JP6012896B1 - 熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】利用価値を高めた熱交換システムを提供する。【解決手段】熱交換システム１は、井戸２からくみ上げられた地下水の熱を取り出すヒートポンプ１８と、施設ＰＧＨ内の空気を吸い込んでから、ヒートポンプ１８で取り出された熱を利用して、吸い込んだ空気を調温してから施設ＰＧＨ内に送り戻すエアハンドリングユニット２０と、ヒートポンプ１８に熱を取り出された後の地下水を貯留させておくバッファタンク９と、バッファタンク９との間で地下水が循環することで、エアハンドリングユニット２０で調温される前の空気と地下水との間で熱交換を行う貯留水熱交換器１６と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、地下水を利用した熱交換システムに関する。

原油価格の高騰やＣＯ２削減に対する意識の高まりにより、ランニングコストが安くクリーンエネルギーである地中熱を利用したヒートポンプ（以下、地中熱ヒートポンプという。）が開発され、市場に導入されつつある。しかし、地中熱ヒートポンプは、導入に際して１００ｍ規模のボーリングが必要となるため、まとまったイニシャルコストが必要になる等の問題があって、普及が進まない状況である（例えば、非特許文献１参照）。

従来、施設園芸の現場では、上質な水による灌水を行うことで生産物の品質に良い影響を与えている。このため、古くから、施設園芸を営む各農家は、井戸施設を保有して、地下水による灌水を行っている。なかには、ボーリングマシンによって掘削された数十ｍから１００ｍ程度の深井戸を利用することもある。

このような深井戸は、経年劣化により揚水量の減少や水質の悪化等の問題が生じ、大掛かりな修繕が必要となる。しかしながら、修繕に掛かる労力を嫌い、新たな井戸を掘り直すことがある。結果、経年劣化した深井戸は次第に使用されなくなり、その多くが古井戸として放置されている。

こうした古井戸であっても、揚水の機能は確保されており、適切な浄化処理をする等して何らかの用途に活用することが可能である。そこで、本発明者等によって、古井戸を上述の地中熱ヒートポンプに転用することが研究されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特許第５０６７９５６号公報 特許第５６９０９６０号公報

独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構、［online］、「＜新エネルギーフロンティア技術戦略的開発＞」、［平成２７年１２月５日検索］、インターネット（ＵＲＬ：http://www.nedo.go.jp/content/100108737.pdf）

このような地中熱ヒートポンプを商品にする場合、単に古井戸を転用したものであることに留まらず、他のヒートポンプ等の熱交換システムとの差別化を押し進め、利用価値を高めることが要求される。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、利用価値を高めた熱交換システムを提供することを目的とする。

（１）本発明は、井戸からくみ上げられた地下水の熱を取り出すヒートポンプと、施設内の空気を吸い込んでから、前記ヒートポンプで取り出された前記熱を利用して、吸い込んだ前記空気を調温してから前記施設内に送り戻すエアハンドリングユニットと、前記ヒートポンプに熱を取り出された後の前記地下水を貯留させておくバッファタンクと、前記バッファタンクとの間で前記地下水が循環することで、前記エアハンドリングユニットで調温される前の前記空気と前記地下水との間で熱交換を行う熱交換器と、前記施設内の空気の温度を計測する温度計と、前記バッファタンクに貯留されている前記地下水の温度を計測する水温計と、前記温度計及び前記水温計の計測結果に基づいて動作することで、前記バッファタンクに貯留されている前記地下水を、前記熱交換器との間で循環させるポンプと、を備え、前記エアハンドリングユニットによる一段階の動作による前記施設内の冷房時には、前記施設内の空気を前記柄ハンドリングユニットにおいて冷却し、前記熱交換器及び前記エアハンドリングユニットによる二段階の動作による前記施設内の冷房時には、前記ポンプの動作によって、前記バッファタンクに貯留されている前記地下水を前記熱交換器との間で循環させることで、前記施設内の空気を前記熱交換器において冷却してから、その後、前記エアハンドリングユニットにおいて冷却し、前記エアハンドリングユニットによる一段階の動作による前記施設内の暖房時には、前記施設内の空気を前記エアハンドリングユニットにおいて加熱し、前記熱交換器及び前記エアハンドリングユニットによる二段階の動作による前記施設内の暖房時には、前記ポンプの動作によって、前記バッファタンクに貯留されている前記地下水を前記熱交換器との間で循環させることで、前記施設内の空気を前記熱交換器において加熱してから、その後、前記エアハンドリングユニットにおいて加熱することを特徴とする熱交換システムである。

本発明によれば、ヒートポンプで熱が取り出された後の地下水を、エアハンドリングユニットで調温する前の空気との間で熱交換させることで、地下水の再利用によって冷暖房能力を増強できる。結果、熱交換システムの利用価値が高まる。

また、施設内の空気の温度やバッファタンクに貯留されている地下水の温度の状況に応じて、エアハンドリングユニットによる一段階の動作と、熱交換器及びエアハンドリングユニットによる二段階の動作とを切り替えることができる。これにより、消費エネルギーを抑えてポンプを稼働させることができる。結果、熱交換システムの利用価値が更に高まる。

本発明によれば、熱交換システムの利用価値が高まる。

本発明の実施形態に係る熱交換システムの概略図である。 制御盤の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る熱交換システムについて詳細に説明する。

まず、図１及び図２を用いて、熱交換システム１の構成について説明する。図１は、熱交換システム１の概略図である。図２は、制御盤２１の構成を示すブロック図である。なお、各図において、一部の構成を適宜省略して、図面を簡略化する。

図１に示す熱交換システム１は、地中熱を利用したヒートポンプシステムであり、いちごを栽培するビニルハウス等の施設ＰＧＨ内の冷暖房を行う。この熱交換システム１は、制御盤２１によって統括的に制御される。すなわち、熱交換システム１は、制御盤２１の制御下において動作して、その動作状況が制御盤２１によって管理される。具体的に、熱交換システム１は、各所に配置された温度計や流量計の計測結果などに基づいて、各部の動作が所望する状況となるようにフィードバック制御される。

このような熱交換システム１は、井戸２と、揚水管３と、揚水ポンプ４と、揚水流量計５と、第１揚水温度計６と、揚水熱交換器７と、第２揚水温度計８と、バッファタンク９と、還元管１０と、還元井１１と、貯留水循環管１２と、循環ポンプ（ポンプ）１３と、貯留水温度計１４と、施設内温度計１５と、貯留水熱交換器（熱交換器）１６と、第１循環管１７と、ヒートポンプ１８と、第２循環管１９と、エアハンドリングユニット２０と、制御盤２１等を備えている。

井戸２は、地中ＧＲＤの帯水層ＷＢＬに達する穴であり、例えば、当該穴に筒体（図示省略）が埋設されている。帯水層ＷＢＬは、地下水を含む地層である。帯水層ＷＢＬの上面は、一般的に、地上から５０ｍ以上１００ｍ以下程度の深さＤに位置する。このため、筒体が埋設されている場合、当該筒体の長さは、帯水層ＷＢＬに達するように５０ｍ以上１００ｍ以下程度の範囲で適宜設定されている。

井戸２の内部は、帯水層ＷＢＬから浸入した地下水で満たされている。井戸２の内部に満たされている地下水の自然水位ｈは、一般的に、地表面から１０ｍ以内の深さとなる。このような井戸２には、揚水管３と揚水ポンプ４等が挿入されている。

揚水管３は、その一端が井戸２の内部に引き込まれており、揚水熱交換器７を経由してから、その他端がバッファタンク９に接続されている。この揚水管３は、揚水ポンプ４の動力によって井戸２から取り込まれた地下水を、バッファタンク９まで流す。

揚水ポンプ４は、井戸２の内部において、揚水管３の一端に取り付けられている。この揚水ポンプ４は、揚水流量計５、第１揚水温度計６及び第２揚水温度計８の計測結果などに基づいて動作する。これにより、揚水ポンプ４は、井戸２から揚水管３に地下水を取り込んで、揚水管３内の地下水に動力を付与する。

揚水流量計５は、揚水管３の途中に設けられ、井戸２と第１揚水温度計６との間に位置している。この揚水流量計５は、揚水管３内の地下水の流量を計測し、その計測結果を信号にして出力し、その信号を制御盤２１に入力する。

第１揚水温度計６は、揚水管３の途中に設けられ、揚水流量計５と揚水熱交換器７との間に位置している。この第１揚水温度計６は、揚水熱交換器７で熱交換する前の揚水管３内の地下水の温度を計測し、その計測結果を信号にして出力し、その信号を制御盤２１に入力する。

揚水熱交換器７は、揚水管３の途中に設けられ、第１揚水温度計６と第２揚水温度計８との間に位置していると共に、環状の第１循環管１７の途中に設けられている。この揚水熱交換器７は、揚水管３内を流れている地下水と、第１循環管１７内を流れている水などの液体との間で熱移動を行う。すなわち、揚水熱交換器７は、揚水管３内の地下水の冷熱又は温熱を、第１循環管１７内の液体に移動させる。

第２揚水温度計８は、揚水管３の途中に設けられ、揚水熱交換器７とバッファタンク９との間に位置している。この第２揚水温度計８は、揚水熱交換器７で熱交換した後の揚水管３内の地下水の温度を計測し、その計測結果を信号にして出力し、その信号を制御盤２１に入力する。

バッファタンク９は、揚水管３の他端に接続されていると共に、還元管１０の一端に接続されている。これにより、バッファタンク９は、井戸２と還元井１１との間に位置している。このバッファタンク９は、ヒートポンプ１８の前段となる揚水熱交換器７において熱交換が行われた後の地下水を一時的に貯留する。すなわち、バッファタンク９は、揚水熱交換器７を介してヒートポンプ１８に熱を取り出された後の地下水を貯留する。また、バッファタンク９は、貯留水循環管１２の両端が接続されている。

還元管１０は、その一端がバッファタンク９に接続されていると共に、その他端が還元井１１の内部に引き込まれている。この還元管１０は、バッファタンク９内で所定の水位を超えてオーバーフローした井戸水を、還元井１１まで流す。

還元井１１は、地中ＧＲＤの穴である。この還元井１１には、揚水熱交換器７で熱移動が行われた後の地下水が、還元管１０等を介して戻される。

貯留水循環管１２は、その一端がバッファタンク９に接続されており、貯留水熱交換器１６を経由してから、その他端が再びバッファタンク９に接続されている。この貯留水循環管１２は、循環ポンプ１３の動力によって、バッファタンク９に貯留されている地下水を貯留水熱交換器１６との間で循環させる。

循環ポンプ１３は、貯留水循環管１２の途中に設けられ、バッファタンク９と貯留水熱交換器１６との間に位置している。この循環ポンプ１３は、貯留水温度計１４及び施設内温度計１５の計測結果などに基づいて動作する。これにより、循環ポンプ１３は、バッファタンク９に貯留されている地下水を貯留水循環管１２に取り込んで、貯留水循環管１２内の地下水に動力を付与することで、バッファタンク９内の地下水を貯留水熱交換器１６との間で循環させる。

貯留水温度計１４は、バッファタンク９内に設けられている。この貯留水温度計１４は、バッファタンク９に貯留されている地下水の温度を計測し、その計測結果を信号にして出力し、その信号を制御盤２１に入力する。

施設内温度計１５は、施設ＰＧＨ内に設けられている。この施設内温度計１５は、施設ＰＧＨ内の空気の温度を計測し、その計測結果を信号にして出力し、その信号を制御盤２１に入力する。

貯留水熱交換器１６は、貯留水循環管１２の途中に接続されていると共に、エアハンドリングユニット２０と一緒に施設ＰＧＨ内に設けられている。この貯留水熱交換器１６は、バッファタンク９との間で地下水が循環することで、エアハンドリングユニット２０で調温される前の施設ＰＧＨ内の空気と地下水との間で熱交換を行う。

第１循環管１７は、揚水熱交換器７とヒートポンプ１８との間を往復するように環状に配置されている。この第１循環管１７は、冷媒または熱媒体となる水などの液体を、揚水熱交換器７とヒートポンプ１８との間で循環させる。

ヒートポンプ１８は、揚水熱交換器７との間で液体を循環させる第１循環管１７と、エアハンドリングユニット２０との間で液体を循環させる第２循環管１９とが接続されている。このヒートポンプ１８は、第１循環管１７を流れる液体の冷熱又は温熱をかき集め、第２循環管１９を流れる液体に移動させる。すなわち、ヒートポンプ１８は、揚水熱交換器７で第１循環管１７内の液体に移動していた地下水の冷熱又は温熱を取り出して、第２循環管１９内の液体に移動させる。

第２循環管１９は、ヒートポンプ１８とエアハンドリングユニット２０との間を往復するように環状に配置されている。この第２循環管１９は、冷媒または熱媒体となる水などの液体を、ヒートポンプ１８とエアハンドリングユニット２０との間で循環させる。

エアハンドリングユニット２０は、環状の第２循環管１９の途中に接続されていると共に、貯留水熱交換器１６と一緒に施設ＰＧＨ内に設けられている。このエアハンドリングユニット２０は、ヒートポンプ１８との間で液体が循環することで、直前に貯留水熱交換器１６で調温された後の施設ＰＧＨ内の空気と第２循環管１９内の液体との間で熱交換を行う。

具体的に、エアハンドリングユニット２０は、貯留水熱交換器１６を組み込んだユニット本体２０ａと、ユニット本体２０ａ内に設けられた吸気ファン２０ｂと、施設ＰＧＨ内の空気を吸い込む吸込口２０ｃと、吸い込んだ空気を施設ＰＧＨ内に送り戻す送風口２０ｄ等を有する。このようなエアハンドリングユニット２０は、吸気ファン２０ｂの回転によって吸込口２０ｃを介して施設ＰＧＨ内の空気を吸い込んでから、ヒートポンプ１８で取り出され第２循環管１９内の液体に移動した熱を利用して、吸い込んだ空気を調温してから送風口２０ｄを介して施設ＰＧＨ内に送り戻す。

図２に示すように、制御盤２１は、データロガー２２とＣＰＵ（Central Processing Unit）２３とを有する。

データロガー２２は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）などの記録媒体によって構成されている。このデータロガー２２には、ＣＰＵ２３が各種処理を実行するための処理プログラムと各種処理を実行する際に用いられる各種データ（判定部２５が判定に用いるデータを含む。）及び各種フラグが記憶されている。

ＣＰＵ２３は、データロガー２２に記憶された処理プログラムを実行することによって、通信部２４、判定部２５及び制御部２６として機能する。

通信部２４は、熱交換システム１の各部との間で信号を送受信する。具体的に、通信部２４は、揚水流量計５、第１揚水温度計６、第２揚水温度計８、貯留水温度計１４及び施設内温度計１５等から出力された信号を、判定部２５に転送する。そして、通信部２４は、制御部２６が出力する制御信号を、揚水ポンプ５、循環ポンプ１３、ヒートポンプ１８及びエアハンドリングユニット２０に転送する。

判定部２５は、揚水流量計５、第１揚水温度計６、第２揚水温度計８、貯留水温度計１４及び施設内温度計１５等から出力された信号に基づいて各種判定を行うことで、揚水ポンプ５、循環ポンプ１３、ヒートポンプ１８及びエアハンドリングユニット２０等のそれぞれの運転状況を決定する。そして、判定部２５は、判定結果を信号にして制御部２６に出力する。

制御部２６は、揚水ポンプ５、循環ポンプ１３、ヒートポンプ１８及びエアハンドリングユニット２０等のそれぞれに対して、通信部２４を介して、判定部２５から出力された信号に基づく制御信号を出力し、それぞれの運転状況を制御する。

次に、熱交換システム１における熱の流れを図１に基づいて説明する。

まず、夏季などに冷房を行う場合を説明する。熱交換システム１において、井戸２からくみ上げられた地下水の冷熱は、揚水熱交換器７で第１循環管１７内の液体に移動してから、ヒートポンプ１８でかき集められて第２循環管１９内の液体に移動する。これにより、エアハンドリングユニット２０が冷房として機能する。

また、施設内温度計１５で計測される施設ＰＧＨ内の空気の温度が、貯留水温度計１４で計測されるバッファタンク９内の地下水の温度より高い場合には、更に、バッファタンク９内の地下水が貯留水循環管１２を循環することで、バッファタンク９に貯留されている地下水の冷熱が貯留水熱交換器１６で再利用され、エアハンドリングユニット２０の冷房能力を増強する。

具体例として、井戸２からくみ上げられた揚水管３内の地下水は、揚水熱交換器７において１５℃から加熱されて１８℃となり、バッファタンク９に供給される。

第１循環管１７内の液体は、揚水熱交換器７において４０℃から冷却されて３５℃となり、ヒートポンプ１８に供給されると共に、ヒートポンプ１８において３５℃から加熱されて４０℃となり、揚水熱交換器７に供給される。

第２循環管１９内の液体は、ヒートポンプ１８において１０℃から冷却されて５℃となり、エアハンドリングユニット２０に供給されると共に、エアハンドリングユニット２０において５℃から加熱されて１０℃となり、ヒートポンプ１８に供給される。

バッファタンク９に供給された後に貯留水循環管１２を循環する地下水は、貯留水熱交換器１６において１８℃から加熱されて２１℃となり、バッファタンク９に供給される。

施設ＰＧＨ内の空気は、貯留水熱交換器１６において３０℃から冷却されて２５℃となり、その後、エアハンドリングユニット２０において２５℃から冷却されて２０℃となる。

なお、貯留水熱交換器１６は、主に、施設ＰＧＨ内の空気の潜熱に作用する。また、エアハンドリングユニット２０は、主に、施設ＰＧＨ内の空気の顕熱に作用する。このように、貯留水熱交換器１６及びエアハンドリングユニット２０は、施設ＰＧＨ内の温度と湿度を個別で任意に調節する。例えば、冷房に伴って、施設ＰＧＨ内の空気の湿度を８０％から下げて７０％にする場合、主に、貯留水熱交換器１６が機能することが求められる。

続いて、冬季などに暖房を行う場合を説明する。熱交換システム１において、井戸２からくみ上げられた地下水の温熱は、揚水熱交換器７で第１循環管１７内の液体に移動してから、ヒートポンプ１８でかき集められて第２循環管１９内の液体に移動する。これにより、エアハンドリングユニット２０が暖房として機能する。

また、施設内温度計１５で計測される施設ＰＧＨ内の空気の温度が、貯留水温度計１４で計測されるバッファタンク９内の地下水の温度より低い場合には、更に、バッファタンク９内の地下水が貯留水循環管１２を循環することで、バッファタンク９に貯留されている地下水の温熱が貯留水熱交換器１６で再利用され、エアハンドリングユニット２０の暖房能力を増強する。

具体例として、井戸２からくみ上げられた揚水管３内の地下水は、揚水熱交換器７において１５℃から冷却されて１２℃となり、バッファタンク９に供給される。

第１循環管１７内の液体は、揚水熱交換器７において５℃から加熱されて８℃となり、ヒートポンプ１８に供給されると共に、ヒートポンプ１８において８℃から冷却されて５℃となり、揚水熱交換器７に供給される。

第２循環管１９内の液体は、ヒートポンプ１８において２８℃から加熱されて３０℃となり、エアハンドリングユニット２０に供給されると共に、エアハンドリングユニット２０において３０℃から冷却されて２８℃となり、ヒートポンプ１８に供給される。

バッファタンク９に供給された後の貯留水循環管１２を循環する地下水は、貯留水熱交換器１６において１２℃から冷却されて、バッファタンク９に供給される。

施設ＰＧＨ内の空気は、貯留水熱交換器１６において１８℃から加熱されて、その後、エアハンドリングユニット２０において加熱されて２５℃となる。

このように、熱交換システム１によれば、ヒートポンプ１８で熱が取り出された後の地下水を、エアハンドリングユニット２０で調温する前の空気との間で熱交換させることで、地下水の再利用によって冷暖房能力を増強できる。結果、熱交換システム１の利用価値が高まる。

また、施設ＰＧＨ内の空気の温度やバッファタンク９に貯留されている地下水の温度の状況に応じて、エアハンドリングユニット２０による一段階の動作と、貯留水熱交換器１６及びエアハンドリングユニット２０による二段階の動作とを切り替えることができる。これにより、消費エネルギーを抑えて循環ポンプ１３を稼働させることができる。結果、熱交換システム１の利用価値が更に高まる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

すなわち、上記実施形態において、井戸２からくみ上げられた地下水の熱は、揚水熱交換器７を介してヒートポンプ１８で取り出される場合を例に説明したが、本発明は、揚水熱交換器を備えている必要はなく、井戸からくみ上げられた地下水の熱を直接ヒートポンプで取り出すように構成したものであってもよい。

あるいは、上記実施形態において、冷房時に、施設ＰＧＨ内の空気の温度がバッファタンク９内の地下水の温度より高い場合にバッファタンク９に貯留されている地下水の冷熱を再利用して冷房能力を増強する一方で、暖房時に、施設ＰＧＨ内の空気の温度がバッファタンク９内の地下水の温度より低い場合にバッファタンク９に貯留されている地下水の温熱を再利用して暖房能力を増強する場合を例に説明したが、本発明において、バッファタンク９に貯留されている地下水の冷熱・温熱を再利用する条件は、これに限定されるものではない。

あるいは、上記実施形態において、貯留水循環管１２によって、バッファタンク９に貯留されている地下水を貯留水熱交換器１６との間で循環させる場合を例に説明したが、貯留水熱交換器１６を経由した地下水を、バッファタンク９に供給せずに、還元井１１等に排出するようにしてもよい。

１ 熱交換システム
２ 井戸
３ 揚水管
４ 揚水ポンプ
５ 揚水流量計
６ 第１揚水温度計
７ 揚水熱交換器
８ 第２揚水温度計
９ バッファタンク
１０ 還元管
１１ 還元井
１２ 貯留水循環管
１３ 循環ポンプ
１４ 貯留水温度計
１５ 施設内温度計
１６ 貯留水熱交換器（熱交換器）
１７ 第１循環管
１８ ヒートポンプ
１９ 第２循環管
２０ エアハンドリングユニット
２０ａ ユニット本体
２０ｂ 吸気ファン
２０ｃ 吸込口
２０ｄ 送風口
２１ 制御盤
２２ データロガー
２３ ＣＰＵ
２４ 通信部
２５ 判定部
２６ 制御部
ＰＧＨ 施設
ＧＲＤ 地中
ＷＢＬ 帯水層
Ｄ 深さ
ｈ 自然水位

Claims (1)

1. 井戸からくみ上げられた地下水の熱を取り出すヒートポンプと、
   施設内の空気を吸い込んでから、前記ヒートポンプで取り出された前記熱を利用して、吸い込んだ前記空気を調温してから前記施設内に送り戻すエアハンドリングユニットと、
   前記ヒートポンプに熱を取り出された後の前記地下水を貯留させておくバッファタンクと、
   前記バッファタンクとの間で前記地下水が循環することで、前記エアハンドリングユニットで調温される前の前記空気と前記地下水との間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記施設内の空気の温度を計測する温度計と、
   前記バッファタンクに貯留されている前記地下水の温度を計測する水温計と、
   前記温度計及び前記水温計の計測結果に基づいて動作することで、前記バッファタンクに貯留されている前記地下水を、前記熱交換器との間で循環させるポンプと、を備え、
   前記エアハンドリングユニットによる一段階の動作による前記施設内の冷房時には、前記施設内の空気を前記エアハンドリングユニットにおいて冷却し、
   前記熱交換器及び前記エアハンドリングユニットによる二段階の動作による前記施設内の冷房時には、前記ポンプの動作によって、前記バッファタンクに貯留されている前記地下水を前記熱交換器との間で循環させることで、前記施設内の空気を前記熱交換器において冷却してから、その後、前記エアハンドリングユニットにおいて冷却し、
   前記エアハンドリングユニットによる一段階の動作による前記施設内の暖房時には、前記施設内の空気を前記エアハンドリングユニットにおいて加熱し、
   前記熱交換器及び前記エアハンドリングユニットによる二段階の動作による前記施設内の暖房時には、前記ポンプの動作によって、前記バッファタンクに貯留されている前記地下水を前記熱交換器との間で循環させることで、前記施設内の空気を前記熱交換器において加熱してから、その後、前記エアハンドリングユニットにおいて加熱することを特徴とする
   熱交換システム。

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