JP4970817B2 - 廃熱の蓄熱機能及び外気の温度調整機能を有する屋内換気システム - Google Patents

Description

本発明は、廃熱の蓄熱機能及び外気の温度調整機能を有する屋内換気システムに係り、更に詳しくは、一戸建て住宅、集合住宅、ホテル、病院、学校、体育館などの建物や、その他建造物全般の空調に利用することが出来る廃熱の蓄熱機能及び外気の温度調整機能を有する屋内換気システムに係るものである。

地中熱は、夏は比較的涼しく、冬は比較的暖かい温度になる事から、この熱を回収する為に、従来から二重管構造の熱交換パイプを地中に埋入して、熱交換パイプに外気を通して、地熱の熱回収をしている（特許文献１）。例えば日本では、平均気温１５℃の地中では、夏場に３２℃、冬場にマイナス０．５℃の気温の時でも、地熱は平均１５℃になる。この外気と地熱の温度差を利用して冷暖房に使用しているが、従来方法では、夏季、あるいは冬季、二重管構造の熱交換器が埋められた地域の地中温度は、大地の熱拡散速度が遅いために、他の場所（地中の平均気温）よりも夏季では局部的に高く、あるいは冬季では、局部的に低くなる。夜間、放置することによって緩やかに熱拡散が進み、早朝には概ね本来の地中平均温度に近づくが、長期間暑い日、あるいは寒い日が続くと、熱交換器を埋めた地中の温度が平均温度に回復しないことも多々あるのが現状である。

本発明者らは、この問題を改良するために、地中熱交換器を埋入する地中とその周辺区域の地中に良熱伝導性の物質、鉱物あるいは金属塊、粒を密に埋入して熱拡散を促進して温度を平準化させる発明を出願（特願２００４−２１４１８４）しているが、この方法は施工に手間がかかり、施工コストが高くなる欠点がある。

一方、地中に廃熱を蓄熱することが特許文献１に開示されているが、設備が複雑で経済的な効果は疑問である。
特開２００５−３３７６４５号

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、施工コストが極めて安価で、しかも従来捨てられている冷熱エネルギーの蓄熱を利用出来る新しい廃熱の蓄熱機能及び外気の温度調整機能を有する屋内換気システムを提供することである。

上記問題点を解決するための本発明による廃熱の蓄熱機能及び外気の温度調整機能を有する屋内換気システムは、次のようなものである。
１．建物の床下に配置されており、多数のグリ石が積層されて成るグリ石層と、前記グリ石層の側方から離れた位置であって前記グリ石層の内部側の位置の地中に埋設されており、上端部が開放され下端部が閉鎖されている外管と前記外管の内部に配置された内管であって上端部及び下端部ともに開放されている内管とから成る二重管構造の地中パイプであって、前記外管と内管との間の隙間の上方から空気を取り込み、前記空気が前記隙間を下降する過程で前記空気を地中熱と熱交換させ、この熱交換された空気を、前記外管の下端部から前記内管内を上昇させて屋内に供給する地中パイプと、ヒートポンプ式湯沸し装置の冷媒の蒸発側で排出される排出冷風、及び戸外からの外気を、それらの各空気が、前記グリ石層の側方から前記グリ石層に入って前記多数の各グリ石間の各隙間を通過するように、そしてその後に前記地中パイプの内管と外管との間の隙間内にその上方から供給されるように、前記グリ石層の側方から前記グリ石層に向けて送る送風路と、夜間深夜電力の時間帯において使用される前記ヒートポンプ式湯沸し装置の冷媒の蒸発側と前記送風路とを切替弁を介して連結する連結パイプであって、前記冷媒の蒸発側で排出される排出冷風を取り込み、この取り込んだ排出冷風を前記切替弁を介して前記送風路に送る連結パイプと、戸外の空気を取り込み、この取り込んだ外気を前記切替弁を介して前記送風路に送る外気取り込み部と、前記連結パイプと前記外気取り込み部と前記送風路とが互いに接続される部分に設けられた前記切替弁であって、（ａ）夏季の夜間深夜電力の時間帯においては、前記連結パイプを介しての前記ヒートポンプ式湯沸し装置の冷媒の蒸発側からの排出冷風が、前記送風路及びこれに続く前記グリ石層、さらに前記地中パイプへと送られるように、且つ、（ｂ）夏季の夜間深夜電力の時間帯以外の時間帯においては、前記外気取り込み部からの外気が、前記送風路及びこれに続く前記グリ石層、さらに前記地中パイプへと送られるように、前記送風路と前記連結パイプとの接続および前記送風路と前記外気取り込み部との接続を、時間帯により、いずれか一方に切り替える前記切替弁と、を備え、これにより、（ａ）夏季の夜間深夜電力の時間帯においては、ヒートポンプ式湯沸し装置の冷媒の蒸発側から排出される排出冷風を、前記グリ石層及び地中パイプに送って、前記グリ石層及び前記地中パイプ周辺の地中に前記排出冷風からの冷熱を蓄熱させ、（ｂ）夏季の夜間深夜電力の時間帯以外の時間帯においては、前記外気取り込み部から取り込まれた外気を、前記グリ石層及び前記地中パイプに送り込むことにより、前記外気を前記排出冷風からの冷熱が蓄熱されたグリ石層及び地中パイプ周辺の地中と熱交換させ、このように前記グリ石層及び前記地中パイプを通過する過程で熱交換された外気を屋内に送ることにより、屋内を温度調整された外気で換気するようにした、ことを特徴とする、廃熱の蓄熱機能及び外気の温度調整機能を有する屋内換気システム。
２．上記１において、前記地中パイプを構成する外管は、その地表から５００〜１０００ｍｍ深さまで埋設される開口部分は樹脂またはセラミックなどの断熱材で形成されており、且つ、前記開口部分を除く部分は金属などの熱伝導性の良好な素材により形成されていることを特徴とする、廃熱の蓄熱機能及び外気の温度調整機能を有する屋内換気システム。

本来捨てていた排熱を蓄熱できるので、極めて省エネ（省電力）になる。設備費がほとんどかからない。

本発明に用いる地中パイプの構造とその作用機能を図面で説明する。図１は、地中パイプの温冷排熱を蓄熱して冷暖房に利用する時の一般的な説明図である。地中熱交換器は、熱伝導の良い金属のパイプの中に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた構造からなり、外管の先端は封止され、もう一方の端は開放され、この封止された先端が地中に垂直に埋入されている。
内管と外管の隙間に排温風、排冷風を流して地熱と熱交換、つまり地中に廃温風、廃冷風の温熱、冷熱を吸収、蓄熱させ、熱交換させた廃温風、廃冷風は内管を通って上昇させて外に排出させる。
廃温風の温度は、少なくとも地中熱交換器が埋入された地中の温度よりも高いことが必要であり、一方廃冷風の温度は、少なくとも地中熱交換器が埋入された地中の温度よりも低いことが必要である。
地中熱交換器が埋入された地中付近の温度は、夏季では地中の平均気温よりも局部的に高く、冬季では局部的に低くなっている。冬季は少なくとも地中温度よりも高い廃温風、夏季は地中温度よりも低い廃冷風を通すことで、熱交換が行われて地中の局部的な温度のピークは解消されて平準化されてくる。あるいは逆に、冬季、地中の平均気温よりも高い逆ピーク、あるいは夏季、地中の平均気温よりも低い逆ピークが形成されてくる。
内管を上昇してきた廃温風、廃冷風は、必要に応じてそのまま屋内の冷暖房に転用しても良いし、あるいは外に排出しても良い。

本発明は、廃冷風が不定期に間歇的或いは時間限定で得られる場合に最も好適である。つまり廃冷風が２４時間一定して得られる場合は、当然、廃冷風をそのまま屋内空調に利用出来るわけであるが、廃冷風が間歇的或いは限られた時間のみ得られる場合、空調熱源として利用しがたいことになる。このようなときに本発明の廃冷風の冷熱を一旦地中に蓄熱して、これを空気に熱交換して外に取り出し、小出しにして使用するようにすると、２４時間空調が可能となる訳である。

図２はヒートポンプ式の湯沸し装置から排出される廃冷風を蓄熱して冷房に利用するときの説明図である。

図２の例は、ヒートポンプ式の湯沸し装置と地中に埋入された二重管構造の熱交換器の組合せからなる。
ヒートポンプ式の湯沸し装置（図２中右側）は、凝縮器、圧縮機、蒸発器、膨脹弁、水槽からなり、凝縮器を水槽に浸漬し、圧縮機で圧縮、昇温させた冷媒（ＣＯ_２）を凝縮器に通して水槽の水を加熱する構造である。
本発明で凝縮器とは、図２中、凝縮側の熱交換器を指す。蒸発器とは図中、蒸発側の熱交換器を指す。
凝縮器の中では、圧縮機によって加圧、昇温された気体の冷媒が水槽の水で冷却されて液化する。一方気体冷媒の放出した凝縮熱を貰って水は昇温する。水槽の水は目的に応じて沸騰まで昇温できるが、概ね７０〜８０℃の経済的な温度で保持する。
凝縮器を通過した液体の冷媒は膨脹弁から噴射されて体積膨脹して温度が下がり、更に蒸発器を通過する時に、外気で加熱されて、気化する。この時、外気から蒸発熱を奪って気化する為に、外気は冷却されて外に排出されることとなる。
ヒートポンプ式湯沸し装置の蒸発器から常に冷風が排出されるのは、このためである。
夏季、冷風の温度は１５．５〜１８℃である。一方地中熱交換器と接する部分の地中温度は２０〜２５℃であり、地中熱交換器に冷風を流すことにより熱交換器と接する部分の地中温度は低下する。つまり地中に冷風の冷熱が蓄熱されることとなる。

冷風の排出するパイプは、地中熱交換器の外気取り入れ口と連結される。
夏季、夜間、深夜電力の時間帯（２３時〜翌朝４時）、切替弁が開かれて冷風が地中熱交換器に流される。
図２で、冷風は、グリ石層を通って地中パイプを通るようになっている。又図２では、グリ石、地中パイプを通過した風が、家屋（図示していない）の１階床下に排出されるようになっているが、本発明では屋内に送られるようになっている。

図３は、夏季昼間の場合の説明図である。
この場合、ヒートポンプ式湯沸し装置は休止しているので、切替弁を切り替えて、地中熱交換器には外気を取り込んで流すことになる。図３はグリ石なしの場合を例示したが、本発明ではグリ石を利用する。

図４は、図３の構造で、夜間、深夜電力の時間帯（２２時〜翌朝４時）にヒートポンプ式湯沸し装置を稼動させて、切替弁を切り替えて外気は遮断、冷風を地中熱交換器に流して地中に冷熱を蓄熱した後、昼間、外気を取り入れて地中熱交換器を通過させ、床下に排出した時の排出側の温度状況を示した図である。グリ石層なしの場合である。
地中熱交換器の仕様
外管 ：外径φ２５０ｍｍ、長さ：５，０００ｍｍ
外管材質：厚さ３．２ｍｍのアルミニウムパイプ
内間 ：外径φ１５０ｍｍ、長さ：５，５００ｍｍ
内管材質：厚さ３．８ｍｍのポリエチレンパイプ
ヒートポンプ式湯沸し装置の仕様
定格電力 ：６ＫＷ
タンク容量：４６０リットル
湯温 ：６５〜９５℃
定格ＣＯＰ：４．５１
冷風の温度：１５．５〜１８℃

図４で、エコ排気とは冷風の排気温度である。ＧＥＯパイプとは、夜間冷風を流さない場合、つまり通常の地中熱交換器の温度変化を示したものである。エコ＋ＧＥＯパイプとは、ＧＥＯパイプに夜間、冷風を流した場合の温度変化を示したものである。なおエコ排気を流す前の地中熱交換器と接する地中付近の温度は２０〜２５℃である。
ＧＥＯパイプ（地中熱交換器）の使用で外気温度が７．５℃程度低下し、更にエコ＋ＧＥＯパイプにすることで、つまり夜間エコ排気の冷風をＧＥＯパイプ（地中熱交換器）に流すことで、昼間、ＧＥＯパイプ（地中熱交換器）から出てくる空気の温度はＧＥＯパイプ単独の場合よりも更に１．４〜３．４℃低下することがわかる。外気温度よりは、実に１０℃近く下がることになる。
夜間１０時から翌朝６時までの、エコ＋ＧＥＯパイプの曲線と、エコ排気の曲線の差の面積（斜線部の面積）が、地中に蓄熱される冷熱量を示す目安となる。
朝６時から夜間１０時までのＧＥＯパイプの曲線と、エコ＋ＧＥＯパイプの曲線の差の面積（斜線部の面積）が、地中に蓄熱された冷熱に因ってもたらされた冷房効果である。
ヒートポンプ式湯沸し装置の冷熱は、本来外気に放出されて捨てられていたエネルギーであるので、上記した地中に蓄熱された冷熱に因ってもたらされた冷房効果は、まさに捨てられたエネルギーの活用に因って生まれた効果であり、本発明は、極めて省エネ性に優れた発明であることがわかる。

本発明の地中熱交換器は、熱伝導の良い金属のパイプの中に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた構造からなる。
外管の先端は封止され、もう一方の端は開放され、この封止された先端が地中に垂直に埋入されている。
内管と外管の隙間に外気の空気を流して地熱と熱交換させて、内管を通って上昇する。

夏季、外気温が３２℃の時、熱交換されて内管を上昇する空気の温度は２６℃まで下がっている。冬季、外温度が０℃の時でも、熱交換された空気は１０℃程度まで上昇する。
外管は熱伝導の良い金属のパイプ（たとえばアルミ製）、内管は熱伝導の悪い、たとえば樹脂製（たとえばポリエチレンのような）パイプからなる。
地中温度は、６ｍ以上の深さで、ほぼ一定（平均温度）してくるが、夏場では２〜５ｍの深さ部分は、これよりも低く、冬場では逆に高くなる。
従って外管の埋入深さは、地中５ｍの深さが、熱効率的にも、掘削費用の点でも、最も好ましい。

一方地表から５００〜１０００ｍｍ深さ部分は夏季温度が高く、冬季温度が低いために、地面に埋入した熱交換パイプの地表から５００〜１０００ｍｍ深さ部分はこの熱影響を受ける。通常、パイプ材料には熱伝導性に優れたアルミ合金が使用されているために、この熱影響はパイプのより深い部分にも伝播して、パイプが接触する地面よりも高くなる部分が発生する。当然パイプの熱交換効率を下げることとなる。

本発明で使用する地中熱交換器は、開口部は地表から５００〜１０００ｍｍ深さ埋入部分として、断熱材で形成して、地表からの熱影響を遮断することが好ましい。
断熱材としては、セラミックスや樹脂類が好ましい。特に樹脂類が好ましい。

開口部、胴部、先端部を分離して、適宜着脱できるようにすることで、搬送費用の急騰を防止できる。
長尺物を運搬する場合、長さ４ｍを境にして運送費が急騰するが、胴部、先端部は熱伝導性の良いアルミあるいはアルミ合金で形成し、胴部、先端部を併せた長さは、４〜４．５ｍ、先端部を０．５ｍ程度とすることで、胴部長さを４ｍ以下にすることで、搬送費用の急騰を防止できる。

胴部、先端部、開口部の接合は、各パイプの端面にフランジ等を取付け、隣り合うパイプ同士は、フランジ間にＯリングを挟んで、フランジをボルトで締め付けて接合するようにしても良い。

建築物全般の冷房に利用できる。動物飼育、植物栽培のグリーンハウスなどの温度調整に利用できる。

図１は、本発明に用いられる地中パイプの一般的な説明図である。 図２は、ヒートポンプ式湯沸し装置の冷熱を利用する冷房システムの作用機能説明図である。 図３は、図２の夏季昼間の場合の説明図である。 図４は、図２で示したヒートポンプ式湯沸し装置の冷熱を蓄熱したときの地中熱交換器の温度変化を示した図である。

Claims (2)

1. 建物の床下に配置されており、多数のグリ石が積層されて成るグリ石層と、
   前記グリ石層の側方から離れた位置であって前記グリ石層の内部側の位置の地中に埋設されており、上端部が開放され下端部が閉鎖されている外管と前記外管の内部に配置された内管であって上端部及び下端部ともに開放されている内管とから成る二重管構造の地中パイプであって、前記外管と内管との間の隙間の上方から空気を取り込み、前記空気が前記隙間を下降する過程で前記空気を地中熱と熱交換させ、この熱交換された空気を、前記外管の下端部から前記内管内を上昇させて屋内に供給する地中パイプと、
   ヒートポンプ式湯沸し装置の冷媒の蒸発側で排出される排出冷風、及び戸外からの外気を、それらの各空気が、前記グリ石層の側方から前記グリ石層に入って前記多数の各グリ石間の各隙間を通過するように、そしてその後に前記地中パイプの内管と外管との間の隙間内にその上方から供給されるように、前記グリ石層の側方から前記グリ石層に向けて送る送風路と、
   夜間深夜電力の時間帯において使用される前記ヒートポンプ式湯沸し装置の冷媒の蒸発側と前記送風路とを切替弁を介して連結する連結パイプであって、前記冷媒の蒸発側で排出される排出冷風を取り込み、この取り込んだ排出冷風を前記切替弁を介して前記送風路に送る連結パイプと、
   戸外の空気を取り込み、この取り込んだ外気を前記切替弁を介して前記送風路に送る外気取り込み部と、
   前記連結パイプと前記外気取り込み部と前記送風路とが互いに接続される部分に設けられた前記切替弁であって、（ａ）夏季の夜間深夜電力の時間帯においては、前記連結パイプを介しての前記ヒートポンプ式湯沸し装置の冷媒の蒸発側からの排出冷風が、前記送風路及びこれに続く前記グリ石層、さらに前記地中パイプへと送られるように、且つ、（ｂ）夏季の夜間深夜電力の時間帯以外の時間帯においては、前記外気取り込み部からの外気が、前記送風路及びこれに続く前記グリ石層、さらに前記地中パイプへと送られるように、前記送風路と前記連結パイプとの接続および前記送風路と前記外気取り込み部との接続を、時間帯により、いずれか一方に切り替える前記切替弁と、を備え、
   これにより、（ａ）夏季の夜間深夜電力の時間帯においては、ヒートポンプ式湯沸し装置の冷媒の蒸発側から排出される排出冷風を、前記グリ石層及び地中パイプに送って、前記グリ石層及び前記地中パイプ周辺の地中に前記排出冷風からの冷熱を蓄熱させ、（ｂ）夏季の夜間深夜電力の時間帯以外の時間帯においては、前記外気取り込み部から取り込まれた外気を、前記グリ石層及び前記地中パイプに送り込むことにより、前記外気を前記排出冷風からの冷熱が蓄熱されたグリ石層及び地中パイプ周辺の地中と熱交換させ、このように前記グリ石層及び前記地中パイプを通過する過程で熱交換された外気を屋内に送ることにより、屋内を温度調整された外気で換気するようにした、ことを特徴とする、廃熱の蓄熱機能及び外気の温度調整機能を有する屋内換気システム。
2. 請求項１において、前記地中パイプを構成する外管は、その地表から５００〜１０００ｍｍ深さまで埋設される開口部分は樹脂またはセラミックなどの断熱材で形成されており、且つ、前記開口部分を除く部分は金属などの熱伝導性の良好な素材により形成されていることを特徴とする、廃熱の蓄熱機能及び外気の温度調整機能を有する屋内換気システム。