JP5690960B1

JP5690960B1 - 熱交換システム

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Publication number: JP5690960B1
Application number: JP2014091220A
Authority: JP
Inventors: 健司福宮; 淳司福宮; 山下　栄二; 栄二山下; 尚武平尾
Original assignee: 健司福宮; 淳司福宮; 山下　栄二; 栄二山下; 尚武平尾
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: JP2015210008A

Abstract

【課題】利用価値を高めた熱交換システムを提供する。【解決手段】熱交換システム１０は、地中の帯水層ＷＢＬに達する穴に埋設され、帯水層ＷＢＬから浸入する水で満たされる筒体２８と、熱を利用する地上のヒートポンプ本体２４から筒体２８の内部に引き込まれて下方に向けて通されると共に、上方に折り返して筒体２８の外部に引き出され、ヒートポンプ本体２４から送り出される液体を循環させる循環管２６と、を備え、筒体２８内の水と、循環管２６を流れる液体と、の間で熱を移動させる。この熱交換システム１０は、循環管２６内の液温を計測する液温計５１と、この液温計５１の計測結果に基づいて筒体２８内の水をくみ上げて、筒体２８内の水温を調節して循環管２６内の液温を調節する揚水機２２と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、地下水を利用した熱交換システムに関する。

原油価格の高騰やＣＯ_２削減に対する意識の高まりにより、ランニングコストが安くクリーンエネルギーである地中熱を利用したヒートポンプ（以下、地中熱ヒートポンプという。）が開発され、市場に導入されつつある。しかし、地中熱ヒートポンプは、導入に際して１００ｍ規模のボーリングが必要となるため、まとまったイニシャルコストが必要になる等の問題があって、普及が進まない状況である（例えば、非特許文献１参照）。

従来、施設園芸の現場では、上質な水による灌水を行うことで生産物の品質に良い影響を与えている。このため、古くから、施設園芸を営む各農家は、井戸施設を保有して、地下水による灌水を行っている。なかには、ボーリングマシンによって掘削された数十ｍから１００ｍ程度の深井戸を利用することもある。

このような深井戸は、経年劣化により揚水量の減少や水質の悪化等の問題が生じ、大掛かりな修繕が必要となる。しかしながら、修繕に掛かる労力を嫌い、新たな井戸を掘り直すことがある。結果、経年劣化した深井戸は次第に使用されなくなり、その多くが古井戸として放置されている。

こうした古井戸であっても、揚水の機能は確保されており、適切な浄化処理をする等して何らかの用途に活用することが可能である。そこで、本発明者等によって、古井戸を上述の地中熱ヒートポンプに転用することが研究されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５０６７９５６号公報

独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、［online］、「＜新エネルギーフロンティア技術戦略的開発＞」、［平成２５年１２月１２日検索］、インターネット（ＵＲＬ：http://www.nedo.go.jp/content/100108737.pdf）

上述の研究では、熱効率の更なる向上を図ることで、他のヒートポンプ等の熱交換システムとの差別化を推し進め、利用価値を高めることが要求される。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、利用価値を高めた熱交換システムを提供することを目的とする。

（１）本発明は、地中の帯水層に達する穴に埋設され、前記帯水層から浸入する水で満たされる筒体と、熱を利用する地上の機器から前記筒体の内部に引き込まれて下方に向けて通されると共に、上方に折り返して前記筒体の外部に引き出され、前記機器から送り出される液体を循環させる循環管と、を備え、前記筒体内の水と、前記循環管を流れる液体と、の間で熱を移動させる熱交換システムであって、前記機器から送り出された後であって前記筒体の内部に引き込まれる前の前記循環管内の液温を計測する液温計と、前記筒体内の水温を計測する水温計と、前記液温計の計測結果と前記水温計の計測結果の組み合わせに基づいて前記筒体内の水をくみ上げるか、くみ上げないかを判定し、くみ上げる際には前記帯水層から前記筒体内に水を浸入させることで、前記筒体内の水温を調節して前記循環管内の液温を調節する揚水機と、を備えることを特徴とする、熱交換システムである。

本発明によれば、帯水層から筒体に浸入する水の熱伝導および対流によって、地中熱を、循環管を循環する液体に移動させられる。このため、筒体内が土砂で満たされている場合と比較して、熱交換性能を高められる。具体的に、熱交換性能は、筒体内が土砂で満たされている場合には、通常の実測値が３０〜５０［Ｗ／ｍ］程度であり、また、比較対象となる熱交換システム（後述する比較実験１参照）の場合には、最大で２４０［Ｗ／ｍ］程度、平均で２００［Ｗ／ｍ］程度であるのに対し、本発明の場合には、最大で４２０．２［Ｗ／ｍ］程度、平均で２８５．７［Ｗ／ｍ］程度が得られる。また、成績係数（ＣＯＰ）は、比較対象となる熱交換システムの場合には、平均で２．４７程度であるのに対し、熱交換システム１０の場合には、平均で３．５０程度が得られる。

そして、筒体内の水が順次入れ替わるので、大量の熱を収支させた場合であっても、熱枯れすることはない。すなわち、熱交換性能が低下することがない。

また、当該筒体内の水をくみ上げて、当該筒体内に帯水層からの新たな水を浸入させることで、当該筒体内の水温を調節できる。すなわち、筒体内の水との間で熱を移動させる循環管の液体の温度を調節できる。結果、循環管の液体の熱を利用する機器において、熱量を調節できる。

さらに、熱を利用する機器に直接作用する循環管内の液温に基づいて、筒体内の水をくみ上げて、循環管内の液温を調節するので、応答性が非常に高い。このため、地中熱を効率よく活用することができる。これにより、熱交換システムの利用価値が高まる。

（２）本発明はまた、前記循環管内の液体の流量を計測する流量計を備え、前記揚水機は、前記流量計の計測結果に基づいて動作することを特徴とする、上記（１）に記載の熱交換システムである。

上記発明によれば、循環管内の液体の流量がゼロ又は所定の閾値よりも少ない場合に熱交換システムの機能が停止していると判断して、揚水機を停止させることができる。結果、揚水機を無駄に運転させることがなく、エネルギーに無駄がない。これにより、熱交換システムの利用価値がさらに高まる。

（３）本発明はまた、前記液温計の計測結果に基づいて前記筒体内に水を注ぎ足すことで、前記筒体内の水温を調節して前記循環管内の液温を調節する注水機を備えることを特徴とする、上記（１）又は（２）のいずれかに記載の熱交換システムである。

上記発明によれば、筒体内に水を注ぎ足すことで、当該筒体内の水温を調節できる。すなわち、筒体内の水との間で熱を移動させる循環管の液体の温度を調節できる。結果、循環管の液体の熱を利用する機器において、熱量を調節できる。

そして、熱を利用する機器に直接作用する循環管内の液温に基づいて、筒体内に水を注ぎ足して、循環管内の液温を調節するので、応答性が非常に高い。このため、地中熱を効率よく活用することができる。これにより、熱交換システムの利用価値がさらに高まる。

（４）本発明はまた、前記注水機は、前記筒体内の上方に水を注ぎ足すことを特徴とする、上記（３）に記載の熱交換システムである。

上記発明によれば、揚水機の動作時に帯水層から水を浸入させる下方側の流入経路と、注水機の動作時に水を注ぎ足す上方側の流入経路と、の２つの流入経路を実現できる。これにより、上方および下方の双方から、あるいは、上方および下方のうちの選択された一方から、筒体内の水温を調節できる。これにより、熱交換システムの利用価値がさらに高まる。

（５）本発明はまた、前記注水機は、前記循環管内の液体の流量を計測する流量計の計測結果に基づいて動作することを特徴とする、上記（３）又は（４）に記載の熱交換システムである。

上記発明によれば、循環管内の液体の流量がゼロ又は所定の閾値よりも少ない場合に熱交換システムの機能が停止していると判断して、注水機を停止させることができる。結果、注水機を無駄に運転させることがなく、エネルギーに無駄がない。これにより、熱交換システムの利用価値がさらに高まる。

（６）本発明はまた、前記注水機は、前記筒体内の水温を計測する水温計の計測結果に基づいて動作することを特徴とする、上記（３）〜（５）のいずれかに記載の熱交換システムである。

本発明によれば、熱交換システムの利用価値が高まる。

本発明の第１実施形態に係る熱交換システムの概略図である。図１に示す地中部分を上方から視た断面図であり、（Ａ）はIIＡ−IIＡ断面を示し、（Ｂ）はIIＢ−IIＢ断面を示す。制御ユニットの機能構成を示すブロック図である。図１に示す熱交換システムの使用状態を説明する図であり、（Ａ）は冷房を行う使用状態を示し、（Ｂ）は暖房を行う使用状態を示す。揚水機の動作状況を示すテーブルである。図１に示す熱交換システムの各所温度を示す時刻歴である。図１に示す熱交換システムの循環管を流れる水の流量および熱交換量を示す時刻歴である。比較対象となる熱交換システムの各所温度を示す時刻歴である。比較対象となる熱交換システムの循環管を流れる水の流量および熱交換量を示す時刻歴である。第２実施形態に係る熱交換システムの概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の第１および第２実施形態に係る熱交換システムについて詳細に説明する。

［第１実施形態］まず、図１〜図３を用いて、第１実施形態に係る熱交換システム１０の構成について説明する。図１は、熱交換システム１０の概略図である。図２は、地中ＧＲＤ部分を上方から視た断面図である。同図（Ａ）は、図１におけるIIIＡ−IIIＡ断面を示す。同図（Ｂ）は、図１におけるIIIＢ−IIIＢ断面を示す。図３は、制御ユニット１３の機能構成を示すブロック図である。なお、本図および以降の各図において、一部の構成を適宜省略して、図面を簡略化する。

図１に示す熱交換システム１０は、地中熱を利用したヒートポンプシステムである。この熱交換システム１０は、冷暖房システム１１に用いられる。この冷暖房システム１１は、地中熱を利用して冷暖房を行うシステムである。具体的に、冷暖房システム１１は、熱交換システム１０の他に、ファンコイルユニット１２と、制御ユニット１３（図３参照）と、を備えている。

熱交換システム１０およびファンコイルユニット１２は、制御ユニット１３によって統括的に制御される。すなわち、冷暖房システム１１の各ユニットは、制御ユニット１３の制御下において動作して、その動作状況が制御ユニット１３によって管理される。具体的には、各所に配置された水温計３６、液温計５１、流量計５２の計測結果等に基づいて、各部の動作が所望する状況となるようにフィードバック制御される。

ファンコイルユニット１２は、建築物１４の内部を冷やしたり温めたりする。具体的に、ファンコイルユニット１２は、熱交換システム１０との間で冷媒または熱媒体となる水等の液体を循環させる配管１５と、この配管１５内の液体の冷熱または温熱を利用して冷風または温風を発生させるファン１６と、を備えている。なお、配管１５には、動力源となるポンプや、流量を調節する弁等が設けられている（いずれも図示省略）。

建築物１４は、洋蘭やパプリカ等を栽培する農業用ハウス、戸建住宅、集合住宅、納骨堂、倉庫、工場、駅舎、公衆便所、寺院、神社、宮殿、競技場、野球場、体育館等、冷暖房システム１１を適用できるものであれば、あらゆる構造物のうちのいずれであってもよい。なお、建築物１４の内外には、それぞれ、気温を計測する温度計等が設けられている（図示省略）。

配管１５は、熱交換用の管である。この配管１５は、熱交換システム１０のストレージタンク１９に引き込まれてから引き出されている。これにより、配管１５を流れる液体は、熱交換システム１０におけるストレージタンク１９において、冷却されたり加熱されたりする。

また、配管１５は、建築物１４の内部に引き込まれてから引き出されている。これにより、配管１５を流れる液体の冷熱または温熱は、建築物１４の内部の冷暖房に利用される。

ファン１６は、建築物１４の内部において、配管１５の近傍から当該配管１５に向けて風を発生させる。ファン１６から発生する風は、配管１５を流れる液体の冷熱または温熱を奪い、冷風または温風となる。すなわち、ファン１６は、配管１５を流れる液体が建築物１４の内部よりも低温の場合、冷風を発生させる。また、ファン１６は、配管１５を流れる液体が建築物１４の内部よりも高温の場合、温風を発生させる。なお、ファン１６によって発生する冷風および温風の温度は、ファン１６の回転数と、配管１５を流れる液体の温度と、によって制御される。

熱交換システム１０は、ヒートポンプユニット１８と、ストレージタンク１９と、古井戸２０と、注水機２１と、揚水機２２と、水温計測管２３と、液温計５１と、流量計５２と、等を備えている。

ヒートポンプユニット１８は、ストレージタンク１９との間で循環させる液体と、古井戸２０との間で循環させる液体と、の間で熱を移動させる。すなわち、ヒートポンプユニット１８は、ストレージタンク１９側の液体を冷却する場合、古井戸２０側の液体を加熱する。そして、ヒートポンプユニット１８は、ストレージタンク１９側の液体を加熱する場合、古井戸２０側の液体を冷却する。

具体的に、ヒートポンプユニット１８は、ヒートポンプ本体２４と、ストレージタンク１９との間で冷媒または熱媒体となる水等の液体を循環させる配管２５と、古井戸２０との間で冷媒または熱媒体となる水等の液体を循環させるポリエチレン製の循環管２６と、を備えている。なお、配管２５には、動力源となるポンプや、流量を調節する弁等が設けられている（いずれも図示省略）。また、循環管２６には、動力源となるポンプや、流量を調節する弁、そして、液温を計測する温度計等が設けられている（いずれも図示省略）。

ストレージタンク１９は、水等の液体を蓄えている。

このストレージタンク１９には、ヒートポンプユニット１８の配管２５が引き込まれてから引き出されている。これにより、ストレージタンク１９は、ヒートポンプユニット１８との間で循環する液体と、自身が蓄える液体と、の間で熱交換する。すなわち、ストレージタンク１９は、ヒートポンプユニット１８からの液体がストレージタンク１９内の液体よりも低温の場合、ストレージタンク１９内の液体を冷却して冷熱を蓄える。そして、ストレージタンク１９は、ヒートポンプユニット１８からの液体がストレージタンク１９内の液体よりも高温の場合、ストレージタンク１９内の液体を加熱して温熱を蓄える。

また、ストレージタンク１９には、ファンコイルユニット１２の配管１５が引き込まれてから引き出されている。これにより、ストレージタンク１９は、ファンコイルユニット１２との間で循環する液体と、自身が蓄える液体と、の間で熱交換する。すなわち、ストレージタンク１９は、ストレージタンク１９内の液体がファンコイルユニット１２への液体よりも低温の場合、ファンコイルユニット１２への液体に冷熱を排出して当該液体を冷却する。そして、ストレージタンク１９内の液体がファンコイルユニット１２への液体よりも高温の場合、ファンコイルユニット１２への液体に温熱を排出して当該液体を加熱する。なお、ストレージタンク１９には、液温を計測する温度計等が設けられている（図示省略）。

図１および図２に示すように、古井戸２０は、地中ＧＲＤの帯水層ＷＢＬに達する穴（符号省略）に埋設された筒体２８を備えている。帯水層ＷＢＬは、地下水を含む地層である。帯水層ＷＢＬの上面は、一般的に、地上から５０ｍ以上１００ｍ以下程度の深さＤに位置する。このため、筒体２８の長さは、帯水層ＷＢＬに達するように５０ｍ以上１００ｍ以下程度の範囲で適宜設定される。

筒体２８は、相対的に径が大きい円形鋼管（ＳＧＰ管やステンレス鋼管等。以下同様。）からなる大径部２９と、相対的に径が小さい円形鋼管からなる小径部３０と、が上から順に連続する。小径部３０の下方側面には、帯水層ＷＢＬからの水を浸入させる浸水部３１が形成されている。浸水部３１は、複数の小孔または複数の小スリットから構成される（符号省略）。浸水部３１からの地下水の浸入によって、筒体２８内は水で満たされる。筒体２８内に満たされる水の自然水位ｈは、一般的に、地上から１０ｍ以内の深さとなる。小径部３０の下端は、図示するように、開口させてもよいし、あるいは、鋼製プレート（図示省略）等で塞がれてもよい。鋼製プレートは、浸水部として、複数の小孔または複数の小スリットを備えていてもよい（図示省略）。

大径部２９の内径φ_１は、１８０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下であることが好ましく、２００ｍｍであることがより好ましい。大径部２９の長さは、１５ｍ以上３０ｍ以下であることが好ましく、２０ｍであることがより好ましい。小径部３０の内径φ_２は、１２０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であることが好ましく、１４０ｍｍであることがより好ましい。浸水部３１は、帯水層ＷＢＬに達する個所に位置している。浸水部３１の範囲は、小径部３０の下端から３ｍ以上７ｍ以下であることが好ましく、５ｍであることがより好ましい。

筒体２８には、ヒートポンプユニット１８の循環管２６と、注水機２１の注水管３３と、揚水機２２の揚水管３４と、水温計測管２３と、が挿入されている。なお、循環管２６は、筒体２８に挿入される個所が２本に分かれて構成され、熱交換の効率を高めている。

具体的に、ヒートポンプユニット１８の２本の循環管２６は、それぞれ、筒体２８の内部に引き込まれて下方の小径部３０に向けて通されると共に、小径部３０で上方に折り返して筒体２８の外部に引き出されている。これにより、筒体２８内の水と、循環管２６を流れる液体と、の間で熱交換が可能になる。すなわち、古井戸２０は、筒体２８内の水が循環管２６を流れる液体よりも低温の場合、循環管２６を流れる液体を冷却する。そして、古井戸２０は、筒体２８内の水が循環管２６を流れる液体よりも高温の場合、循環管２６を流れる液体を加熱する。

そして、注水機２１の注水管３３は、その先端が大径部２９に位置するように、筒体２８の内部に引き込まれている。また、揚水機２２の揚水管３４は、その先端が大径部２９に位置して筒体２８内の水に浸かるように、当該筒体２８の内部に引き込まれている。さらに、水温計測管２３は、その先端が小径部３０における下方に位置するように、筒体２８内の内部に引き込まれている。

注水機２１は、水温計測管２３が備える複数の水温計３６、液温計５１及び流量計５２の計測結果に基づいて筒体２８内に水を注ぎ足して、当該筒体２８内の水温を調節する。具体的に、注水機２１は、ポンプ（図示省略）を有する注水機本体５３と、注水管３３と、を備えている。なお、注水機本体５３の構成は周知であり、その具体的な説明を省略する。

このような注水機２１は、注水管３３の先端からの注水によって、筒体２８内に水を注ぎ足す。これにより、筒体２８内の水温が調節される。すなわち、注水機２１は、注ぎ足す水が筒体２８内の水よりも低温の場合、注水との混合によって筒体２８内の水を冷却する。そして、注水機２１は、注ぎ足す水が筒体２８内の水よりも高温の場合、注水との混合によって筒体２８内の水を加熱する。

なお、注水機２１には、動力源となるポンプ等が設けられている（図示省略）。そして、注水管３３には、流量を調節する弁や、流量を計測する流量計等が設けられている（いずれも図示省略）。また、注水機２１は、水を加熱する加熱手段を備えるようにして、所望温度に加熱した水を注入できるようにしてもよい。さらに、注水機２１は、水を冷却する冷却手段を備えるようにして、所望温度に冷却した水を注入できるようにしてもよい。

揚水機２２は、水温計測管２３が備える水温計３６、液温計５１及び流量計５２の計測結果等に基づいて筒体２８内の水をくみ上げて、当該筒体２８内の水温を調節する。具体的に、揚水機２２は、ポンプ（図示省略）を有する揚水機本体５４と、揚水管３４と、を備えている。なお、揚水機本体５４の構成は周知であり、その説明を省略する。

このような揚水機２２は、揚水管３４の先端から筒体２８内の水をくみ上げる。これと同時に、帯水層ＷＢＬの地下水が、浸水部３１から筒体２８内に浸入して、自然水位が保たれる。これにより、筒体２８内の水温が調節される。すなわち、揚水機２２は、帯水層ＷＢＬの地下水が筒体２８内の水よりも低温の場合、地下水との混合によって筒体２８内の水を冷却する。そして、揚水機２２は、帯水層ＷＢＬの地下水が筒体２８内の水よりも高温の場合、地下水との混合によって筒体２８内の水を加熱する。

なお、揚水機２２には、動力源となるポンプ等が設けられている（図示省略）。そして、揚水管３４には、流量を調節する弁や、流量（くみ上げ量）を計測する流量計等が設けられている（いずれも図示省略）。

ところで、筒体２８は、上下方向に５０ｍ以上１００ｍ以下程度の長さを有するので、当該筒体２８内の水温は、上方と下方とで温度差（例えば、１０℃の差）が生じている。すなわち、筒体２８内の水温は、上方であるほど高く、下方であるほど低い。このため、どのように水温調節することを所望するかに応じて、注水機２１および揚水機２２の双方を同時に機能させたり、あるいは、同時に機能させず、注水機２１および揚水機２２のうちの選択した一方のみを機能させたりできる。これにより、筒体２８内の水温調節を効率よく行える。

水温計測管２３は、管本体３５と、複数の水温計３６と、を備えている。複数の水温計３６は、互いに所定の間隔（例えば、１０ｍ間隔）をおいて管本体３５に取り付けられている。これにより、筒体２８内の複数の個所で水温が直接計測され、制御ユニット１３で管理される。

液温計５１は、循環管２６に取り付けられている。具体的に、液温計５１は、循環管２６における、ヒートポンプ２４から引き出されてから筒体２８の内部に引き込まれる前までの間に取り付けられている。これにより、ヒートポンプ２４から引き出された後であって筒体２８の内部に引き込まれる前の循環管２６内の液温が計測され、制御ユニット１３で管理される。すなわち、液温計５１によって筒体２８内の水温が間接的に計測され、制御ユニット１３で管理される。

流量計５２は、循環管２６に取り付けられている。具体的に、流量計５２は、循環管２６における、ヒートポンプ２４から引き出されてから筒体２８の内部に引き込まれる前までの間に取り付けられている。これにより、循環管２６内の液体の流量が計測され、制御ユニット１３で管理される。

制御ユニット１３は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、およびＲＯＭなど（いずれも図示省略）から構成され、各種制御を実行する。ＣＰＵは、いわゆる中央演算処理装置であり、各種プログラムが実行されて各種機能を実現する。ＲＡＭは、ＣＰＵの作業領域として使用される。ＲＯＭは、ＣＰＵで実行される基本ＯＳやプログラムを記憶する。

図３に示すように、制御ユニット１３は、プログラム実行後の機能構成として、センシング部３７と、注水制御部３８と、揚水制御部３９と、等を備えている。ここでは、筒体２８内の水温調節についてのみ説明し、これ以外の説明を割愛する。

センシング部３７は、各水温計３６の計測結果（センシングデータ）を常に取得して、注水制御部３８および揚水制御部３９に伝達する。注水制御部３８は、センシング部３７で取得した計測結果を参照して、注水機２１への制御信号を、目標値に近付くように制御する。揚水制御部３９は、センシング部３７で取得した計測結果を参照して、揚水機２２への制御信号を、目標値に近付くように制御する。

次に、熱交換システム１０における熱の流れを、図４に基づいて説明する。図４は、熱交換システム１０の使用状態を説明する図である。同図（Ａ）は、冷房を行う使用状態を示す。同図（Ｂ）は、暖房を行う使用状態を示す。

まず、図４（Ａ）を参照しながら、冷暖房システム１１が、地中ＧＲＤの冷たい熱を利用して、夏季や日中等に冷房を行う場合を説明する。ヒートポンプユニット１８は、ヒートポンプ本体２４において、ストレージタンク１９側の配管２５を流れる液体を冷却すると共に、古井戸２０側の循環管２６を流れる液体を加熱する。

ヒートポンプ本体２４で冷却された配管２５の液体は、ストレージタンク１９内の液体を冷却する際に加熱されて、ヒートポンプ本体２４で再び冷却可能となる。ストレージタンク１９内の液体は、ファンコイルユニット１２の配管１５を流れる液体を冷却する際に加熱されて、再び冷却可能となる。ファンコイルユニット１２の配管１５を流れる液体は、ファン１６によって冷風を発生させる際に加熱されて、ストレージタンク１９で再び冷却可能となる。

ヒートポンプ本体２４で加熱された循環管２６の液体は、古井戸２０における筒体２８内の水を加熱する際に冷却されて、ヒートポンプ本体２４で再び加熱可能となる。筒体２８内の水は、循環管２６の液体を冷却する際に加熱されて対流が生じる。温熱が蓄えられた筒体２８内の水は、注水機２１による注水や、揚水機２２の揚水に伴う地下水の浸入、あるいは、大気との接触等によって冷却される。

続いて、図４（Ｂ）を参照しながら、冷暖房システム１１が、地中ＧＲＤの温かい熱を利用して、冬季や夜間等に暖房を行う場合を説明する。この場合、ヒートポンプユニット１８は、ヒートポンプ本体２４において、ストレージタンク１９側の配管２５を流れる液体を加熱すると共に、古井戸２０側の循環管２６を流れる液体を冷却する。

ヒートポンプ本体２４で加熱された配管２５の液体は、ストレージタンク１９内の液体を加熱する際に冷却されて、ヒートポンプ本体２４で再び加熱可能となる。ストレージタンク１９内の液体は、ファンコイルユニット１２の配管１５を流れる液体を加熱する際に冷却されて、再び加熱可能となる。ファンコイルユニット１２の配管１５を流れる液体は、ファン１６によって温風を発生させる際に冷却されて、ストレージタンク１９で再び加熱可能となる。

ヒートポンプ本体２４で冷却された循環管２６の液体は、古井戸２０における筒体２８内の水を冷却する際に加熱されて、ヒートポンプ本体２４で再び冷却可能となる。筒体２８内の水は、循環管２６の液体を加熱する際に冷却されて対流が生じる。冷熱が蓄えられた筒体２８内の水は、注水機２１による注水や、揚水機２２の揚水に伴う地下水の浸入、あるいは、大気との接触等によって加熱される。

次に、図５を用いて、揚水機２２の動作状況を説明する。図５は、揚水機２２の動作状況を示すテーブルである。ただし、図５に示す数値は一例であり、本発明は、そこに示される数値に限定されるものではない。

図５に示すように、流量計５２の計測結果がＯＦＦの場合、すなわち、循環管２６内の液体の流量がゼロ又は所定の閾値よりも少ない場合（図５における（１）の場合）、水温計３６及び液温計５１の計測結果の如何に問わず、揚水機２２の動作を停止させる。

一方、流量計５２の計測結果がＯＮの場合、すなわち、循環管２６内の液体が流れている場合（図５における（２）〜（４）の場合）、水温計３６及び液温計５１の計測結果に基づいて、揚水機２２の動作状況を決定する。

まず、流量計５２の計測結果がＯＮの場合であって、かつ、水温計３６の計測結果が５℃未満（Ｔ_ｗ＜５）で、液温計５１の計測結果が０℃未満（Ｔ_ｏｕｔ＜０）の場合（図５における（２）の場合）、揚水機２２を動作させて能動的に地下水を筒体２８内に浸入させ、地中の温熱を積極的に利用する（図４（Ｂ）参照）。この場合、揚水機２２を動作させることに代え、又は揚水機２２を動作させることと共に、注水機２１を動作させて注水の温熱を利用するようにしてもよい。

そして、流量計５２の計測結果がＯＮの場合であって、かつ、水温計３６の計測結果が５℃以上２５℃未満（５≦Ｔ_ｗ＜２５）で、液温計５１の計測結果が０℃以上２９℃未満（０≦Ｔ_ｏｕｔ＜２９）の場合（図５における（３）の場合）、揚水機２２の動作を停止させる。この場合であっても、受動的に地下水を筒体２８内に浸入させることになるので、地中熱を利用することになる。この場合、注水機２１についても動作を停止させる。

また、流量計５２の計測結果がＯＮの場合であって、かつ、水温計３６の計測結果が２５℃以上（２５≦Ｔ_ｗ）で、液温計５１の計測結果が２９℃以上（２９≦Ｔ_ｏｕｔ）の場合（図５における（４）の場合）、揚水機２２を動作させて能動的に地下水を筒体２８内に浸入させ、地中の冷熱を積極的に利用する（図４（Ａ）参照）。この場合、揚水機２２を動作させることに代え、又は揚水機２２を動作させることと共に、注水機２１を動作させて注水の冷熱を利用するようにしてもよい。

［実験１］次に、熱交換システム１０の熱交換量Ｑ［Ｗ］を調べた実験１を、図６および図７を用いて説明する。図６は、熱交換システム１０の各所温度を示す時刻歴である。図７は、熱交換システム１０を流れる水の水量および熱交換量を示す時刻歴である。

実験１では、熱交換システム１０を、２０１４年１月２５日までの期間、断続運転させた。古井戸２０として、深さＤが７０［ｍ］のものを利用した。測定は、循環管２６における古井戸２０への入口部分の液温Ｔ_ｉｎ［℃］と、循環管２６における古井戸２０からの出口部分の液温Ｔ_ｏｕｔ［℃］と、循環管２６を流れる水の流量Ｌ［１０^−６ｍ^３／ｓ］と、システム全体の消費電力量Ｐ［Ｗ］と、について行った。熱交換量Ｑ［Ｗ］は、Ｑ＝ｃρＬ（Ｔ_ｉｎ−Ｔ_ｏｕｔ）にて算出した。熱交換効率［Ｗ／ｍ］は、Ｑ／Ｄにて算出した。成績係数（ＣＯＰ）は、ＣＯＰ＝（Ｑ−Ｐ）／Ｐにて算出した。ただし、ｃは、循環管２６を流れる水の比熱であり、ｃ＝４．２×１０^３［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］を用いた。そして、ρは、循環管２６を流れる水の密度であり、ρ＝１０^３［ｋｇ／ｍ^３］を用いた。

図６は、循環管２６における古井戸２０への入口部分の液温Ｔ_ｉｎ［℃］と、循環管２６における古井戸２０からの出口部分の液温Ｔ_ｏｕｔ［℃］と、の３日間分の時刻歴をそれぞれ示す。図７は、循環管２６を流れる水の流量Ｌ［１０^−６ｍ^３／ｓ］と、古井戸２０の熱交換量Ｑ［ｋＷ］と、古井戸２０の単位深さ当たり［／ｍ］の熱交換量Ｑ［Ｗ］である熱交換効率［Ｗ／ｍ］と、の３日間分の時刻歴をそれぞれ示す。熱交換量Ｑ［Ｗ］は、最大で２９．４［ｋＷ］、平均で２０．０［ｋＷ］であった。すなわち、古井戸２０の熱交換効率［Ｗ／ｍ］は、最大で４２０．２［Ｗ／ｍ］であり、平均で２８５．７［Ｗ／ｍ］であった。また、成績係数（ＣＯＰ）は、平均で３．５０程度であった。

［比較実験１］次に、比較対象となる熱交換システム（図示省略）の熱交換量Ｑ［Ｗ］を調べた比較実験１を、図８および図９を用いて説明する。図８は、熱交換システムの各所温度を示す時刻歴である。図９は、熱交換システムの循環管２６を流れる水の流量および熱交換量を示す時刻歴である。なお、比較対象となる熱交換システムは、熱交換システム１０における注水機２１及び揚水機２２の制御方法を変更したものである。具体的に、注水機２１は、温度計測管２３が備える複数の温度計３６の計測結果に基づいて筒体２８内に水を注ぎ足して、当該筒体２８内の水温を調節するものであり、液温計５１及び流量計５２の計測結果とは無関係に動作する。揚水機２２は、温度計測管２３が備える温度計３６の計測結果等に基づいて筒体２８内の水をくみ上げて、当該筒体２８内の水温を調節するものであり、液温計５１及び流量計５２の計測結果とは無関係に動作する。

比較実験１では、熱交換システム（図示省略）を、２０１１年の６月から９月までの４か月間にわたり、午前３時から午後７時までの１６時間ずつ連続運転させた。古井戸２０として、深さ７０ｍのものを利用した。測定は、循環管２６における古井戸２０への入口部分の液温Ｔ_ｉｎ［℃］と、循環管２６における古井戸２０からの出口部分の液温Ｔ_ｏｕｔ［℃］と、循環管２６を流れる水の流量Ｌ［１０^−６ｍ^３／ｓ］と、システム全体の消費電力量Ｐ［Ｗ］と、について行った。

図８は、循環管２６における古井戸２０への入口部分の液温Ｔ_ｉｎ［℃］と、循環管２６における古井戸２０からの出口部分の液温Ｔ_ｏｕｔ［℃］と、の１０日間分の時刻歴をそれぞれ示す。図９は、循環管２６を流れる水の流量Ｌ［１０^−６ｍ^３／ｓ］と、古井戸２０の熱交換量Ｑ［ｋＷ］と、古井戸２０の単位深さ当たり［／ｍ］の熱交換量Ｑ［Ｗ］である熱交換効率［Ｗ／ｍ］と、の１０日間分の時刻歴をそれぞれ示す。熱交換量Ｑ［Ｗ］は、最大で１６．８［ｋＷ］、平均で１４．９［ｋＷ］であった。すなわち、古井戸２０の熱交換効率［Ｗ／ｍ］は、最大で２４０．０［Ｗ／ｍ］であり、平均で２１２．３［Ｗ／ｍ］であった。また、成績係数（ＣＯＰ）は、平均で２．４７程度であった。

このように、熱交換システム１０によれば、帯水層ＷＢＬから筒体２８に浸入する水の熱伝導および対流によって、地中熱を、循環管２６を循環する液体に移動させられる。このため、筒体内が土砂で満たされている場合と比較して、熱交換性能を高められる。具体的に、熱交換効率は、筒体内が土砂で満たされている場合には、通常の実測値が３０〜５０［Ｗ／ｍ］程度であり、また、比較対象となる熱交換システムの場合には、最大で２４０［Ｗ／ｍ］程度、平均で２００［Ｗ／ｍ］程度であるのに対し、熱交換システム１０の場合には、最大で４２０．２［Ｗ／ｍ］程度、平均で２８５．７［Ｗ／ｍ］程度が得られる。また、成績係数（ＣＯＰ）は、比較対象となる熱交換システムの場合には、平均で２．４７程度であるのに対し、熱交換システム１０の場合には、平均で３．５０程度が得られる。

そして、筒体２８内の水が順次入れ替わるので、大量の熱を収支させた場合であっても、熱枯れすることはない。すなわち、熱交換性能が低下することがない。

また、筒体２８内の水をくみ上げて、当該筒体２８内に帯水層ＷＢＬの新たな水を浸入させることで、当該筒体２８内の水温を調節できる。すなわち、筒体２８内の水との間で熱を移動させる循環管２６の液体の温度を調節できる。結果、循環管２６の液体の熱を利用するヒートポンプ本体２４において、熱量を調節できる。

さらに、熱を利用するヒートポンプ本体２４に直接作用する循環管２６内の液温に基づいて、筒体２８内の水をくみ上げて、循環管２６内の液温を調節するので、応答性が非常に高い。このため、地中熱を効率よく活用することができる。これにより、熱交換システム１０の利用価値が高まる。

そして、流量計５２を備えているので、循環管２６内の液体の流量がゼロ又は所定の閾値よりも少ない場合に熱交換システム１０の機能が停止していると判断して、揚水機２２を停止させることができる。結果、揚水機２２を無駄に運転させることがなく、エネルギーに無駄がない。これにより、熱交換システム１０の利用価値がさらに高まる。

さらに、注水機２１を備え、筒体２８内に水を注ぎ足すことで、当該筒体２８内の水温を調節できる。すなわち、筒体２８内の水との間で熱を移動させる循環管２６の液体の温度を調節できる。結果、循環管２６の液体の熱を利用するヒートポンプ本体２４において、熱量を調節できる。

そして、熱を利用するヒートポンプ本体２４に直接作用する循環管２６内の液温に基づいて、筒体２８内に水を注ぎ足して、循環管２６内の液温を調節するので、応答性が非常に高い。このため、地中熱を効率よく活用することができる。これにより、熱交換システム１０の利用価値がさらに高まる。

さらに、注水機２１および揚水機２２を備えているので、揚水機２２の動作時に帯水層ＷＢＬから水を浸入させる下方側の流入経路と、注水機２１の動作時に水を注ぎ足す上方側の流入経路と、の２つの流入経路を実現できる。これにより、上方および下方の双方から、あるいは、上方および下方のうちの選択した一方から、筒体２８内の水温を調節できる。これにより、熱交換システム１０の利用価値がさらに高まる。

そして、流量計５２を備えているので、循環管２６内の液体の流量がゼロ又は所定の閾値よりも少ない場合に熱交換システム１０の機能が停止していると判断して、注水機２１を停止させることができる。結果、注水機２１を無駄に運転させることがなく、エネルギーに無駄がない。これにより、熱交換システム１０の利用価値がさらに高まる。

また、古井戸２０を利用しているので、熱交換システム１０の導入に際してボーリングの必要性がなく、まとまったイニシャルコストは不要である。このため、熱交換システム１０の利用価値がさらに高まる。

［第２実施形態］次に、図１０を用いて、第２実施形態に係る熱交換システム４０の構成について説明する。図１０は、熱交換システム４０の概略図である。

なお、第２実施形態に係る熱交換システム４０の特徴部分のみを説明し、第１実施形態に係る熱交換システム４０と同様の構成、作用および効果についての説明は適宜省略する。

図１０に示すように、熱交換システム４０は、太陽熱集熱器４１と、熱交換器４２と、を備えている。

太陽熱集熱器４１は、太陽熱を利用して温水を生成することで太陽熱を集熱する装置である。この太陽熱集熱器４１は、建築物１４の屋根等、太陽光の当たる傾斜面に設置される集熱器本体４５と、この集熱器本体４５から熱交換器４２に水を循環させる配管４６と、配管４６から分岐してストレージタンク１９に水を循環させる配管４７と、を備えている。

太陽熱集熱器４１は、筏状に並べられた複数のガラス管と、各ガラス管の内部に個別に配設された複数のヒートパイプと、各ガラス管の一端側（図面における下側）を個別に塞ぐ複数のキャップと、各ガラス管の他端側（図面における上側）を束ね、各ガラス管と共に貯水槽を構成する角管と、を備えている。

ガラス管は、二重構造の真空ガラス管であり、内部に蓄えた水が外気温の影響を受けることを防止する。ヒートパイプは、水と比較して伝導率が高い素材でできており、高い集熱性能を有する。角管は、両端に配管４６が繋がれており、一端から他端に向けて水が流れる。

以上の太陽熱集熱器４１によれば、ガラス管の内部に蓄えられた水は太陽熱で熱されて水蒸気となり、角管まで上昇する。水蒸気の熱は、配管４６から角管の内部に流れ込んだ水に移動する。水蒸気は水に戻り、ガラス管を下降する。水蒸気の熱が移動された水は、配管４６，４７を循環する。これにより、太陽熱が、熱交換器４２やストレージタンク１９に移動される。このような太陽熱集熱器４１には、株式会社アグリクラスター（埼玉県さいたま市）が市販するハイブリッドソーラーシステム（商品名）を応用できる。

熱交換器４２は、太陽熱集熱器４１で集熱された太陽熱を、ヒートポンプユニット１８の循環管２６を流れる液体に移動させる。具体的に、熱交換器４２は、熱交換器本体４９と、循環管２６から分岐して当該循環管２６の水を熱交換器本体４９に循環させる配管５０と、を備えている。

熱交換器本体４９には、太陽熱集熱器４１の配管４６が引き込まれてから引き出されている。これにより、熱交換器本体４９は、太陽熱集熱器４１から循環する水から、ヒートポンプユニット１８の循環管２６から分岐する配管５０を流れる液体に太陽熱を移動させる。

このように、熱交換システム４０によれば、太陽熱集熱器４１で集められた太陽熱を、循環管２６を流れる液体に移動させることで、当該循環管２６の液体の温度を調節できる。結果、循環管２６の液体の熱を利用するヒートポンプ本体２４において、熱量を調節できる。これにより、熱交換システム４０の利用価値がさらに高まる。

本発明は、上記第１および第２実施形態に限られるものではなく、その趣旨および技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

すなわち、上記第２各実施形態において、集熱器本体４５として、最新型の真空ガラス管式のものを利用したが、従来型の落水式のものや改良型の平板式のものを利用してもよい。

１０，４０熱交換システム
２１注水機
２２揚水機
２４ヒートポンプ本体（機器）
２６循環管
２８筒体
３６水温計
５１液温計
５２流量計
ＧＲＤ地中
ＷＢＬ帯水層

Claims

地中の帯水層に達する穴に埋設され、前記帯水層から浸入する水で満たされる筒体と、
熱を利用する地上の機器から前記筒体の内部に引き込まれて下方に向けて通されると共に、上方に折り返して前記筒体の外部に引き出され、前記機器から送り出される液体を循環させる循環管と、を備え、
前記筒体内の水と、前記循環管を流れる液体と、の間で熱を移動させる熱交換システムであって、
前記機器から送り出された後であって前記筒体の内部に引き込まれる前の前記循環管内の液温を計測する液温計と、
前記筒体内の水温を計測する水温計と、
前記液温計の計測結果と前記水温計の計測結果の組み合わせに基づいて前記筒体内の水をくみ上げるか、くみ上げないかを判定し、くみ上げる際には前記帯水層から前記筒体内に水を浸入させることで、前記筒体内の水温を調節して前記循環管内の液温を調節する揚水機と、を備えることを特徴とする、
熱交換システム。
前記循環管内の液体の流量を計測する流量計を備え、
前記揚水機は、前記流量計の計測結果に基づいて動作することを特徴とする、
請求項１に記載の熱交換システム。
前記液温計の計測結果に基づいて前記筒体内に水を注ぎ足すことで、前記筒体内の水温を調節して前記循環管内の液温を調節する注水機を備えることを特徴とする、
請求項１又は２のいずれかに記載の熱交換システム。
前記注水機は、前記筒体内の上方に水を注ぎ足すことを特徴とする、
請求項３に記載の熱交換システム。
前記注水機は、前記循環管内の液体の流量を計測する流量計の計測結果に基づいて動作することを特徴とする、
請求項３又は４に記載の熱交換システム。
前記注水機は、前記筒体内の水温を計測する水温計の計測結果に基づいて動作することを特徴とする、
請求項３〜５のいずれかに記載の熱交換システム。