JP6576746B2 - 地中熱熱源機システム、目標値決定方法及び地中熱熱源機システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は地中熱熱源機システム、目標値決定方法及び地中熱熱源機システムの運転方法に関し、特に地中熱交換器周辺の地中の状態に適した運転を行うことができる地中熱熱源機システム、目標値決定方法及び地中熱熱源機システムの運転方法に関する。

自然エネルギーを有効利用するべく、地中熱を利用して熱源機の効率を改善させるシステムがある。地中熱を利用した熱源システムは、典型的には、熱源機と地中に埋設した熱交換器との間で熱媒体を循環させて熱媒体と地中との間で熱交換させるものであるが、熱媒体の循環流量を一定にして地中と熱媒体とを熱交換させると、熱交換器の周辺の地中の温度が熱交換器に導入される熱媒体の温度に近づき、地中に対して採取又は放出することができる熱量が少なくなり、システムの効率が低下してしまうこととなる。このような不都合を解消するものとして、地中熱ヒートポンプ装置の負荷運転中に、地中往き温度検出手段又は地中戻り温度検出手段の検出する熱媒温度の温度勾配が、下り勾配の場合は地中熱循環ポンプの回転数を増加させ、上り勾配の場合は地中熱循環ポンプの回転数を減少させることとして、負荷に対して必要な採熱量を確保するための最低限の循環流量となるように地中熱循環ポンプの回転数を設定するものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特許第５３５６９００号公報

しかしながら、熱媒の温度勾配はヒートポンプ二次側の負荷の影響も受けるため、特許文献１に記載された装置では、必ずしも地中の熱交換器の状態を表しているといえず、システムの効率低下が生じ得る。

本発明は上述の課題に鑑み、地中熱交換器周辺の地中の状態に適した運転を行うことができる地中熱熱源機システム、目標値決定方法及び地中熱熱源機システムの運転方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る地中熱熱源機システムは、例えば図１に示すように、地中Ｇと一次熱媒体ＳＷとの間で熱交換を行わせる地中熱交換器１０と；熱利用機器８０に供給される二次熱媒体ＣＨの温度を調節する熱源機２０であって、機内熱媒体を相変化させて一次熱媒体ＳＷと二次熱媒体ＣＨとの間で熱移動を行わせる熱源機２０と；一次熱媒体ＳＷを、地中熱交換器１０及び熱源機２０を通過するように循環させる一次熱媒体循環装置３０であって、一次熱媒体ＳＷの循環流量を変化させる流量調節手段３２ｖを有する一次熱媒体循環装置３０と；地中熱交換器１０を出て熱源機２０に入る一次熱媒体ＳＷの温度と相関を有する値である出口温度相関値Ｔｓ１を取得する出口温度相関値取得手段３５と；熱源機２０の運転時における負荷率を検知する負荷率検知手段４７、５５と；出口温度相関値Ｔｓ１に対して所定の条件を充足する一次熱媒体ＳＷの循環流量が負荷率ごとに記憶されている記憶部５１と；負荷率検知手段４７、５５で検知された負荷率と、出口温度相関値取得手段３５で取得された出口温度相関値Ｔｓ１と、を記憶部５１に記憶されている関係に照らして、一次熱媒体ＳＷの循環流量の目標値である循環流量目標値を決定する目標流量決定部５７と；目標流量決定部５７で決定された循環流量目標値に基づいて、流量調節手段３２ｖを調節する制御部５９とを備える。

このように構成すると、地中熱交換器周辺の地中の状態に応じて所定の条件に適うようにすることができる。

また、本発明の第２の態様に係る地中熱熱源機システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係る地中熱熱源機システム１において、一次熱媒体ＳＷの循環流量を検知する一次熱媒体流量検知器３４を備え；制御部５９は、一次熱媒体流量検知器３４で検知された値が循環流量目標値になるように流量調節手段３２ｖを調節する。

このように構成すると、所定の条件に適うような適切な流量の一次熱媒体を精度よく循環させることができる。

また、本発明の第３の態様に係る地中熱熱源機システムは、例えば図４に示すように、上記本発明の第１の態様に係る地中熱熱源機システム１Ａにおいて、熱源機２０を出て地中熱交換器１０に入る一次熱媒体ＳＷの温度と相関を有する値である入口温度相関値を取得する入口温度相関値取得手段３６と；熱源機２０と一次熱媒体ＳＷとが熱交換した単位時間当たりの熱量を検知する一次側熱量検知手段５６と；出口温度相関値取得手段３５で取得された出口温度相関値Ｔｓ１と、一次側熱量検知手段５６で検知された単位時間当たりの熱量と、目標流量決定部５７Ａで決定された循環流量目標値とから、入口温度相関値の目標値である目標入口温度相関値を算出する目標入口温度算出部５７Ａとを備え；制御部５９は、入口温度相関値取得手段３６で取得された入口温度相関値が目標入口温度算出部５７Ａで算出された目標入口温度相関値になるように流量調節手段３２ｖを調節する。

このように構成すると、一次熱媒体の循環流量を計測することなく、適切な流量の一次熱媒体を循環させることができる。

上記目的を達成するために、本発明の第４の態様に係る地中熱熱源機システムは、例えば図４を参照して示すと、地中Ｇと一次熱媒体ＳＷとの間で熱交換を行わせる地中熱交換器１０と；熱利用機器８０に供給される二次熱媒体ＣＨの温度を調節する熱源機２０であって、機内熱媒体を相変化させて一次熱媒体ＳＷと二次熱媒体ＣＨとの間で熱移動を行わせる熱源機２０と；一次熱媒体ＳＷを、地中熱交換器１０及び熱源機２０を通過するように循環させる一次熱媒体循環装置３０であって、一次熱媒体ＳＷの循環流量を変化させる流量調節手段３２ｖを有する一次熱媒体循環装置３０と；熱源機２０を出て地中熱交換器１０に入る一次熱媒体ＳＷの温度と相関を有する値である入口温度相関値を取得する入口温度相関値取得手段３６と；入口温度相関値取得手段３６で取得された入口温度相関値があらかじめ決定された値になるように流量調節手段３２ｖを調節する制御部５９とを備える。

このように構成すると、簡便な構成で、熱源機の負荷率を考慮しつつシステムＣＯＰの低下を抑制することが可能となる。

また、本発明の第５の態様に係る目標値決定方法は、例えば図４及び図５を参照して示すと、上記本発明の第４の態様に係る地中熱熱源機システム１Ａにおいて、制御部５９が目標とするあらかじめ決定された値を決定する方法であって；地中熱熱源機システム１Ａによって熱負荷処理される対象８０の所定の期間の想定熱負荷に基づいて、地中熱交換器１０を出て熱源機２０に入る一次熱媒体ＳＷの温度と相関を有する値である出口温度相関値Ｔｓ１の所定の期間における平均である平均出口温度相関値を予測する平均出口温度相関値予測工程（Ｓ１１）と；想定熱負荷に基づいて、熱源機２０の運転時における負荷率の所定の期間における平均である平均負荷率を予測する平均負荷率予測工程（Ｓ１３）と；想定熱負荷に基づいて、熱源機２０と一次熱媒体ＳＷとが熱交換する単位時間当たりの熱量の所定の期間における平均である平均一次側熱量を予測する平均一次側熱量予測工程（Ｓ１４）と；所定の条件を充足するようにあらかじめ関係づけられている、出口温度相関値Ｔｓ１と、一次熱媒体ＳＷの循環流量と、負荷率との関係に対して、平均出口温度相関値予測工程（Ｓ１１）で予測された平均出口温度相関値と、平均負荷率予測工程（Ｓ１３）で予測された平均負荷率とを照らし合わせて、目標とする一次熱媒体ＳＷの循環流量の所定の期間における平均である平均循環流量目標値を決定する平均目標流量決定工程（Ｓ１５）と；平均出口温度相関値予測工程（Ｓ１１）で予測された平均出口温度相関値と、平均一次側熱量予測工程（Ｓ１４）で予測された平均一次側熱量と、平均目標流量決定工程（Ｓ１５）で決定された平均循環流量目標値とから、目標とする入口温度相関値の所定の期間における平均である平均入口温度相関値を算出し、算出された平均入口温度相関値を前記あらかじめ決定された値とする目標値算出工程（Ｓ１６）とを備える。

このように構成すると、適切な流量の一次熱媒体を循環させる目安となる入口温度相関値の目標値を決定することができる。

上記目的を達成するために、本発明の第６の態様に係る地中熱熱源機システムの運転方法は、例えば図１及び図３を参照して示すと、地中Ｇと一次熱媒体ＳＷとの間で熱交換を行わせる地中熱交換器１０と、機内熱媒体を相変化させて一次熱媒体ＳＷと熱利用機器８０に供給される二次熱媒体ＣＨとの間で熱移動を行わせて二次熱媒体ＣＨの温度を調節する熱源機２０と、一次熱媒体ＳＷを地中熱交換器１０及び熱源機２０を通過するように循環させる一次熱媒体循環装置３０と、を有する地中熱熱源機システム１を運転する方法であって；地中熱交換器１０を出て熱源機２０に入る一次熱媒体ＳＷの温度と相関を有する値である出口温度相関値Ｔｓ１を取得する出口温度相関値取得工程（Ｓ１）と；熱源機２０の運転時における負荷率を検知する負荷率検知工程（Ｓ３）と；所定の条件を充足するようにあらかじめ関係づけられている、出口温度相関値と、一次熱媒体ＳＷの循環流量と、負荷率との関係に対して、出口温度相関値取得工程（Ｓ１）で取得された出口温度相関値Ｔｓ１と、負荷率検知工程（Ｓ３）で検知された負荷率とを照らし合わせて、一次熱媒体ＳＷの循環流量の目標値である循環流量目標値を決定する目標流量決定工程（Ｓ５）と；目標流量決定工程（Ｓ５）で決定された循環流量目標値に基づいて、一次熱媒体ＳＷの循環流量を変化させる流量調節工程（Ｓ７）とを備える。

このように構成すると、地中熱交換器周辺の地中の状態に応じて所定の条件に適うようにすることができる。

本発明によれば、地中熱交換器周辺の地中の状態に応じて所定の条件に適うようにすることができる。

本発明の実施の形態に係る地中熱熱源機システムの模式的系統図である。 本発明の実施の形態に係る地中熱熱源機システムの記憶部に記憶されている、地中出口温度と熱源水の循環流量と熱源機の負荷率との関係の例を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る地中熱熱源機システムの運転時の制御を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態の変形例に係る地中熱熱源機システムの模式的系統図である。 本発明の実施の形態の別の変形例に係る地中熱熱源機システムを運転するために目標入口温度をあらかじめ決定する手順の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る地中熱熱源機システム１を説明する。図１は、地中熱熱源機システム１の模式的系統図である。地中熱熱源機システム１は、地中Ｇに設置された地中熱交換器１０と、地中Ｇの熱を熱源として空調設備８０に供給する冷温水ＣＨの温度を調節する熱源機２０と、地中熱交換器１０と熱源機２０との間で熱源水ＳＷを循環させる熱源水循環部３０と、地中熱交換器１０を出て熱源機２０に入る熱源水ＳＷの温度を検知する熱源水出口温度計３５と、熱源機２０と冷温水ＣＨとが熱交換した熱量を検知する冷温水熱量検知部４７と、制御装置５０とを備えている。

地中熱交換器１０は、地中Ｇと熱源水ＳＷとの間で熱交換を行わせる機器である。地中熱交換器１０は、本実施の形態では、地中Ｇを鉛直方向に掘削し、掘削した孔にＵチューブ１２を挿入し、Ｕチューブ１２が挿入された掘削孔を埋め戻して構成される、いわゆるボアホール方式となっている。地中Ｇは、地表から概ね１０ｍよりも深い部分の温度が１年を通じて安定している。したがって、掘削孔は、Ｕチューブ１２が１０ｍよりも深い部分まで達するように、１０ｍよりも深くなっており、２０ｍ、３０ｍの深さとしてもよく、５０ｍ〜１００ｍ程度の深さとしてもよい。Ｕチューブ１２には、熱源水ＳＷが流れるようになっている。熱源水ＳＷは、一次熱媒体に相当する。１つの掘削孔には、典型的には１対又は２対のＵチューブ１２が挿入される。地中熱交換器１０は、地中Ｇと熱源水ＳＷとの交換熱量に応じて、Ｕチューブ１２が挿入された掘削孔を複数設け、各掘削孔に挿入されたＵチューブ１２を並列に接続した構成にしてもよい。

熱源機２０は、熱源水ＳＷが地中Ｇから伝達された熱（冷熱又は温熱）を熱源として、熱利用機器としての空調設備８０に供給する冷温水ＣＨの温度を調節する機器である。熱源機２０には、典型的には、水熱源ヒートポンプチラーが用いられる。熱源機２０は、内部において、冷媒及び熱媒となる機内熱媒体が相変化を伴う冷凍サイクル又はヒートポンプサイクルを行う。熱源機２０は、典型的には、夏季に、液体の機内熱媒体が蒸発する際に費やされる潜熱を冷温水ＣＨから奪うことで冷温水ＣＨを冷却し、蒸発した機内熱媒体を熱源水ＳＷで冷却する冷凍サイクルを行う。また、熱源機２０は、典型的には、冬季に、熱源水ＳＷで機内熱媒体を蒸発させ、気体の機内熱媒体が凝縮する際の凝縮熱を冷温水ＣＨに与えることで冷温水ＣＨを加熱するヒートポンプサイクルを行う。冷温水ＣＨは、典型的には、夏季は冷水として機能し、冬季は温水として機能する。冷温水ＣＨは、二次熱媒体に相当する。熱源機２０は、機内熱媒体のサイクルの原理が、圧縮式及び吸収式のいずれであってもよい。

熱源水循環部３０は、熱源水往管３１と、熱源水ポンプ３２と、熱源水還管３３とを有している。熱源水往管３１は、一方が地中熱交換器１０のＵチューブ１２の一端と接続され、他方が熱源機２０と接続されている。熱源水往管３１は、地中熱交換器１０で地中Ｇと熱交換した熱源水ＳＷを、熱源機２０に導く配管である。熱源水還管３３は、一方が熱源機２０に接続され、他方がＵチューブ１２の他端と接続されている。熱源水還管３３は、熱源水ＳＷを、熱源機２０から地中熱交換器１０に導く配管である。地中熱交換器１０のＵチューブ１２、熱源水往管３１、熱源機２０、熱源水還管３３がこの順で接続されて形成される熱源水ＳＷの流路は、密閉流路となっている。熱源水ポンプ３２は、熱源水往管３１に配設されており、上述の密閉流路内の熱源水ＳＷを流動させることができるように構成されている。熱源水循環部３０を構成する熱源水往管３１、熱源水ポンプ３２、熱源水還管３３が介在することによって、熱源水ＳＷを、地中熱交換器１０と熱源機２０との間で循環させることができる。熱源水循環部３０は、一次熱媒体循環装置に相当する。熱源水ポンプ３２は、本実施の形態ではインバータ３２ｖを有しており、上述の密閉流路を循環する熱源水ＳＷの流量を変化させることができるように構成されている。インバータ３２ｖは、流量調節手段に相当する。

熱源水往管３１には、熱源水出口温度計３５が設けられている。熱源水出口温度計３５は、出口温度相関値取得手段に相当する。つまり、地中熱交換器１０を出て熱源機２０に入る熱源水ＳＷの温度自体も出口温度相関値に含まれる。以下、熱源水出口温度計３５で検知された温度を、「地中出口温度Ｔｓ１」という場合もある。また、熱源水往管３１には、熱源水ＳＷの循環流量を検知する熱源水流量計３４が設けられている。熱源水流量計３４は、一次熱媒体流量検知器に相当する。また、熱源水ポンプ３２より上流側の熱源水往管３１には、密閉式の膨張タンク３８が接続されている。

熱源機２０から冷温水ＣＨが供給される空調設備８０には、例えば、輻射パネルや、ファンコイルユニット等の、設置される環境の熱負荷の処理に適した機器が用いられる。熱源機２０と空調設備８０とは、冷温水往管８１及び冷温水還管８３で接続されており、これによって、熱源機２０と空調設備８０との間を冷温水ＣＨが循環することができる密閉流路が構成されている。冷温水還管８３には、密閉流路内の冷温水ＣＨを循環させる冷温水ポンプ８２が配設されている。他方、冷温水往管８１には、冷温水ＣＨの循環流量を検知する冷温水流量計４４と、熱源機２０を出て空調設備８０に入る冷温水ＣＨの温度を検知する往冷温水温度計４５とが設けられている。冷温水還管８３には、空調設備８０を出て熱源機２０に入る冷温水ＣＨの温度を検知する還冷温水温度計４６が設けられている。往冷温水温度計４５で検知された温度と還冷温水温度計４６で検知された温度との差と、冷温水流量計４４で検知された流量とから、熱源機２０と冷温水ＣＨとが熱交換した単位時間当たりの熱量（以下「冷温水交換熱量」という。）を算出することができるため、冷温水流量計４４と、往冷温水温度計４５と、還冷温水温度計４６とで、冷温水熱量検知部４７（二次側熱量検知手段）を構成する。また、冷温水ポンプ８２より上流側の冷温水還管８３には、密閉式の膨張タンク８８が接続されている。

制御装置５０は、地中熱熱源機システム１の動作を制御する装置である。制御装置５０は、記憶部５１と、受信部５３と、負荷率検知部５５と、目標値決定部５７と、制御部５９とを有している。記憶部５１は、地中熱熱源機システム１全体のＣＯＰ（成績係数）が最大となるような、地中出口温度Ｔｓ１と、熱源水ＳＷの循環流量と、熱源機２０の負荷率との関係が記憶されている。本実施の形態では、地中熱熱源機システム１全体のＣＯＰが最大となることを、所定の条件としている。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に、記憶部５１に記憶されている、地中出口温度Ｔｓ１と、熱源水ＳＷの循環流量と、熱源機２０の負荷率との関係の例を示す。図２（Ａ）は、専ら夏季に、地中熱交換器１０に入る熱源水ＳＷの温度が地中Ｇの温度よりも高い場合のものであり、この場合は、地中熱交換器１０において熱源水ＳＷから地中Ｇに放熱されることとなる。他方、図２（Ｂ）は、専ら冬季に、地中熱交換器１０に入る熱源水ＳＷの温度が地中Ｇの温度よりも低い場合のものであり、この場合は、地中熱交換器１０において熱源水ＳＷは地中Ｇから採熱することとなる。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す地中出口温度Ｔｓ１と熱源水ＳＷの循環流量と熱源機２０の負荷率との関係は、地中熱交換器１０の設置後に行われる熱応答試験に基づいて規定されて、記憶部５１に記憶されている。なお、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）では、地中出口温度Ｔｓ１と熱源水ＳＷの循環流量と熱源機２０の負荷率との関係がグラフで示されているが、地中出口温度Ｔｓ１と熱源機２０の負荷率とから熱源水ＳＷの循環流量を導き出すことができればよく、数式で記憶されていてもよい。

受信部５３は、熱源水流量計３４及び熱源水出口温度計３５と、それぞれ、信号ケーブル等の有線又は無線で電気的に接続されており、熱源水流量計３４で検知された値及び熱源水出口温度計３５で検知された値をそれぞれ信号として受信することができるように構成されている。また、受信部５３は、冷温水流量計４４、往冷温水温度計４５、還冷温水温度計４６と、それぞれ信号ケーブル等の有線又は無線で電気的に接続されており、冷温水流量計４４で検知された値、往冷温水温度計４５で検知された値、還冷温水温度計４６で検知された値をそれぞれ信号として受信することができるように構成されている。換言すれば、受信部５３は、冷温水熱量検知部４７と有線又は無線で電気的に接続されており、冷温水交換熱量を算出するために用いられる値を信号として受信することができるように構成されている。

負荷率検知部５５は、熱源機２０の運転時における負荷率を検知する負荷率検知手段の一形態である。負荷率検知部５５は、あらかじめ把握した熱源機２０の定格能力を入力することができるようになっており、典型的には熱源機２０の設置後に、初期設定として、熱源機２０の定格能力が入力（設定）される。また、負荷率検知部５５は、受信部５３が冷温水熱量検知部４７から受信した冷温水交換熱量を算出するための値と、設定されている熱源機２０の定格能力とから、熱源機２０の負荷率を把握することができるように構成されている。負荷率検知部５５は、典型的には、冷温水交換熱量を熱源機２０の定格能力で除して熱源機２０の負荷率を割り出す（熱源機２０の負荷率＝冷温水交換熱量[ｋＷ]／熱源機２０の定格能力[ｋＷ]）。冷温水交換熱量は、往冷温水温度計４５で検知された温度と還冷温水温度計４６で検知された温度との差の絶対値と、冷温水流量計４４で検知された流量との積から求めることができる（次式参照）。
冷温水交換熱量[ｋＷ]＝（冷温水流量計４４の値[ｍ^３／ｈ]×｜還冷温水温度計４６の値[℃]−往冷温水温度計４５の値[℃]｜）／０．８６

目標値決定部５７は、本実施の形態では、地中熱熱源機システム１全体のＣＯＰが最大となる熱源水ＳＷの循環流量を決定する部位であり、目標流量決定部に相当する。目標値決定部５７は、熱源水出口温度計３５で検知された地中出口温度Ｔｓ１と、負荷率検知部５５で検知した熱源機２０の負荷率とを、記憶部５１に記憶されている関係（図２参照）に照らし合わせて、目標とする熱源水ＳＷの循環流量（循環流量目標値）を決定するように構成されている。例えば、熱源水出口温度計３５で検知された地中出口温度Ｔｓ１が２３．５℃で、負荷率検知部５５で検知された負荷率が１００％であった場合は、目標とする熱源水ＳＷの循環流量が毎分３６リットル（３６Ｌ／ｍｉｎ）となる。

制御部５９は、地中熱熱源機システム１の動作を司る部位である。制御部５９は、熱源機２０の発停及び運転容量を制御することができるように構成されている。また、制御部５９は、熱源水ポンプ３２と電気的に接続されており、熱源水ポンプ３２の発停及び回転速度を制御することができるように構成されている。また、制御部５９は、直接又は間接的に冷温水ポンプ８２の発停を制御することができるように構成されている。また、制御部５９は、受信部５３が受信した熱源水流量計３４で検知された値と、目標値決定部５７で決定された熱源水ＳＷの循環流量の目標値とを参照することができるように構成されている。

なお、図１では、記憶部５１、受信部５３、負荷率検知部５５、目標値決定部５７、制御部５９が別々に構成されているように示しているが、これは機能の観点から概念的に別々に表現したものであり、物理的には渾然一体に構成されていてもよい。また、図１では、記憶部５１、受信部５３、負荷率検知部５５、目標値決定部５７、制御部５９が１つの筐体に収容されて制御装置５０を構成しているように示されているが、これは概念を示しているものであって、物理的にはこれらが分離して配設されていてもよい。

引き続き図１及び図２を参照して、地中熱熱源機システム１の作用を説明する。制御部５９は、地中熱熱源機システム１を起動させる旨の指令を外部から受けると、熱源水ポンプ３２及び冷温水ポンプ８２を起動する。また、制御部５９は、熱源機２０を起動する。熱源水ポンプ３２の起動により、熱源水ＳＷは、熱源水往管３１及び熱源水還管３３を介して、地中熱交換器１０と熱源機２０との間を循環する。このとき、空調設備８０で冷房が行われるとき（以下「冷房時」という。）は地中Ｇで冷やされた熱源水ＳＷが熱源水往管３１を流れ、空調設備８０で暖房が行われるときは（以下「暖房時」という。）地中Ｇで温められた熱源水ＳＷが熱源水往管３１を流れる。熱源水往管３１を流れる熱源水ＳＷは、熱源機２０に流入する。

熱源機２０に流入した熱源水ＳＷは、機内熱媒体を介して冷温水ＣＨと熱交換し、冷房時は温度が上昇し、暖房時は温度が低下する。このときの熱源水ＳＷの温度は、冷房時は地中Ｇの温度よりも高く、暖房時は地中Ｇの温度よりも低くなっている。熱源機２０で機内熱媒体を介して冷温水ＣＨと熱交換した熱源水ＳＷは、熱源機２０を出て、熱源水還管３３を流れ、地中熱交換器１０に流入する。地中熱交換器１０に流入した熱源水ＳＷは、Ｕチューブ１２を流れる過程で地中Ｇと熱交換し、冷房時は温度が低下し、暖房時は温度が上昇する。地中Ｇと熱交換した熱源水ＳＷは、熱源水往管３１を流れ、上述した作用を繰り返す。

他方、冷温水ポンプ８２の起動により、冷温水ＣＨは、冷温水往管８１及び冷温水還管８３を介して、熱源機２０と空調設備８０との間を循環する。このとき、冷房時は熱源機２０で冷やされ、暖房時は温められた冷温水ＣＨが、冷温水往管８１を流れて空調設備８０に流入する。空調設備８０に流入した冷温水ＣＨは、熱負荷を処理する過程で、冷房時は温度が上昇し、暖房時は温度が低下する。熱負荷を処理して温度が変化した冷温水ＣＨは、空調設備８０を出て冷温水還管８３を流れ、熱源機２０に流入する。熱源機２０に流入した冷温水ＣＨは、機内熱媒体を介して熱源水ＳＷと熱交換し、冷房時は温度が低下し、暖房時は温度が上昇する。熱源機２０で機内熱媒体を介して熱源水ＳＷと熱交換した冷温水ＣＨは、冷温水往管８１を流れ、上述した作用を繰り返す。

上述のような地中熱熱源機システム１の運転を続けていくと、冷房時は地中Ｇの温度が徐々に上昇し、暖房時は地中Ｇの温度が徐々に低下する。この地中Ｇの温度の変化に伴い、熱源機２０の効率が低下する。それでも地中熱熱源機システム１の運転を継続すると、地中Ｇの温度が、冷房時はさらに上昇し、暖房時はさらに低下して、ついには、熱飽和した状態になる。この地中Ｇの温度の変化に伴い、熱源機２０の効率はさらに低下する。このように、地中熱を利用した地中熱熱源機システム１は、採取又は放出することができる熱量に限りがある。したがって、熱源機２０の運転において、空調設備８０の熱負荷の増減にあわせて熱源水ＳＷと地中Ｇとの熱交換を行わせることとすると、地中Ｇの温度が思い掛けず早く熱飽和してしまう場合があり、システムＣＯＰの向上を図れない場合が生じ得る。本発明者らは、熱源機２０の起動当初は熱源水ＳＷの循環流量を少なくし、地中Ｇの温度が熱源水ＳＷの温度に近づくに連れて熱源水ＳＷの循環流量を増大させるとシステムＣＯＰが向上するという知見を得た。熱源水ＳＷと地中Ｇとの熱交換において、どれだけの熱量を採取／放出すればよいかは、熱源機２０の負荷率も影響する。そこで、地中熱熱源機システム１では、運転中、以下の制御を行うこととしている。

図３は、地中熱熱源機システム１の運転時の制御を説明するフローチャートである。以下の説明において、地中熱熱源機システム１の構成に言及しているとき、あるいは記憶部５１に記憶されている情報に言及しているときは、適宜図１又は図２を参照することとする。地中熱熱源機システム１の運転を開始すると、受信部５３が、熱源水出口温度計３５が検知した地中出口温度Ｔｓ１を取得する（出口温度相関値取得工程：Ｓ１）。次に、負荷率検知部５５が、熱源機２０の運転時における負荷率を検知する（負荷率検知工程：Ｓ３）。負荷率は、前述のように、冷温水熱量検知部４７が検知した冷温水交換熱量を算出するための値と、あらかじめ設定されている熱源機２０の定格能力とから算出する。次に、目標値決定部５７は、受信部５３が取得した地中出口温度Ｔｓ１と、負荷率検知部５５が算出した負荷率とを、記憶部５１に記憶されている関係に照らして、目標とする熱源水ＳＷの循環流量（循環流量目標値）を決定する（目標流量決定工程：Ｓ５）。循環流量目標値を決定したら、制御部５９は、熱源水流量計３４が検知する流量が、決定した循環流量目標値となるように、熱源水ポンプ３２のインバータ３２ｖを制御する（流量調節工程：Ｓ７）。ただし、ここでの熱源水ＳＷの循環流量の制御は、熱源機２０の仕様で決まる熱源水ＳＷの上限流量と下限流量との範囲内で行うこととする。

上述のような制御を行うと、地中熱交換器１０の熱交換能力に余裕がある運転初期は、熱源水ＳＷの循環流量が少なくなるため、熱源水ポンプ３２の動力を減らすことができ、システムＣＯＰの向上に寄与する。その後、地中熱交換器１０周辺の地中Ｇの温度が熱源水ＳＷの温度に近づいていき、地中熱交換器１０における交換熱量が減少していくと、熱源水ＳＷの循環流量が増加していくため、システムＣＯＰの低下を抑制することができる。このように、地中熱熱源機システム１の運転における制御を行うことで、システムＣＯＰを最大化することができる。熱源水ＳＷの循環流量が循環流量目標値となるようにインバータ３２ｖの制御を行ったら、受信部５３は、地中熱熱源機システム１を停止する旨の指令を受けたか否かを判断する（Ｓ９）。停止する旨の指令を受けていないときは、出口温度相関値取得工程（Ｓ１）に戻り、上述の制御を繰り返す。他方、停止する旨の指令を受けたときは、地中熱熱源機システム１の運転を停止する。

以上で説明したように、本実施の形態に係る地中熱熱源機システム１によれば、地中出口温度Ｔｓ１と熱源機２０負荷率とをあらかじめ記憶部５１に記憶されている関係に照らして循環流量目標値を決定し、熱源水ＳＷの循環流量が循環流量目標値となるようにインバータ３２ｖの制御を行うので、概ね、運転初期は熱源水ＳＷの循環流量が少なくなり、地中熱交換器１０における交換熱量が減少するに連れて熱源水ＳＷの循環流量が増加して、地中熱熱源機システム１のシステムＣＯＰを最大化することができる。

次に図４を参照して、本発明の実施の形態の変形例に係る地中熱熱源機システム１Ａを説明する。図４は、地中熱熱源機システム１Ａの模式的系統図である。地中熱熱源機システム１Ａは、地中熱熱源機システム１（図１参照）と比較して、以下の点が異なっている。地中熱熱源機システム１Ａは、熱源水還管３３に、熱源機２０を出て地中熱交換器１０に入る熱源水ＳＷの温度を検知する熱源水入口温度計３６が設けられている。熱源水入口温度計３６は、入口温度相関値取得手段に相当する。つまり、熱源機２０を出て地中熱交換器１０に入る熱源水ＳＷの温度自体も入口温度相関値に含まれる。また、地中熱熱源機システム１Ａは、熱源機２０に、消費電力を検知する消費電力計２５が設けられている。また、地中熱熱源機システム１Ａは、制御装置５０が、熱源水交換熱量検知部５６を有している。熱源水交換熱量検知部５６は、熱源機２０における熱源水ＳＷの交換熱量（冷房時は加熱熱量、暖房時は冷却熱量）を検知する部位であり、一次側熱量検知手段に相当する。熱源水交換熱量検知部５６で求められる熱源機２０における熱源水ＳＷの単位時間当たりの交換熱量は、冷温水熱量検知部４７で検知された値に基づいて負荷率検知部５５において算出された冷温水交換熱量と、消費電力計２５で検知された熱源機２０の消費電力の冷房運転時は和、暖房時は差で求められる（冷房時[熱源機２０における熱源水ＳＷの単位時間当たりの交換熱量]＝[冷温水交換熱量]＋[熱源機２０の消費電力]、暖房時運転[熱源機２０における熱源水ＳＷの単位時間当たりの交換熱量]＝[冷温水交換熱量]−[熱源機２０の消費電力]）。また、地中熱熱源機システム１Ａは、目標値決定部５７Ａが、地中熱熱源機システム１Ａ全体のＣＯＰが最大となるような、熱源機２０を出て地中熱交換器１０に入る熱源水ＳＷの温度（以下「目標入口温度」という。）を決定する部位であり、目標入口温度算出部に相当する。つまり、本変形例では、目標値決定部５７Ａが、目標流量決定部と目標入口温度算出部とを兼ねている。目標入口温度は、地中出口温度Ｔｓ１と、熱源機２０における熱源水ＳＷの交換熱量と、循環流量目標値とから求めることができる（次式参照）。
冷房時：目標入口温度[℃]＝地中出口温度Ｔｓ１[℃]＋（熱源機２０における熱源水ＳＷの交換熱量[ｋＷ]／（循環流量目標値[ｍ^３／ｈ]×０．８６））、暖房時：目標入口温度[℃]＝地中出口温度Ｔｓ１[℃]−（熱源機２０における熱源水ＳＷの交換熱量[ｋＷ]／（循環流量目標値[ｍ^３／ｈ]×０．８６））
なお、地中熱熱源機システム１（図１参照）に設けられていた熱源水流量計３４（図１参照）を省略してもよい。地中熱熱源機システム１Ａの上記以外の構成は、地中熱熱源機システム１（図１参照）と同様である。

上述のように構成された地中熱熱源機システム１Ａの基本的な作用は、地中熱熱源機システム１（図１参照）と同様であるが、運転時の制御が一部異なっている。地中熱熱源機システム１Ａの運転時の制御は、図３に示すフローにおいて、目標流量決定工程（Ｓ５）の後に、地中出口温度Ｔｓ１と、熱源機２０における熱源水ＳＷの単位時間当たりの交換熱量と、循環流量目標値とから、目標入口温度を算出し（目標入口温度算出工程）、その後に、流量調節工程（Ｓ７）において、熱源水入口温度計３６で検知した温度が、目標入口温度算出工程で算出した目標入口温度となるように、熱源水ポンプ３２のインバータ３２ｖを制御する。地中熱熱源機システム１Ａの上記以外の運転時の制御は、図３に示す地中熱熱源機システム１（図１参照）の運転時の制御と同様である。以上で説明したように、地中熱熱源機システム１（図１参照）は熱源水ＳＷの循環流量を制御対象としているのに対し、本変形例に係る地中熱熱源機システム１Ａは熱源機２０を出て地中熱交換器１０に入る熱源水ＳＷの温度を制御対象としている。

なお、図４に示す地中熱熱源機システム１Ａの構成において、地中熱熱源機システムの運転中に目標入口温度を随時算出することを行わず、目標入口温度をあらかじめ決定し、制御部５９は、熱源水入口温度計で検知した温度が当該決定した目標入口温度になるように、熱源水ポンプ３２のインバータ３２ｖを制御することとしてもよい。この場合、図４に示す地中熱熱源機システム１Ａの構成中、記憶部５１、負荷率検知部５５、熱源水交換熱量検知部５６、目標値決定部５７Ａを省略することが可能となり、システム構成及び制御の簡素化を図ることができる。あらかじめ決定する目標入口温度は、例えば、一般的な熱源機の冷房時の冷却水出入口温度（３２℃〜３７℃）の概ね中間値である３５℃等にしてもよいが、以下の手順で決定してもよい。

図５は、目標入口温度をあらかじめ決定する手順の一例を示すフローチャートである。以下の説明において、地中熱熱源機システム１Ａの構成に言及しているときは、適宜図４を参照することとする。目標入口温度をあらかじめ決定するために、まず、地中熱熱源機システムが導入される施設（空調設備８０）での、所定の期間において処理することが想定される熱負荷（想定熱負荷）を割り出す（Ｓ１０）。所定の期間は、１週間、２週間、１ヶ月、３ヶ月、季節ごと、１年等、制御の精度や制御の簡素化等を勘案して任意に決定することができるが、実際に処理する熱負荷の差が極力小さくなるように少なくとも季節ごとまで細分化することが好ましい。次に、想定熱負荷を処理するために熱源機２０及び熱源水循環部３０を稼働した際の、地中出口温度Ｔｓ１の当該所定の期間における平均（平均地中出口温度）を予測する（平均出口温度相関値予測工程：Ｓ１１）。平均地中出口温度は、平均出口温度相関値に相当する。次に、想定熱負荷を処理するために熱源機２０を稼働した際の、負荷率の当該所定の期間における平均（平均負荷率）を予測する（平均負荷率予測工程：Ｓ１３）。負荷率の予測は、負荷率検知部５５における算出手法に沿って行うことができる。次に、想定熱負荷を処理するために熱源機２０及び熱源水循環部３０を稼働した際の、熱源水ＳＷの単位時間当たりの交換熱量（冷房時は加熱熱量、暖房時は冷却熱量）の当該所定の期間における平均（平均熱源水交換熱量）を予測する（平均一次側熱量予測工程：Ｓ１４）。平均熱源水交換熱量は、平均一次側熱量に相当する。平均熱源水交換熱量の予測は、熱源水交換熱量検知部５６における算出手法に沿って行うことができる。

平均熱源水交換熱量を予測したら、工程（Ｓ１１）で予測した平均地中出口温度と、工程（Ｓ１３）で予測した平均負荷率とを、地中熱熱源機システム全体のＣＯＰが最大となるようにあらかじめ関係づけられている、地中出口温度Ｔｓ１と熱源機２０の負荷率と熱源水ＳＷの循環流量との関係に照らし合わせて、目標とする熱源水ＳＷの循環流量の、当該所定の期間における平均（平均循環流量目標値）を決定する（平均目標流量決定工程：Ｓ１５）。予測した平均地中出口温度及び平均負荷率を照合する、地中出口温度Ｔｓ１と熱源機２０の負荷率と熱源水ＳＷの循環流量との関係は、図２（Ａ）又は図２（Ｂ）にグラフで示す関係を用いることができる。次に、工程（Ｓ１１）で予測した平均地中出口温度と、工程（Ｓ１４）で予測した平均熱源水交換熱量と、工程（Ｓ１５）で決定した平均循環流量目標値とから、目標とする熱源水入口温度の、当該所定の期間における平均（平均目標入口温度）を算出し、算出した値を、目標入口温度（あらかじめ決定された値）として制御部５９に設定する（目標値算出工程：Ｓ１６）。平均目標入口温度は、平均入口温度相関値に相当し、目標値決定部５７Ａにおける算出手法に沿って行うことができる。

上述した目標入口温度をあらかじめ決定する手順において、各値は、地中熱熱源機システムが導入される場所の現況調査や実測値の平均値等に基づいて、典型的にはコンピュータを用いて算出されるが、人間が予測、算出してもよい。以上で説明したように、熱源水ポンプ３２によって制御される熱源水ＳＷの目標入口温度を、あらかじめ決定した一定値とすることで、システム構成及び制御の簡素化を図ることができる。

以上の説明では、地中熱交換器１０が、鉛直に延びる掘削孔にＵチューブ１２を配設して構成されることとしたが、地中Ｇの温度が安定する深さで水平方向の掘削孔を形成し、Ｕチューブ１２を水平に配設することとしてもよい。

以上の説明では、流量調節手段がインバータ３２ｖであるとしたが、熱源水ポンプ３２を複数台設置して、熱源水ポンプ３２の運転台数を変化させることにより、熱源水ＳＷの循環流量を変化させることとしてもよい。

以上の説明では、出口温度相関値取得手段が、地中熱交換器１０を出て熱源機２０に入る熱源水ＳＷの温度を直接検知する熱源水出口温度計３５であるとしたが、例えば地中熱交換器１０を出た熱源水ＳＷの温度と相関を有する地中Ｇの温度を検知する地中温度計等であってもよい。換言すれば、出口温度相関値は、地中熱交換器１０を出た熱源水ＳＷの温度自体も含まれる。同様に入口温度相関値取得手段が、熱源機２０を出て地中熱交換器１０に入る熱源水ＳＷの温度を直接検知する熱源水入口温度計３６であるとしたが、例えば熱源機２０を出た熱源水ＳＷの温度と相関を有する熱源機２０の温度を検知する熱源機温度計等であってもよい。

１、１Ａ 地中熱熱源機システム
１０ 地中熱交換器
２０ 熱源機
３０ 熱源水循環部
３２ｖ インバータ
３４ 熱源水流量計
３５ 熱源水出口温度計
３６ 熱源水入口温度計
４７ 冷温水熱量検知部
５１ 記憶部
５５ 負荷率検知部
５６ 熱源水交換熱量検知部
５７、５７Ａ 目標値決定部
５９ 制御部
８０ 空調設備
Ｇ 地中
ＳＷ 熱源水
ＣＨ 冷温水
Ｔｓ１ 地中出口温度

Claims (6)

1. 地中と一次熱媒体との間で熱交換を行わせる地中熱交換器と；
   熱利用機器に供給される二次熱媒体の温度を調節する熱源機であって、機内熱媒体を相変化させて前記一次熱媒体と前記二次熱媒体との間で熱移動を行わせる熱源機と；
   前記一次熱媒体を、前記地中熱交換器及び前記熱源機を通過するように循環させる一次熱媒体循環装置であって、前記一次熱媒体の循環流量を変化させる流量調節手段を有する一次熱媒体循環装置と；
   前記地中熱交換器を出て前記熱源機に入る前記一次熱媒体の温度と相関を有する値である出口温度相関値を取得する出口温度相関値取得手段と；
   前記熱源機の運転時における負荷率を検知する負荷率検知手段と；
   前記出口温度相関値に対して所定の条件を充足する前記一次熱媒体の循環流量が前記負荷率ごとに記憶されている記憶部と；
   前記負荷率検知手段で検知された前記負荷率と、前記出口温度相関値取得手段で取得された前記出口温度相関値と、を前記記憶部に記憶されている関係に照らして、前記一次熱媒体の循環流量の目標値である循環流量目標値を決定する目標流量決定部と；
   前記目標流量決定部で決定された前記循環流量目標値に基づいて、前記流量調節手段を調節する制御部とを備える；
   地中熱熱源機システム。
2. 前記一次熱媒体の循環流量を検知する一次熱媒体流量検知器を備え；
   前記制御部は、前記一次熱媒体流量検知器で検知された値が前記循環流量目標値になるように前記流量調節手段を調節する；
   請求項１に記載の地中熱熱源機システム。
3. 前記熱源機を出て前記地中熱交換器に入る前記一次熱媒体の温度と相関を有する値である入口温度相関値を取得する入口温度相関値取得手段と；
   前記熱源機と前記一次熱媒体とが熱交換した単位時間当たりの熱量を検知する一次側熱量検知手段と；
   前記出口温度相関値取得手段で取得された前記出口温度相関値と、前記一次側熱量検知手段で検知された単位時間当たりの熱量と、前記目標流量決定部で決定された前記循環流量目標値とから、前記入口温度相関値の目標値である目標入口温度相関値を算出する目標入口温度算出部とを備え；
   前記制御部は、前記入口温度相関値取得手段で取得された前記入口温度相関値が前記目標入口温度算出部で算出された前記目標入口温度相関値になるように前記流量調節手段を調節する；
   請求項１に記載の地中熱熱源機システム。
4. 前記熱源機を出て前記地中熱交換器に入る前記一次熱媒体の温度と相関を有する値である入口温度相関値を取得する入口温度相関値取得手段を備え；
   前記制御部は、前記入口温度相関値取得手段で取得された前記入口温度相関値が、前記目標流量決定部で決定された前記循環流量目標値に基づいて算出されたあらかじめ決定された値になるように前記流量調節手段を調節する；
   請求項１に記載の地中熱熱源機システム。
5. 地中と一次熱媒体との間で熱交換を行わせる地中熱交換器と、
   熱利用機器に供給される二次熱媒体の温度を調節する熱源機であって、機内熱媒体を相変化させて前記一次熱媒体と前記二次熱媒体との間で熱移動を行わせる熱源機と、
   前記一次熱媒体を、前記地中熱交換器及び前記熱源機を通過するように循環させる一次熱媒体循環装置であって、前記一次熱媒体の循環流量を変化させる流量調節手段を有する一次熱媒体循環装置と、
   前記熱源機を出て前記地中熱交換器に入る前記一次熱媒体の温度と相関を有する値である入口温度相関値を取得する入口温度相関値取得手段と、
   前記入口温度相関値取得手段で取得された前記入口温度相関値があらかじめ決定された値になるように前記流量調節手段を調節する制御部とを備える地中熱熱源機システムにおいて前記制御部が目標とする前記あらかじめ決定された値を決定する方法であって；
   前記地中熱熱源機システムによって熱負荷処理される対象の所定の期間の想定熱負荷に基づいて、前記地中熱交換器を出て前記熱源機に入る前記一次熱媒体の温度と相関を有する値である出口温度相関値の前記所定の期間における平均である平均出口温度相関値を予測する平均出口温度相関値予測工程と；
   前記想定熱負荷に基づいて、前記熱源機の運転時における負荷率の前記所定の期間における平均である平均負荷率を予測する平均負荷率予測工程と；
   前記想定熱負荷に基づいて、前記熱源機と前記一次熱媒体とが熱交換する単位時間当たりの熱量の前記所定の期間における平均である平均一次側熱量を予測する平均一次側熱量予測工程と；
   所定の条件を充足するようにあらかじめ関係づけられている、前記出口温度相関値と、前記一次熱媒体の循環流量と、前記負荷率との関係に対して、前記平均出口温度相関値予測工程で予測された前記平均出口温度相関値と、前記平均負荷率予測工程で予測された前記平均負荷率とを照らし合わせて、目標とする前記一次熱媒体の循環流量の前記所定の期間における平均である平均循環流量目標値を決定する平均目標流量決定工程と；
   前記平均出口温度相関値予測工程で予測された前記平均出口温度相関値と、前記平均一次側熱量予測工程で予測された前記平均一次側熱量と、前記平均目標流量決定工程で決定された前記平均循環流量目標値とから、目標とする前記入口温度相関値の前記所定の期間における平均である平均入口温度相関値を算出し、算出された前記平均入口温度相関値を前記あらかじめ決定された値とする目標値算出工程とを備える；
   目標値決定方法。
   
6. 地中と一次熱媒体との間で熱交換を行わせる地中熱交換器と、機内熱媒体を相変化させて前記一次熱媒体と熱利用機器に供給される二次熱媒体との間で熱移動を行わせて前記二次熱媒体の温度を調節する熱源機と、前記一次熱媒体を前記地中熱交換器及び前記熱源機を通過するように循環させる一次熱媒体循環装置と、を有する地中熱熱源機システムを運転する方法であって；
   前記地中熱交換器を出て前記熱源機に入る前記一次熱媒体の温度と相関を有する値である出口温度相関値を取得する出口温度相関値取得工程と；
   前記熱源機の運転時における負荷率を検知する負荷率検知工程と；
   所定の条件を充足するようにあらかじめ関係づけられている、前記出口温度相関値と、前記一次熱媒体の循環流量と、前記負荷率との関係に対して、前記出口温度相関値取得工程で取得された前記出口温度相関値と、前記負荷率検知工程で検知された前記負荷率とを照らし合わせて、前記一次熱媒体の循環流量の目標値である循環流量目標値を決定する目標流量決定工程と；
   前記目標流量決定工程で決定された前記循環流量目標値に基づいて、前記一次熱媒体の循環流量を変化させる流量調節工程とを備える；
   地中熱熱源機システムの運転方法。

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