JP3873259B1 - 蓄熱装置及び空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー消費削減のために、冬の冷熱を夏まで保存し、夏の温熱を冬まで保存する蓄熱装置及び夏その冷熱を冷房に利用し、冬その温熱を暖房に利用する空調装置が求められている。
【解決手段】潜熱蓄熱材と土壌を含む蓄熱材と熱交換器からなる蓄熱装置を一年中温度が殆ど変わらない地中に埋設する。その潜熱蓄熱材は融解温度が地中温度より高く、凝固温度が地中の温度より低いものを使用する。夏、熱い外気で潜熱蓄熱材を融解するとともに外気を地中温度程度にまで冷やして室内を冷房する。秋、潜熱蓄熱材の温度は次第に地中温度に向けて下がるが凝固温度より高いので潜熱蓄熱材は融解状態を保つ。冬、冷たい外気で潜熱蓄熱材を凝固させるとともに外気を地中温度程度にまで温め、それを室内に入れることにより暖房の補助をする。春、潜熱蓄熱材の温度は次第に地中温度に向けて上がるが融解温度より低いので潜熱蓄熱材は固体状態を保つ。
【選択図】 図４

Description

本発明は、潜熱蓄熱材を用いて、夏から冬まであるいは冬から夏までのように長期に亘って熱を貯蔵する蓄熱装置及びそれを用いて建物を空調する空調装置に関するものである。

近年、快適な環境で生活及び仕事をしたいという要求から空調、特に夏季の冷房に多大なエネルギーを消費し、それによる炭酸ガスの増加や自然破壊が問題になっている。自然エネルギーの利用により快適な住環境を、石油や電気をあまり消費しないで提供できる可能性があるため、自然エネルギーを空調に利用する方法が多数提案されてきた。

自然エネルギー利用方法の従来例の一つは、冬季冷熱を蓄熱槽に貯蔵しそれを夏季まで保存しその冷熱を熱源として冷房する季節間熱利用システムである（特許文献１参照）。気温が零度以下になる冬季に外気との熱交換により蓄熱槽内の水を凍らせ夏季まで貯蔵する。夏季には放熱により蓄熱槽内の氷は冷水になっている。その冷水により室内を冷房する。

また自然エネルギーとして地熱を空調に使う方法もある。地表は大気と熱伝達があり、また日射の熱を吸収する。大気の温度（気温）は時刻によりまた季節により大きく変わり、日射量も天候や時刻により大きく変わるので地表の温度は大きく変化する。近くに温泉等の熱源が無い地域では地中の温度に影響を及ぼす熱源は地表だけにあるので地中深くなるほどその温度変化は小さくなり、地表から５ｍ以上の深さの地中ではその温度（以下、地中温度と呼ぶ）は殆ど変化が無く、地中温度はほぼ年間の平均気温に等しい。そして土壌は熱容量が比較的大きく、熱伝導率が比較的小さいので熱が熱交換器等で土壌に蓄えられるとその熱量に比例して温度が上昇（または下降）する。蓄えられた熱は時間の経過と共に温度勾配に比例して周囲に拡散され地中温度に近づく。地中の土壌に蓄えられた地熱は、夏は冷熱と見なされ、冬は温熱と見なされるので空調に利用できる。

自然エネルギー利用方法の従来例の他の例は、地熱を空調に使う方法である（特許文献２参照）。地表を大気や日射等の熱源から断熱すればその下の土壌やコンクリートの温度は、それらは地中と熱的に導通しているので、地中温度にほぼ等しい。建物は床下を大気から断熱するので建物の基礎コンクリートを周囲の地表から断熱すれば基礎コンクリートの温度はほぼ地中温度になる。建物の床下のコンクリートに熱交換器を設置し、冬、外気は熱交換器を経由して室内に取り入れられ室内を換気する。外気は熱交換器を通る時にコンクリート及びその下の土壌と熱交換し地中温度程度にまで温めてられて室内に導入される。一方、コンクリート及びその下の土壌は熱を奪われ地中温度より下がる。春、外気は熱交換器を経由しないのでコンクリート及びその下の土壌の温度は熱伝導により徐々に地中温度に近づく。夏、外気は熱交換器を経由して室内に取り入れられ室内を換気する。外気は熱交換器を通る時にコンクリート及びその下の土壌と熱交換し地中温度程度にまで冷やされて室内に導入される。但し、外気が高温多湿の場合は結露するので地中温度付近までは冷えないことがある。一方、コンクリート及びその下の土壌は熱を吸収し地中温度より上がる。秋、外気は熱交換器を経由しないのでコンクリート及びその下の土壌の温度は熱伝導により徐々に地中温度に近づく。従って、換気用のファンの電力消費だけで冬温かい空気を室内に導入し、夏室内を冷房できる。

特開平１１−２１１１５９ 特願２００４−４７７６２

従来の冬季冷熱を蓄熱槽に貯蔵しそれを夏季まで保存しその冷熱を熱源として冷房する方法の問題は蓄熱槽内の温度と外部の温度差が大きいので夏までに大量の冷熱が放出されるので熱効率が悪く、また設備費が高価なため小規模の建物には適さなく、更に貯蔵するのは冷熱のみで温熱を貯蔵しない。

従来の地熱を空調に使う方法は冷房等に利用可能な熱容量が床下のコンクリートの上に設置する熱交換器の面積に比例し、且つ熱交換器は長方形であるので床下のレイアウトや家の構造によっては充分な熱容量を確保できない場合がある。２階またはそれ以上の高層の家は必要な熱容量に比べて相対的に床下の面積が小さく熱容量不足が起きやすい。更に高温多湿の地域では外気を冷やして生じる結露の凝固熱も吸収する必要があり、熱容量不足が起きやすい。更に、断熱が良くない家は必要な熱容量大きく熱容量不足が起きやすい。

本発明は前記従来例の不具合を解消し、住宅及び大きな建物の空調に必要な熱量を安価に供給でき、長期に亘って蓄熱でき、熱の貯蔵期間の放熱が少ない蓄熱装置及びそれを用いた空調装置を提供する。

請求項１記載の本発明によれば、本発明の蓄熱装置は、熱を蓄える蓄熱材と、熱媒体を介して前記蓄熱材に熱を貯蔵または前記蓄熱材から熱を回収する熱交換器を備える蓄熱装置であって、前記熱交換器は前記蓄熱材の中に埋設され、前記蓄熱材は潜熱蓄熱材と、一年中温度が殆ど変わらない地中の土壌または大気との間に断熱材を備えて前記地中に熱的に導通した土壌を含み、前記潜熱蓄熱材の融解温度は前記地中の温度より高く、前記潜熱蓄熱材の凝固温度は前記地中の温度より低いことを特徴とする。

例えば、地中温度が１５度の地域においては、融解温度が１６度で凝固温度が１４度の潜熱蓄熱材を使う。冷たい熱媒体を熱交換器に供給して潜熱蓄熱材を含む熱交換器周辺の蓄熱材を冷やすと潜熱蓄熱材は凝固する。更に蓄熱材を冷やすと潜熱蓄熱材は例えば１０度になる。なお潜熱蓄熱材は熱伝導率が小さいので場所により温度差が大きい。熱媒体の供給を停止すると、蓄熱材の温度は周囲の温度より低いので冷熱が放出され蓄熱材の温度は上昇するが１５度以上にはならないので潜熱蓄熱材は融解しない。従って相の変化に伴う潜熱は全て保存され、温度変化に伴う顕熱は殆ど放出される。逆に、温かい熱媒体を熱交換器に供給して蓄熱材を温めると潜熱蓄熱材は融解する。更に蓄熱材を温めると潜熱蓄熱材は例えば２０度になる。熱媒体の供給を停止すると、蓄熱材の温度は周囲の温度より高いので温熱が放出され蓄熱材の温度は下降するが１５度以下にはならないので潜熱蓄熱材は凝固しない。従って相の変化に伴う潜熱は全て保存され、温度変化に伴う顕熱は殆ど放出される。

潜熱蓄熱材の相が変化する時の熱容量は土壌やコンクリートのような相が変化しない顕熱蓄熱材に比べて遥かに大きく、また潜熱蓄熱材を土壌やコンクリートに埋設できるので比較的小さい面積に大量の熱を蓄えることができる。また潜熱は長期に全て保存されるので放熱が少ない。更に蓄熱装置の蓄熱材は地中に導通しているので潜熱蓄熱材を土壌から断熱する必要は無い。蓄熱装置は深い地中に埋設することもできるし、地表または地表から浅い所に設置することもできる。地表または地表から浅い所に設置する場合、蓄熱装置の温度を地中温度にするために蓄熱装置と大気の間に断熱材を設置する。

請求項２記載の本発明によれば、本発明の蓄熱装置の蓄熱材は建物の下の土壌またはコンクリートを含み、本発明の蓄熱装置の熱媒体は空気または不凍液であることを特徴とする。

床下に換気口がなく、且つ床下にボイラー等の熱源が無い場合、建物とその床下空間は断熱材としての機能を果たすので請求項１に記載の断熱材に相当する。更に熱媒体として建物の換気の空気を使うことにより換気の空気で直接建物を空調でき極めて効率が良い。また熱媒体として不凍液を使えば、不凍液は熱容量が空気に比べて遥かに大きいので、建物が大きい場合や建物と蓄熱装置が離れている場合に効率良く建物を空調できる。

請求項３記載の本発明によれば、本発明の空調装置は、請求項１〜２のうちいずれか一項目に記載された蓄熱装置を備えることを特徴とする。本発明の蓄熱装置を利用して極めて熱効率の良い空調装置を構築できる。

以上述べたように、本発明の蓄熱装置は相の変化に伴う潜熱を利用するので小さい体積で蓄熱量を大きくできるので小規模から大規模までの建物の空調に必要な熱容量を供給できる。更に、融解温度が地中温度より高く、凝固温度が地中温度より低い潜熱蓄熱材を使用した場合、例えば冬冷熱を貯蔵し、夏その冷熱を空調に使うまでの長期間蓄熱装置に貯蔵でき、その貯蔵期間中潜熱蓄熱材の相の変化が起きないので放熱量は少ない。更に構造が簡単であるので小規模の建物の蓄熱装置を安価に構築できる。また本発明の蓄熱装置を用いて、例えば冬冷熱を貯蔵し、夏その冷熱を空調に使うことができるので極めて熱効率が良い空調装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の蓄熱装置の設置形態の実施例を示したものである。図１（Ａ）は本発明の蓄熱装置１０の蓄熱材が一年中温度が殆ど変わらない地中（地下約５ｍ）の土壌を含んでいる１実施例である。蓄熱装置１０は熱交換器１１とパッケージされた潜熱蓄熱材１２と熱交換器１１の周囲の土壌１３で構成されている。蓄熱材として使用されている土壌１３の範囲は蓄熱量や蓄熱の時間等により異なり、その範囲は明確でないので破線で示した。図１に於いて熱交換器１１に熱媒体を流す管は図示されていない。また熱交換器１１は蓄熱材と熱媒体との接触面積を大きくする構造にするが好ましく、金属製の管で構成した構造でも良いし、他の構造でも良い。パッケージされた潜熱蓄熱材１２の形状は図示したような立方体でも良いし、他の形状でも良い。潜熱蓄熱材１２の熱拡散率が小さいため潜熱蓄熱材１２内での温度変化が大きくなるのでそのパッケージの厚さは薄いのが好ましい。

図１（Ｂ）は蓄熱装置１０の蓄熱材が大気との間に断熱材を備えて、地中に熱的に導通した土壌と潜熱蓄熱材を含んでいる１実施例である。地表に近い例えば地下１ｍ程度の位置に設置し、地表との間に断熱材１４を埋設してある。この設置形態を利用すれば地上は駐車場や庭に利用でき、且つ蓄熱装置１０を設置するために地下深く掘る必要がない。断熱材１４は季節により大きく変わる大気の温度変化の影響を遮断し、地下１ｍの土壌の温度をほぼ地中温度に保つために地表と蓄熱装置１０の間に埋設されている。断熱材１４の形は図示した底のない箱型でも良いし、水平でも良いし、他の形状でも良い。

図１（Ｃ）は蓄熱装置１０の蓄熱材が大気との間に断熱材を備えて、地中に熱的に導通した土壌と潜熱蓄熱材を含んでいる他の実施例であり、蓄熱装置１０が地表に設置されている。断熱材１５は断熱材１４と同様の理由で設置されている。図からも分かるように蓄熱装置１０を地表に設置した場合は蓄熱に利用できる土壌の領域が地中に設置された場合に比べて小さい。

図２は蓄熱装置に土壌及び土壌以外の顕熱蓄熱材を使用した実施例を示す。図２（Ａ）は蓄熱装置１０の熱交換器１１と潜熱蓄熱材１２が直接土壌に埋設されている１実施例を示す。図２（Ｂ）は熱交換器１１と潜熱蓄熱材１２を貯液槽２１の中に設置し、貯液槽２１を液体蓄熱材２２で充填した１実施例を示す。液体として水を使った場合、蓄熱装置１０の熱容量を大きくすることができるが水は結氷するので熱交換器１１を通る熱媒体が零下の場合は結氷の対策が必要である。図２（Ｃ）は熱交換器１１と潜熱蓄熱材１２を土壌以外の固体蓄熱材２３の中に設置した１実施例を示す。特に建物の床下に蓄熱装置１０を設置する場合は熱交換器１１と潜熱蓄熱材１２をコンクリートに埋設して設置するのが好ましい。

図２（Ｂ）または図２（Ｃ）のように土壌以外の蓄熱材を熱交換器１１の周囲に設置した場合、熱交換器１１からの熱は液体蓄熱材２２または固体蓄熱材２３と潜熱蓄熱材１２とその周囲の土壌に貯蔵される。潜熱蓄熱材１２の熱伝導率と熱拡散率が小さいので潜熱蓄熱材１２内部や表面の温度は場所により異なる。従って、温度分布をできるだけ均一にするために潜熱蓄熱材１２のパッケージの厚さを薄くし、潜熱蓄熱材１２は間隔をあけて配置し、更に固体蓄熱材２３に金属等を入れて熱伝導を良くするのが好ましい。

図３は蓄熱装置を建物の基礎部分に設置した実施例を示す。図３（Ａ）は地階の無い建物２５の床下の基礎コンクリート２６に設置されている。建物の基礎の外側には断熱材２７が設置されている。断熱材２７は地表の温度変化の影響を遮断するために地下約１ｍまで設置されている。床２８の温度変化は小さく、また床下空間２９が断熱の機能を果たすので床下空間２９に熱源が無い場合は基礎コンクリート２６の温度は一年中地中温度に近い温度である。従って、図３（Ａ）は図１（Ｃ）と同様な設置形態である。図３（Ｂ）は建物３０に地下一階がある場合を示す。基礎コンクリート３１は地下約３ｍであり、床３１の温度変化は小さく、また床下空間３２が断熱の機能を果たすので床下空間３２に熱源が無い場合は基礎コンクリート３１の温度は一年中地中温度に近い温度である。従って、図３（Ｂ）は図１（Ｂ）と同様な設置形態である。

図４は潜熱蓄熱材の温度の変化を示す。蓄熱材の熱伝導率は比較的小さく、且つ熱容量が大きいので熱交換器からの熱の伝達が遅い。そのため蓄熱材の温度は場所と時により大きく異なる。図４はパッケージされた潜熱蓄熱材の表面付近の温度（以下、潜熱蓄熱材表面温度と呼ぶ）の変化を示す。また説明を簡単にするために夏の冷房期間を冷房開始時Ｓ１から冷房終了時Ｓ４とし、冬の暖房期間を暖房開始時Ｓ５から暖房終了時Ｓ８とし、冷房終了時Ｓ４から暖房開始時Ｓ５と暖房終了時Ｓ８から冷房開始時Ｓ１の期間は暖房と冷房をしないとする。更に、蓄熱装置を設置した時の潜熱蓄熱材の相は図示したものと同じとする。例えば、冷房終了時Ｓ４から暖房開始時Ｓ５の間に設置する場合、液相状態の潜熱蓄熱材を設置し、暖房終了時Ｓ８から冷房開始時Ｓ１の間に設置する場合、固相状態の潜熱蓄熱材を設置する。更に、冷房と暖房に使う時間当たりの熱量は一定とし、冷房と暖房期間に使う熱量はそれぞれ潜熱蓄熱材の凝固と融解に伴う熱量より多いとする。更に、冷房開始時Ｓ１に，潜熱蓄熱材表面温度Ｔは融解温度Ｔ１より低く潜熱蓄熱材は全て固相状態であり、周囲の蓄熱材の温度も融解温度Ｔ１より低いとする。

図４（Ａ）は潜熱蓄熱材の融解温度Ｔ１と凝固温度Ｔ２が共に地中温度Ｔ０とほぼ同じである場合の潜熱蓄熱材表面温度Ｔの変化を示す。冷房開始時Ｓ１に冷房が開始され、熱媒体を介して蓄熱材が温められる。潜熱蓄熱材表面温度Ｔは上昇し、溶解開始時Ｓ２で融解温度Ｔ１になり溶解が始まる。全ての潜熱蓄熱材が溶解するまで潜熱蓄熱材表面温度Ｔはほぼ融解温度Ｔ１に保たれる。全ての潜熱蓄熱材が溶解した溶解終了時Ｓ３を過ぎると再び潜熱蓄熱材表面温度Ｔは冷房終了時Ｓ４まで上昇を続け冷房終了時Ｓ４に最高温度Ｔ３になる。冷房終了時Ｓ４から暖房開始時Ｓ５までは熱交換は無いので蓄熱材に貯蔵された温熱は土壌に拡散し、潜熱蓄熱材表面温度Ｔは指数関数的に地中温度に近づく。しかし潜熱蓄熱材表面温度Ｔは地中温度Ｔ０（＝凝固温度Ｔ１）より高いので潜熱蓄熱材は凝固せずに液相状態を保つ。暖房開始時Ｓ５の潜熱蓄熱材表面温度Ｔは、蓄熱装置とその周囲の熱的特性により決まるが冷房終了時Ｓ４から暖房開始時Ｓ５までの期間が長いので暖房開始時Ｓ５の潜熱蓄熱材表面温度Ｔは地中温度Ｔ０に近い。暖房開始時Ｓ５に暖房が開始されなかった場合、潜熱蓄熱材表面温度Ｔは破線で示したように時間の経過とともに限りなく地中温度Ｔ０に近づく。

暖房開始時Ｓ５に暖房が開始され、熱媒体を介して蓄熱材が冷やされる。潜熱蓄熱材表面温度Ｔは下降し、凝固開始時Ｓ６に凝固温度Ｔ２になり凝固が始まる。全ての潜熱蓄熱材が凝固するまで潜熱蓄熱材表面温度Ｔはほぼ凝固温度Ｔ２に保たれる。全ての潜熱蓄熱材が凝固した凝固終了時Ｓ７を過ぎると再び潜熱蓄熱材表面温度Ｔは暖房終了時Ｓ８まで下降を続け、最低温度Ｔ４となる。暖房終了時Ｓ８から冷房開始時Ｓ１までは熱交換は無いので蓄熱材に貯蔵された冷熱は土壌に拡散し、潜熱蓄熱材表面温度Ｔは上昇し、指数関数的に地中温度Ｔ０に近づく。しかし潜熱蓄熱材表面温度Ｔは地中温度Ｔ０（＝融解温度Ｔ１）より低いので潜熱蓄熱材は融解せずに固相状態を保つ。冷房開始時Ｓ１の潜熱蓄熱材表面温度Ｔは、蓄熱装置とその周囲の熱的特性により決まるが暖房終了時Ｓ８から冷房開始時Ｓ１までの期間が長いので冷房開始時Ｓ１の潜熱蓄熱材表面温度Ｔは地中温度Ｔ０に近い。冷房開始時Ｓ１に冷房が開始されなかった場合は破線で示したように潜熱蓄熱材表面温度Ｔは時間の経過とともに限りなく地中温度Ｔ０に近づく。

地中温度はその地域の気候により異なり、更に潜熱蓄熱材の融解温度は凝固温度より高い場合があるので地中温度と融解温度と凝固温度がほぼ同じ潜熱蓄熱材を作るのは困難な場合がある。更に、地中温度が異なる地域毎に異なった潜熱蓄熱材を製造する必要があり、潜熱蓄熱材が高価になる。潜熱蓄熱材の融解温度Ｔ１を地中温度Ｔ０より高くし、潜熱蓄熱材の凝固温度Ｔ２を地中温度Ｔ０より低くすれば、同じ潜熱蓄熱材を広い地域で使用できる。図４（Ｂ）はその１実施例である。

冷房開始時Ｓ１において冷房が開始され、熱媒体を介して蓄熱材が温められる。潜熱蓄熱材表面温度Tは上昇し、溶解開始時Ｓ２で融解温度Ｔ１になり溶解が始まる。全ての潜熱蓄熱材が溶解するまで潜熱蓄熱材表面温度Tはほぼ融解温度Ｔ１に保たれる。全ての潜熱蓄熱材が溶解した溶解終了時Ｓ３を過ぎると再び潜熱蓄熱材表面温度Tは冷房終了時Ｓ４まで上昇を続け、最高温度Ｔ３となる。冷房終了時Ｓ４から暖房開始時Ｓ５までは熱交換は無いので蓄熱材に貯蔵された温熱は土壌に拡散し、潜熱蓄熱材表面温度Tは下降し、地中温度Ｔ０に近づく。しかし凝固温度Ｔ２は地中温度Ｔ０より低いので潜熱蓄熱材は凝固せずに液相状態を保つ。

暖房開始時Ｓ５において暖房が開始され、熱媒体を介して蓄熱材が冷やされる。潜熱蓄熱材表面温度Tは下降し、凝固開始時Ｓ６で凝固温度Ｔ２になり凝固が始まる。全ての潜熱蓄熱材が凝固するまで潜熱蓄熱材表面温度Tはほぼ凝固温度Ｔ２に保たれる。全ての潜熱蓄熱材が凝固した凝固終了時Ｓ７を過ぎると再び潜熱蓄熱材表面温度Tは暖房終了時Ｓ８まで下降を続け最低温度Ｔ４となる。暖房終了時Ｓ８から冷房開始時Ｓ１までは熱交換が無いので蓄熱材に貯蔵された冷熱は土壌に拡散し潜熱蓄熱材表面温度Tは上昇し、地中温度Ｔ０に近づく。しかし融解温度Ｔ１は地中温度Ｔ０より高いので潜熱蓄熱材は融解せずに固相状態を保つ。

地中温度は地域により異なるので、融解温度が特定の地域の最高の地中温度より高く、凝固温度が特定の地域の最低の地中温度より低い潜熱蓄熱材を使うことにより蓄熱装置はその特定の地域で安定して動作する。つまり融解温度と凝固温度の温度差が大きいほど広い地域に適応でき、更に異常気象による地中温度の変化や他の熱源の影響等に対応できる。一方、融解温度と凝固温度の温度差が大きくなるほど融解温度が高くなり、凝固温度が低くなるので冷房と暖房の効果が小さくなる。従って、融解温度と凝固温度の温度差は２〜４度程度が好ましい。

冷房と暖房期間に使う熱量がそれぞれ潜熱蓄熱材の凝固と融解に伴う熱量より多い場合、図４（Ａ）と図４（Ｂ）で示したように溶解終了時Ｓ３以降も冷房が続くので潜熱蓄熱材表面温度Tは冷房終了時Ｓ４まで上昇を続け、また凝固終了時Ｓ７以降も暖房が続くので潜熱蓄熱材表面温度Tは暖房終了時Ｓ８まで下降を続ける。溶解終了時Ｓ３から冷房終了時Ｓ４までの期間及び凝固終了時Ｓ７から暖房終了時Ｓ８までの期間、熱は蓄熱材の温度変化に伴う顕熱により蓄熱される。従って、本発明の蓄熱装置の利用可能な熱量は潜熱蓄熱材の相変化に伴う潜熱と蓄熱材の温度変化に伴う顕熱の和である。顕熱は暖房と冷房をしない期間に殆どすべて土壌に拡散され、また温度変化を伴うので暖房と冷房の効率は潜熱に比べて良くない。

蓄熱装置が冷房期間に温熱を貯蔵し、暖房期間に冷熱を貯蔵する。その温熱量と冷熱量が等しい場合、図４で示したように蓄熱装置の平均温度は地中温度であり、温熱と冷熱の貯蔵を毎年繰り返してもその平均温度は変化しない。温熱量と冷熱量が等しくない場合、その平均温度は変化する。例えば冷房期に貯蔵した温熱量が暖房期に貯蔵した冷熱量より少ない場合、平均温度は地中温度より下がる。地表はその平均温度が地中温度である熱源と見なすことができ、蓄熱装置は地表に比較的近く設置されているので温熱量と冷熱量の違いによる蓄熱装置の平均温度の変化を減少させる。例えば図１（Ｃ）の設置形態では断熱材１５が深すぎると熱源と蓄熱装置間の熱抵抗が大きくなり過ぎて蓄熱装置の平均温度の変化が大きくなる。従って、温熱量と冷熱量が等しくない場合、断熱材１５はあまり深く埋設するのは好ましくない。

図４の説明では説明を簡単にするために、冷房期間と暖房期間と冷房も暖房もしない期間に明確に分けたが実際には冷房期間と冷房しない期間が混ざっており、暖房期間と暖房しない期間も混ざっている。更に、冷房と暖房に使う時間当たりの熱量は一定としたが実際には強中弱等があり、異なる。そのような場合図４で示す潜熱蓄熱材表面温度Ｔの変化の割合や冷房開始時Ｓ１、溶解開始時Ｓ２等や最高温度Ｔ３や最低温度Ｔ４は図示したものと異なる。特に季節の変わり目では潜熱蓄熱材表面温度Ｔは図４で示したものよりなだらかに変化し、最低温度Ｔ４と最高温度Ｔ３は図４で示したものより地中温度に近い。しかしながら修正した潜熱蓄熱材表面温度Ｔも次の特性を示す。すなわち、冷房開始以前に固相状態であった潜熱蓄熱材の相状態は冷房期間に液相状態に変化し、暖房開始まで液相状態を保ち、暖房期間に固相状態に変化し、冷房開始まで固相状態を保つ。

図５は本発明の蓄熱装置を用い、換気の空気を熱媒体とした空調装置の１実施例を示す。住宅の居住空間は気密断熱層３９で覆われ、基礎コンクリート３７の外側に地下約１ｍまで断熱材４０が敷設されている。蓄熱装置３６は換気の空気を熱交換する熱交換器５８と室内の空気を熱交換する熱交換器５９を備えている。蓄熱装置３６の蓄熱材は潜熱蓄熱材５７と基礎コンクリート３７と基礎コンクリート３７の下の土壌から構成されている。

換気の空気は換気ファン４２により取り入れ口４１から取り入れられ、ダンパー３３により蓄熱装置３６を通る熱交換経路またはバイパスダクト３４を通るバイパス経路を経由して室内に取り入れられ、不図示の排気口から排出される。バイパス経路を経由した場合、外気は蓄熱装置３６を通らないので室内に入る空気の温度は外気とほぼ等しい。一方、熱交換経路を経由した場合、外気は蓄熱装置３６で熱交換され、その温度は地中温度に近くなり室内に入る。不図示の空調のコントローラにより、室内温度が冷房設定温度より高い場合、または外気温度が外気設定温度以下の場合に外気の経路は熱交換経路が選択され、それ以外の場合バイパス経路が選択される。冷房設定温度は冷房時の室内の設定温度であり、外気設定温度は地中温度より低い設定温度であり、地中温度より２−４度低いのが好ましい。夏、外気が高温多湿の時、外気は蓄熱装置３６で冷やされ、湿度が飽和状態になると結露する。結露水は不図示の配水管から排出される。

外気が非常に高温の場合、または気密断熱層３９の断熱が充分でない場合、換気の空気だけでは容量不足で室内温度を冷房設定温度より低くできなく、室内温度が冷房設定温度より高くなる場合がある。その時はファン４３を稼動し、取り入れ口６１から取り入れた室内の熱い空気を熱交換器５９に送って空気を冷し、その冷たい空気を吹出し口６０から室内に入れて室内を冷やす。これにより冷房の容量を増加できる。ファン４３は不図示の空調のコントローラにより、室内温度が冷房設定温度より高い時に稼動する。熱交換器５８と５９は共に潜熱蓄熱材５７との熱伝導をできるだけ良くするために平行して設置されるのが好ましい。以下の説明では換気の空気だけで室内温度を冷房設定温度より低くできるとする。

冬、外気は冷たいので殆ど熱交換経路を経由し、蓄熱装置３６で地中温度付近まで温められて室内に入るので換気による熱損失を小さくできる。春や秋は殆どバイパス経路を経由するが寒い夜間は熱交換経路を通る。夏、室内の温度が冷房設定温度より高くなれば外気は蓄熱装置３６で地中温度近くまで冷やされて室内に入るので室内が冷やされる。室内が冷えて温度が冷房設定温度以下になれば外気はバイパス経路を経由するので暖かい外気が室内に入り室内の温度を上昇させる。これが繰り返され室内の温度はほぼ冷房設定温度に保たれる。

冬、冷たい外気は蓄熱装置３６の蓄熱材を冷し、潜熱蓄熱材５７が融解していれば凝固させ冷熱を蓄える。春、外気は殆どバイパス経路を経由するので、蓄熱材の冷熱は土壌に拡散しその温度は地中温度Ｔ０付近まで上昇するが融解温度Ｔ１にならないので固相状態を保つ。夏、熱い外気は蓄熱装置３６の蓄熱材を温め、潜熱蓄熱材５７が凝固していれば融解させ温熱を蓄える。秋、外気は殆どバイパス経路を経由するので、蓄熱材の温熱は土壌に拡散しその温度は地中温度Ｔ０付近まで下降するが凝固温度Ｔ２にならないので液相状態を保つ。

上記のような空調を行った場合の蓄熱装置３６の潜熱蓄熱材５７の温度は図４のように変化する。但し、上述したように図４は説明を簡単にするために、冷房期間と暖房期間と冷房も暖房もしない期間に明確に分けたので熱交換経路とバイパス経路の切換えが極めて少ない。しかし実際には外気温度が連続的に変化し、また室温を制御するので冷房や暖房は断続的に運転され、熱交換経路とバイパス経路の切換えは頻繁に起きる。

図６は本発明の蓄熱装置を用い、不凍液を熱媒体とした空調装置の１実施例を示す。建物の基礎コンクリート４８の外側には断熱材５２が埋設されている。１階の空調は基礎コンクリート４８に設置された蓄熱装置５０と不凍液を循環させるポンプ４４と熱媒体管４７と１階に設置されたラジエータ４６と換気ファン４５で構成されている。換気ファン４５は常に運転され、外気をラジエータ４６を介して建物内に取り入れ、建物内を換気する。ラジエータ４６は不凍液と通過する空気の熱交換をする。ポンプ４４は不凍液を蓄熱装置５０の熱交換器とラジエータ４６を回る経路を循環させ蓄熱装置５０に貯蔵された熱をラジエータ４６に運ぶ（またはラジエータ４６で熱交換された熱を蓄熱装置５０に運ぶと言っても良い）。

ポンプ４４は不図示の空調のコントローラにより室内温度が冷房設定温度より高い場合、または外気温度が外気設定温度以下の場合に運転される。これにより、外気が冷たい時、外気は地中温度付近まで温められて室内に取り入れられ、室内が冷房設定温度より高い場合、外気は地中温度付近まで冷やされて室内に取り入れられ、室内を冷房する。更に建物には蓄熱装置５０とヒートポンプ５３とファン５４とラジエータ５５で構成される空調装置が設置されている。換気の空気のみでは室内を充分冷房できない場合、その空調装置を運転しても良い。ヒートポンプ５３はラジエータ５５の熱媒体（不凍液）の熱を蓄熱装置５０に移動することによりラジエータ５５の温度を下げ、室内を冷房する。またその空調装置は冬の暖房にも使用しても良い。その場合、ヒートポンプ５３は蓄熱装置５０の熱をラジエータ５５の熱媒体（不凍液）に移動することによりラジエータ５５の温度を上げ、室内を暖房する。

２階は地下に埋設された蓄熱装置４９を使う。蓄熱装置４９と地表との間には地表の温度変化を遮断するために断熱材５１が埋設されている。動作は１階のそれと同様である。

以上、本発明の蓄熱装置及び空調装置の実施例を述べたが本発明はこれに限られるものではない。

本発明の蓄熱装置の設置形態の実施例を示す。 本発明の蓄熱装置の構造の実施例を示す。 本発明の蓄熱装置を建物の床下に設置した場合の実施例を示す。 本発明の蓄熱装置の潜熱蓄熱材の温度変化を示す。 本発明の蓄熱装置を用い、換気の空気を熱媒体とした空調装置の１実施例を示す。 本発明の蓄熱装置を用い、不凍液を熱媒体とした空調装置の１実施例を示す。

符号の説明

１０ 蓄熱装置 １１ 熱交換器 １２ 潜熱蓄熱材 １３ 土壌 １４、１５ 断熱材
２１ 貯液槽 ２２ 液体蓄熱材 ２３ 固体蓄熱材 ２５、３０ 建物
２６、３１ 基礎コンクリート ２７ 断熱材 ２８、３１ 床 ２９、３２ 床下空間
３３ ダンパー ３４ バイパスダクト ３５ 吹出し口
３７ 基礎コンクリート ３８ 床 ３９ 気密断熱層 ４０ 断熱材 ４１ 取り入れ口
４２、４５ 換気ファン ４３ ファン ４４ ポンプ ４６、５５ ラジエータ
４７ 熱媒体管 ４８ 基礎コンクリート ４９、５０ 蓄熱装置 ５１、５２ 断熱材
５３ ヒートポンプ ５４ ファン ５７ 潜熱蓄熱材 ５８、５９ 熱交換器
６０ 取り入れ口 ６１ 吹出し口
Ｓ１ 冷房開始時 Ｓ２ 溶解開始時 Ｓ３ 溶解終了時 Ｓ４ 冷房終了時
Ｓ５ 暖房開始時 Ｓ６ 凝固開始時 Ｓ７ 凝固終了時 Ｓ８ 暖房終了時
Ｔ 潜熱蓄熱材表面温度 Ｔ０ 地中温度 Ｔ１ 融解温度 Ｔ２ 凝固温度
Ｔ３ 最高温度 Ｔ４ 最低温度

Claims (3)

1. 熱を蓄える蓄熱材と、熱媒体を介して前記蓄熱材に熱を貯蔵または前記蓄熱材から熱を回収する熱交換器を備える蓄熱装置であって、
   前記熱交換器は前記蓄熱材の中に埋設され、
   前記蓄熱材は潜熱蓄熱材と、一年中温度が殆ど変わらない地中の土壌または大気との間に断熱材を備えて前記地中に熱的に導通した土壌を含み、
   前記潜熱蓄熱材の融解温度は前記地中の温度より高く、前記潜熱蓄熱材の凝固温度は前記地中の温度より低いことを特徴とする蓄熱装置
2. 前記蓄熱材は建物の下の土壌またはコンクリートを含み、前記熱媒体は空気または不凍液であることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置
3. 請求項１〜２のうちいずれか一項目に記載された蓄熱装置を備えることを特徴とする空調装置
   

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