JP5454917B2 - 地熱利用システム - Google Patents
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Description
そして、日本国内における冬場の気温は15℃よりも遥かに低温であり、夏場の気温は15℃よりも遥かに高温であることから、例えば空調、給湯その他の熱的負荷に対して、係る温度差を有効利用することが考えられる。
そのため、地熱を回収して利用する技術が、従来から種々提案されている。
しかし、熱媒が地熱と熱交換を行なうために必要な面積を確保するために、冷媒を流過させる配管径が大きくなってしまう。
また、例えば空調機器が適切に作動するだけの熱量を回収するためには、非常に長い配管を地中の深い領域まで埋設しなければならない。
そして、大径の配管を地中深い領域まで埋設するために、多大なコストが必要になってしまうという問題が存在する。
しかし、係る従来技術(特許文献1)では、竪穴井戸を穿孔する必要があり、蓄熱量が多くなると竪穴の深度を増加しなくてはならないので、上述した問題点を解決することは出来ない。
当該気化温度は、前記配管系(La、9)における二酸化炭素の圧力に対応している。そして、前記気化温度が低温過ぎると(暖房運転を行なう場合には0℃未満、冷房運転を行なう場合には15℃未満)、前記配管系(La、9)の圧力が低くなり過ぎて、二酸化炭素の循環について不都合である。
一方、気化温度が高温過ぎて、暖房運転を行なう場合に15℃を超える温度となってしまうと、前記配管系(La、9)の圧力が高圧になり過ぎるので危険である。また、冷房運転を行なう場合には30℃を超えてしまうと、前記配管系(La、9)を循環する二酸化炭素が気液混合状態となってしまう臨界点(31℃)に近付き過ぎてしまうので、不都合である。そして、臨界点(31℃)に達して二酸化炭素が気液混合状態となってしまうと、地熱と二酸化炭素の気化熱との熱交換効率が低下してしまう。
或いは、前記配管系(La、9E、9F)は、地中(G)では螺旋形に配置されているのが好ましい。
換言すれば、二酸化炭素で構成された熱媒の潜熱と、地熱の顕熱とが、いわゆる「潜熱−顕熱熱交換」を行なう。
ここで、「潜熱−顕熱熱交換」は、従来の地熱利用機器における熱媒と地熱とのいわゆる「顕熱−顕熱熱交換」に比較して、単位あたりの熱媒が多量の熱を回収或いは排出することが出来るため、熱効率が大幅に向上している。
そのため、本発明によれば、熱媒が地熱を効率的に回収或いは地中に熱を効率的に排出することが出来るので、地中(G)に埋設される配管系(La、9)を短く、細くすることができる。
そのため、地中(G)に配管(La、9)を埋設する際に、地中深い領域まで掘削する必要が無く、配管埋設のために多大なスペースを獲得する必要が無い。
また、ブラインが流れる地中配管を地中杭近傍に配置しない場合には、当該地中配管を埋設するための井戸を掘削しなければならず、そのためのコストが発生してしまう。
地中(G)に埋設される配管系(La、9)を短く、細くすることができる本発明によれば、その様なコストを減少することができるのである。
一方、液相の二酸化炭素が地熱(気化熱)を回収して気化すると、気相の二酸化炭素は、液相の二酸化炭素に比較して比重が小さく、熱交換器(例えば、室外機1)に向かって、二重管(9)の外管(92)を上昇する。
そのため、外部動力を設けなくても、液相の二酸化炭素と気相の二酸化炭素は、二重管内を流過するのである。
発明者の研究によれば、当該温度が二酸化炭素の気化温度である場合には、本発明において、暖房効率或いは冷房効率が最も向上する。
ここで、地中(G)の配管系を螺旋形(9E、9F)に配置すれば、円周方向長さは、直径の3倍なので、地中配管を設置するための掘削深さが、従来技術の1/3程度で済む。
図示の実施形態では、地中熱を空調装置に利用したシステムが例示されている。
換言すれば、図示の実施形態では、熱的負荷として、例えば、空調機3が接続されている。
ここで、図1、図3、図4は、動作の説明を理解し易くするため、地中の配管(La)の一部を実際とは異なった構成として示している。地中の配管(La)における構成については、後述する。
なお、図1では冷暖房切替制御の制御系(コントロールユニット50等)を図示しているが、図3、図4では当該制御系は図示を省略している。
最初に図1を参照して、第1実施形態に概要を説明する。
配管系Laは、ラインLa1〜La5を有している。
ラインLa2は、バルブV1と室外機1の接続口11とを接続している。ラインLa2において、バルブV1近傍には分岐点B1が設けられ、接続口11近傍には温度センサ6が介装されている。
ラインLa3は、室外機1の接続口12とバルブV2とを接続している。ラインLa3において、バルブV2近傍には分岐点B2が設けられ、接続口12近傍には温度センサ7が介装されている。
ラインLa4は、バルブV2とポンプ5の吸入口5iとを接続している。
ラインLa5は、分岐点B1と分岐点B2を接続して、ポンプ5をバイパスするバイパスラインである。
第1の熱媒ラインLbは、ラインLb1〜Lb5を有している。
ラインLb2は、四方弁V4のポートVp2と室内機2の接続口21とを接続している。
ラインLb3は、室内機2の接続口22と室外機1の接続口13とを接続している。ラインLb3には、減圧弁V3が介装されている。
ラインLb4は、室外機1の接続口14と四方弁V4のポートVp3を接続している。
ラインLb5は、四方弁V4のポートVp4とコンプレッサ4の吸入口4iとを接続している。
第2の熱媒ラインLcは、ラインLc1とラインLc2を有している。
ラインLc1は、空調機3の接続口31と室内機2の接続口23を接続している。ラインLc2は、室内機2の接続口24と空調機3の接続口32とを接続している。
ここで図1において、符号Gは地中を示し、符号Gfは地表を示す。
図2のステップS1では、自動制御或いはマニュアル操作により、コントロールユニット50を備えた図示しない制御盤を操作して、空調機3を作動させる。
ステップS2では、自動制御或いはマニュアル操作により、暖房運転を行うか、或いは、冷房運転を行なうかを決定し、決定された運転を行なう。
そしてステップS4に進み、四方弁V4を暖房側に切り替える。四方弁V4が暖房側に切替えられると、四方弁V4のポートVp1とポートVp2が連通し、ポートVp3とポートVp4が連通する(図3参照)。
そして、ステップS6に進み、四方弁V4を冷房側に切り替える。四方弁V4が冷房側に切替えられると、四方弁V4のポートVp1とポートVp3が連通し、ポートVp2とポートVp4が連通する(図4参照)。
ステップS8では、コントロールユニット50は暖房運転或いは冷房運転の終了操作が行われた否かを判断する。終了操作が行われたのであれば(ステップS8がYES)、制御を終了する。
一方、終了操作が行なわれていなければ(ステップS8がNO)、ステップS2まで戻り、ステップS2以降を繰り返す。
図3で示す暖房運転時には、前述したように、配管系Laに介装された開閉バルブV1、V2は閉鎖し、配管系Laに介装したポンプ5が停止する。
そして、第1の熱媒ラインLbに介装された四方弁V4が暖房側に切り替わり、四方弁V4のポートVp1とポートVp2が連通し、ポートVp3とポートVp4が連通する。
そして、コンプレッサ4が作動して、熱媒(例えば、フロンR134)が圧縮されて高温高圧の気相フロンとなって、コンプレッサ4の吐出口4oから吐出される。
室内機2の熱交換部2h内で高温高圧の気相フロンは、第2の熱媒ラインLcを流れる熱媒(空調機3からラインLc1を介して室内機2に流入した熱媒:例えば水)と熱交換を行う。室内機2における熱交換により、熱媒ラインLcを流れる水(熱媒)は暖められ、高温高圧の気相フロンは気化熱を失って凝縮し、高圧の液相フロンとなる。
室内機2で温められた水は、ラインLc2から空調機3に送られ、空調機3における図示しないラジエータで放熱して、空調機3を設置した空間の暖房を実行する。図示しないラジエータで放熱した後、熱媒である水は、再びラインLc1経由で室内機2に送られる。
室外機1の熱交換部1hにおいて、低圧の液相フロンは、地中に埋設された配管系Laを流れる気相CO2と熱交換を行ない、気化熱が投入される。そして、気化熱を低圧液相フロンに投入するため、配管系Laを流れる気相CO2は凝縮して、液相CO2となる。すなわち、熱交換部1hにおいて、低圧液相フロンと気相CO2が潜熱である気化熱を熱交換して、いわゆる「潜熱−潜熱熱交換」を行なう。その結果、低圧液相フロンは気化して、低圧気相フロンとなる。
室外機1で気化した低圧気相フロンは、室外機1の接続口14、ラインLb4、四方弁V4のポートVp3、Vp4、ラインLb5を経由して、コンプレッサ4の流入口4iに流入する。そして、コンプレッサ4で圧縮されて、さらに高温高圧の気相フロンとなり、吐出口4oから吐出される。
暖房運転時には開閉弁V1、V2が閉塞しているため、ラインLa2を流過するCO2は、分岐点B1からバイパスLa5を流れ、分岐点B2からラインLa3に流入する。
ここで、室外機1から排出した液相CO2は、気相CO2に比して比重が大きい。そのため、ラインLa3内の気相CO2は、液相CO2に押し出されるようにラインLa3内を上昇する。そのため、暖房運転時には、CO2搬送用ポンプ5を作動させる必要がない。
ラインLa3内を上昇した気相CO2は、接続口12から室外機1内に流入する。そして、上述した様に、低圧気相フロンに気化熱を投入する。
図4の冷房運転時には、前述したように、配管系Laに介装された開閉バルブV1、V2を開放し、同時に配管系Laに介装したポンプ5を作動する。
配管系Laでは、ポンプ5で昇圧された液相CO2は、吐出口5o、ラインLa1、開閉弁V1、ラインLa2を上昇する。そして、接続口11を経由して室外機1内の熱交換部1hに流入する。
ここで、ラインLa3には、ポンプ5の吸入口5iの負圧が作用するので、室外機1で気化した気相CO2は、ラインLa3を地中側に向かって降下する。
気相CO2は、ラインLa3を降下する間に地中へ気化熱を捨てて凝縮し、液相CO2となる。そして、ポンプ5の吸入口5iの負圧により、液相CO2はラインLa5に分岐すること無く、全量がラインLa4を流れ、ポンプ5の吸入口5iに吸い込まれる。
コンプレッサ4が起動して、熱媒であるフロンR134が圧縮されて高温高圧の気相フロンとして吐出口4oから吐出される。
室外機1の熱交換部1h内で高温高圧の気相フロンは、配管系LaのラインLa2から接続口11に流入した液相CO2に気化熱を投入し(熱交換を行ない)、凝縮して、高圧の液相フロンとなる。その際に、配管系Laの液相CO2は気化する。
熱交換部2h内では、第1熱媒ラインLbを流過する低圧液相フロンは、第2熱媒ラインLcを流過する水(熱煤)と熱交換を行ない、気化熱が投入されて低圧の気相フロンとなる。その際に、第2熱媒ラインLcを流過する水は、第1熱媒ラインLbを流過するフロンに気化熱を投入した分だけ、降温する。
換言すると、室内機2では、第2熱媒ラインLcを流過する水(熱媒)の顕熱と、第1熱媒ラインLbを流過するフロンの顕熱とが熱交換される(顕熱−潜熱熱交換)。
一方、室内機2内で気化した低圧気相フロンは、室内機2の接続口21、ラインLb2、四方弁V4のポートVp2、Vp4、ラインLb5を経由して、コンプレッサ4の吸入口4iから吸い込まれる。そして、コンプレッサ4で圧縮されて、高圧気相フロンとして吐出口4oから吐出される。
それに対して図4で示す冷房運転の場合は、上述した通り、配管系Laを流れるCO2は、ポンプ5を稼動しなければ、配管系La内を循環しない。
係るポンプ5及びラインLa1、La4、La5については、図7〜図9を参照して後述する。
ここで、図3で示す暖房運転においても、図4で示す冷房運転においても、室外機1では、配管系Laを流れるCO2と第1熱媒ラインLbを流れるフロンとが気化熱を熱交換して、いわゆる「潜熱−潜熱交換」を行なうので、大量の熱量が交換されて、効率が高くなる。
係る二重管については、図5〜図12を参照して説明する。
図5において、配管系Laを構成する二重管9は、内管91と外管92とで構成されている。
図5で示す様に、暖房時(図3参照)においては、室外機1から送られてきた液相CO2が二重管9の内管91を降下する。
液相CO2が地熱から気化熱を投入されると、気化して気相CO2となる。そして、気相CO2は液相CO2に比較して比重が小さいので、二重管9の外管92を上昇して、室外機1に向かう。
すなわち、図3の暖房時には、地中に送るべき液相CO2は内管91を自重により下方へ落下し、地中から戻る気相CO2は外管92を上昇するので、二重配管9中を熱媒であるCO2が流れるための動力を外部から供給する必要がない。
ここで、冷房時には暖房時とは異なり、比重の小さい気相CO2を下降させ、比重の小さい液相CO2を上昇させるため、動力が必要となる。
そして、内管91の下端には第2の開閉弁Vb2を取り付けている。ここで、第2の開閉弁Vb2を開放すると内管91の先端が外管92に連通し、第2の開閉弁Vb2を閉鎖すると内管91の先端が閉塞する。
ポンプ5の吐出口と内管91の底部近傍がライン93で接続されており、ライン93には第3の開閉弁Vb1が介装されている。
上述したように、暖房時においては、内管91から下降した液相CO2は、地熱と熱交換して気化熱が投入されて気相CO2となる。そして、気相CO2は第2の開閉弁Vb2を介して外管92の底部近傍に流入し、外管92の底部から外管92を上昇する。ここで、気相CO2と液相CO2が混在して、いわゆる「気相2相流」となって外管92に流入したとしても、地熱と熱交換して、完全に気相CO2となって室外機1側へ上昇する。
ポンプ5を作動することにより、外管92内に負圧が作用するので、比重が小さい気相のCO2が下降する。
外管92を下降してきた気相CO2は、下降途中で、地中に気化熱を排出して凝縮される。そして、液相CO2としてポンプ5に吸引される。ポンプ5から吐出された液相CO2は、ライン93、第3の開閉弁Vb3を経由して、内管91から室外機1に圧送される。
図10は、二重管9の室外機側端部(上端部)における配管の構成を模式的に示している。
図10において、二重管9における内管91の上端は、図1〜図3で示すラインLa2が接続されており、外管92の上端は、図1〜図3で示すラインLa3が接続されている。
そのような場合に対応するために、図11で示す様に、配管系La側に4つのバルブVa1〜Va4を介装し、ラインLa2、ラインLa3が、内管92、外管93の何れにも連通可能に構成することも可能である。
ラインLa2の分岐点Ba2からラインLa6が分岐しており、内管91に連通している。また、ラインLa3の分岐点Ba3からラインLa7が分岐しており、内管91に連通している。
ラインLa6には開閉弁Va3が介装され、ラインLa7には開閉弁Va4が介装されている。
図12の第1変形例では、二重管9Aの外管92Aが、長手方向(中心線CL方向)について、凹凸が形成されている。係る凹凸を形成することにより、表面積を増大させ、熱の交換効率を高めている。
図示はされていないが、二重管9Aの内管91Aについても、長手方向について凹凸が形成されていても良い。
図13の第2変形例では、二重管9Bの外管92Bが、円周方向について凹凸を設け、以って、表面積を増大させ、熱の交換効率を高めている。
係る第2変形例において、図示はされていないが、二重管9Bの内管91Bに、円周方向の凹凸を形成しても良い。
さらに、二重管9の変形例として、図示はされていないが、二重管の外管(或いは、外管及び内管)に、フィンを設けることも可能である。
ここで、「潜熱−顕熱熱交換」は、従来の地熱利用機器における熱媒と地熱における「顕熱−顕熱熱交換」に比較して、単位量の熱媒当たり多量の熱を回収或いは排出することが出来るので、熱効率が良好となる。
そのため、第1実施形態よれば、熱媒が地熱を効率的に回収或いは地中Gに熱を効率的に排出することが出来るので、地中Gに埋設される配管系La(二重管9)を短くして、細くすることができる。
そのため、地中Gに配管系La(二重管9)を埋設する際に、地中深い領域まで掘削する必要が無く、配管埋設のために多大なスペースを必要としない。
また、ブラインが流れる地中配管を地中杭近傍に配置しない場合には、当該地中配管を埋設するための井戸を地中深い領域まで掘削しなければならず、そのためのコストが発生してしまう。
第1実施形態によれば、地中Gに埋設される配管系La(二重管9)を短く且つ細くすることができるので、上述した様なコストが発生しない。
上述したように、暖房運転時には、比重の大きい液相CO2が二重管9の内管91を降下し、地熱(気化熱)が投入されて気化した気相CO2は二重管9の外管92を上昇するので、配管系La内を熱媒であるCO2が循環するに際して、外部動力を必要としない。
したがって、暖房時の運転コストが軽減できる。
発明者の研究によれば、室外機1から地中側に送られる熱媒の温度が所定の温度(例えば、暖房運転を行なう場合には、室外機1から地中に送られる液相CO2の温度が0〜15℃、冷房運転を行なう場合には、室外機1から地中に送られる気相CO2の温度が15〜30℃)であれば、暖房効率或いは冷房効率が最も向上することが判明している。
従って、室外機から地中側に送られる熱媒の温度が、当該所定温度(例えば、暖房時には6℃)に維持されることが、効率の高い運転を行なう上で好ましい。
ここで、発明者の実験では、暖房時において、室外機から地中側に送られる液相CO2の温度が6℃の場合、地中に埋設され、室外機に連通する熱媒であるCO2の圧力は、4MPa〜5MPaである。
そのため、図14の変形例では、室外機1から地中側Gに送られるCO2の温度(圧力)に応答して、システム全体のCO2の量を調整するように構成されている。
図14の変形例において、CO2量を調整は、CO2供給源10からの流入経路(CO2供給ライン)Lcに介装された流量調整弁Vcの開度と、地中配管系La9に接続された排出系統Laに介装された排出弁Va(流量調整弁としての機能を有している)の開度とを制御している。
なお、図14では、図示の簡略化のため、地中側のCO2配管系La9は二重管ではなく、往復するU字状の管に表現している。
図14において、地上側配管LaはラインLa20、ラインLa30で構成されている。そして、ラインLa20は配管系La9の接続口Pa2と室外機1の接続口11とを接続し、ラインLa30は室外機1の接続口12と配管系La9の接続口Pa3とを接続している。
また、ラインLa20において、室外機1と排出弁Vaとの間の領域には、CO2供給ラインLcが接続されており、CO2供給ラインLcはCO2供給源10に連通している。
CO2供給ラインLcにはCO2供給量調節弁Vcが介装されており、CO2供給量調節弁Vcの開度を制御することにより、配管系9aを循環するCO2の供給量が調節される。
ここで、図14において、温度センサ6(或いは圧力センサ40)はラインLa20に接続されているが、実際の機器においては、ラインLa20とラインLa30の内、熱媒であるCO2が室外機1から流出する側のラインに介装される。
そして、仮に暖房運転と冷房運転とで、熱媒であるCO2が室外機1に流入する側のラインが切り替わるのであれば、温度センサ6(或いは圧力センサ4)は、ラインLa20とラインLa30の双方に介装されるのが好ましい。
コントロールユニット50Aは、入力信号ラインSiを介して温度センサ6及び圧力センサ40と接続されている。
またコントロールユニット50Aは、制御信号ラインSoを介して排出弁Va及びCO2供給量調節弁Vcと接続されている。
図15において、ステップS11では、温度センサ6によってラインLa20を流れるCO2(例えば、暖房時であれば液相CO2)温度を計測し、或いは、圧力センサ40によってラインLa20を流れるCO2圧力を計測する(ステップS12)。
明確には図示されていないが、コントロールユニット50A内には、予め決定された特性、すなわち、ラインLa20を流れるCO2温度(或いはCO2圧力)と、室外機1から地中側に送られる熱媒の温度が所定の温度となる熱媒CO2量(以下、「所定熱媒量」と記載する)との関係(特性)が記憶されている。
また、コントロールユニット50Aは、その時点における排出弁Va及びCO2供給量調節弁Vcの弁開度から、その時点において配管系9aを循環するCO2量(以下、「CO2循環量」と記載する)を求める機能を有している。
さらに、コントロールユニット50Aは、その時点におけるCO2循環量と、その時点における所定熱媒量とするための排出弁Va及びCO2供給量調節弁Vcの弁開度とを比較して、排出弁Va及びCO2供給量調節弁Vcの弁開度を決定する機能を有している。
CO2循環量が適正であれば(ステップS14がYES)、排出弁Va及びCO2供給量調節弁Vcの弁開度をそのまま維持して(ステップS15)、ステップS18に進む。
CO2循環量が大き過ぎたならば(ステップS14が「大」)、CO2供給量調節弁Vcの弁開度を減少し、及び/又は、排出弁Vaの弁開度を増加させる(ステップS16)。そしてステップS18に進む。
CO2循環量が小さ過ぎたならば(ステップS14が「小」)、CO2供給量調節弁Vcの弁開度を増加し、及び/又は、排出弁Vaの弁開度を減少させる(ステップS17)。そしてステップS18に進む。
システムの稼動を終了するのであれば(ステップS18がYES)、制御を終了する。
システムの稼動を続行するのであれば(ステップS18がNO)、ステップS11まで戻り、ステップS11以降を繰り返す。
図1〜図14では、第1の熱媒ラインLbには、熱的負荷として、空調負荷(空調機3を介装した第2の熱媒ラインLc)のみが室内機2を介して(熱的に)接続されている。
それに対して、図16では、第1の熱媒ラインLbには、熱的負荷として、給湯負荷8も(熱的に)接続されている。
給湯器8による給湯は、図3で説明した第1実施形態の暖房運転と同様の暖房運転で行われる。
なお、図示はされていないが、空調負荷を省略して、給湯負荷8のみを設けることも可能である。
これに加えて、図示はされていないが、四方弁V4、地中におけるラインLa1、La4、ポンプ5を省略して、図1〜図15の第1実施形態を暖房運転のみを行なうシステムとすることが可能である。
その場合においても、図16の第2変形例のように、給湯負荷と空調負荷を併設し、或いは、給湯負荷のみを設けることが出来る。
第1実施形態では、地熱と熱媒であるCO2の気化熱とを熱交換するためのCO2配管は、一系統のみ設けられている。
しかし、図17の第2実施形態では、当該CO2配管を分岐して、二系統設けて、二系統の各々において、熱媒であるCO2の気化熱と地熱と熱交換することを可能としている。
ここで、図17において、二重管9Dを流れるCO2相互に熱的に影響を及ぼす、或いは、二重管9Dを流れるCO2同士で熱交換を行なう(二重管9Dを流れるCO2同士が熱的干渉をする)ことがないように、分岐した配管9D、9D相互の距離は、最低でも1mは離隔している必要がある。
図17の第2実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、図1〜図16の第1実施形態と同様である。
図18において、地中に埋設されるCO2配管系Laは、螺旋状の二重管9Eに接続されている。この場合に、直線状の二重管9Cを介装させても良いし、配管系Laと螺旋状の二重管9Eとを直接的に接続しても良い。
土中を螺旋形に掘削した後、可撓性に富んだロッドを掘削ビットと切り離して、CO2配管(二重管9E)を地中に残存して、可撓性に富んだロッドのみを地上側に回収すれば良い。
この場合、掘削ビットは、いわゆる「埋め殺し」にされる。
そして、掘削深さが減少する結果、システムを施工するためのコストがさらに節減される。
ここで、螺旋形の配管系9E内の各部分を流れるCO2が相互に熱交換をしてしまう(螺旋径の配管系9E内の各部分を流れるCO2が相互に熱的な影響を及ぼし合う)ことが無い様に、螺旋形のピッチ及び直径は、1m以上であることが好ましい。
図18の第3実施形態では配管系9Eは地中Gに配置されるが、図19〜図21の変形例では、配管系9Eは地下水W中に配置されている。
図19〜図21の変形例の施行に際しては、先ず、図19で示すように、配管系9Eを配置するべき土壌Gに縦孔GHを掘削する。そして、図20で示すように、縦坑GH内に螺旋系の配管系9Eを配置する。
ここで、螺旋系の配管系9Eにおけるピッチ及び直径は、1m以上であって、且つ、出来る限り小さいことが好ましい。ピッチ及び直径が1m以下であれば、螺旋形の配管系9E内の各部分を流れるCO2が相互に熱交換をしてしまう(螺旋径の配管系9E内の各部分を流れるCO2が相互に熱的な影響を及ぼし合う)からであり、螺旋形の配管系9Eのピッチ及び直径が大きいと、縦孔GHの径及び深さが大きくしなければならないからである。
図19〜図21の変形例におけるその他の構成及び作用効果は、図18の第3実施形態と同様である。
図22の第4実施形態は、図17の第2実施形態と図18の第3実施形態との組み合わせに相当するものである。
図22において、室外機1を循環するCO2配管Laは、二重管9Cに接続されている。そして、二重管9Cの下端には三方弁V30が介装されている。
三方弁V30からは地中に埋設される二重管9Dと螺旋状の二重管9Eが分岐して接続されている。
二重管9Dの構成は、第1実施形態の図5〜図13で説明したと同様の構成であり、二重管9Cと同一の使用である。一方、螺旋状の二重管9Eは、図18〜図21で示した第3実施形態の螺旋状の二重管9Eと同様である。
図22の第4実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、図1〜図21の各実施形態と同様である。
図23の実施形態では、図22の第4実施形態に対して、三方弁3Vから分岐する二重管が、何れも螺旋状の二重管9Eとなっている。
ここで、螺旋形の二重管(CO2配管)9E同士が熱的干渉をすることが無い様に、最も近接した部分において、最低1mは離隔している必要がある。
図24の第6実施形態では、図23の第5実施形態と同様に、三方弁3Vから分岐する二重管が、何れも螺旋形に配置されているが、一方の螺旋状の二重管9Fが、他方の螺旋状の二重管9E(図23の二重管9Eと同じ)の半径方向外方で、他方の螺旋状の二重管9Eを包囲する様に配置されている。
この場合においても、螺旋形の二重管(CO2配管)9E、9F同士が熱的干渉をすることが無い様に、螺旋形の二重管(CO2配管)9E、9Fにおいて、直径方向については、最低1mは離隔している。
それに加えて2つの螺旋形の二重管9E、9Fの各々において、上下方向(螺旋のピッチ方向)について、最低1mは離隔している必要がある。
図24の第6実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、図1〜図23の各実施形態と同様である。
当該実験の結果として、外気温度が同じであるならば、熱媒としてCO2を用いた図示の実施形態の方が、暖房の対象となる閉空間(部屋)の気温が上昇した。
その際に、熱媒にブラインを用いた従来の地熱利用機構に接続された圧縮式空調機においては、コンプレッサは100%稼働しなければならなかった。それに対して、熱媒にCO2を用いた図示の実施形態に介装されたコンプレッサは、50%の部分負荷運転で足りることが分かった。そして、図示の実施形態に接続された圧縮式空調機では、従来の地熱利用機器に接続された場合に比較して、消費電力は1/2程度であった。
換言すれば、図示の実施形態では、地中に埋設するCO2配管を細径にしても、太い配管系の従来技術を用いた場合と比較して、暖房能力については、有意な相違が存在しないことが明らかになった。
地中配管を細径にすることが出来るのであれば、地中配管埋設の際に、掘削コストその他の各種コストを低く抑えることが出来るので、従来技術に比較して、図示の実施形態の方が各種コストを低減できることが明らかである。
2・・・第2の熱交換器/室内機
3・・・空調機
4・・・コンプレッサ
5・・・ポンプ
6、7・・・温度センサ
8・・・給湯器
9・・・二重管
10・・・CO2供給源
Claims (1)
- 室外機(1)と室内機(2)と熱的負荷である空調機(3)とを有し、当該室外機(1)と室内機(2)とは冷房と暖房とを切替えるために四方弁(V4)と当該四方弁(V4)に接続されたコンプレッサ(4)とを介して接続され、前記室外機(1)は地中(G)に埋設された内部に熱媒が流過する配管系(La)によって地熱と熱交換をする機能を有し、前記コンプレッサ(4)を制御するためのコントロールユニット(50)を備える地熱利用システムにおいて、前記配管系(La)は室外機(1)の第1の接続口(11)と第1のバルブ(V1)とを接続する第2のライン(La2)と、前記第1のバルブ(V1)とポンプ(5)の吐出口(5o)とを接続する第1のライン(La1)と、前記ポンプ(5)の吸込口(5i)と第2のバルブ(V2)とを接続する第4のライン(La4)と、前記第2のバルブ(V2)と前記室外機(1)の第2の接続口(12)とを接続する第3のライン(La3)と、前記第1のバルブ(V1)および第2のバルブ(V2)の上流側を接続する第5のライン(La5)とよりなり、前記コントロールユニット(50)は暖房運転をマニュアル操作された場合に、前記第1のバルブ(V1)および第2のバルブ(V2)を閉鎖し、ポンプ(5)を停止し(S3)、四方弁(V4)を暖房側に切替えてコンプレッサ(4)を作動し(S7)、そして冷房運転をマニュアル操作された場合に前記第1のバルブ(V1)および第2のバルブ(V2)を開放し、ポンプ(5)を作動させ(S5)、四方弁(V4)を冷房側に切り替え(S6)、コンプレッサ(4)を作動する(S7)機能を有し、前記配管系(La)の第2のライン(La2)および第3のライン(La3)は2重管で構成され、前記熱媒は二酸化酸素であり、二酸化炭素の気化熱と地熱とを熱交換しており、前記二重管の内管(91)を液相の二酸化炭素が流れ、前記二重管の外管(92)を気相の二酸化炭素が流れ、二酸化炭素の気化熱と地熱とを熱交換するために、前記室外機(1)を出た領域の温度が、暖房運転を行う場合には0〜15℃、冷房運転を行う場合には15〜30℃に設定されていることを特徴とする地熱利用システム。
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