JP4588198B2 - Snow melting system using geothermal and air heat - Google Patents

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    • Y02E10/10Geothermal energy

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、降雪地帯の融雪用に、通常融雪運転、融雪用電力の電源遮断時の融雪運転及び予熱・凍結防止用の運転等の広範囲の運転に対応する地中熱・空気熱利用の融雪システムと、地中熱の採熱と空気熱の採熱とにより温熱を発生させ、地中及び空気中への放熱により冷熱を発生させる、地中熱と空気熱とを併用した自然作動媒体を冷媒に使用するヒートポンプを介しての地中熱・空気熱利用の融雪システムとに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、道路の凍結や積雪を防止するために道路表面近くの地中に融雪発熱体を埋設している。
前記発熱体には、電気ヒータ等が使用されているか、または地上表面近くの路盤上の舗装体(アスファルト層やコンクリート層)に埋設した配管に温水を循環させる方法が融雪ないし凍結防止手段として使用されている。
【0003】
ところで、従来の温水による融雪は、上記したように地表近くに埋設した融雪管に空気を熱源とする温水加熱を目的とするヒートポンプが使用されているが、電源遮断時には融雪が不可能となり何らかの対策が必要とされていた。
また、空気熱を熱源とするため、空気熱の供給源であるヒーティングタワーの伝熱面の着霜が熱効率の低下に繋がりデフロストを必要とするが、このデフロストのためには一時融雪を停止する問題があった。
また、一時的な異常気象による豪雪に対処するためには従来の融雪手段では熱容量に余裕がなく柔軟性に欠ける問題があった。
そして、積雪地帯では、融雪に融雪用の電力契約があるが、該契約に伴う特定時間帯における電力遮断(ピークカット)を余儀なくさせられ、そのため融雪を停止せざるを得ない問題がある。
【0004】
ところで、近年、地球温暖化、オゾン層破壊、省エネルギ等の環境問題が叫ばれており、自然冷媒・自然エネルギの有効利用も求められている。その中で、大地はどこにも存在する安全で自然の材料であり、特別なスペースを必要としない等の特徴を持っており、この地中熱の有効利用並びに大地の蓄熱性の利用も考えられ、地中熱の利用に対する提案もされている。
【0005】
例えば、特開平11−159891号公報には「地中熱利用ヒートポンプシステム」として上記提案の一が開示されている。
上記提案によれば、本提案によるヒートポンプシステムは、
排湯発生施設で発生した排湯を貯留する排湯槽、または湯使用施設で使用する湯を貯留する給湯槽とを設け、これらの排湯槽または給湯槽における貯留湯と地中との両方から採熱させながら温熱発生をさせるとともに、
貯留水を加熱して湯使用施設での使用湯を生成する給湯槽を設け、この給湯槽構成における貯留水と地中との両方へ放熱させながら冷熱を発生させる、ヒートポンプにより構成したものである。
【0006】
則ち、温熱の発生には、貯留湯の熱と地中の熱を使用して地熱の低下による採熱低下を防止して安定運転を可能とし、また、冷熱の発生には、給湯槽の貯留水と地中の両方への放熱によりヒートポンプの安定運転を図ったもので、従来の地中熱のみ利用のヒートポンプシステムにおける短時間の継続運転での採熱不良によるヒートポンプ装置の温熱発生量の低下や消費電力の増大を防止するようにしたものである。
なお、本提案に使用されている地中熱の取出し用の熱交換器は、地中深く埋設した二重管式熱交換器で、図面からは熱容量は余り大きく採れない縦型構造のものと考えられる。
【0007】
ところが、地中温度は土壌の種類により異なるが略5〜9mの地下になると年間を通じて略10℃前後の一定温度になり、このレベルの温度は冷房時の外気温度よりも低く、また、暖房時の外気温度より高いので、地中熱の利用の仕方によっては大気を熱源とする従来方式より年間を通じてシステムの成績係数が高く且つ一次エネルギの消費量を減ずることもできる利点もある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、冬期降雪時における融雪用電力の電源遮断時、凍結防止、予熱期間等複雑な融雪対策に順応できる多用性を持つ省エネルギの融雪蓄熱システムの提供を目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の地中熱・空気熱利用の融雪システムは、
融雪用電力の遮断時にもピークカットの無い低圧電力を使用してポンプ駆動による融雪運転を継続させるべく路盤加熱用の融雪パイプと該融雪パイプに融雪用ブラインを送る地盤加熱用の蓄熱パイプを設けたものである。
則ち、ブラインを加熱すべく採熱器として機能するヒーティングタワーと圧縮機と凝縮器と膨張弁とよりなる空気熱源のヒートポンプと、該ヒートポンプにより加熱形成された温ブラインを流通させて地表の降雪を融解するため路盤上ないし地盤上の地層との間で熱交換をする熱交換用パイプと、該パイプと前記ヒートポンプの間を結合するブライン供給路とよりなる地中熱・空気熱利用の融雪システムにおいて、
前記ヒートポンプの圧縮顕熱熱交換器に結合して第1の温ブラインを流通させ地盤上の地層と熱交換する蓄熱パイプと、前記ヒートポンプの凝縮器に結合して第1の温ブラインより低い温度の第2温ブラインを流通させ路盤上のアスファルト層と熱交換する融雪パイプとを設ける構成としたことを特徴とする。
【0010】
本発明は上記構成に示すように、融雪に必要なブラインの加熱に空気熱を熱源とする圧縮ヒートポンプを使用し、且つ加熱された温ブラインにより地表近くの路盤上の地層の加熱だけでなく路盤の下部の地盤上の地層の加熱を可能として、異常気象による豪雪等による融雪負荷の変動に対応できる熱容量の蓄熱を可能としたものである。
【0011】
即ち、上記地表近くの路盤上の地層の加熱には例えば10〜30℃(好ましくは約25℃前後)の温ブラインを使用し直接融雪に関与させ、路盤とその下部の地盤上の地層の加熱には例えば30〜60℃(好ましくは約50℃前後)の温ブラインを使用し負荷の変動に対応できる熱容量を持つ蓄熱に関与させるようにしてある。
そして、前記空気熱源のヒートポンプの圧縮機の吐出側に吐出ガスの顕熱熱交換器を設け、該熱交換器を介して約50℃前後の温ブラインを得て、蓄熱パイプを作動させ、地盤上部の地層との間の蓄熱熱交換を行い、融雪負荷の変動に対応させる構成とし、
ついで、前記吐出ガスを凝縮する凝縮器で約25℃前後の温ブラインを得て、融雪パイプを作動させ、路盤上部の地層の融雪に直接関与させる構成としたものである。
【0012】
また、請求項1記載の融雪パイプ及び蓄熱パイプとヒートポンプとの間を結ぶそれぞれのブライン供給路は、切り替えバルブ群を介してヒートポンプより切り離して互いに結合させ路盤地層と地盤地層の間を循環する温ブラインの循環路を形成させ、該循環路を介して融雪用電力の電源遮断時(ピークカット時)の融雪運転及び凍結防止・予熱運転に対し、ピークカットの無い低圧電力でブライン循環ポンプを駆動させ対応させる構成にしたことを特徴とする。
【0013】
上記請求項2記載の発明により、前記ヒートポンプの顕熱熱交換器と蓄熱パイプを結ぶ温ブライン供給路と、前記ヒートポンプの凝縮器と融雪パイプを結ぶ温ブライン供給路は、それぞれ切り替え回路によりヒートポンプより切断分離し、分離した融雪パイプと蓄熱パイプを結合するブライン循環路を形成させ、低圧動力で駆動するブライン循環ポンプを駆動させる構成とし、融雪用電力の電源遮断時に対応するヒートポンプ休転時の融雪を可能とするとともに、凍結防止・予熱運転時にもヒートポンプを休転させ蓄熱により路面の暖めることができるようにしてある。
【0014】
また、請求項1記載のヒートポンプは、前記ヒーティングタワーをデフロスト用凝縮器(放熱器)として切り替え作動させ、前記凝縮器をデフロストした低温冷媒ガスの蒸発器として切り替え作動させる構成とし、
蓄熱パイプより温ブラインを前記供給路及び切り替えバルブ群を介して前記蒸発器として切り替え作動する凝縮器に導入して、導入した地盤地層の蓄熱により低温冷媒ガスを加熱させ、さらに圧縮機を介して加圧してデフロスト用ホットガスを形成させ、前記ヒーティングタワーで放熱デフロストする構成とした、ことを特徴とする。
【0015】
ところで、空気熱源のヒートポンプを運転して外気より採熱する場合、ヒーティングタワーには上流の膨張弁により低温ガス化された冷媒ガスが通過するため、伝熱面に着霜を生じ熱効率の低下を来す。このため、ときどき運転を停止して前記着霜面のデフロストをする必要があるが、この際、請求項3記載の発明により、融雪側に影響を与えないように地盤と路盤の間に蓄熱された熱を蓄熱パイプを介して熱源として使用するようにしたものである。
【0016】
即ち、着霜したヒーティングタワーをデフロスト用凝縮器(放熱器)として機能させ、凝縮器を前記ヒーティングタワーにより放熱凝縮した冷媒液を膨張弁を介して蒸発させる蒸発器として機能させたものである。
そして、蒸発器として機能する凝縮器で気化した冷媒ガスは、蓄熱パイプを介して導入された路盤と地盤との間の蓄熱により加熱され、さらに圧縮機により加熱されデフロスト用ホットガスを得るようにしたものである。
【0017】
また、前記請求項1記載のヒートポンプは、前記ヒーティングタワーをブライン間接型とし、凝縮器と顕熱熱交換器のブライン回路の切り替えにより作動させる構造とし、
温ブラインを蓄熱パイプにより前記供給路及び切り替えバルブ群を介して蒸発器に導入して、導入した地盤地層の蓄熱により低温冷媒ガスを加熱させ、さらに圧縮機を介して加圧して凝縮器でヒーティングタワーに通ずる温ブラインを形成させ、前記ヒーティングタワーに導入して放熱デフロストする構成としたことを特徴とする。
【0018】
上記請求項4記載の発明により、蒸発器の介在によるブライン間接型の場合は、蒸発器で気化した冷媒ガスは、蓄熱パイプを介して導入された路盤と地盤との間の蓄熱により加熱され、さらに圧縮機により加熱され凝縮器でデフロスト用温ブラインを得るようにしたものである。
【0019】
また、前記請求項1記載のヒートポンプは、二次側はブラインを使用した間接型とし、一次側は自然型冷媒使用の自己完結型としたことを特徴とする。
【0020】
上記請求項5記載の発明は、二次側にブラインを使用した間接型とし、一次側との連携を完全に断つとともに、一次側に環境にやさしい自然作動流体のアンモニア冷媒を使用し、冷媒漏洩等の冷媒事故を最小に抑えるため、自己完結型としてある。
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
【0033】
【0034】
【0035】
【0036】
【0037】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図1は本発明の第1の発明の地中熱・空気熱利用の融雪システムの概略の構成を示す系統図で、図2は図1のシステム系統図についてヒーティングタワーをブライン間接型にした場合の系統図で、図3は図1の融雪パイプと蓄熱パイプの舗装路における埋設状況の一例を示す断面図で、図4は図1の融雪パイプと蓄熱パイプへのブライン配管詳細図で、通常運転時の温ブラインの流れを示す図である。図5は電源遮断時及び予熱時、凍結防止時における温ブラインの流れを示すブライン配管詳細図である。図6は図1のヒーティングタワーのデフロスト運転の際の地盤上の蓄熱を熱源とする冷媒の流れを示す図で、図7は図6における蓄熱パイプと融雪パイプのブラインの流れを示す配管詳細図である。
図8は本発明の参考発明の地中熱・空気熱利用の融雪/冷房システムの冬期における一参考例の系統図で、図9は図8の夏期における冷房用冷熱発生の図である。図10は図8、図9において、ヒーティングタワーをブライン間接型にした場合のシステム系統図で、図11は図8の別の参考例を示す図で、図12は図9の別の参考例を示す図である。図13は図8、図9における融雪パイプと採熱パイプの配設状況を示す模式的断面図である。
【0038】
図1に示すように、本発明の第1の発明の地中熱・空気熱利用の融雪システムは、ヒーティングタワー10と圧縮機11と蓄熱用のブラインヒータを形成する顕熱熱交換器12と融雪用のブラインヒータを形成する凝縮器14と膨張弁16とよりなる空気熱源のヒートポンプ20と、蓄熱パイプ13と融雪パイプ15とブライン供給路18とより構成する。
【0039】
なお、図1のヒーティングタワー10の蒸発器をブライン間接型とした場合は、図2に示すように蒸発器10aを追加付設し、凝縮器14と顕熱熱交換器12のブライン切り替え回路19d、19eを追加付設する。
【0040】
前記空気熱源のヒートポンプ20は、ヒーティングタワー10により大気中より採熱した空気熱を熱源として冷媒ガスを加熱する。そして加熱された冷媒ガスは圧縮機11により高温高圧の冷媒ガスとして吐出され、吐出ガスの顕熱は顕熱熱交換器12のブラインヒータを介して蓄熱パイプ13に流通させるブラインを約50℃前後に加熱し蓄熱用の熱を付与して、融雪負荷の変動ないし後記する融雪用電力の電源遮断時の融雪運転、ないし予熱、凍結運転に対応させている。
ついで顕熱熱交換器12を経由した吐出ガスは、凝縮器14のブラインヒータを介して融雪パイプ15に流通させるブラインを約25℃前後に加熱し温ブラインとして融雪用の熱を付与をする。
前記凝縮器14で凝縮された冷媒液は膨張弁16を介して冷媒ガスとなりヒーティングタワー10に還流循環する。
【0041】
前記ブライン供給路18は、蓄熱用温ブライン供給路18aと融雪用温ブライン供給路18bと、前記ブライン供給路18a、18bを結ぶ連絡路18cとよりなる。蓄熱用温ブライン供給路18aは、切り替えバルブ17a、17bを介し顕熱熱交換器12のブラインヒータに接続して前記したように約50℃前後の温ブラインを蓄熱パイプ13へ供給する。融雪用温ブライン供給路18bは、切り替えバルブ17c、17dを介し凝縮器14のブラインヒータに接続して前記したように約25℃前後の温ブラインを融雪パイプ15へ供給する。
【0042】
図3には、前記融雪パイプ15と蓄熱パイプ13の舗装路における埋設状況の一例を示す断面図を示してある。
図3に示すように、舗装道路は地盤23の上に厚みB(約300〜600mm)の路盤22を設け、路盤22上に厚みA(約100mm)のアスファルト層等の舗装が施工され路面21が形成されているが、本発明の融雪蓄熱システムでは前記路盤22上のアスファルト層等の舗装に融雪パイプ15を埋設し、地盤23上の地層に蓄熱パイプ13を埋設する構成にしてある。
【0043】
上記構成を持つ融雪蓄熱システムによる融雪運転には、図4に示す通常融雪運転と、図5に示す電源遮断時(融雪用電力契約時)の融雪運転や予熱、凍結防止運転がある。
前記通常融雪運転においては、図4に見るように、圧縮機11よりの高温高圧吐出ガスは、顕熱熱交換器12の蓄熱用のブラインヒータを介して加熱され、約50℃前後の温ブラインとなり蓄熱用温ブライン供給路18a、ブライン循環ポンプ19aを介して蓄熱パイプ13に供給されて地盤23上の地層を加熱する。それとともに、吐出ガスの凝縮熱は、凝縮器14の融雪用のブラインヒータを介して約25℃前後の温ブラインを得るようにして、融雪用温ブライン供給路18b、ブライン循環ポンプ19bを介して融雪パイプ15に供給され、路盤22上のアスファルト層を加熱するようにしてある。
【0044】
次に融雪用電力の電源遮断時(ピークカット時)の融雪運転及び予熱、凍結防止運転は、融雪用電力駆動のヒートポンプ20を休転させてピークカットの無い低圧電力のみで稼働させるもので、この場合はブライン供給路18に設けた切り替えバルブ17a、17b、17c、17dを介して蓄熱パイプ13及び融雪パイプ15をそれぞれヒートポンプ20より切り離し分離を行なうとともに、図5に見るように蓄熱パイプ13と融雪パイプ15とを連絡路18cを介して直列状に接続させ(黒マークは閉、白マークは開として)矢印に示すように循環路を形成させ、地盤23上の地層に蓄熱された熱は前記循環路、低圧電力駆動のブライン循環ポンプ19bを介して蓄熱パイプ13より融雪パイプ15に融雪用の熱ないし予熱用の熱ないし凍結防止熱として供給する構成にしてあり、融雪用電力の遮断によるヒートポンプ20の休転時にも支障なく対応できるようにしてある。
【0045】
ところで、空気熱源のヒートポンプ20においては、外気より空気熱を採熱するヒーティングタワー10の伝熱面の融雪運転時における膨張弁16により気化された低温冷媒ガスによる着霜が起き、使用中に熱効率の低下を来し融雪に支障をもたらす問題があるが、このため時々ヒートポンプ20の運転を停止させて前記伝熱面のデフロストを行なう必要がある。
【0046】
本発明においては、図6に示すように、着霜したヒーティングタワー10をデフロスト用凝縮器(放熱器)として機能させ、凝縮器14をヒーティングタワー10により凝縮した冷媒液を膨張弁16を介して蒸発させる蒸発器として機能させるようにしたものである。
そして、蒸発器として機能する凝縮器14で気化した冷媒ガスは、蓄熱パイプ13を介して導入された地盤上の地層に蓄熱された熱により加熱され、さらに圧縮機11により加熱されデフロスト用ホットガスを得るようにしたものである。
かくして得られたホットガスは凝縮器として機能するヒーティングタワー10で放熱し伝熱面でのデフロストを行なうようにしてある。
【0047】
前記デフロストの場合は、図7に示すように、融雪用温ブライン供給路18bに接続する融雪パイプ15及び蓄熱用温ブライン供給路18aに接続する蓄熱パイプ13を夫々切り替えバルブ17c、17d、17a、17bを介してヒートポンプ20より切り離し分離するとともに、前記切り離した蓄熱パイプ13を連絡路18c、ブライン循環ポンプ19cを介して融雪ブライン供給路18bに接続し、該供給路を介してヒートポンプ20の蒸発器として機能するようにした凝縮器14に接続する。斯くして、デフロストにより放熱凝縮した冷媒液を膨張弁16でガス状とし、それに前記蓄熱パイプ13よりの地盤上の地層に蓄熱された熱の供給を受け加熱させ、融雪パイプ15による融雪に支障を与えることなくデフロストできるようにしてある。
【0048】
また、図2に示すヒーティングタワー10を蒸発器10aを介在させたブライン間接型とした場合は、凝縮器14と顕熱熱交換器12のブライン切り替え回路19d、19eに切り替えることにより、凝縮器14で生成された温ブラインをヒーティングタワー10に導入し放熱させ伝熱面でのデフロストを行うようにしている。
【0049】
前記デフロストの場合は、融雪パイプ15を切り替えバルブ17c、17dによりヒートポンプ20より切り離し分離するとともに、蒸発器10aのヒーティングタワー側には回路19dを介して蓄熱用温ブライン供給路18aに接続させ、蓄熱パイプ13からの地盤上の地層に蓄熱された熱を導入させ、融雪パイプ15による融雪に支障を与えることなくデフロストができるようにしてある。
【0050】
図8、9は、本発明の参考発明の地中熱・空気熱利用の融雪/冷房システムの一参考例を示す図で図8は冬期における融雪用温熱発生の図で、図9は夏期における冷房用冷熱発生の図が示してある。
図に示すように、本発明の参考発明の地中熱・空気熱利用の融雪/冷房システムは、地中熱交換器33と該熱交換器に併設した空気熱交換器(ヒーティングタワー)34と圧縮機31とブライン熱交換器32と膨張弁36a、36bと蒸発圧力調整弁(EPR)35とよりなるヒートポンプ30と、
地表のアスファルト層の下部に埋設されて前記ブライン熱交換器32の2次側に配設された融雪パイプ32aと、該融雪パイプ32aの下層の同一領域内に埋設され前記地中熱交換器33の2次側を形成する採熱パイプ33aと、別途設けた暖房用のブライン加熱器41と、該加熱器41を介して暖房用温熱を供給するボイラ40とより構成する。
【0051】
また、図8、図9において、ヒーティングタワー34を蒸発器を介在させたブライン間接型とした場合は、図10に示すように蒸発器34aを追加付設し、凝縮器(ブライン熱交換器)32と蒸発器34aのブライン切り替え回路45a、45bとをヒートポンプ30に追加付設する。
【0052】
そして図8に示す冬期においては、
ヒートポンプ30は、地中熱交換器33と併設した空気熱交換器34とより採熱した地中熱と空気熱を熱源としてアンモニアガスを加熱する。そして加熱されたアンモニアガスは、圧縮機31により高温高圧のアンモニアガスとして吐出され、吐出ガスはストップバルブ37aの開放により形成された融雪回路44aを介してブライン熱交換器32に向け矢印W方向に圧送される。
圧送された高温高圧アンモニアガスは、融雪用のブライン熱交換器32により凝縮され、熱交換された凝縮熱は融雪パイプ32a内を流通するブラインを約20〜35℃前後に加熱し融雪用温熱を地表近くのアスファルト層に付与するようにしてある。
前記融雪用ブライン熱交換器32により凝縮されたアンモニア冷媒液はレシーバ38に受液された後、地中熱交換器33ではEPR35により蒸発圧力の制御のもとに蒸発して地中に蓄熱された地中熱を採熱するとともに、空気熱交換器34では膨張弁36bを介して蒸発して大気中より空気熱を採熱し、該採熱により加熱アンモニアガスを形成し圧縮機31へ還流する。
【0053】
前記地中に蓄熱された地中熱による土壌温度は、土壌の性質にもよるが地表から−5mで約10℃前後が一般的で、前記採熱パイプの埋設高さにもよるが高い蒸発温度で蒸発できるため、ランニングコストの低減と省エネルギ化を図ることができる。
なお、前記融雪パイプ32aと採熱パイプ33aとの埋設状況の一参考例を図9に示してあるが、採熱パイプの埋設深さは約1〜3mの程度とし地質調査ボーリング結果により決めている。
【0054】
一方、前記ヒートポンプ30に付設したボイラ40により、暖房用のブライン加熱器41を介して空調機42への温熱を供給する構成としてあるが、豪雪時、融雪用電力の電源遮断時(ピークカット時)、空気熱交換器のデフロスト時においても融雪パイプ32aへ切り替え融雪用として温熱を供給できるようにしてある。
【0055】
図9には夏期における冷房用冷熱発生の図が示してある。
図に見るように、この場合はストップバルブ37aを閉鎖し冷房回路44bを介して作動媒体であるアンモニア冷媒はヒートポンプ30内を矢印S方向に流動させている。
前記地中熱交換器33及び空気熱交換器34は凝縮器として機能させ、前記空気熱交換器34を介しての大気中への放熱と前記地中熱交換器33を介しての地中への蓄熱をさせ、凝縮アンモニア冷媒液はレシーバ38に受液される。
そして、受液されたアンモニア冷媒液は膨張弁36aを介して前記融雪用のブライン熱交換器32を蒸発器として機能させ、発生した冷熱は空調機42へ送られ冷房用として使用するようにしてある。
この場合は、アンモニア冷媒をヒートポンプ30内を循環させ、空気熱交換器34及び地中熱交換器33を介しての地中及び大気中への放熱により、ブライン熱交換器32より冷熱を得ている。
なお、前記採熱パイプ33aは、地表よりの太陽熱の輻射熱と前記地中熱交換器33を介しての高温アンモニアガスの凝縮熱とを蓄熱する。
【0056】
図8、9に見るように、2次側にはブラインを使用した間接型として一次側との連携を完全に断つとともに、一次側に環境にやさしい自然作動媒体のアンモニア冷媒を使用し、冷・熱サイクルは自己完結型に構成してあるため、冷媒漏洩等の事故を最小に抑え、他の部位への波及を防止している。
【0057】
また、図8、9におけるヒーティングタワー34を蒸発器34aの介在によるブライン間接型とし、凝縮器(ブライン熱交換器)32と蒸発器34aのブライン切り替え回路45a、45bを切り替え作動させることにより、前記ヒーティングタワー34に温ブラインを導入し放熱させてデフロストするため、アンモニア冷媒量を極小化でき、複雑な冷媒配管が不要となるため、漏洩による事故の危険性をさらに低くすることができる。
【0058】
図11、12には本発明の参考発明の別の参考例が示してあるが、この場合は図に見るように、ブライン熱交換器32にアイスバンク39を併設し前記ブライン熱交換器は融雪専用の熱交換器として使用し、前記アイスバンクは冷房時の氷蓄熱槽と融雪時の圧縮顕熱の温蓄熱槽に使用するとともに、ボイラ40の出力側に設けたブライン加熱器41を介して2次側のブライン使用の間接熱交換の代わりに空調機42の冷暖房には直接熱交換を行なうようにしたものである。
圧縮顕熱の蓄熱は圧縮機31の吐出側にアイスバンク39を設けることにより、アイスバンク内に温水を循環させて、顕熱蓄熱する。
このため、空気熱交換器(ヒーティングタワー)34のデフロスト時には、図12に示す氷蓄熱運転サイクルにすることで、アイスバンク39内の温水を冷却するとともにブライン熱交換器32を断とする運転ラインに切り替えられ、融雪パイプ32a内のブラインは冷却されることなく融雪環境が維持できる。
一方蓄熱能力に優れ、負荷の変動による影響を冷凍機に直接与えず、アイスバンク39の使用により、アイスバンクの水槽内に設けた冷却コイルの外周を夜間氷結させ、冷却熱を氷の形に変えて蓄熱し昼間ヒートポンプ停止時においても冷房負荷に応じて融解し使用するようにしてある。
夏期の氷蓄熱運転時の凝縮熱は、採熱パイプ33aに放熱することで冬期の採熱による地中温度の低下を回復させるとともに凝縮温度を低く設定でき効率的な運転ができる。
さらに、冬期の融雪運転においては夏期に地中に蓄熱していた熱を採熱するため蒸発温度を高く設定でき高効率の運転が可能となる。
上記以外の構成は図8、9と同一であるため、該部位に関する説明は省略する。
【0059】
【発明の効果】
上記本発明の構成により下記に記載する効果を上げることができる。
a、融雪用電力の電源遮断時(ピークカット時)においても地盤に蓄熱された熱を使用することで、ヒートポンプを運転することなく確実に融雪を行なうことが出来るので、安心して融雪契約を利用できる。
b、路盤の下部に熱を供給することで融雪パイプから路盤下部へ逃げる熱量を大幅に減少させることが出来、温ブラインの熱を有効に利用できる。
c、蓄熱を利用することでヒートポンプ能力以上の熱容量を持つシステムにしてあるので、一時的な異常豪雪にも対処できる。
d、路盤と地盤の間に蓄熱された熱をデフロスト用として利用できるので、融雪パイプ側に支障を与えることなくデフロスト運転を行なうことができ、融雪効率を上げることができる。
e、降雪時以外の凍結防止や予熱期間においては、路盤と地盤の間に蓄熱された熱を利用できるので、ヒートポンプの運転の必要がなく、電力消費を大幅に節減できる。
また、参考発明の構成により下記効果を奏する。
f、地中土壌の蓄熱性を利用した地中熱・空気熱併用のアンモニアヒートポンプ のユニットの使用により夏期は冷房負荷に対応出来るとともに、冬期に融雪や 暖房負荷にブラインによる間接型自己完結型の冷・熱サイクルで対応出来、安全且つ省エネルギのシステムを提供する。
g、融雪パイプの下層に採熱パイプを埋設したため、省スペース化が可能である。
h、空気熱交換器(ヒーティングタワー)のデフロスト時には、氷蓄熱運転サイクルにすることで、アイスバンク内の温水を冷却するとともにブライン熱交換器を断とする運転ラインに切り替えられ、融雪パイプ内のブラインは冷却されることなく融雪環境が維持できる。
k、冬期の融雪運転においては夏期に地中に蓄熱していた熱を採熱するため蒸発温度を高く設定でき高効率の運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の発明の地中熱・空気熱利用の融雪システムの概略の構成を示す系統図である。
【図2】 図1のシステム系統図についてヒーティングタワーをブライン間接型にした場合の系統図である。
【図3】 図1の融雪パイプと蓄熱パイプの舗装路における埋設状況の一例を示す断面図である。
【図4】 図1の融雪パイプと蓄熱パイプへのブライン配管詳細図で、通常運転時の温ブラインの流れを示す図である。
【図5】 図1の電源遮断時及び予熱時、凍結防止時における温ブラインの流れを示すブライン配管詳細図である。
【図6】 図1のヒーティングタワーのデフロスト運転の際の地盤上の蓄熱を熱源とする冷媒の流れを示す図である。
【図7】 図6における蓄熱パイプと融雪パイプのブラインの流れを示す配管詳細図である。
【図8】 本発明の参考発明の地中熱・空気熱利用の融雪/冷房システムの冬期における融雪用温熱発生の参考例の一例を示す図である。
【図9】 図8の夏期における冷房用冷熱発生の参考例の一例を示す図である。
【図10】 図8、9において、ヒーティングタワーをブライン間接型にした場合のシステム系統図である。
【図11】 図8の別の参考例を示す図である。
【図12】 図9の別の参考例を示す図である。
【図13】 図8、図9における融雪パイプと採熱パイプの配設状況を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
10 ヒーティングタワー
11 圧縮機
12 顕熱熱交換器
13 蓄熱パイプ
14 凝縮器
15 融雪パイプ
16、36a、36b 膨張弁
18 ブライン供給路
20、30 ヒートポンプ
21 路面
22 路盤
23 地盤
31 圧縮機
32 ブライン熱交換器
32a 融雪パイプ
33 地中熱交換器
33a 採熱パイプ
34 空気熱交換器
38 レシーバ
39 アイスバンク
40 ボイラ
41 ブライン加熱器
42 空調機
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is for snowmelting in a snowy region, and usually uses snowmelt operation using ground heat or air heat, corresponding to a wide range of operations such as snowmelt operation when snowmelt power is cut off, snowmelt operation when power supply to the snowmelt is cut off, and preheating / freezing prevention operation. A natural working medium that combines ground heat and air heat that generates heat by the system, ground heat sampling and air heat sampling, and generates heat by radiating heat to the ground and air. Fusion of geothermal and air heat utilization through heat pumps used for refrigerants Snow Related to the stem.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to prevent the road from freezing and snow accumulation, a snow melting heating element is buried in the ground near the road surface.
As the heating element, an electric heater or the like is used, or a method of circulating hot water in a pipe embedded in a pavement (asphalt layer or concrete layer) on the roadbed near the ground surface is used as a means for preventing snow melting or freezing. Has been.
[0003]
By the way, as for the conventional snowmelt by hot water, as mentioned above, a heat pump for hot water heating using air as a heat source is used in the snowmelt pipe buried near the ground surface. Was needed.
In addition, because air heat is used as a heat source, frost formation on the heat transfer surface of the heating tower, which is the supply source of air heat, leads to a decrease in thermal efficiency and requires defrost. For this defrost, temporary melting of snow is stopped. There was a problem to do.
In addition, in order to cope with heavy snowfall due to temporary abnormal weather, the conventional snow melting means has a problem that heat capacity is not enough and flexibility is not sufficient.
And in a snowy area, there is a power contract for melting snow in the snow melting, but there is a problem that power melting (peak cut) in a specific time zone accompanying the contract is forced, so that the snow melting must be stopped.
[0004]
By the way, in recent years, environmental problems such as global warming, ozone layer destruction, and energy saving have been screamed, and effective use of natural refrigerants and natural energy is also required. Among them, the earth is a safe and natural material that exists everywhere, and does not require any special space. The use of this geothermal heat and the use of the earth's heat storage are also conceivable. There are also proposals for the use of geothermal heat.
[0005]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 11-159891 discloses one of the above proposals as a “geothermal heat pump system”.
According to the above proposal, the heat pump system according to the present proposal is
A hot water tank for storing the hot water generated at the hot water generation facility or a hot water tank for storing hot water to be used at the hot water use facility is provided and collected from both the stored hot water and the ground in these hot water tanks or hot water tanks. While generating heat while heating,
A hot water supply tank that heats the stored water and generates hot water in the hot water use facility is provided, and is configured by a heat pump that generates cold while radiating heat to both the stored water and the ground in this hot water tank configuration. .
[0006]
In other words, for the generation of warm heat, the heat of the stored hot water and the heat of the ground are used to prevent a decrease in heat collection due to a decrease in geothermal heat, enabling stable operation. The heat pump is designed for stable operation by radiating heat to both the stored water and the ground, and the heat generation amount of the heat pump device due to poor heat collection in a short-time continuous operation in a conventional heat pump system that uses only underground heat. It is intended to prevent a decrease and an increase in power consumption.
In addition, the heat exchanger for extracting ground heat used in this proposal is a double-pipe heat exchanger buried deep underground, and it has a vertical structure that does not allow for a large heat capacity from the drawing. Conceivable.
[0007]
However, the underground temperature varies depending on the type of soil, but when it is about 5-9m underground, it becomes a constant temperature of around 10 ° C throughout the year. This level of temperature is lower than the outside air temperature during cooling. Therefore, there are advantages that the system coefficient of performance is higher throughout the year and that the consumption of primary energy can be reduced depending on how the underground heat is used, compared to the conventional method using the air as the heat source.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above problems, and is an energy-saving snow-melting heat storage system having versatility that can adapt to complicated snow-melting countermeasures such as anti-freezing and pre-heating period when the power for snow-melting is interrupted during winter snowfall. Of It is for the purpose of provision.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
So, this departure Mysterious Snow melting systems using geothermal and air heat are
A snowmelt pipe for roadbed heating and a heat storage pipe for ground heating that sends snowmelt brine to the snowmelt pipe are provided to continue the snowmelt operation by pump drive using low-voltage power without peak cut even when the power for snowmelt is cut off. It is a thing.
That is, a heating tower that functions as a heat collector to heat the brine, a compressor, a condenser, and an expansion valve, and an air heat source heat pump, and a hot brine heated and formed by the heat pump are circulated. Use of underground heat and air heat consisting of a heat exchange pipe for exchanging heat with the ground on the roadbed or the ground to melt snowfall, and a brine supply path connecting the pipe and the heat pump. In the snow melting system,
A heat storage pipe that is connected to the compression sensible heat exchanger of the heat pump and distributes the first warm brine to exchange heat with the formation on the ground, and a temperature lower than the first warm brine that is connected to the condenser of the heat pump. The second warm brine is circulated, and an asphalt layer on the roadbed and a snow melting pipe for heat exchange are provided.
[0010]
As shown in the above configuration, the present invention uses a compression heat pump that uses air heat as a heat source for heating the brine necessary for melting snow, and not only heating the formation on the roadbed near the surface but also the roadbed by the heated warm brine. It is possible to heat the formation on the ground below, and to store heat with a heat capacity that can cope with fluctuations in snowmelt load due to heavy snow etc. due to abnormal weather.
[0011]
That is, for example, a warm brine of 10 to 30 ° C. (preferably about 25 ° C.) is used to heat the formation on the roadbed near the surface of the ground, and it is directly involved in snow melting to heat the formation on the roadbed and the lower ground. For example, a warm brine of 30 to 60 ° C. (preferably around 50 ° C.) is used to participate in heat storage having a heat capacity that can cope with load fluctuations.
And the sensible heat exchanger of discharge gas is provided in the discharge side of the compressor of the heat pump of the air heat source, the hot brine of about 50 ° C. is obtained through the heat exchanger, the heat storage pipe is operated, and the ground The heat storage heat exchange with the upper stratum is performed to cope with fluctuations in the snowmelt load,
Next, a warm brine of about 25 ° C. is obtained with a condenser that condenses the discharge gas, and the snow melting pipe is operated to directly participate in snow melting in the formation above the roadbed.
[0012]
In addition, each of the brine supply paths connecting between the snow melting pipe and the heat storage pipe and the heat pump according to claim 1 is separated from the heat pump via the switching valve group and coupled to each other to circulate between the roadbed formation and the ground formation. A brine circulation path is formed, and the brine circulation pump is driven by low-pressure power without peak cut for snow melting operation and freezing prevention / preheating operation when the power supply for snow melting is shut off (during peak cut). It is characterized in that it is configured to correspond.
[0013]
According to the second aspect of the present invention, the warm brine supply path connecting the sensible heat exchanger of the heat pump and the heat storage pipe, and the warm brine supply path connecting the condenser of the heat pump and the snow melting pipe are respectively switched from the heat pump by the switching circuit. A brine circulation path that cuts and separates the separated snow-melting pipe and heat storage pipe is formed, and a brine circulation pump that is driven by low-pressure power is driven. In addition, the heat pump is stopped during the freeze prevention / preheating operation so that the road surface can be warmed by heat storage.
[0014]
Further, the heat pump according to claim 1 is configured to switch the heating tower as a defrost condenser (heat radiator), and to switch the condenser tower as a defrosted low-temperature refrigerant gas evaporator,
Hot brine is introduced from the heat storage pipe into the condenser that is switched and operated as the evaporator via the supply path and the switching valve group, and the low-temperature refrigerant gas is heated by the heat storage of the introduced ground formation, and further through the compressor. The defrosting hot gas is formed by pressurization, and the heat radiation defrosting is performed by the heating tower.
[0015]
By the way, when the heat pump of the air heat source is operated to collect heat from the outside air, the refrigerant gas that has been gasified at a low temperature by the upstream expansion valve passes through the heating tower, resulting in frost formation on the heat transfer surface and a decrease in thermal efficiency. Come on. For this reason, it is sometimes necessary to stop the operation and defrost the frosting surface. At this time, according to the invention of claim 3, heat is stored between the ground and the roadbed so as not to affect the snow melting side. Heat is used as a heat source through a heat storage pipe.
[0016]
That is, the frosted heating tower is made to function as a defrost condenser (heat radiator), and the condenser is made to function as an evaporator for evaporating the refrigerant liquid radiated and condensed by the heating tower through an expansion valve. is there.
Then, the refrigerant gas evaporated by the condenser functioning as an evaporator is heated by heat accumulation between the roadbed and the ground introduced through the heat storage pipe, and further heated by the compressor so as to obtain a defrosting hot gas. It is a thing.
[0017]
Moreover, the heat pump according to claim 1 has a structure in which the heating tower is a brine indirect type and is operated by switching a brine circuit between a condenser and a sensible heat exchanger,
Hot brine is introduced into the evaporator via the supply path and the switching valve group by the heat storage pipe, the low-temperature refrigerant gas is heated by the heat storage in the introduced ground formation, and further pressurized through the compressor and heated by the condenser. It is characterized in that a warm brine leading to the heating tower is formed and introduced into the heating tower for heat radiation defrosting.
[0018]
According to the invention of claim 4 above, in the case of the brine indirect type by the intervention of the evaporator, the refrigerant gas vaporized by the evaporator is heated by the heat storage between the roadbed and the ground introduced through the heat storage pipe, Further, it is heated by a compressor and a warm brine for defrost is obtained by a condenser.
[0019]
The heat pump according to claim 1 is characterized in that the secondary side is an indirect type using brine and the primary side is a self-contained type using a natural refrigerant.
[0020]
The invention according to claim 5 is an indirect type using brine on the secondary side, completely cuts off the cooperation with the primary side, and uses an environmentally friendly natural working fluid ammonia refrigerant on the primary side. In order to minimize refrigerant accidents such as
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
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[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings. However, as long as there is no specific description, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention. .
FIG. 1 is a system diagram showing a schematic configuration of a snow melting system using ground heat and air heat of the first invention of the present invention, and FIG. 2 is a brine indirect type in the system system diagram of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of an embedding state of the snow melting pipe and the heat storage pipe in the pavement of FIG. 1, and FIG. 4 is a detailed diagram of brine piping to the snow melting pipe and the heat storage pipe of FIG. It is a figure which shows the flow of the warm brine at the time of normal operation. FIG. 5 is a detailed view of the brine piping showing the flow of the warm brine at the time of power shut-off, preheating, and freezing prevention. 6 is a view showing the flow of refrigerant using heat storage on the ground during the defrost operation of the heating tower of FIG. 1 as a heat source, and FIG. 7 is a piping detail showing the flow of brine in the heat storage pipe and the snow melting pipe in FIG. FIG.
FIG. 8 illustrates the present invention. Reference invention Winter snow melting / cooling system using underground heat and air heat Reference example FIG. 9 is a diagram showing the generation of cooling heat during the summer of FIG. FIG. 10 is a system diagram when the heating tower is a brine indirect type in FIGS. 8 and 9, and FIG. 11 is another diagram of FIG. Reference example FIG. 12 is another diagram of FIG. Reference example FIG. FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing the arrangement of the snow melting pipe and the heat collecting pipe in FIGS. 8 and 9.
[0038]
As shown in FIG. 1, the snow melting system using ground heat and air heat according to the first aspect of the present invention includes a sensible heat exchanger 12 that forms a heating tower 10, a compressor 11, and a brine heater for heat storage. And an air heat source heat pump 20 including a condenser 14 and an expansion valve 16 forming a brine heater for melting snow, a heat storage pipe 13, a snow melting pipe 15, and a brine supply path 18.
[0039]
In addition, when the evaporator of the heating tower 10 of FIG. 1 is a brine indirect type, an evaporator 10a is additionally provided as shown in FIG. 2, and a brine switching circuit 19d of the condenser 14 and the sensible heat exchanger 12 is provided. 19e are additionally provided.
[0040]
The heat pump 20 of the air heat source heats the refrigerant gas using air heat collected from the atmosphere by the heating tower 10 as a heat source. The heated refrigerant gas is discharged as a high-temperature and high-pressure refrigerant gas by the compressor 11, and the sensible heat of the discharged gas passes through the brine that passes through the brine storage heater 13 of the sensible heat exchanger 12 to about 50 ° C. This is applied to the snow melting load or the snow melting operation at the time of power interruption of the snow melting power, the preheating and the freezing operation to be described later.
Next, the discharge gas that has passed through the sensible heat exchanger 12 heats the brine to be circulated to the snow melting pipe 15 through the brine heater of the condenser 14 to about 25 ° C., and gives heat for melting snow as a warm brine.
The refrigerant liquid condensed in the condenser 14 becomes a refrigerant gas through the expansion valve 16 and circulates in the heating tower 10 by reflux.
[0041]
The brine supply path 18 includes a heat storage warm brine supply path 18a, a snow melting warm brine supply path 18b, and a connecting path 18c connecting the brine supply paths 18a and 18b. The heat storage warm brine supply path 18a is connected to the brine heater of the sensible heat exchanger 12 via the switching valves 17a and 17b, and supplies warm brine of about 50 ° C. to the heat storage pipe 13 as described above. The snow melting warm brine supply path 18b is connected to the brine heater of the condenser 14 via the switching valves 17c and 17d, and supplies warm brine of about 25 ° C. to the snow melting pipe 15 as described above.
[0042]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of an embedding state of the snow melting pipe 15 and the heat storage pipe 13 on the paved road.
As shown in FIG. 3, the paved road is provided with a roadbed 22 having a thickness B (about 300 to 600 mm) on the ground 23, and a pavement such as an asphalt layer having a thickness A (about 100 mm) is constructed on the roadbed 22. However, in the snow melting heat storage system of the present invention, the snow melting pipe 15 is embedded in the pavement such as the asphalt layer on the roadbed 22 and the heat storage pipe 13 is embedded in the ground layer on the ground 23.
[0043]
The snow melting operation by the snow melting heat storage system having the above configuration includes the normal snow melting operation shown in FIG. 4 and the snow melting operation, preheating, and freeze prevention operation shown in FIG.
In the normal snow melting operation, as shown in FIG. 4, the high-temperature and high-pressure discharge gas from the compressor 11 is heated through the brine heater for heat storage of the sensible heat exchanger 12, and warm brine of about 50 ° C. It is supplied to the heat storage pipe 13 via the heat storage warm brine supply path 18a and the brine circulation pump 19a to heat the formation on the ground 23. At the same time, the heat of condensation of the discharge gas is obtained through a snow melting warm brine supply path 18b and a brine circulation pump 19b so as to obtain a warm brine of about 25 ° C. through a snow melting brine heater of the condenser 14. The snowmelt pipe 15 is supplied to heat the asphalt layer on the roadbed 22.
[0044]
Next, the snow melting operation and preheating and anti-freezing operation when the power for snow melting power is cut off (at the time of peak cut) is to operate the heat pump 20 for driving snow melting by using only low voltage power without peak cut. In this case, the heat storage pipe 13 and the snow melting pipe 15 are separated from the heat pump 20 through the switching valves 17a, 17b, 17c and 17d provided in the brine supply path 18, respectively, and separated from the heat storage pipe 13 as shown in FIG. The snow melting pipe 15 is connected in series via the communication path 18c (the black mark is closed, the white mark is open), and a circulation path is formed as shown by the arrows, and the heat stored in the formation on the ground 23 is Heat for melting snow or heat for preheating from the heat storage pipe 13 to the snow melting pipe 15 through the circulation path and the brine circulation pump 19b driven by low-voltage power. Yes in the configuration supplied as sintering preventing heat are also available cope without hindrance during deactivation rotation of the heat pump 20 by blocking the snow melting power.
[0045]
By the way, in the heat pump 20 of the air heat source, frost formation by the low-temperature refrigerant gas vaporized by the expansion valve 16 during the snow melting operation of the heat transfer surface of the heating tower 10 that collects air heat from outside air occurs during use. Although there is a problem in that the heat efficiency is lowered and the snow melting is hindered, it is sometimes necessary to stop the operation of the heat pump 20 to defrost the heat transfer surface.
[0046]
In the present invention, it is shown in FIG. It The frosted heating tower 10 is caused to function as a defrost condenser (heat radiator), and the condenser 14 is caused to function as an evaporator for evaporating the refrigerant liquid condensed by the heating tower 10 via the expansion valve 16. It is a thing.
The refrigerant gas vaporized by the condenser 14 functioning as an evaporator is heated by the heat stored in the formation on the ground introduced through the heat storage pipe 13 and further heated by the compressor 11 to be defrosted hot gas. It is something to get.
The hot gas thus obtained is radiated by the heating tower 10 functioning as a condenser and defrosted on the heat transfer surface.
[0047]
In the case of the defrost, as shown in FIG. 7, the snow-melting pipe 15 connected to the snow-melting warm brine supply path 18b and the heat storage pipe 13 connected to the heat-storage warm brine supply path 18a are respectively switched by the switching valves 17c, 17d, 17a, The heat storage pipe 13 is separated and separated from the heat pump 20 through 17b, and the separated heat storage pipe 13 is connected to the snow melting brine supply path 18b through the communication path 18c and the brine circulation pump 19c, and the evaporator of the heat pump 20 is connected through the supply path. Is connected to a condenser 14 designed to function as Thus, the refrigerant liquid radiated and condensed by the defrost is turned into a gaseous state by the expansion valve 16, and is supplied with the heat stored in the ground on the ground from the heat storage pipe 13 to be heated, thereby hindering snow melting by the snow melting pipe 15. It is possible to defrost without giving.
[0048]
In addition, when the heating tower 10 shown in FIG. 2 is a brine indirect type with an evaporator 10a interposed, the condenser 14 and the brine switching circuits 19d and 19e of the sensible heat exchanger 12 are switched to provide the condenser. The warm brine generated in 14 is introduced into the heating tower 10 to dissipate heat and defrost on the heat transfer surface.
[0049]
In the case of the defrost, the snow melting pipe 15 is separated from the heat pump 20 by the switching valves 17c and 17d and separated from the heat pump 20, and the heating tower side of the evaporator 10a is connected to the hot brine supply path 18a for heat storage via the circuit 19d. Heat stored in the ground layer from the heat storage pipe 13 is introduced so that defrosting can be performed without affecting the snow melting by the snow melting pipe 15.
[0050]
8 and 9 show the present invention. Reference invention Of snow melting / cooling system using underground heat and air heat Reference example FIG. 8 is a diagram of the generation of heat for melting snow in the winter, and FIG. 9 is a diagram of the generation of cooling for cooling in the summer.
As shown in FIG. Reference invention The snow melting / cooling system using underground heat and air heat includes a ground heat exchanger 33, an air heat exchanger (heating tower) 34 provided along with the heat exchanger, a compressor 31, and a brine heat exchanger 32. A heat pump 30 comprising expansion valves 36a, 36b and an evaporation pressure regulating valve (EPR) 35;
A snow melting pipe 32a buried under the asphalt layer on the ground surface and disposed on the secondary side of the brine heat exchanger 32, and a ground heat exchanger 33 buried in the same region below the snow melting pipe 32a. The heat collecting pipe 33a that forms the secondary side of this, the brine heater 41 for heating provided separately, and the boiler 40 that supplies the heating heat through the heater 41 are configured.
[0051]
8 and 9, when the heating tower 34 is a brine indirect type with an evaporator interposed, an evaporator 34a is additionally provided as shown in FIG. 10, and a condenser (brine heat exchanger) is provided. 32 and brine switching circuits 45a and 45b of the evaporator 34a are additionally provided in the heat pump 30.
[0052]
And in the winter season shown in Figure 8,
The heat pump 30 heats the ammonia gas using the underground heat and air heat collected by the air heat exchanger 34 provided together with the underground heat exchanger 33 as heat sources. The heated ammonia gas is discharged as high-temperature and high-pressure ammonia gas by the compressor 31, and the discharge gas is directed in the direction of arrow W toward the brine heat exchanger 32 through the snow melting circuit 44a formed by opening the stop valve 37a. Pumped.
The pumped high-temperature and high-pressure ammonia gas is condensed by the snow-melting brine heat exchanger 32, and the heat exchanged heats the brine circulating in the snow-melting pipe 32a to about 20 to 35 ° C. It is applied to the asphalt layer near the surface.
After the ammonia refrigerant liquid condensed by the snow melting brine heat exchanger 32 is received by the receiver 38, the underground heat exchanger 33 evaporates by the EPR 35 under the control of the evaporation pressure and is stored in the ground. The air heat exchanger 34 evaporates through the expansion valve 36b to collect air heat from the atmosphere, forms heated ammonia gas by the heat collection, and returns to the compressor 31. .
[0053]
The soil temperature due to underground heat stored in the ground is generally about 10 ° C at -5m from the ground surface depending on the properties of the soil, and high evaporation depending on the buried height of the heat collecting pipe. Since it can be evaporated at a temperature, the running cost can be reduced and energy can be saved.
In addition, one of the burial conditions of the snow melting pipe 32a and the heat collecting pipe 33a Reference example As shown in FIG. 9, the burial depth of the heat collecting pipe is set to about 1 to 3 m and is determined by the geological survey boring result.
[0054]
On the other hand, the boiler 40 attached to the heat pump 30 is configured to supply the heat to the air conditioner 42 via the heating brine heater 41. During heavy snowfall, when the power for melting snow is cut off (at the time of peak cut) ) Even when the air heat exchanger is defrosted, it is possible to switch to the snow-melting pipe 32a and supply hot heat for melting snow.
[0055]
FIG. 9 shows a diagram of the generation of cooling air during the summer.
As shown in the figure, in this case, the stop valve 37a is closed, and the ammonia refrigerant as the working medium flows through the heat pump 30 in the arrow S direction via the cooling circuit 44b.
The underground heat exchanger 33 and the air heat exchanger 34 function as a condenser so that heat is released to the atmosphere via the air heat exchanger 34 and to the ground via the underground heat exchanger 33. The condensed ammonia refrigerant liquid is received by the receiver 38.
The received ammonia refrigerant liquid causes the snow melting brine heat exchanger 32 to function as an evaporator via the expansion valve 36a, and the generated cold heat is sent to the air conditioner 42 to be used for cooling. is there.
In this case, ammonia refrigerant is circulated in the heat pump 30, and cold heat is obtained from the brine heat exchanger 32 by heat radiation to the ground and the atmosphere via the air heat exchanger 34 and the underground heat exchanger 33. Yes.
In addition, the said heat collection pipe 33a heat-accumulates the radiant heat of the solar heat from the ground surface, and the heat of condensation of the high temperature ammonia gas via the said underground heat exchanger 33.
[0056]
8 and 9, as the indirect type using brine on the secondary side, the cooperation with the primary side is completely cut off, and the environment-friendly natural working medium ammonia refrigerant is used on the primary side. Since the heat cycle is configured as a self-contained type, accidents such as refrigerant leakage are minimized and the spread to other parts is prevented.
[0057]
Further, the heating tower 34 in FIGS. 8 and 9 is a brine indirect type with the intervention of the evaporator 34a, and the brine switching circuits 45a and 45b of the condenser (brine heat exchanger) 32 and the evaporator 34a are switched and operated. Since warm brine is introduced into the heating tower 34 to dissipate heat and defrost, the amount of ammonia refrigerant can be minimized, and complicated refrigerant piping is not required, so that the risk of accidents due to leakage can be further reduced.
[0058]
11 and 12 show the present invention. Reference invention Another Reference example In this case, as shown in the figure, an ice bank 39 is provided in the brine heat exchanger 32, the brine heat exchanger is used as a heat exchanger dedicated to melting snow, and the ice bank is used for cooling. The air conditioner 42 is used for an ice heat storage tank and a heat storage tank for compression sensible heat during snow melting, and instead of indirect heat exchange using a secondary side brine through a brine heater 41 provided on the output side of the boiler 40. In the air conditioning, direct heat exchange is performed.
The storage of compressed sensible heat is achieved by providing an ice bank 39 on the discharge side of the compressor 31 and circulating hot water in the ice bank to store sensible heat.
For this reason, when the air heat exchanger (heating tower) 34 is defrosted, the ice heat storage operation cycle shown in FIG. 12 is used to cool the hot water in the ice bank 39 and disconnect the brine heat exchanger 32. It is switched to the line, and the snow melting environment can be maintained without cooling the brine in the snow melting pipe 32a.
On the other hand, it has excellent heat storage capacity and does not directly affect the refrigerator due to load fluctuations. By using the ice bank 39, the outer periphery of the cooling coil provided in the water tank of the ice bank is frozen at night, and the cooling heat is converted into ice. The heat is changed to be stored and melted according to the cooling load even when the heat pump is stopped during the daytime.
Condensation heat during ice storage operation in summer can be efficiently operated by recovering the decrease in underground temperature due to heat collection in winter by dissipating heat to the heat collection pipe 33a and setting the condensation temperature low.
Furthermore, in the snow melting operation in the winter, the heat stored in the ground in the summer is collected, so that the evaporation temperature can be set high and the operation can be performed with high efficiency.
Since the configuration other than the above is the same as that shown in FIGS.
[0059]
【The invention's effect】
the above The present invention The effects described below can be improved by this configuration.
a. By using the heat stored in the ground even when the power for snow melting power is cut off (peak cut), it is possible to reliably melt snow without operating the heat pump, so use the snow melting contract with confidence. it can.
b. By supplying heat to the lower part of the roadbed, the amount of heat escaping from the snowmelt pipe to the lower part of the roadbed can be greatly reduced, and the heat of the warm brine can be used effectively.
c. Since the system has a heat capacity that exceeds the heat pump capacity by utilizing heat storage, temporary heavy snowfall can be dealt with.
d. Since the heat stored between the roadbed and the ground can be used for defrosting, the defrosting operation can be performed without hindering the snowmelt pipe side, and the snowmelt efficiency can be increased.
e. During freezing prevention and preheating periods other than during snowfall, the heat stored between the roadbed and the ground can be used, so there is no need to operate the heat pump, and power consumption can be greatly reduced.
Also, Reference invention The following effects can be obtained by the configuration.
f. By using an ammonia heat pump unit that uses underground heat and air heat combined with the heat storage properties of underground soil, it can cope with cooling loads in summer, and indirect self-contained type with brine for snow melting and heating loads in winter. Providing a safe and energy-saving system that can handle cold and heat cycles.
g. Since the heat collecting pipe is buried under the snow melting pipe, the space can be saved.
h. When defrosting the air heat exchanger (heating tower), it is possible to switch to an operation line that cools the hot water in the ice bank and disconnects the brine heat exchanger by switching to the ice heat storage operation cycle. This brine can maintain a snowmelt environment without being cooled.
k. In the snow melting operation in winter, the heat stored in the ground in the summer is collected, so that the evaporation temperature can be set high and high efficiency operation is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram showing a schematic configuration of a snow melting system using ground heat and air heat according to a first invention of the present invention.
2 is a system diagram when the heating tower is a brine indirect type in the system system diagram of FIG. 1;
3 is a cross-sectional view showing an example of an embedding state of a snow melting pipe and a heat storage pipe in FIG. 1 on a paved road.
4 is a detailed view of brine piping to the snow melting pipe and the heat storage pipe of FIG. 1, showing the flow of warm brine during normal operation.
FIG. 5 is a detail view of the brine piping showing the flow of warm brine at the time of power shut-off, preheating and anti-freezing in FIG. 1;
6 is a diagram showing the flow of refrigerant using heat storage on the ground during the defrost operation of the heating tower of FIG. 1 as a heat source.
7 is a detailed piping diagram showing the brine flow of the heat storage pipe and the snow melting pipe in FIG. 6;
[Fig. 8] of the present invention Reference invention Of heat generation for snow melting in winter in snow / cooling system using geothermal and air heat Reference example It is a figure which shows an example.
FIG. 9 shows the generation of cooling for cooling in the summer of FIG. Reference example It is a figure which shows an example.
FIG. 10 is a system diagram when the heating tower is a brine indirect type in FIGS.
11 is another diagram of FIG. Reference example FIG.
12 is another diagram of FIG. Reference example FIG.
13 is a schematic cross-sectional view showing the arrangement of the snow melting pipe and the heat collecting pipe in FIGS. 8 and 9. FIG.
[Explanation of symbols]
10 Heating tower
11 Compressor
12 Sensible heat exchanger
13 Heat storage pipe
14 Condenser
15 Snow melting pipe
16, 36a, 36b Expansion valve
18 Brine supply path
20, 30 Heat pump
21 Road surface
22 Roadbed
23 ground
31 Compressor
32 brine heat exchanger
32a Snow melting pipe
33 Underground heat exchanger
33a Heat collection pipe
34 Air heat exchanger
38 receivers
39 Ice Bank
40 boiler
41 brine heater
42 Air conditioner

Claims (5)

  1. ブラインを加熱すべく採熱器として機能するヒーティングタワーと圧縮機と凝縮器と膨張弁とよりなる空気熱源のヒートポンプと、該ヒートポンプにより加熱形成された温ブラインを流通させて地表の降雪を融解するため路盤上ないし地盤上の地層との間で熱交換をする熱交換用パイプと、該パイプと前記ヒートポンプの間を結合するブライン供給路とよりなる地中熱・空気熱利用の融雪システムにおいて、
    前記ヒートポンプの圧縮顕熱熱交換器に結合して第1の温ブラインを流通させ地盤上の地層と熱交換する蓄熱パイプと、前記ヒートポンプの凝縮器に結合して第1の温ブラインより低い温度の第2の温ブラインを流通させ路盤上のアスファルト層と熱交換する融雪パイプとを設ける構成としたことを特徴とする地中熱・空気熱利用の融雪システム。
    Melting snowfall on the surface by circulating a heat pump with an air heat source consisting of a heating tower, compressor, condenser and expansion valve that function as a heat collector to heat the brine, and hot brine heated and formed by the heat pump In a snow melting system using ground heat and air heat, comprising a heat exchange pipe for exchanging heat with the ground layer on the roadbed or the ground, and a brine supply path for connecting the pipe and the heat pump. ,
    A heat storage pipe that is connected to the compression sensible heat exchanger of the heat pump and distributes the first warm brine to exchange heat with the formation on the ground, and a temperature lower than the first warm brine that is connected to the condenser of the heat pump. A snow melting system using geothermal / air heat, characterized in that the second warm brine is circulated to provide an asphalt layer on the roadbed and a snow melting pipe for heat exchange.
  2. 前記融雪パイプ及び蓄熱パイプとヒートポンプとの間を結ぶそれぞれの温ブライン供給路は、切り替えバルブ群を介してヒートポンプより切り離すとともに互いに結合させ、路盤地層と地盤地層の間を循環する温ブライン循環路を形成させ、該循環路を介して電源遮断時の融雪運転及び凍結防止・予熱運転に対応させる構成にしたことを特徴とする請求項1記載の地中熱・空気熱利用の融雪システム。  Each warm brine supply path connecting between the snow melting pipe and the heat storage pipe and the heat pump is separated from the heat pump through a switching valve group and coupled to each other, and a warm brine circulation path that circulates between the road bed formation and the ground formation is provided. 2. The snow melting system using geothermal / air heat according to claim 1, wherein the snow melting system is configured to correspond to a snow melting operation and an anti-freezing / preheating operation when the power is shut off through the circulation path.
  3. 前記ヒートポンプは、前記ヒーティングタワーをデフロスト用凝縮器として切り替え作動させ、前記凝縮器をデフロストした低温冷媒ガスの蒸発器として切り替え作動させる構成とし、
    温ブラインを蓄熱パイプより前記供給路及び切り替えバルブ群を介して前記蒸発器として切り替え作動する凝縮器に導入して、導入した地盤地層の蓄熱により低温冷媒ガスを加熱させ、さらに圧縮機を介して加圧してデフロスト用ホットガスを形成させ、前記ヒーティングタワーで放熱デフロストする構成としたことを特徴とする請求項1記載の地中熱・空気熱利用の融雪システム。
    The heat pump is configured to switch and operate the heating tower as a defrost condenser, and to switch and operate the condenser as a defrosted low-temperature refrigerant gas evaporator,
    Hot brine is introduced from the heat storage pipe through the supply path and the switching valve group to the condenser that operates to switch, and the low-temperature refrigerant gas is heated by the heat storage of the introduced ground formation, and further through the compressor. 2. The snow melting system using geothermal heat and air heat according to claim 1, wherein a defrosting hot gas is formed by pressurization and heat radiation defrosting is performed by the heating tower.
  4. 前記ヒートポンプは、前記ヒーティングタワーをブライン間接型とし、凝縮器と顕熱熱交換器のブライン回路の切り替えにより作動させる構造とし、
    温ブラインを蓄熱パイプにより前記供給路及び切り替えバルブ群を介して蒸発器に導入して、導入した地盤地層の蓄熱により低温冷媒ガスを加熱させ、さらに圧縮機を介して加圧して凝縮器でヒーティングタワーに通ずる温ブラインを形成させ、前記ヒーティングタワーに導入して放熱デフロストする構成としたことを特徴とする請求項1記載の地中熱・空気熱利用の融雪システム。
    The heat pump is a structure in which the heating tower is a brine indirect type and is operated by switching a brine circuit between a condenser and a sensible heat exchanger,
    Hot brine is introduced into the evaporator via the supply path and the switching valve group by the heat storage pipe, the low-temperature refrigerant gas is heated by the heat storage in the introduced ground formation, and further pressurized through the compressor and heated by the condenser. 2. The snow melting system using geothermal / air heat according to claim 1, wherein a warm brine leading to the heating tower is formed and introduced into the heating tower for heat radiation defrosting.
  5. 前記ヒートポンプは、二次側はブラインを使用した間接型とし、一次側は自然冷媒使用の自己完結型としたことを特徴とする請求項1記載の地中熱・空気熱利用の融雪システム。  The ground heat / air heat snow melting system according to claim 1, wherein the heat pump is an indirect type using brine on the secondary side and a self-contained type using a natural refrigerant on the primary side.
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