JP4445530B2 - 地中熱利用ヒートポンプ式ドライ空調システム - Google Patents

Description

本発明は地中熱利用ヒートポンプ式ドライ空調システムに関するものである。

従来の外気混合形の空調機では外気と還気を混合した後、冷温水コイルなどで冷却や除湿、加熱などを行っている。ところが、このような方式の空調機では、例えば夏期の冷房運転の場合、冷却減湿後に再熱しなければ給気の湿度制御ができないため、還気風量分の空気を余分に冷却、再熱するエネルギーが必要で運転コストが高くなる。しかも、熱源水回路を４管式として冷水コイルと温水コイルに冷水と温水を別々に流して運転する空調機の場合、４管式の熱源水回路では配管距離が長くて設備コストがかかり、冷水と温水を同時に作る必要があるため熱源機の運転コストや設備コストもかかる。

特開平４−１７４２２５号公報 実開平２−９６５３４号公報 特開昭６３−２３３２４４号公報

また、変風量ダクト方式（ＶＡＶ）による多室個別空調において、ＶＡＶ風量変動による静圧変化を圧力センサにて検出し、その変動に応じて空調機側の風量制御を行っているため、制御が複雑でコスト高となる問題があった。また、地中熱を利用し空調を行うシステムで、地中熱交換器を地表近くの地中に埋設した場合、太陽熱の影響を受けやすく、冬期に夜間運転を行って地中熱交換器で長時間連続して採熱を続けると、周辺の地中温度が低下し続けて、熱媒が凍結する問題がある。このような熱媒凍結を防止するために不凍液を使用するとなると土壌汚染の心配が残ることになる。また、地中熱交換器で必要な熱量を得るためには、深層部に向け縦穴を特殊な掘削機械で長時間かけて掘らねばならず、しかも穴の崩れ防止や泥土や湧水などの処理も必要で、非常に手間と時間がかかりコスト高となる問題がある。そのために、一つの穴にＵ字状地中熱交換器の容量の大きくしたものを埋めたり、一つの穴に複数本を埋めたりしており、Ｕ字状地中熱交換器では往路も復路も同じ経路を熱媒が流れるため、例えば冬期では、熱媒が地表へ戻る際、せっかく採熱温調した熱媒が地上近くで放熱して、熱ロスが生じる問題がある。

本発明は上記課題を解決するため、熱媒を熱源とする圧縮式のヒートポンプを有する空調機と、送水ポンプにて前記熱媒を循環させる熱源水回路と、この熱源水回路に接続されて前記熱媒を温度調節する地中熱交換器と、複数の室内毎に設けられて前記空調機からの給気風量を個別に調整自在な変風量ユニットと、を備え、前記ヒートポンプは、外気を熱交換する外気処理用の給気側熱交換器と、還気を熱交換する還気処理用の給気側熱交換器と、を備え、前記空調機のケーシング内に、外気を加湿する加湿器と、前記還気処理用給気側熱交換器を通った還気と前記外気処理用給気側熱交換器及び前記加湿器を通った外気とを混合して給気する給気用送風機と、を設けたことを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明によれば、夏期の冷房運転の場合、外気を外気処理用給気側熱交換器で冷却減湿した除湿空気と、還気を還気処理用給気側熱交換器で乾き冷却した（前記除湿空気より高温の）空気と、を所定比率で混合することで再熱せずに給気の温湿度制御ができる。外気負荷と室内負荷（冷房負荷）を個別に処理するので、還気を余分に冷却、再熱するエネルギーが不要で省エネとなり、運転コストを削減できる。冬期の暖房運転の場合、外気を外気処理用給気側熱交換器で加熱し、加湿器で加湿して湿度調整した空気と、還気を還気処理用給気側熱交換器で加熱した空気と、を所定比率で混合することで給気を温湿度制御できる。地中熱を利用した熱源なのでチラーなどの熱源機と比べて大幅に省エネ化を図れる。変風量ユニットにより１台の空調機で複数の室内の空調を個別制御でき、省エネ化を図り得る。
請求項２の発明によれば、中間期などに外気のみを給気して外気冷房を行うことができ、省エネとなる。
請求項３の発明によれば、高価な圧力センサなどを使用せずに多室個別空調制御が簡単にできる。変風量ユニットの風量変動に応じて空調機の送風機風量と圧縮機容量を適正に調整して給気量と冷暖房能力のバランスをとり、室内送風量のしぼりすぎによる気流の不均一や温度ムラなどを防止できる。
請求項４の発明によれば、冬期に加熱装置で熱媒を加熱して熱源の熱量不足を補うことができる。冬期に夜間運転する場合、加熱装置で熱媒の凍結を防止でき、長時間の連続空調運転を行えると共に、環境汚染の心配の無い水を熱媒として使用でき、不凍液を使わずに済む。さらに、冬期で空調機の弱運転時または停止時のときに、加熱装置を用いて地中熱交換器から地中へ放熱して蓄熱し、その蓄熱を利用して運転を行うこともでき、電力の平準化と省エネに役立つ。
請求項５の発明によれば、厳冬期など外気温度が非常に低い場合に外気を予熱してから、熱交換器で加熱できるので空調機の最大負荷を減らすことができ、空調機の小型化を図れる。
請求項６の発明によれば、地中熱交換器の往路管部を細くて長い渦巻き状として地表近くに埋め、熱媒を地熱流に対してカウンターフローで流して、熱交換効率を良くしつつ地中で広範囲に分散して少しずつ熱交換させることにより、熱媒を温度調節するために必要とされる地熱量を得ることができ、かつ地中から奪う単位体積当りの地熱量を少なくできる。往路管部は継ぎ目のない１本の管を巻設するだけよいので加工が簡単になり、バネ状に巻設して伸縮性をもたせてあるので免震性に優れ、地震に対する耐久性が十分で、破損による熱媒漏れなどを防止できる。地中熱交換器の復路管部は地上に熱媒を戻すだけでよいので短くてよく、地中との再熱交換による熱ロスが皆無で、熱交換効率の向上を図れて熱媒温度が安定する。往路管部の埋設用穴は地表近くをパワーショベルなどの普通の掘削機械で浅く掘るだけでよく、掘削の時間と費用の削減を図れて施工が容易となる。
請求項７の発明によれば、空調機の部品点数の削減とコンパクト化、省スペース化を図れる。
請求項８の発明では、圧力損失が減少して熱交換効率が向上するので小型の送風機を用いることができ騒音低減を図れる。給気側熱交換器も小型化でき空調機をコンパクト化できる。

図１と図２は、本発明の地中熱利用ヒートポンプ式ドライ空調システムの実施例を示しており、この地中熱利用ヒートポンプ式ドライ空調システムは、熱媒を熱源とする圧縮式のヒートポンプＡを有する空調機１と、送水ポンプ２にて熱媒を矢印方向に循環させる熱源水回路３と、この熱源水回路３に接続されて熱媒を温度調節する地中熱交換器４と、複数の室内Ｂ毎に設けられて空調機１からの給気風量を個別に調整自在な変風量ユニット５と、ＶＡＶ制御手段１５と、空調機１に取入れられる還気風量と外気風量を制御するダンパ機構１１と、温湿度制御手段３１と、を備えている。熱源水回路３には、熱媒を加熱するボイラーや空冷ヒートポンプ式チラーなどの加熱装置１６を、地中熱交換器４よりも下流で接続する。ダンパ機構１１は、比例制御又はオンオフ制御の外気ダンパ２８と還気ダンパ２９を備え、還気風量をゼロにし外気のみを取入れることにより外気冷房自在に構成する。実線及び点線の白抜き矢印は送風方向を示す。

ヒートポンプＡは、循環冷媒に対して圧縮・凝縮・膨張・蒸発の工程順を繰返し、この循環冷媒と熱交換する給気用空気と熱媒（熱源水）に対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うもので、循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を行う給気側熱交換器６、７及び熱源側熱交換器２０と、循環冷媒を圧縮する可変容量式で容量制御自在な圧縮機１３と、循環冷媒を膨張させる電子膨張弁等の冷媒循環量制御自在な減圧機構１４と、給気側熱交換器６、７及び熱源側熱交換器２０の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の冷媒流路切換機構２１と、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して成る。

給気側熱交換器６、７は、外気を冷却・加熱切換自在として熱交換する外気処理用の給気側熱交換器６と還気を冷却・加熱切換自在として熱交換する還気処理用の給気側熱交換器７とであって同一工程を行う２つで構成し、外気処理用と還気処理用の２つの給気側熱交換器６、７を、熱源側熱交換器２０と圧縮機１３で共用し、冷媒が給気側熱交換器６、７に並列に分流して通過したあと再び一つに合流するように構成する。具体的には、熱源側熱交換器２０を外気処理用給気側熱交換器６と還気処理用給気側熱交換器７とに減圧機構１４を介して分岐接続し、圧縮機１３を外気処理用給気側熱交換器６と還気処理用給気側熱交換器７とに冷媒流路切換機構２１を介して分岐接続、かつ圧縮機１３を熱源側熱交換器２０に冷媒流路切換機構２１を介して接続して、冷媒が圧縮機１３から熱源側熱交換器２０へ流れる方向又は冷媒が圧縮機１３から給気側熱交換器６、７へ流れる方向に切換自在とする。

空調機１のケーシング８内には、ヒートポンプＡと、外気を加湿する加湿量制御自在な加湿器９と、還気処理用給気側熱交換器７を通った通過還気と外気処理用給気側熱交換器６及び加湿器９を通った通過外気とを混合して混合空気を給気する可変風量式の風量制御自在な給気用送風機１０と、加熱装置１６にて加熱された熱媒にて外気を予熱する熱交換コイル１９と、を設け、熱交換コイル１９は、外気処理用給気側熱交換器６の風上に設ける。なお、圧縮機１３、加湿器９、送風機１０及び減圧機構１４は比例制御方式とするのが好ましいが他の制御方式であってもよい。この熱交換コイル１９と給気側熱交換器６、７のフィンチューブは低圧損の楕円管にするのが好ましいが、円形管にするも自由である。ケーシング８には、外気取入口、還気取入口及び給気口を設け、給気口と室内などの複数の室内Ｂ…を、給気路３０を介して各々連通させる。給気路３０は、空調機１から複数の室内Ｂに空気を分流送風するための複数の分岐送風路１２…を有し、分岐送風路１２毎に、この分岐送風路１２の送風量を調整自在な変風量ユニット５を、設ける。

温湿度制御手段３１は、所定の室内Ｂの検出温湿度が設定温湿度になるように圧縮機１３と減圧機構１４と加湿器９と給気用送風機１０を制御する。この温湿度制御手段３１は、各室内Ｂの温湿度を個別に設定する設定器３２と、外気の温湿度と各室内Ｂの温湿度を個別に検出する検出器３３と、所定の室内Ｂの設定温湿度及び検出温湿度と外気の検出温湿度とから所定の室内Ｂの検出温湿度が設定温湿度になるように圧縮機１３への容量増減信号と減圧機構１４への冷媒循環量増減信号と加湿器９への加湿量増減信号と給気用送風機１０への風量増減信号とを出力する制御器３４と、を備える。

ＶＡＶ制御手段１５は、空調機１と各変風量ユニット５を連結する分岐送風路１２毎の変風量ユニットボリュームポイントと分岐送風路内径比ポイントとの積算値を全分岐送風路分合計すると共にその合計積算値の全変風量ユニット最大ボリューム時合計積算値に対する比に基いて給気用送風機１０の風量制御及びヒートポンプＡの圧縮機１３の容量制御を行う。変風量ユニット５は、室内Ｂの熱負荷に応じて自動又は手動で駆動され、各分岐送風路１２の送風量を個別に制御する。例えば「切」が０ポイント、「弱」が２ポイント、「中」は３ポイント、「強」は４ポイントのように、送風量変動に対する変風量ユニットボリュームポイントを設定する。なお、変風量ユニット５は分岐送風路１２毎に設けているが、図例と異なる部位に設けるも自由である。分岐送風路１２は、その分岐送風路内径（断面積）によって風量が変わるので、変風量ユニット上流側の分岐送風路内径比ポイントを補正係数として、例えば表１のように設定する。

この変風量ユニットボリュームポイントと分岐送風路内径比ポイントの積算値を分岐送風路１２毎に算出し、それらを全分岐送風路分合計する。その合計積算値が全変風量ユニット最大ボリューム時合計積算値に対して何割あるかによって、空調機１の送風機１０の風量とヒートポンプ用圧縮機１３の容量を変動させる。例えば表２のように分岐送風路１２の内径（ｍｍ）が７５、１００、１００、２００であったとすると、全変風量ユニット最大ボリューム時の合計積算値が４８となる。そして、空調機運転中の変風量ユニットボリュームポイントが、分岐送風路No１が４（強）、分岐送風路No２が３（中）、分岐送風路No３が２（弱）、分岐送風路No４が３（中）の場合、合計積算値が３５となるので、送風機１０と圧縮機１３を定格出力の７３％（３５／４８×１００）で駆動し、全体の給気バランスをとり省エネ化を図る。なお、前記の各ポイント数値は一例で変更は自由であり、送風機１０の風量制御のみを行うＶＡＶ制御手段１５に、構成するも自由である。

地中の地表近くに埋設される地中熱交換器４は、熱媒が渦巻き状に下りながら流れる樹脂製の往路管部２２と、この往路管部２２から出た熱媒を地上へ戻す復路管部２３と、を備えている。地中熱交換器４の往路管部２２を細くて長い渦巻き状として地表近くに埋め、熱媒を地熱流に対してカウンターフローで流して、熱交換効率を良くしつつ地中で広範囲に分散して少しずつ熱交換させることにより、熱媒を温度調節するために必要とされる地熱量を得ることができ、かつ地中から奪う単位体積当りの地熱量を少なくできる。往路管部２２は継ぎ目のない１本の管を巻設するだけよいので加工が簡単になり、バネ状に巻設して伸縮性をもたせてあるので免震性に優れ、地震に対する耐久性が十分で、破損による熱媒漏れなどを防止できる。地中熱交換器４の復路管部２３は地上に熱媒を戻すだけでよいので短くてよく、地中との再熱交換による熱ロスが皆無で、熱交換効率の向上を図れて熱媒温度が安定する。往路管部２２の埋設用穴は地表近くをパワーショベルなどの普通の掘削機械で浅く掘るだけでよく、掘削の時間と費用の削減を図れて施工が容易となる。

この往路管部２２は下方に向かって順次縮径するように巻設し、一巻き毎に地中熱交換器４の往路管部２２の径の大きさを変えることで管部同士の熱交換領域の重複部をなくし、地中の広い範囲で満遍なく熱交換させて地中温度の早期回復を図り、かつ熱交換効率を向上させる。しかも、下方に向かって順次縮径するように巻設した往路管部２２では、その形状に合わせて埋設用穴は擂り鉢状でよいので掘りやすく、一層施工が容易となる。また往路管部２２は扁平管とする。これにより短径側外面から管中央部の熱媒への伝熱が早く、熱交換効率がさらに良くなり、扁平管なので曲げやすく、往路管部２２を渦巻き状に簡単に形成することができる。

熱源水回路３には、地中熱交換器４に対して熱媒を流通・バイパス切換自在な第１切換機構１７と、加熱装置１６に対して熱媒を流通・バイパス切換自在な第２切換機構１８と、熱交換コイル１９に対して熱媒を流通・バイパス切換自在な第３切換機構２４と、を設ける。第１切換機構１７は、熱源水回路３に地中熱交換器４の熱媒入口を三方弁などの第１の切換弁２５を介して接続しかつ第１切換弁２５の下流で地中熱交換器４の熱媒出口を接続して成る。第２切換機構１８は、熱源水回路３に加熱装置１６の熱媒入口を三方弁などの第２の切換弁２６を介して接続しかつ第２切換弁２６の下流で加熱装置１６の熱媒出口を接続して成る。第３切換機構２４は、熱源水回路３に熱交換コイル１９の熱媒入口を三方弁などの第３の切換弁２７を介して接続しかつ第３切換弁２７の下流で熱交換コイル１９の熱媒出口を接続して成る。なお、図示省略するが切換機構１７、１８、２４は、二方弁を、各機器４、１６、１９の熱媒入口と熱媒出口の間の熱源水回路３と、各機器４、１６、１９の熱媒入口に、各々設けて構成したり、その他の種々の構成とするも自由である。

図１と図２の地中熱利用ヒートポンプ式ドライ空調システムでは、設定器３２で設定された温湿度に応じて還気処理用給気側熱交換器７にて還気を冷却又は加熱すると共に外気処理用給気側熱交換器６にて外気を冷却又は加熱した後、両空気を混合し、室内に給気して空調する。室内Ｂ毎に設定温湿度が異なる場合は、制御器３４にて各設定温湿度を比較して基準となる１つの設定温湿度を選択し、その基準設定温湿度に該当する所定の室内Ｂの検出温湿度が設定温湿度になるように信号出力して制御し、基準と設定温湿度が異なる室内Ｂは変風量ユニット５で送風量を増減して温湿度制御する。例えば、冷房運転の場合は最低の設定温湿度を基準とし、暖房運転の場合は最高の設定温湿度を基準とすればよいが、これ以外の基準とするも自由である。

夏期に冷房運転をする場合、外気を外気処理用給気側熱交換器６で冷却減湿した除湿空気と、還気を還気処理用給気側熱交換器７で乾き冷却した空気と、を所定比率（例えば８：２）で混合すると、前記乾き冷却した空気で、これよりも低温低湿の前記除湿空気を再熱するのと同じ効果が得られ、給気を温湿度制御できる。冬期に暖房運転する場合、外気を外気処理用給気側熱交換器６で加熱し、加湿器９で加湿して湿度調整した空気と、還気を還気処理用給気側熱交換器７で加熱した空気と、を所定比率で混合することで給気を温湿度制御できる。中間期などでは、圧縮機１３を停止して外気冷房を行い省エネ化を図ることができる。

なお、本発明は前記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更自由である。それぞれ図示省略するが、空気を熱源とするヒートポンプＡとしたり、圧縮機１３を外気処理用給気側熱交換器６と還気処理用給気側熱交換器７に共用させずに個別に設けてもよく、さらに、外気と還気の混合比率を変更するも自由である。ダンパ機構１１の位置の変更は自由で空調機１に設けても、空調機１に連通する送風路側に設けてもよい。また、前記各実施例において給気側送風機１０を各々の熱交換器の風上に設けて押込み式に送風して混合するも自由である。

本発明の空調システムの全体簡略説明図。 要部説明図。

符号の説明

１ 空調機
３ 熱源水回路
４ 地中熱交換器
５ 変風量ユニット
６ 外気処理用給気側熱交換器
７ 還気処理用給気側熱交換器
８ ケーシング
９ 加湿器
１０ 給気用送風機
１１ ダンパ機構
１２ 分岐送風路
１３ 圧縮機
１５ ＶＡＶ制御手段
１６ 加熱装置
１７ 第１切換機構
１８ 第２切換機構
１９ 熱交換コイル
２０ 熱源側熱交換器
２２ 往路管部
２３ 復路管部
Ａ ヒートポンプ
Ｂ 室内

Claims (8)

1. 熱媒を熱源とする圧縮式のヒートポンプＡを有する空調機１と、前記熱媒を循環させる熱源水回路３と、この熱源水回路３に接続されて前記熱媒を温度調節する地中熱交換器４と、複数の室内Ｂ毎に設けられて前記空調機１からの給気風量を個別に調整自在な変風量ユニット５と、を備え、前記ヒートポンプＡは、外気を熱交換する外気処理用の給気側熱交換器６と、還気を熱交換する還気処理用の給気側熱交換器７と、を備え、前記空調機１のケーシング８内に、前記ヒートポンプＡと、外気を加湿する加湿器９と、前記還気処理用給気側熱交換器７を通った還気と前記外気処理用給気側熱交換器６及び前記加湿器９を通った外気とを混合して給気する給気用送風機１０と、を設けたことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ式ドライ空調システム。
2. 空調機１に取入れられる還気風量と外気風量を制御するダンパ機構１１を、備えた請求項１記載の地中熱利用ヒートポンプ式ドライ空調システム。
3. 空調機１と各変風量ユニット５を連結する分岐送風路１２毎の変風量ユニットボリュームポイントと分岐送風路内径比ポイントとの積算値を全分岐送風路分合計すると共にその合計積算値の全変風量ユニット最大ボリューム時合計積算値に対する比に基いて前記空調機１の給気用送風機１０の風量制御のみ又はこの給気用送風機１０の風量制御及びヒートポンプＡの圧縮機１３の容量制御を行うＶＡＶ制御手段１５を、備えた請求項１又は２記載の地中熱利用ヒートポンプ式ドライ空調システム。
4. 熱源水回路３に熱媒を加熱する加熱装置１６を地中熱交換器４よりも下流で接続し、前記熱源水回路３に、前記地中熱交換器４に対して熱媒を流通・バイパス切換自在な第１切換機構１７と、前記加熱装置１６に対して熱媒を流通・バイパス切換自在な第２切換機構１８と、を設けた請求項１、２又は３記載の地中熱利用ヒートポンプ式ドライ空調システム。
5. 空調機１に、加熱装置１６にて加熱された熱媒にて外気を予熱する熱交換コイル１９を、外気処理用給気側熱交換器６の風上に設けた請求項４記載の地中熱利用ヒートポンプ式ドライ空調システム。
6. 地中の地表近くに埋設される地中熱交換器４が、熱媒が渦巻き状に下りながら流れる樹脂製の往路管部２２と、この往路管部２２から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部２３と、を備えた請求項１、２、３、４又は５記載の地中熱利用ヒートポンプ式ドライ空調システム。
7. 外気処理用と還気処理用の２つの給気側熱交換器６、７を、熱源側熱交換器２０と圧縮機１３で共用した請求項１、２、３、４、５又は６記載の地中熱利用ヒートポンプ式ドライ空調システム。
8. 給気側熱交換器６、７のフィンチューブを楕円管とした請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の地中熱利用ヒートポンプ式ドライ空調システム。

Images