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JP2014081088A - Heat exchanging apparatus - Google Patents

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JP2014081088A
JP2014081088A JP2012227267A JP2012227267A JP2014081088A JP 2014081088 A JP2014081088 A JP 2014081088A JP 2012227267 A JP2012227267 A JP 2012227267A JP 2012227267 A JP2012227267 A JP 2012227267A JP 2014081088 A JP2014081088 A JP 2014081088A
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JP
Japan
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working medium
pipe
heat
tube
heat exchange
Prior art date
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Pending
Application number
JP2012227267A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hidemi Shirakawa
英観 白川
Seiji Iwaki
征二 岩城
Masanobu Minami
正伸 南
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IWAKI Corp KK
ST TSUSHO UNYU CO Ltd
Institute of National Colleges of Technologies Japan
Original Assignee
IWAKI Corp KK
ST TSUSHO UNYU CO Ltd
Institute of National Colleges of Technologies Japan
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Filing date
Publication date
Application filed by IWAKI Corp KK, ST TSUSHO UNYU CO Ltd, Institute of National Colleges of Technologies Japan filed Critical IWAKI Corp KK
Priority to JP2012227267A priority Critical patent/JP2014081088A/en
Publication of JP2014081088A publication Critical patent/JP2014081088A/en
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/10Geothermal energy

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  • Air-Conditioning Room Units, And Self-Contained Units In General (AREA)
  • Devices For Blowing Cold Air, Devices For Blowing Warm Air, And Means For Preventing Water Condensation In Air Conditioning Units (AREA)
  • Central Air Conditioning (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

【課題】 地熱または水温を熱源として、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転可能な熱交換装置を提供する。
【解決手段】 上下に延びる外管1、内管2および中心管3からなる三重管10を備え、三重管10は、下部が地中に没しており、上部が地上に露出しており、外管1は、断熱性を有するものであって、上下端が閉止されていて、地中部分と地上部分にそれぞれ、外管1の内外で熱交換する下側熱交換部11および上側熱交換部12を有しており、内管2は、断熱性を有するものであって、外管1の内側に位置していて、上下端において外管1と連通しており、中心管3は、内管2の内側に位置していて、外管1を上下に貫通しており、外管1および内管2には、作動媒体Mが密封されており、中心管3には、下から上に向けて補助作動媒体Wが流れている。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat exchange device which can be operated constantly without using electric energy using geothermal heat or water temperature as a heat source.
SOLUTION: A triple pipe 10 composed of an outer pipe 1, an inner pipe 2 and a central pipe 3 extending vertically is provided. The triple pipe 10 has a lower part submerged in the ground and an upper part exposed to the ground. The outer pipe 1 has a heat insulating property, and upper and lower ends are closed, and a lower heat exchange section 11 and an upper heat exchange for exchanging heat inside and outside the outer pipe 1 respectively in the underground portion and the ground portion. The inner tube 2 has a heat insulating property and is located inside the outer tube 1 and communicates with the outer tube 1 at the upper and lower ends. It is located inside the inner tube 2 and penetrates the outer tube 1 up and down. The outer tube 1 and the inner tube 2 are sealed with a working medium M, and the central tube 3 has a bottom from the top. Auxiliary working medium W is flowing toward.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、地熱または水温を熱源として、作動媒体を介して熱交換を行う熱交換装置に関する。   The present invention relates to a heat exchange device that performs heat exchange via a working medium using geothermal heat or water temperature as a heat source.

6m以下の地中は、地上の気温によらず略一定温度となっている。従来、この略一定温度の熱源(地熱)を利用して室内の空調を行う空調装置が多数提案されている。特許文献1に示す発明もその一例であり、地中の貯水器内部の水を熱源としたヒートポンプを備え、この水と、室内各所を循環する閉循環路内の水とで熱交換し、さらに室内各所の熱交換器において、閉循環路内の水と室内空気とで熱交換するものである。地熱温度は、冬期の室内温度よりも高く、夏期の室内温度よりも低いので、冬期には熱交換器を流通する空気が室内温度よりも温められ、夏期には熱交換器を流通する空気が室内温度よりも冷やされる。こうした空調装置は、熱源として自然エネルギを利用するものであるから、環境負荷が小さく、省エネ効果が高いものである。   The underground depth of 6 m or less is substantially constant regardless of the ground temperature. 2. Description of the Related Art Conventionally, many air conditioners that perform indoor air conditioning using a heat source (geothermal) at a substantially constant temperature have been proposed. The invention shown in Patent Document 1 is also an example thereof, including a heat pump that uses water in the underground water reservoir as a heat source, heat exchange between this water and water in a closed circuit that circulates in various places in the room, Heat is exchanged between water in the closed circuit and room air in heat exchangers at various locations in the room. Since the geothermal temperature is higher than the winter room temperature and lower than the summer room temperature, the air flowing through the heat exchanger is warmed above the room temperature in the winter, and the air flowing through the heat exchanger is heated in the summer. It is cooled below the room temperature. Since such an air conditioner uses natural energy as a heat source, the environmental load is small and the energy saving effect is high.

特開2005−164160号公報JP-A-2005-164160

しかしながら、文献1の発明は、空気を自然対流させるものとされているが、ヒートポンプの作動媒体である水を自然対流のみで恒常的に循環させることは困難であり、そのためのポンプを必要としていた。文献1の発明以外のものでも、従来この種の空調装置を始めとする熱交換装置においては、一般に作動媒体を循環させるためのポンプを有しており、とくに、夏期は地熱温度よりも室内温度が高くなるので、作動媒体は上部(室内側)が高温、下部(地中側)が低温となり、自然対流が生じず、ポンプが不可欠であった。そして、ポンプの駆動には電気エネルギを消費するため、自然エネルギを利用したことによる省エネ効果が低下してしまうことが問題であった。   However, although the invention of Document 1 is supposed to cause natural convection of air, it is difficult to constantly circulate water, which is a working medium of a heat pump, only by natural convection, and a pump for that purpose is required. . In addition to the invention of Document 1, heat exchangers such as this type of air conditioner conventionally have a pump for circulating the working medium. Especially in summer, the room temperature is higher than the geothermal temperature. Therefore, the working medium was hot at the upper part (inside the room) and cold at the lower part (the underground side), and natural convection did not occur, and a pump was indispensable. And since electric energy is consumed for the drive of a pump, it was a problem that the energy-saving effect by using natural energy fell.

本発明は、上記事情を鑑みたものであり、地熱または水温を熱源として、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転可能な熱交換装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a heat exchange device that can be operated constantly without using electric energy using geothermal heat or water temperature as a heat source.

本発明は、上下に延びる外管、内管および中心管からなる三重管を備え、三重管は、下部が地中または水中に没しており、上部が地上または水上に露出しており、外管は、断熱性を有するものであって、上下端が閉止されていて、地中部分または水中部分と、地上部分または水上部分にそれぞれ、外管の内外で熱交換する下側熱交換部および上側熱交換部を有しており、内管は、断熱性を有するものであって、外管の内側に位置していて、上下端において外管と連通しており、中心管は、内管の内側に位置していて、外管を上下に貫通しており、外管および内管には、作動媒体が密封されており、中心管には、下から上に向けて補助作動媒体が流れていることを特徴とする。なお、「上下に延びる外管、内管および中心管からなる三重管」には、各管が垂直方向に延びるもののほか、各管内の流体が重力により流動する範囲で傾斜するものも含む。   The present invention comprises a triple pipe consisting of an outer pipe, an inner pipe and a central pipe extending vertically, and the lower part of the triple pipe is submerged in the ground or water, the upper part is exposed on the ground or water, The pipe is heat-insulating, the upper and lower ends are closed, and a lower heat exchanging section for exchanging heat inside and outside the outer pipe, respectively, in the underground part or the underwater part and the ground part or the water part, and It has an upper heat exchanging part, the inner pipe has heat insulation, is located inside the outer pipe, communicates with the outer pipe at the upper and lower ends, and the central pipe is the inner pipe It is located inside the pipe and penetrates the outer pipe up and down, the working medium is sealed in the outer pipe and the inner pipe, and the auxiliary working medium flows from the bottom to the top in the center pipe. It is characterized by. The “triple tube comprising an outer tube, an inner tube, and a central tube extending vertically” includes not only one in which each tube extends in the vertical direction but also one that inclines within a range in which the fluid in each tube flows by gravity.

このように構成した本発明の熱交換装置によれば、たとえば地熱を利用して室内の空調を行う場合、冬期においては、上部(室内側)の作動媒体が室内温度によって冷やされ(作動媒体から室内に放熱)、密度が大きくなって、重力により外管と内管の間を下方に移動する。そして、下部(地中側)の作動媒体が地熱温度によって温められ(地中から作動媒体に吸熱)、密度が小さくなって、内管の内部を上方に移動する。これにより、作動媒体に対流が生じて循環し、恒常的に熱交換を行うことができる。また、中心管の内部を流れる補助作動媒体として水道水を用いる場合、水道水は外管の下端よりも下側の地中を通ることで温められるので、通常よりも高温の水道水を供給できる。一方、夏期においては、上部(室内側)の作動媒体が室内温度によって温められ(室内から作動媒体に吸熱)、密度が小さくなって、外管と内管の間を上方に移動する。また、中心管の内部を流れる補助作動媒体は、外管の下端よりも下側の地中を通ることで冷やされる。そして、上端部の作動媒体が補助作動媒体によって冷やされ(作動媒体から補助作動媒体に放熱)、密度が大きくなって、重力により内管の内部を下方に移動する。これにより、作動媒体に対流が生じて循環し、恒常的に熱交換を行うことができる。なお、補助作動媒体として水道水を用いる場合、水道水は作動媒体により室内温度近くまで温められるので、通常よりも高温の水道水を供給できる。また、空調に利用する以外にも、地中と地上の温度差を利用して発電を行うことも可能である。さらに、海や湖などにおいて、水中と、水上の表面温度との温度差を利用した場合にも、同様に動作させることができる。   According to the heat exchanging apparatus of the present invention configured as described above, for example, when indoor air conditioning is performed using geothermal heat, the upper (indoor side) working medium is cooled by the room temperature (from the working medium in winter). The heat is released into the room), and the density increases and moves downward between the outer tube and the inner tube by gravity. Then, the lower (underground) working medium is warmed by the geothermal temperature (heat absorption from the underground to the working medium), the density is reduced, and the inside of the inner pipe moves upward. Thereby, a convection arises in a working medium, it circulates, and it can perform heat exchange constantly. In addition, when using tap water as an auxiliary working medium that flows inside the central pipe, tap water can be warmed by passing through the ground below the lower end of the outer pipe, so that tap water having a temperature higher than usual can be supplied. . On the other hand, in the summer, the upper (indoor side) working medium is warmed by the room temperature (absorbing heat from the room to the working medium), the density decreases, and moves upward between the outer pipe and the inner pipe. Further, the auxiliary working medium flowing inside the central tube is cooled by passing through the ground below the lower end of the outer tube. Then, the working medium at the upper end is cooled by the auxiliary working medium (heat radiation from the working medium to the auxiliary working medium), the density increases, and the inside of the inner tube moves downward due to gravity. Thereby, a convection arises in a working medium, it circulates, and it can perform heat exchange constantly. When tap water is used as the auxiliary working medium, the tap water can be warmed to near the room temperature by the working medium, so that tap water having a temperature higher than usual can be supplied. In addition to being used for air conditioning, it is also possible to generate power using the temperature difference between the ground and the ground. Further, in the case of using the temperature difference between the underwater and the surface temperature on the water in the sea or the lake, the same operation can be performed.

本発明によれば、熱交換に際して補助作動媒体を介在させることにより、電気エネルギを使うことなく、恒常的に運転することが可能となる。また、補助作動媒体として水道水を用いる場合、熱交換の過程で水道水が温められるので、給湯に必要なエネルギを軽減できる。   According to the present invention, by interposing an auxiliary working medium during heat exchange, it becomes possible to operate constantly without using electric energy. Further, when tap water is used as the auxiliary working medium, the tap water is warmed in the process of heat exchange, so that energy required for hot water supply can be reduced.

本発明の熱交換装置の第一実施形態の全体図である。1 is an overall view of a first embodiment of a heat exchange device of the present invention. 冬期における動作の説明図である。It is explanatory drawing of operation | movement in winter. 夏期における動作の説明図である。It is explanatory drawing of operation | movement in the summer. 熱交換装置の出力の数値解析の計算条件を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the calculation conditions of the numerical analysis of the output of a heat exchange apparatus. 温度分布の計算結果を示す図であり、(a)は冬期、(b)は夏期のものである。It is a figure which shows the calculation result of temperature distribution, (a) is a winter season, (b) is a summer season. 出力の時間経過の計算結果を示すグラフであり、(a)は冬期、(b)は夏期のものである。It is a graph which shows the calculation result of the time passage of an output, (a) is a winter season, (b) is a summer season. 本発明の熱交換装置の第二実施形態の全体図である。It is a general view of 2nd embodiment of the heat exchange apparatus of this invention. 本発明の熱交換装置の第三実施形態の全体図である。It is a general view of 3rd embodiment of the heat exchange apparatus of this invention. 本発明の熱交換装置の第四実施形態の全体図である。It is a general view of 4th embodiment of the heat exchange apparatus of this invention. 本発明の熱交換装置の第五実施形態の全体図である。It is a general view of 5th embodiment of the heat exchange apparatus of this invention.

本発明の熱交換装置の具体的な構成について、各図面に基づいて説明する。図1に示すように、この熱交換装置の第一実施形態は、地熱を利用して室内の空調を行うものであり、外管1、内管2および中心管3からなる三重管10を備える。外管1、内管2および中心管3は、何れも垂直方向に延びる円管である。   A specific configuration of the heat exchange device of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the first embodiment of the heat exchanging apparatus is for performing indoor air conditioning using geothermal heat, and includes a triple pipe 10 including an outer pipe 1, an inner pipe 2, and a central pipe 3. . The outer tube 1, the inner tube 2 and the central tube 3 are all circular tubes extending in the vertical direction.

外管1は、塩化ビニル製で断熱性を有しており、上下端が閉止されていて、内部は密閉された空間となっている。そして外管1は、下部が地中に埋設され、上部が地上(建物内の室内空間S)に露出している。なお、図1は模式図であり、地中に埋設される部分と地上に露出する部分の長さが同じである必要はない。上記のとおり、地上の気温によらず略一定温度となるのは6m以下の地中であるから、地中に埋設される部分の長さは6m以上であることが望ましい。一方、地上に露出する部分の長さは、建物の大きさに合わせて自由に設定できる。そして、外管1の地中部分と地上部分にはそれぞれ、外管1の内外で熱交換する下側熱交換部11および上側熱交換部12が設けられている。これらは何れも、外管1の一部を熱伝導率の高いアルミニウム製の管材に置き換えたものである。これにより、外管1は、下側熱交換部11および上側熱交換部12のみにおいて、内外で熱交換することができる。   The outer tube 1 is made of vinyl chloride and has heat insulation properties. The upper and lower ends are closed, and the inside is a sealed space. And as for the outer tube | pipe 1, the lower part is embed | buried under the ground and the upper part is exposed to the ground (indoor space S in a building). In addition, FIG. 1 is a schematic diagram, and the length of the portion buried in the ground and the portion exposed on the ground need not be the same. As described above, since it is in the ground of 6 m or less that becomes a substantially constant temperature regardless of the temperature on the ground, the length of the portion buried in the ground is preferably 6 m or more. On the other hand, the length of the portion exposed on the ground can be freely set according to the size of the building. And the lower side heat exchange part 11 and the upper side heat exchange part 12 which heat-exchange inside and outside of the outer pipe | tube 1 are provided in the underground part and ground part of the outer pipe | tube 1, respectively. In either case, a part of the outer tube 1 is replaced with an aluminum tube material having a high thermal conductivity. Thereby, the outer tube 1 can exchange heat inside and outside only in the lower heat exchange unit 11 and the upper heat exchange unit 12.

また、内管2は、外管1と同じ塩化ビニル製で断熱性を有しており、外管1より小径で、外管1の内側に設けられている。そして内管2は上下端が開放されていて、外管1よりも短く、上下端において外管1と連通している。   The inner tube 2 is made of the same vinyl chloride as the outer tube 1 and has heat insulation properties. The inner tube 2 has a smaller diameter than the outer tube 1 and is provided inside the outer tube 1. The upper and lower ends of the inner tube 2 are open, shorter than the outer tube 1, and communicate with the outer tube 1 at the upper and lower ends.

さらに、中心管3は、熱伝導率の高いアルミニウム製であって、内管2より小径で、内管2の内側に設けられており、外管1を上下に貫通している。   Further, the center tube 3 is made of aluminum having a high thermal conductivity, has a smaller diameter than the inner tube 2, is provided inside the inner tube 2, and penetrates the outer tube 1 up and down.

そして、外管1および内管2には、作動媒体Mとして、水が密封されている。また、中心管3の下端には上水道管4が接続されていて、中心管3の内部を、下から上に向けて、補助作動媒体Wとして水道水が流れる。さらに、中心管3の上端には給湯管5が接続されていて、給湯管5は、給湯タンク6に接続されている。なお、上水道管4および給湯管5は、水道管として一般的な鋼管である。また、上水道管4は、必然的に外管1の下端よりもさらに地中深い箇所を通ることになる。   The outer tube 1 and the inner tube 2 are sealed with water as the working medium M. Further, a water supply pipe 4 is connected to the lower end of the center pipe 3, and the tap water flows as an auxiliary working medium W from the bottom to the top inside the center pipe 3. Further, a hot water supply pipe 5 is connected to the upper end of the center pipe 3, and the hot water supply pipe 5 is connected to a hot water supply tank 6. The water supply pipe 4 and the hot water supply pipe 5 are steel pipes that are common as water pipes. Further, the water supply pipe 4 inevitably passes through a place deeper in the ground than the lower end of the outer pipe 1.

次に、このように構成した熱交換装置の第一実施形態の動作について説明する。なお、図2および図3においては、作動媒体Mおよび補助作動媒体Wの温度の高低を色の濃淡で表しており、温度の高い部分が淡色、温度の低い部分が濃色となっている。まず、冬期においては、地熱温度>水道水温度>室内温度となる。よって、図2に示すように、上側熱交換部12を介して、上部(室内側)の作動媒体Mが室内温度によって冷やされる。これはすなわち、作動媒体Mから室内空間Sに放熱するということであり、室内温度が上がる。すると、上部の作動媒体Mの密度が大きくなって、重力により外管1と内管2の間を下方に移動する。そして、下方に移動した室内温度の作動媒体Mは、下側熱交換部11を介して、地熱温度によって温められる。これはすなわち、地中から作動媒体Mに吸熱するということである。すると、下部の作動媒体Mの密度が小さくなって、内管2の内部を上方に移動する。これにより、作動媒体Mには、外管1と内管2の間を下降し、内管2の内部を上昇するという対流が生じるので、地中で吸熱し、室内空間Sで放熱するという熱交換を恒常的に行うことができる。また、中心管3の内部を流れる補助作動媒体Wの水道水は、外管1の下端よりもさらに地中深い箇所を通ることで、地熱温度により温められる。よって、給湯タンク6には通常よりも温度の高い水道水をためることができる。   Next, operation | movement of 1st embodiment of the heat exchange apparatus comprised in this way is demonstrated. 2 and 3, the temperature levels of the working medium M and the auxiliary working medium W are represented by color shades, where the high temperature portion is light and the low temperature portion is dark. First, in winter, geothermal temperature> tap water temperature> indoor temperature. Therefore, as shown in FIG. 2, the upper (indoor side) working medium M is cooled by the room temperature via the upper heat exchange unit 12. This means that heat is dissipated from the working medium M to the indoor space S, and the indoor temperature rises. Then, the density of the upper working medium M increases, and moves downward between the outer tube 1 and the inner tube 2 by gravity. Then, the working medium M having a room temperature that has moved downward is warmed by the geothermal temperature via the lower heat exchange unit 11. This means that the working medium M absorbs heat from the ground. Then, the density of the lower working medium M decreases, and the inside of the inner tube 2 moves upward. As a result, the working medium M has a convection that descends between the outer tube 1 and the inner tube 2 and rises inside the inner tube 2, so heat is absorbed in the ground and radiated in the indoor space S. Exchanges can be made permanently. Further, the tap water of the auxiliary working medium W flowing inside the center pipe 3 is warmed by the geothermal temperature by passing through a deeper place in the ground than the lower end of the outer pipe 1. Therefore, the hot water tank 6 can store tap water having a temperature higher than usual.

一方、夏期においては、地熱温度<水道水温度<室内温度となる。よって、図3に示すように、上側熱交換部12を介して、上部(室内側)の作動媒体Mが室内温度によって温められる。これはすなわち、室内空間Sから作動媒体Mに吸熱するということであり、室内温度が下がる。すると、上部の作動媒体Mの密度が小さくなって、外管1と内管2の間を上方に移動する。また、中心管3の内部を流れる補助作動媒体Wは、外管1の下端よりもさらに地中深い箇所を通ることで、地熱温度により冷やされる。これはすなわち、補助作動媒体Wから地中に放熱するということである。そして、上端部に移動した室内温度の作動媒体Mは、補助作動媒体Wによって冷やされる。これはすなわち、作動媒体Mから補助作動媒体Wに放熱するということである。すると、上端部の作動媒体Mの密度が大きくなって、重力により内管2の内部を下方に移動する。これにより、作動媒体Mには、外管1と内管2の間を上昇し、内管2の内部を下降するという対流が生じるので、室内空間Sで吸熱し、補助作動媒体Wを介して地中で放熱するという熱交換を恒常的に行うことができる。なお、補助作動媒体Wの水道水は、作動媒体Mにより室内温度近くまで温められる。よって、給湯タンク6には通常よりも温度の高い水道水をためることができる。   On the other hand, in summer, geothermal temperature <tap water temperature <room temperature. Therefore, as shown in FIG. 3, the upper (indoor side) working medium M is warmed by the room temperature via the upper heat exchange unit 12. This means that heat is absorbed from the indoor space S to the working medium M, and the indoor temperature decreases. Then, the density of the upper working medium M becomes smaller and moves upward between the outer tube 1 and the inner tube 2. Further, the auxiliary working medium W flowing inside the center tube 3 is cooled by the geothermal temperature by passing through a deeper place in the ground than the lower end of the outer tube 1. This means that heat is radiated from the auxiliary working medium W into the ground. Then, the working medium M having the room temperature moved to the upper end is cooled by the auxiliary working medium W. This means that heat is radiated from the working medium M to the auxiliary working medium W. Then, the density of the working medium M at the upper end increases, and the inside of the inner tube 2 moves downward due to gravity. As a result, the working medium M rises between the outer pipe 1 and the inner pipe 2 and descends inside the inner pipe 2, so that heat is absorbed in the indoor space S and the auxiliary working medium W is passed through. Heat exchange that radiates heat in the ground can be performed constantly. The tap water of the auxiliary working medium W is warmed to near the room temperature by the working medium M. Therefore, the hot water tank 6 can store tap water having a temperature higher than usual.

このように、熱交換装置の第一実施形態によれば、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転して、室内温度を地熱温度に近づけるように空調を行うことができる。とくに、室内温度が地熱温度より高くなる夏期においては、作動媒体Mのみでは対流が生じないが、熱交換に際して補助作動媒体Wの水道水を介在させることにより、対流を生じさせることが可能となっている。なお、補助作動媒体Wは常に流れている必要はなく、上端部の作動媒体Mの温度が高くなったときにそれを冷やして下降させることができればよい。よって、この熱交換装置からなる地熱空調装置が設置された住宅や工場などにおいて、通常の生活や業務に伴う水道の使用による断続的な流れがあれば、運転が可能である。また、熱交換の過程で補助作動媒体Wの水道水が温められるので、給湯タンク6内の水道水を昇温して使用する際に必要なエネルギを軽減できる。   Thus, according to the first embodiment of the heat exchange device, it is possible to perform air conditioning so that the room temperature is brought close to the geothermal temperature by operating constantly without using electric energy. In particular, in the summer when the room temperature is higher than the geothermal temperature, convection does not occur only with the working medium M, but convection can be caused by interposing the tap water of the auxiliary working medium W during heat exchange. ing. Note that the auxiliary working medium W does not always need to flow, and it is only necessary that the working medium M at the upper end can be cooled and lowered when the temperature of the working medium M becomes high. Therefore, in a house or a factory where a geothermal air conditioner composed of this heat exchange device is installed, operation is possible if there is an intermittent flow due to the use of water in connection with normal life and business. Further, since the tap water of the auxiliary working medium W is warmed in the process of heat exchange, the energy required when the tap water in the hot water supply tank 6 is heated and used can be reduced.

続いて、このように構成した熱交換装置の出力を求める。まず、作動媒体として、空気を用いた場合と、水を用いた場合の、熱の移動量を比較する。空気を作動媒体とした場合の、空気の移動による単位時間の移動熱量は、次式で表される。
ここで、地中温度18℃、外気温度5℃として、直径10cmの管内を、流速5m/sで空気を循環させることを想定すると、単位時間の移動熱量は次式となる。
Subsequently, the output of the heat exchange device configured as described above is obtained. First, the amount of heat transferred when air is used as the working medium and when water is used is compared. When air is used as a working medium, the amount of heat transferred per unit time due to air movement is expressed by the following equation.
Here, assuming that the underground temperature is 18 ° C. and the outside air temperature is 5 ° C., and the air is circulated through the pipe having a diameter of 10 cm at a flow rate of 5 m / s, the amount of heat transferred per unit time is expressed by the following equation.

一方、水を作動媒体とした場合の、水の移動による単位時間の熱移動量は、次式で表される。
ここで、地中温度18℃、外気温度5℃として、直径10cmの管内を、流速0.01m/sで水を循環させることを想定すると、単位時間の移動熱量は次式となる。
On the other hand, the amount of heat transfer per unit time due to the movement of water when water is used as the working medium is expressed by the following equation.
Here, assuming that the underground temperature is 18 ° C. and the outside air temperature is 5 ° C., and water is circulated through the pipe having a diameter of 10 cm at a flow rate of 0.01 m / s, the amount of heat transferred per unit time is expressed by the following equation.

このように、熱交換の作動媒体としての空気と水を比較すると、水は、低速であっても高い熱輸送能力を有することがわかる。ただし、上記の計算は、管壁や、地下、室内などの熱伝導や対流の影響、あるいは管路の配管による損失などを考慮していないため、実際よりも高い値となっている。   Thus, comparing air and water as the working medium for heat exchange shows that water has a high heat transport capability even at low speed. However, the above calculation is higher than the actual value because it does not take into account the effects of heat conduction or convection in the pipe wall, underground, indoors, etc., or loss due to pipe piping.

そこで次に、より実際に即した条件の下で数値解析を行った。本発明の熱交換装置は、作動媒体の水が管内を自然対流するものであるが、この自然対流の数値解析においては、連続の式、ナビエ・ストークス式および熱エネルギ保存式を差分化し、SOLA法を用いた。なお、温度による密度変化の影響は、ブジネスク近似で求めた。図4に示すように、想定した三重管は、外管、内管および中心管からなり、各管は何れも垂直方向に延びる同心の円管である。外管は、断熱素材からなるものであって、直径0.44m、厚さ20mm、高さ5mで、地中部分が3m、地上部分が2mである。そして、下端から上側1mの範囲が下側熱交換部、地表面から上側1mの範囲が上側熱交換部となっている。内管は、断熱素材からなるものであって、直径0.32m、厚さ20mmである。中心管は、アルミニウム製であって、直径0.16m、厚さ20mmである。そして、計算領域は外管の内側全体であって、各管の中心軸を座標軸とする円柱座標系に基づいて、計算格子幅を半径方向に0.01m、高さ方向に0.0125mとし、20×400の格子で計算を行った。なお、上記のとおり、本来外管の地中に埋設される部分の長さは6m以上であることが望ましいが、ここでは、計算時間の短縮のために3mとした。   Next, numerical analysis was performed under more realistic conditions. In the heat exchange device of the present invention, the water of the working medium naturally convects in the pipe. In the numerical analysis of the natural convection, the continuous equation, the Navier-Stokes equation and the thermal energy conservation equation are differentiated to obtain the SOLA. The method was used. Note that the influence of density change due to temperature was obtained by the Businessesque approximation. As shown in FIG. 4, the assumed triple tube is composed of an outer tube, an inner tube, and a central tube, and each tube is a concentric circular tube extending in the vertical direction. The outer tube is made of a heat insulating material, and has a diameter of 0.44 m, a thickness of 20 mm, a height of 5 m, an underground portion of 3 m, and a ground portion of 2 m. The range from the lower end to the upper side 1 m is the lower heat exchange part, and the range from the ground surface to the upper side 1 m is the upper heat exchange part. The inner tube is made of a heat insulating material and has a diameter of 0.32 m and a thickness of 20 mm. The central tube is made of aluminum and has a diameter of 0.16 m and a thickness of 20 mm. The calculation area is the entire inside of the outer tube, and based on a cylindrical coordinate system with the central axis of each tube as the coordinate axis, the calculation grid width is 0.01 m in the radial direction and 0.0125 m in the height direction, Calculations were performed with a 20 × 400 grid. As described above, the length of the portion of the outer pipe that is originally buried in the ground is preferably 6 m or longer, but here it is 3 m in order to shorten the calculation time.

まず、冬期を想定して、室内空間と熱交換する上側熱交換部を10℃に、地中と熱交換する下側熱交換部を18℃として計算を行った。その結果、図5(a)に示すような温度分布となり、作動媒体の水が、外管と内管の間を下降し、内管の内部を上昇するという対流が生じることが確認された。また、図6(a)は、横軸に時間、縦軸に出力をとったグラフであり、時間経過により出力が定常になる様子がわかる。   First, assuming winter, the upper heat exchange part that exchanges heat with the indoor space is 10 ° C., and the lower heat exchange part that exchanges heat with the ground is 18 ° C. As a result, the temperature distribution as shown in FIG. 5A was obtained, and it was confirmed that water in the working medium descends between the outer tube and the inner tube, and convection occurs in the inner tube. FIG. 6A is a graph in which time is plotted on the horizontal axis and output is plotted on the vertical axis, and it can be seen that the output becomes steady over time.

次に、夏期を想定して、室内空間と熱交換する上側熱交換部を30℃に、地中と熱交換する下側熱交換部を18℃とし、中心管内の補助作動媒体である水道水の流速を0.01m/sとして計算を行った(補助作動媒体の流量は5L/min程度となる)。その結果、図5(b)に示すような温度分布となり、作動媒体の水が、外管と内管の間を上昇し、内管の内部を下降するという対流が生じることが確認された。また、図6(b)は、横軸に時間、縦軸に出力をとったグラフであり、時間経過により出力が定常になる様子がわかる。   Next, assuming summer, the upper heat exchanging part for exchanging heat with the indoor space is set to 30 ° C., the lower heat exchanging part for exchanging heat with the ground is set to 18 ° C., and tap water which is an auxiliary working medium in the central pipe The calculation was performed at a flow rate of 0.01 m / s (the flow rate of the auxiliary working medium is about 5 L / min). As a result, the temperature distribution as shown in FIG. 5B was obtained, and it was confirmed that the convection in which the water of the working medium rose between the outer tube and the inner tube and descended inside the inner tube. FIG. 6B is a graph in which time is plotted on the horizontal axis and output is plotted on the vertical axis, and it can be seen that the output becomes steady over time.

以上の計算結果から、冬期においては、作動媒体のみで、空気の移動熱量(0.6kW)と同等の出力が得られることが確認された。そして、冬期および夏期の何れにおいても、時間経過により出力が定常状態となっており、電気エネルギを使うことなく、恒常的に作動媒体を循環させて、空調を行うことが可能であることが確認された。なお、冬期において、定常状態における出力は約550Wであるが、外管の地中に埋設される部分の長さをより長くすれば、さらに出力は大きくなる。また、夏期において、定常状態における出力は約530Wであるが、外管の地上部分の長さ(作動媒体が吸熱して上昇する長さ)をより長くすれば、さらに出力は大きくなる。そして、地中の温度と地上の温度の差が大きいほど、出力は大きくなる(温度差がなければ、出力はゼロである)。さらに、補助作動媒体の流量が大きいほど、出力は大きくなる。これはすなわち、夏期においては、上記のとおり補助作動媒体によって作動媒体が冷やされるので、補助作動媒体の流量が大きければその分だけ熱交換量も大きくなるため、出力は大きくなる。一方、冬期においては、理想的には補助作動媒体は必要ないが、実際には、室内空間の温度が下がって作動媒体の温度も下がると、地中の下側熱交換部のみでは作動媒体が地中温度まで上昇しない。ここで、補助作動媒体が循環して地中温度近くになっていると、作動媒体は補助作動媒体からも吸熱して、温度を上昇させることができるので(すなわち補助作動媒体も地熱との熱交換部になる)、出力は大きくなる。   From the above calculation results, it was confirmed that the output equivalent to the amount of moving heat of air (0.6 kW) can be obtained with only the working medium in winter. In both winter and summer, it is confirmed that the output is in a steady state over time, and it is possible to perform air conditioning by constantly circulating the working medium without using electric energy. It was done. In winter, the output in a steady state is about 550 W. However, if the length of the portion embedded in the ground of the outer pipe is made longer, the output will be further increased. In summer, the output in a steady state is about 530 W. However, if the length of the ground portion of the outer pipe (the length by which the working medium absorbs heat and rises) is made longer, the output is further increased. The larger the difference between the underground temperature and the ground temperature, the greater the output (there is no output if there is no temperature difference). Furthermore, the larger the flow rate of the auxiliary working medium, the greater the output. In other words, in summer, the working medium is cooled by the auxiliary working medium as described above. Therefore, the larger the flow rate of the auxiliary working medium, the larger the heat exchange amount, and the larger the output. On the other hand, in the winter season, an auxiliary working medium is ideally not necessary, but in reality, when the temperature of the indoor space decreases and the temperature of the working medium also decreases, the working medium is not obtained only in the lower heat exchange section in the ground. Does not rise to underground temperature. Here, when the auxiliary working medium circulates and is close to the ground temperature, the working medium can also absorb heat from the auxiliary working medium and raise the temperature (that is, the auxiliary working medium is also heated with the geothermal heat). The output becomes larger.

なお、上記のとおり、本発明の熱交換装置の第一実施形態は、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転できる点が特徴であるが、とくに夏期において、何らかの理由により長時間にわたって水道が利用されない場合には、上部の作動媒体Mを冷やすことができず、作動媒体Mが循環しなくなってしまう。そこで、そのような場合に備えて、補助作動媒体Wを循環させるための循環ポンプ7を設けたのが、熱交換装置の第二実施形態である。図7に示すように、第二実施形態は、第一実施形態と同様に、三重管10(外管1、内管2、中心管3)、上水道管4、給湯管5および給湯タンク6を有している。そして第一実施形態と異なる点は、給湯タンク6と上水道管4とを接続する戻り管8が設けられていて、この戻り管8の途中に循環ポンプ7が設けられている点である。循環ポンプ7を駆動することにより、補助作動媒体Wの水道水は、給湯タンク6から、戻り管8、上水道管4、中心管3、給湯管5を経由して給湯タンク6へと戻る流路を循環する。   As described above, the first embodiment of the heat exchange device of the present invention is characterized in that it can be operated constantly without using electric energy, but in summer, water is used for a long time for some reason. Otherwise, the upper working medium M cannot be cooled and the working medium M will not circulate. Thus, in preparation for such a case, the second embodiment of the heat exchange device is provided with a circulation pump 7 for circulating the auxiliary working medium W. As shown in FIG. 7, the second embodiment includes a triple pipe 10 (outer pipe 1, inner pipe 2, central pipe 3), water supply pipe 4, hot water supply pipe 5, and hot water supply tank 6, as in the first embodiment. Have. A difference from the first embodiment is that a return pipe 8 that connects the hot water supply tank 6 and the water supply pipe 4 is provided, and a circulation pump 7 is provided in the middle of the return pipe 8. By driving the circulation pump 7, the tap water of the auxiliary working medium W returns from the hot water supply tank 6 to the hot water supply tank 6 via the return pipe 8, the water supply pipe 4, the central pipe 3, and the hot water supply pipe 5. Circulate.

次に、このように構成した熱交換装置の第二実施形態の動作について説明する。第二実施形態は、冬期および夏期において水道が利用される場合には、第一実施形態と同様に動作する。そして、夏期において水道が利用されない場合には、まず、上側熱交換部12を介して、上部(室内側)の作動媒体Mが室内温度によって温められる。これはすなわち、室内空間Sから作動媒体Mに吸熱するということであり、室内温度が下がる。すると、上部の作動媒体Mの密度が小さくなって、外管1と内管2の間を上方に移動する。そこで、循環ポンプ7を駆動して補助作動媒体Wを循環させる。すると、給湯タンク6内の補助作動媒体Wは、外管1の下端よりもさらに地中深い箇所に位置する上水道管4を通ることで、地熱温度により冷やされる。これはすなわち、補助作動媒体Wから地中に放熱するということである。そして、上端部に移動した室内温度の作動媒体Mは、補助作動媒体Wによって冷やされる。これはすなわち、作動媒体Mから補助作動媒体Wに放熱するということである。すると、上端部の作動媒体Mの密度が大きくなって、重力により内管2の内部を下方に移動する。これにより、第一実施形態と同様に、作動媒体Mには、外管1と内管2の間を上昇し、内管2の内部を下降するという対流が生じるので、室内空間Sで吸熱し、補助作動媒体Wを介して地中で放熱するという熱交換を恒常的に行うことができる。なお、補助作動媒体Wの水道水は、作動媒体Mにより室内温度近くまで温められる。よって、給湯タンク6内の水道水の温度は通常よりも高いままである。   Next, operation | movement of 2nd embodiment of the heat exchange apparatus comprised in this way is demonstrated. The second embodiment operates in the same manner as the first embodiment when water is used in winter and summer. When the water supply is not used in summer, first, the upper (indoor side) working medium M is warmed by the room temperature via the upper heat exchange unit 12. This means that heat is absorbed from the indoor space S to the working medium M, and the indoor temperature decreases. Then, the density of the upper working medium M becomes smaller and moves upward between the outer tube 1 and the inner tube 2. Therefore, the circulation pump 7 is driven to circulate the auxiliary working medium W. Then, the auxiliary working medium W in the hot water supply tank 6 is cooled by the geothermal temperature by passing through the water supply pipe 4 that is located deeper in the ground than the lower end of the outer pipe 1. This means that heat is radiated from the auxiliary working medium W into the ground. Then, the working medium M having the room temperature moved to the upper end is cooled by the auxiliary working medium W. This means that heat is radiated from the working medium M to the auxiliary working medium W. Then, the density of the working medium M at the upper end increases, and the inside of the inner tube 2 moves downward due to gravity. As a result, as in the first embodiment, the working medium M has a convection that rises between the outer tube 1 and the inner tube 2 and descends inside the inner tube 2, and therefore absorbs heat in the indoor space S. The heat exchange of radiating heat in the ground via the auxiliary working medium W can be performed constantly. The tap water of the auxiliary working medium W is warmed to near the room temperature by the working medium M. Therefore, the temperature of the tap water in the hot water supply tank 6 remains higher than usual.

このように、熱交換装置の第二実施形態によれば、水道が利用される通常の状態においては、第一実施形態と同様に、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転して空調を行うことができる。そして、循環ポンプ7を設けることにより、夏期において水道が利用されない場合にも、恒常的に運転できる。なお、循環ポンプ7は連続的に駆動する必要はない。上端部の作動媒体Mの温度が高くなったときにそれを冷やして下降させることができればよいので、断続的な駆動で対応可能であり、電気エネルギの消費量は小さい。また、作動媒体Mの温度を検知して自動的に駆動するようにしてもよい。   Thus, according to the second embodiment of the heat exchange device, in a normal state where water supply is used, air conditioning is performed by operating constantly without using electric energy, as in the first embodiment. be able to. And by providing the circulation pump 7, even when a water supply is not utilized in summer, it can be operated constantly. The circulation pump 7 does not need to be continuously driven. Since it suffices if the temperature of the working medium M at the upper end can be lowered and lowered, it can be handled by intermittent driving, and the consumption of electric energy is small. Alternatively, the temperature of the working medium M may be detected and automatically driven.

次に、本発明の熱交換装置の第三実施形態について、図8に基づき説明する。第三実施形態は、補助作動媒体Wとして、水道水ではなく地下水を用いたものである。図8に示すように、第三実施形態は、第一実施形態と同様に、三重管10(外管1、内管2、中心管3)、給湯管5および給湯タンク6を有している。そして第一実施形態と異なる点は、中心管3の下端に給水管4aの一端が接続されていて、給水管4aの他端が地下水源Hに達している点、および給湯管5の途中に、地下水をくみ上げるためのくみ上げポンプ9が設けられている点である。このように構成した熱交換装置の第三実施形態によれば、冬期においては、第一実施形態の冬期の場合と同様に動作する。そして、夏期においては、くみ上げポンプ9を駆動することにより、補助作動媒体Wの地下水が中心管3内を下から上へ流れ、第一実施形態の夏期の場合と同様に動作する。   Next, 3rd embodiment of the heat exchange apparatus of this invention is described based on FIG. In the third embodiment, not the tap water but the ground water is used as the auxiliary working medium W. As shown in FIG. 8, the third embodiment has a triple pipe 10 (outer pipe 1, inner pipe 2, central pipe 3), hot water supply pipe 5, and hot water supply tank 6, as in the first embodiment. . And the difference from the first embodiment is that one end of the water supply pipe 4 a is connected to the lower end of the center pipe 3, the other end of the water supply pipe 4 a reaches the groundwater source H, and in the middle of the hot water supply pipe 5. A pumping pump 9 for pumping up groundwater is provided. According to the third embodiment of the heat exchange device configured as described above, in the winter season, the operation is the same as in the winter season of the first embodiment. And in the summer, by driving the pumping pump 9, the groundwater of the auxiliary working medium W flows from the bottom to the top in the central pipe 3, and operates in the same way as in the summer in the first embodiment.

このように、熱交換装置の第三実施形態によれば、冬期においては、第一実施形態と同様に、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転して空調を行うことができる。そして、夏期においては、くみ上げポンプ9を駆動することにより、恒常的に運転できる。なお、くみ上げポンプ9は連続的に駆動する必要はない。上端部の作動媒体Mの温度が高くなったときにそれを冷やして下降させることができればよいので、断続的な駆動で対応可能であり、電気エネルギの消費量は小さい。また、作動媒体Mの温度を検知して自動的に駆動するようにしてもよい。   As described above, according to the third embodiment of the heat exchange device, in the winter season, it is possible to perform air conditioning by operating constantly without using electric energy as in the first embodiment. In summer, the pump 9 can be driven constantly by driving the pumping pump 9. The pumping pump 9 need not be driven continuously. Since it suffices if the temperature of the working medium M at the upper end can be lowered and lowered, it can be handled by intermittent driving, and the consumption of electric energy is small. Alternatively, the temperature of the working medium M may be detected and automatically driven.

次に、本発明の熱交換装置の第四実施形態について、図9に基づき説明する。第四実施形態は、第二実施形態に、太陽熱を利用して補助作動媒体Wを昇温させる構造を追加したものである。図9に示すように、第四実施形態は、第二実施形態と同様に、三重管10(外管1、内管2、中心管3)、上水道管4、給湯管5、給湯タンク6、戻り管8および循環ポンプ7を有している。そして第二実施形態と異なる点は、給湯管5が建物の屋根上を通過していて太陽光を浴びるようになっている点、給湯タンク6が高い位置(屋根上)に設置されている点、および循環ポンプ7を迂回する迂回管71が設けられ、迂回管71には逆止弁72が設けられている点である。このように構成した熱交換装置の第四実施形態によれば、冬期および夏期において水道が利用される場合には、第一実施形態と同様に動作する。そして、夏期において水道が利用されない場合であっても、日中は太陽熱により補助作動媒体Wを循環させて、熱交換を行うことができる。すなわち、屋根上の給湯管5内の補助作動媒体Wは、太陽熱によって昇温(70℃程度)され、高温の補助作動媒体Wが給湯タンク6にためられる。給湯タンク6内の補助作動媒体Wは、放熱により温度が下がり、密度が大きくなって、高い位置にある給湯タンク6から、戻り管8を通って下降する。さらに、補助作動媒体Wは、迂回管71および逆止弁72を通って上水道管4に戻って循環する。ただし、給湯タンク6内の補助作動媒体W全体が高温になると、循環力がなくなるため、その場合には循環ポンプ7を駆動する。   Next, 4th embodiment of the heat exchange apparatus of this invention is described based on FIG. In the fourth embodiment, a structure for heating the auxiliary working medium W using solar heat is added to the second embodiment. As shown in FIG. 9, the fourth embodiment is similar to the second embodiment in the triple pipe 10 (outer pipe 1, inner pipe 2, central pipe 3), water supply pipe 4, hot water supply pipe 5, hot water supply tank 6, A return pipe 8 and a circulation pump 7 are provided. The difference from the second embodiment is that the hot water supply pipe 5 passes on the roof of the building and is exposed to sunlight, and the hot water supply tank 6 is installed at a high position (on the roof). And a bypass pipe 71 that bypasses the circulation pump 7, and a check valve 72 is provided in the bypass pipe 71. According to the fourth embodiment of the heat exchange device configured as described above, when the water supply is used in winter and summer, it operates in the same manner as in the first embodiment. And even if it is a case where a water supply is not utilized in the summer, the auxiliary | assistant working medium W can be circulated by solar heat and heat exchange can be performed during the daytime. That is, the auxiliary working medium W in the hot water supply pipe 5 on the roof is heated by solar heat (about 70 ° C.), and the hot auxiliary working medium W is stored in the hot water supply tank 6. The auxiliary working medium W in the hot water supply tank 6 is lowered in temperature and increased in density by heat radiation, and descends from the hot water supply tank 6 at a high position through the return pipe 8. Further, the auxiliary working medium W circulates back to the water supply pipe 4 through the bypass pipe 71 and the check valve 72. However, when the entire auxiliary working medium W in the hot water supply tank 6 becomes high temperature, the circulation force is lost. In this case, the circulation pump 7 is driven.

このように、熱交換装置の第四実施形態によれば、冬期および夏期において水道が利用される場合には、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転して空調を行うことができる。そして、夏期において水道が利用されない場合であっても、太陽熱により補助作動媒体Wを循環させて、恒常的に運転できる。循環ポンプ7は、給湯タンク6内の補助作動媒体W全体が高温になった場合にのみ駆動すればよいので、第二実施形態よりも、循環ポンプ7の使用頻度を減らすことができる。また、給湯タンク6内の温水を利用しない場合には、給湯タンク6を放熱しやすい構造にして、温水の温度を外気温まで下げるようにすることで、循環力が発生するので、循環ポンプ7を利用することなく、太陽熱だけで恒常的に補助作動媒体Wを循環させることができる。   Thus, according to the fourth embodiment of the heat exchange device, when water supply is used in winter and summer, air conditioning can be performed by operating constantly without using electric energy. And even if it is a case where a water supply is not utilized in the summer, the auxiliary | assistant working medium W is circulated with a solar heat, and it can drive | operate constantly. Since the circulation pump 7 only needs to be driven when the entire auxiliary working medium W in the hot water supply tank 6 becomes high temperature, the frequency of use of the circulation pump 7 can be reduced as compared with the second embodiment. Further, when the hot water in the hot water supply tank 6 is not used, the hot water tank 6 has a structure that can easily radiate heat, and the temperature of the hot water is lowered to the outside air temperature. Without using the auxiliary working medium W can be circulated constantly only by solar heat.

次に、本発明の熱交換装置の第五実施形態について、図10に基づき説明する。第五実施形態は、用水路の水位差を利用して、補助作動媒体Wを循環させるものである。図10に示すように、第五実施形態は、第一実施形態と同様に、三重管10(外管1、内管2、中心管3)を有している。そして第一実施形態と異なる点は、中心管3の下端に給水管4bの一端が接続されていて、給水管4bの他端が給水側用水路C1の水中に没しており、中心管3の上端に排水管5bの一端が接続されていて、排水管5bの他端が排水側用水路C2の水中に没している点である。なお、給水側用水路C1の水面は、排水側用水路C2の水面よりも高い位置にある。このように構成した熱交換装置の第五実施形態によれば、サイフォンの原理により、補助作動媒体Wが、給水側用水路C1から排水側用水路C2へと流れる。そして、冬期においては、第一実施形態の冬期の場合と同様に動作する。一方、夏期においても、補助作動媒体Wが中心管3内を下から上へ流れるので、第一実施形態の夏期の場合と同様に動作する。なお、補助作動媒体Wが給水側用水路C1から排水側用水路C2へ流れるための条件として、管摩擦抵抗を上回る水圧を生じるだけの水位差があることが必要である。   Next, 5th embodiment of the heat exchange apparatus of this invention is described based on FIG. In the fifth embodiment, the auxiliary working medium W is circulated using the water level difference of the irrigation channel. As shown in FIG. 10, the fifth embodiment has a triple tube 10 (an outer tube 1, an inner tube 2, and a central tube 3) as in the first embodiment. The difference from the first embodiment is that one end of the water supply pipe 4b is connected to the lower end of the center pipe 3, and the other end of the water supply pipe 4b is submerged in the water of the water supply side water channel C1. One end of the drain pipe 5b is connected to the upper end, and the other end of the drain pipe 5b is submerged in the water of the drain side water channel C2. In addition, the water surface of the water supply side channel C1 is at a higher position than the water surface of the drain side channel C2. According to the fifth embodiment of the heat exchange device configured as described above, the auxiliary working medium W flows from the water supply side water channel C1 to the water discharge side water channel C2 by the principle of siphon. In winter, the operation is the same as in the winter of the first embodiment. On the other hand, since the auxiliary working medium W flows from the bottom to the top in the central tube 3 in the summer, the operation is the same as in the summer in the first embodiment. As a condition for the auxiliary working medium W to flow from the water supply side channel C1 to the drain side channel C2, it is necessary that there is a water level difference sufficient to generate a water pressure exceeding the pipe frictional resistance.

このように、熱交換装置の第五実施形態によれば、給水側用水路C1と排水側用水路C2の水位差がポンプの代わりとなり、冬期および夏期の何れにおいても、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転して空調を行うことができる。本実施形態の熱交換装置は、主にビニールハウスなどの空調に用いることが見込まれる。   Thus, according to the fifth embodiment of the heat exchanging device, the water level difference between the water supply side water channel C1 and the water discharge side water channel C2 serves as a substitute for the pump, and is constant without using electric energy in both winter and summer. It can be operated and air-conditioning can be performed. The heat exchange apparatus of this embodiment is expected to be used mainly for air conditioning in a greenhouse or the like.

本発明は、上記の実施形態に限定されない。たとえば、各部を構成する素材について、外管および内管は断熱性を有するものであればどのようなものであってもよい。また、中心管および熱交換部は効率よく熱交換できるものであればどのようなものであってもよいが、熱伝導率の高い素材を用いれば、より出力を向上させることができる。さらに、熱交換が行われる面にフィンなどを設置すれば、伝熱量が大きくなり、より出力を向上させることができる。また、三重管は、垂直方向に延びるものに限られず、各管内の流体が重力により流動する範囲で傾斜していてもよい。さらに、作動媒体は、温度により密度変化が生じる流体であればよい。たとえば、寒冷地では不凍液を用いてもよい。また、液体の方が効率がよいが、液体が使用できない環境では気体を用いても動作させることができる。さらに、補助作動媒体についても、温水を利用する目的がなければ、水以外の、熱を移動できる種々の流体(液体または気体)を用いることができる。また、上記の各実施形態のように空調に利用する以外にも、地中と地上の温度差を利用して発電を行うことも可能である。発電の方法としては、たとえば、熱交換装置の伝熱面にペルチェ素子を貼ってゼーベック効果により発電する方法や、低沸点物質を蒸発させてタービンを回して発電する方法などが挙げられる。その発電した電気によってポンプを作動させてもよい。さらに、海や湖などにおいて、水中と、水上の表面温度との温度差を利用した場合にも、同様に動作させることができる。   The present invention is not limited to the above embodiment. For example, regarding the material constituting each part, the outer tube and the inner tube may be anything as long as they have heat insulation properties. The center tube and the heat exchanging section may be anything as long as they can efficiently exchange heat, but the output can be further improved by using a material having high thermal conductivity. Furthermore, if fins or the like are installed on the surface where heat exchange is performed, the amount of heat transfer is increased, and the output can be further improved. In addition, the triple pipe is not limited to the one extending in the vertical direction, and may be inclined within a range in which the fluid in each pipe flows by gravity. Furthermore, the working medium may be a fluid that changes in density with temperature. For example, an antifreeze solution may be used in a cold region. In addition, although the liquid is more efficient, the liquid can be operated even in the environment where the liquid cannot be used. Furthermore, as for the auxiliary working medium, various fluids (liquid or gas) other than water that can move heat can be used if there is no purpose of using hot water. In addition to the use for air conditioning as in each of the embodiments described above, it is also possible to generate power using the temperature difference between the ground and the ground. Examples of the power generation method include a method of generating power by the Seebeck effect by attaching a Peltier element to the heat transfer surface of the heat exchange device, and a method of generating power by evaporating a low-boiling substance and rotating a turbine. The pump may be operated by the generated electricity. Further, in the case of using the temperature difference between the underwater and the surface temperature on the water in the sea or the lake, the same operation can be performed.

1 外管
2 内管
3 中心管
10 三重管
11 下側熱交換部
12 上側熱交換部
M 作動媒体
W 補助作動媒体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Outer tube 2 Inner tube 3 Center tube 10 Triple tube 11 Lower heat exchange part 12 Upper heat exchange part M Working medium W Auxiliary working medium

Claims (1)

上下に延びる外管、内管および中心管からなる三重管を備え、
三重管は、下部が地中または水中に没しており、上部が地上または水上に露出しており、
外管は、断熱性を有するものであって、上下端が閉止されていて、地中部分または水中部分と、地上部分または水上部分にそれぞれ、外管の内外で熱交換する下側熱交換部および上側熱交換部を有しており、
内管は、断熱性を有するものであって、外管の内側に位置していて、上下端において外管と連通しており、
中心管は、内管の内側に位置していて、外管を上下に貫通しており、
外管および内管には、作動媒体が密封されており、
中心管には、下から上に向けて補助作動媒体が流れていることを特徴とする熱交換装置。
Equipped with a triple pipe consisting of an outer pipe, an inner pipe and a central pipe extending vertically
The triple pipe is submerged in the ground or water, and the upper part is exposed on the ground or water,
The outer pipe has heat insulating properties, the upper and lower ends are closed, and a lower heat exchanging section for exchanging heat inside and outside the outer pipe to the underground part or the underwater part and the ground part or the water part, respectively. And an upper heat exchange part,
The inner tube has heat insulation, is located inside the outer tube, and communicates with the outer tube at the upper and lower ends.
The central tube is located inside the inner tube and penetrates the outer tube up and down,
The outer tube and the inner tube are sealed with a working medium,
A heat exchange device, wherein an auxiliary working medium flows in the center tube from bottom to top.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109489150A (en) * 2017-09-13 2019-03-19 矢崎能源系统公司 Geothermal air conditioning system
CN116105265A (en) * 2021-12-24 2023-05-12 重庆大学 House inter-season cooling and heating control system and its buried pipe structure
CN118947402A (en) * 2024-08-09 2024-11-15 深圳大学 Agricultural greenhouse with green composite utilization of geothermal energy

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109489150A (en) * 2017-09-13 2019-03-19 矢崎能源系统公司 Geothermal air conditioning system
CN116105265A (en) * 2021-12-24 2023-05-12 重庆大学 House inter-season cooling and heating control system and its buried pipe structure
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