JPH11281203A - 土壌熱源ヒ―トポンプシステムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】帯水層の存在を必ずしも必要とせず、土壌や帯
水層の熱的劣化を防止し、かつ熱的環境破壊を防止ある
いは最小限とするような土壌熱源ヒートポンプシステム
を提供すること。 【解決手段】土壌中に埋設した熱交換配管５内に熱媒体
を循環させて土壌と熱交換を行い、その熱媒体をヒート
ポンプ１の熱源として冷暖房を行うシステムにおいて、
冷房、暖房の熱需要に関わらず熱媒体を加熱、冷却する
手段４を別途設けたことを特徴とする土壌熱源ヒートポ
ンプシステム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自然状態では年
間温度変化の小さい土壌（帯水層が存在する場合には、
土壌と地下水の両方を指す）を直接、間接に温熱源、或
は冷熱源としてヒートポンプで冷暖房を行うシステム
（以下、土壌熱源ヒートポンプシステムと呼ぶ）及びそ
の運転方法に関し、特に夏季の冷房需要と冬季の暖房需
要のアンバランスによる土壌の熱的劣化防止技術及び広
義の季節間蓄熱技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】土壌を直接あるいは間接にヒートポンプ
の熱源として利用する方法の内、地下帯水層に温水及び
冷水を蓄え、それを地上に汲み上げて用いる方法が特開
平９−１５９２２６号、特開平９−１５９２２７号に示
されている。

【０００３】特開平９−１５９２２６号では、冬季には
温水帯から汲み上げた温水を温熱源として利用した後に
できる冷水を更に十分に冷却してから冷水帯に注入する
方法が述べられており、また特開平９−１５９２２７号
では、特開平９−１５９２２６号と同様な冬季の方法と
共に、夏季には冷水帯から汲み上げた冷水を冷熱源とし
て利用した後にできる温水を更に十分に温めてから温水
帯に注入する方法が述べられている。

【０００４】また、「地中蓄熱利用」（落藤澄：日本建
築学会環境工学委員会熱環境小委員会第２６回シンポジ
ウム資料、ｐｐ１４３．１４９、１９９６）には土壌や
帯水層を利用する冷暖房システムの各種形態を解説する
と共に、その有用性が述べられている。

【０００５】さらに、「密閉型蓄熱井戸による年周蓄熱
実験とその解析」（永井久也、他：日本建築学会環境工
学委員会熱環境小委員会第２６回シンポジウム資料、ｐ
ｐ１５１−１６０、１９９６）には土壌を利用する冷暖
房システムの一種である密閉型蓄熱井戸を用いる方法に
ついて、地盤に負荷する温熱と冷熱の１周期の積算熱量
を０とする運用方法に関する実験と解析の結果が述べら
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特開平９−１５９２２
６号、特開平９−１５９２２７号では帯水層の存在が不
可欠であり、しかも蓄熱効率を上げるためには温水帯と
冷水帯を熱的干渉が最小限となるように十分に離すか、
それぞれに独立した帯水層を用いる必要があり、これら
は立地を強く制約することになる。

【０００７】また、これらの技術では暖房需要と冷房需
要のバランスが全く考慮されておらず、例えば冷房需要
が大きく、冬季の寒さが厳しくない地域では帯水層の温
度は毎年上昇すると共に、温水帯が拡大していく。長期
的には周辺の広い範囲の土壌等への熱拡散によって温度
上昇や温水帯拡大が飽和に達すると考えられるが、その
影響を受けて冷水帯温度の上昇や領域縮小が予想され、
帯水層を利用することの有用性は時間と共に低下する。

【０００８】要するに、これらの技術では土壌および帯
水層の熱的劣化が不可避であり、長期間にわたる効率の
良い利用は不可能である。

【０００９】さらに、特開平９−１５９２２６号、特開
平９−１５９２２７号では十分に冷却した冷水、及び十
分に温めた温水をそれぞれ冷水帯、温水帯に注入する
が、これは土壌の熱的環境を破壊することになり、例え
ば地上の植生への悪影響なども懸念される。

【００１０】「地中蓄熱利用」では温熱と冷熱のバラン
スに関しては「温熱と冷熱が平衡することが望ましい」
と記述するに留まっており、何ら具体的方策に触れてい
ない。

【００１１】「密閉型蓄熱井戸による年周蓄熱実験とそ
の解析」では温熱と冷熱の１周期の積算熱量を０とする
運用方法について述べているが、これは積算熱量が０と
なるように年間熱供給スケジュールを予め決定するもの
であり、気候の変動等に伴う熱需要変動に対応できず、
温冷熱の補助的供給手段を別途設ける必要がある。

【００１２】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、帯水層の存在を必ずしも必要とせ
ず、土壌や帯水層の熱的劣化を防止し、かつ熱的環境破
壊を防止あるいは最小限とするような土壌熱源ヒートポ
ンプシステムの提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
め、請求項１の発明では土壌中に埋設した熱交換配管内
に熱媒体を循環させて土壌と熱交換を行い、その熱媒体
をヒートポンプの熱源として冷暖房を行うシステムにお
いて、冷房、暖房，の熱需要に関わらず熱媒体を加熱、
冷却する手段を別途設けるようにした。

【００１４】ここで、熱媒体を加熱する手段には大気の
保有熱、太陽熱、工場排熱等の利用が考えられる。ま
た、熱媒体を冷却する手段には大気の保有熱、ＬＮＧ気
化時の排冷熱等の利用が考えられる。このようにするこ
とで、冷暖房の需要に関わらず、熱媒体を加熱、冷却す
ることが可能となり、後述の請求項３、請求項４の発明
を実現することが可能となる。また、土壌中に埋設した
熱交換配管内に熱媒体を循環させて土壌と熱交換を行う
ため、帯水層の存在を必ずしも必要としない。

【００１５】請求項２の発明では土壌中に埋設した熱交
換配管内に熱媒体を循環させて土壌と熱交換を行い、そ
の熱媒体をヒートポンプの熱源として冷房、暖房を行う
システムにおいて、ヒートポンプからの余剰の温熱出
力、冷熱出力を放散する手段を別途設けるようにした。

【００１６】ここで、余剰の冷熱を放散する手段には大
気の保有熱、太陽熱、工場排熱等の利用が考えられる。
また、余剰の温熱を放散する手段には大気の保有熱、Ｌ
ＮＧ気化時の排冷熱等の利用が考えられる。このように
することで、冷暖房の需要に関わらず、ヒートポンプを
運転し、それにより熱媒体を加熱、冷却することが可能
となり、後述の請求項３、請求項４の発明を実現するこ
とが可能となる。

【００１７】ここで、夜間電力を利用してヒートポンプ
を運転し、動力費の削減、電力需要の平準化を図ること
も可能である。また、請求項１の発明と同様に、土壌中
に埋設した熱交換配管内に熱媒体を循環させて土壌と熱
交換を行うため、帯水層の存在を必ずしも必要としな
い。

【００１８】請求項３の発明では、冷房開始時期の土壌
温度が所定の冷房開始土壌温度よりも高くなることが予
想される場合、暖房需要に関わらず熱媒体を冷却し、そ
れを土壌中の埋設配管に循環させて土壌との間で熱交換
を行うことにより土壌を冷却し、冷房開始時期の予想土
壌温度を所定の冷房開始土壌温度付近とするようにし
た。

【００１９】このようにすることで、冷房需要に比較し
て暖房需要が小さい場合の熱的劣化、及び熱的環境破壊
を防止することが可能となる。なお、熱媒体の冷却に直
接或は間接に冬の自然の冷気を利用すれば、それを夏の
冷房における冷熱源として利用することになり、一種の
季節間蓄熱とすることができる。

【００２０】請求項４の発明では、暖房開始時期の土壌
温度が所定の暖房開始土壌温度よりも低くなることが予
想される場合、冷房需要に関わらず熱媒体を加熱し、そ
れを土壌中の埋設配管に循環させ、土壌との間で熱交換
を行うことにより土壌を加熱し、暖房開始時期の土壌温
度を所定の暖房開始土壌温度付近とするようにした。こ
のようにすることで、暖房需要に比較して冷房需要が小
さい場合の熱的劣化及び熱的環境破壊を防止することが
可能となる。なお、熱媒体の加熱に直接或は間接に夏の
自然の熱気を利用すれば、それを冬の暖房における温熱
源として利用することになり、一種の季節間蓄熱とする
ことができる。

【００２１】請求項５の発明では、暖房、及び冷房のそ
れぞれの熱需要予測に基づく土壌熱源ヒートポンプシス
テムの運転を反映した埋設配管を含む土壌内熱伝達・熱
伝導解析による土壌温度予測を行うことにより、冷房、
暖房の熱需要に関わらない熱媒体の冷却または加熱の必
要性、またそれが必要な場合にはその開始時期を決定す
るようにした。

【００２２】このようにすることで、請求項３、請求項
４の発明における熱媒体の加熱、冷却の操作を合理的に
行うことができる。

【００２３】請求項６の発明では、暖房、及び冷房のそ
れぞれの熱需要予測に基づく土壌熱源ヒートポンプシス
テムの運転を反映した埋設配管を含む土壌内熱伝達・熱
伝導解析による土壌温度予測を行うことにより、予想年
間平均土壌温度が自然状熊の年間平均土壌温度付近とな
るように所定冷房開始土壌温度と所定暖房開始土壌温度
を決定するようにした。

【００２４】このようにすることで、土壌温度が極端に
高温、或は低温になることを防ぐことが可能となり、土
壌の熱的環境破壊を防止することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】この発明の第一の実施形態を図１
に示す。この図ではポンプは最小限必要なもののみを示
し、また制御弁を含むバルブ類は省略した。

【００２６】土壌に埋設した熱交換配管５において土壌
と熱交換した熱媒体は熱媒体ポンプ８及び熱媒体配管１
０によりヒートポンプ１の熱源側熱交換器２に流入し、
ヒートポンプの冷媒と熱交換した後、再び熱交換配管５
に戻る。

【００２７】熱媒体配管１０には熱媒体加熱・冷却手段
としての熱媒体加熱・冷却器４が接続されており、この
図では省略したバルブ、制御弁等の操作により、所定流
量の熱媒体が導かれ、加熱、冷却される。ヒートポンプ
１の出力側熱交換器３に接続されている熱供給配管１１
により、熱需要場所に温熱、冷熱が供給される。

【００２８】この図では熱媒体加熱・冷却器４として大
気熱交換器を示しているが、これに限定されることはな
く、加熱器としては例えばヒーティングタワー、工場排
熱、太陽熱による熱交換器などが考えられ、冷却器とし
ては例えばクーリングタワー、ＬＮＧ気化器の冷排熱と
の熱交換器などが考えられる。

【００２９】冬季には、熱媒体は熱交換配管５におい
て、気温に比較して温度が高い土壌から熱を奪い、ヒー
トポンプ１はそれを温熱源として運転されるため、土壌
は次第に冷却される。しかし、夏季の冷房需要が冬季の
暖房需要より大きい場合には、夏季に土壌に蓄えられた
熱を冬季の暖房期間内に使いきることができないため暖
房期間終了後の土壌温度は前年よりも高くなり、次の冷
房時期の効率が低下するだけでなく、土壌温度は１年を
周期として変動しながら、年間平均土壌温度は上昇して
いく。

【００３０】そこで、気象予測に基づく熱需要予測に基
づいてヒートポンプの運転を反映した、埋設配管を含む
土壌内熱伝達・熱伝導解析による土壌温度予測を行い、
その結果、次の冷房開始時期の土壌温度が所定の冷房開
始土壌温度よりも高くなることが予想される場合には、
暖房需要に関わらず熱媒体加熱・冷却器４で熱媒体を冷
却することにより土壌を冷却し、冷房開始時期の予想土
壌温度を所定の冷房開始土壌温度付近とする。

【００３１】なお、ここでいう所定の冷房開始土壌温度
付近とは、好ましくは、所定の冷房開始土壌温度±５℃
以内である。

【００３２】夏季は上記の逆となり、詳細は省略する
が、夏季の冷房需要が冬季の暖房需要より小さく、暖房
開始時期の土壌温度が所定の冷房開始土壌温度よりも低
くなることが予想される場合には、冷房需要に関わらず
熱媒体加熱・冷却器４で熱媒体を加熱することにより土
壌を加熱し、暖房開始時期の土壌温度を所定の暖房開始
土壌温度付近とする。

【００３３】なお、ここでいう所定の暖房開始土壌温度
付近とは、好ましくは、所定の暖房開始土壌温度±５℃
以内である。

【００３４】ここで、所定冷房開始土壌温度、及び所定
暖房開始土壌温度は、暖房及び冷房のそれぞれの熱需要
予測に基づく土壌熱源ヒートポンプシステムの運転を反
映した埋設配管を含む土壌内熱伝達・熱伝導解析による
土壌温度予測を行うことによって求めた予想年間平均土
壌温度が自然状態の年間平均土壌温度付近となるように
決定する。

【００３５】なお、ここでいう年間平均土壌温度付近と
は、好ましくは、所定の年間平均土壌温度±５℃以内で
ある。

【００３６】土壌の熱容量は大きいため、このようにし
て決定した所定冷房開始土壌温度、及び所定暖房開始土
壌温度は自然状熊の年間平均土壌温度よりも極端に高
温、或は低温となることはない。

【００３７】また、土壌温度予測の信頼性を高めるため
に、土壌温度センサ−６と温度計測器７で計測した過去
の時系列土壌温度データと予測を比較し、土壌温度予測
に用いる土壌熱伝導率等の直接測定の困難なパラメータ
のマッチングを行う。

【００３８】この発明の第二の実施形態を図２に示す。
この図でもポンプは最小限必要なもののみを示し、また
制御弁を含むバルプ類は省略した。

【００３９】第一の実施形態との相違点は、熱媒体の加
熱、冷却にヒートポンプ１を用い、それに伴って出力さ
れる余剰の温熱、冷熱を余剰温熱・冷熱放散手段１２で
放散する点である。この時、図２では省略したバルブ、
制御弁等の操作により、温熱・冷熱放散量を制御するこ
とは言うまでもない。

【００４０】また図２では余剰温熱・冷熱放散手段１２
として大気熱交換器を示しているが、これに限定される
ことはなく、冷熱放散には例えば工場排熱、太陽熱を用
いる熱交換器が考えられ、温熱放散には例えばＬＮＧ気
化器の冷排熱を用いる熱交換器などが考えられる。

【００４１】なお、ヒートポンプ１の運転を夜間に行え
ば、夜間電力使用による電力料金の節約、電力需要の平
準化に役立つ。

【００４２】この実施形態の運転方法は第一の実施形態
と同様であるので省略する。

【００４３】図３は、例として冷房需要が暖房需要より
大きい場合について、土壌温度の経年変化を模式的に示
した図である。簡単のため、自然状態の土壌温度は一定
とした。

【００４４】この図のように、従来の技術では時間の経
過と共に土壌温度は上昇し、熱的劣化を生じるが、本発
明を実施すれば年間平均土壌温度を一定に保つことがで
きる。また、土壌温度は自然土壌温度を中心として変動
し、前述のように極端な低温や高温になることがないた
め、土壌の熱的環境破壊を防ぐことが可能となる。

【００４５】なお、ここでは所定冷房開始土壌温度、所
定暖房開始土壌温度を請求項６の発明に従って決定した
場合を模式的に示しているが、例えば一方を自然状態土
壌温度とし、他方を土壌の熱的環境破壊を防ぐ見地から
決定するなど、エネルギーの有効利用や環境保全等に関
する別の観点から決定することも可能である。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、本発明では土壌中に埋設
した熱交換配管内に熱媒体を循環させて土壌（帯水層が
存在する場合には土壌と地下水の両方）と熱交換を行
い、その熱媒体をヒートポンプの熱源として冷暖房を行
うシステムにおいて、冷房、暖房需要に関わらず熱媒体
を加熱、冷却する手段を設け、冷房、暖房を開始する時
の土壌温度を自然状態における年間平均土壌温度付近と
するようにしたので、帯水層の存在を必ずしも必要とせ
ず、土壌の熱的劣化を防止できるために土壌熱源ヒート
ポンプが持つ省エネルギーや省コストの効果を維持し、
かつ土壌の熱的環境汚染を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態を示す概略説明図。

【図２】この発明の第２の実施形態を示す概略説明図。

【図３】この発明を実施した場合の土壌温度の経年変化
の摸式説明図。

【符号の説明】

１…ヒートポンプ、２…ヒートポンプの熱源側熱交換
器、３…ヒートポンプの出力側熱交換器、４…熱媒体加
熱・冷却手段（加熱・冷却器）、５…土壌中の埋設熱交
換配管、６…土壌温度センサー、７…温度計測器、８…
熱媒体ポンプ、９…熱供給媒体ポンプ、１０…熱媒体配
管、１１…熱供給配管、１２…余剰温熱・冷熱放散手
段。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 土壌中に埋設した熱交換配管内に熱媒体
   を循環させて土壌と熱交換を行い、その熱媒体をヒート
   ポンプの熱源として冷暖房を行うシステムにおいて、冷
   房、暖房の熱需要に関わらず熱媒体を加熱、冷却する手
   段を別途設けたことを特徴とする土壌熱源ヒートポンプ
   システム。
2. 【請求項２】 土壌中に埋設した熱交換配管内に熱媒体
   を循環させて土壌と熱交換を行い、その熱媒体をヒート
   ポンプの熱源として冷房、暖房を行うシステムにおい
   て、ヒートポンプからの余剰の温熱出力、冷熱出力を放
   散する手段を別途設けたことを特徴とする土壌熱源ヒー
   トポンプシステム。
3. 【請求項３】 冷房開始時期の土壌温度が所定の冷房開
   始土壌温度よりも高くなることが予想される場合、暖房
   需要に関わらず熱媒体を冷却し、それを土壌中の埋設配
   管に循環させて土壌との間で熱交換を行うことにより土
   壌を冷却し、冷房開始時期の土壌温度を所定の冷房開始
   土壌温度付近とすることを特徴とする請求項１または２
   に記載の土壌熱源ヒートポンプシステムの運転方法。
4. 【請求項４】 暖房開始時期の土壌温度が所定の暖房開
   始土壌温度よりも低くなることが予想される場合、冷房
   需要に関わらず熱媒体を加熱し、それを土壌中の埋設配
   管に循環させ、土壌との間で熱交換を行うことにより土
   壌を加熱し、暖房開始時期の土壌温度を所定の暖房開始
   土壌温度付近とすることを特徴とする請求項１または２
   に記載の土壌熱源ヒートポンプシステムの運転方法。
5. 【請求項５】 暖房及び冷房のそれぞれの熱需要予測に
   基づく土壌熱源ヒートポンプシステムの運転を反映した
   埋設配管を含む土壌内熱伝達・熱伝導解析による土壌温
   度予測を行うことにより、冷房、暖房の熱需要に関わら
   ない熱媒体の冷却または加熱の必要性、またそれが必要
   な場合にはその開始時期を決定することを特徴とする請
   求項３または４に記載の土壌熱源ヒートポンプシステム
   の運転方法。
6. 【請求項６】 暖房、及び冷房のそれぞれの熱需要予測
   に基づく土壌熱源ヒートポンプシステムの運転を反映し
   た埋設配管を含む土壌内熱伝達・熱伝導解析による土壌
   温度予測を行うことにより、予想年間平均土壌温度が自
   然状熊の年間平均土壌温度付近となるように所定冷房開
   始土壌温度と所定暖房開始土壌温度を決定することを特
   徴とする請求項３、４または５のいずれかに記載の土壌
   熱源ヒートポンプシステムの運転方法。