JP6370563B2 - 地下水蓄熱システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば、帯水層の地下水を汲み上げて熱源として利用する地下水蓄熱システムに関するものである。

帯水層の水温は年間を通して略一定の温度に保たれている。近年、この帯水層の地下水を汲み上げ、ヒートポンプの熱源として利用する帯水層蓄熱システムが提案されている。
この帯水層蓄熱システムは、例えば、温蓄熱用井戸と冷蓄熱用井戸とを掘削し、冬期に温蓄熱用井戸から揚水してヒートポンプの暖房の熱源として用いるとともに、利用後の冷排水を冷蓄熱用井戸に注水する。そして、夏期においては、冷蓄熱用井戸から揚水して、これを空調の熱源として直接的または間接的に利用し、利用後の温排水を温蓄熱用井戸に注水するものである（例えば、特許文献１−３参照）。

特開２０１３−１８１６７６号公報 特開２０１１−２２６７５５号公報 特開２０１１−７５２１８号公報

ところで、わが国では、冬期における暖房負荷よりも夏期における冷房負荷が大きい。このため、従来の帯水層蓄熱システムでは、暖房と冷房とで、井戸に蓄積される熱量のバランスが崩れ、夏期における冷蓄熱量が不足するという問題が生ずる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、夏期における冷蓄熱量の不足を解消することのできる地下水蓄熱システムを提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、温熱源としての地下水が蓄えられる第１蓄熱槽と、前記第１蓄熱槽と循環配管を介して接続され、前記温熱源としての地下水が熱交換に用いられることにより冷やされた冷排水が冷熱源として蓄えられる第２蓄熱槽とを備える地下水蓄熱システムであって、前記循環配管に設けられ、前記第２蓄熱槽からの冷熱源と第１熱媒との間で熱交換させることにより、前記第１熱媒を冷却する熱交換手段と、冷却後の前記第１熱媒の温度を所定の温度範囲に保つための第１冷却手段と、前記第１蓄熱槽からの温熱源を熱源として用いて前記第１熱媒とは異なる第２熱媒を加熱する水熱源式ヒートポンプ装置と、加熱後の前記第２熱媒の温度を所定の温度範囲に保つための第１加熱手段とを備え、前記第１冷却手段は前記第１加熱手段を兼ね備え、前記第１冷却手段は、冷却機能及び加熱機能を備えたヒートポンプ装置であり、冷却時と加熱時とで流入する熱媒が切り替え可能とされ、前記熱交換手段における熱交換によって暖められた温排水が前記循環配管を通じて温熱源として前記第１蓄熱槽に蓄えられ、前記水熱源式ヒートポンプ装置に熱源として利用された後の冷排水が冷熱源として前記第２蓄熱槽に蓄えられる地下水蓄熱システムである。

このような構成によれば、第１蓄熱槽に蓄えられた温熱源としての地下水は、熱交換に用いられることにより冷やされ、この冷排水が冷熱源として第２蓄熱槽に蓄えられる。また、第２蓄熱槽に蓄えられた冷熱源としての地下水は、熱交換手段において第１熱媒との間で熱交換を行うことに第１熱媒を冷却する。第１熱媒を冷却することで温められた温排水は、温熱源として第１蓄熱槽に蓄えられる。ここで、第２蓄熱槽に蓄えられる冷熱源は、もともと第１蓄熱槽の温熱源が熱交換に供されることにより生成される熱源であるので、熱交換の状況によっては、温度にムラが生じたり、熱量不足に陥る可能性もある。このような場合に、第１熱媒の温度を所定の温度範囲に保つための第１冷却手段を有しているので、冷熱源の熱容量が不足したり、温度分布が生じている場合であっても、第１熱媒の温度を所望の温度範囲に保つことが可能となる。
更に、上記構成によれば、第１蓄熱槽からの温熱源は水熱源式ヒートポンプ装置に送水され、第２熱媒を加熱する熱源として用いられる。このとき、第２熱媒が供給される外部負荷（例えば、暖房装置）の要求負荷に対して、温熱水の熱容量が小さい場合には所望の温度まで第２熱媒を加熱することが難しくなる。このような場合には、第１加熱手段を作動させることにより、第２熱媒を所望の温度まで加熱することが可能となる。また、水熱源式ヒートポンプ装置における熱交換により温度が低下した冷排水は、冷熱源として第２蓄熱槽に蓄積される。
更に、第１冷却手段が第１加熱手段を兼ね備える冷却機能及び加熱機能を備えたヒートポンプ装置とされているので、装置構成を簡素化することが可能となる。また、上記ヒートポンプ装置を、空気を熱源とするヒートポンプ装置とすることにより、冷却塔等を不要とすることができ、低コスト化を図ることが可能となる。
地下水蓄熱システムは、例えば、地下水の流れが緩やかな帯水層や遮水壁等で囲まれた地下水を熱源として利用して、熱媒の加熱または冷却を季節間で行う帯水層蓄熱システムである。

地下水蓄熱システムにおいて、前記第２蓄熱槽は、複数の井戸と、各前記井戸に対応して設けられ、各前記井戸から送出させる地下水の流量を調整するための流量調整手段とを備え、前記第１蓄熱槽に注入される温熱源の温度が所定の温度範囲となるように、前記流量調整手段を制御する制御手段を備えることとしてもよい。

これにより、第１蓄熱槽に蓄積される温熱源の温度分布を小さくすることができ、例えば、冬期等において安定した温度の温熱源を供給することが可能となる。

地下水蓄熱システムにおいて、前記制御手段は、前記流量調整手段による流量調整だけでは前記温熱源の温度を所定の温度範囲にできない場合に、冷熱源として地下水を汲み上げる前記井戸の数を変更することとしてもよい。

流量調節手段による流量調整に加えて、地下水を汲み上げる井戸の数を変更することにより、流量調整の幅を広げることが可能となる。これにより、温度調整の幅を大きくすることが可能となる。

上記地下水蓄熱システムは、前記ヒートポンプ装置を用いた前記第２熱媒の加熱と、前記第２蓄熱槽の冷熱源を用いた前記熱交換手段による前記第１熱媒の冷却とを同時に実施することとしてもよい。
このような構成によれば、例えば、冷却と加熱の両方の要求がある場合に速やかに対応することが可能となる。

上記地下水蓄熱システムは、前記循環配管に設けられ、空気を熱源として前記第１蓄熱槽から汲み上げた温熱源を冷却し、冷却後の地下水を冷熱源として前記第２蓄熱槽に注水させる第２冷却手段を更に備えていてもよい。

このような構成によれば、冷熱源が不足している場合などに、第２冷却手段を作動させることにより、冷熱源を増加させることが可能となる。これにより、例えば、季節間の蓄熱だけでは熱容量が不足する場合に、第２冷却手段を補助的に動作させて冷熱源を補充することが可能となる。この結果、十分な熱容量の冷熱源を蓄えることが可能となる。
前記第２冷却手段は、例えば、空冷ヒートポンプ装置やヒートリカバリー装置等である。

上記地下水蓄熱システムは、前記循環配管に設けられ、空気を熱媒として前記第２蓄熱槽から汲み上げた冷熱源を加熱し、加熱後の地下水を温熱源として前記第１蓄熱槽に注水させる第２加熱手段を更に備えていてもよい。

このような構成によれば、温熱源が不足している場合などに、第２加熱手段を作動させることにより、温熱源を増加させることが可能となる。これにより、例えば、季節間の蓄熱だけでは熱容量が不足する場合に、第２加熱手段を補助的に動作させて温熱源を補充することが可能となる。この結果、十分な熱容量の温熱源を蓄えることが可能となる。

上記地下水蓄熱システムは、冷却後の前記第１熱媒が流通する第２配管と、前記第１熱媒が冷熱源として利用され、熱交換後の温められた前記第１熱媒が流通する第３配管と、前記第２配管と前記第３配管とを接続するバイパス配管と、前記バイパス配管に設けられたバイパス流量調整手段と、前記第３配管を流通する前記第１熱媒の温度が所定の温度範囲内となるように、前記バイパス流量調整手段を制御するバイパス流量制御手段とを更に備えていてもよい。

このような構成によれば、例えば、第１熱媒を熱源として利用する外部負荷の負荷（例えば、冷房負荷）が小さく、第３配管を流通する第１熱媒の温度が低下した場合でも、バイパス流量を調整することで、第１熱媒の戻り温度を一定の値に保持することが可能となる。

本発明によれば、夏期における冷蓄熱量の不足を解消することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る地下水蓄熱システムの概略構成を示した図である。 本発明の第１実施形態に係る地下水蓄熱システムについて、地下水の加熱利用時（例えば、冬期における暖房利用時）における動作を説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る地下水蓄熱システムについて、地下水の冷却利用時（例えば、夏期における冷房利用時）における動作を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る地下水蓄熱システムの概略構成を示した図である。 本発明の第３実施形態に係る地下水蓄熱システムについて、地下水の加熱利用時における動作を説明するための図である。 本発明の第３実施形態に係る地下水蓄熱システムについて、地下水の冷却熱利用時における動作を説明するための図である。 本発明の第４実施形態に係る地下水蓄熱システムの概略構成を示した図である。 本発明の第４実施形態に係る地下水蓄熱システムについて、地下水の加熱利用時における動作を説明するための図である。 本発明の第４実施形態に係る地下水蓄熱システムについて、地下水の冷却利用時における動作を説明するための図である。 本発明の第４実施形態に係る地下水蓄熱システムについて、地下水を用いた冷却と、空冷ヒートポンプ装置による温水の加熱とを同時に行う場合の動作を説明するための図である。 本発明の第５実施形態に係る地下水蓄熱システムの概略構成を示した図である。 本発明の第５実施形態に係る地下水蓄熱システムについて、第２冷却装置を用いて冷熱媒を増加させる動作を説明するための図である。 本発明の第５実施形態に係る地下水蓄熱システムについて、第２冷却装置を用いて冷水の冷却を補助する場合の動作を説明するための図である。 本発明の第５実施形態に係る地下水蓄熱システムについて、第２冷却装置を用いて冷熱媒を増加させる動作の他の例を説明するための図である。 本発明の第５実施形態に係る地下水蓄熱システムについて、第２冷却装置を用いて冷水の冷却を補助する場合の動作の他の例を説明するための図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る地下水蓄熱システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る地下水蓄熱システム１の概略構成を示した図である。図１に示すように、地下水蓄熱システム１は、例えば、季節間帯水層蓄熱システム等のように、地下水の流れが緩やかな帯水層や遮水壁等で囲まれた地下水を熱源として利用して、熱媒の加熱または冷却を季節間で行うシステムである。
具体的には、温熱源としての地下水が蓄えられる第１蓄熱槽２と、冷熱源としての地下水が蓄えられる第２蓄熱槽３とを備えている。第１蓄熱槽２と第２蓄熱槽３とは循環配管Ｌ１により接続されている。ここで、循環配管Ｌ１は、必ずしも一本の配管である必要はなく、例えば、第１蓄熱槽２から第２蓄熱槽３へ地下水が流れる配管と、第２蓄熱槽３から第１蓄熱槽２へ地下水が流れる配管とに分けられていてもよい。

第１蓄熱槽２及び第２蓄熱槽３は、例えば、１つ以上の井戸を備えており、それぞれの井戸の下部には、地下水を汲み上げるための送水ポンプ（流量調整手段）５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂが設けられている。ここで、第１蓄熱槽２及び第２蓄熱槽３は、比較的容量の大きな井戸を１つ備えるよりも、比較的容量の小さな井戸を複数備えていることが好ましい。これは、一般的に、送水ポンプの最小流量が定格流量の５０％程度に設定されていることが多く、大きい井戸を一つ設けて比較的容量の大きな１つの送水ポンプにより流量を調整する場合に比べて、小さい井戸を複数設けて比較的容量の小さな複数の送水ポンプにより流量を調整する方が細やかな流量調整が可能となるからである。
後述するシステム制御部５０によって各送水ポンプ５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂの周波数が制御されることにより、各井戸から汲み上げられる地下水の流量が調整される。

地下水蓄熱システム１は、複数の熱源機（水熱源式ヒートポンプ装置）７を備えている。この熱源機７は、いずれも第１蓄熱槽２の地下水を温熱源として用いて温水（第２熱媒）を加熱するための装置である。図１では６台の熱源機７を図示しているが、熱源機７の台数については限定されない。また、各熱源機７は同一の構成を備えるため、１台の熱源機７にのみ符号を付し、他の熱源機においては符号を省略している。

熱源機７は、いずれもヒートポンプ１０を有しており、第１蓄熱槽２からの温熱源と熱交換を行うことにより冷媒を加熱する蒸発器１１、蒸発器１１において加熱された冷媒を圧縮する圧縮機（不図示）、圧縮された高温高圧の冷媒を用いて温水（第２熱媒）を加熱する凝縮器１２、及び凝縮器１２において熱交換を終えた冷媒を減圧する膨張弁（不図示）を主な構成として備えている。膨張弁により減圧された冷媒は、蒸発器１１に戻される。熱源機７の蒸発器１１において熱交換に用いられた冷排水は、循環配管Ｌ１を通じて冷熱源として第２蓄熱槽３に注水される。

また、熱源機７の凝縮器１２において所定の温度（例えば、４５℃）に加熱された温水は、例えば、温水往き配管Ｌ４を通じて不図示の暖房装置（外部負荷）において熱源として利用される。暖房装置において熱交換されることにより温度が低下した温水（例えば、４０℃）は、温水戻り配管Ｌ５を通じて戻され各熱源機７に流入することにより再び加熱される。

また、循環配管Ｌ１には、熱交換器（熱交換手段）１５が設けられている。熱交換器１５は、上述した熱源機７とは逆に、第２蓄熱槽３の地下水を冷熱源として用いて冷水（第１熱媒）を冷却するための装置である。図１では１台の熱交換器１５を示しているが台数については限定されない。具体的には、熱交換器１５は、第２蓄熱槽３からの冷熱源を利用して冷水を冷却する。冷水を冷却することで加熱された温排水は、配管Ｌ１を通じて温熱源として第１蓄熱槽２に注入される。

また、熱交換器１５において所定の温度（例えば、７℃）に冷却された冷水は、例えば、冷水往き配管（第２配管）Ｌ２を通じて不図示の冷房装置（外部負荷）において熱源として利用される。冷房装置において熱交換されることにより温度が上昇した冷水（例えば、１２℃）は、冷水戻り配管Ｌ３を通じて戻され再び熱交換器１５において冷却される。

更に、地下水蓄熱システム１は、冷水往き配管Ｌ２を流通する冷水の温度を所定の温度範囲（例えば、７℃）に保つための第１冷却装置（第１冷却手段）２０を備えている。第１冷却装置２０は、例えば、冷水戻り配管Ｌ３から冷水が流入され、この冷水を所定の温度（例えば、７℃）まで冷却して冷水往き配管Ｌ２に送出する。冷水装置２０は、冷水出口温度を予め設定された出口設定温度（例えば、７℃）に一致させることのできる機能を有している装置であればよく、一例として、空冷ヒートポンプ装置、水冷ヒートポンプ装置等が挙げられる。

このような地下水蓄熱システム１において、循環配管Ｌ１には電磁弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が設けられている。電磁弁Ｖ１、Ｖ２は、熱源として利用する井戸の数を変更するためのものである。図１では、井戸がそれぞれ２本ずつ設けられていることから、電磁弁Ｖ１、Ｖ２は一つずつとされているが、井戸の本数が増えれば電磁弁はこれに伴い増設される。この場合には、複数設けられた電磁弁Ｖ１、Ｖ２を段階的に閉状態とすることで、段階的に利用する井戸を低減させる。電磁弁Ｖ３は、循環配管Ｌ１を流通する地下水（温熱源／冷熱源）の流量を調整するためのバルブである。なお、電磁弁は一例であり、他の流量調節手段を用いることとしてもよい。

熱源機７に供給される温熱源の流量は、各熱源機７に対応して設けられた送水ポンプ１３によって調整される。送水ポンプ１３による流量調整は、熱源機から送出される冷排水の温度Ｔｈｏが所定の温度（例えば、６℃）になるように制御される。

また、地下水蓄熱システム１は、熱交換器１５に流入する冷水の流量を制御するための送水ポンプ２２、第１冷却装置２０に流入する冷水の流量を制御するための送水ポンプ２４、第１蓄熱槽２に流入／流出する温熱源の温度Ｔｗ１を計測する温度センサ３１、第２蓄熱槽３に流入／流出する冷熱源の温度Ｔｗ２を計測する温度センサ３２、熱交換器１５から送出される冷水の温度Ｔ１を計測する温度センサ３３、第１冷却装置２０の出口温度Ｔｃｏを計測する温度センサ３４、冷水の往き温度Ｔ２を計測する温度センサ４０を備えている。

上記温度センサ３１〜３４の計測結果は、システム制御部５０に出力される。システム制御部５０は、温度センサ３１〜３４、４０の計測結果に基づいて、上記送水ポンプ５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、電磁弁Ｖ１〜Ｖ３、及び送水ポンプ２２、２４の制御を行う。

次に、上述した構成を備える地下水蓄熱システム１の動作について、地下水の加熱利用時（例えば、冬期における暖房）と冷却利用時（例えば、夏期における冷房）とに分けて説明する。
〔地下水の加熱利用時〕
まず、地下水の加熱利用時においては、図２に示すように、熱交換器１５を経由しない配管接続とされる。このように、地下水蓄熱システム１は、地下水の加熱利用時と冷却利用時とで、配管の接続を切り替える配管切替手段（不図示）を備えている。
この場合、第１蓄熱槽２の各井戸から送水ポンプ５ａ、５ｂによって汲み上げられた温熱源は、熱源機７における熱源として利用され、熱交換後の温度が低下した地下水が冷熱源として第２蓄熱槽３に注水される。このとき、熱源機７においては、熱源水出口温度Ｔｈｏが所定の温度範囲（例えば、６℃）となるように、送水ポンプ１３が制御される。また、循環配管Ｌ１を流通する温熱源の温度Ｔｗ１及び冷熱源の温度Ｔｗ２が温度センサ３１、３２によって計測され、システム制御部５０に出力される。システム制御部５０は、冷熱源の温度Ｔｗ２が予め設定されている所定の温度範囲（例えば、６℃）となるように、送水ポンプ５ａ、５ｂ並びに電磁弁Ｖ１、Ｖ２を制御する。

ここで、所定の温度範囲は、第２蓄熱槽３の地下水が夏期に冷熱源として用いられる場合の定格温度に基づいて設定される。例えば、定格温度が７℃である場合、多少の温度上昇を加味した温度（例えば、６℃）に設定される。システム制御部５０は、暖房負荷が小さく、冷熱源の温度Ｔｗ２が所定温度範囲を超える場合には、送水ポンプ５ａ、５ｂによる汲み上げ流量を低下させる。そして、送水ポンプ５ａ、５ｂの下限流量まで流量が低下してしまった場合には、電磁弁Ｖ１、Ｖ２を全閉状態とすることで、使用する井戸の数を低減させる。また、システム制御部５０は、暖房負荷が大きく、冷熱源の温度Ｔｗ２が所定温度範囲未満となる場合には、送水ポンプ５ａ、５ｂによる汲み上げ流量を増加させ、これでも足りない場合には、閉状態にある電磁弁を開状態とすることで使用する井戸の数を段階的に増加させる。このように、まずは送水ポンプ５ａ、５ｂの周波数の加減で調整し、これでも調整が追い付かない場合には電磁弁Ｖ１、Ｖ２を制御することにより、使用する井戸の本数を調整する。

〔地下水の冷却利用時〕
このようにして、冬期に所定の温度（例えば、６℃）に調整されて第２蓄熱槽３に蓄えられた地下水（冷熱源）は、ほぼその温度が維持されたまま貯蔵され、夏期に冷熱源として利用されることとなる。
すなわち、地下水の冷却利用時においては、図３に示すように、熱交換器１５を経由する配管接続とされる一方、熱源機７及び送水ポンプ１３は作動が停止される。この状態で、第２蓄熱槽３の各井戸から送水ポンプ６ａ、６ｂによって汲み上げられた冷熱源は、熱交換器１５に送られ、冷水を冷却する。冷水を冷却することで暖められた地下水は、温熱源として第１蓄熱槽２に注水される。

このとき、温熱源の温度Ｔｗ１が所定の温度範囲（例えば、１１℃）となるように、システム制御部５０により送水ポンプ６ａ、６ｂが調整され、熱交換器１５に供給される冷熱源の流量が調整される。また、送水ポンプ６ａ、６ｂの制御だけでは温熱源の温度Ｔｗ１を所定の温度範囲に制御しきれない場合には、システム制御部５０は電磁弁Ｖ１、Ｖ２を制御することにより、井戸の使用本数を制御することにより、温熱源の温度Ｔｗ１を制御する。

また、熱交換器１５の熱交換だけでは、冷水を所定の温度（例えば、７℃）に制御できない場合には、システム制御部５０は、第１冷却装置２０を作動させ、第１冷却装置２０により冷水の温度を調整する。このとき、システム制御部５０は、熱交換器１５から送出される冷水の温度Ｔ１及び冷水の往き温度Ｔ２に基づいて、送水ポンプ２２と送水ポンプ２４との流量分配を行い、これに基づいて送水ポンプ２２、２４の周波数を制御する。
例えば、システム制御部５０は、熱交換器１５から送出される冷水の温度Ｔ１が大きくなるほど、送水ポンプ２４の流量配分を大きくし、第１冷却装置２０への冷水流量を増加させる。

以上説明したように、本実施形態に係る地下水蓄熱システム１によれば、冬期等の地下水の加熱利用時においては、熱源機７において熱交換された後の冷排水の温度、すなわち、第２蓄熱槽３に注水される冷熱源（地下水）の温度Ｔｗ２が所定の温度範囲内となるように、熱源機７、送水ポンプ５ａ、５ｂ、及び電磁弁Ｖ１、Ｖ２が制御されるので、安定した温度の地下水を冷熱源として第２蓄熱槽３に蓄えることが可能となる。これにより、夏期等において、第２蓄熱槽３に蓄熱した地下水を冷熱源として利用する際には、熱交換器１５に対して安定した温度の地下水を冷熱源として送ることが可能となる。また、夏期の冷却使用時においては、熱交換器１５において熱交換することにより加熱された温排水の温度、すなわち、第１蓄熱槽２に注水される温熱源（地下水）の温度Ｔｗ１が所定の温度範囲内となるように、送水ポンプ６ａ、６ｂ及び電磁弁Ｖ１、Ｖ２が制御されるので、安定した温度の地下水を温熱源として第１蓄熱槽２に蓄えることが可能となる。これにより、冬期等において、第１蓄熱槽２に蓄熱した地下水を加熱の温熱源として利用する際には、安定した温度の地下水を温熱源として熱源機７等に送ることが可能となる。

また、本実施形態に係る地下水蓄熱システム１は、冷熱源によって冷やされた冷水温度Ｔ１が所定の温度範囲を上回る場合には、第１冷却装置２０を作動させて、冷水温度Ｔ１を所定の温度範囲内とする。これにより、冬期に蓄えた冷熱源の熱容量が夏期における冷房負荷に比べて小さい場合でも、第１冷却装置２０を作動させることで、冷水を所望の温度に制御することができる。これにより、冷房装置（外部負荷）に対して安定した温度の冷水を供給することが可能となる。

なお、本実施形態では、冷水戻り配管Ｌ３を流通する冷水を第１冷却装置２０へ流入させ、第１冷却装置２０において冷却された冷水を冷水往き配管Ｌ２に送出する構成としたが、これに代えて、例えば、冷水往き配管Ｌ２を流通する冷水を第１冷却装置２０へ流入させ、第１冷却装置２０において冷却された冷水を冷水往き配管Ｌ２に送出する構成としてもよい。この場合、第１冷却装置２０の出口温度Ｔｃｏが所定温度（例えば、外部負荷である冷房装置の要求冷水温度）に一致するように、送水ポンプ２４の流量及び第１冷却装置２０の負荷が制御される。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係る地下水蓄熱システムについて図面を参照して説明する。図４は本実施形態に係る地下水蓄熱システム１ａのシステム構成を概略的に示した図である。ここで、図４では、地下水の冷却利用時について図示しており、また、第１実施形態と同一の構成については、同一の記号を付し説明を省略する。
図４に示すように、地下水蓄熱システム１ａは、上述した第１実施形態に係る地下水蓄熱システム１の構成に加えて、冷水往き配管Ｌ２と冷水戻り配管Ｌ３とをバイパスするバイパス配管４１と、バイパス配管４１を流通する熱媒流量を調整する電磁弁（バイパス流量調整手段）４２とを更に備えている。このように、実施形態における地下水蓄熱システム１ａは、地下水の冷却利用時における構成が第１実施形態と異なる。

電磁弁４２の制御は、システム制御部（制御手段）５０ａによって行われる。例えば、システム制御部５０ａは、冷房負荷が小さく、冷水戻り配管Ｌ３を流通する冷水の温度が所定の値よりも低くなった場合に、電磁弁４２を開き、冷水往き配管Ｌ２を流通する冷水の温度を上昇させる。例えば、本来、冷水戻り配管Ｌ３の熱媒温度は１２℃でなければならないところ、冷房負荷が小さく、冷水戻り配管Ｌ３を流れる熱媒温度が１０℃に低下してしまった場合、システム制御部５０ａは、戻り配管Ｌ３を流れる熱媒温度が１２℃になるように、電磁弁４２の開度を制御し、バイパス流量を調節する。これにより、例えば、冷水往き配管Ｌ２を流れる冷水の温度を本来の７℃から９℃に上昇させ、戻り温度を１２℃に保つことが可能となる。また、第１冷却装置２０が運転中の場合には、第１冷却装置２０の出口設定温度も７℃から９℃に変更する。これにより、冷水往き配管Ｌ２を流通する熱媒の温度を安定させることが可能となる。

このように、本実施形態に係る地下水蓄熱システム１ａによれば、冷水往き配管Ｌ２と冷水戻り配管Ｌ３との間で冷水をバイパスさせるバイパス配管４１と、バイパス流量を調整するための電磁弁４２とを備えるので、冷房負荷が小さく、冷水戻り配管Ｌ３を流通する熱媒温度が低下した場合でも、バイパス流量を調整することで、冷水の戻り温度を一定の値に保持することが可能となる。これにより、熱交換器１５で熱交換され、排出される温排熱の温度を一定の範囲に保つことが可能となり、第１蓄熱槽２に蓄えられる温熱源の温度を一定に保つことが可能となる。この結果、地下水の加熱利用時において、温度の安定した温熱源を供給することが可能となる。

なお、本実施形態においては、上記第１実施形態の構成に加えて、バイパス配管４１及び電磁弁４２を設けていたが、例えば、第１冷却装置２０に代えて、バイパス配管４１及び電磁弁４２を設けることとしてもよい。このように、第１冷却装置２０を省略することにより、構成を簡素化することが可能となる。

〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態に係る地下水蓄熱システムについて図面を参照して説明する。
図５、図６は本実施形態に係る地下水蓄熱システム１ｂのシステム構成を概略的に示した図であり、図５は地下水の加熱利用時の構成を、図６は地下水の冷却利用時の構成を示している。図５に示すように、地下水蓄熱システム１ｂは、第１蓄熱槽２に蓄えられていた温熱源を直接的に熱源機７に供給していた第１実施形態と異なり、熱交換器１５によって熱交換された熱源水を熱源機７に供給する構成とする。この構成は、地下水を直接的に熱源機７に供給できない場合（例えば、地下水の塩分濃度が高い、汚染度が高い等）に有効である。以下、本実施形態に係る地下水蓄熱システム１ｂの動作について、地下水の加熱利用時（例えば、冬期）について説明する。なお、冷却利用時（例えば、夏期）については、図６に示すように上述した第１実施形態と同様の構成、動作となるので説明は省略する。

〔地下水の加熱利用時〕
まず、地下水の加熱利用時においては、図５に示すように、第１蓄熱槽２から汲み上げられた温熱源は、熱交換器１５において、熱源水と熱交換される。温熱源と熱交換されることにより暖められた熱源水は、熱源機７に供給され、暖房の温熱源として利用される。このとき、熱源機７では、熱源水出口温度Ｔｈｏが所定温度（例えば、５℃）となるように、各熱源機７が作動するとともに、それぞれの熱源機７に対応して設けられた送水ポンプ１３の周波数が制御される。熱源機７における熱交換により温度が低下した熱源水は、熱交換器１５に再び戻され、温熱源と熱交換される。

他方、熱源水と熱交換されることにより温度が低下した冷排水は、冷熱源として第２蓄熱槽３に注水される。この場合においても、システム制御部５０ｂは、第２蓄熱槽３に戻される冷熱源の温度Ｔｗ２が所定の温度範囲となるように、送水ポンプ５ａ、５ｂの周波数及び電磁弁Ｖ１、Ｖ２の開度制御を行う。なお、この制御については、上述した第１実施形態と同様である。

更に、本実施形態に係る地下水蓄熱システム１ｂにおいては、熱源水が循環する熱源水循環配管Ｌ６に、熱源水の循環流量を調整するための送水ポンプ５１及び熱交換器１５の熱源水入口温度Ｔｅｉを計測する温度センサ５２が設けられている。システム制御部５０ｂは、熱源水入口温度Ｔｅｉが所定の温度となるように、送水ポンプ５１の周波数を制御する。

以上説明したように、本実施形態に係る地下水蓄熱システム１ｂによれば、熱交換器１５によって熱交換された熱源水を熱源機７に熱源として供給する構成とされているので、地下水の塩分濃度が高い場合や汚染度が高い場合等のように、地下水を直接的に熱源機７に供給できないような理由がある場合でも、帯水層の地下水を熱源として利用した熱媒の加熱・冷却が可能となる。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態に係る地下水蓄熱システムについて図面を参照して説明する。図７は、本実施形態に係る地下水蓄熱システム１ｃのシステム構成を概略的に示した図である。図７に示すように、地下水蓄熱システム１ｃは、第１実施形態における第１冷却装置２０として冷暖房機能を有する空冷ヒートポンプ装置（加熱手段）２１を採用し、更に、この空冷ヒートポンプ装置２１により、熱源機７による加熱運転を補助する。
以下、本実施形態に係る地下水蓄熱システム１ｃの構成及び動作について、地下水の加熱利用時（例えば、冬期）及び冷却利用時（例えば、夏期）についてそれぞれ説明する。また、上述した第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

地下水蓄熱システム１ｃは、図７に示すように、空冷ヒートポンプ装置２１を備えている。空冷ヒートポンプ装置２１は、地下水の加熱利用時においては、温水戻り配管Ｌ５を流通する温水を加熱して温水往き配管Ｌ４に送出し、地下水の冷却利用時においては、冷水戻り配管Ｌ３を流通する冷水を冷却して冷水往き配管Ｌ２に送出する。このように、本実施形態においては、空冷ヒートポンプ装置２１における熱媒入口と冷媒出口に接続される配管が切り替え可能な構成とされている。空冷ヒートポンプ装置２１に流入する熱媒流量は送水ポンプ２４によって調整される。送水ポンプ２４の周波数制御は、システム制御部５０ｃにより行われる。また、温水往き配管Ｌ４には温水の往き温度Ｔｈ１を計測する温度センサ３６及び温水流量Ｆｈを計測する流量センサ３７が設けられ、温水戻り配管Ｌ５には温水の戻り温度Ｔｈ２を計測する温度センサ３８が設けられている。これらの計測結果は、システム制御部５０ｃに送信され、空冷ヒートポンプ装置２１の運転等に使用される。

次に、地下水蓄熱システム１ｃの地下水の加熱利用時における動作について図８を参照して説明する。なお、地下水の冷却利用時における動作については、図９に示すように、上述した第１実施形態と同様のため、説明を省略する。

〔地下水の加熱利用時〕
図８に示すように、地下水の加熱利用時においては、空冷ヒートポンプ装置２１の熱媒入口が温水戻り配管Ｌ５に接続され、熱媒出口が温水往き配管Ｌ４に接続される。
熱源機７には、第１蓄熱槽２から汲み上げられた温熱源が供給され、温水の加熱が行われる。これは、上述した第１実施形態と同様である。この場合において、暖房負荷が熱源機７の容量を上回ることにより、温水の往き温度Ｔｈ１が所定の温度（例えば、４５℃）よりも低くなると、空冷ヒートポンプ装置２１を作動させる。このとき、空冷ヒートポンプ装置２１に流入する温水流量は、送水ポンプ２４によって調整される。このように、空冷ヒートポンプ装置２１によって温水の加熱を補助することにより、安定した温度の温水を外部負荷である暖房装置に供給することが可能となる。

このように、本実施形態に係る地下水蓄熱システム１ｃによれば、地下水の加熱利用時において、熱源機７の容量が不足して要求負荷を賄えない場合に、空冷ヒートポンプ装置２１を作動させることで出力を増加させることが可能となる。また、第１蓄熱槽２に蓄熱されている地下水の温度にムラがあり、熱源機７から出力される温水の温度が変動した場合でも、この変動に合わせて空冷ヒートポンプ装置２１の出力を調整することで、空冷ヒートポンプ装置２１によって温度の変動を吸収することが可能となる。これにより、温度の安定した温水を外部負荷である暖房装置に供給することが可能となる。
また、地下水の冷却利用時においても同様に、空冷ヒートポンプ装置２１によって冷房出力を補助することができるので、外部負荷である冷房装置の要求負荷に対して第２蓄熱槽３に蓄熱されている地下水の蓄熱量が不足している場合や、地下水の温度にムラが生じており、熱交換器１５における熱交換後の冷水温度Ｔ１が変動したとしても、冷水の温度に合わせて空冷ヒートポンプ装置２１の出力を調整することで、外部負荷である冷房装置に対して安定した温度の冷水を供給することが可能となる。

なお、上述した地下水蓄熱システム１ｃでは、熱源機７の出力を補助するように空冷ヒートポンプ装置２１を作動させていたが、これに代えて、例えば、温水の往き温度Ｔｈ１、温水の戻り温度Ｔｈ２、及び温水流量Ｆｈから算出される熱量が予め設定されている最低暖房負荷を下回る場合は、熱源機７の運転を停止し、空冷ヒートポンプ装置２１のみの運転により暖房負荷を賄うこととしてもよい。このように、暖房負荷が最低暖房負荷を下回る場合には、熱源機７の運転を停止させることにより、消費電力を低減することが可能となる。

また、図１０に示すように、第２蓄熱槽３における冷熱源を用いて冷水の冷却を行っているときに、空冷ヒートポンプ２１については熱媒入口及び熱媒出口を温水戻り配管Ｌ５及び温水往き配管Ｌ４と接続させることで、加熱運転を行わせることとしてもよい。これにより、冷房と暖房の両方の需要が同時に発生する場合においても対応することが可能となる。

〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態に係る地下水蓄熱システムについて図面を参照して説明する。上述した第１から第４実施形態に係る地下水蓄熱システムはいずれも暖房と冷房の季節間蓄熱に関するものであったが、本実施形態に係る地下水蓄熱システム１ｄ（図１１参照）は、季節間蓄熱に加えて、昼夜間の蓄熱を行うものである。例えば、暖房負荷と冷房負荷とに大きな差があるような国では、第１蓄熱槽２に蓄えられる温熱源と、第２蓄熱槽３に蓄えられる冷熱源とのバランスが取れないこととなる。このため、例えば、冷房負荷が暖房負荷を上回るような地域では、冬期において第２蓄熱槽３に蓄えた冷熱源の熱容量では夏期の冷房負荷を賄えないおそれがある。そこで、本実施形態に係る地下水蓄熱システム１ｄでは、１日のうちで冷房負荷が小さな時間帯（例えば深夜帯）に、第１蓄熱槽２から温熱源を汲み上げ、この温熱源を冷却して第２蓄熱槽３に注水するための第２冷却装置（第２冷却手段）２６を設け、次の冷房負荷のピークに備えて冷熱源を確保する。

図１１は、本実施形態に係る地下水蓄熱システム１ｄのシステム構成を概略的に示した図である。図１１に示すように、地下水蓄熱システム１ｄは、第１実施形態に係る地下水蓄熱システム１における第１冷却装置２０に代えて、循環配管Ｌ１に接続される第２冷却装置２６を備える。帯水層の地下水を熱源として利用する場合、地下水が冷却水や冷水循環水と混合しないようにしなければならないという前提がある。このため、第２冷却装置２６として、空冷ヒートポンプを備える熱源機（空冷ヒートポンプ装置）を利用することが好ましい。

本実施形態に係る地下水蓄熱システム１ｄにおいては、図１２に示すように、夏期において、第２蓄熱槽３の冷熱源を用いた冷水の冷却が行われていない時間帯（例えば、夜間）に、第２冷却装置２６を作動させ、第１蓄熱槽２から汲み上げた温熱源を冷却して第２蓄熱槽３に注水する。これにより、例えば、次の日の冷房負荷に備えて、十分な冷熱源を第２蓄熱槽３に蓄えることが可能となる。
また、例えば、図１３に示すように、第２蓄熱槽３の冷熱源を用いた冷水の冷却が行われている場合に、冷水温度Ｔ１が所定の温度範囲を超えた場合には、第２冷却装置２６を作動させて、冷水の冷却を補助することとしてもよい。このように、第２冷却装置２６に第１冷却装置２０の機能を持たせることにより、第１冷却装置２０を省略することが可能となる。なお、この場合、熱交換器１５に流入される冷熱源を冷却することになるので、第１実施形態に係る第１冷却装置２０よりも熱損失は大きくなる。

以上説明したように、本実施形態に係る地下水蓄熱システム１ｄによれば、冬期における暖房負荷が小さく夏期における冷房負荷を賄うのに足る冷熱源を冬期に確保できなかった場合でも、第２蓄熱槽３の冷熱源を用いた冷却運転が行われていないときに、第１蓄熱槽２の温熱源を第２冷却装置２６によって冷却して第２蓄熱槽３に注水することで、第２蓄熱槽２の冷熱源を増加させることができる。このように、第２冷却装置２６を備えることにより、第２蓄熱槽３における蓄熱量の細やかな調整が可能となる。また、第２蓄熱槽３の冷熱源を用いた冷却運転が行われている場合に、冷熱源の容量が不足した場合には、第２冷却装置２６を作動させることにより、冷却を補助することが可能となる。これにより、安定した温度の冷水を外部負荷である冷房装置に供給することが可能となる。

また、本実施形態では、第２冷却装置２６として空冷ヒートポンプを備える熱源機を例示して説明したが、第２冷却装置２６としてヒートリカバリー装置を用いることとしてもよい。ヒートリカバリー装置を利用する場合には、図１４に示すように、第１蓄熱槽２の温熱源を冷却して第２蓄熱槽３に注水すると同時に、外部負荷である暖房装置に対して温水を供給することとしてもよい。また、図１５に示すように、第２蓄熱槽３の冷熱源を用いた冷水の冷却が行われている場合に、冷熱源の熱容量不足が生じた場合（例えば、冷水温度Ｔ１が所定の温度範囲を上回った場合）には、ヒートリカバリー装置を作動させて冷却を補助させることとしてもよい。これにより、熱容量不足を解消することができ、安定した温度の冷水を外部負荷に供給することが可能となる。

なお、上記説明では、夏期の冷房負荷が冬期の暖房負荷よりも大きい場合を例示したが、冬期の暖房負荷が夏期の冷房負荷よりも大きい場合には、第２冷却装置２６に代えて加熱装置（第２加熱装置）を設け、第２蓄熱槽３の冷温水を加熱して第１蓄熱槽２に注水することとしてもよい。また、この加熱装置によって、温熱源を用いた暖房運転を補助させる構成としてもよい。また、冬期における暖房負荷と夏期における冷房負荷とが拮抗している場合には、冷却と加熱の両方の機能を有する熱源機を設けることとすればよい。

本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、例えば、上述した各実施形態を部分的または全体的に組み合わせる等して、種々変形実施が可能である。
例えば、上述した各実施形態では、外部負荷を冷房装置、暖房装置としたがこの例に限られない。また、地下水を用いて冷却される熱媒及び加熱される熱媒をいずれも水としたが、被冷却熱媒及び被加熱熱媒はこの例に限られない。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 地下水蓄熱システム
２ 第１蓄熱槽
３ 第２蓄熱槽
５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ 送水ポンプ
７ 熱源機
１５ 熱交換器
２０ 第１冷却装置
２１ 空冷ヒートポンプ装置
２６ 第２冷却装置
４１ バイパス配管
５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ システム制御部
Ｖ１〜Ｖ３、４２ 電磁弁
Ｌ１ 循環配管
Ｌ２ 冷水往き配管
Ｌ３ 冷水戻り配管
Ｌ４ 温水往き配管
Ｌ５ 温水戻り配管
Ｌ６ 熱源水循環配管

Claims (9)

1. 温熱源としての地下水が蓄えられる第１蓄熱槽と、前記第１蓄熱槽と循環配管を介して接続され、前記温熱源としての地下水が熱交換に用いられることにより冷やされた冷排水が冷熱源として蓄えられる第２蓄熱槽とを備える地下水蓄熱システムであって、
   前記循環配管に設けられ、前記第２蓄熱槽からの冷熱源と第１熱媒との間で熱交換させることにより、前記第１熱媒を冷却する熱交換手段と、
   冷却後の前記第１熱媒の温度を所定の温度範囲に保つための第１冷却手段と、
   前記第１蓄熱槽からの温熱源を熱源として用いて前記第１熱媒とは異なる第２熱媒を加熱する水熱源式ヒートポンプ装置と、
   加熱後の前記第２熱媒の温度を所定の温度範囲に保つための第１加熱手段と
   を備え、
   前記第１冷却手段は前記第１加熱手段を兼ね備え、
   前記第１冷却手段は、冷却機能及び加熱機能を備えたヒートポンプ装置であり、冷却時と加熱時とで流入する熱媒が切り替え可能とされ、
   前記熱交換手段における熱交換によって暖められた温排水が前記循環配管を通じて温熱源として前記第１蓄熱槽に蓄えられ、
   前記水熱源式ヒートポンプ装置に熱源として利用された後の冷排水が冷熱源として前記第２蓄熱槽に蓄えられる地下水蓄熱システム。
2. 前記第２蓄熱槽は、複数の井戸と、各前記井戸に対応して設けられ、各前記井戸から汲み上げる地下水の流量を調整するための流量調整手段とを備え、
   前記第１蓄熱槽に注入される温熱源の温度が所定の温度範囲となるように、前記流量調整手段を制御する制御手段を備える請求項１に記載の地下水蓄熱システム。
3. 前記制御手段は、前記流量調整手段による流量調整だけでは前記温熱源の温度を所定の温度範囲にできない場合に、冷熱源として地下水を汲み上げる前記井戸の数を変更する請求項２に記載の地下水蓄熱システム。
4. 前記第１冷却手段は、空気を熱源とするヒートポンプ装置である請求項１から請求項３のいずれかに記載の地下水蓄熱システム。
5. 前記第１冷却手段を用いた前記第２熱媒の加熱と、前記第２蓄熱槽の冷熱源を用いた前記熱交換手段による前記第１熱媒の冷却とを同時に実施可能な請求項４に記載の地下水蓄熱システム。
6. 前記循環配管に設けられ、空気を熱源として前記第１蓄熱槽から汲み上げた温熱源を冷却し、冷却後の地下水を冷熱源として前記第２蓄熱槽に注水させる第２冷却手段を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載の地下水蓄熱システム。
7. 前記第２冷却手段は、空冷ヒートポンプ装置またはヒートリカバリー装置である請求項６に記載の地下水蓄熱システム。
8. 前記循環配管に設けられ、空気を熱媒として前記第２蓄熱槽から汲み上げた冷熱源を加熱し、加熱後の地下水を温熱源として前記第１蓄熱槽に注水させる第２加熱手段を備える請求項１から請求項７のいずれかに記載の地下水蓄熱システム。
9. 冷却後の前記第１熱媒が流通する第２配管と、
   前記第１熱媒が冷熱源として利用され、熱交換後の温められた前記第１熱媒が流通する第３配管と、
   前記第２配管と前記第３配管とを接続するバイパス配管と、
   前記バイパス配管に設けられたバイパス流量調整手段と、
   前記第３配管を流通する前記第１熱媒の温度が所定の温度範囲内となるように、前記バイパス流量調整手段を制御するバイパス流量制御手段と
   を備える請求項１から請求項８のいずれかに記載の地下水蓄熱システム。

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