JP3827241B2 - 地熱利用の戸建て換気システム - Google Patents

Description

この発明は、地中の恒温性を利用した地熱利用の戸建て換気システムに係り、特に、２４時間計画換気システムにおいて、地中熱を利用して低コストの冷暖房を行うことができる地熱利用の戸建て換気システムに関するものである。

近年、快適な温湿度の居住空間を確保し、また、冷暖房のエネルギーを節約するため、システム換気装置を備え、建築物の全体を高断熱化、高気密化する戸建て住宅が普及している。これらの戸建て住宅では、システム換気装置が用いられ、外部の新鮮な空気を熱交換器を介して取り込み、熱交換されて暖められた空気が、送風ファン及び送風ダクトを通じて１階居室部、２階居室部における複数の吹出口から吹き出すように構成されている。

また、冷暖房、給湯に使用される電力あるいは燃料の削減のために、ヒートポンプを利用した地中熱利用熱交換システムが提案されている。このシステムは、地中の一定深さに熱交換器のＵ字型伝熱管を埋設し、地上に露出した一方の口から高温もしくは低温の不凍液を流入させて、同じく地上に露出した他方の口から流出させ、ポンプにより循環させることにより、地中で不凍液と地中の熱又は地中の冷熱の採取を行うようにしたものである。即ち、Ｕ字型伝熱管とポンプが地中熱交換器を構成している。そして、前記地中熱交換器はヒートポンプに連結されている。
特開平０８−１８４０６３号公報 特開２００３−１４３８５号公報

しかしながら、上記のような地中熱交換器による地中からの地中熱の取り出しには、設備及び工事に多額の費用がかかる。また、熱交換率には必ずしも満足できるものではないし、ポンプを使用するために省エネルギ対策に寄与することも少なかった。このために、地中深く埋め込んだ地中熱交換器を用いた地中熱利用交換システムの実用化は困難であった。

一方、住宅の高断熱化、高気密化による室内の空気の滞留、換気の悪さなどから、「シックハウス症候群」といわれるような化学物質過敏症が問題となっている。これは現在多用されている建材から出る揮発性有機化合物やホルムアルデヒドなどが引き金となって頭痛、吐き気、アトピー皮膚炎などを引き起こすことがある。そこで、これらの対策として平成１５年７月より、建築基準法の改正に伴い原則としてすべての建築物に換気設備を設置するよう義務づけられた。

そこで、この発明は、上述のような事情に鑑みてなされたものであって、従来の高気密、高断熱の構造を備えた戸建て住宅にも、簡単な設備と工事によって、機械換気および自然換気の場合でも恒温の室内環境を実現する地熱利用の戸建て換気システムを提供することを目的とする。

この目的を達成するため、この発明に係る地熱利用の戸建て換気システムは、次のような構成とした。即ち、地中に配設した熱交換パイプと、吸気ファンを備え天井裏に設置された吸気手段と、排気ファンを備えた排気手段とからなり、前記吸気手段には連結パイプを介して熱交換パイプを連結すると共に、２階から１階に降りる階段ホールの天井面と玄関ホールの天井面に吹出口を設けた空気供給管を連結してなり、前記排気手段には床下空間部に開口する空気排出管と排気ダクトを連結してなり、空気供給管の吹出口から吹出された新鮮な空気が各部屋の開口部から入り込み、床面に設けた通気口から床下空間部に吸引され、空気排出管と排気ダクトによって外部へ排出されるようにした。
前記熱交換パイプは、地中にボーリングによって形成された竪穴、先端にスクリュー状のフィンを設けた回転させながら埋設することによって形成した竪穴、あるいは地中に打ち込まれた中空の基礎杭を利用した竪穴等の竪穴に配設することができる。
前記熱交換パイプは１回以上折り曲げて形成し、一端は連結パイプを介して吸気手段に連結し、他端は地上に開口する構成とすることができる。そして、前記熱交換パイプの外周面側は充填材によって埋め戻されていることが好ましい。
また、前記熱交換パイプを、下端部に小孔又は切欠等による通気部を設けた直管によって形成し、前記熱交換パイプの上端を連結パイプによって吸気手段に連結し、熱交換パイプの外周面と竪穴との間に空隙を設けてなる構成とすることができる。また、前記熱交換パイプを、下端部に小孔又は切欠等による通気部を設けた複数の直管の上端部を１本の結合管に結合することによって形成し、前記結合管を連結パイプを介して吸気手段に連結する構成としてもよい。
また、前記熱交換パイプを、有底のパイプを軸方向に仕切壁によって仕切り、仕切壁の下端部に切欠又は透孔による連通部を設けることによって形成し、仕切壁の一方側を自然な空気の流入用室とし、他方側を熱交換された空気の排出用室となし、前記排出用部屋を連結パイプを介して吸気手段に連結する構成とすることができる。前記熱交換パイプの外周面側は充填材によって埋め戻されていることが好ましい。

この発明の地熱利用の戸建て換気システムは、地中に形成した竪穴に地熱を採取可能な熱交換パイプを配設したから、地中の恒温熱を戸建て換気システムに利用することができる。また、自然の空気を熱交換パイプによって熱交換し、この熱交換した空気を直接居室部に排出するものであるから、地熱の利用効率が高いとともに、工事が容易で安価に提供することができる。
また、前記熱交換パイプを１回以上折り曲げて形成した場合には、一端は連結パイプを介して吸気手段に連結し、他端は地上に開口する構成とすることができるから、外周面側を充填材によって埋め戻すことができ、地熱の熱交換効率を高めることができるとともに、耐久性が向上する。
また、前記熱交換パイプを下端部に小孔又は切欠等による通気部を設けた直管とした場合には、工事が簡単であり、安価に提供することができる。
また、前記熱交換パイプを、有底のパイプを軸方向に仕切壁によって仕切り、仕切壁の下端部に切欠又は透孔による連通部を設けることによって、仕切壁の一方側を自然な空気の流入用室とし、他方側を熱交換された空気の排出用室とした場合には、工事が簡単であるとともに、堅牢な熱交換パイプとすることができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。図１に示すように、この地熱利用の戸建て換気システムは、地中に配設した熱交換パイプ１と、吸気ファンを備えた吸気手段２と、排気ファンを備えた排気手段３とからなる。前記熱交換パイプ１と吸気手段２とは連結パイプ４を介して連結されており、吸気手段２には、１階の吹出口５に連結する空気供給管６と２階の吹出口７に連結する空気供給管８が配設されている。また、排気手段３には、２階の適所に配設した吸込口９に連結する空気排出管１０と床下空間部１１に開口する空気排出管１２とが連結されており、さらに排気ダクト１３が連結されている。

尚、上記実施形態では、吸気手段２と排気手段３は、独立させたものを図示したが、吸気手段２と排気手段３を一台のモータで駆動する一体型としてもよい。

図示する戸建て住宅は布基礎１５上に土台１６が構築され、土台１６上に軸組構造としての柱１７が支持され、柱１７上に屋根構造１９が支持されている。床構造１８は、公知のように、根太が格子状に組まれた床根太上に構造用合板からなる床材が敷設されている。また、壁構造は、柱の室内側に内装下地材を、柱の室外側に構造用面材をそれぞれ取り付け、さらに、構造用面材の室外側に配設した通気胴縁に壁外装材を取り付けてなり、構造用面材の室外側には、壁外装材との間に外壁通気層となる隙間を設けてなる。また、屋根構造１９は、構造用面材の上面側に通気胴縁を配設し、構造用面材と屋根野地板との間に屋根裏通気層を設けてなる。前記外壁通気層と屋根裏通気層とは連通していることが好ましい。

次に、上記熱交換パイプ１の構成について説明する。熱交換パイプ１は、地下の数メートルから数十メートルの深さにボーリングして形成した竪穴２０にＵ字状パイプを挿入し、一端を連結パイプ４に連結し、他端を地上に開口せしめたものである。前記竪穴２０の底部には、コンクリート、モルタル等の補強材を固化させた補強塊２１が設けられている。熱交換パイプ１の折り曲げられた底部が、前記補強塊２１に載置している。

前記竪穴２０には、壁面の崩壊を防止するためにケーシングが挿入される場合があるが、このような場合には、前記熱交換パイプ１は、前記ケーシングを竪穴として利用する。さらに、竪穴２０内には充填材２２を地面又は地面付近まで充填して埋め戻されている。充填材２２には、熱伝導効率のよいものを用いることが好ましいが、例えば、コンクリート、モルタル、土砂、土等を用いることができる。充填材２２にコンクリート、モルタルを用いた場合には、熱交換パイプ１を保護することになるとともに、周囲土壌の熱伝導率が向上する。さらに、竪穴２０全体が一体の棒状態となり、熱交換パイプ１が、地震等の振動によって破損したり切断されるのを防止することができる。

前記熱交換パイプ１には、樹脂管、金属管、木管等いずれであってもよいが、地表付近温度の影響を小さくするには、金属管よりも樹脂管が好ましい。熱交換パイプ１を挿入する竪穴２０の深さは、季節によらず約１５℃〜１８℃の一定温度に保たれている地中熱を利用するために、数メートル以上、好ましくは十数メートル以上とする。また、竪穴２０は熱交換パイプ１が配設可能な中空筒部であれば特に限定されるものではなく、ボーリングによる他、先端にスクリュー状のフィンを設けた筒体を回転させながら埋設することによって形成した竪穴、地中に打ち込まれた中空の基礎抗を利用した竪穴等であってもよい。

上記構成において、吸気手段２を作動させると連結パイプ４を介して熱交換パイプ１内の空気が吸い込まれ、熱交換パイプ１には地上に開口している開口部から新鮮な自然の空気が流入する。熱交換パイプ１内で略１５℃〜１８℃に熱せられ、あるいは冷却された空気は、吸気手段２に連結された空気供給管６によって１階の吹出口５から吹き出され、空気供給管８によって２階の吹出口７から吹き出される。

前記吹出口７は、例えば、２階から１階に下る階段の下り口にある階段ホールの天井面に設けることができ、吹出口５は、玄関ホールの天井面に設けることができる。吹出口７から吹き出された恒温の新鮮な空気は、各部屋の開口部から入り込み、各吸込口９から吸い込まれて外部へ排出される。また、吹出口５から吹き出された新鮮な空気は、各部屋の開口部から入り込み、床面に設けた通気口２４から床下空間部１１に吸引され、空気排出管１２によって外部へ排出される。

上記構成においては、熱交換パイプ１によって熱交換した新鮮な空気は、直接２階の吹出口７及び１階の吹出口５から吹き出されるから、従来のように、熱交換した液体を有する熱交換器とヒートポンプを連結して、結果として地中熱を空気に熱交換するものではない。地中熱を利用した空気を直接住室部に吹き出すのできわめて効率がよい。

次に、熱交換パイプの他の実施形態について説明する。図２は、図１に示す実施形態の変形例であって、パイプを複数回折り曲げて形成するもので、熱交換パイプ１Ａは、３回折り曲げることにより略Ｗ状に形成し、一端を連結パイプ４に連結し、他端を地上に開口させてなる。このように、パイプを複数回折り曲げて形成した場合には、地中熱を有効に利用することができる。
尚、他の構成については、図１に示す第１実施形態と同様であるから、同一構成については同一符号を付してその説明は省略する。

図３は、第３の実施形態を示し、ケーシング内に熱交換パイプを挿入し、ケーシング内の空気を熱交換パイプの底部から吸い込むようにしたものである。即ち、竪穴２０としてボーリング時に崩壊を防止するために設置したケーシング２５を利用したもので、ケーシング２５の底面に下端部周面に通気部として複数の小孔２６を穿設した熱交換パイプ１Ｂを設置し、上端開口部に連結パイプ４を連結するものである。

この実施形態では、ケーシング２５と熱交換パイプ１Ｂとの間の空隙に自然の空気が流入し、地中熱によって熱交換された空気が熱交換パイプ１Ｂの下端部の小孔２６から吸い込まれる。この実施形態では、ボーリングした中空筒部に熱交換パイプを挿入するだけであるから工事が容易である。
尚、竪穴としては建造物の施工の際に基礎杭として打ち込まれるコンクリート製の中空パイプを利用することができる。このように、基礎杭を利用した場合には、ボーリングが不要となり安価に工事することができる。

図４は、図３に示す実施形態の変形例であって、熱交換パイプ１Ｃは、熱交換パイプ１Ｂを複数本配設し、上端部をまとめて結合管２７に結合し、前記結合管２７を連結管４に連結するようにしたものである。従って、ケーシング２５内に熱交換パイプ１Ｂをまとめて熱交換パイプ１Ｃとした以外は、図３に示した実施形態と同様であるから同一の符号を付してその説明は省略する。

さらに、図５及び図６は、この発明の第５実施形態の熱交換パイプ１Ｄを示す。熱交換パイプ１Ｄは、有底のパイプ３０の中心部を軸方向に仕切壁３１で仕切るとともに、仕切壁３１の下端部に切欠又は透孔による連通部３２を設けて、仕切壁３１の一方側を自然な空気の流入用室３３とし、他方側を熱交換された空気の排出用室３４としたものである。前記パイプ３０の上端面には蓋３５が設けられていて、蓋３５には流入用室３３に連通するパイプ３６と排出用室３４に連通するパイプ３７が取り付けられており、前記パイプ３７は連結管４に連結される。

前記熱交換パイプ１Ｄは、図１及び図２に示す実施形態と同様に、ケーシングが敷設される場合には、前記ケーシング内に挿入される。さらに、外周面側は、コンクリート、モルタル、土砂等の充填材によって充填してもよい。充填材によって充填した場合には、熱交換パイプ１を保護することになるから周囲土壌の熱伝導率が向上する。また、充填材にコンクリート等を用いた場合には全体が柱状体となって、熱交換パイプ１Ｄが地震等の振動によって破損したり切断されるのを防止することができる。

上記実施形態では、熱交換パイプはいずれも１つによって構成したが、複数の箇所に設けて連結管４に連結する構成としてもよい。熱交換パイプを設ける数は、戸建て住宅の大きさ、立地条件、場所等に応じて適宜決定すればよい。

この発明の一実施形態に係る地熱利用の戸建て換気システムの構成を示す模式図である。 熱交換パイプの第２実施形態を示す説明用断面図である。 熱交換パイプの第３実施形態を示す説明用断面図である。 熱交換パイプの第４実施形態を示す説明用断面図である。 熱交換パイプの第５実施形態を示す説明用断面図である。 図５に示す第５実施形態の熱交換パイプの説明用平面図である。

符号の説明

１：熱交換パイプ
２：吸気手段
３：排気手段
４：連結パイプ
５、７吹出口
６、８：空気供給管
９：吸込口
１０：空気排出管
１１：床下空間部
１２：空気排出管
１３：排気ダクト
２０：竪穴
２２：充填材
２４：床面の通気口
２５：ケーシング
２６：小孔

Claims (1)

1. 地中に配設した熱交換パイプと、吸気ファンを備え天井裏に設置された吸気手段と、排気ファンを備えた排気手段とからなり、前記吸気手段には連結パイプを介して熱交換パイプを連結すると共に、２階から１階に降りる階段ホールの天井面と玄関ホールの天井面に吹出口を設けた空気供給管を連結してなり、前記排気手段には床下空間部に開口する空気排出管と排気ダクトを連結してなり、空気供給管の吹出口から吹出された新鮮な空気が各部屋の開口部から入り込み、床面に設けた通気口から床下空間部に吸引され、空気排出管と排気ダクトによって外部へ排出されるようにした地熱利用の戸建て換気システム。

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