JP4902622B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、建物の各居室空間を、地熱を利用して快適温度に空調する空調システムに関する。

居室空間内の空調には、従来から電力や燃料を利用する冷房システムや暖房システム広く用いられている。この冷房システムや暖房システムでは居住空間内を任意かつ急速に冷房または暖房して速やかに快適空間を得ることができる点で有利である。しかし、これらのいずれのシステムでも電力や燃料を消費するため，大きな経済的負担と資源の損失を招き、省資源に逆行する。特に厳寒時や猛暑時にはこうした経済的負担および損失が過大となり、好ましくない。

また、前記のような空調システムでは、空調によって居室空間内外の温度差が急速に変化することによって、壁面や窓ガラスに結露が発生したり、健康被害を招き易くなったりするという不都合があった。さらに、このような空調は、密閉空間での利用を前提とするため定期的に換気が必要になり、この換気による室温の急激な変化が避けられない。

一方、これに対して、外気を地中に埋設した地下ダクトに導入し、この地下ダクト内で地熱によって熱交換した空気を建物の床下から居室空間内に引き込んだ後、居室空間外へ排出する空調システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平０７−２４８１３０号公報

しかしながら、前記従来の空調システムにあては、地中に埋設する地下ダクトが、熱伝導率の高い耐食製の金属からなる蛇腹状のパイプを層状に屈曲させた構成であるために、敷地の地中内に占める空間が大きいにも拘らず、パイプが層状に重なるために熱容量が比較的小さく、従って地熱の利用効率が悪いという不都合があった。また、地下ダクトがステンレスなどの金属材料を管状に成形したものからなり、これらが変形しないように屈曲加工および地中埋設する必要から、設置の作業効率が悪く、しかも設置コストが高くつくという不都合があった。

本発明は前記のような従来の問題点に着目してなされたものであり、既存の安価な管材を用いることで、地中への埋設または設置を安価かつ容易に実施できるとともに、熱交換効率が比較的高い空調を容易に実現できる空調システムを提供することを目的とする。

前記目的達成のために、本発明にかかる空調システムは、地中に埋設した地下熱交換部に外気を吸入し、この地下熱交換部内で地熱を利用して熱交換した空気を建物の居室空間に引き込み、一方この居室空間の空気を居室空間外へ排気する空調システムであって、前記地下熱交換部は、天部が塞がれ、下端部がコンクリート基板上に支持された状態にて地中に埋設された、大径のコンクリート管、土管およびヒューム管のいずれかからなる第１の管体および第２の管体を備え、前記第１の管体および第２の管体は上下部の少なくとも２箇所で連結パイプにより相互に連結および連通され、前記第１の管体の前記天部には、上端が大気に開放し、他端が第１の管体内に開放し、かつ周囲に多数の吸気孔が設けられた吸気管が貫通するように取り付けられ、第２の管体の周壁には、一端が第２の管体内に開口し、他端には建物の居室空間に連通するダクトを接続する給気管が取り付けられて、
前記第１の管体内の空気温度よりも外気温が低い場合には、前記吸気管を通して前記第１の管体内へ外気を流入させ、この空気の流入により前記第１の管体内の空気（暖気）を前記第２の管体内に流入させ、前記第１の管体から第２の管体内への空気の流入によって、該第２の管体内の空気を前記ダクトを通して前記居室空間へ送り出すことを特徴とする。

この構成により、外気を自然の流れに従って熱容量の大きい第１の管体内に取り込んで、地熱による所定温度の空気と効率的に熱交換し、この熱交換を行って暖められた空気を同じく熱容量の大きい第２の管体に貯留して、ここで再び十分に地熱に近い温度の空気温度に暖められることで、この熱交換した空気を建物の床下から側壁などに配したダクトを通して各居室空間に供給することができる。このため、各居室空間を、外気温度に比べて暖かい室温に空調することができる。

この場合において、第１の管体および第２の管体として、既存のコンクリート管、土管、ヒューム管のいずれかを選択して用いることができ、地中への埋設、設置作業が容易で、設備コストおよび施工コストを従来品に比べて格段に低く抑えることができる。

また、本発明に掛かる空調システムは、地中に埋設した地下熱交換部に外気を吸入し、この地下熱交換部内で地熱を利用して熱交換した空気を建物の居室空間に引き込み、一方この居室空間の空気を居室空間外へ排気する空調システムであって、前記地下熱交換部は、天部が塞がれ、下端部がコンクリート基板上に支持された状態にて地中に埋設された、大径のコンクリート管、土管およびヒューム管のいずれかからなる第１の管体および第２の管体を備え、
前記第１の管体および第２の管体は上下部の少なくとも２箇所で連結パイプにより相互に連結および連通され、前記第１の管体の前記天部には、上端が大気に開放し、他端が第１の管体内に開放し、かつ周囲に多数の吸気孔が設けられた吸気管が貫通するように取り付けられ、前記第２の管体の周壁には、一端が第２の管体内に開口し、他端には建物の居室空間に連通するダクトを接続する給気管が取り付けられて、
前記第１の管体内の空気温度よりも外気温が高い場合には、小型の換気ファンにより前記吸気管を通して前記第１の管体内へ外気を流入させ、この空気の流入により該第１の管体内の空気（冷気）を前記第２の管体内に流入させ、前記第１の管体から第２の管体内への空気の流入によって、該第２の管体内の空気を前記ダクトを通して前記居室空間へ送り出すことを特徴とする。

この構成により、小型の換気ファンを用いて、外気を熱容量の大きい第１の管体内に取り込んで、地熱による所定温度の空気と効率的に熱交換し、この熱交換を行って冷やされた空気を同じく熱容量の大きい第２の管体に貯留して、ここで再び十分に地熱に近い低温度の空気温度に冷やすことで、冷やされた前記第１の管体内の空気温度よりも外気温が高い場合には、小型の換気ファンにより前記吸気管を通して前記第１の管体内へ外気を流入させ、この空気の流入により該第１の管体内の空気（冷気）を前記第２の管体内に流入させ、前記第１の管体から第２の管体内への空気の流入によって、該第２の管体内の空気を前記ダクトを通して前記居室空間へ送り出すことを特徴とする空気を建物の床下から側壁などに配したダクトを通して各居室空間に供給することができる。このため、各居室空間を、外気温度に比べて涼しい室温に空調することができる。

また、本発明にかかる空調システムは、 前記第１の管体および第２の管体が、前記建物の基礎より内側の地中に埋設されていることを特長とする。

この構成により、建物の敷地が狭い場合でも狭い敷地内での空調システムの施工が可能になる。

本発明によれば、既存の安価な管材を用いることで、地中への埋設または設置を安価かつ容易に実施できるとともに、設置コストが安価で、運転コストが掛からず、熱交換効率の高い空調を容易に実現できるという効果が得られる。

以下に、本発明の実施形態による空調システムを、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態による空調システムの要部を示す断面図、図２は、この空調システムの設置例を示す説明図である。図１および図２において、本実施形態にかかる空調システムは、地下熱交換部を構成する大径の第１の管体１および第２の管体２を一組として形成され、これらが家屋の敷地の略同一レベルの地中に埋設されている。

この埋設深さは、地表から例えば２００ミリ以上とされる。これらの第１の管体１および第２の管体２はいずれも内径が９００ミリ以上、長さが１８００ミリ以上の大容量のコンクリート管、土管およびヒューム管のいずれかから構成される。これらのコンクリート管、土管およびヒューム管は地熱容量を十分に確保できるサイズとされ、必要に応じてこれ以上のサイズとすることは任意である。

さらに、第１の管体１および第２の管体２は上端部が天板（天部）３、４によってそれぞれ塞がれており、下端部は暑さ５０ミリの板状のコンクリート基板５、６上に支持され、さらに地中に埋設されている。

第１の管体１の開口上部を塞ぐ天板３には、この天板３を貫通するように吸気管７が取り付けられている。この吸気管７は、例えば内径が１００ミリで、天板３より下方の長さが例えば１５０ミリとされ、この第１の管体１内に臨む吸気管７の周囲には、多数の通気孔８が貫通するように穿接されている。

これらの通気孔８は、例えば１０〜１５ミリで、２０〜３０個とされ、後述のように吸気管７内に取り込まれる外気を、その吸気管７の下端から放出するのみでなく、吸気管７の周囲から第１の管体内に略均等に拡散するように機能する。

また、吸気管７の上部および上端は地上に臨み、地上の外気を上端から吸入して第１の管体１内へ導入するように機能する。この吸気管７の上端部は逆Ｕ字状に曲折されて端部が下方に向き、この端部から吸気管７内への雨や雪などが入り込むのを防止している。

第１の管体１および第２の管体２には、上下部において互いに略水平方向に連通する連通管９、１０が接続されている。これらの連通管９、１０は第１の管体１および第２の管体２内に各端部が開口し、第１の管体１内で熱交換を行った空気を第２の管体２内に導入可能にしている。この場合において、上部の連通管９は第１の管体１および第２の管体２の上端より６００ミリの深さに、また下部の連通管１０は第１の管体１および第２の管体２の上端より１３００ミリの深さに、それぞれ略水平に配置されている。なお、これらの連通管９、１０の内径寸法は、例えば１００ミリとされる。

さらに、第２の管体２には、これの上端からの高さが、例えば５００ミリの位置に給気管１１の一端が連結されている。この給気管１１は第２の管体２との連結部から地上に向かって高くなるように、勾配をつけて地中に埋設され、上端は建物１２の床下１３に導かれている。

この建物１２は敷地内の基礎１４上に設立され、床下１３に臨む給気管１１の先端には、建物１２の外壁および内壁間の空隙（図示しない）と、屋根１５および２階の天井間の空隙（屋根裏）１７とに連続して配設されたダクト１８の一端が接続されている。従って、給気管１１を通る空気はダクト１８を介して、その天井に設けられた給気孔１９を通して、各室２０内へ送り出される。なお、図示しないが、床下１３で給気管１１に繋がれるダクト１８を２階の床と１階の天井との間に分岐させるようにして導き、この天井に設けられた給気孔（図示しない）から１階の各室２０内へ送出可能にすることもできる。

なお、給気管１１の地上に露出する部位とこの給気管１１に接続されるダクト１８の周囲には、それぞれ発泡材などの断熱材２１が被覆されている。これにより、地熱によリ熱交換された第２の管体２内の空気が各室２０内に導かれる前に、外気温度の影響を受けて温度上昇または下降することを回避することができる。

かかる構成になる空調システムでは、第１の管体１および第２の管体２が、これらの内部の空気を地熱またはこの地熱に近い温度に維持するように熱変換する。従って、例えば、春、秋、冬の肌寒い時期には吸気管７内に空気の流れが生じ、外気（冷気）が吸気管内を第１の管体内に向って自然に下降する。そして第１の管体１内に吸入された外気は、第１の管体１内で地熱によって熱交換された温度またはこれに近い温度の空気と混合される。この混合気はさらに連通管９、１０を通じて第２の管体２内に送り出され、この第２の管体２内の地熱に近い温度の空気に混合されて温度上昇する。

第１の管体１の容積と同様に、第２の管体２の容積も大きく、しかも熱容量が大きいコンクリート管や、土管や、ヒューム管などによって作られているため、第２の管体２内の空気温度は大きく変化しない。従って、この第２の管体２内に送り込まれた空気は、その地熱に近い温度に変換されて、給気管１１へ導かれる。この給気管１１は地中から地上に向かって傾斜しており、第２の管体２内の空気は地上方向へ流出する。つまり第２の管体２内で再び暖められ空気が給気管１１を通って建物１２の床下１３に至る。

また、この給気管１１の上端は、断熱処理されたダクト１８を通じて２階の天井に設けられた給気孔１９から２階の各室２０内や、１階の天井に設けられた給気孔（図示しない）を通じて１階の各室２０内へ送り出される。これにより、各室２０内は大気を地熱温度に近い温度に変換した空気によって暖房の空調がなされる。なお、各室２０内で空調を行った空気は、ドアのアンダーカット部等や隙間などから居室空間外へ排出される。

従って、冬季には低温の大気を地熱に近い温度に暖めて、各室２０内を暖房することができる。

この場合において、前記空気の流れは、地上の冷気である外気が地下の第１の管体１内に自然に送り込まれることによって、その送り込まれた空気の容量分の第１の管体１内の空気を、第２の管体2、給気管１１、ダクト１８を介して各居室空間２０に順に送り込まれる。このため換気ファンは使用されない。しかし、必要に応じて小型の換気ファンを一時的に併用することもできる。従って、このような空調方法によって、電力や化石燃料等を用いることなく、家屋の居室空間を最適温度に冷房持することができる。なお、夏季などには、吸気管を通じての地上から第１の管体１への気温の高い外気の移動がなくなり、第１の管体１および第２の管体それぞれの内部空気は滞留状態になる。このため夏季などのように外気温度が前記第１の管体１内の気温より高い場合には、小型の換気ファンを用いて、吸気管７からダクト１８までの空気の流通経路内に空気の流れを積極的に作る。

図３は、２００８年８月７日〜９月９日の２９日間での空調実験データを示す。これによれば、８月７日は天気が晴れで、午後３時半の外気温が２５℃、地中の温度が１６℃であるとき、本実施形態による空調システムによる給気孔（室内吹出し口）１９の空気温度が１８℃となる。また、このとき、１階および２階の北向きの室（居室空間）２０では室内温度（内気温）がそれぞれ２４℃および２５℃、南向きの室２０では室内温度がそれぞれ２４℃、２５℃、西向きの室２０では室内温度がそれぞれ２３℃、２４℃となる。

一方、外気温が低い９月９日は天気が晴れで、午後４時半の外気温度が１８．７度であるとき、本実施形態による空調システムによる給気孔１９の空気温度が１７℃となる。このときは、１階および２階の北向きの室２０では室内温度がそれぞれ２０℃および２１℃、南向きの室２０では室内温度がそれぞれ２０℃、２２℃、西向きの室２０では室内温度がそれぞれ２０℃、２１℃となる。

これによれば、外気温が２５℃〜１８℃では、各室２０の温度が２０℃〜２４℃の間で緩やかに変動し、安定した室内温度の環境が得られることが分かる。

また、吸気管７に設けられる通気孔８は、この吸気管７を通じて大気が第１の管体１内に抵抗なく吸入、拡散可能なサイズおよび個数とすることが望ましい。さらに、第１の管体１と第２の管体２とを連通する連通管９、１０を上下に設けることで、第１の管体１内の上位および下位にある低温および高温の空気を共に第２の管体２内に送り込んで、地熱温度に近い均一温度への熱変換を可能とすることができる。

さらに、給気管１１は傾斜管であるために、第２の管体２内の空気を自然に建物１２の床下１３からダクト１８を通して上昇させるようにして各室２０内に送り出すことができる。

このように本実施形態による空調システムは、地下熱交換部を、天部が塞がれ、下端部がコンクリート基板６上に支持された状態にて地中に埋設された、大径のコンクリート管等の、第１の管体１および第２の管体２から構成し、第１の管体１および第２の管体２を上下部の少なくとも２箇所で連結パイプ９、１０により連結および連通し、第１の管体１の天部に、上端が大気に開放し、他端が第１の管体１内に開放し、かつ周囲に多数の通気孔８が設けられた吸気管７が貫通するように取り付け、第２の管体２の周壁には、一端が第２の管体２内に開口し、他端が建物１２の床下１３を通って居室空間（室）２０内に開口する給気管１１を連設した構成を持つ。

従って、外気を熱容量の大きい第１の管体１内に取り込んで効率的に熱交換し、この熱交換を行った空気を同じく熱容量の大きい第２の管体２に一旦貯留し、さらに十分に地熱に近い温度に熱交換することで、この熱交換した地熱に近い温度の空気を建物１２の床下１３から側壁などに配したダクト１８を通して各居室空間２０内に供給することができる。このため、各居室空間２０内は、外気温度に比べて低いかまたは暖かい室温に空調することができる。この結果、既存の安価な管材を用いることで、地中への埋設または設置を安価かつ容易に実施できるとともに、設置コストが安価で熱交換効率の高い空調を容易に実現できるものとなる。

本発明は、地中への埋設または設置を安価かつ容易に実施できるとともに、設置コストが安価で熱交換効率の高い空調を容易に実現できるという効果を有し、
建物の居住空間を省エネルギを維持しながら快適温度に空調する空調システム
等に有用である。

本発明の実施形態による空調システムを示す要部の断面図である。 図１に示す空調システムの設置状態を示す説明図である。 本発明の実施形態による空調システムを用いた空調実験の実験データを示す説明図である。

符号の説明

１ 第１の管体（地下熱交換部）
２ 第２の管体（地下熱交換部）
３、４ 天板（天部）
５、６ コンクリート基板
７ 吸気管
８ 通気孔
９、１０ 連通管
１１ 給気管
１２ 建物
１３ 床下
１４ 基礎
１５ 屋根
１６ 天井
１７ 空隙
１８ ダクト
１９ 給気孔
２０ 居室空間（室）
２１ 断熱材

Claims (3)

1. 地中に埋設した地下熱交換部に外気を吸入し、この地下熱交換部内で地熱を利用して熱交換した空気を建物の居室空間に引き込み、一方この居室空間の空気を居室空間外へ排気する空調システムであって、
   前記地下熱交換部は、天部が塞がれ、下端部がコンクリート基板上に支持された状態にて地中に埋設された、大径のコンクリート管、土管およびヒューム管のいずれかからなる第１の管体および第２の管体を備え、
   前記第１の管体および第２の管体は上下部の少なくとも２箇所で連結パイプにより相互に連結および連通され、
   前記第１の管体の前記天部には、上端が大気に開放し、他端が第１の管体内に開放し、かつ周囲に多数の吸気孔が設けられた吸気管が貫通するように取り付けられ、
   第２の管体の周壁には、一端が第２の管体内に開口し、他端には建物の居室空間に連通するダクトを接続する給気管が取り付けられて、
   前記第１の管体内の空気温度よりも外気温が低い場合には、前記吸気管を通して前記第１の管体内へ外気を流入させ、この空気の流入により前記第１の管体内の空気（暖気）を前記第２の管体内に流入させ、前記第１の管体から第２の管体内への空気の流入によって、該第２の管体内の空気を前記ダクトを通して前記居室空間へ送り出すことを特徴とする空調システム。
2. 地中に埋設した地下熱交換部に外気を吸入し、この地下熱交換部内で地熱を利用して熱交換した空気を建物の居室空間に引き込み、一方この居室空間の空気を居室空間外へ排気する空調システムであって、
   前記地下熱交換部は、天部が塞がれ、下端部がコンクリート基板上に支持された状態にて地中に埋設された、大径のコンクリート管、土管およびヒューム管のいずれかからなる第１の管体および第２の管体を備え、
   前記第１の管体および第２の管体は上下部の少なくとも２箇所で連結パイプにより相互に連結および連通され、
   前記第１の管体の前記天部には、上端が大気に開放し、他端が第１の管体内に開放し、かつ周囲に多数の吸気孔が設けられた吸気管が貫通するように取り付けられ、
   第２の管体の周壁には、一端が第２の管体内に開口し、他端には建物の居室空間に連通するダクトを接続する給気管が取り付けられて、
   前記第１の管体内の空気温度よりも外気温が高い場合には、小型の換気ファンにより前記吸気管を通して前記第１の管体内へ外気を流入させ、この空気の流入により該第１の管体内の空気（冷気）を前記第２の管体内に流入させ、前記第１の管体から第２の管体内への空気の流入によって、該第２の管体内の空気を前記ダクトを通して前記居室空間へ送り出すことを特徴とする空調システム。
3. 前記第１の管体および第２の管体が、前記建物の基礎より内側の地中に埋設されていることを特長とする請求項１または請求項２に記載の空調システム。

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