JP6839913B2 - Geothermal utilization system - Google Patents
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Description
本発明は、地中熱利用システム及び地中熱交換器に関する。 The present invention relates to a geothermal heat utilization system and a geothermal heat exchanger.
地下の温度は地盤の断熱作用により年間を通してほぼ一定に維持される。このことを利用し、地中熱を用いて冷暖房等を行う地中熱利用システムが提案されている。 Underground temperature is maintained almost constant throughout the year due to the heat insulating effect of the ground. Taking advantage of this, a geothermal heat utilization system has been proposed in which heating and cooling are performed using geothermal heat.
このような地中熱利用システムは、循環液等の熱媒体を循環させて周囲の地盤との間で熱交換を行うように構成されている。地中熱利用システムでは、地下の温度に比べて気温が高いときには地中熱を冷房に利用し、地下の温度に比べて気温が低いときには地中熱を暖房に利用することができる。 Such a geothermal heat utilization system is configured to circulate a heat medium such as a circulating fluid to exchange heat with the surrounding ground. In the geothermal heat utilization system, the geothermal heat can be used for cooling when the temperature is higher than the underground temperature, and the geothermal heat can be used for heating when the temperature is lower than the underground temperature.
特許文献1には、冷媒液が充填されているとともに地中に埋設された鋼管と、この鋼管の内外に亘り配設された循環パイプと、を有する地中熱利用システムが記載されている。この地中熱利用システムでは、循環パイプを介して循環液を循環させることにより、鋼管内の冷媒液及び鋼管を介して周囲の地盤との間で熱交換を行う。 Patent Document 1 describes a geothermal heat utilization system including a steel pipe filled with a refrigerant liquid and buried in the ground, and a circulation pipe arranged inside and outside the steel pipe. In this geothermal heat utilization system, heat is exchanged between the refrigerant liquid in the steel pipe and the surrounding ground via the steel pipe by circulating the circulating liquid through the circulation pipe.
特許文献2には、100〜150mといった深さに掘削された掘削孔内に配設されたヒートパイプを用いて熱交換を行う地中熱利用システムが記載されている。この地中熱利用システムにおいては、掘削孔にヒートパイプを設置した後、掘削孔内に珪砂等の充填材が充填されている。 Patent Document 2 describes a geothermal heat utilization system that exchanges heat using a heat pipe arranged in a drilling hole excavated to a depth of 100 to 150 m. In this geothermal heat utilization system, after installing a heat pipe in the excavation hole, the excavation hole is filled with a filler such as silica sand.
特許文献1の技術では、循環パイプ内の循環液と地盤との間での熱交換は、循環パイプの周囲に充填された冷媒液と鋼管とを介して行われる。ここで、冷媒液は、蓄熱性が高く放熱性に劣るため、特許文献1の技術では、循環液と地盤との間での熱交換の速度が十分でないと考えられる。 In the technique of Patent Document 1, heat exchange between the circulating liquid in the circulating pipe and the ground is performed through the refrigerant liquid filled around the circulating pipe and the steel pipe. Here, since the refrigerant liquid has high heat storage property and is inferior in heat dissipation property, it is considered that the speed of heat exchange between the circulating liquid and the ground is not sufficient in the technique of Patent Document 1.
一方、特許文献2の技術は、いわば地盤にヒートパイプを直に埋設する技術であるため、ヒートパイプの内外での熱交換が、地盤中の土壌の性状のバラツキなどに起因して生じた地盤中における温度ムラの影響を大きく受けてしまう。すなわち、個々の地中熱利用システムごとの熱交換能力が、設置される地盤の影響によりばらついて不安定となる。
更に、特許文献2の技術では、上述のように非常に深い掘削孔を形成する必要があるなど、施工作業ならびにシステムの構造が大掛かりなものとなるため、例えば一般家庭の冷暖房などに用いることは難しい。
On the other hand, the technique of Patent Document 2 is, so to speak, a technique of directly burying a heat pipe in the ground, so that heat exchange inside and outside the heat pipe is caused by variations in the properties of the soil in the ground. It is greatly affected by temperature unevenness inside. That is, the heat exchange capacity of each individual geothermal heat utilization system varies and becomes unstable due to the influence of the installed ground.
Further, in the technique of Patent Document 2, since it is necessary to form a very deep excavation hole as described above, the construction work and the structure of the system become large-scale, so that it cannot be used for heating and cooling of a general household, for example. difficult.
本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、循環液等の熱媒体と周囲の地盤との間での良好な熱交換速度を実現できるとともに、個々の地中熱利用システムごとの熱交換能力を安定化させることができ、且つ、比較的小規模な設備でも単位時間あたりに熱交換可能な熱量を十分に確保することが可能な地中熱利用システム及び地中熱交換器を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and can realize a good heat exchange rate between a heat medium such as a circulating fluid and the surrounding ground, and heat for each individual underground heat utilization system. We provide underground heat utilization systems and underground heat exchangers that can stabilize the exchange capacity and secure a sufficient amount of heat that can be exchanged per unit time even with relatively small-scale equipment. Is what you do.
本発明によれば、熱媒体を循環させる循環路の一部分が内部に配設されているとともに地中に埋設された地中熱交換器を備え、前記地中熱交換器を介して当該地中熱交換器の周囲地盤から採熱または前記周囲地盤へ放熱する地中熱利用システムであって、前記地中熱交換器は、前記周囲地盤の土壌に対して耐腐食性の容器と、前記容器内に密封充填された金属蓄熱材と、を有し、前記循環路は、内部で前記熱媒体を循環させる循環パイプであり、前記循環パイプの一部分が前記容器の内部を通過しており、前記容器の内部において前記循環パイプの周囲の領域に前記金属蓄熱材が充填されており、前記容器は、前記金属蓄熱材よりも熱伝導率が高い材料により構成されており、当該地中熱利用システムは、調温対象室の天井または床下に設置された配管に循環水を循環させる水式空調装置を備え、前記水式空調装置は、前記熱媒体と前記循環水とを熱接触させることにより熱交換を行う熱交換ユニットと、前記熱媒体を前記循環路において循環させる熱媒体循環ポンプ部と、を有し、前記循環路は、前記熱交換ユニットと前記地中熱交換器との間で前記熱媒体を循環させ、当該地中熱利用システムは、複数の前記地中熱交換器を備えているとともに、前記熱交換ユニットとの間で熱交換を行う前記地中熱交換器を切り替える切替手段を更に備えていることを特徴とする地中熱利用システムが提供される。 According to the present invention, a part of a circulation path for circulating a heat medium is provided inside and an underground heat exchanger buried in the ground is provided, and the underground heat exchanger is provided through the underground heat exchanger. An underground heat utilization system that collects heat from the surrounding ground of a heat exchanger or dissipates heat to the surrounding ground. The underground heat exchanger is a container that is resistant to corrosion against the soil of the surrounding ground and the container. It has a metal heat storage material sealed and filled inside, and the circulation path is a circulation pipe that circulates the heat medium inside, and a part of the circulation pipe passes through the inside of the container. The area around the circulation pipe is filled with the metal heat storage material inside the container, and the container is made of a material having a higher thermal conductivity than the metal heat storage material, and the underground heat utilization system. Is provided with a water-type air conditioner that circulates circulating water in a pipe installed on the ceiling or under the floor of the temperature control target room, and the water-type air conditioner heats by bringing the heat medium and the circulating water into thermal contact. It has a heat exchange unit for exchanging and a heat medium circulation pump unit for circulating the heat medium in the circulation path, and the circulation path is said to be between the heat exchange unit and the underground heat exchanger. The underground heat utilization system for circulating a heat medium includes a plurality of the underground heat exchangers and is a switching means for switching the underground heat exchangers that exchange heat with the heat exchange unit. A geothermal heat utilization system is provided, which is characterized by further providing.
本発明によれば、循環液等の熱媒体と周囲の地盤との間での良好な熱交換速度を実現できるとともに、個々の地中熱利用システムごとの熱交換能力を安定化させることができ、且つ、比較的小規模な設備でも単位時間あたりに熱交換可能な熱量を十分に確保することが可能である。 According to the present invention, it is possible to realize a good heat exchange rate between a heat medium such as a circulating fluid and the surrounding ground, and to stabilize the heat exchange capacity of each individual geothermal heat utilization system. Moreover, it is possible to secure a sufficient amount of heat that can exchange heat per unit time even with a relatively small-scale facility.
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same components are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.
〔第1実施形態〕
図1は第1実施形態に係る地中熱利用システムの構成を示す概略図である。
図2は第1実施形態に係る地中熱利用システムの地中熱交換器10を示す斜視図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic view showing the configuration of the geothermal heat utilization system according to the first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view showing the
本実施形態に係る地中熱利用システムは、熱媒体Mを循環させる循環路20の一部分(例えば第1循環パイプ21の一部分21a)が内部に配設されているとともに地中に埋設された地中熱交換器10を備え、地中熱交換器10を介して地中熱交換器10の周囲地盤Gから採熱または周囲地盤Gへ放熱するものである。地中熱交換器10は、周囲地盤Gの土壌に対して耐腐食性の容器14と、容器14内に密封充填された金属蓄熱材12と、を有する。
In the geothermal heat utilization system according to the present embodiment, a part of the
また、本実施形態に係る地中熱交換器10は、両端間が相互に連通しているパイプ(第1循環パイプ21)の一部分21aが内部に配設されているとともに地中に埋設して用いられ、周囲地盤Gから採熱または周囲地盤Gへ放熱する地中熱交換器10である。この地中熱交換器10は、周囲地盤Gの土壌に対して耐腐食性の容器14と、容器14内に密封充填された金属蓄熱材12と、を有する。
Further, in the
本実施形態では、図1に示すように、一戸建て住宅等の建造物60内の調温対象室62の調温(冷暖房)に地中熱利用システムを用いる場合について説明する。この場合、地中熱交換器10は、例えば、駐車場や庭の下の地盤に埋設することができる。図1には、庭の下に地中熱交換器10を配設した例を示している。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a case where the geothermal heat utilization system is used for temperature control (cooling / heating) of the temperature
循環路20は、例えば、第1循環パイプ21と、第2循環パイプ25と、により構成されている。
第1循環パイプ21は、その両端間が相互に連通しており、第1循環パイプ21の一部分21aが地中熱交換器10の内部(つまり容器14の内部)に配設されている。
第2循環パイプ25は、その両端間が相互に連通しており、第2循環パイプ25の一部分25aが後述するヒートポンプユニット30の内部に配設されている。
第1循環パイプ21と第2循環パイプ25とは、それらの両端どうしが相互に接続されている。これにより、第1循環パイプ21と第2循環パイプ25とは相互に連通し、これら第1循環パイプ21と第2循環パイプ25とにより循環路20が構成されている。
The
Both ends of the
Both ends of the
Both ends of the
第1循環パイプ21中を循環する熱媒体Mは、金属蓄熱材12及び容器14を介して、周囲地盤Gとの間で熱交換する。
ここで、金属蓄熱材12は、液体と比べて放熱性が良好であるため、第1循環パイプ21中を循環する熱媒体Mと周囲地盤Gとの間での良好な熱交換速度を実現することができる。このため、比較的小規模な地中熱利用システム(特に、比較的小型の地中熱交換器10)であっても、単位時間あたりに熱交換可能な熱量を十分に確保することが可能となる。よって、地中熱利用システムを一般家庭の冷暖房用途などにも好適に用いることができる。
なお、熱媒体Mは、液体でも気体でも良い。熱媒体Mの具体例としては、ハイドロフルオロカーボン(HFC)又は水などが挙げられる。
The heat medium M circulating in the
Here, since the metal
The heat medium M may be a liquid or a gas. Specific examples of the heat medium M include hydrofluorocarbons (HFCs) and water.
地盤中の温度は、地下10m以上15m以下程度の深さであれば、ほぼ一定となる。このため、地中熱交換器10を設置する深さは、周囲地盤Gの地表からの深さが20mよりも浅いところに地中熱交換器10の下面が位置するような深さとすることで十分である。
なお、周囲地盤Gの地表からの深さが10m以上のところに地中熱交換器10の上面が位置するように地中熱交換器10を地盤に埋設することが好ましい。
The temperature in the ground is almost constant if the depth is about 10 m or more and 15 m or less underground. Therefore, the depth at which the
It is preferable to bury the
容器14内に充填された金属蓄熱材12は、銅スラグ又はフェロニッケルスラグなどの非鉄スラグを含むことが好ましい。
銅スラグとは、銅の精錬過程で発生する副生成物であり、酸化鉄の含有率が高いガラス質の粒子状ものである。銅スラグには有機溶剤が混入しているため、銅スラグをそのまま地中に埋設すると、有害物質が土壌に滲出する可能性がある。銅スラグ以外の非鉄スラグについても同様である。
本実施形態では、耐腐食性の容器14に金属蓄熱材12が密封充填されているため、金属蓄熱材12が周囲地盤Gから好適に保護される。よって、銅スラグなどからなる金属蓄熱材12から土壌へと有害物質が滲出してしまうことを抑制できる。
金属蓄熱材12は、銅スラグなどの非鉄スラグのみを含んでいても良いし、非鉄スラグ間に水又は油等の液体が充填されたものであっても良い。なお、充填される液体の重量は、非鉄スラグの重量よりも少ないことが好ましい。
或いは、金属蓄熱材12は、銅スラグなどの非鉄スラグとコンクリートとを混合したもの、すなわち銅スラグコンクリートなどの非鉄スラグコンクリートであっても良い。なお、非鉄スラグコンクリートは、骨材を含んでいないものであっても良い。この場合、非鉄スラグコンクリートは、非鉄スラグと、非鉄スラグどうしを結着するセメントとを含んで構成される。
金属蓄熱材12として、非鉄スラグ間の間隙に液体を充填したものや、非鉄スラグコンクリートを用いることにより、非鉄スラグ間の間隙が空隙である場合と比べて、金属蓄熱材12の熱伝導性を良好にすることができる。
The metal
Copper slag is a by-product generated in the process of refining copper, and is a glassy particle having a high iron oxide content. Since copper slag contains organic solvents, if copper slag is buried in the ground as it is, harmful substances may seep into the soil. The same applies to non-ferrous slag other than copper slag.
In the present embodiment, since the metal
The metal
Alternatively, the metal
By using a metal
なお、金属蓄熱材12は、銅スラグなどの非鉄スラグだけでなく非鉄スラグ以外の金属材料(金属の破砕片など)を含んでいても良い。あるいは、金属蓄熱材12は、非鉄スラグを含んでおらず、非鉄スラグ以外の金属材料により構成されていても良い。
金属蓄熱材12が非鉄スラグ以外の場合でも、金属蓄熱材12をそのまま地中に埋設すると、金属蓄熱材12と土壌中の水分との反応などによって有害物質が発生する可能性が考えられる。ただし、本実施形態では、耐腐食性の容器14に金属蓄熱材12が密封充填されていることにより、この場合も、有害物質が土壌へ滲出してしまうことを抑制できる。
The metal
Even if the metal
容器14は、金属蓄熱材12よりも熱伝導率が高い材料により構成されていることが好ましい。これにより、第1循環パイプ21中を循環する熱媒体Mと周囲地盤Gとの間での熱交換速度を更に向上させることができる。
ただし、容器14の熱伝導率は、金属蓄熱材12の熱伝導率と同等であっても良いし、金属蓄熱材12の熱伝導率未満であっても良い。
ここで、金属蓄熱材12の熱伝導率とは、金属蓄熱材12が充填された領域の熱伝導率を意味する。従って、金属蓄熱材12が粒子状の非鉄スラグにより構成されている場合は、金属蓄熱材12の熱伝導率は、非鉄スラグの粒子と、粒子間の空気層とを含む部分の熱伝導率を意味する。
The
However, the thermal conductivity of the
Here, the thermal conductivity of the metal
容器14は、例えば、クロム、ステンレス鋼、クロムメッキ等の耐腐食処理が施された鉄系材料、または炭素繊維材料を含有する樹脂材料により構成されている。
これにより、容器14を周囲地盤Gに対して耐腐食性のものとすることができる。
また、例えば、金属蓄熱材12が銅スラグなどの非鉄スラグまたは銅スラグコンクリートなどの非鉄スラグコンクリートである場合には、容器14を金属材料(例えば、クロム、ステンレス鋼、クロムメッキ等の耐腐食処理が施された鉄系材料など)により構成することによって、容器14の熱伝導率を金属蓄熱材12の熱伝導率よりも高くすることができる。
The
As a result, the
Further, for example, when the metal
容器14の外表面には、凹凸が形成されていることが好ましい。このようにすることにより、容器14の外表面が平面状である場合と比べて、容器14と周囲地盤Gとの接触面積を大きくすることができる。よって、地中熱交換器10と周囲地盤Gとの熱交換効率を向上させることができる。すなわち、地中熱交換器10の周囲地盤Gからの採熱の効率、および地中熱交換器10から周囲地盤Gへ放熱の効率をそれぞれ向上させることができる。
It is preferable that the outer surface of the
容器14は、例えば、側周壁部15と、天板部16と、底板部17と、を有している。
容器14の上面(天板部16の上面)及び下面(底板部17の下面)は、互いに平行に配置されていることが好ましい。また、容器14の上面及び下面は、例えば、それぞれ水平に配置されている。また、側周壁部15が起立した状態となるように、地中熱交換器10が配置されている。
The
It is preferable that the upper surface (upper surface of the top plate portion 16) and the lower surface (lower surface of the bottom plate portion 17) of the
側周壁部15は、下端及び上端がそれぞれ開口した筒形状に形成されている。
天板部16は、平板状に形成され、側周壁部15の上端の開口を塞いでいる。
底板部17は、平板状に形成され、側周壁部15の下端の開口を塞いでいる。
天板部16の周縁部は、側周壁部15の上端の開口の縁に対して、溶接等により全周に亘り接合されている。これにより、容器14の上端は密封されている。
同様に、底板部17の周縁部は、側周壁部15の下端の開口の縁に対して、溶接等により全周に亘り接合されている。これにより、容器14の下端は密封されている。
より具体的には、例えば、容器14は直方体形状に形成されている。すなわち、側周壁部15は、平断面形状が矩形状の筒形状に形成されている。
The side
The
The
The peripheral edge of the
Similarly, the peripheral edge portion of the
More specifically, for example, the
側周壁部15、天板部16及び底板部17の各々は、周囲地盤Gの土壌に対して耐腐食性の材料により構成されている。
また、好ましくは、側周壁部15、天板部16及び底板部17の各々は、金属蓄熱材12よりも熱伝導率が高い材料により構成されている。
Each of the side
Further, preferably, each of the side
容器14の側周壁部15の外表面には、例えば、平断面形状が波形の凹凸が形成されている。
これにより、側周壁部15の外表面が平面状である場合と比べて、側周壁部15の外表面と周囲地盤Gとの接触面積を大きくすることができるので、地中熱交換器10と周囲地盤Gとの熱交換効率を向上させることができる。
更には、側周壁部15の外表面が平面状である場合に比して、側周壁部15の耐荷重性能を向上させることができる。よって、側周壁部15の薄型化が可能である。あるいは、地中熱交換器10を建築物などの重量物の下に埋設することなどが可能となる。
容器14の側周壁部15は、例えば、平断面形状が波形の板状に形成されている。すなわち、容器14の側周壁部15の内表面にも、波形の凹凸が形成されている。これにより、側周壁部15の内表面が平面状である場合と比べて、側周壁部15の内表面と金属蓄熱材12との接触面積を大きくすることができるので、容器14と金属蓄熱材12との熱交換効率を向上させることができる。
ただし、側周壁部15の内表面は平面状に形成されていても良い。
On the outer surface of the side
As a result, the contact area between the outer surface of the side
Further, the load bearing performance of the side
The side
However, the inner surface of the side
また、容器14の天板部16及び底板部17の外表面にも、波形の凹凸が形成されていても良い。これにより、天板部16及び底板部17の外表面が平面状である場合と比べて、天板部16及び底板部17の外表面と周囲地盤Gとの接触面積を大きくできるので、それらの間での熱交換効率を向上させることができる。
同様に、容器14の天板部16及び底板部17の外表面にも、波形の凹凸が形成されていても良い。これにより、天板部16及び底板部17の内表面が平面状である場合と比べて、天板部16及び底板部17と金属蓄熱材12との接触面積を大きくすることができ、それらの間での熱交換効率を向上させることができる。
Further, the outer surfaces of the
Similarly, corrugated irregularities may be formed on the outer surfaces of the
ここで、図2を参照して、容器14の具体的な構造の一例を説明する。
容器14の側周壁部15は、それぞれ波形に形成された複数の板状部材(図示の例では、8枚の板状部材171、172、173、174、175、176、177及び178)と、複数の柱状部材(図示の例では、8本の柱状部材111、112、113、114、115、116、117及び118)と、を備えて構成されている。
各板状部材171〜178及び各柱状部材111〜118は、金属等の、溶接可能な材料により構成されていることが好ましい。
各板状部材171〜178は、鉛直に起立しており、各柱状部材111〜118も、鉛直に起立している。
各板状部材171〜178は、側面視矩形状に形成されている。柱状部材111〜118の形状は、円柱状であっても良いし、角柱状であっても良い。
板状部材171〜178のうち互いに隣り合う板状部材どうしは、柱状部材111〜118を介して相互に連結されている。
より具体的には、板状部材171〜178は、平面視において反時計回りに、板状部材171〜178の順に配置され、平断面形状が矩形状の筒状体を、柱状部材111〜118とともに構成している。
Here, an example of a specific structure of the
The side
The plate-shaped
The plate-shaped
Each plate-shaped
Among the plate-shaped
More specifically, the plate-shaped
例えば、板状部材171、172は、互いに同一平面上に位置しているとともに、水平方向において互いに隣接して配置され、それらの間に位置する柱状部材115を介して相互に連結されている。板状部材173、174は、互いに同一平面上に位置しているとともに、水平方向において互いに隣接して配置され、それらの間に位置する柱状部材116を介して相互に連結されている。板状部材175、176は、互いに同一平面上に位置しているとともに、水平方向において互いに隣接して配置され、それらの間に位置する柱状部材117を介して相互に連結されている。板状部材177、178は、互いに同一平面上に位置しているとともに、水平方向において互いに隣接して配置され、それらの間に位置する柱状部材118を介して相互に連結されている。
For example, the plate-shaped
板状部材171及び172と、板状部材173及び174とは、互いに直交して配置されている。板状部材173及び174と、板状部材175及び176とは、互いに直交して配置されている。板状部材175及び176と、板状部材177及び178とは、互いに直交して配置されている。板状部材177及び178と、板状部材171及び172とは、互いに直交して配置されている。また、板状部材171及び172と、板状部材176及び175とは、互いに平行に対向している。同様に、板状部材173及び174と、板状部材178及び177とは、互いに平行に対向している。
The plate-shaped
そして、板状部材171と板状部材178とは、柱状部材111を介して相互に連結されている。同様に、板状部材172と板状部材173とは、柱状部材112を介して相互に連結されている。同様に、柱状部材174と柱状部材175とは、柱状部材113を介して相互に連結されている。同様に、柱状部材176と柱状部材177とは、柱状部材114を介して相互に連結されている。
The plate-shaped
各柱状部材111〜118の側周面には、各柱状部材111〜118の長手方向に沿って、2本ずつのスリットが形成されている。各スリットは、各柱状部材111〜118が連結する板状部材171〜178と対応する位置に設けられている。
そして、各板状部材171〜178の水平方向における両端の縁辺部は、長手方向に亘り、それぞれ対応する柱状部材111〜118の、対応するスリットに差し込まれ、且つ、対応する柱状部材111〜118に対して、溶接等により接合されている(図2中の部分拡大図を参照)。
Two slits are formed on the side peripheral surfaces of the
The edge portions of both ends of each plate-shaped
また、天板部16及び底板部17は、それぞれ平板状に形成されている。天板部16及び底板部17は、ステンレスにより構成されていることが好ましい。
そして、上述のように、天板部16の周縁部は、側周壁部15の上端の開口の縁に対して、溶接等により全周に亘り接合され、同様に、底板部17の周縁部は、側周壁部15の下端の開口の縁に対して、溶接等により全周に亘り接合されている。
Further, the
Then, as described above, the peripheral edge portion of the
図1に示すように、例えば、第1循環パイプ21の両端部の各々は、容器14から突出している。そして、図1に示すように、第1循環パイプ21の両端部の各々の先端にはそれぞれフランジ部22が形成されている。これにより、一部分21aが地中熱交換器10に導入されている第1循環パイプ21を、他の配管(具体的には、例えば、第2循環パイプ25)と容易に接続することができる。
なお、図2においては、フランジ部22の図示を省略している。
第1循環パイプ21の一端部は、当該第1循環パイプ21に熱媒体Mを導入するための入口部21bであり、第1循環パイプ21の他端部は、当該第1循環パイプ21から熱媒体Mを導出するための出口部21cである。
As shown in FIG. 1, for example, each of both ends of the
In FIG. 2, the
One end of the
例えば、第1循環パイプ21の入口部21bおよび出口部21cは、容器14の天板部16から突出している。ただし、第1循環パイプ21の入口部21bおよび出口部21cは、容器14の側周壁部15から突出していても良いし、容器14の底板部17から突出していても良い。
For example, the
容器14は、その上下寸法よりも、幅寸法及び奥行き寸法の方が大きい形状であることが好ましい一例である。このようにすることにより、容器14が扁平形状となることから、容器14と周囲地盤Gとの接触面積を十分に確保できるため、地中熱交換器10と周囲地盤Gとの間での熱交換効率を良好にすることができる。更に、地中熱交換器10の全体を、当該地中熱交換器10における最深部と同等の位置に設置しやすくなるため、地盤に管を縦に埋設する場合などとは異なり、地中熱交換器10の設置深さ(最深位置の深さ)をさほど深くする必要が無い。
As an example, the
地中熱利用システムは、調温対象室62の天井64または床下66に設置された配管(天井放射パイプ51、床下放射パイプ53)に循環水Wを循環させる水式空調装置を備えている。
水式空調装置は、熱媒体Mと循環水Wとを熱接触させることにより熱媒体Mと循環水Wとの間で熱交換を行わせる熱交換ユニット(ヒートポンプユニット30)と、熱媒体Mを圧送することにより、熱媒体Mを循環路20において循環させる熱媒体循環ポンプ部23と、を有している。
The geothermal heat utilization system includes a water-type air conditioner that circulates circulating water W through pipes (
The water-type air conditioner has a heat exchange unit (heat pump unit 30) that exchanges heat between the heat medium M and the circulating water W by bringing the heat medium M and the circulating water W into thermal contact, and the heat medium M. It has a heat medium
ヒートポンプユニット30は、例えば、建造物60の外部(つまり屋外)における地盤上に設置されている。ただし、ヒートポンプユニット30は、建造物60の内部(屋内)に設置されていたり、あるいは、地盤中に埋設されていたりしても良い。
The
第2循環パイプ25は、ヒートポンプユニット30の内部に当該第2循環パイプ25の一部分25aが配設されているとともに、第1循環パイプ21と両端どうしが接続されている。第2循環パイプ25と第1循環パイプ21とにより、ヒートポンプユニット30と地中熱交換器10との間で熱媒体Mをループ状に循環させる循環路20が構成されている。
In the
ここで、第2循環パイプ25の両端には、それぞれフランジ部24が形成されている。
そして、第1循環パイプ21の入口部21bのフランジ部22が第2循環パイプ25の一端のフランジ部24に対して固定されることにより、第1循環パイプ21の入口部21bと第2循環パイプ25の一端とが相互に連通した状態で連結されている。
同様に、第1循環パイプ21の出口部21cのフランジ部22が第2循環パイプ25の他端のフランジ部24に対して固定されることにより、第1循環パイプ21の出口部21cと第2循環パイプ25の他端とが相互に連通した状態で連結されている。
なお、図1では、フランジ部24及びフランジ部22が地上に配置されている例を示しているが、フランジ部24及びフランジ部22は地盤中に埋設されていても良い。
Here,
Then, the
Similarly, the
Although FIG. 1 shows an example in which the
ここで、建造物60は、例えば、図1に示すように、地盤に設置されたベタ基礎等のコンクリート基礎(基礎構造)70上に構築されている。
Here, the
建造物60には、例えば、冷房用の循環水Wを循環させる冷房用循環水路と、暖房用の循環水Wを循環させる暖房用循環水路と、が設けられている。
The
このうち冷房用循環水路は、例えば、調温対象室62の天井64に設置された天井放射パイプ51と、この天井放射パイプ51と連通していて天井放射パイプ51とともにループ状の冷房用循環水路を形成している配管45と、を備えている。すなわち、天井放射パイプ51の一端は配管45の一端と連通しているとともに、天井放射パイプ51の他端は配管45の他端と連通している。
配管45は、天井放射パイプ51とヒートポンプユニット30とを相互に接続しており、且つ、配管45の一部分はヒートポンプユニット30内に配設されている。
更に、配管45には、冷房用循環水路内の循環水Wを循環させるポンプ49と、開閉弁41と、が設けられている。
開閉弁41が開状態のときには、冷房用循環水路内の循環水Wをポンプ49が圧送することにより、当該循環水Wが冷房用循環水路内を循環する。一方、開閉弁41が閉状態のときには、冷房用循環水路内での循環水Wの循環的な流動が規制される。すなわち、開閉弁41は、冷房用循環水路内での循環水Wの循環的な流動を許容する状態(開状態)と、当該循環水Wの循環的な流動を規制する状態(閉状態)とに切り替わり可能である。
なお、開閉弁41を開状態から閉状態に切り替える動作は、あらかじめポンプ49を停止させた状態で行うことが好ましい。また、ポンプ49の始動は、あらかじめ開閉弁41を閉状態から開状態に切り替えた状態で行うことが好ましい。
また、天井放射パイプ51の下方には、天井放射パイプ51に結露した後で滴下する水滴を受ける水滴受け55が設けられている。
Of these, the cooling circulation channel is, for example, a loop-shaped cooling circulation channel that communicates with the
The
Further, the
When the on-off
The operation of switching the on-off
Further, below the
一方、暖房用循環水路は、例えば、調温対象室62の床下66に設置された床下放射パイプ53と、この床下放射パイプ53と連通していて床下放射パイプ53とともにループ状の暖房用循環水路を形成している配管47と、を備えている。すなわち、床下放射パイプ53の一端は配管47の一端と連通しているとともに、床下放射パイプ53の他端は配管47の他端と連通している。
配管47は、床下放射パイプ53とヒートポンプユニット30とを相互に接続しており、且つ、配管47の一部分はヒートポンプユニット30内に配設されている。
更に、配管47には、暖房用循環水路内の循環水Wを循環させるポンプ48と、開閉弁43と、が設けられている。
開閉弁43が開状態のときには、暖房用循環水路内の循環水Wをポンプ48が圧送することにより、当該循環水Wが暖房用循環水路内を循環する。一方、開閉弁43が閉状態のときには、暖房用循環水路内での循環水Wの循環的な流動が規制される。すなわち、開閉弁43は、暖房用循環水路内での循環水Wの循環的な流動を許容する状態(開状態)と、当該循環水Wの循環的な流動を規制する状態(閉状態)とに切り替わり可能である。
なお、開閉弁43を開状態から閉状態に切り替える動作は、あらかじめポンプ48を停止させた状態で行うことが好ましい。また、ポンプ48の始動は、あらかじめ開閉弁43を閉状態から開状態に切り替えた状態で行うことが好ましい。
On the other hand, the heating circulation water channel is, for example, a loop-shaped heating circulation water channel that communicates with the underfloor
The
Further, the
When the on-off
The operation of switching the on-off
図示は省略するが、ヒートポンプユニット30は、蒸発器、凝縮器、圧縮機、膨張弁、及び四方弁と、それらを接続する配管等を備え、内部には冷媒が充填されている。四方弁による切り替えによって、冷房用循環水路を用いた冷房動作と、暖房用循環水路を用いた暖房動作と、が切り替えられるようになっている。冷房動作の際と暖房動作の際とでは、蒸発器と凝縮器の役割が逆になる。
Although not shown, the
夏季などのように周囲地盤Gの温度が調温対象室62の温度に比して低温の時期における冷房動作の際には、冷房用循環水路と暖房用循環水路とのうち冷房用循環水路を選択的に稼働させる。すなわち、暖房用循環水路のポンプ48を停止させるとともに開閉弁43を閉状態とする一方で、冷房用循環水路の開閉弁41を開状態とするとともにポンプ49を運転する。
このとき、(1)蒸発器内の冷媒が冷房用循環水路の配管45内の循環水Wから受けた熱エネルギー(この場合、プラスの熱エネルギー(温熱))により蒸発し、(2)蒸発した冷媒が圧縮機にて圧縮されて凝縮器に移送され、(3)凝縮器内の冷媒が循環路20の第2循環パイプ25内の熱媒体Mから受けた地中熱エネルギー(この場合、マイナスの熱エネルギー(冷熱))により冷やされることによって凝縮して再び液体となり、(4)冷媒が膨張弁を介して蒸発器に戻る、という順序の冷房サイクルが行われる。
これにより、冷房用循環水路の配管45内の循環水Wは、ヒートポンプユニット30を通過することにより冷却される。冷却された循環水Wは、配管45から天井放射パイプ51へ移送される。よって、調温対象室62は、天井放射パイプ51からの放射冷却により冷房される。
この際、天井放射パイプ51内の循環水Wは、調温対象室62内の雰囲気から受けたプラスの熱エネルギーにより昇温し、再び配管45に移送される。
一方、地中熱交換器10は、ヒートポンプユニット30へと冷熱を供給することにより、あらかじめ蓄えていた地中熱エネルギー(冷熱)を消費し、徐々にその温度が上昇する。地中熱交換器10から、循環路20、ヒートポンプユニット30及び冷房用循環水路をこの順に介して、十分に冷熱が供給される間、すなわち、地中熱交換器10の温度が調温対象室62の室温に比して十分に低温である間は、上述の冷房サイクルが機能し、調温対象室62を冷房することができる。
なお、地中熱利用システムの稼働を停止させている間は、地中熱交換器10は、再び周囲地盤Gから受ける地中熱エネルギー(この場合、冷熱)を徐々に蓄える。すなわち、地中熱交換器10は、周囲地盤Gの温度と実質的に等温となるまで徐々に冷却される。
When the temperature of the surrounding ground G is lower than the temperature of the temperature
At this time, (1) the refrigerant in the evaporator evaporates by the thermal energy (in this case, positive thermal energy (heat)) received from the circulating water W in the piping 45 of the cooling circulation water channel, and (2) evaporates. The refrigerant is compressed by the compressor and transferred to the condenser, and (3) the geothermal energy received by the refrigerant in the condenser from the heat medium M in the
As a result, the circulating water W in the piping 45 of the cooling circulating water channel is cooled by passing through the
At this time, the circulating water W in the
On the other hand, the
While the operation of the geothermal heat utilization system is stopped, the
一方、冬季などのように周囲地盤Gの温度が調温対象室62の温度に比して高温の時期における暖房動作の際には、冷房用循環水路と暖房用循環水路とのうち暖房用循環水路を選択的に稼働させる。すなわち、冷房用循環水路のポンプ49を停止させるとともに開閉弁41を閉状態とする一方で、暖房用循環水路の開閉弁43を開状態とするとともにポンプ48を運転する。
このとき、(1)蒸発器内の冷媒が循環路20の第2循環パイプ25内の熱媒体Mから受けた地中熱エネルギー(この場合、プラスの熱エネルギー(温熱))により蒸発し、(2)蒸発した冷媒が圧縮機にて圧縮されて凝縮器に移送され、(3)凝縮器内の冷媒が暖房用循環水路の配管47内の循環水Wから受けた熱エネルギー(この場合、マイナスの熱エネルギー(冷熱))により冷やされることによって凝縮して再び液体となり、(4)冷媒が膨張弁を介して蒸発器に戻る、という順序の暖房サイクルが行われる。
これにより、暖房用循環水路の配管47内の循環水Wは、ヒートポンプユニット30を通過することにより加熱される。加熱された循環水Wは、配管47から床下放射パイプ53へ移送される。よって、調温対象室62は、床下放射パイプ53からの放射熱により暖房される(いわゆる床暖房を行うことができる)。
この際、床下放射パイプ53内の循環水Wは、床面等を介して調温対象室62内の雰囲気から受けたマイナスの熱エネルギーにより冷却され、再び配管47に移送される。
一方、地中熱交換器10は、ヒートポンプユニット30へと温熱を供給することにより、あらかじめ蓄えていた地中熱エネルギー(温熱)を消費し、徐々にその温度が低下する。地中熱交換器10から、循環路20、ヒートポンプユニット30及び暖房用循環水路をこの順に介して、十分に温熱が供給される間は、上述の暖房サイクルが機能し、調温対象室62を暖房することができる。
なお、地中熱利用システムの稼働を停止させている間は、地中熱交換器10は、再び周囲地盤Gから受ける地中熱エネルギー(この場合、温熱)を徐々に蓄える。すなわち、地中熱交換器10は、周囲地盤Gの温度と実質的に等温となるまで徐々に加熱される。
On the other hand, when the temperature of the surrounding ground G is higher than the temperature of the temperature
At this time, (1) the refrigerant in the evaporator evaporates due to the geothermal heat energy (in this case, positive heat energy (heat)) received from the heat medium M in the
As a result, the circulating water W in the piping 47 of the heating circulating water channel is heated by passing through the
At this time, the circulating water W in the underfloor
On the other hand, the
While the operation of the geothermal heat utilization system is stopped, the
このように、ヒートポンプユニット30は、熱媒体Mと循環水Wとを相互に熱接触させることにより熱交換を行い、循環水Wの冷却又は加熱、ひいては調温対象室62の冷房又は暖房を行う。
In this way, the
以下、所望の運転時間の間、所望の冷暖房能力を確保し、且つ、所望のCOP(Coefficient Of Performance)を達成するための、金属蓄熱材12の必要量に関するモデルの例を説明する。
Hereinafter, an example of a model relating to the required amount of the metal
居室の冷暖房に必要な能力は、一般的に、1m2あたり150W/hであるとされている。このため、居室が100m2であれば15000W/h(15kW/h)、200m2であれば30000W/h(30kW/h)の能力が必要である。
ここでは、冷暖房に30kW/hの能力を消費するものと仮定する。
The capacity required for heating and cooling a living room is generally said to be 150 W / h per 1 m 2. Therefore, if the living room is 100 m 2 , the capacity of 15,000 W / h (15 kW / h) is required, and if the living room is 200 m 2 , the capacity of 30,000 W / h (30 kW / h) is required.
Here, it is assumed that a capacity of 30 kW / h is consumed for heating and cooling.
先ず、地中熱利用システムを冷房に使用する場合について説明する。 First, a case where the geothermal heat utilization system is used for cooling will be described.
30kW/hの冷房能力を確保し、且つ、例えばCOP4.0を達成するためには、ヒートポンプユニット30から地中熱交換器10への1時間あたりの排熱量は、42kWとなる。このため、冷房の継続時間として例えば7時間を確保するためには、ヒートポンプユニット30から地中熱交換器10に対して、トータルで294kWの熱を排熱できれば良い。
In order to secure a cooling capacity of 30 kW / h and achieve, for example, COP 4.0, the amount of heat exhausted from the
この熱量を地中熱交換器10に排熱できるようにするための、金属蓄熱材12の必要量(Xm3)について、以下のように算出する。
地中熱交換器10の容器14には、金属蓄熱材12として、比重が3600kg/m3の銅スラグを充填するものとする。なお、銅スラグの比熱は、例えば0.208kcal/kg・℃程度であるが、ここでは銅スラグの比熱を小さめに見積もって0.2kcal/kg・℃であるものと仮定する。
また、冷房を行わない状態での調温対象室62の室温が30℃、周囲地盤Gの温度は15℃であるものとする。
さらに、地中熱交換器10に蓄えられた熱エネルギー(冷熱エネルギー)の利用効率が100%であり、ヒートポンプユニット30から地中熱交換器10への排熱によって地中熱交換器10内の金属蓄熱材12(銅スラグ)の温度が15℃から30℃に昇温するまで当該熱エネルギーが損失なく冷房に用いられるものと仮定する。
すると、地中熱利用システムの稼働を開始してから、地中熱交換器10に蓄えられた熱エネルギーを消費し終えるまでの、ヒートポンプユニット30から地中熱交換器10への排熱量である294(kW)=3600・X(kg)×0.2(kcal/kg・℃)×((30(℃)−15(℃))=10800・X(kcal)=10800・X/860(kw)=約12.5・X(kw)となる。
したがって、金属蓄熱材12の必要量X(m3)=約294/12.5=約24(m3)となる。
例えば、夏季の日中の7時間は地中熱利用システムを用いて冷房を行う場合、一日のうちの残りの17時間を利用して、地中熱交換器10の熱を周囲地盤Gに放熱すれば良いことになる。
The required amount (Xm 3 ) of the metal
It is assumed that the
Further, it is assumed that the room temperature of the temperature
Further, the utilization efficiency of the heat energy (cold heat energy) stored in the
Then, it is the amount of heat exhausted from the
Therefore, the required amount of the metal heat storage material 12 X (m 3 ) = about 294 / 12.5 = about 24 (m 3 ).
For example, when cooling is performed using a geothermal heat utilization system for 7 hours during the daytime in summer, the heat of the
なお、実際には、地中熱利用システムの稼働中にも、地中熱交換器10から周囲地盤Gへの排熱が並行して行われる。このため、ここでの計算で得られた量よりも少ない量の金属蓄熱材12を用いることによっても、7時間の間、30kW/hの冷房能力を確保し、且つ、COP4.0を達成できることを期待しうる。
Actually, even while the geothermal heat utilization system is in operation, heat is exhausted from the
次に、地中熱利用システムを暖房に使用する場合について説明する。 Next, a case where the geothermal heat utilization system is used for heating will be described.
7時間の間、30kW/hの暖房能力を確保し、且つ、COP4.0を達成する場合について考える。この場合、地中熱交換器10からヒートポンプユニット30への1時間あたりの熱エネルギー(温熱エネルギー)の供給量は、22.5kWとなる。このため、7時間の間、暖房を継続するためには、地中熱交換器10からヒートポンプユニット30に対して、トータルで157.5kWの熱を供給できれば良い。
Consider the case where a heating capacity of 30 kW / h is secured for 7 hours and COP 4.0 is achieved. In this case, the amount of heat energy (heat energy) supplied from the
この熱量を地中熱交換器10から供給できるようにするための、金属蓄熱材12の必要量(Ym3)について、以下のように算出する。
ここで、暖房を行わない状態での調温対象室62の室温が6℃、周囲地盤Gの温度は15℃であるものとする。
さらに、地中熱交換器10に蓄えられた熱エネルギーの利用効率が100%であり、地中熱交換器10からヒートポンプユニット30への熱の供給によって地中熱交換器10内の金属蓄熱材12(銅スラグ)の温度が15℃から6℃に降温するまで当該熱エネルギーが損失なく暖房に用いられるものと仮定する。
すると、地中熱利用システムの稼働を開始してから、地中熱交換器10に蓄えられた熱エネルギーを消費し終えるまでの、地中熱交換器10からヒートポンプユニット30に供給される熱量である157.5kW=3600・Y(kg)×0.2(kcal/kg・℃)×((15(℃)−6(℃))=6480・Y(kcal)=6480・Y/860(kw)=約7.5・Y(kw)となる。
したがって、金属蓄熱材12の必要量Y(m3)=約157.5/7.5=約21(m3)となる。
例えば、冬季の夜間の7時間は地中熱利用システムを用いて暖房を行う場合、一日のうちの残りの17時間を利用して、周囲地盤Gの熱を地中熱交換器10に吸熱すれば良いことになる。
The required amount (Ym 3 ) of the metal
Here, it is assumed that the room temperature of the temperature
Further, the utilization efficiency of the heat energy stored in the
Then, the amount of heat supplied from the
Therefore, the required amount of the metal
For example, when heating is performed using the geothermal heat utilization system for 7 hours at night in winter, the heat of the surrounding ground G is absorbed into the
なお、実際には、地中熱利用システムの稼働中にも、周囲地盤Gから地中熱交換器10への熱の供給が並行して行われる。このため、ここでの計算で得られた量よりも少ない量の金属蓄熱材12を用いることによっても、7時間の間、30kW/hの暖房能力を確保し、且つ、COP4.0を達成できることを期待しうる。
Actually, even during the operation of the geothermal heat utilization system, heat is supplied from the surrounding ground G to the
ここで、地中熱利用システムは、冷房と暖房に共用できるが、上述した2つのモデルでは、冷房のために必要な金属蓄熱材12の量は24m3であり、暖房のために必要な金属蓄熱材12の量は21m3であったため、24m3の金属蓄熱材12が容器14に充填されていれば、7時間の間、30kW/hの冷房能力又は暖房能力を確保し、且つ、COP4.0を達成しうることが分かる。
従って、およそ3m立方程度の地中熱交換器10を用いることにより、上述したモデルの能力を達成しうると考えられる。
Here, the geothermal heat utilization system can be shared for cooling and heating, but in the above-mentioned two models, the amount of the metal
Therefore, it is considered that the above-mentioned capacity of the model can be achieved by using the
また、上述したモデルでは、ヒートポンプユニット30が地中熱交換器10との間でのみ熱交換を行うことを前提として説明したが、ヒートポンプユニット30として、地中熱交換器10との間、並びに、大気との間でそれぞれ熱交換を行うことが可能な構成のものを用いることができれば、地中熱交換器10における金属蓄熱材12の必要量は、上述したモデルよりも更に低減できると考えられる。
Further, in the above-mentioned model, the description is made on the premise that the
以上のような第1実施形態によれば、金属蓄熱材12は液体と比べて放熱性が良好であるため、容器14に水等を充填する場合と比べて、第1循環パイプ21中を循環する熱媒体Mと周囲地盤Gとの間での良好な熱交換速度を実現することができる。このため、比較的小規模な地中熱利用システム(比較的小型の地中熱交換器10)であっても、単位時間あたりに熱交換可能な熱量を十分に確保することが可能となる。よって、地中熱利用システムを一般家庭の冷暖房用途などにも好適に用いることができる。
According to the first embodiment as described above, since the metal
なお、特許文献2の技術のように、地盤にヒートパイプを直に埋設する場合は、個々の地中熱利用システムごとの熱交換能力が、設置される地盤の影響によりばらついてしまうため不安定となる。
これに対し、本実施形態では、容器14内に充填された金属蓄熱材12の中に、熱媒体Mを循環させる第2循環パイプ25の一部分25aが配設されている。金属蓄熱材12は、良好な熱伝導速度を持つため、仮に周囲地盤G中の土壌の性状のバラツキなどに起因して、周囲地盤G中に温度ムラが存在していても、地中熱交換器10の全体において均一に周囲地盤Gとの間で熱交換を行うことができる。すなわち、金属蓄熱材12は、(蓄熱材である)土壌の不安定さを解消する中間蓄熱材として機能する。よって、個々の地中熱利用システムごとの熱交換能力を安定化させることができる。
When the heat pipe is directly buried in the ground as in the technique of Patent Document 2, the heat exchange capacity of each individual geothermal heat utilization system varies due to the influence of the installed ground, which is unstable. It becomes.
On the other hand, in the present embodiment, a
また、特許文献2の技術のように鋼管を介して熱交換を行う場合は、交換可能な熱量が鋼管の太さや長さに依存するため、十分な熱量の交換を行うためには多数の鋼管を設置する必要がある。これに対し、本実施形態では、地中熱交換器10の形状には特に制約が無い。このため、地中熱交換器10の形状を、交換する必要がある熱量に応じた適宜の形状に設計することを容易になし得る。
Further, when heat exchange is performed through a steel pipe as in the technique of Patent Document 2, since the amount of heat that can be exchanged depends on the thickness and length of the steel pipe, a large number of steel pipes are required to exchange a sufficient amount of heat. Need to be installed. On the other hand, in the present embodiment, the shape of the
〔第2実施形態〕
図3は第2実施形態に係る地中熱利用システムの構成を示す概略図である。
図4は第2実施形態に係る地中熱利用システムの地中熱交換器10を説明するための斜視図であり、このうち(a)は凹部73が形成されたコンクリート基礎70を示し、(b)は凹部73への金属蓄熱材12の充填等が行われることにより地中熱交換器10が構築された状態を示す。
[Second Embodiment]
FIG. 3 is a schematic view showing the configuration of the geothermal heat utilization system according to the second embodiment.
FIG. 4 is a perspective view for explaining the
本実施形態に係る地中熱利用システムは、容器14の構成が、上記の第1の実施形態と相違し、その他の構成については、第1の実施形態と同様である。
In the geothermal heat utilization system according to the present embodiment, the configuration of the
本実施形態の場合、建造物60の基礎構造(コンクリート基礎70)に形成された凹部73に金属蓄熱材12を充填することにより、基礎構造が容器14の側周壁部及び底板部を構成している。
In the case of the present embodiment, by filling the
容器14の天板部16は、金属板などにより構成されており、凹部73の上端の開口を閉塞している。
なお、天板部16はコンクリート板などにより構成されていても良い。この場合、コンクリート板は、プレキャストコンクリートであっても良いし、打設により形成されたものであっても良い。
The
The
第1循環パイプ21の入口部21b及び出口部21cは、例えば、それぞれ天板部16から上方に突出している。
The
本実施形態によれば、上記第1実施形態と同様の効果が得られる他、コンクリート基礎70に、地中熱交換器10の容器14の一部分(側周壁部及び底板部)としての機能を持たせることができる。
According to the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the
〔第3実施形態〕
図5は第3実施形態に係る地中熱利用システムの構成を示す概略図である。図5においては、調温対象室62を有する建造物60の図示を省略しているとともに、建造物地中熱利用システムの構成のうち、ヒートポンプユニット30よりも建造物60側の構成の図示を省略している。
[Third Embodiment]
FIG. 5 is a schematic view showing the configuration of the geothermal heat utilization system according to the third embodiment. In FIG. 5, the illustration of the
本実施形態に係る地中熱利用システムは、以下に説明する点で、上記の第1実施形態に係る地中熱利用システムと相違し、その他の点では、上記の第1の実施形態に係る地中熱利用システムと同様に構成されている。 The geothermal heat utilization system according to the present embodiment is different from the geothermal heat utilization system according to the first embodiment in the following description, and is otherwise related to the first embodiment. It is configured in the same way as the geothermal heat utilization system.
本実施形態では、第1循環パイプ21の一部分21aは、互いに分岐した複数の分枝部(例えば2系統の分枝部211、212)を含んで構成されている。そして、熱媒体Mが複数の分枝部において互いに並列に循環するように、地中熱利用システムは構成されている。
In the present embodiment, the
図5に示すように、地中熱交換器10の容器14内には、2系統の分枝部211、212が配設されている。各系統の分枝部211、212は、一端に入口部21bを有しているとともに、他端に出口部21cを有しており、これら入口部21b及び出口部21cは、容器14の外部に突出している。例えば、図5に示すように、入口部21b及び出口部21cは、容器14の側周壁部15を貫通して容器14の外部に突出している。ただし、入口部21b及び出口部21cは、容器14の天板部16または底板部17を貫通して容器14の外部に突出していても良い。
第1循環パイプ21は、分枝部211、212(一部分21a)の他に、第2循環パイプ25の一端と各入口部21bとを相互に接続している往路部21dと、各出口部21cと第2循環パイプ25の他端とを相互に接続している復路部21eと、を含んでいる。
各分枝部211、212は、容器14内において互いに異なる領域に配置されている。図5の例では、各分枝部211、212が配置された領域は、上下方向における位置が互いに相違している。なお、図示は省略するが、各分枝部211、212が配置された領域は、水平方向における位置が互いに相違していても良い。
As shown in FIG. 5, two systems of
In addition to the
The
第1実施形態と同様に、容器14内における一部分21a(分枝部211、212)の周囲の領域には、金属蓄熱材12が充填されている。
Similar to the first embodiment, the area around the
本実施形態によれば、上記の第1実施形態と同様の効果が得られる他、以下の効果が得られる。
すなわち、容器14内には、複数系統の分枝部211、212が互いに分散して配置されているため、地中熱利用システムの稼働時において容器14内の温度が局所的に変化してしまうことを抑制できる。その結果、地中熱交換器10にあらかじめ蓄えられた地中熱エネルギーを効率的に最後まで利用しやすくなる。
なお、図5では、分枝部の系統数が2である例を示しているが、3以上の系統数の分枝部が1つの容器14内に設けられていても良い。
According to the present embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment described above, the following effects can be obtained.
That is, since the
Although FIG. 5 shows an example in which the number of branch portions is 2, a branch portion having 3 or more strains may be provided in one
〔第4実施形態〕
図6は第4実施形態に係る地中熱利用システムの構成を示す概略図である。図6においては、調温対象室62を有する建造物60の図示を省略しているとともに、建造物地中熱利用システムの構成のうち、ヒートポンプユニット30よりも建造物60側の構成の図示を省略している。
[Fourth Embodiment]
FIG. 6 is a schematic view showing the configuration of the geothermal heat utilization system according to the fourth embodiment. In FIG. 6, the illustration of the
本実施形態に係る地中熱利用システムは、以下に説明する点で、上記の第3実施形態に係る地中熱利用システムと相違し、その他の点では、上記の第3の実施形態に係る地中熱利用システムと同様に構成されている。 The geothermal heat utilization system according to the present embodiment is different from the geothermal heat utilization system according to the third embodiment in the following description, and is otherwise related to the third embodiment. It is configured in the same way as the geothermal heat utilization system.
本実施形態の場合、地中熱利用システムは、複数の地中熱交換器10を備えているとともに、熱交換ユニット(ヒートポンプユニット30)との間で熱交換を行う地中熱交換器10を切り替える切替手段(例えば、切替弁31及び制御部32)を更に備えている。
In the case of the present embodiment, the geothermal heat utilization system includes a plurality of
本実施形態の場合、地中熱利用システムは、複数の地中熱交換器10の各々に対応して個別の循環路20が形成されている。
図6の例では、地中熱利用システムは、地中熱交換器10a及び10bの2つの地中熱交換器10を備えているとともに、地中熱交換器10aと対応する循環路20aと、地中熱交換器10bと対応する循環路20bと、を備えている。各地中熱交換器10a、10bは、それぞれ対応する循環路20a、20bを介して、ヒートポンプユニット30に接続されている。
In the case of the present embodiment, in the geothermal heat utilization system,
In the example of FIG. 6, the geothermal heat utilization system includes two
切替弁31は、循環路20a及び20bのうち循環路20a内の熱媒体Mを選択的に熱媒体循環ポンプ部23によって循環させる第1状態と、循環路20b内の熱媒体Mを選択的に熱媒体循環ポンプ部23によって循環させる第2状態と、の切り替えが可能なものである。
The switching
制御部32は、例えば、制御用のプログラムを記憶保持しているROM(Read Only Memory)と、このプログラムに従って制御処理を実行するCPU(Central Processing Unit)と、このCPUの作業領域などとして機能するRAM(Random Access Memory)と、を備えて構成されている。
また、制御部32は、あらかじめ定められたタイムスケジュールに従って、あるいは、ユーザによる切り替え操作に応じて、切替弁31に第1状態と第2状態との切り替えを行わせる。
一例として、一日おきに第1状態と第2状態との切り替えを行うことが考えられる。この場合、各地中熱交換器10を一日おきに冷房又は暖房に利用することができるとともに、各地中熱交換器10に地中熱エネルギーを蓄えるための時間を十分に確保することが可能となる。
なお、地中熱交換器10の数や容量を適宜に変更することによって、地中熱利用システムを、24時間稼働が可能な構成にもすることができる。
The
Further, the
As an example, it is conceivable to switch between the first state and the second state every other day. In this case, the
By appropriately changing the number and capacity of the
〔第5実施形態〕
図7は第5実施形態に係る地中熱利用システムの構成を示す概略図である。図7においては、調温対象室62を有する建造物60の図示を省略しているとともに、建造物地中熱利用システムの構成のうち、ヒートポンプユニット30よりも建造物60側の構成の図示を省略している。
[Fifth Embodiment]
FIG. 7 is a schematic view showing the configuration of the geothermal heat utilization system according to the fifth embodiment. In FIG. 7, the illustration of the
本実施形態に係る地中熱利用システムは、以下に説明する点で、上記の第1実施形態に係る地中熱利用システムと相違し、その他の点では、上記の第1の実施形態に係る地中熱利用システムと同様に構成されている。 The geothermal heat utilization system according to the present embodiment is different from the geothermal heat utilization system according to the first embodiment in the following description, and is otherwise related to the first embodiment. It is configured in the same way as the geothermal heat utilization system.
本実施形態の場合、容器14は、それぞれ金属蓄熱材12が密封充填された複数の充填領域と、断熱材により構成されていて複数の充填領域を相互に仕切っている仕切部18と、を備えている。そして、複数の充填領域の各々に対応して個別の循環路20が形成されている。
複数の充填領域の各々には、それぞれ対応する循環路20の一部分(例えば第1循環パイプ21の一部分21a)が配設されている。
そして、地中熱利用システムは、複数の充填領域のうちヒートポンプユニット30との間で熱交換を行う充填領域を切り替える切替手段(例えば、切替弁31及び制御部32)を備えている。
In the case of the present embodiment, the
A part of the corresponding circulation path 20 (for example, a
The geothermal heat utilization system includes switching means (for example, a switching
図7の例では、地中熱利用システムは、充填領域14a及び14bの2つの充填領域を備えているとともに、充填領域14aと対応する循環路20aと、充填領域14bと対応する循環路20bと、を備えている。各充填領域14a、14bに配設された第1循環パイプ21の一部分21aは、それぞれ対応する循環路20a、20bを介して、ヒートポンプユニット30に接続されている。
In the example of FIG. 7, the geothermal heat utilization system includes two filling
なお、各充填領域14a、14bの位置は、水平方向において互いに相違していても良いし、上下方向において互いに相違していても良い。図7の例では、地中熱交換器10についてはその平断面を示しており、各充填領域14a、14bの位置が水平方向において互いに相違している場合を示している。
The positions of the filling
切替弁31は、循環路20a及び20bのうち循環路20a内の熱媒体Mを選択的に熱媒体循環ポンプ部23によって循環させる第1状態と、循環路20b内の熱媒体Mを選択的に熱媒体循環ポンプ部23によって循環させる第2状態と、の切り替えが可能なものである。
また、制御部32は、あらかじめ定められたタイムスケジュールに従って、あるいは、ユーザによる切り替え操作に応じて、切替弁31に第1状態と第2状態との切り替えを行わせる。
一例として、一日おきに第1状態と第2状態との切り替えを行うことが考えられる。この場合、各充填領域14a、14bを一日おきに冷房又は暖房に利用することができるとともに、各充填領域14a、14bに地中熱エネルギーを蓄えるための時間を十分に確保することが可能となる。
また、充填領域14a、14bの数や容量を適宜に変更することによって、地中熱利用システムを、24時間稼働が可能な構成にもすることができる。
The switching
Further, the
As an example, it is conceivable to switch between the first state and the second state every other day. In this case, each of the filling
Further, by appropriately changing the number and capacity of the filling
なお、上記の各実施形態は、適宜に組み合わせることが可能である。 It should be noted that each of the above embodiments can be combined as appropriate.
<変形例1>
例えば、第3実施形態(図5)と第5実施形態(図7)とを組み合わせた場合の地中熱利用システムは、以下のような構成となる。
すなわち、この地中熱利用システムは、複数系統の循環路20(それぞれ分枝部211、212を含む)を備えており、これら循環路20が、例えば、水平方向(例えば図5の紙面の手前から奥に向かう方向)において互いに異なる位置に配置されている。そして、各循環路20の第1循環パイプ21の一部分21aが共通の容器14内に配設されているとともに、各第1循環パイプ21の一部分21aが配置された領域が、仕切部18(図7)を介して相互に仕切られている。
そして、切替弁31及び制御部32(図7)により構成された切替手段によって、複数系統の循環路20のうちいずれか1つの系統の循環路20内の熱媒体Mを選択的に循環させる。
この構成により、第3実施形態及び第5実施形態の効果が得られる。
<Modification example 1>
For example, the geothermal heat utilization system when the third embodiment (FIG. 5) and the fifth embodiment (FIG. 7) are combined has the following configuration.
That is, this geothermal heat utilization system includes a plurality of systems of circulation paths 20 (including
Then, the heat medium M in the
With this configuration, the effects of the third embodiment and the fifth embodiment can be obtained.
<変形例2>
あるいは、地中熱利用システムは、第4実施形態(図6)と第5実施形態(図7)とを組み合わせた構成としても良い。
この場合、各地中熱交換器10a、10bは、上記変形例1の構成となり、且つ、地中熱利用システムは、各地中熱交換器10a、10b毎に、複数系統の循環路20が接続された構成となる。
この構成により、第4実施形態及び第5実施形態の効果が得られる。
<Modification 2>
Alternatively, the geothermal heat utilization system may have a configuration in which the fourth embodiment (FIG. 6) and the fifth embodiment (FIG. 7) are combined.
In this case, the
With this configuration, the effects of the fourth embodiment and the fifth embodiment can be obtained.
また、上記の各形態では、放射冷却または放射熱により冷房または暖房を行う例を説明したが、地中熱利用システムは、放射冷却または放射熱により冷却又は加熱された空気を送風する室内機を更に備えていても良い。 Further, in each of the above forms, an example of cooling or heating by radiative cooling or radiant heat has been described, but the geothermal heat utilization system is an indoor unit that blows air cooled or heated by radiative cooling or radiant heat. You may also have more.
上記の実施形態は以下の技術思想を包含する。
(1)熱媒体を循環させる循環路の一部分が内部に配設されているとともに地中に埋設された地中熱交換器を備え、前記地中熱交換器を介して当該地中熱交換器の周囲地盤から採熱または前記周囲地盤へ放熱する地中熱利用システムであって、
前記地中熱交換器は、前記周囲地盤の土壌に対して耐腐食性の容器と、前記容器内に密封充填された金属蓄熱材と、を有することを特徴とする地中熱利用システム。
(2)前記金属蓄熱材は、銅スラグを含むことを特徴とする(1)に記載の地中熱利用システム。
(3)前記容器は、前記金属蓄熱材よりも熱伝導率が高い材料により構成されていることを特徴とする(1)又は(2)に記載の地中熱利用システム。
(4)前記容器は、クロム、ステンレス鋼、耐腐食処理された鉄系材料、または炭素繊維材料を含有する樹脂材料により構成されていることを特徴とする(1)から(3)のいずれか一項に記載の地中熱利用システム。
(5)前記容器の外表面に凹凸が形成されていることを特徴とする(1)から(4)のいずれか一項に記載の地中熱利用システム。
(6)前記容器の側周壁部の外表面には、平断面形状が波形の凹凸が形成されていることを特徴とする(5)に記載の地中熱利用システム。
(7)建造物の基礎構造に形成された凹部に前記金属蓄熱材を充填することにより、前記基礎構造が前記容器の側周壁部及び底板部を構成していることを特徴とする(1)又は(2)に記載の地中熱利用システム。
(8)調温対象室の天井または床下に設置された配管に循環水を循環させる水式空調装置を備え、
前記水式空調装置は、
前記熱媒体と前記循環水とを熱接触させることにより熱交換を行う熱交換ユニットと、
前記熱媒体を前記循環路において循環させる熱媒体循環ポンプ部と、
を有し、
前記循環路は、前記熱交換ユニットと前記地中熱交換器との間で前記熱媒体を循環させることを特徴とする請求項(1)から(7)のいずれか一項に記載の地中熱利用システム。
(9)複数の前記地中熱交換器を備えているとともに、
前記熱交換ユニットとの間で熱交換を行う前記地中熱交換器を切り替える切替手段を更に備えていることを特徴とする(8)に記載の地中熱利用システム。
(10)前記容器は、それぞれ前記金属蓄熱材が密封充填された複数の充填領域と、断熱材により構成されていて前記複数の充填領域を相互に仕切っている仕切部と、を備え、
前記複数の充填領域の各々に対応して個別の前記循環路が形成されているとともに、
前記複数の充填領域の各々には、それぞれ対応する前記循環路の前記一部分が配設されており、
当該地中熱利用システムは、前記複数の充填領域のうち前記熱交換ユニットとの間で熱交換を行う充填領域を切り替える切替手段を備えていることを特徴とする(8)又は(9)に記載の地中熱利用システム。
(11)前記循環路の前記一部分は、互いに分岐した複数の分枝部を含んで構成され、
前記熱媒体が前記複数の分枝部において互いに並列に循環するように構成されていることを特徴とする(8)から(10)のいずれか一項に記載の地中熱利用システム。
(12)前記周囲地盤の地表からの深さが20mよりも浅いところに前記地中熱交換器の下面が位置していることを特徴とする(1)から(11)のいずれか一項に記載の地中熱利用システム。
(13)両端間が相互に連通しているパイプの一部分が内部に配設されているとともに地中に埋設して用いられ、周囲地盤から採熱または前記周囲地盤へ放熱する地中熱交換器であって、
前記周囲地盤の土壌に対して耐腐食性の容器と、前記容器内に密封充填された金属蓄熱材と、を有することを特徴とする地中熱交換器。
(14)前記パイプの両端部の各々は、前記容器から突出しており、
前記パイプの前記両端部の各々の先端にはそれぞれフランジ部が形成されていることを特徴とする(14)に記載の地中熱交換器。
The above embodiment includes the following technical ideas.
(1) A part of a circulation path for circulating a heat medium is provided inside and a geothermal heat exchanger buried in the ground is provided, and the geothermal heat exchanger is provided via the geothermal heat exchanger. A geothermal heat utilization system that collects heat from the surrounding ground or dissipates heat to the surrounding ground.
The geothermal heat exchanger is a geothermal heat utilization system comprising a container that is resistant to corrosion against the soil in the surrounding ground and a metal heat storage material that is hermetically filled in the container.
(2) The geothermal heat utilization system according to (1), wherein the metal heat storage material contains copper slag.
(3) The geothermal heat utilization system according to (1) or (2), wherein the container is made of a material having a higher thermal conductivity than the metal heat storage material.
(4) Any of (1) to (3), wherein the container is made of a resin material containing chromium, stainless steel, a corrosion-resistant iron-based material, or a carbon fiber material. The geothermal heat utilization system described in item 1.
(5) The geothermal heat utilization system according to any one of (1) to (4), wherein the outer surface of the container is uneven.
(6) The geothermal heat utilization system according to (5), wherein the outer surface of the side peripheral wall portion of the container is formed with irregularities having a wavy flat cross-sectional shape.
(7) By filling the recess formed in the foundation structure of the building with the metal heat storage material, the foundation structure constitutes a side peripheral wall portion and a bottom plate portion of the container (1). Or the geothermal heat utilization system according to (2).
(8) Equipped with a water-type air conditioner that circulates circulating water in the piping installed on the ceiling or under the floor of the temperature control target room.
The water type air conditioner
A heat exchange unit that exchanges heat by bringing the heat medium into thermal contact with the circulating water.
A heat medium circulation pump unit that circulates the heat medium in the circulation path, and
Have,
The underground according to any one of claims (1) to (7), wherein the circulation path circulates the heat medium between the heat exchange unit and the geothermal heat exchanger. Heat utilization system.
(9) In addition to being equipped with a plurality of the above-mentioned geothermal heat exchangers,
The geothermal heat utilization system according to (8), further comprising a switching means for switching the geothermal heat exchanger that exchanges heat with the heat exchange unit.
(10) Each of the containers includes a plurality of filling regions in which the metal heat storage material is hermetically filled, and a partition portion formed of a heat insulating material and partitioning the plurality of filling regions from each other.
An individual circulation path is formed corresponding to each of the plurality of filling regions, and the circulation path is formed.
Each of the plurality of filling regions is disposed with the portion of the corresponding circulation path.
The geothermal heat utilization system is characterized in that it includes a switching means for switching a filling region for heat exchange with the heat exchange unit among the plurality of filling regions (8) or (9). The geothermal heat utilization system described.
(11) The part of the circulation path is configured to include a plurality of branched portions branched from each other.
The geothermal heat utilization system according to any one of (8) to (10), wherein the heat medium is configured to circulate in parallel with each other at the plurality of branched portions.
(12) The item according to any one of (1) to (11), wherein the lower surface of the underground heat exchanger is located at a place where the depth of the surrounding ground from the ground surface is shallower than 20 m. The geothermal heat utilization system described.
(13) A geothermal heat exchanger in which a part of a pipe that communicates with each other at both ends is disposed inside and is used by being buried in the ground to collect heat from the surrounding ground or dissipate heat to the surrounding ground. And
A geothermal heat exchanger comprising a container that is resistant to corrosion against the soil of the surrounding ground and a metal heat storage material that is hermetically filled in the container.
(14) Each of both ends of the pipe protrudes from the container.
The geothermal heat exchanger according to (14), wherein flange portions are formed at the tips of both ends of the pipe.
10、10a、10b 地中熱交換器
12 金属蓄熱材
14 容器
14a、14b 充填領域
15 側周壁部
16 天板部
17 底板部
18 仕切部
20、20a、20b 循環路
21 第1循環パイプ
21a 一部分
21b 入口部
21c 出口部
21d 往路部
21e 復路部
22、24 フランジ部
23 熱媒体循環ポンプ
25 第2循環パイプ
25a 一部分
30 ヒートポンプユニット(熱交換ユニット)
31 切替弁(切替手段)
32 制御部(切替手段)
41、43 開閉弁
45、47 配管
47 配管
48 ポンプ
49 ポンプ
51 天井放射パイプ(配管)
53 床下放射パイプ(配管)
55 水滴受け
60 建造物
62 調温対象室
64 天井
66 床下
70 コンクリート基礎(基礎構造)
73 凹部
111、112、113、114、115、116、117、118 柱状部材
171、172、173、174、175、176、177、178 板状部材
211、212 分枝部
G 周囲地盤
M 熱媒体
W 循環水
10, 10a, 10b
31 Switching valve (switching means)
32 Control unit (switching means)
41, 43 On-off
53 Underfloor radiation pipe (piping)
55
73
Claims (7)
前記地中熱交換器は、前記周囲地盤の土壌に対して耐腐食性の容器と、前記容器内に密封充填された金属蓄熱材と、を有し、
前記循環路は、内部で前記熱媒体を循環させる循環パイプであり、
前記循環パイプの一部分が前記容器の内部を通過しており、
前記容器の内部において前記循環パイプの周囲の領域に前記金属蓄熱材が充填されており、
前記容器は、前記金属蓄熱材よりも熱伝導率が高い材料により構成されており、
当該地中熱利用システムは、
調温対象室の天井または床下に設置された配管に循環水を循環させる水式空調装置を備え、
前記水式空調装置は、
前記熱媒体と前記循環水とを熱接触させることにより熱交換を行う熱交換ユニットと、
前記熱媒体を前記循環路において循環させる熱媒体循環ポンプ部と、
を有し、
前記循環路は、前記熱交換ユニットと前記地中熱交換器との間で前記熱媒体を循環させ、
当該地中熱利用システムは、
複数の前記地中熱交換器を備えているとともに、
前記熱交換ユニットとの間で熱交換を行う前記地中熱交換器を切り替える切替手段を更に備えていることを特徴とする地中熱利用システム。 A part of the circulation path for circulating the heat medium is provided inside and the geothermal heat exchanger is buried in the ground, and the ground around the geothermal heat exchanger is provided via the geothermal heat exchanger. A geothermal heat utilization system that collects heat from the ground or dissipates heat to the surrounding ground.
The geothermal heat exchanger has a container that is resistant to corrosion against the soil in the surrounding ground and a metal heat storage material that is hermetically filled in the container.
The circulation path is a circulation pipe that circulates the heat medium inside.
A part of the circulation pipe passes through the inside of the container and
Inside the container, the area around the circulation pipe is filled with the metal heat storage material .
The container is made of a material having a higher thermal conductivity than the metal heat storage material.
The geothermal heat utilization system is
Equipped with a water-type air conditioner that circulates circulating water in the piping installed on the ceiling or under the floor of the temperature control target room.
The water type air conditioner
A heat exchange unit that exchanges heat by bringing the heat medium into thermal contact with the circulating water.
A heat medium circulation pump unit that circulates the heat medium in the circulation path, and
Have,
The circulation path circulates the heat medium between the heat exchange unit and the geothermal heat exchanger.
The geothermal heat utilization system is
In addition to being equipped with the multiple geothermal heat exchangers
A geothermal heat utilization system further comprising a switching means for switching the geothermal heat exchanger that exchanges heat with the heat exchange unit.
前記熱媒体が前記複数の分枝部において互いに並列に循環するように構成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の地中熱利用システム。 The part of the circulation path is composed of a plurality of branches branched from each other.
The geothermal heat utilization system according to any one of claims 1 to 5 , wherein the heat medium is configured to circulate in parallel with each other at the plurality of branch portions.
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