JP4182961B2 - 地熱利用ヒートポンプ式空調装置 - Google Patents

Description

本発明は地熱利用ヒートポンプ式空調装置に関するものである。

地中はある深さ以下になると年間を通してほぼ一定の温度であるので、その地中熱を利用し空調を行う装置がある。この空調装置は、熱媒を地上から地中の深層部まで下ろしてから反転させて地上へ返すように全体がＵ字を成す地中熱交換器と、この地中熱交換器にて温調した熱媒を通水させて循環冷媒を熱交換すると共に前記循環冷媒で給気用空気を熱交換する水熱源ヒートポンプの室内機と、を備えている。

特開２００１−２８９５３３号公報 特開２００３−２０７１７４号公報

上記の空調装置ではボイラーやチラーなどの熱源機を使用しない分、運転コストを安くできるが、ますます厳しくなるエネルギー事情から、さらなる省エネ化が求められている。また、地中熱交換器は耐蝕性、耐久性などの点から樹脂製パイプが用いられている。この地中熱交換器で必要な熱量を得るためには、深層部に向け縦穴を特殊な掘削機械で長時間かけて掘らねばならず、しかも穴の崩れ防止や泥土や湧水などの処理も必要で、非常に手間と時間がかかりコスト高となる問題がある。そのために、一つの穴にＵ字状地中熱交換器の容量の大きくしたものを埋めたり、一つの穴に複数本を埋めたりすると、地中の狭い範囲で集中して採熱することとなり、例えば冬期では地中から奪う単位体積当りの熱量が多くなって地中温度の回復に長時間かかるため、採熱量が低下し続けて空調運転できなくなったり、凍結防止のために不凍液を使用しなければならないため環境汚染が発生する問題がある。また、Ｕ字状地中熱交換器では往路も復路も同じ経路を熱媒が流れるため、例えば冬期では、熱媒が地表へ戻る際、せっかく採熱温調した熱媒が地上近くで放熱して、熱ロスが生じる問題がある。

本発明は上記課題を解決するため、地中の地表近くで熱媒が渦巻き状に下りながら流れる樹脂製の往路管部とこの往路管部から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部とから成る地中熱交換器と、この地中熱交換器にて温調した前記熱媒を通水させて給気用空気を熱交換する水コイルと、前記熱媒を通水させて循環冷媒を熱交換すると共に前記水コイルを経た給気用空気を前記循環冷媒で熱交換する水熱源ヒートポンプと、を備えたこと、また、地中の地表近くで所定間隔を隔てて対向すると共に熱媒が蛇行状に下りながら流れる一対の樹脂製の往路管部とこの往路管部から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部とから成る地中熱交換器と、この地中熱交換器にて温調した前記熱媒を通水させて給気用空気を熱交換する水コイルと、前記熱媒を通水させて循環冷媒を熱交換すると共に前記水コイルを経た給気用空気を前記循環冷媒で熱交換する水熱源ヒートポンプと、を備えたことを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明によれば、水熱源ヒートポンプ９で給気用空気を設定温度まで冷却又は加熱する前に、給気用空気を前記設定温度に近づけるように水コイル８の熱媒で冷却又は加熱することにより、水熱源ヒートポンプ９の負荷を削減でき、大幅省エネとなる。さらに、冷房負荷が少ない時期では、水コイル８のみで給気用空気を冷却することにより、水熱源ヒートポンプ９の運転が不要となり、省エネとなる。地域により異なるが深度１ｍ位までの地中温度は外気の影響を受けて冬は低く夏は高くなるが、熱媒が採熱（冬期）・放熱（夏期）可能な温度差が地中に対してあるため、地中熱交換器７の往路管部１を細くて長い渦巻き状として地表近くに埋め、熱媒を地熱流に対してカウンターフローで流して、熱交換効率を良くしつつ地中で広範囲に分散して少しずつ熱交換させることにより、熱媒を温度調節するために必要とされる地熱量を得ることができ、かつ地中から奪う単位体積当りの地熱量を少なくできる。そのため、地中温度が回復しやすく、長時間の連続空調運転も可能となり、環境汚染の心配の無い水を熱媒として使用でき、不凍液を使わずに済む。さらに往路管部１は継ぎ目のない１本の管を巻設するだけよいので加工が簡単になり、バネ状に巻設して伸縮性をもたせてあるので免震性に優れ、地震に対する耐久性が十分で、破損による熱媒漏れなどを防止できる。地中熱交換器７の復路管部２は地上に熱媒を戻すだけでよいので短くてよく、地中との再熱交換による熱ロスが皆無で、熱交換効率の向上を図れて熱媒温度が安定する。往路管部１の埋設用穴は地表近くをパワーショベルなどの普通の掘削機械で浅く掘るだけでよく、掘削の時間と費用の削減を図れて施工が容易となる。一巻き毎に地中熱交換器７の往路管部１の径の大きさを変えることで管部同士の熱交換領域の重複部をなくし、地中の広い範囲で満遍なく熱交換させて地中温度の早期回復を図り、かつ熱交換効率を向上させることができる。下方に向かって順次拡径するように巻設した往路管部１では、深くなるにつれて被地中熱量が増えて安定するのに合わせて、往路管部１の径を大きく長くして熱交換量を増やすことにより、熱交換効率を高めることができる。さらに、往路管部１を埋める際、径中央部から土を盛ることにより、往路管部１の形に沿った山形となり、往路管部１の形を崩さずに容易に埋めることができる。下方に向かって順次縮径するように巻設した往路管部１では、その形状に合わせて埋設用穴は擂り鉢状でよいので掘りやすく、一層施工が容易となる。
請求項２の発明によれば、水熱源ヒートポンプ９で給気用空気を設定温度まで冷却又は加熱する前に、給気用空気を前記設定温度に近づけるように水コイル８の熱媒で冷却又は加熱することにより、水熱源ヒートポンプ９の負荷を削減でき、大幅省エネとなる。さらに、冷房負荷が少ない時期では、水コイル８のみで給気用空気を冷却することにより、水熱源ヒートポンプ９の運転が不要となり、省エネとなる。地域により異なるが深度１ｍ位までの地中温度は外気の影響を受けて冬は低く夏は高くなるが、熱媒が採熱（冬期）・放熱（夏期）可能な温度差が地中に対してあるため、地中熱交換器７の往路管部１を細くて長い蛇行状として地表近くに埋め、熱媒を地熱流に対してカウンターフローで流して、熱交換効率を良くしつつ地中で広範囲に分散して少しずつ熱交換させることにより、熱媒を温度調節するために必要とされる地熱量を得ることができ、かつ地中から奪う単位体積当りの地熱量を少なくできる。そのため、地中温度が回復しやすく、長時間の連続空調運転も可能となり、環境汚染の心配の無い水を熱媒として使用でき、不凍液を使わずに済む。さらに往路管部１は蛇行状にして伸縮性をもたせてあるので免震性に優れ、地震に対する耐久性が十分で、破損による熱媒漏れなどを防止できる。地中熱交換器７の復路管部２は地上に熱媒を戻すだけでよいので短くてよく、地中との再熱交換による熱ロスが皆無で、熱交換効率の向上を図れて熱媒温度が安定する。往路管部１の埋設用穴は地表近くをパワーショベルなどの普通の掘削機械で浅く掘るだけでよく、掘削の時間と費用の削減を図れて施工が容易となる。往路管部１、１を対向させて幅を狭くできるので、狭く細長い土地にも容易に埋設することができる。一蛇行毎に地中熱交換器７の往路管部１、１の間隔の広さを変えることで管部同士の熱交換領域の重複部をなくし、地中の広い範囲で満遍なく熱交換させて地中温度の早期回復を図り、かつ熱交換効率を向上させることができる。間隔が下方に向かって順次広がるように配設した往路管部１、１では、往路管部１、１を埋める際、間隔の中央部から土を盛ることにより、往路管部１の形に沿った山形となり、往路管部１の形を崩さずに容易に埋めることができる。間隔が下方に向かって順次狭くなるように配設した往路管部１、１では、その形状に合わせて埋設用穴はＶ溝状でよいので掘りやすく、一層施工が容易となる。
請求項３の発明によれば、冷房運転時、水熱源ヒートポンプ９の給気側空気熱交換器４に生じる凝縮水で水コイル８を湿潤させて、水コイル８での冷却効果を増大させ、水熱源ヒートポンプ９の負荷を削減でき、省エネとなる。しかも、凝縮水を利用するので給水装置が不要で無駄がない。
請求項４の発明によれば、地中熱交換器７の往路管部１が扁平管なので短径側外面から管中央部の熱媒への伝熱が早く、熱交換効率がさらに良くなる。扁平管なので曲げやすく、往路管部１を渦巻き状や蛇行状に簡単に形成することができる。地中熱交換器７の往路管部１が扁平管で長径側が尖状なので熱媒が乱流となって強制対流により伝熱が促進され、熱交換効率がさらに向上する。
請求項５の発明によれば、地中熱交換器７の往路管部１の外周壁が蛇行状なので伝熱面積が増えかつ内部では熱媒の乱流効果をさらに高めることができ、一層熱交換効率が向上する。
請求項６の発明によれば、水コイル８と空気熱交換器４の圧力損失が減少して熱交換効率が向上するので小型のファンを用いることができ騒音低減を図れる。水コイル８と空気熱交換器４も小型化でき空調装置全体のコンパクト化を図れる。
請求項７の発明によれば、設置スペースや給気個所に応じて自由に給気ファンユニット１４の位置を選択設置でき、施工が容易となる。ファン自体で風量調節して、給気ファンユニット１４毎に個別に変風量運転でき、制御が容易である。ＶＡＶを用いないので圧力損失がなくファンの小型化を図れ低騒音となる。

図１〜図４は、本発明の地熱利用ヒートポンプ式空調装置の一実施例を示しており、この空調装置は、地中の地表近くで熱媒が渦巻き状に下りながら流れる樹脂製の往路管部１とこの往路管部１から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部２とから成る地中熱交換器７と、この地中熱交換器７にて温調した前記熱媒を通水させて給気用空気を熱交換する水コイル８と、前記熱媒を通水させて循環冷媒を熱交換すると共に水コイル８を経た給気用空気を前記循環冷媒で熱交換する圧縮式の水熱源ヒートポンプ９と、水熱源ヒートポンプ９と水コイル８を設けた本体ケーシング１３に直接又はダクトを介して連通連結する個別風量制御自在な給気ファンユニット１４と、を備えている。この水熱源ヒートポンプ９の給気側空気熱交換器４に生じる凝縮水で水コイル８を湿潤させると共に、水コイル８と水熱源ヒートポンプ９のいずれか一方のみの単独運転または併用運転に切換え自在に構成する。

水熱源ヒートポンプ９は、循環冷媒に対して蒸発・圧縮・凝縮・膨張の工程順を繰返し、この循環冷媒と熱交換する空気や熱媒などに対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うもので、循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を行う給気側空気熱交換器４及び熱源側水熱交換器５と、循環冷媒を圧縮する圧縮機６と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構と、給気側空気熱交換器４及び熱源側水熱交換器５の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の切換機構と、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して成る。給気側空気熱交換器４では循環冷媒で給気用空気を冷却又は加熱し、熱源側水熱交換器５では熱媒で循環冷媒を凝縮又は蒸発させる。熱源側水熱交換器５はプレート式熱交換器とする。プレート式熱交換器は、たとえば幾枚もの伝熱板（プレート）を重ねその伝熱板と伝熱板の間を熱媒と冷媒が交互に流れて互いに熱交換するように構成する。給気側空気熱交換器４と水コイル８の各伝熱管は圧損の少ない楕円管にするのが好ましいが円形管でもよい。

水コイル８はフィンコイルなどを用い、給気側空気熱交換器４は水コイル８の風下でかつ上方に配置し、給気側空気熱交換器４に生じる凝縮水をドレンパン１０や浸透ろ過材１１などを介して、水コイル８のフィンや伝熱管などの熱交換部に供給し、湿潤させる。浸透ろ過材１１は、凝縮水を浸透拡散させて水コイル８を均等に湿潤させると共にスケール等のコイル付着・腐蝕成分を浸透ろ過する機能を有する不織布など各種材質のものからなり、着脱・交換自在に設けるが、これを省略するも自由である。なお、水コイル８と給気側空気熱交換器４の配置の変更は自由で、例えば通風方向に対して入換えたり、通風方向に重ならないように並べたりするも自由である。

水コイル８と熱源側水熱交換器５と地中熱交換器７は開閉弁などを介して配管接続し、図示省略の送水ポンプにて熱媒を循環させる。図例では、開閉弁操作により熱媒が水コイル８と熱源側水熱交換器５の両方に流れる場合と水コイル８をバイパスして熱源側水熱交換器５のみに流れる場合に切換え自在に構成しているが、図例以外の回路に構成するも自由である。本体ケーシング１３には還気取入口を設けると共に吹出口を備えた複数のファンユニット１４をダクト等を介して設け、還気取入口から取入れた室内の還気を水コイル８と給気側空気熱交換器４の一方又は両方で温度調節して吹出口から室内へ給気する。なお、図示省略するが、給気ファンユニット１４を本体ケーシング１３に直結したり、給気ファンユニット１４内のファン１５を本体ケーシング１３内に設けたり、各部品の配置や構造の変更は自由である。

図１と図５に示すように、地中熱交換器７は、地中に埋設されると共に内部を流れる熱媒を地中熱で温度調節するものであって、地表近くで前記熱媒が渦巻き状に下りながら流れる樹脂製の往路管部１と、この往路管部１から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部２と、を備えている。往路管部１の巻形状の平均径は、すくなくとも略２ｍ以上の大きな曲率に設定する。復路管部２は可能な限り短く細くして熱媒を地上へ迅速に戻すようにする。図例では往路管部１の内径側に沿って立設して外径側にはみ出さないようにしているが、外径側で立設してもよい。往路管部１と復路管部２は、１本の管で一体に形成又は別個の管を接続して成り、例えば深さ３ｍ位の地表近くに掘削された埋設用穴３に埋められ、往路管部１と復路管部２が、水コイル８と熱源側水熱交換器５の熱媒出入口に配管接続される。なお、熱媒として水を用いる以外に、ブラインやその他各種の液体を用いるも自由である。

往路管部１は、下方に向かって順次拡径するように巻設し、その巻形状を円形状や楕円形状の丸状として、一巻き毎に往路管部１を左右方向にずらして管部同士の熱交換領域（図５の仮想線参照）の重複部をなくすと共に、図１の仮想線で示すように、埋設作業時に往路管部１の径中央部で埋設土が山形となって往路管部１に内側から自然に沿うようにする。往路管部１は、径方向切断面が円形状や楕円形状（図示省略）の丸形管としているが、図６（ａ）のように、往路管部１の外周壁を周方向に向かって蛇行状となるように形成してもよく、あるいは、図６（ｂ）のように、長径側を両外側に向かって細くなる尖状にした扁平管に形成してもよい。なお、図７（ａ）のように、往路管部１を、下方に向かって順次縮径するように巻設してもよく、この場合、埋設用穴３を掘りやすい擂り鉢状にすることができる。復路管部２は往路管部１の内径側に立設して外径側にはみ出さないようにし、埋設用穴３に収まり易くして掘削及び埋設作業の迅速化を図る。また、図７（ｂ）のように、往路管部１を全て同径になるよう巻設してもよい。

図８は往路管部１の巻形状を多角状にした例で、図８（ａ）は往路管部１を下方に向かって順次拡径するように、図８（ｂ）は、往路管部１を下方に向かって順次縮径するように、図８（ｃ）は、往路管部１を全て同径になるように、各々巻設した場合を示している。図例では往路管部１の直線状管部の長さを全て略同一にして正方形状にしているが、部分的に相異させて例えば図９のように長方形状にしてもよく、図９（ａ）は往路管部１を下方に向かって順次拡径するように、図９（ｂ）は、往路管部１を下方に向かって順次縮径するように、図９（ｃ）は、往路管部１を全て同径になるように、各々巻設した場合を示している。このように往路管部１の直線状管部の各長さの設定は自由で、さらに角数を増減させて三角形状や六角形状などにするも自由である。図１０は往路管部１の巻形状を長円状にした例で、図１０（ａ）は往路管部１を下方に向かって順次拡径するように、図１０（ｂ）は、往路管部１を下方に向かって順次縮径するように、図１０（ｃ）は、往路管部１を全て同径になるように、各々巻設した場合を示している。図９と図１０の場合、埋設用穴３を掘りやすい幅の狭い溝状にすることができる。なお、前記各実施例は図例に限定されず、往路管部１の巻数（段数）や径の寸法変更は自由で、さらに往路管部１を下方に向かって全体的又は部分的に拡縮させるも自由である。

図１１は地中熱交換器７の他の実施例で、所定間隔を隔てて対向すると共に熱媒が蛇行状に下りながら流れる一対の樹脂製の往路管部１、１と、この往路管部１から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部２と、を備えたもので、その他は前記実施例と同様構成である。図１１（ａ）は一対の往路管部１、１の間隔が下方に向かって順次広がるように、図１１（ｂ）は一対の往路管部１、１の間隔が下方に向かって順次狭くなるように、図１１（ｃ）は一対の往路管部１、１の間隔が全て同じになるように、各々配設した場合を示している。図１１（ａ）の場合、仮想線で示すように埋設作業時に往路管部１の径中央部で埋設土が山形となって往路管部１、１に内側から自然に沿うようにでき、図１１（ｂ）の場合、埋設用穴３を掘りやすいＶ溝状にすることができ、図１１（ｃ）の場合、埋設用穴３を掘りやすい幅の狭い溝状にすることができる。なお、往路管部１の蛇行数や間隔の増減は自由である。また、図例では、往路管部１を、多数の平行な直線状管部の端部で逆方向に交互に折り返すように形成して内部流通熱媒が下るように形成しているが、直線状管部の長さの増減や段数の変更は自由である。

本発明の設置例を示す全体簡略斜視図。 同要部側面図。 水熱源ヒートポンプの簡略説明図。 本発明の要部断面図。 地中熱交換器の往路管部の断面図。 地中熱交換器の往路管部の他の形状例の断面図。 地中熱交換器の往路管部の他の形状例の簡略斜視図。 地中熱交換器の往路管部の別の形状例の簡略斜視図。 地中熱交換器の往路管部のさらに別の形状例の簡略斜視図。 地中熱交換器の往路管部のさらに別の形状例の簡略斜視図。 地中熱交換器の他の実施例を示す簡略斜視図。

符号の説明

１ 往路管部
２ 復路管部
４ 空気熱交換器
７ 地中熱交換器
８ 水コイル
９ 水熱源ヒートポンプ
１３ 本体ケーシング
１４ ファンユニット

Claims (7)

1. 地中の地表近くで熱媒が渦巻き状に下りながら流れる樹脂製の往路管部１とこの往路管部１から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部２とから成る地中熱交換器７と、この地中熱交換器７にて温調した前記熱媒を通水させて給気用空気を熱交換する水コイル８と、前記熱媒を通水させて循環冷媒を熱交換すると共に前記水コイル８を経た給気用空気を前記循環冷媒で熱交換する水熱源ヒートポンプ９と、この水熱源ヒートポンプ９と前記水コイル８を設けた本体ケーシング１３と、を備え、前記水熱源ヒートポンプ９は、前記循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を行う給気側空気熱交換器４及び熱源側水熱交換器５と、前記循環冷媒を圧縮する圧縮機６と、前記循環冷媒を膨張させる減圧機構と、前記給気側空気熱交換器４及び前記熱源側水熱交換器５の蒸発工程と凝縮工程を切換える切換機構と、を少なくとも備え、前記給気側空気熱交換器４は前記水コイル８の風下に配置し、給気用空気を前記水コイル８と前記給気側空気熱交換器４の一方又は両方で温度調節して給気するように前記水コイル８と前記水熱源ヒートポンプ９のいずれか一方のみの単独運転または併用運転に切換え自在に構成し、前記地中熱交換器７の前記往路管部１を、下方に向かって順次拡径するように、又は、下方に向かって順次縮径するように、巻設したことを特徴とする地熱利用ヒートポンプ式空調装置。
2. 地中の地表近くで所定間隔を隔てて対向すると共に熱媒が蛇行状に下りながら流れる一対の樹脂製の往路管部１、１とこの往路管部１から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部２とから成る地中熱交換器７と、この地中熱交換器７にて温調した前記熱媒を通水させて給気用空気を熱交換する水コイル８と、前記熱媒を通水させて循環冷媒を熱交換すると共に前記水コイル８を経た給気用空気を前記循環冷媒で熱交換する水熱源ヒートポンプ９と、この水熱源ヒートポンプ９と前記水コイル８を設けた本体ケーシング１３と、を備え、前記水熱源ヒートポンプ９は、前記循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を行う給気側空気熱交換器４及び熱源側水熱交換器５と、前記循環冷媒を圧縮する圧縮機６と、前記循環冷媒を膨張させる減圧機構と、前記給気側空気熱交換器４及び前記熱源側水熱交換器５の蒸発工程と凝縮工程を切換える切換機構と、を少なくとも備え、前記給気側空気熱交換器４は前記水コイル８の風下に配置し、前記水コイル８と前記水熱源ヒートポンプ９のいずれか一方のみの単独運転または併用運転に切換え自在に構成し、前記地中熱交換器７の一対の前記往路管部１、１の間隔が、下方に向かって順次広がるように、又は、下方に向かって順次狭くなるように、配設したことを特徴とする地熱利用ヒートポンプ式空調装置。
3. 給気側空気熱交換器４は水コイル８の風下でかつ上方に配置し、給気側空気熱交換器４に生じる凝縮水を水コイル８の熱交換部に供給して湿潤させるようにした請求項１又は２記載の地熱利用ヒートポンプ式空調装置。
4. 地中熱交換器７の往路管部１を、長径側を両外側に向かって細くなる尖状にした扁平管に形成した請求項１、２又は３記載の地熱利用ヒートポンプ式空調装置。
5. 地中熱交換器７の往路管部１を丸管とし、その外周壁を周方向に向かって蛇行状となるように形成した請求項１、２又は３記載の地熱利用ヒートポンプ式空調装置。
6. 給気側空気熱交換器４と水コイル８の各伝熱管を楕円管にした請求項１、２、３、４又は５記載の地熱利用ヒートポンプ式空調装置。
7. 本体ケーシング１３にダクトを介して連通連結する個別風量制御自在な給気ファンユニット１４を、備えた請求項１、２、３、４、５又は６記載の地熱利用ヒートポンプ式空調装置。

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