアコン室内機１と、このエアコン室内１に冷媒配管２を介して接続されたエアコン室外機３と、このエアコン室外機３の外気吸入口２ａ側に密接して取り付けられエアコン室外機２のファン２ｂの運転により吸入される外気の温度を調節する外気温度調節用熱交換器４と、を備え、エアコン室外機３が吸引する外気温度を変えることで、エネルギー消費効率ＣＯＰを大きく改善し、省電力化を実現するものである。

外気温度調節用熱交換器４は、例えばサーペンタイン状に折り曲げ加工された冷媒管４ａと、この冷媒管４ａに取り付けられた熱交換促進用のフィン４ｂとを備え、冷媒と外気の間の熱交換を行う。

地中熱を利用する場合、このヒートポンプ式エアコンは外気温調節用熱交換器４の冷媒管４ａに地下水で冷却または加温された地下水温度相当の冷媒（水または不凍液）を流す地下水温度利用熱交換部１００を備える。もしくは後述するように、地下水温度利用熱交換部１００に代えて、外気温調節用熱交換器４の冷媒管４ａに地中熱で冷却または加温された地中温度相当の冷媒（水または不凍液）を流す地中温度利用熱交換部２００を備える。

以下で、地下水温度利用熱交換部１００の具体的な構成を図１に基づいて説明する。この地下水温度利用熱交換部１００は、地表に掘削された井戸５から井戸ポンプ６を介して汲み上げた地下水が流通する地下水通路（例えば、地下水配管）７と、地下水入口８ａ及び地下水出口８ｂを有し、地下水通路７から地下水入口８ａを介して流入する地下水を熱源として利用した地下水利用熱交換器８と、を備える。

この地下水利用熱交換器８は、水槽９、複数の下仕切板１０、複数の上仕切板１１、冷媒（水または不凍液）が流通する伝熱管１２を含んで構成される。地下水利用熱交換器８の地下水入口８ａ及び地下水出口８ｂは水槽９の側壁に設けられている。

複数の上仕切板１１は、水槽９内で流水方向に並設され、それらの下端が水槽９の底より高い位置に保持されている。複数の下仕切板１０は、複数の上仕切板１１と交互に配置され、それらの下端が水槽９の底に接触するように保持されている。この場合、地下水の蛇行通路を形成するために、複数の下仕切板１０の上端は、複数の上仕切板１１の上端によりも低くなっている。水槽９の上面は開放されており、複数の下仕切板１０及び複数の上仕切板１１は保持ガイドによって着脱自在に保持されている。

伝熱管１２は、水槽９内で流水方向に対して対向流を構成するように併設されて
おり、複数の下仕切板１０と複数の上仕切板１１の間に挿入され、複数の下仕切板１０と複数の上仕切板１１を上下に蛇行するようにサーペンタイン状に折り曲げ加工されている。

地下水入口８ａから水槽９内に流入した地下水は、一番端に配置された上仕切板１１に当たって、上仕切板１１の下方に回り込み、上昇し、隣の下仕切板１０の上端に回り込んで下降する。つまり、地下水は、水槽９の伝熱管１２に沿って上下に蛇行しながら流れ、地下水出口８ｂから排出管１３を介して排水溝１４に排出される。

これにより、伝熱管１２の伝熱面積（外周面積）を確保して、水槽９内の地下水と伝熱管１２内を流れる対向流の冷媒との間の熱交換が促進される。伝熱管１２の両端はそれぞれ中継冷媒管１５の両端に接続される。冷媒管１５は外気温度調節用熱交換器４の冷媒管４ａに接続され、伝熱管１２、及び冷媒管４ａ及び中継冷媒管１５は１つの冷媒循環路を形成している。また、この冷媒循環路に冷媒を循環させるための循環ポンプ１６が設けられている。さらに、冷媒管１５には膨張タンク１７が接続されている。

浅層地下水の温度は１５〜１８℃であり、この地下水を利用した地下水利用熱交換器７で循環冷媒を冷却または加温し、外気温調節用熱交換器４を流れる循環冷媒はエアコン室外機３が吸引する外気温度を下げ、または上げる。このように外気温度を変えることで、エアコンのエネルギー消費効率ＣＯＰは大きく改善され、低電力化が可能になる。

次に、上述の外気温度調節用熱交換器４及び地下水温度利用熱交換部１００を備えたヒートポンプ式エアコンの機能と効果を具体例で説明する。

（１）冷房運転の場合
外気温度Ｔ_０が３５℃とすると、外気温度調節用熱交換器４はエアコン室外機３が吸引する外気温度を２５℃に冷却する。このときの各部の温度は以下の通りである。
・地下水温度Ｔ_１ １７℃
・排水温度Ｔ_２ ２１℃
・循環冷媒（往き）温度Ｔ_３ ２２℃
・循環冷媒（戻り）温度Ｔ_４ ２８℃
・外気温度Ｔ_０ ３５℃
・冷却後外気温度Ｔ_Ｘ ２５℃
すると、図３に示すように、ＣＯＰは５．０から５．９に改善される。これは、基準外気温度の２７℃におけるＣＯＰよりも良好な数値である。

（２）暖房運転の場合
外気温度Ｔ_０が０℃とすると、外気温度調節用熱交換器４はエアコン室外機３が吸引する外気温度を１０℃に加温する。このときの各部の温度は以下の通りである。
・地下水温度Ｔ_１ １７℃
・排水温度Ｔ_２ １３℃
・循環冷媒（往き）温度Ｔ_３ １３℃
・循環冷媒（戻り）温度Ｔ_４ ９℃
・外気温度Ｔ_０ ０℃
・加温後外気温度Ｔ_Ｘ １０℃
すると、図４に示すように、ＣＯＰは２．５から５．８に改善される。これは、基準外気温度７℃におけるＣＯＰよりも良好な数値である。
次に、地中温度利用熱交換部２００の構成例を図５及び図６に基づいて説明する。

図５に示すように、地中温度利用熱交換部２００は、地中に深さ約５０〜１００ｍの採熱孔（ボアホール）２０を掘削し、この採熱孔２０に地中伝熱管２１を孔底で折り返すように埋め込む。そして、地中伝熱管２１の両端を中継冷媒管１５の両端に接続し、外気温調節用熱交換器４の冷媒管４ａに地中熱で冷却または加温された地中温度相当の冷媒（水または不凍液）を流すようにしたものである。

また、図６に示すように、浅層地下水の井戸２２を掘削し、地中伝熱管２１は螺旋状またはサーペンタイン状に折り曲げ加工して井戸２２の地下水中に水没させ、地中伝熱管２１の伝熱面積（外周面積）を確保して、地下水による地中熱により冷媒の冷却または加温を促進することができる。

なお、本考案はヒートポンプ式エアコンに限らず、地中熱を利用する他の方式の冷暖房システムに広く適用することができる。

１ エアコン室内機
２ 冷媒配管
３ エアコン室外機
４ 外気温調節用熱交換器
４ａ 冷媒管
４ｂ 熱交換促進用のフィン
５ 井戸
６ 井戸ポンプ
７ 地下水通路
８ 地下水利用熱交換器
８ａ 地下水入口
８ｂ 地下水出口８ｂ
９ 水槽
１０ 下仕切板
１１ 上仕切板
１２ 伝熱管
１３ 排出管
１４ 排水溝
１５ 中継冷媒管
１６ 循環ポンプ
１７ 膨張タンク
２０ 採熱孔 （ボアホール）
２１ 採熱用 熱交換器
２２ 浅層地下水の井戸
１００ 地下水温度利用熱交換部
２００ 地中温度利用熱交換部

Claims (3)

1. エアコン室内機と、
   前記エアコン室内に接続されたエアコン室外機と、
   前記エアコン室外機の外気吸入口側に密接して取り付けられ前記エアコン室外機の運転により吸入される外気の温度を調節する外気温度調節用熱交換器と、を備えることを特徴とする地中熱利用システム。
2. 前記外気温調節用熱交換器に地下水で冷却または加温された地下水温度相当の冷媒を流す地下水温度利用熱交換部を備えることを特徴とする請求項１に記載の地中熱利用システム。
3. 前記外気温調節用熱交換器に地中熱で冷却または加温された地中温度相当の冷媒を流す地中温度利用熱交換部を備えることを特徴とする請求項１に記載の地中熱利用システム。

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