JP6372693B2

JP6372693B2 - 空調システム

Info

Publication number: JP6372693B2
Application number: JP2014192514A
Authority: JP
Inventors: 亨水澗
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2034-09-22
Also published as: JP2016061547A

Description

本発明は、空調システムに関する。

年間を通じて温度が安定し、且つ外気温に対して夏季に低く、冬季に高いことから、地下水や地中の熱を建物の冷暖房等に有効利用する空調システムが実用化されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

また、地下水を利用した空調システムとして、地下水の熱を直接利用する直接方式、地下水を熱源水として利用する水熱源方式などの技術手法が提案、実用化されている。
例えば、地下水の熱を直接利用する直接方式の空調システムとしては、井戸内にＵ字状やスパイラル状のチューブを設置し、このチューブ内に水等を流通させつつ地下水との間で熱交換（採熱、放熱）を行う技術が知られている。

また、地下水を熱源水として利用する水熱源方式の空調システムとしては、ヒートポンプを用い地下水との間で熱交換を行う技術が知られている。

特開２００５−４９０１６号公報特開２００６−５２５８８号公報

一方、上記従来のＵ字状やスパイラル状のチューブを用いた直接方式の空調システムは、地下水を汲み上げることなく熱交換を行うことができ、環境に対する負荷を少なくすることが可能な技術であるが、大量の熱量を得るためには大量の井戸を設置する必要がある。このため、空調システムの規模が大きい程、すなわち空調対象の施設が大規模であるほど、施工コストが嵩み、また広大な設置スペースが必要になる。また、大量の井戸を必要とすることで環境負荷が少ないという大きな利点を喪失するおそれもある。

また、上記従来の地下水を熱源水とした熱源方式の空調システムにおいては、井水ヒートポンプが各社より製品化されているが、特に暖房時の水熱源ヒートポンプ運転において、実際の地下水の温度で高効率、大容量の熱交換を行うことが難しい。

本発明は、上記事情に鑑み、高効率で、大規模施設にも適用可能な空調システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の空調システムは、地下水を取水井戸から汲み上げ、汲み上げた地下水の熱を空調機の熱交換器で利用して給気の温調を行うとともに、該地下水を還元井戸から地中に返送するように構成され、地下ピット内に、外調機及び／又は地下ピットの内部空気の温調を行う地下ピット内空調機である前記空調機が設置され、前記地下ピット内から地上部の建屋の内部に給気するように構成され、地中熱を利用して前記建屋の内部に給気する前記地下ピットの内部空気を温調するように構成されていることを特徴とする。
本発明の空調システムは、地下水を取水井戸から汲み上げ、汲み上げた地下水の熱を空調機の熱交換器で利用して給気の温調を行うとともに、該地下水を還元井戸から地中に返送するように構成され、地下ピット内に、外調機及び／又は地下ピットの内部空気の温調を行う地下ピット内空調機である前記空調機が設置され、前記地下ピット内から地上部の建屋の内部に給気するように構成され、前記地下ピットの内部空気を床吹出し式で前記建屋の内部に給気して成層空調可能に構成されるとともに、前記建屋にベンチレーターが設けられ、該ベンチレーターから前記建屋の内部空気を自然排気可能に構成されていることを特徴とする。
本発明の空調システムは、地下水を取水井戸から汲み上げ、汲み上げた地下水の熱を空調機の熱交換器で利用して給気の温調を行うとともに、該地下水を還元井戸から地中に返送するように構成され、前記地下水の熱を熱源設備の熱源として利用し、前記熱源設備で温調した熱媒体を前記空調機の熱交換器に送って給気の温調を行うように構成され、地下ピット内に、外調機及び／又は地下ピットの内部空気の温調を行う地下ピット内空調機である前記空調機が設置され、前記地下ピット内から地上部の建屋の内部に給気するように構成され、地中熱を利用して前記建屋の内部に給気する前記地下ピットの内部空気を温調するように構成され、前記地下ピットの内部空気を床吹出し式で前記建屋の内部に給気して成層空調可能に構成されるとともに、前記建屋にベンチレーターが設けられ、該ベンチレーターから前記建屋の内部空気を自然排気可能に構成されていることを特徴とする。

また、本発明の空調システムにおいては、前記地下水の熱を熱源設備の熱源として利用し、前記熱源設備で温調した熱媒体を前記空調機の熱交換器に送って給気の温調を行うように構成されていることが望ましい。

本発明の空調システムにおいては、取水井戸から汲み上げた地下水の熱を直接的あるいは間接的に空調機の熱交換器（冷却コイル、加熱コイル、加熱冷却コイルなど）で利用して給気の温調を行い、汲み上げた地下水を還元井戸から地中に返送し、地下水を循環させる。

これにより、従来の空調システムと比較し、ＣＯＰを上げ、大幅な高効率化を図ることが可能になる。また、地下水を循環させることで大量の熱量を得ることができ、大規模施設への適用も可能になる。

本発明の一実施形態に係る空調システムを示す図である。本発明の一実施形態に係る空調システムを示す図である。本発明の一実施形態に係る空調システムを備えた施設の電力削減効果を試算した結果を示す図である。

以下、図１から図３を参照し、本発明の一実施形態に係る空調システムについて説明する。なお、本実施形態は、地下水熱（及び地中熱）を全面的に利用することで、例えば床面積が約３００００ｍ^２の大規模な工場及び付帯事務室に対しても好適に空調を行うことが可能な空調システムに関するものである。

本実施形態の空調システムＡは、図１及び図２に示すように、まず、地下水Ｗを汲み上げる取水井戸１と、汲み上げた地下水Ｗから地下水熱を採熱（吸熱、排熱）するためのプレート式熱交換器２と、採熱後の地下水Ｗを地中に返送するための還元井戸３とを備えている。

また、本実施形態の空調システムＡでは、プレート式熱交換器２と空調機４、５との間で熱媒体Ｓを循環させ、地下水熱をプレート式熱交換器２から熱媒体Ｓを通じて空調機４、５の熱交換器（冷却コイル、加熱コイル、加熱冷却コイルなど）６、７、８、９で利用する。

このように取水井戸１と還元井戸３を用いて循環する地下水Ｗの熱をプレート式熱交換器２で採熱する構成を採用すると、地下水Ｗの汚染や地盤沈下などの近隣への環境影響を最小限に抑え、且つ鉄分の多い地下水による悪影響が後述の熱源設備１０、１１や空調機４、５に生じることを防止できる。

そして、本実施形態の空調システムＡでは、地下水熱の利用方法として、地下水熱を空調機４で冷暖房に利用する直接方式と、地下水熱を熱源設備（ターボ冷凍機１０、ＨＰチラー（ヒートポンプ）１１）の冷却水等の熱源水として利用する間接方式とを併用する。

直接方式では、年間を通じて安定した温度（例えば１４〜１６℃程度）の地下水Ｗを工場全体の外調機４の一次処理として利用する。なお、本実施形態において、外気機４には間接方式で製造した冷温水を利用するコイル（冷却コイルなどの熱交換器８）を二次側に設けるダブルコイル方式を採用し、除湿も可能にしている。

間接方式では、夏季に、主としてＩＮＶターボ冷凍機１０の冷却水として地下水Ｗを利用する。冬季はＨＰチラー（水熱源ヒートポンプチラー）１１の熱源水として利用する。

より具体的に、本実施形態の空調システムＡ（空調対象である工場施設Ｔ）は、図１に示すように、地盤Ｇを掘削し、コンクリート製の底盤部、側壁部を構築してなる地下ピット１２を備え、この地下ピット１２の上方の地上部に建屋１３が構築されている。また、地下ピット１２を塞ぐように床材１４を敷設し、地下ピット１２と建屋１３内が区画されている。

さらに、図１及び図２に示すように、建屋１３の外壁あるいは地下ピット１２の側壁部などに外気導入口１５が設けられ、外気導入口１５から地下ピット１２の内部に外気Ｐ１を導入するように構成されている。そして、導入した外気Ｐ１を清浄化するとともにその温度や湿度を調節する外調機（空調機）４が地下ピット１２内に配設されている。

外調機４は、外気Ｐ１を導入し、処理後の外気（処理外気、給気）Ｐ２を送気するためのファン１６と、ファン１６の駆動によって導入した外気Ｐ１を温調（及び湿調）するための熱交換器（冷却コイル、加熱コイル、加熱冷却コイルなど）６、７、８と、外気Ｐ１を清浄化するためのフィルター（不図示）とを備えている。

また、本実施形態の空調システムＡでは、地下ピット１２内に、地下ピット１２の内部空気の温調（及び湿調）を行う地下ピット内空調機（空調機）５が分散して複数設置されている。

この地下ピット内空調機５は、外調機４で処理した後の処理外気Ｐ２や地下ピット１２の内部空気（Ｐ３）を導入し、処理後の給気Ｐ３を送気するためのファン１７と、ファン１７の駆動によって導入した処理外気Ｐ２等を温調（及び湿調）するための熱交換器（冷却コイルなど）９とを備えている。

さらに、本実施形態の空調システムＡでは、熱源設備としてのターボ冷凍機１０とＨＰチラー１１が設けられている。また、バックアップ用の空冷ＨＰチラー１８も設けられている。

そして、直接方式では、プレート式熱交換器２と外調機４の一部の熱交換器６、７の間で熱媒体Ｓを循環させ、地下水Ｗの熱を外調機４の熱交換器６、７で利用する。

間接方式では、プレート式熱交換器２と熱源設備のターボ冷凍機１０やＨＰチラー１１１との間で熱媒体Ｓを循環させ、地下水Ｗを、夏季に主としてターボ冷凍機１０の冷却水とし、冬季にＨＰチラー１１の熱源水として利用する。
さらに、熱源設備１０、１１と、外調機４の残りの熱交換器８、地下ピット内空調機５の熱交換器９との間で、熱源設備１０、１１で生成した冷温水を熱媒体Ｓとして循環させて利用する。

一方、本実施形態の空調システムＡにおいては、地下ピット１２を塞ぐように敷設した床材１４が適宜箇所に通気孔を備え、外調機４や地下ピット内空調機５で温調（湿調）した後の給気Ｐ３を地下ピット１２内から建屋１３の内部に吹き出させるように構成されている。すなわち、床吹出し空調とし、これにより、ダクトを不要にして空調システムＡが構成されている。

また、床材１４には蓄熱性を有するＰＣ版等を用いており、この床材１４の蓄熱を利用した空調が可能とされている。さらに、本実施形態では、建屋１３の内部の居住域、例えば床材１４から２ｍの高さ範囲を限定的に空調するようにしている。すなわち、成層空調を行うことで効率的な空調システムＡとしている。

また、本実施形態の空調システムＡにおいては、地下ピット１２を利用した空調方式を採用し、地下水Ｗだけでなく、例えばクール＆ヒートチューブを用いるなどして地中熱を地下ピット１２の内部空気（Ｐ３）に伝達させることで、地中熱も利用できるように構成されている。

さらに、建屋１３は、断熱サンドイッチパネル等の外装材を用いて高断熱、高気密性の外壁を形成し、断熱ダブル折板等を用いて屋根も高断熱、高気密性を備えて形成している。これにより、建物への熱負荷を低減し省エネルギー化が図られている。

また、屋根に自動換気ベンチレーター１９を設け、春季や秋季の中間期などに自然換気を行うことで快適な環境を最小限の電力で実現できるようにしている。

さらに、雨水を雑用水や屋根散水に利用したり、屋根面に太陽光パネルを設置するなどして、水資源の節約、太陽光パネル発電による省エネルギー化を図るようにしている。また、建屋１３の内部に自然光を採光できるようにしたり、自動調光ＬＥＤ照明などを採用することで照明電力を最大限に削減し、さらなる省エネルギー化を図るようにしている。

そして、上記構成からなる本実施形態の空調システムＡにおいては、まず、外調機４と地下ピット内空調機５が地下ピット１２内に設置されているため、建屋１３の内部のレイアウトの柔軟性を好適に確保することができる。

また、空調吹出し口及び外気導入口１５が床面、外壁面に設置されているため、この点からも建屋１３の内部のレイアウトの柔軟性が確保され、建屋１３内部の動線を妨げることなく、好適に建屋１３内部を使用することができる。

一方、本実施形態の空調システムＡでは、取水井戸１から汲み上げた地下水Ｗの熱を外調機４で直接的に利用して外気Ｐ１を温調する。

また、取水井戸１から汲み上げた地下水Ｗを熱源水としてターボ冷凍機１０、ＨＰチラー１１に選択的に送り、地下水Ｗを熱源水として冷水や温水を製造する。これとともに製造した冷水や温水を熱媒体Ｓとして利用し（すなわち地下水熱を間接的に利用し）、外調機４や地下ピット内空調機５によって外気Ｐ１や外調機４で処理した後の処理外気Ｐ２、Ｐ３の温調を行う。

これにより、外調機４で地下水熱を直接的に利用して生成した給気Ｐ３、地下ピット内空調機５で地下水熱を間接的に利用して生成した給気Ｐ３が、床材１４を通じて地下ピット１２から建屋１３の内部に送られ、建屋１３の内部の空気環境が好適な状態に調整される。

さらに、本実施形態では、地下ピット１２を設け、この地下ピット１２の内部空気を給気Ｐ３として建屋１３の内部に送るように構成しているため、地下ピット躯体を通じて地下ピット１２の内部空気Ｐ３と地中との間で熱交換が行える。これにより、地中熱を利用して給気Ｐ３を温調することが可能になる。

そして、従来の空調方式では、空冷ヒートポンプをパッケージ使用した場合にＣＯＰ（成績係数：空調能力（ｋＷ）／消費電力（ｋＷ））が３．０〜４．０程度、ターボ冷凍機（冷却塔利用）を用いた場合でもＣＯＰが５．０〜６．０程度であるのに対し、本実施形態の空調システムＡでは、地下水熱直接利用でＣＯＰ＝２０以上、ＩＮＶターボ冷凍機１０（地下水利用）でＣＯＰ＝７．０〜１４．０以上、水熱源ＨＰチラー１１（地下水利用）でＣＯＰ＝５．０以上となり、非常に優れた省エネルギー化を達成できることが確認された。

また、図３に示すように、本実施形態の空調システムＡ（空調対象である工場Ｔ）の電力削減効果を確認したところ、既存工場電力使用量実績の計２７５５ＭＷｈ／年（内訳：コンセント３６５、照明１５０５、空調８８５ＭＷｈ／年）に対し、本実施形態の空調システムＡ（空調対象である工場Ｔ）を採用することで計７５０ＭＷｈ／年となり、７２．８％もの電力削減効果が得られることが確認された（なお、削減電力量は、コンセント１１０、ＬＥＤ化により１１１６、自然採光により１１９（照明）、６（空調）、高効率空調により６００、屋根散水により６６ＭＷｈ／年であった）。

したがって、本実施形態の空調システムＡにおいては、取水井戸１から汲み上げた地下水Ｗの熱を直接的あるいは間接的に空調機４、５の熱交換器６〜９で利用して給気Ｐ３の温調を行い、汲み上げた地下水Ｗを還元井戸３から地中に返送し、地下水Ｗを循環させる。

これにより、従来の空調システムと比較し、ＣＯＰを上げ、大幅な高効率化を図ることが可能になる。また、地下水Ｗを循環させることで大量の熱量を得ることができ、大規模施設Ｔへの適用も可能になる。

以上、本発明に係る空調システムの一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、プレート式熱交換器２を用いて地下水Ｗと熱媒体Ｓの間で熱交換し、熱媒体Ｓを空調機４、熱源設備１０、１１に送り、直接的又は間接的に空調機４、５の熱交換器６〜９で地下水Ｗの熱を利用するように説明を行った。
これに対し、プレート式熱交換器２は他の熱交換器であってもよい。また、熱交換器２をなくし、直接地下水Ｗを空調機４や熱源設備１０、１１に送り、この地下水Ｗの熱を利用するように構成してもよい。

１取水井戸
２プレート式熱交換器
３還元井戸
４外調機（空調機）
５地下ピット内空調機（空調機）
６熱交換器
７熱交換器
８熱交換器
９熱交換器
１０ターボ冷凍機（熱源設備）
１１ＨＰチラー（熱源設備）
１２地下ピット
１３建屋
１４床材
１５外気導入口
１６ファン
１７ファン
１８バックアップ用の空冷ＨＰチラー（熱源設備）
１９ベンチレーター
Ａ空調システム
Ｇ地盤
Ｓ熱媒体
Ｗ地下水

Claims

地下水を取水井戸から汲み上げ、汲み上げた地下水の熱を空調機の熱交換器で利用して給気の温調を行うとともに、該地下水を還元井戸から地中に返送するように構成され、
地下ピット内に、外調機及び／又は地下ピットの内部空気の温調を行う地下ピット内空調機である前記空調機が設置され、前記地下ピット内から地上部の建屋の内部に給気するように構成され、
地中熱を利用して前記建屋の内部に給気する前記地下ピットの内部空気を温調するように構成されていることを特徴とする空調システム。
地下水を取水井戸から汲み上げ、汲み上げた地下水の熱を空調機の熱交換器で利用して給気の温調を行うとともに、該地下水を還元井戸から地中に返送するように構成され、
地下ピット内に、外調機及び／又は地下ピットの内部空気の温調を行う地下ピット内空調機である前記空調機が設置され、前記地下ピット内から地上部の建屋の内部に給気するように構成され、
前記地下ピットの内部空気を床吹出し式で前記建屋の内部に給気して成層空調可能に構成されるとともに、前記建屋にベンチレーターが設けられ、該ベンチレーターから前記建屋の内部空気を自然排気可能に構成されていることを特徴とする空調システム。
請求項１または請求項２に記載の空調システムにおいて、
前記地下水の熱を熱源設備の熱源として利用し、前記熱源設備で温調した熱媒体を前記空調機の熱交換器に送って給気の温調を行うように構成されていることを特徴とする空調システム。
地下水を取水井戸から汲み上げ、汲み上げた地下水の熱を空調機の熱交換器で利用して給気の温調を行うとともに、該地下水を還元井戸から地中に返送するように構成され、
前記地下水の熱を熱源設備の熱源として利用し、前記熱源設備で温調した熱媒体を前記空調機の熱交換器に送って給気の温調を行うように構成され、
地下ピット内に、外調機及び／又は地下ピットの内部空気の温調を行う地下ピット内空調機である前記空調機が設置され、前記地下ピット内から地上部の建屋の内部に給気するように構成され、
地中熱を利用して前記建屋の内部に給気する前記地下ピットの内部空気を温調するように構成され、
前記地下ピットの内部空気を床吹出し式で前記建屋の内部に給気して成層空調可能に構成されるとともに、前記建屋にベンチレーターが設けられ、該ベンチレーターから前記建屋の内部空気を自然排気可能に構成されていることを特徴とする空調システム。