JP2018115786A - 採熱用管機構及びその製造方法、並びに空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設置場所の事情によらず利用可能な空調装置を提供する。
【解決手段】空調装置は、地中に配される採熱用管機構と、外部空間から建物へ空気を供給する空気供給機構と、熱交換用の水の循環を行う水循環機構６０と、温調用伝熱媒体を用いて、水の温度を調節する温度調節機構７０を備える。採熱用管機構は、一方から他方へ空気を流す第１流路を有する管部材１１と、一方から他方へ熱交換用の地下水を流す第２流路を有する螺旋管１２と、給水機構１５と、排水機構１６とを備える。温度調節機構７０は、地中ＧＮＤに設置される温調配管７１と、温調配管７１及び第２タンク６１Ｂを繋ぐ温調循環経路とを有する。温調配管７１は、管部材１１、給水配管６２や排水配管６３の近傍にて、ほぼ水平方向に配される。
【選択図】図４

Description

本発明は、採熱用管機構及びその製造方法、並びに空調装置に関する。

近年、通年の温度変動が小さい地中熱を利用して建物の冷暖房等を行う空調装置が注目されている。かかる空調装置１１０の一例を、図１Ａに示す。この装置１１０は、地中熱の採取用に、管軸方向Ｃ１１１を略水平方向に向けながら地中に埋設された採熱用管機構１１１を有している。そして、同装置１１０によれば、一方の管端部１１１ｅａから採熱用管機構１１１内に空調用の空気が取り込まれて同管部材１１１内を流れた後に、当該空気は他方の管端部１１１ｅｂから取り出される。これにより、空気は、夏場には冷却され冬場には加温される。そして、冷却又は加温された空気は、畜舎等の農業施設、集合住宅や公共の体育館等の一般施設、工場等の工業施設の如き大きな空間を有する建屋１２０の空調等に供される。

ところで、地中における通年の温度変動は、図１Ｂに示すように、地表からの深さに応じて変化する。例えば深さ５ｍ未満の浅い位置では、年間の温度変動は大きいが、深さ５ｍ以上の深い位置では、年間の温度変動がほぼ無視できる程度に小さくなって、その略一定の温度値は、同位置の年間平均気温と概ね一致する。そのため、一般に採熱用管機構１１１の埋設深さを５ｍ以上にすれば、地中熱との間で良好な熱交換性が担保される。これに対して、５ｍ未満にした場合には、上記の５ｍ以上の場合と比べて、夏場での空気の冷却能力及び冬場での空気の加温能力が劣ってしまう。

一方、採熱用管機構１１１を地中に埋設する際の掘削コストは高く、そして、同コストは、掘削深さが深くなるに連れて増大する。そのため、同管部材１１１の埋設深さを極力浅くしたいという要望がある。かかる要望に応えるべく、夏場の冷却能力及び冬場の加温能力の向上と、掘削コストの低減との両立を可能にする空調装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載の空調装置は、採熱用管機構１１１に替えて、図１Ｃに示すような採熱用管機構１１１ａを用いる。この採熱用管機構１１１ａは、空気が通る中空部Ｘａを有する管状体１１１ａａと、管状体１１１ａａの周部において螺旋状に配された水路１１１ａｗと、を備える。また、水路１１１ａｗの両端部には、熱交換用の水を給水する給水管やこれを排水する排水管が設けられ、給水管や排水管としては、図１Ｄに示すように、管状体１１１ａａの内周面から水路１１１ａｗに向けて貫通するジョイント構造１１１ａｊを備える。このような水路１１１ａｗに水を上記管部材１１１ａの一方の管端部１１１ａｅａから他方の管端部１１１ａｅｂへと流すようにすれば、同管部材１１１ａを地中の深さ５ｍ未満の浅い位置に埋設した場合に生じ得る地中熱の夏場の冷却能力の低下分及び冬場の加温能力の低下分を、当該一方の管端部１１１ａｅａから他方の管端部１１１ａｅｂへと流れる水との熱交換によって補うことができる。

ここで、水路１１１ａを流れる熱交換用の水として、年間ほぼ一定の温度である地下水を用いることにより、夏場における空気の冷却能力不足と、冬場における空気の加熱能力不足とを補うことができる。

特開２０１５−２１２６０６号公報

ところが、十分な量の地下水が存在していない場合や、取水制限が課されている場合等、地中熱利用空調装置の設置場所において、十分な地下水の量を確保できるとは限らない。

本発明は、斯かる実情に鑑み、設置場所の事情によらず利用可能な空調装置を提供しようとするものである。

本発明の採熱用管機構は、一方から他方へ第１物質を流す第１流路を有する第１管部材と、前記第１管部材に形成され、一方から他方へ第２物質を流す第２流路を有する第２管部材と、前記第２流路を含む第２物質循環経路において前記第２物質を循環させる第２物質循環機構と、前記第２物質循環経路における前記第２物質の温度調節を行うための第２物質温度調節機構と、を備え、前記第２管部材及び前記第１管部材を介して、前記第１物質及び前記第２物質の熱交換を行う採熱用管機構であって、前記第２物質温度調節機構は、第３物質が循環する第３物質循環路を形成する第３管部材と、前記第３管部材における前記第３物質を循環させるポンプと、前記第２物質循環路と前記第３物質循環路との間で熱交換を行う熱交換部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、設置場所の事情によらず利用可能な空調装置を提供することができる。

従来の空調装置の概要を示す側面図である。 地表からの深さと地中の温度との関係を月別に示すグラフである。 従来の採熱用管部材の概要を示す斜視図である。 従来の採熱用管部材の概要を示す断面図である。 空調装置の概要を示す側面図である。 空調装置の概要を示す斜視図である。 空調装置の概要を示す接続図である。 地中に配された配管の概要を示す断面図である。

図２に示すように、空調装置２は、地中ＧＮＤに配される採熱用管機構１０と、外部空間ＧＸ及び採熱用管機構１０を連通する第１ダクト機構２０と、採熱用管機構１０及び建物１２０を連通する第２ダクト機構３０と、外部空間ＧＸから建物１２０へ空気を供給する空気供給機構５０と、熱交換用の水の循環を行う水循環機構６０と、を備える。

図３に示すように、採熱用管機構１０は、一方から他方へ空気（第１物質）を流す第１流路１１Ｘを有する管部材１１と、一方から他方へ熱交換用の地下水を流す第２流路（図示省略）を有する螺旋管１２と、を備える。なお、管部材１１と螺旋管１２とは一体となっていることが好ましい。

管部材１１は、円筒状に形成されるものであり、地中ＧＮＤにおいてほぼ水平方向に配される。採熱用管機構１０として、管部材１１が複数用いられる場合、隣り合う管部材１１の第１流路１１Ｘの端部の開口が正対するように配される。螺旋管１２は、採熱用管機構１０の管軸方向Ｃ１周りに螺旋状に延びるものであり、管部材１１の外周面１１Ｇにおいて外側へ突設される。

図２に戻って、採熱用管機構１０は、さらに、第２流路の一方の開口端部に設けられた給水機構１５と、第２流路の他方の開口端部に設けられた排水機構１６と、を備える。

空気供給機構５０は、ダクト機構２０に設けられるポンプと、ダクト機構２０に設けられる各種センサと、各部と接続するコントローラとを備える。コントローラは、各種センサからのセンシング信号を読み取り、各種ポンプの制御を行う。空気供給機構５０より、外部空間の空気を地中の採熱用管機構１０へ送るとともに、地中で熱交換された空気を建物１２０へ送ることができる。

図４〜５に示すように、水循環機構６０は、水を収容するタンクユニット６１と、タンクユニット６１から給水機構１５へ水を送るための給水配管６２と、排水機構１６からタンクユニット６１へ水を送るための排水配管６３と、給水配管６２に設けられたポンプ６４Ｐと、各配管６２〜６３に設けられた弁６４Ｂと、各部に配された各種センサ６４Ｓと、各部を制御するコントローラと、を備える。

コントローラの制御の下、水循環機構６０は、タンクユニット６１、給水配管６２、給水機構１５、第２配管１２、排水機構１６、排水配管６３、そしてタンクユニット６１へと、水を循環させる。

タンクユニット６１は、第１タンク６１Ａと、第２タンク６１Ｂと、第１タンク６１Ａ及び第２タンク６１Ｂを連通する連通管６１Ｐと、を備える。連通管６１Ｐは、第２タンク６１Ｂの比較的高い位置に開口するものであり、第２タンク６１Ｂの水位が高くなると、第２タンク６１Ｂの水が第１タンク６１Ａへ流れるオーバフロー回路として機能する。

コントローラによる弁６４Ｂの制御により、タンクユニット６１は、給水配管６２に向けて第１タンク６１Ａに貯留する水を送り出す状態と、給水配管６２に向けて第２タンク６１Ｂに貯留する水を送り出す状態との間で切替自在となる。同様にして、コントローラの制御の下、タンクユニット６１は、排水配管６３からの水が第１タンク６１Ａに貯留する状態と、排水配管６３からの水が第２タンク６１Ｂに貯留する状態との間で切替自在となる。

さらに、空調装置２は、温調用伝熱媒体を用いて、水の温度を調節するための温度調節機構７０を備える。

温度調節機構７０は、地中ＧＮＤに設置される温調配管７１と、第２タンク６１Ｂから温調配管７１へ温調用伝熱媒体を送る温調側送り配管７２と、温調配管７１から第２タンク６１Ｂへ温調用伝熱媒体を戻す温調側戻り配管７３と、温調側送り配管７２に設けられた弁７４Ｂ及びポンプ７４Ｐと、を備える。温調配管７１は、管部材１１、給水配管６２や排水配管６３の近傍にて、ほぼ水平方向に配されることが好ましい。また、管部材１１、螺旋管１２、給水配管６２や排水配管６３から温調配管７１までの間隔は、管部材１１、螺旋管１２、給水配管６２や排水配管６３からの熱の影響を受けない程度に離れていることが好ましい。なお、温調配管７１の設置深さとしては、管部材１１や螺旋管１２の場合と同様に、基準値Ｔｍ（図１Ｂ）を用いた以下条件を少なくとも１つ満たすことが好ましい。
（条件１）地表の温度が基準値Ｔｍよりも高い場合には基準値Ｔｍよりも低温の範囲であること。
（条件２）地表の温度が基準値Ｔｍよりも低い場合には基準値Ｔｍよりも高温の範囲であること。
ここで、基準値Ｔｍとは、年間を通じてほぼ一定となる地中の温度（図１Ｂ）である。また、「地表の温度が基準値Ｔｍよりも高い場合」としては、夏の場合を考慮してもよい。同様に、「地表の温度が基準値Ｔｍよりも低い場合」としては、冬の場合を考慮してもよい。
そして、温調配管７１の設置深さとしては、管部材１１の下側半分の位置であることが好ましく、実際の施工コストを鑑みると、温調配管７１の設置深さとしては、所望の温度差が得られる程度であればよく、例えば、１．５ｍ以上４ｍ以下の深さであることが好ましく、２ｍ以上３ｍ以下の深さであることがより好ましい。

ここで、管部材１１、螺旋管１２、給水配管６２、排水配管６３、温調配管７１、送り配管７２や戻し配管７３の材料としては、金属や合成樹脂等を用いることができるが、中でも、合成樹脂を用いることが好ましい。合成樹脂の中では、ポリエチレン等が用いられることが好ましく、中でも高密度ポリエチレンが用いられることが好ましい。

このように、コントローラによるポンプ７４Ｐ及び弁７４Ｂの制御により、温度調節機構７０は、第２タンク６１Ｂ、送り配管７２、戻し配管７３、そして第２タンク６１Ｂへと、温調用伝熱媒体を循環させる。

加えて、空調装置２は、水を加温するための加温機構８０を備える。

加温機構８０は、伝熱媒体が貯留する加温タンク８１と、第１タンク６１Ａから加温タンク８１へ水を送る加温用送り配管８２と、加温タンク８１から第１タンク６１Ａへ水を戻す加温用戻し配管８３と、加温用送り配管８２に設けられたポンプ８４Ｐと、加温用送り配管８２に設けられ水を加熱するヒータ８４Ｈと、加温タンク８１にて伝熱媒体中に配された熱交換機８６と、を備える。なお、熱交換機８６は省略してもよい。

伝熱媒体としては、水等を用いることができる。

コントローラによるポンプ８４Ｐの制御により、加温機構８０は、第１タンク６１Ａ、加温用送り配管８２、加温用戻し配管８３、そして、第１タンク６１Ａへと、水を循環させる。

次に、空調装置２の使用方法について説明する。

図４に示すように、水循環機構６０は、コントローラの制御の下、タンクユニット６１、給水配管６２、給水機構１５、螺旋管１２、排水機構１６、排水配管６３、そしてタンクユニット６１へと、水を循環させる。

空気供給機構５０は、採熱用管機構１０の第１流路１１Ｘ（図２）を介して、外部空間の空気を建物１２０へ送る。水循環機構６０及び空気供給機構５０によって、第１流路１１Ｘを通過する空気は、管部材１１周りの地中ＧＮＤと第２流路を通過する水との間で熱交換が行われる。この結果、地中ＧＮＤと、水と、第１流路１１Ｘを通過する空気と、の間で熱交換を効率よく行うことができる。

ところで、地表の温度が地中の温度よりも高い場合（例えば、夏場）において一定期間、採熱用管機構１０を運転し続けると、螺旋管１２を含む循環経路を流れる水の温度は次第に上昇していく。この場合において、循環経路を流れる水の温度上昇は、採熱用管機構１０の冷却効率の低下につながる。

ここで、コントローラが、タンクユニット６１に設けた温度センサを読み取り、タンクユニット６１における水温が所定の範囲から外れたと検知した場合には、温度調節機構７０は、コントローラの制御の下、第２タンク６１Ｂ及び温調配管７１を介した温調循環経路において、水を循環させる。温調配管７１を水が通過すると、温調配管７１を介して、水と地中ＧＮＤとの間で熱交換が行われる。この熱交換により、水は冷却され、第２タンク６１Ｂへ戻る。この結果、水循環機構６０は、螺旋管１２を含む循環経路において、冷却された水を循環させることができる。したがって、水の温度上昇に起因する冷却効率の低下を抑えることができる。

同様に、地表の温度が地中の温度よりも低い場合（例えば、冬場）において一定期間、採熱用管機構１０を運転し続けると、螺旋管１２を含む循環経路を流れる水の温度は次第に低下していく。この場合において、循環経路を流れる水の温度低下は、採熱用管機構１０の暖房効率の低下につながる。

ここで、コントローラが、タンクユニット６１に設けた温度センサを読み取り、タンクユニット６１における水温が所定の範囲よりも低いと検知した場合には、温機構８０は、コントローラの制御の下、第１タンク６１Ａ及び加温タンク８１を介した加温循環経路において、水を循環させる。ヒータ８５Ｈを水が通過すると、水は加熱され、第１タンク６１Ａへ戻る。この結果、水循環機構６０は、螺旋管１２を含む循環経路において、加温された水を循環させることができる。したがって、水の温度低下に起因する暖房効率の低下を抑えることができる。

なお、地表の温度が地中の温度よりも高い場合（例えば、夏場）において、以下のような制御を行ってもよい。コントローラが、第２タンク６２Ａに設けた温度センサを読み取り、第２タンク６２Ａにおける水温が所定の範囲よりも高いと検知した場合には、水循環機構６０が第１タンク６１Ａを介した第１循環路において水を循環させる一方、コントローラが、第１タンク６１Ａに設けた温度センサを読み取り、第１タンク６１Ａにおける水温が所定の範囲よりも高いと検知した場合には、水循環機構６０が第２タンク６２Ａを介した第２循環路において水を循環させてもよい。また、コントローラが、第１タンク６１Ａに設けた温度センサ及び第２タンク６２Ａに設けた温度センサを読み取り、両方の水温のうち一方の水温が低いと検知した場合には、水温が低いと検知されたほうの水の循環を行ってもよい。あるいは、所定のタイミングで、第１循環路における水の循環と、第２循環路における水の循環と、を交互に行ってもよい。

上記実施形態では、温度調節機構７０による温調循環経路における水の循環を行うか否かについて、検知した水温に基づいて行ったが、本発明はこれに限られず、地中熱利用空調装置２の運転に追従して温調循環経路における水の循環を行ってもよい。

また、上記実施形態では、第２タンク６１Ｂを含む温調循環経路を形成させたが、本発明はこれに限られず、第１タンク６１Ａを含む温調循環経路を併せて形成させて、２つの温調循環経路を適宜切り替えて用いてもよい。例えば、水循環機構６０が水を第１循環路で循環させている間、温調機構７０は、第２タンク６１Ｂ及び温調配管７２を含む温調循環経路において水を循環させる一方、水循環機構６０が水を第２循環路で循環させている間、温調機構７０は、第１タンク６１Ａ及び温調配管７２を含む温調循環経路において水を循環させてもよい。

上記実施形態では、水循環機構６０によって循環路を流れる水と、温調機構７０による温調循環経路を流れる水とを第２タンク６１Ｂで合流させたが、本発明はこれに限られない。温調循環経路として、第２タンク６１Ｂを含めずに、第２タンク６１Ｂに設けた熱交換器を設けてもよい。これにより、
水循環機構６０によって循環路を流れる水と、温調機構７０による温調循環経路を流れる温調用伝熱媒体とを個別の物質としてもよい。

上記実施形態では、採熱用管機構１０を地中ＧＮＤに配したが、本発明はこれに限られず、採熱用管機構１０を地上に配してもよい。採熱用管機構１０を地上に配する場合には、管部材１１と螺旋管１２とが一体となった管ユニットを覆う囲い部材と、管ユニットと囲い部材との隙間に充填された充填材と、を備えることが好ましい。また、熱伝導率は、囲い部材、充填材、管ユニットの順に高くなることが好ましい。囲い部材は、３層構造となっており、断熱層と、断熱層の外側に位置する外層と、断熱層の内側に位置する内層と、を備えることが好ましい。断熱層は硬質ウレタンフォーム（硬質ポリウレタン発泡体）からなり、その熱伝導率は、充填材及び管ユニットよりも低い。外層は鋼板であり、内層はアルミシートである。充填材としては、水、砂（川砂、山砂、珪砂など）、土等を用いてもよい。砂を用いる場合には、熱伝導率を高める目的から、含水状態の砂を用いることが好ましい。またさらに、熱伝導率を高める目的から、砂や土に対して、１〜２０％の容積含有率で、酸化ケイ素、アルミナ及び高炉スラグのうち少なくとも１つからなる粒状物を混入させてもよい。

上記実施形態では、管部材１１の周りに螺旋状の第２流路１２Ｘを設けたが、本発明はこれに限られず、管部材１１の周りに直線上の第２流路１２Ｘを設けてもよい。

尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

２ 空調装置
１０ 採熱用管機構
１５ 給水機構
１６ 排水機構
２０ 第１ダクト機構
３０ 第２ダクト機構
５０ 空気供給機構
６０ 水循環機構
７０ 温度調節機構
８０ 加温機構

Claims (4)

1. 一方から他方へ第１物質を流す第１流路を有する第１管部材と、
   前記第１管部材に形成され、一方から他方へ第２物質を流す第２流路を有する第２管部材と、
   前記第２流路を含む第２物質循環経路において前記第２物質を循環させる第２物質循環機構と、
   前記第２物質循環経路における前記第２物質の温度調節を行うための第２物質温度調節機構と、を備え、
   前記第２管部材及び前記第１管部材を介して、前記第１物質及び前記第２物質の熱交換を行う採熱用管機構であって、
   前記第２物質温度調節機構は、
   第３物質が循環する第３物質循環路を形成する第３管部材と、
   前記第３管部材における前記第３物質を循環させるポンプと、
   前記第２物質循環路と前記第３物質循環路との間で熱交換を行う熱交換部と、を有することを特徴とする採熱用管機構。
2. 前記第３管部材は、地中において、前記第１管部材又は前記第２管部材とほぼ同じ深さの位置、又は前記第１管部材又は前記第２管部材よりも深い位置に配されたことを特徴とする請求項１記載の採熱用管機構。
3. 前記第２物質循環路と前記第３物質循環路とは、共通の流路を有し、前記共通の流路が前記熱交換部を兼ねることを特徴とする請求項１または２記載の採熱用管機構。
4. 前記熱交換部は、前記第２物質及び前記第３物質が収容されるタンクが設けられたことを特徴とする請求項３記載の採熱用管機構。
   
   

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