JP3375474B2 - 地下熱対流層を利用したヒートポンプエアコンディショニングシステム - Google Patents
地下熱対流層を利用したヒートポンプエアコンディショニングシステムInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、地下熱対流層に到
達して掘削された坑井内に熱交換機を配置して、該地下
熱対流層の熱エネルギーを採取して、これを、地上建造
物の冷暖房エネルギーとして供給する地下熱対流層を利
用したヒートポンプエアコンディショニングシステムに
関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、この種の地熱を利用するヒートポ
ンプエアコンディショニングシステムとしては、図９に
示すような、地下水等の地熱を利用して一般住宅や公共
施設等の室内の冷暖房に利用するエアコンディショニン
グシステムが提案されている。図９は、従来の地熱を利
用したエアコンディショニングシステムの概要を示すも
のであり、このシステムは、地面から地下水層１に達し
て穿設した井戸２と、この井戸２に挿入して、地下水層
１より伝導地熱を採取する採熱管３と、採熱管３内を循
環する冷媒４で構成されている。 【０００３】この採熱管３は、室外機５内を循環してお
り、採熱管３の一方は、冷媒を圧縮するためのコンプレ
ッサ７に接続されており、また、該コンプレッサ７には
放熱管１０が接続されている。そして、この放熱管１０
は、室内機９内を循環する。一方、この放熱管１０は、
前記圧縮された冷媒４を減圧する膨張弁８に接続されて
おり、該膨張弁８に接続されるとともに、採熱管３内に
冷媒４を循環させるための循環ポンプ６が施されてい
る。 【０００４】つぎに、この地熱を利用したエアコンディ
ショニングシステムの動作を説明する。まず、井戸２に
挿入された採熱管３内の冷媒４が、循環ポンプ６により
循環する。そして、この冷媒４と、熱源である地下水の
熱伝導により熱交換がなされる。熱変換されて熱を得た
冷媒４は、採熱管３を通じて地上に戻り、室外機５内に
入る。室外機５に入った採熱管３内の冷媒４は、コンプ
レッサ７により圧縮される。コンプレッサ７により圧縮
された冷媒４は高温を得て放熱管１０内を循環する。 【０００５】放熱管ｌ０は、室内機９内を循環し、室内
機９に施されたファン等で高温を得た冷媒４の熱を放熱
させる。このように室内に暖風を送ることで、室内に暖
房を施し、放熱により熱を失った冷媒４は、膨張弁８に
送られ、減圧される。減圧された冷媒４は、採熱管３に
送られ、循環ポンプ６により採熱管３内を循環する。そ
して、上記動作を繰り返すことで室内に暖房効果をもた
らすものである。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような方法では、地下水層で熱伝導により採熱するた
め採熱時間が短く、熱の移動に時間がかかるため、効率
が悪いという欠点があった。このため、熱効率が低く、
暖房として大規模な施設等への供給はできなかった。ま
た、大規模な施設への供給のためには、井戸を多数箇所
に穿設しなければならず、このための工事費用が嵩むこ
とがあった。 【０００７】さらに、熱を採取する地下水層では、地下
水位の変動等という様々な影響を受けるため、その地下
水の水温が一定とならず、暖房設備として安定した熱供
給ができなかった。 【０００８】そこで、本願発明者らは鋭意研究をした結
果、図７に示すように、我国において、熱源となる地下
の対流層は、全国的に分布しており、さらに、深度１０
ｍ強の地点で恒温層となるので、この地下対流層を熱源
として、これを利用して、地上建造物の冷暖房エネルギ
ーとして供給するヒートポンプエアコンディショニング
システムを着想するに至ったものである。なお、図７
は、地学雑誌、Ｖｏｌ．５９、Ｎｏ５７７、１９５０年
（木内四郎兵衛：恒温層深度と温度に関する考察）から
引用したものである。 【０００９】また、一般には、深度５０ｍでの地下水温
度の分布は、図８に示すとおり、関東地区、東海地区、
近畿地区、山陽地区、北九州地区等、比較的人口の多い
地区に、集中して見られる外、東日本の山岳部を縦断し
ていることが知られているので、この地区において、地
下対流恒温層の熱、または、深度５０ｍの熱を熱源とす
るヒートポンプエアコンディショニングシステムが開発
できれば、その運転コストは驚くほど低減でき、また、
省エネルギーシステムとして、際立ったものとなる。な
お、図８は、地質調査所報告、第２１９巻、１９６７年
（高橋 稠：地下水地域調査にみられる水温の総括的研
究）から引用したものである。 【００ｌ０】本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされ
たもので、前記地下の熱対流層に着目し、その地下熱対
流層おける地層内流体の熱対流を利用し、対流する地層
内流体との熱交換効率を、ヒートポンプを利用して、向
上させた地下熱対流層を利用したヒートポンプエアコン
ディショニングシステムを提供することを目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本願発明は、地下熱対流
層に到達して掘削された坑井内に配置され、一層からな
る対流層に対応する坑井内壁間に、熱交換機を覆い、内
部に地層内流体を流動させる流体ガイド機構を備えた坑
井内熱交換機と、前記坑井内熱交換機に接続され、地上
に配置された室外熱交換機と、前記坑井内熱交換機と前
記室外熱交換機の間を循環する循環パイプと、該坑井内
熱交換機と該室外熱交換機の間に配置され、循環パイプ
内の熱交換媒体をパイプ内を循環させる第一のヒートポ
ンプと、空調すべき室内に配置された室内熱交換機と、
該室内熱交換機と前記室外熱交換機との間を循環する他
の循環パイプと、前記室外熱交換機と前記室内熱交換機
との間に配置され、前記他の循環パイプを流れる熱交換
媒体を圧縮し、前記室内熱交換機で熱交換した後は、該
媒体を減圧膨張させる第二のヒートポンプとを備え、前
記室外熱交換機は、前記坑井内熱交換機との間を流れる
熱交換媒体と、前記室内熱交換機との間を流れる熱交換
媒体との間で熱交換を行うようにし、地下熱対流層を利
用することを特徴とするものである。 【００１２】また、前記坑井内熱交換機は、地層内上層
に存在する一の対流層と、その直下の他の対流層との問
に位置されたものであることを特徴とするものである。 【００１３】 【発明の実施の形態】本発明に係る地下熱対流層を利用
したヒートポンプエアコンディショニングシステムで
は、坑井内熱交換機を熱対流層に配置し、熱エネルギー
を供給する際に、循環パイプの先端に、螺旋状にした坑
井内熱交換機を設け、熱対流層における地層内流体の熱
対流により地層内流体と坑井内熱交換機との間で、高効
率、かつ、十分に熱交換がなされるようにしている。そ
して、坑井内熱交換機と室外熱交換機とを有する第一の
ヒートポンプでは、地層内流体と熱交換により得た熱エ
ネルギーを室外熱交換機で他の熱に熱交換する。つぎ
に、第二のヒートポンプにおいて、室外熱交換機で他の
熱に変換した熱エネルギーを圧縮装置で圧縮する。ま
た、膨張装置で減圧し、熱エネルギーをさらに増幅して
室内熱交換機に送り、この室内熱交換機で室内温度と熱
交換を行い、室内に冷暖房を行う。 【００１４】すなわち、地層内流体が有する熱エネルギ
ーは、坑井内熱交換機が熱交換により得る熱エネルギー
である。これは、坑井内熱交換機に対する地層内流体の
エンタルピーに、坑井内熱交換機を通過する水の質量流
量を乗じた値で得ることができる。 【００１５】そのため、地層内流体を坑井内熱交換機に
効率よく透水させ、これにより熱エネルギーの授受が行
わせると、この授受される熱エネルギーは、地層内流体
自体の有する熱エネルギーおよび透水による熱エネルギ
ー移動により、効率よく前記坑井内熱交換機に遷移し、
その後、坑井内熱交換機の熱量が、地層内流体に移動し
て、熱交換がなされる。そして、この熱交換により熱エ
ネルギーの少なくなった地層内流体は、熱対流層をゆっ
くりと下方に移動し、熱対流層の下方で熱エネルギーを
得て、またゆっくりと上方へ移動する。このように、地
層内において地層内流体の熱対流が発生し、発生した熱
対流により坑井内熱交換機は、多大な熱エネルギーを得
ることができる。 【００１６】そして、この熱エネルギーは、熱交換機に
より、高温を低温に、あるいは低温を高温に変換する。
さらに熱交換機により得た熱を室内機に設けられた他の
熱交換機により、室内の熱と熱交換し、室内に暖房およ
び冷房を施すものである。 【００１７】 【実施例】本発明の一実施例に係る地下熱対流層を利用
したヒートポンプエアコンディショニングシステムにお
ける装置と、その方法について図面を参照して説明す
る。なお、従来の地熱を利用したエアコンディショニン
グシステムと同一部分には、同一符号を付して説明す
る。 【００１８】図１において、熱対流層１１は、地下数十
メートルから数百メートルに地点の地下に分布する地熱
対流層であり、井戸２は、地表から熱対流層１１に向か
って穿設されたものであり、熱源とするターゲットの地
下水温度の地点から、さらに１０ｍ位深く穿掘してなる
ものである。坑井内熱交換機１４は、井戸２の熱対流層
１１の位置に設けられており、熱対流層１１の熱対流を
利用して、地層内流体と熱交換を行う。本願実施例で
は、この坑井内熱交換機１４を有する第一のヒートポン
プ１２と、室内に暖房を施す室内熱交換機を有する第二
のヒートポンプ１３とで構成されている。 【００１９】すなわち、熱対流は、循環パイプ１５の先
端部に形成される坑井内熱交換機ｌ４内を流動する熱交
換媒体１６と、地層内流体（いわゆる地下水等）の間で
熱交換が行われることにより発生する。一方、温度が低
下した地層内流体は、井戸２の坑井内２ａ下方の熱によ
り温度が上昇して熱対流となり上層の地層内流体とな
る。 【００２０】なお、井戸２の深度は、使用する熱エネル
ギーの状態により異なる。なぜならば、我国において、
熱対流層は全国的に分布しており、比較的浅い地層に存
在する熱対流層は、深度が２０ｍ位でｌ０℃〜２０℃程
度の温度の地下水をを有する坑井であり、この熱源で得
られる熱エネルギーは、小規模集合住宅用冷暖房、ある
いは小規模地域冷暖房や、ビニ一ルハウス等の冷暖房に
用いれば、極めて高効率に室内の冷暖房が可能となるか
らである。また、比較的深い地層に存在する熱対流層
は、深度が５００ｍ位で５０℃程度の温度の地下水を有
する坑井であり、これを熱源として得られる熱エネルギ
ーは、大規模建築物、例えば、学校、オフィスビル、集
合住宅等の冷暖房や、地域冷暖房、あるいは、遊園地等
のレジャー施設での冷暖房に用いることができるからで
ある。 【００２１】循環パイプ１５は、高密度ポリエチレン等
を素材とするチューブであり、坑井内２ａ深部に挿入さ
れている。この挿入された循環パイプ１５の深部には、
坑井内熱交換機１４が接続されている。この坑井内熱交
換機１４は、熱対流層中の対流現象を利用するため、図
２の（ａ）に示すような螺旋状にしてある。これは、地
層内流体の熱対流をを励起させるため、あるいは、発生
した熱対流との接触面積を大きくし、強度的にも安定が
要求されるためである。 【００２２】なお、坑井内熱交換機１４の強度をさらに
安定させるため、図２（ｂ）のように、右回りと左回り
の螺旋をネット状に組み合わせて、一対として構成する
ようにしてもよい。また、上記螺旋状の坑井内熱交換機
１４に、さらに採熱効率を高めるために当該坑井内熱交
換機１４に複数の突起部を設けてもよい。循環パイプ１
５内を循環する熱交換媒体１６は、通常２５％〜３５％
の凍結防止剤（エチレングリコール等）を含む水で精成
されている。 【００２３】第一のヒートポンプ１２は、地面から熱対
流層１１に達するように穿設した井戸２と、この井戸２
の地層内対流層１１下（熱対流層の位置）に設けられた
坑井内熱交換機１４と、坑井内熱交換機１４と室外熱交
換機１７が接続されている循環パイプ１５と、循環パイ
プ１５内を循環する不凍液等の熱交換媒体１６と、熱交
換媒体１６を循環パイプ１５内を循環させるための循環
ポンプ１８とで構成されている。 【００２４】第二のヒートポンプ１３は、上述した第一
のヒートポンプ１２が熱交換を行い他の熱に熱交換する
室外熱交換機１７と、この室外熱交換機１７と室内熱交
換機１９問を接続する他の循環パイプ２０と、この他の
循環パイプ２０を循環する熱交換媒体２０を有してい
る。また、第二のヒートポンプ１３には、熱交換媒体２
１を圧縮し高熱を発生させる圧縮装置２２（以下「コン
プレッサ」という）と、コンプレッサ２２により圧縮さ
れた熱交換媒体２１を減圧して冷却させる膨張装置２３
を備えている。 【００２５】上述の室内熱交換機１９は、室内機２４内
にあり、室内熱交換機１９によって得た熱を室内に送風
するために、室内機２４内には、送風装置２５や、送風
量調整装置等（図示外）も備えている。 【００２６】ここに室外機２６は、上述の室外熱交換機
１７や、循環ポンプ循環１６や、コンプレッサ２２や、
膨張装置２３等、室内に騒音となる装置を室外に設置
し、これらを風雨等から防御するために設けられてい
る。 【００２７】つぎに、上記構成の地下熱対流層を利用し
たヒートポンプエアコンディショニングシステムにより
実施される建造物等への暖房方法について説明する。ま
ず、第一のヒートポンプ１２により地層内流体と坑井内
熱交換機１４との間で熱交換が行われる。坑井内２ａに
挿入された循環パイプ１５内の熱交換媒体１６が、循環
ポンプ１８により循環を開始する。この熱交換媒体１６
は、地表から熱源である地層内流体が存在する熱対流層
１１まで流動し、坑井内熱交換機１４に至る。そして、
坑井内熱交換機１４は、螺旋状を形成しているため、熱
対流層１１において地層内流体と熱交換媒体１６間で十
分に熱交換が行われて熱エネルギーを得る。 【００２８】熱エネルギーを得た熱交換媒体１６は、循
環パイプ１５を通り、上部へと移動する。この循環パイ
プ１５は、室外熱交換機１７の内部を通過する。この室
外熱交換機１７により、熱交換媒体１６の熱は、他の循
環パイプ２０を循環する熱交換媒体２１との問で熱交換
を行う。 【００２９】そして、第二のヒートポンプ１３により、
室内熱交換機１９は室内の気温と熱交換媒体２１との間
で熱交換が行われる。室外熱交換機１７において、該交
換器１７と室内熱交換機１９間を他の循環パイプ２０に
より循環する熱交換媒体２１との間で熱交換が行われ
る。この熱を得た熱交換媒体２１は、コンプレッサ２２
で圧縮されると高温となり、他の循環パイプ２０を通じ
て室内機２４に設けられた室内熱交換機１９に送られ
る。これにより室内熱交換機１９と暖房を施すべき室内
の気温との間で熱交換が行なわれる。このとき、室内機
２４に設けられた送風装置２５等を用いることにより室
内に暖房としての熱風が排出されるものである。 【００３０】そして、室内の気温と熱交換した熱交換媒
体２１は冷却され、膨張装置２３で減圧されることによ
り、さらに低温となり室外熱交換機１７に戻る。ここで
再び熱交換媒体１６と熱交換媒体２１間で熱交換が行わ
れ、熱交換媒体１６は循環パイプ１５を通り、坑井内熱
交換機１４に達して採熱が行われる。このように、地層
内流体から第一のヒートポンプ１２を経て、第二のヒー
トポンプ１３へと順次熱交換媒体１６、２０を熱交換す
ることにより、室内に暖房が施されるものである。 【００３１】好適実施例の交換エネルギー試算を試みれ
ば、次のように説明することができる。すなわち、図３
に示すように、地表の温度が５℃、深度ｌ０ｍ地点の温
度が１７．５℃、深度２０ｍ地点の温度が３０℃とす
る。この井戸２の坑井内２ａの深度ｌ０ｍ地点に、坑井
内熱交換機１４を設置する。このとき、対流層中の熱対
流による坑井内熱交換機１４の出力エネルギーＰは、ｈ
を坑井内熱交換機１４内の流体のエンタルピーとし、ｑ
を坑井内熱交換機１４を通過する水の質量流量とする
と、式１で与えられる。 【００３２】 【式１】 【００３３】式１におけるｑは、Ｋを透水性、Ｓを冷水
の水位頭、ｓを暖水の水位頭、ｒを井戸２の坑井半径、
Ｒを少なくとも１％水位変化する影響半径範囲、また、
放射状の影響範囲であるＬｎ（Ｒ／ｒ）は、２〜４で与
えられるとすると、ｑは式２で示される。 【００３４】 【式２】 【００３５】流体の水頭圧Ｐ0は、ρを密度、ｇを重力
加速度、ｚを水位からの深さとするとＰ0＝ρgzで求め
ることができる。また、密度ρの値は、水の温度状況か
ら求められるため、ρ（５）＝９９９．９７ｋｇ／ｍ
ｓ、ρ（１７。５）＝９９８．７６ｋｇ／ｍ3、ρ（３
０）＝９９５．７１ｋｇ／ｍ3となる。ただし、かっこ
内は水の温度を示している。そして、この温度条件下で
Ｓとｓの水位を求めると、冷水の水位は、Ｓ2＝２２
６．７４７であり、暖水の水位は、ｓ2＝２２６．３８
１となる。 【００３６】つぎに、これらの値を上記式２に代入して
計算式をたてると式３となる。 【００３７】 【式３】 【００３８】このとき、密度ρを１０００ｋｇ／ｍ3と
すると、ｑ＝２．４０３×１０ー3（ｋｇ／ｓ）であり、
この値がｌｄａｒｃｙである。ここで坑井内熱交換機１
４中の流体エンタルピーｈを１５．５５ｋＪ／ｋｇとす
ると、式１によりＰ＝３７．４ワットが求まる。つま
り、透水性がｌｄａｒｃｙのときの坑井内熱交換機１４
の出力は、約３７ワットであり、透水性が高い場合（坑
井内熱交換機１４に接触する流量が高い場合）には、出
力が増加するものである。 【００３９】すなわち、火山地帯の浅い地下水層や対流
層は、透水性が高く、１０〜１００ｄａｒｃｙを得るこ
とができ、ワットに変換すれば３７０〜３７００ワット
が得られ、小規模集合住宅用冷暖房、あるいは小規模地
域冷暖房や、ビニ一ルハウス等の冷暖房のエネルギーと
しては十分である。さらに、深く掘削することで数千か
ら数万ワットを得ることができ、大規模な建造物等にも
使用できるものである。 【００４０】例えば、一つの試算によれば、本発明の地
下熱対流層を利用したヒートポンプエアコンディショニ
ングシステムの設置により、電力供給会社側において、
住宅一戸あたり所要ピーク発電容量で１〜５ｋＷの削減
が可能となる。今後１０年間に約２，５００万世帯の家
庭が、当該システムを設置したとすると、電力会社の供
給電力は、夏期のピーク需要の概算推定値において、
２，４００万ｋＷ〜４，８００万ｋＷ、また冬期のピー
ク需要においては、４，８００万ｋＷ〜９，６００万ｋ
Ｗを節約できることになる。さらに、大規模な施設やオ
フィスビル等に設置されれば、前述した電力の節約推定
値は多大な電力量となる。 【００４１】なお、上記実施例では、地下熱対流層を利
用したヒートポンプエアコンディショニングシステムを
建造物等への暖房方法として説明したが、室外熱交換機
１７の熱交換を逆にすることにより、当該熱エネルギー
を冷房用としても用いることができる。以下にその方法
を説明する。夏期においては、地層内流体の温度は、地
上の外気温よりも低いため、その低温の熱エネルギーを
さらに低温とすることで冷房効果が得られる。当該シス
テムを冷房用として使用するには、上述した暖房方法と
同様に、第一のヒートポンプ１２により、坑井内熱交換
機１４で熱エネルギーを採熱し、循環ポンプ１８により
循環パイプ１５内を熱交換媒体１６が循環する。そして
室外熱交換機１７の内部を通過させる。 【００４２】つぎに、第二のヒートポンプ１３は、熱交
換媒体１６の熱を、室外熱交換機１７と室内熱交換機１
９間を他の循環パイプ２０により循環する熱交換媒体２
１との間で熱交換を行い、循環パイプ１５の熱交換媒体
１６から熱を得る。このとき、コンプレッサ２２を上記
暖房の場合と逆方向に回転させるため、この熱を得た熱
交換媒体２１は、減圧弁２５で減圧されると、さらに低
温となり、他の循環パイプ２０を通じて室内機２４に設
けられた室内熱交換機１９に送られる。そして室内熱交
換機１９と冷房を施すべき室内の熱との間で熱交換が行
なわれる。このとき、室内機２４に設けられた送風装置
２５等を用いることにより室内に冷房としての冷風が排
出されるものである。 【００４３】上記実施例は、一層対流層において熱エネ
ルギーを取得し、暖房に用いる方法について説明した
が、つぎに、変形実施例として二層対流層においての熱
エネルギー取得について説明すると、井戸２を穿掘する
にあたって、上層対流層２７と下層対流層２８が発見さ
れる場合がある。これは、井戸２の穿掘時に掘削水の水
位低下により、その地点の透水性が判断される。これ
は、坑井掘削後に、揚水試験等を行い坑井内２ａの流量
検層等で判定されるものである。 【００４４】図４に示すように、井戸２を穿掘すると、
上層対流層２７と下層対流層２８の存在が判定される。
この上層対流層２７と下層対流層２８の略中間に当該坑
井内熱交換機１４を設け、坑井内熱交換機１４内を循環
する熱交換媒体16と、地層内流体との間で熱変換が行わ
れる。これは、上層対流層２７と下層対流層２８の温度
を比較すると、下層対流層２８の方が若干温度が高いこ
とを利用するものである。そして、坑井内熱交換機１４
との熱交換により温度が低下した地層内流体は、坑井内
２ａの下方の下層対流層２８の方に流動し、下属部の温
度により地層内流体の温度が上昇する。温度の上昇した
地層内流体は、ゆっくりと時間をかけて上層対流層２７
へと対流する。 【００４５】この二層対流層を利用することは、一属対
流層に比べて上層部と下層部において温度差があること
から坑井内熱交換機１４に接触する流量が高くなり、熱
エネルギーが高効率で、しかも安定して得られるもので
ある。 【００４６】なお、上記一層対流眉において、坑井内熱
交換機１４が熱エネルギーを得る場合、図５に示すよう
に、坑井内２ａに流体ガイド機構２９を接着するように
してもよい。すなわち、図６（ａ）に示すように、二層
対流層では、地層内流体の流動域が大きく、坑井内熱交
換機１４との間で高効率で熱交換が行われるものであ
る。 【００４７】この流体ガイド機構２９は、坑井内２ａの
径と同型の円筒状の軽量水遮断材料からできており、一
層対流層を人工的に、上部対流層と下部対流層に分割す
るものである。そして、図６（ｂ）に示すように、人工
的に二層対流層の状態にすることで、上部対流層と下部
対流層間で温度差が得られるようにする。これにより、
地層内流体の流動を促進させ、一層対流層においても二
層対流層で得られるに近い高効率で、坑井内熱交換機１
４は安定した熱エネルギーを得ることが可能となる。 【００４８】また、この場合、流体ガイド機構２９を坑
井内２ａに接着して説明したが、坑井内熱交換機１４に
接着させて、人工的に二層対流層を生成して熱エネルギ
ーを得るようにしてもよい。 【００４９】したがって、本発明に係る地下熱対流層を
利用したヒートポンプエアコンディショニングシステム
は、消費者のエネルギー消費量の減少を図るとともに、
電力会社の夏期および冬期のピークロードを減少させる
有効な手段となる。 【００５０】 【発明の効果】以上説明したように、熱対流層の熱エネ
ルギーを、循環パイプの先端に設けた坑井内熱交換機に
より、地層内流体との接触面積を大きくし、地層内流体
の熱を無駄なく熱交換媒体との間で熱交換するようにし
たり、熱対流層の熱対流を利用することにより、地層内
流体が坑井内熱交換機に接触する接触流量を多くするよ
うにしたため、ヒートポンプエアコンディショニングシ
ステム全体の効率を向上させることができる。これによ
って、大規模な施設等への冷暖房供給のため、複数箇所
に井戸を穿設する工事費用が嵩むことなく設置すること
ができる。さらに、熱対流層を利用して熱エネルギーを
得るようにしたため、冷暖房へのエネルギーを安定して
供給することができる。 【００５１】また、本発明に係る地下熱対流層を利用し
たヒートポンプエアコンディショニングシステムは、季
節による温度の変化が、大気に比べてはるかに少ない地
層内流体の存在する地層を、採熱や棄熱の場として利用
するものである。当該システムは、電力やガスによる冷
暖房装置から排出される熱やＮＯ2、ＣＯ2等の燃焼生成
物を、全く排出することのないシステムであり、地球の
温暖化防止や地球環境保全の立場から積極的に推進すべ
きシステムである。特に夏期において、大都市の中心部
で起こるヒートアイランド（熱の島）現象の解決にあっ
ても貢献するものである。
達して掘削された坑井内に熱交換機を配置して、該地下
熱対流層の熱エネルギーを採取して、これを、地上建造
物の冷暖房エネルギーとして供給する地下熱対流層を利
用したヒートポンプエアコンディショニングシステムに
関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、この種の地熱を利用するヒートポ
ンプエアコンディショニングシステムとしては、図９に
示すような、地下水等の地熱を利用して一般住宅や公共
施設等の室内の冷暖房に利用するエアコンディショニン
グシステムが提案されている。図９は、従来の地熱を利
用したエアコンディショニングシステムの概要を示すも
のであり、このシステムは、地面から地下水層１に達し
て穿設した井戸２と、この井戸２に挿入して、地下水層
１より伝導地熱を採取する採熱管３と、採熱管３内を循
環する冷媒４で構成されている。 【０００３】この採熱管３は、室外機５内を循環してお
り、採熱管３の一方は、冷媒を圧縮するためのコンプレ
ッサ７に接続されており、また、該コンプレッサ７には
放熱管１０が接続されている。そして、この放熱管１０
は、室内機９内を循環する。一方、この放熱管１０は、
前記圧縮された冷媒４を減圧する膨張弁８に接続されて
おり、該膨張弁８に接続されるとともに、採熱管３内に
冷媒４を循環させるための循環ポンプ６が施されてい
る。 【０００４】つぎに、この地熱を利用したエアコンディ
ショニングシステムの動作を説明する。まず、井戸２に
挿入された採熱管３内の冷媒４が、循環ポンプ６により
循環する。そして、この冷媒４と、熱源である地下水の
熱伝導により熱交換がなされる。熱変換されて熱を得た
冷媒４は、採熱管３を通じて地上に戻り、室外機５内に
入る。室外機５に入った採熱管３内の冷媒４は、コンプ
レッサ７により圧縮される。コンプレッサ７により圧縮
された冷媒４は高温を得て放熱管１０内を循環する。 【０００５】放熱管ｌ０は、室内機９内を循環し、室内
機９に施されたファン等で高温を得た冷媒４の熱を放熱
させる。このように室内に暖風を送ることで、室内に暖
房を施し、放熱により熱を失った冷媒４は、膨張弁８に
送られ、減圧される。減圧された冷媒４は、採熱管３に
送られ、循環ポンプ６により採熱管３内を循環する。そ
して、上記動作を繰り返すことで室内に暖房効果をもた
らすものである。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような方法では、地下水層で熱伝導により採熱するた
め採熱時間が短く、熱の移動に時間がかかるため、効率
が悪いという欠点があった。このため、熱効率が低く、
暖房として大規模な施設等への供給はできなかった。ま
た、大規模な施設への供給のためには、井戸を多数箇所
に穿設しなければならず、このための工事費用が嵩むこ
とがあった。 【０００７】さらに、熱を採取する地下水層では、地下
水位の変動等という様々な影響を受けるため、その地下
水の水温が一定とならず、暖房設備として安定した熱供
給ができなかった。 【０００８】そこで、本願発明者らは鋭意研究をした結
果、図７に示すように、我国において、熱源となる地下
の対流層は、全国的に分布しており、さらに、深度１０
ｍ強の地点で恒温層となるので、この地下対流層を熱源
として、これを利用して、地上建造物の冷暖房エネルギ
ーとして供給するヒートポンプエアコンディショニング
システムを着想するに至ったものである。なお、図７
は、地学雑誌、Ｖｏｌ．５９、Ｎｏ５７７、１９５０年
（木内四郎兵衛：恒温層深度と温度に関する考察）から
引用したものである。 【０００９】また、一般には、深度５０ｍでの地下水温
度の分布は、図８に示すとおり、関東地区、東海地区、
近畿地区、山陽地区、北九州地区等、比較的人口の多い
地区に、集中して見られる外、東日本の山岳部を縦断し
ていることが知られているので、この地区において、地
下対流恒温層の熱、または、深度５０ｍの熱を熱源とす
るヒートポンプエアコンディショニングシステムが開発
できれば、その運転コストは驚くほど低減でき、また、
省エネルギーシステムとして、際立ったものとなる。な
お、図８は、地質調査所報告、第２１９巻、１９６７年
（高橋 稠：地下水地域調査にみられる水温の総括的研
究）から引用したものである。 【００ｌ０】本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされ
たもので、前記地下の熱対流層に着目し、その地下熱対
流層おける地層内流体の熱対流を利用し、対流する地層
内流体との熱交換効率を、ヒートポンプを利用して、向
上させた地下熱対流層を利用したヒートポンプエアコン
ディショニングシステムを提供することを目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本願発明は、地下熱対流
層に到達して掘削された坑井内に配置され、一層からな
る対流層に対応する坑井内壁間に、熱交換機を覆い、内
部に地層内流体を流動させる流体ガイド機構を備えた坑
井内熱交換機と、前記坑井内熱交換機に接続され、地上
に配置された室外熱交換機と、前記坑井内熱交換機と前
記室外熱交換機の間を循環する循環パイプと、該坑井内
熱交換機と該室外熱交換機の間に配置され、循環パイプ
内の熱交換媒体をパイプ内を循環させる第一のヒートポ
ンプと、空調すべき室内に配置された室内熱交換機と、
該室内熱交換機と前記室外熱交換機との間を循環する他
の循環パイプと、前記室外熱交換機と前記室内熱交換機
との間に配置され、前記他の循環パイプを流れる熱交換
媒体を圧縮し、前記室内熱交換機で熱交換した後は、該
媒体を減圧膨張させる第二のヒートポンプとを備え、前
記室外熱交換機は、前記坑井内熱交換機との間を流れる
熱交換媒体と、前記室内熱交換機との間を流れる熱交換
媒体との間で熱交換を行うようにし、地下熱対流層を利
用することを特徴とするものである。 【００１２】また、前記坑井内熱交換機は、地層内上層
に存在する一の対流層と、その直下の他の対流層との問
に位置されたものであることを特徴とするものである。 【００１３】 【発明の実施の形態】本発明に係る地下熱対流層を利用
したヒートポンプエアコンディショニングシステムで
は、坑井内熱交換機を熱対流層に配置し、熱エネルギー
を供給する際に、循環パイプの先端に、螺旋状にした坑
井内熱交換機を設け、熱対流層における地層内流体の熱
対流により地層内流体と坑井内熱交換機との間で、高効
率、かつ、十分に熱交換がなされるようにしている。そ
して、坑井内熱交換機と室外熱交換機とを有する第一の
ヒートポンプでは、地層内流体と熱交換により得た熱エ
ネルギーを室外熱交換機で他の熱に熱交換する。つぎ
に、第二のヒートポンプにおいて、室外熱交換機で他の
熱に変換した熱エネルギーを圧縮装置で圧縮する。ま
た、膨張装置で減圧し、熱エネルギーをさらに増幅して
室内熱交換機に送り、この室内熱交換機で室内温度と熱
交換を行い、室内に冷暖房を行う。 【００１４】すなわち、地層内流体が有する熱エネルギ
ーは、坑井内熱交換機が熱交換により得る熱エネルギー
である。これは、坑井内熱交換機に対する地層内流体の
エンタルピーに、坑井内熱交換機を通過する水の質量流
量を乗じた値で得ることができる。 【００１５】そのため、地層内流体を坑井内熱交換機に
効率よく透水させ、これにより熱エネルギーの授受が行
わせると、この授受される熱エネルギーは、地層内流体
自体の有する熱エネルギーおよび透水による熱エネルギ
ー移動により、効率よく前記坑井内熱交換機に遷移し、
その後、坑井内熱交換機の熱量が、地層内流体に移動し
て、熱交換がなされる。そして、この熱交換により熱エ
ネルギーの少なくなった地層内流体は、熱対流層をゆっ
くりと下方に移動し、熱対流層の下方で熱エネルギーを
得て、またゆっくりと上方へ移動する。このように、地
層内において地層内流体の熱対流が発生し、発生した熱
対流により坑井内熱交換機は、多大な熱エネルギーを得
ることができる。 【００１６】そして、この熱エネルギーは、熱交換機に
より、高温を低温に、あるいは低温を高温に変換する。
さらに熱交換機により得た熱を室内機に設けられた他の
熱交換機により、室内の熱と熱交換し、室内に暖房およ
び冷房を施すものである。 【００１７】 【実施例】本発明の一実施例に係る地下熱対流層を利用
したヒートポンプエアコンディショニングシステムにお
ける装置と、その方法について図面を参照して説明す
る。なお、従来の地熱を利用したエアコンディショニン
グシステムと同一部分には、同一符号を付して説明す
る。 【００１８】図１において、熱対流層１１は、地下数十
メートルから数百メートルに地点の地下に分布する地熱
対流層であり、井戸２は、地表から熱対流層１１に向か
って穿設されたものであり、熱源とするターゲットの地
下水温度の地点から、さらに１０ｍ位深く穿掘してなる
ものである。坑井内熱交換機１４は、井戸２の熱対流層
１１の位置に設けられており、熱対流層１１の熱対流を
利用して、地層内流体と熱交換を行う。本願実施例で
は、この坑井内熱交換機１４を有する第一のヒートポン
プ１２と、室内に暖房を施す室内熱交換機を有する第二
のヒートポンプ１３とで構成されている。 【００１９】すなわち、熱対流は、循環パイプ１５の先
端部に形成される坑井内熱交換機ｌ４内を流動する熱交
換媒体１６と、地層内流体（いわゆる地下水等）の間で
熱交換が行われることにより発生する。一方、温度が低
下した地層内流体は、井戸２の坑井内２ａ下方の熱によ
り温度が上昇して熱対流となり上層の地層内流体とな
る。 【００２０】なお、井戸２の深度は、使用する熱エネル
ギーの状態により異なる。なぜならば、我国において、
熱対流層は全国的に分布しており、比較的浅い地層に存
在する熱対流層は、深度が２０ｍ位でｌ０℃〜２０℃程
度の温度の地下水をを有する坑井であり、この熱源で得
られる熱エネルギーは、小規模集合住宅用冷暖房、ある
いは小規模地域冷暖房や、ビニ一ルハウス等の冷暖房に
用いれば、極めて高効率に室内の冷暖房が可能となるか
らである。また、比較的深い地層に存在する熱対流層
は、深度が５００ｍ位で５０℃程度の温度の地下水を有
する坑井であり、これを熱源として得られる熱エネルギ
ーは、大規模建築物、例えば、学校、オフィスビル、集
合住宅等の冷暖房や、地域冷暖房、あるいは、遊園地等
のレジャー施設での冷暖房に用いることができるからで
ある。 【００２１】循環パイプ１５は、高密度ポリエチレン等
を素材とするチューブであり、坑井内２ａ深部に挿入さ
れている。この挿入された循環パイプ１５の深部には、
坑井内熱交換機１４が接続されている。この坑井内熱交
換機１４は、熱対流層中の対流現象を利用するため、図
２の（ａ）に示すような螺旋状にしてある。これは、地
層内流体の熱対流をを励起させるため、あるいは、発生
した熱対流との接触面積を大きくし、強度的にも安定が
要求されるためである。 【００２２】なお、坑井内熱交換機１４の強度をさらに
安定させるため、図２（ｂ）のように、右回りと左回り
の螺旋をネット状に組み合わせて、一対として構成する
ようにしてもよい。また、上記螺旋状の坑井内熱交換機
１４に、さらに採熱効率を高めるために当該坑井内熱交
換機１４に複数の突起部を設けてもよい。循環パイプ１
５内を循環する熱交換媒体１６は、通常２５％〜３５％
の凍結防止剤（エチレングリコール等）を含む水で精成
されている。 【００２３】第一のヒートポンプ１２は、地面から熱対
流層１１に達するように穿設した井戸２と、この井戸２
の地層内対流層１１下（熱対流層の位置）に設けられた
坑井内熱交換機１４と、坑井内熱交換機１４と室外熱交
換機１７が接続されている循環パイプ１５と、循環パイ
プ１５内を循環する不凍液等の熱交換媒体１６と、熱交
換媒体１６を循環パイプ１５内を循環させるための循環
ポンプ１８とで構成されている。 【００２４】第二のヒートポンプ１３は、上述した第一
のヒートポンプ１２が熱交換を行い他の熱に熱交換する
室外熱交換機１７と、この室外熱交換機１７と室内熱交
換機１９問を接続する他の循環パイプ２０と、この他の
循環パイプ２０を循環する熱交換媒体２０を有してい
る。また、第二のヒートポンプ１３には、熱交換媒体２
１を圧縮し高熱を発生させる圧縮装置２２（以下「コン
プレッサ」という）と、コンプレッサ２２により圧縮さ
れた熱交換媒体２１を減圧して冷却させる膨張装置２３
を備えている。 【００２５】上述の室内熱交換機１９は、室内機２４内
にあり、室内熱交換機１９によって得た熱を室内に送風
するために、室内機２４内には、送風装置２５や、送風
量調整装置等（図示外）も備えている。 【００２６】ここに室外機２６は、上述の室外熱交換機
１７や、循環ポンプ循環１６や、コンプレッサ２２や、
膨張装置２３等、室内に騒音となる装置を室外に設置
し、これらを風雨等から防御するために設けられてい
る。 【００２７】つぎに、上記構成の地下熱対流層を利用し
たヒートポンプエアコンディショニングシステムにより
実施される建造物等への暖房方法について説明する。ま
ず、第一のヒートポンプ１２により地層内流体と坑井内
熱交換機１４との間で熱交換が行われる。坑井内２ａに
挿入された循環パイプ１５内の熱交換媒体１６が、循環
ポンプ１８により循環を開始する。この熱交換媒体１６
は、地表から熱源である地層内流体が存在する熱対流層
１１まで流動し、坑井内熱交換機１４に至る。そして、
坑井内熱交換機１４は、螺旋状を形成しているため、熱
対流層１１において地層内流体と熱交換媒体１６間で十
分に熱交換が行われて熱エネルギーを得る。 【００２８】熱エネルギーを得た熱交換媒体１６は、循
環パイプ１５を通り、上部へと移動する。この循環パイ
プ１５は、室外熱交換機１７の内部を通過する。この室
外熱交換機１７により、熱交換媒体１６の熱は、他の循
環パイプ２０を循環する熱交換媒体２１との問で熱交換
を行う。 【００２９】そして、第二のヒートポンプ１３により、
室内熱交換機１９は室内の気温と熱交換媒体２１との間
で熱交換が行われる。室外熱交換機１７において、該交
換器１７と室内熱交換機１９間を他の循環パイプ２０に
より循環する熱交換媒体２１との間で熱交換が行われ
る。この熱を得た熱交換媒体２１は、コンプレッサ２２
で圧縮されると高温となり、他の循環パイプ２０を通じ
て室内機２４に設けられた室内熱交換機１９に送られ
る。これにより室内熱交換機１９と暖房を施すべき室内
の気温との間で熱交換が行なわれる。このとき、室内機
２４に設けられた送風装置２５等を用いることにより室
内に暖房としての熱風が排出されるものである。 【００３０】そして、室内の気温と熱交換した熱交換媒
体２１は冷却され、膨張装置２３で減圧されることによ
り、さらに低温となり室外熱交換機１７に戻る。ここで
再び熱交換媒体１６と熱交換媒体２１間で熱交換が行わ
れ、熱交換媒体１６は循環パイプ１５を通り、坑井内熱
交換機１４に達して採熱が行われる。このように、地層
内流体から第一のヒートポンプ１２を経て、第二のヒー
トポンプ１３へと順次熱交換媒体１６、２０を熱交換す
ることにより、室内に暖房が施されるものである。 【００３１】好適実施例の交換エネルギー試算を試みれ
ば、次のように説明することができる。すなわち、図３
に示すように、地表の温度が５℃、深度ｌ０ｍ地点の温
度が１７．５℃、深度２０ｍ地点の温度が３０℃とす
る。この井戸２の坑井内２ａの深度ｌ０ｍ地点に、坑井
内熱交換機１４を設置する。このとき、対流層中の熱対
流による坑井内熱交換機１４の出力エネルギーＰは、ｈ
を坑井内熱交換機１４内の流体のエンタルピーとし、ｑ
を坑井内熱交換機１４を通過する水の質量流量とする
と、式１で与えられる。 【００３２】 【式１】 【００３３】式１におけるｑは、Ｋを透水性、Ｓを冷水
の水位頭、ｓを暖水の水位頭、ｒを井戸２の坑井半径、
Ｒを少なくとも１％水位変化する影響半径範囲、また、
放射状の影響範囲であるＬｎ（Ｒ／ｒ）は、２〜４で与
えられるとすると、ｑは式２で示される。 【００３４】 【式２】 【００３５】流体の水頭圧Ｐ0は、ρを密度、ｇを重力
加速度、ｚを水位からの深さとするとＰ0＝ρgzで求め
ることができる。また、密度ρの値は、水の温度状況か
ら求められるため、ρ（５）＝９９９．９７ｋｇ／ｍ
ｓ、ρ（１７。５）＝９９８．７６ｋｇ／ｍ3、ρ（３
０）＝９９５．７１ｋｇ／ｍ3となる。ただし、かっこ
内は水の温度を示している。そして、この温度条件下で
Ｓとｓの水位を求めると、冷水の水位は、Ｓ2＝２２
６．７４７であり、暖水の水位は、ｓ2＝２２６．３８
１となる。 【００３６】つぎに、これらの値を上記式２に代入して
計算式をたてると式３となる。 【００３７】 【式３】 【００３８】このとき、密度ρを１０００ｋｇ／ｍ3と
すると、ｑ＝２．４０３×１０ー3（ｋｇ／ｓ）であり、
この値がｌｄａｒｃｙである。ここで坑井内熱交換機１
４中の流体エンタルピーｈを１５．５５ｋＪ／ｋｇとす
ると、式１によりＰ＝３７．４ワットが求まる。つま
り、透水性がｌｄａｒｃｙのときの坑井内熱交換機１４
の出力は、約３７ワットであり、透水性が高い場合（坑
井内熱交換機１４に接触する流量が高い場合）には、出
力が増加するものである。 【００３９】すなわち、火山地帯の浅い地下水層や対流
層は、透水性が高く、１０〜１００ｄａｒｃｙを得るこ
とができ、ワットに変換すれば３７０〜３７００ワット
が得られ、小規模集合住宅用冷暖房、あるいは小規模地
域冷暖房や、ビニ一ルハウス等の冷暖房のエネルギーと
しては十分である。さらに、深く掘削することで数千か
ら数万ワットを得ることができ、大規模な建造物等にも
使用できるものである。 【００４０】例えば、一つの試算によれば、本発明の地
下熱対流層を利用したヒートポンプエアコンディショニ
ングシステムの設置により、電力供給会社側において、
住宅一戸あたり所要ピーク発電容量で１〜５ｋＷの削減
が可能となる。今後１０年間に約２，５００万世帯の家
庭が、当該システムを設置したとすると、電力会社の供
給電力は、夏期のピーク需要の概算推定値において、
２，４００万ｋＷ〜４，８００万ｋＷ、また冬期のピー
ク需要においては、４，８００万ｋＷ〜９，６００万ｋ
Ｗを節約できることになる。さらに、大規模な施設やオ
フィスビル等に設置されれば、前述した電力の節約推定
値は多大な電力量となる。 【００４１】なお、上記実施例では、地下熱対流層を利
用したヒートポンプエアコンディショニングシステムを
建造物等への暖房方法として説明したが、室外熱交換機
１７の熱交換を逆にすることにより、当該熱エネルギー
を冷房用としても用いることができる。以下にその方法
を説明する。夏期においては、地層内流体の温度は、地
上の外気温よりも低いため、その低温の熱エネルギーを
さらに低温とすることで冷房効果が得られる。当該シス
テムを冷房用として使用するには、上述した暖房方法と
同様に、第一のヒートポンプ１２により、坑井内熱交換
機１４で熱エネルギーを採熱し、循環ポンプ１８により
循環パイプ１５内を熱交換媒体１６が循環する。そして
室外熱交換機１７の内部を通過させる。 【００４２】つぎに、第二のヒートポンプ１３は、熱交
換媒体１６の熱を、室外熱交換機１７と室内熱交換機１
９間を他の循環パイプ２０により循環する熱交換媒体２
１との間で熱交換を行い、循環パイプ１５の熱交換媒体
１６から熱を得る。このとき、コンプレッサ２２を上記
暖房の場合と逆方向に回転させるため、この熱を得た熱
交換媒体２１は、減圧弁２５で減圧されると、さらに低
温となり、他の循環パイプ２０を通じて室内機２４に設
けられた室内熱交換機１９に送られる。そして室内熱交
換機１９と冷房を施すべき室内の熱との間で熱交換が行
なわれる。このとき、室内機２４に設けられた送風装置
２５等を用いることにより室内に冷房としての冷風が排
出されるものである。 【００４３】上記実施例は、一層対流層において熱エネ
ルギーを取得し、暖房に用いる方法について説明した
が、つぎに、変形実施例として二層対流層においての熱
エネルギー取得について説明すると、井戸２を穿掘する
にあたって、上層対流層２７と下層対流層２８が発見さ
れる場合がある。これは、井戸２の穿掘時に掘削水の水
位低下により、その地点の透水性が判断される。これ
は、坑井掘削後に、揚水試験等を行い坑井内２ａの流量
検層等で判定されるものである。 【００４４】図４に示すように、井戸２を穿掘すると、
上層対流層２７と下層対流層２８の存在が判定される。
この上層対流層２７と下層対流層２８の略中間に当該坑
井内熱交換機１４を設け、坑井内熱交換機１４内を循環
する熱交換媒体16と、地層内流体との間で熱変換が行わ
れる。これは、上層対流層２７と下層対流層２８の温度
を比較すると、下層対流層２８の方が若干温度が高いこ
とを利用するものである。そして、坑井内熱交換機１４
との熱交換により温度が低下した地層内流体は、坑井内
２ａの下方の下層対流層２８の方に流動し、下属部の温
度により地層内流体の温度が上昇する。温度の上昇した
地層内流体は、ゆっくりと時間をかけて上層対流層２７
へと対流する。 【００４５】この二層対流層を利用することは、一属対
流層に比べて上層部と下層部において温度差があること
から坑井内熱交換機１４に接触する流量が高くなり、熱
エネルギーが高効率で、しかも安定して得られるもので
ある。 【００４６】なお、上記一層対流眉において、坑井内熱
交換機１４が熱エネルギーを得る場合、図５に示すよう
に、坑井内２ａに流体ガイド機構２９を接着するように
してもよい。すなわち、図６（ａ）に示すように、二層
対流層では、地層内流体の流動域が大きく、坑井内熱交
換機１４との間で高効率で熱交換が行われるものであ
る。 【００４７】この流体ガイド機構２９は、坑井内２ａの
径と同型の円筒状の軽量水遮断材料からできており、一
層対流層を人工的に、上部対流層と下部対流層に分割す
るものである。そして、図６（ｂ）に示すように、人工
的に二層対流層の状態にすることで、上部対流層と下部
対流層間で温度差が得られるようにする。これにより、
地層内流体の流動を促進させ、一層対流層においても二
層対流層で得られるに近い高効率で、坑井内熱交換機１
４は安定した熱エネルギーを得ることが可能となる。 【００４８】また、この場合、流体ガイド機構２９を坑
井内２ａに接着して説明したが、坑井内熱交換機１４に
接着させて、人工的に二層対流層を生成して熱エネルギ
ーを得るようにしてもよい。 【００４９】したがって、本発明に係る地下熱対流層を
利用したヒートポンプエアコンディショニングシステム
は、消費者のエネルギー消費量の減少を図るとともに、
電力会社の夏期および冬期のピークロードを減少させる
有効な手段となる。 【００５０】 【発明の効果】以上説明したように、熱対流層の熱エネ
ルギーを、循環パイプの先端に設けた坑井内熱交換機に
より、地層内流体との接触面積を大きくし、地層内流体
の熱を無駄なく熱交換媒体との間で熱交換するようにし
たり、熱対流層の熱対流を利用することにより、地層内
流体が坑井内熱交換機に接触する接触流量を多くするよ
うにしたため、ヒートポンプエアコンディショニングシ
ステム全体の効率を向上させることができる。これによ
って、大規模な施設等への冷暖房供給のため、複数箇所
に井戸を穿設する工事費用が嵩むことなく設置すること
ができる。さらに、熱対流層を利用して熱エネルギーを
得るようにしたため、冷暖房へのエネルギーを安定して
供給することができる。 【００５１】また、本発明に係る地下熱対流層を利用し
たヒートポンプエアコンディショニングシステムは、季
節による温度の変化が、大気に比べてはるかに少ない地
層内流体の存在する地層を、採熱や棄熱の場として利用
するものである。当該システムは、電力やガスによる冷
暖房装置から排出される熱やＮＯ2、ＣＯ2等の燃焼生成
物を、全く排出することのないシステムであり、地球の
温暖化防止や地球環境保全の立場から積極的に推進すべ
きシステムである。特に夏期において、大都市の中心部
で起こるヒートアイランド（熱の島）現象の解決にあっ
ても貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る熱対流層を利用したヒ
ートポンプエアコンディショニングシステムの構成図で
ある。 【図２】本発明の一実施例に係る熱対流層を利用するた
めの坑井内熱交換機の形状を示した斜視図である。 【図３】本発明の一実施例に係る熱対流状態の坑井内熱
交換機設置の概念図と、この概念図に対する温度グラフ
である。 【図４】本発明の他の一実施例に係る二層利用による熱
対流状態の概念図である。 【図５】本発明の他の一実施例に係る一層対流層を人工
的に二層対流状態にした説明図である。 【図６】本発明の他の一実施例に係る一つの熱対流層を
二つの熱対流層に分離させた熱対流状態を示す概念図で
ある。 【図７】日本における深度50mの地下水温度を示した分
布図である。 【図８】日本における恒温層深度分布図である。 【図９】従来の地熱を利用したヒートポンプシステムの
構成図である。 【符号の説明】 ２・・・井戸 １１・・・熱対流層 １２・・・第一のヒートポンプ １３・・・第二のヒートポンプ １４・・・坑井内熱交換機 １５・・・循環パイプ １６・・・熱交換媒体 １７・・・室外熱交換機 １８・・・循環ポンプ １９・・・室内熱交換機 ２０・・・他の循環パイプ ２１・・・熱交換媒体 ２２・・・コンプレッサ ２３・・・膨張装置 ２４・・・室内機 ２５・・・送風装置 ２６・・・室外機 ２７・・・上層対流層 ２８・・・下層対流層 ２９・・・流体ガイド機構
ートポンプエアコンディショニングシステムの構成図で
ある。 【図２】本発明の一実施例に係る熱対流層を利用するた
めの坑井内熱交換機の形状を示した斜視図である。 【図３】本発明の一実施例に係る熱対流状態の坑井内熱
交換機設置の概念図と、この概念図に対する温度グラフ
である。 【図４】本発明の他の一実施例に係る二層利用による熱
対流状態の概念図である。 【図５】本発明の他の一実施例に係る一層対流層を人工
的に二層対流状態にした説明図である。 【図６】本発明の他の一実施例に係る一つの熱対流層を
二つの熱対流層に分離させた熱対流状態を示す概念図で
ある。 【図７】日本における深度50mの地下水温度を示した分
布図である。 【図８】日本における恒温層深度分布図である。 【図９】従来の地熱を利用したヒートポンプシステムの
構成図である。 【符号の説明】 ２・・・井戸 １１・・・熱対流層 １２・・・第一のヒートポンプ １３・・・第二のヒートポンプ １４・・・坑井内熱交換機 １５・・・循環パイプ １６・・・熱交換媒体 １７・・・室外熱交換機 １８・・・循環ポンプ １９・・・室内熱交換機 ２０・・・他の循環パイプ ２１・・・熱交換媒体 ２２・・・コンプレッサ ２３・・・膨張装置 ２４・・・室内機 ２５・・・送風装置 ２６・・・室外機 ２７・・・上層対流層 ２８・・・下層対流層 ２９・・・流体ガイド機構
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(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F24F 5/00 101
F25B 27/00
F25B 30/06
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 地下熱対流層に到達して掘削された坑井
内に配置され、一層からなる対流層に対応する坑井内壁
間に、熱交換機を覆い、内部に地層内流体を流動させる
流体ガイド機構を備えた坑井内熱交換機と、 前記坑井内熱交換機に接続され、地上に配置された室外
熱交換機と、 前記坑井内熱交換機と前記室外熱交換機の間を循環する
循環パイプと、 該坑井内熱交換機と該室外熱交換機の間に配置され、循
環パイプ内の熱交換媒体をパイプ内を循環させる第一の
ヒートポンプと、 空調すべき室内に配置された室内熱交換機と、 該室内熱交換機と前記室外熱交換機との間を循環する他
の循環パイプと、 前記室外熱交換機と前記室内熱交換機との間に配置さ
れ、前記他の循環パイプを流れる熱交換媒体を圧縮し、
前記室内熱交換機で熱交換した後は、該媒体を減圧膨張
させる第二のヒートポンプとを備え、 前記室外熱交換機は、前記坑井内熱交換機との間を流れ
る熱交換媒体と、前記室内熱交換機との間を流れる熱交
換媒体との間で熱交換を行うようにしたことを特徴とす
る地下熱対流層を利用したヒートポンプエアコンディシ
ョニングシステム。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP31751595A JP3375474B2 (ja) | 1995-11-10 | 1995-11-10 | 地下熱対流層を利用したヒートポンプエアコンディショニングシステム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31751595A JP3375474B2 (ja) | 1995-11-10 | 1995-11-10 | 地下熱対流層を利用したヒートポンプエアコンディショニングシステム |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPH09137972A JPH09137972A (ja) | 1997-05-27 |
| JP3375474B2 true JP3375474B2 (ja) | 2003-02-10 |
Family
ID=18089103
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31751595A Expired - Lifetime JP3375474B2 (ja) | 1995-11-10 | 1995-11-10 | 地下熱対流層を利用したヒートポンプエアコンディショニングシステム |
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| JP (1) | JP3375474B2 (ja) |
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- 1995-11-10 JP JP31751595A patent/JP3375474B2/ja not_active Expired - Lifetime
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