JP7359361B2

JP7359361B2 - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP7359361B2
Application number: JP2018183856A
Authority: JP
Inventors: 雅久石井; 里美奥島; 英樹森山; 遼太土屋; 真司高杉
Original assignee: National Agriculture and Food Research Organization
Current assignee: National Agriculture and Food Research Organization
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2023-10-11
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: JP2020051714A

Description

本発明は、地下水等の水を採熱・放熱の熱源とするヒートポンプ装置に関し、さらに詳しく言えば、冷媒を水と直接的に熱交換を行わせるオープンループ方式でかつ直接膨張方式のヒートポンプ装置に関するものである。

近年、節電やＣＯ_２排出削減、ヒートアイランド対策等の観点から地中熱の利用が注目されている。地中熱とは、地表からおおよそ地下２００ｍの深さまでの地中に存在している熱のことを言い、このうち深さ１０ｍ以深の地中温度は季節に関わらずほぼ安定していて、夏場は外気温よりも冷たく、冬場は外気温よりも暖かい性質を持っている。

地中熱を利用する方法の一つとして、直接膨張式と呼ばれる地中熱ヒートポンプシステムがある。直接膨張式地中熱ヒートポンプシステムとは、現在一般に市場に供給されている空気熱源のエアコン（空気調和機）の室外熱交換器の冷媒管（通常は銅管）を地中熱交換器として例えば住宅用鋼管杭内に挿入し、冷媒（例えば、代替フロン冷媒）と地中熱とを直接的に熱交換するヒートポンプシステムである（例えば、非特許文献１参照）。

この直接膨張式地中熱ヒートポンプシステムによれば、間接式で必要とされている水－冷媒熱交換器や循環ポンプが不要となり、熱交換ロスが少なくなり、また、循環ポンプ等の補機の動力が不要となることから、システム全体としての消費エネルギーが少なくて済む、という利点がある。

依田修ら共著：「Ｆ１３１住宅用鋼管杭を用いた地中熱ヒートポンプの実施例」２０１７年度日本冷凍空調学会年次大会講演論文集（２０１７．９．２６－２９，東京）

しかしながら、これまでの直接膨張式地中熱ヒートポンプシステムの多くは、地中に掘削した熱交換井内に地中熱交換器を挿入したクローズドループ方式を採用している。クローズドループ方式では、地中に熱交換井（代用として住宅用鋼管杭等）を掘削する必要があるため、まず設置コストがかかるという問題がある。

また、地中熱（深さ１０ｍ以深の地中温度）は、季節に関わらずほぼ安定しているものの地層内での熱移動が遅いため、特に急激な放熱・採熱時に熱交換井周囲が熱的に飽和状態になり易く熱交換が促進されない、という問題もある。

したがって、本発明の課題は、クローズドループ方式よりも低コストでありながら熱交換効率もよい、オープンループ方式でかつ直接膨張方式のヒートポンプ装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器およびアキュムレータを冷媒配管を介して接続してなる冷凍サイクルを含み、上記四方弁の切り替えにより、冷房運転時には上記室外熱交換器が凝縮器、上記室内熱交換器が蒸発器として作用し、暖房運転時には上記室内熱交換器が凝縮器、上記室外熱交換器が蒸発器として作用するヒートポンプ装置において、
上記室内熱交換器が農業等の栽培ハウス内に配置されるとともに、河川水、工業用水の排水、農業用水の中から選択される水が溜められるオープンループ方式の貯水槽を有し、上記室外熱交換器が上記貯水槽内の水中に浸漬され、上記水と上記冷媒との間で熱交換が行われるオープンループ方式でかつ直接膨張方式の水－冷媒熱交換器であり、
冷房運転時には、上記四方弁の切り替えにより、上記圧縮機にて生成された高温高圧のガス冷媒が上記室外熱交換器に送られ、上記室外熱交換器で上記貯水槽内の水と熱交換して凝縮され、上記膨張弁にて所定に減圧されたのち、上記室内熱交換器で上記栽培ハウス内の空気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって上記四方弁を経由して上記アキュムレータに至り、再度上記圧縮機に吸入され、
暖房運転時には、上記四方弁の切り替えにより、上記圧縮機にて生成された高温高圧のガス冷媒が上記室内熱交換器に送られ、上記室内熱交換器で上記栽培ハウス内の空気と熱交換して凝縮され、上記膨張弁を経て上記室外熱交換器で上記貯水槽内の水と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって上記四方弁を経由して上記アキュムレータに至り、再度上記圧縮機に吸入されることを特徴としている。

本発明において、上記貯水槽内での水の流方向と上記水－冷媒熱交換器の冷媒の流方向とが逆方向の対向流であることが好ましい。

また、上記貯水槽内には上記水－冷媒熱交換器の下側から空気を噴出する空気供給パイプが設けられることが好ましい。

また、上記圧縮機は、好ましくはインバータ制御による可変速型の圧縮機であり、上記貯水槽内での上記水－冷媒熱交換器の熱交換量に応じて回転数が制御されるとよい。

さらには、上記水－冷媒熱交換器の冷媒管は、耐腐食性の塗料が塗布されるか、もしくは耐腐食性の樹脂で被覆されることが好ましい。

本発明によれば、室外熱交換器（水－冷媒熱交換器）を貯水槽内に浸漬するオープンループ方式であるため、構築コストがクローズドループ方式よりも低コストであり、また、貯水槽内を流水とすることにより、熱交換効率を高めることができる。

本発明によるヒートポンプ装置の一実施形態を示す模式図。上記実施形態において、貯水槽と室外熱交換器を示す模式図。対向流方式とした水－冷媒熱交換器を示す平面図。

次に、図１ないし図３を参照して、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、この実施形態に係るヒートポンプ装置１は、熱源側の室外機１０と利用側の室内機２０とを備えている。この実施形態において、室内機２０は、農業等の栽培ハウス内に設置されることを想定しているが、通常の住居家屋やビルもしくは産業用として工場施設等に設置されてもよい。

室外機１０は、基本的な構成として、冷媒を圧縮する圧縮機１１０、四方弁１２０、室外熱交換器１３０、膨張弁１４０およびアキュムレータ１５０とを備えている。冷媒には例えばＲ４１０Ａ，Ｒ３２やＲ４５２ＢなどＨＦＯ混合冷媒などが用いられてよい。

室内機２０には、基本的な構成として、室内熱交換器２１０と室内送風機２１１とが設けられている。なお、床暖房等を行う場合には、室内熱交換器２１０は図示しない温水タンク内に入れられる。室外機１０と室内機２０は、液側配管２とガス側配管３を介して接続される。

本発明において、室外熱交換器１３０は、オープンループ方式の水－冷媒直接膨張式の熱交換器であり、図２に示すように、貯水槽１６０内に浸漬される。

この実施形態において、貯水槽１６０は地表に設置された貯水タンクで、揚水ポンプＰ１を有する給水管１６１より地下水（井戸水）が汲み上げられる。貯水槽１６０内で、貯留水が下から上に向けて流れるようにするため、給水管１６１の先端は貯水槽１６０の底部にまで引き込まれることが好ましいが、給水管１６１を貯水槽１６０の底部から引き込んでもよい。また、貯水槽１６０には、オーバーフロー水を排水する排水管１６２が設けられる。

室外熱交換器１３０は、その冷媒配管（パスとも呼ばれる銅管）１３１が貯水槽１６０内に浸漬されることにより、水－冷媒熱交換器として作用する。浸漬される冷媒配管１３１にはフィンが取り付けられてもよい。ジグザク状ではなく、例えば螺旋条に巻回された状態で浸漬されてもよい。

冷媒配管１３１に銅管以外の材質の管が用いられてもよいが、いずれにしても、その冷媒配管１３１には、耐腐食性の金属材料製の配管、耐腐食性の塗料（例えば、一般的な金属管内外面のライニング処理に用いられるエポキシ樹脂塗料）が塗布された配管もしくは耐腐食性の例えばポリエチレン樹脂で被覆された配管が用いられることが好ましい。

図２に示すように、貯水槽１６０内に、端部側の管壁に複数の空気噴出孔１６６を有する空気供給パイプ１６５を配置して、ブロワーＰ２より空気供給パイプ１６５内に空気を送り込んで空気噴出孔１６６から空気を噴出させて貯留水の対流を促進させることが好ましい。この場合、空気供給パイプ１６５の空気噴出孔１６６が設けられている端部側を貯水槽１６０の底部に沿って配置するとよい。

空気供給パイプ１６５に代えて、もしくは空気供給パイプ１６５とともに貯水槽１６０内に、例えばプロペラ状の撹拌羽根が設けられてもよい。

別の態様として、図３（貯水槽１６０の平面図）に示すように、貯水槽１６０内に仕切板１６７（この例では３枚の仕切板）によりジグザグ状の水路を形成し、その水路に沿って室外熱交換器１３０の冷媒配管１３１をジグザグ状に配管し、水路内の水の流れ方向（実線矢印）と、冷媒配管１３１内の冷媒の流れ方向（鎖線矢印）とを逆方向の対向流とすることにより、水－冷媒の熱交換効率を高めることもできる。

また、水温センサーを設け水温が所定温度内に収まるように揚水ポンプＰ１を駆動することもできる。貯水槽１６０は掘削による貯水池等であってもよく、熱交換用の水は井戸水のほかに、河川水、工業用の排水や農業用水等であってもよい。

圧縮機１１０は、好ましくはインバータ制御による可変速型の圧縮機で、貯水槽１６０内での室外熱交換器（水－冷媒熱交換器）１３０の熱交換量に応じてその回転数が制御されるとよい。

冷房運転時には、四方弁１２０が図示実線の状態に切り替えられ、圧縮機１１０にて生成された高温高圧のガス冷媒が室外熱交換器１３０に送られ、室外熱交換器１３０で貯水槽１６０内の水と熱交換して凝縮され、膨張弁１４０にて所定に減圧されたのち、室内熱交換器２１０で室内の空気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって四方弁１２０を経由してアキュムレータ１５０に至り、再度圧縮機１１０に吸入される。

暖房運転時には、四方弁１２０が図示鎖線の状態に切り替えられ、圧縮機１１０にて生成された高温高圧のガス冷媒が室内熱交換器２１０に送られ、室内熱交換器２１０で室内の空気と熱交換して凝縮され、膨張弁１４０を経て室外熱交換器１３０で貯水槽１６０内の水と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって四方弁１２０を経由してアキュムレータ１５０に至り、再度圧縮機１１０に吸入される。

このように、冷房運転時、室外熱交換器１３０は凝縮器（放熱器）、室内熱交換器２１０は蒸発器（採熱器）として作用し、これに対して、暖房運転時には、室外熱交換器１３０は蒸発器（採熱器）、室内熱交換器２１０は凝縮器（放熱器）として作用するが、本発明によれば、室外熱交換器（水－冷媒熱交換器）１３０を貯水槽１６０内に浸漬するオープンループ方式であるため、構築コストがクローズドループ方式よりも低コストであり、また、貯水槽内を流水とすることにより、熱交換効率を高めることができる。

１ヒートポンプ装置
２液側配管
３ガス側配管
１０室外機
１１０圧縮機
１２０四方弁
１３０室外熱交換器（水－冷媒直接膨張式熱交換器）
１３１冷媒配管
１４０膨張弁
１５０アキュムレータ
１６０貯水槽
２０室内機
２１０室内熱交換器

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器およびアキュムレータを冷媒配管を介して接続してなる冷凍サイクルを含み、上記四方弁の切り替えにより、冷房運転時には上記室外熱交換器が凝縮器、上記室内熱交換器が蒸発器として作用し、暖房運転時には上記室内熱交換器が凝縮器、上記室外熱交換器が蒸発器として作用するヒートポンプ装置において、
上記室内熱交換器が農業等の栽培ハウス内に配置されるとともに、河川水、工業用水の排水、農業用水の中から選択される水が溜められるオープンループ方式の貯水槽を有し、上記室外熱交換器が上記貯水槽内の水中に浸漬され、上記水と上記冷媒との間で熱交換が行われるオープンループ方式でかつ直接膨張方式の水－冷媒熱交換器であり、
冷房運転時には、上記四方弁の切り替えにより、上記圧縮機にて生成された高温高圧のガス冷媒が上記室外熱交換器に送られ、上記室外熱交換器で上記貯水槽内の水と熱交換して凝縮され、上記膨張弁にて所定に減圧されたのち、上記室内熱交換器で上記栽培ハウス内の空気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって上記四方弁を経由して上記アキュムレータに至り、再度上記圧縮機に吸入され、
暖房運転時には、上記四方弁の切り替えにより、上記圧縮機にて生成された高温高圧のガス冷媒が上記室内熱交換器に送られ、上記室内熱交換器で上記栽培ハウス内の空気と熱交換して凝縮され、上記膨張弁を経て上記室外熱交換器で上記貯水槽内の水と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって上記四方弁を経由して上記アキュムレータに至り、再度上記圧縮機に吸入されることを特徴とするヒートポンプ装置。