JP5953161B2 - 熱利用システム - Google Patents

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Description

本発明は省エネルギーを実現する熱利用システムに関する。
近年、省エネルギーの観点から、太陽熱や地熱等の再生可能なエネルギーを冷暖房等に有効利用することが提案されている。
例えば地熱の場合、Ｕチューブを水平・鉛直方向に地中埋設したり、管体を地中に埋設して地中熱交換器とし、これに熱媒流体を通して周囲地盤との熱交換を行って冷暖房等の熱源とするものが知られている（特許文献１、２参照）。
また、太陽熱の場合、昼間の太陽熱および夜間の放熱と、空気熱を熱源として温・冷熱を出力するヒートポンプシステムがある（特許文献３参照）。
特開２００５−４８９７２号公報 特開２０１０−１４５０４１号公報 特開昭５９−０８４０６８号公報
地熱利用の場合の問題点として地盤の温度変化がある。地中熱交換器は地表面数ｍ以下の恒温地盤との熱交換を行うものであるが、地中熱交換器の周囲の地盤温度は、冷房時には、負荷側での熱交換により昇温した熱媒流体が地盤へ排熱することで徐々に上昇し、暖房時には逆に徐々に低下する。結果として時間経過とともに地中熱交換器の熱媒流体の出口温度が変化し、長期間での省エネルギー性能（ＳＣＯＰ；システム成績係数）が低下する。従来、この問題の解決のために、地中熱交換器同士の間隔を広くとっているが、その結果広大な設置面積を要し、設置場所が限られる。
また、太陽熱を利用したヒートポンプシステムは、昼間集熱時および夜間放熱時の熱源ＣＯＰは高いが、逆に夜間集熱時及び昼間放熱時の熱源ＣＯＰは低い。従って、オフィスビル等では、暖房負荷ピーク（始業時）および冷房負荷ピーク（午後１〜３時）において、太陽熱ヒートポンプによる熱出力とのアンマッチングが生じる。このアンマッチングのためにシステム全体の省エネルギー性能（ＳＣＯＰ）が低下する。
以上の問題に対する対策として、太陽熱のヒートポンプシステムと地中熱交換器を組み合わせて利用することが考えられる。すなわち、太陽熱のヒートポンプシステムを用いて熱媒流体の温度を変化させて地中熱交換器に戻し、これにより、冷暖房時等に変化した地盤温度を回復させる。その後、地中熱交換器の熱媒流体を冷暖房時等の熱源として使用する。これは一般的にアクティブリカバリー（ＡＲ）と呼ばれる方法であり、特許文献１、２などにも例示されている。
しかし、従来のＡＲは、地盤温度が回復するまで継続的にヒートポンプシステムを運転して熱媒流体の温度を変化させるものであり、熱媒流体の熱伝導率に比べて地盤の熱伝導率は低いことから、地盤の温度回復のために太陽熱ヒートポンプを必要以上に稼働させることが多く、エネルギーの無駄となっていた。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、省エネルギー性を高めることができる熱利用システムを提供することを目的とする。
前述の目的を達するための第１の発明は、負荷側に循環させて熱交換を行うための熱媒流体を有する、地盤に設けられた地中熱交換部と、前記熱媒流体の昇温または降温を行うための熱源機構と、を具備し、前記熱媒流体の前記負荷側での熱交換に伴い制御値から変化した前記地盤の温度を前記制御値まで回復させる際に、まず前記熱源機構を運転して前記熱媒流体の温度を変化させ、前記地中熱交換部の前記熱媒流体の温度が、当該熱媒流体に対応する位置の前記地盤の温度の前記制御値と異なる所定の値に達した後、前記熱源機構の運転を停止し、温度変化後の前記地中熱交換部の前記熱媒流体により当該熱媒流体に対応する位置の前記地盤の温度を前記制御値まで回復させることを特徴とする熱利用システムである。
本発明では、地盤温度の回復を行う際に、まず太陽熱ヒートポンプ等の熱源機構を運転して熱媒流体の温度を変化させるが、その後は熱源機構を停止し、温度変化後の熱媒流体により地盤の温度を回復させる。熱媒流体の温度は、地盤の温度と比較して短時間で変化するので、地盤温度の回復のため熱源機構を長時間運転することがなく、省エネルギーが実現できる。また、負荷側での熱交換によって変化した地盤温度を回復することで、地盤の温度変化により熱利用システムの省エネルギー性能が低下することを防ぐことができる。
前記地中熱交換部は、外管およびその内側の内管を有する二重管により、前記熱媒流体を貯蓄することが望ましい。
これにより、従来のＵチューブ等に比べ大量の熱媒流体を貯蓄でき、二重管内の熱媒流体の熱容量を大きくできるので、熱源機構の停止後に、熱媒流体の熱を用いて地盤の温度回復を好適に行える。負荷側での熱交換についても、二重管内の熱媒流体により、大きな熱需要に対応できるようになる。
前記地中熱交換部は、前記二重管を１または複数設けた単位アレイを複数有し、前記内管の下端は前記外管の下部に達し、前記複数の単位アレイは、一方の単位アレイの二重管の内管と他方の単位アレイの二重管の外管の上部を連通させることにより直列に接続され、前記一方の単位アレイの二重管の外管の上部は、より高い温度の熱媒流体を、前記負荷側から戻すか前記負荷側に吐出するかの入出力を行うためのポートと連通し、前記他方の単位アレイの二重管の内管は、より低い温度の熱媒流体の入出力を行うためのポートと連通することが望ましい。
これにより、二重管内の熱媒流体に、上部高温、下部低温の温度成層を形成することができ、かつＡＲによって二重管周囲の地盤温度が温度成層に沿った温度分布に回復するので、冷熱出力時には低温域の二重管下部から負荷側に低温で安定した熱媒流体を供給し、温熱出力時には高温域の二重管上部から負荷側に高温で安定した熱媒流体を供給し、負荷側での熱交換を高効率に行うことができる。また、単位アレイを直列に接続することで熱容量を増やすとともに、熱媒流体のアレイ通過時間を需要時間に合わせることで、冷暖房等のピーク時に生じる大容量・短時間の熱需要に対して、数時間継続する安定した温度の熱媒流体を供給することができる。
また、前記熱媒流体は、前記負荷側に設けたループ管を循環し、前記ループ管は、両端部で前記各ポートと接続され、前記熱媒流体を循環させるためのポンプと、前記熱源機構による熱交換部と、前記各ポートの入出力を切り替えるための入出力切替手段とが設けられ、前記入出力切替手段は、前記負荷側での熱交換時と、前記地盤の温度の回復時で、前記各ポートの入出力が逆転するように切り替えることが望ましい。
このように熱利用システムの制御を行うことにより、負荷側での熱交換時と、地盤温度回復時の運転を好適に行うことができる。
前記ループ管に、前記熱媒流体の流向を切り替えるための流向切替手段が設けられることが望ましい。
これにより、給湯時など負荷側の必要に応じて、地中熱交換部から吐出される熱媒流体を熱源機構でさらに昇温等して負荷側での熱交換に用いることができ、効率的な運転が可能になる。
前記地中熱交換部に、それぞれ異なる温度の熱媒流体を入出力するための３つ以上のポートが設けられ、前記入出力切替手段は、前記３つ以上のポートのうち、２つのポートを入出力を行うためのポートとして切り替えを行うことが望ましい。
また、より低い温度の熱媒流体の入出力を行うためのポートとそれぞれ連通する２つの前記単位アレイを第１の配管で接続し、より高い温度の熱媒流体の入出力を行うためのポートとそれぞれ連通する２つの前記単位アレイを第２の配管で接続し、前記第１の配管、および前記第２の配管を接続することも望ましい。
これにより、盛夏時や厳冬時、あるいは冷暖房等の負荷量が設定を越えた場合や負荷パターンが著しく変動する場合など、種々の熱需要に合わせて柔軟性のあるシステムが構築でき、省エネルギー性が高められる。
第２の発明は、負荷側に循環させて熱交換を行うための熱媒流体を有する、地盤に設けられた地中熱交換部と、前記熱媒流体の昇温または降温を行うための熱源機構と、を具備し、前記熱媒流体の前記負荷側での熱交換に伴い変化した前記地盤の温度を回復させる際に、まず前記熱源機構を運転して前記熱媒流体の温度を変化させ、その後、前記熱源機構の運転を停止し、温度変化後の前記熱媒流体により前記地盤の温度を回復させることを特徴とする熱利用システムであって、前記地中熱交換部は、外管およびその内側の内管を有する二重管により、前記熱媒流体を貯蓄し、前記地中熱交換部は、前記二重管を１または複数設けた単位アレイを複数有し、前記内管の下端は前記外管の下部に達し、前記複数の単位アレイは、一方の単位アレイの二重管の内管と他方の単位アレイの二重管の外管の上部を連通させることにより直列に接続され、前記一方の単位アレイの二重管の外管の上部は、より高い温度の熱媒流体を、前記負荷側から戻すか前記負荷側に吐出するかの入出力を行うためのポートと連通し、前記他方の単位アレイの二重管の内管は、より低い温度の熱媒流体の入出力を行うためのポートと連通することを特徴とする熱利用システムである。
本発明により、省エネルギー性を高めることができる熱利用システムを提供することができる。
熱利用システム１を示す図 地中熱交換システム１０を示す図 地中熱交換システム１０を示す図 二重管１３内の熱媒流体について示す図 熱利用システム１の制御について示すフローチャート 熱利用システム１の制御について示す図 熱媒流体の温度変化を示す図 熱利用システム１を示す図 地盤の温度変化を模式的に示す図 熱利用システム１ａを示す図 熱利用システム１ｂを示す図 地中熱交換システム１０ａを示す図 熱利用システム１ｃを示す図 地中熱交換システム１０ｂを示す図
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
［第１の実施形態］
（熱利用システム１の構成）
図１は、第１の実施形態の熱利用システム１を示す図である。熱利用システム１は、地中熱交換システム（地中熱交換部）１０、ループ管２１、ポンプ２２、逆流防止弁２３、四方弁（入出力切替手段）２４、ヒートポンプ３０、および太陽熱ヒートポンプ（熱源機構）３１等を有する。
なお、この熱利用システム１は、業務用ビルや病院・老人保健施設、学校等の教育施設、生産・商業施設等の個別建物や、集合住宅や数棟の建築物からなる面的開発施設における冷暖房等の熱利用に適用することができる。
地中熱交換システム１０は、負荷側のヒートポンプ３０における熱交換の熱源とする熱媒流体を貯蓄するものである。地中熱交換システム１０は、より高い温度の熱媒流体を入出力する高温域ポートＨと、より低い温度の熱媒流体を入出力する低温域ポートＬを有する。地中熱交換システム１０の詳細については後述する。なお、ポートとは、地中熱交換システム１０がループ管２１に接続する接続部のことをいうものとする。
ループ管２１は熱媒流体を循環させるための配管である。熱媒流体は、地中熱交換システム１０およびループ管２１内に常時満たされた状態で循環する。ループ管２１は、例えば断熱性に優れた樹脂管あるいは断熱材を巻いた鋼管とし、熱損失を小さくする。ループ管２１の両端部は、前記の高温域ポートＨ、低温域ポートＬとそれぞれ接続される。ループ管２１の高温域ポートＨ、低温域ポートＬ側の端部には、温度計Ｔ１、Ｔ２がそれぞれ取り付けられる。温度計Ｔ１、Ｔ２としては、熱電対や測温抵抗体が用いられる。
ループ管２１には、上記の温度計Ｔ１、Ｔ２の他、ポンプ２２、逆流防止弁２３、四方弁２４、ヒートポンプ３０の熱交換部３０ａ、および太陽熱ヒートポンプ３１の熱交換部３１ａが設けられる。
ポンプ２２は、熱媒流体を循環させるために用いられる。
逆流防止弁２３は、熱媒流体の流向を一定に保つために設けられる。
四方弁２４は、ループ管２１の接続状態を切り替えることにより、高温域ポートＨ、低温域ポートＬの入出力を切り替えるものである。本実施形態では、図で示す箇所ａ〜ｄの接続を切り替えるが、これについては後述する。
ヒートポンプ３０は熱利用システム１における負荷側である。ヒートポンプ３０は、ループ管２１を流れる熱媒流体を熱源として用い、熱交換部３０ａにおいて熱交換を行う。ここで、ヒートポンプ３０は空調用とし、上記の熱交換を利用して外気の温度を調整し空調空気を生成するものとする。図では２台のヒートポンプ３０を設けているが、その数はこれに限らない。
太陽熱ヒートポンプ３１は、太陽熱や空気熱を熱源として熱交換を行うための熱源機構である。特開昭５８−１５８４５５号公報等にも示されているが、太陽熱ヒートポンプ３１は、昼間では日射があるときには太陽熱を、日射がないときには空気熱を利用して熱交換部３１ａにて熱交換を行い熱媒流体を昇温する。一方、夜間では、長波長放射を併用して大気への放熱により熱交換部３１ａにて熱交換を行い熱媒流体を降温する。図では２台の太陽熱ヒートポンプ３１を設けているが、その数はこれに限らない。
以上の各装置は、熱利用システム１全体を制御する制御部（不図示）と接続されており、後述するフローに沿って制御が行われる。
（地中熱交換システム１０の構成）
図２、３は、地中熱交換システム１０を示す図である。図２は地中熱交換システム１０の平面構成を示す。図３（ａ）は地中熱交換システム１０の鉛直方向の構成を示した図であり、図３（ｂ）は外管１３ａの管壁を拡大して示した図である。
図２に示すように、地中熱交換システム１０は、２つの単位アレイ１０−１、１０−２から構成される。単位アレイ１０−１、１０−２は、それぞれ、８本の二重管１３と、２本ずつの第１ヘッダー管１１および第２ヘッダー管１９と、２本の第１ヘッダー管１１、第２ヘッダー管１９の端部にそれぞれ設けられる第３ヘッダー管３、第４ヘッダー管４からなる。
図３（ａ）に示すように、二重管１３は、外管１３ａと内管１３ｂからなる。
外管１３ａは、２００ｍｍ程度の内径を有する、１０ｍ程度の長さの管体である。図３（ｂ）に示すように、外管１３ａの管壁は鉛直方向に沿って波形状となっており、外管１３ａ内を流れる熱媒流体の乱流化を促進する。
内管１３ｂは、外管１３ａの内側に挿入される内径２０ｍｍ程度の管体である。内管１３ｂの下端は外管１３ａの下部に達する。
単位アレイ１０−１、１０−２では、二重管１３が４本ずつ一まとめにされる。すなわち、単位アレイ１０−１、１０−２では、２本の第２ヘッダー管１９のそれぞれに、４本の二重管１３の外管１３ａが、上部に設けた配管１７を介して接続される。また、これらの二重管１３の内管１３ｂは、２本の第１ヘッダー管１１のそれぞれに接続される。前記したように、２本の第１ヘッダー管１１は第３ヘッダー管３に接続され、２本の第２ヘッダー管１９は第４ヘッダー管４に接続される。このようにして、各単位アレイ１０−１、１０−２では、８本の二重管１３が各ヘッダー管により並列に接続される。なお、図３（ａ）では１本の第１ヘッダー管１１および第２ヘッダー管１９と接続される４本の二重管１３のみ示している。
図２に示すように、単位アレイ１０−１の第４ヘッダー管４と、単位アレイ１０−２の第３ヘッダー管３は配管５で接続される。これにより、単位アレイ１０−１、１０−２が直列に接続される。この時、図３（ａ）に示すように、単位アレイ１０−１の二重管１３の外管１３ａの上部と、単位アレイ１０−２の二重管１３の内管１３ｂとが連通する。また、単位アレイ１０−１の第３ヘッダー管３には低温域ポートＬが設けられ、単位アレイ１０−２の第４ヘッダー管４には高温域ポートＨが設けられる。
図３（ａ）に示すように、本実施形態では、隣り合う二重管１３同士の間隔Ｌ１を、例えば０．３〜１ｍ程度とし、単位アレイ１０−１、１０−２の二重管１３を高密度に配置する。また、二重管１３の上端部は、地表面からＬ２＝２ｍ程度の深さに配置される。
（地中熱交換システム１０内の熱媒流体）
図４は、地中熱交換システム１０の各単位アレイ１０−１、１０−２の二重管１３内の熱媒流体の温度成層の例を示す図である。図では各単位アレイ１０−１、１０−２について１本の二重管１３のみ示している。
図に示すように、単位アレイ１０−１の二重管１３内では、下端部が１２℃であり上方にゆくにつれて温度が上昇し上端部で１７℃となる熱媒流体の温度成層が形成されている。一方、単位アレイ１０−２の二重管１３内では、下端部が１７℃であり上方にゆくにつれて温度が上昇し上端部で２２℃となる温度成層が形成されている。各二重管１３の周囲の地盤は、上記の温度成層と同様の温度分布となっている。なお、この温度分布は、後述するＡＲにより達成されたものである。
本実施形態では、このように単位アレイ１０−１、１０−２の二重管１３で５℃の温度差を有する温度成層を形成し、単位アレイ１０−１、１０−２を直列に接続することで、地中熱交換システム１０内の熱媒流体の温度差を、上記の温度差の２倍である１０℃としている。また、前記した単位アレイ１０−１、１０−２の構成により、低温の熱媒流体が貯蓄されている単位アレイ１０−１の二重管１３の外管１３ａ下部を低温域ポートＬに連通させ、高温の熱媒流体が貯蓄されている単位アレイ１０−２の二重管１３の外管１３ａ上部を高温域ポートＨに連通させている。
このような二重管１３内の温度成層を安定的に形成するため、本実施形態では、外管１３ａの径をＤとした場合に、レイノルズ数Ｒｅ＝Ｕ×Ｄ／νを１０００程度にするよう熱媒流体の循環時の速度ν、動粘性係数Ｕ等を定めておく。熱媒流体は、例えば水にエチレングリコールやプロピレングリコール等を添加した不凍液であり、エチレングリコールやプロピレングリコール等の添加量の調整により動粘性係数を定めることができる。ただし、熱媒流体はその他水等でもよい。また、熱媒流体の速度νはポンプ２２により調整でき、例えば、二重管１３内で０．３ｍ／ｍｉｎと低速になるように制御する。なお、本実施形態では外管１３ａの管壁が波形状であるので、Ｒｅ＝２０００以下の低いレイノルズ数でも管壁近辺では乱流状態が保たれ、外管１３ａ内の熱媒流体と周囲地盤との伝熱が促進される。
なお、各単位アレイ１０−１、１０−２における二重管１３の本数は、ループ管２１の循環流量や二重管１３の流路断面積等から定められ、例えば１本とする可能性もある。また、各単位アレイ１０−１、１０−２において、熱媒流体が二重管１３内を流れる流路長は二重管１３の間でほぼ等しいので、各二重管１３から出る熱媒流体の温度が異なるといったことはなく、流量調整のためのバルブ等は不要である。
（熱利用システム１の制御）
次に、熱利用システム１の制御と、地中熱交換システム１０内の熱媒流体等の温度変化について説明する。図５は、熱利用システム１の制御フローを示す図である。
図５に示すように、熱利用システム１では、システムの起動を行う（Ｓ１）と、予め定めた運転スケジュールにより管理された運転制御を開始する（Ｓ２）。
上記の運転スケジュールを示すものが図６（ａ）であり、後述する温熱出力、温熱ＡＲ、冷熱出力、冷熱ＡＲの運転モードで制御が行われる時間帯を示している。例えば、温熱出力運転は、冬季の８時から１０時、および１８時から２０時にかけて行われる。
熱利用システム１は、この運転スケジュールを参照して、各運転モードでの運転制御を行う。図６（ｂ）は、運転モード別の制御を示す図であり、負荷側のヒートポンプ３０と太陽熱ヒートポンプ３１の運転・停止状態、四方弁２４の接続状態、および図１の温度計Ｔ１、Ｔ２と各箇所イ〜二の温度変化範囲を示す。なお、図の「温度範囲（℃）」は、各運転モード開始時の温度と終了時の温度を示したものである。以下、各運転モード別の制御について説明する。
（１−１．温熱出力運転）
熱利用システム１の制御部は、冬季において、温熱出力運転が行われる時間（例えば８時、図６（ａ）参照）となれば（Ｓ３：熱出力モード、Ｓ４：温熱出力運転）、温熱出力運転を開始する。
温熱出力運転開始時の地中熱交換システム１０内の熱媒流体の温度分布を、図７（ａ）に示す。これは前記の図４と同様の分布であり、二重管１３周囲の地盤の温度分布も二重管１３内の温度分布と同様のものとなっている。
温熱出力運転は、ヒートポンプ３０での熱交換を利用して暖房を行う際に実行される。温熱出力運転を行う際、熱利用システム１の制御部は、ポンプ２２を稼働させ、図６（ｂ）で示すように四方弁２４の切り替えを行って、ループ管２１の箇所ａと箇所ｂ、および箇所ｃと箇所ｄとを接続する。この状態を示したものが図１である。これにより、地中熱交換システム１０の高温域ポートＨが熱媒流体の吐出側（出力側）となり、低温域ポートＬが熱媒流体の戻り側（入力側）となる（Ｓ５）。
温熱出力運転では、単位アレイ１０−２の外管１３ａの上端部から高温の熱媒流体を取り出し、高温域ポートＨから吐出する。この熱媒流体はループ管２１を流れ、ヒートポンプ３０の熱交換部３０ａに通される。ヒートポンプ３０は、熱媒流体を熱源として熱交換部３０ａにて熱交換を行い室温を昇温し、ヒートポンプ３０の冷排熱によって熱媒流体の温度は低下する。低温となった熱媒流体は戻り側の低温域ポートＬに戻り、単位アレイ１０−１の二重管１３の内管１３ｂを通って外管１３ａの下端部に流入する。なお、温熱出力中は太陽熱ヒートポンプ３１は運転しない。
本実施形態では１台のヒートポンプ３０の熱交換部３０ａでの熱交換により、熱媒流体の温度が５℃低下するものとする。ヒートポンプ３０は２台設けているので、これらの熱交換部３０ａにおける熱交換により熱媒流体の温度は１０℃低下する。
例えば、運転開始時、図１の箇所イでの熱媒流体の温度は２２℃であり、これが熱交換部３０ａでの熱交換により温度低下し、箇所二の温度が１２℃となって（図６（ｂ）参照）、低温域ポートＬに戻る。
温熱出力運転を続け熱媒流体の循環を行うと、単位アレイ１０−１、１０−２内の熱媒流体が、高温のものから順にループ管２１に吐出されるので、高温域ポートＨから吐出される熱媒流体の温度は徐々に低下する。
なお、運転開始時は、単位アレイ１０−２の二重管１３の外管１３ａ上部の周囲の地盤温度は２２℃程度である。これにより、温熱出力運転を続ける際も熱媒流体が外管１３ａの上部で温められる効果がある。また、本実施形態では、前記の通り外管１３ａを流れる熱媒流体の流速を０．３ｍ／ｍｉｎ程度と遅く制御する。従って、上記の地熱効果とも相まって、高温域ポートＨから吐出される熱媒流体の温度変化は緩やかになり、高温の熱媒流体が安定的に供給される。これは、従来の小口径のＵ形状のチューブを地中に埋設するようなケースに比べて有利である。さらに、本実施形態では単位アレイ１０−１、１０−２を直列に接続するので、温熱出力運転、あるいは後述する冷熱出力運転における熱媒流体の交換熱量を大きくできる。
図５の説明に戻る。本実施形態では、高温域ポートＨから吐出される熱媒流体の温度を温度計Ｔ１で計測しており、予め設定した下限値である１７℃を超えている場合は温熱出力運転を続ける（Ｓ６：Ｙｅｓ）が、１７℃以下になると（Ｓ６：Ｎｏ）、温熱出力を終了してシステムを一旦休止する（Ｓ１４）。なお、この時点では熱媒流体の図１の箇所イでの温度が１７℃、箇所二での温度は７℃であり（図６（ｂ）参照）、７℃の熱媒流体が低温域ポートＬに戻っている。
以上の温熱出力運転を行うと地中熱交換システム１０内の熱媒流体の温度は低下する。本実施形態では、温熱出力運転終了時の地中熱交換システム１０内の熱媒流体の温度分布が、図７（ｂ）に示すように、図７（ａ）の温度分布より全体的に約５℃低い値となる。この熱媒流体が冷熱を排熱することにより、二重管１３の周囲の地盤温度も徐々に低下する。
（１−２．温熱ＡＲ運転）
次に、熱利用システム１の制御部は、温熱ＡＲ運転の開始時間（例えば１２時、図６（ａ）参照）になる（Ｓ３：ＡＲモード、Ｓ９：温熱ＡＲ運転）と、温熱ＡＲを開始する。
温熱ＡＲの開始時の地中熱交換システム１０内の熱媒流体の温度分布の例を、図７（ｃ）に示す。この時の温度分布は、上記の冷排熱により図７（ｂ）の温度分布から全体的に若干（α0℃）上昇した状態である。
温熱ＡＲ運転は、太陽熱ヒートポンプ３１を利用した熱交換によりループ管２１を循環する熱媒流体の昇温を行い、二重管１３の周囲の地盤温度を上昇させるために実行される。本実施形態では、太陽熱ヒートポンプ３１の集熱効率が高く熱媒流体の昇温時の運転効率の良い昼間に温熱ＡＲ運転を行う。
温熱ＡＲ運転を行う際、熱利用システム１の制御部は、ポンプ２２を稼働させ、図６（ｂ）で示すように四方弁２４の切り替えを行い、ループ管２１の箇所ａと箇所ｄ、および箇所ｂと箇所ｃとを接続する。この状態を図８に示す。これにより、地中熱交換システム１０の低温域ポートＬが熱媒流体の吐出側となり、高温域ポートＨが熱媒流体の戻り側となる（Ｓ１０）。
温熱ＡＲ運転では、単位アレイ１０−１の二重管１３の外管１３ａの下端部から低温の熱媒流体を取り出し、低温域ポートＬから吐出する。この熱媒流体はループ管２１を流れ、太陽熱ヒートポンプ３１の熱交換部３１ａで温度上昇する。温度上昇した熱媒流体は戻り側の高温域ポートＨに戻り、単位アレイ１０−２の二重管１３の外管１３ａの上端部に流入する。なお、温熱ＡＲ中はヒートポンプ３０は運転しない。
本実施形態では１台の太陽熱ヒートポンプ３１の熱交換部３１ａでの熱交換により熱媒流体の温度が５℃上昇するものとし、これを２台設けて１０℃上昇させる。
例えば、運転開始時、図８の箇所イでの熱媒流体の温度は（７＋α0）℃であり、これが熱交換部３１ａでの熱交換により温度上昇し、箇所二での温度が（１７＋α0）℃となって（図６（ｂ）参照）、高温域ポートＨに戻る。
温熱ＡＲ運転を続け熱媒流体の循環を行うと、単位アレイ１０−１、１０−２内の熱媒流体が、低温のものから順にループ管２１に吐出されるので、低温域ポートＬから吐出される熱媒流体の温度は徐々に上昇する。
本実施形態では、低温域ポートＬから吐出される熱媒流体の温度を温度計Ｔ２で計測しており、予め設定した上限値である（１２＋α1）℃を下回る場合は温熱ＡＲ運転を続ける（Ｓ１１：Ｙｅｓ）が、（１２＋α1）℃以上になると（Ｓ１１：Ｎｏ）、太陽熱ヒートポンプ３１の稼働を終了してシステムを一旦休止する（Ｓ１４）。なお、この時点では熱媒流体の図８の箇所イでの温度が（１２＋α1）℃、箇所二での温度は（２２＋α1）℃であり（図６（ｂ）参照）、（２２＋α1）℃の熱媒流体が高温域ポートＨに戻っている。
このように、本実施形態では、まず、温熱ＡＲ運転を行って、太陽熱ヒートポンプ３１を稼働し、二重管１３内の熱媒流体の温度を上昇させる（図６（ａ）の「温熱ＡＲ」参照）。温熱ＡＲ終了時の熱交換システム１０内の熱媒流体の温度分布の例を図７（ｄ）に示す。例えば、単位アレイ１０−１の二重管１３下部では、（１２＋α1）℃となっている。
そして、本実施形態では、その後太陽熱ヒートポンプ３１の稼働を行うことなく、地中熱交換システム１０の熱媒流体の温熱の排熱により、周囲の地盤の温度を徐々に上昇させる（図６（ａ）の「周囲地盤ＡＲ」参照）。周囲地盤のＡＲは、二重管１３内の熱媒流体と二重管１３の周囲地盤の温度分布が同様になると終了する。
上記のα1は、周囲地盤のＡＲの終了までに、二重管１３内の熱媒流体が周囲地盤に排熱する温熱の量を考慮した付加制御値である。付加制御値α1は、周囲地盤のＡＲ終了時に、二重管１３内の熱媒流体の温度分布が図７（ａ）に示す制御値に戻るように定める。前記のＳ１１における判定値（１２＋α1）℃は、単位アレイ１０−１の二重管１３下部の温度の制御値（１２℃、図７（ａ）参照）に、付加制御値α1を加えた値として規定したものである。
付加制御値α1は、例えば、上記の排熱量をＱ1（J）とし、地中熱交換システム１０の二重管１３内の熱媒流体の熱容量Ｃ（J/K）としたときに、Ｑ１＝Ｃ・α1を満たすように定めることができる。ここで、熱容量Ｃは、熱媒流体の密度をρ（kg/m3）、比熱をＣｐ（J/kg・K）、容積をＶ（m3）としたときに、Ｃ＝ρ・Ｃｐ・Ｖで求められる。
これにより、二重管１３の周囲地盤の温度は、６時間程度で温熱出力開始前の状態に回復する。この時、二重管１３内の温度分布も図７（ａ）に示す初期状態に戻っている。
冬季には、以上に示すように温熱出力運転と温熱ＡＲ運転を繰り返し、適宜、熱媒流体と地盤の温度回復を行いつつ、熱媒流体を熱源として暖房運転等を行うことができる。
（２−１．冷熱出力運転）
熱利用システム１の制御部は、夏季において、冷熱出力運転が行われる時間（例えば８時、図６（ａ）参照）となれば（Ｓ３：熱出力モード、Ｓ４：冷熱出力運転）、冷熱出力運転を開始する。冷熱出力運転開始時の地中熱交換システム１０内の熱媒流体の温度分布を、図７（ｅ）に示す。これも前記の図４と同様の分布であり、二重管１３周囲の地盤の温度分布も二重管１３の温度分布と同様となっている。
冷熱出力運転は、ヒートポンプ３０での熱交換を利用して冷房を行う際に実行される。冷熱出力運転を行う際、熱利用システム１の制御部は、ポンプ２２を稼働させ、図６（ｂ）で示すように四方弁２４の切り替えを行って、前記の図８で示すように、ループ管２１の箇所ａと箇所ｄ、および箇所ｂと箇所ｃとを接続する。これにより、地中熱交換システム１０の低温域ポートＬが熱媒流体の吐出側となり、高温域ポートＨが熱媒流体の戻り側となる（Ｓ７）。
冷熱出力運転では、単位アレイ１０−１の外管１３ａの下端部から低温の熱媒流体を取り出し、低温域ポートＬから吐出する。この熱媒流体はループ管２１を流れ、ヒートポンプ３０の熱交換部３０ａに通される。ヒートポンプ３０は、熱媒流体を熱源として熱交換部３０ａにて熱交換を行い室温を降温させ、ヒートポンプ３０の温排熱によって熱媒流体の温度は上昇する。高温となった熱媒流体は戻り側の高温域ポートＨに戻り、単位アレイ１０−２の二重管１３の外管１３ａの上端部に流入する。なお、冷熱出力中は太陽熱ヒートポンプ３１は運転しない。
本実施形態では１台のヒートポンプ３０の熱交換部３０ａでの熱交換により、熱媒流体の温度が５℃上昇するものとする。ヒートポンプ３０は２台設けているので、これらの熱交換部３０ａにおける熱交換により熱媒流体の温度は１０℃上昇する。
例えば、運転開始時、図８の箇所イでの熱媒流体の温度は１２℃であり、これが熱交換部３０ａでの熱交換により温度上昇し、箇所二の温度が２２℃となって（図６（ｂ）参照）、高温域ポートＨに戻る。
冷熱出力運転を続け熱媒流体の循環を行うと、単位アレイ１０−１、１０−２内の熱媒流体が、低温のものから順にループ管２１に吐出されるので、低温域ポートＬから吐出される熱媒流体の温度は徐々に上昇する。
なお、運転開始時は、単位アレイ１０−１の二重管１３の外管１３ａ下部の周囲の地盤温度は１２℃程度である。これにより、冷熱出力運転を続ける際も熱媒流体が外管１３ａの下部で冷やされる効果がある。加えて、冷熱出力時でも外管１３ａを流れる熱媒流体の流速は０．３ｍ／ｍｉｎ程度と遅く制御するので、低温域ポートＬから吐出される熱媒流体の温度変化は緩やかになり、低温の熱媒流体が安定的に供給される。
図５の説明に戻る。本実施形態では、低温域ポートＬから吐出される熱媒流体の温度を温度計Ｔ２で計測しており、予め設定した上限値である１７℃を下回る場合は冷熱出力運転を続ける（Ｓ８：Ｙｅｓ）が、１７℃以上になると（Ｓ８：Ｎｏ）、冷熱出力を終了してシステムを一旦休止する（Ｓ１４）。なお、この時点では熱媒流体の図８の箇所イでの温度が１７℃、箇所二の温度は２７℃であり（図６（ｂ）参照）、２７℃の熱媒流体が高温域ポートＨに戻っている。
以上の冷熱出力運転を行うと地中熱交換システム１０内の熱媒流体の温度は上昇する。本実施形態では、冷熱出力運転終了時の地中熱交換システム１０内の熱媒流体の温度分布が、図７（ｆ）に示すように、図７（ｅ）の温度分布より全体的に約５℃高い値となる。この熱媒流体が温熱を排熱することにより、二重管１３の周囲の地盤温度も徐々に上昇する。
（２−２．冷熱ＡＲ運転）
次に、熱利用システム１の制御部は、冷熱ＡＲ運転の開始時間（例えば翌０時、図６（ａ）参照）になる（Ｓ３：ＡＲモード、Ｓ９：冷熱ＡＲ運転）と、冷熱ＡＲを開始する。
冷熱ＡＲの開始時の地中熱交換システム１０内の熱媒流体の温度分布の例を、図７（ｇ）に示す。この時の温度分布は、上記の温排熱により図７（ｆ）の温度分布から全体的に若干（α0℃）低下した状態である。
冷熱ＡＲ運転は、太陽熱ヒートポンプ３１を利用した熱交換によりループ管２１を循環する熱媒流体の降温を行い、二重管１３の周囲の地盤温度を低下させるために実行される。本実施形態では、太陽熱ヒートポンプ３１からの放熱量を多くでき熱媒流体の降温時の運転効率の良い夜間に冷熱ＡＲ運転を行う。
冷熱ＡＲ運転を行う際、熱利用システム１の制御部は、ポンプ２２を稼働させ、図６（ｂ）で示すように四方弁２４の切り替えを行い、前記の図１で示すように、ループ管２１の箇所ａと箇所ｂ、および箇所ｃと箇所ｄとを接続する。これにより、地中熱交換システム１０の高温域ポートＨが熱媒流体の吐出側となり、低温域ポートＬが熱媒流体の戻り側となる（Ｓ１２）。
冷熱ＡＲ運転では、単位アレイ１０−２の二重管１３の外管１３ａの上端部から高温の熱媒流体を取り出し、高温域ポートＨから吐出する。この熱媒流体はループ管２１を流れ、太陽熱ヒートポンプ３１の熱交換部３１ａで温度低下する。温度低下した熱媒流体は戻り側の低温域ポートＬに戻り、単位アレイ１０−１の二重管１３の内管１３ｂを経由して外管１３ａの下端部に戻る。なお、冷熱ＡＲ中はヒートポンプ３０は運転しない。
本実施形態では１台の太陽熱ヒートポンプ３１の熱交換部３１ａによる熱交換により熱媒流体の温度が５℃低下するものとし、これを２台設けて１０℃低下させる。
例えば、運転開始時、図１の箇所イでの熱媒流体の温度は（２７−α0）℃であり、これが熱交換部３１ａでの熱交換により温度低下し、箇所二での温度が（１７−α0）℃となって（図６（ｂ）参照）、低温域ポートＬに戻る。
冷熱ＡＲ運転を続け熱媒流体の循環を行うと、単位アレイ１０−１、１０−２内の熱媒流体が、高温のものから順にループ管２１に吐出されるので、高温域ポートＨから吐出される熱媒流体の温度は徐々に低下する。
本実施形態では、高温域ポートＨから吐出される熱媒流体の温度を温度計Ｔ１で計測しており、予め設定した下限値である（２２−α2）℃を超える場合は冷熱ＡＲ運転を続ける（Ｓ１３：Ｙｅｓ）が、（２２−α2）℃以下になると（Ｓ１３：Ｎｏ）、太陽熱ヒートポンプ３１の運転を終了してシステムを一旦休止する（Ｓ１４）。なお、この時点では図１の箇所イでの熱媒流体の温度が（２２−α2）℃、箇所二の熱媒流体の温度は（１２−α2）℃であり（図６（ｂ）参照）、（１２−α2）℃の熱媒流体が低温域ポートＬに戻っている。
このように、本実施形態では、前記と同様、まず冷熱ＡＲ運転を行って、太陽熱ヒートポンプ３１を稼働し、二重管１３内の熱媒流体の温度を低下させる（図６（ａ）の「冷熱ＡＲ」参照）。冷熱ＡＲ終了時の熱交換システム１０内の熱媒流体の温度分布の例を図７（ｈ）に示す。例えば、単位アレイ１０−２の二重管１３上部では、（２２−α2）℃となっている。
そして、その後太陽熱ヒートポンプ３１の稼働を行うことなく、地中熱交換システム１０の熱媒流体の冷熱を用いて、周囲の地盤の温度を徐々に低下させる（図６（ａ）の「周囲地盤ＡＲ」参照）。前記と同様、周囲地盤のＡＲは、二重管１３内の熱媒流体と二重管１３の周囲地盤の温度分布が同様になると終了する。
上記のα2は、周囲地盤のＡＲの終了までに、二重管１３内の熱媒流体が周囲地盤に排熱する冷熱の量を考慮した付加制御値である。付加制御値α2は、周囲地盤のＡＲ終了時に、二重管１３内の熱媒流体の温度分布が図７（ｅ）に示す制御値に戻るように定める。前記のＳ１３における判定値（２２−α2）℃は、単位アレイ１０−２の二重管１３上部の温度の制御値（２２℃、図７（ｅ）参照）に、付加制御値α2を減じた値として規定したものである。付加制御値α2は、前記と同様、例えば、上記の排熱量をＱ2（J）としたときにＱ2＝Ｃ・α2を満たすように定めることができる。
これにより、二重管１３の周囲地盤の温度は、８時間程度で冷熱出力開始前の状態に回復する。この時、二重管１３内の温度分布も図７（ｅ）に示す初期状態に戻っている。
夏季には、以上に示すように冷熱出力運転と冷熱ＡＲ運転を繰り返し、適宜、熱媒流体と地盤の温度回復を行いつつ、熱媒流体を熱源として冷房運転等を行うことができる。
以上説明したような冬季あるいは夏季のサイクルにおいて、二重管１３内の熱媒流体の温度および二重管１３周囲の地盤温度は普遍的には１７±５℃の範囲で維持されるため、地中熱交換システム１０の外側にある地盤恒温層の温度を、１７℃程度でほぼ維持することが可能である。
また、地盤内の温度影響範囲は二重管１３の周囲０．３〜１ｍ程度であり、二重管１３の配置間隔はこれに合わせたものである。これらの範囲の地盤の温度を適宜回復しながら熱利用システム１を運転することにより、二重管１３間の間隔を大きくとらずとも温熱出力や冷熱出力運転等を好適にできるので、小さな設置スペースで地中熱交換システム１０を配置でき、ビルの駐車場やエントランス下など限定的な範囲で配置できる利点がある。
（ＡＲの作用）
上記したように、本実施形態では、ＡＲ時、熱媒流体の温度が設定値に達した後は、太陽熱ヒートポンプ３１の稼働を行うことなく、地中熱交換システム１０の熱媒流体の熱を用いて、二重管１３周囲の地盤温度を回復している。図９は、冷熱ＡＲにより約２２℃の地盤を約１７℃にまで低下させる際の地盤温度の変化を模式的に示す。図は二重管１３から平面上約０．３ｍ離れた地点における温度変化である。図に示すように、地盤温度は緩やかに低下し、８時間程度で５℃低下する。
従来、周囲地盤のＡＲを行う際は、太陽熱ヒートポンプ３１等による熱媒流体に対する熱交換を、周囲地盤の温度が回復するまで継続的に行っていた。しかしながら、図９のグラフから判るように、地盤の伝熱速度は遅く、例えば冷熱ＡＲの場合では、地盤の温度が低下する前に、熱媒流体の温度が低下しすぎて必要以上にエネルギーを消費する恐れがある。
そこで、これを防ぐために熱媒流体の温度を制御に用いた場合でも、地盤温度が回復する前に、
・熱媒流体が設定温度未満になり熱交換停止
・熱媒流体より高温な周囲地盤により熱媒流体の温度が上昇
・熱媒流体が設定温度以上になり熱交換再開
というような制御を繰り返すことになり、運転効率は低くなる。これは温熱ＡＲ時でも同様である。
一方、本実施形態では、上記のように大口径の二重管１３を複数用いて地中熱交換システム１０における熱媒流体の熱容量を大きくし、ＡＲ時では、太陽熱ヒートポンプ３１での熱交換により熱媒流体の温度を設定温度とした後は、太陽熱ヒートポンプ３１を停止して、地中熱交換システム１０内の熱媒流体を用いて周囲の地盤温度を回復するので、ＡＲ時の効率を高めることができる。ただし、場合によっては、上記したような熱媒流体の温度による制御を行いながら、周囲地盤の温度が回復するまで太陽熱ヒートポンプ３１等による熱媒流体に対する熱交換を続けてもよい。
以上説明したように、本実施形態では、地盤温度の回復を行う際に、まず太陽熱ヒートポンプ３１を運転して熱媒流体の温度を変化させるが、その後は太陽熱ヒートポンプ３１を停止し、温度変化後の熱媒流体により地盤温度を回復させる。熱媒流体の温度は、地盤の温度と比較して短時間で変化するので、地盤温度の回復のため太陽熱ヒートポンプ３１を長時間運転することがなく、省エネルギーが実現できる。また、負荷側での熱交換によって変化した地盤温度を回復することで、地盤の温度変化により熱利用システム１の省エネルギー性能が低下することを防ぐことができる。
すなわち、本実施形態では、外径２００ｍｍ程度の大口径の二重管１３を用いることで、二重管１３内の熱媒流体の熱容量を大きくし、短時間・大容量のＡＲ熱量を無駄なく二重管１３内の熱媒流体に蓄熱できる。二重管１３内の熱媒流体のＡＲは単位アレイあたり約３０分と短時間で完了する。負荷側での熱交換についても、二重管１３内の熱媒流体により大きな熱需要に対応できる利点がある。
一方、地盤の熱伝導率は小さいため周囲地盤のＡＲには６〜８時間必要であるが、上記により一旦二重管１３内の熱媒流体に蓄熱される熱容量は、例えば通常のＵチューブの約１００倍と大きいため、太陽熱ヒートポンプ３１の停止後も熱媒流体から周囲の地盤への２次的なＡＲを好適に行うことができる。従って、ＡＲに要する太陽熱ヒートポンプ３１の運転時間は大幅に短縮され、消費電力の低減となる。
また、地中熱交換システム１０では、温度成層効果を有する二重管１３内に、上部高温、下部低温の温度成層を形成することができ、かつＡＲによって二重管１３周囲の地盤温度が温度成層に沿った温度分布に回復するので、冷熱出力時には低温域の二重管１３下部から負荷側に低温で安定した熱媒流体を供給し、温熱出力時には高温域の二重管１３上部から負荷側に高温で安定した熱媒流体を供給し、負荷側での熱交換を高効率に行うことができる。また、単位アレイを直列に接続することで熱容量を増やすとともに、熱媒流体のアレイ通過時間を需要時間に合わせることで、冷暖房等のピーク時に生じる大容量・短時間の熱需要に対して、数時間継続する安定した温度の熱媒流体を供給することができる。
また、本実施形態では、ループ管２１に設けた四方弁２４により高温域ポートＨと低温域ポートＬにおける熱媒流体の入出力を切り替えて、負荷側での熱交換時と、地盤温度回復時の運転を好適に行うことができる。
加えて、本実施形態では、太陽熱ヒートポンプ３１を運転効率のよい時間帯で運転してＡＲを行い、二重管１３内の熱媒流体と周囲地盤の温度回復に利用する。これにより温度回復された熱媒流体等を、熱需要の高い時間帯に、ヒートポンプ３０の熱交換における熱源として利用することで、太陽熱ヒートポンプ３１の熱出力と熱需要のアンマッチングを熱利用システム１全体で解消することができる。
以上により、高いシステムＣＯＰ達成による省エネルギー効果が得られる。すなわち、上記した効果により、ヒートポンプ３０、ポンプ２２、太陽熱ヒートポンプ３１及び地中熱交換システム１０等、熱利用システム１全体の省エネルギー性能は大きく改善される。
しかしながら、本発明は上記に説明したものに限らない。例えば、負荷側のヒートポンプ３０は空調以外の用途に用いるものであってもよいし、太陽熱ヒートポンプ３１に替えてその他の熱源機構を用いることも可能である。またこれらの機器とループ管の構成、あるいは入出力ポートの切替手段等も、上記に示したもの以外にも種々考えられる。その一例を第２の実施形態として以下説明する。
［第２の実施形態］
図１０は、第２の実施形態の熱利用システム１ａを示す図である。この熱利用システム１ａは、ヒートポンプ３０を配置したループ管２１ａと、太陽熱ヒートポンプ３１を配置したループ管２１ｂとを別に設けたものである。これらのループ管２１ａ、２１ｂは両端部で合流し、地中熱交換システム１０の高温域ポートＨと低温域ポートＬにそれぞれ接続される。
ループ管２１ａには、ヒートポンプ３０の熱交換部３０ａの他、ポンプ２２ａ、開閉弁２９ａ、２９ａが設けられる。ループ管２１ｂには、太陽熱ヒートポンプ３１の熱交換部３１ａの他、ポンプ２２ｂ、開閉弁２９ｂ、２９ｂが設けられる。ポンプ２２ａ、２２ｂとしては、双方向ポンプが用いられる。
温熱出力時および冷熱出力時には、開閉弁２９ａ、２９ａを開き、開閉弁２９ｂ、２９ｂを閉じる。そして、温熱出力時には、ポンプ２２ａにより、熱媒流体をループ管２１ａの矢印ａ１に示す方向に循環させる。一方、冷熱出力時では、熱媒流体をループ管２１ａの矢印ａ２に示す方向に循環させる。
温熱ＡＲ時および冷熱ＡＲ時には、開閉弁２９ａ、２９ａを閉じ、開閉弁２９ｂ、２９ｂを開く。そして、温熱ＡＲ時には、ポンプ２２ｂにより、熱媒流体をループ管２１ｂの矢印ｂ１に示す方向に循環させる。一方、冷熱ＡＲ時では、熱媒流体をループ管２１ａの矢印ｂ２に示す方向に循環させる。
以上の制御により、温熱出力、冷熱ＡＲ時には高温域ポートＨが吐出側、低温域ポートＬが戻り側になり、冷熱出力、温熱ＡＲ時には逆になる。
熱利用システム１ａ全体の制御は、上記のようにして開閉弁２９ａ、２９ａ、２９ｂ、２９ｂとポンプ２２ａ、２２ｂにより各ポートの入出力を切り替える以外は第１の実施形態と同様である。すなわち、第２の実施形態では開閉弁２９ａ、２９ａ、２９ｂ、２９ｂとポンプ２２ａ、２２ｂが入出力ポートを切り替える入出力切替手段となっている。この第２の実施形態でも、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
［第３の実施形態］
図１１に第３の実施形態の熱利用システム１ｂを示す。この熱利用システム１ｂは、図１等で説明した第１の実施形態の熱利用システム１において、さらに、ループ管２１に流向切替手段として四方弁２５を設け、これによりループ管２１内の流向を切り替え可能とした例である。
ここで、ヒートポンプ３０は、貯湯槽に貯めておいた給湯用の水を熱するために用いるものとする。この場合、ヒートポンプ３０はできる限り水を高温とできるものが望ましく、第１の実施形態のように地中熱交換システム１０からの温熱出力では十分でない恐れがある。
そこで、第３の実施形態ではループ管２１内の流向を四方弁２５で切り替え、温熱出力時に、地中熱交換システム１０の高温域ポートＨから吐出した高温の熱媒流体を、太陽熱ヒートポンプ３１で更に加熱し、ヒートポンプ３０へ供給して熱源として用いる。
すなわち、四方弁２５により、図に示す箇所ａ’とｄ’、箇所ｂ’とｃ’を接続した状態と、箇所ａ’とｂ’、箇所ｃ’とｄ’を接続した状態とを切り替えることができる。四方弁２４が箇所ａとｄ、箇所ｂとｃを接続した状態とすると、前者の場合には図の矢印２６に示す方向に熱媒流体が流れ、後者の場合は図の矢印２７に示す方向に熱媒流体が流れる。そして、前者の場合では、地中熱交換システム１０の高温域ポートＨから吐出された熱媒流体を太陽熱ヒートポンプ３１でさらに加熱した後に、ヒートポンプ３０の熱源として使用し、給湯用の水の加熱に使用することができる。
なお、熱利用システム１ｂの制御は前記と同様にでき、温熱出力時に四方弁２４、２５の切り替えを行い流向を矢印２６で示したものとし、温熱出力を終了する際の熱媒流体の設定温度を適当なものに定めればよい。温熱ＡＲ時、冷熱出力、冷熱ＡＲ時にも、各ポートの入出力と流向を適当なものに定めるように、四方弁２４、２５を切り替えればよい。
この第３の実施形態でも、第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、貯湯槽の水の加熱時等には、太陽熱ヒートポンプ３１での加熱により熱媒流体の温度をさらに高め、負荷側での熱交換に用いることができる。なお、流向切替手段は、ループ管２１における流向を切り替えることができるものであればよく、上記した四方弁２５以外にも種々考えられる。例えば双方向ポンプを用いた構成なども可能である。
［第４の実施形態］
本発明に係る地中熱交換システムでは、単位アレイを複数接続することにより、多段の入出力ポートを設定することが可能であり、ヒートポンプ３０（空調用、給湯用など）の組み合わせ、稼働スケジュール、及び負荷に合わせて、地中熱交換システムからの熱出力の温度帯を設定し、柔軟性のあるシステムを構築できる。第４の実施形態では、地中熱交換システムの入出力ポートを１つ増やし、３つ設けた例を説明する。
図１２は、第４の実施形態における地中熱交換システム１０ａを示す。この地中熱交換システム１０ａは、第１の実施形態の単位アレイ１０−１、１０−２に加えてさらに単位アレイを２つ（１０−３、１０−４）直列に接続し、ポートを増やしたものである。
各単位アレイは第１の実施形態と同様の構成であるが、本実施形態では、単位アレイ１０−２の第４ヘッダー管４と、単位アレイ１０−３の第３ヘッダー管３が配管６で直列に接続される。さらに、単位アレイ１０−３の第４ヘッダー管４と単位アレイ１０−４の第３ヘッダー管３とが配管７で接続される。これにより、単位アレイ１０−１〜１０−４が直列に接続される。
そして、低温域のポートＬが単位アレイ１０−１の第３ヘッダー管３に、高温域のポートＨが単位アレイ１０−４の第４ヘッダー管４に設けられるとともに、配管６に中温域のポートＭが設けられる。
図１３は、第４の実施形態における熱利用システム１ｃを示す。この熱利用システム１ｃは、上記のポートＨ、Ｍ、Ｌを、温熱あるいは冷熱の出力とＡＲの温度帯に合わせて切り替える入出力切替手段として、四方弁２４に加え、三方弁２８ａ、２８ｂを設けている。
このように、第４の実施形態では、単位アレイの接続数を増やすことで、地中熱交換システム１０ａ内の熱媒流体の温度差を拡げ、温度レベルに合わせて３段のポートを設置する。
例えば、この地中熱交換システム１０ａでは、熱媒流体の最低温度（単位アレイ１０−１の外管１３ａの下端部）を７℃、最高温度（単位アレイ１０−４の外管１３ａの上端部）を２７℃として温度差を第１の実施形態の２倍の２０℃とできる。この場合では、高温域のポートＨからは２７℃の熱媒流体が、中温域のポートＭからは１７℃の熱媒流体が、低温域のポートＬからは７℃の熱媒流体が吐出できる。
地中熱交換システム１０ａでは、これらのポートの入出力の切り替えにより、以下の３通りの設定が可能になる。
設定（１） 使用ポート：ポートＨ・Ｍ
設定（２） 使用ポート：ポートＭ・Ｌ
設定（３） 使用ポート：ポートＨ・Ｌ
熱利用システム１ｃの制御について、設定（１）は、吐出する熱媒流体の温度を高くできるので、温熱出力に適している。一方、設定（２）は、吐出する熱媒流体の温度を低くできるので、冷熱出力に適している。従って、温熱出力・冷熱出力時で設定（１）、（２）を切り替えることが考えられる。
例えば、温熱出力する場合、設定（１）として、四方弁２４の接続と三方弁２８ａ、２８ｂの通水側を切り替えることにより、高温の熱媒流体を高温域ポートＨからループ管２１に吐出し、熱交換後の中温の熱媒流体を中温域ポートＭから地中熱交換システム１０ａへ戻す。そして、中温域ポートＭに戻される熱媒流体の温度（Ｔ２）が設定温度となった時点で温熱出力は終了する。
なお、温熱ＡＲ運転の場合は、設定（１）の状態で四方弁２４を切り替えることにより、中温域ポートＭから吐出した熱媒流体を太陽熱ヒートポンプ３１で暖め、高温域ポートＨから地中熱交換システム１０ａへ戻す。そして、中温域ポートＭから吐出される熱媒流体の温度（Ｔ２）が設定温度となった時点で太陽熱ヒートポンプ３１の運転は休止し、熱媒流体の熱を用いて引き続き周囲の地盤温度のＡＲを行えばよい。
一方、冷熱出力する場合、設定（２）として、四方弁２４の接続と三方弁２８ａ、２８ｂの通水側を切り替えることにより、低温の熱媒流体を低温域ポートＬからループ管２１に吐出し、熱交換後の中温の熱媒流体を中温域ポートＭから地中熱交換システム１０ａへ戻す。そして、中温域ポートＭに戻される熱媒流体の温度（Ｔ１）が設定温度となった時点で冷熱出力は終了する。
冷熱ＡＲ運転の場合は、設定（２）の状態で四方弁２４を切り替えることにより、中温域ポートＭから吐出した熱媒流体を太陽熱ヒートポンプ３１で冷やし、低温域ポートＬから地中熱交換システム１０ａへ戻す。そして、中温域ポートＭから吐出される熱媒流体の温度（Ｔ１）が設定温度となった時点で太陽熱ヒートポンプ３１の運転は休止し、熱媒流体の熱を用いて引き続き周囲の地盤温度のＡＲを行えばよい。
これらは、春・秋の中間期のように、一日のうちで暖房と冷房が時間帯で切り替わる場合や、生産施設のように通年冷房が必要な空間と事務室のように冷暖房が必要な空間が混在する場合に特に有効である。
さらに、設定（３）では、地中熱交換システム１０の熱容量が設定（１）、（２）の２倍とみなせるので、盛夏時は、低温域ポートＬから熱媒流体を吐出し、高温域ポートＨを熱媒流体の戻り側として、より長期間あるいはより大きな負荷量の冷房に用いることも可能である。これと同様に、厳冬期には、高温域ポートＨから熱媒流体を吐出し、低温域ポートＬを熱媒流体の戻り側とし、より長期間あるいはより大きな負荷量の暖房あるいは給湯に用いることも可能である。
このように、第４の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、入出力ポートを多段にすることによって、熱需要に合わせて柔軟性のあるシステムが構築でき、運転効率の向上につながる。なお、３ポート以上の多段ポートも可能であり、使用温度帯をさらに拡大することが可能となる。
［第５の実施形態］
図１４は、第５の実施形態の地中熱交換システム１０ｂを示す図である。この地中熱交換システム１０ｂは、４つの単位アレイ１０−１〜１０−４をエの字型に配置して構成されたものである。
すなわち、地中熱交換システム１０ｂでは、単位アレイ１０−１、１０−３の第４ヘッダー管４同士が配管８で接続されるとともに、単位アレイ１０−２、１０−４の第３ヘッダー管３同士が配管９で接続される。配管８、９にはそれぞれチャッキ弁１２ａ、１２ｂが設けられる。
配管８、９は、チャッキ弁１２ａ、１２ｂの単位アレイ１０−１、１０−２側で配管２ａにより接続され、単位アレイ１０−３、１０−４側が配管２ｂにより接続される。単位アレイ１０−１、１０−３の第３ヘッダー管３には低温域ポートＬ１、Ｌ２がそれぞれ設けられ、単位アレイ１０−２、１０−４の第４ヘッダー管４にはそれぞれ高温域ポートＨ１、Ｈ２が設けられる。また、各ポートＬ１、Ｌ２、Ｈ１、Ｈ２には開閉弁１８ａ〜１８ｄがそれぞれ設けられる。
この地中熱交換システム１０ｂでは、少なくとも以下の５パターンの入出力が可能になる。
パターン（１） 低温域ポートＬ１、高温域ポートＨ１
パターン（２） 低温域ポートＬ１、高温域ポートＨ２
パターン（３） 低温域ポートＬ２、高温域ポートＨ１
パターン（４） 低温域ポートＬ２、高温域ポートＨ２
パターン（５） 低温域ポートＬ１・Ｌ２、高温域ポートＨ１・Ｈ２
例えば、開閉弁１８ａ、１８ｃを開き、開閉弁１８ｂ、１８ｄを閉じて低温域ポートＬ１、高温域ポートＨ１を使用してパターン（１）での運転を終えた後、開閉弁１８ａ〜１８ｄの開閉を逆転させ低温域ポートＬ２、高温域ポートＨ２を使用してパターン（４）での運転に切り替えることで、熱出力時間を２倍に継続することができる。
また、例えば空調時に通常の２倍の負荷量である場合は、開閉弁１８ａ〜１８ｄを開いて、低温域ポートＬ１・Ｌ２、高温域ポートＨ１・Ｈ２を使用してパターン（５）での運転とすることで対応可能になる。
さらに、冷熱出力と温熱出力が同時に必要な場合では、開閉弁１８ａ〜１８ｄを開いて、パターン（１）を温熱出力とし、パターン（４）を冷熱出力とするか、あるいはパターン（１）を冷熱出力とし、パターン（４）を温熱出力とすることでこれらに対応することも可能である。
なお、チャッキ弁１２ａ、１２ｂはこの時閉となり、パターン（１）で使用される熱媒流体とパターン（４）で使用される熱媒流体が混合しないように設ける。例えば、パターン（１）を温熱出力とし、パターン（４）を冷熱出力とする場合、配管８、９、２ａ、２ｂ等では図の矢印ｅ１、ｅ２に示すように熱媒流体がそれぞれ流れるので、これらの混合を防ぐために、チャッキ弁１２ａ、１２ｂは、それぞれ図のｆ１、ｆ２に示す方向の流れを遮断するものであればよい。
この場合でも、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、室負荷が設定を越えた場合や負荷パターンが著しく変動する場合に柔軟な熱出力が可能になり、運転効率の向上につながる。なお、配管２ａ、２ｂに替えて上記で説明したような単位アレイを配置することで、熱容量を増やすこともできる。
以上、添付図を参照しながら、本発明の実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１、１ａ、１ｂ、１ｃ：熱利用システム
１０、１０ａ、１０ｂ：地中熱交換システム
１３：二重管
１３ａ：外管
１３ｂ：内管
２１、２１ａ、２１ｂ：ループ管
２２、２２ａ、２２ｂ：ポンプ
２３：逆流防止弁
２４、２５：四方弁
２８ａ、２８ｂ：三方弁
３０：ヒートポンプ
３１：太陽熱ヒートポンプ
Ｈ、Ｈ１、Ｈ２：高温域ポート
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２：低温域ポート
Ｍ：中温域ポート

Claims (8)

  1. 負荷側に循環させて熱交換を行うための熱媒流体を有する、地盤に設けられた地中熱交換部と、
    前記熱媒流体の昇温または降温を行うための熱源機構と、
    を具備し、
    前記熱媒流体の前記負荷側での熱交換に伴い制御値から変化した前記地盤の温度を前記制御値まで回復させる際に、
    まず前記熱源機構を運転して前記熱媒流体の温度を変化させ、前記地中熱交換部の前記熱媒流体の温度が、当該熱媒流体に対応する位置の前記地盤の温度の前記制御値と異なる所定の値に達した後、前記熱源機構の運転を停止し、温度変化後の前記地中熱交換部の前記熱媒流体により当該熱媒流体に対応する位置の前記地盤の温度を前記制御値まで回復させることを特徴とする熱利用システム。
  2. 前記地中熱交換部は、外管およびその内側の内管を有する二重管により、前記熱媒流体を貯蓄することを特徴とする請求項１記載の熱利用システム。
  3. 前記地中熱交換部は、前記二重管を１または複数設けた単位アレイを複数有し、
    前記内管の下端は前記外管の下部に達し、
    前記複数の単位アレイは、一方の単位アレイの二重管の内管と他方の単位アレイの二重管の外管の上部を連通させることにより直列に接続され、
    前記一方の単位アレイの二重管の外管の上部は、より高い温度の熱媒流体を、前記負荷側から戻すか前記負荷側に吐出するかの入出力を行うためのポートと連通し、
    前記他方の単位アレイの二重管の内管は、より低い温度の熱媒流体の入出力を行うためのポートと連通することを特徴とする請求項２記載の熱利用システム。
  4. 前記熱媒流体は、前記負荷側に設けたループ管を循環し、
    前記ループ管は、
    両端部で前記各ポートと接続され、
    前記熱媒流体を循環させるためのポンプと、
    前記熱源機構による熱交換部と、
    前記各ポートの入出力を切り替えるための入出力切替手段とが設けられ、
    前記入出力切替手段は、前記負荷側での熱交換時と、前記地盤の温度の回復時で、前記各ポートの入出力が逆転するように切り替えることを特徴とする請求項３記載の熱利用システム。
  5. 前記ループ管に、前記熱媒流体の流向を切り替えるための流向切替手段が設けられることを特徴とする請求項４記載の熱利用システム。
  6. 前記地中熱交換部に、それぞれ異なる温度の熱媒流体を入出力するための３つ以上のポートが設けられ、
    前記入出力切替手段は、前記３つ以上のポートのうち、２つのポートを入出力を行うためのポートとして切り替えを行うことを特徴とする請求項４または請求項５記載の熱利用システム。
  7. より低い温度の熱媒流体の入出力を行うためのポートとそれぞれ連通する２つの前記単位アレイを第１の配管で接続し、
    より高い温度の熱媒流体の入出力を行うためのポートとそれぞれ連通する２つの前記単位アレイを第２の配管で接続し、
    前記第１の配管、および前記第２の配管を接続したことを特徴とする請求項３から請求項６のいずれかに記載の熱利用システム。
  8. 負荷側に循環させて熱交換を行うための熱媒流体を有する、地盤に設けられた地中熱交換部と、
    前記熱媒流体の昇温または降温を行うための熱源機構と、
    を具備し、
    前記熱媒流体の前記負荷側での熱交換に伴い変化した前記地盤の温度を回復させる際に、
    まず前記熱源機構を運転して前記熱媒流体の温度を変化させ、その後、前記熱源機構の運転を停止し、温度変化後の前記熱媒流体により前記地盤の温度を回復させることを特徴とする熱利用システムであって、
    前記地中熱交換部は、外管およびその内側の内管を有する二重管により、前記熱媒流体を貯蓄し、
    前記地中熱交換部は、前記二重管を１または複数設けた単位アレイを複数有し、
    前記内管の下端は前記外管の下部に達し、
    前記複数の単位アレイは、一方の単位アレイの二重管の内管と他方の単位アレイの二重管の外管の上部を連通させることにより直列に接続され、
    前記一方の単位アレイの二重管の外管の上部は、より高い温度の熱媒流体を、前記負荷側から戻すか前記負荷側に吐出するかの入出力を行うためのポートと連通し、
    前記他方の単位アレイの二重管の内管は、より低い温度の熱媒流体の入出力を行うためのポートと連通することを特徴とする熱利用システム。
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