JP5883685B2

JP5883685B2 - ヒートポンプシステム及びヒートポンプシステムの制御方法

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Publication number: JP5883685B2
Application number: JP2012048999A
Authority: JP
Inventors: 磯田　和彦; 和彦磯田; 芳郎柴
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: JP2013185718A

Description

本発明は、地中熱を利用したヒートポンプシステム及びヒートポンプシステムの制御方法に関するものである。

近年、例えば空調システムや給湯システムとして、地中熱を利用したヒートポンプシステムが提案されている。このヒートポンプシステムは、通常のヒートポンプシステムが空気を熱源にしているのに対し、年間を通して温度がほぼ一定である地中熱を熱源にして地中に放熱したり地中から採熱したりするものである。地中熱利用のヒートポンプシステムの概略構成としては、Ｕチューブ等の熱交換器が地中に埋設され、この熱交換器がヒートポンプユニットに接続された構成からなる。このような地中熱利用のヒートポンプシステムには、再生可能なエネルギーによって冷暖房や給湯等を効率的に行えるという特徴（省エネルギー効果）がある。そして、地中熱利用のヒートポンプシステムのメリットとしては、１）電力消費量が低減され、電気料金が安くなること、２）ＣＯ２排出量が低減され、地球温暖化対策に有効であること、３）熱を大気中に放出しないので、ヒートアイランド緩和に有効であること、４）放熱用の室外機が不要であり、稼動時の騒音が小さいこと、が挙げられる。

一方、上記した地中熱利用のヒートポンプシステムのデメリットとしては、地中に熱交換器を設置するために複数の孔を掘削する工事を行う必要があるが、この工事の費用が高く、イニシャルコストが高額になることが挙げられる。このため、地中熱利用のヒートポンプシステムは、上記した多くのメリットがあるのにも関わらず採用実績が少なく、特に大規模建物への適用はほとんどない。

そこで、従来、熱交換器の設置のために孔を掘削するのではなく、地中に打設される杭や山留め壁の中に熱交換器を埋設させる技術が提案されている。
例えば、下記特許文献１、２及び３には、場所打ちコンクリート杭や既製杭の内部又は外表面に熱交換器を配置する技術が開示されている。また、下記特許文献４、５、６及び７には、山留め壁（地中連続壁）の内部に熱交換器を埋設する技術が開示されている。これらの技術によれば、熱交換器を設置するための孔を新たに掘削する必要がないので、地中熱利用のヒートポンプシステムのイニシャルコストを抑えることができる。

特開２００３−１４８０７９号公報特開２００３−２０６５２８号公報特開２００４−３３２３３０号公報特開２００３−１７２５５８号公報特開２００４−１０１１１５号公報特開２００５−２２６９３７号公報特開２０１０−０６０２４７号公報

しかしながら、上記した従来の技術は、単に室内空調の熱源として地中熱を利用しただけでのものであり、室内空調と地中熱の採放熱とが同時進行している。一方、室内機による熱負荷（熱需要量）は、一定ではなく変動するものである。例えば空調システムの場合、地中熱利用だけで賄える空調対象面積が、想定されるピーク時の熱負荷によって決まることになり、前記空調対象面積が小さいという問題がある。

本発明は、上記した従来の問題が考慮されたものであり、上述した従来技術に比べて大きい熱負荷を賄うことができるヒートポンプシステム及びヒートポンプシステムの制御方法を提供することを目的としている。

本発明に係るヒートポンプシステムは、山留め壁内に埋設され、該山留め壁を介して地中との間で熱交換を行って採放熱する第一熱交換器と、構造物の地下躯体の地下外壁内に埋設され、該地下外壁との間で熱交換を行って該地下外壁に蓄熱させる第二熱交換器と、前記構造物の地下階に設置されていると共に室内機に接続される地下階ヒートポンプと、
を備えており、前記山留め壁と前記地下外壁とは断熱材を介して隣接していて、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器が前記地下階ヒートポンプにそれぞれ接続されており、前記第一熱交換器を介して伝達される地中熱のみを前記地下階ヒートポンプの熱源にすることも、前記第二熱交換器を介して伝達される前記地下外壁の蓄熱と前記地中熱とを合わせて前記地下階ヒートポンプの熱源にすることも可能であることを特徴としている。

上記したヒートポンプシステムは、山留め壁を地中熱の採放熱に利用すると共に地下躯体を蓄熱体として利用するものであり、採熱された地中熱の一部又は全部を地下躯体に蓄熱させることが可能である。さらに、地中熱と地下躯体の蓄熱とを合わせて地下階ヒートポンプの熱源にすることも可能である。

したがって、室内機の熱負荷（熱需要量）が小さい時間帯に、第一熱交換器を介して地中熱だけを地下階ヒートポンプの熱源にすると共に、地下階ヒートポンプにおける余剰熱を第二熱交換器を介して地下躯体に蓄熱させ、熱負荷が大きい時間帯に、地下階ヒートポンプの熱源として地中熱（採放熱）と地下躯体の蓄熱とを組み合わせてハイブリッドな熱源にすることができる。つまり、熱負荷が小さい時間帯に採熱した地中熱の一部を蓄熱しておき、その地下躯体の蓄熱を、室内機の熱負荷が大きい時間帯に地下階ヒートポンプの熱源として利用する。これにより、熱負荷が変動する場合において、ピーク時の熱負荷が地下階ヒートポンプの冷却能力又は加熱能力以上になっても、その熱負荷に対応することが可能である。

また、熱負荷が小さい時間帯に、第一熱交換器を介して採熱された地中熱の全部を地下階ヒートポンプ及び第二熱交換器を介して地下躯体に蓄熱させると共に、第二熱交換器を介して地下躯体の蓄熱だけを地下階ヒートポンプの熱源にし、熱負荷が大きい時間帯に、第一熱交換器を介して採熱された地中熱の全部又は一部と地下躯体の蓄熱とを合わせて地下階ヒートポンプの熱源にすることも可能である。
さらに、熱負荷に応じて、地下階ヒートポンプの熱源を、第一熱交換器を介して採熱された地中熱及び地下躯体の蓄熱のうちの何れか一方に切り替えることも可能である。

また、本発明に係るヒートポンプシステムは、山留め壁内に埋設され、該山留め壁を介して地中との間で熱交換を行って採放熱する第一熱交換器と、構造物の地下躯体内に埋設され、該地下躯体との間で熱交換を行って該地下躯体に蓄熱させる第二熱交換器と、前記構造物の地下階に設置されていると共に室内機に接続される地下階ヒートポンプと、前記構造物の地上階に設置されると共に前記室内機又は別の室内機に接続される地上階ヒートポンプと、前記構造物の室外に設置され、外気との間で熱交換を行って採放熱する室外機と、を備えており、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器が前記地下階ヒートポンプにそれぞれ接続されており、前記第一熱交換器を介して伝達される地中熱のみを前記地下階ヒートポンプの熱源にすることも、前記第二熱交換器を介して伝達される前記地下躯体の蓄熱と前記地中熱とを合わせて前記地下階ヒートポンプの熱源にすることも可能であるとともに、前記地下階ヒートポンプ、前記室外機及び前記第二熱交換器が前記地上階ヒートポンプにそれぞれ接続されており、前記室外機を介して伝達される空気熱のみを前記地上階ヒートポンプの熱源にすることも、前記第一熱交換器及び前記地下階ヒートポンプを介して伝達される地中熱のみを前記地上階ヒートポンプの熱源にすることも、前記空気熱、前記地下躯体の蓄熱及び前記地中熱のうちの少なくとも２つを合わせて前記地上階ヒートポンプの熱源にすることも可能であることを特徴としている。

これにより、地中熱又は空気熱を地上階ヒートポンプの熱源にすることが可能である。さらに、地中熱、地下躯体の蓄熱及び空気熱のうちの何れか２つを合わせて地上階ヒートポンプの熱源にすることも可能である。

したがって、熱負荷が小さい時間帯に、室外機を介して空気熱だけを地上階ヒートポンプの熱源にすると共に、第一熱交換器で採熱された地中熱を地下階ヒートポンプ及び第二熱交換器を介して地下躯体に蓄熱させ、熱負荷が大きい時間帯に、地上階ヒートポンプの熱源として、空気熱と地中熱（採放熱）と地下躯体の蓄熱とを組み合わせてハイブリッドな熱源にすることができる。つまり、熱負荷が小さい時間帯は、地上階ヒートポンプの熱源を室外機だけで賄って、採熱された地下熱はできるだけ地下躯体に蓄熱しておく。そして、熱負荷が大きい時間帯には、空気熱だけでなく、第一熱交換器で採熱された地中熱を地下階ヒートポンプを介して地上階ヒートポンプの熱源にし、さらに、地下躯体の蓄熱を地上階ヒートポンプの熱源として利用することで、地上階ヒートポンプは相当に大きい熱負荷にも対応することが可能となる。

なお、第一熱交換器で採熱された地中熱の一部を第二熱交換器を介して地下躯体に蓄熱すると共に、前記地中熱の残りを地下階ヒートポンプを介して地上階ヒートポンプの熱源にすることも可能である。また、第一熱交換器で採熱された地中熱を第二熱交換器を介して地下躯体に蓄熱しながら、地下躯体の蓄熱を地上階ヒートポンプの熱源として利用することも可能である。
さらに、熱負荷に応じて、地上階ヒートポンプの熱源を、室外機を介して採熱された空気熱、第一熱交換器を介して採熱された地中熱及び地下躯体の蓄熱のうちの何れか１つに切り替えることも可能であり、或いは、それらのうちの何れか２つに適宜切り換えて組み合わせて地上階ヒートポンプの熱源にすることも可能である。

また、本発明に係るヒートポンプシステムは、前記第一熱交換器と前記地下階ヒートポンプとが、地表面レベルに配管された第一ヘッダ管を介して接続され、前記第二熱交換器と前記地下階ヒートポンプとが、前記地下階の壁面に配管された第二ヘッダ管を介して接続されていることが好ましい。

これにより、冷却塔などの地上部の設備が不要であり、コンパクトで省スペースなシステムとなる。

また、本発明に係るヒートポンプシステムの制御方法は、上記のヒートポンプシステムの制御方法であって、前記ヒートポンプシステムの稼動モードとして、少なくとも、前記第一熱交換器を介して伝達される地中熱のみを前記地下階ヒートポンプの熱源にすると共に、前記第二熱交換器を介して前記地下階ヒートポンプに伝達された熱を前記地下躯体に蓄熱させる蓄熱モードと、前記第一熱交換器を介して伝達される地中熱と前記第二熱交換器を介して伝達される前記地下躯体の蓄熱とを合わせて前記地下階ヒートポンプの熱源にするハイブリッドモードと、を有しており、前記室内機の熱負荷が前記地下階ヒートポンプの冷却能力又は加熱能力よりも小さい時間帯に前記蓄熱モードで運転させ、前記熱負荷が前記地下階ヒートポンプの冷却能力又は加熱能力よりも大きい時間帯に前記ハイブリッドモードで運転させることを特徴としている。

これにより、蓄熱モードにおいて地下躯体に蓄熱し、ハイブリッドモードにおいて地下階ヒートポンプの冷却能力又は加熱能力以上の熱負荷に対応することが可能となる。

本発明に係るヒートポンプシステム及びヒートポンプシステムの制御方法によれば、採熱された地中熱と地下躯体の蓄熱と組み合わせてハイブリッドな熱源とすることにより、大きい熱負荷を賄うことができる。

本発明の第１の実施形態を説明するためのヒートポンプシステムが設置された山留め壁及び地下躯体の断面図である。図１に示すＡ−Ａ´間の断面図である。本発明の第１の実施形態を説明するための第一熱交換器の上端部分の斜視図である。本発明の第１の実施形態のヒートポンプシステムの機能を模式的に示した模式図である。本発明の第１の実施形態のヒートポンプシステムの制御方法を説明するため図であり、時間帯と需要熱量との関係を示すグラフである。本発明の第２の実施形態を説明するためのヒートポンプシステムが設置された山留め壁及び地下躯体の断面図である。本発明の第２の実施形態のヒートポンプシステムの機能を模式的に示した模式図である。本発明の第２の実施形態のヒートポンプシステムの制御方法を説明するため図であり、時間帯と需要熱量との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係るヒートポンプシステム及びヒートポンプシステムの制御方法の第１及び第２の実施形態について、図面に基づいて説明する。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態について、図１から図５を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態におけるヒートポンプシステム１は、ビルや共同住宅等の構造物１０に適用される冷暖房用の空調システムであり、構造物１０の周囲に築造された山留め壁１１を採放熱に利用すると共に山留め壁１１の内側に配設される構造物１０の地下躯体１２を蓄熱体として利用する地中熱利用型のヒートポンプシステムである。具体的に説明すると、ヒートポンプシステム１の概略構成としては、山留め壁１１内に埋設される第一熱交換器２と、地下躯体１２内に埋設された第二熱交換器３と、構造物の地下階Ｂ１に設置されたヒートポンプ４と、を備えている。

まず、上記した山留め壁１１及び地下躯体１２について詳しく説明する。
図１、図２に示すように、上記した山留め壁１１は、ソイルセメント等からなる公知の地中連続壁であり、H形鋼からなる複数の芯材１１ａが所定の間隔で配置されている。この山留め壁１１は、ＳＭＷ（Soil Mixing Wall）工法で施工された地中連続壁である。なお、本発明における山留め壁は、上記したSMW連続壁以外であってもよく、例えばＴＲＤ（Trench cutting Re-mixing Deep wall）工法で施工された地中連続壁であってもよい。

上記した地下躯体１２は、鉄筋コンクリート構造の地下構造体であり、山留め壁１１に隣接して形成された地下外壁１２ａを有する。この地下躯体１２からなる構造物１０の地下部分には、３層の地下階Ｂ１〜Ｂ３と地下ピットＰとが形成されている。地下外壁１２ａの内外表面には断熱材１３、１４が被覆されている。外側断熱材１３は、地下外壁１２ａの外表面と山留め壁１１の内表面との間に介在されており、この外側断熱材１３には土圧が作用するため、圧縮強度が十分にある断熱材を使用することが好ましく、例えば硬質ウレタンフォーム（例えばアキレス硬質ウレタン）や断熱モルタル（例えばカルダンモルタル）などを用いる。一方、内側断熱材１４には、土圧は作用しないので、発泡材や繊維系断熱材（例えばロックウールやグラスウール）などを用いる。

次に、ヒートポンプシステム１の各構成要素について説明する。
第一熱交換器２は、山留め壁１１を介して地中との間で熱交換を行って採放熱するための採放熱用の熱交換器であり、山留め壁１１内に略鉛直に延設されている。第一熱交換器２としては、内部を冷媒が流通する管部材であり、例えば従来の地中熱利用ヒートポンプシステムに使用される公知のＵチューブ（例えばポリエチレンパイプ、サイズ２５Ａ）を用いることができる。具体的に説明すると、第一熱交換器２は、鉛直方向に沿って延在する一対の直管２０、２１と、一対の直管２０、２１の下端部に取り付けられて一対の直管２０、２１同士を連通させるＵ字管２２と、からなる。一対の直管２０、２１は、山留め壁１１の壁厚方向に間隔をあけて並設されており、山留め壁１１の芯材１１ａ（Ｈ形鋼）の両側のフランジ間に配置されている。また、第一熱交換器２（一対の直管２０、２１）の上端部は、山留め壁１１の上面から地上に突出されている。また、第一熱交換器２は、山留め壁１１の長さ方向に間隔をあけて複数並設されている。なお、第一熱交換器２は、山留め壁１１のどの位置に配置されても性能は殆んど変わらず、第一熱交換器２に高い設置精度が求められていないので、第一熱交換器２は、芯材１１ａなどに固定せずに、山留め壁１１内に挿入すればよい。

山留め壁１１の上方の地表面レベルには、複数の第一熱交換器２を繋ぐための２本のヘッダ管２３、２４（第一ヘッダ管）が配管されており、このヘッダ管２３、２４を介して第一熱交換器２とヒートポンプ４とが接続されている。２本のヘッダ管２３、２４のうちの一方のヘッダ管２３には、複数の第一熱交換器２の一方側（山留め壁１１の内方側）の直管２０の上端部がそれぞれ接続されており、他方のヘッダ管２４には、複数の第一熱交換器２の他方側（山留め壁１１の外方側）の直管２１の上端部がそれぞれ接続されている。そして、上記したヘッダ管２３、２４は構造物１０の地下階Ｂ１まで配管を延ばしてヒートポンプ４にそれぞれ接続されている。なお、上記した２本のヘッダ管２３、２４のうちの何れか一方が、各第一熱交換器２に冷媒を送る往路管であり、他方が、各第一熱交換器２から冷媒を回収する復路管である。

第二熱交換器３は、地下躯体１２との間で熱交換を行って地下躯体１２に蓄熱させる蓄熱用の熱交換器であり、地下躯体１２の地下外壁１２ａに略鉛直に延設されている。この第二熱交換器３は、上述した第一熱交換器２と同様のＵチューブ（例えばエクセルパイプ、サイズ１３Ａ）からなり、第二熱交換器３の一対の直管３０、３１は、地下外壁１２ａの壁厚方向に間隔をあけて並設されている。また、第二熱交換器３の上端部は、地下外壁１２ａの内表面から地下階Ｂ１の室内に突出されている。また、第二熱交換器３は、地下外壁１２ａの長さ方向に間隔をあけて複数並設されている。地下躯体１２ａの地下階Ｂ１の室内の壁面には、複数の第二熱交換器３を繋ぐための図示せぬヘッダ管（第二ヘッダ管）が配管されており、このヘッダ管が冷媒配管４０を介してヒートポンプ４に接続され、これにより、第二熱交換器３とヒートポンプ４とが接続されている。

ヒートポンプ４は公知のヒートポンプユニットであり、ヒートポンプ４の概略構成は、図示せぬ圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器と、それらを接続する冷媒配管と、を備えている。このヒートポンプ４では、ループ状の冷媒経路が形成されており、この冷媒経路を通って循環する冷媒を介して熱が伝達される。このヒートポンプ４は、ループ状の冷媒経路を形成する冷媒配管５０を介して構造物１０の地下階Ｂ１〜Ｂ３の室内機５に接続されている。室内機５は、地下階Ｂ１〜Ｂ３の冷暖房を行う室内空調機である。

図４は上記した構成からなるヒートポンプシステム１の機能を模式的に表した図であり、図４の白抜き矢印は熱交換を示している。図４に示すように、上記したヒートポンプシステム１では、ヒートポンプ４内を循環する冷媒と第一熱交換器２内を循環する冷媒との間で熱交換を行うことができ、これにより、地中熱を採熱してヒートポンプ４に提供したりヒートポンプ４の熱を地中に放熱したりすることができる。また、ヒートポンプ４内を循環する冷媒と第二熱交換器３内を循環する冷媒との間で熱交換を行うことができ、これにより、ヒートポンプ４から地下躯体１２に熱を供給して地下躯体１２に蓄熱したり、地下躯体１２からヒートポンプ４に熱を供給して地下躯体１２の蓄熱をヒートポンプ４の熱源にしたりすることができる。さらに、ヒートポンプ４内を循環する冷媒と室内機５の冷媒配管５０内を循環する冷媒との間で熱交換を行うことができ、これにより、ヒートポンプ４から室内機５に熱を供給して室内機５を暖房運転させたり、室内機５からの熱をヒートポンプ４で回収して室内機５を冷房運転させたりすることができる。また、ヒートポンプ４は、第一熱交換器２を介して伝達される地中熱、及び、第二熱交換器３を介して伝達される地下躯体１２の蓄熱のうちの少なくとも１つを熱源にすることが可能である。つまり、地中熱のみをヒートポンプ４の熱源にすることも、地下躯体１２の蓄熱のみをヒートポンプ４の熱源にすることも、地中熱と蓄熱とを合わせてヒートポンプ４の熱源にすることも可能である。

次に、上記した構成からなるヒートポンプシステム１の制御方法について説明する。
上記したヒートポンプシステム１の稼動モードとしては、蓄熱モードと、ハイブリッド熱源追掛モード（ハイブリッドモード）と、地中熱源追掛モードと、放熱モードと、地中熱源追掛＋放熱モードと、がある。

蓄熱モードは、第一熱交換器２を介して伝達される地中熱のみをヒートポンプ４の熱源にすると共に、ヒートポンプ４に伝達された熱を第二熱交換器３を介して地下躯体１２に蓄熱させるモードである。
ハイブリッド熱源追掛モードは、第一熱交換器２を介して伝達される地中熱と第二熱交換器３を介して伝達される地下躯体１２の蓄熱とを合わせてヒートポンプ４の熱源にするモードである。
地中熱源追掛モードは、地下躯体１２に蓄熱せずに、第一熱交換器２を介して伝達される地中熱のみをヒートポンプ４の熱源にして、ヒートポンプ４に伝達された熱を冷媒配管５０を介して室内機５に供給して室内機５から室内に放熱するモードである。
放熱モードは、地下躯体１２の蓄熱をヒートポンプ４を使わずに冷媒配管５０を介して室内機５に供給して室内機５から室内に放熱するモードである。
地中熱源追掛＋放熱モードは、第一熱交換器２を介して伝達される地中熱のみをヒートポンプ４の熱源にして、ヒートポンプ４に伝達された熱を冷媒配管５０を介して室内機５に供給して室内機５から室内に放熱すると共に、地下躯体１２に蓄熱された熱をヒートポンプ４を使わずに冷媒配管５０を介して室内機５に供給して室内機５から室内に放熱するモードである。

ところで、図５に示すように、構造物１０における需要熱量（空調負荷）は常時一定ではなく、時間帯によって異なる。したがって、上記したヒートポンプシステム１は、室内機５の熱負荷（需要熱量）に応じてモードを切り換えて運転させる。例えば、まず、室内機５の冷却負荷がヒートポンプ４の冷却能力よりも小さい時間帯、及び、室内機５の加熱負荷がヒートポンプ４の加熱能力よりも小さい時間帯（ピーク時間帯以外の時間帯）のうち、熱負荷が比較的小さい時間帯においては上記した蓄熱モードで運転させ、熱負荷が比較的大きい時間帯においては上記した地中熱源追掛モードで運転させる。また、室内機５の冷却負荷がヒートポンプ４の冷却能力よりも大きい時間帯、及び、室内機５の加熱負荷がヒートポンプ４の加熱能力よりも大きい時間帯（ピーク時間帯）においては、始めは上記した地中熱源追掛＋放熱モードで運転させ、地下躯体１２の熱がある程度まで低下（地下躯体１２の蓄熱量が減少）すると上記したハイブリッド熱源追掛モードで運転させる。つまり、熱負荷が小さい時間帯に採熱した地中熱の一部を地下躯体１２に蓄熱しておき、その地下躯体１２の蓄熱を、熱負荷が大きい時間帯にヒートポンプ４の熱源として利用する。なお、上記したヒートポンプ４の「冷却能力」は、第一熱交換器２による放熱量からヒートポンプ４の圧縮機の動力を引いた値に略等しく（ヒートポンプ冷却能力≒放熱量−ヒートポンプ圧縮機動力）、また、上記したヒートポンプ４の「加熱能力」は、第一熱交換器２による採熱量にヒートポンプ４の圧縮機の動力を足した値に略等しい（ヒートポンプ加熱能力≒採熱量＋ヒートポンプ圧縮機動力）。

ここで、上記したヒートポンプシステム１の解析検討した結果について説明する。
なお、今回の解析では、建物面積２５００ｍ^２（５０ｍ×５０ｍ）、基礎底ＧＬ−２０ｍ、第一熱交換器（Ｕチューブ、サイズ２５Ａ）の下端をＧＬ−３０ｍとした。また、隣接構造物の影響を考慮し、ＧＬ−１０ｍまでの区間（深さ範囲）を採放熱区間とせず、ＧＬ−１０ｍ〜ＧＬ−３０ｍまでの鉛直方向２０ｍの区間を採放熱計算上の有効長さとして試算した。さらに、第一熱交換器の間隔を５００ｍｍとし、第一熱交換器の本数は合計４００本とした。一方、地下躯体の地下外壁の壁厚を４００ｍｍとし、第二熱交換器（Ｕチューブ、サイズ１３Ａ）の間隔を２００ｍｍとし、第二熱交換器の本数を合計２０００本とした。

上記した解析によれば、第一熱交換器に対応した容量の地下階ヒートポンプによる地下外壁１２ａへの全蓄熱量は、暖房時（採熱量）で１９．９ＧＪ、冷房時（放熱量）で１９．２ＧＪであり、地下階ヒートポンプの運転時間に換算すると、暖房時に１６．４時間、冷房時に１７．４時間である。また、地下３階として各階２５００ｍ^２の床面積中の２／３を空調対象面積（単位負荷を１００Ｗ／ｍ^２）とした場合、５００ｋＷの冷暖房負荷が必要となる。これに対し、第一熱交換器を介して伝達される地中熱だけを熱源にする地下階ヒートポンプの能力は暖房３３７ｋＷ、冷房３０６ｋＷであり、上記した冷暖房負荷に対して不足する。そこで、夜間１０時間の蓄熱モードで運転を行い、昼間１４時間に地中熱源追掛＋放熱モードで運転、すなわち、第二熱交換器の放熱と、第一熱交換器を介して伝達される地中熱を地下階ヒートポンプの熱源とする追い掛け運転とを合わせれば、地下階ヒートポンプの能力は暖房５５４ｋＷ、冷房５０３ｋＷとなり、上記した冷暖房負荷を上回る。すなわち、地中熱を直接空調熱源にするだけでは、地下階全体の空調を賄うことができないが、本願のヒートポンプシステムを使って地下外壁を蓄熱体として利用すれば、地下階全体の空調を地中熱だけで賄うことができる。なお、上記した解析では、夜間に蓄熱モードで運転させて昼間に地中熱源追掛＋放熱モードで運転させているが、夜間に蓄熱モードで運転させて昼間にハイブリッド熱源追掛モードで運転させても同様な結果になる。

上記したヒートポンプシステム１によれば、採熱された地中熱と地下躯体の蓄熱と組み合わせてハイブリッドな熱源とすることにより大きい熱負荷を賄うことができ、熱負荷が変動する場合において、ピーク時の熱負荷がヒートポンプ４の冷却能力又は加熱能力以上になっても、その熱負荷に対応することが可能である。よって、このヒートポンプシステム１の空調対象面積、つまり、地中熱だけで賄うことができる空調対象面積を大きくすることができる。例えば、上記した解析結果のように、構造物１０の地下階Ｂ１〜Ｂ３全体の空調をヒートポンプシステム１だけで賄うことができ、それにより、地下階Ｂ１〜Ｂ３の空調に空気熱源が不要となり、エアダクトや排気筒も不要となり、イニシャルコストを抑えることができる。また、地中熱を利用することで、消費電力が低減し、ランニングコストが低減されると共に地球温暖化対策を図ることができる。特に、ピーク時の使用電力が削減されるので、電力不足対策に効果を発揮する。

また、上記したヒートポンプシステム１によれば、第一熱交換器２を山留め壁１１に埋設させて当該山留め壁１１を採放熱体に利用しており、また、第二熱交換器３を地下躯体１２に埋設させて当該地下躯体１２を蓄熱体に利用しているので、第一熱交換器２や第二熱交換器３を設置するために新たに孔を掘削したり、採放熱体や蓄熱体を新たに設置したりする必要がなく、イニシャルコストを抑えることができる。

また、上記したヒートポンプシステム１によれば、ヒートポンプ４が地下階Ｂ１に設置され、第一熱交換器２とヒートポンプ４とが、地表面レベルに配管されたヘッダ管２３、２４を介して接続され、第二熱交換器３とヒートポンプ４とが、地下階の壁面に配管された図示せぬヘッダ管を介して接続されているので、構造物１０の地下部分だけで完結するシステムとなり、冷却塔などの地上部の設備が不要であり、コンパクトで省スペースなシステムとなる。さらに、ヒートポンプ４が地下階Ｂ１に設置されていることで、空気で熱交換しないため排気が無く、ヒートアイランド化の緩和を図ることができる。

また、地下外壁１２ａは、壁厚が３０ｃｍから１００ｃｍ程度の鉄筋コンクリート壁であるので、大きな熱容量を持っており、蓄熱体として利用するのに好適である。しかも、蓄熱体として利用する地下外壁１２ａの内外表面がそれぞれ断熱材１３、１４で被覆されているので、地下外壁１２ａにおける熱損失を抑制することができ、より効率的に蓄熱することができる。
特に、ピーク時間帯においては、始め地中熱源追掛＋放熱モードで運転させた後にハイブリッドモードで運転させることで、蓄熱量を増大させることが可能である。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について、図６から図８を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成については説明を省略し、上述した第１の実施形態と異なる構成についてのみ説明する。

図６に示すように、本実施形態におけるヒートポンプシステム１００の概略構成としては、上述した第一熱交換器２、第二熱交換器３及び地下階のヒートポンプ４（以下、地下階ヒートポンプ４と記す。）に加えて、構造物１０の地上階に設置される地上階ヒートポンプ６と、構造物１０の室外に設置される室外機７と、をさらに備えている。

地上階ヒートポンプ６は、地下階ヒートポンプ４と同様の公知のヒートポンプユニットである。地上階ヒートポンプ６は、冷媒配管８０を介して構造物１０の地上階の室内機８に接続されている。室内機８は、構造物１０の地上階の冷暖房を行う室内空調機である。
室外機７は、外気との間で熱交換を行って採放熱する室外熱交換機であり、例えば、エアコン等に用いられる公知の室外機、若しくは、クーリングタワーやヒーティングタワーなどの熱交換器などである。

上記した地上階ヒートポンプ６は、地下階ヒートポンプ４、室外機７及び第二熱交換器３にそれぞれ接続されている。詳しく説明すると、地上階ヒートポンプ６と地下階ヒートポンプ４とは、ループ状の冷媒経路を形成する冷媒配管９０を介して接続されている。また、地上階ヒートポンプ６と室外機７とは、ループ状の冷媒経路を形成する冷媒配管７０を介して接続されている。地上階ヒートポンプ６と第二熱交換器３とは、第二熱交換器３の図示せぬヘッダ管に接続された冷媒配管４０を介して接続されている。

上記したヒートポンプシステム１００では、図４に示すのと同様の機能に加え、図７に示すように、地上階ヒートポンプ６内を循環する冷媒と室外機７内を循環する冷媒との間で熱交換を行うことができ、これにより、空気熱を採熱又は放熱することができる。また、地上階ヒートポンプ６内を循環する冷媒と前記冷媒配管４０内を循環する冷媒との間で熱交換を行うことができ、これにより、地上階ヒートポンプ６から地下躯体１２に熱を供給して地下躯体１２に蓄熱したり、地下躯体１２から地上階ヒートポンプ６に熱を供給して地下躯体１２の蓄熱を地上階ヒートポンプ６の熱源にしたりすることができる。また、地上階ヒートポンプ６内を循環する冷媒と前記冷媒配管９０内を循環する冷媒との間で熱交換を行うことができ、これにより、地下階ヒートポンプ４及び第一熱交換器２を介して、地中熱を採熱して地上階ヒートポンプ６に提供したり地上階ヒートポンプ６の熱を地中に放熱したりすることができる。また、地上階ヒートポンプ６及び室外機７を介して、空気熱を採熱して地下階ヒートポンプ４に提供したり地下階ヒートポンプ４の熱を外気に放熱したりすることができる。さらに、地上階ヒートポンプ６内を循環する冷媒と地上階の室内機８の冷媒配管８０内を循環する冷媒との間で熱交換を行うことができ、これにより、地上階ヒートポンプ６から室内機８に熱を供給して室内機８を暖房運転させたり、室内機８からの熱を地上階ヒートポンプ６で回収して室内機８を冷房運転させたりすることができる。

次に、上記した構成からなるヒートポンプシステム１００の制御方法について説明する。
上記したヒートポンプシステム１００の稼動モードとしては、蓄熱モードと、追掛モードと、放熱モードと、追掛＋放熱モードと、がある。

本実施形態におけるヒートポンプシステム１００の蓄熱モードには、
（１）第一熱交換器２を介して伝達される地中熱を地下階ヒートポンプ４の熱源とすると共に、地下階ヒートポンプ４に伝達された熱のみを冷媒配管４０及び第二熱交換器３を介して地下躯体１２に蓄熱させるモードと、
（２）室外機７を介して伝達される空気熱を地上階ヒートポンプ６の熱源とすると共に、地上階ヒートポンプ６に伝達された熱を冷媒配管９０及び第二熱交換器３を介して地下躯体１２に蓄熱させるモードと、
（３）第一熱交換器２を介して伝達される地中熱を地下階ヒートポンプ４の熱源とすると共に室外機７を介して伝達される空気熱を地上階ヒートポンプ６の熱源とし、且つそれら地下階及び地上階ヒートポンプ４、６に伝達された熱を冷媒配管４０、９０及び第二熱交換器３を介して地下躯体１２に蓄熱させるモードと、
の３種類のモードがある。

上記した追掛モードは、地下階ヒートポンプ４及び地上階ヒートポンプ６のうちの少なくとも一方に伝達された熱を冷媒配管５０、９０、８０を介して室内機５、８に供給して室内機５、８から室内に放熱するモードである。
この追掛モードには、
（１）第一熱交換器２を介して伝達される地中熱のみを地下階ヒートポンプ４の熱源とするモードと、
（２）室外機７を介して伝達される空気熱のみを地上階ヒートポンプ６の熱源とするモードと、
（３）第二熱交換器３を介して伝達される地下躯体１２の蓄熱のみを地下階ヒートポンプ４及び地上階ヒートポンプ６のうちの少なくとも一方の熱源とするモードと、
（４）第一熱交換器２を介して伝達される地中熱を地下階ヒートポンプ４の熱源とすると共に、第二熱交換器３を介して伝達される地下躯体１２の蓄熱を地下階ヒートポンプ４及び地上階ヒートポンプ６のうちの少なくとも一方の熱源とするモード（ハイブリッドモード）と、
（５）室外機７を介して伝達される空気熱を地上階ヒートポンプ６の熱源とすると共に、第一熱交換器２を介して伝達される地中熱を地下階ヒートポンプ４の熱源とするモードと、
（６）室外機７を介して伝達される空気熱を地上階ヒートポンプ６の熱源とすると共に、第二熱交換器３を介して伝達される地下躯体１２の蓄熱を地下階ヒートポンプ４及び地上階ヒートポンプ６のうちの少なくとも一方の熱源とするモードと、
（７）第一熱交換器２を介して伝達される地中熱を地下階ヒートポンプ４の熱源とすると共に、室外機７を介して伝達される空気熱を地上階ヒートポンプ６の熱源とし、第二熱交換器３を介して伝達される地下躯体１２の蓄熱を地下階ヒートポンプ４及び地上階ヒートポンプ６のうちの少なくとも一方の熱源とするモード（ハイブリッドモード）である。

上記したヒートポンプシステム１００では、室内機５の熱負荷（需要熱量）に応じてモードを切り換えて運転させる。例えば、まず、図８に示すように、室内機５、８の熱負荷（需要熱量）がヒートポンプ４、６の冷却能力又は加熱能力よりも小さい時間帯には上記した蓄熱モードのうちのいずれかで運転させる。また、室内機５、８の熱負荷がヒートポンプ４、６の冷却能力又は加熱能力よりも大きい時間帯（ピーク時間帯ではない）には、上記した地中熱と合せて地下躯体１２の蓄熱を熱源とする追掛モード（第一ハイブリッドモード）で運転させる。そして、室内機５、８の熱負荷が更に大きい時間帯（ピーク時間帯）には、上記した空気熱と地中熱と地下躯体１２の蓄熱とを合せて熱源とする追掛モード（第二ハイブリッドモード）で運転させる。

上記したヒートポンプシステム１００によれば、蓄熱モードでは、外気に放熱しないので、ヒートアイランド緩和を図ることができる。また、第二ハイブリッドモードでは、３つの熱源を合わせるので、相当に大きい熱負荷にも対応することが可能となる。これにより、使用電力の大幅な削減を図ることができると共に、ピーク時の使用電力を大幅に低減させて電力不足対策を図ることができる。

以上、本発明に係るヒートポンプシステム及びヒートポンプシステムの制御方法の実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記した実施形態では、本発明のヒートポンプシステム１，１００を構造物１０の冷暖房を行うための空調システムに適用しているが、本発明は、空調システム以外に適用することも可能であり、例えば、給湯システムや製氷システムに適用することも可能である。

また、上記した実施形態では、地下躯体１２のうちの地下外壁１２ａに第二熱交換器３を埋設して地下外壁１２ａを蓄熱体として利用しているが、本発明は、地下躯体１２の柱や内壁、基礎に第二熱交換器３を埋設して蓄熱体として利用することも可能である。

また、上記した実施形態では、地下階のヒートポンプ４が地下階の室内機５に接続され、地下階の室内機５が地下階のヒートポンプ４との間の熱交換によって冷暖房を行い、また、地上階のヒートポンプ６が地上階の室内機８に接続され、地上階の室内機８が地上階のヒートポンプ６との間の熱交換によって冷暖房を行う構成になっているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、地下階のヒートポンプ４が地上階の室内機８に接続され、地上階の室内機８が地下階のヒートポンプ４との間の熱交換によって冷暖房を行う構成であってもよく、或いは、地上階のヒートポンプ６が地下階の室内機５に接続され、地下階の室内機５が地上階のヒートポンプ６との間の熱交換によって冷暖房を行う構成であってもよい。さらに、地下階のヒートポンプ４と地上階のヒートポンプ６とが同じ室内機に接続され、地下階のヒートポンプ４と地上階のヒートポンプ６との両方を使って１台の室内機（室内機５又は室内機８）の冷暖房を行う構成にしてもよい。

また、上記した第２の実施形態では、蓄熱モードのときに、地下階ヒートポンプ４及び地上階ヒートポンプ６が、第一熱交換器２を介して伝達される地中熱を熱源としているが、本発明は、蓄熱モードのときに、室外機７を介して伝達される空気熱を熱源にすることも可能である。これにより、第二熱交換器３の蓄熱量を増大させることができる。

また、本発明は、蓄熱を常時行う場合だけでなく、夜間だけ蓄熱を行うようにして昼間は蓄熱せずに地中熱（採放熱及び蓄熱）を使ってヒートポンプ４、６を運転することもできる。また、季節や天候によって変化する空調負荷に応じて、ヒートポンプ４、６の熱源を山留め壁１１から採放熱された地中熱と地下躯体１２の蓄熱とで切り替えるようにしてもよい。

その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１、１００ヒートポンプシステム
２第一熱交換器
３第二熱交換器
４地下階ヒートポンプ
５室内機
６地上階ヒートポンプ
７室外機
８室内機
１０構造物
１１山留め壁
１１ａ芯材
１２地下躯体
１２ａ地下外壁
１３、１４断熱材
２０、２１（一対の）直管
２２Ｕ字管
２３、２４ヘッダ管
３０、３１（一対の）直管
４０、５０、７０、８０、９０冷媒配管

Claims

山留め壁内に埋設され、該山留め壁を介して地中との間で熱交換を行って採放熱する第一熱交換器と、
構造物の地下躯体の地下外壁内に埋設され、該地下外壁との間で熱交換を行って該地下外壁に蓄熱させる第二熱交換器と、
前記構造物の地下階に設置されていると共に室内機に接続される地下階ヒートポンプと、
を備えており、
前記山留め壁と前記地下外壁とは断熱材を介して隣接していて、
前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器が前記地下階ヒートポンプにそれぞれ接続されており、前記第一熱交換器を介して伝達される地中熱のみを前記地下階ヒートポンプの熱源にすることも、前記第二熱交換器を介して伝達される前記地下外壁の蓄熱と前記地中熱とを合わせて前記地下階ヒートポンプの熱源にすることも可能であることを特徴とするヒートポンプシステム。
山留め壁内に埋設され、該山留め壁を介して地中との間で熱交換を行って採放熱する第一熱交換器と、
構造物の地下躯体内に埋設され、該地下躯体との間で熱交換を行って該地下躯体に蓄熱させる第二熱交換器と、
前記構造物の地下階に設置されていると共に室内機に接続される地下階ヒートポンプと、
前記構造物の地上階に設置されると共に前記室内機又は別の室内機に接続される地上階ヒートポンプと、
前記構造物の室外に設置され、外気との間で熱交換を行って採放熱する室外機と、
を備えており、
前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器が前記地下階ヒートポンプにそれぞれ接続されており、前記第一熱交換器を介して伝達される地中熱のみを前記地下階ヒートポンプの熱源にすることも、前記第二熱交換器を介して伝達される前記地下躯体の蓄熱と前記地中熱とを合わせて前記地下階ヒートポンプの熱源にすることも可能であるとともに、
前記地下階ヒートポンプ、前記室外機及び前記第二熱交換器が前記地上階ヒートポンプにそれぞれ接続されており、前記室外機を介して伝達される空気熱のみを前記地上階ヒートポンプの熱源にすることも、前記第一熱交換器及び前記地下階ヒートポンプを介して伝達される地中熱のみを前記地上階ヒートポンプの熱源にすることも、前記空気熱、前記地下躯体の蓄熱及び前記地中熱のうちの少なくとも２つを合わせて前記地上階ヒートポンプの熱源にすることも可能であることを特徴とするヒートポンプシステム。
請求項１又は２に記載のヒートポンプシステムにおいて、
前記第一熱交換器と前記地下階ヒートポンプとが、地表面レベルに配管された第一ヘッダ管を介して接続され、
前記第二熱交換器と前記地下階ヒートポンプとが、前記地下階の壁面に配管された第二ヘッダ管を介して接続されていることを特徴とするヒートポンプシステム。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステムの制御方法であって、
前記ヒートポンプシステムの稼動モードとして、少なくとも、
前記第一熱交換器を介して伝達される地中熱のみを前記地下階ヒートポンプの熱源にすると共に、前記第二熱交換器を介して前記地下階ヒートポンプに伝達された熱を前記地下躯体に蓄熱させる蓄熱モードと、
前記第一熱交換器を介して伝達される地中熱と前記第二熱交換器を介して伝達される前記地下躯体の蓄熱とを合わせて前記地下階ヒートポンプの熱源にするハイブリッドモードと、
を有しており、
前記室内機の熱負荷が前記地下階ヒートポンプの冷却能力又は加熱能力よりも小さい時間帯に前記蓄熱モードで運転させ、前記熱負荷が前記地下階ヒートポンプの冷却能力又は加熱能力よりも大きい時間帯に前記ハイブリッドモードで運転させることを特徴とするヒートポンプシステムの制御方法。