JP2013217603A - 地中熱ヒートポンプ冷暖房システム - Google Patents

Abstract

【課題】地中の浅層部に水平型熱交換器を設置し、設置手間の軽減及び費用を廉価にすることにより、設備投資を最小限に抑えることができる地中熱ヒートポンプ冷暖房システムを提供する。
【解決手段】熱交換媒体と地中との間で熱交換させる地中熱交換器１１にて熱交換された前記熱交換媒体を用いて、ヒートポンプ装置２０との間でさらに熱交換する地中熱ヒートポンプ冷暖房システムにおいて、前記地中熱交換器１１は、所定の粒径範囲および粒度分布によって埋設された人工砂礫層１３と、前記人工砂礫層１３内に、前記熱交換媒体が循環する水平ループ状に敷設され熱交換パイプとから形成され、地上には雨水などの水を貯留する貯水タンク１５が設置され、前記貯水タンク１５から前記人工砂礫層１３に水を注水する注水パイプ１６を介して定期的または不定期的に供給することによって、前記人工砂礫層１３を水で飽和状態にさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱を用いて熱交換した冷媒または熱媒からなる熱交換媒体をヒートポンプサイクルに利用する地中熱ヒートポンプ冷暖房システムに関し、地中の浅層部に地表から水を粒子間に導き飽和させた砂礫層を形成し、当該砂礫層内に熱交換パイプを配設することにより熱交換効率を高める地中熱ヒートポンプ冷暖房システムに関する。

自然エネルギーを利用する技術として、地中熱を用いて室内の冷暖房に利用する熱交換システムが知られている。
通常、地中は一年を通して一定温度（約１５℃前後）であるため、夏はヒートポンプサイクルによって暖められた熱媒の熱を地中に逃し、冬は冷やされた冷媒を地熱で温めることによって、室内の空調機に設けられた圧縮機への負担を減らし、省電力化することができる。

例えば、特許文献１に記載されている冷暖房システムは、穿設した井戸の坑井内に挿入された循環パイプと、この循環パイプ内を循環する不凍液等の媒体と、媒体循環ポンプと、坑井内の熱対流層に設けられた坑井内熱交換器と、室内機と、循環パイプを循環する媒体と熱交換媒体間で熱交換を行う室外熱交換器とで構成される第１ヒートポンプと、室外熱交換器と媒体が循環する他の循環パイプと、媒体を圧縮する圧縮機と、圧縮媒体を減圧する膨張装置と、室内機と室内熱交換器と、送風装置とで構成される第２ヒートポンプとから構成され、前記熱対流層により坑井内熱交換器は高効率のエネルギーを得て、前記第１、第２ヒートポンプで熱交換し、室内熱交換器で冷暖房を行うものである。地面から地下水層に達して穿設した井戸の抗井内に循環パイプを挿入し、抗井内の熱対流層に設けられた抗井内熱交換器で冷暖房を行うものである。

特開平９−１３７９７２号公報

しかしながら、特許文献１に示されるように、ヒートポンプの熱源として地熱を利用する場合には、地盤を垂直方向にボアホール工事して地中に熱交換器を設置することになる。この場合には垂直ボアホール工事に多大なコストを要するため、多額な投資が必要となり、自然エネルギーを利用する省エネルギー設備としては経済性が悪いとともに、熱交換率も地下水の流れにより大きく変わり、また、地下水流がない場合にはボアホール本数を増やさなければ要求される熱交換能力を満たせず、更に経済性を悪くするという欠点があった。

また、上述のような地中の垂直方向に熱交換器を設けるボアホール方式に対して、地中の浅層部に熱交換器を設ける水平埋設方式がある。しかし、水平埋設方式は、通常、地表面付近に設けられるため地下水が存在することは稀であり、蓄熱容量の小さい土壌内に熱交換器を設けることになるので、熱交換効率が悪く、熱交換器の設置面積を大きくしなければならないという欠点があった。

そこで、本発明は、地中の浅層部に地表から水を粒子間に導き飽和させることにより熱伝導率が高くかつ蓄熱容量を大きくする人工砂礫層を形成し、人工砂礫層内に熱交換パイプを水平ループ状に埋設し、更に地上に設置した貯水タンクの水を人工砂礫層に適宜注水して人工砂礫層を水で飽和状態にすることにより、地中深くにボアホール工事することなく設置手間及び費用が廉価で済むようになり、もって設備投資を最小限に抑えることのできる地中熱ヒートポンプ冷暖房システムを提供することにある。

上記の課題を解決するため、請求項１に示す地中熱ヒートポンプ冷暖房システムは、熱交換媒体と地中との間で熱交換させる地中熱交換器を有し、前記地中熱交換器にて熱交換された前記熱交換媒体を用いて、ヒートポンプ装置との間でさらに熱交換する地中熱ヒートポンプ冷暖房システムにおいて、前記地中熱交換器は、所定の粒径範囲および粒度分布によって埋設された人工砂礫層と、前記人工砂礫層内に、前記熱交換媒体が循環する水平ループ状に敷設され熱交換パイプとから形成され、地上には雨水などの水を貯留する貯水タンクが設置され、前記貯水タンクから前記人工砂礫層に水を注水する注水パイプが設けられ、前記人工砂礫層に前記貯水タンクの水を前記注水パイプを介して定期的または不定期的に供給することによって、前記人工砂礫層を水で飽和状態にさせることを特徴とする。

請求項１に示す地中熱ヒートポンプ冷暖房システムによれば、地中の浅層部に地表から水を粒子間に導き飽和させることにより熱伝導率が高くかつ蓄熱容量を大きくする人工砂礫層を形成し、地表に設けた貯水タンクから人工砂礫層に水を供給することによって人工砂礫層を水で常に飽和状態とさせることができるので、効率的な熱交換を行うことができる。
よって、ヒートポンプ装置の圧縮機への負担を軽減できるので省電力化とすることができる。また、熱交換パイプを地中浅層部に埋設すればよく、貯水タンクも地表に設置できるので、設備投資を最小限に抑えることができる。

請求項２に示す地中熱ヒートポンプ冷暖房システムは、前記人工砂礫層の上面部に、上記注水パイプに連結された透水パイプを分岐して敷設したことを特徴とする。

上記請求項２に示す地中熱ヒートポンプ冷暖房システムによれば、人工砂礫層の上面部全面にわたって貯水タンクの水を注水することができるので、人工砂礫層への水の供給を確実に均一に行うことができる。

請求項３に示す地中熱ヒートポンプ冷暖房システムは、前記人工砂礫層の下流部に排水路を形成したことを特徴とする。

上記請求項３に示す地中熱ヒートポンプ冷暖房システムによれば、人工砂礫層に供給された水を排水路から排水することができるので、貯水タンクから注水される水量に応じて排水することができる。

請求項４に示す地中熱ヒートポンプ冷暖房システムは、太陽熱交換器を有し、熱交換媒体の循環経路を切り換えることによって、上記太陽熱交換器と上記地中熱交換回路との間で熱交換媒体を循環させることを特徴とする。

上記請求項４に示す地中熱ヒートポンプ冷暖房システムによれば、地中熱交換器のみならず、太陽熱交換器によって地中熱交換回路との間で熱交換を行うことができる。

請求項５に示す地中熱ヒートポンプ冷暖房システムは、上記太陽熱交換器は太陽熱を熱交換媒体へ吸熱し、上記地中熱交換器は吸熱された熱交換媒体から地中へ蓄熱することを特徴とする。

上記請求項５に示す地中熱ヒートポンプ冷暖房システムによれば、冬季において地中熱の温度が低い場合に、地中熱交換器と太陽熱交換器との間で熱交換媒体を循環させることにより、昼間に太陽熱交換器を利用して太陽熱を地中へ蓄熱することができる。そして、夜間には、地中熱交換器とヒートポンプ装置の室外熱交換器との間で熱交換媒体を循環させることにより、
ヒートポンプ装置の圧縮機への負担を軽減して省電力化することができる。すなわち、太陽熱をも有効活用することが可能になる。

請求項６に示す地中熱ヒートポンプ冷暖房システムは、上記地中熱交換器は地中熱を熱交換媒体へ吸熱し、上記太陽熱交換器は吸熱された熱交換媒体から外気へ放熱させることを特徴とする。

上記請求項６に示す地中熱ヒートポンプ冷暖房システムによれば、夏季においては、ハウス３内を冷房することにより室外熱交換器２２を介して地中熱交換器１１から地中に熱が蓄熱される。夜間に、地中熱交換器と太陽熱交換器との間で熱交換媒体を循環させることにより、太陽熱交換器３１に設けられた黒色プラスチックパネルが放射冷却板として熱交換媒体の熱を放熱させることができる。また、昼間は太陽熱交換器３１に設けられた黒色プラスチックパネル表面に散水等をすることによって、蒸発僣熱により熱交換媒体の熱を放熱させることができる。
また、ハウス３内を冷房する際には、地中熱交換回路とヒートポンプ装置の室外熱交換器との間で熱交換媒体を循環させることにより、地中に蓄熱されていた熱は既に太陽熱交換器から放熱されているので、ヒートポンプ装置の圧縮機への負担を軽減し、省電力化とすることができる。すなわち、太陽熱交換器を地中熱の放熱器として利用することが可能になる。

以上説明したとおり本発明によれば、地中の浅層部に地表から水を粒子間に導き飽和させることにより熱伝導率が高くかつ蓄熱容量を大きくする人工砂礫層を形成し、地表に設けた貯水タンクから人工砂礫層に水を供給することによって人工砂礫層を水で常に飽和状態とさせることができるので、効率的な熱交換を行うことができる。よって、ヒートポンプ装置の圧縮機への負担を軽減できるので省電力化とすることができる。また、熱交換パイプを地中浅層部に埋設すればよく、貯水タンクも地表に設置できるので、設備投資を最小限に抑えることができる。

実施例１における地中熱ヒートポンプ冷暖房システムの構成を示した概略図である。 実施例１における地中熱交換器の構成を示した概略図である。 実施例２における排水路を設けた地中熱ヒートポンプ冷暖房システムの構成を示した構成図である。 実施例３における太陽熱交換器を利用した地中熱ヒートポンプ冷暖房システムの構成を示した概略図である。 実施例４における太陽熱交換器を放熱に利用した地中熱ヒートポンプ冷暖房システムの構成を示した構成図である。

以下、本発明の実施の形態における地中熱ヒートポンプ冷暖房システムついて、図面を参照しながら説明する。

図１は、実施例１における地中熱ヒートポンプ冷暖房システムの構成を示した概略図である。
図１に示されるように、本発明の地中熱ヒートポンプ冷暖房システムは、地中との間で熱交換を行った熱交換媒体が循環する一次熱交換回路１０と、ヒートポンプ装置２０で構成される二次熱交換回路２０とを有し、一次熱交換回路１０の地中熱交換器１１を埋設して、二次熱交換回路の室外熱交換器２２との間で熱交換することにより、地中から熱を汲み上げる、または、二次熱交換回路で発生した熱を地中へ放熱するようになっている。

一次熱交換回路１０は、地中浅層部に設けられた地中熱交換器１１と、地中熱交換器１１とヒートポンプ室外機２１内に設けられた室外熱交換器２２とを接続する循環パイプ１４と、循環パイプ１４内を循環する水または不凍液等の熱交換媒体と、熱交換媒体を循環パイプ１４内で循環させるための循環ポンプ２４とから構成されている。

地中熱交換器１１は、地中浅層部に設けられる人工砂礫層１３と、人工砂礫層１３内に埋設される熱交換パイプ１２とを備えている。熱交換パイプ１２は、熱交換パイプ１２の表面積を大きくするように水平ループ状に埋設されている。

人工砂礫層１３は、適切な透水性および保水性を確保できる粒径範囲と粒度分布があればよく、熱交換パイプ１２を挟むように厚さ２０ｃｍ〜３０ｃｍ程度であればよい。
熱交換パイプ１２は熱交換率のよい素材が好ましいが、耐食性や耐候性なども考慮して樹脂製パイプが好ましい。

二次熱交換回路２０は、ヒートポンプ装置２０によって構成されている。
ヒートポンプ装置２０は、ヒートポンプ室外機２１と、ハウス３内に設置されたヒートポンプ室内機２３と、ヒートポンプ室外機２１とヒートポンプ室内機２３との間を配管で接続する循環パイプ２５と、循環パイプ２５内を循環する熱交換媒体とから構成されている。

ヒートポンプ室外機２１内には、図示しないコンプレッサと、膨張弁と、一次熱交換回路１０と二次熱交換回路２０との間で熱交換を行う室外熱交換器２２とが一本の配管で接続されており、室外熱交換器２２は、暖房運転時は蒸発器として、また、冷房運転時は凝縮器として構成されている。

地上には、人工砂礫層１３に水を浸透させるための貯水タンク１５が設置されている。貯水タンク１５には、雨水等の水が貯水されている。
貯水タンク１５と、地中熱交換器１１の人工砂礫層１３とは注水パイプ１６で接続されている。注水パイプ１６には、流量調整弁１７が設けられ、人工砂礫層１３への水の注水量を調整可能となっている。

人工砂礫層１３は、適度な保水性と透水性を兼ね備えており、水は、その比熱が土壌の質量比熱の５倍であり、容積比熱の４倍以上であることから、単なる土壌よりも比熱が大きい。また、水で飽和された砂礫層は通常の土壌にように空隙がなく熱伝導が著しくよい。したがって、人工砂礫層１３に水を浸透させることにより、単なる土壌を用いる場合よりも高い熱交換率を得ることができる。

また、人工砂礫層１３は保水性もよいので大量の水を注水する必要はなく、人工砂礫層１３に浸透する水が常に飽和状態に保つ程度に貯水タンク１５から水を適宜供給すればよいが、人工砂礫層１３へ注水する水量を流量調整弁１７で調整して、より多くの水量を注水することによって、更に高い熱交換率を得ることもできる。

図２は、実施例１における地中熱交換器１１の構成を示した概略図である。
地中熱交換器１１を構成する人工砂礫層１３の上面に透水パイプ１８が敷設されている。透水パイプ１８は、注水パイプ１６と接続されており、貯水タンク１５から供給される水が透水パイプを介して人工砂礫層の全面にいき渡るように分岐して敷設されている。
透水パイプ１８は、管の中を水が通りながら、同時に管の外にも水を通すことができる管でよく、ドレーンパイプでもよい。

図３は、実施例２における排水路を設けた地中熱ヒートポンプ冷暖房システムの構成を示した概略図である。
地中熱交換器１１には、排水パイプ２６が接続されて排水路（暗渠）２７が形成されている。排水路（暗渠）２７を形成することにより、透水パイプ１８から人工砂礫層１３に浸透した水が容易に排水されることにより、排水タンク１５から注水される水の流れをよくすることができる。
地中熱交換器１１が全体として水平に形成されていても、排水路（暗渠）２７から排水される水は、貯水タンク１５から注水される水の圧力によって容易に排水されるが、地中熱交換器１１を緩やかな傾斜に形成して、その下流側に排水路（暗渠）２７を設けてもよい。

図４は、実施例３における太陽熱を利用した地中熱ヒートポンプ冷暖房システムの構成を示した概略図である。
図４に示されるように、実施例３における地中熱ヒートポンプ冷暖房システムでは、実施例１または実施例２に加えて、太陽熱との間で熱交換を行う三次熱交換回路３０を備えている。

三次熱交換回路３０は、農業用地の法面等に設置された太陽熱交換器３１と、太陽熱交換器３１と一次熱交換回路１０の地中熱交換器１１とを接続する循環パイプ３２と、循環パイプ３２内を循環する熱交換媒体と、太陽熱交換器３１と地中熱交換器１１との間の熱交換媒体の循環を切り換え可能な三方弁３３、３４とから構成されている。

冬季において、地中温度が低下して供給する熱量が不足する場合、昼間に三方弁３３、３４を切り換えることにより、熱交換媒体の循環経路を、地中熱交換器１１と太陽熱交換器３１との間で循環させる。太陽熱交換器３１で太陽熱により温められた熱交換媒体により、地中熱交換器１１により熱交換されて地中に蓄熱することができる。
つまり、太陽熱を地中熱として蓄熱することができる。

この場合、熱交換媒体を循環させるために循環ポンプ２４を可動して、熱交換媒体はヒートポンプ室外機を経由することになるが、室外熱交換器２２での熱交換は行わずに熱交換媒体を循環させるのみでよい。

更に、夜間に再度三方弁３３，３４を切り換えることにより、熱交換媒体の循環経路を地中熱交換器１１と室外熱交換器２２との間で循環させる。したがって、地中熱のみでの地中熱交換器１１による熱供給が不十分な場合に、太陽熱を地中熱として蓄熱することによって、二次熱交換回路２０の室外熱交換器２２に設けられた圧縮機への負担を軽減し、省電力化することができる。

図５は、実施例４における太陽熱交換器３１を放熱に利用した地中熱ヒートポンプ冷暖房システムの構成を示した概略図である。
図５に示されるように、実施例４における地中熱ヒートポンプ冷暖房システムでは、実施例３と同じ構成からなり、太陽熱交換器３１を利用して熱交換媒体の熱を放熱する。

夏季においては、ハウス３内を冷房することにより室外熱交換器２２を介して地中熱交換器１１から地中に熱が蓄熱される。
そこで、三方弁３３、３４を切り換えることにより、熱交換媒体の循環経路を、地中熱交換器１１と太陽熱交換器３１との間で循環させる。夜間は太陽熱交換器３１に設けられた黒色プラスチックパネルを放射冷却板として利用して、熱交換媒体の熱を放熱させることができる。また、昼間は太陽熱交換器３１に設けられた黒色プラスチックパネル表面に散水等をすることによって、蒸発僣熱により熱交換媒体の熱を放熱させることができる。

この場合も、熱交換媒体を循環させるために循環ポンプ２４を可動して、熱交換媒体はヒートポンプ室外機を経由することになるが、室外熱交換器２２での熱交換は行わずに熱交換媒体を循環させるのみでよい。

ハウス３内を冷房する際には、三方弁３３，３４を切り換えることにより、熱交換媒体の循環経路を一次熱交換回路１０の地中熱交換器１１と二次熱交換回路２０の室外熱交換器２２との間で循環させる。
この場合、地中に蓄熱されていた熱は、三次熱交換回路３０の太陽熱交換器３１から放熱されているので、二次熱交換回路２０の室外熱交換器２２に設けられた圧縮機への負担を軽減し、省電力化することができる。

１ 地中熱ヒートポンプ冷暖房システム
３ ハウス
１０ 一次熱交換回路
１１ 地中熱交換器
１２ 熱交換パイプ
１３ 人工砂礫層
１４ 循環パイプ
１５ 貯水タンク
１６ 注水パイプ
１７ 流量調整弁
１８ 透水パイプ
２０ 二次熱交換回路（ヒートポンプ装置）
２１ ヒートポンプ室外機
２２ 室外熱交換器
２３ ヒートポンプ室内機
２４ 循環ポンプ
２５ 循環パイプ
２６ 排水パイプ
２７ 排水路（暗渠）
３０ 三次熱交換回路
３１ 太陽熱交換器
３２ 循環パイプ
３３ 三方弁
３４ 三方弁

Claims (6)

1. 熱交換媒体と地中との間で熱交換させる地中熱交換器を有し、
   前記地中熱交換器にて熱交換された前記熱交換媒体を用いて、ヒートポンプ装置との間でさらに熱交換する地中熱ヒートポンプ冷暖房システムにおいて、
   前記地中熱交換器は、所定の粒径範囲および粒度分布によって埋設された人工砂礫層と、前記人工砂礫層内に、前記熱交換媒体が循環する水平ループ状に敷設され熱交換パイプとから形成され、
   地上には雨水などの水を貯留する貯水タンクが設置され、
   前記貯水タンクから前記人工砂礫層に水を注水する注水パイプが設けられ、
   前記人工砂礫層に前記貯水タンクの水を前記注水パイプを介して定期的または不定期的に供給することによって、前記人工砂礫層を水で飽和状態にさせることを特徴とする地中熱ヒートポンプ冷暖房システム。
2. 前記人工砂礫層の上面部に、前記注水パイプに連結された透水パイプを分岐して敷設したことを特徴とする請求項１に記載の地中熱ヒートポンプ冷暖房システム。
3. 前記人工砂礫層の下流部に排水路を形成したことを特徴とする請求項１及び２に記載の地中熱ヒートポンプ冷暖房システム。
4. 太陽熱交換器を有し、熱交換媒体の循環経路を切り換えることによって、前記太陽熱交換器と前記地中熱交換回路との間で熱交換媒体を循環させることを特徴とする請求項１乃至３に記載の地中熱ヒートポンプ冷暖房システム。
5. 前記太陽熱交換器は太陽熱を熱交換媒体へ給熱し、前記地中熱交換器は給熱された熱交換媒体から地中へ蓄熱することを特徴とする請求項４に記載の地中熱ヒートポンプ冷暖房システム。
6. 前記地中熱交換器は地中熱を熱交換媒体へ給熱し、前記太陽熱交換器は給熱された熱交換媒体から外気へ放熱させることを特徴とする請求項４に記載の地中熱ヒートポンプ冷暖房システム。