JP7325111B2

JP7325111B2 - 地中熱利用装置

Info

Publication number: JP7325111B2
Application number: JP2020030221A
Authority: JP
Inventors: 喜代美今; 修一郎今; 祐治郎今
Original assignee: 株式会社リビエラ
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2020-02-26
Publication date: 2023-08-14
Anticipated expiration: 2040-02-26
Also published as: JP2021134965A

Description

本発明は、地中熱を、融雪装置や空調機、冷凍機、給湯器等の熱利用機器の熱源（温熱源及び冷熱源を含む）として用いるようにした地中熱利用装置に関するものである。

従来、この種の発明には、例えば特許文献１に記載されるように、鉛直状のケーシングと、このケーシング内から上方のケーシング外へ延設された往管と、ケーシング外からケーシング内へ入り下方へ延設された還管と備え、前記往管によりケーシング内の地下水をくみ上げて地上の熱利用機器で利用した後、この利用後の水を前記還管によりケーシング内へ戻し更に地下水脈へ戻すようにした地下水往還装置がある。

特開2006-9335号公報

ところで、上記従来技術によれば、気候や季節の変化等による温度変動に起因して、上記熱利用機器の性能が十分に発揮されない場合がある。

このような課題に鑑みて、本発明は、以下の構成を具備するものである。
地中側と地上側の間で熱媒体液の循環流路を形成する熱源側配管系統と、前記熱源側配管系統とは独立して地上側で熱利用するための液体の循環流路を形成する利用側配管系統と、前記熱源側配管系統を流れる熱媒体液と前記利用側配管系統を流れる液体との熱交換を行う第一の熱交換器と、前記第一の熱交換器よりも下流側で前記利用側配管系統から分岐され、その分岐点よりも下流側で前記利用側配管系統に合流する補助配管系統と、前記補助配管系統の経路中にて前記補助配管系統を流れる液体と前記補助配管系統の外側の空気との熱交換を行う第二の熱交換器と、前記第二の熱交換器を内在して空気を流通させる筒状のダクトとを具備し、前記ダクトは、壁によって仕切られた一方側の空間から他方側の空間に渡って設けられるものであり、
前記ダクト内に前記水を霧状に噴霧するドライミスト流路が前記ダクトに接続されており、前記水は、第二の熱交換器より上流側を流れるものであることを特徴とする地中熱利用装置。

本発明は、以上説明したように構成されているので、熱利用機器の性能を十分に発揮することができる。

本発明に係る地中熱利用装置の一例を模式的に示す構造図である。本発明に係る地中熱利用装置の他例を模式的に示す構造図である。

本実施の形態では、以下の特徴を開示している。
第１の特徴は、地中側と地上側の間で熱媒体液の循環流路を形成する熱源側配管系統と、前記熱源側配管系統とは独立して地上側で熱利用するための液体の循環流路を形成する利用側配管系統と、前記熱源側配管系統を流れる熱媒体液と前記利用側配管系統を流れる液体との熱交換を行う第一の熱交換器と、前記第一の熱交換器よりも下流側で前記利用側配管系統から分岐され、その分岐点よりも下流側で前記利用側配管系統に合流する補助配管系統と、前記補助配管系統の経路中にて前記補助配管系統を流れる液体と前記補助配管系統の外側の空気との熱交換を行う第二の熱交換器と、前記第二の熱交換器を内在して空気を流通させる筒状のダクトとを具備した（図１及び図２参照）。

第２の特徴は、前記利用側配管系統を流れる液体の流量と、前記補助配管系統を流れる液体の流量との比率を調節する流量調節手段を具備した（図１及び図２参照）。

第３の特徴は、前記第二の熱交換器に空気を強制的に吹き付ける送風機が設けられている（図１及び図２参照）。

第４の特徴は、前記利用側配管系統の熱を利用して、液体を加熱又は冷却する熱利用機器を具備し、前記熱利用機器によって加熱又は冷却される液体を、前記補助配管系統における前記第二の熱交換器よりも上流側に供給する冷温水供給路を設けた（図１及び図２参照）。

第５の特徴は、前記ダクト内へ水を霧状に噴射するドライミスト供給経路を設けた（図１及び図２参照）。

＜第一の実施態様＞
次に、上記特徴を有する具体的な実施態様について、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る地中熱利用装置の一例を示す。
この地中熱利用装置１は、地中と地上との間で熱媒体液の循環経路を形成する熱源側配管系統１０と、地上にて熱源側配管系統１０を流れる液体と利用側配管系統３０を流れる液体との熱交換を行う第一の熱交換器２０と、第一の熱交換器２０の二次側にて熱源側配管系統１０とは独立して地上にて熱利用するための循環経路を形成する利用側配管系統３０と、第一の熱交換器２０よりも下流側で利用側配管系統３０から分岐され、その分岐点よりも下流側で利用側配管系統３０に合流する補助配管系統４０と、補助配管系統４０の流路中にて補助配管系統４０を流れる液体と補助配管系統４０の外側の空気との熱交換を行う第二の熱交換器５０と、第二の熱交換器５０に空気を強制的に吹き付ける送風機６０と、第二の熱交換器５０及び送風機６０を内在して一端側から他端側に空気を流通させる筒状のダクト７０とを具備している。

熱源側配管系統１０は、地中と地上の間にわたる配管やその他の機器等により構成され、図示しないポンプによって往管１１から熱媒体液を吸い上げ、この熱媒体液を、第一の熱交換器２０の一次側流路２１に通過させて還管１２へ還す。

前記熱媒体液は、地下水、又は地下水と熱交換された不凍液（ブライン液）等とすればよい。
往管１１及び還管１２は、例えば、熱媒体液を汲み上げて循環させる図示しない装置（例えば特許文献１参照）や、不凍液を地下水と熱交換して循環させる図示しない装置等に接続される。

第一の熱交換器２０は、一次側流路２１を流れる熱媒体液と、一次側流路２１とは独立した二次側流路２２を流れる液体との熱交換を行う装置である。この第一の熱交換器２０には、例えば、プレート式熱交換器や、シェル＆チューブ式熱交換器、二重管式熱交換器等を用いることが可能である。

利用側配管系統３０は、第一の熱交換器２０によって得た熱を利用するために液体を循環させる循環配管経路であり、その配管経路中に、第一の熱交換器２０の二次側流路２２を含んでいる。

詳細に説明すれば、この利用側配管系統３０において、第一の熱交換器２０の直ぐ下流側の配管３０ａの出口には、熱利用機器３１の吸入口が接続され、熱利用機器３１の直ぐ下流側の配管３０ｂには、三方弁３２が接続され、この三方弁３２のさらに下流側の配管３０ｃには、合流管３３が接続され、そして、合流管３３の下流側の配管３０ｄは、電動の循環ポンプＰを介して、第一の熱交換器２０の二次側流路２２の入口に接続される。

熱利用機器３１は、例えば、融雪装置や、空調機（水冷ヒートポンプチラー等を含む）、冷凍機、ヒートポンプ式給湯器等、利用側配管系統３０の液体の熱を間接的又は直接的に利用する機器であればよい。

この利用側配管系統３０を流れる液体は、水道水等の水とすればよいが、他例としては、不凍液（ブライン液）や、その他の液体とすることも可能である。

三方弁３２は、三方向の配管接続口を有する三又状に構成され、本実施の形態の好ましい一例によれば、図示しない制御回路からの信号によって適宜に制御されるように、電動三方弁が用いられる。
この電動三方弁は、熱利用機器３１の下流側の配管３０ｂを、利用側配管系統３０を構成する配管３０ｃと、補助配管系統４０を構成する配管４０ａとの二つに分岐する。さらに、この電動三方弁は、補助配管系統４０側へ流す液体の流量と、利用側配管系統３０側へ流す液体の流量との比率を調節する流量調節手段として機能する。

また、合流管３３は、三方向の配管接続口を有する三又状に構成され、利用側配管系統３０の配管３０ｃと、補助配管系統４０の配管４０ｂとから流入する液体を合流して配管３０ｄへ流す。

補助配管系統４０は、三方弁３２により分岐された一方の配管４０ａと、この配管４０ａの下流側に接続された第二の熱交換器５０と、第二の熱交換器５０の出口に接続された配管４０ｂとを具備している。

第二の熱交換器５０は、管内を流れる液体と、管外の空気との熱交換を行う装置である。この第二の熱交換器５０の一例としては、適宜な隙間を置いて略平行に配設された多数の熱交換フィン（図示せず）と、これら熱交換フィンに蛇行状に挿通された液管とを備えたプレートフィンコイル式熱交換器が用いられる。前記多数の熱交換フィンには、送風機６０により送られてくる空気を通過させる。

第二の熱交換器５０の液管を流通した液体は、配管４０ｂ及び合流管３３を経て，利用側配管系統３０に戻される。

送風機６０は、ダクト７０内の空気流通経路において、第二の熱交換器５０よりも上流側（吸込みが側）に設けられ、第二の熱交換器５０の熱交換フィン（図示せず）に対し、強制的に空気を吹き付けて流通させる。

図示例の送風機６０は、軸方向の一方から空気を吸い込んで径方向外側へ吐出する羽根車６１と、この羽根車６１の回転軸を駆動回転する回転駆動源６２とを具備して、遠心ファン（シロッコファンを含む）を構成している。

羽根車６１は、周方向に間隔を置いた多数の羽根をその中心側の回転軸によって支持するように構成され、ダクト７０内に配設される。

回転駆動源６２は、図示例によれば回転式電動モータである。この回転駆動源６２は、羽根車６１の回転軸に接続された回転駆動軸を、ダクト７０の壁部に貫通するようにしてダクト７０の外部に支持される。

なお、送風機６０の他例としては、プロペラファンや、ターボファン等、図示例以外の方式の送風機を用いることも可能である。

ダクト７０は、一端側の吸込口７１から吸い込んだ空気を他端側の吐出口７２から吐出する管状の部材である。
このダクト７０は、図示例によれば、壁Ｗによって仕切られた一方側の空間Ａから他方側の空間Ｂ（例えば室内）にわたって略コ字状に曲げられている。

吸込口７１は、前記一方側の空間Ａに配設されて該空間Ａの空気を吸い込む。この吸込口７１は、図示例によれば、ダクト７０内の空気流通方向に対し交差する方向に開口しているが、他例として、送風機６０をプロペラファンとした場合には、前記空気流通方向の上流側の端部を開口する。

吐出口７２は、前記一方側に対する他方側の空間Ｂに配設されて該空間Ｂへ空気を吐出する。

上記構成のダクト７０は、その壁面に補助配管系統４０の配管４０ａ，４０ｂを貫通させている。そして、ダクト７０内において、これら二つの配管４０ａ，４０ｂの間には、第二の熱交換器５０が接続される。
また、このダクト７０内の空気流通経路において、第二の熱交換器５０よりも上流側には、送風機６０の羽根車６１が設けられる（図１参照）。

＜作用効果＞
次に、上記構成の地中熱利用装置１について、その特徴的な作用効果を詳細に説明する。
例えば、夏場外気温が比較的高い時期に地中熱利用装置１を用いれば、相対的に温度の低い地下の熱媒体液と、利用側配管系統３０の液体とを熱交換して、利用側配管系統３０の液体を冷却することができる。そして、この冷却された液体を冷熱源にして、熱利用機器３１を運転することができる。

熱利用機器３１の運転中、三方弁３２及び合流管３３により補助配管系統４０へ液体を循環すれば、利用側配管系統３０中の液体の熱量を、第二の熱交換器５０側の液体により調整して、熱利用機器３１の性能を十分に発揮させること可能になる。
特に本実施の好ましい一例によれば、三方弁３２を電動制御できるので、前記熱量の調整をきめ細かに行って、熱利用機器３１の性能を安定させることができる。

また、地中熱利用装置１によれば、利用側配管系統３０から分岐され補助配管系統４０に流通する液体は、第二の熱交換器５０を介してダクト７０内の空気と熱交換する。
よって、空間Ａの空気を、第二の熱交換器５０によって温度調整して、他方の空間Ｂへ供給することができる。
例えば、冬場外気温が比較的低い時期に地中熱利用装置１を用いれば、相対的に高温の熱媒体液と利用側配管系統３０の液体とを熱交換して、利用側配管系統３０の液体を加熱することができる。そして、この加熱された液体を熱源にして、熱利用機器３１（例えばヒートポンプ式給湯器）を効率的に運転することができ、さらに、前記加熱された液体を第二の熱交換器５０に流通させて、ダクト７０内を流れる空気を、適度に加熱された空気にし、別の空間Ｂへ供給することができる。

また、夏場外気温が比較的高い時期に地中熱利用装置１を用いれば、相対的に低温の熱媒体液（熱源側配管系統１０側の液体）と利用側配管系統３０の液体とを熱交換して、利用側配管系統３０の液体を冷却することができる。そして、この冷却された液体を冷熱源にして、熱利用機器３１（例えばヒートポンプ式チラー）を効率的に運転することができ、さらに、前記冷却された液体を第二の熱交換器５０に流通させて、ダクト７０内を流れる空気を、適度に冷却され且つ除湿された空気にし、別の空間Ｂへ供給することができる。

＜第二の実施態様＞
次に、本発明に係る地中熱利用装置の他例について説明する。
なお、以下に示す地中熱利用装置は、上述した地中熱利用装置１に対しその一部を変更したものであるため、地中熱利用装置１のものと略同様の構成について同一の符号を用い、重複する詳細説明を省略する。

図２に示す地中熱利用装置２は、上記地中熱利用装置１に対し、送風機６０を送風機６０Ｘに置換し、第二の熱交換器５０の下流側に、水車６２Ｘを収容する水車室９０を設けたものである。

送風機６０Ｘは、上記送風機６０に対し、電動モータである回転駆動源６２を、水車６２Ｘに置換したものである。

水車６２Ｘは、第二の熱交換器５０の下流側における液体の流通経路中である水車室９０に内在される。
この水車６２Ｘは、羽根車６１の回転軸に接続された駆動回転軸６２Ｘ１の外周に、周方向に間隔を置いて複数の水受け板６２Ｘ２を支持してなり、水受け板６２Ｘ２が液体を受けて回転した際に、その回転力を、駆動回転軸６２Ｘ１によって羽根車６１に機械的に伝達する。

駆動回転軸６２Ｘ１は、ダクト７０の外壁を貫通するようにして水車室９０内へ突出し、図示しない軸受け部材により回転自在に支持されている。

複数の水受け板６２Ｘ２は、放出口４０ｃから放出されて落下する液体（水）を、回転軸から水平に離れた位置で受ける。

水車室９０は、ダクト７０の外側に位置する密閉状の部屋である。水車室９０内には、上記構成の水車６２Ｘ、放出口４０ｃ、受液部９１、排出口９２等が設けられる。

放出口４０ｃは、第二の熱交換器５０の下流側の配管を、ダクト７０の外壁に貫通させて、その突端を水車室９０内で開放するようにして形成される。この放出口４０ｃから放出される液体は、自由落下して水車６２Ｘの水受け板６２Ｘ２に受けられる。

受液部９１は、水車６２Ｘの下方側に底部を有する凹状に貯留槽を構成している。この受液部９１は、水受け板６２Ｘ２によって受け流された液体を、一時的に貯溜する。

排出口９２は、受液部９１の底部側の壁部に設けられる。この排出口９２は水車室９０外の配管４０ｄに接続されている。この配管４０ｄは、上記地中熱利用装置１と同様に、合流管３３を介して利用側配管系統３０に合流するように接続される。したがって、受液部９１から排出される液体は、配管４０ｄ及び合流管３３を介して利用側配管系統３０に戻される。

上記構成の地中熱利用装置２によれば、補助配管系統４０に液体（水）を循環させれば、その液体が放出口４０ｃから落下し水受け板６２Ｘ２に受けられ、水車６２Ｘ及び羽根車６１が回転して、ダクト７０内の空気が強制的に搬送される。
よって、第二の熱交換器５０による熱交換を、省電力且つ高効率に行うことができる。

＜冷温水供給路について＞
上記構成の地中熱利用装置１，２には、必要に応じて、冷温水供給路８０が設けられる。
この冷温水供給路８０は、熱利用機器３１によって加熱又は冷却される液体を、補助配管系統４０における第二の熱交換器５０よりも上流側に供給するように構成される。
詳細に説明すれば、この冷温水供給路８０は、熱利用機器３１によって加熱又は冷却される液体（例えば水）を流通する配管８１と、この配管８１を流れる液体を補助配管系統４０に合流させる合流管８２とを備える。

配管８１は、その上流側が、図示しない三方弁等を介して熱利用機器３１の給湯管に接続され、下流側が合流管８２に接続される。そして、この配管８１は、熱利用機器３１から、加熱又は冷却された液体の一部を取り込む。

また、合流管８２には、好ましい一例としては、電動三方弁が用いられる。この電動三方弁は、図示しない制御回路により制御されて、熱利用機器３１側の配管８１から供給される液体の流量を適宜に調節する。

よって、地中熱利用装置１（又は２）に冷温水供給路８０を加えた態様によれば、補助配管系統４０を流れる液体の熱量を、冷温水供給路８０から合流する液体の温度により調整することができる。
例えば、熱利用機器３１を給湯器とし冷温水供給路８０を具備すれば、冬場、第二の熱交換器５０によるダクト７０内の空気加熱が不足する場合に、補助配管系統４０に熱利用機器３１（給湯器）の温水を加えて、補助配管系統４０を流れる液体の温度を上昇させて、第二の熱交換器５０による空気加熱性能（暖房能力）を高めることができる。

＜ドライミスト供給経路について＞
上記構成の地中熱利用装置１，２には、必要に応じて、ダクト７０内へ水を霧状に噴射するドライミスト供給路１００が設けられる。
このドライミスト供給路１００は、配管８１から分岐されてダクト７０内へ向かう配管１０１と、この配管１０１の途中で配内の水の流量を調整する流量調整弁１０２と、配管１０１の下流側端部に接続されダクト７０内へ水を噴霧するノズル１０３と、空間Ｂの湿度に応じて流量調整弁１０２の開度を調節する制御部１０４とを備える。

ノズル１０３は、小径の開口を有するドライミスト用のノズルであり、配管８１下流側の分岐された配管にそれぞれ接続される。

制御部１０４は、センサによって感知される湿度が、任意に設定された湿度に近づくように、接点をオンオフさせる装置であり、ヒューミディスタット等と呼称される場合もある。
この制御部１０４は、流量調整弁１０２の開度を調節（例えば開又は閉）するように、電気配線される。

このドライミスト供給路１００を加えた態様によれば、例えば、熱利用機器３１を給湯器とし、冬場に、熱利用機器３１によって加熱された温水を配管８１によってダクト７０内へ導きノズル１０３から霧状に噴射すれば、ダクト７０内を流れる空気に適度な湿り気を付与して、空間Ｂを適宜な湿度に維持することができる。

＜その他の変形例＞
上記実施態様の地中熱利用装置２によれば、補助配管系統４０に水車６２Ｘを設けたが、他例としては、熱源側配管系統１０又は利用側配管系統３０に水車を設け、この水車の回転力を、ダクト７０内の羽根車６１に機械的に伝達することも可能である。

また、上記実施態様によれば、回転駆動源６２（又は水車６２Ｘ）の回転力を、回転軸同士の接続により直接羽根車６１に伝達するようにしたが、他例としては、回転駆動源６２（又は水車６２Ｘ）の回転力を、歯車やフレキシブルシャフトを介して羽根車６１に伝達する態様等とすることも可能である。

また、上記実施態様によれば、利用側配管系統３０中に単数の熱利用機器３１を設けたが、他例としては、上記利用側配管系統３０中に、複数の熱利用機器３１を設けることもの可能である。

また、上記実施態様によれば、利用側配管系統３０から補助配管系統４０への分岐点に流量調節機能を有する三方弁３２を設けたが、他例としては、この三方弁３２を流量調節機能を有さない分岐管にした態様や、配管４０ａ中に流量調整弁を設けた態様等とすることも可能である。

また、上記実施態様によれば、ダクト７０の吐出口７２を屋内に配置したが、他例としては、ダクト７０の吐出口７２を屋外に配置して、冷風や温風を屋外に送風させることも可能である。

また、本発明は上述した実施態様に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更可能である。

１，２：地中熱利用装置
１０：熱源側配管系統
２０：第一の熱交換器
３０：利用側配管系統
３１：熱利用機器
３２：三方弁（流量調節手段）
４０：補助配管系統
４０ｃ：放出口
５０：第二の熱交換器
６０：送風機
６１：羽根車
６２：回転駆動源
６２Ｘ：水車
７０：ダクト
８０：冷温水供給路
９０：水車室

Claims

地中側と地上側の間で熱媒体液の循環流路を形成する熱源側配管系統と、
前記熱源側配管系統とは独立して地上側で熱利用するための水の循環流路を形成する利用側配管系統と、
前記熱源側配管系統を流れる熱媒体液と前記利用側配管系統を流れる前記水との熱交換を行う第一の熱交換器と、
前記第一の熱交換器よりも下流側で前記利用側配管系統から分岐され、その分岐点よりも下流側で前記利用側配管系統に合流する補助配管系統と、
前記補助配管系統の経路中にて前記補助配管系統を流れる前記水と前記補助配管系統の外側の空気との熱交換を行う第二の熱交換器と、
前記第二の熱交換器を内在して空気を流通させる筒状のダクトとを具備し、
前記ダクトは、壁によって仕切られた一方側の空間から他方側の空間に渡って設けられるものであり、
前記ダクト内に前記水を霧状に噴霧するドライミスト流路が前記ダクトに接続されており、前記水は、第二の熱交換器より上流側を流れるものであることを特徴とする地中熱利用装置。
前記利用側配管系統を流れる前記水の流量と、前記補助配管系統を流れる前記水の流量との比率を調節する流量調節手段を具備したことを特徴とする請求項１記載の地中熱利用装置。
前記第二の熱交換器に空気を強制的に吹き付ける送風機が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の地中熱利用装置。
前記利用側配管系統の熱を利用して、前記利用配管系統を流れる前記水を加熱又は冷却する熱利用機器を具備し、
前記熱利用機器によって加熱又は冷却される前記水を、前記補助配管系統における前記第二の熱交換器よりも上流側に供給する冷温水供給路を設けたことを特徴とする請求項１～３何れか１項記載の地中熱利用装置。