JP2005098594A

JP2005098594A - 地熱交換システム

Info

Publication number: JP2005098594A
Application number: JP2003332413A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Ito; 康之伊藤; Hideyuki Yamagishi; 秀之山岸
Original assignee: Asahi Kasei Homes Corp
Current assignee: Asahi Kasei Homes Corp
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】本発明は、熱交換用埋設管が複数系統設けられ、冷暖房機器が複数系統設けられ、それ等の間で熱伝達を行う熱伝達経路が複数系統設けられた地熱交換システムにおいて、複数系統設けられた熱交換用埋設管、冷暖房機器及び熱伝達経路を利用に応じて選択手段により適宜選択して効率的に運用することが出来る地熱交換システムを提供することを可能にすることを目的としている。
【解決手段】複数系統設けられた熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２のうち利用する熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２を選択する熱交換用埋設管選択手段と、複数系統設けられた冷暖房機器Ｂ_１，Ｂ_２のうち利用する冷暖房機器Ｂ_１，Ｂ_２を選択する冷暖房機器選択手段と、複数系統設けられた熱伝達経路Ｃ_１，Ｃ_２のうち利用する熱伝達経路Ｃ_１，Ｃ_２を選択する熱伝達経路選択手段とを有して構成したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、地盤に埋設される熱交換用埋設管、地熱を利用するための空調設備、輻射床冷暖房設備等の冷暖房機器、熱交換用埋設管と冷暖房機器との間で熱伝達を行う熱伝達経路がそれぞれ複数系統設けられた地熱交換システムに関するものである。

地盤に埋設される熱交換用埋設管を複数本使用して室内の冷暖房を行う場合、地中と熱交換を行った水を直接利用する場合と、ヒートポンプを介して温度制御を行った水を利用する場合がある。

従来の地熱交換システムでは、地中と熱交換を行った水を直接利用する場合と、ヒートポンプを介して温度制御を行った水を利用する場合のそれぞれに専用の熱交換用埋設管を用意するのが一般であったため熱交換用埋設管の数が増大してコストがかかり熱交換用埋設管の埋設工事に要する日数も長くなるという問題があった。

例えば、特開2002-173905号公報（特許文献１）には、湧水を利用した湧水採熱器と、地中に埋設した杭型採熱器の２系統を並設し、更に循環パイプの一部に直結管部とヒートポンプの２系統を並設し、路面下に埋設した放熱管に連通させ、通常時は湧水採熱器で採取した湧水熱と杭型採熱器で採取した地熱を直結管部を通して放熱管から放出させて融雪し、路面の温度が低下した場合には、湧水熱と地熱をヒートポンプの熱源として利用し、得た高熱で温水タンク内の不凍液を加温して高温化し、その高温不凍液を放熱管に送って融雪することが記載されている。

また、特開平8-184063号公報（特許文献２）の図10には基礎杭内に蓄熱する目的で太陽熱から集熱する太陽熱集熱器と、河川と熱の授受を行う熱交換器の２系統を並設して熱負荷に並列に接続された集熱回路が記載されている。また、図11には水蓄熱槽と氷蓄熱槽の２系統を並設して熱負荷に並列に接続された集熱回路が記載されている。また、図14には複数群に分けられた基礎杭の各群毎に弁が設けられ、該弁の開度を制御して地中との間の熱注入量・抽出量を制御することが記載されている。

特開２００２−１７３９０５号公報（図１）特開平８−１８４０６３号公報（図10、図11及び図14）

しかしながら、前述の従来例において、特許文献１の技術では、湧水熱と地熱の両方を使って融雪するため２系統用意した湧水採熱器と、杭型採熱器を選択的に利用するものではなく、直接循環の系統とヒートポンプを介する系統の一方のみを選択するものであり、両者を同時に運転し得るものではない。

また、特許文献２の技術では、２系統用意した太陽熱集熱器と熱交換器、或いは水蓄熱槽と氷蓄熱槽とを選択的に利用するものではない。また、複数群に分けられた基礎杭の各群毎に設けられた弁は地中との間の熱注入量・抽出量を制御することが目的であって複数群に分けられた基礎杭を選択的に利用するものではない。

本発明は前記課題を解決するものであり、その目的とするところは、熱交換用埋設管が複数系統設けられ、冷暖房機器が複数系統設けられ、それ等の間で熱伝達を行う熱伝達経路が複数系統設けられた地熱交換システムにおいて、複数系統設けられた熱交換用埋設管、冷暖房機器及び熱伝達経路を利用に応じて選択手段により適宜選択して効率的に運用することが出来る地熱交換システムを提供せんとするものである。

前記目的を達成するための本発明に係る地熱交換システムは、熱媒体が流通する熱媒体管が収容され且つ地盤に埋設される熱交換用埋設管が複数系統設けられ、地熱を利用するための冷暖房機器が複数系統設けられ、前記複数系統設けられた熱交換用埋設管と、前記複数系統設けられた冷暖房機器との間で熱伝達を行う熱伝達経路が複数系統設けられた地熱交換システムであって、複数系統設けられた熱交換用埋設管のうち利用する熱交換用埋設管を選択する熱交換用埋設管選択手段と、複数系統設けられた冷暖房機器のうち利用する冷暖房機器を選択する冷暖房機器選択手段と、複数系統設けられた熱伝達経路のうち利用する熱伝達経路を選択する熱伝達経路選択手段とを有することを特徴とする。

本発明は、上述の如く構成したので、熱交換用埋設管選択手段、冷暖房機器選択手段及び熱伝達経路選択手段により複数系統設けられた熱交換用埋設管、冷暖房機器及び熱伝達経路を利用に応じて適宜選択して効率的に運用することが出来る。

前記冷暖房機器は異なる冷暖房方式（例えば異なる空調方式）で同時運転が可能で、前記熱伝達経路は異なる熱伝達方式で同時運転が可能である。

従って、従来例のように、地中と熱交換を行った熱媒体を直接利用する場合と、ヒートポンプを介して温度制御を行った熱媒体を利用する場合のそれぞれに専用の熱交換用埋設管を用意する必要がなく、熱交換用埋設管の数を削減することが出来、コストを低減して熱交換用埋設管の埋設工事に要する日数も短縮することが出来る。

また、前記熱伝達経路選択手段は熱媒体の流通を制御する開閉弁または熱媒体を送り出すポンプで構成することが出来、前記熱伝達経路はヒートポンプを介在した流通経路と熱媒体を直接伝達する流通経路の少なくとも２種類の熱伝達方式で構成することが出来、前記冷暖房機器はファンコイルユニットと輻射熱パネルの少なくとも２種類の冷暖房方式で構成することが出来る。

本発明は、上述の如き構成と作用とを有するので、熱交換用埋設管が複数系統設けられ、冷暖房機器が複数系統設けられ、それ等の間で熱伝達を行う熱伝達経路が複数系統設けられた地熱交換システムにおいて、複数系統設けられた熱交換用埋設管、冷暖房機器及び熱伝達経路を利用に応じて選択手段により適宜選択して効率的に運用することが出来る。

図により本発明に係る地熱交換システムの一実施形態を具体的に説明する。図１は本発明に係る地熱交換システムの構成を示す模式図である。

図１に示す地熱交換システムは、地盤に埋設された複数の熱交換用埋設管１の内部に熱媒体が流通する熱媒体管がそれぞれ収容されおり、それ等の熱交換用埋設管１は複数系統設けられている。図１では熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２を示す。

一方、地熱を利用するための冷暖房機器Ｂ_１，Ｂ_２も複数系統設けられている。冷暖房機器Ｂ_１，Ｂ_２の一例としては空調設備、輻射床冷暖房設備等の各種の設備機器が適宜選択される。

また、複数系統設けられた熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２と、複数系統設けられた冷暖房機器Ｂ_１，Ｂ_２との間で熱伝達を行う熱伝達経路Ｃ_１，Ｃ_２も複数系統設けられている。図１に示す熱伝達経路Ｃ_１は温度制御可能なヒートポンプ２を介在した流通経路からなり、熱伝達経路Ｃ_２は熱媒体を直接伝達する流通経路からなる。

図１において、Ｐ_１〜Ｐ_３は各熱媒体を送り出すポンプであり、ポンプＰ_１，Ｐ_２は各熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２において、それぞれのヘッダ３により連結された複数の熱交換用埋設管１内に収容された熱媒体管内を流通する各熱媒体を各熱伝達経路Ｃ_１，Ｃ_２にそれぞれ送り出す。

即ち、各ポンプＰ_１，Ｐ_２は各熱伝達経路Ｃ_１，Ｃ_２の一方または両方にそれぞれのヘッダ３により連結された複数の熱交換用埋設管１内に収容された熱媒体管内を流通する各熱媒体を送り出すことが出来る。

ポンプＰ_３はヒートポンプ２により温度制御された熱媒体を冷暖房機器Ｂ_１，Ｂ_２にそれぞれ送り出す。即ち、ポンプＰ_３は冷暖房機器Ｂ_１，Ｂ_２の一方または両方にヒートポンプ２により温度制御された熱媒体を送り出すことが出来る。

Ｖ_１〜Ｖ_７は各熱媒体の流通を制御する開閉弁であり、流路を全開／遮断の２種類で制御し得る電磁弁や、流路の開閉及び流量制御が出来る電動弁を適宜採用することが出来る。開閉弁Ｖ_１，Ｖ_５，Ｖ_６の開閉動作により各ポンプＰ_１，Ｐ_２により各熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２から送られた各熱媒体をヒートポンプ２が介在する熱伝達経路Ｃ_１に送るか否かを選択出来る。

また、開閉弁Ｖ_２，Ｖ_５，Ｖ_６の開閉動作により各ポンプＰ_１，Ｐ_２により各熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２から送られた各熱媒体を各冷暖房機器Ｂ_１，Ｂ_２に直接伝達する熱伝達経路Ｃ_２に送るか否かを選択出来る。

即ち、ポンプＰ_１，Ｐ_２は複数系統設けられた熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２のうち利用する熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２を選択する熱交換用埋設管選択手段を構成する。

また、開閉弁Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_５，Ｖ_６は複数系統設けられた熱伝達経路Ｃ_１，Ｃ_２のうち利用する熱伝達経路Ｃ_１，Ｃ_２を選択する熱伝達経路選択手段を構成する。また、熱媒体を送り出すポンプＰ_１，Ｐ_２も複数系統設けられた熱伝達経路Ｃ_１，Ｃ_２のうち利用する熱伝達経路Ｃ_１，Ｃ_２を選択する熱伝達経路選択手段を構成する。

開閉弁Ｖ_３，Ｖ_７の開閉動作により各ポンプＰ_１〜Ｐ_３により各熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２、或いはヒートポンプ２から送られた各熱媒体を冷暖房機器Ｂ_１に送るか否かを選択出来る。

また、開閉弁Ｖ_２，Ｖ_５，Ｖ_６の開閉動作により各ポンプＰ_１〜Ｐ_３により各熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２、或いはヒートポンプ２から送られた各熱媒体を冷暖房機器Ｂ_２に送るか否かを選択出来る。

即ち、開閉弁Ｖ_２〜Ｖ_７は複数系統設けられた冷暖房機器Ｂ_１，Ｂ_２のうち利用する冷暖房機器Ｂ_１，Ｂ_２を選択する冷暖房機器選択手段を構成する。

冷暖房機器Ｂ_１，Ｂ_２は少なくとも２種類以上の異なる冷暖房方式の各種冷暖房機器が採用される。例えば、冷暖房機器Ｂ_１はファンコイルユニット、冷暖房機器Ｂ２は輻射熱パネルとなる床冷暖房パネルである。

ファンコイルユニットは、夏季においてはヒートポンプ２を介して低温（例えば０℃から２０℃程度）となった熱媒体である水をコイル内に流通させてコイル表面に結露を生じさせることで室内を除湿する機能を持つ。これは通常のヒートポンプ式エアーコンディショナーの除湿機能と同じ原理である。

また、床冷暖房パネルとは、従来、床暖房用に使用されている輻射式の床パネルであるが、冷水を循環させることで冷房にも使用することが出来る。

本発明に係る地熱交換システムにこれらの冷暖房機器Ｂ１，Ｂ２を採用した場合の具体的な運転方法を以下に説明する。

先ず、図２及び図３を用いて、本発明に係る地熱交換システムの第１実施形態、即ち、夏季に２系統の熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２から熱を夫々取得し、それらを異なる冷暖房機器Ｂ_１，Ｂ_２へ供給する場合のシステムの運転方法について説明する。

図２において、１次側（地熱を取得する側）では、開閉弁Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_４，Ｖ_８を開放し、開閉弁Ｖ_５，Ｖ_６を閉鎖し、ポンプＰ_１，Ｐ_２を駆動して熱交換用埋設管群Ａ_１からの熱をヒートポンプ２に供給し、熱交換用埋設管群Ａ_２からの熱を直接２次側（地熱を放出（使用）する側）に供給する。

一方、２次側では、開閉弁Ｖ_３を開放し、開閉弁Ｖ_７を閉鎖し、ポンプＰ_３を駆動する。これにより、熱交換用埋設管群Ａ_１からの地熱は、ヒートポンプ２が介在する流通経路である熱伝達経路Ｃ_１を経由して、冷暖房機器Ｂ_１のファンコイルユニットに供給され、熱交換用埋設管群Ａ_１からの地熱は、直接冷暖房機器Ｂ_２の床冷暖房パネルに供給される。

また、図３に示すように、１次側において開閉弁Ｖ_５，Ｖ_６を開放し、開閉弁Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_４，Ｖ_８を閉鎖することによって、熱交換用埋設管群Ａ_２からの熱をヒートポンプ２を経由して冷暖房機器Ｂ_１のファンコイルユニットに供給し、熱交換用埋設管群Ａ_１からの熱を直接冷暖房機器Ｂ_２の床冷暖房パネルに供給することも出来る。

冷暖房機器Ｂ_１のファンコイルユニットと、冷暖房機器Ｂ_２の床冷暖房パネルとは、それぞれを選択して運転することも可能であるが、室内の温度、湿度がともに高い場合には、同時に運転し、床冷房で室温を下げると共にファンコイルユニットで湿度を下げることが出来る。

夏季に冷暖房機器Ｂ_１，Ｂ_２の種類に応じて熱交換用埋設管１の系統を分ける理由としては、床冷暖房パネルは熱伝達経路Ｃ_２を利用した直接循環のため、低温（例えば２０℃から２５℃程度）のまま利用するのが効率が良く、一方、ヒートポンプ２は、水温（例えば４０℃程度）まで多少上がっても、温度制御により所定の温度の水を供給することが出来るからである。

熱交換用埋設管１の内部で熱媒体管を流通する水が充分冷やされれば、或いは熱を取得出来れば、一つの系統のみで両者に水を供給しても何の問題はない。しかし、何らかの理由で熱交換が充分行なわれないと、循環している水の温度は上昇する。特にヒートポンプ２内を循環する方がより高温になり、これに影響を受けて、システム全体の水温が上昇してしまい、床冷房が機能しなくなる。

これに対して、熱交換用埋設管１を複数の系統に分けた場合は、床冷房の系統はヒートポンプ２の影響を受けずに好適な温度の水を循環させることが出来、ヒートポンプ２の系統は高い水温でも機能し除湿することが出来る。

そして、ヒートポンプ２の系統の水温が所定の温度に達したときに、系統を切り替えてやれば、ヒートポンプ２の系統は引き続き機能する。一方、床冷房の系統は、しばらくは高めの温度の水が循環するが、徐々に地中熱により冷やされて機能を回復するのである。

床冷暖房パネルに供給する直接循環の水温が過度に低く（例えば２０℃以下）結露が発生するおそれのある場合には、流量を絞って水温を適温に維持することが出来る。

尚、図示しないが、夏季の他の運転方法としては、熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２両者から同時に熱を取得し、冷暖房機器Ｂ_１のファンコイルユニットに供給し、冷暖房機器Ｂ_２の床冷暖房パネルに供給しないことでも良いし、熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２の一方を運転し（例えば熱交換用埋設管群Ａ_１を運転し）、その水温が所定温度（例えば４０℃）を超えた場合に、その運転していた熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２の一方の運転を休止し（例えば熱交換用埋設管群Ａ_１の運転を休止し）、他方の熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２を運転し（例えば熱交換用埋設管群Ａ_２を運転し）て、相互に運転と休止の切り替えを繰り返す。そしてその取得した熱を冷暖房機器Ｂ_１のファンコイルユニットに供給し、冷暖房機器Ｂ_２の床冷暖房パネルに供給しないことでも良い。

次に図４を用いて、本発明に係る地熱交換システムの第２実施形態、即ち、冬季に２系統の熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２から同時に熱を取得する場合のシステムの運転方法について説明する。図４において、１次側では、開閉弁Ｖ_１，Ｖ_４，Ｖ_５を開放し、開閉弁Ｖ_２，Ｖ_６，Ｖ_８を閉鎖し、ポンプＰ_１，Ｐ_２を駆動して熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２両者からの熱をヒートポンプ２に供給する。

一方、２次側では、開閉弁Ｖ_３，Ｖ_７を開放し、ポンプＰ_３を駆動する。これにより、熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２両者からの地熱が、ヒートポンプ２が介在する流通経路である熱伝達経路Ｃ_１を経由して、冷暖房機器Ｂ_１のファンコイルユニットと冷暖房機器Ｂ_２の床冷暖房パネルの両者に供給される。

また、開閉弁Ｖ_３を開放し、開閉弁Ｖ_７を閉鎖することによって、冷暖房機器Ｂ_１のファンコイルユニットのみに地熱を供給することや（図５の２次側参照）、開閉弁Ｖ_７を開放し、開閉弁Ｖ_３を閉鎖することによって、冷暖房機器Ｂ_２の床冷暖房パネルのみに地熱を供給することも可能である（図６の２次側参照）。

次に図５及び図６を用いて、本発明に係る地熱交換システムの第３実施形態、即ち、冬季に２系統の熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２のうちの一方から熱を取得する場合のシステムの運転方法について説明する。

図５において、１次側では、開閉弁Ｖ_１，Ｖ_４を開放し、開閉弁Ｖ_２，Ｖ_５，Ｖ_６を閉鎖し、ポンプＰ_１を駆動して熱交換用埋設管群Ａ_１からの熱をヒートポンプ２に供給する。一方、２次側では、開閉弁Ｖ_３を開放し、開閉弁Ｖ_７を閉鎖し、ポンプＰ_３を駆動する。これにより、熱交換用埋設管群Ａ_１のみからの地熱が、冷暖房機器Ｂ_１のファンコイルユニットのみに供給される。

また、開閉弁Ｖ_３，Ｖ_７を開放することによって、冷暖房機器Ｂ_１のファンコイルユニットと冷暖房機器Ｂ_２の床冷暖房パネルの両者に地熱を供給することや（図４の２次側参照）、開閉弁Ｖ_７を開放し、開閉弁Ｖ_３を閉鎖することによって、冷暖房機器Ｂ_２の床冷暖房パネルのみに地熱を供給することも出来る（図６の２次側参照）。

図６において、１次側では、開閉弁Ｖ_５を開放し、開閉弁Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_４，Ｖ_６，Ｖ_８を閉鎖し、ポンプＰ_２を駆動して熱交換用埋設管群Ａ_２からの熱をヒートポンプ２に供給する。一方、２次側では、開閉弁Ｖ_７を開放し、開閉弁Ｖ_３を閉鎖し、ポンプＰ_３を駆動する。これにより、熱交換用埋設管群Ａ_２のみからの地熱が、冷暖房機器Ｂ_１のファンコイルユニットのみに供給される。

また、開閉弁Ｖ_３，Ｖ_７を開放することによって、冷暖房機器Ｂ_１のファンコイルユニットと冷暖房機器Ｂ_２の床冷暖房パネルの両者に地熱を供給することや（図４の２次側参照）、開閉弁Ｖ_３を開放することによって、冷暖房機器Ｂ_２の床冷暖房パネルのみに地熱を供給することも出来る（図５の２次側参照）。

冬季の水温では直接循環しても室内を暖められないのでヒートポンプ２を介して低温（例えば−１５℃から＋１５℃程度）の水（不凍液）を温水（例えば２０℃から６０℃程度）に昇温してファンコイルユニットや床冷暖房パネルの内部を循環させ、温風を吹き出したり床面を暖めたりする。

他の実施例としては、３系統の熱交換用埋設管群を用意して、夏季は、運転休止→熱伝達経路Ｃ_２を経由する床冷房利用→熱伝達経路Ｃ_１を経由するファンコイルユニット利用のサイクルを繰り返すことも出来る。

また、前記実施形態では、開閉弁を使用したシステムについて説明したが、三方弁を用いても同様のシステムを構築することが出来る。

また、同種の冷暖房機器を並列につなぎ、一つの系統で同時に運転することが可能である。

上記構成によれば、熱交換用埋設管選択手段、冷暖房機器選択手段及び熱伝達経路選択手段により複数系統設けられた熱交換用埋設管群Ａ_１，Ａ_２、冷暖房機器Ｂ_１，Ｂ_２及び熱伝達経路Ｃ_１，Ｃ_２を利用に応じて適宜選択して効率的に運用することが出来る。

本発明の活用例として、地盤に埋設される熱交換用埋設管、地熱を利用するための空調設備、輻射床冷暖房設備等の冷暖房機器、熱交換用埋設管と冷暖房機器との間で熱伝達を行う熱伝達経路がそれぞれ複数系統設けられた地熱交換システムに適用出来る。

本発明に係る地熱交換システムの構成を示す模式図である。本発明に係る地熱交換システムを夏季に運転する場合の第１実施形態を示す図である。本発明に係る地熱交換システムを夏季に運転する場合の第１実施形態を示す図である。本発明に係る地熱交換システムを冬季に運転する場合の第２実施形態を示す図である。本発明に係る地熱交換システムを冬季に運転する場合の第３実施形態を示す図である。本発明に係る地熱交換システムを冬季に運転する場合の第３実施形態を示す図である。

符号の説明

１…熱交換用埋設管
２…ヒートポンプ
３…ヘッダ
Ａ_１，Ａ_２…熱交換用埋設管群
Ｂ_１，Ｂ_２…冷暖房機器
Ｃ_１，Ｃ_２…熱伝達経路
Ｐ_１〜Ｐ_３…ポンプ
Ｖ_１〜Ｖ_８…開閉弁

Claims

熱媒体が流通する熱媒体管が収容され且つ地盤に埋設される熱交換用埋設管が複数系統設けられ、
地熱を利用するための冷暖房機器が複数系統設けられ、
前記複数系統設けられた熱交換用埋設管と、前記複数系統設けられた冷暖房機器との間で熱伝達を行う熱伝達経路が複数系統設けられた地熱交換システムであって、
複数系統設けられた熱交換用埋設管のうち利用する熱交換用埋設管を選択する熱交換用埋設管選択手段と、
複数系統設けられた冷暖房機器のうち利用する冷暖房機器を選択する冷暖房機器選択手段と、
複数系統設けられた熱伝達経路のうち利用する熱伝達経路を選択する熱伝達経路選択手段と、
を有することを特徴とする地熱交換システム。
前記熱伝達経路選択手段は熱媒体の流通を制御する開閉弁または熱媒体を送り出すポンプであり、前記熱伝達経路はヒートポンプを介在した流通経路と熱媒体を直接伝達する流通経路の少なくとも２種類の熱伝達方式からなり、前記冷暖房機器はファンコイルユニットと輻射熱パネルの少なくとも２種類の冷暖房方式からなることを特徴とする請求項１に記載の地熱交換システム。