JP5619698B2

JP5619698B2 - 地中熱ヒートポンプ装置

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Publication number: JP5619698B2
Application number: JP2011198978A
Authority: JP
Inventors: 真典上田; 菅　崇; 菅　　崇
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2031-09-13
Also published as: JP2013061102A

Description

この発明は、年間を通じて温度が比較的安定している地中熱をヒートポンプを介して利用する地中熱ヒートポンプ装置に関するものである。

従来この種の地中熱ヒートポンプ装置においては、図４に示すように、圧縮機１０１、負荷側熱交換器１０２、膨張弁１０３、熱源側熱交換器１０４を冷媒配管１０５で環状に接続したヒートポンプ回路１０６を有するヒートポンプユニット１０７と、地中に埋設された地中熱交換器１０８と、地中熱交換器１０８と熱源側熱交換器１０４との間を熱媒配管１０９で環状に接続した地中熱循環回路１１０と、地中熱循環回路１１０に熱媒を循環させる地中熱循環ポンプ１１１と、被空調空間を加熱する床暖房パネル等の負荷端末１１２と、負荷端末１１２と負荷側熱交換器１０２との間を循環液配管１１３で環状に接続した負荷側循環回路１１４と、負荷側循環回路１１４に循環液を循環させる負荷側循環ポンプ１１５とを備え、年間を通じて温度が比較的安定している地中熱を地中熱交換器１０８により採熱し、熱源側熱交換器１０４を蒸発器、負荷側熱交換器１０２を凝縮器として機能させて、負荷側で被空調空間の空気を加熱する暖房運転や給湯水を加熱する沸き上げ運転等の負荷運転を行うものがあった。（例えば、特許文献１参照。）

特開２００５−３０７０８号公報

ところで、この従来の地中熱ヒートポンプ装置において、ヒートポンプユニット１０７内には、圧縮機１０１、負荷側熱交換器１０２、膨張弁１０３、熱源側熱交換器１０４、地中熱循環ポンプ１１１、負荷側循環ポンプ１１５といった部品が収納されており、ヒートポンプユニット１０７のコンパクト化を実現するためには、ヒートポンプユニット１０７内に備えられる各部品の配置に留意した設計が必要となってくる。

そこで、本願発明者らはヒートポンプユニット１０７内に備えられた地中熱循環ポンプ１１１と負荷側循環ポンプ１１５とを上下２段に積み上げて配置させ、ヒートポンプユニット１０７内における両循環ポンプ１１１、１１５の設置スペースを小さくしてコンパクト化するという考えに至った。

ここで、上段に地中熱循環ポンプ１１１を配置すると共に、下段に負荷側循環ポンプ１１５を配置して前記負荷運転を行ってみたところ、前記負荷運転中は、地中熱循環回路１１０を循環する熱媒は地中の温度と同等で５℃〜１５℃と温度が低く、負荷側循環回路１１４を循環する循環液は３０℃〜５０℃と温度が高いため、負荷側循環ポンプ１１５を配置した下部側で温められた空気は上昇し、地中熱循環ポンプ１１１を配置した上部側で冷やされて、地中熱循環ポンプ１１１の通水部を構成するケーシングに結露を生じた。

前記地中熱循環ポンプ１１１の通水部を構成するケーシングに生じた結露は、地中熱循環ポンプ１１１に対しては問題となることはなかったが、結露が成長すると地中熱循環ポンプ１１１の下部に位置する負荷側循環ポンプ１１５に向かって落下するため、負荷側循環ポンプ１１５の電子部品であるモータや電気配線が濡れてショートし、故障してしまうおそれがあることを本願発明者らは知見した。

この発明は上記課題を解決するために、特に請求項１ではその構成を、圧縮機、負荷側熱交換器、減圧手段、熱源側熱交換器を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路を有するヒートポンプユニットと、地中に埋設された地中熱交換器と、該地中熱交換器と前記熱源側熱交換器との間を熱媒配管で環状に接続した地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に熱媒を循環させる地中熱循環ポンプと、負荷端末と、該負荷端末と前記負荷側熱交換器の間を循環液配管で環状に接続した負荷側循環回路と、該負荷側循環回路に循環液を循環させる負荷側循環ポンプとを備え、前記地中熱交換器により地中熱を採熱し、前記熱源側熱交換器を蒸発器として機能させると共に、前記負荷側熱交換器を凝縮器として機能させて負荷側を加熱する負荷運転を行う地中熱ヒートポンプ装置において、前記ヒートポンプユニット内に前記地中熱循環ポンプと前記負荷側循環ポンプとを備え、前記地中熱循環ポンプと前記負荷側循環ポンプとを上下２段に積み上げ、上段に前記負荷側循環ポンプを配置させると共に、下段に前記地中熱循環ポンプを配置させたものとした。

この発明の請求項１によれば、地中熱循環ポンプと負荷側循環ポンプとを上下２段に積み上げることで、ヒートポンプユニット内における地中熱循環ポンプおよび負荷側循環ポンプの設置スペースを小さくして、ヒートポンプユニットをコンパクト化することができ、上段に負荷側循環ポンプを配置させると共に、下段に地中熱循環ポンプを配置させたことで、地中熱循環ポンプに結露が生じたとしても、負荷側循環ポンプは地中熱循環ポンプより上方にあるので、その結露が負荷側循環ポンプに悪影響を及ぼすことはなく負荷側循環ポンプが故障することがないものである。

この発明の地中熱ヒートポンプ装置の一実施形態の概略構成図。同一実施形態のヒートポンプユニットの筐体構成図。同一実施形態の地中熱循環ポンプと負荷側循環ポンプの設置状態を示す図。従来の地中熱ヒートポンプ装置の概略構成図。

次に、この発明の地中熱ヒートポンプ装置の一実施形態について図面に基づき説明する。
図１のように、本実施形態の地中熱ヒートポンプ装置は、大きく分けてヒートポンプユニット１と、地中熱交換部２と、負荷熱交換部３とから構成されるものである。

前記ヒートポンプユニット１は、冷媒を圧縮する能力可変の圧縮機４と、圧縮機４から吐出された高温冷媒を流通させ、この高温冷媒と負荷熱交換部３の負荷側の熱媒との熱交換を行う凝縮器としての負荷側熱交換器５の冷媒流路５ａと、負荷側熱交換器５の冷媒流路５ａから流出する冷媒を減圧する減圧手段としての膨張弁６と、膨張弁６によって減圧された低温冷媒と地中熱交換部２の熱源側の熱媒との熱交換を行う蒸発器と支点の熱源側熱交換器７の冷媒流路７ａとを備え、これらを冷媒配管８で環状に接続してヒートポンプ回路９を形成しているものである。なお、ヒートポンプユニット１の冷媒としては、二酸化炭素冷媒やＨＦＣ冷媒等の任意の冷媒を用いることができるものである。また、１０は膨張弁６から圧縮機４に至るまでの熱源側熱交換器７側の冷媒配管８、つまり低圧側の冷媒配管８に設けられ、低圧側の冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段としての冷媒温度センサである。

前記負荷側熱交換器５および前記熱源側熱交換器７はプレート式熱交換器で構成され、プレート式熱交換器は複数の伝熱プレートが積層され、冷媒を流通させる流路と流体を流通させる流路とが各伝熱プレートを境にして交互に形成されているものである。なお、本実施形態では前記負荷側熱交換器５および前記熱源側熱交換器７にプレート式熱交換器を用いているが、前記負荷側熱交換器５および前記熱源側熱交換器７はプレート式熱交換器に限定されるものではない。

また、前記地中熱交換部２は、熱源側熱交換器７の熱媒流路７ｂと地中に設置され互いに並列に接続された複数の地中熱交換器１１と熱媒配管１２で環状に接続する地中熱循環回路１３と、地中熱循環回路１３に熱媒として不凍液を循環させる回転数可変の地中熱循環ポンプ１４とを備えているものである。

ここで、前記地中熱交換部２では、後述する負荷運転を行う際に、地中熱交換器１１によって地中から地中熱を採熱し、その熱を帯びた不凍液が地中熱循環ポンプ１４により熱源側熱交換器７の熱媒流路７ｂに供給される。そして、熱源側熱交換器７にて冷媒流路７ａを流通する冷媒と熱媒流路７ｂを流通する不凍液とが対向して流れて熱交換が行われ、地中熱交換器１１にて採熱された地中熱がヒートポンプユニット１の冷媒側に汲み上げられて冷媒が加熱され、熱源側熱交換器７は蒸発器として機能するものとなる。

また、前記負荷熱交換部３は、負荷側熱交換器５の熱媒流路５ｂと被空調空間を加熱する床暖房パネル等の負荷端末１５とを循環液配管１６で環状に接続した負荷側循環回路１７と、負荷側循環回路１７に循環液を循環させる負荷側循環ポンプ１８と、負荷端末１５毎に分岐した負荷側循環回路１７に各々設けられ、その開閉により負荷端末１５への循環液の供給を制御する熱動弁１９（１９ａ、１９ｂ）とを備えているものである。なお、２０は負荷側循環回路１７に設けられ負荷端末１５から負荷側熱交換器５の熱媒流路５ｂに流入する循環液の温度を検出する負荷温度検出手段としての負荷温度センサである。

前記負荷端末１５によって加熱される被空調空間には、リモコン（図示せず）が各々設置されており、このリモコンにより被空調空間の加熱の指示がなされると、圧縮機４および地中熱循環ポンプ１４および負荷側循環ポンプ１８の駆動が開始され、熱源側熱交換器７を蒸発器として機能させると共に、負荷側熱交換器５を凝縮器として機能させて負荷側を加熱する負荷運転としての暖房運転が行われる。この暖房運転の際、負荷側熱交換器５では、負荷側熱交換器５の冷媒流路５ａを流通する冷媒と負荷側熱交換器５の熱媒流路５ｂを流通する循環液とが対向して流れて熱交換が行われて循環液が加熱され、加熱された循環液が熱動弁１９を介して負荷端末１５に送られ、リモコンにより指示された被空調空間を加熱するものである。

２１は冷媒温度センサ１０、負荷温度センサ２０の入力や前記リモコンからの信号を受けて、圧縮機４、膨張弁６、地中熱循環ポンプ１４、負荷側循環ポンプ１８の各アクチュエータの駆動を制御するマイコンを有する制御手段である。

前記制御手段２１は、暖房運転中、負荷温度センサ２０の検出する循環液の温度が設定された目標暖房温度になるように圧縮機４の周波数を制御し、例えば、負荷温度センサ２０の検出する循環液の温度が設定された目標暖房温度よりも低下すると、圧縮機４の周波数を増加するよう制御するものである。

また、前記制御手段２１は、暖房運転中、冷媒温度センサ１０の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標蒸発温度になるように地中熱循環ポンプ１４の回転数を制御し、例えば、冷媒温度センサ１０の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標蒸発温度よりも低下すると、地中熱循環ポンプ１４の回転数を増加させるよう制御するものである。

また、図２に示すように、ヒートポンプユニット１の筐体は、板金製の前面板２２、背面板２３、天面板２４、底面板２５、左側面板２６、右側面板２７で構成され、ヒートポンプユニット１内には圧縮機４や地中熱循環ポンプ１４や負荷側循環ポンプ１８等の機能部品が備えられており、図３に示すように、ヒートポンプユニット１の底面板２５上には圧縮機４やポンプ熱交取付台２８が固定されているものである。なお、図３において、冷媒配管８等の配管類は省略するものとする。

前記ポンプ熱交取付台２８上には、負荷側熱交換器５および熱源側熱交換器７が固定されると共に、第１ポンプ設置板２９を介して地中熱循環ポンプ１４が固定され、また、地中熱循環ポンプ１４を跨ぐように設置されたポンプ固定台３０上に、第２ポンプ設置板３１を介して負荷側循環ポンプ１８が固定されているものであり、地中熱循環ポンプ１４および負荷側循環ポンプ１８は上下２段に積み上げられ、上段に負荷側循環ポンプ１８が配置されていると共に、下段に地中熱循環ポンプ１４が配置されているものであり、地中熱循環ポンプ１４と負荷側循環ポンプ１８とを上下２段に積み上げることで、ヒートポンプユニット１内における両循環ポンプ１４、１８の設置スペースを小さくして、ヒートポンプユニット１をコンパクト化することができ、さらに、上段に負荷側循環ポンプ１８を配置させると共に、下段に地中熱循環ポンプ１４を配置させたことで、地中熱循環ポンプ１４に結露が生じたとしても、負荷側循環ポンプ１８は地中熱循環ポンプ１４より上方にあるので、その結露は負荷側循環ポンプ１８に悪影響を及ぼすことはなく、ポンプ熱交取付台２８から底面板２５側に流れるだけであり、負荷側循環ポンプ１８が故障することがないものである。

また、地中熱循環ポンプ１４は負荷側循環ポンプ１８よりも前面板２２寄りに配置されており、これによって、地中熱循環ポンプ１４に接続される熱媒配管１２や負荷側循環ポンプ１８に接続される循環液配管１６の取り付けや取り外しを容易に行うことができ、作業性を向上することができるものである。

次に、一実施形態の地中熱ヒートポンプ装置の動作について説明する。
前記負荷端末１５によって加熱される被空調空間に設置された前記リモコンにより被空調空間の加熱の指示がなされると、前記制御手段２１は圧縮機４、地中熱循環ポンプ１４、負荷側循環ポンプ１８の駆動を開始させ、負荷運転としての暖房運転が開始される。

前記暖房運転時に、地中熱交換部２では、地中熱交換器１１によって地中と熱交換して地中熱を採熱し、その熱を帯びた不凍液が地中熱循環ポンプ１４により熱源側熱交換器７の熱媒流路７ｂに供給される。そして、熱源側熱交換器７にて冷媒流路７ａを流通する冷媒と熱媒流路７ｂを流通する不凍液とが対向して流れて熱交換が行われ、地中熱交換器１１にて採熱された地中熱が冷媒側に汲み上げられて冷媒が加熱され熱源側熱交換器７は蒸発器として機能するものとなる。

また、負荷熱交換部３では、負荷側熱交換器５の冷媒流路５ａを流通する冷媒と負荷側熱交換器５の熱媒流路５ｂ流通する循環液とが対向して流れて熱交換が行われて、負荷側熱交換器５は凝縮器として機能して負荷側循環回路１７を循環する循環液が加熱され、加熱された循環液が熱動弁１９を介して負荷端末１５に送られ、リモコンにより指示された被空調空間を加熱するものである。

また、前記暖房運転時は、冷媒温度センサ１０の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標蒸発温度になるように地中熱循環ポンプ１４の回転数を可変制御しており、略一定速で駆動している負荷側循環ポンプ１８に対して地中熱循環ポンプ１４は振動のバリエーションが多くなる。このように、回転数の変化により振動が変化する地中熱循環ポンプ１４を上下２段に積み上げたポンプうちの下段側、すなわち、剛性の強い底面板２５側に配置させたことで、振動による騒音を抑えることができるものである。

なお、本発明は先に説明した一実施形態に限定されるものでなく、本実施形態では、地中熱交換器１１は地中に複数設置され互いに並列に接続されているが、複数の地中熱交換器１１を互いに直列に接続してもよく、また、地中熱交換器１１を複数設置せず、地中から所望の採熱ができるのであれば、地中熱交換器１１を１本だけ設置したものであってもよい。

また、本実施形態では、地中熱交換器１１を地中に設置するものとし、地中熱交換器１１は地中に直接埋設され地中熱を採熱しているが、地中熱交換器１１を井戸の中に設置し、地中熱によって温められた井戸水から採熱するものも地中熱交換器１１を地中に設置するものに含まれるものである。

また、本実施形態では、床暖房パネル等の負荷端末１５により被空調空間である室内を加熱する熱媒循環式の暖房運転を負荷運転としたが、負荷端末１５を給湯等に使用する湯水を貯湯する貯湯タンク（図示せず）とし、貯湯タンク内の湯水を沸き上げる沸き上げ運転を負荷運転としてもよいものである。

１ヒートポンプユニット
４圧縮機
５負荷側熱交換器
６膨張弁
７熱源側熱交換器
８冷媒配管
９ヒートポンプ回路
１１地中熱交換器
１２熱媒配管
１３地中熱循環回路
１４地中熱循環ポンプ
１５負荷端末
１６循環液配管
１７負荷側循環回路
１８負荷側循環ポンプ

Claims

圧縮機、負荷側熱交換器、減圧手段、熱源側熱交換器を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路を有するヒートポンプユニットと、地中に埋設された地中熱交換器と、該地中熱交換器と前記熱源側熱交換器との間を熱媒配管で環状に接続した地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に熱媒を循環させる地中熱循環ポンプと、負荷端末と、該負荷端末と前記負荷側熱交換器の間を循環液配管で環状に接続した負荷側循環回路と、該負荷側循環回路に循環液を循環させる負荷側循環ポンプとを備え、前記地中熱交換器により地中熱を採熱し、前記熱源側熱交換器を蒸発器として機能させると共に、前記負荷側熱交換器を凝縮器として機能させて負荷側を加熱する負荷運転を行う地中熱ヒートポンプ装置において、前記ヒートポンプユニット内に前記地中熱循環ポンプと前記負荷側循環ポンプとを備え、前記地中熱循環ポンプと前記負荷側循環ポンプとを上下２段に積み上げ、上段に前記負荷側循環ポンプを配置させると共に、下段に前記地中熱循環ポンプを配置させたことを特徴とする地中熱ヒートポンプ装置。