JPH09137972A - 地下熱対流層を利用したヒートポンプエアコンディショニングシステム - Google Patents
地下熱対流層を利用したヒートポンプエアコンディショニングシステムInfo
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Abstract
の接触部を大きくした坑内熱交換器を設け熱効率を向上
させ、ヒートポンプシステム全体の効率の向上。 【解決手段】 第1ヒートポンプ12は、穿設した井戸
2の坑井内に挿入された循環パイプ15と、パイプ15
内を循環する不凍液等の媒体16と、媒体循環ポンプ1
8と、坑井内の熱対流層11に設けられて坑井内熱交換
器14と、室内機24と、パイプ15を循環する媒体1
6と熱交換媒体21間で熱交換を行う室外熱交換器17
とで構成され、第2のヒートポンプ13は室外熱交換器
17と媒体21が循環する他のパイプ20と、媒体21
を圧縮する圧縮機22と、圧縮媒体21を減圧する膨脹
装置23と、室内機24と室内熱交換器19と、送風装
置25とで構成され、熱対流層11により坑井内熱交換
器14は高効率のエネルギーを得て、第1、第2ヒート
ポンプで熱交換し、室内熱交換器18で冷暖房を行う。
Description
達して掘削された坑井内に熱交換機を配置して、該地下
熱対流層の熱エネルギーを採取して、これを、地上建造
物の冷暖房エネルギーとして供給する地下熱対流層を利
用したヒートポンプエアコンディショニングシステムに
関する。
ンプエアコンディショニングシステムとしては、図9に
示すような、地下水等の地熱を利用して一般住宅や公共
施設等の室内の冷暖房に利用するエアコンディショニン
グシステムが提案されている。図9は、従来の地熱を利
用したエアコンディショニングシステムの概要を示すも
のであり、このシステムは、地面から地下水層1に達し
て穿設した井戸2と、この井戸2に挿入して、地下水層
1より伝導地熱を採取する採熱管3と、採熱管3内を循
環する冷媒4で構成されている。
り、採熱管3の一方は、冷媒を圧縮するためのコンプレ
ッサ7に接続されており、また、該コンプレッサ7には
放熱管10が接続されている。そして、この放熱管10
は、室内機9内を循環する。一方、この放熱管10は、
前記圧縮された冷媒4を減圧する膨張弁8に接続されて
おり、該膨張弁8に接続されるとともに、採熱管3内に
冷媒4を循環させるための循環ポンプ6が施されてい
る。
ショニングシステムの動作を説明する。まず、井戸2に
挿入された採熱管3内の冷媒4が、循環ポンプ6により
循環する。そして、この冷媒4と、熱源である地下水の
熱伝導により熱交換がなされる。熱変換されて熱を得た
冷媒4は、採熱管3を通じて地上に戻り、室外機5内に
入る。室外機5に入った採熱管3内の冷媒4は、コンプ
レッサ7により圧縮される。コンプレッサ7により圧縮
された冷媒4は高温を得て放熱管10内を循環する。
機9に施されたファン等で高温を得た冷媒4の熱を放熱
させる。このように室内に暖風を送ることで、室内に暖
房を施し、放熱により熱を失った冷媒4は、膨張弁8に
送られ、減圧される。減圧された冷媒4は、採熱管3に
送られ、循環ポンプ6により採熱管3内を循環する。そ
して、上記動作を繰り返すことで室内に暖房効果をもた
らすものである。
たような方法では、地下水層で熱伝導により採熱するた
め採熱時間が短く、熱の移動に時間がかかるため、効率
が悪いという欠点があった。このため、熱効率が低く、
暖房として大規模な施設等への供給はできなかった。ま
た、大規模な施設への供給のためには、井戸を多数箇所
に穿設しなければならず、このための工事費用が嵩むこ
とがあった。
水位の変動等という様々な影響を受けるため、その地下
水の水温が一定とならず、暖房設備として安定した熱供
給ができなかった。
果、図7に示すように、我国において、熱源となる地下
の対流層は、全国的に分布しており、さらに、深度10
m強の地点で恒温層となるので、この地下対流層を熱源
として、これを利用して、地上建造物の冷暖房エネルギ
ーとして供給するヒートポンプエアコンディショニング
システムを着想するに至ったものである。なお、図7
は、地学雑誌、Vol.59、No577、1950年
(木内四郎兵衛:恒温層深度と温度に関する考察)から
引用したものである。
度の分布は、図8に示すとおり、関東地区、東海地区、
近畿地区、山陽地区、北九州地区等、比較的人口の多い
地区に、集中して見られる外、東日本の山岳部を縦断し
ていることが知られているので、この地区において、地
下対流恒温層の熱、または、深度50mの熱を熱源とす
るヒートポンプエアコンディショニングシステムが開発
できれば、その運転コストは驚くほど低減でき、また、
省エネルギーシステムとして、際立ったものとなる。な
お、図8は、地質調査所報告、第219巻、1967年
(高橋 稠:地下水地域調査にみられる水温の総括的研
究)から引用したものである。
たもので、前記地下の熱対流層に着目し、その地下熱対
流層おける地層内流体の熱対流を利用し、対流する地層
内流体との熱交換効率を、ヒートポンプを利用して、向
上させた地下熱対流層を利用したヒートポンプエアコン
ディショニングシステムを提供することを目的とする。
層に到達して掘削された坑井内に配置された坑井内熱交
換機と、前記坑井内熱交換機に接続され、地上に配置さ
れた室外熱交換機と、前記坑井内熱交換機と前記室外熱
交換機の間を循環する循環パイプと、該坑井内熱交換機
と該室外熱交換機の間に配置され、循環パイプ内の熱交
換媒体をパイプ内を循環させる第一のヒートポンプと、
空調すべき室内に配置された室内熱交換機と、該室内熱
交換機と前記室外熱交換機との間を循環する他の循環パ
イプと、前記室外熱交換機と前記室内熱交換機との間に
配置され、前記他の循環パイプを流れる熱交換媒体を圧
縮し、前記室内熱交換機で熱交換した後は、該媒体を減
圧膨張させる第二のヒートポンプとを備え、前記室外熱
交換機は、前記坑井内熱交換機との間を流れる熱交換媒
体と、前記室内熱交換機との間を流れる熱交換媒体との
間で熱交換を行うようにし、地下熱対流層を利用するこ
とを特徴とするものである。
に存在する一の対流層と、その直下の他の対流層との問
に位置されたものであることを特徴とするものである。
さらに、前記坑井内熱交換機は、その側面部と坑井内壁
の間に、地層内流体を流動させる流体ガイド機構を備え
たことを特徴とするものである。
したヒートポンプエアコンディショニングシステムで
は、坑井内熱交換機を熱対流層に配置し、熱エネルギー
を供給する際に、循環パイプの先端に、螺旋状にした坑
井内熱交換機を設け、熱対流層における地層内流体の熱
対流により地層内流体と坑井内熱交換機との間で、高効
率、かつ、十分に熱交換がなされるようにしている。そ
して、坑井内熱交換機と室外熱交換機とを有する第一の
ヒートポンプでは、地層内流体と熱交換により得た熱エ
ネルギーを室外熱交換機で他の熱に熱交換する。つぎ
に、第二のヒートポンプにおいて、室外熱交換機で他の
熱に変換した熱エネルギーを圧縮装置で圧縮する。ま
た、膨張装置で減圧し、熱エネルギーをさらに増幅して
室内熱交換機に送り、この室内熱交換機で室内温度と熱
交換を行い、室内に冷暖房を行う。
ーは、坑井内熱交換機が熱交換により得る熱エネルギー
である。これは、坑井内熱交換機に対する地層内流体の
エンタルピーに、坑井内熱交換機を通過する水の質量流
量を乗じた値で得ることができる。
効率よく透水させ、これにより熱エネルギーの授受が行
わせると、この授受される熱エネルギーは、地層内流体
自体の有する熱エネルギーおよび透水による熱エネルギ
ー移動により、効率よく前記坑井内熱交換機に遷移し、
その後、坑井内熱交換機の熱量が、地層内流体に移動し
て、熱交換がなされる。そして、この熱交換により熱エ
ネルギーの少なくなった地層内流体は、熱対流層をゆっ
くりと下方に移動し、熱対流層の下方で熱エネルギーを
得て、またゆっくりと上方へ移動する。このように、地
層内において地層内流体の熱対流が発生し、発生した熱
対流により坑井内熱交換機は、多大な熱エネルギーを得
ることができる。
より、高温を低温に、あるいは低温を高温に変換する。
さらに熱交換機により得た熱を室内機に設けられた他の
熱交換機により、室内の熱と熱交換し、室内に暖房およ
び冷房を施すものである。
したヒートポンプエアコンディショニングシステムにお
ける装置と、その方法について図面を参照して説明す
る。なお、従来の地熱を利用したエアコンディショニン
グシステムと同一部分には、同一符号を付して説明す
る。
メートルから数百メートルに地点の地下に分布する地熱
対流層であり、井戸2は、地表から熱対流層11に向か
って穿設されたものであり、熱源とするターゲットの地
下水温度の地点から、さらに10m位深く穿掘してなる
ものである。坑井内熱交換機14は、井戸2の熱対流層
11の位置に設けられており、熱対流層11の熱対流を
利用して、地層内流体と熱交換を行う。本願実施例で
は、この坑井内熱交換機14を有する第一のヒートポン
プ12と、室内に暖房を施す室内熱交換機を有する第二
のヒートポンプ13とで構成されている。
端部に形成される坑井内熱交換機l4内を流動する熱交
換媒体16と、地層内流体(いわゆる地下水等)の間で
熱交換が行われることにより発生する。一方、温度が低
下した地層内流体は、井戸2の坑井内2a下方の熱によ
り温度が上昇して熱対流となり上層の地層内流体とな
る。
ギーの状態により異なる。なぜならば、我国において、
熱対流層は全国的に分布しており、比較的浅い地層に存
在する熱対流層は、深度が20m位でl0℃〜20℃程
度の温度の地下水をを有する坑井であり、この熱源で得
られる熱エネルギーは、小規模集合住宅用冷暖房、ある
いは小規模地域冷暖房や、ビニ一ルハウス等の冷暖房に
用いれば、極めて高効率に室内の冷暖房が可能となるか
らである。また、比較的深い地層に存在する熱対流層
は、深度が500m位で50℃程度の温度の地下水を有
する坑井であり、これを熱源として得られる熱エネルギ
ーは、大規模建築物、例えば、学校、オフィスビル、集
合住宅等の冷暖房や、地域冷暖房、あるいは、遊園地等
のレジャー施設での冷暖房に用いることができるからで
ある。
を素材とするチューブであり、坑井内2a深部に挿入さ
れている。この挿入された循環パイプ15の深部には、
坑井内熱交換機14が接続されている。この坑井内熱交
換機14は、熱対流層中の対流現象を利用するため、図
2の(a)に示すような螺旋状にしてある。これは、地
層内流体の熱対流をを励起させるため、あるいは、発生
した熱対流との接触面積を大きくし、強度的にも安定が
要求されるためである。
安定させるため、図2(b)のように、右回りと左回り
の螺旋をネット状に組み合わせて、一対として構成する
ようにしてもよい。また、上記螺旋状の坑井内熱交換機
14に、さらに採熱効率を高めるために当該坑井内熱交
換機14に複数の突起部を設けてもよい。循環パイプ1
5内を循環する熱交換媒体16は、通常25%〜35%
の凍結防止剤(エチレングリコール等)を含む水で精成
されている。
流層11に達するように穿設した井戸2と、この井戸2
の地層内対流層11下(熱対流層の位置)に設けられた
坑井内熱交換機14と、坑井内熱交換機14と室外熱交
換機17が接続されている循環パイプ15と、循環パイ
プ15内を循環する不凍液等の熱交換媒体16と、熱交
換媒体16を循環パイプ15内を循環させるための循環
ポンプ18とで構成されている。
のヒートポンプ12が熱交換を行い他の熱に熱交換する
室外熱交換機17と、この室外熱交換機17と室内熱交
換機19問を接続する他の循環パイプ20と、この他の
循環パイプ20を循環する熱交換媒体20を有してい
る。また、第二のヒートポンプ13には、熱交換媒体2
1を圧縮し高熱を発生させる圧縮装置22(以下「コン
プレッサ」という)と、コンプレッサ22により圧縮さ
れた熱交換媒体21を減圧して冷却させる膨張装置23
を備えている。
にあり、室内熱交換機19によって得た熱を室内に送風
するために、室内機24内には、送風装置25や、送風
量調整装置等(図示外)も備えている。
17や、循環ポンプ循環16や、コンプレッサ22や、
膨張装置23等、室内に騒音となる装置を室外に設置
し、これらを風雨等から防御するために設けられてい
る。
たヒートポンプエアコンディショニングシステムにより
実施される建造物等への暖房方法について説明する。ま
ず、第一のヒートポンプ12により地層内流体と坑井内
熱交換機14との間で熱交換が行われる。坑井内2aに
挿入された循環パイプ15内の熱交換媒体16が、循環
ポンプ18により循環を開始する。この熱交換媒体16
は、地表から熱源である地層内流体が存在する熱対流層
11まで流動し、坑井内熱交換機14に至る。そして、
坑井内熱交換機14は、螺旋状を形成しているため、熱
対流層11において地層内流体と熱交換媒体16間で十
分に熱交換が行われて熱エネルギーを得る。
環パイプ15を通り、上部へと移動する。この循環パイ
プ15は、室外熱交換機17の内部を通過する。この室
外熱交換機17により、熱交換媒体16の熱は、他の循
環パイプ20を循環する熱交換媒体21との問で熱交換
を行う。
室内熱交換機19は室内の気温と熱交換媒体21との間
で熱交換が行われる。室外熱交換機17において、該交
換器17と室内熱交換機19間を他の循環パイプ20に
より循環する熱交換媒体21との間で熱交換が行われ
る。この熱を得た熱交換媒体21は、コンプレッサ22
で圧縮されると高温となり、他の循環パイプ20を通じ
て室内機24に設けられた室内熱交換機19に送られ
る。これにより室内熱交換機19と暖房を施すべき室内
の気温との間で熱交換が行なわれる。このとき、室内機
24に設けられた送風装置25等を用いることにより室
内に暖房としての熱風が排出されるものである。
体21は冷却され、膨張装置23で減圧されることによ
り、さらに低温となり室外熱交換機17に戻る。ここで
再び熱交換媒体16と熱交換媒体21間で熱交換が行わ
れ、熱交換媒体16は循環パイプ15を通り、坑井内熱
交換機14に達して採熱が行われる。このように、地層
内流体から第一のヒートポンプ12を経て、第二のヒー
トポンプ13へと順次熱交換媒体16、20を熱交換す
ることにより、室内に暖房が施されるものである。
ば、次のように説明することができる。すなわち、図3
に示すように、地表の温度が5℃、深度l0m地点の温
度が17.5℃、深度20m地点の温度が30℃とす
る。この井戸2の坑井内2aの深度l0m地点に、坑井
内熱交換機14を設置する。このとき、対流層中の熱対
流による坑井内熱交換機14の出力エネルギーPは、h
を坑井内熱交換機14内の流体のエンタルピーとし、q
を坑井内熱交換機14を通過する水の質量流量とする
と、式1で与えられる。
の水位頭、sを暖水の水位頭、rを井戸2の坑井半径、
Rを少なくとも1%水位変化する影響半径範囲、また、
放射状の影響範囲であるLn(R/r)は、2〜4で与
えられるとすると、qは式2で示される。
加速度、zを水位からの深さとするとP0=ρgzで求め
ることができる。また、密度ρの値は、水の温度状況か
ら求められるため、ρ(5)=999.97kg/m
s、ρ(17。5)=998.76kg/m3、ρ(3
0)=995.71kg/m3となる。ただし、かっこ
内は水の温度を示している。そして、この温度条件下で
Sとsの水位を求めると、冷水の水位は、S2=22
6.747であり、暖水の水位は、s2=226.38
1となる。
計算式をたてると式3となる。
すると、q=2.403×10ー3(kg/s)であり、
この値がldarcyである。ここで坑井内熱交換機1
4中の流体エンタルピーhを15.55kJ/kgとす
ると、式1によりP=37.4ワットが求まる。つま
り、透水性がldarcyのときの坑井内熱交換機14
の出力は、約37ワットであり、透水性が高い場合(坑
井内熱交換機14に接触する流量が高い場合)には、出
力が増加するものである。
層は、透水性が高く、10〜100darcyを得るこ
とができ、ワットに変換すれば370〜3700ワット
が得られ、小規模集合住宅用冷暖房、あるいは小規模地
域冷暖房や、ビニ一ルハウス等の冷暖房のエネルギーと
しては十分である。さらに、深く掘削することで数千か
ら数万ワットを得ることができ、大規模な建造物等にも
使用できるものである。
下熱対流層を利用したヒートポンプエアコンディショニ
ングシステムの設置により、電力供給会社側において、
住宅一戸あたり所要ピーク発電容量で1〜5kWの削減
が可能となる。今後10年間に約2,500万世帯の家
庭が、当該システムを設置したとすると、電力会社の供
給電力は、夏期のピーク需要の概算推定値において、
2,400万kW〜4,800万kW、また冬期のピー
ク需要においては、4,800万kW〜9,600万k
Wを節約できることになる。さらに、大規模な施設やオ
フィスビル等に設置されれば、前述した電力の節約推定
値は多大な電力量となる。
用したヒートポンプエアコンディショニングシステムを
建造物等への暖房方法として説明したが、室外熱交換機
17の熱交換を逆にすることにより、当該熱エネルギー
を冷房用としても用いることができる。以下にその方法
を説明する。夏期においては、地層内流体の温度は、地
上の外気温よりも低いため、その低温の熱エネルギーを
さらに低温とすることで冷房効果が得られる。当該シス
テムを冷房用として使用するには、上述した暖房方法と
同様に、第一のヒートポンプ12により、坑井内熱交換
機14で熱エネルギーを採熱し、循環ポンプ18により
循環パイプ15内を熱交換媒体16が循環する。そして
室外熱交換機17の内部を通過させる。
換媒体16の熱を、室外熱交換機17と室内熱交換機1
9間を他の循環パイプ20により循環する熱交換媒体2
1との間で熱交換を行い、循環パイプ15の熱交換媒体
16から熱を得る。このとき、コンプレッサ22を上記
暖房の場合と逆方向に回転させるため、この熱を得た熱
交換媒体21は、減圧弁25で減圧されると、さらに低
温となり、他の循環パイプ20を通じて室内機24に設
けられた室内熱交換機19に送られる。そして室内熱交
換機19と冷房を施すべき室内の熱との間で熱交換が行
なわれる。このとき、室内機24に設けられた送風装置
25等を用いることにより室内に冷房としての冷風が排
出されるものである。
ルギーを取得し、暖房に用いる方法について説明した
が、つぎに、変形実施例として二層対流層においての熱
エネルギー取得について説明すると、井戸2を穿掘する
にあたって、上層対流層27と下層対流層28が発見さ
れる場合がある。これは、井戸2の穿掘時に掘削水の水
位低下により、その地点の透水性が判断される。これ
は、坑井掘削後に、揚水試験等を行い坑井内2aの流量
検層等で判定されるものである。
上層対流層27と下層対流層28の存在が判定される。
この上層対流層27と下層対流層28の略中間に当該坑
井内熱交換機14を設け、坑井内熱交換機14内を循環
する熱交換媒体16と、地層内流体との間で熱変換が行わ
れる。これは、上層対流層27と下層対流層28の温度
を比較すると、下層対流層28の方が若干温度が高いこ
とを利用するものである。そして、坑井内熱交換機14
との熱交換により温度が低下した地層内流体は、坑井内
2aの下方の下層対流層28の方に流動し、下属部の温
度により地層内流体の温度が上昇する。温度の上昇した
地層内流体は、ゆっくりと時間をかけて上層対流層27
へと対流する。
流層に比べて上層部と下層部において温度差があること
から坑井内熱交換機14に接触する流量が高くなり、熱
エネルギーが高効率で、しかも安定して得られるもので
ある。
交換機14が熱エネルギーを得る場合、図5に示すよう
に、坑井内2aに流体ガイド機構29を接着するように
してもよい。すなわち、図6(a)に示すように、二層
対流層では、地層内流体の流動域が大きく、坑井内熱交
換機14との間で高効率で熱交換が行われるものであ
る。
径と同型の円筒状の軽量水遮断材料からできており、一
層対流層を人工的に、上部対流層と下部対流層に分割す
るものである。そして、図6(b)に示すように、人工
的に二層対流層の状態にすることで、上部対流層と下部
対流層間で温度差が得られるようにする。これにより、
地層内流体の流動を促進させ、一層対流層においても二
層対流層で得られるに近い高効率で、坑井内熱交換機1
4は安定した熱エネルギーを得ることが可能となる。
井内2aに接着して説明したが、坑井内熱交換機14に
接着させて、人工的に二層対流層を生成して熱エネルギ
ーを得るようにしてもよい。
利用したヒートポンプエアコンディショニングシステム
は、消費者のエネルギー消費量の減少を図るとともに、
電力会社の夏期および冬期のピークロードを減少させる
有効な手段となる。
ルギーを、循環パイプの先端に設けた坑井内熱交換機に
より、地層内流体との接触面積を大きくし、地層内流体
の熱を無駄なく熱交換媒体との間で熱交換するようにし
たり、熱対流層の熱対流を利用することにより、地層内
流体が坑井内熱交換機に接触する接触流量を多くするよ
うにしたため、ヒートポンプエアコンディショニングシ
ステム全体の効率を向上させることができる。これによ
って、大規模な施設等への冷暖房供給のため、複数箇所
に井戸を穿設する工事費用が嵩むことなく設置すること
ができる。さらに、熱対流層を利用して熱エネルギーを
得るようにしたため、冷暖房へのエネルギーを安定して
供給することができる。
たヒートポンプエアコンディショニングシステムは、季
節による温度の変化が、大気に比べてはるかに少ない地
層内流体の存在する地層を、採熱や棄熱の場として利用
するものである。当該システムは、電力やガスによる冷
暖房装置から排出される熱やNO2、CO2等の燃焼生成
物を、全く排出することのないシステムであり、地球の
温暖化防止や地球環境保全の立場から積極的に推進すべ
きシステムである。特に夏期において、大都市の中心部
で起こるヒートアイランド(熱の島)現象の解決にあっ
ても貢献するものである。
ートポンプエアコンディショニングシステムの構成図で
ある。
めの坑井内熱交換機の形状を示した斜視図である。
交換機設置の概念図と、この概念図に対する温度グラフ
である。
対流状態の概念図である。
的に二層対流状態にした説明図である。
二つの熱対流層に分離させた熱対流状態を示す概念図で
ある。
布図である。
構成図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 地下熱対流層に到達して掘削された坑井
内に配置された坑井内熱交換機と、 前記坑井内熱交換機に接続され、地上に配置された室外
熱交換機と、 前記坑井内熱交換機と前記室外熱交換機の間を循環する
循環パイプと、 該坑井内熱交換機と該室外熱交換機の間に配置され、循
環パイプ内の熱交換媒体をパイプ内を循環させる第一の
ヒートポンプと、 空調すべき室内に配置された室内熱交換機と、 該室内熱交換機と前記室外熱交換機との間を循環する他
の循環パイプと、 前記室外熱交換機と前記室内熱交換機との間に配置さ
れ、前記他の循環パイプを流れる熱交換媒体を圧縮し、
前記室内熱交換機で熱交換した後は、該媒体を減圧膨張
させる第二のヒートポンプとを備え、 前記室外熱交換機は、前記坑井内熱交換機との間を流れ
る熱交換媒体と、前記室内熱交換機との間を流れる熱交
換媒体との間で熱交換を行うようにしたことを特徴とす
る地下熱対流層を利用したヒートポンプエアコンディシ
ョニングシステム。 - 【請求項2】 前記坑井内熱交換機は、地層内上層に存
在する一の対流層と、その直下の他の対流層との問に位
置されたものであることを特徴とする請求項1記載の地
下熱対流層を利用したヒートポンプエアコンディショニ
ングシステム。 - 【請求項3】 前記坑井内熱交換機は、その側面部と坑
井内壁の間に、地層内流体を流動させる流体ガイド機構
を備えたことを特徴とする請求項1記載の地下熱対流層
を利用したヒートポンプエアコンディショニングシステ
ム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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