JP6373663B2

JP6373663B2 - 空調システム

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Publication number: JP6373663B2
Application number: JP2014138748A
Authority: JP
Inventors: 勝邦芦野; 隆司座波; 耀華趙
Original assignee: 勝邦芦野
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2034-07-04
Also published as: JP2016017648A

Description

本発明は、熱交換媒体が封入された平板型熱交換器による電力を使用しない空調パネルと、自然エネルギーを用いた一次熱交換手段と、電力を用いる二次熱交換手段を備えた空調システムに係り、特に、同等の空調性能を有する従来のエアコンよりも二次熱交換手段での消費電力量を可及的に削減できる空調システムに関するものである。

原発事故以来、経済産業活動において電力量不足問題がクローズアップされており、この問題に対応すべく、再生可能エネルギー発電や、生活・生産活動に関わる電力機械器具の節電、省電力化への取り組みが各方面で鋭意行われている。しかし、単なる節電や省電力化だけでは、生活・生産活動に関わる電力量不足問題を根本的に解決することは困難である。経済産業活動の発展に伴い、消費電力量は増大傾向にあり、中でもエアーコンデショナーの消費電力量の割合は大きく、特に夏期の消費電力量の増大は経済産業活動の負担を大きくしている。従って、近年の電力不足問題では、特に空調設備機器の消費電力量の削減が問題となっており、電力消費量の少ない空調設備機器の開発が望まれている。

このような背景において、近年、電力消費量を従来よりも削減した空調設備機器として、輻射冷暖房装置が提案されている。図１８は平板型の輻射冷暖房装置を示す図であり、図１９はスタンド型の輻射冷暖房装置を示す図である。

図１８に示すように、平板型の輻射冷暖房装置は、輻射パネル１００内に輻射パイプ１０１を蛇行して配管し、この輻射パイプ１０１の両端部である入口側と出口側を循環水温調整装置（図示せず）に接続した空調装置である。輻射パイプ１０１内に不凍液（以下循環水と呼称する）を循環させるとともに、空調空間で熱交換された循環水の温度を循環水温調整装置が空調に適した温度に再調整し、これによって循環水と空調空間の間で熱交換を継続的に行なって空調空間の温度を調整するものである。

図１９に示すように、スタンド型の輻射冷暖房装置は、円盤状で中空の蓋部材２００と、円盤状で中空の底部材２０１との間に、複数本の輻射パイプ２０２を円盤の外周に沿って所定間隔をおいて縦に配管して蓋部材２００と底部材２０１を連通させ、各輻射パイプ２０１の上端に連通する蓋部材２００の入口管と、各輻射パイプ２０１の下端に連通する底部材２００の出口管を、循環水温調整装置（図示しない）に接続した空調装置である。輻射パイプ２０２内に循環水を循環させるとともに、空調空間で熱交換された循環水の温度を循環水温調整装置が空調に適した温度に再調整し、これによって循環水と空調空間の間で熱交換を継続的に行なって空調空間の温度を調整するものである。

下記特許文献１は、以上説明したような輻射冷暖房装置の一例を示すものである。

特開平５−３３２５８０号公報

従来の輻射冷暖房装置によれば、輻射パネル内の輻射パイプを循環して空調空間と熱交換した循環水の温度を空調に適した温度に再調整する役割は循環水温調整装置が担っており、通常、そのためのエネルギー源としては専ら電力が利用されていた。前述した通り、近年の電力不足問題に応じてこれら輻射冷暖房装置の省電力化が進められてきたものの、本質的には熱交換のエネルギー源として電力のみに頼っているため、抜本的な省エネルギーは望めないという問題があった。

例えば、平板型の輻射冷暖房装置では、装置取り付け場所によって、例えば天井設置のような場合は輻射パイプを太くすることができず、そのため輻射パイプは比較的小径なものとせざるを得ず、したがって輻射熱量は少なくなる。このため、必要かつ十分な空調性能を得るためには循環水温調整装置の能力を大きくするしかないが、これでは電力消費量も増加し、省電力化は望めない。

また、スタンド型の輻射冷暖房装置では、輻射パイプを太くして輻射面積を大きくすることはできるが、そのため装置全体の重量は大きくなってしまう。そして、輻射面積が大きい大径の輻射パイプに相応の熱交換性能を発揮させるべく、必要かつ十分な温度と量の循環水を循環させるためには、循環水温調整装置の能力を大きくするしかないが、これでは電力消費量も上昇し、省電力化は望めない。

本発明は、以上説明した従来の課題を解決するためになされたものであり、熱伝導媒体が封入された電力を使用しない平板型熱交換器と、自然エネルギーを用いた熱交換手段を用いることにより、消費電力量が可及的に少なくて済む効率的、経済的な空調システムを提供することを目的としている。

請求項１に記載された空調システムは、
第１熱交換媒体が封入された複数の管路を有する平板型熱交換器と、前記平板型熱交換器に取りつけられて第２熱交換媒体が循環する伝熱パイプとを有し、前記第１熱交換媒体と前記第２熱交換媒体の間で熱交換が行なわれる空調パネルと、
前記伝熱パイプに接続されて前記空調パネルから循環した前記第２熱交換媒体と熱交換を行なう自然エネルギーを用いた一次熱交換手段と、
前記一次熱交換手段に接続されて前記一次熱交換手段から循環した前記第２熱交換媒体を前記空調パネルによる空調に適した温度となるように調整する二次熱交換手段と、
を備える空調システムであって、
前記空調パネルは、複数の前記平板型熱交換器を前記管路と交差する所定方向に沿って並設し、前記伝熱パイプを前記所定方向に沿って前記各平板型熱交換器の両端部の各表面に接触するように取りつけて構成したことを特徴としている。

請求項２に記載された空調システムは、請求項１記載の空調システムの前記空調パネルにおいて、
前記伝熱パイプが、一体に構成されたパイプ部とフランジ部を有しており、
前記平板型熱交換器の前記端部を前記フランジ部と固定板によって両面から挟んで固定したことを特徴としている。

請求項３に記載された空調システムは、請求項１記載の空調システムの前記空調パネルにおいて、
前記伝熱パイプが、互いに平行な上面と下面を有する本体部と、前記本体部の内部に設けられたパイプ部とを有しており、
前記本体部の前記上面と前記下面に異なる前記平板型熱交換器の前記端部が固定されていることを特徴としている。

請求項４に記載された空調システムは、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の空調システムにおいて、
自然エネルギーとして地熱を利用する前記一次熱交換手段を備えた冷房用の空調システムであることを特徴としている。

請求項５に記載された空調システムは、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の空調システムにおいて、
自然エネルギーとして太陽熱を利用する前記一次熱交換手段を備えた暖房用の空調システムであることを特徴としている。

請求項６に記載された空調システムは、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の空調システムにおいて、
前記一次熱交換手段と前記二次熱交換手段の間に、前記熱交換媒体を貯える貯槽を設けたことを特徴としている。

より具体的には、本発明の空調システムは、第１熱交換媒体が封入された平板型熱交換器を有する空調パネルと、一次熱交換手段と、二次熱交換手段を、第２熱交換媒体としての循環水が循環する循環パイプで連結して構成することができる。その際、一次熱交換手段としては、例えば、地中熱、太陽光熱、地下水熱、温泉水熱などの再生可能エネルギーとしての自然エネルギーを熱源として利用する熱交換手段を用いることができ、採用する熱源の性質等に鑑みて冷房用又は暖房用に適した空調システムとすることができる。また、二次熱交換手段としては、市販されているヒートポンプ等の電力を利用した循環水温調整装置を用いることができ、さらに循環水を循環させる循環用ポンプは二次熱交換手段に装備してもよい。そして、本発明の空調システムの操作は、循環水の温度や流量の調整を行う公知のシステム操作ユニットで行うことができる。

本発明で採用した空調パネルは、内部に作り込まれた管路に第１熱交換媒体が封入されてなる平板型熱交換器の吸熱機能あるいは熱放射機能を介して、伝熱パイプを循環する第２熱交換媒体の熱を、空調対象の生活・生産空間（以下空調空間と呼称）の熱と熱交換することができる装置であり、この空調パネル自体は電力を使用しない。

そして、本発明によれば、上述したような空調パネルで熱交換した第２熱交換媒体を、一次熱交換手段において自然エネルギーと熱交換することによって温度を調整した後、さらに空調パネルでの空調に適した温度となるように二次熱交換手段で温度の再調整を行う。すなわち、一次熱交換手段で温度を調整された熱交換媒体は、空調パネルでの空調に適した温度との差が縮小するため、二次熱交換手段において温度調整のために消費される電力量はその分だけ削減される。従って、二次熱交換手段の温度調整装置で使用される電力消費量は、空調性能が同一であれば、従来の輻射冷暖房装置よりも格段に減少することとなり、装置・設備のランニングコストを削減することができる。

また、一次熱交換手段と二次熱交換手段の間に、第２熱交換媒体を貯える貯槽を設ければ、一次熱交換手段で温度を調整された第２熱交換媒体の量をチェックし、必要に応じて過不足を調整することができる。

第１実施形態の空調システムを示す模式的構成図である。分図（ａ）は第１実施形態の空調システムにおける空調パネルの正面図、分図（ｂ）は分図（ａ）のＡ−Ａ切断線における断面図である。第１実施形態において空調パネルを構成する平板型熱交換器の正面図と、正面図のＢ−Ｂ切断線及びＣ−Ｃ切断線における断面図である。分図（ａ）は第１実施形態の空調システムにおける空調パネルの拡大断面図、分図（ｂ）は変形例に係る空調パネルの拡大断面図である。第１実施形態の空調システムにおける一次熱交換手段の変形例を示す断面図である。第１実施形態の空調システムにおける一次熱交換手段の変形例を示す平面図である。第２実施形態の空調システムを示す模式的構成図である。第３実施形態の空調システムを示す断面図である。第３実施形態の空調システムを示す模式的平面図である。第４実施形態の空調システムを示す正面図である。第４実施形態の空調システムを示す側面図である。第４実施形態の空調システムを示す平面図である。第５実施形態の空調システムを示す正面図である。第５実施形態の空調システムを示す側面図である。第５実施形態の空調システムを示す模式的平面図である。第６実施形態の空調システムを示す断面図である。第６実施形態の空調システムを示す模式的平面図である。分図（ａ）は平板型の輻射冷暖房装置の平面図、分図（ｂ）は分図（ａ）のＦ−Ｆ切断線における断面図である。分図（ｂ）はスタンド型の輻射冷暖房装置の正面図、分図（ａ）は分図（ｂ）のＧ−Ｇ切断線における断面図である。

１．第１実施形態
本発明の第１実施形態を図１〜図６を参照して説明する。
図１は、第１実施形態の空調システム１ａの全体構成を模式的に示す図である。例えば、この空調システム１ａは、温暖地において地中の相対的に低い温度を利用した冷房システムとして用いることができる。

図１に示す空調システム１ａは、電力を必要としない平板型熱交換器２に伝熱パイプ３を取り付け、この伝熱パイプ３に第２熱交換媒体である循環水を循環させ、平板型熱交換器２と循環水の間で熱交換を行なって空調空間の空調を行なう空調パネル４を備えている。そして、空調パネル４の伝熱パイプ３は、自然エネルギーとしての地熱を用いた一次熱交換手段（縦型パイプ式地中熱交換器５）に接続されており、空調パネル４から循環した循環水が一次熱交換手段で熱交換されるようになっている。さらに、一次熱交換手段は、電力をエネルギー源とする二次熱交換手段（循環水温調整装置）に接続されており、一次熱交換手段から循環した循環水を、空調パネル４による空調に適した温度となるように、二次熱交換手段で調整することができるようになっている。
以下、空調システム１ａを構成する上記各部ごとに、その構造及び作用等を説明する。

図１〜図４を参照して空調パネル４について説明する。図２に示す空調パネル４は、第１熱交換媒体の気化と凝縮作用により熱交換を行なうため、電力を必要としない高効率の熱交換装置である平板型熱交換器２を備えている。この平板型熱交換器２は、細長い矩形の薄板状であり、長手方向と直交する幅方向に接して並べられている。

図３に示すように、空調パネル４を構成する１単位である平板型熱交換器２は、アルミ製の板状であり、その寸法は、例えば、幅Ｗが６０ｍｍ〜９０ｍｍ、長さＬが２０００ｍｍ、厚さｔが５ｍｍ以下の薄板状であって、内部には長手方向に沿って複数本の管路１１が所定間隔で幅方向に並んで形成されている。管路１１の断面形状は円形でもよいし、内表面積の大きいその他の形状でもよい。管路１１の両端は塞がれており、各管路１１の内部には、約−１００℃〜１７０℃の範囲で気化する第１熱交換媒体としての気化媒体液、例えばアセトン等が封入されている。この平板型熱交換器２は、内部の管路１１に封入された気化媒体液を介して急速に熱伝導を行うことができ、概ね、等温性は１℃〜２℃/ ｍ、最大熱輸送力４００Ｗ、内部耐圧能力＞５０気圧等の機能を有しており、同じ外形状のアルミ無垢板と比較して５０００倍乃至８０００倍の高速伝熱機能を有している。

図２及び図４（ａ）に示すように、幅方向に沿って並べられた各平板型熱交換器２の長手方向の両端部には、伝熱パイプ３が、その片側の表面に接して幅方向に平行にそれぞれ設けられている。伝熱パイプ３は、一体に構成されたパイプ部３ａとフランジ部３ｂを有しており、平板型熱交換器２の端部をフランジ部３ｂと固定板１２によって両面から挟んでボルト等の固定具により固定することにより、多数枚の平板型熱交換器２を一体化している。このため、伝熱パイプ３内の循環水の熱は確実に平板型熱交換器２に伝熱する。なお、この空調パネル４における断面丸形の伝熱パイプ３は、平板型熱交換器２の片面のみを取り付け対象とする場合の専用構成部品である。

なお、図４（ｂ）に示すように、伝熱パイプ３の形状は、上記丸型の他、方形型を選択することもできる。図４（ｂ）に示すように、この変形例の伝熱パイプ１３は、互いに平行な上面と下面を有し、断面偏平箱型で紙面垂直方向が長手形状である本体部１３ｂと、この本体部１３ｂの内部に長手方向に沿って設けられた複数本のパイプ部１３ａとを有している。この方形型の伝熱パイプ１３によれば、貫通する複数本のパイプ部１３ａを有しているため、循環水の熱を伝える比表面積が大きく伝熱効率が高い。平板型熱交換器２に対する伝熱パイプ１３の取り付けにあたっては、伝熱パイプ１３の本体部１３ａと固定板１２によって平板型熱交換器２の端部を両面から挟んで固定具により固定する。図４（ｂ）の例では、本体部１３ａの下面のみに平板型熱交換器２を取付けているため、空調パネル４の放射面は２面となるが、方形型の伝熱パイプ１３の本体部１３ａの上下両面に、それぞれ平板型熱交換器２を取付ければ、空調パネル４の放射面を４面とすることができる。

図２に示すように、幅方向に並べられて伝熱パイプ３と固定板１２で挟持結合されて一体化した複数枚の平板型熱交換器２は、枠状の外周フレーム１４内に取り付けられて空調パネル４を構成している。具体的には、図示しないビス等の固定手段によって伝熱パイプ３が外周フレーム１４に固定されて空調パネル４を構成している。

図１に示す例では、前述した通り、並べられた複数枚の平板型熱交換器２の長手方向の両端部に伝熱パイプ３が設けられて空調パネル４を構成しているが、この空調パネル４はパイプジョイント１５によって複数基を連結することができる。図１では、２枚の空調パネル４，４が連結されている状態が示されている。このように、空調パネル４は、放熱・吸熱する面積を必要とされる性能に応じて任意に拡大・縮小することができる。なお、このパイプジョイント１５は、隣接する２枚の空調パネル４，４の伝熱パイプ３，３を接続して循環水の連続的な循環を可能ならしめるとともに、隣接する２枚の空調パネル４，４を機械的に一体化する結合具としての機能も有している。空調パネル４の構成は簡素であるため、現場で必要に応じた基数の空調パネル４をパイプジョイント１５で連結する組立工程は容易であり、経済的で効率のよい工事を行なうことができる。

図１に示す例では、連結された２基の空調パネル４，４において、伝熱パイプ３を流れる循環水の経路は並列方式となっている。すなわち、上流側の空調パネル４（図示左側）の２本の伝熱パイプ３，３から循環水がそれぞれ流入し、下流側の空調パネル４（図示右側）の２本の伝熱パイプ３，３の各上流側から循環水がそれぞれ流入し、下流側の空調パネル４の２本の伝熱パイプ３，３の各下流側から循環水がそれぞれ流出する。なお、伝熱パイプ３を流れる循環水の経路は直列方式でもよい。その場合、循環水は、上流側の空調パネル４の一方の伝熱パイプ３に流入し、これに接続された下流側の空調パネル４の一方の伝熱パイプ３を流れ、さらに下流側の空調パネル４の他方の伝熱パイプ３を流れ、さらに上流側の空調パネル４の他方の伝熱パイプ３を経て外部に流出していく。

以上の構成において、冷房時には、伝熱パイプ３の中を、空調空間よりも温度が低い冷水を循環させる。空調パネル４の平板型熱交換器２は空調空間の熱を吸熱し、伝熱パイプ３の循環水に伝熱するので、空調空間が冷房される。また、暖房時には、伝熱パイプ３の中を、空調空間よりも温度が高い温水を循環させる。空調パネル４の平板型熱交換器２は伝熱パイプ３の循環水の熱を吸熱し、空調空間に伝熱するので、空調空間が暖房される。

図１を参照して一次熱交換手段について説明する。
図１に示す本実施形態の一次熱交換手段は、電力を使用しない再生可能エネルギー熱交換装置である縦型パイプ式地中熱交換器５である。縦型パイプ式地中熱交換器５は、循環水の流路において前記空調パネル４の下流側にあり、伝熱パイプ３に接続された循環水パイプ７に接続されており、空調パネル４から循環してきた循環水と熱交換を行なう。この縦型パイプ式地中熱交換器５は、同心状に配置された外筒１６及び内筒１７から成る複数基の二重管容器１８によって構成されている。空調パネル４で熱交換された循環水は、第１の二重管容器１８の入水口１９から内筒１７の上部に入水し、その下端を廻り、外筒１６の底部に入って上昇し、外筒１６の上部にある出水口２０から連通管２１を通り、隣接する他の二重管容器１８の入水口１９から内筒１７の上部に入る。以下、循環水は、以上の説明と同様の流れで各二重管容器１８の内部を順次移動していく。空調パネル４で熱交換した循環水温度は、縦型パイプ式地中熱交換器５内を循環する時間中に地中熱と熱交換することによって調整される。

縦型パイプ式地中熱交換器５は、循環水の熱交換時間を必要なだけ獲得するため、外筒１６及び内筒１７の内径を循環水パイプ７の断面より大きくし、あるいは二重管容器１８を適宜の数だけ設置するものとするが、必要な量と温度の循環水を確保できる容量であれば、二重管容器１８は１基だけでも良い。

一次熱交換手段としてのパイプ式地中熱交換器は図１に示すような縦型のみに限定されるものではなく、図５及び図６に示すように、熱交換パイプを地中に並列配置した横型のものでもよい。この横型パイプ式地中熱交換器５ａは、複数本の熱交換パイプ２２を並列して並べ、各熱交換パイプ２２の一端側同士を連結して循環水の入口側とし、各熱交換パイプ２２の他端側同士を連結して循環水の出口側としたもので、必要な深さの地中に埋設される。この他、自然エネルギーを利用する一次熱交換手段としては、地下水槽、井戸、池、川等に投入されるフレキブルなパイプ式熱交換器（図示しない）でもよい。さらに、再生可能エネルギー熱交換装置の熱源としては、太陽光熱、地下水温あるいは温泉水温を利用することもできる。

一次熱交換手段の熱源温度は、空調に適した循環水温度に近いほど、後述する二次熱交換手段の循環水温調整装置６の消費電力量を節約することができる。再生可能エネルギーを利用した一次熱交換手段の熱源として、冷房時は空調温度より低い温度の地中熱、地下水熱が好ましく、暖房時は空調温度より高い温度の太陽熱温水、温泉水などが好ましい。

しかし再生可能エネルギーの熱源となる地中温度、地下水温度は、たとえば、地下水温度の場合、沖縄では２０℃〜２４℃程度、沖縄県外の地域においては１８℃〜２４℃程度で、地域によって異なる。太陽熱温水器の温水温度は３０℃〜６０℃程度で、温泉水温度は２５℃以上である。

このような種々の温度の自然熱源を利用する一次熱交換手段で熱交換された後の循環水の温度は、最終的に空調に適した循環水温度に調整して空調パネル４に安定的に提供するために、後述する二次熱交換手段の循環水温調整装置６において再調整する必要がある。

図１に示すように、縦型パイプ式地中熱交換器５で熱交換した循環水は、循環水パイプ７を経て貯槽としての貯水槽８に送られる。貯水槽８は、本システム内における循環水の量を自動的に補充する機能を有している。貯水槽８の下流側には、循環水パイプ７を介して二次熱交換手段としての循環水温調整装置６が接続されている。循環水温調整装置６は循環水ポンプを含み、前記一次熱交換手段である縦型パイプ式地中熱交換器５から循環した循環水を空調パネル４による空調に適した温度となるように調整し、本空調システム１ａの循環系に送り出す装置であり、一般の市場で販売されているヒートポンプを循環水温調整用に改造したものである。循環水温調整装置６には、電源９を有する操作ユニット１０が接続されており、循環水を必要に応じた温度に設定し、また循環水の循環水量を必要量となるよう任意に設定できるようになっている。そして、循環水温調整装置６の循環水の下流側は、循環水パイプ７を介して空調パネル４の伝熱パイプ３の最上流側に接続されている。
なお、本装置１ａ内の循環水パイプ７は遮熱防護を施しており、外気温度の影響を少なくして、循環水温度のロスを可及的に抑止している。

次に、以上説明した本実施形態の空調システム１ａの作用について説明する。
本発明の空調システム１ａによれば、循環水温調整装置６の循環水ポンプによって循環水が空調システム１ａ内を循環し、空調パネル４に設けられた伝熱パイプ３を通過していく。これにより、循環水の熱は、平板型熱交換器２の第１熱交換媒体を介して、空調空間の温度と熱交換される。平板型熱交換器２において熱交換された循環水は、一次熱交換手段である縦型パイプ式地中熱交換器５で熱交換された後に貯水槽８に貯留され、さらに二次熱交換手段である循環水温調整装置６において熱交換され、空調に適した温度に調整される。そして、空調に適した温度に調整された循環水が、循環水温調整装置６の循環水ポンプによって、上述したように再度各装置、設備を連続して循環することにより、空調空間の空調が継続されていく。

なお、本空調システム１ａを冷房用に使用する場合、運転開始当初は、循環水温調整装置６を十分な負荷をかけて運転することにより空調空間の室温を比較的短い時間で目標値まで下げ、その後、循環水温調整装置６の負荷を下げて一定の状態で運転することが好ましい。この場合、縦型パイプ式地中熱交換器５による循環水の冷却効果が得られるため、循環水温調整装置６における電力消費を少なくしても、一度目標値に達した空調空間の温度を地下の冷熱の効果によって維持することができる。

このように、空調パネル４で熱交換されて温度が変化した循環水は、縦型パイプ式地中熱交換器５で再生可能エネルギーを利用して熱交換することにより、温度がある程度調整されてから循環水温調整装置６に送られるため、循環水温調整装置６で行う電力を利用して行なわれる循環水の調整温度差が縮小され、循環水温調整装置６の消費電力量が削減される。

２．第２実施形態
本発明の第２実施形態を図７を参照して説明する。
図７は、第２実施形態の空調システム１ａの全体構成を模式的に示す図である。例えば、この空調システム１ｂは、寒冷地において太陽熱を用いた農作物栽培ハウス用の暖房システムとして用いることができる。

図７に示す空調システム１ｂは、前述した第１実施形態において、縦型パイプ式地中熱交換器５に替えて、自然エネルギーを用いた一次熱交換手段として太陽熱温水器２５を設けたものであり、その他の構成は第１実施形態と同一であるので説明を省略する。太陽熱温水器２５は、集束した多数本の集熱パイプ２６に温水パイプ２７を取り付けたものである。空調パネル４の下流側に接続した循環水パイプ７を、太陽熱温水器２５の温水パイプ２７の上流側に接続し、温水パイプ２７の下流側を貯水槽８に接続する。なお、図７中に「温水供給」と示すように、温水パイプ２７の下流側に接続した循環水パイプ７を分岐させ、温水の一部を取り出して別用途に供することができるようにしてもよい。

本実施形態によれば、循環水の熱は空調パネル４の平板型熱交換器２で吸収され、空調空間に放出されて暖房に供される。そして、空調パネル４で熱交換されて温度が低下した循環水は、太陽熱温水器２５で太陽熱を利用して加熱され、温度がある程度上昇してから循環水温調整装置６に送られる。このため、再び暖房のために空調パネル４に送るべき循環水の温度と、太陽熱で温められて送られてくる循環水の温度差は小さくなるため、循環水温調整装置６で循環水を加熱するために消費される電力は少なくて済む。

３．第３実施形態
第３実施形態である天井据付型冷房空調装置としての空調システム１ｃを図８及び図９を参照して説明する。
本実施形態の空調システム１ｃの基本的な構成は第１実施形態と同一である。すなわち、この空調システム１ｃは、平板型熱交換器２と伝熱パイプ３を有する空調パネル４と、自然エネルギーを用いた一次熱交換手段である縦型パイプ式地中熱交換器５と、貯水槽８と、二次熱交換手段である循環水温調整装置６とを備え、これら各構成部分の間で循環水パイプ７を介して循環水が循環する構成となっている。但し、空調パネル４の数は５基である。図８及び図９においては、他の実施形態と対応する構成部分については他の実施形態と同一の符号を付して他の実施形態の説明を援用し、以下では本実施形態に特有の構成を中心に説明するものとする。

図８及び図９に示すように、天井据付型冷房空調装置である本実施形態の空調システム１ｃでは、各空調パネル４は天井２８に近接して天井２８に平行となるように天井２８から吊具２９によって吊られて設置されている。冷房時には循環水温度と空調空間の温度差や湿度によって、平板型熱交換器２には結露が生じる場合がある。そのため、結露水処理対策として、空調パネル４より広い面積を有する結露水受けプレート３０を、各空調パネル４ごとに設備する。結露水受けプレート３０は、各空調パネル４の下方に排水勾配をつけて吊具３１で設置し、下方の縁側から排水する構造とする。具体的には、結露水受けプレート３０の勾配下方の端部に排水管３２を接続開口させて結露水を外部に排出する。

図示はしないが、結露水を排出するための構造としては、前述した結露水受けプレート３０を設ける構造例の他、結露水が流出する排水勾配以上に空調パネル４を傾斜させて天井に吊り下げて設置し、勾配下方の平板型熱交換器２の端部に樋を装着して排水する手段でもよい。

図９に示すように、本実施形態では、各空調パネル４の伝熱パイプ３に流入する循環水の流れは直列方式とされているが、並列方式でも良い。

なお、結露水の滴下が障害とならない植物工場、農業ハウスなどに設置する場合には、結露水受けプレート３０や前述した樋等の結露水排水手段は省略しても良い。

４．第４実施形態
第４実施形態であるスタンド型冷暖房空調装置としての空調システム１ｄを図１０〜図１２を参照して説明する。
本実施形態の空調システム１ｄの基本的な構成は第１実施形態と同一である。すなわち、この空調システム１ｄは、平板型熱交換器２と伝熱パイプ３を有する空調パネル４と、自然エネルギーを用いた一次熱交換手段（例えば縦型パイプ式地中熱交換器５）と、貯水槽８と、二次熱交換手段である循環水温調整装置６とを備え、これら各構成部分の間で循環水パイプ７を介して循環水が循環する構成となっている。但し、図１０〜図１２においては、空調パネル４の部分のみを図示し、その他の実施形態と同等の構成部分については図示を省略してその他の実施形態の説明を援用するものとする。

本実施形態の空調システム１ｄの空調パネル４は、特に図１１に現れるように、図４（ｂ）に示す方形型の伝熱パイプ１３を備えた第１実施形態の変形例に近似した構造である。すなわち図４（ｂ）の構造では、方形型の伝熱パイプ１３の片面に１枚の平板型熱交換器２を取り付けて、その２面を放射面としたが、本実施形態では、前述した方形型の伝熱パイプ１３の本体部１３ａの上下両面にそれぞれ平板型熱交換器２，２を取付けて本体部１３ａを挟み、本体部１３ａを貫通するねじ等の固定手段で固定することにより、２枚の空調パネル４によって４面の放射面を提供している。

そして、図１０〜図１２に示すように、本実施形態の空調システム１ｄの空調パネル４は、外周フレーム１４に取り付けられており、各空調パネル４の４つの放射面が鉛直方向（上下方向）に対して平行となるように、結露水受皿３３の中に立設され、固定されている。このように、本実施形態の空調システム１ｄは、空調パネル４を設置面上に立てて使用するため、前述したようにスタンド型と称している。該スタンド型は空調空間床部の中央あるいは壁面寄りに設置する。従って平板型熱交換器２の放射面は、人為的な接触を受ける機会が多い。その防護のため外周フレーム１４内の放射面はアルミ板（図示していない）で被覆してある。なお、結露水受皿３３には、排水管３２が接続されており、冷房時に生じた結露水を外部に排出できるようになっている。

図１０〜図１２に示す本実施形態の空調システム１ｄを冷房装置として使用する場合、循環水温調整装置６から送られる循環水（冷水）を、上側の伝熱パイプ３の一端から投入し、上側の伝熱パイプ３の他端から連絡パイプ３４を介して下側の伝熱パイプ３の他端に循環水を循環させ、下側の伝熱パイプ３の一端から循環水を排出させて一次熱交換手段に帰還させる。また、暖房装置とする場合は、逆に下側の循環水温伝熱パイプ３から循環水（温水）を投入し、冷房時とは逆に上側の伝熱パイプ３から循環水を排出させて一次熱交換手段に帰還させる。

５．第５実施形態
第５実施形態であるスタンド型冷暖房空調装置としての空調システム１ｅを図１３〜図１５により説明する。
本実施形態の空調システム１ｅの基本的な構成は第１実施形態と同一である。すなわち、この空調システム１ｅは、平板型熱交換器２と伝熱パイプ３を有する空調パネル４と、自然エネルギーを用いた一次熱交換手段である縦型パイプ式地中熱交換器５と、貯水槽８と、二次熱交換手段である循環水温調整装置６とを備え、これら各構成部分の間で循環水パイプ７を介して循環水が循環する構成となっている。但し、空調パネル４の数は図１３に示すように１基又は２基（図１５に示す変形例のＷ型）であり、その設置態様は天井から吊すのではなく、床面３５上に設置するスタンド型であり、結露水受皿３３を有している。また、空調パネル４は、図１４に示すように、図４（ａ）に示す第１実施形態と同一の構造である。図１３〜図１５においては、その他の実施形態と対応する構成部分についてはその他の実施形態と同一の符号を付してその他の実施形態の説明を援用する。

本実施形態のスタンド型冷暖房空調装置は、図１５に示すように空調空間の壁面３６に沿って空調空間の床面３５上に設置することができる。また、本実施形態のスタンド型冷暖房空調装置は、第３実施形態（図８及び図９）の天井据付型冷房空調装置と異なり、図４（ｂ）、図１１に示すタイプの伝熱パイプ１３の両側に平板型熱交換器２をそれぞれ取り付けて２枚とし、平板型熱交換器２の放射面を４面とする構造を採用できる。従って空調空間の壁面３６から離れた床面３５の中央部にも設置することができるため、床面積が比較的広い空調空間の空調にも適する。また、このスタンド型冷暖房空調装置は、除湿装置としても活用できる。

６．第６実施形態
第６実施形態である床面埋込型暖房装置としての空調システム１ｆを図１６及び図１７により説明する。
本実施形態の空調システム１ｆの基本的な構成は第１実施形態と同一である。すなわち、この空調システム１ｆは、平板型熱交換器２と伝熱パイプ３を有する空調パネル４と、自然エネルギーを用いた一次熱交換手段である縦型パイプ式地中熱交換器５と、貯水槽と、二次熱交換手段である循環水温調整装置６とを備え、これら各構成部分の間で循環水パイプ７を介して循環水が循環する構成となっている。但し、空調パネル４の数は１基であり、その設置態様は天井から吊るすのではなく、図１６に示すように、空調パネル４の厚さに相当する深さの凹部４０を床面３５に形成し、伝熱パイプ３を下側にして該凹部４０内に空調パネル４を水平に設置し、該凹部４０の開口を張付床材４１で覆って覆工した埋込型である。また、空調パネル４と凹部４０の底部との間には充填材４２を充填して空調パネル４の配置状態を安定させる。なお、空調パネル４は、特に図１６に現れるように、図４（ａ）に示す第１実施形態と同一の構造である。図１６及び図１７においては、その他の実施形態と対応する構成部分についてはその他の実施形態と同一の符号を付してその他の実施形態の説明を援用する。

本実施形態の床面埋込型暖房装置によれば、空調パネル４は、伝熱パイプ３を下側にして水平に配置されるため、平板型熱交換器２の片面側の全面が放射面として張付床材４１に近接した状態となる。したがって、循環水の熱が平板型熱交換器２を介して床面３５から空調空間に効率的に伝達される。

以上説明したように、本発明の各実施形態の空調システム１ａ〜１ｆによれば、一次熱交換手段５において、地域特性に応じて採用できる再生可能エネルギー、例えば地下水、太陽熱、温泉水等を有効的に活用しているので、二次熱交換手段６による消費電力量を削減し、効果的な空調を経済的に行なうことができる。例えば、寒冷地域において暖房する場合には、空調パネル４での熱交換により温度が低下した循環水を、太陽熱温水器２５や温泉水熱交換器を循環させて加熱して貯水槽８に貯えることにより、循環水温調整装置６の使用電力量を削減することができる。空調の対象となる空間には特に制限はなく、あらゆる生活・生産活動空間が対象となり、例えば通常の家屋内の居室や事務所等の他、コンピューターサーバー室、農業ハウス、植物工場、仮設プレハブハウスなどを経済的に空調することができる。

７．実施例
実施形態の空調システムによって空調を行う場合の消費電力量削減実施例を説明する。
１．空調空間はコンクリート構造の壁に囲われ、床面積３２ｍ²、壁面積５９．３ｍ²のうち３０％（１７．８）は窓である。但し床面に直射日光は差し込まれないものとする。
２．空調時の外気温度は最高３２℃であり、空調空間の空調設定温度は２７℃とする。
３．対象空調空間の熱量、即ち輻射熱量及び対流熱量は、床面積、壁構造、空調空間の高さ、窓面積、日光直射量、外気温度等の条件により変化する。そのため、本説明においては、事前の輻射熱量調査データー等を引用し、空調空間の輻射熱量及び対流熱量は、単位床面積あたり１００ｗと仮定する。
よって、冷暖房時の空調パネルが行う熱交換量は、対象空調空間全体で３２ｍ²×１００ｗ≒３２００ｗ以上が必要である。
４．実施例は第５実施形態で説明した空調システム１ｅであって、１基（空調パネル４）の熱放射面積は、幅１．２ｍ×高さ２．０ｍ×２（面）＝４．８ｍ²である。空調パネルは、空調空間に２基設置するものとする。
５．上記空調パネルの循環水パイプの流量を２３リットル/ 分と設定する。
６．空調空間の空調において、従来のファンコイル式エアーコンデショナーによれば、外気温度を室外機で空調温度に調整する。
７．本発明の空調システムは、空調パネルの循環水熱量を空調空間に放射して空調温度を調整する。この時、二次熱交換手段の温度調整装置６で行う温度調整量が少なければ少ないほど、従来の空調パネルより省エネ的となる。
８．初期運転後の、輻射熱量、対流熱量は、前述のように、諸条件によって変化するため、循環水温度は２次温度調整装置の操作ユニットによって適切な温度に自動調整する。

冷房時には、平板型熱交換器２は、空調空間の熱を吸熱して、伝熱パイプ３内の循環水に伝熱する。すなわち、空調空間において循環水の熱と空調空間の熱が交換される。これによって循環水の温度は上昇し、空調空間の温度は低下する。暖房時には、平板型熱交換器２は、伝熱パイプ３内の循環水の温熱を空調空間に放射する。その時、空調空間において循環水の熱と空調空間の熱が交換される。即ち、循環水温は低下し、空調空間の温度は上昇する。

前記において、循環水と空調空間では、流量２３リットル/ 分あたりの循環水の温度差２℃（パネル４の循環水入口温度と、循環水出口温度の差）について、パネル４で熱交換される。その熱量は、２３リットル×２℃×４１８０（比熱）/ ６０秒≒３２００Ｗである。
このことは、空調空間３２ｍ²の熱交換に必要な空調熱量は３２００ｗ（３２ｍ²×１００ｗ/ ｍ²≒３２００ｗ）以上とする空調条件を満たす。
循環水温調整装置６は、従来の空調装置であるファンコイル式エアーコンデショナーと比較して、動力を消費するファンコイルが無く、さらに自然エネルギーにおける１次温度調整によって２次温度調整の温度差を縮減するため、消費電力量の削減ができる。

循環水温調整装置６で流量２３リットル/ 分あたりの循環水温度差２℃（パネル４の入口と出口の温度差）について、循環水温調整装置６が温度調整を行なうための想定電力消費量は、循環水温調整装置動力仕様から、多く見込んでも１２時間当たり約１０ｋｗＨ以下である。

前述した環境条件等において、従来のファンコイル式エアーコンデショナーによって行われる２℃の温度調整において、空調システムの動力（圧縮機、ファンコイル及び循環ポンプが消費する電力量）は１２００Ｗ（システムの装置仕様から）程度を要する。この時の、空調システム想定消費電力量は、１２時間当たり約１４ｋＷＨとなる。

したがって、本発明の空調システム１ｅは、従来のエアーコンデショナーと比較して、１２時間当たり４ｋＷＨを削減でき、経済的である。

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ…空調システム
２…平板型熱交換器
３…伝熱パイプ
３ａ…パイプ部
３ｂ…フランジ部
４…空調パネル
５…一次熱交換手段としての縦型パイプ式地中熱交換器
５ａ…一次熱交換手段としての横型パイプ式地中熱交換器
６…二次熱交換手段としての循環水温調整装置
８…貯槽としての貯水槽
１１…管路
１２…固定板
１３…伝熱パイプ
１３ａ…本体部
１３ｂ…パイプ部
２５…一次熱交換手段としての太陽熱温水器

Claims

第１熱交換媒体が封入された複数の管路を有する平板型熱交換器と、前記平板型熱交換器に取りつけられて第２熱交換媒体が循環する伝熱パイプとを有し、前記第１熱交換媒体と前記第２熱交換媒体の間で熱交換が行なわれる空調パネルと、
前記伝熱パイプに接続されて前記空調パネルから循環した前記第２熱交換媒体と熱交換を行なう自然エネルギーを用いた一次熱交換手段と、
前記一次熱交換手段に接続されて前記一次熱交換手段から循環した前記第２熱交換媒体を前記空調パネルによる空調に適した温度となるように調整する二次熱交換手段と、
を備える空調システムであって、
前記空調パネルは、複数の前記平板型熱交換器を前記管路と交差する所定方向に沿って並設し、前記伝熱パイプを前記所定方向に沿って前記各平板型熱交換器の両端部の各表面に接触するように取りつけて構成したことを特徴とする空調システム。
前記空調パネルにおいて、
前記伝熱パイプは、一体に構成されたパイプ部とフランジ部を有しており、
前記平板型熱交換器の前記端部を前記フランジ部と固定板によって両面から挟んで固定したことを特徴とする請求項１記載の空調システム。
前記空調パネルにおいて、
前記伝熱パイプは、互いに平行な上面と下面を有する本体部と、前記本体部の内部に設けられたパイプ部とを有しており、
前記本体部の前記上面と前記下面に異なる前記平板型熱交換器の前記端部が固定されていることを特徴とする請求項１記載の空調システム。
前記空調システムは、自然エネルギーとして地熱を利用する前記一次熱交換手段を備えた冷房用の空調システムであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の空調システム。
前記空調システムは、自然エネルギーとして太陽熱を利用する前記一次熱交換手段を備えた暖房用の空調システムであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の空調システム。
前記一次熱交換手段と前記二次熱交換手段の間に、前記熱交換媒体を貯える貯槽を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の空調システム。