JP4046687B2 - 地熱利用の空調システム - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、２００１年８月１日付提出の米国特許出願Ｎｏ．６０/３０８，８２８と、２００１年１１月２７日付提出の米国特許出願Ｎｏ．６０/３３３，１２３と、２００１年１１月３０日付提出の米国特許出願Ｎｏ．６０/３３４，０８０に基づく優先権を主張しており、これら出願の開示は、ここに組み入れられる。

本発明は、飲用に適した上水を消費したり上水の質を低下させたりすることなく、単一の既存の地下の給水管を使用する上水に熱エネルギーを注入し、又は前記上水から熱エネルギーを引き出すための非常に低コストの方法である。非常に効率の良い地熱利用ヒートポンプ式空調設備が、高いコストのかかる掘削又は熱交換装置の地下設置を行うことなく、可能になる。オンサイト（現場）の燃料電池電力及びコージェネレーション廃熱と組み合わせれば、本地熱利用の発明は、従来のシステムが必要とするエネルギーの何分の１かのエネルギー消費で済み、非常に効率が良くなる。

（地熱利用の背景）
高エネルギー効率の地熱利用ヒートポンプ（ＧＨＰ）式空調システムは良く知られている。再利用可能な地熱エネルギーは、エネルギー密度が希薄であるが、世界で最も豊富に存在し、最も確実な形態で蓄えられている地球上のクリーンエネルギーである。他の多くの高密度のエネルギー源（化石燃料のようなエネルギー源）と比べて、地熱エネルギーは地球表面において低密度で存在するため、巨大はヒートシンクを製作するのが困難で費用もかかる。地熱エネルギーは希薄なエネルギー密度であるが、地球上では、他の従来のすべてのエネルギー源を総合したものよりもはるかに多く埋蔵されている。このような地学的なクリーンエネルギーの追及は最優先事項となっており、完全に正当化されている。しかし、不幸にも、最近の地熱エネルギーの利用状況は、以下の理由により、世界的に利用されるような規模には至っていない。従来のＧＨＰ設備は、非常に高価であり、ＧＨＰ設備の原価償却に多く年数がかかるため、コスト的に効率が悪い。従来のＧＨＰシステムは、乏しい熱条件、土の堅さ（岩）、水分不足及び地熱開発用に広い領域（エーカー）が確保できない高人口密度地域（たとえば高層建築）等のような各種の土地条件に対して、すべてに例外なく適用することは不可能である。深い孔をドリルで穿孔したり、長い溝を堀るためにかかるコストは、標準的な地熱利用設備に要する総コストの略半分程度であるが、掘削する場合は、多くの地域において非常に多大なコストがかかる。地熱利用に関する従来の開示においては、閉型の流通ループを挿入するための深い熱利用穴を穿孔し、そして、改良された熱状態の注入部材によって埋め戻すために、複雑化な計画が多い。同様に、様々な熱伝導性を有するループ埋め戻し材料によって、長くて深い溝を埋め戻す技術に関する文献はあふれている。非常に長くて湾曲したループを穿孔するために、航海的にガイドされる水平なループ穿孔技術が発達してきた。上記水平に穿孔されたループにはチューブが引き込まれる。さらに、湖、川及び海の地熱エネルギーを開発するために数多くの技術が発展してきた。単一の井戸（開型ループ）及び複数の井戸（閉型ループ）の地下水源が活用されてきたが、そのような熱利用可能な水域の使用は、非常に高価な設備費用及び掘削費用がかかり、また、汚物及び/又は残骸物のろ過問題及び長い畝ができる等の諸問題がある。

地熱利用コストの低減を図るその他の試みとして、精巧で複雑な地熱利用熱交換システムが開発されている。たとえば、冷たい地下の水を、騒音が発生する蒸発式冷却水タワーの冷却媒体として利用している。そのコストは、大規模な商業的利用においては高くつくが、大きなエネルギーの節約ができる。商業的な規模の地熱利用設備、たとえば標準的に１００−１０００トン（＞１２０，０００〜１，２００，０００ＢＴＵ/ｈｒ）の設備の高いコストには、離れた箇所の公共又は市営等の都市の給水本管に接続するための大規模な掘削にかかる費用も含まれている。主要な都市の水の流れが遮られ、大きな熱交換器に向けて延びる大きな管と前記大きな熱交換器から戻る大きな管との２つの管に分かれることになる。上記２つの大きな管は、都市の水供給システム内で大きな地下ループを形成する。高価なこの型の設備は、かなり広い土地（舗装道路までも）を掘削すると共にそれらの土地や道路を埋め戻すために、機械を移動させるための大きな土地が必要であり、当然、大きな商業的な給水本管を中断するために、コストのかかる認可も必要となる。そのような従来技術の熱交換システムは、４０戸以上の隣接した家庭が収まっている大きな集合住宅又は商業的な建築物においてのみコストの節約が可能である。この特別の型の地熱利用を適用するための総掘削費用は高いが、地域全体の住居に広がる分割された数千フィートの地下熱交換閉型ループよりはコストがかからない。そのような共同体の地熱利用設備は、複雑でコストのかかる問題を有している。たとえば、都市の水供給システムに接続された各家庭又は事務所に請求されるべき水使用量の計量及び積算にコストがかかる。都市の給水本管に熱交換ループ用に大規模な掘削を行うことについての多くの制限は、一戸建て住宅にとってそのような複雑な地熱利用方法のコストを非常に吊り上げている。

それにもかかわらず、無尽蔵に埋蔵する地熱エネルギーを効果的に活用することは、低公害で、低エネルギーコストとなるので、本発明に記載しているように、設備コストが大幅に低減するならば、我々は、すべての再利用可能なクリーンエネルギー源のうち最大の地熱エネルギーを適用することが望まれる。

再生可能な地熱エネルギーは非常にクリーンであり、信じられない程豊富に存在し、本質的に無料であり、そして、風、潮汐又は太陽エネルギーと異なり、１日２４時間確実に利用でき、何の問題も存在しない。地球の外表面から数百フィートの深さまでの外郭部分は、ＧＨＰが接続可能であるが、上記外郭部分の温度は、蓄積される太陽エネルギーの年数に大きく支配される。実際、１年間で地球に降り注ぐ太陽光エネルギーは、今まで人類によって使用されたすべてのエネルギーよりも多い。この点に関し、風や雨のエネルギーが降り注ぐ太陽エネルギーの副産物であるように、ＧＨＰは太陽エネルギーを蓄積するのに、実際、丁度都合の良い形態である。地熱として太陽エネルギーを蓄積することは、まさに多量の太陽エネルギーを吸収して熱として蓄積する機構である。地球の核内の深い部分からの高温の熱エネルギーは、地殻中を伝わり、最後に地球表面から、平方フィート、１時間当たり、単に１５．９ＢＴＵs(British thermal unit)の割合で開放される。地球を加熱する太陽エネルギーは、１００watts/ft²を越え、平方フィート、１時間当たり、３４１ＢＴＵs以上となっており、それにより、得られる太陽エネルギーは、地球の核からの熱損失を遥かに超えている。地殻は、一日の太陽照射量と季節的な変化に起因して、安定した平均温度になっており、それにより、地熱エネルギーは、地球太陽エネルギーと称されている。上記蓄積された太陽エネルギーが地熱利用ヒートポンプによって活用される時、蓄積された太陽エネルギー蓄積部分は、冬の数ヶ月において一時的に借り入れられ、そして夏の数ヶ月においてポンプによって戻される。地球の最も高温の核温度、”純粋の地熱エネルギー”は、米国の西部地域においては、一般的に蒸気力による発電のために利用されている。他のクリーンな再生可能な太陽エネルギーシステム（たとえば、太陽光電配列）は、太陽光がない時には、大規模でコストのかかる人口のエネルギー蓄積システムが必要となるが、それらとは異なり、地熱として蓄積した太陽エネルギーは、コストが無料であり、本質的に一年を通して利用できる。しかし、熱交換ループを地中に設置するために高い掘削費用がかかることは、今日まで障害であった。

従来、ＧＨＰを世界的に普及させるのに主に障害となっていたことは、設備コストが高いことと、長いエネルギー節約による原価償却期間が伴うことである。米国政府のエネルギー省（ＤＯＥ）は、様々な地熱利用エネルギーシステムを採択することを推奨すると共に、２００５年までに２百万個に地熱利用設備を増加することを目標としている。また、ＤＯＥは、２０１０年までに、ほんの１万戸の屋根に太陽パネルを設置するという、同様な低い目標の再生可能な太陽エネルギーの設置を推奨している。前記の非常に控えめな両目標は、米国人にとって従来の高コストのクリーンエネルギー節約技術を利用することが、いかに気の進まないものであるかということを表わしている。もし地熱利用設備コストが、本発明を適用する場合のように飛躍的に直ちに低減できるのであれば、地熱エネルギーは、現在当局が予想しているよりも遥かに早く、大いに普及するクリーンエネルギー源となる。安直なクリーンエネルギーは望まれておらず、それは世界的に差し迫っている。再生可能な太陽エネルギーは、長期にわたって太陽光が照らない間は、大規模なエネルギー蓄積設備が必要となるが、それとは異なって、地熱利用ヒートシンクは、いつでもどこでも活用することができる。

２０１０年までに、概ね２０００万〜５０００万の地熱利用設備を設置するＤＯＥ及びＥＰＡの目標（５０〜１２５倍高い目標）は、温室放熱削減の場合と同様に国家的な規模とすべきである。不幸にも、国は結果としての設備コストを負担することを強いられている。しかし、仮に、地熱利用設備が高額でなく、かつ制限が無かったならば、５０００万設備以上の積極的で価値ある目標が実施されるべきである。そのような目標は、国家的及び世界的な温室放熱削減目標に強い影響を与える。さらに、仮に、地熱エネルギーのコスト効率がさらに向上するならば、他の国家も同様にそれを適用するであろう。

（発明の要約）
本発明によると、従来の地熱利用設備と比較して、はるかに低い地熱利用設備コスト、より普遍的な設備、及びはるかに高い地熱利用効率が、今、実現可能となる。世界的に、５０００万〜１億もの多くの住居が、本発明を適用することによって廉価な地熱利用システムを容易に適用できると考えられ、それにより、環境及び世界経済に幾多の利益をもたらすことができる。

地下において地熱利用の熱交換を行いうる既存の上水基礎施設は、単一の都市水供給管を利用して住居と間で往復する上水を使用している建築物との間で、本発明にしたがって十分な熱エネルギーを移動、分配及び吸収する能力を、既に備えている。本発明は、この既存の都市の地熱利用基礎施設を、遮断し、邪魔をし、又は価値ある上水の質を落とすことなく、独自に活用したものである。

本発明は、大量の飲用に適した上水を、給水本管から一時的に引き出して貯留し、貯留している間に、住居の熱エネルギーと前記一時的に貯留された上水の間で熱交換を行うことを提案している。熱交換の期間が経過した後、減少していない純正状態の上水は、入口の水量計を通って強制的に戻され、それによって、正味の地熱利用の水の消費量は、実質的に消費量０として記録されることになる。このように低コストの上水熱交換システムにできる鍵は、たとえ全部ではなくとも、最近設置された殆どの水量計は、１００％が逆流可能な構成となっていることである。そのような可逆可能な水量計によって、一方向に流れて積極的にその使用量（正の使用量）が記録される上水は、ポンプによって戻され、前記積極的な使用量と同じ量であるが、反対の消極的な使用量（負の使用量）として記録される。このように、冷却又は加熱された上水は、住居の二方向性水量計装置を通して戻り量が計量されたとき、結果的に正味使用量無しとして記録され、料金が請求される。しかし、上水に熱を追加し又は熱が取り出された地熱利用水を使用した場合には、その使用量は計量され、請求される。

本発明は、既存の地下の上水と下水の基礎施設を、殆どの近代的な世界に地熱的に役立たせることができ、それにより、世界的なエネルギーの節約に関し、エネルギー効率を飛躍的に増大させ、その結果、利用可能な上水を減少させることなく、温室放散の大幅な削減を達成するまれな機会を提供することができる。さらに、本発明を既存の上水基礎施設に、いかにコスト効率良く組み合わせるかが一旦知られたならば、従来の開型又は閉型ループ式地熱利用システムでは不可能であった幾つかの他の主要な熱の増大化もまた可能となる。たとえば、大きな商業的な発電プラントの廃熱は、冬の数ヶ月の間、都市の水供給システムに組み合わせることができ、それにより、各住居に分配される上水の温度を高め、冬の数ヶ月の間、本発明によるヒートポンプ設備の効率をより高めることができる。膨大な量の発電プラントの廃熱は、大気中又は水域近くに放出する代わりに、水供給会社に販売することができる。このように、本発明によると、低グレード（低温度）の発電プラントの廃熱を、離れた数百万の箇所に低コストで移動することができる。冬は、よく知られているように地熱効率が低下する時期であるが、冬の暖房についても、夏の地熱利用冷房と同じ程度あるいはより効率良くなる。このような増大された冬季のヒートポンプ効率は、より小さくて、より低コストの個々のヒートポンプシステムを可能とし、一方、同時に、商業的な電力プラント及び商業的な水供給会社に、彼らが熱エネルギーと既存の熱分配システムを組み合わせて賢く使用することにより、十分に高い利ざやを提供することができる。

本発明の別の好ましい実施の形態は、オンサイト型（敷地内設置型）燃料電池電力供給装置を、本発明による上水地熱利用ヒートポンプシステムに組み込んだ住居内に備えると共に、前記オンサイト型燃料電池供給装置を、住居全体に電力を供給する場合と同様に地熱利用システムを駆動するためにシステム内に組み込む。発電廃熱（たとえば燃料電池の廃熱）は、冬の数ヶ月間は、冬季エネルギー消費量を大幅に減らすように、地熱水貯蔵システムによって使用される。電気、暖房、冷房及び湯沸かしに利用される上記のようなオンサイト型コージェネレーションは、この独特のエネルギーシステムの組み合わせを、従来の暖房及び冷房システムよりもはるかに効率良くし、ＣＯ2汚染を最小にし、そして、設備操作コストを最も低減する。この発明が広く使用されるようになると、コスト的に高い産業プラントの改良によって行うよりも、国際京都会議で設定されたＣＯ2削減目標を超える大きな削減を達成できると信じている。

そのような非常に高い地熱利用施設目標を達成することを望むための鍵は、本発明の次の３つの原則的な事項にかかっている。１）掘削工事が全く不要になることによる施工期間（施工速度）の短縮及び施工の容易化。２）大幅な設備コストの削減。３）従来技術の地熱利用システムを超える非常に高いエネルギー効率である。地熱利用の施工に伴う即座の積極的な金の流れによって、地熱利用設備を広めることに対する最終的な抵抗を排除すべきである。もし、たとえば、各地熱利用設備設置費のための月々の支払いが、月々のエネルギーの節約分よりも少なくなるように十分に低ければ、新たな地熱利用システムは即座の正味の積極的な金の流れを作り出す。即座の積極的な金の流れの可能性は、消極的な金の流れを作り出す従来のシステムとは異なっている。非常に低コストの地熱利用設備は、本発明の目的とするものであるが、それによって、都市や郊外に地熱利用を広めるための最終的な障害を除去することができる。従来の地熱利用システムは、閉型ループ及び開型ループシステム、大きな都市の水の地下ループシステム及び水タワー補助システムを含んでおり、これに対して以下に述べるように、本発明は、費用効率の最も良い元金回収の点ではるかに優れており、また、閉型ループ井戸及び湖/池の熱移動システムと比較しても遥かに優れている。

この国（米国）及び他の工業化された国々は、広大な地下の都市水配管基礎施設を建築するのに非常に多忙であった。これは膨大な地球のヒートシンクを開発するための考えである。米国はただ一国、大きな直径の地下配管を１００万マイル敷設することを考えており、その地下配管は、後述する本発明によって明確になるように、それらのすべてが高価な地熱利用熱交換器として利用することができる。上水はコストのかかる不足気味な生活必需品であり、地熱利用エネルギーシステムにおいて無駄に使うべきではない。本発明は、上水を全く無駄にすることはない。

したがって、本発明の１つの鍵となる目的は、上水を消費することも水質を低下させることもなく、単一の既存の地下の配水管を利用する上記上水から熱エネルギーを取り出し、又は上記上水に熱エネルギーを与える非常に低コストの方法を提供することである。既存の大規模な上水排水管の地下基礎施設は、膨大な地熱エネルギーを引き出すために利用され、そして、商業的な発電プラントからの廃熱と同様に、湖、川及び海から地熱利用エネルギーを引き出すよりも高いコスト効率でエネルギーを引き出すことができる。既存の基礎施設は、殆ど無料の地熱エネルギーを内蔵する真の財産である。本発明は、商業的な水の供給を受け、または、共同上水供給源から水の供給を受けている住居において、前記地熱利用エネルギーを簡単に取り出すことができ、しかも、建物近辺において掘削、穿孔及び配管作業を行うことはなく、それら作業のコストを、完全に排除することができる方法を示唆している。以下に詳しく説明するように、本地熱利用発明によると、各地熱エネルギー利用のユーザーに請求される水使用量は実質的に増えることはなく、追加的に上水を消費する量も０となる。比較的少量の地熱利用の上水は、単に地下の水供給基礎施設から一時的に借り受けるだけであり、その時に熱エネルギーが上水から取り出され又は注入され（暖房に利用するか冷房に利用するかによる）、その後、上水は地下の基礎施設へ、元のクリーンな状態のまま戻される。借り入れられたクリーンな水が地下の主たる上水供給装置に一旦戻されると、その上水は、下流側の別の地熱利用のユーザーに送られる間に、再び、地下の平均的な熱状態に戻される。

本発明の別の重要な目的は、同一の地下の基礎施設を使用することによって、国の商業的な電力プラントで発生する低質（低温）の廃熱を、住居及び商業的な施設へ直接移送することであり、それによって、地熱利用ヒートポンプシステムの効率を、従来の地熱利用ヒートポンプシステムの効率よりも向上させることができる。

最後に、本発明は、燃料電池の廃熱を冬の地熱利用暖房に利用している間は低コストの電力を現場で発生させることができるように、地熱利用の空調を燃料電池技術と組み合わせており、この最後の構成は、従来の地下の地熱利用ループでは実現不可能である。

商業的な電力供給会社は、一般に、ほんの２５％程度の正味効率しか実現しておらず、その理由は、電力プラント自体の発電段階においてほんの３０％の効率であり、かつ、多くの変圧器が介在する電力配給網で、たいていはほんの９０％程度の効率が維持されるだけだからである。そのようなエネルギーの無駄とＣＯ₂の発生は、オンサイトの発電、すなわち住居等の敷地内での自家発電によって略完全に排除される。オンサイトの発電は、たとえ４０％程度の効率であっても、分配用の基礎施設は不要となり、それにより商業的な発電システムの２倍もの効率を得ることができ、そしてさらに、オンサイトの発電による廃熱は同じ住居内において冬の暖房及び/又は部分的に湯沸かしにも利用することができる。燃料電池技術は、たとえば、現在、何ら移動しない部分において、化石燃料を直接かつ静かに電気に変える場合に、４０％の効率を維持することが可能であり、そのような燃料電池は、本地熱利用発明と組み合わせることにより、本発明の好ましい実施の形態を提示する理想的で独特の組み合わせとなる。

地球の非常に熱い核（コア）は、地球の表面の近くを介して、１時間、１平方フィート当たり、平均１５．９ＢＴＵS（４．６６WATTS/fT²)より大きい速度で、ゆっくりと冷えている。しかしながら、地球表面は、半日で、１００watts/ft²より遥かに大きいエネルギー密度で、太陽により加熱されている。したがって、地球表面における地熱利用エネルギーは、実際、殆どの地域において、自然に蓄積される太陽エネルギーである。この薄い外側地熱利用地殻は、熱交換が比較的簡単に実行できる部分であり、標準的に、平均５０〜７０°Ｆ（緯度に大きく左右される）の温度である。浅い地中の温度は、各緯度における環状の平均空気温度（冬/夏）と釣り合うようにその空気温度に近付く傾向にある。数フィートしか離れていない箇所でも、局部的に著しく地中熱伝達率が相違することがありうる。乾燥した土地や岩石層では、非常に高い熱伝達率の箇所のすぐ傍らに乏しい熱伝達率の箇所が存在する場合があり、従来の熱利用システムの効果を予測することができない場合がある。さらに理想的な地下の熱交換の形態は、都市の水供給システムのように、物理的に大きなシステムであり、該システムにおいては、流水によって様々な地域の地温状態の特性を平均化する傾向にある。大きな地下の上水基礎施設を開発することは、理想的に温度平均化の目的を達成することができる。

地球に蓄積されているエネルギーは莫大なエネルギー源であるけれども、それはまた、地熱エネルギー蓄積用の巨大なヒートシンクとも考えられる。本発明による地熱利用の空調は、冬の間、地球からの地熱エネルギーを借り入れて建築物内を暖房し、夏の数ヶ月間に、借り入れた地熱エネルギーの殆どを地球に返すことになる。地球との間で相互に交換される熱エネルギーは、冬の間は住居を暖房するために、ポンプ作用により数°Ｆ上昇させ、夏の数ヶ月は、反対にポンプ作用により数°Ｆ下降させ、それにより、夏の熱を地球に戻すことになる。ここに述べる地熱利用ヒートポンプの効率的な発達の鍵は、”数°Ｆ”という語句である。たとえば、もし、冬期の平均の土地温度が６０°Ｆであると仮定すると、地熱利用熱は快適な室内温度７５°Ｆを維持するために、数°Ｆ上昇させる必要がある（単なる１５°Ｆの相異）。そのような温暖な冬の条件の下、本発明にしたがった地熱利用ヒートポンプは、その目標を達成するために殆ど負担がかかることはない。それと比較すると、従来の空気交換ヒートポンプでは、冬季の屋外の熱をポンピングして外気を１０°Ｆから室内温度７５°Ｆに上昇させるために、非常に低い効率となる（６５°Ｆの相異）。同じ比較は、夏の数ヶ月においても同様である。もし、暑い（たとえば１００°Ｆ）夏の環境のために、７５°Ｆの住居から屋外に熱を移さなければならないとすると、２５°Ｆの温度差に対して、空気対空気のヒートポンプによってなされる仕事は、地熱利用ヒートポンプが、７５°Ｆの熱を、それより冷たい６０°Ｆの地温に移行させる場合よりも、大幅に大きい。ヒートポンプの電気効率、地域の屋外の温度条件、及び地域の地熱温度にもよるが、地熱補助ヒートポンプは、在来の空気交換式ヒートポンプよりもはるかに効率が良く、そして化石燃料システムよりも数倍効率的である。非常に高い１年分の効率及び２４時間の信頼性は、すべての地熱利用空調装置にとって、大変魅力的である。

しかし、以前の簡素化された熱利用の例は、現実性が薄い。実際、地温は、一年を通して常時６０°Ｆには保たれていない。地温は、深さ、季節、測地学上の緯度、及び土地の熱伝達性により、４０°Ｆより低い温度から８０°Ｆより高い温度まで変化するものである。非常に地温が冷たい（たとえば４０°Ｆ）冬季における施工は、ヒートポンプシステムが冬の地温が非常に高い場合（地熱を引き出す時に、より高く、より良く）と同様な効率を発揮できないことははっきりとしている。同様に、地熱利用施設は、夏の地温が略８０°Ｆの地域では、効率が良くない。熱エネルギーを地中に注入するとき、地温が最も低いときに、最も高い地熱利用効率が得られる。

殆どの居住地域において、夏の期間の土地の温度は平均５５°Ｆから８０°Ｆであり、そして、従来の地熱利用施設は、夏の期間、それらの地域において、非常に効率が良い。しかし、従来の地熱利用システムは、経済的にもエネルギー効率の点でも、幾つかの理由により、魅力のないものとなっている。冷たい冬の土地から地熱を引き出す時、周囲の土地はより冷たくなる。もし、冬の地温が既に冷たくて（たとえば４０°Ｆ〜５５°Ｆ）、住居を暖房するための追加の熱エネルギーが引き出されるときには、土地の温度は下がり、地熱効率はさらに低下する。たとえば、もし、冬の土地温度が標準的に４５°Ｆであり、地熱利用ヒートポンプが、たとえば平均地温が３５°Ｆに低下した追加の土地温度を引き出したと仮定すると、地熱利用システムは、冬季において４５°Ｆ〜５５°Ｆの温度差に対して、効率の悪い仕事をしなければならない。これゆえ、冬の地熱利用効率は、ＢＴＵ需要が最も高いときに、最も低くなる。より良い断熱を施しても、冬季における住民のＢＴＵ熱必要量は、夏季における冷房用エネルギーの必要量に対して、１０倍〜１２倍になる。従来の地熱利用ヒートポンプ施設は、エネルギーが効率的であるが、まさしく、熱エネルギーが最も必要とされる寒冷地においては、最もエネルギー効率が小さくなる。この冬の地熱利用効率に関するジレンマを解決する手段は現在存在し、冬の電気廃熱を使用することにより、地熱利用効率を増加させることである。

以上説明したように、電力プラントは、３０％の低さから５７％の高さまでの範囲の発電効率を発揮しており、その結果、電力プラントにおいては膨大な量の廃熱が生じ、それを放散するために実益的なコストがかかっている。廃熱は、低質（低音）の熱であるが、１年中、放散しなければならず、賢い廃熱の利用を妨げる主たる障害は、消費者のためのコスト効率の良い熱分配システムに欠けていたからである。非常に小容量の廃熱を、地域的な建物の暖房用の蒸気熱エネルギーとして、近くの熱消費者に売る電力プラントが多く存在する。しかし、最も低質の電気廃熱は、電力の優位性を象徴しているが、今日まで、何ら現実的な価値は存在しなかった。本発明によると、電力廃熱は冬季において、既存の地下の上水供給システムを経て地熱がヒートポンピングされることにより、コスト効率良く分配できる。地下の熱交換ループを備えた従来の地熱利用システムでは、都市の水道システムから分配される商業的な廃熱を効率良く利用することができなかった。その理由は、殆どの廃熱エネルギーが地下のループ内において失われてしまうからである。本発明は、地中ループも地中ループ損失も存在しない。

それゆえ、本発明の別の主たる目的は、実用的でコスト低減効果の高い方法であって、冬季の電力プラントの廃熱の大部分を、冬季地熱利用ヒートポンプ効率を飛躍的に増加させ得る形態で分配し、使用する方法である。一方、電力プラントは廃熱を売ることによって、より多くの利益を得る機会ができる。豊富なエネルギー源を上記にように賢く利用することによる正味の効果は、地熱の末端ユーザーのためのエネルギーコストの大幅な削減と、さらには、温室放散の削減である。提案された電力プラント廃熱分配システムは、既存の上水分配網である。

同様に、電気廃熱は、オンサイトで発電する燃料電池が使用されるならば、それによっても発生する。オンサイトの燃料電池廃熱を、１年間通じて家庭内の湯沸しに利用することは、今までに提案されてきた。しかし、もし、電気需要が低くなる事態になったならば、住居内において上記湯沸しを十分に行うことができなくなる。燃料電池廃熱による湯沸しは、したがって現実的でない。燃料電池廃熱は、今まで、従来の地下ループ式地熱利用暖房システムに利用されたことはない。なぜなら、電気廃熱の多くは、地下ループ式熱交換システムに吸収されてしまう。燃料電池廃熱を本地熱利用発明に組み合わせることにより、幾つかの予想外の利点がでてきた。１つの例は、室内暖房が湯沸しよりもより大きくかつ継続的な需要を持っているので、燃料電池廃熱を室内暖房用に十分に利用できることである。２つ目は、本発明は、地下ループによる熱損失を生じないことである。燃料電池と地熱利用ヒートポンプとのいろいろな組み合わせは、最も理想的で効率の良い組み合わせであり、本発明の最も好ましい実施の形態である。

本発明と共に使用するために活用できる廃熱の別の源は、汚水（下水）の放出に見出される。１家庭当たりで排出される汚水の平均量は、１日当たり略２００ガロンであり、平均温度が８０°Ｆである。従来の暖房システムはこのエネルギーを利用しなかった。その理由は、基本的に、汚水温度が十分に高くないからであった。しかし、本発明で使用されるヒートポンプは、このエネルギーを、追加的で、かつ、十分なエネルギー節約のために、回収できる。

本発明は、室内冷暖房、及び湯沸し用エネルギーの効率化という明確な利点のほかに、予想外の多くの利点がある。地熱利用の利点のすべてを述べるために、本発明の基本的な前提が最初に述べられ、そして多くの予想外の利点が１つ１つ呈示されるであろう。

前述及び追加された本発明の目的、特徴及び効果は、後述する好ましい実施の形態の説明並びに添付の図面により、一層明確になるであろう。

（好ましい実施の形態の詳細な説明）
図１〜図５は、暖房又は冷房されるべき空間を有する在来の囲い地１０を示しており、該囲い地１０は、たとえば家屋もしくは共同住宅のような住居ユニット、事務所もしくは事務所用の大きなビル、又はその他の構造物である。しかし、説明の都合上、在来型の１家族居住用の家屋としてもよい。図１において、池又は湖１４内に配置された従来の池ループ１２と、家屋１０内に配置された地熱利用ユニット又は熱交換器１６との間で循環する水によって、家屋１０内の地熱利用暖房又は冷房が行われる。このような従来システムは、あまり経済的には設置することができず、そして、池の深さが少なくとも８フィートある場合に、家屋と池との間の相互の効率的な熱伝達が可能になる。コイル状パイプ１２は図示のように水の中に配置されており、そして、通常は、コイルパイプ１２は略１/２エーカーに亘っており、平均的な家庭で約９００フィートのパイプが必要とされる。

池や湖が利用できない場所では、地面の状態が通常の掘削が可能で、差し支えのないスペースが確保されていれば、図２に示すように、ループ１２は地面に掘削された溝１８内に設置される。溝１８は、標準的には約５フィートの深さであり、複数のパイプが溝内の異なった深さに配設され、通常、数百フィートの溝が必要となる。

従来の地熱利用設備の別の例が図３に示されており、開放型ループ設備と称している。この場合、水は、地下帯水層から井戸２０を通してポンプで汲み上げられ、適当な熱交換器１６を通過し、そして、出口ライン２２を通って、池、排水溝又は戻し井戸等に排出される。地熱利用ユニット、又は熱交換器１６は、図１及び図２で説明した閉塞型（クローズ型）ループシステムで行った場合と同様に水から熱エネルギーを採取する。

図４はさらに別の従来システムを示しており、各井戸２７，２８及び２９にそれぞれ挿入された垂直ループ２４，２５及び２６が、地熱利用ユニット１６に接続されている。各垂直ループは、Ｕ字管組立体によって井戸の基端部で結合される一対のパイプから構成され、それらパイプの上端部は流出配管３０及び戻り配管３１に結合されている。井戸の深さは、一般的に、１５０フィートから２５０フィートの間であり、地中との良好な熱接触を確保するために、充填剤によって埋め戻されている。

図５はさらに別の従来システムを示しており、サブステーション（中間供給基地）３４のような商業的な水源から、給水本管３５及び屋内配管３６を通って家庭用水システム３７及び熱交換器３８に水が供給される。熱交換器３８で使用された水は、出口配管３９を通って公共の用に供された戻り本管４０に戻される。このシステムは、構造が複雑で、高コストの戻り本管が必要となる。

このような従来システムは多くの利点を有するけれども、設備費用が高く、しばしば、付随する土地の破壊と回復のコストが伴う大規模は掘削が必要となる。本発明は、換言すれば、掘削及びそれに伴う不利益を蒙ることなく、地熱利用システムの利益を得るようにすることである。図６に示すように、本発明の地熱利用補助ヒートポンプシステム５０は、従来のように、地熱利用設備の周りの土の掘り起こし、ボーリング又は掘削のために高いコストを必要とすることなく、非常に効率の良いヒートポンプを作り出すことができる。既存の地下の巨大な商業的水供給基礎施設５２は、既に、飲用に適した上水を浪費することなく、かつ、高コストの水使用量が料金に積算されることなく、地中熱利用の熱交換システムとして利用できる十分な規模を備えている。

本発明によると、既存の都市の水道システムのような商業的な水供給施設５２は、既存の上水供給配管（供給ライン）５４を介して住居５６に接続しており、住居内又は住居近くに配置された可逆水量計５８及び配水管５９を介して、適度の大きさの上水コンテナ６０を周期的に満水にするようになっている。上水コンテナ６０は、たとえば従来のコンプレッサー型ヒートポンプのようなヒートポンプ６２の近くに配置されている。コンテナ６０内の飲用に適した上水は、冬場においてはヒートポンプに熱を放出し、一方、夏場においては、ヒートポンプ用のヒートシンクとして活用することが要求される。コンテナ６０内に一時的に借り入れ（取り入れ）られて少しばかり加熱又は冷却された少量の上水は、その後、ポンプ６４によって配水管５９に戻されるが、住居の可逆水量計（装置）５８を逆転させるため、結局、記録されて料金として請求される正味の水使用量には含まれない。このように、本発明は、単一の既存の上水供給配管５４を使用して、現場（住居敷地内）の熱利用水貯槽であるコンテナ６０に水を充填し、かつ、全く同じ水供給配管により、上水をその供給源に戻すようにしているので、従来のような閉型ループは必要なく、地面を掘削する必要もなく、埋め戻される地熱利用材料も必要なく、特別の建設許可も必要なく、そして、天候による建設期間の遅れも無視できる。また、一時的に借り入れられた上水は、完全な可逆性を有する水量計を介して商業的な水供給基礎施設５２に戻すので、正味の上水消費量が増加することはない。

既存の地下上水基礎施設は、地理的に国の大部分の人口集中域における需要を十分に満たすことができ、その結果、国家的なエネルギー節約（保存）に関して飛躍的発展をもたらし、かつ、温室放射を削減し、そして、国家的な水供給源を枯渇させることなく、現在知られている最も効率的な冷暖房を利用することができる。

本発明の最も簡素化された形態においては、地下の主たる上水供給配管から適度な量（たとえば１００ガロン）の商業的な上水を、地熱利用可能に施工された住居に配置された加圧貯留コンテナ６０に引き入れる。この引き入れ時の住居の水量計は、たとえば、１００ガロンの使用量を記録する。一時的に借り入れられた上水は、コンテナ６０内では平均的な地域の地下温度に達している。簡単に言えば、上水は６５°F(１８℃）であると仮定できる。水の熱容量からして、１００ガロンは、略１．７×10⁶ジュール/℃の熱容量を持っており、１００ガロンの水の温度を１０℃だけ変化（上昇又は下降）させるためには、ヒートポンプ６２によって前記水に（又は水から）１７×10⁶ジュール/℃のエネルギーを追加（又は削減）する必要がある。この総熱エネルギー量は、１時間当たり４．７２ＫＷ（２２０ボルトの電源から約２０アンペア）の電気熱の追加又は削減に相当する。また、１７×10⁶ジュールは、１６，１００BTUsに相当し、これは、一般的な住居を３０分から１時間冷房するのに十分なエネルギーである。

上記点に関し、仮に、１００ガロンの変化していない元の状態の上水（１０℃暖められ又は冷却されている）がポンプによって可逆水量計５８を通って都市の水供給本管に戻されたとすれば、その水量計で量られる住居の水使用量は、１００ガロン差し引かれることになる。住居は、１時間の間に借り入れた１００ガロンに相当する水道料金を支払う義務はなくなる。１日２４時間に亘っては、２４００ガロンの水を取り入れ、その水から地熱利用熱を引き出し（又はそれに注入し）、それから２４００ガロンの水は、元の水質を保った状態で略一定の水供給圧の下、水供給本科に戻される。仮に、２４００ガロンの地熱利用の上水が戻されなかったとすれば、一日当たり１２ドル（又は１月当たり３６０ドル、又は１年当たり４３２０ドル）のコストがかかり、これは、地熱利用のユーザーにとって非常に無駄な経費となる。本発明によると、現実にそのようなコストはかからない。もちろん、水量計は家庭における全体の水使用量を記録しているが、仮に、住居内において平常通りに水が使用されているとすれば、平均的な住居内に取り入れた上水の一部は上水供給配管には戻らず、正味の水道料金の対象となる。各住居では、１日一人当たり略１５０ガロンが使用され、標準的には、１日当たり１住居で４５０から６００ガロンの水が使用されるが、それらすべての水は上水供給配管の戻されることはないので、水供給会社によって料金が請求される。

商業的な上水での唯一の相違は、上水が戻った後の温度である。少しの温度の相違は、戻った水が商業用水の流れに混ざり、地下に埋められた大径の実用的な水道管を通って隣の住居に移動する間に、解消されてしまう。商業的な地下配管として、大きな直径の地下水道管を利用していることにより、追加（又は削減）された熱エネルギーは、速やかに土の温度と再び同じになり、したがって地熱利用ユーザー又は水会社にコストがかかることはない。このように地中に埋設された実用的な水道管は、一般的には、大きな効果的な表面積を備えた直径が４から６０インチの管が使用されており、数フィート（一般に６フィート）の地下に埋められている。住居間の直線的な距離（フィート数）は、借り入れた上水が、その標準的な地熱利用温度に戻って次の下流側の地熱利用ユーザーによって再び借り入れられるまでに、十分な距離となっている。

借り入れた上水を、最初に受け入れた状態よりも良い状態にして戻すようにすることも、必ずしも必要ではないが、可能である。地熱利用の各ユーザーは、上水コンテナ内に回路を内蔵することが要求され、または必要とされる。前記回路は、たとえば、ポンプ６４と水量計５８の間の戻り配管６６内の水処理装置７０内に内蔵されており、該水処理装置７０は低出力（４ワット）の殺菌ランプであって、商業的な上水を照射することにより、水中に潜在する有害な微生物の数を削減させる。すべての下流側の水のユーザー、特に、水供給装置から最も遠く位置するユーザーは、従来の水システムにおいて標準的に利用する場合に比べて、高品質の上水を得ることができる。ちなみに、従来の水供給システムでは、通常、水供給装置から最も離れたユーザーには、最も品質の低い水が供給されることになる。

図６に示すシステムにおいて、水量計５８から出てくる上水は、配水管５９，７４を通って住居５６の通常の水使用システム７２に供給されるが、ポンプ６４からの吐出によるダメージを避けるために、管７４内には圧力調整機構７６が配置されている。さらに、管７４内には逆止弁７８が配置されており、該逆止弁７８により、ポンプ６４の作用によって水使用システムの水がサイホンのように水供給装置５２へ逆流するのを防止している。

好ましくは、遮断弁８０を配水管５９内に配置するが、前記遮断弁８０の位置は、ポンプ６４から水量計５８に水が戻るための戻り位置８２から離れている。遮断弁８０は適当なコントローラ（コントロール回路）８４によって制御されるようになっており、コントローラ８４でポンプ６４を始動させた時に、ポンプ６４によって汲み上げられた水がコンテナ６０へ逆流しないように、遮断８０を閉じるようになっている。コントローラ８４はコンテナ６０内の水を定期的に交換するためのタイマーを作動させ、また、コンテナ６０内の水温センサー８６に応答する。操作に関し、遮断弁８０がコントローラ８４によって開くと、水供給施設５２から供給される上水は貯留用のコンテナ６０に流入する。コンテナは、好ましくは、商業的な水供給施設と同じ圧力を維持するために、空気袋を含んでいる。コントローラ８４で設定された温度まで水温が上昇又は降下した後、遮断弁８０が閉じられると共にポンプ６４が駆動し、コンテナ６０から供給施設５２へ水を戻す。ポンプ６４は、水供給施設５２の圧力よりも少し高い圧力でコンテナ６０の上水を配水管５９に戻し、コンテナ６０内を空にする。圧力調節機構７６は家庭用水使用システムがダメージを蒙るのを防ぐ。その後、遮断弁８０は開かれ、ポンプ６４は停止され、そして、供給施設５２から貯留用のコンテナ６０へ再び上水が注入される。逆止弁７８は家庭用水使用システム７２からコンテナ６０内へ水が逆流するのを防ぐ。

コンテナ６０内の上水は、従来と同じヒートポンプユニット６２及び閉型ループ８８を循環する。水が循環している間、ヒートポンプ６２は、従来と同様に、たとえば、住居５６内の空調に必要な熱を、コンテナ６０の水から奪い又はコンテナ６０の水に与えるように作用している。

都市の水供給会社は、彼らの水の品質の絶えず監視をしており、実際に、一年に数十万回もの高コストの水質テストを行っている会社もある。これは何百万人の人々の健康がかかっている。浄化プラントにおいて不適切に処理された水の取扱いに関する問題は常に存在し、かつ、潜在的に汚染された水源の水の取扱いに関する問題も存在するが、それらの問題ばかりではなく、水供給会社には、十分に承知しているテロリストによる意図的な汚染の可能性もある。これらの要因により、用心深い上水供給会社は、彼らの全埋設管網の様々な箇所で活発に水供給の監視活動を行っている。住居から給水本管へ戻される水の流れを利用して、水供給システムに沿ったいずれかの箇所に、何者かが悪意で有毒な化学薬品を投入することは、現在のところ可能である。それにより、前記薬品投入箇所よりも下流側の人は、死の危険に晒されることになる。現在のところ、水供給会社は、これらの危険を排除するためにあまり効果が期待できないテストシステムを利用しており、非常に無防備な状態となっている。

現在水供給会社により実施されている水検査よりも、何倍もの水検査の実施を示唆することは、単なる忠告ではなく、強い要望である。一時間の間に、数千の人々が、誰も知らされることなく、危険なあるいは致命的な前記薬物に晒されることになる。一時間に５７回以上の割合でサンプリングを行うことは、特にそのような検査が、実質的に、かつ経済的に可能であるならば、水供給会社に強く要望される。

本発明は、各地熱利用設備５０に低コストの水質モニター１００を組み込むことにより、非常に高い国家的な水の安全性確保のための独特の機会を提供する。この水質モニターのユニットの費用は、望まれるならば、水供給会社ではなく、各地熱利用設備の購入者が負担すべきである。地熱利用システムの各ユーザーは、地下埋設管網の全体に亘って連続した水検査者になる。仮に、すべての地熱利用住居において、たとえば入口配水管５９及び戻り配水管６６に水質センサー１０２及び１０４を配置し、これら水質センサー１０２及び１０４をモニター１００に接続し、水の導電率を検査するならば、たとえば、高濃度の望ましくない化学物質によって水が汚染された場合には、上記センサー１０２及び１０４によって検出された数値は、インジケータとして利用することができる。この設備はコントローラ８４に接続され、取り入れた水の導電率が供給配水本管に戻されるべき水の導電率と著しく異なっている場合には、汚染された水が水供給システムに戻されないように、自動的にポンプ６４を停止し、遮断弁８０を閉じるようになっている。別の例としては、水の導電率の変化よりもむしろ、水汚染物質の分布範囲を検査する。より精巧な装置によって分割式水質検査を行うことができる。流入及び流出する水の誘電性を、コンデンサーのプレート間に水を通過させることによって常時監視し、かつ、比較する。さらに別の監視方法としては、流出する水と流入する水における可視光、赤外線又は電波の伝導性を比較することによって行われる簡単な伝導性検査を含む方法も可能である。

如何なる高濃度の有害な物質が水システム内に意図的又は偶然に侵入した場合でも、前記迅速な水監視システムは、直ちにそれを検出し、汚染された水が、商業的な水供給システム及び住居のいずれから再流入する場合も、それを阻止する。各地熱利用設備は、水質の結果を直ちに水供給会社に通報するための警報装置１０６を備える形態とすることもできる。結局、地熱利用システムを、配水管を介して利用する数百万のユーザーにとって、国家的な安全性は、本発明の往復式水供給システムの副産物として、飛躍的に高めることができる。

本発明の最も簡素な例において、幾つかの追加的な利点がある。夏季において、取り入れられる上水（６５°F又は１８℃）は、暖められて温度が概ね１０℃上昇していると想定される。住宅の貯槽の上水は、平均して、住宅の冷房に利用されることにより５℃暖められる。暖められる水のすべてを商業的な水供給施設に戻す代わりに、前記暖められる水（しかしまだ冷たい状態である）を、貯蔵用のコンテナ６０から水使用システム７２へ循環させ、飲用又は料理用に使用したり、また予熱された水として湯沸しヒータに提供することもできる。これにより、標準的な土地温度の冷たい水を料理用の温度に加熱するために、より高い量の料理用エネルギーを費やす代わりに、一部の料理加熱用エネルギーを、住居の地熱利用ヒートポンプの排出水から取り出される熱によって供給することができる。このように料理用熱エネルギーを削減できることにより、一世帯当たり多くのガロンの料理用水を使用する場合において、追加的に概ね５℃程の少ない節約が可能となる。もし予め暖められた（空間を冷却することにより）地熱利用水が、住居の熱水供給システムに割り当てられれば、非常に多量のエネルギーの節約となる。

最大の湯沸しエネルギーの節約は、空気冷却により住居から取り出した夏季のすべての熱を湯沸しヒータに注ぐヒートポンプの能力から引き出されることは、よく知られている。これは、本質的に、夏季の地熱利用空気冷却による無料の熱水副産物の利益である。同様に、洗車、衣類の洗濯又は芝生散水等のような上水の他の使用において、予め温められた上水を配水管１０８から引き出すことができる。該配水管１０８は、たとえばコンテナ６０とポンプ６４の間に接続され、弁１１０を介して家庭用水システム７２（又は符号７２’で示すように、前記システムの選択された部分）に上水を導く。コンテナ６０内の水を前記にように使用することは、水が使用される（一日に４５０〜６００ガロン）ことにより、常時コンテナ６０内に新鮮な水が流れ、該新鮮な水によりコンテナ（貯水槽）を冷却するので、空気調節システムをより効率的にすることができる。１世帯あたり、一夏の内には、非常に少ない量の実際に”冷たい”飲料水（一日に３より少ない量）が使用されるが、その飲料水の量は水量計では殆ど計量されないくらい少ない。この非常に少ない”冷たい” 飲料水は、もし望まれるならば、１つの氷の立方体に凍結され、又は、多くの一般的な習慣として冷蔵される。夏における室温の飲料水は、本発明において、たった１つのマイナーな望まれない効果である。

十分に冷えた地熱利用の上水供給によって、夏の冷房にヒートポンプを使用せず、またはヒートポンプの必要性をなくすようにすることさえも可能である。隠れ線及び符号１２０で示す非常に低い温度抵抗を備えた特大の空気熱交換器を用いる場合には、５０〜７０°Ｆの冷たい地熱利用水は、ヒートポンポンプによる冷却の助け無しで、直接に冷たい住居空気として利用することができる。単に必要とされる電力は、特大の熱交換器のフィン間を通過させる共に冷却された空気を住居に循環させるために使用される空気を、ファンによって吐出するための電力である。冷たい上水は、また、住居の熱（住居自体の内部熱交換器を介して）を、特大の住居熱交換システム及び上水の容器を介して、循環水の閉型ループに吸収するためにも使用される。上水は、また、周期的に地下の水供給基礎施設に戻される。この例において、ヒートポンプは、単に住居を加熱するためだけに使用される。

冬季の上水の利用形態は、前記夏季の例とは少し異なる。夏では、上水は、水供給システムに戻される前に略１０℃温められるが、冬季では、水供給システムに戻される前に上水は１０℃冷却されるであろう。残りの手順は同じであるが、冷却された上水は、家庭用の湯沸しや、料理、衣類の洗濯用の水としては利用できず、熱い水のエネルギー需要は減少する。ある季節の温度が概ね６０°Ｆ以下に下がったとき、冷却された水の殆どは、水供給会社に戻されるべきである。しかしながら、アウトドア及び家庭外での使用のために貯蔵コンテナ６０から上水を使用した場合は、結果的により多量の暖かい地温の水からヒートポンプによって熱を引き出すことの補助となるであろう。前記地温の水は再利用されない。真冬（たとえば外気が−１０℃）において、比較的暖かい４０‐５０°Ｆの地熱利用の上水は、勿論、冬の屋外の冷たい空気から熱を引き出す試みに比べて、高いヒートポンプ効率を保証する。

本発明による地熱利用のヒートポンプが、従来の地熱利用システムよりも遥かに速やかに設置又は施工できるは明らかである。その理由は、綿密な建築プランは要求されず、地中温度検出用の穴が不要であり、天候による遅れを無くすことができ、地面の回復も不要であり、そして、土地の損害訴訟（大きな掘削装置に関してよくある問題）が起こる可能性も極めて少ない。また、将来、特定の目的に供される地熱利用の土地（潜在的な土地の価値の低下）の上に建築することの妨げにもならない。それは、従来の地熱利用ヒートポンプ設備の現在の消極的な面の効果である。

現在、巨大な地下の水供給基礎施設によって賄われている住居は、何の制約を受けることなく、本発明を直ちに適用すべきである。ランドマーク環境保護機構（ＥＰＡ）の刊行物によると、地質交換システムは、最もエネルギー効率が良く、最も環境的にクリーンな”空調”システムとして知られている（空気調節：ネキスト フロンティア（The Next Frontier）," EPA 430-r-93-004,Aplir 1993より）。同じランドマークＥＰＡ研究において、従来の非地熱利用の冷暖房システムの技術が、地熱利用のヒートポンプ技術と比べて４倍以上のエネルギーを要することが立証されていた。さらに、アメリカ合衆国において現在設置されているわずか４００、０００（潜在的な適用の略０．２％）の地熱利用ヒートポンプシステムは、１年間で百万トン以上のＣＯ₂温室ガス発散量を削減させている（１つの地熱利用設備について２．５トンの削減）。前記ＥＰＡ研究は、本発明で可能となる燃料電池コジェネレーションエネルギーの節約も、他のいかなる冷暖房エネルギー節約も含んでいない。本発明によるＣＯ²の削減量は、１住居当たり容易に５トンを超える。前記１年当たり百万トンは、単に汚染の防止効果だけでない。ＣＯ₂は、全汚染防止のほんの僅かを除いては、よりクリーンな空気、よりクリーンな水、そしてより豊かな酸素濃度の空気に影響を与える。

地熱利用”空調”の適用を１０００万〜１億の既存の住宅に広め、特に、既存の住宅を改装することを人々に納得させることにより、地熱利用設備のコストを飛躍的に下げることができる。人々に、彼らの現在の複雑な機能の従来システムを処分することを促し、そして、彼らの現在のシステムが役に立たなくなった時にそれらを交換するために２０年〜４０年も待たないように頼むことは、今日、非常に厳しい売り込み方法である。従来のシステムからＧＨＰシステムへの変換を阻害する原因は、設備の高トータルコストからくる長期間の減価償却費用等の実りの無い現金の流れであった。本発明は、これらの阻害を排除し、積極的な現金の流れを十分提供することによって地熱利用エネルギー節約に即座に対応させ、毎月の地熱利用設備費を相殺するのに十分な金額の毎月のエネルギー消費の削減を達成することができるのである。地熱利用による即座の元金回収は、将来、従来の科学技術を何年も使用する場合と異なって、本発明により可能となる。

図６に示されているように、発電プラント１２４で生じる廃熱を、水分配システムを利用して分配するために、適当な熱交換ループ１２６を介して商業的な水供給施設５２に連結することができる。冬季における上記価値ある電力廃熱エネルギーは、地熱利用水のユーザーによって使用するかなりの冬季エネルギーの節約が可能となり、４０〜５５°Ｆの温度範囲の冬季上水を配給する代わりに、６０〜８５°の上水を配給することが可能となる。高ＢＴＵ需要の冬季において、ヒートポンプの効率を十分に高くすることができる。非常に高いヒートポンプ効率は、非常に低い熱エネルギーコストを意味する。

実社会において非常に多くの地熱利用システムを設置することは、少なくとも４つの動機又は奨励が存在する。
（ａ）電力会社は、地熱利用システムを、電気的に多くの負担が掛っている区域に設置することを選択することができ、それによって、それらの電気的負荷の減少及びバランスを維持できる。
（ｂ）より好ましくは、それらの顧客の元に設置される多くの地熱利用システムは、膨大な量の非常に有益な冬季の廃熱を地方の水供給会社に売却すべきである。
（ｃ）地熱利用設備内の電力会社にとって最終的な利益は、非常にコストのかかる新しい電力プラントを増設する必要性を猶予、又は排除できることでる。
（ｄ）各商業的な水供給会社は、次のような事項のために協力することが動機付けられる。すなわち、１）より価値ある地熱利用水の利益奨励、２）本発明の抗バクテリア紫外線（ＵＶ）照射による水の品質の向上、３）テロリスト対策としての水検査システム。

非常に低コストで量産される商業的な水と冬季電力廃熱とを効果的に組み合わせることにより、地熱利用設備は、非常に効率の良いヒートポンプ装置となる。そのように高い効率となることにより、地熱利用ヒートポンプ自身は低出力のヒートポンプにサイズダウンすることができる。

オンサイト（現場）での燃料電池による電気的なコージェネレーション（熱電併発生）は、図６に燃料電池１３０で示されているように、本地熱利用発明のより好ましい実施の形態である。商業的に量産される電力の廃熱を分配するために、商業的な水の供給本管を利用することは、実用的で、経済的である。ただし、地下で長距離に亘って、暖められた上水を分配することについては非能率性が内在している。しかしながら、後者の商業的な電力プラント廃熱の非効率性は、オンサイトの燃料電池の電気的なコージェネレーションによって総合的に排除することができ、その点で、燃料電池と地球太陽ヒートポンプコンプレッサー両方のエネルギー効率（割合）が増加する。図示されているように、燃料電池は電気配線１３２上で電気を発生し、一方、燃料電池からの廃熱はループ１３４を介してヒートポンプ６２に伝達されるので、新しい非常に望ましい正味の効果が得られる。

オンサイトの燃料電池廃熱の理想的な適用は、本地熱利用発明を備えた図示のコージェネレーションである。燃料電池の冬季廃熱の殆どすべては、ループ１３４によって地熱利用上水保持タンクに伝達され、該タンクに効率良く吸収される。第１に、地熱利用暖房の必要性は、湯沸しの必要性よりも遥かに大きいものである。空間の暖房は持続性が必要であるが、熱湯は持続性を必要とされないからである。本発明は、地下における非能率的な流水の閉型ループを利用していない。燃料電池廃熱のすべては、地熱利用ヒートポンプで利用することができる（冬の数ヶ月間）。実際、本発明は、上水保持容器を有し、地下の流水閉型ループは有していないが、井戸の水を燃料電池廃熱と共にコージェネレーションに使用することができる。したがって、本発明は、燃料電池廃熱と組み合わされた時には、商業的な水や商業的な電気のいずれもない殆どの田舎の地域にも適用可能となる。

燃料電池廃熱コージェネレーションと地熱利用暖房との結合を成功させる鍵は、本発明のよる水保持容器の信頼性にかかっている。井戸の水は、商業的な上水と同様に容器内に引き込むことができ、容器が所定の温度に達したときに、加熱された容器内の水は排出される（通常は、地下水台地の補充のために近くの第２の井戸に排出される）。上記詳しく述べたように、本地熱利用発明の好ましい実施形態は、飲用に適した上水の使用と燃料電池コージェネレーションを備えた閉型貯蔵コンテナとを含んでいる。

夏の数ヶ月間は、燃料電池廃熱のすべてが地熱ポンプシステムに吸収されるとは限らず、そして仮に、熱湯の供給が十分であった時、地熱利用の夏の冷房システムを作動するために低コストの電気を供給している間、燃料電池廃熱は大気に排出することができる。組み合わされたコージェネレーション地熱利用の発明の全体的な効率は、同じではない。燃料電池の廃熱が冬の地熱利用暖房及び１年を通しての熱湯の補充となるように、それらが本発明によって独特な形態で組み合わされた場合、組み合わせたものは実質的に廉価になり、一方、ＣＯ2放出量も徹底的に削減される。

掘削を利用しない本発明は、廃熱の他の利用源、たとえば下水配管、電力プラント、又は製造プラント等のような工業的な利用源から発生する補助的な熱で埋め合わせることによって、驚くべく高い効率を得ることができる。たとえば、下水（下水道に排出された水）の熱は、冬の数ヶ月間において、効率良く回収される。下水は、１０４°Ｆのシャワー及び風呂の排水、１２０°Ｆの食器洗浄後の排水、２００°Ｆの料理利用水、７２°Ｆのトイレ排水から構成されており、これらに、台所及び浴槽からの暖かい排水も加えられる。１世帯当たりの下水の平均排水量は、１日当たり２００ガロン近くに達し、１ヶ月当たり６０００ガロンとなり、平均温度は８０°Ｆである。冬の数ヶ月、取り入れられる上水の温度は４０°Ｆ程度まで下げることができる。温度差（８０°Ｆ〜４０°Ｆ）は、各建物からの莫大な冬季の熱損失を表わしている。下水の熱損失は、熱的に効率良く設計された家屋における隔壁や窓からの総熱損失を遥かに上回る。従来の暖房システムは、下水熱エネルギーを基本的に取り戻すことができなかった、なぜなら、下水温度は十分に高くなかったからである。掘削を必要としない本発明において使用されるヒートポンプは、高い下水エネルギー回収のために必要である。下水エネルギーの回収にかかるコストは、非常に迅速な設備費焼却の家屋の断熱又は隔離にかかるコストと同等又は少なくなる。住居排水管（下水管）に下水熱交換コイル１４０と水ポンプ１４２を設置するために数百ドルの費用はかかるが、その費用は本発明の掘削無しのシステムに追加される部分的な要素である。もし、既存のビルの下水管１４４が露出しており、簡単に近づける状態であれば、熱交換水用コイルは、直径４インチの典型的な金属下水管の回りに簡単に巻くことができる。小型で低出力の水ポンプ１４２は、排水熱を下水管からヒートポンプ６２に戻すことができる。別の例として、ポリ塩化ビニル製の下水管セクションを着脱自在とすると共に、前もって製造した排水熱交換セクション機能を有する金属製下水管と取替え可能とすることができる。すべての場合において、排水熱は下水管（排水管）１４４とヒートポンプ６２の間の水循環ループ１４６に結合される。完成した排水エネルギー回収システムは、物理的に小さく、人目に付かず、静かで、しかも非常に効率が良い。冬季の湯沸し及び暖房の料金は、排水エネルギー回収によってかなり減少させることができる。排水エネルギー回収は、実質的に現在のシステムに適用可能である。その理由は、水の貯蔵タンクは、水の地下循環ループ内には排水エネルギーを結合させていないからである。その他の補助的な熱資源は、別な方法で廃棄された熱を回収する装置であるかも知れない。

本地熱利用発明は、掘削を必要とせず、それにより、非常に経済的な地熱利用システムとなっており、さらに、従来の地熱利用設備と同様によく知られた熱効率の利益を提供する。地域の地下の水温度（緯度）及び地域の商業的な電気コストによって、地熱利用ヒートポンプシステムは通常は、少なくとも、非地熱利用システムに比べて、２〜４倍安い値段となる。言い換えると、1/2から1/4程度のコストを減少させることができる。地熱利用ヒートポンプは電気的に動力が供給され、補助的なモータ駆動の換気システムであるので、地方の電気のコストは、地熱利用システムの運転経費を見積もる場合において、最も重要な要因となる。

田舎の社会への商業的な水のサービスは、各田舎の住居の配管コストが、共同の上水生産者によって設定された商業的な回収期間（減価償却期間）を超えた時に、急激に減少する。多くの田舎の住居は、上記のような水供給会社への十分に高い利益奨励を伴って、商業的な水と地熱利用水の配給を有効に享受することができる。超高層建築の都会では、地下の水の一人当たりの長さは、郊外の一住居当たりの水の供給距離に比べると長くはない。夏季における高層建築物から地下の上水供給システムへの地熱利用熱の移動は、幾つかの条件下、都市の水供給システムに、上水温度を８０°Ｆ以上に上げるための負担をかけ、その結果、夏における地熱利用効率が低下する。しかしながら大都市では、より広い接触面積を有する大きな直径の地下排水管が地中に晒されており、それにより、短いパイプ長さを補っている。上水の地中温度が、温度上昇及び地熱利用効率の著しい減少の兆候を示し始める場合には、管表面積、土地状況及び管埋設深さに対する管長さの複雑な地熱利用に関する問題点は、将来、密集したＧＨＰを設計するための要因となる。既存の都市の地熱利用容量を、膨大な量の夏地熱利用エネルギーのための他の既存の地下施設を使用することによって大いに拡大することは可能である。

既存の国家的な地熱利用容量を大きく拡大させるために、（もし、熱ステーションが高人口密集地に出現し始めたなら）、２つの既存の巨大な地下システム-、すなわち下水と上水を熱的に架け渡すことは、簡単で費用についても最も効率が良い。上記”熱的に架け渡す”という言葉は、強調する必要はない。上水配管工事は、決して下水配管に近くで行うべきではない。しかし、加圧された熱交換閉型ループに２つのシステムを熱的に結合することは全く簡単である。上記熱交換閉型ループは、特に、閉型のループ内に正圧が維持されている場合に、熱ループの両端で発生し得る汚染漏れが生じることが無い状態で、２つのシステム間で熱を移送することができる。上水と下水の両システム間の比較的簡単で費用のかからない熱ループは、熱エネルギーを一方のシステムから他方のシステムに交換することができる。人口密度の高い都市は、熱的に最も低コストで組み合わされた上水と下水システムによって、地熱利用容量を２倍から４倍にすることができる

遠い将来、人口密集地域の容量がさらに拡大する。たとえば、非常に冷たい（４０°Ｆ）深海水又は深湖水をポンプで汲み上げて、消費者に地下から送り込む前の上水と熱交換する。これにより、夏季に８０°Ｆで地熱利用ユーザーに配分される商業的な水の代わりに、５０°Ｆ（もしくはもっと冷たい）上水を提供することができる。これにより地熱エネルギーの節約は、非常に高められる。これは、本発明が、地熱利用によって近い将来、大きな都市全体を、熱エネルギー媒体として上水を利用することにより、容易に援助することができる。

最後に、非常に人口密度の高い地域であって、飲用に適した上水の地下の水流が、次の下流側の熱ユーザーが冷房に利用するために十分な水を運ぶには十分高くない場合、循環上水の閉型ループを追加設置するときのコスト効率は、コスト効率に関して重要な問題点とある。言い換えれば、もし、殆どの人口密集都市の熱ステーションがいつか接近配置され、そしてすべての他のより簡単な選択が使い果たされたとすれば、１つの上水供給配管システムから上水を取ると共にそれを同じ配管（上流）に接続し、この戻りループ内に水ポンプを設置することが可能となり、それにより、上水が地下で澱まなくなる。

もしＧＨＳが適切に設置されない場合には、好ましくない１つの他の都市地熱利用ステーションが存在することになる。多くのＧＨＳユーザーが利用する１つの高層建築において、一ユーザー（単一の共同建築のような）からの上水は、必要な熱交換用に地中に設置されていない給水本管に戻されるであろう。そのような状況において、大量の地熱利用水を建物から地中へはるばる排出するために、分割された地熱利用容器（分割部分）の全部（または殆ど）から地熱利用上水を同時にポンプによって自動的に逆流させる必要性が生じる。別の例として、高層建築全体用の１つの大きな上水容器がある場合は、地下の水供給施設へはるばるとポンプによって上水を戻すために、寸法を大型化することは可能である。建物のすべての上水が強制的に容器から排出され、建物から地下の水供給施設に排出された瞬間、新しい上水は分割された地熱利用タンク又は１つの大きな容器に再注入され、そして再び循環し始める。すべての地熱利用の貯蔵容器は、それらがほんの少し高い逆圧でポンプにより水が逆送されるまで一定圧が維持されているので、建物内の水圧は、全工程を通して殆ど変化しない。給水本管へ水を戻すためには、単に僅かな追加の圧力が必要とされるだけである。

要するに、地熱エネルギー、または地熱太陽エネルギーは、地球上において、最も多くの埋蔵量を有する最もクリーンで、無料の新しいエネルギーである。本地熱利用の発明は、地下水基礎施設に接続された既存の単一の上水供給本管を使用することによって、豊富なエネルギーにアクセスし、そしてそれにより地熱利用のための掘削及び熱交換ループにかかる莫大な費用を完全に節約することができる。本発明の上水貯蔵容器は、オンサイトの燃料電池発電の廃熱のためのエネルギー貯蔵容器としてそれを使用する独特の機会を提供する。現在、電気コージェネレーションと本発明との独特の組み合わせは、非常に高いエネルギー効率となる。その理由は、従来の地下流水ループのような冬季の熱損失が無いからである。本地熱利用の発明は、水保持容器及び燃料電池と共に、田舎や原野地域の良質の水源と共に設置することができる。さらに、各種形式のヒートポンプを、前述の本発明の範囲及び目的の範囲内で、前記設置される設備と共に使用することが可能である。商業的な上水の熱容量は、夏季には、上水廃熱を下水プラント排水又は深い近くの冷水域に放出することによって、増加させることができる。上水の熱エネルギー量は、冬季には、商業的な電力会社からの低コストの廃熱、産業廃熱又は循環下水処理プラント水熱を獲得することによって、増加させることができる。このように、上水へのすべての大規模な廃熱伝達機会の賢明な展開を通じて、現時点でほとんどの世界の地下上水基礎施設の温度をほぼ７０°Ｆ（冬は８０°Ｆで夏は６０°Ｆ）に調節でき、そしてそうすることにより非常に高いヒートポンプ効率（非常に低い電気的入力のヒートポンプ力）を可能とすることができる。これにより本発明は、驚異的に高い省エネ化の道を開くことができる。

前述の内容は本発明の好ましい形態であり、本発明の実際の精神及び範囲から逸脱しない範囲において、当業者において、各種変形例及び他の実施の形態が考えられる。

従来の地熱利用システムの配管略図である。 従来の地熱利用システムの配管略図である。 従来の地熱利用システムの配管略図である。 従来の地熱利用システムの配管略図である。 従来の地熱利用システムの配管略図である。 本発明による地熱利用システムの配管略図である。

Claims (31)

1. 空間の暖房又は冷房を行うための地熱利用システムであって、
   地下の飲用水源から飲用水を取り入れる水貯蔵コンテナと、
   上記コンテナに接続されると共に、前記コンテナに貯蔵された水と前記空間との間で熱交換する熱交換器と、
   前記水貯蔵コンテナに飲用水を供給するために、前記地下の飲用水源から前記水貯蔵コンテナまで通じるに水入口管と、
   前記コンテナから前記地下の飲用水源へ前記入口管を介して飲用水を戻すために、前記水入口管に接続された水ポンプと、を備えている、
   地熱利用システム。
2. 前記水貯蔵コンテナ内の飲用水を熱交換できるように、該水貯蔵コンテナに接続された燃料電池を含む請求項１記載の地熱利用システム。
3. 前記地下の飲用水源に戻される飲用水の水質モニターを含む請求項１記載の地熱利用システム。
4. 前記水源に戻される飲用水の水処理手段を含む請求項１記載の地熱利用システム。
5. 前記空間内の熱源から熱を回収するために前記熱交換器に接続された補助の熱回収ループを含む請求項１記載の地熱利用システム。
6. 前記水貯蔵コンテナと前記水ポンプを前記飲用水源に接続する水入口管を含む請求項１記載の地熱利用システム。
7. 前記水入口管内に配置された可逆水量計を含む請求項６記載の地熱利用システム。
8. 前記飲用水源は商業的な水供給装置である請求項７記載の地熱利用システム。
9. 前記飲用水源は井戸である請求項７記載の地熱利用システム。
10. 前記補助の熱回収ループは前記熱交換器に接続している請求項７記載の地熱利用システ
11. 前記水貯蔵コンテナ内の飲用水を熱交換できるように、該水貯蔵コンテナに接続された燃料電池を含む請求項１０記載の地熱利用システム。
12. 前記地下の飲用水源に戻される飲用水の水質モニターを含む請求項１１記載の地熱利用システム。
13. 前記水源に戻される飲用水の水処理手段を含む請求項１２記載の地熱利用システム。
14. 前記水量計を介して前記飲用水源に接続する水使用システムを含む請求項１３記載の地熱利用システム。
15. 前記貯蔵コンテナを介して前記飲用水源に接続する水使用システムを含む請求項１３記載の地熱利用システム。
16. 前記水貯蔵コンテナ内の前記飲用水に熱を与えるために接続された補助的な熱源を含んでおり、該補助的な熱源は、燃料電池、下水配管、電力プラント、下水処理プラント又は産業資源のうち少なくとも１つによって発生する廃熱である請求項１記載の地熱利用システム。
17. 前記水貯蔵コンテナ内の前記飲用水から熱を取り出すために接続された補助的な冷却源を含んでおり、該補助的な冷却は自然の水域から引き出されている請求項１記載の地熱利用システム。
18. 前記水入口管は、圧力が加えられた公営の飲用水源と、前記水貯蔵コンテナと、前記水ポンプに接続され、
    加圧された飲用水は、前記圧力が加えられた飲用水源から前記水貯蔵コンテナに供給され、そして、加圧された飲用水は水ポンプによって前記水入口管を経て圧力が加えられた飲用水源に戻されるように構成されている請求項１記載の地熱利用システム。
19. 前記水入口管内に、水量計を含んでいる請求項１８記載の地熱利用シス テム。
20. 前記水入口管は、前記水貯蔵コンテナと前記水ポンプとに接続され、それにより、前記水入口管内の水流は、前記水貯蔵コンテナに飲用水を供給することと、前記飲用水源に飲用水を戻すこととが、可逆である請求項１記載の地熱利用システム。
21. 前記地下の飲用水源は、飲用水を複数の箇所に運ぶための地下の水配管システムであり、該水配管システムは、地中との間で熱交換するシステムである請求項１記載の地熱利用システム。
22. 前記水入口管は、前記地下の水配管システムと、前記水貯蔵コンテナと、前記水ポンプに接続する単一の管であり、飲用水は、前記水配管システムから前記コンテナへ流れると共に、前記貯蔵コンテナから前記水配管システムへ、逆方向にも流れる請求項２１記載の地熱利用システム。
23. 前記水入口管内の正味の水量を計る可逆水量計が接続されている請求項２２記載の地熱利用システム。
24. 前記地下の水配管システムは、複数の水入口管に接続された前記地下の飲用水源の一部であり、複数の囲まれた空間を加熱又は冷却するために、複数の水貯蔵コンテナに接続されている請求項２２記載の地熱利用システム。
25. 前記地下の水配管システム内の飲用水を加熱又は冷却するために、予備的な熱交換器を含んでいる請求項２４記載の地熱利用システム。
26. 前記水貯蔵コンテナ内の飲用水の温度を変更するために補助の熱交換器を含んでいる請求項１記載の地熱利用システム。
27. 前記補助の熱交換器は、燃料電池の廃熱を取り入れるために燃料電池に接続されている請求項２６記載の地熱使用システム。
28. 前記水貯蔵コンテナは、前記囲まれた空間内に位置している請求項１記載の地熱使用システム。
29. 燃料電池から廃熱を取り入れるために、前記水貯蔵コンテナ内の飲用水との間で熱交換可能に熱的に接続された補助の熱交換器を含んでいる請求項２８記載の地熱使用システム。
30. 前記水量計を介して前記飲用水源に接続された水利用システムを含んでいる請求項２８記載の地熱利用システム。
31. 前記水貯蔵コンテナを介して前記飲用水源に接続された水利用システムを含んでいる請求項２８記載の地熱利用システム。

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