JP7466168B2

JP7466168B2 - 路面加熱システム

Info

Publication number: JP7466168B2
Application number: JP2019146428A
Authority: JP
Inventors: 太郎大岡; 伸吉大岡; 満良張; 章田熊
Original assignee: 吉佳エンジニアリング株式会社
Priority date: 2018-12-17
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2024-04-12
Anticipated expiration: 2039-08-08
Also published as: JP2020097880A

Description

本発明は、路面加熱システムに関し、特に、地中熱を利用して路面を加熱可能な路面加熱システムに関する。

従来、道路等の積雪を除去したり、路面の凍結を解消したりするために、道路下に放熱管若しくは放熱線を埋設し、放熱管を流通する熱交換媒体からの放熱や放熱線の通電によって路面を加熱し、融雪や凍結の解消を行う融雪装置が知られている。

例えば、特許文献１には、地中に埋設された下水管の外壁近接に採熱管を埋設するとともに、融雪対象となる地面の領域に放熱管を埋設し、採熱管及び放熱管を循環する循環路に熱交換媒体を流通させる融雪装置が記載されている。この装置では、熱交換媒体が採熱管を通る際に下水熱を採取し、放熱管において熱を外部へ放出することで、放熱管が埋設された領域の融雪を行っている。

また、特許文献１には、下水管の外壁近傍に配設した採熱管とヒートポンプの熱源側熱交換器とに熱源用熱交換媒体を流通させる第１の循環路と、ヒートポンプの負荷側熱交換器と融雪領域に埋設された放熱管とに放熱用熱交換媒体を流通させる第２の循環路とを備えた融雪装置が記載されている。

この融雪装置では、熱源側熱交換媒体が採熱管を通る際に採取した下水熱をヒートポンプの熱源側熱交換器で吸熱し、ヒートポンプの負荷側熱交換器において放熱用熱交換媒体の加熱に利用している。加熱された放熱用熱交換媒体が放熱管を通る際に放熱することで地面の融雪が行われる。

特開２００２－０１３１０５号公報

上述した融雪装置において、ヒートポンプを使用しない装置では、下水熱を直接的に融雪のための熱源として利用することができ、ヒートポンプ駆動のための電力を要しないことから、ランニングコストが低く抑えることができる。

しかしながら、豪雪地帯等、降雪量の多い地域では、下水熱のみでは融雪の為の熱量が不足してしまい、積雪が残ってしまうという問題がある。

一方、ヒートポンプを用いた装置では、ヒートポンプによって放熱用熱交換媒体の温度を下水の温度よりも高くすることができるため、降雪量が多い地域であっても積雪が生じることのないように融雪を行うことができる。また、電熱線を埋設して通電によって路面を加熱するものに比べて装置の長寿命化を図ることができる。

しかしながら、融雪等を行う際に常にヒートポンプを稼働すると消費電力が多大になるため、適切な融雪効果を得ながら節電できる装置の開発が求められていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、加熱対象領域における降雪や温度状況等の環境特性に応じた高い加熱効果を得ながら、節電効果の高い路面加熱システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る路面加熱システムは、
地中に埋設された第１の熱交換管と、該第１の熱交換管よりも路面に近い熱交換対象領域に埋設された第２の熱交換管とに熱交換媒体を循環させる第１の熱交換回路と、
前記熱交換媒体を前記第１の熱交換管及びヒートポンプの熱源側熱交換器に循環させる第１の循環路と、前記第２の熱交換管及び前記ヒートポンプの負荷側熱交換器に循環させる第２の循環路とを形成する第２の熱交換回路と、
前記熱交換対象領域の周辺環境を検出する環境検出装置と、
該環境検出装置の検出結果に基づいて、前記ヒートポンプを停止して前記第１の熱交換回路による循環を行う第１運転と、前記ヒートポンプを稼働して前記第２の熱交換回路による循環を行う第２運転と、前記第１の熱交換回路における熱交換媒体の循環と停止とを繰り返す予熱運転と、に替え可能な制御部と、
を備え、
前記環境検出装置は、前記熱交換対象領域の周辺の外気温度、前記熱交換対象領域の路面温度、及び前記熱交換対象領域の降雪の有無を検出し、
前記制御部は、
前記外気温度が所定の第１外気温度以下、又は前記路面温度が所定の第１路面温度以下の場合には前記予熱運転を開始し、前記外気温度が前記第１外気温度を超え且つ前記路面温度が前記第１路面温度を超えている場合には運転を停止し、
前記予熱運転を開始した後、
前記外気温度が前記第１外気温度よりも低い所定の第３外気温度以下、又は前記路面温度が前記第１路面温度よりも低い所定の第３路面温度以下であり、且つ、前記熱交換対象領域に降雪がある場合には、前記第１運転を行い、
前記外気温度が前記第１外気温度よりも低い所定の第３外気温度以下、又は前記路面温度が前記第１路面温度よりも低い所定の第３路面温度以下であり、且つ、前記熱交換対象領域に降雪がない場合には、前記予熱運転を継続することを特徴とする。

この構成によれば、熱交換対象領域（すなわち、路面を加熱して融雪を行う加熱対象領域）を加熱する際に、環境検出装置の検出結果（例えば、路面温度や降雪量等）を基に、その時点での環境状況に応じて、ヒートポンプを停止して第１の熱交換回路に熱交換媒体を循環させる第１運転と、ヒートポンプを稼働して第２の熱交換回路に熱交換媒体を循環させる第２運転とに切り替えることができる。

これにより、周辺環境の状況によって、より低い加熱温度で足りる場合には、第１運転に切り替えて、ヒートポンプを稼働する電力量をなくして、省エネルギー化を図ることができる。また、必要とされる加熱温度が高い場合には、第２運転によりヒートポンプを稼働することで、第１の熱交換管による熱エネルギーをヒートポンプで利用しつつ、第２の熱交換管を流れる熱交換媒体の温度を第１の熱交換管を流れる熱交換媒体の温度よりも高い温度にすることができるので、加熱対象領域を高い温度で加熱することができる。これにより、降雪量が多い等、融雪のための負荷が大きくなった際に、ヒートポンプの消費電力量を抑えながら高い熱エネルギーで適切に路面を加熱して融雪を行うことができる。
また、この構成によれば、加熱対象領域における積雪や路面凍結の原因となる要素を環境検出装置によって検出し、検出結果に基づいて積雪等が防止されるように、熱交換媒体の循環路を切り替えて、周辺環境に応じた適切な融雪や凍結防止を実行することができる。
また、この構成によれば、加熱対象領域における加熱温度が比較的低くてもよいと推定される運転開始時に熱交換媒体の循環と停止とを繰り返す予熱運転を行うことで、システムの節電効果を高めることができる。
また、この構成によれば、予熱運転の後、外気温度又は路面温度が、予熱運転開始時よりも高い所定の温度を超えた場合に、運転を停止して省エネルギー化を図ることができる。また、外気温度又は路面温度が、予熱運転開始時よりも低い所定の温度以下となり、且つ降雪がある場合に第１運転を行ってより高い熱エネルギーで加熱対象領域を加熱することができる。

また、本発明は、上記路面加熱システムにおいて、
前記第１の熱交換管は、地中に埋設されて内部に流体が流れる埋設管の外周面又は内部に配置されたことを特徴とする。

この構成によれば、埋設管の管路を流れる流体から採取した熱エネルギーを利用して路面を加熱することができる。

また、本発明は、上記路面加熱システムにおいて、
前記環境検出装置は、さらに、前記熱交換対象領域における路面上の水分量を検出し、
前記制御部は、
降雪が有り、検出された水分量が所定の水分量を超え、且つ検出された路面温度が所定の第１切り替え基準路面温度以下の場合に前記第１運転から前記第２運転に切り替え、
前記第２運転中に、検出された水分量が前記所定の水分量を超え、且つ検出された路面温度が前記第１切り替え基準路面よりも高い所定の第２切り替え基準路面温度以上となった場合に、前記第１運転に切り替え、
前記第２運転中に、検出された水分量が前記所定の水分量以下となった場合に運転を停止することを特徴とする。

この構成によれば、降雪が有り、加熱対象領域の路面上の水分量が所定の水分量を超え且つ路面温度が所定の第１切り替え基準路面温度以下である場合、すなわち、路面上の積雪が予測される場合に、第２運転に切り替えて高い温度で対象領域を加熱することができる。また、第２運転中に、路面上の水分量や路面温度に応じて、運転を第１運転に切り替えたり、運転を停止させたりすることにより、省エネルギー化を図ることができる。

また、本発明は、上記路面加熱システムにおいて、
少なくとも前記第１の循環路及び前記第２の循環路に熱交換媒体の体積変化を許容する膨張タンクが設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、熱交換回路の切り替えによって熱交換媒体の温度が大きく変動する循環路に膨張タンクを設けることで、温度変化による熱交換媒体の体積変化を膨張タンクによって許容させて、循環路を流通する熱交換媒体の体積容量を均一に保持することができる。

本発明によれば、降雪状況等、加熱対象領域の周辺環境に応じて、ヒートポンプを使用しない第１運転と、ヒートポンプを使用する第２運転との間で切り替えることができるため、環境特性に応じた高い融雪効果や凍結防止効果を得ながら、節電による省エネルギー化を図ることができる。

本発明の一実施の形態である路面加熱システムの構成図。第１の加熱回路における熱交換媒体の流れを示す図。第２の加熱回路における熱交換媒体の流れを示す図。採熱管による熱交換機構を説明する断面図。制御部の動作を示すフローチャート図。制御部の動作を示すフローチャート図。

図１は、本発明の一実施の形態である路面加熱システム１０の構成図である。路面加熱システム１０は、地中に埋設された下水管（埋設管）１１の内部又は外周面に配設された採熱管（第１の熱交換管）１２と、採熱管よりも路面に近い加熱対象領域（熱交換対象領域）１３に埋設された放熱管（第２の熱交換管）１４と、ヒートポンプＨと、環境検出装置１６と、図示していない制御部とを備える。下水管１１は、２つのマンホールの間に配設されて、この２つのマンホールを連通している。図１では一方のマンホール６０のみを記載している。ヒートポンプＨは、圧縮機２０と熱源側熱交換器２２と、膨張弁２４と、負荷側熱交換器２６とを備える。

また、路面加熱システム１０は、採熱管１２と熱源側熱交換器２２とに熱交換媒体を循環させる熱源側循環路（第１の循環路）３０と、放熱管１４と負荷側熱交換器２６とに熱交換媒体を循環させる負荷側循環路（第２の循環路）４０と、ヒートポンプＨを介さずに採熱管１２と放熱管１４とを直結的に連結して熱交換媒体を循環させる直結循環路５０とを有する。

熱源側循環路３０は、採熱管１２と、採熱管１２の下流端から熱源側熱交換器２２まで延びる第１配管３０ａと、第１配管３０ａの下流端に連結されて熱源側熱交換器２２内を通る熱源側配管３０ｂと、熱源側配管３０ｂの下流端と採熱管１２の上流端とを連結する第２配管３０ｃとを有する。

負荷側循環路４０は、放熱管１４と、放熱管１４の下流端から負荷側熱交換器２６まで延びる第３配管４０ａと、第３配管３０ａの下流端に連結されて負荷側熱交換器２６内を通る負荷側配管４０ｂと、負荷側配管４０ｂの下流端と放熱管１４の上流端とを連結する第４配管４０ｃとを有する。

直結循環路５０は、採熱管１２及び放熱管１４とともに、第１配管３０ａと第４配管４０ｃとを連結する第１直結配管５０ａと、第２配管３０ｂと第３配管４０ａとを連結する第２直結配管５０ｂとを含む。第１及び第２直結配管５０ａ，５０ｂの上流端及び下流端には、切替弁５２，５３，５４，５５が配置されており、熱交換媒体の流路を切り替え可能に構成されている。

本実施の形態において切替弁５２，５３，５４，５５は三方弁であり、図２に示すように、熱源側循環路３０及び負荷側循環路４０を遮断して直結循環路５０に熱交換媒体を循環させる第１の加熱回路と、図３に示すように、直結循環路５０を遮断して熱源側循環路３０及び負荷側循環路４０のそれぞれに熱交換媒体を循環させる第２の加熱回路とに流路を切り替えることができる。

各循環路３０，４０，５０を流れる熱交換媒体には同一の流体が用いられる。熱交換媒体の種類は特に限定されないが、例えば、水、或いは水とアルコール又はエチレングリコールの混合物（不凍液）等を用いることができる。

各循環路３０，４０，５０には熱交換媒体を循環させるポンプが配設され、本実施の形態では直結循環路５０におけるポンプを熱源側循環路３０及び／又は負荷側循環路４０に配設されたポンプ３４，４４と兼用している。また、放熱管１４の上流側及び下流側には温度センサ４６，４８がそれぞれ配設される。図示例では、第３配管４０ａ、第４配管４０ｃに温度センサ４６，４８を配設しており、さらに、第1配管３０ａに温度センサ３６を配設している。各温度センサ３６，４６，４８は、配管内を流れる熱交換媒体の温度を直接的又は間接的に検出する。

さらに、熱源側循環路３０及び負荷側循環路４０には、それぞれ、膨張タンク３２，４２が設けられている。膨張タンク３２，４２は、各循環路３０，４０を流れる熱交換媒体の容積変化を吸収するものである。本実施の形態では、直結循環路５０において膨張タンク３２，４２が兼用されるように配置している。

なお、図示していないが、各循環路３０，４０，５０において、循環路内を流れる熱交換媒体の流量を計測する流量計や、循環路内の圧力を計測する圧力計を適宜設けることが可能である。

ヒートポンプＨは、冷媒を圧縮する圧縮機２０と、熱源側熱交換器２２と、冷媒を膨張させる膨張弁２４と、負荷側熱交換器２６と、これらを循環する冷媒が流通する冷媒管２８とを備える。冷媒は、ヒートポンプＨにおいて閉ループを構成する冷媒管２８を循環することで、蒸発、圧縮、凝縮、膨張の熱サイクルを受ける。熱源側熱交換器２２では、熱源側配管３０ｂを通る熱交換媒体と、冷媒との間で熱交換が行われ、負荷側熱交換器２６では、負荷側配管４０ｂを通る熱交換媒体と、冷媒との間で熱交換が行われる。

採熱管１２及び放熱管１４は、それぞれ、伝熱性及び耐久性の高い材料で形成されており、配管内外の熱伝達を行う熱交換機構を構成している。

次に、図４を用いて採熱管１２による熱交換機構７０を説明する。なお、図４は図１のＩＶ－ＩＶ線で示す部位の断面図である。

熱交換機構７０は、複数の採熱管１２によって形成された熱交換用マット７２と、熱交換用マット７２を下水管１１に固定する固定部材７４とを備える。第２配管３０ｃを通過した熱交換媒体は、下水管１１内に配設された複数の採熱管１２に分流された後、第１配管３０ａで合流する。

熱交換マット７２は、複数の採熱管１２を並列して互いに連結することでマット状に形成したものである。各採熱管１２は、これと一体若しくは別体の連結材で互いに接続固定されている。本実施の形態では、採熱管１２を耐腐食性の高い樹脂材料、例えば、ＰＰ樹脂、ＰＢＴ樹脂、ＰＥＴ樹脂、ＰＥ樹脂やゴム材料等により形成しており、熱交換用マット７２は全体として可撓性を有する長尺板状に形成されている。図１に示す例では、各採熱管１２が、一方のマンホール６０から他方のマンホールへ向かって延び、熱交換用マット７２の先端で折り返されて再びマンホール６０側へ戻るように伸長している。なお、図示例では採熱管１２の断面が円形のものを示しているが、断面形状はこれに限られず、楕円形、多角形など、熱交換媒体を流通させることができる形状であればよい。

固定部材７４は、下水管１１の内周面の全域に亘って設けられた管状体からなる更生管であって、下水管１１の更生を行うライニング材により形成されている。熱交換用マット７２は、固定部材７４によって下水管１１の内壁に押し付けられて固定される。

なお、固定部材は更生管に限られず、熱交換用マット７２を下水管１１内に固定可能なものであればよい。例えば、固定部材は、下水管１１の管軸方向に間隔をおいて複数配設された、下水管１１の内壁面に沿うリング状又は円弧状の部材とすることができ、この固定部材によって熱交換用マット７２を部分的に下水管１１の内側から下水管１１の内壁に押し付けて固定する構造とすることができる。

放熱管１４は、加熱対象領域１３となる、融雪や凍結防止が行われる路面の下に埋設される。図１に示す例では、一本の放熱管１４が路面下を蛇行状態で延びている。放熱管１４は、比較的地表面に近い位置に埋設され、車両等の振動等に耐え得るように下水管１１内の採熱管１２よりも剛性が高いことが好ましく、例えば、ステンレス管や炭素鋼鋼管等の金属製配管を用いることができる。

加熱対象領域１３の領域内及び／又は領域近傍には、加熱対象領域１３の周辺環境を検出する環境検出装置１６が設置される。環境検出装置６２は、例えば、加熱対象領域１３の降雪状況や積雪状況を監視可能なカメラや、加熱対象領域１３の外気温度を検知する温度センサ、路面等の対象物の表面温度を検知する赤外線サーモセンサ、加熱対象領域１３の路面の水分量を検出する水分センサ等を単独で又は組み合わせて用いたものとすることができる。

本実施の形態において環境検出装置１６は、加熱対象領域１３における降雪の有無、加熱対象領域１３周辺の外気温度Ｔ_Ａ、加熱対象領域１３の路面温度Ｔ_Ｒ、加熱対象領域１３における路面の水分量（水分の有無）Ｗを検出可能である。

環境検出装置１６、各温度センサ３６，４６，４８、ヒートポンプＨ、流量計、圧力計及びポンプ３４，４４のそれぞれは、路面加熱システム１０の制御部に有線接続又は無線接続されている。

制御部は、各運転を行うためのプログラムなどを記憶したＲＯＭ、各センサ等から出力された信号に基づくデータを一時的に記憶するＲＡＭ、及び、各プログラムを実行するＣＰＵ等を有する。制御部は、各接続機器からの検出信号に基づいてヒートポンプＨの作動及び切替弁５２，５３，５４，５５の作動による各加熱回路の切り替えを制御する。具体的には、制御部は、ヒートポンプＨを停止して第１の加熱回路による循環を行う低温加熱運転（第１運転）と、ヒートポンプＨを稼働して第２の加熱回路による循環を実施する高温加熱運転（第２運転）とに、路面加熱システム１０の運転を切り替えることができる。低温加熱運転は、ヒートポンプＨを稼働する高温加熱運転（すなわち、通常運転）に比して、省エネルギー化を図ることができる省エネ運転である。さらに、低温加熱運転では、所定の時間サイクルで熱交換媒体の循環と停止とを繰り返す予熱運転と、熱交換媒体の循環を連続して行う連続低温加熱運転とに切り替えることができる。

制御部には、路面加熱システム１０の運転状態の切り替えの基準となる、基準外気温度Ｔ_Ａ１（第１外気温度）、Ｔ_Ａ２（第２外気温度）、Ｔ_Ａ３（第３外気温度）及びＴ_Ａ４と、基準路面温度Ｔ_Ｒ１（第１路面温度）、Ｔ_Ｒ２（第２路面温度）、Ｔ_Ｒ３（第３路面温度）、Ｔ_Ｒ４及びＴ_Ｒ５（第２切り替え基準路面温度）と、基準路面水分量（すなわち、水分の有無の基準となる閾値）Ｗ_１とが予め設定されている。

ここで、基準外気温度Ｔ_Ａ１～Ｔ_Ａ４の値（温度の高さ）は、Ｔ_Ａ３＜Ｔ_Ａ１＜Ｔ_Ａ２、且つＴ_Ａ１＜Ｔ_Ａ４であり、０℃＜Ｔ_Ａ１であって、好ましくは０℃＜Ｔ_Ａ３である。一例として、Ｔ_Ａ１＝４℃、Ｔ_Ａ２＝５℃、Ｔ_Ａ３＝２℃、Ｔ_Ａ４＝５℃に設定することができる。

また、基準路面温度Ｔ_Ｒ１～Ｔ_Ｒ５の値は、Ｔ_Ｒ３＜Ｔ_Ｒ１＜Ｔ_Ｒ２、０℃＜Ｔ_Ｒ１＜Ｔ_Ｒ４、且つ０℃＜Ｔ_Ｒ５＜Ｔ_Ｒ４であり、好ましくはＴ_Ｒ５＜Ｔ_Ｒ１である。一例として、Ｔ_Ｒ１＝４℃、Ｔ_Ｒ２＝７℃、Ｔ_Ｒ３＝２℃、Ｔ_Ｒ４＝７℃、Ｔ_Ｒ５＝２℃に設定することができる。

上述した路面加熱システム１０では、制御部によって低温加熱運転が選択され、図２に示す第１の加熱回路に切り替えられると、熱交換媒体は、ポンプ３４，３５の圧力によって直結循環路５０を循環し、採熱管１２を通る際に下水７８との間で熱交換が行われて下水熱を採取し、放熱管１４を通る際に熱を放出することで、加熱対象領域１３が加熱される。

また、制御部によって高温加熱運転が選択され、図３に示す第２の加熱回路に切り替えられると、熱交換媒体は、ポンプ３４，３５の圧力によって熱源側循環路３０及び負荷側循環路４０のそれぞれを循環する。熱源側循環路３０では、熱交換媒体が採熱管１２を通る際に取得した下水熱をヒートポンプＨの熱源側熱交換器２２で熱源として利用する。負荷側循環路４０では、熱交換媒体がヒートポンプＨの負荷側熱交換器２６において取得した熱を放熱管１４において放出することで、下水よりも高い温度で加熱対象領域１３を加熱することが可能となる。

次に、制御部による路面加熱システム１０の制御について説明する。図５は制御部の動作を示すフローチャート図である。

制御処理がスタートすると、制御部は、環境検出装置１６により検出された外気温度Ｔ_Ａが所定の基準外気温度Ｔ_Ａ１以下、又は検出された路面温度Ｔ_Ｒが所定の基準路面温度Ｔ_Ｒ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。

外気温度Ｔ_Ａが基準外気温度Ｔ_Ａ１より高く、且つ路面温度Ｔ_Ｒが基準路面温度Ｔ_Ｒ１より高い場合（ステップＳ１１０：Ｎｏ）、制御部は路面加熱システム１０の運転を停止し（ステップＳ１１１）、処理を終了する。

一方、外気温度Ｔ_Ａ≦Ｔ_Ａ１又は路面温度Ｔ_Ｒ≦Ｔ_Ｒ１である場合（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、予熱運転を開始する（ステップＳ１１２）。

予熱運転開始後、制御部は、検出された外気温度Ｔ_Ａが所定の基準外気温度Ｔ_Ａ２以下、又は検出された路面温度Ｔ_Ｒが所定の基準路面温度Ｔ_Ｒ２以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１３）。外気温度Ｔ_Ａが基準外気温度Ｔ_Ａ２より高く、且つ路面温度Ｔ_Ｒが基準路面温度Ｔ_Ｒ２より高い場合（ステップＳ１１３：Ｎｏ）、制御部は路面加熱システム１０の予熱運転を停止し（ステップＳ１１１）、処理を終了する。

一方、外気温度Ｔ_Ａ≦基準外気温度Ｔ_Ａ２又は路面温度Ｔ_Ｒ≦基準路面温度Ｔ_Ｒ２である場合には（ステップＳ１１３：Ｙｅｓ）、さらに、外気温度Ｔ_Ａが所定の基準外気温度Ｔ_Ａ３以下、又は、路面温度Ｔ_Ｒが所定の基準路面温度Ｔ_Ｒ３以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１４）。

外気温度Ｔ_Ａが基準外気温度Ｔ_Ａ３より高く、且つ路面温度Ｔ_Ｒが基準路面温度Ｔ_Ｒ３より高い場合（ステップＳ１１４：Ｎｏ）、予熱運転を継続する（ステップＳ１１２）。

一方、外気温度Ｔ_Ａ≦基準外気温度Ｔ_Ａ３又は路面温度Ｔ_Ｒ≦基準路面温度Ｔ_Ｒ３である場合（ステップＳ１１４：Ｙｅｓ）、さらに、加熱対象領域１３において降雪があるか否かを判定する（ステップＳ１１５）。

降雪がない場合（ステップＳ１１５：Ｎｏ）、ステップＳ１１２に戻って予備運転を継続し、以降の処理を順次実行する。降雪がある場合（ステップＳ１１５：Ｙｅｓ）、予熱運転から熱交換媒体を連続循環する連続低温加熱運転に切り替え（ステップＳ１１６）。その後、加熱対象領域１３における路面の水分量Ｗを検出し、検出した水分量Ｗが所定の基準水分量Ｗ_１より多いか否かを判定する（ステップＳ１１７）。

水分量Ｗが基準水分量Ｗ_１以下の場合（ステップＳ１１７：Ｎｏ）、制御部は運転を停止して（ステップＳ１１１）、処理を終了する。

検出された水分量Ｗが基準水分量Ｗ_１を超える場合（ステップＳ１１７：Ｙｅｓ）、外気温度Ｔ_Ａ及び路面温度Ｔ_Ｒを検出し、検出された外気温度Ｔ_Ａが所定の基準外気温度Ｔ_Ａ４以下、又は路面温度Ｔ_Ｒが所定の基準路面温度Ｔ_Ｒ４以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１８）。

外気温度Ｔ_Ａが基準外気温度Ｔ_Ａ４より高く、且つ路面温度Ｔ_Ｒが基準路面温度Ｔ_Ｒ４より高い場合（ステップＳ１１８：Ｎｏ）、制御部は路面加熱システム１０の運転を停止し（ステップＳ１１１）、処理を終了する。

一方、外気温度Ｔ_Ａ≦基準外気温度Ｔ_Ａ４又は路面温度Ｔ_Ｒ≦基準路面温度Ｔ_Ｒ４である場合（ステップＳ１１８：Ｙｅｓ）、路面温度Ｔ_Ｒが０℃（第１切り替え基準路面温度）以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１９）。路面温度Ｔ_Ｒが０℃より高い場合（ステップＳ１１９：Ｎｏ）、ステップＳ１１６に戻って低温加熱運転を継続し、以降の処理を順次実行する。路面温度Ｔ_Ｒが０℃以下である場合（ステップＳ１１９：Ｙｅｓ）、低温加熱運転から高温加熱運転に切り替える（ステップＳ１２０）。

高温加熱運転に切り替えられた後、環境検出装置１６によって加熱対象領域１３における路面の水分量Ｗを検出し、検出された水分量Ｗが基準水分量Ｗ_１より多いか否かを判定する（ステップＳ１２１）。水分量Ｗが基準水分量Ｗ_１以下の場合（ステップＳ１２１：Ｎｏ）、制御部は運転を停止して（ステップＳ１１１）、処理を終了する。

検出された水分量Ｗが基準水分量Ｗ_１を超える場合（ステップＳ１２１：Ｙｅｓ）、環境検出装置１６によって路面温度Ｔ_Ｒを検出し、検出された路面温度Ｔ_Ｒが所定の基準路面温度Ｔ_Ｒ５以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２２）。

路面温度Ｔ_Ｒが基準路面温度Ｔ_Ｒ５より低い場合（ステップＳ１２２：Ｎｏ）、ステップＳ１２０に戻って高温加熱運転を継続し、以降の処理を順次実行する。

一方、路面温度Ｔ_Ｒが基準路面温度Ｔ_Ｒ５以上である場合（ステップＳ１２２：Ｙｅｓ）、高温加熱運転から低温加熱運転に切り替えて処理の流れをステップＳ１１６に戻し、以降の処理を順次実行する。処理は、運転が停止されるまで自動的に実行される。

上述した路面加熱システム１０では、環境検出装置１６が検出した時点の環境状況に応じて、熱交換媒体が流通する回路を第１の加熱回路と第２の加熱回路との間で切り替えることが可能であり、降雪状況等に応じて、第１の加熱回路を用いて加熱対象領域１３を下水熱によって直接的に加熱する低温加熱運転と、第２の加熱回路によりヒートポンプＨとを用いて下水熱よりも高い温度で加熱対象領域１３を加熱する高温加熱運転とに切り替えることができる。これにより、環境検出装置１６の検出結果から、融雪や凍結防止のための加熱が低い温度で足りる場合には、低温加熱運転に切り替えて、ヒートポンプを稼働する電力量をなくし、下水管１１を流れる流体の熱エネルギーを熱源として利用して省エネルギー化を図ることができる。また、加熱対象領域１３において必要とされる加熱温度が高い場合には、高温加熱運転に切り替えて、ヒートポンプＨにおいて下水熱を熱源として利用することができる。これにより、降雪量が多い等、融雪のための負荷が大きくなった際に、ヒートポンプＨの消費電力量を抑えながら高い熱エネルギーで適切に路面を加熱して融雪や凍結防止を行うことができる。

また、環境検出装置１６は、積雪や路面凍結の原因となる、外気温度Ｔ_Ａ、路面温度Ｔ_Ｒ、降雪の有無及び水分量Ｗを検出し、この検出結果に基づいて積雪等が防止されるように運転を切り替えることができるので、周辺環境に応じた適切な融雪や凍結防止を実行することができる。

さらに、加熱対象領域１３における加熱温度がより低くてもよいと推定される運転開始時に、第１の加熱回路において熱交換媒体の循環を断続的に行う予熱運転を行うことで、路面加熱システム１０の節電効果をより一層高めることができる。また、予熱運転後の外気温度Ｔ_Ａや路面温度Ｔ_Ｒの変化に基づいて、予熱運転を停止するか、又は連続低温加熱運転に切り替えて高い温度で加熱するかを選択することで、路面状況と周辺環境とに適した加熱制御を実行することができる。なお、上述した路面加熱システム１０において、ステップＳ１１４がＹｅｓの場合に、降雪の有無に関わらず（すなわち、ステップＳ１１５を経ずに）連続低温加熱運転を行ってもよい。

また、熱源側循環路３０、負荷側循環路４０及び直結循環路５０のそれぞれに、膨張タンク３２，４２を設けているので、運転の切り替えによって熱交換媒体の温度が大きく変化し、その結果、熱交換媒体の体積変化が生じても、膨張タンク３２，４２によって体積変化を許容させることができる。

なお、ヒートポンプＨは、冷媒の循環方向を切替えて、負荷側における加熱と冷却との切替えを行う切替スイッチを備えた構成であってもよい。かかる場合、路面加熱システム１０は、冬季の融雪のみのらず、夏季の路面冷却に利用することも可能である。すなわち、一般に、夏季には、下水管１１を流れる下水の温度が、太陽によって加熱された冷却対象領域（すなわち、冬季における加熱対象領域１３）の路面の温度よりも低くなるため、第１の加熱回路による運転を行うことで、冷却対象領域の路面を冷却することができる。また、第２の加熱回路に切り替えて、ヒートポンプＨにおいて冷媒を逆循環させる稼働を行うことで、ヒートポンプＨの負荷側熱交換器２６で熱交換媒体が冷却されることとなり、より低い温度で冷却対象領域を冷却することができる。

次に、上述した路面加熱システム１０を用いて、夏季に冷却対象領域（熱交換対象領域）となる路面を冷却する場合の制御の一例を説明する。図６は、冷却対象領域を冷却する際の制御部の動作を示すフローチャート図である。なお、以下の路面冷却制御の説明では、第１の加熱回路を第１の熱交換回路と称し、この第１の熱交換回路を用いた連続運転を第１冷却運転と称する。また、第２の加熱回路を第２の熱交換回路と称し、この第２の熱交換回路を用いた運転（すなわち、第２の熱交換回路においてヒートポンプＨの冷媒を冬季と逆循環させる稼動を行う運転）を第２冷却運転と称する。第１冷却運転は、ヒートポンプＨを稼働する第２冷却運転（すなわち、通常運転）に比して、省エネルギー化を図ることができる省エネ運転である。

制御処理がスタートすると、制御部は、環境検出装置１６により検出された路面温度Ｔ_Ｒが所定の夏季第１基準路面温度Ｔ_Ｓ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。

路面温度Ｔ_Ｒが夏季第１基準路面温度Ｔ_Ｓ１未満の場合（ステップＳ２１０：Ｎｏ）、制御部は路面加熱システム１０の運転を停止し（ステップＳ２１１）、処理を終了する。

一方、路面温度Ｔ_Ｒが夏季第１基準路面温度Ｔ_Ｓ１以上である場合（ステップＳ２１０：Ｙｅｓ）、第１の熱交換回路による第１冷却運転（第１運転）を開始し（ステップＳ２１２）、第１冷却運転開始からの時間ｔをカウントし、時間ｔが所定時間ｔ_ｔｈ１を経過したか否かを判定する（ステップＳ２１３）。

時間ｔが所定時間ｔ_ｔｈ１を経過していない場合（ステップＳ２１３：Ｎｏ）、第１冷却運転を継続する（ステップＳ２１２）。時間ｔが所定時間ｔ_ｔｈ１を経過すると（ステップＳ２１３：Ｙｅｓ）、路面温度Ｔ_Ｒが、夏季第１基準路面温度Ｔ_Ｓ１よりも低い夏季第２基準路面温度Ｔ_Ｓ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ２１４）。夏季第２基準路面温度Ｔ_Ｓ２は、例えば、夏季第１基準路面温度Ｔ_Ｓ１よりも１℃～３℃低い温度とすることができる。

路面温度Ｔ_Ｒが、夏季第２基準路面温度Ｔ_Ｓ２未満である場合（ステップＳ２１４：Ｎｏ）、路面加熱システム１０の運転を停止して（ステップＳ２１１）処理を終了する。一方、路面温度Ｔ_Ｒが、夏季第２基準路面温度Ｔ_Ｓ２以上である場合（ステップＳ２１４：Ｙｅｓ）、さらに、路面温度Ｔ_Ｒが、夏季第１基準路面温度Ｔ_Ｓ１よりも高い夏季第３基準路面温度Ｔ_Ｓ３以上であるか否かを判定する（ステップＳ２１５）。夏季第３基準路面温度Ｔ_Ｓ３は、例えば、夏季第１基準路面温度Ｔ_Ｓ１よりも４℃以上高い温度とすることができる。

路面温度Ｔ_Ｒが、夏季第３基準路面温度Ｔ_Ｓ３未満である場合（ステップＳ２１５：Ｎｏ）、ステップＳ２１２に戻って第１冷却運転を継続する。

一方、路面温度Ｔ_Ｒが、夏季第３基準路面温度Ｔ_Ｓ３以上である場合（ステップＳ２１５：Ｙｅｓ）、第１冷却運転から第２冷却運転（第２運転）に切り替え（ステップＳ２１６）、第２冷却運転開始からの時間ｔをカウントし、時間ｔが所定時間ｔ_ｔｈ２を経過したか否かを判定する（ステップＳ２１７）。なお、ステップＳ２１７の所定時間ｔ_ｔｈ２は、ステップＳ２１３においてカウントする所定時間ｔ_ｔｈ１と同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。

時間ｔが所定時間ｔ_ｔｈ２を経過していない場合（ステップＳ２１７：Ｎｏ）、第２冷却運転を継続する（ステップＳ２１６）。時間ｔが所定時間ｔ_ｔｈ２を経過すると（ステップＳ２１７：Ｙｅｓ）、路面温度Ｔ_Ｒが、夏季第３基準路面温度Ｔ_Ｓ３よりも低い夏季第４基準路面温度Ｔ_Ｓ４未満であるか否かを判定する（ステップＳ２１８）。夏季第４基準路面温度Ｔ_Ｓ４は、例えば、夏季第１基準路面温度Ｔ_Ｓ１よりも高く、かつ夏季第３基準路面温度Ｔ_Ｓ３よりも１℃～３℃低い温度とすることができる。

路面温度Ｔ_Ｒが、夏季第４基準路面温度Ｔ_Ｓ４以上である場合（ステップＳ２１８：Ｎｏ）、ステップＳ２１６に戻って第２冷却運転を継続し、以降の処理を順次実行する。

一方、路面温度Ｔ_Ｒが夏季第４基準路面温度Ｔ_Ｓ４未満である場合（ステップＳ２１８：Ｙｅｓ）、さらに、路面温度Ｔ_Ｒが夏季第１基準路面温度Ｔ_Ｓ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ２１９）。

路面温度Ｔ_Ｒが夏季第１基準路面温度Ｔ_Ｓ１以上である場合（ステップＳ２１９：Ｙｅｓ）、第２冷却運転から第１冷却運転に切り替えて処理の流れをステップＳ２１２に戻し、以降の処理を順次実行する。処理は、運転が停止されるまで自動的に実行される。

路面温度Ｔ_Ｒが夏季第１基準路面温度Ｔ_Ｓ１未満である場合（ステップＳ２１９：Ｎｏ）、制御部は路面加熱システム１０の運転を停止し（ステップＳ２１１）、処理を終了する。

上述した路面加熱システム１０による路面冷却制御では、環境検出装置１６が検出した時点の環境状況（ここでは路面温度）に応じて、熱交換媒体が流通する回路を第１の熱交換回路と第２の熱交換回路との間で切り替えることが可能である。具体的には、路面温度が高くなる夏季において、路面温度が比較的低い場合に第１の熱交換回路を用いて冷却対象領域を下水熱によって直接的に冷却する第１冷却運転と、第２の熱交換回路によりヒートポンプＨとを用いて下水熱よりも低い温度で冷却対象領域を冷却する第２冷却運転とに切り替えることができる。

なお、図６に示した冷却制御は一例であり、例えば、上述した制御においてステップＳ２１３及び／又はステップＳ２１７をなくてもよい。また、ステップＳ２１９において、夏季第１基準路面温度Ｔ_Ｓ１に代えて、夏季第２基準路面温度Ｔ_Ｓ２を採用してもよい。また、第１冷却運転を開始する前に、第１の熱交換回路における熱交換媒体の循環と停止とを繰り返す予冷運転を行ってもよい。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、低温加熱運転と高温加熱運転との間の切り替えは、外気温度Ｔ_Ａ、路面温度Ｔ_Ｒ及び降雪の有無のうちの少なくとも１つに基づいて実行される構成とすることができる。

また、埋設管は下水管１１に限らず、上水道管、農業用水路管、工業用水路管等の埋設管であってもよい。このような管路を流れる水の温度は一年を通して大きく変動することがなく、冬季では高温の熱源として、夏季では低温の熱源として活用することが可能である。

また、第１の熱交換管である採熱管１２は、下水管１１等の埋設管の外周面又は内部に配置されていない構成であってもよく、地中に埋設されて地中熱を採取可能なものであればよい。例えば、ボーリングマシンやオーガ等の掘削機により、地盤にほぼ鉛直に伸びる孔を掘削し、この掘削孔の中に採熱管（第１の熱交換管）をほぼ鉛直方向に伸びる姿勢で設置してもよい。これにより、採熱管を流れる熱交換媒体は、周辺地盤や周辺の地下水との間で熱交換を行うことができる。

１０路面加熱システム
１１下水管（埋設管）
１２採熱管（第１の熱交換管）
１３加熱対象領域（熱交換対象領域）
１４放熱管（第２の熱交換管）
１６環境検出装置
３０熱源側循環路（第１の循環路）
３２，４２膨張タンク
４０負荷側循環路（第２の循環路）
５０直結循環路
Ｈヒートポンプ

Claims

地中に埋設された第１の熱交換管と、該第１の熱交換管よりも路面に近い熱交換対象領域に埋設された第２の熱交換管とに熱交換媒体を循環させる第１の熱交換回路と、
前記熱交換媒体を前記第１の熱交換管及びヒートポンプの熱源側熱交換器に循環させる第１の循環路と、前記第２の熱交換管及び前記ヒートポンプの負荷側熱交換器に循環させる第２の循環路とを形成する第２の熱交換回路と、
前記熱交換対象領域の周辺環境を検出する環境検出装置と、
該環境検出装置の検出結果に基づいて、前記ヒートポンプを停止して前記第１の熱交換回路による循環を行う第１運転と、前記ヒートポンプを稼働して前記第２の熱交換回路による循環を行う第２運転と、前記第１の熱交換回路における熱交換媒体の循環と停止とを繰り返す予熱運転と、に替え可能な制御部と、
を備え、
前記環境検出装置は、前記熱交換対象領域の周辺の外気温度、前記熱交換対象領域の路面温度、及び前記熱交換対象領域の降雪の有無を検出し、
前記制御部は、
前記外気温度が所定の第１外気温度以下、又は前記路面温度が所定の第１路面温度以下の場合には前記予熱運転を開始し、前記外気温度が前記第１外気温度を超え且つ前記路面温度が前記第１路面温度を超えている場合には運転を停止し、
前記予熱運転を開始した後、
前記外気温度が前記第１外気温度よりも低い所定の第３外気温度以下、又は前記路面温度が前記第１路面温度よりも低い所定の第３路面温度以下であり、且つ、前記熱交換対象領域に降雪がある場合には、前記第１運転を行い、
前記外気温度が前記第１外気温度よりも低い所定の第３外気温度以下、又は前記路面温度が前記第１路面温度よりも低い所定の第３路面温度以下であり、且つ、前記熱交換対象領域に降雪がない場合には、前記予熱運転を継続することを特徴とする路面加熱システム。
前記第１の熱交換管は、地中に埋設されて内部に流体が流れる埋設管の外周面又は内部に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の路面加熱システム。
前記制御部は、前記予熱運転を開始した後、前記外気温度が前記第１外気温度よりも高い所定の第２外気温度を超える、又は前記路面温度が前記第１路面温度よりも高い所定の第２路面温度を超える場合に運転を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の路面加熱システム。
前記環境検出装置は、さらに、前記熱交換対象領域における路面上の水分量を検出し、
前記制御部は、
降雪が有り、検出された水分量が所定の水分量を超え、且つ検出された路面温度が所定の第１切り替え基準路面温度以下の場合に前記第１運転から前記第２運転に切り替え、
前記第２運転中に、検出された水分量が前記所定の水分量を超え、且つ検出された路面温度が前記第１切り替え基準路面よりも高い所定の第２切り替え基準路面温度以上となった場合に、前記第１運転に切り替え、
前記第２運転中に、検出された水分量が前記所定の水分量以下となった場合に運転を停止することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の路面加熱システム。
少なくとも前記第１の循環路及び前記第２の循環路に熱交換媒体の体積変化を許容する膨張タンクが設けられていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の路面加熱システム。