JP2015028418A - 地中熱利用ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】冷房運転時および暖房運転時の効率を向上させることができるヒートポンプシステムを実現する。
【解決手段】ヒートポンプと、冷却・加熱塔と、地中熱交換器と、吸放熱を行なう２次側設備と、システムの動作を制御する制御手段とを備えたヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプと地中熱交換器との間に冷却水を循環させて冷房を行う第１冷房モードと、ヒートポンプと冷却・加熱塔および地中熱交換器との間に冷却水を循環させて冷房を行う第２冷房モードと、ヒートポンプと冷却・加熱塔との間に冷却水を循環させて冷房を行う第３冷房モードと、ヒートポンプと地中熱交換器との間に熱源水を循環させて暖房を行う第１暖房モードと、ヒートポンプと冷却・加熱塔および地中熱交換器との間に熱源水を循環させて暖房を行う第２暖房モードと、ヒートポンプと冷却・加熱塔との間に熱源水を循環させて暖房を行う第３暖房モードとに切換え可能に構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱を利用して省エネルギー化を図る地中熱利用ハイブリッド型のヒートポンプシステムに関するものである。

従来より、年間を通じて温度変化の少ない地中の熱を利用して冷房または暖房を行うことで、エネルギー消費を抑えた空調システムとして種々のヒートポンプシステムが提案されている（例えば特許文献１，２）。
このうち、特許文献１に開示されているヒートポンプシステムは、地中に配設された循環水配管を有し地中熱を熱源とする地中熱交換器と、外気を熱源とする空気熱交換器とを設けて、外気温に応じて地中熱と外気熱とを使い分けることにより、機器効率を向上させるようにしている。

また、特許文献２に開示されているヒートポンプシステムは、地中熱交換器と水冷式の冷却塔とを設け、地中熱交換器と冷却塔のいずれか一方またはこれらを並列もしくは直列に接続した運転モードを選択することにより、消費電力を低減しシステムの省エネルギー化を図るようにしている。

特開２００９−２５０５５５号公報 特開２０１２−１２７５７３号公報

特許文献１に開示されているヒートポンプシステムは、外気との熱交換を空気熱交換器で行うようにしたヒートポンプシステムであり、冷却・加熱塔を備える特許文献２のヒートポンプシステムに比べて冷房運転時の効率が悪いという課題がある。
一方、特許文献２に開示されているヒートポンプシステムは、冷却塔を備えているが、主として冷凍機に着目してなされたものであるため、暖房運転をする際に生じる冷却塔の霜付き現象について検討していないため、連続暖房運転ができないおそれがある。また、霜付きを解消するために、空調システムにおいて一般的に用いられているデフロスト用ヒータを設けるようにした場合には、システムの省エネルギー化を充分に達成することができないという課題がある。

さらに、特許文献２に開示されているヒートポンプシステムにおいては、地中熱交換器と冷却塔を直列に接続した運転モードの具体例として、冷却塔を上流側に配置し地中熱交換器を下流側に配置して運転するようにしたものを開示している。しかし、このような運転方法においては、冷房運転時に外気温度が低い場合、効率的に熱媒の温度を下げることができないという課題がある。

本発明の目的は、冷房運転時および暖房運転時の効率を向上させることができる地中熱利用ヒートポンプシステムを提供することにある。
本発明の他の目的は、消費電力を増加させることなく暖房運転時における連続運転が可能である地中熱利用ヒートポンプシステムを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、
熱媒体の圧縮および膨張を行なって低温部から高温部へ熱を移動させるヒートポンプと、大気から採熱または放熱を行う冷却・加熱塔と、地中熱を熱源とする地中熱交換器と、冷暖房対象空間において吸熱または放熱を行なう２次側設備と、システムの動作を制御する制御手段と、を備えた地中熱利用ヒートポンプシステムであって、
前記制御手段は、
前記ヒートポンプと前記地中熱交換器との間に冷却流体を循環させて冷房を行う第１冷房モードと、
前記ヒートポンプと前記冷却・加熱塔および地中熱交換器との間に冷却流体を循環させて冷房を行う第２冷房モードと、
前記ヒートポンプと前記冷却・加熱塔との間に冷却流体を循環させて冷房を行う第３冷房モードと、
前記ヒートポンプと前記地中熱交換器との間に熱源流体を循環させて暖房を行う第１暖房モードと、
前記ヒートポンプと前記冷却・加熱塔および地中熱交換器との間に熱源流体を循環させて暖房を行う第２暖房モードと、
前記ヒートポンプと前記冷却・加熱塔との間に熱源流体を循環させて暖房を行う第３暖房モードと、に切り換え制御可能に構成した。

上記した手段によれば、冷房運転時はもちろん暖房運転時も冷却・加熱塔を利用するため、エネルギー効率の良好なヒートポンプシステムを実現することができる。また、地中熱交換器を構成する熱交換井や冷却・熱源流体を流すＵ字状のパイプの本数を減らすことができ、大幅なコストダウンが可能となるとともに、冷却・加熱塔のみを使用した冷房、暖房運転および地中熱交換器のみを使用した冷房、暖房運転が可能であるため、長時間の連続運転を行うことができるようになる。

また、望ましくは、前記冷却・加熱塔は、前記第２冷房モードと第３冷房モードでは冷却流体を気化熱作用で冷却する一方、前記第２暖房モードと第３暖房モードでは熱源流体と大気との間の熱伝達で採熱するように構成する。
これにより、冷却・加熱塔を水冷式冷却塔として機能させることができるため、特に冷房運転時における能力を向上させることができる。

さらに、望ましくは、前記制御手段は、
前記第２冷房モードでは、前記地中熱交換器を通過した冷却流体を前記冷却・加熱塔へ送り、その後前記ヒートポンプへ送るように冷却流体を循環させ、
前記第２暖房モードでは、前記冷却・加熱塔を通過した熱源流体を前記地中熱交換器へ送り、その後前記ヒートポンプへ送るように熱源流体を循環させるように構成する。
上記した手段によれば、冷房運転時には地中熱交換器が冷却流体の循環における上流側となり、暖房運転時には冷却・加熱塔が熱源流体の循環における上流側となるため、地中熱交換器の能力が低下した際に、効率良く冷却・熱源流体の冷却または加熱を行うことができる。また、冷房運転時には地中熱を最大限有効に利用してエネルギー効率を向上させることができ、暖房運転時には長時間の安定した暖房運転が可能になる。

さらに、望ましくは、前記制御手段は、
前記第２冷房モードでは、冷却流体を前記地中熱交換器および前記冷却・加熱塔に並列に循環させるように構成する。
これにより、冷房運転時に地中熱交換器と冷却・加熱塔に冷却流体が並列に循環されるため、外気温度の条件によっては、冷却流体を直列に循環させる場合よりもエネルギー効率を向上させることが可能となる。

また、望ましくは、前記制御手段は、
前記第２暖房モードまたは第３暖房モードにおいて、前記冷却・加熱塔の出口温度と入口温度との温度差が所定値以下であり、かつ前記冷却・加熱塔の入口温度が所定温度以下である場合に、前記ヒートポンプへ熱源流体を送らずに前記地中熱交換器と前記冷却・加熱塔との間で熱源流体を循環させる第１デフロストモードを実行可能に構成する。
かかる構成によれば、暖房運転時に冷却・加熱塔が霜付きを起こした場合に、ヒータを用いることなく、地中熱を利用してデフロストを行うことができるため、消費電力を増加させることなくエネルギー効率を向上させ、システム効率を高めることができる。

さらに、望ましくは、前記制御手段は、
前記第１デフロストモードを所定時間実行しても前記冷却・加熱塔の出口温度が所定温度以上に回復せずかつ前記冷却・加熱塔の入口温度と出口温度との検出温度差が所定値以上である場合に、前記ヒートポンプの運転を停止して前記ヒートポンプの熱源流体を前記２次側設備へ送らずに前記冷却・加熱塔との間で熱源流体を循環させる第２デフロストモードを実行可能に構成する。
かかる構成によれば、ヒートポンプの余熱を利用して冷却・加熱塔の霜付き状態を解消できるため、デフロストに要する時間を短縮することができる。

また、望ましくは、前記制御手段は、
前記第２暖房モードまたは第３暖房モードにおいて、前記冷却・加熱塔の出口温度と入口温度との検出温度差が所定値以下であり、かつ前記冷却・加熱塔の入口温度が所定温度以下であって冷暖房対象空間の暖房が要求されている場合に、前記ヒートポンプと前記地中熱交換器との間で熱源流体を循環させて前記ヒートポンプの運転を行い、前記ヒートポンプの熱源流体を前記２次側設備へ送って冷暖房対象空間の暖房を行いつつ、前記冷却・加熱塔との間で熱源流体を循環させる第３デフロストモードを実行可能に構成しても良い。
かかる構成によれば、デフロストを実行している間に暖房を行うことができ、暖房空調停止時間を短縮することができる。

さらに、望ましくは、前記制御手段は、
前記第２デフロストモードを所定時間実行しても前記冷却・加熱塔の出口温度が所定温度以上に回復せずかつ前記冷却・加熱塔の入口温度と出口温度との検出温度差が所定値以上である場合に、前記ヒートポンプと前記地中熱交換器との間で熱源流体を循環させて前記ヒートポンプの運転を行い、前記ヒートポンプの熱源流体を前記２次側設備へ送らずに、前記冷却・加熱塔との間で熱源流体を循環させる第４デフロストモードを実行可能に構成する。
かかる構成によれば、ヒートポンプで温められた熱源流体を利用して冷却・加熱塔の霜付き状態を解消できるため、デフロストに要する時間をさらに短縮することができるともに、ヒートポンプと前記地中熱交換器との間で熱源流体を循環させて前記ヒートポンプの運転を行うので再生可能エネルギーの有効活用が可能である。

本発明によれば、冷房運転時および暖房運転時のエネルギー効率を向上させることができる地中熱利用ヒートポンプシステムを実現することができる。また、消費電力を増加させることなく暖房運転時における連続運転が可能である地中熱利用ヒートポンプシステムを実現することができるという効果がある。

本発明に係る地中熱利用ヒートポンプシステムの一実施形態を示す構成図である。 図１の実施形態のヒートポンプシステムにおける冷房運転時の制御の手順を示すフローチャートである。 図１の実施形態のヒートポンプシステムにおける暖房運転時の制御の手順を示すフローチャートである。 図１の実施形態の地中熱利用ヒートポンプシステムにおける暖房運転時の制御の手順およびデフロスト運転の手順を示すフローチャートである。 地中熱のみを利用した地中熱利用冷房運転モード時の冷水と冷却水の循環経路を示す図である。 冷却・加熱塔と地中熱交換器を利用したハイブリッド冷房運転モード時の冷水と冷却水の循環経路を示す図である。 冷却・加熱塔のみを利用した冷却塔利用冷房運転モード時の冷水と冷却水の循環経路を示す図である。 冷却・加熱塔と地中熱交換器を利用した並列冷房運転モード時の冷水と冷却水の循環経路を示す図である。 地中熱のみを利用した地中熱利用暖房運転モード時の温水と熱源水の循環経路を示す図である。 冷却・加熱塔と地中熱交換器を利用したハイブリッド暖房運転モード時の温水と熱源水の循環経路を示す図である。 冷却・加熱塔のみを利用した加熱塔利用暖房運転モード時の温水と熱源水の循環経路を示す図である。 図１の実施形態の地中熱利用ヒートポンプシステムにおけるデフロストモード時の熱源水の循環経路を示す図である。 第２実施例の地中熱利用ヒートポンプシステムにおける暖房運転時の制御の手順（前半）を示すフローチャートである。 第２実施例の地中熱利用ヒートポンプシステムにおける暖房運転時の制御の手順（後半）およびデフロスト運転の手順を示すフローチャートである。 第２実施例の地中熱利用ヒートポンプシステムにおけるデフロスト運転の手順（前半）を示すフローチャートである。 第２実施例の地中熱利用ヒートポンプシステムにおけるデフロスト運転の手順（後半）を示すフローチャートである。 第２実施例の地中熱利用ヒートポンプシステムにおける第１デフロストモード時の熱源流体の循環経路を示す図である。 第２実施例の地中熱利用ヒートポンプシステムにおける第２デフロストモード時の熱源流体の循環経路を示す図である。 第２実施例の地中熱利用ヒートポンプシステムにおける第３デフロストモード時の熱源流体の循環経路を示す図である。 第２実施例の地中熱利用ヒートポンプシステムにおける第４デフロストモード時の熱源流体の循環経路を示す図である。

以下、本発明に係る地中熱利用ヒートポンプシステムの実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は地中熱利用ヒートポンプシステム全体の概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態の地中熱利用ヒートポンプシステムは、熱媒体の圧縮および膨張を行なって低温部から高温部へ熱を移動させるヒートポンプ（冷凍機）１０と、大気から採熱または放熱を行う冷却・加熱塔２０と、地中熱交換器３０と、冷暖房対象空間において吸熱または放熱を行なう２次側設備４０と、システム全体を制御する制御手段（図示省略）とにより構成されている。

ヒートポンプ１０は、圧縮機１１、凝縮器１２、蒸発器１３等から構成されている。圧縮機１１、凝縮器１２、蒸発器１３の各機器の機能および動作は、一般的な冷暖房システムのものと同様であるので、詳細な説明は省略する。
冷却・加熱塔２０は、冷却用ファンを備え、冷房運転モードでは、蒸発潜熱によって冷却水の温度が下がる熱交換器として動作し、暖房運転モードでは熱伝達で採熱を行い、熱源水の温度が上がる熱交換器として動作するように構成されている。本実施形態では、冷却・加熱塔２０を循環する冷却・熱源水として、暖房運転時には不凍液を用いる。また、冷却・加熱塔２０は、冬季の暖房運転時における霜付きを解消するデフロスト用のヒータを備える。

地中熱交換器３０は、地中熱を熱源とする熱交換器であり、地中に鉛直方向の穴（熱交換井）を掘り、冷却・熱源水が循環される複数本のＵ字状のパイプ３１を配設した後に埋め戻すことにより構成されている。地中熱交換器３０としては従来より種々の構造のものが提案されており、本発明においても、従来提案されている地中熱交換器と同様な構成の地中熱交換器を使用することができるので、詳細な説明は省略する。
なお、上記ヒートポンプ１０と、冷却・加熱塔２０と、地中熱交換器３０との間を接続する配管は比較的断熱性の高い材料で構成されるのに対して、地中熱交換器３０のＵ字状パイプ３１は熱伝導性の高い材料で構成される。

２次側設備４０は、冷暖房対象空間の冷房、暖房を行う空調機器であり、例えば内部に蛇行して配設された通水路を備え表面がパネルで覆われており、パネル内の通水路に冷房時は冷水、暖房時は温水が流れることにより、パネルを介して空気を冷却または加温する機能を有する輻射パネル(熱交換器)などにより構成することができる。空気調和機（いわゆるエアハン）の室内機と同様な構成の機器であっても良い。
なお、本発明に係る地中熱利用ヒートポンプシステムを融雪装置として利用する場合には、２次側設備４０は融雪用の熱交換器であり、融雪に適した構造、形態を有する機器とされる。

本実施形態の地中熱利用ヒートポンプシステムにおいては、ヒートポンプ１０と地中熱交換器３０との間に配設され、冷却・熱源水が流れる第１送り配管６１と、第１戻り配管６２とが設けられ、第１戻り配管６２の途中にポンプＰＭ１が設けられている。
また、ヒートポンプ１０と冷却・加熱塔２０との間には、上記第１送り配管６１の途中から分岐された第２送り配管６３と、上記第１戻り配管６２の途中から分岐された第２戻り配管６４が設けられている。さらに、上記第１送り配管６１と第２戻り配管６４との間には第１分岐配管６５、上記第１戻り配管６２と第２送り配管６３との間には第２分岐配管６６が設けられている。

また、上記ヒートポンプ１０と２次側設備４０との間には、冷温水を循環させるための第３送り配管６７と第３戻り配管６８とが設けられ、第３戻り配管６８の途中にポンプＰＭ２が設けられていている。さらに、上記第１送り配管６１と第３送り配管６７との間には第１迂回配管７１および第２迂回配管７２、上記第１戻り配管６２と第３戻り配管６８との間には第３迂回配管７３および第４迂回配管７４が設けられている。
さらに、上記第１送り配管６１の途中には、ソレノイドやモータなどの駆動源によって開閉動作されるバルブＭＶ１、第１戻り配管６２の途中にはバルブＭＶ２が設けられ、上記第２送り配管６３の途中にはバルブＭＶ３、第２戻り配管６４の途中にはバルブＭＶ４が設けられている。また、上記第１分岐配管６５の途中にはバルブＭＶ５、第２分岐配管６６の途中にはバルブＭＶ６が設けられ、上記第３送り配管６７の途中にはバルブＭＶ７、第３戻り配管６８の途中にはバルブＭＶ８が設けられている。さらに、上記第１送り配管６１と第１戻り配管６２との間には、バルブＭＶ９設けられている。

また、上記第１迂回配管７１の途中にはバルブＭＶ１１、第２迂回配管７２の途中にはバルブＭＶ１２、第３迂回配管７３の途中にはバルブＭＶ１４、第４迂回配管７４の途中にはバルブＭＶ１３が設けられている。さらに、上記第１送り配管６１と第１迂回配管７１との分岐点と第２迂回配管７２の分岐点との間にはバルブＭＶ１５が設けられ、上記第１戻り配管６２と第３迂回配管７３との分岐点と第４迂回配管７４の分岐点との間にはバルブＭＶ１６が設けられている。これらのバルブＭＶ１〜ＭＶ１６は、冷却・熱源水や冷温水の流れを遮断したり許容したりするように動作する。

さらに、上記第１送り配管６１の途中には冷却・熱源水の温度を検出するための温度センサＳ１、第１戻り配管６２の途中には温度センサＳ２が設けられ、上記第２戻り配管６４の途中には温度センサＳ３、第２送り配管６３の途中には温度センサＳ４が設けられている。
そして、上記温度センサＳ１〜Ｓ４からの検出信号は図示しない制御手段へ入力され、運転モードおよび上記温度センサＳ１〜Ｓ４からの検出信号に基づいて制御手段から出力される制御信号によって、上記ポンプＰＭ１〜ＰＭ２が駆動制御されるとともに、上記バルブＭＶ１〜ＭＶ１６が開閉制御される。
また、蒸発器１３の出口には温度センサが設けられ、制御手段はこの温度センサからの検出信号に基づいて、ハイブリッドモード及び加熱塔利用暖房モード時には蒸発器出口の温度が例えば−５℃のような温度に、また地中熱利用暖房モード時には蒸発器出口の温度が例えば１０℃のような温度になるように、ヒートポンプ１０の動作を制御する。

制御手段は、ＣＰＵとその動作プログラムを記憶するＲＯＭや作業領域を提供するＲＡＭなどから構成され、上記温度センサや運転モードを指定するモードスイッチのような設定器あるいは冷房運転指令スイッチ、暖房運転指令スイッチなどからの信号が入力され、配管の途中のポンプＰＭ１〜ＰＭ２やバルブＭＶ１〜ＭＶ１６等の動作を制御する制御信号を生成して出力する機能を備えている。
本実施形態の地中熱利用ヒートポンプシステムは、冬季の暖房運転モードでは、地中熱交換器３０により採熱された熱による暖房および冷却・加熱塔２０と地中熱交換器３０により採熱された熱による暖房の他に、冷却・加熱塔２０により採熱された熱のみによる暖房が可能となっている点に特徴がある。

また、夏季の冷房運転モードでは、地中熱交換器３０により放熱された冷却水による冷房と、冷却・加熱塔２０と地中熱交換器３０により放熱された冷却水による冷房と、冷却・加熱塔２０により放熱された冷却水による冷房が可能となっている。このように冷却・加熱塔２０のみを使用した冷暖房が可能な構成とすることにより、例えば春や秋のように、外気温度の方が地中温度よりも低い時の冷房運転や外気温度の方が地中温度よりも高い時の暖房運転が可能となり、エネルギー効率が良好になる。
さらに、本実施形態の地中熱利用ヒートポンプシステムでは、暖房運転時において、ヒータの消費電力を削減して、冷却・加熱塔２０における霜付きを解消するデフロスト運転が可能となっている。これにより、ヒータのみを用いてデフロストを行なう従来システムに比べて、システム効率が高くなる。

さらに、本実施形態の地中熱利用ヒートポンプシステムの特徴として、冷却・加熱塔２０と地中熱交換器３０により放熱された冷却水による冷房運転モードにおいては、冷却水の流れが地中熱交換器３０−冷却・加熱塔２０−ヒートポンプ１０の順である、つまり地中熱交換器３０が上流側交換器となるのに対し、冷却・加熱塔２０と地中熱交換器３０により採熱された熱による暖房運転モードにおいては、冷却・加熱塔２０−地中熱交換器３０−ヒートポンプ１０の順である、つまり冷房、暖房でエネルギー効率が向上するように、冷却・加熱塔２０と地中熱交換器３０に冷却・熱源水が流れる順序を決定している点に特徴がある。これにより、冷却・熱源水の流れが逆である場合に比べて、エネルギー効率が良好になる。

次に、上記のような運転を実現する制御手段による各運転モードでの制御方法について図２〜図４のフローチャートを用いて説明する。図２〜図４のうち、図２は冷房運転時の制御フロー、図３は暖房運転時の制御フロー、図４は暖房運転時およびデフロスト運転時の制御フローである。また、図５〜図８には冷房運転中の各モードにおける冷却水および冷水の循環経路を、図９〜図１１には暖房運転中の各モードにおける熱源水および温水の循環経路を、図１２には暖房運転中のデフロストモードにおける熱源水の循環経路を示す。

図２に示すように、冷房運転時には、ヒートポンプ１０の凝縮器１２の出入口および蒸発器１３の出入口のバルブＭＶ１５，ＭＶ１６；ＭＶ７，ＭＶ８を開くとともに、ヒートポンプ１０を迂回する配管７１〜７４の途中にあるバルブＭＶ１１〜ＭＶ１４を閉じた状態にする（ステップＳ１）。この状態で、先ず地中熱交換器３０を使用した地中熱利用冷房モードを開始するために、ヒートポンプ１０と地中熱交換器３０と結ぶ配管６１，６２の途中にあるバルブＭＶ１,２を開くとともに、冷却・加熱塔２０に向かう配管６３〜６
６の途中にあるバルブＭＶ３〜ＭＶ６および第１送り配管６１と第１戻り配管６２との間のバルブＭＶ９を閉じる（ステップＳ２）。

それから、第１戻り配管６２の途中のポンプＰＭ１と第３戻り配管６８の途中のポンプＰＭ２を、冷却水および冷水をそれぞれヒートポンプ１０へ送る方向へ回転させるとともに、ヒートポンプ１０を冷房運転させる（ステップＳ３）。これにより、図５に示すように、ヒートポンプ１０（凝縮器１２）−第１送り配管６１−地中熱交換器３０−第１戻り配管６２−ヒートポンプ１０（凝縮器１２）の経路に沿った冷却水の循環およびヒートポンプ１０（蒸発器１３）−第３送り配管６７−２次側設備４０−第３戻り配管６８−ヒートポンプ１０（蒸発器１３）の経路に沿った冷水の循環が行なわれる。

続いて、第１送り配管６１の冷却水温度を検出する温度センサＳ１および第１戻り配管６２の冷却水温度を検出する温度センサＳ２の検出信号を読み込んで、センサＳ２の検出温度が所定温度１（例えば３２℃）よりも高いか、あるいはセンサＳ１とＳ２の検出温度差Ｔ１−Ｔ２が所定温度２（例えば１．０℃）よりも小さいか否か判定する（ステップＳ４）。ここで、センサＳ２の検出温度Ｔ２が所定温度１よりも低いあるいはセンサＳ１とＳ２の検出温度差Ｔ１−Ｔ２が所定温度２よりも大きい（ステップＳ４：Ｎｏ）と判定すると、ステップＳ２へ戻ってヒートポンプ１０の冷房運転を継続する。

一方、ステップＳ４で、センサＳ２の検出温度Ｔ２が所定温度１よりも高いあるいはセンサＳ１とＳ２の検出温度差Ｔ１−Ｔ２が所定温度２よりも小さい（ステップＳ４：Ｙｅｓ）と判定すると、ステップＳ５へ移行して、冷却・加熱塔２０および地中熱交換器３０を使用したハイブリッド冷房モードを開始するために、冷却・加熱塔２０に向かう配管６４と６６の途中にあるバルブＭＶ４，ＭＶ６を開き、第１戻り配管６２の途中のバルブＭＶ２を新たに閉じ、バルブＭＶ３，ＭＶ５，ＭＶ９は閉じたままとする。

また、第１戻り配管６２の途中のポンプＰＭ１と第３戻り配管６８の途中のポンプＰＭ２は冷却水および冷水をそれぞれヒートポンプ１０へ送る方向へ回転させたまま冷却・加熱塔２０を冷却運転させる（ステップＳ６）。これにより、図６に示すように、ヒートポンプ１０（凝縮器１２）−第１送り配管６１−地中熱交換器３０−第１戻り配管６２−配管６６−冷却・加熱塔２０−配管６４−ヒートポンプ１０（凝縮器１２）の経路に沿った冷却水の循環およびヒートポンプ１０（蒸発器１３）−第３送り配管６７−２次側設備４０−第３戻り配管６８−ヒートポンプ１０（蒸発器１３）の経路に沿った冷水の循環が行なわれる。

その結果、地中熱交換器３０の能力が低下したと判断し、地中熱交換器３０を上流、冷却・加熱塔２０を下流とした直列運転を行い、地中熱交換器３０の能力不足を冷却・加熱塔２０で補うと共に、効率的に冷却水温度を低下させ、ヒートポンプの効率を向上させることができる。
続いて、温度センサＳ１とＳ２の検出温度差Ｔ１−Ｔ２が所定温度３（例えば０．５℃）よりも小さいか否か判定する（ステップＳ７）。ここで、検出温度差Ｔ１−Ｔ２が所定温度３よりも大きい（ステップＳ７：Ｎｏ）と判定すると、ステップＳ５へ戻ってハイブリッド冷房モード運転を継続する。

一方、ステップＳ７で、検出温度差Ｔ１−Ｔ２が所定温度３よりも小さい（ステップＳ７：Ｙｅｓ）と判定すると、ステップＳ８へ移行して、冷却・加熱塔２０のみを使用した冷房モードを開始するために、冷却・加熱塔２０に向かう配管６３の途中にあるバルブＭＶ３を開き、配管６１，６６の途中のバルブＭＶ１，ＭＶ６を開から閉に切換え、バルブＭＶ２，ＭＶ５，ＭＶ９は閉じたままとする。また、第１戻り配管６２の途中のポンプＰＭ１と第３戻り配管６８の途中のポンプＰＭ２は冷却水および冷水をそれぞれヒートポンプ１０へ送る方向へ回転させたままとする。

これにより、図７に示すように、ヒートポンプ１０（凝縮器１２）−第２送り配管６３−冷却・加熱塔２０−第２戻り配管６４−ヒートポンプ１０（凝縮器１２）の経路に沿った冷却水の循環およびヒートポンプ１０（蒸発器１３）−第３送り配管６７−２次側設備４０−第３戻り配管６８−ヒートポンプ１０（蒸発器１３）の経路に沿った冷水の循環が行なわれる。
その結果、地中熱交換器３０による冷却能力がなくなったと判断し、冷却・加熱塔２０のみの運転を行い、この運転モード中に、地中熱の温度を回復させることができる。
その後、ステップＳ９で所定時間（例えば６００分）を経過したか否か判定する。そして、所定時間を経過していない（ステップＳ９：Ｎｏ）と判定すると、ステップＳ１０へ進んで冷房スイッチがオフされたか否か判定し、冷房スイッチがオフされていない（ステップＳ１０：Ｎｏ）と判定すると、ステップＳ８へ戻って冷却・加熱塔２０のみを使用した冷却塔利用冷房モード運転を継続する。

一方、ステップＳ９で、所定時間を経過した（ステップＳ９：Ｙｅｓ）と判定すると、地中熱温度が回復したとみなしてステップＳ２へ戻り、地中熱交換器３０のみを使用した地中熱利用冷房モードを開始する。
なお、図２には示されていないが、外気温度が低く、システム効率が高いと判断した場合には、図８に示すように、冷却・加熱塔２０を冷却塔として運転するとともに、バルブＭＶ１〜ＭＶ４を開き、バルブＭＶ５，ＭＶ６を閉じた状態にすることで、冷却・加熱塔２０と地中熱交換器３０を並列に接続して冷却水を循環させる並列冷房モードを実行するようにしても良い。これにより、冷却水温度を効率良く低下させ、ヒートポンプの効率を向上させることができる。

次に、暖房運転における制御方法について説明する。暖房運転時には、図３に示すように、ヒートポンプ１０の凝縮器１２の出入口および蒸発器１３の出入口およびバルブＭＶ１５，ＭＶ１６；ＭＶ７，ＭＶ８を閉じるとともに、迂回配管７１〜７４の途中にあるバルブＭＶ１１〜ＭＶ１４を開く（ステップＳ１１）。この状態で、先ず地中熱交換器３０を使用した地中熱利用暖房モードを開始するために、ヒートポンプ１０と地中熱交換器３０と結ぶ配管６１，６２の途中にあるバルブＭＶ１,２を開くとともに、冷却・加熱塔２ ０に向かう配管６３〜６６の途中にあるバルブＭＶ３〜ＭＶ６および第１送り配管６１と第１戻り配管６２との間のバルブＭＶ９を閉じる（ステップＳ１２）。

それから、第１戻り配管６２の途中のポンプＰＭ１と第３戻り配管６８の途中のポンプＰＭ２を、熱源水および温水をそれぞれヒートポンプ１０へ送る方向へ回転させるとともに、ヒートポンプ１０を暖房運転させる（ステップＳ１３）。これにより、図９に示すように、ヒートポンプ１０（蒸発器１３）−迂回配管７１−第１送り配管６１−地中熱交換器３０−第１戻り配管６２−迂回配管７３−ヒートポンプ１０（蒸発器１３）の経路に沿った熱源水の循環およびヒートポンプ１０（凝縮器１２）−迂回配管７２−第３送り配管６７−２次側設備４０−第３戻り配管６８−迂回配管７４−ヒートポンプ１０（凝縮器１２）の経路に沿った温水の循環が行なわれる。

続いて、第１送り配管６１の熱源水温度を検出する温度センサＳ１および第１戻り配管６２の熱源水温度を検出する温度センサＳ２の検出信号を読み込んで、センサＳ１の検出温度Ｔ１が所定温度４（例えば５℃）よりも低いか、あるいはセンサＳ１とＳ２の検出温度差Ｔ２−Ｔ１が所定温度５（例えば１．０℃）よりも小さいか否か判定する（ステップＳ１４）。ここで、センサＳ１の検出温度Ｔ１が所定温度４よりも高いあるいはセンサＳ１とＳ２の検出温度差Ｔ２−Ｔ１が所定温度５よりも大きい（ステップＳ１４：Ｎｏ）と判定すると、ステップＳ１２へ戻ってヒートポンプ１０の暖房運転を継続する。

一方、ステップＳ１４で、センサＳ１の検出温度Ｔ１が所定温度４よりも低いあるいはセンサＳ１とＳ２の検出温度差Ｔ２−Ｔ１が所定温度５よりも小さい（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）と判定すると、ステップＳ１５へ移行して、冷却・加熱塔２０および地中熱交換器３０を使用したハイブリッド暖房モードを開始するために、冷却・加熱塔２０に向かう配管６３と６５の途中にあるバルブＭＶ３，ＭＶ５を開き、第１送り配管６１の途中のバルブＭＶ１を新たに閉じ、バルブＭＶ４，ＭＶ６，ＭＶ９は閉じたままとし、ＭＶ２は開けたままとする。また、第１戻り配管６２の途中のポンプＰＭ１と第３戻り配管６８の途中のポンプＰＭ２は熱源水および温水をそれぞれヒートポンプ１０へ送る方向へ回転させたまま、冷却・加熱塔２０を加熱運転させる（ステップＳ１６）。
これにより、図１０に示すように、ヒートポンプ１０（蒸発器１３）−迂回配管７１−配管６３−冷却・加熱塔２０−配管６５−第１送り配管６１−地中熱交換器３０−第１戻り配管６２−迂回配管７３−ヒートポンプ１０（蒸発器１３）の経路に沿った熱源水の循環およびヒートポンプ１０（凝縮器１２）−迂回配管７２−第３送り配管６７−２次側設備４０−第３戻り配管６８−迂回配管７４−ヒートポンプ１０（凝縮器１２）の経路に沿った温水の循環が行なわれる。

その結果、地中熱交換器３０の能力が低下したと判断し、冷却・加熱塔２０を上流、地中熱交換器を下流とした直列運転を行い、地中熱交換器の能力不足を冷却・加熱塔２０で補うと共に、効率的に熱源水温度を上昇させ、ヒートポンプの効率を向上させることができる。
続いて、第２送り配管６３の熱源水温度を検出する温度センサＳ４および第２戻り配管６４の熱源水温度を検出する温度センサＳ３の検出信号を読み込んで、温度センサＳ３とＳ４の検出温度差Ｔ３−Ｔ４が所定温度６（例えば１．０℃）よりも小さくかつ温度センサＳ４の検出温度Ｔ４が所定温度９（例えば−７℃）よりも低いか否か判定する（ステップＳ１７）。ここで、検出温度差Ｔ３−Ｔ４が所定温度６よりも小さくかつ検出温度Ｔ４が所定温度９よりも低い（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）と判定すると、ステップＳ２４へ移行してデフロストモードを開始する（符号Ｃ）。

一方、ステップＳ１７で、検出温度差Ｔ３−Ｔ４が所定温度６よりも大きいまたは検出温度Ｔ４が所定温度９よりも高い（ステップＳ１７：Ｎｏ）と判定すると、ステップＳ１８へ移行して、第１送り配管６１の熱源水温度を検出する温度センサＳ１および第１戻り配管６２の熱源水温度を検出する温度センサＳ２の検出信号を読み込んで、センサＳ１とＳ２の検出温度差Ｔ２−Ｔ１が所定温度７（例えば１．０℃）よりも小さいか否か判定する。ここで、センサＳ１とＳ２の検出温度差Ｔ２−Ｔ１が所定温度７よりも大きい（ステップＳ１８：Ｎｏ）と判定すると、ステップＳ１５へ戻ってハイブリッド暖房モードを継続する。

また、ステップＳ１８で、検出温度差Ｔ２−Ｔ１が所定温度７よりも小さい（ステップＳ１８：Ｙｅｓ）と判定すると、ステップＳ２０へ移行する（符号Ａ）。そして、冷却・加熱塔２０のみを利用した加熱塔利用暖房モードを開始するために、地中熱交換器３０からの戻り配管６２の途中にあるバルブＭＶ２および冷却・加熱塔２０から地中熱交換器３への配管６５の途中にあるバルブＭＶ５を閉じ、戻り配管６４の途中のバルブＭＶ４を閉から開に切換え、バルブＭＶ１，ＭＶ６，ＭＶ９は閉じたままとし、バルブＭＶ３は開けたままとする（ステップＳ２０）。また、第１戻り配管６２の途中のポンプＰＭ１と第３戻り配管６８の途中のポンプＰＭ２は熱源水および温水をそれぞれヒートポンプ１０へ送る方向へ回転させたままとする。

これにより、図１１に示すように、ヒートポンプ１０（蒸発器１３）−迂回配管７１−第２送り配管６３−冷却・加熱塔２０−第２戻り配管６４−迂回配管７３−ヒートポンプ１０（蒸発器１３）の経路に沿った熱源水の循環およびヒートポンプ１０（凝縮器１２）−迂回配管７２−第３送り配管６７−２次側設備４０−第３戻り配管６８−迂回配管７４−ヒートポンプ１０（凝縮器１２）の経路に沿った温水の循環が行なわれる。
その結果、地中熱交換器３０による採熱能力がなくなったと判断し、冷却・加熱塔２０のみ利用した運転を行い、この運転モード中に、地中熱の温度を回復させることができる。

次に、ステップＳ２１で温度センサＳ３とＳ４の検出温度差Ｔ３−Ｔ４が所定温度８（例えば１．０℃）よりも小さくかつ検出温度Ｔ４が所定温度９（例えば０℃）よりも低いか否か判定する。ここで、検出温度差Ｔ３−Ｔ４が所定温度８よりも小さくかつ検出温度Ｔ４が所定温度９よりも低い（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）と判定すると、加熱塔が霜付きを起こして能力が低下していることが分かるので、ステップＳ２３へ移行してデフロスト運転を実行する。

また、検出温度差Ｔ３−Ｔ４が所定温度８よりも大きいもしくはセンサＳ４の検出温度Ｔ４が所定温度９よりも高い（ステップＳ２１：Ｎｏ）と判定すると、ステップＳ２２へ移行して、所定時間（例えば６００分）を経過したか否か判定する。そして、所定時間を経過していない（ステップＳ２２：Ｎｏ）と判定すると、ステップ２３へ進んで暖房スイッチがオフされたか否かを判定し、暖房スイッチがオフされていない（ステップＳ２３：Ｎｏ）と判定すると、ステップＳ２０へ戻って冷却・加熱塔２０のみを使用した加熱塔利用暖房モード運転を継続する。
また、ステップＳ２２で所定時間を経過した（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）と判定すると、ステップＳ１２へ戻って地中熱交換器３０を使用した地中熱利用暖房モードを実行する（符号Ｂ）。

一方、ステップＳ２１でセンサＳ３とＳ４の検出温度差Ｔ３−Ｔ４が所定温度８よりも小さくかつ検出温度Ｔ４が所定温度９よりも低い（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）と判定してステップＳ２４へ移行した場合には、バルブＭＶ２，ＭＶ５，ＭＶ９を開き、バルブＭＶ４およびＭＶ１１〜ＭＶ１４を閉じた状態にしてポンプＰＭ１を駆動させたままとすることで、図１２に示すように、冷却・加熱塔２０と地中熱交換器３０との間で熱源水を循環させるデフロストモードを実行する。これにより、冷却・加熱塔２０−配管６５−第１送り配管６１−地中熱交換器３０−第１戻り配管６２−バルブＭＶ９−配管６３−冷却・加熱塔２０の経路に沿った熱源水の循環が行なわれ、地中熱を利用して冷却・加熱塔の霜付き状態を解消することができる。なお、この際、冷却・加熱塔２０に設けられているヒータに通電して、ヒータを併用したデフロストを行うようにしても良い。これによって、ヒータのみを使用してデフロストを行う従来方式に比べてシステム効率を高めることができる。また、デフロストの際には、ヒートポンプ１０およびポンプＰＭ２を停止させる（ステップＳ２５）。これにより、さらに消費電力を少なくすることができる。

なお、ステップＳ２５の後は、ステップＳ２６へ移行して、温度センサＳ３の検出温度Ｔ３が所定温度１０（例えば３℃）よりも高いか否か判定する。そして、検出温度Ｔ３が所定温度１０よりも低い（ステップＳ２６：Ｎｏ）と判定すると、ステップＳ２４へ戻ってデフロストモードを継続する。一方、ステップＳ２６で、加熱塔出口の温度センサＳ３の検出温度Ｔ３が所定温度１０よりも高い（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）と判定すると、加熱塔の霜付き状態が解消されたものとみなすことができるため、ステップＳ２７へ進んで、図３のハイブリッド暖房モード中のステップＳ１７から符号Ｃに従って図４のデフロストモードへ入ったか否か判定する。
そして、符号Ｃに従ってステップＳ１７からデフロストモードへ入った（ステップＳ２７：Ｙｅｓ）と判定すると、符号Ｄに従って図３のステップＳ１５へ戻る。一方、ステップＳ２７で、ステップＳ２１からデフロストモードへ移行した、つまり符号Ｃに従ってデフロストモードへ入ったのではない（ステップＳ２７：Ｎｏ）と判定すると、ステップＳ２０へ戻って冷却・加熱塔２０のみを使用した加熱塔利用暖房モードを実行する。なお、この場合にも、ステップＳ１５へ戻って冷却・加熱塔２０および地中熱交換器３０を使用したハイブリッド暖房モードを実行するようにしてもよい（符号Ｄ）。

従来の冷却・加熱塔を使用した冷暖房システムにおいては、冷却・加熱塔が着霜した場合、下部水槽内に設置したヒータで温められた温水を冷却・加熱塔の熱交換器の配管表面に散水することで霜を解かすことが一般的であった。しかし、この方法は、余分なエネルギーを必要とする。これに対し、上記実施例によれば、地中熱を利用して冷却・加熱塔２０の着霜を解消するので、再生可能エネルギーの有効活用が充分に達成されるという利点がある。
なお、従来のヒータで温められた温水で霜を解かす方法は、温水の散水を外側から行なうというものであるため、解凍に時間がかかり、暖房運転の停止もしくは性能低下の時間が長くなるとともに、完全に霜を解凍できないおそれがある。

（第２実施例）
次に、本発明を適用した地中熱利用ヒートポンプシステムの第２の実施例を説明する。上記の第１実施例のデフロストモードは、地中熱を利用して冷却・加熱塔２０の着霜を解消するというものであるが、解凍に時間がかかるとともに地中温度がある程度下がって来ると着霜を解消できなくなることが考えられる。
そこで、第２実施例はデフロストモードを複数設けることで、地中温度が所定以上下がったとしても着霜を解消できるようにしたものである。具体的には、第１実施例はデフロストモードが１つであるのに対し、第２実施例はデフロストモードを４パターン設け、着霜の状態に応じて異なる態様でデフロスト（霜取り）を行うようにした。

図１７に示すように、この第２実施例のシステムは、４種類のデフロストモードを実現可能にするため、図１に示す第１実施例のシステムに対して、第２戻り配管６４と第３戻り配管６８とを繋ぐ配管７５と、第２送り配管６３と第３送り配管６７とを繋ぐ配管７６とが追加され、配管７５の途中にはバルブＭＶ２１が、また配管７６の途中にはバルブＭＶ２２およびポンプ（ブースタポンプと称する）ＰＭ３が設けられている。さらに、第３送り配管６７と第３戻り配管６８の途中にそれぞれバルブＭＶ２３およびＭＶ２４が追加されている。

第２実施例においては、「冷房運転」の手順（図２）および冷水や冷却水の循環系路（図５〜図８）は第１実施例と同じであるので、図示および説明を省略する。
図１３および図１４は、第２実施例における暖房運転の手順を示す。第２実施例における暖房運転の手順を示す図３および図４との差異は、図１３のステップＳ１７および図１４のステップＳ２１で「ＹＥＳ」と判定すると図１５のデフロスト処理Ｓ３０へ移行する点と、図４のステップＳ２４〜Ｓ２７の１種類のデフロスト処理の代わりに、図１５および図１６のステップＳ３１〜Ｓ４７のデフロスト処理に従ってデフロストモード＃１〜＃４のいずれかを実行する点にある。
図１５および図１６には、ハイブリッド暖房モード中にデフロストの条件（Ｔ３−Ｔ４＜所定温度６かつＴ４＜所定温度９）が成立した場合に実行されるデフロスト処理（図３のステップＳ３０）の具体的な手順の例が示されている。

図１５のデフロスト処理においては、先ず空調運転が必要か否か（例えば冷暖房対象空間の暖房を停止することが許可されているか否か）判定する（ステップＳ３１）。そして、空調運転が不要である（ステップＳ３１：Ｎｏ）判定すると、ステップＳ３２へ進み、省エネ運転を優先するか否か判定する（ステップＳ３２）。そして、省エネ運転を優先する（ステップＳ３２：Ｙｅｓ）と判定すると、ステップＳ３３へ進み、バルブＭＶ１，ＭＶ４，ＭＶ６，ＭＶ１１，ＭＶ１４，ＭＶ２１，ＭＶ２２を閉じた状態にして、バルブＭＶ２，ＭＶ３，ＭＶ５およびＭＶ９を開き、ヒートポンプ１０および冷温水ポンプＰＭ２の運転を停止してポンプＰＭ１を駆動させたままとする（ステップＳ３４）ことで、図１７に示すように、冷却・加熱塔２０と地中熱交換器３０との間で熱源水を循環させるデフロストモード＃１を実行する。
これにより、冷却・加熱塔２０−配管６５−第１送り配管６１−地中熱交換器３０−第１戻り配管６２−バルブＭＶ９−配管６３−冷却・加熱塔２０の経路に沿った熱源水の循環が行なわれ、地中熱を利用して冷却・加熱塔２０の霜付き状態を解消することができる。これは、第１実施例におけるステップＳ２４およびＳ２５によるデフロストと同じ処理である。

ステップＳ３４に続いてステップＳ３５では、温度センサＳ３の検出温度Ｔ３が所定温度１０（例えば３℃）よりも高い、または温度センサＳ３とＳ４の検出温度差Ｔ４−Ｔ３が所定温度１１（例えば１℃）よりも小さいか否か判定する。ここで、検出温度Ｔ３が所定温度１０よりも低いまたは検出温度差Ｔ４−Ｔ３が所定温度１１よりも大きい（ステップＳ３５：Ｎｏ）と判定すると、冷却・加熱塔の霜付きが解消していないということであるので、ステップＳ３６へ進んで所定時間（例えば５分）を経過したか否か判定し、経過していないときはステップＳ３３へ戻ってモード＃1のデフロスト運転を継続する。また、ステップＳ３６で所定時間を経過したと判定したときは、次のステップＳ３７（ヒートポンプの余熱を利用したデフロストモード＃２）へ移行する。

また、ステップＳ３５で、温度センサＳ３の検出温度Ｔ３が所定温度１０よりも高いか、または温度センサＳ３とＳ４の検出温度差Ｔ４−Ｔ３が所定温度１１よりも小さい（ステップＳ３５：Ｙｅｓ）と判定すると、冷却・加熱塔２０の霜付きが解消したということであるので、符号Ｅに従って図１６のステップＳ４７へ移行して、図１３のハイブリッド暖房モード中のステップＳ１７から図１５のデフロストモードへ入ったか否か判定する。
そして、ステップＳ１７からデフロストモードへ入った（ステップＳ４７：Ｙｅｓ）と判定すると、符号Ｄに従って図１３のステップＳ１５へ戻り、ハイブリッド暖房モードを実行する。一方、ステップＳ４７で、ステップＳ１７からデフロストモードへ入ったのではない（ステップＳ４７：Ｎｏ）と判定すると、符号Ｇに従って図１４のステップＳ２０へ戻って冷却・加熱塔２０のみを使用した加熱塔利用暖房モードを実行する。ステップＳ４７における「Ｎｏ」の判定は、ステップＳ２１からデフロストモードへ入ったことを意味する。

デフロストモード＃２のステップＳ３７では、バルブＭＶ３〜ＭＶ６，ＭＶ２３，ＭＶ２４を閉じた状態にして、バルブＭＶ１２，ＭＶ１３，ＭＶ２１およびＭＶ２２を開き、ヒートポンプ１０およびポンプＰＭ１，ＰＭ２の運転を停止してポンプＰＭ３を駆動させる（ステップＳ３８）ことで、図１８に示すように、冷却・加熱塔２０とヒートポンプ１０との間で温水を循環させる。これにより、冷却・加熱塔２０−配管７６−第４迂回配管７４−ヒートポンプ１０−第２迂回配管７２−配管７６−冷却・加熱塔２０の経路に沿った温水の循環が行なわれ、ヒートポンプ１０で暖房を行ないながら生成された温水を利用して冷却・加熱塔２０の霜付き状態を解消することができる。

ステップＳ３８に続いてステップＳ３９では、温度センサＳ３の検出温度Ｔ３が所定温度１２（例えば３℃）よりも高い、または温度センサＳ３とＳ４の検出温度差Ｔ４−Ｔ３が所定温度１３（例えば１℃）よりも小さいか否か判定する。ここで、検出温度Ｔ３が所定温度１２よりも低いまたは検出温度差Ｔ４−Ｔ３が所定温度１３よりも大きい（ステップＳ３９：Ｎｏ）と判定すると、冷却・加熱塔２０の霜付きが解消していないということであるので、ステップＳ４０へ進んで所定時間（例えば５分）を経過したか否か判定し、経過していないときはステップＳ３７へ戻ってモード＃２のデフロスト運転を継続する。また、ステップＳ４０で所定時間を経過したと判定したときは、次のステップＳ４４（暖房を中断しヒートポンプの運転より生成された温水を利用したデフロストモード＃４）へ移行する。

また、ステップＳ３９で、温度センサＳ３の検出温度Ｔ３が所定温度１２よりも高いか、または温度センサＳ３とＳ４の検出温度差Ｔ４−Ｔ３が所定温度１３よりも小さい（ステップＳ３９：Ｙｅｓ）と判定すると、冷却・加熱塔２０の霜付きが解消したということであるので、符号Ｅに従って図１６のステップＳ４７へ移行して、ステップＳ１７からデフロストモードへ入った（ステップＳ４７：Ｙｅｓ）場合には、符号Ｄに従って図１３のステップＳ１５へ戻ってハイブリッド暖房モードを実行する。また、ステップＳ１７からデフロストモードへ入ったのではない（ステップＳ２１から入った）場合には、符号Ｇに従って図１４のステップＳ２０へ戻って冷却・加熱塔２０のみを使用した加熱塔利用暖房モードを実行する。

一方、図１５のステップＳ３１で、空調運転が必要である（ステップＳ３１：Ｙｅｓ）判定すると、ステップＳ４１へ移行して、バルブＭＶ３〜ＭＶ６およびＭＶ９を閉じた状態にして、バルブＭＶ１，ＭＶ２，ＭＶ１１〜ＭＶ１４およびＭＶ２１〜ＭＶ２４を開き、ヒートポンプ１０を暖房運転したままブースタポンプＰＭ３を駆動する（ステップＳ４２）ことで、図１９に示すように、ヒートポンプ１０と２次側設備４０および冷却・加熱塔２０、地中熱交換器３０との間で温水と熱源水を循環させるデフロストモード＃３を実行する。
これにより、ヒートポンプ１０（凝縮器１２）から２次側設備４０および冷却・加熱塔２０への温水の循環およびヒートポンプ１０（蒸発器１３）と地中熱交換器３０の間で熱源水の循環が行なわれ、暖房を行ないながら冷却・加熱塔２０の霜付き状態を解消することができる。

ステップＳ４２に続いてステップＳ４３では、温度センサＳ３の検出温度Ｔ３が所定温度１６（例えば１０℃）よりも高い、または温度センサＳ３とＳ４の検出温度差Ｔ４−Ｔ３が所定温度１７（例えば１℃）よりも小さいか否か判定する。ここで、検出温度Ｔ３が所定温度１６よりも低いまたは検出温度差Ｔ４−Ｔ３が所定温度１７よりも大きい（ステップＳ４３：Ｎｏ）と判定すると、冷却・加熱塔２０の霜付きが解消していないということであるので、ステップＳ４１へ戻ってモード＃３のデフロスト運転を継続する。

また、ステップＳ４３で、温度センサＳ３の検出温度Ｔ３が所定温度１６よりも高いか、または温度センサＳ３とＳ４の検出温度差Ｔ４−Ｔ３が所定温度１７よりも小さい（ステップＳ４３：Ｙｅｓ）と判定すると、冷却・加熱塔２０の霜付きが解消したということであるので、符号Ｅに従って図１６のステップＳ４７へ移行して、ステップＳ１７からデフロストモードへ入った（ステップＳ４７：Ｙｅｓ）場合には、符号Ｄに従って図１３のステップＳ１５へ戻ってハイブリッド暖房モードを実行する。また、ステップＳ１７からデフロストモードへ入ったのではない（ステップＳ２１から入った）場合には、符号Ｇに従って図１４のステップＳ２０へ戻って冷却・加熱塔２０のみを使用した加熱塔利用暖房モードを実行する。

一方、図１６のデフロストモード＃４では、先ずステップＳ４４で、バルブＭＶ３〜ＭＶ６，ＭＶ９およびＭＶ２３，ＭＶ２４を閉じた状態にして、バルブＭＶ１，ＭＶ２，ＭＶ１１〜ＭＶ１４およびＭＶ２１，ＭＶ２２を開き、ヒートポンプ１０およびブースタポンプＰＭ３を運転する（ステップＳ４５）ことで、図２０に示すように、ヒートポンプ１０からび冷却・加熱塔２０、地中熱交換器３０との間で温水と熱源水を循環させる。
これにより、ヒートポンプ１０−冷却・加熱塔２０−地中熱交換器３０の間で熱源水の循環が行なわれ、暖房を中断して冷却・加熱塔２０の霜付き状態を解消することができる。

ステップＳ４５に続いてステップＳ４６では、温度センサＳ３の検出温度Ｔ３が所定温度１４（例えば１０℃）よりも高い、または温度センサＳ３とＳ４の検出温度差Ｔ４−Ｔ３が所定温度１５（例えば１℃）よりも小さいか否か判定する。ここで、検出温度Ｔ３が所定温度１４よりも低いまたは検出温度差Ｔ４−Ｔ３が所定温度１５よりも大きい（ステップＳ４６：Ｎｏ）と判定すると、冷却・加熱塔２０の霜付きが解消していないということであるので、ステップＳ４４へ戻ってモード＃４のデフロスト運転を継続する。

また、ステップＳ４６で、温度センサＳ３の検出温度Ｔ３が所定温度１４よりも高いか、または温度センサＳ３とＳ４の検出温度差Ｔ４−Ｔ３が所定温度１５よりも小さい（ステップＳ４６：Ｙｅｓ）と判定すると、冷却・加熱塔２０の霜付きが解消したということであるので次のステップＳ４７へ移行して、ステップＳ１７からデフロストモードへ入った（ステップＳ４７：Ｙｅｓ）場合には、符号Ｄに従って図１３のステップＳ１５へ戻ってハイブリッド暖房モードを実行する。また、ステップＳ１７からデフロストモードへ入ったのではない（ステップＳ２１から入った）場合には、符号Ｇに従って図１４のステップＳ２０へ戻って冷却・加熱塔２０のみを使用した加熱塔利用暖房モードを実行する。

上記のように、第２実施例においては、電気（例えばヒータ）やガス（例えばボイラー）のエネルギーを使用してデフロストを行なうのではないので、地中熱と大気熱の再生可能エネルギーをより有効活用することができる。また、配管内部に温水を供給するため、内部から霜を解かすことが可能であり、ヒータで温められた温水による散水方式よりも解凍必要時間もしくは性能低下時間を短縮することができる。さらに、４種類のデフロストモードを備え、着霜の状態に応じてモードを切り替えるようにしているため、効率よくデフロストを行なうことができる。
特に、モード＃１と＃２は、ポンプの搬送動力のみでデフロストが可能であり、再生可能エネルギーのより有効な活用が可能である。また、モード＃３であれば、地中熱を活用してデフロストを行ないながら、暖房空調を継続することが可能である。モード＃４であれば、暖房空調停止時間を短縮することができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態においては、地中熱交換器３０として、地中に鉛直方向の穴（熱交換井）を掘ってＵ字状のパイプ３１を配設した構造のものを示したが、地中の表面近くに広く浅い穴を掘り、冷却・熱源水を循環させるパイプを横方向に蛇行しながら配設し埋め戻した構造のものを使用するようにしても良い。冷却・加熱塔２０および地中熱交換器３０を使用したハイブリッド暖房モードを実行可能な前記実施形態の地中熱利用ヒートポンプシステムにおいては、このような構造の地中熱交換器であっても充分に暖房運転が可能であり、これによって、地中熱交換器の製造に要する費用を低減することができる。
また、前記実施形態においては、冷却・加熱塔２０として冷房運転時は気化熱作用で冷却水を冷却し暖房運転時は熱伝達で採熱を行う構成のものを使用していると説明したが、冷房運転時も暖房運転時と同様に熱伝達で行う構成のものを使用することも可能である。

また、前記実施形態においては、図８に示すように、冷房運転時に冷却・加熱塔２０と地中熱交換器３０に対して並列に冷却水を循環させる並列冷房モードを実行するようにしても良いと説明したが、暖房運転時においても冷却・加熱塔２０と地中熱交換器３０に対して並列に熱源水を循環させる並列暖房モードを実行することも可能である。
さらに、前記実施形態では、冷房および暖房を行う地中熱利用ヒートポンプシステムに適用したものを説明したが、本発明は、鉄道や道路などの融雪（消雪）を行なうシステムにも利用することができる。なお、その場合、冷房運転モードは不要であるので、冷却・加熱塔は冷却の機能は不要であり、採熱効率が良好となる構造に設計するのが望ましく、それによってさらに融雪効率を高めたシステムを実現することができる。

１０ ヒートポンプ
１１ 圧縮機
１２ 凝縮器
１３ 蒸発器
２０ 冷却・加熱塔
３０ 地中熱交換器
４０ ２次側設備

Claims (8)

1. 熱媒体の圧縮および膨張を行なって低温部から高温部へ熱を移動させるヒートポンプと、大気から採熱または放熱を行う冷却・加熱塔と、地中熱を熱源とする地中熱交換器と、冷暖房対象空間において吸熱または放熱を行なう２次側設備と、システムの動作を制御する制御手段と、を備えた地中熱利用ヒートポンプシステムであって、
   前記制御手段は、
   前記ヒートポンプと前記地中熱交換器との間に冷却流体を循環させて冷房を行う第１冷房モードと、
   前記ヒートポンプと前記冷却・加熱塔および地中熱交換器との間に冷却流体を循環させて冷房を行う第２冷房モードと、
   前記ヒートポンプと前記冷却・加熱塔との間に冷却流体を循環させて冷房を行う第３冷房モードと、
   前記ヒートポンプと前記地中熱交換器との間に熱源流体を循環させて暖房を行う第１暖房モードと、
   前記ヒートポンプと前記冷却・加熱塔および地中熱交換器との間に熱源流体を循環させて暖房を行う第２暖房モードと、
   前記ヒートポンプと前記冷却・加熱塔との間に熱源流体を循環させて暖房を行う第３暖房モードと、
   に切り換え制御可能に構成されていることを特徴とする地中熱利用ヒートポンプシステム。
2. 前記冷却・加熱塔は、前記第２冷房モードと第３冷房モードでは冷却流体を気化熱作用で冷却する一方、前記第２暖房モードと第３暖房モードでは熱源流体と大気との間の熱伝達で採熱するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の地中熱利用ヒートポンプシステム。
3. 前記制御手段は、
   前記第２冷房モードでは、前記地中熱交換器を通過した冷却流体を前記冷却・加熱塔へ送り、その後前記ヒートポンプへ送るように冷却流体を循環させ、
   前記第２暖房モードでは、前記冷却・加熱塔を通過した熱源流体を前記地中熱交換器へ送り、その後前記ヒートポンプへ送るように熱源流体を循環させることを特徴とする請求項１または２に記載の地中熱利用ヒートポンプシステム。
4. 前記制御手段は、
   前記第２冷房モードでは、冷却流体を前記地中熱交換器および前記冷却・加熱塔に並列に循環させることを特徴とする請求項１または２に記載の地中熱利用ヒートポンプシステム。
5. 前記制御手段は、
   前記第２暖房モードまたは第３暖房モードにおいて、前記冷却・加熱塔の出口温度と入口温度との検出温度差が所定値以下であり、かつ前記冷却・加熱塔の入口温度が所定温度以下である場合に、前記ヒートポンプへ熱源流体を送らずに前記地中熱交換器と前記冷却・加熱塔との間で熱源流体を循環させる第１デフロストモードを実行可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の地中熱利用ヒートポンプシステム。
6. 前記制御手段は、
   前記第１デフロストモードを所定時間実行しても前記冷却・加熱塔の出口温度が所定温度以上に回復せずかつ前記冷却・加熱塔の入口温度と出口温度との検出温度差が所定値以上である場合に、前記ヒートポンプの運転を停止して前記ヒートポンプの熱源流体を前記２次側設備へ送らずに前記冷却・加熱塔との間で熱源流体を循環させる第２デフロストモードを実行可能に構成されていることを特徴とする請求項５に記載の地中熱利用ヒートポンプシステム。
7. 前記制御手段は、
   前記第２暖房モードまたは第３暖房モードにおいて、前記冷却・加熱塔の出口温度と入口温度との検出温度差が所定値以下であり、かつ前記冷却・加熱塔の入口温度が所定温度以下であって冷暖房対象空間の暖房が要求されている場合に、前記ヒートポンプと前記地中熱交換器との間で熱源流体を循環させて前記ヒートポンプの運転を行い、前記ヒートポンプの熱源流体を前記２次側設備へ送って冷暖房対象空間の暖房を行いつつ、前記冷却・加熱塔との間で熱源流体を循環させる第３デフロストモードを実行可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の地中熱利用ヒートポンプシステム。
8. 前記制御手段は、
   前記第２デフロストモードを所定時間実行しても前記冷却・加熱塔の出口温度が所定温度以上に回復せずかつ前記冷却・加熱塔の入口温度と出口温度との検出温度差が所定値以上である場合に、前記ヒートポンプと前記地中熱交換器との間で熱源流体を循環させて前記ヒートポンプの運転を行い、前記ヒートポンプの熱源流体を前記２次側設備へ送らずに、前記冷却・加熱塔との間で熱源流体を循環させる第４デフロストモードを実行可能に構成されていることを特徴とする請求項６に記載の地中熱利用ヒートポンプシステム。

Images