JP6590206B2

JP6590206B2 - 地熱利用空調方法

Info

Publication number: JP6590206B2
Application number: JP2015231106A
Authority: JP
Inventors: 中村　卓司; 卓司中村
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2035-11-26
Also published as: JP2017096585A

Description

本発明は、地熱利用空調方法に関する。

年間を通じて温度が安定し、且つ外気温に対して夏季に低く、冬季に高いことから、地下水や地中の熱を建物の冷暖房等に有効利用する地熱利用空調システムが実用化されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

また、地下水や地中の熱を利用した空調システムとして、地中熱を直接利用する直接方式、地下水を熱源水として利用する水熱源方式などの技術手法が提案、実用化されている。
例えば、地中熱を直接利用する直接方式の空調システムとしては、井戸内にＵ字状やスパイラル状のチューブを設置し、このチューブ内に水等を流通させつつ地下水との間で熱交換（採熱、放熱）を行う技術が知られている。

また、地下水を熱源水として利用する水熱源方式の空調システムとしては、ヒートポンプを用い地下水との間で熱交換を行う技術が知られている。

特開２００３−１４３８５号公報特開２０１１−２２６７５３号公報

しかしながら、上記従来の地下水や地中の熱を利用する空調システムにおいては、毎日連続して土壌・地下水熱を取り続けることで地中温度が上がり、結果として利用する冷水温度が上がって直接冷房に利用できなくなり、ヒートポンプの利用が不可欠になり、且つヒートポンプの成績係数が著しく低下するという問題があった。

例えば、図３には一週間の土壌配管の冷水温度の一例を示しており、また、表１は夜間の平均水温の一例を示しており、これら図、表の通り、採熱し続けて日にちが経過するにつれ水温が上昇することが確認されている。

一方で、例えばオフィスビルなどの室においては、平日は空調されて設定温度に保たれているが、土日などの休日は冷房されないために温度が上昇し、土日の温度上昇が影響して月曜日の冷房処理熱量の増加を招くことが多々ある。

例えば、図３には一週間の室温の一例を示しており、また、表２は空調時間の平均室温の一例を示しており、これら図、表の通り、空調の無い土日に温度が高くなり、平日に比べ休日の土日の室温が約７℃高くなることが確認されている。

このような背景から、温度が上昇した状態での地中熱の冷水の有効利用や、土日に上昇した室内の熱の有効利用を図る手法の開発が強く望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑み、例えば温度が上昇して平日の空調に直接使用できない土壌熱利用の冷水を、土日の温度の上がった室内の空調に利用することを可能にする地熱利用空調方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の地熱利用空調方法は、空調対象の室の温度を計測する空調対象温度計測手段を備え、該空調対象温度計測手段の計測結果を受け、冷凍機を用いて空調を行う日中有人になるときの前記空調対象の室の温度と、日中無人になるときの前記空調対象の室の温度との差が予め設定した値を超過すると、前記冷凍機を用いずに、地中に埋設した地中熱採取管と前記空調対象の室との間で熱媒体を循環させて日中無人になるときの前記空調対象の室の空調を行うようにしたことを特徴とする。

また、本発明の地熱利用空調方法においては、予測を伴うフィードバック制御により、前記熱媒体を循環させる運転開始時間を決めて空調対象の空調を行うことが望ましい。

本発明の地熱利用空調方法においては、例えば、日中無人になる土日に室温が上昇し、日中有人になる平日の運転などによって温度が上昇している熱媒体であっても、空調対象の室内の土日と平日の温度の差が予め定めた温度差よりも大きくなるとともに熱媒体の循環を開始するようにすれば、土日の空調に、冷凍機を動かす電力を使用しないで省エネルギー化を図りつつ、熱媒体の地中熱冷水を用いることが可能になる。

よって、翌月曜日の空調負荷を減らすなど、空調の効率化及び低コスト化を図ることが可能になる。

本発明の一実施形態に係る地熱利用空調システム（及び地熱利用空調方法）を示す図である。本発明の一実施形態に係る地熱利用空調システム（及び地熱利用空調方法）の変更例を示す図である。一周間の地中熱（熱媒体：土壌配管水温（戻り））と室温を比較した図である。

以下、図１から図３を参照し、本発明の一実施形態に係る地熱利用空調方法について説明する。

ここで、本実施形態は、地下水熱（地中熱）を利用するとともに、温度が上昇し平日（空調対象が日中有人）の空調に直接使用できない土壌熱利用の冷水を、土日（休日／空調対象が日中無人（不使用）のとき）の温度の上がった室内の空調に利用するオフィスビルなどに用いて好適な地熱利用空調方法に関するものである。

はじめに、本実施形態の地熱利用空調システムＡは、例えば図１に示すように、地中Ｇに埋設した地中熱採取管１と、この地中熱採取管１から地上のオフィスビルの室２などとの間で水などの熱媒体３を循環させる配管４とを備えて構成されている。

そして、この地熱利用空調システムＡでは、熱媒体３が地中熱採取管１内に送られると、地中Ｇの土壌・地下水との間で熱交換が行われ、冷却した熱媒体が地中熱採取管１からオフィスビルの室２などに送られるとともに放射パネル５などを通じて室内との熱交換が行われ、室内空気を冷却する。

また、室内との間での熱交換によって吸熱した熱媒体３が地中熱採取管１に送られて再度冷却される。これにより、熱媒体３を循環させるだけで、オフィスビルの室２などの空調を地中熱を利用して行うことできる。

ここで、水温（熱媒体３の温度）と室温を重ねて示した図３の通り、平日は水温と室温が約２６℃前後で同一温度帯となり、熱媒体３の土壌熱利用冷水を空調に利用することができない。
また、土曜、日曜は空調を行わないため、室温が上昇し、約２６℃の冷水３でも空調に利用することができる。

このような状況に基づき、本実施形態の地熱利用空調システムＡは、空調対象の室２の温度を計測する空調対象温度計測手段６と、地中熱採取管１内あるいは地中熱採取管１近傍の熱媒体３の温度を計測する熱媒体温度計測手段７と、これら空調対象温度計測手段６及び熱媒体温度計測手段７の計測結果を受け、空調対象の室２の温度と熱媒体３の温度の差が予め設定した値を超過するとともに、地中熱採取管１と空調対象の室２との間で熱媒体３を循環させて空調システムＡを運転制御する制御手段８とを備えて構成されている。

そして、本実施形態の地熱利用空調システムＡ（及び地熱利用空調方法）では、空調対象温度計測手段６の計測結果を受け、冷凍機を用いて空調を行う平日（日中有人になるとき）の空調対象２の温度と、土日祝日（日中無人になるとき）の空調対象２の温度との差が予め設定した値を超過すると、制御手段８によって運転が開始され、地中熱採取管１と空調対象の室２との間で熱媒体３を循環させ、土日祝日（日中無人になるとき）の空調対象２の空調を行う。

なお、空調対象温度計測手段６及び熱媒体温度計測手段７の計測結果を受け、空調対象の室２の温度と熱媒体３の温度の差が予め設定した値を超過するとともに、制御手段８によって運転が開始され、地中熱採取管１と空調対象の室２との間で熱媒体３を循環させるようにしてもよい。

したがって、本実施形態の地熱利用空調方法においては、図３に示したように、土日に室温が上昇すると、制御手段８が熱媒体３の循環を開始し、冷凍機を動かす電力を使用しないで省エネルギー化を図りつつ、土日の空調に熱媒体３の地中熱冷水を用いることが可能になる。よって、冷凍機を用いず、地中熱冷水によって空調の本運転の前のプレクーリングを行うことができ、翌月曜日の空調負荷を減らすことが可能になる。

ここで、土日の空調に利用できる熱量、すなわち省エネルギー量の試算例を示すと、次のようになる。

室温３５．５℃、冷水（熱媒体）の水温を２６．７℃とする。放射空調では冷水の行き還り温度は最大２℃程度なので、冷水温度平均値は２７．７℃となる。

放射空調の性能線図によると、室温−冷水温度平均値＝６．８℃であるので、除去熱量は約７０Ｗ／ｍ^２となる。空調時間を１０時間とし、ひと夏で７月から９月まで１５回の利用機会があるとすると、７０Ｗ／ｍ^２×１０ｈ×１５＝１０．５ｋＷｈの省エネルギー量となる。これは、平均的なオフィスビルの年間消費エネルギー量２０４１ＭＪ／ｍ^２年の約２％となる。

以上、本発明に係る地熱利用空調方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一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、図２に示すように、地中熱採取管１と室２を繋ぐ配管４に地中熱源ヒートポンプ９を繋いで設け、この地中熱源ヒートポンプ９によって熱交換効率の向上を図るようにしてもよい。

また、予め、空調対象温度計測手段６と熱媒体温度計測手段７で熱媒体３の温度と室温の計測データ（１年間分など）を取得しておき、例えば、月曜日の空調開始に合わせるためにフィードフォワード制御のモデル予測制御などを適用してもよい。この場合には、土日の土壌熱利用開始の時刻を自動で判断して運転するように構成・制御することができる。

すなわち、本発明に係る地熱利用空調方法においては、運転制御を行う際に、モデル予測制御などの予測を伴うフィードバック制御により、例えば休日明け（月曜日）の空調開始時刻に所定の温度になるように、運転開始時刻を決めるようにしてもよい。この場合には、より効率的且つ効果的に月曜日の空調負荷を減らし、省エネルギー化を図ることが可能になる。

さらに、本実施形態では、平日に温度が上昇した熱媒体３を用いて土日の室温を低下させるようにし、月曜日の空調負荷を減らすものとして説明を行ったが、空調対象温度計測手段６及び熱媒体温度計測手段７の計測結果を比較して、空調対象の室２の温度と熱媒体３の温度の差が予め設定した値を超過すれば、どのようなケースで地中熱を利用して空調を行うようにしても構わない。
言い換えれば、本発明は、例えば、日中無人になることがある建物において、日中無人になるときに本実施形態のように地中熱を利用し、冷凍機を使わずに空調対象の室内を冷却（空調）することで、空調エネルギーの節約を図ることができる。

また、本実施形態では、地熱を利用して空調対象を冷却するものとして説明を行ったが、勿論、地熱を利用することによって空調対象の加温するように本発明を適用してもよい。

１地中熱採取管
２室（空調対象）
３熱媒体
４配管
５放射パネル
６空調対象温度計測手段
７熱媒体温度計測手段
８制御手段
９地中熱源ヒートポンプ
Ａ地熱利用空調システム
Ｇ地中

Claims

空調対象の室の温度を計測する空調対象温度計測手段を備え、該空調対象温度計測手段の計測結果を受け、冷凍機を用いて空調を行う日中有人になるときの前記空調対象の室の温度と、日中無人になるときの前記空調対象の室の温度との差が予め設定した値を超過すると、前記冷凍機を用いずに、地中に埋設した地中熱採取管と前記空調対象の室との間で熱媒体を循環させて日中無人になるときの前記空調対象の室の空調を行うようにしたことを特徴とする地熱利用空調方法。
請求項１記載の地熱利用空調方法において、
予測を伴うフィードバック制御により、前記熱媒体を循環させる運転開始時間を決めて空調対象の空調を行うことを特徴とする地熱利用空調方法。