JP5067958B2

JP5067958B2 - 地中熱利用ヒートポンプシステム及び水熱利用ヒートポンプシステム

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Publication number: JP5067958B2
Application number: JP2009290438A
Authority: JP
Inventors: 進益子
Original assignee: Kraftwerk KK
Current assignee: Kraftwerk KK
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2029-12-22
Also published as: JP2011133122A

Description

本発明は、地中熱などの自然エネルギーをヒートポンプによって集めたり圧縮して高めたりして移動させ、高温や低温として蓄熱し、住宅などに用いて利用が終えたら元の地中などに戻すなどして省エネルギー化対策や環境共生を効果的に行うことのできるヒートポンプシステムに関するものである。

今日、地球温暖化対策などが重要視され、次世代省エネルギー基準も国土交通省から告示されており、地域によって家屋の熱損失係数の適正値が定められて断熱住宅による居住空間における生活エネルギーの無駄な消費を少なくする試みが種々行われている。

そして、近年、次世代省エネルギー基準のIII地域やIV地域では冷房設備と暖房設備の両者を備えることが多くなり、生活エネルギーの年間消費量が増大している為、自然エネルギーを利用するシステムを組み込んだ家屋や住宅が多くなっている。

この自然エネルギーの利用としては、太陽熱や地中熱を冷暖房のエネルギーに利用するもの（例えば特許文献１）や、地下数十メートルの地中熱や生活排水の熱をヒートポンプで回収すると共に太陽熱も組み合わせて総合的に生活エネルギーを補充するもの（例えば特許文献２）などがある。

特開２００８−１８５３２３号公報特開２００７−２７１１７８号公報

前述のような太陽熱や地中熱を利用するシステムは、商用電源からの電力消費を削減することができるも、未だ不十分であり、また、地中熱を利用するシステムが複雑となることが多く、比較的単純にして安価な地中熱などを利用するシステムが要望されている。

本発明に係る地中熱利用ヒートポンプシステムは、地中に埋設するパイプであって内部に熱媒を通す地中熱交換パイプと、ヒートポンプユニットと前記熱媒を蓄える熱媒槽と、前記熱媒槽内の熱媒を前記ヒートポンプユニットに送って循環させるタンク循環回路と、水道水を蓄える温水槽と、前記ヒートポンプユニットで高温にされた熱媒を前記温水槽内の熱交換器を介してヒートポンプユニットに戻すように循環させる温水槽回路と、前記熱媒槽内の熱媒を前記熱媒槽上部から取り出して吸放熱パネルを介して前記熱媒槽下部に戻す、又は、前記熱媒槽内の熱媒を前記熱媒槽下部から取り出して前記吸放熱パネルを介して前記熱媒槽上部に戻す冷暖房循環回路と、前記ヒートポンプユニット内で前記熱媒がヒートポンプユニットの蒸発器に放熱を行う放熱回路パイプと、前記ヒートポンプユニット内で前記熱媒がヒートポンプユニットの凝縮器から熱伝達を受ける吸熱回路パイプと、前記地中熱交換パイプを前記放熱回路パイプ及び前記吸熱回路パイプに接続する三方弁、前記タンク循環回路を前記放熱回路パイプ及び前記吸熱回路パイプに接続する三方弁、前記温水槽回路を前記吸熱回路パイプに接続する三方弁、である接続切換及び各接続回路の開閉が可能な各三方弁と、を有し、前記地中熱交換パイプを前記放熱回路パイプに接続し、前記吸熱回路パイプを前記タンク循環回路に接続するとき、前記熱媒槽内の下部の熱媒を前記ヒートポンプユニットに送って熱媒槽の上部に熱媒を戻して熱媒槽内の熱媒を温め、前記地中熱交換パイプを前記吸熱回路パイプに接続し、前記放熱回路パイプを前記タンク循環回路に接続するとき、前記熱媒槽内の上部の熱媒を前記ヒートポンプユニットに送って熱媒槽の下部に熱媒を戻して熱媒槽内の熱媒を低温とし、また、前記タンク循環回路を前記放熱回路パイプに接続するとき、前記温水槽回路を前記吸熱回路パイプに接続することを可能とするヒートポンプユニットを備えた地中熱利用ヒートポンプシステムとするものである。

そして、前記ヒートポンプシステムにおける前記地中熱交換パイプの折り返される先端部が、地下５０メートル乃至１００メートル程度の深さの地中などに埋設された地中熱利用ヒートポンプシステムとするものである。

更に、前記ヒートポンプシステムは太陽熱集熱器を備え、該太陽熱集熱器で加温した熱媒により前記温水槽内の水道水を加温すると共に、熱媒槽内の熱媒も加温可能とし、更に補助ヒーター等により温水槽内の温度を摂氏９０度程度まで昇温可能とする地中熱利用ヒートポンプシステムとすることがある。

また、前記ヒートポンプシステムにおけるヒートポンプユニットの吸熱パイプ内の熱媒は、摂氏６０度程度の温度に昇温される地中熱利用ヒートポンプシステムである。

そして、前記ヒートポンプシステムは更に太陽光発電器を備え、この太陽光発電器の電力により前記ヒートポンプユニット及び熱媒を循環させる駆動ポンプの駆動を可能とした地中熱利用ヒートポンプシステムとすることがある。

又、本発明は、地中熱交換パイプを河川などの水中に配設する熱交換パイプに変えることにより、河川や湖沼に敷設するパイプであって内部に熱媒を通す熱交換パイプと、ヒートポンプユニットと、前記熱媒を蓄える熱媒槽と、前記熱媒槽内の熱媒を前記ヒートポンプユニットに送って循環させるタンク循環回路と、水道水を蓄える温水槽と、前記ヒートポンプユニットで高温にされた熱媒を前記温水槽内の熱交換器を介してヒートポンプユニットに戻すように循環させる温水槽回路と、前記熱媒槽内の熱媒を前記熱媒槽上部から取り出して吸放熱パネルを介して前記熱媒槽下部に戻す、又は、前記熱媒槽内の熱媒を前記熱媒槽下部から取り出して前記吸放熱パネルを介して前記熱媒槽上部に戻す冷暖房循環回路と、前記ヒートポンプユニット内で前記熱媒がヒートポンプユニットの蒸発器に放熱を行う放熱回路パイプと、前記ヒートポンプユニット内で前記熱媒がヒートポンプユニットの凝縮器から熱伝達を受ける吸熱回路パイプと、前記熱交換パイプを前記放熱回路パイプ及び前記吸熱回路パイプに接続する三方弁、前記タンク循環回路を前記放熱回路パイプ及び前記吸熱回路パイプに接続する三方弁、前記温水槽回路を前記吸熱回路パイプに接続する三方弁、である接続切換及び各接続回路の開閉が可能な各三方弁と、を有し、前記熱交換パイプを前記放熱回路パイプに接続し、前記吸熱回路パイプを前記タンク循環回路に接続するとき、前記熱媒槽内の下部の熱媒を前記ヒートポンプユニットに送って熱媒槽の上部に熱媒を戻して熱媒槽内の熱媒を温め、前記熱交換パイプを前記吸熱回路パイプに接続し、前記放熱回路パイプを前記タンク循環回路に接続するとき、前記熱媒槽内の上部の熱媒を前記ヒートポンプユニットに送って熱媒槽の下部に熱媒を戻して熱媒槽内の熱媒を低温とし、また、前記タンク循環回路を前記放熱回路パイプに接続するとき、前記温水槽回路を前記吸熱回路パイプに接続することを可能とするヒートポンプユニットを備えた水熱利用ヒートポンプシステムとすることもある。

本発明に係る地中熱利用ヒートポンプシステムは、省エネルギー化対策や環境共生を施した住宅に設置することにより、ヒートポンプユニットにより地中熱を回収して熱媒槽の内部上部に高温の熱媒を蓄え、必要に応じて吸放熱パネルに熱媒槽上部の熱媒を送ることにより暖房運転を可能とし、又、ヒートポンプユニットにより熱を地中に放熱して熱媒槽の内部下部に低温の熱媒を蓄えて必要に応じて吸放熱パネルに熱媒槽下部の熱媒を送ることにより冷房運転を可能としており、且つ、温水槽で水道水の加温を行って生活に必要な温水の供給を行うことができる。
また、熱媒を蓄える熱媒槽からのタンク循環回路を放熱回路パイプに接続して冷熱を熱媒槽の熱媒に蓄えて冷房を行い、温水槽回路を吸熱回路パイプに接続して温水槽に温水を蓄えることにより、家屋内での熱エネルギーを有効に循環させることができる。

この様に、生活温水と冷暖房としての生活に必要な消費エネルギーに自然エネルギーである地中熱を用い、温水槽と熱媒槽とを備えた単純なヒートポンプユニットにより生活消費エネルギーに利用することができ、また、家屋内部での熱移動により家屋外の環境に与える熱的影響を少なくし、商用電源からの電力消費を節減しつつ快適な生活を可能とするものであり、特に国土交通省次世代省エネルギー基準のIII地区やIV地区の基準に適合する家屋では効率的に商用電源からの電力消費を節減しつつ快適な生活を可能とすることができるものである。

また、住宅のみでなく、運動施設などの建築物、農業用温室などの大型閉鎖空間における室内の空調温度管理においても、省電力での温度調整などが可能となるものである。

そして、この地中熱交換パイプを地下５０メートル乃至１００メートル程度の深さの地中等に埋設することにより、一年を通して摂氏１６度、１７度の比較的安定した温度の地中熱をエネルギーとして利用することができる。

更に、太陽熱集熱器による太陽熱などの熱エネルギー等を利用すれば、生活温水の確保や暖房のための熱源として、自然エネルギーをより多く利用することができる。

また、温水槽に補助ヒーターを備えれば、ヒートポンプユニットに大きな負荷を掛けることなく高温の温水を温水槽に蓄え、システムの熱効率を高くして効果的に温水を使用することができる。

そして、ヒートポンプユニットにより加熱する熱媒の温度を摂氏６０度程度とするも、太陽熱集熱器などを利用することもでき、ヒートポンプユニットの負荷を大きくすること無く生活に必要な温度の温水や暖房熱源を確保することができる。

更に、太陽光発電器を備えれば、ヒートポンプユニットの駆動に自然エネルギーを用いることにより、商用電源からの消費する電力を一層削減することができる。

そして、地中熱に代えて河川や湖沼の水熱を利用する水熱利用ヒートポンプシステムは、地中深くに熱交換パイプを埋設することなく、水中に熱交換パイプを配設して容易に且つ地形に合せて設備や家屋の屋内空気調整及び給湯を容易且つ安価に行うことができる。

本発明に係る地中熱利用ヒートポンプシステムの冷暖房システムの全体構成図。本発明に係る地中熱利用ヒートポンプシステムの給湯加温状態を示す図。本発明に係る地中熱利用ヒートポンプシステムの暖房状態を示す図。本発明に係る地中熱利用ヒートポンプシステムの冷房状態を示す図。本発明に係る地中熱利用ヒートポンプシステムの冷房状態の他の状態を示す図。

本発明に係る地中熱利用ヒートポンプシステムの実施形態は、地中に埋設するパイプであって内部に熱媒を通す地中熱交換パイプ141と、ヒートポンプユニット110と、熱媒を蓄える熱媒槽150と、前記熱媒槽150内の熱媒を前記ヒートポンプユニット110に送って循環させるタンク循環回路145,146と、水道水を蓄える温水槽170と、前記ヒートポンプユニット110で高温にされた熱媒を前記温水槽170内の熱交換器172を介して循環させる温水槽回路171と、前記熱媒槽150内の熱媒を前記熱媒槽上部から取り出して吸放熱パネル165を介して前記熱媒槽下部に戻す、又は、前記熱媒槽150内の熱媒を前記熱媒槽下部から取り出して前記吸放熱パネル165を介して前記熱媒槽上部に戻す冷暖房循環回路161,162と、前記ヒートポンプユニット110内で前記熱媒がヒートポンプのユニット110蒸発器118に放熱を行う放熱回路パイプ121と、前記ヒートポンプユニット110内で前記熱媒がヒートポンプユニット110の凝縮器114から熱伝達を受ける吸熱回路パイプ125と、前記地中熱交換パイプ141を前記放熱回路パイプ121及び前記吸熱回路パイプ125に接続する三方弁131,132、前記タンク循環回路145,146を前記放熱回路パイプ121及び前記吸熱回路パイプ125に接続する三方弁133,134、前記温水槽回路171を前記吸熱回路パイプ125に接続する三方弁135、である接続切換及び各接続回路の開閉が可能な各三方弁と、を有し、前記地中熱交換パイプ141を前記ヒートポンプユニット110内で放熱熱交換を行う放熱回路パイプ121に接続し、ヒートポンプユニット110内の高温の熱媒から熱伝達を受けるように熱交換を行う吸熱回路パイプ125を前記タンク循環回路145,146に接続するとき、前記熱媒槽150内の下部の熱媒を前記ヒートポンプユニット110に送って熱媒槽150の上部に熱媒を戻して熱媒槽150内の熱媒を温め、この熱媒槽上部の熱媒を冷暖房循環回路161,162により吸放熱パネル165に送り、前記地中熱交換パイプ141を前記吸熱回路パイプ125に接続し、前記放熱回路パイプ121を前記タンク循環回路145,146に接続するとき、前記熱媒槽150内の上部の熱媒を前記ヒートポンプユニット110に送って熱媒槽150の下部に熱媒を戻して熱媒槽150内の熱媒を低温とし、この熱媒槽下部の熱媒を冷暖房循環回路161,162により吸放熱パネル165に送り、また、前記タンク循環回路145,146を前記放熱回路パイプ121に接続するとき、前記温水槽回路171を前記吸熱回路パイプ125に接続することも可能とするヒートポンプシステムを備えた地中熱利用ヒートポンプシステムとするものである。
尚、吸放熱パネル165は、床面や床スラブ内に配管して代用することもできる。

そして、前記ヒートポンプシステムにおける前記地中熱交換パイプ141の折り返される先端部142が、地下５０メートル乃至１００メートル程度の深さの地中に埋設されたヒートポンプシステムとした地中熱利用ヒートポンプシステムとし、更に、前記ヒートポンプシステムは太陽熱集熱器180を備え、該太陽熱集熱器180で加温した熱媒により前記温水槽170内の水道水を加温すると共に、熱媒槽150内の熱媒も加温可能とした地中熱利用ヒートポンプシステムとするものである。

また、前記ヒートポンプシステムにおけるヒートポンプユニット110の吸熱回路パイプ125内の熱媒は、摂氏６０度程度の温度に加温するものとし、前記ヒートポンプシステムを備える家屋は国土交通省次世代省エネルギー基準におけるIII地区やIV地区の基準を満たした家屋とすることが好ましいものである。

尚、地中熱交換パイプに代えて河川や湖沼の水中に施設する熱交換パイプとすることにより、水熱利用ヒートポンプシステムとすることもできる。

本発明の実施例としての地中熱利用ヒートポンプシステムは、図１に示すように、断熱及び気密性を有する断熱住宅100とされた家屋に適用され、ヒートポンプユニット110により地中熱を集熱して温水槽170に生活温水を蓄え、ヒートポンプユニット110により高温又は低温とした熱媒を熱媒槽150に蓄えて冷房や暖房に利用し、太陽熱も利用可能とするヒートポンプユニット110を備えた地中熱利用ヒートポンプシステムである。

このヒートポンプユニット110は、圧縮ポンプ116や膨張弁112、凝縮器114や蒸発器118を有し、蒸発器118には第１熱媒ポンプ123を備えた放熱回路パイプ121の熱交換器が組み込まれ、放熱回路パイプ121のポンプ吐出側の端部には第１回路切換えバルブ131が、放熱回路パイプ121のポンプ吸入側の端部には第２回路切換えバルブ132が接続されている。また、凝縮器114には第２熱媒ポンプ127を備えた吸熱回路パイプ125の熱交換器が組み込まれ、吸熱回路パイプ125のポンプ吐出側の端部には温水槽用回路切換えバルブ135を介するようにして第３回路切換えバルブ133が、吸熱回路パイプ125のポンプ吸入側の端部には第４回路切換えバルブ134が接続されている。

尚、この第１回路切換えバルブ131乃至第４回路切換えバルブ134及び温水槽用回路切換えバルブ135は、三方弁を用いるものである。

そして、放熱回路パイプ121の端部に接続された第１回路切換えバルブ131及び第２回路切換えバルブ132には、地中熱交換パイプ141が接続され、この地中熱交換パイプ141は、その折返し部である先端部142を地下５０メートル乃至１００メートルの深さ位置となるように地中に埋設するパイプであり、パイプ内を熱媒が循環可能とされ、第１回路切換えバルブ131及び第２回路切換えバルブ132により地中熱交換パイプ141の両端が放熱回路パイプ121の両端と接続されたとき、第１熱媒ポンプ123によりパイプ内の熱媒がヒートポンプユニット110の蒸発器118内を通り、地中を循環して蒸発器118に戻るものである。

従って、この第１熱媒ポンプ123によりパイプ内を循環する熱媒は、地中の温度で少し暖められた熱媒の熱を蒸発器118内でヒートポンプユニット110内を循環する熱媒へ熱移動させることにより温度が低下し、この温度が低下したパイプ内の熱媒は、第１熱媒ポンプ123により地中熱交換パイプ141に贈られるように循環するものである。

また、吸熱回路パイプ125のポンプ吐出側の端部に設けた第３回路切換えバルブ133にはタンク循環回路であるタンク循環回路用第１パイプ145が接続され、吸熱回路パイプ125のポンプ吸入側の端部に設けた第４回路切換えバルブ134にはタンク循環回路であるタンク循環回路用第２パイプ146が接続され、タンク循環回路用第１パイプ145の他端には第１冷暖切換えバルブ156が、タンク循環回路用第２パイプ146の他端には第２冷暖切換えバルブ157が接続されている。

そして、この第１冷暖切換えバルブ156及び第２冷暖切換えバルブ157も三方弁を用い、熱媒槽150の上端近傍で熱媒槽150の内部に連通するように接続された熱媒循環接続上部パイプ151がこの第１冷暖切換えバルブ156及び第２冷暖切換えバルブ157に接続され、また、熱媒槽150の下端近傍で熱媒槽150の内部に連通するように接続された熱媒循環接続下部パイプ152がこの第１冷暖切換えバルブ156及び第２冷暖切換えバルブ157に接続されている。

従って、三方弁である第１冷暖切換えバルブ156や第２冷暖切換えバルブ157を操作することにより、タンク循環回路用第１パイプ145を熱媒循環接続上部パイプ151により熱媒槽150の上部に接続すると共にタンク循環回路用第２パイプ146を熱媒循環接続下部パイプ152により熱媒槽150の下部に接続することや、タンク循環回路用第１パイプ145を熱媒循環接続下部パイプ152により熱媒槽150の下部に接続すると共にタンク循環回路用第２パイプ146を熱媒循環接続上部パイプ151により熱媒槽150の上部に接続するように接続を切換えてタンク循環回路によりヒートポンプユニット110と熱媒槽150を接続することができる。

また、このタンク循環回路用第１パイプ145は、第３回路切換えバルブ133を介してヒートポンプユニット110の凝縮器114を通る吸熱回路パイプ125のポンプ吐出側に接続されると共に第３回路切換えバルブ133の近傍でタンク循環回路用第１パイプ145から分岐するように設けられた第１切換え接続パイプ136により三方弁である第１回路切換えバルブ131にも接続される。そして、この第１回路切換えバルブ131の近傍で地中熱交換パイプ141から分岐するように設けられた第３切換え接続パイプ138により地中熱交換パイプ141が三方弁である第３回路切換えバルブ133に接続される。

更に、吸熱回路パイプ125は、第４回路切換えバルブ134の近傍で分岐するように設けられた第２切換え接続パイプ137により三方弁である第２回路切換えバルブ132に接続され、ヒートポンプユニット110の蒸発器118を通る放熱回路パイプ121の第２回路切換えバルブ132の近傍で分岐するように設けられた第４切換え接続パイプ139により放熱回路パイプ121が三方弁である第４回路切換えバルブ134に接続される。

従って、第１回路切換えバルブ131乃至第４回路切換えバルブ134を制御することにより、タンク循環回路としたタンク循環回路用第１パイプ145及びタンク循環回路用第２パイプ146を吸熱回路パイプ125への接続から放熱回路パイプ121への接続に切換えを行うと共に、地中熱交換パイプ141の両端を放熱回路パイプ121への接続から吸熱回路パイプ125に接続するように切換えることができる。

更に、このヒートポンプシステムの配管としては、温水槽回路を有するものであって、吸熱回路パイプ125における温水槽用回路切換えバルブ135と第４回路切換えバルブ134の近傍から分岐するように温水槽回路パイプ171を設け、この温水槽回路パイプ171は温水槽170の内部を通すように配設して第２熱媒ポンプ127及びヒートポンプユニット110を通った熱媒を温水槽回路パイプ171により温水槽170の内部に循環させることができるようにしている。

そして、この温水槽回路パイプ171は、温水槽170の内部に熱交換器172を配置するように設けてヒートポンプユニット110及び温水槽回路パイプ171内を通る熱媒により温水槽170の内部に満たした上水である水道水を加熱することができるようにしているものである。

また、この温水槽170の下部には給水管174が接続され、上水口173からの水道水が上水バルブ175を介して温水槽170の下部から温水槽170に注入可能とされ、温水槽170の上部には温水配管である給湯管177が接続され、温水槽170の上部の温水を給湯口179から放出可能としているものである。

更に、この温水槽170には、太陽熱集熱器180からの温水予熱回路181が接続され、この温水予熱回路181は温水槽170の内部に熱交換器183を有して太陽熱集熱器180で加温された熱媒により温水槽170内の水道水を加温し、温水槽170内の水道水を加温することにより温度が低下した熱媒を温水予熱ポンプ182により太陽熱集熱器180に戻すようにしている。

また、このヒートポンプシステムは、太陽熱集熱器180からの温水予熱回路181から分岐される熱媒予熱回路185を有し、この熱媒予熱回路185により太陽熱集熱器180で加温された熱媒を熱媒槽150に導くことができるようにしている。

そして熱媒予熱回路185に設ける熱交換器187は熱媒槽150の内部に配置すると共に、この熱媒予熱回路185にも熱媒予熱ポンプ186を設けて太陽熱集熱器180で加温された熱媒を太陽熱集熱器180から熱媒槽150の内部を通して太陽熱集熱器180に戻すように循環させることができるようにしている。

更に、この熱媒槽150には、熱媒槽150の内部に連通する冷暖房接続上部パイプ153が熱媒槽150の上部近傍に接続され、熱媒槽150の内部に連通する冷暖房接続下部パイプ154が熱媒槽150の下部近傍に接続されるものであり、冷暖房接続上部パイプ153の他の端部は分岐して三方弁である第３冷暖切換えバルブ158と第４冷暖切換えバルブ159に接続し、冷暖房接続下部パイプ154も他の端部を分岐して第３冷暖切換えバルブ158と第４冷暖切換えバルブ159に接続するものである。

そして、この第３冷暖切換えバルブ158には冷暖房用ポンプ163を備えた冷暖房循環回路としての冷暖房循環往路パイプ161を接続し、第４冷暖切換えバルブ159には冷暖房循環回路としての冷暖房循環復路パイプ162を接続し、冷暖房循環往路パイプ161と冷暖房循環復路パイプ162との間には適宜にサーモバルブ166を備えた吸放熱パネル165を配置するものである。

尚、冷暖房用ポンプ163は温度センサーなどと連動させ、室温が設定温度に達するまで冷暖房用ポンプ163が稼動するように制御されるものであり、サーモバルブ166によって吸放熱パネル165の放熱量の調整を行うものである。そして、サーモバルブ166が開かれると熱媒槽150内の熱媒を冷暖房用ポンプ163により吸放熱パネル165に送り、冷暖房用循環復路パイプ162により吸放熱パネル165を介した熱媒を熱媒槽150に戻すものであり、サーモバルブ166の開度によって吸放熱パネル165を通る熱媒の流量が制御されるものである。

上述のような熱媒配管を施したヒートポンプシステムを備えた地中熱利用可能な断熱住宅100では、先ず、第１回路切換えバルブ131及び第２回路切換えバルブ132や第４回路切換えバルブ134と温水槽用回路切換えバルブ135を制御し、図２に示すように、第１回路切換えバルブ131及び第２回路切換えバルブ132により地中熱交換パイプ141の両端を放熱回路パイプ121の両端と接続し、吸熱回路パイプ125と温水槽回路パイプ171とを接続してヒートポンプユニット110を始動させるものである。

この地中熱交換パイプ141は、その先端を地下５０メートル乃至１００メートルの地中に埋設されており、一年を通して常に摂氏１６度程度の安定した温度であるため、地上外気温度が摂氏１０度程度のときでも、第１熱媒ポンプ123により地中熱交換パイプ141内に摂氏１０度程度の熱媒温度で送られ、先端142を通過して摂氏１２度乃至１５度程度の温度に昇熱された熱媒を放熱回路パイプ121によりヒートポンプユニット110の蒸発器118内に設けられている熱交換により放熱させ、放熱回路パイプ121内の熱媒の熱をヒートポンプユニット110内を循環する熱媒に伝達し、蒸発器118内で放熱回路パイプ121からの熱を受けて摂氏１２度乃至１５度程度とされたヒートポンプユニット110内の熱媒を圧縮ポンプ116で加圧昇熱して摂氏６０度程度とし、蒸発器118で吸収した地中熱を凝縮器114で吸熱回路パイプ125内の熱媒へ熱交換器により吸収させて吸熱回路パイプ125内の熱媒を摂氏６０度程度に加熱することができるものである。

また、このとき、温水槽用回路切換えバルブ135を制御して吸熱回路パイプ125内の熱媒を温水槽回路パイプ171内のみに循環可能として第２熱媒ポンプ127を駆動するものであり、ヒートポンプユニット110により摂氏６０度程度とされた熱媒を温水槽170に送ることにより温水槽回路パイプ171熱交換器172で熱交換を行って水道水を加熱し、温水槽170内の水道水を６０度程度の温水として家屋内の給湯口179から温水を放出させることにより家庭用温水として利用するものである。

このように、吸熱回路パイプ125により加温する熱媒温度を摂氏６０度程度とし、温水槽170内の水道水も６０度程度の温水とするものとし、更に、太陽熱集熱器180からの熱を温水槽170に取り込んで温水槽170内の水温を上昇させ、更に、温水槽170に補助ヒーター176を設置する場合は太陽光発電器190による電力や深夜電力により温水槽170内の水道水を加温し、水温を摂氏９０度近い温度して使用するようにすることもある。

このようにヒートポンプユニット110を調整することにより、６０度程度の生活温水を供給し、太陽熱などの利用と合せることにより、ヒートポンプユニット110の駆動に必要なエネルギー量を低く抑えつつ、生活に必要な摂氏９０度とした高温の温水温度を確保すると共に暖房に必要な熱源としての６０度程度の熱媒を確保することができるものである。

そして、温水槽170内の温水は、給湯口179からの使用量に合せて上水口173から温水槽170の底部に補充され、温水槽170の内部にはタンク容量と使用目的に応じた温水を確保するものである。

また、この温水槽170の加熱に際しては、前述のように、太陽熱集熱器180により加温され、摂氏６０度以上に加温された熱媒も温水予熱ポンプ182により温水予熱回路181を循環させて温水槽170に送り、温水槽170内の水道水の加熱に利用し、更に、適宜補助ヒーター176を用いて温水槽170内の水道水を加温して利用することが可能なものである。

尚、この地中熱利用ヒートポンプシステムでは、温水槽170の底部近傍の水温や太陽熱集熱器180の熱媒温度、及び、吸熱回路パイプ125や放熱回路パイプ121のヒートポンプユニット110出口側の熱媒温度、更に熱媒槽150の内部底部近傍等の熱媒温度を検出する温度センサーを設け、温水槽170内の温水温度が常に希望の設定温度に維持されるように温水の使用に合せて太陽熱集熱器180からの熱媒による加温を優先しつつヒートポンプユニット110を駆動し、又、必要に応じて補助ヒーター176への通電も合せるようにして地中熱を回収して温水槽170内の上水を所定温度に加熱するものである。

そして、温水槽170の水温が設定温度に到達し、暖房が必要な場合は、温水槽用回路切換えバルブ135を操作すると共に第３回路切換えバルブ133及び第４回路切換えバルブ134を操作してタンク循環回路用第１パイプ145及びタンク循環回路用第２パイプ146をヒートポンプユニット110内の熱媒から熱が伝達される吸熱回路パイプ125に接続すると共に、図３に示すように、タンク循環回路用第１パイプ145を第１冷暖切換えバルブ156により熱媒循環接続上部パイプ151に接続し、タンク循環回路用第２パイプ146を第２冷暖切換えバルブ157により熱媒循環接続下部パイプ152に接続するものである。

更に、第３冷暖切換えバルブ158により冷暖房接続上部パイプ153を冷暖房循環往路パイプ161に接続し、第４冷暖切換えバルブ159により冷暖房接続下部パイプ154を冷暖房循環復路パイプ162に接続するものである。

この図３に示した各パイプの接続状態において、ヒートポンプユニット110を駆動して吸熱回路パイプ125内で４０度から６０度程度とされた熱媒を熱媒循環接続上部パイプ151を介して熱媒槽150の上部から熱媒槽150内に注入し、熱媒槽150内に蓄えられる熱媒を設定温度に到達させると共に設定温度に保つようにヒートポンプユニット110を駆動する。

尚、熱媒槽150内の熱媒を４０度から６０度程度の設定温度まで加温し、又は設定温度を維持するに際しては、太陽熱集熱器180内部の熱媒温度が熱媒槽150内の熱媒温度よりも高いときで熱媒槽150内の熱媒が設定温度に達していないときは、図２に示したように、ヒートポンプユニット110の駆動に優先して太陽熱集熱器180を利用するようにし、熱媒予熱ポンプ186を駆動して太陽熱集熱器180で加温された熱媒を熱媒予熱回路185に循環させ、熱媒槽150内で熱交換により熱伝達を行わせることにより熱媒槽150内の熱媒を加温し、温水槽170内に蓄えた水道水の温度が設定温度に達しているときは熱媒槽150内の熱媒温度を所定温度とするようにヒートポンプユニット110を駆動させつつ温水槽170内の水温が設定温度よりも低下したときは適宜温水槽170にも熱媒を送るようにしてヒートポンプユニット110を駆動し、また、太陽熱集熱器180からの熱媒も温水槽170に送るように温水予熱ポンプ182を駆動させるものである（図３参照）。

そして、熱媒槽150内に４０度から６０度程度の熱媒を蓄積した状態で必要な吸放熱パネル165のサーモバルブ166を開き、このサーモバルブ166の開放に室温センサーを連動させて冷暖房用ポンプ163を駆動させると、熱媒槽150内の上部の熱媒が冷暖房循環往路パイプ161を介して吸放熱パネル165に送られ、吸放熱パネル165で放熱を行って冷暖房循環復路パイプ162を介して熱媒槽150の下部に戻り、家屋内を暖めることができる。

尚、吸放熱パネル165は、家屋内の床面やスラブなどに配管を施して床や壁面を吸放熱パネル165に代えることにより、各室内の暖房を行うこともできる。

また、冷房を必要とするときは、第１回路切換えバルブ131乃至第４回路切換えバルブ134を制御して地中熱交換パイプ141を吸熱回路パイプ125に接続し、タンク循環回路用第１パイプ145及び第２パイプ146を放熱回路パイプ121に接続すると共に、第１冷暖切換えバルブ156乃至第４冷暖切換えバルブ159を制御して熱媒循環接続上部パイプ151や熱媒循環接続下部パイプ152及び冷暖房接続上部パイプ153や冷暖房接続下部パイプ154の接続を切換えるものである。

即ち、図４に示すように、第１回路切換えバルブ131により放熱回路パイプ121のポンプ吐出側を第１切換え接続パイプ136を介してタンク循環回路用第１パイプ145に接続し、第４回路切換えバルブ134によりタンク循環回路用第２パイプ146を第４切換え接続パイプ139を介して放熱回路パイプ121のポンプ吸入側に接続し、第２回路切換えバルブ132により地中熱交換パイプ141の一端を第２切換え接続パイプ137を介して吸熱回路パイプ125のポンプ吸入側に、吸熱回路パイプ125のヒートポンプユニット110を介したポンプ吐出側を第３回路切換えバルブ133により第３切換え接続パイプ138を介して地中熱交換パイプ141の他端に接続するように回路切換えバルブを制御するものである。

また、冷暖切換えバルブに関しても、第１冷暖切換えバルブ156により熱媒循環接続下部パイプ152をタンク循環回路用第１パイプ145に、第２冷暖切換えバルブ157により熱媒循環接続上部パイプ151をタンク循環回路用第２パイプ146に接続し、第３冷暖切換えバルブ158により冷暖房接続下部パイプ154を冷暖房循環往路パイプ161に、第４冷暖切換えバルブ159により冷暖房接続上部パイプ153を冷暖房循環復路パイプ162に接続するものである。

従って、ヒートポンプユニット110の蒸発器118の内部を通る放熱回路パイプ121内の熱媒を摂氏７度から２５度程度の低温状態の熱媒としてタンク循環回路用第１パイプ145及び熱媒循環接続下部パイプ152により熱媒槽150の下部に注入し、この低温の熱媒を必要に応じて吸放熱パネル165に送って冷房運転を行い、温まった熱媒は熱媒槽150の上部に注入するように冷暖房循環往路パイプ161及び復路パイプ162を循環させて家屋内の冷房を行うことができる。

そして、冷房を終えて熱媒槽150に戻った熱媒は、熱媒槽150の上部接続パイプ151を介して第２冷暖切換えバルブ157により循環回路用第２パイプ146を経て第４回路切換えバルブ134や第４切換え接続パイプ139を介して放熱回路パイプ121のポンプ吸入側に入り、ヒートポンプユニット110の蒸発器118でヒートポンプユニット110内の熱媒に熱伝達して摂氏７度から２５度程度の低温状態に戻り、ヒートポンプユニット110内の熱媒は熱伝達により加温された後圧縮ポンプ116で昇温され凝縮器114で吸熱回路パイプ125内の熱媒に熱交換を行って吸熱回路パイプ125内の熱媒を２５度乃至３５度程度とし、この熱媒は温水槽用回路切換えバルブ135や第３回路切換えバルブ133を介して第３切換え接続パイプ138を経て地中熱交換パイプ141に送って地中に放熱するものである。

この場合、図５に示すように、先ず温水槽170に所定温度の温水を蓄える給湯運転を行うものであり、太陽熱集熱器180の熱媒を用いヒートポンプユニット110の吸熱回路パイプ125内の熱媒温度よりも温水槽170の水温が低いときはヒートポンプユニット110の吸熱回路パイプ125を温水槽回路パイプ171と接続し、温水槽170内の上水の加温を行いつつ熱媒槽150に低温の熱媒を蓄え、温水槽170の水温が吸熱回路パイプ125の熱媒温度に達した後、図４に示したように第２回路切換えバルブ132及び温水槽用回路切換えバルブ135を制御して接続回路の切換えを行って冷房運転を行い、同時に太陽熱集熱器180の温度が温水槽170の温度よりも高い場合は太陽熱集熱器180からの熱媒により温水槽170内の水道水を加温し、適宜補助ヒーター176に太陽光発電器190からの電気を通電して最大９０度まで温水槽170内の水温を上昇させるものである。

尚、太陽熱集熱器180からの熱媒や補助ヒーター176による温水槽170内の上水を加温し、温水槽170内の水温が吸熱回路パイプ125内の熱媒温度よりも高くなったとき、又は吸熱回路パイプ125内の熱媒温度よりも高温に維持されているときは、温水槽用回路切換えバルブ135により温水槽回路パイプ171を閉じるものである。

このように、太陽熱集熱器180を用いて温水槽170内の水道水を加温すると共に熱媒槽150に高温又は低温の熱媒を蓄えるように運転を行い、給湯運転を優先して暖房運転や冷房運転を行い、冷房運転のときは太陽熱集熱器180で加温された熱媒は温水槽170のみに送って太陽熱を利用し、太陽光発電器190の電力を用いて補助ヒーター176による上水の加温を行うものである。

また、熱媒槽150では、上部が高温となり底部近傍が低温の二層となるため、低温の熱媒を熱媒槽150の下部から熱媒槽150内に流入させ、高温の熱媒は熱媒槽150の上部から熱媒槽150内に流入させることにより、冷熱は熱媒槽150の下部から温熱は熱媒槽150の上部から熱媒槽150に取り入れて蓄熱させることにより蓄熱を効率よく行うことができる。

従って、暖房時にヒートポンプユニット110から送られる高温の熱媒を熱媒循環接続上部パイプ151から熱媒槽150の上方に注入し、冷暖房接続上部パイプ153を介して吸放熱パネル165で放熱されて温度の低下した熱媒が冷暖房接続下部パイプ154から熱媒槽150に戻すとき、熱媒槽150内での熱媒の攪拌を生じさせることを抑えることができ、また、冷房時は、ヒートポンプユニット110から送られる低温の熱媒を熱媒循環接続下部パイプ152から熱媒槽150の下方に注入し、冷暖房接続下部パイプ154を介して吸放熱パネル165で吸熱して温度上昇した熱媒が冷暖房接続上部パイプ153から熱媒槽150に戻すとき、熱媒槽150内での熱媒の攪拌を生じさせることを抑えることができる。

そして、この地中熱利用ヒートポンプシステムは、太陽光発電器190を備え、好天時などには太陽光発電器190により発電した電力によりヒートポンプユニット110の運転や、第１熱媒ポンプ123及び第２熱媒ポンプ127の運転、更に、冷暖房用ポンプ163や温水予熱ポンプ182、熱媒予熱ポンプ186等の駆動ポンプの運転を行うと共に、家屋内の各照明器具の電力に利用するものである。

また、図面に示した実施例は、地中熱利用ヒートポンプシステムを断熱住宅に設置したものであるも、地中熱利用ヒートポンプシステムは、住宅に設置する場合のみでなく、運動施設の建築物や農業用温室、植物栽培用温室などの建屋の室内空調設備及び給湯設備として設置することができる。

更に、この地中熱利用ヒートポンプシステムの地中熱交換パイプである熱交換パイプを地中に埋設することなく、河川や湖沼に配設し、地中熱でなく、水などの自然熱エネルギーを利用する水熱利用ヒートポンプシステムとすることにより、地形によっては設置を容易として住宅や建屋の室内空調及び給湯を容易且つ安価に行うことができる。

１００断熱住宅
１１０ヒートポンプユニット１１２膨張弁
１１４凝縮器１１６圧縮ポンプ
１１８蒸発器
１２１放熱回路パイプ１２３第１熱媒ポンプ
１２５吸熱回路パイプ１２７第２熱媒ポンプ
１３１第１回路切換えバルブ１３２第２回路切換えバルブ
１３３第３回路切換えバルブ１３４第４回路切換えバルブ
１３５温水槽用回路切換えバルブ
１３６第１切換え接続パイプ１３７第２切換え接続パイプ
１３８第３切換え接続パイプ１３９第４切換え接続パイプ
１４１地中熱交換パイプ１４２先端部
１４５タンク循環回路用第１パイプ
１４６タンク循環回路用第２パイプ
１５０熱媒槽
１５１熱媒循環接続上部パイプ１５２熱媒循環接続下部パイプ
１５３冷暖房接続上部パイプ１５４冷暖房接続下部パイプ
１５６第１冷暖切換えバルブ１５７第２冷暖切換えバルブ
１５８第３冷暖切換えバルブ１５９第４冷暖切換えバルブ
１６１冷暖房循環往路パイプ１６２冷暖房循環復路パイプ
１６３冷暖房用ポンプ
１６５吸放熱パネル１６６サーモバルブ
１７０温水槽
１７１温水槽回路パイプ１７２熱交換器
１７３上水口１７４給水管
１７５上水バルブ１７６補助ヒーター
１７７給湯管１７９給湯口
１８０太陽熱集熱器
１８１温水予熱回路１８２温水予熱ポンプ
１８３熱交換器
１８５熱媒予熱回路１８６熱媒予熱ポンプ
１８７熱交換器
１９０太陽光発電器

Claims

地中に埋設するパイプであって内部に熱媒を通す地中熱交換パイプと、ヒートポンプユニットと、前記熱媒を蓄える熱媒槽と、前記熱媒槽内の熱媒を前記ヒートポンプユニットに送って循環させるタンク循環回路と、水道水を蓄える温水槽と、前記ヒートポンプユニットで高温にされた熱媒を前記温水槽内の熱交換器を介してヒートポンプユニットに戻すように循環させる温水槽回路と、前記熱媒槽内の熱媒を前記熱媒槽上部から取り出して吸放熱パネルを介して前記熱媒槽下部に戻す、又は、前記熱媒槽内の熱媒を前記熱媒槽下部から取り出して前記吸放熱パネルを介して前記熱媒槽上部に戻す冷暖房循環回路と、前記ヒートポンプユニット内で前記熱媒がヒートポンプユニットの蒸発器に放熱を行う放熱回路パイプと、前記ヒートポンプユニット内で前記熱媒がヒートポンプユニットの凝縮器から熱伝達を受ける吸熱回路パイプと、前記地中熱交換パイプを前記放熱回路パイプ及び前記吸熱回路パイプに接続する三方弁、前記タンク循環回路を前記放熱回路パイプ及び前記吸熱回路パイプに接続する三方弁、前記温水槽回路を前記吸熱回路パイプに接続する三方弁、である接続切換及び各接続回路の開閉が可能な各三方弁と、を有し、
前記地中熱交換パイプを前記放熱回路パイプに接続し、前記吸熱回路パイプを前記タンク循環回路に接続するとき、前記熱媒槽内の下部の熱媒を前記ヒートポンプユニットに送って熱媒槽の上部に熱媒を戻して熱媒槽内の熱媒を温め、前記地中熱交換パイプを前記吸熱回路パイプに接続し、前記放熱回路パイプを前記タンク循環回路に接続するとき、前記熱媒槽内の上部の熱媒を前記ヒートポンプユニットに送って熱媒槽の下部に熱媒を戻して熱媒槽内の熱媒を低温とし、また、前記タンク循環回路を前記放熱回路パイプに接続するとき、前記温水槽回路を前記吸熱回路パイプに接続することを可能とするヒートポンプユニットを備えたことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステム。
前記地中熱利用ヒートポンプシステムにおける前記地中熱交換パイプの折り返される先端部が、地下５０メートル乃至１００メートル程度の深さの地中に埋設されたことを特徴とする請求項１に記載した地中熱利用ヒートポンプシステム。
前記地中熱利用ヒートポンプシステムは更に太陽熱集熱器を備え、該太陽熱集熱器で加温した熱媒により前記温水槽内の水道水を加温すると共に、熱媒槽内の熱媒も加温可能としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した地中熱利用ヒートポンプシステム。
前記地中熱利用ヒートポンプシステムにおける前記温水槽は、通電可能な補助ヒーターを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載した地中熱利用ヒートポンプシステム。
前記地中熱利用ヒートポンプシステムにおけるヒートポンプユニットの吸熱パイプ内の熱媒は、摂氏６０度程度の温度に加温されることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載した地中熱利用ヒートポンプシステム。
前記地中熱利用ヒートポンプシステムは更に太陽光発電器を備え、この太陽光発電器の電力により前記ヒートポンプユニット及び熱媒を循環させる駆動ポンプの駆動を可能としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載した地中熱利用ヒートポンプシステム。
河川や湖沼に敷設するパイプであって内部に熱媒を通す熱交換パイプと、ヒートポンプユニットと、前記熱媒を蓄える熱媒槽と、前記熱媒槽内の熱媒を前記ヒートポンプユニットに送って循環させるタンク循環回路と、水道水を蓄える温水槽と、前記ヒートポンプユニットで高温にされた熱媒を前記温水槽内の熱交換器を介してヒートポンプユニットに戻すように循環させる温水槽回路と、前記熱媒槽内の熱媒を前記熱媒槽上部から取り出して吸放熱パネルを介して前記熱媒槽下部に戻す、又は、前記熱媒槽内の熱媒を前記熱媒槽下部から取り出して前記吸放熱パネルを介して前記熱媒槽上部に戻す冷暖房循環回路と、前記ヒートポンプユニット内で前記熱媒がヒートポンプユニットの蒸発器に放熱を行う放熱回路パイプと、前記ヒートポンプユニット内で前記熱媒がヒートポンプユニットの凝縮器から熱伝達を受ける吸熱回路パイプと、前記熱交換パイプを前記放熱回路パイプ及び前記吸熱回路パイプに接続する三方弁、前記タンク循環回路を前記放熱回路パイプ及び前記吸熱回路パイプに接続する三方弁、前記温水槽回路を前記吸熱回路パイプに接続する三方弁、である接続切換及び各接続回路の開閉が可能な各三方弁と、を有し、
前記熱交換パイプを前記放熱回路パイプに接続し、前記吸熱回路パイプを前記タンク循環回路に接続するとき、前記熱媒槽内の下部の熱媒を前記ヒートポンプユニットに送って熱媒槽の上部に熱媒を戻して熱媒槽内の熱媒を温め、前記熱交換パイプを前記吸熱回路パイプに接続し、前記放熱回路パイプを前記タンク循環回路に接続するとき、前記熱媒槽内の上部の熱媒を前記ヒートポンプユニットに送って熱媒槽の下部に熱媒を戻して熱媒槽内の熱媒を低温とし、また、前記タンク循環回路を前記放熱回路パイプに接続するとき、前記温水槽回路を前記吸熱回路パイプに接続することを可能とするヒートポンプユニットを備えたことを特徴とする水熱利用ヒートポンプシステム。
前記水熱利用ヒートポンプシステムは更に太陽熱集熱器を備え、該太陽熱集熱器で加温した熱媒により前記温水槽内の水道水を加温すると共に、熱媒槽内の熱媒も加温可能としたことを特徴とする請求項７に記載した水熱利用ヒートポンプシステム。
前記水熱利用ヒートポンプシステムにおけるヒートポンプユニットの吸熱パイプ内の熱媒は、摂氏６０度程度の温度に加温されることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載した水熱利用ヒートポンプシステム。