JP5280065B2 - 地中熱利用装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、地中熱を熱源として利用する地中熱利用装置（例えば、地中熱利用ヒートポンプシステム）に関する。

大地は大きな蓄熱容量を有し、地中温度は季節によらず安定しており、地下５〜１０mでは、土壌温度は季節にかかわらずその地域の平均気温に近いとされている。例えば、東京周辺では１６〜１７℃であるため、ヒートポンプの熱源に利用すれば、暖房では採熱（集熱）源、冷房では放熱源として大気よりも優れており、「空気熱源ヒートポンプ」よりも成績係数（ＣＯＰ）、が高くなる可能性を有している。
こうした技術は、「土壌熱源ヒートポンプ」、あるいは「地中熱利用ヒートポンプ」と呼ばれ、これからの省エネルギー技術として注目されている。更に、わが国では、都市のヒートアイランド現象を緩和する技術としても期待されている。

しかしながら、従来の地熱利用ヒートポンプは、空調運転を数週間から数ヶ月間継続するにつれて、採熱（暖房）運転では、図１７、図１８に示すように土壌温度が徐々に下がり、放熱（冷房）運転では、図１９、図２０に示すように土壌温度が徐々に上がる。このため、採熱能力と放熱能力が不足するようになり、暖房ＣＯＰと冷房ＣＯＰが低下する傾向があった。
ここで、図１７における符号δは、１日で生じる土壌温度の降下量を示している。そして、図１９における符号δは、１日で生じる土壌温度の上昇量を示している。

図１７、図１９は、横軸に経過時間（１日２４時間）を目盛り、縦軸に土壌の温度を目盛り、暖房（図１７）あるいは冷房（図１９）の際における４日間の土壌の温度変化を示している。
図１８、図２０は、暖房開始（図１８）あるいは冷房開始から（図２０）の経過日数を横軸に目盛り、縦軸に土壌の温度を目盛り、暖房開始あるいは冷房開始から１２日間における土壌の温度変化を示している。

特に暖房運転に際して土壌から採熱する運転では、地中熱交換器への循環水温度が下がるため、凍結防止のためにエチレングリコールやプロピレングレコール等を添加した不凍液を用いる必要がある。グリコール類は循環水の粘度を上げる作用があり、そのため循環ポンプの動力を増加させ、熱交換における熱伝達率を低下させるという欠点がある。加えて、不凍液が漏洩した場合には土壌を汚染してしまうという問題をはらんでいる。
なお、熱媒である循環水の凍結は主に冷媒蒸発器の水側で発生し、凍結による水の膨張は、熱交換機を破損させてしまう。
一方、冷房放熱運転では、運転時間の経過につれて土壌温度が上昇するため、空気熱源ヒートポンプよりもＣＯＰが低下していく現象が見られる。

地中熱利用ヒートポンプに関しては、上述の問題点の他、以下の問題点も有している。
（１） 地中熱交換器の設置面積が大きく、コストが高い。
（２） 土壌温度を長期的に改変してしまう。
（３） 空気熱源ヒートポンプに比べ、省エネルギー効果が不十分である。
（４） 電力負荷の平準化（夜間電力の利用）に対応していることが望ましいが、必ずしも対応できていない。

問題（１）は、数ヶ月にわたる暖冷房期の熱源を土壌熱で賄う必要性から、ボアホール地中熱交換器の間隔を広く（望ましくは５ｍ以上の間隔を）取らざるを得ないことに起因している。そして、この問題（１）は、ボアホールの掘削コストの高騰を惹起する。
問題（２）は、暖房運転における採熱量と、冷房運転における放熱量のアンバランスにより、地熱が十分に回復しないことに起因する。例えば、暖房の採熱量の方が冷房の放熱量よりも多ければ、翌年の冷房開始時に元の地温まで上がらない。逆に、冷房の放熱量の方が暖房の採熱量よりも多ければ、翌年の冷房開始時に元の地温まで下がらない。
この問題は、地中熱利用ヒートポンプの適用件数が少ないうちは潜在的であるが、地中熱利用ヒートポンプが普及が進み、地中熱交換器の埋設密度が高くなると顕在化してくる恐れがある。

問題（３）で述べたように、地中熱利用ヒートポンプでは、運転開始当初は空気ヒートポンプよりも有利な熱条件が得られても、暖房採熱運転であれば、運転日数が経過するにつれて、土壌温度が徐々に下がるため（図１８参照）、ヒートポンプの冷媒蒸発温度が低下して、暖房能力とＣＯＰが低下する。冷房放熱運動の場合も同様に、運転開始から日数が経過につれて土壌温度が徐々に上がり（図２０参照）、ヒートポンプの冷媒蒸発温度が上昇するためＣＯＰが低くなる。
問題（４）は、地中熱利用ヒートポンプに固有の問題ではないが、電力を利用する空調熱源装置では、必然性の高い要件である。

その他の従来技術として、図２１で示すように、熱媒Ｗ１の温度が凍結温度まで低下した場合に、浴槽からの排出湯Ｑｂ等を利用して熱媒Ｗ１を加熱する技術が提案されている（特許文献１）。
しかし、係る従来技術（特許文献１）では、浴槽からの排出湯Ｑｂ等を常時利用出来ない場合には、地中熱交換器４の設置面積やコストを低減することが出来ない。
また、冷房が考慮されないため、冷房運転を行う場合には熱バランスが取れなくなってしまう。
さらに、電力負荷平準化の要請に応えることが出来ないという問題を有している。

別の従来技術としては、図２２で示すように、冷暖房運転を行わない時間帯であり、且つ、電気使用料金が安価な時間帯に、ヒートポンプ１Ｈを逆サイクルで運転して、地中熱交換器２Ｈ側に熱を与えて地中熱温度を回復させる技術が提案されている（特許文献２）。
しかし、この従来技術（特許文献２）では、電気使用料金が安価な時間帯以外における暖房運転の結果として地中温度が低下し過ぎた場合や、冷房運転の結果として地中温度が上昇し過ぎた場合に、暖房運転の採熱能力とＣＯＰ、冷房運転のＣＯＰが低下してしまうという問題に対処する事が出来ない。
さらに、不凍液（ブライン）を必要とするので、当該不凍液の漏洩による土壌汚染の恐れが存在する。

さらにその他の従来技術としては、図２３で示すように、地中における熱交換器１１Ｈと空気（外気）との熱交換器３Ｈを直列に配置し、気相冷媒の凝縮熱の大部分を外気に排出し、液相冷媒の顕熱を地中に排出し、以って、冷却能力を向上して、地中熱交換器の小型化を図る技術が存在する（特許文献３）。
しかし、係る従来技術（特許文献３）では、電気使用料金が安価な時間帯を利用して再生運転を行うことが出来ないので、運転コストが高騰化するという問題を有している。
また、暖房を行う場合には、不凍液（ブライン）を必要とする。
特開平１１−９４３６７号公報 特開２００５−４８９７２号公報 特開２００６−２８４０２２号公報

本発明は上述した従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、空調運転の結果として地中温度が大幅に変動してしまう事態を防止することが出来ると共に、電気使用料金が安価な時間帯以外において暖房運転のＣＯＰや冷房運転のＣＯＰが低下してしまう場合にも対処する事が出来て、不凍液（ブライン）を使用する必要がなく、システム拡張が容易な地中熱利用装置及びその制御方法の提供を目的としている。

本発明の地中熱利用装置（例えば、地中熱利用ヒートポンプシステム１０１、１０２）は、空調機器（２、２Ａ、２Ｂ）と、その空調機器に供給される熱媒体と、その熱媒体と土壌との熱交換を行う地中熱交換器（４）と、前記熱媒体を冷却又は加熱可能な熱源機構（３）とを有し、その熱源機構（３）は土壌温度が所定の温度範囲内になるように熱媒体を冷却し又は加熱する機能を有する地中熱利用装置において、熱源機構（３）は時間によって熱媒体の温度範囲を変更する機能を有し、空調機器（２、２Ａ、２Ｂ）と地中熱源機構（３）と地中熱交換器（４）とが単一の熱媒体を用いており、地中熱交換器（４）はその出口（Ｊｏ）近傍には水温計測装置（６）が介装され、前記熱源機構（３）は前記水温計測装置（６）による熱媒体の温度（ＴＷ）と閾値とを比較して熱媒体を冷却するか、加熱するか、熱源機を停止するかを決定する機能を有することを特徴としている。
本発明の実施に際して、前記土壌温度は熱媒体（例えば循環水）温度を計測することによって求めることが出来る。あるいは、土壌中に温度センサを埋設して、土壌温度を直接計測しても良い。

また、本発明の地中熱利用装置は、空調機器（２、２Ａ、２Ｂ）と、その空調機器に供給される熱媒体と、その熱媒体と土壌との熱交換を行う地中熱交換器（４）と、前記熱媒体を冷却又は加熱可能な熱源機構（３）とを有し、その熱源機構（３）は土壌温度が所定の温度範囲内になるように熱媒体を冷却し又は加熱する機能を有する地中熱利用装置において、熱源機構（３）は時間によって熱媒体の温度範囲を変更する機能を有し、地中熱交換器（４）はその出口（Ｊｏ）近傍には水温計測装置（６）が介装され、前記熱源機構（３）は熱媒体の温度の閾値を変更する機能を有し、所定の時間帯で、熱源機構（３）が起動して冷却運転を開始する熱媒体温度の閾値は高く、熱源機構を起動して加熱運転する熱媒体温度の閾値を低く設定し、前記熱源機構（３）は前記水温計測装置（６）による熱媒体の温度（ＴＷ）と閾値とを比較して熱媒体を冷却するか、加熱するか、熱源機構（３）を停止するかを決定する機能を有することを特徴としている。

上述した本発明の地中熱利用装置（請求項１、請求項２の何れかの地中熱利用装置）において、熱源機構（３）は、熱媒体の温度（ＴＷ）と閾値とを比較して熱媒体を冷却するか加熱するかを決定し、熱媒体の温度が第１の閾値（ＴＨＤ２、ＴＨＮ２）以下の場合は加熱し、熱媒体の温度が第２の閾値（ＴＨＤ１、ＴＨＮ１）以上で且つ第３の閾値（ＴＣＤ１、ＴＣＮ１）以下の場合は停止し、熱媒体の温度が第４の閾値（ＴＣＤ２、ＴＣＮ２）以上の場合は冷却する機能を有しており、第４の閾値（ＴＣＤ２、ＴＣＮ２）は第３の閾値以上（ＴＣＤ１、ＴＣＮ１）であり、第３の閾値（ＴＣＤ１、ＴＣＮ１）は第２の閾値（ＴＨＤ１、ＴＨＮ１）以上であり、第２の閾値（ＴＨＤ１、ＴＨＮ１）は第１の閾値（ＴＨＤ２、ＴＨＮ２）以上であるのが好ましい。

そして、上述した本発明の地中熱利用装置（請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の地中熱利用装置）の制御方法において、熱媒体の温度（ＴＷ）が第１の閾値（ＴＨＤ２、ＴＨＮ２）以下の場合は熱源機構（３）により熱媒体を加熱する工程（Ｓ３０、Ｓ３８）と、熱媒体の温度が第２の閾値（ＴＨＤ１、ＴＨＮ１）以上で且つ第３の閾値（ＴＣＤ１、ＴＣＮ１）以下の場合は熱源機構（３）を停止する工程と、熱媒体の温度が第４の閾値（ＴＣＤ２、ＴＣＮ２）以上の場合は熱源機構（３）により熱媒体を冷却する工程（Ｓ２４、Ｓ３２）とを有し、第４の閾値（ＴＣＤ２、ＴＣＮ２）は第３の閾値（ＴＣＤ１、ＴＣＮ１）以上であり、第３の閾値（ＴＣＤ１、ＴＣＮ１）は第２の閾値（ＴＨＤ１、ＴＨＮ１）以上であり、第２の閾値（ＴＨＤ１、ＴＨＮ１）は第１の閾値（ＴＨＤ２、ＴＨＮ２）以上であるのが好ましい。

ここで、「空調機器」なる文言は、暖房や冷房用のヒートポンプ（空調用ヒートポンプ）のみならず、給湯設備、冷凍冷蔵庫等、被空調空間で温熱あるいは冷熱を使用する機器を全て包含する意味で用いられている。
そして、暖房運転なる文言は、空調用ヒートポンプによる暖房運転のみならず、給湯設備を稼動する運転のように、被空調空間に熱を供給する運転を全て包含する。
同様に、冷房運転なる文言は、空調用ヒートポンプによる冷房運転のみならず、冷凍冷蔵庫等を稼動する運転のように、被空調空間から熱を奪う運転を全て包含する。

また、熱源機器なる文言は、空気熱源ヒートポンプのみならず、太陽熱源ヒートポンプや、吸収式の冷温水機、その他、循環水を加熱あるいは冷却する能力を有する全ての機器を含む。

さらに本発明の地中熱利用装置は、被空調空間（１）に熱を供給しあるいは被空調空間（１）から熱を奪う空調機器（２）と、該空調機器（２）と連通しており且つ地中（土壌）と熱交換を行う機能を有する熱交換器（地中熱交換器４）と、前記空調機器（２）と熱交換器（４）とを連通し且つ内部に熱媒である水が循環する配管系（Ｌｗ）と、該配管系（Ｌｗ）に介装された熱源機器（３）と、配管系（Ｌｗ）の熱交換器（４）の出口に介装されて流過する水の温度（循環水の地中熱交換器出口温度ＴＷ）を計測する水温計測装置（６）と、熱源機器（３）の運転を制御する制御装置（５）とを有し、該制御装置（５）は、空調機器（２）が暖房運転を行っている場合であって、水温計測装置（６）で計測された水温（ＴＷ）が第１の閾値（図４の温度ＴＨＤ２、ＴＨＮ２）よりも低温となった場合には、配管系（Ｌｗ）を流れる水を加熱する様に熱源機器（３）を運転し、熱源機器（３）を運転して水温が第１の閾値よりも高温である第２の閾値（図４の温度ＴＨＤ１、ＴＨＮ１）以上となった場合には、熱源機（３）による配管系（Ｌｗ）を流れる水を加熱する運転を停止する機能を有し、空調機器（２）が冷房運転を行っている場合であって、水温計測装置（６）で計測された水温（ＴＷ）が第４の閾値（図４の温度ＴＣＤ２、ＴＣＮ２）よりも高温となった場合には、配管系（Ｌｗ）を流れる水を冷却する様に熱源機器（３）を運転し、熱源機器（３）を運転して水温が第４の閾値よりも低温である第３の閾値（図４の温度ＴＣＤ１、ＴＣＮ１）以下となった場合には、熱源機（３）による配管系（Ｌｗ）を流れる水を冷却する運転を停止する機能を有しており、前記第１の閾値〜第４の閾値は、電気使用料金が安価な時間帯（例えば２２時〜８時：夜間）とそれ以外の時間帯（例えば８時〜２２時：日中）とでは異なる様に設定することが出来る。

そして本発明の地中熱利用装置の制御方法は、被空調空間（１）に熱を供給しあるいは被空調空間（１）から熱を奪う空調機器（２）と、空調機器（２）と連通しており且つ地中（土壌）と熱交換を行う機能を有する熱交換器（地中熱交換器４）と、空調機器（２）と熱交換器（４）とを連通し且つ内部に熱媒である水が循環する配管系（Ｌｗ）と、配管系（Ｌｗ）に介装された熱源機器（３）とを有する地中熱利用ヒートポンプの制御方法において、配管系（Ｌｗ）の熱交換器（４）の出口に介装された水温計測手段（６）により前記配管（Ｌｗ）を流過する水の熱交換器出口温度（ＴＷ）を計測する工程（Ｓ１）と、計測された水温（循環水の地中熱交換器出口温度ＴＷ）に基づいて熱源機器（３）の運転を制御する運転制御工程（Ｓ５、Ｓ８、Ｓ１３、Ｓ１６）とを有し、運転制御工程（Ｓ５、Ｓ８、Ｓ１３、Ｓ１６）では、空調機器（２）が暖房運転を行っている場合であって、水温計測装置（６）で計測された水温（ＴＷ）が第１の閾値（図４の温度ＴＨＤ２、ＴＨＮ２）よりも低温となった場合に、配管系（Ｌｗ）を流れる水を加熱する様に熱源機器（３）を運転し、熱源機器（３）を運転して水温が第１の閾値よりも高温の第２の閾値（図４の温度ＴＨＤ１、ＴＨＮ１）以上となった場合に、熱源機（３）による配管系（Ｌｗ）を流れる水を加熱する運転を停止し、空調機器（２）が冷房運転を行っている場合であって、水温計測装置（６）で計測された水温（ＴＷ）が第４の閾値（図４の温度ＴＣＤ２、ＴＣＮ２）よりも高温となった場合に、配管系（Ｌｗ）を流れる水を冷却する様に熱源機器（３）を運転し、熱源機器（３）を運転して水温が第４の閾値よりも低温の第３の閾値（図４の温度ＴＣＤ１、ＴＣＮ１）以下となった場合に、熱源機（３）による配管系（Ｌｗ）を流れる水を冷却する運転を停止し、前記第１の閾値〜第４の閾値は、電気使用料金が安価な時間帯（例えば２２時〜８時：夜間ｎｔ）とそれ以外の時間帯（例えば８時〜２２時：日中ｄｔ）とでは異なっている様に構成することも出来る。

本発明の地中熱利用装置において、制御装置（５）は、所定の時間帯（例えば、夏季の１３時〜１６時）に冷房運転を行う場合には、水温計測装置（６）で計測された水温（ＴＷ）が第４の閾値（図４の温度ＴＣＤ２）よりも高温の第５の閾値（図１４の温度ＴＣＤ４）よりも高温になった場合にのみ、配管系（Ｌｗ）を流れる水を冷却する様に熱源機器（３）を運転する機能を有することが出来る（図１４）。

あるいは、本発明の地中熱利用装置において、前記制御装置（５）は、所定の時間帯（例えば、夏季の１３時〜１６時）には、熱源機器（３）は配管系（Ｌｗ）を流れる水を冷却する運転を行わないように制御する機能を有することが出来る（図１５、図１６）。

本発明の地中熱利用装置の制御方法において、所定の時間帯（例えば、夏季の１３時〜１６時）であるか否かを判断する工程（Ｓ４５、Ｓ２３４）と、所定の時間帯に冷房運転を行う場合に、水温計測装置（６）で計測された水温（ＴＷ）が前記第４の閾値（図４の温度ＴＣＤ２）よりも高温の第５の閾値（図１４の温度ＴＣＤ４）よりも高温になった場合にのみ、配管系（Ｌｗ）を流れる水を冷却する様に熱源機器（３）を運転する工程とを有することが出来る。

あるいは、本発明の地中熱利用装置の制御方法において、所定の時間帯（例えば、夏季の１３時〜１６時）であるか否かを判断する工程（Ｓ４５、Ｓ２３４）と、所定の時間帯（例えば、夏季の１３時〜１６時）では、熱源機器（３）は配管系（Ｌｗ）を流れる水を冷却する運転を行わないように制御する工程（Ｓ１０）とを有することが出来る。

上述する構成を具備する本発明によれば、空調機器（例えば、空調用ヒートポンプ２や、給湯設備２Ａ、冷凍冷蔵庫２Ｂ等）が前記循環水及び地中熱交換器（４）を介して地中の熱を奪い（暖房運転時）、あるいは、地中に熱を廃棄しても（冷房運転時）、熱源機器（熱源用ヒートポンプ３、太陽熱源用ヒートポンプ３０、その他）により、暖房運転を行う時期には前記循環水及び地中熱交換器（４）を介して地中に熱を供給し、冷房運転を行う時期には地中の熱を奪うので、地中（土壌）の温度は、年間平均温度よりも低温となり過ぎ（暖房運転を行う時期）、あるいは高温になり過ぎる（冷房運転を行う時期）ことが防止される。すなわち、熱源機器３の夜間運転により、土壌温度を積極的に自然土壌温度へ回復させるため、土壌温度の経年変化は殆んど見られない。
その結果、地中（土壌）温度が、年間平均温度に比較して、異常に下降したりあるいは異常に上昇したりすることに起因する環境への悪影響も、確実に防止される。

ここで本発明では、熱源機器（３）が（暖房運転が行われている際に）地中へ熱を供給する運転を行い、（冷房運転が行われている際に）地中の熱を奪う運転を行うのは、電気料金の安い夜間に限定されない。
そのため、日中（電気使用料金が安価な時間帯以外の時間帯）に、地中の温度が低下し過ぎて（空調機器２の暖房運転時）しまった場合や、地中の温度が上昇し過ぎて（空調機器２の冷房運転時）しまった場合においても、熱源機器（３）を運転して地中の温度を年間平均温度に近づける（地中あるいは土壌を熱的に再生する運転を行う：地温の再生）ことにより、空調機器（２）の効率が低下するのを防止できる。

また本発明によれば、共通する熱媒体（例えば循環水）と熱交換をする様に、空調機器（２、２Ａ、２Ｂ等）と熱源機構（例えば熱源用ヒートポンプ３）と前記熱交換器（４）とが配置されているので、同一の熱媒体をシステム全体に循環させる事が出来て、複数種類の熱媒体を用いる必要が無い。
それに起因して本発明によれば、例えば特許文献２の様に、昼間は空調機のための運転を行い、夜間は地中温度回復のための運転を行うという運転の切換を行う必要が無い。そして、係る運転の切換を行う必要が無い本発明によれば、地中温度回復の運転に切り換えたために空調運転が出来なくなる時間帯が生じることは無い。
さらに本発明によれば、例えば特許文献１の様に、地中温度を回復するために、補助熱交換器等を別途設ける必要が無い。

本発明において、熱源機器が、例えば夜間の割安な電力を利用して毎日（毎夜）土壌温度を再生（暖房運転を行う際には加熱、冷房運転を行う際には冷却）する様に構成することが可能なので（請求項２）、翌朝には自然土壌温度に戻すことが出来る。
すなわち、暖房運転を行う際には地中からの採熱を行っているので土壌温度は低下するが、夜間に土壌を加熱（再生）して、翌日の暖房運転開始時までには土壌温度を自然温度まで上げている。すなわち、一日サイクルでは、サイクルの始期に土壌温度は自然温度まで上昇している。そのため、土壌温度の長期的な低下傾向を回避することが出来る。
一方、冷房運転を行う際には地中へ放熱するので、土壌温度は上昇するが、夜間に土壌を冷却（再生）して、翌日の暖房運転開始時までには土壌温度を自然温度まで下げている。すなち、一日サイクルでは、サイクルの始期に土壌温度は自然温度まで下がっている。そのため、土壌温度の長期的な上昇傾向を回避することが出来る。

本発明において、熱源機器（３）の駆動開始温度が、夜間（電気使用料金が安価な時間帯ｎｔ）と日中（電気使用料金が安価な時間帯以外の時間帯ｄｔ）とでは異なっており、電気料金が安価な時間帯である夜間（ｎｔ）の方が、電気使用料金が安価ではない日中（ｄｔ）に比較して、熱源機器（３）が稼動する頻度あるいは確率が高くなるように設定することが出来る（請求項２）。
その様に構成すれば、熱源機器（３）は主として電気料金が安価な夜間（ｎｔ）に稼動し、日中（ｄｔ）は必要最小限だけ駆動するようにされており、熱源機器（３）を稼動して地中再生を行うコストを必要最低限に抑える事ができる。

そして、地中あるいは土壌の温度が年間平均温度に比較して過度に低下する事がないので、熱媒として水（空調機器あるいは熱源機器と地中熱交換器との間を循環する循環水）を用いても、凍結する恐れがなくなる。そのため、不凍液（ブライン）の使用が不要となり、不凍液の漏洩による土壌汚染の恐れも無い。

それに加えて、本発明によれば地中（土壌）の温度は、年間平均温度よりも低温となり過ぎ（暖房運転を行う時期）、あるいは高温になり過ぎる（冷房運転を行う時期）ことが回避されるので、地中熱交換器を管状のコイルで構成した場合に、コイルから熱を放出あるいは吸収する際に、隣接するピッチの領域から放出され或いは吸収される熱によって悪影響を受けてしまう恐れが少ない。
そのため、伝熱管を高密度に配置した地中熱交換器（例えば、コイル状の地中熱交換器）を地中に埋設することが可能となり、従来技術のように地中深い箇所に長いロッド状の地中熱交換器を埋設する必要がない。
換言すれば、本発明によれば、比較的深度が浅い領域にコイル状の地中熱交換器を配置することが可能であり、地中熱交換器埋設のためのコストを低く抑える事が出来る。

本発明において、例えば夏季の１３時〜１６時の様に、電力負荷がピークである時間帯に、電力消費がピークとなる時間帯に電力を消費しないと割引される契約等を電力会社と締結している場合には、熱源機器（３）の運転（地中の熱を除去する冷却運転）を開始する温度（循環水の温度：例えば、地中熱交換器出口における水温ＴＷ）を高温に設定し（図１４：ＴＣＤ４）、あるいは、熱源機器（３）を運転しない様に構成することも可能である。
そのように構成すれば、地中熱利用ヒートポンプシステムの運転コストをさらに低下する事が可能である。

本発明は、地中熱利用と土壌蓄熱の両面で効果を発揮するものである。すなわち、循環水温度が自然土壌温度よりも低い場合は、夜間電力による加熱（土壌蓄熱）に加えて、周囲の土壌から地中熱交換器（４）に熱が流入する。
一方、循環水温度が自然土壌温度よりも高い場合には、夜間電力を用いた冷却（土壌への蓄冷）に加えて、周囲の土壌へ熱が流出する。
以って、地中熱の有効利用が図られるのである。

また、配管系（Ｌｗ）を循環する循環水は土壌と熱交換を行うので、その温度（循環水温度）は、年間を通じて、例えば自然土壌温度±５℃（首都圏では１２〜２２℃）程度に保つことが出来る。そのため、空調機器（水熱源ヒートポンプ２）においては、暖房サイクルと冷房サイクルのいずれの運転を行う場合にも、高い効率を得ることが出来る。

なお、循環水配管系（Ｌｗ）に複数台の空調機（２）を接続し、暖房サイクルと冷房サイクルの運転が混在するような場合には、冷房サイクルの排熱を暖房サイクルで採熱する様に構成することが出来るので、冷房サイクルの排熱を暖房サイクルで利用する（暖房サイクル側で熱回収をする）ことが出来る。その様に構成すれば、冷房サイクルの排熱の分だけ、熱源機（３）と地中熱交換器（４）の負担を減らすことが出来る。

本発明において、熱媒体（例えば循環水）の温度（例えば循環水の地中熱交換器出口水温ＴＷ）と閾値とを比較して熱媒体を冷却するか加熱するかを決定する様に構成すれば（請求項３、請求項４）、空調機器（２、２Ａ、２Ｂ）の運転状況を考慮することなく、地中温度のみを考慮して熱源機（３）を運転することができる。
そして、冷房する空間と暖房する空間とが混在するような建物であっても、上述した様な本発明のシステムを稼動して、空調の要求に対処することが出来る。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図面において、同様な部材には同様な符号を付して示してある。
最初に図１〜図１０を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態に係る地中熱利用ヒートポンプシステム（地中熱利用装置）１０１の全体構成を示している。

図１において、全体を符号１０１で示す地中熱利用ヒートポンプシステムは、４台の水熱源ヒートポンプ（空調用ヒートポンプ）２と、空気熱源ヒートポンプ（熱源用ヒートポンプ）３と、地中熱交換器４と、制御手段であるコントロールユニット５を有している。
分散型ヒートポンプである４台の空調用ヒートポンプ２は、被空調空間（空調側）１に並列に設置され、熱源用ヒートポンプ３は屋外に設置されている。

地中熱交換器４は、空調側１近傍の地中に埋設され、熱媒循環系（循環水ライン）Ｌｗによって、４台の空調用ヒートポンプ２及び熱源用ヒートポンプ３と接続されている。
ここで、循環水ラインＬｗにおいて、４台の空調用ヒートポンプ２は、熱源用ヒートポンプ３に対して、並列に配置されている。
循環水ラインＬｗにおける地中熱交換器４の出口Ｊｏ近傍には、熱媒である水（循環水）の温度を計測する温度センサ６が介装されている。

熱源用ヒートポンプ３は、地中熱交換器４を埋設した地下の土壌温度を回復（上昇あるいは下降）させるために設けられている。
熱源用ヒートポンプ３は、空調用ヒートポンプ２が暖房運転をしている期間（例えば冬季）には、土壌の温度を上昇するために、地中熱交換器４を循環する循環水を加熱する運転を行い、空調用ヒートポンプ２が冷房運転を行っている期間（例えば夏季）には、土壌の温度を低下するため、循環水を冷却する運転を行う機能を有している。
換言すれば、熱源用ヒートポンプ３は、空調用ヒートポンプ２が暖房運転を行っている際には、空気中から熱を奪って、図１７の符号δで示す水温の分だけ循環水を加熱する。
また、熱源用ヒートポンプ３は、空調用ヒートポンプ２が冷房運転を行っている際には、空気中に熱を放出して、図１９の符号δで示す水温の分だけ循環水を冷却する。

循環水ラインＬｗに付した矢印Ｆは、熱媒である循環水の流れの方向を示している。
循環水ラインＬｗにおける温度センサ６の下流側には、分岐点Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４が設けられている。
分岐点Ｂ４の一方の分岐ラインＬＤ−５には、図１における最左端の空調側ヒートポンプ２が接続されている。同様に、分岐点Ｂ２の分岐ラインＬＤ−２、分岐Ｂ３の分岐ラインＬＤ−３、分岐Ｂ４の分岐ラインＬＤ−４には、それぞれ、空調側ヒートポンプ２が接続されている。
空調側ヒートポンプ２が接続されている分岐ラインＬＤ−４、ＬＤ−３、ＬＤ−２は、それぞれ、下流側の合流点Ｇ４、Ｇ３、Ｇ２に接続している。

分岐点Ｂ１における分岐ラインＬＤ−１には熱源用ヒートポンプ３が介装されており、且つ、分岐ラインＬＤ−１は合流点Ｇ１に接続している。ここで、分岐ラインＬＤ−１、熱源用ヒートポンプ３分岐点Ｂ１、合流点Ｇ１は、空調側１の外部に配置されている。
図１では図示を省略しているが、循環水ラインＬｗに循環水の膨張、収縮の影響を排除するために、膨張タンク等を介装しても良い。

図１の最左方の空調用ヒートポンプ２にのみ符号が図示されているが、各々の空調用ヒートポンプ２は、圧縮機２１と、循環水−冷媒熱交換器２２（凝縮器あるいは蒸発器）と、冷媒−空気熱交換器２３（蒸発器あるいは凝縮器）と、冷媒ラインＬｃとを備えている。
冷媒ラインＬｃには、方向切換弁（四方弁）２４と、膨張弁２５とが介装されている。方向切換弁（四方弁）２４は、冷媒の循環方向を切り換え以って冷房運転と暖房運転との切り換えを可能とする機能を有している。
循環水−冷媒熱交換器２２と接続された循環水ラインＬｗの流入側（図１において循環水−冷媒熱交換器２２の下方）には、循環ポンプＰｗが介装されている。循環水−冷媒熱交換器２２と接続された循環水ラインＬｗの流出側（図１における循環水−冷媒熱交換器２２の上方）には、逆止弁Ｖｃが介装されている。逆止弁Ｖｃは、運転を停止している空調用ヒートポンプ２に、運転中の他のヒートポンプ２から出た循環水が逆流するのを防止するために介装している。

図１では、４台の空調用ヒートポンプ２の各々に、小型ポンプＰｗを分散設置して、熱媒である水（循環水）を循環しているが、１台のポンプにより、空調側１全体に循環水を循環させるように構成しても良い。
また、図１において、熱利用機器として空調用ヒートポンプ２が図示されているが、空調用ヒートポンプ２に代えて、図１３の第２実施形態で示すように、給湯用ヒートポンプや、冷凍冷蔵庫等を設ける事も可能である。

熱源用ヒートポンプ３は、循環水−冷媒熱交換器２２で熱交換を行う冷媒への熱の授受が異なる。
空調用ヒートポンプ２では、冷房時には、室内の空気の保有する熱が冷媒−空気熱交換器２３により冷媒に投入され、冷媒が保有する熱が循環水−冷媒熱交換器２２で循環水へ投入される（矢印Ｙ２）。一方、暖房時には、循環水が保有する熱量が循環水−冷媒熱交換器２２で冷媒に投入され、冷媒が保有する熱が冷媒−空気熱交換器２３により室内空気に投入される（矢印Ｙ２とは逆）。

それに対して、熱源用ヒートポンプ３では、空調用ヒートポンプ２が冷房運転を行っている時期には、循環水が保有する熱が循環水−冷媒熱交換器２２で冷媒へ投入され、冷媒の保有する熱が冷媒−空気熱交換器２３により空気中に放散される（矢印Ｙ３）。一方、暖房時には、空気が保有する熱が冷媒−空気熱交換器２３により冷媒に投入され、冷媒が保有する熱量が循環水−冷媒熱交換器２２で循環水に投入される（矢印Ｙ３とは逆）。
熱源用ヒートポンプ３におけるその他の構成は、空調用ヒートポンプ２と同様である。

ここで、熱源機用機器として、加熱用にはボイラー（石油やガス）、太陽熱温水器、各種排熱（廃棄物やバイオマス焼却施設、下水、地下鉄など）を用いることも出来る。また、冷却用には冷凍機（電気式や吸収式）があり、冷却塔、河川や湖沼水なども温度条件によっては利用することが出来る。
しかし、適用性を考慮すると、図１で示すように、循環水の加熱運転と冷却運転とが可能な空気熱源用ヒートポンプ３が好適である。

また、図１のように４台の空調用ヒートポンプ２と熱源用ヒートポンプ３とを並列接続することにより、空調用ヒートポンプ２の各々における冷房運転・暖房運転の要求に応じて、各空調用ヒートポンプ２が設けられた空調空間を、冷房あるいは暖房することが出来る。
図１において、コントロールユニット５と温度センサ６とは入力信号ラインＳｉによって接続され、コントロールユニット５と熱源用ヒートポンプ３とは制御用信号ラインＳｏによって接続されている。

地中熱利用ヒートポンプシステムにおける地中熱交換器４が、図２、図３で詳細に示されている。
図２、図３において、地中熱交換器４は、所定距離だけ隔てて立設（埋設）した２本の円筒状支持部材７に、所定のピッチＰで、架橋ポリエチレン管８を巻き付けた構造である。
図示の例では、架橋ポリエチレン管８の直径は１０〜２０ｍｍ、巻き付けたピッチＰは数十ｃｍで、架橋ポリエチレン管８の全長は１００ｍ程度である。
コイルユニット９の幅Ｂと高さＨは数ｍ（例えば２〜４ｍ）である。

図示は省略するが、従来技術では、地中熱交換器として、例えば、１本のボアホール（例えばφ２００〜２５０ｍｍ程度）にＵ字状に折り曲げた管を挿入して用いていた。しかし、Ｕ字状に折り曲げた管では、Ｕ字の往路と復路との間の距離を十分にとれないため、相互に熱的な影響を及ぼし合ってしまい、熱交換の効率が低い。あるいは、単管であるため、管の埋設深さを１００ｍ程度まで掘り下げないと、十分な熱交換面積が得られないという問題を有している。

これに対して、図２、図３で示す地中熱交換器４では、上述したようにコイル間隔（巻付けピッチＰ）は、数十ｃｍ程度に高密度化する事が出来る。そして、全長も十分に長いので、熱交換面積を十分確保できる。
また、コイルユニット９の幅Ｂ及び高さＨを数ｍ程度にすれば、コイルユニット９を工場で組立て、そのまま現場にトラック搬送が出来る。したがって施工現場では、設備容量に応じた個数のユニット９を地中埋設するだけで済み、工期の大幅短縮が可能となる。
ここで、図２、図３で示す地中熱交換器４において、コイル間隔（巻付けピッチＰ）を、数十ｃｍ程度に高密度化する事が出来る理由については、後述する。

図１で示す地中熱利用ヒートポンプシステムの制御について、図１、図４を参照しつつ、図５のフローチャートに基づいて説明する。
図４では、暖房運転時及び冷房運転時の双方における循環水の地中熱交換器出口水温（縦軸）と、時刻（横軸）との特性が示されている。
図４で示す２本の特性線の内、上方の特性線（点ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６を通る特性線）は、空調用ヒートポンプ２が冷房運転を行う際における特性線である。それに対して、図４における下方の特性線（点ｔ１１、ｔ１２、ｔ１３、ｔ１４、ｔ１５、ｔ１６を通る特性線）は、空調用ヒートポンプ２が暖房運転を行う際における特性線である。

図５で示す制御では、地中熱交換器４出口に介装された温度センサ６によって、循環水の地中熱交換器出口水温（ＴＷ）を、適宜測定する。
ステップＳ２では、コントロールユニット５により、空調用ヒートポンプ２によって暖房運転を行うのか、冷房運転を行うのか、あるいは空調用ヒートポンプ２を作動させないのかを判断する。
空調用ヒートポンプ２を作動させないのであれば、熱源用ヒートポンプ３を作動する必要はないので、ステップＳ１０まで進む。空調用ヒートポンプ２により冷房運転を行うのであればステップＳ３に進み、暖房運転であればステップＳ１１に進む。

空調用ヒートポンプ２で冷房運転を行うステップＳ３では、料金の安価な時間帯（いわゆる「夜間電力」の時間帯）となっているか否かを判断する。
夜間電力の時間帯ｎｔになっていなければ（ステップＳ３がＮＯ）ステップＳ４に進み、夜間電力の時間帯ｎｔであれば（ステップＳ３がＹＥＳ）ステップＳ７まで進む。
図示の実施形態では、図４で明示されている様に、夜間電力の時間帯ｎｔは、夜の２２時〜翌朝の８時である。

ステップＳ３がＮＯであれば、その時点は夜間電力の時間帯ｎｔではなく、日中（図４における８時〜２２時の時間帯ｄｔ）である。ステップＳ４では、日中において、循環水の地中熱交換器出口水温ＴＷが、温度ＴＣＤ２を超えているか否かを判断する。ここで、温度ＴＣＤ２は、熱源用ヒートポンプ３の昼間の冷房運転時において、熱源用ヒートポンプ３を起動して、循環水の冷却運転を開始する温度（地中熱交換器出口水温）の設定値（閾値）である。
循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが熱源用ヒートポンプ３起動温度設定値ＴＣＤ２を超えていなければ（ステップＳ４がＮＯ）、熱源用ヒートポンプ３を作動する必要はないので、ステップＳ１０まで進む。
一方、図４における時刻ｔ３（１５時）近傍のように、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが熱源用ヒートポンプ３起動温度設定値ＴＣＤ２を超えていれば（ステップＳ４がＹＥＳ）、ステップＳ５に進む。

循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが、熱源用ヒートポンプ３の昼間の冷房運転時における起動温度の設定値ＴＣＤ２を超えた状態であるステップＳ５では、循環水を冷却して土壌温度を低下する必要があると判断して、熱源用ヒートポンプ３による循環水冷却運転を行う。熱源用ヒートポンプ３による循環水冷却運転を行えば、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷは徐々に低下（降温）する。
ステップＳ６では、徐々に低下する循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが、停止温度設定値ＴＣＤ１に達したか否かを判断する。ここで、設定値ＴＣＤ１は、熱源用ヒートポンプ３の昼間の冷房運転時において、熱源用ヒートポンプ３を停止して循環水の冷却運転を停止する温度（循環水地中熱交換器出口水温）の設定値（閾値）である。

図４から明らかな様に、熱源用ヒートポンプ３を起動する設定値ＴＣＤ２は、熱源用ヒートポンプ３を停止する設定値ＴＣＤ１に比較して若干高温となっている。両者の間に温度差（図４の例では、１℃）を設けたのは、設定値ＴＣＤ２と設定値ＴＣＤ１とが同一温度であれば、熱源用ヒートポンプ３の起動と停止が頻繁に繰り返される恐れがあり、熱源用ヒートポンプ３の破損を惹起するからである。同様な理由により、後述する設定温度ＴＣＮ２、ＴＣＮ１、設定温度ＴＨＮ１、ＴＨＮ２、設定温度ＴＨＤ１、ＴＨＤ２も、温度差（図４の例では、１℃）を設けて設定されている。

循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが熱源用ヒートポンプ３の冷房運転時における停止温度設定値ＴＣＤ１に達したなら（ステップＳ６がＹＥＳ：図４の時刻ｔ５）、ステップＳ１０に進み、熱源用ヒートポンプ３を停止する。
循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが、熱源用ヒートポンプ３を停止する設定値ＴＣＤ１に達していない場合には（ステップＳ６がＮＯ）、熱源用ヒートポンプ３による循環水冷却運転を続行する（ステップＳ６がＮＯのループ：図４における時刻ｔ３〜時刻ｔ４）。
図４の例では、時刻ｔ５（１８時）で空調用ヒートポンプ２の冷房運転を停止している。そのため、時刻ｔ５以降では、循環用冷却水の温度が低下（回復）して、循環水の温度低下の温度勾配が急になる。

ステップＳ７では、夜間電力の時間帯ｎｔ、すなわち時刻ｔ６（２２時）〜時刻ｔ２（翌朝の８時）における時間帯を対象としており、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが、熱源用ヒートポンプ３起動設定値ＴＣＮ２を超えているか否かを判断する。ここで設定値ＴＣＮ２は、空調用ヒートポンプ２が冷房運転を行っている時期において、夜間に熱源用ヒートポンプ３を起動して、循環水を冷却する運転を開始する温度（循環水地中熱交換器出口水温）の設定値（閾値）である。
循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが熱源用ヒートポンプ３起動設定値ＴＣＮ２を超えていなければ（ステップＳ７がＮＯ）、熱源用ヒートポンプ３は運転する必要がないので、ステップＳ１０で停止する。
循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが熱源用ヒートポンプ３起動設定値ＴＣＮ２を超えていれば（ステップＳ７がＹＥＳ）、ステップＳ８に進み、熱源用ヒートポンプ３による循環水冷却運転を開始する。熱源用ヒートポンプ３による循環水冷却運転を行えば、土壌温度及び循環水水温は低下する。

ステップＳ９では、低下する循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが、熱源用ヒートポンプ３の停止温度設定値ＴＣＮ１に達したか否かを判断する。この温度設定値ＴＣＮ１は、空調用ヒートポンプ２が冷房運転を行っている時期において、夜間に熱源用ヒートポンプ３による循環水の冷却運転を停止する温度（循環水地中熱交換器出口水温）の設定値（閾値）である。
循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが熱源用ヒートポンプ３の停止温度設定値ＴＣＮ１に達したなら（ステップＳ９がＹＥＳ：図４の時刻ｔ１）、ステップＳ１０に進み熱源用ヒートポンプ３を停止する。
循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが熱源用ヒートポンプ３の停止温度設定値ＴＣＮ１に達していないなら（ステップＳ９がＮＯ）、熱源用ヒートポンプ３による循環水の冷却運転を続行する（ステップＳ９がＮＯのループ：図４の時刻ｔ６〜時刻ｔ１）。

ここで、図４から明らかな様に、空調用ヒートポンプ２の冷房運転時において、熱源用ヒートポンプ３の夜間における起動設定値ＴＣＮ２は、昼間における起動設定値ＴＣＤ２よりも低温である。従って、夜間においては、昼間に比較して、熱源用ヒートポンプ３による循環水冷却運転がされ易くなる。これにより、電力料金が安価な夜間に熱源用ヒートポンプ３による循環水冷却運転を集中して、システム１０１全体の運転コストを低減することが可能となる。

ステップＳ２で暖房運転（空調用ヒートポンプ２が暖房運転）が選択されたならば、ステップＳ１１において、その時点が夜間電力の時間帯ｎｔであるか否かを判断する。夜間電力の時間帯でなければ（ステップＳ１１がＮＯ)、ステップＳ１２に進み、夜間電力の時間帯であれば（ステップＳ１１がＹＥＳ）、ステップＳ１５まで進む。
ここで、「夜間電力の時間帯ではない」という時間帯（昼間の時間帯ｄｔ）は、図４における時刻ｔ１ｄ（８時）〜ｔ１６（２２時）の範囲である。係る時間帯において、ステップＳ１２では、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが熱源用ヒートポンプ３の起動温度設定値ＴＨＤ２未満であるか否かを判断する。ここで、起動温度設定値ＴＨＤ２は、空調用ヒートポンプ２が暖房運転を行っている時期に、昼間の時間帯ｄｔ（図４における時刻ｔ１ｄ〜時刻ｔ１６）において、熱源用ヒートポンプ３を起動して、循環水の加熱運転を行う温度（循環水地中熱交換器出口水温）の設定値（閾値）である。

循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが熱源用ヒートポンプ３の起動温度設定値ＴＨＤ２以上であれば（ステップＳ１２がＮＯ）、熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱運転は不要と判断して、ステップＳ１０まで進む。一方、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが熱源用ヒートポンプ３の起動温度設定値ＴＨＤ２未満であれば（ステップＳ１２がＹＥＳ：図４の時刻ｔ１３の領域）、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、熱源用ヒートポンプ３により循環水を加熱して、土壌温度を昇温する運転を開始する。熱源用ヒートポンプ３による循環水加熱運転を行えば、循環水の温度は徐々に上昇する。
ステップＳ１４では、上昇する循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが熱源用ヒートポンプ３の停止温度設定値ＴＨＤ１に達したか否かを判断する。ここで停止温度設定値ＴＨＤ１は、空調用ヒートポンプ２が暖房運転を行っている時期に、昼間の時間帯ｄｔ（図４における時刻ｔ１ｄ〜時刻ｔ１６）において、熱源用ヒートポンプ３を停止して、循環水を加熱する運転を停止する温度（循環水地中熱交換器出口水温）の設定値である。
循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが熱源用ヒートポンプ３の停止温度設定値ＴＨＤ１に達したなら（ステップＳ１４がＹＥＳ）、熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱が不要であると判断して、ステップＳ１０で熱源用ヒートポンプ３を停止する。循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが、熱源用ヒートポンプ３の停止温度設定値ＴＨＤ１に達していないなら（ステップＳ１４がＮＯ）、熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱運転を繰り返す（ステップＳ１４がＮＯのループ：図４の時刻ｔ１３〜ｔ１４の時間帯）。

ステップＳ２で暖房運転（空調用ヒートポンプ２が暖房運転）が選択された場合において、ステップＳ１１で夜間電力の時間帯ｎｔであると判断されたならば、その時間帯は、図４の時刻ｔ１６（２２時）〜時刻ｔ１ｄ（翌朝の８時）の範囲である。その時間帯ｎｔ（夜間電力の時間帯：時刻ｔ１６〜時刻ｔ１ｄ）において、ステップＳ１５で、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが熱源用ヒートポンプ３の起動温度設定値ＴＨＮ２未満か否かを判断する。ここで起動温度設定値ＴＨＮ２は、空調用ヒートポンプ２が暖房運転を行っている時期に、夜間電力の時間帯ｎｔ（図４における時刻ｔ１６〜時刻ｔ１ｄ）において、熱源用ヒートポンプ３を起動して、循環水を加熱する運転を開始する温度（循環水地中熱交換器出口水温）の設定値である。

循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが起動温度設定値ＴＨＮ２以上であれば（ステップＳ１５がＮＯ）、熱源用ヒートポンプ３による循環水加熱運転は不要と判断して、ステップＳ１０まで進む。
一方、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷがＴＨＮ２未満であれば（ステップＳ１５がＹＥＳ）、ステップＳ１６に進み、熱源用ヒートポンプ３による循環水加熱運転を開始する。

熱源用ヒートポンプ３による循環水加熱運転により、循環水温度あるいは土壌温度は徐々に上昇する。
ステップＳ１７では、上昇する循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが、熱源用ヒートポンプ３の停止温度設定値ＴＨＮ１に達したか否かを判断する。ここで停止温度設定値ＴＨＮ１は、空調用ヒートポンプ２が暖房運転を行っている時期に、夜間電力の時間帯ｎｔ（図４における時刻ｔ１６〜時刻ｔ１ｄ）において、熱源用ヒートポンプ３を停止して、循環水を加熱する運転も停止する温度（循環水地中熱交換器出口水温）の設定値である。
循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが停止温度設定値ＴＨＮ１に達したなら（ステップＳ１７がＹＥＳ：図４の時刻ｔ１１）、熱源用ヒートポンプ３による循環水加熱運転は不要と判断して、ステップＳ１０で熱源用ヒートポンプ３を停止する。
循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが停止温度設定値ＴＨＮ１に達していなければ（ステップＳ１７がＮＯ）、熱源用ヒートポンプ３による循環水加熱運転を続行する（ステップＳ１７がＮＯのループ：図４の時刻ｔ１６〜時刻ｔ１１）。

ここで、図４から明らかな様に、空調用ヒートポンプ２による暖房運転時において、熱源用ヒートポンプ３の夜間における起動設定値ＴＨＮ２は、昼間における起動設定値ＴＨＤ２よりも高温である。従って、夜間においては、昼間に比較して、熱源用ヒートポンプ３による循環水加熱運転がされ易くなる。これにより、電力料金が安価な夜間に熱源用ヒートポンプ３による循環水加熱運転を集中して、空調用ヒートポンプ２による暖房運転時においても、システム１０１全体の運転コストを低減することが可能となる。
図５におけるステップＳ１０において、熱源用ヒートポンプを停止した後、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１以降を繰り返す。

図４では、土壌温度の年間平均温度（あるいは自然土壌温度）を１７℃に想定し、夜間の目標温度を１７℃、昼間の上限目標温度を２２℃、昼間の下限目標温度を１２℃に設定したものと仮定する。
これらの設定値は、地域や地中熱交換器４のコイルの埋設深度、設計計画等によって変更することも可能である。
また、図４では、夜間電力の時間帯（電力の夜間料金時間帯）は夜の２２時から翌朝の８時までになっているが、これに限定される訳ではない。夜間電力の時間帯の具体的な時刻については、電力会社や契約内容によって異なる。

図４において、符号Ｔｃで示す温度特性線は、例えば夏季において空調用ヒートポンプ２による冷房運転を想定した場合に、地中熱交換器４の出口に設けられた温度センサ６で計測された循環水温度の特性線である。
図４の温度変化線Ｔｈは、例えば冬季における空調用ヒートポンプ２による暖房運転を想定した場合に、地中熱交換器４の出口に設けられた温度センサ６で計測された循環水温度の特性線を示している。
図４において、各温度の具体的な数値を、以下に例示する。
熱源用ヒートポンプ３の夜間冷却運転起動設定温度ＴＣＮ２：１８．５℃
熱源用ヒートポンプ３の夜間冷却運転停止設定温度ＴＣＮ１：１７．５℃
熱源用ヒートポンプ３の昼間冷却運転起動設定温度ＴＣＤ２：２３℃
熱源用ヒートポンプ３の昼間冷却運転停止設定温度ＴＣＤ１：２２℃
熱源用ヒートポンプ３の夜間加熱運転起動設定温度ＴＨＮ２：１５．５℃
熱源用ヒートポンプ３の夜間加熱運転停止設定温度ＴＨＮ１：１６．５℃
熱源用ヒートポンプ３の昼間加熱運転起動設定温度ＴＨＤ２：１１℃
熱源用ヒートポンプ３の昼間加熱運転停止設定温度ＴＨＤ１：１２℃

ここで、第１実施形態における制御は、図５に限定されるものではない。
図５で示す制御では、ステップＳ２において、暖房運転時であるか冷房運転時であるかを判断している。
これに対して、図６で示す制御は、第１実施形態における制御の変形例であり、図５のステップＳ２に相当する判断（暖房運転か冷房運転かを判断する論理回路）を省略している。

以下、図６を主に参照しつつ、図１で示す地中熱利用ヒートポンプシステム１０１の制御について説明する。
熱媒体の温度として、循環水の地中熱交換器出口水温ＴＷを計測する（ステップＳ２１）。そして、水温ＴＷを計測した時点が昼間であるか夜間であるかを判定し（ステップＳ２２）、昼間であれば（ステップＳ２２が「ｄｔ」）ステップＳ２３に進み、夜間であれば（ステップＳ２２が「ｎｔ」）ステップＳ３１に進む。

ステップＳ２３（水温ＴＷを計測した時点が昼間の場合）では、水温ＴＷと温度ＴＣＤ２（昼間における第４の閾値）と比較し、水温ＴＷが温度ＴＣＤ２以上であれば（ステップＳ２３がＹＥＳ）、熱源用ヒートポンプ３（熱源機構）により循環水（熱媒体）を冷却して（ステップＳ２４）、ステップＳ２７に進む。
水温ＴＷが温度ＴＣＤ２よりも低温であれば（ステップＳ２３がＮＯ）、ステップＳ２５に進み、水温ＴＷと温度ＴＣＤ１（昼間における第３の閾値）とを比較する。
水温ＴＷが温度ＴＣＤ１以下である場合には（ステップＳ２５がＹＥＳ）、熱源用ヒートポンプ３（熱源機構）による循環水（熱媒体）の冷却運転は行わず（ステップＳ２６）に、ステップＳ２７に進む。水温ＴＷが温度ＴＣＤ１よりも高温であれば（ステップＳ２５がＮＯ）、ステップＳ２７に進む。

ステップＳ２７では、循環水の地中熱交換器出口水温ＴＷを温度ＴＨＤ１（昼間における第２の閾値）と比較し、水温ＴＷが温度ＴＨＤ１以上であれば（ステップＳ２７がＹＥＳ）、熱源用ヒートポンプ３による循環水（熱媒体）の加熱運転は行わず（ステップＳ２８）、ステップＳ２１に戻る。水温ＴＷが温度ＴＨＤ１より低温であれば（ステップＳ２７がＮＯ）、ステップＳ２９に進む。
ステップＳ２９では水温ＴＷと温度ＴＨＤ２（昼間における第１の閾値）と比較し、水温ＴＷが温度ＴＨＤ２以下の場合には（ステップＳ２９がＹＥＳ）、熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱運転を行い（ステップＳ３０）、ステップＳ２１に戻る。
水温ＴＷが温度ＴＨＤ２よりも高温であれば（ステップＳ２９がＮＯ）、ステップＳ２１に戻る。

ここで、水温ＴＷが温度ＴＣＤ１（昼間における第３の閾値）以下で（ステップＳ２５がＹＥＳ）、熱源用ヒートポンプ３（熱源機構）による循環水（熱媒体）の冷却運転は行わず（ステップＳ２６）、且つ、水温ＴＷが温度ＴＨＤ１（昼間における第２の閾値）以上で（ステップＳ２７がＹＥＳ）、熱源用ヒートポンプ３による循環水（熱媒体）の加熱運転は行わない（ステップＳ２８）場合は、昼間における「熱媒体の温度が第２の閾値以上で且つ第３の閾値以下」の場合に相当し、熱源用ヒートポンプ３は冷却運転も加熱運転も行わない状態、すなわち「熱源機構を停止」した状態となる。

前述した通り、ステップＳ２２において、水温ＴＷを測定した時間が夜間である場合には（ステップＳ２２が「ｎｔ」）、ステップＳ３１に進む。
ステップＳ３１では水温ＴＷと温度ＴＣＮ２（夜間における第４の閾値）と比較し、水温ＴＷが温度ＴＣＮ２以上であれば（ステップＳ３１がＹＥＳ）、熱源用ヒートポンプ３により循環水を冷却して（ステップＳ３２）、ステップＳ３５に進む。
水温ＴＷが温度ＴＣＮ２よりも低温であれば（ステップＳ３２がＮＯ）、ステップＳ３３に進み、水温ＴＷと温度ＴＣＮ１（夜間における第３の閾値）とを比較する。
水温ＴＷが温度ＴＣＮ１以下である場合には（ステップＳ３３がＹＥＳ）、熱源用ヒートポンプ３による循環水の冷却運転は行わず（ステップＳ３４）に、ステップＳ３５に進む。水温ＴＷが温度ＴＣＮ１よりも高温であれば（ステップＳ３３がＮＯ）、ステップＳ３５に進む。

ステップＳ３５では、水温ＴＷを温度ＴＨＮ１（夜間における第２の閾値）と比較し、水温ＴＷが温度ＴＨＮ１以上であれば（ステップＳ３５がＹＥＳ）、熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱運転は行わず（ステップＳ３６）、ステップＳ２１に戻る。水温ＴＷが温度ＴＨＮ１より低温であれば（ステップＳ３５がＮＯ）、ステップＳ３７に進む。
ステップＳ３７では水温ＴＷと温度ＴＨＮ２（夜間における第１の閾値）と比較し、水温ＴＷが温度ＴＨＮ２以下の場合には（ステップＳ３７がＹＥＳ）、熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱運転を行い（ステップＳ３８）、ステップＳ２１に戻る。
水温ＴＷが温度ＴＨＮ２よりも高温の場合には（ステップＳ３７がＮＯ）、ステップＳ２１に戻る。

ここで、水温ＴＷが温度ＴＣＮ１（夜間における第３の閾値）以下で（ステップＳ３３がＹＥＳ）、熱源用ヒートポンプ３（熱源機構）による循環水（熱媒体）の冷却運転は行わず（ステップＳ３４）、且つ、水温ＴＷが温度ＴＨＮ１（夜間における第２の閾値）以上で（ステップＳ３５がＹＥＳ）、熱源用ヒートポンプ３による循環水（熱媒体）の加熱運転は行わない（ステップＳ３６）場合は、夜間における「熱媒体の温度が第２の閾値以上で且つ第３の閾値以下」の場合に相当し、熱源用ヒートポンプ３は冷却運転も加熱運転も行わない状態、すなわち「熱源機構を停止」した状態となる。

図６で示す制御について、図４の温度特性線をも参照して説明する。
最初に、空調用ヒートポンプ２による冷房運転を行う時期（熱源用ヒートポンプ３は冷却運転：図４における上側の実線）における制御について述べる。
図６において、空調用ヒートポンプ２による冷房運転を行う時期（熱源用ヒートポンプ３は冷却運転）において、図４の時刻ｔ１〜ｔ２間では、空調用ヒートポンプ２は運転していない。そして、循環水の地中熱交換器出口温度ＴＷは、温度ＴＣＮ１近傍の温度であり、熱源用ヒートポンプ３も停止している。

図４のｔ１〜ｔ２間の制御ルーチンを、図６で示すと、ステップＳ２１で循環水地中熱交換器出口温度ＴＷを計測した後、ステップＳ２２では「ｎｔ（夜間電力の時間帯）」と判断される。ｔ１〜ｔ２間では温度ＴＷはＴＣＮ１近傍の温度なので、ＴＷ＜ＴＣＮ２であり、ステップＳ３１は「ＮＯ」となる。そして温度ＴＷはＴＣＮ１近傍の温度なので、ステップＳ３３は「ＹＥＳ」であり、ステップＳ３４にて熱源用ヒートポンプ３による循環水の冷却運転を行わない制御が選択される。
そしてステップＳ３５では、温度ＴＷはＴＣＮ１近傍の温度なので「ＮＯ」となり、ステップＳ３６で熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱はしない制御が選択される。
以後、ｔ１〜ｔ２間では、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ３１、Ｓ３３、Ｓ３４、Ｓ３５、Ｓ３６のループが繰り返される。

図４の時刻ｔ２から空調用ヒートポンプ２による昼間の冷房運転が開始されるので、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷは上昇する。
図４の時刻ｔ２〜ｔ３間では、循環水地中熱交換器出口温度ＴＷ＜ＴＣＤ２である。時刻ｔ２〜ｔ３間の制御ルーチンは、図６において、ステップＳ２２では「ｄｔ（昼間：夜間電力の時間帯ではない時間帯）」となり、ＴＷ＜ＴＣＤ２なのでステップＳ２３は「ＮＯ」、ステップＳ２５は「ＹＥＳ」である。その結果、ステップＳ２６で、熱源用ヒートポンプ３は循環水を冷却する運転は行わないと判断される。

図４の時刻ｔ２〜ｔ３間では、ＴＷ＞ＴＨＤ１なので、ステップＳ２７は「ＹＥＳ」となり、ステップＳ２８で、熱源用ヒートポンプ３は循環水を加熱する運転は行わないと判断される。
それ以降は、時刻ｔ２〜ｔ３間では、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８のループとなる。
ただし、時刻ｔ２〜ｔ３において、ＴＣＤ２＞ＴＷ＞ＴＣＤ１の領域では、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２５、Ｓ２７、Ｓ２８のループとなる。

図４の時刻ｔ３では、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷ＝ＴＣＤ２となる。その際には、ステップＳ２３は「ＹＥＳ」となり、ステップＳ２４で、熱源用ヒートポンプ３により循環水を冷却する運転を行う制御が選択される。
図４の時刻ｔ４では、ＴＷ＞ＴＣＤ１なので、ステップＳ２７は「ＹＥＳ」となり、ステップＳ２８で、熱源用ヒートポンプ３により循環水を加熱する運転は行わないと判断される。

図４の時刻ｔ３〜ｔ４においては、先行する制御サイクル（時刻ｔ３について説明した制御）におけるステップＳ２４で、熱源用ヒートポンプ３により循環水を冷却する運転を行う制御が選択されており、熱源用ヒートポンプ３による冷却運転で水温ＴＷは低下し、ＴＷ≦ＴＣＤ２となるが、ＴＷ＞ＴＣＤ１である。すなわち、時刻ｔ３〜ｔ４においては、ＴＣＤ２≧ＴＷ＞ＴＣＤ１となっている。
図６のステップＳ２３でＴＷとＴＣＤ２とが比較される際に、上述した様に時刻ｔ３〜ｔ４ではＴＣＤ２≧ＴＷ＞ＴＣＤ１なので、ステップＳ２３は「ＮＯ」となり、そして、ステップＳ２５も「ＮＯ」と判断される。ここで、ステップＳ２６を経由しないでステップＳ２７に進むことになるため、熱源用ヒートポンプ３による冷却運転は続行される。

時刻ｔ３〜ｔ４ではＴＣＤ２≧ＴＷ＞ＴＣＤ１なので、図６のステップＳ２７では「ＹＥＳ」と判断され、ステップＳ２８において、熱源用ヒートポンプ３による循環水加熱運転は行わない旨が選択される。
その結果、上述した時刻ｔ３における制御で、図６のステップＳ２４において開始された熱源用ヒートポンプ３による循環水冷却運転が、依然として続行される。
換言すれば、ｔ３〜ｔ４では、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２５、Ｓ２７、Ｓ２８のループとなり、ステップＳ２６は実行しないので、時刻ｔ３の制御サイクルにおけるステップＳ２４における「熱源用ヒートポンプ３による循環水冷却運転」が続行されるのである。

図４の時刻ｔ４（１８時）では、空調用ヒートポンプ２が停止される。その結果、空調用ヒートポンプ２において循環水に熱が投入されなくなり、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが降温する。
時刻ｔ５では、ＴＷ＝ＴＣＤ１となるので、図６における制御において、ステップＳ２５は「ＹＥＳ」と判定され、熱源用ヒートポンプ３における循環水の冷却運転は行わない（ステップＳ２６）。ステップＳ２６の制御が行われることにより、熱源用ヒートポンプ３の循環水冷却運転が停止する。
図４の時刻ｔ５〜ｔ６間ではＴＣＤ１＞ＴＷなので、図６において、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８のループとなる。

図４の時刻ｔ６（２２時）からは夜間電力の時間帯となり、図６のステップＳ２２は「ｎｔ（夜間）」となる。
時刻ｔ６ではＴＷ＞ＴＣＮ２であるので、図４のｔ６〜ｔ１間では、図６のステップＳ３１は「ＹＥＳ」となり、ステップＳ３２で熱源用ヒートポンプ３による循環水冷却運転が行われる。

時刻ｔ６〜ｔ１間では、図６において、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３５、Ｓ３６のループとなり、熱源用ヒートポンプ３による循環水冷却運転が続行される。
ここで、図４から明らかな様にＴＣＤ２＞ＴＣＮ２なので、熱源用ヒートポンプ３による循環水冷却運転は、電力料金が安い夜間電力の時間帯（ｔ６〜ｔ１間）において、集中して行われることとなる。

次に、空調用ヒートポンプ２による暖房運転を行う時期（熱源用ヒートポンプ３は加熱運転：図４における下側の実線）における制御を説明する。
図４の時刻ｔ１１〜ｔ１２間では、空調用ヒートポンプ２は運転しておらず、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷは、温度ＴＨＮ１近傍に維持される。図４のｔ１１〜ｔ１２間の制御ルーチンは、図６において、ステップＳ２２では「ｎｔ（夜間）」と判断され、ＴＷ＝ＴＨＮ１なのでステップＳ３１は「ＮＯ」であるが、ステップＳ３３は「ＹＥＳ」となる。そして、ステップＳ３４で、熱源用ヒートポンプ３で循環水を冷却しない旨を選択する。

ステップＳ３５では、ＴＷ＝ＴＨＮ１なので「ＹＥＳ」となり、ステップＳ３６で、熱源用ヒートポンプ３で循環水を加熱しない旨を選択する。
すなわち、図４の時刻ｔ１１〜ｔ１２間では、図６のＳ２１、Ｓ２２、Ｓ３１、Ｓ３３、Ｓ３４、Ｓ３５、Ｓ３６のループとなる。

図４の時刻ｔ１２において、空調用ヒートポンプ２の暖房運転が開始される（時刻ｔ１２で空調用ヒートポンプ２の予熱運転が開始される）ので、地中熱交換器出口水温ＴＷは降下し始める。
図４の時刻ｔ１２〜ｔ１３間における昼間の時刻ｔ１ｄ〜ｔ１３間では、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷはＴＨＤ２よりも高温（ＴＷ＞ＴＨＤ２）で、図６のステップＳ２３は「ＮＯ」となる。
図４の時刻ｔ１ｄ〜ｔ１３間では、水温ＴＷは温度ＴＣＤ１以下（ＴＷ≦ＴＣＤ１）なので、ステップＳ２５は「ＹＥＳ」となり、熱源用ヒートポンプ３による循環水の冷却運転は行われない（ステップＳ２６）。

図４の時刻ｔ１ｄ〜ｔ１３間において、ＴＷ≧ＴＨＤ１であればステップＳ２７が「ＹＥＳ」となり、ステップＳ２８で、熱源用ヒートポンプ３により循環水を加熱しない旨が選択される。
ＴＨＤ１＞ＴＷ＞ＴＨＤ２の場合には、ステップＳ２７、ステップＳ２９は共に「ＮＯ」となる。この場合には、図４の時刻ｔ１ｄ〜ｔ１３間において、ＴＷ≧ＴＨＤ１の際にステップＳ２８で実行された「熱源用ヒートポンプ３により循環水を加熱しない」旨の制御が続行される。

図４の時刻ｔ１３において、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷ＝ＴＨＤ２となる。その際には、図６において、ステップＳ２３は「ＮＯ」、ステップＳ２５は「ＹＥＳ」となり、熱源用ヒートポンプ３による循環水は冷却されない（ステップＳ２６）。そしてステップＳ２７において、ＴＷ＜ＴＨＤ１であるため「ＮＯ」と判定される。
ステップＳ２９ではＴＷ＝ＴＨＤ２であるため「ＹＥＳ」と判定され、ステップＳ３０で熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱運転が行われる。
図４の時刻ｔ１３〜ｔ１４において、熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱運転が行われる結果、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷは上昇する。

図４の時刻ｔ１３〜ｔ１４において、熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱運転が行われる結果、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷは上昇し、ＴＷ＞ＴＨＤ２となる。
図４の時刻ｔ１３〜ｔ１４におけるＴＷ＞ＴＨＤ２の状態では、図６のステップＳ２３は「ＮＯ」、ステップＳ２５は「ＹＥＳ」、ステップＳ２７では「ＮＯ」となり、ステップＳ２９に進む。ここで、ＴＷ＞ＴＨＤ２なので、ステップＳ２９は「ＮＯ」となり、ステップＳ２１に戻る。以下、ステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２５、Ｓ２７、Ｓ２９のループを繰り返す。
上述した図４の時刻ｔ１３〜ｔ１４におけるループでは、ステップＳ２８は経由しないので、時刻ｔ１３の制御における「熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱運転を行う制御（ステップＳ３０）」が続行される。

図４の時刻ｔ１４（１８時）では、空調用ヒートポンプ２が停止される。その結果、空調用ヒートポンプ２において循環水から熱を奪うのも停止し、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが上昇し、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷの温度上昇勾配が急になる（温度ＴＷの上昇が早くなる）。そして、時刻ｔ１５でＴＷ＝ＴＨＤ１となる。
図６において、時刻ｔ１５では、ステップＳ２３は「ＮＯ」、ステップＳ２５は「ＹＥＳ」と判定され、ステップＳ２６を介して、ステップＳ２７において「ＹＥＳ」と判定される。そして、熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱は行わない旨の制御が為される（ステップＳ２８）。その結果、時刻ｔ１５において、熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱運転は停止される。
時刻ｔ１５〜ｔ１６では、ステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８のループとなる。

図４の時刻ｔ１６（２２時）からは夜間電力の時間帯ｎｔとなり、図６のステップＳ２２は「ｎｔ（夜間）」となる。そして、図４の時刻ｔ１６（２２時）において、ＴＷ＜ＴＨＮ２である。
図４のｔ１６〜ｔ１１間の制御は、図６において、ステップＳ２２は「ｎｔ」、ステップＳ３１は「ＮＯ」、ステップＳ３３は「ＹＥＳ」と判定され、熱源用ヒートポンプ３による循環水の冷却運転を行わない制御を行う（ステップＳ３４）。そして、ステップＳ３５が「ＮＯ」と判定され、ステップＳ３７において「ＹＥＳ」と判定される。ステップＳ３８においては、熱源用ヒートポンプ３により循環水の加熱運転が行われる。

図４から明らかな様に、ＴＨＮ２＞ＴＨＤ２なので、夜間電力の時間帯の方が、熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱が行われ易くなる。これにより、電力料金が安価な夜間電力の時間帯において、熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱を集中して、システム全体のランニングコストを抑制することが出来る。

図１〜図６で説明した第１実施形態の作用効果を、図７〜図１０を参照して説明する。
ここで、図７、図８は、空調用ヒートポンプ２が暖房運転を行った場合における第１実施形態の効果を示しており、図９、図１０は空調用ヒートポンプ２が冷房運転を行った場合の効果を示している。
図７は、第１実施形態のヒートポンプシステム１０１において、空調用ヒートポンプ２を暖房運転に稼動した場合に、１日２４時間の土壌温度の変化Ｔｗｈを模式的に示している。図７では、自然土壌温度を１７℃としている。そして図７では、８時から１８時までを空調用ヒートポンプ２で暖房運転を行い、土壌から採熱する運転を行う時間帯、１８時から２２時までを運転休止による自然回復時間帯、２２時から翌朝の８時までを夜間電力を利用して熱源用ヒートポンプ３で循環水を加熱することにより、土壌温度を強制的に回復する時間帯としている。

図７において、翌朝の７時には土壌温度が自然土壌温度（１７℃）まで回復しているので、熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱運転を停止している。
ここで２２時には、熱源用ヒートポンプ３による循環水の加熱運転を開始しているので、２２時前後で土壌温度の回復の度合い、すなわち温度勾配が変化している。

図９は、第１実施形態のヒートポンプシステム１０１において、空調用ヒートポンプ２で冷房運転を行う際に、１日２４時間における土壌温度の変化を模式的に示している。図９では、自然土壌温度が１７℃であり、８時から１８時までが空調用ヒートポンプ２で冷房運転を行って土壌に放熱する運転を行う時間帯、１８時から２２時までが空調用ヒートポンプ２による冷房運転休止による土壌温度が自然に低下する時間帯（自然回復時間帯）、２２時から翌朝の８時までが夜間電力を利用して熱源用ヒートポンプ３を駆動して循環水を冷却することにより、土壌温度を強制的に低下する時間帯（強制回復時間帯）となっている。

図９において、翌朝の７時には土壌温度が自然土壌温度（１７℃）まで回復しているので、熱源用ヒートポンプ３による冷却運転を停止している。
２２時には、熱源用ヒートポンプ３による冷却運転を開始するので、２２時前後で土壌温度の変化、すなわち温度勾配が変わっている。

上述した構成及び制御方法の第１実施形態によれば、図７及び図８で示すように、空調用ヒートポンプで暖房運転を行う際に、土壌温度は朝には自然土壌温度まで上昇（復帰）するので、空調用ヒートポンプによる暖房運転開始から日数が経過しても、土壌温度の低下は生じない。
また、図９及び図１０に示すように、空調用ヒートポンプで冷房運転を行う際に、土壌温度は朝には自然土壌温度まで低下（復帰）するので、空調用ヒートポンプによる冷房運転開始から日数が経過しても、土壌温度の上昇は生じない。
なお、土壌温度の変化は、熱交換の変動などで、実際には図８、図１０とは異なり複雑な曲線となる。

また、第１実施形態によれば、地中（土壌）の温度は、暖房運転を行う時期においては年間平均温度よりも低温となり過ぎることが回避され、冷房運転を行う時期には高温になり過ぎることが回避される。そのため、図２、図３で示すように、地中熱交換器４を管状のコイルを短いピッチで巻き付けて構成しても、短いピッチだけ隔てた隣接するコイルから放出あるいは吸収される熱による影響が少ない。
図示の実施形態では、コイル状の地中熱交換器４を地中における浅い領域に埋設することが可能となり、従来技術のように地中深い箇所にロッド状の地中熱交換器を埋設する必要がない。
図示の実施形態では、自然土壌温度が一定（例えば１７℃）である場合を説明しているが、地中熱交換器４を浅い領域に埋設する場合には、自然土壌温度を季節によって変動させる制御を行うことが望ましい。
自然土壌温度は計算して予測することもできるが、温度センサー（検出器）を土中埋設して、その信号を制御に用いることもできる。そして、温度センサーは、地中熱交換器の温度影響を受けない距離で、地中熱交換器の代表的な深さ（例えば、地中熱交換器端部より５メートル離し、地表より４メートルの深さ）に埋設することが望ましい。

また図１〜図１０で示す第１実施形態によれば、システム１０１全体に共通する熱媒体である循環水と熱交換をする様に、空調機器である空調用ヒートポンプ２と、熱源機構である熱源用ヒートポンプ３と、地中熱交換器４とが配置されているので、循環水のみを単一の熱媒体として用いる事が出来る。
従って第１実施形態によれば、例えば図２２で示す特許文献２の様に、昼間は空調機のための運転を行い、夜間は地中温度回復のための運転を行うという運転の切換を行う必要が無い。そして、地中温度回復のために熱源用ヒートポンプ３を運転しているので、空調用ヒートポンプ２の運転が出来なくなるという時間帯が生じることはない。
さらに第１実施形態によれば、例えば図２１で示す特許文献１の様に、地中温度を回復するために、補助熱交換器等を別途設ける必要が無い。

また、第１実施形態では、循環水の地中熱交換器出口水温ＴＷと閾値とを比較して、熱源用ヒートポンプ３によって循環水を冷却するか加熱するかを決定しているので、空調用ヒートポンプ２が冷房運転を行っているのか暖房運転を行っているのかを考慮することなく、地中温度のみを考慮して熱源用ヒートポンプ３を運転し、制御することができる。
そして、冷房する空間と暖房する空間とが混在するような建物であっても、第１実施形態に係る地中熱利用ヒートポンプシステム１０１を適用することが可能である。

ここで、図１では、循環水ラインＬｗにおいて、４台の空調用ヒートポンプ２は、熱源用ヒートポンプ３に対して、並列に配置されている。しかし、並列に配置された４台の空調用ヒートポンプ２を、熱源用ヒートポンプ３に対して直列に配置することも可能である。
図１１は第１実施形態の第１変形例を示しており、地中熱交換器４の出口側は熱源用ヒートポンプ３の入口側に連通しており、熱源用ヒートポンプ３の出口側が並列に配置された４台の空調用ヒートポンプ２に連通している。そして、並列に配置された４台の空調用ヒートポンプ２の出口側が地中熱交換器４の入口側に連通している。

図１２は第１実施形態の第２変形例を示しており、地中熱交換器４の出口側は並列に配置された４台の空調用ヒートポンプ２に連通しており、並列に配置された４台の空調用ヒートポンプ２の出口側が熱源用ヒートポンプ３の入口側に連通している。そして、熱源用ヒートポンプ３の出口側が地中熱交換器４の入口側に連通している。
図１１の第１変形例と図１２の第２変形例におけるその他の構成及び作用効果は、図１〜図１０の第１実施形態と同様である。

次に、図１３を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。
図１３において、全体を符号１０２で示す地中熱利用ヒートポンプシステムは、熱源側機器として、図１の熱源用ヒートポンプ３の代わりに太陽熱利用ヒートポンプ３０を備えている。

太陽熱利用ヒートポンプ３０は、冷媒を蒸発させる屋外パネル３０Ｐを用いて、太陽熱を集熱し、曇天日や夜間には外気からも集熱してヒートポンプ加熱に用いている。また、屋外パネル３０Ｐを冷媒凝縮器として運転し、夜間には長波長放射と外気放熱とを併用して、ヒートポンプ冷却する。さらに、屋外パネル３０Ｐの表面に太陽電池ＳＧを取付けて、太陽光発電が可能なように構成されており、当該発電により得られた電力（符号ＥＳで示す）により、ヒートポンプその他の機器を駆動することも可能である。

地中熱利用ヒートポンプシステム１０２は、空調側１に空調用ヒートポンプ２の他に、給湯用ヒートポンプ２Ａ、冷凍冷蔵庫２Ｂ、地中熱を直接利用するシステム２Ｃを備えている。ここで、システム２Ｃとしては、例えば冷房輻射パネルや、外気予熱器等がある。
給湯用ヒートポンプ２Ａは循環水ラインＬｗの循環水を冷却し、冷凍冷蔵庫２Ｂは循環水を加熱する。
システム２Ｃについては、自然土壌温度（例えば１７℃）はプラスマイナス数度の範囲に収まっているため、循環水を、例えば天井輻射冷房（冷房輻射パネル）に供給して、冷房に利用できる。また、外気予熱器は、寒冷な外気を予熱し、高温な外気を予冷することにより、外気負荷を低減する。

図１３において、地中熱交換器４は、ヘッダＨ１およびヘッダＨ２を介して、太陽熱利用ヒートポンプ３０、空調用ヒートポンプ２、給湯用ヒートポンプ２Ａ、冷凍冷蔵庫２Ｂ、地中熱を直接利用するシステム２Ｃへ並列に接続されている。
より詳細には、太陽熱利用ヒートポンプ３０には、ヘッダＨ１、ライン４−３０Ｉを介して地中熱交換器４からの循環水が供給され、太陽熱利用ヒートポンプ３０で熱交換を行った循環水は、ライン４−３０Ｏ、ヘッダＨ２を介して地中熱交換器４に戻される。
空調用ヒートポンプ２には、ヘッダＨ１、ライン４−２Ｉを介して循環水が供給され、ライン４−２Ｏ、ヘッダＨ２を介して循環水が地中熱交換器４に戻される。

給湯用ヒートポンプ２Ａの循環水供給側は、ヘッダＨ１、ライン４−２ＡＩを介して地中熱交換器４に連通し、循環水吐出側は、ライン４−２ＡＯ、ヘッダＨ２を介して地中熱交換器４と連通する。
冷凍冷蔵庫２Ｂの循環水供給側は、ヘッダＨ１、ライン４−２ＢＩを介して地中熱交換器４に連通し、循環水吐出側は、ライン４−２ＢＯ、ヘッダＨ２を介して地中熱交換器４と連通する。
システム２Ｃにおいては、ヘッダＨ１、ライン４−２ＣＩを介して循環水が供給され、吐出された循環水は、ライン４−２ＣＯ、ヘッダＨ２を介して地中熱交換器４へ送られる。

図１３で示す第２実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、図１〜図１０の第１実施形態と同様である。

図１４〜図１６を参照して、本発明の第３実施形態を説明する。
第３実施形態では、例えば夏季の１３時〜１６時の様に、電力負荷が最大となる時間帯に、熱源用ヒートポンプの冷却運転（循環水の冷却運転）の起動温度を、その他の時間帯よりも高く設定し、あるいは、熱源用ヒートポンプの冷却運転を行わない様にして、熱源用ヒートポンプの冷却運転による電力消費を節約している。

第３実施形態の制御は、図１〜図１０の第１実施形態に係る地中熱利用ヒートポンプシステム１０１に適用可能であるし、あるいは、図１３の第２実施形態に係る地中熱利用ヒートポンプシステム１０２に適用しても良い。換言すれば、図１の第１実施形態のみならず、図１３の第２実施形態についても、第３実施形態に係る制御（図１４〜図１６で示す制御）を適用する事が出来る。

図１４は、暖房運転時及び冷房運転時の双方における循環水の地中熱交換器出口水温の設定値と、時刻とが示されている。
図１４において、時刻１３時から時刻１６時の間は、空調用ヒートポンプ２の冷房運転に際して、熱源用ヒートポンプ３により循環水を冷却する運転の起動温度（循環水地中熱交換器出口水温）設定値ＴＣＤ４（図示の例では２８℃）と、熱源用ヒートポンプ３により循環水を冷却する運転を停止する温度（循環水地中熱交換器出口水温）設定値ＴＣＤ３（図示の例では２７℃）とが設定されている。

起動温度設定値ＴＣＤ４（２８℃）は、１３時〜１６時の時間帯を除くと、空調用ヒートポンプ２の冷房運転に際して、昼間に熱源用ヒートポンプ３により循環水を冷却する運転を開始する温度設定値ＴＣＤ２（図示の例では２３℃）よりも５℃高く設定されている。
また、停止温度設定値ＴＣＤ３（２７℃）は、１３時〜１６時の時間帯を除くと、空調用ヒートポンプ２の冷房運転に際して、昼間に熱源用ヒートポンプ３により循環水を冷却する運転を停止する温度設定値ＴＣＤ１（図示の例では２２℃）よりも５℃高く設定されている。

次に、図１５を参照して、第３実施形態に係る制御について説明する。
ここで、図１４では、夏季における１３時〜１６時の間は、循環水地中熱交換器出口水温ＴＷが、熱源用ヒートポンプ３により循環水を冷却する運転を開始する温度設定値ＴＣＤ２（他の時間帯よりも５℃高く設定）以上であれば、熱源用熱交換器３を駆動する。
それに対して図１５の制御では、夏季の１３時〜１６時には、熱源用ヒートポンプ３は駆動せず、循環水の冷却運転を行わない。

図１５では、ステップＳ４（図５と同じ）とステップＳ５（図５と同じ）との間に、「夏季の１３時〜１６時か？」を判断する工程であるステップＳ４５を追加し、夏季の１３時〜１６時の場合（ステップＳ４５がＹＥＳ）には、熱源用ヒートポンプ３を停止している。
図１５で示す制御のその他の部分については、図５で示す制御と同様である。

第３実施形態における制御も、図１５に限定されるものではない。
図１６で示す制御は、図１５の制御の変形例を示しており、図１５のステップＳ２に相当する制御（暖房運転か冷房運転かの判断）を省略している。
図１６の制御では、ステップＳ２３が「ＹＥＳ」の場合に「夏季の１３時〜１６時であるか否か」を判定し（ステップＳ２３４）、夏季の１３時〜１６時であれば（ステップＳ２３４がＹＥＳ）、ステップＳ２６において熱源用ヒートポンプ３による循環水の冷却運転を行わない。
図１６の制御におけるその他の部分については、図６で示す制御と同様である。

換言すれば、図１４で示す制御は、夏季の１３時〜１６時において、熱源用ヒートポンプ２の冷却運転（循環水の冷却運転）を開始する循環水の地中熱交換器出口温度ＴＷを、温度ＴＣＤ２よりも高温である温度ＴＣＤ４に設定し、熱源用ヒートポンプ３の冷却運転（循環水の冷却運転）を停止する循環水の地中熱交換器出口温度を、温度ＴＣＤ１よりも高温であるが、温度ＴＣＤ４よりも低温な温度ＴＣＤ３に設定している。

一方、図１５、図１６の制御では、夏季の１３時〜１６時には、熱源用ヒートポンプによる循環水の冷却運転（循環水の冷却運転）を行わない様に制御している。
何れの場合においても、図１４〜図１６で説明したように制御すれば、熱源用ヒートポンプが循環水を冷却する時間あるいは頻度は低下する。
図１４〜図１６の第３実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、図１〜図１３の実施形態と同様である。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
例えば、図示の実施形態ではコイル状の地中熱交換器が示されているが、複数のヘアピンが連続した形状の地中熱交換器を用いることができる。

本発明の第１実施形態を示すブロック図。 地中熱交換器の一例を示す正面図。 図２の地中熱交換器の平面図。 第１実施形態における制御の概要を示す時刻−循環水温特性図。 第１実施形態の制御フローチャート。 第１実施形態の制御フローチャートの変形例を示す図。 暖房運転時における第１実施形態の効果を示す時刻−循環水温特性図。 暖房運転時における第１実施形態の効果を示す経過日数−循環水温特性図。 冷房運転時における第１実施形態の効果を示す時刻−循環水温特性図。 冷房運転時における第１実施形態の効果を示す経過日数−循環水温特性図。 第１実施形態の第１変形例を示すブロック図。 第１実施形態の第２変形例を示すブロック図。 本発明の第２実施形態を示すブロック図。 第３実施形態における制御の概要を示す図。 第３実施形態の制御フローチャート。 第３実施形態の制御フローチャートの変形例を示す図。 暖房運転時における従来技術の問題を示す時刻−循環水温特性図。 暖房運転時における従来技術の問題を示す経過日数−循環水温特性図。 冷房運転時における従来技術の問題を示す時刻−循環水温特性図。 冷房運転時における従来技術の問題を示す経過日数−循環水温特性図。 その他の従来技術を示すブロック図。 別の従来技術を示すブロック図。 さらにその他の従来技術を示すブロック図。

符号の説明

１・・・被空調空間／空調側
２・・・空調機器／空調用ヒートポンプ
３・・・熱源機器／熱源用ヒートポンプ
４・・・熱交換器／地中熱交換器
５・・・制御手段／コントロールユニット
６・・・水温計測手段／温度センサ
７・・・円筒状支持部材
８・・・架橋ポリエチレン管
Ｌｗ・・・配管系／循環水ライン

Claims (4)

1. 空調機器（２、２Ａ、２Ｂ）と、その空調機器に供給される熱媒体と、その熱媒体と土壌との熱交換を行う地中熱交換器（４）と、前記熱媒体を冷却又は加熱可能な熱源機構（３）とを有し、その熱源機構（３）は土壌温度が所定の温度範囲内になるように熱媒体を冷却し又は加熱する機能を有する地中熱利用装置において、熱源機構（３）は時間によって熱媒体の温度範囲を変更する機能を有し、空調機器（２、２Ａ、２Ｂ）と地中熱源機構（３）と地中熱交換器（４）とが単一の熱媒体を用いており、地中熱交換器（４）はその出口（Ｊｏ）近傍には水温計測装置（６）が介装され、前記熱源機構（３）は前記水温計測装置（６）による熱媒体の温度（ＴＷ）と閾値とを比較して熱媒体を冷却するか、加熱するか、停止するかを決定する機能を有することを特徴とする地中熱利用装置。
2. 空調機器（２、２Ａ、２Ｂ）と、その空調機器に供給される熱媒体と、その熱媒体と土壌との熱交換を行う地中熱交換器（４）と、前記熱媒体を冷却又は加熱可能な熱源機構（３）とを有し、その熱源機構（３）は土壌温度が所定の温度範囲内になるように熱媒体を冷却し又は加熱する機能を有する地中熱利用装置において、熱源機構（３）は時間によって熱媒体の温度範囲を変更する機能を有し、地中熱交換器（４）はその出口（Ｊｏ）近傍には水温計測装置（６）が介装され、前記熱源機構（３）は熱媒体の温度の閾値を変更する機能を有し、所定の時間帯で、熱源機構（３）が起動して冷却運転を開始する熱媒体温度の閾値は高く、熱源機構を起動して加熱運転する熱媒体温度の閾値を低く設定し、前記熱源機構（３）は前記水温計測装置（６）による熱媒体の温度（ＴＷ）と閾値とを比較して熱媒体を冷却するか、加熱するか、熱源機構（３）を停止するかを決定する機能を有することを特徴とする地中熱利用装置。
3. 熱源機構（３）は、熱媒体の温度（ＴＷ）と閾値とを比較して熱媒体を冷却するか加熱するかを決定し、熱媒体の温度が第１の閾値（ＴＨＤ２、ＴＨＮ２）以下の場合は加熱し、熱媒体の温度が第２の閾値（ＴＨＤ１、ＴＨＮ１）以上で且つ第３の閾値（ＴＣＤ１、ＴＣＮ１）以下の場合は停止し、熱媒体の温度が第４の閾値（ＴＣＤ２、ＴＣＮ２）以上の場合は冷却する機能を有しており、第４の閾値（ＴＣＤ２、ＴＣＮ２）は第３の閾値以上（ＴＣＤ１、ＴＣＮ１）であり、第３の閾値（ＴＣＤ１、ＴＣＮ１）は第２の閾値（ＴＨＤ１、ＴＨＮ１）以上であり、第２の閾値（ＴＨＤ１、ＴＨＮ１）は第１の閾値（ＴＨＤ２、ＴＨＮ２）以上である請求項１、請求項２の何れかに記載の地中熱利用装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の地中熱利用装置の制御方法において、熱媒体の温度（ＴＷ）が第１の閾値（ＴＨＤ２、ＴＨＮ２）以下の場合は熱源機構（３）により熱媒体を加熱する工程（Ｓ３０、Ｓ３８）と、熱媒体の温度が第２の閾値（ＴＨＤ１、ＴＨＮ１）以上で且つ第３の閾値（ＴＣＤ１、ＴＣＮ１）以下の場合は熱源機構（３）を停止する工程と、熱媒体の温度が第４の閾値（ＴＣＤ２、ＴＣＮ２）以上の場合は熱源機構（３）により熱媒体を冷却する工程（Ｓ２４、Ｓ３２）とを有し、第４の閾値（ＴＣＤ２、ＴＣＮ２）は第３の閾値（ＴＣＤ１、ＴＣＮ１）以上であり、第３の閾値（ＴＣＤ１、ＴＣＮ１）は第２の閾値（ＴＨＤ１、ＴＨＮ１）以上であり、第２の閾値（ＴＨＤ１、ＴＨＮ１）は第１の閾値（ＴＨＤ２、ＴＨＮ２）以上であることを特徴とする地中熱利用装置の制御方法。

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