JP2007303693A - 地中熱交換器を利用した空調機構 - Google Patents

Abstract

【課題】
空気中の粉塵を除去できる地中熱交換器を使用した新しい空調機構に関する。
【解決手段】
先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた二重管構造からなる地中熱交換器の、該外管の先端を下にして地下に埋入して、該外管と内管の隙間に空調空気を流して地熱と熱交換させた後、該空気を該外管の底に衝突させ、該内管の中を通ってユーターンさせる機構の地中熱交換器を利用した空調機構において、該外管の底部に水を貯めて、該外管と内管の隙間から流入した空気を該外管の底部に貯めた水の液面に衝突させて該空気中の粉塵あるいは／および化学物質を除去することを特徴とする。
上記水の液面に衝突させる空気の流速が、1.5m/sec以上であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱交換器を利用した空調機構にかかわり、更に詳しくは、空調空気中の粉塵あるいは／および揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を除去できる新しい空調機構に関するものである。

昨今、二重管構造の地中熱交換器を利用した空調機構は特許文献１に開示されているように広く利用されている。
本空調機構は、温度、湿度の調節には有効であるが、当該空気の中に含まれている花粉、黄砂、あるいはシックハウス症候群の原因となる化学物質の除去には全く無力である。
従来、花粉、黄砂、あるいはシックハウス症候群の原因となる化学物質（揮発性有機化合物）の除去には、専用のフィルター（特許文献２に開示されている）が利用されており、本空調機構に利用するためには、これらのフィルターを併用しなければならない。新たな設備の併設、フィルターの取替え費用等の新たな費用が発生する。

特開2004−212038 特開2006−46683

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、二重管構造の地中熱交換器を利用した空調機構において、新たな設備の併設不要、かつ新たな費用の発生もない新しい粉塵および揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の除去方法を提供せんとするものである。

本発明者らは上記課題に関して鋭意研究を行い下記の知見を得た。
すなわち、二重管構造の地中熱交換器の外管と内管の隙間に空調空気を流して地熱と熱交換させた後、該空気を該外管の底に衝突させ、該内管の中を通ってＵターンさせる機構の地中熱交換器を利用した空調機構において、外管の底部に水を貯めて、外管と内管の隙間から流入した空気を外管の底部に貯めた水の液面に衝突させると、空調空気中の粉塵および揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を除去出来ることを発見した。そして衝突する空気の流速が、1.5m/sec以上の時、除去効率が最も優れていることを発見した。
本発明は上記知見に基づいてなされたものであって下記１〜6の構成からなる。
すなわち、
１．先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた二重管構造からなる地中熱交換器の、該外管の先端を下にして地下に埋入して、該外管と内管の隙間に空調空気を流して地熱と熱交換させた後、該空気を該外管の底に衝突させ、該内管の中を通ってＵターンさせる機構の地中熱交換器を利用した空調機構において、該外管の底部に水を貯めて、該外管と内管の隙間から流入した空気を該外管の底部に貯めた水の液面に衝突させて該空気中の粉塵あるいは／および揮発性有機化合物を除去することを特徴とする地中熱交換器を利用した空調機構。
２．上記水の液面に衝突させる空気の流速が、1.5m/sec 以上であることを特徴とする上記１に記載の空調機構。
３．上記内管の先端と水の液面の間に隙間を設け、該隙間を通って上記空調空気を内管にＵターンさせることを特徴とする上記１〜２のいずれか１項に記載の空調機構。
４．上記内管の先端を水面に浸漬し、該内管の先端部側面に設けた水面に浸漬されていない孔を通って上記空調空気を内管にＵターンさせることを特徴とする上記１〜２のいずれか１項に記載の空調機構。
５．上記内管と外管の隙間に、上記衝突空気流の変流板あるいはスリットを設けてなることを特徴とする上記１〜４のいずれか１項に記載の空調機構。
６．上記水の中に、マイナスイオンを発生させる鉱物を浸漬してなることを特徴とする上記１〜５のいずれか１項に記載の空調機構。

本発明は下記の効果を有する。
１．粉、黄砂等の空気中の粉塵を除去できる。
２．シックハウス症候群の原因となる揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を除去できる。
３．フィルターが不要である。
４．薬剤が不要である。

図１は、本発明方法の説明図である。
図２は、図１の内管の構造が異なる場合の説明図である。
図１、図２で、地中熱交換器は、先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌した二重管構造からなるものである。
地中熱交換器は、外管の先端を下にして地下に埋入し、該外管と内管の隙間から外気を下方向に流して、外管に接する地熱面と熱交換させた後、外管の底部に貯めた水の液面に衝突させる。
液面に衝突した空気は、図１では内管と液面の隙間から内管の内側に方向を反転させてＵターンして、内管の中を通って上方向に向かって流れて外に放出される。図２にあっては内管の先端が液面に浸漬されているので、液面に衝突した空気は、内管の側面に開けられた液面に浸漬されていない孔から内管の内側に流れ、方向を反転させてＵターンして、内管の中を通って上方向に向かって流れて外に放出される。あるいは内管の先端部を多孔質のメッシュ状にして、液面に浸漬されていないメッシュの孔から内管の内側に流れ、方向を反転させてＵターンして、内管の中を通って上方向に向かって流れて外に放出される。

図１、図２に示すいずれの場合でも、空気が液面に衝突した時に、空気中の粉塵が液面に吸着されて除去される。
空気が水の液面に衝突した時に、空気中の粉塵が水の液面に吸着、捕捉除去される詳細なメカニズムは不明であるが、液面に衝突させる空気流量の多寡に関らず、空気中の粉塵の吸着、捕捉現象は起こるので、少なくとも空気を液面に衝突させれば粉塵を除去する効果は発生する。
粉塵の除去効率は流速が早くなるほどより高くなり、概ね1.5m/sec以上が最も効率的である。
流速の上限には特別な制約はないが、高すぎると圧力損がより大きく成るので、上限はむしろ4.0m/sec以下にする方が経済的である。

流速が早くなるほど粉塵の除去効率がより高くなり理由は、空気の衝突によって、水面に漣（さざなみ）あるいは飛沫（しぶき）が発生して、これが粉塵の除去に関係しているようである。
空気の衝突のさせ方を変えることに因って、粉塵の除去効率は変化するので、衝突のさせ方、例えば空気を渦巻き流にして衝突させたり、あるいは細い高速噴射流を衝てたりすることで、除去効率をより高くすることができる。また空気の衝突以外の、別の方法で水面に漣（さざなみ）あるいは飛沫（しぶき）を発生させることも極めて有効である。たとえば水中で空気をバブリングさせたりすることも極めて有効である。
渦巻き流を生起させるには、内管と外管の隙間、水面の上に、空気流が斜めに衝突するように、空気の流れの方向を変える変流板を設ければよい。細い高速噴射流を衝てるためには、細いスリットから噴射するようにすればよい。

シックハウス症候群の原因となるホルムアルデヒド、ベンゼン、キシレン、トルエン等の芳香族化合物、木材保存料、防蟻材等、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）も液面に衝突させると吸着されて除去される。

本発明の空調機構では、地中熱交換器の底に貯めた水は、衝突空気に因って外に持ち去られるので、徐々に水位が低下してくる。水位の低下を防ぐために、水位センサーを設けて、ある水位に低下すると自動的に水を補給する機構が必須不可欠である。またパイプ内面の汚れを洗浄するために外管の頂部内面にパイプ洗浄装置を設けて、パイプ内面を常に清潔に保つ必要もある。
水位低下を防ぐ水の補給は、パイプ洗浄装置から供給しても良い。また、これに合わせて、底に溜まった汚れた水を外にくみ出す装置を設置することが好適である。
図３は、これを説明した図である。
外管の液面上部に、液面の水位センサーが、外管の頂部内面に、パイプ洗浄装置が設けられている。
空気の衝突角度を変える変流板、あるいはスリットは図３に示した位置に設置される。
図３には図示していないが、底に溜まった汚れた水を外にくみ出す装置も適宜併設される。

地中熱交換器には、図４に示すように、グリ石層（蓄熱層）を併設しても良い。すなわち、外気を蓄熱層に通して一段目の調湿、調温した後、地中熱交換器に通して調湿、調温するようにしても良い。
グリ石は、直径３０〜２００mmの石を、建物の１階床下の地下数十cmの深さから地表面に概ね40〜50cmの堆積厚さに積んだものである。
堆積層の上面は断熱性のシートで覆われている。又堆積層の底面には地中からの湿分の上昇を防止するための防湿シートが敷かれている。このシートはグリ石層に発生した水滴等はシートを通って地中に浸透することは出来るが、地中からの湿分の上昇は防止する構造になっている。これは複数のシートを位置をずらして重なった部分が出来るように全体に敷設することで達成できる。すなわち地面からの湿分、水分の上昇は防止できるが、上方からの水分は重なった部分の隙間から外に染み出ることができるようになっている。
特に、防水とする場合は、コンクリート底盤とすれば十分に目的を達成できる。
地熱は四季を通じて１３〜１８℃の温度に保たれており、グリ石の堆積層はこの地熱の影響を受けて夏季には２０〜２４℃、冬季には１５〜１９℃の温度に保持されている。
堆積されたグリ石とグリ石の間には隙間が存在し、外気はこのグリ石の隙間の中を通過
するときに冷却され、グリ石にて第１段の除湿、冷却が行われることとなる。

液面に衝突した空気によって、液面が揺動してさざなみが立ち、飛沫が発生すると、マイナスイオンが多量に含まれた空気が発生する。精神的な癒し効果のある空調空気が得られる。
水の中にトルマリン等の無機鉱物を入れておくことで、より多量のマイナスイオンが発生する。
マイナスイオンを発生する鉱石（トルマリン等）を設置する部位については、飛沫が発生しやすい地中熱交換器底部の水面或いは水中に設置することが好ましいが、空調空気が通過・接触する地中熱交換器の内・外管の部位であれば特に限定されるものでない。

外管の底に貯める水の水位および水面は、深く表面積が広いほうが粉塵の除去効率は高いので、好ましくはより深くおよび表面積を広くする。水面に波・バブリング等を誘発させて、該水面の表面積を増加させると粉塵の除去効率が更に向上する。

図１〜図４では、地中熱交換器には外気を流すと説明したが、本発明の地中熱交換器は外気のみに限定されるものではなく、室内を循環した空気を再循環させてもよいし、あるいはその他の方法で空調された空気を利用しても良い。

以下、実施例によって本発明の作用効果を説明する。
実施例１
地中熱交換器の仕様
地中熱交換器の構造：図２の構造
外管：外径φ250mm、長さ：5,000mm
外管材質：厚さ3.2mmのアルミニウムパイプ
内管：外径φ157.6mm、長さ：5,000mm
内管材質：厚さ3.8mmのポリエチレンパイプ
空気の流量：350m3／h
空気の衝突面積：約0.047m2
空気の流速：2.1m/sec
底に貯めた水量：１回目15リットル，２回目27リットル
粉塵除去テスト方法
粒度の異なる粉塵を空気に強制的に混合して、底に水を貯めた地中熱交換器を通すことによって粒子がどの程度捕捉、除去されるか、水位の高低量を変えた場合についてテストした。
粉塵の捕捉、除去率については、粉塵混合空気を地中熱交換器を通過させる前後の粉塵の数量（個数）をリオン（株）製粉塵測定器を用いて測定流量2.83Liter／minの条件下で測定し、前後の粉塵量より除去率を算出した。
測定器：リオン（株）製 型式KC−01D1 最小可測粒子径0.3μm
測定器の測定流量：2.83Liter／min
測定結果
地中熱交換器の底に貯めた水の水位が低い時（15リットル）の粉塵除去率

地中熱交換器の底に貯めた水の水位が高い時（２７リットル）時の粉塵除去率

以上の結果より、下記の効果が明らかになった。
１．水位が浅くても深くても粉塵を除去できる。
２．水位が深い方が、つまり水量が多い方が、浅い方（水量が少ない方）よりも微細粒の除去効率が高い。特に、１μm以上では約４倍、２μm以上では３倍、５μm以上では１．５倍と除去効率がアッブした。
３．黄砂は１μm程度、花粉は約２０μm以上と言われているので、本発明は花粉、黄砂の除去に対して極めて効果があることが確認できた。

実施例２
室内発生粉塵の除去テスト
地中熱交換器の仕様
地中熱交換器の構造：図２の構造（２連直列に接続）
（内管の側面に孔を開けて衝突した空気を通過させる構造）
外管：外径φ250mm、長さ：5,000mm
外管材質：厚さ3.2mmのアルミニウムパイプ
内管：外径φ157.6mm、長さ：5,000mm
内管材質：厚さ3.8mmのポリエチレンパイプ
空気の流量： 850 m3／h(425m3／h × 2本)
空気の衝突面積：0.047m2×2
空気の流速：2.5m/sec
底に貯めた水量：30リットル（15リットル× 2本）
粉塵除去テスト２階建住宅において室内循環空気を地中熱交換器に通すことで、室内発生粉塵の除去テストを行った。
実施例１と同様に、地中熱交換器を通過させる前後の粉塵の数量（個数）の測定し、前後の粉塵量より粉塵の捕捉・除去率を算出した。
測定結果
地中熱交換器の底に貯めた水の水位の時（約15リットル／本）の粉塵除去率

住宅室内における循環空気の中に混在している粉塵に対しても高い効率で除去できることが確認できた。

実施例３
空気中の揮発性有機化合物の吸着除去テスト
地中熱交換器の仕様
地中熱交換器の構造：図２の構造
（内管の側面に孔を開けて衝突した空気を通過させる構造）
外管：外径φ250mm、長さ：5,000mm
外管材質：厚さ3.2mmのアルミニウムパイプ
内管：外径φ157.6mm、長さ：5,000mm
内管材質：厚さ3.8mmのポリエチレンパイプ
空気の流量： 1000 m3／h(500m3／h × 2本)
空気の衝突面積：0.047m2×2本
空気の流速：3.0m/sec
底に貯めた水量：約15リットル／本
揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の吸着除去テスト
地中熱交換器の空気入口に有機接着剤を１滴垂らして空気出口での残留ＶＯＣの経時的変化を測定した。ＶＯＣ測定結果（トルエンに換算値）を下表に示す。

測定器：ＣＯＳＭＯＳ ＸＰ−３３９Ｖ 測定限界は0.01ppm
トルエンの厚生省の室内空気汚染ガイドライン値は、0.07ppmである。

上記の結果より、空気中の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の吸着除去に短時間で著効を有することが確認できた。

建築物の室内空気中の粉塵、ＶＯＣの清浄化に利用できる。

図１は、本発明に使用する地中熱交換器の構造の説明図。 図２は、本発明に使用する地中熱交換器の別の構造の説明図。 図３は、本発明に使用する地中熱交換器の別の構造の説明図。 図４は、本発明にグリ石を併用する時の説明図。

Claims (6)

1. 先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた二重管構造からなる地中熱交換器の、該外管の先端を下にして地下に埋入して、該外管と内管の隙間に空調空気を流して地熱と熱交換させた後、該空気を該外管の底に衝突させ、該内管の中を通ってＵターンさせる機構の地中熱交換器を利用した空調機構において、該外管の底部に水を貯めて、該外管と内管の隙間から流入した空気を該外管の底部に貯めた水の液面に衝突させて該空気中の粉塵あるいは／および揮発性有機化合物を除去することを特徴とする地中熱交換器を利用した空調機構。
2. 上記水の液面に衝突させる空気の流速が、1.5m/sec以上であることを特徴とする請求項１に記載の空調機構。
3. 上記内管の先端と水の液面の間に隙間を設け、該隙間を通って上記空調空気を内管にＵターンさせることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の空調機構。
4. 上記内管の先端を水面に浸漬し、該内管の先端部側面に設けた水面に浸漬されていない孔を通って上記空調空気を内管にＵターンさせることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の空調機構。
5. 上記内管と外管の隙間に、衝突空気流の変流板あるいはスリットを設けてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の空調機構。
6. 上記水の中に、マイナスイオンを発生させる鉱物を浸漬してなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の空調機構。
   
   

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