JP4806260B2 - 地熱利用空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、地熱を室内の空調に利用することができる地熱利用空調装置に関する。

外気を室内に取り入れるとともに室内の空気を屋外に排気するような空調の際に、前記外気と屋内の空気との間で熱交換を行うようにした技術の一例として特許文献１に記載のものが知られている。この技術では、外気を室内に取り入れる供給側配管と、室内の空気を屋外に排気する排気側配管とを備え、供給側配管を通る空気と排気側配管を通る空気との間で熱交換を行うようになっている。

また、地熱を利用した空調システムの一例として特許文献２に記載のものが知られている。この技術では、水給送用ポンプが介在された水循環経路に、地中に垂直に埋設された第１パイプの内部空間によって形成される第１内部通路と地上に設置された気水熱交換器の水通路とが含まれ、上記気水熱交換器の空気通路を通過中に上記水通路内の水との間で熱交換を行った空気を建物の空調に利用するようになっている。
特許第３０５９７２８号公報 特許第３４４０３３１号公報

ところで、前記特許文献１に記載の技術では、空調を行う際に外気と屋内の空気との間で熱交換を行うようにしているが、外気と室内の空気との温度差が大きい場合、熱交換されて室内に導入される外気と室内の空気の温度差も比較的大きくなるので、室内の空気を所望の温度に保持するために冷暖房装置が消費するエネルギー（電力等）が大きくなる。
また、特許文献２に記載の技術では、地熱を建物の空調に利用するようになっているが、上記のような外気と屋内の空気との間で熱交換を行うようにした空調には利用されていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、外気と屋内の空気との間で熱交換を行うようにした空調において、地熱を有効に利用できる地熱利用空調装置を提供することを課題としている。

請求項１に記載の発明は、例えば図１〜図３に示すように、地熱利用空調装置であって、地中に埋設された地中熱交換部１と、この地中熱交換部１と室内との間で熱媒体（例えば水）を循環させる循環経路３と、前記室内に設けられかつ前記循環経路３の途中が接続された熱放熱部２と、熱交換換気装置４とを備え、
前記熱交換換気装置４は、外気を室内に取り入れる供給側配管７と、室内の空気を屋外に排気する排気側配管８と、供給側配管７を通る空気と排気側配管８を通る空気との間で熱交換を行う第１熱交換部９と、
前記循環経路３から分岐して再び該循環経路に至る分岐経路６の途中に接続され、この分岐経路６を通る前記熱媒体と前記供給側配管７を通る空気との間で熱交換を行う第２熱交換部１０とを備え、
前記循環経路３と分岐経路６との分岐部には、切替バルブ５が設けられていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、熱交換換気装置４の供給側配管７を通して室内に取り入れる外気と、排気側配管８を通して室内から排気する空気との間で、第１熱交換部９によって熱交換を行う際に、この外気と地熱との間で以下のようにして熱交換を行う。
すなわち、熱媒体が分岐経路６を通って循環し、この循環する熱媒体と前記供給側配管７を通る空気（外気）との間で、第２熱交換部１０によって熱交換を行うことによって、外気と地熱との間で熱媒体を介して熱交換を行う。地熱は１年を通じてほぼ１５℃前後で一定であるので、暖期においては前記室内に供給側配管７を通って取り入れる外気の温度が熱交換によって下降し、冷期においては室内に供給側配管７を通って取り入れる外気が熱交換によって上昇するので、室内に取り入れる外気と室内の空気との温度差を小さくでき、よって、室内の空気を所望の温度に保持するために冷暖房装置が消費するエネルギー（電力等）を地熱を利用して抑えることができる。

また、例えば図２に示すように、暖期に切替バルブ５を操作して分岐経路６に熱媒体が通らないようにしておくことによって、熱媒体は室内に設けられた熱放出部２と地中熱交換部１との間で循環する。したがって、１５℃程度の地熱を熱放出部２から放出して、室内の温度を下降できるので、室内の空気を所望の温度に保持するために冷房装置が消費するエネルギー（電力）を抑えることができる。
また、切替バルブ５を操作して分岐経路６と循環経路３との双方に熱媒体が通るようにしておくことによって、地熱を熱放出部２から放出するとともに、循環する熱媒体と前記供給側配管７を通る空気（外気）との間で、第２熱交換部１０によって熱交換を行うことによって、外気と地熱との間で熱媒体を介して熱交換を行って、室内に取り入れる外気の温度が下降する。したがって、室内の空気を所望の温度に保持するために冷房装置が消費するエネルギー（電力）を抑えることができる。
地熱は１年を通じてほぼ１５℃前後で一定であるので、冷期に地熱と室内の空気との間で熱交換を行うと、室内を例えば２０℃前後に暖房している場合は室内の温度が下降する恐れがある。そこで、図３に示すように、冷期に切替バルブ５を操作して熱媒体が熱放出部２に向けて循環経路３を通らないようにしておくことによって、分岐経路６を循環する熱媒体と前記供給側配管７を通る空気（外気）との間で、第２熱交換部１０によって熱交換を行うことによって、外気と地熱との間で熱媒体を介して熱交換を行って、室内に取り入れる外気の温度が上昇する。したがって、室内の空気を所望の温度に保持するために冷房装置が消費するエネルギー（電力）を抑えることができる。

本発明によれば、室内に取り入れる外気と室内から排気する空気との間で第１熱交換部によって熱交換を行う際に、この外気と地熱との間で第２熱交換部によって熱交換を行うことによって、室内に取り入れる外気と室内の空気との温度差を小さくでき、よって、室内の空気を所望の温度に保持するために冷暖房装置が消費するエネルギー（電力等）を地熱を利用して抑えることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る地熱利用空調装置の概略構成を示すものである。この地熱利用空調装置は、地中に埋設された地中熱交換部１と、室内設けられた熱放出部２と、この熱放出部２と前記地中熱交換部１とを接続して、該地中熱交換部１と前記熱放出部２との間で熱媒体を循環させる循環経路３と、熱交換換気装置４とを備えて概略構成されている。

地中熱交換部１は、熱伝導性や耐蝕性、防錆性等に優れた材料、例えばステンレス鋼で形成された円筒状のものであり、その内部には熱媒体としての水が充填されている。また、この地中熱交換部１は、上下に１０ｍ程度の長さを有しており、その埋設深さは、１年を通して地熱温度が１５℃程度という一定温度になる深さ、例えば５〜１０ｍ程度の深さに埋設されている。さらに、地中熱交換部１は、本実施の形態では２本平行離間して埋設されている。なお、地中熱交換部１は必要に応じて３本以上でもよく、また１本でもよい。
そして、この地中熱交換部１，１では、内部の水と地熱とが熱交換されて、該水が約１５℃程度に保持されるようになっている。

熱放熱部２は、本実施の形態では輻射パネル２であり、建物の室内に設置されている。輻射パネル２はその内部に熱媒体としての水を流す細長いパイプが蛇行して配置されたものであり、表面から輻射熱を放出できるようになっている。このような輻射パネル２は例えば室内の壁や天井に設置されている。

循環経路３は、熱放出部２と地中熱交換部１とを接続して、該地中熱交換部１と熱放出部２との間で熱媒体を循環させるものであり、地中熱交換部１，１の水放出口に接続された第１供給経路３ａ，３ａと、この供給経路３ａ，３ａに切替バルブ５を介して接続されて、輻射パネル２に熱媒体としての水を供給する第２供給経路３ｂと、輻射パネル２から水を地中熱交換部１，１に戻す帰還経路３ｃとを備えており、帰還経路３ｃは２つに分岐して地中熱交換部１，１の水取込口に接続されている。
また、前記切替バルブ５には分岐経路６が接続されており、この分岐経路６は再び循環経路３の帰還経路３ｃに接続されている。
上記のような循環経路３や分岐経路６は断熱対策が講じられたパイプによって構成されている。また、前記一方の第１供給経路３ａには、他方の第１供給経路３ａが接続されており、一方の第１供給経路３ａの途中には、水給送用のポンプＰが接続されている。

前記熱交換換気装置４は、外気の取り入れと室内空気の排出とを行うとともに、取り入れる外気と排出する空気とで熱交換を行うようにした装置であり、外気を室内に取り入れる供給側配管７と、室内の空気を屋外に排気する排気側配管８と、供給側配管７を通る空気と排気側配管８を通る空気との間で熱交換を行う第１熱交換部９と、前記分岐経路６を通る熱媒体としての水と供給側配管７を通る空気（外気）との間で熱交換を行う第２熱交換部１０とを備えている。
供給側配管７は建物の外部の空気を室内に取り入れるために建物の外部から換気ユニット本体１１に連通する外部吸入配管７ａと、この外部吸入配管７ａから吸入された空気を換気ユニット本体１１を介して建物の同一フロアの室内に供給する室内供給配管７ｂとを備えており、室内供給配管７ｂの先端部は前記室内の天井に設けられた図示しない給気グリル等に接続され、この給気グリル等から新鮮な外気（空気）を室内に供給するようになっている。
排気側配管８は、換気ユニット本体１１に設けられた室内吸入口１１ａから吸入された室内の空気を外部に排気するために換気ユニット本体１１から外部まで連通するようにして設けられている。

また、換気ユニット本体１１内には、前記第１熱交換部９が設けられている。この第１熱交換部９は、室内側に位置する室内吸入口１１ａから吸入されて外排気側配管８から室外に排出される空気と、室外側に位置する外部吸入配管７ａから吸入されて室内供給配管７ｂから室内に供給される空気との間で、熱交換をするもの、つまり、室外に排出される空気と室内に供給される空気とで内部の空気を直接、混合させることなく、熱の移動のみを行うことができるものである。具体的には、熱伝導率が大きな金属や樹脂等からなるストロー状の極細薄肉円筒管を多数、配列したものである。そして、室外に排出される空気と室内に供給される空気とのいずれか一方をストロー状の円筒管の内部を通過させ、他方をその円筒管の周囲を通過させるような構造のものである。これにより、室外に排出される空気と、室内に供給される空気とで温度差がある場合に温度が高い方の熱が薄肉円筒管を介して温度が低い方に伝わるように形成されている。
前記第２熱交換部１０は、外部吸入配管７ａの外周部に設けられており、この第２熱交換部１０に前記分岐経路６の途中が接続されている。第２熱交換部１０は、例えば第１熱交換部と同様の構成となっている。つまり、分岐経路６を流れる熱媒体としての水と室内に供給される空気とのいずれか一方をストロー状の円筒管の内部を通過させ、他方をその円筒管の周囲を通過させるような構造のものである。これにより、分岐経路６を流れる１５℃程度の水と室内に供給される空気とで温度差がある場合に温度が高い方の熱が薄肉円筒管を介して温度が低い方に伝わるように形成されている。

次に、上記構成の地熱利用空調装置によって空調を行う方法について図１〜図３を参照して説明する。
図２は暖期における地熱利用空調装置の状態を示している。まず、切替バルブ５を操作して分岐経路６に熱媒体としての水が通らないようにしておく。そして、ポンプＰを作動すると、水が循環経路３を通って輻射パネル２と地中熱交換部１，１との間で循環する。すなわち、地中熱交換部１，１に充填されている水が第１供給経路３ａ，３ａ、切替バルブ５、第２供給経路３ｂを通って輻射パネル２に供給される。この水の温度は約１５℃程度であるので、輻射パネル２から冷熱が輻射されて部屋の温度が下がる。これに伴って水の温度は上昇する。そして、この水が帰還経路３ｃを通って再び地中熱交換部１，１に戻される。地熱は１年を通してほぼ１５℃前後で一定であるので、地中熱交換部１，１に戻された水は地熱との熱交換によって１５℃程度に冷却されてこの温度に保持される。そして、熱媒体としての水を上記のようにして輻射パネル２と地中熱交換部１，１との間で循環させることによって、輻射パネル２から連続的に１５℃程度の冷熱を輻射して、部屋の空気を冷却する。したがって、室内の空気を所望の温度に保持するために冷房装置が消費するエネルギー（電力）を抑えることができる。

また、前記熱交換換気装置４では、供給側配管７を通して室内に取り入れる外気と、排気側配管８を通して室内から排気する空気との間で、第１熱交換部９によって熱交換を行っているが、前記循環経路３を通る熱媒体としての水の一部を第２熱交換部１０に導いてもよい。この場合、前記切替バルブ５を操作して、水の一部を分岐経路３を通して第２熱交換部１０に導く。そして、この水と供給側配管７を通る空気（外気）との間で、第２熱交換部１０によって熱交換を行うことによって、外気と地熱との間で水を介して熱交換を行う。すると、室内に供給側配管４を通って取り入れる外気の温度が熱交換によって下降するので、室内に取り入れる外気と室内の空気との温度差を小さくでき、よって、室内の空気を所望の温度に保持するために冷暖房装置が消費するエネルギー（電力等）を地熱を利用して抑えることができる。

図３は冷期における地熱利用空調装置の状態を示している。
上述したように、地熱は１年を通じてほぼ１５℃前後で一定であるので、冷期に地熱と室内の空気との間で熱交換を行うと、つまり輻射パネル２を利用すると暖房している室内の温度が下降する恐れがある。
そこで、冷期では切替バルブ５を操作して熱媒体としての水が熱放出部２に向けて循環経路３の第２循環経路３ｂを通らないようにしておく。そして、ポンプＰを作動すると、水が循環経路３の第１供給経路３ａ、切替バルブ５、分岐経路６を通って、第２熱交換部１０と地中熱交換部１，１との間で循環する。分岐経路６から第２熱交換部１０に送り込まれる水の温度は約１５℃程度であるので、この水と供給側配管７を通る空気（外気（例えば冷期は０℃〜５℃程度）との間で、第２熱交換部１０によって熱交換を行うことによって、外気と地熱との間で水を介して熱交換を行って、室内に取り入れる外気の温度が上昇する。したがって、室内に取り入れる外気と室内の空気との温度差を小さくでき、よって、室内の空気を所望の温度に保持するために暖房装置が消費するエネルギー（電力等）を地熱を利用して抑えることができる。

また、冷期に部屋の温度が例えば１０℃以下の低温となっている場合は、前記輻射パネル２を利用してもよい。この場合、切替バルブ５を操作して水の一部を第２供給経路３ｂに流すようにすると、この水が輻射パネル２に供給される。この水の温度は約１５℃程度であるので、輻射パネル２から１５℃程度の熱が輻射されて部屋の温度が上昇する。そして、部屋の温度が１５℃程度になったら、輻射パネル２の利用を停止する。その後は、暖房装置と熱交換管換気装置４によって部屋の空調を行う。

本発明に係る地熱利用空調装置の一例を示すもので、その概略構成図である。 同、暖期における状態を示す概略構成図である。 同、冷期における状態を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 地中熱交換部
２ 輻射パネル（熱放出部）
３ 循環経路
４ 熱交換換気装置
５ 切替バルブ
６ 分岐経路
７ 供給側配管
８ 排気側配管
９ 第１熱交換部
１０ 第２熱交換部

Claims (1)

1. 地中に埋設された地中熱交換部と、この地中熱交換部と室内との間で熱媒体を循環させる循環経路と、前記室内に設けられかつ前記循環経路の途中が接続された熱放熱部と、熱交換換気装置とを備え、
   前記熱交換換気装置は、外気を室内に取り入れる供給側配管と、室内の空気を屋外に排気する排気側配管と、供給側配管を通る空気と排気側配管を通る空気との間で熱交換を行う第１熱交換部と、
   前記循環経路から分岐して再び該循環経路に至る分岐経路の途中に接続され、この分岐経路を通る熱媒体と前記供給側配管を通る空気との間で熱交換を行う第２熱交換部とを備え、
   前記循環経路と分岐経路との分岐部には、切替バルブが設けられていることを特徴とする地熱利用空調装置。

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