JP4929028B2

JP4929028B2 - 太陽地熱蓄熱供給設備

Info

Publication number: JP4929028B2
Application number: JP2007112508A
Authority: JP
Inventors: 昭己洲澤; ジェフリーヒューイットマーク
Original assignee: ミサワ環境技術株式会社
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2027-04-23
Also published as: JP2008025984A

Description

本発明は、太陽光などの自然エネルギーから得た温熱および冷熱を、建物や空港の滑走路あるいは道路などの舗装層に供給して、冷暖房や融雪などを行うための太陽地熱蓄熱供給設備に関するものである。

近年、化石燃料の枯渇化や環境問題の観点から、太陽光などの自然エネルギーを利用した冷暖房設備が注目を集めている。特に、学校や公共施設などの大きな建物では、冷暖房等のために大量のエネルギーを消費するため、自然エネルギーの有効的な利用が望まれている。

また、道路や空港の滑走路などの路面は、夏期においては、強い太陽光の熱によって波打ち状に変形したり、また、冬期においては積雪によって自動車や飛行機の走行を妨げるといった問題がある。道路や飛行場の融雪にも大量のエネルギーを消費するため、自然エネルギーの有効的な利用が望まれている。

これまでに、太陽光などの自然エネルギーを利用して建物の冷暖房を行う手段は創案されている。しかし、学校などの広い庭部分を有する特定の建物に限定して言えば、特に有効な手段は創案されていない。また、道路や滑走路の路面の変形や融雪に対しても、有効な手段は創案されていない。また、道路や滑走路の融雪に関しても、特に有効な手段が創案されていないのが現状である。

本発明はこうした問題に鑑み創案されたもので、自然エネルギーから得た温熱および冷熱を、建物や道路あるいは飛行場の滑走路などの舗装層に供給して、冷暖房や融雪などを効果的に行うための太陽地熱蓄熱供給設備を提供することを課題とする。

図１乃至図８を参照して説明する。請求項１に記載の太陽地熱蓄熱供給設備は、学校等の建物Ｂに、冷暖房などのために、自然エネルギーによって得た熱を供給する設備であって、土壌層８５または９５上に、熱交換用パイプ群８１または９１を配置し、熱交換用パイプ群８１または９１の隙間を土壌８２または９２で埋め、熱交換用パイプ群８１または９１上に断熱用発泡スチロール板８３または９３を載せ、発泡スチロール板８３または９３上にベタ基礎８４または９４を設けて蓄熱ユニット８０または９０を形成する。また、ベタ基礎上に室内冷暖房機器６５を設けた建物６１を配置する。さらに、他の地表面７２に沿って配置した地表面熱採取パイプ群７０と熱交換用パイプ群８１または９１をポンプおよび切換弁を含む制御装置７１を介して不凍液循環路で結ぶ。そして、夏または冬に地表面熱採取パイプ群７０を介して熱交換パイプ群８１または９１の直下の土壌層８５または９５に貯えられた高温または低温エネルギーを、冬または夏に室内冷暖房機器６５から放出する。

請求項１に記載の発明による太陽地熱蓄熱供給方法は、学校等の建物Ｂに、冷暖房などのために、自然エネルギーによって得た熱を供給する方法であって、土壌層８５または９５上に、熱交換用パイプ群８１または９１を配置し、熱交換用パイプ群８１または９１の隙間を土壌８２または９２で埋め、熱交換用パイプ群８１または９１上に断熱用発泡スチロール板８３または９３を載せ、発泡スチロール板８３または９３上にベタ基礎８４または９４を設けて蓄熱ユニット８０または９０を形成することができる。また、ベタ基礎上に室内冷暖房機器６５を設けた建物６１を配置することができる。さらに、他の地表面７２に沿って配置した地表面熱採取パイプ群７０と熱交換用パイプ群８１または９１をポンプおよび切換弁を含む制御装置７１を介して不凍液循環路で結ぶ。そして、夏または冬に地表面熱採取パイプ群７０を介して熱交換パイプ群８１または９１の直下の土壌層８５または９５に貯えられた高温または低温エネルギーを、冬または夏に室内冷暖房機器６５から放出することができる。

請求項１に記載の太陽地熱蓄熱供給設備は、建物６１の下側に蓄熱ユニット８０，９０を二組設置し、第一蓄熱ユニット８０を高温エネルギー用、第二蓄熱ユニット９０を低温エネルギー用とし、両蓄熱ユニット８０，９０を共通の熱採取パイプ群７０および室内冷暖房機器６５へ切換接続可能とすることができる。そして、一方の蓄熱ユニット８０または９０が地表面熱採取パイプ群７０に接続しているときには、他方の蓄熱ユニット９０または８０を室内冷暖房機器６５に接続することができる。

なお、この太陽地熱蓄熱供給設備は、学校等の建物Ｂに、冷暖房などのために、自然エネルギーによって得た熱を供給する設備であって、前記建物Ｂに隣接した広い庭部分Ｆの表面に形成した舗装層Ｌの直下に、水平状に敷設され、内部に流体が流動する温熱収集管１および冷熱収集管２と、前記温熱収集管１に連結されると共に前記建物Ｂの直下に設けられ、夏期に、当該温熱収集管１によって収集した温熱エネルギーHを貯えると共に、冬期に、当該温熱エネルギーHを前記建物Ｂに供給する温熱ユニット３と、前記冷熱収集管２に連結されると共に前記建物Ｂの直下に設けられ、冬期に、当該冷熱収集管２によって収集した冷熱エネルギーＣを貯えると共に、夏期に、当該冷熱エネルギーＣを前記建物Ｂに供給する冷熱ユニット４と、で構成することができる。

また、この太陽地熱蓄熱供給設備は、温熱ユニット３および冷熱ユニット４と建物Ｂとの間に熱交換器５を設けることができる。

また、この太陽地熱蓄熱供給設備は、道路や滑走路などの路面の舗装層Ｌに、冷却や融雪のために、自然エネルギーによって得た熱を供給する設備であって、前記舗装層Ｌの直下に、水平状に敷設され、内部に流体が流動する温熱収集管１および冷熱収集管２と、前記温熱収集管１に連結され、夏期に、当該温熱収集管１によって収集した温熱エネルギーHを貯える温熱ユニット３と、前記冷熱収集管２に連結され、冬期に、当該冷熱収集管２によって収集した冷熱エネルギーＣを貯える冷熱ユニット４と、で構成することができる。

ここで、前記冷熱収集管２は、夏期において、前記冷熱ユニット４からの冷熱エネルギーＣを、前記舗装層Ｌに供給することができ、前記温熱収集管１は、冬期において、前記温熱ユニット３からの温熱エネルギーHを、前記舗装層Ｌに供給することができる。

また、この太陽地熱供給設備は、道路や空港滑走路の舗装層１０１の融雪を、太陽光と地熱から得た自然エネルギーによって行うものであって、前記舗装層１０１の左右両側に断熱層１０４を設け、夏期において、前記舗装層１０１によって採取した太陽光の温熱エネルギーを、当該舗装層１０１および断熱層１０４の下位の土壌層１０５に蓄熱し、冬期において、前記舗装層１０１に、前記土壌層１０５に蓄熱した温熱エネルギーを自然供給することができる。なお、融雪には、雪のみでなく、氷を融かすことも含む。

さらに、この太陽地熱供給設備は、道路や空港滑走路の舗装層１０１の融雪を、太陽光と地熱から得た自然エネルギーによって行う設備であって、前記舗装層１０１の左右両側に断熱層１０４を設け、前記舗装層１０１の近傍に、内部を流体が流動する地中熱杭１１４を垂直に埋設すると共に、前記舗装層１０１及び断熱層１０４の直下に、前記地中熱杭１１４の流体が循環する温熱供給管１１５ａを配することができる。

なお、舗装層１０１は、夏期に、太陽光を効果的に吸収することができ、かつ冬期に、温熱エネルギーを効果的に放熱することのできる材料で形成する。これらの材料としては、例えば、アスファルトやコンクリートがある。

そして、夏期において、前記舗装層１０１によって採取した太陽光の温熱エネルギーを、当該舗装層１０１および断熱層１０４の下位の土壌層１０５に蓄熱する。また、冬期において、前記舗装層１０１に、前記土壌層１０５に蓄熱した温熱エネルギーを自然供給すると共に、前記温熱供給管１０５ａを循環する流体が有する温熱エネルギーを供給することができる。

なお、地中熱杭１１４の内部を流動する流体は、地下層に存在する地下水であっても良いし、不凍液やその他、それに類するものであっても良い。

また、この太陽地熱蓄熱供給設備１１０は、道路や空港滑走路の舗装層１０１の融雪を、太陽光と地熱から得た自然エネルギーによって行うものであって、前記舗装層１０１と同程度の大きさで、当該舗装層１０１の内部または直下に水平状に敷設され、内部に流体が流動する温熱供給管１１５ａを配した排熱板１１５と、前記舗装層１０１と同程度の大きさで、当該舗装層１０１または排熱板１１５の直下、あるいは前記舗装層１０１に隣接して水平状に敷設され、内部に流体が流動する温熱収集管１１２を配し、夏期において、太陽光の温熱エネルギーを採取する集熱板１１１と、前記集熱板１１１の直下に設けられ、該集熱板１１１で採取した温熱エネルギーを貯える温熱蓄熱槽１１３と、地中に垂直に埋設され、夏期において、内部を流動する流体によって地中の温熱エネルギーを採取する地中熱杭１１４と、冬期において、前記温熱板と地中熱杭１１４とで採取した温熱エネルギーを、前記排熱板１１５に供給するコントローラー１１６と、で構成することができる。

また、この太陽地熱蓄熱供給設備１１０は、建物１０２の冷暖房を太陽光、地熱および大気から得た自然エネルギーによって行うものであって、地表近くに水平状に敷設され、内部に流体が流動する熱収集管１８を配し、夏期においては太陽光の温熱エネルギーを採取し、冬期においては冷熱エネルギーを採取する集熱板１１１と、前記建物１０２の直下に設けられ、夏期においては、前記集熱板１１１から供給される温熱エネルギーを貯え、冬期においては、前記温熱エネルギーを前記建物１０２の暖房に供給する温熱蓄熱槽１１３と、前記建物１０２の直下に設けられ、冬期においては、前記集熱板１１１から供給される冷熱エネルギーを貯え、夏期においては、前記冷熱エネルギーを前記建物１０２の暖房に供給する冷熱蓄熱槽１１７と、地中に垂直に埋設され、内部を流動する流体によって、夏期においては、地中の温熱エネルギーを採取して前記温熱蓄熱槽１１３に供給し、冬期においては、地中の冷熱エネルギーを採取して前記冷熱蓄熱槽１１７に供給する地中熱杭１１４と、から構成することができる。

請求項２に記載の太陽地熱蓄熱供給設備は、請求項１に記載の発明において、熱交換用パイプ群８１，９１と断熱用発泡スチロール板８３，９３との間に、厚さが２０ｃｍ〜３０ｃｍの中間土壌層８６，８７を設けてなるものである。

なお、前記太陽地熱蓄熱供給方法も、熱交換用パイプ群８１，９１と断熱用発泡スチロール板８３，９３との間に、厚さが２０ｃｍ〜３０ｃｍの中間土壌層８６，８７を設けることができる。

請求項１に記載の太陽地熱蓄熱供給設備は、夏または冬に地表面熱採取パイプ群７０を介して熱交換パイプ群８１または９１の直下の土壌層８５または９５に貯えられた高熱または冷熱エネルギーを、冬または夏に室内冷暖房機器６５から放出するので、自然熱を利用した冷暖房を効果的に行うことができる。

すなわち、夏期においては、太陽光の高温エネルギーを地表面熱採取パイプ群７０で採取して熱交換用パイプ群８１に循環させて、その高熱エネルギーを蓄熱ユニット８０の土壌層８５に蓄熱する。そして、その高熱エネルギーを冬期の暖房に使用する。

また、冬期においては、地表面熱採取パイプ群７０で採取した低温エネルギーを、熱交換用パイプ群９１を介して蓄熱ユニット９０の土壌層９５に貯え、それを夏期に使用するものである。これらの土壌層８５，９５は、高熱エネルギーおよび冷熱エネルギーを保存するタンクのはたらきを担う。

なお、熱交換用パイプ群８１または９１に形成されるパイプ間の隙間を土壌８２または９２で埋めているので採取したエネルギーを土壌層８５または９５に効果的に蓄熱することができる。また、熱交換用パイプ群８１または９１の上に断熱用発泡スチロール板８３または９３およびベタ基礎８４または９４を設けているので、土壌層８５または９５に蓄熱した高熱エネルギーおよび冷熱エネルギーを放熱させることなく効果的に貯えることができる。

また、この太陽地熱蓄熱供給設備は、一方の蓄熱ユニット８０または９０が地表面熱採取パイプ群７０に接続しているときには、他方の蓄熱ユニット９０または８０を室内冷暖房機器６５に接続するので、冬期においては、蓄熱ユニット８０の高温エネルギーを室内冷暖房機器６５を介して建物内に供給すると共に、地表面熱採取パイプ群７０で採取した低温エネルギーを蓄熱ユニット９０に貯えることができる。

また、夏期においては、冷熱蓄熱ユニット９０の冷熱エネルギーを室内冷暖房機器６５を介して建物内に供給すると共に、地表面熱採取パイプ群７０で採取した高温エネルギーを温熱蓄熱ユニット８０に貯えることができる。

なお、この太陽地熱蓄熱供給設備は、温熱収集管１および冷熱収集管２を、広い庭部分Ｆに設けることによって、集熱に必要な大きさに自由に設定することができる。また、当該庭部分Ｆには建物が存在しないので、施工が容易である。

また、舗装層Ｌの直下に水平に敷設することによって、大量の自然エネルギーを集めることができる。すなわち、夏期において、例えば、舗装層Ｌがアスファルトであれば、太陽光によって６０℃程度まで達するので、きわめて高温の温熱エネルギーHを収集することができる。また、冬期においては、舗装層Ｌは一般に０℃前後にまで低下するので、きわめて低温の冷熱エネルギーＣを収集することができる。

また、温熱ユニット３および冷熱ユニット４を、建物Ｂの直下に設けることによって、冬期においては、温熱ユニット３から配管によって送られる温熱エネルギーHの他に、当該温熱ユニット３から伝導放出される温熱エネルギーHが建物Ｂの床から室内へ達するので、より高い暖房効果を得ることができる。同様に、夏期においては、建物Ｂの直下に設けられている冷熱ユニット４から伝導放出される冷熱エネルギーＣによって、建物Ｂ内はより効果的に冷房される。

さらに、温熱収集管１と冷熱収集管２を、それぞれ建物Ｂに隣接した庭部分Ｆに敷設することによって、建物Ｂの直下に位置する温熱ユニット３および冷熱ユニット４を、それぞれ近距離に位置させることができる。従って、温熱収集管１（冷熱収集管２）から温熱ユニット３（冷熱ユニット４）へ温熱エネルギーH（冷熱エネルギーC）を、大気中に無駄に放出することなく効果的に送ることができる。これらにより、建物Ｂを効果的に冷暖房することができる。なお、温熱エネルギーHは、水道水等を加温して給湯にも使用することができる。

この太陽地熱蓄熱供給設備は、温熱ユニット３および冷熱ユニット４と建物Ｂとの間に熱交換器５を設けることによって、温熱エネルギーHをさらに加温し、また冷熱エネルギーCをさらに冷却することができ、よって、建物Ｂの冷暖房をより効果的に行うことができる。

また、この太陽地熱蓄熱供給設備は、温熱収集管１および冷熱収集管２を、路面の舗装層Ｌの直下に水平に敷設することによって、夏期には高温の温熱エネルギーHを、冬期には低温の冷熱エネルギーＣを効果的に収集することができる。

また、温熱収集管１および冷熱収集管２は、それぞれ温熱エネルギーHおよび冷熱エネルギーCを舗装層Ｌに供給できるようにすることによって、効果的に加温または冷却することができる。従って、冬期においては、効率的に融雪を行い、夏期においては効率的な冷却を行い路面の熱による変形を防ぐことができる。これにより、一年を通して自動車または飛行機の走行を円滑に維持することができる。

また、この太陽地熱蓄熱供給設備は、舗装層１０１の左右両側に断熱層１０４を設けることによって、夏期において、舗装層１０１によって採取した太陽光の温熱エネルギーを、土壌層１０５に、地表に放出させることなく、効果的に蓄熱することができる。また、冬期においては、当該断熱層１０４からの温熱エネルギーの放熱を防止し、舗装層１０１から放熱させることができる。これにより、舗装層１０１に積もった雪を効果的に融かすことができる。

また、この太陽熱地熱蓄熱供給設備は、断熱層１０４を設けることによって、効果的に蓄熱及び融雪を行うことができる。

また、地中熱杭１１４と温熱供給管１１５ａを設けることによって、そこを循環する流体（地下水や不凍液など）の温熱エネルギーによっても、舗装層１０１の雪を有効に融かすことができる。

また、この太陽地熱蓄熱供給設備は、夏期において、集熱板１１１で太陽光の温熱エネルギーを採取して温熱蓄熱層１３に貯え、冬期において、コントローラー１１６からの指令によって、その温熱エネルギーを滑走路の舗装層１０１の内部または直下に設けた排熱板１１５に供給するようにすることで、舗装層１０１の融雪を効果的に行うことができる。

なお、この集熱板１１１は、舗装層１０１と同程度の大きさに設定することによって、温熱エネルギーを広い範囲で採取することができ、採取能力に優れる。従って、大量の温熱エネルギーを温熱蓄熱槽１１３に貯えることができ、冬期における融雪をより効果的に行うことができる。

また、この太陽熱地熱蓄熱供給設備１１０は、夏期においては、集熱板１１１で太陽光の温熱エネルギーを採取すると共に、地中熱杭１１４で地中の温熱エネルギーを採取して、それらを温熱蓄熱槽１１３に貯え、冬期において、その温熱エネルギーを建物１０２の暖房に使用することで、効果的な暖房を行うことができる。

また、冬期においては、集熱板１１１で冷熱エネルギーを採取すると共に、地中熱杭１１４で地中の冷熱エネルギーを採取して、それらを冷熱蓄熱槽１１７に貯え、夏期において、その冷熱エネルギーを建物１０２の冷房に使用することで、効果的な冷房を行うことができる。

また、温熱蓄熱槽１１３および冷熱蓄熱槽１１７は、建物１０２の直下に設けることによって、冷暖房機器１０３を介しての空気冷暖房の他に、当該温熱蓄熱槽１１３および冷熱蓄熱槽１１７から、直接、建物１０２の床１０２ａを介して床暖房および床冷房を行うことができる。これにより、より効果的な冷暖房を行うことができる。

請求項２に記載の太陽地熱蓄熱供給設備は、請求項１に記載の発明において、熱交換用パイプ群８１，９１と断熱用発泡スチロール板８３，９３との間に、厚さが２０ｃｍ〜３０ｃｍの中間土壌層８６，８７を設けたので、土壌層８５，９５のみでなく、この中間土壌層８６，８７によっても蓄熱することができる。従って、蓄熱効果を高めることができる。

なお、前記記載の蓄熱供給方法は、熱交換用パイプ群８１，９１と断熱用発泡スチロール板８３，９３との間に、厚さが２０ｃｍ〜３０ｃｍの中間土壌層８６，８７を設けることによって、同様に、蓄熱効果を高めることができる。

本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第一実施形態を、図１および図２に示す。この太陽地熱蓄熱供給設備は、土壌層８５，９５上に、熱交換用パイプ群８１，９１を配置し、熱交換用パイプ群８１，９１の隙間を土壌８２，９２で埋め、熱交換用パイプ群８１，９１上に断熱用発泡スチロール板８３，９３を載せ、発泡スチロール板８３，９３上にベタ基礎８４，９４を設けて蓄熱ユニット８０，９０を形成している。

また、ベタ基礎上に室内冷暖房機器６５を設けた建物６１を配置している。さらに、他の地表面７２に沿って配置した地表面熱採取パイプ群７０と熱交換用パイプ群８１，９１をポンプおよび切換弁を含む制御装置７１を介して不凍液循環路で連結している。

そして、夏に地表面熱採取パイプ群７０を介して熱交換パイプ群８１の直下の土壌層８５に貯えられた高温エネルギーを、冬に室内冷暖房機器６５から放出している。また、冬に地表面熱採取パイプ群７０を介して熱交換パイプ群９１の直下の土壌層９５に貯えられた低温エネルギーを、夏に室内冷暖房機器６５から放出している。

このように、夏期に採取した高温エネルギーを冬期の暖房に使用し、冬期に採取した低温エネルギーを夏期の暖房に使用するので、建物の冷暖房を効果的におこなうことができる。

なお、本実施形態では、建物６１の下側に蓄熱ユニット８０，９０を二組設置し、第一蓄熱ユニット８０を高温エネルギー用とすると共に、第二蓄熱ユニット９０を低温エネルギー用とし、両蓄熱ユニット８０，９０を共通の熱採取パイプ群７０および室内冷暖房機器６５へ切換接続可能としている。

そして、一方の蓄熱ユニット８０または９０を地表面熱採取パイプ群７０に接続しているときには、他方の蓄熱ユニット９０または８０を室内冷暖房機器６５に接続している。これにより、夏期においては建物の冷房と高温エネルギーの採取を共に効果的に行うことができる。また、冬期においては、建物の暖房と低温エネルギーの採取を共に効果的に行うことができる。

また、本実施形態では、熱交換用パイプ８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂを二組隣同士に平行に設け、一方のパイプ８１ｂ，９１ｂを室内冷暖房機器６５用循環路線用とし、他方のパイプ８１ａ，９１ａを地表面採取パイプ群７０用循環路線用としている。

また、室内冷暖房機器６５用送液路に、補助加熱装置６６と補助冷却装置６７を設けて、冷暖房における温度不足を補っている。

本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第一変形例を、図３乃至図５に示す。これは、学校の建物（校舎）Ｂに、冷暖房および給湯のために、自然エネルギーによって得た熱を供給する設備であり、温熱収集管１、冷熱収集管２、温熱ユニット３、および冷熱ユニット４を備える。

温熱収集管１および冷熱収集管２は、建物Ｂに隣接した広い庭部分（校庭）Ｆの表面に形成した舗装層Ｌの直下において、鉄筋コンクリート製のベタ基礎７の上に、水平状に敷設され、内部に不凍液などの流体を流動させている。温熱ユニット３は、流体を貯え、温熱収集管１に連結されると共に建物Ｂの直下に設けられ、夏期においては、温熱収集管１によって収集した温熱エネルギーHを貯えるものである。また、冬期においては、その温熱エネルギーHを流体を介して建物Ｂに供給する。なお、舗装層Ｌの構成材料は限定されないが、夏期においては太陽光を効果的に集熱できるものが好ましい。例えば、アスファルトやコンクリート等が適している。

冷熱ユニット４は、流体を貯え、冷熱収集管２に連結されると共に建物Ｂの直下に設けられ、冬期において、冷熱収集管２によって収集した冷熱エネルギーCを貯える。また、夏期においては、その冷熱エネルギーCを流体を介して建物Ｂに供給するものである。なお、温熱収集管１と温熱ユニット３との間、および冷熱収集管２と冷熱ユニット４との間の配管には、それぞれ流体を流動させるポンプ６を設けている。

なお、第一変形例に係る太陽地熱蓄熱供給設備は、その構造を簡素化するために、温熱収集管１と冷熱収集管２とを別々に設けず、一つの収集管を温熱ユニット３と冷熱ユニット４に連結して、夏期においては温熱収集管１として使用し、冬期においては冷熱収集管２として使用することもできる。

第一変形例に係る太陽地熱蓄熱供給設備は、温熱収集管１および冷熱収集管２を、広い庭部分（校庭）Ｆに設けているので、集熱に必要な大きさに自由に設定することができる。また、舗装層Ｌの直下に水平に敷設しているので、大量の自然エネルギーを集めることができる。

また、温熱ユニット３および冷熱ユニット４を、建物Ｂの直下に設けているので、冬期においては、温熱ユニット３から配管によって送られる温熱エネルギーHの他に、当該温熱ユニット３から伝導放出される温熱エネルギーHが建物Ｂの床から室内へ達し、これにより、より優れた暖房効果を得ることができる。同様に、夏期においては、建物Ｂの直下に設けられている冷熱ユニット４から伝導放出される冷熱エネルギーCによって、建物Ｂ内をより効果的に冷房することができる。

さらに、庭部分（校庭）Ｆに敷設した温熱収集管１と冷熱収集管２は、それぞれ建物Ｂの直下に位置する温熱ユニット３および冷熱ユニット４の近傍に位置しているため、温熱収集管１から温熱ユニット３へ温熱エネルギーHを大気中に放出させることなく効果的に送ることができる。同様に、冷熱収集管２から冷熱ユニット４へ冷熱エネルギーCを、効果的に送ることができる。これにより、建物Ｂをより効果的に冷暖房することができる。なお、この温熱エネルギーHは、水道水を加温して給湯するためにも使用する。

この太陽地熱蓄熱供給設備は、学校のみならず、例えば、公園、競技場あるいは球技場などの広い庭部分Ｆに隣接するあらゆる建物Ｂに設けることができる。

本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第二変形例を、図６乃至図８に示す。これは、道路の舗装層Ｌに、冷却または／および融雪のために、自然エネルギーによって得た熱を供給する設備であり、温熱収集管１、冷熱収集管２、温熱ユニット３および冷熱ユニット４を備える。

温熱収集管１および冷熱収集管２は、舗装層Ｌの直下において、鉄筋コンクリート製のベタ基礎７の上に水平状に敷設され、内部に不凍液などの流体が流動する。温熱ユニット３は、流体を貯え、温熱収集管１に連結されて、夏期に当該温熱エネルギーH収集管１によって収集した温熱エネルギーHを貯えるものである。冷熱ユニット４は、流体を貯え、冷熱収集管２に連結されて、冬期に、当該冷熱収集管２によって収集した冷熱エネルギーCを貯える。

また、冷熱収集管２は、夏期においては、冷熱ユニット４から流体を介して供給される冷熱エネルギーCを、舗装層Ｌに供給する。さらに、温熱収集管１は、冬期において、温熱ユニット３から流体を介して供給される温熱エネルギーHを、舗装層Ｌに供給する。

第二変形例に係る太陽地熱蓄熱供給設備は、温熱収集管１および冷熱収集管２を、舗装層Ｌの直下に水平に敷設したので、夏期には高温の温熱エネルギーHを、冬期には低温の冷熱エネルギーCを効果的に収集することができる。

また、温熱収集管１および冷熱収集管２は、それぞれ、温熱エネルギーHおよび冷熱エネルギーCを舗装層Ｌに供給するので、効果的に加温または冷却することができる。従って、冬期においては、効率的に融雪を行い、夏期においては効率的な冷却を行い路面の熱による変形を防ぐことができる。これにより、自動車の円滑な走行を一年を通じて維持することができる。

第二変形例における太陽地熱蓄熱供給設備は、その温熱エネルギーHおよび冷熱エネルギーCを、当該道路の近傍に存在する建物Ｂにも供給し、冷暖房および給湯に使用している。この場合、温熱ユニット３および冷熱ユニット４と建物Ｂとの間の配管に、熱交換器５を設けることによって、より高温の温熱エネルギーHおよびより低温の冷熱エネルギーCを供給することができる。

なお、第二変形例に係る太陽地熱蓄熱供給設備は、道路の他に、飛行場の滑走路などにも設けることができる。

本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備１１０の第三変形例を、図９乃至図１１に示す。これは、道路の舗装層１０１の融雪を、太陽光と地熱から得た自然エネルギーによって行う設備であり、舗装層１０１の左右両側に、当該舗装層１０１よりやや短い幅の断熱層１０４をそれぞれ設けている。また、舗装層１０１の近傍に、内部を流体（地下水）が流動する地中熱杭１１４を垂直に埋設すると共に、舗装層１０１及び断熱層１０４の直下に、地中熱杭１１４の流体（地下水）が循環する温熱供給管１１５ａを配している。なお、断熱層１０４を形成する材料は限定されず、断熱効果の高いもの（例えば、木材、金属、樹脂、ゴム、土砂、植物など）で形成することができる。また、その幅も限定されないが、舗装層１０１と同じ程度に設定すると、断熱効果の点において好ましい。

舗装層１０１は、夏期に、太陽光を効果的に吸収することができ、かつ冬期に、温熱エネルギーを効果的に放熱することのできる材料であるアスファルトやコンクリートで形成している。

そして、夏期においては、舗装層１０１によって採取した太陽光の温熱エネルギーを、当該舗装層１０１および断熱層１０４の下位の土壌層１０５に蓄熱する。また、冬期においては、舗装層１０１に、土壌層１０５に蓄熱した温熱エネルギーを自然供給すると共に、温熱供給管１０５ａを循環する流体が有する温熱エネルギーを供給するようにしている。

なお、地中熱杭１１４の内部を流動する流体は、地下層に存在する地下水の他に、不凍液やその他、それに類するものを使用することができる。

この太陽地熱蓄熱供給設備は、断熱層１０４を設けているので、夏期においては、舗装層１０１によって採取した太陽光の温熱エネルギーを、土壌層１０５に、地表に放出させることなく、効果的に蓄熱することができる。また、冬期においてはは、当該断熱層１０４からの温熱エネルギーの放熱を防止し、舗装層１０１から集中的に放熱させることができる。これにより、舗装層１０１に積もった雪や氷を効果的に融かすことができる。

また、地中熱杭１１４と温熱供給管１１５ａを設けているので、そこを循環する流体（地下水）の温熱エネルギーによっても、舗装層１０１の雪や氷を効果的に融かすことができる。

本発明に係る太陽熱地熱蓄熱供給設備１１０の第四変形例を、図１２乃至図１４に示す。この設備１１０は、空港滑走路の舗装層１０１の融雪を、太陽光と地熱から得た自然エネルギーによって行うものであり、排熱板１１５、集熱板１１１、温熱蓄熱槽１１３、地中熱杭１１４、およびコントローラー１１６で構成される。

排熱板１１５は、舗装層１０１と同程度の大きさで、当該舗装層１０１の直下に水平状に敷設され、内部に流体（不凍液）が流動する温熱供給管１１５ａを配して構成している。なお、この排熱板１１５は、舗装層１０１の内部に埋設することもできる。また、温熱供給管１１５ａのみを、舗装層１０１の内部に埋設することもできる。

集熱板１１１は、舗装層１０１と同程度の大きさで、前記舗装層１０１に隣接して水平状に敷設され、内部に流体（不凍液）が流動する温熱収集管１１２を配し、夏期において、太陽光の温熱エネルギーを採取する。なお、この集熱板１１１は、舗装層１０１および排熱板１１５の直下に設けることもできる（図１４参照）。

温熱蓄熱槽１１３は、集熱板１１１の直下に設けられ、当該集熱板１１１で採取した温熱エネルギーを貯える。この温熱蓄熱槽１１３には、流体（不凍液）を収納しているが、これに代えて、土壌などの固体物を収納することもできる。

地中熱杭１１４は複数のＵ字状パイプによって構成されており、地中に垂直に埋設され、夏期において、内部を流動する流体（不凍液）によって地中の温熱エネルギーを採取する。

そして、コントローラー１１６は、集熱板１１１と地中熱杭１１４とで採取した温熱エネルギーを、排熱板１１５に供給するものであり、冬期において、当該コントローラー１１６からの指令によって、排熱板１１５から温熱エネルギーを供給し、当該温熱エネルギーによって、舗装層１０１の融雪を行う。なお、コントローラー１１６によって、夏期において地中熱杭１１４で採取した温熱エネルギーを、集熱板１１１で採取した温熱エネルギーと共に、温熱蓄熱槽１１３に貯える構成とすることもできる。

この変形例における太陽地熱蓄熱供給設備は、夏期において、集熱板１１１で太陽光の温熱エネルギーを採取して温熱蓄熱槽１１３に貯える。そして、冬期において、コントローラー１１６からの指令によって、その温熱エネルギーを滑走路の直下に設けた排熱板１１５の温熱供給管１１５ａに供給する。これにより、排熱板１１５から温熱エネルギーが放出されるので、舗装層１０１の融雪を効果的に行うことができる。

なお、この変形例における集熱板１１１は、舗装層１０１と同程度の大きさに設定している。従って、温熱エネルギーを広い範囲で効果的に採取することができ、大量の温熱エネルギーを温熱蓄熱槽１１３に貯えることができる。これにより、豊富な温熱エネルギーによって、冬期における融雪をより効果的に行うことが可能である。

本発明に係る太陽熱地熱蓄熱供給設備１１０の第五変形例を、図１５乃至図１７に示す。この設備１１０は、建物１０２の冷暖房を太陽光、地熱および大気から得た自然エネルギーによって行うものであり、集熱板１１１、温熱蓄熱槽１１３、冷熱蓄熱槽１１７、および地中熱杭１１４とで構成される。なお、集熱板１１１の直下には、コンクリートやアスファルトで形成した基礎層１１９を設けている。この基礎層１１９を設けることによって、集熱板１１１で採取した温熱エネルギーおよび冷熱エネルギーが地中に放出するのを防止することができる。

集熱板１１１は、地中の地表近くに水平状に敷設され、内部に流体（不凍液）が流動する熱収集管１８を配しており、夏期においては太陽光の温熱エネルギーを採取し、冬期においては冷熱エネルギーを採取するものである。

温熱蓄熱槽１１３は、建物１０２の直下に設けられ、夏期においては、集熱板１１１から供給される温熱エネルギーを貯え、また、冬期においては、温熱エネルギーを建物１０２の暖房に供給する。

冷熱蓄熱槽１１７は、同じく建物１０２の直下に設けられ、冬期においては、集熱板１１１から供給される冷熱エネルギーを貯える。また、夏期においては、冷熱エネルギーを建物１０２の暖房に供給する。

地中熱杭１１４は、複数のＵ字状パイプで構成され、地中に垂直に埋設されており、内部を流動する流体（不凍液）によって、夏期においては、地中の温熱エネルギーを採取して温熱蓄熱槽１１３に供給する。また、冬期においては、地中の冷熱エネルギーを採取して冷熱蓄熱槽１１７に供給する。

この変形例に係る太陽熱地熱蓄熱供給設備１１０は、夏期においては、集熱板１１１で太陽光の温熱エネルギーを採取すると共に、地中熱杭１１４で地中の温熱エネルギーを採取して、それらを温熱蓄熱槽１１３に貯える。そして、冬期においては、その貯えた温熱エネルギーを建物１０２の暖房に使用する。従って、建物１０２を効果的に暖房することができる。

また、冬期においては、集熱板１１１で冷熱エネルギーを採取すると共に、地中熱杭１１４で地中の冷熱エネルギーを採取して、それらを冷熱蓄熱槽１１７に貯える。そして、夏期において、その冷熱エネルギーを建物１０２の冷房に使用する。従って、建物１０２を効果的に冷房することができる。

また、温熱蓄熱槽１１３および冷熱蓄熱槽１１７は、それぞれ建物１０２の直下に設けているので、例えば、二階部分を冷暖房機器１０３を介して空気冷暖房を行い、一階部分を、温熱蓄熱槽１１３および冷熱蓄熱槽１１７から、直接、建物１０２の床１０２ａを介して床暖房および床冷房を行うことができる。これにより、さらに効果的な冷暖房を行うことができる。

本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第二実施形態を、図１８に示す。これは、第１実施形態の構成において、熱交換用パイプ群８１，９１と断熱用発泡スチロール板８３，９３との間に、厚さが２０ｃｍ〜３０ｃｍの中間土壌層８６，８７を設けたものである。こうすることにより、土壌層８５，９５のみでなく、この中間土壌層８６，８７によっても蓄熱することができるので、蓄熱効果をさらに高めることができる。

土壌は、充分容量が大きな熱の容器であるが、自然の状態では、特にその表面から大きな熱の流入、流出が起こっている。そこで、この表面を断熱材で覆うことにより地中を大きな蓄熱槽として利用することが本発明の特徴である。

上記した第二実施形態では、この蓄熱槽から熱を取り出したり蓄えたりするために、断熱材の２０ｃｍ〜３０ｃｍ下に熱交換パイプを埋設している。すなわち、断熱用発泡スチロール板８３，９３と土壌層８５，９５との間に、厚さが２０ｃｍ〜３０ｃｍの中間土壌層８６，８７を形成している。

そして、熱の供給源として道路の舗装版内等にパイプを埋設し、これにより太陽からの日射や冬期の冷熱の集熱を行い、これを地中の熱交換パイプに連結して地中に蓄えたり、建物の冷暖房に伴う排熱をこの地中蓄熱槽に蓄えるものである。道路融雪にこの手段を用いる場合には融雪に用いられる放熱版がそのまま下記の集熱版として用いることができ、地下の融雪時の採熱パイプが夏期には地下への蓄熱パイプとなる。

本発明は、地中熱や地下水を用いて地中に蓄えられた熱を利用する手段とは異なり、地下の表面付近（深度１０ｍ程度まで）の地層を蓄熱槽として利用し、夏期に太陽からの熱（あるいは冷房に伴う排熱）をこの蓄熱槽に蓄え、冬期にこれを取り出して道路や駐車場の融雪あるいは建物の暖房に用いるものである。また、その逆に、冬期に蓄えた冷熱を夏期に取り出して、道路や駐車場を冷却し、あるいは建物内を冷房し、それによりヒートアイランド現象を緩和するものである。

すなわち、夏期に冷却のために捨てられた熱を地中に保存し、冬期にこれを取り出し、また、冬期に採熱により冷却された蓄熱槽を夏期の冷房に有効利用することにより、年間を通じて熱収支をバランスさせ、使用するエネルギーを最小に抑えるものである。

こうした本発明には、さらに以下の効果が認められる。
（１）地表付近に採熱・放熱パイプと断熱材を埋設するだけであるから、他の方法（地中深くに埋設方法）と比較して構造が簡易であり、工事費が廉価となる。
（２）道路や駐車場等が受ける太陽からのエネルギーを有効利用することにより、化石燃料等から得るエネルギーの消費を削減することができる。
（３）ヒートアイランド現象を緩和することができ、省エネと合わせて地球環境に優しいシステムである。
（４）建物の冷暖房の結果、放出・吸収される熱エネルギーを地中に蓄えて、年間を通じて再利用するので、冷暖房における消費エネルギーを削減することができる。

また、本発明には、以下の利用方法およびそれに伴う効果がある。
（１）冬期の道路（滑走路を含む）の融雪と、夏期の道路の過熱防止により、道路の維持管理費を削減することができる。
（２）建物の冷暖房の熱源として利用することにより、年間消費エネルギーを削減することができる。
（３）夏期の道路の冷却や建物からの排熱を地下に蓄えて外気に放出しないことにより、都市部のヒートアイランド現象の緩和に役立つ。

本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第一実施形態を示す概略斜視図である。本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第一実施形態を示す構成図である。本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第一変形例を示す正面部分断面図である（夏期の状態を示す）。本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第一変形例を示す正面部分断面図である（冬期の状態を示す）。本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第一変形例を示す平面図である。本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第二変形例を示す正面部分断面図である（温熱の収集および供給状態を示す）。本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第二変形例を示す正面部分断面図である（冷熱の収集および供給状態を示す）。本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第二変形例を示す平面図である。本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第三変形例を示す正面部分断面部である（夏期の状態を示す）。本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第三変形例を示す正面部分断面部である（冬期の状態を示す）。本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第三変形例を示す平面構成図である。本発明に係る太陽熱地熱蓄熱供給設備の第四変形例を示す構成図である。図１に示す設備の作用を示す構成図である。本発明に係る太陽熱地熱蓄熱供給設備の第四変形例の他の態様を示す構成図である。本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第五変形例を示す構成図である。図１５に示す設備の作用を示す構成図である。同じく図１５に示す設備の作用を示す構成図である。本発明に係る太陽地熱蓄熱供給設備の第二実施形態を示す構成図である。

１温熱収集管
２冷熱収集管
３温熱ユニット
４冷熱ユニット
５熱交換器
６ポンプ
７ベタ基礎
６０土壌層
６１建物
６５室内冷暖房機器
６６補助加熱装置
６７補助冷却装置
７０地表面熱採取パイプ群
７１制御装置
７２地表面
８０温熱蓄熱ユニット
８１，８１ａ，８１ｂ熱交換用パイプ群
８２土壌
８３発泡スチロール板
８４ベタ基礎
８５土壌層
８６中間土壌層
８７中間土壌層
９０冷熱蓄熱ユニット
９１，９１ａ，９１ｂ熱交換用パイプ群
９２土壌
９３発泡スチロール板
９４ベタ基礎
９５土壌層
Ｂ建物
Ｃ冷熱エネルギー
Ｆ庭部分
Ｈ温熱エネルギー
Ｌ舗装層
１０１舗装層
１０２建物
１０２ａ床
１０３冷暖房機器
１０４断熱層
１０５土壌層
１１０太陽地熱蓄熱供給設備
１１１集熱板
１１２温熱収集管
１１３温熱蓄熱槽
１１４地中熱杭
１１５排熱板
１１５ａ温熱供給管
１１６コントローラー
１１７冷熱蓄熱槽
１１８熱収集管
１１９基礎層

Claims

学校等の建物（Ｂ）に，冷暖房などのために，自然エネルギーによって得た熱を供給する設備であって、土壌層（８５，９５）上に，熱交換用パイプ群（８１，９１）を配置し，熱交換用パイプ群の隙間を土壌（８２，９２）で埋め，熱交換用パイプ群上に断熱用発泡スチロール板（８３，９３）を載せ，発泡スチロール板上にベタ基礎（８４，９４）を設けて蓄熱ユニット（８０，９０）を形成し、ベタ基礎上に室内冷暖房機器（６５）を設けた建物（６１）を配置し、他の地表面（７２）に沿って配置した地表面熱採取パイプ群（７０）と熱交換用パイプ群をポンプおよび切換弁を含む制御装置（７１）を介して不凍液循環路で結び、夏または冬に地表面熱採取パイプ群（７０）を介して熱交換パイプ群の直下の土壌層に貯えられた温熱または冷熱エネルギーを，冬または夏に室内冷暖房機器（６５）から放出してなり、
前記建物（６１）の下側に蓄熱ユニット（８０，９０）を二組設置し，第一蓄熱ユニット（８０）を温熱エネルギー用，第二蓄熱ユニット（９０）を冷熱エネルギー用とし，両蓄熱ユニット（８０，９０）を共通の熱採取パイプ群（７０）および室内冷暖房機器（６５）へ切換接続可能とし、一方の蓄熱ユニットが地表面熱採取パイプ群（７０）に接続しているときには，他方の蓄熱ユニットを室内冷暖房機器（６５）に接続してなる太陽地熱蓄熱供給設備。
熱交換用パイプ群（８１，９１）と断熱用発泡スチロール板（８３，９３）との間に、厚さが２０ｃｍ〜３０ｃｍの中間土壌層（８６，８７）を設けてなる請求項１に記載の太陽地熱蓄熱供給設備。