JP4936726B2 - 地熱利用冷暖房装置 - Google Patents

Description

本発明は、地熱を室内の冷暖房に利用することができる地熱利用冷暖房装置に関する。

地熱を利用した空調システムの一例として特許文献１に記載のものが知られている。この技術では、水給送用ポンプが介在された水循環経路に、地中に垂直に埋設された第１パイプの内部空間によって形成される第１内部通路と地上に設置された気水熱交換器の水通路とが含まれ、上記気水熱交換器の空気通路を通過中に上記水通路内の水との間で熱交換を行った空気を建物の空調に利用するようになっている。
特許第３４４０３３１号公報

ところで、前記特許文献１に記載の技術では、地熱と水を介して熱交換された空気を建物の空調に利用しているが、これは、地熱が１年を通じてほぼ１５℃前後で一定であることを利用しているものであり、地中に外気の熱を蓄熱して、冷暖房に有効に利用するという技術は開示されていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、地中に外気の熱を蓄熱して、冷暖房に有効に利用することができる地熱利用冷暖房装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、地熱利用冷暖房装置であって、
地中に埋設された第１地中蓄熱部１と、地中に前記第１地中蓄熱部１と離間して埋設された第２地中蓄熱部２と、室外に設置されて、外気の熱を集熱する集熱部３と、室内に設けられた熱放出部４とを備え、
暖期において、前記第１地中蓄熱部１と前記集熱部３との間で熱媒体を循環させるととともに、前記第２地中蓄熱部２と前記熱放出部４との間で熱媒体を循環させ、冷期において、前記第１地中蓄熱部１と前記熱放出部４との間で熱媒体を循環させるとともに、前記第２地中蓄熱部２と前記集熱部３との間で熱媒体を循環させる循環手段５を設けたことを特徴とする。

ここで、暖期とは夏期〜秋期にかけての期間、冷期とは冬期から春期にかけての期間のことを意味する。
また、外気の熱とは、例えば、外気自体の熱の他、太陽熱や燃料電池等の排熱も含むものである。
このような地熱利用冷暖房方法は、例えば図１に示すような、地熱利用冷暖房装置を用いて行うことができる。この地熱利用冷暖房装置は、第１地中蓄熱部１と第２地中蓄熱部２とを備えている。
地熱は１年を通じてほぼ１５℃前後で一定であるので、前記第２地中蓄熱部２に蓄熱された冷期の低い温度の熱は１５℃前後より上昇することはなく、むしろ冷期において第２地中蓄熱部２に低い温度の外気の熱（冷熱）を連続的に蓄熱することによって、暖期においても第２地中蓄熱部には１５℃よりかなり低い温度で冷熱が蓄熱される。
また、第１地中蓄熱部１に蓄熱された暖期の高い温度の熱は１５℃前後より下降することはなく、むしろ暖期において第１地中蓄熱部１に高い温度の外気の熱を連続的に蓄熱することによって、冷期においても第１地中蓄熱部には１５℃よりかなり高い温度で温熱が蓄熱される。

請求項１に記載の発明によれば、暖期においては、第１地中蓄熱部１と集熱部３との間で熱媒体を循環させることよって、集熱部３で集熱した暖期の温度の高い外気の熱（温熱）を連続的に第１地中蓄熱部１に蓄熱保持しておき、冷期においては、第２地中蓄熱部２と集熱部３との間で熱媒体を循環させることによって、集熱部で集熱した冷期の温度の低い外気の熱（冷熱）を連続的に第２地中蓄熱部２に蓄熱保持しておく。
そして、暖期において、第２地中蓄熱部２と熱放出部４との間で熱媒体を循環させることによって、第２地中蓄熱部２に蓄熱されている熱（冷熱）と室内の空気との間で熱交換を行う。第２地中蓄熱部２には冷期の低い温度の外気の熱（冷熱）が蓄熱され保持されているので、この低い温度の外気の熱（冷熱）と室内の空気との間で熱放出部４を介して熱交換を行うことによって、室内の温度を下げることができる、つまり冷房することができる。
また、冷期において、第１地中蓄熱部１と熱放出部４との間で熱媒体を循環させることによって、第１地中蓄熱部１に蓄熱されている熱（温熱）と室内の空気との間で熱交換を行う。第１地中蓄熱部１には暖期の高い温度の外気の熱（温熱）が蓄熱され保持されているので、この高い温度の外気の熱（温熱）と室内の空気との間で熱放出部４を介して熱交換を行うことによって、室内の温度を上げることができる、つまり暖房することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の地熱利用冷暖房装置において、
前記循環手段５は、前記第１地中蓄熱部１と前記集熱部３とを、熱媒体が循環可能に接続するとともに、前記第２地中蓄熱部２と前記熱放出部４とを、熱媒体が循環可能に接続する第１循環経路１１（図２参照）と、
前記第１地中蓄熱部１と前記熱放出部４とを、熱媒体が循環可能に接続するとともに、前記第２地中蓄熱部２と前記集熱部３とを、熱媒体が循環可能に接続する第２循環経路１２（図３参照）とを備え、
前記第１循環経路１１と第２循環経路１２とは切替可能であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、暖期においては、第１循環経路１１を選択することによって、第１地中蓄熱部１と集熱部３とを、熱媒体が循環可能に接続するとともに、第２地中蓄熱部２と熱放出部４とを、熱媒体が循環可能に接続することによって、集熱部３で集熱した暖期の温度の高い外気の熱を連続的に第１地中蓄熱部１に蓄熱保持しておくとともに、第２地中蓄熱部２に蓄熱されている低い温度の外気の熱と室内の空気との間で熱放出部４を介して熱交換を行うことによって、室内の温度を下げることができる、つまり冷房することができる。
また、冷期においては、第２循環経路１２を選択することによって、第１地中蓄熱部１と熱放出部４とを、熱媒体が循環可能に接続するとともに、第２地中蓄熱部２と集熱部３とを、熱媒体が循環可能に接続することによって、集熱部３で集熱した冷期の温度の低い外気の熱を連続的に第２地中蓄熱部２に蓄熱保持しておくとともに、第１地中蓄熱部１に蓄熱されている高い温度の外気の熱と室内の空気との間で熱放出部４を介して熱交換を行うことによって、室内の温度を上げることができる、つまり暖房することができる。
このように、暖期と冷期に応じて第１循環経路１１と第２循環経路１２とを切替えることによって、容易かつ確実に冷暖房を選択して行うことができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の地熱利用冷暖房装置において、
前記熱放出部４は輻射パネルであり、前記集熱部３は集熱パネルであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、輻射パネル４から暖期は冷熱を放出でき、冷期は温熱を放出できる。また、集熱パネル３によって、外気の熱を効果的に集熱できる。

本発明によれば、暖期においては、地中の第２地中蓄熱部に蓄熱した低い温度の熱と室内の空気との間で熱交換を行うことによって、冷房することができ、冷期においては、地中の第１地中蓄熱部に蓄熱した高い温度の熱と室内の空気との間で熱交換を行うことによって暖房することができる。したがって、地中に外気の熱を蓄熱して、冷暖房に有効に利用することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る地熱利用冷暖房装置の概略構成を示すものである。この図に示す地熱利用冷暖房装置は、地中に埋設された第１地中蓄熱部１と、地中に前記第１地中蓄熱部１と離間して埋設された第２地中蓄熱部２と、室外に設置された集熱部３と、室内に設けられた熱放出部４と、循環手段５とを備えている。

第１地中蓄熱部１は住宅等の建物が構築された地盤の一部（図１において二点鎖線で示している。）によって構成されている。第１地中蓄熱部１は、上下に１０ｍ程度の長さを有しており、その深さは、１年を通して地熱温度が１５℃程度という一定温度になる深さ、例えば５〜１０ｍ程度となっている。この第１地中蓄熱部１には、前記循環手段５を構成する熱交換用パイプ６が埋設されている。この熱交換用パイプ６は熱伝導性や耐蝕性、防錆性等に優れた材料、例えばステンレス鋼で形成された細パイプであり、図示は省略するが、この細パイプが第１地中蓄熱部１中に上下に多数回蛇行して配置されている。したがって、この熱交換用パイプ６中を熱媒体としての水が通ると、この水と地熱とで温度差がある場合に温度が高い方の熱が熱交換用パイプ６を介して温度が低い方に伝わるようになっている。地熱は１年を通じてほぼ１５℃前後で一定であるので、熱交換用パイプ６中を１５℃前後より高い温度の水が通ると、第１地中蓄熱部１に高い温度の水の温熱が伝わって、この温熱が蓄熱されるようになっている。なお、温熱とは、地熱より高い温度の熱のことを意味している。

第２地中蓄熱部２は、第１地中蓄熱部１と同様に構成されたもので、該第１地中蓄熱部２と５メートル程度離間して埋設されている。第２地中蓄熱部２も、第１地中蓄熱部１と同様に、上下に１０ｍ程度の長さを有しており、その深さは、１年を通して地熱温度が１５℃程度という一定温度になる深さ、例えば５〜１０ｍ程度となっている。この第２地中蓄熱部２には、前記循環手段５を構成する熱交換用パイプ７が埋設されている。この熱交換用パイプ７は前記熱交換用パイプ６と同様の構成のものである。
したがって、この熱交換用パイプ７中を熱媒体としての水が通ると、この水と地熱とで温度差がある場合に温度が高い方の熱が熱交換用パイプ７を介して温度が低い方に伝わるようになっている。地熱は１年を通じてほぼ１５℃前後で一定であるので、熱交換用パイプ７中を１５℃前後より低い温度の水が通ると、第２地中蓄熱部２に低い温度の水の冷熱が伝わって、この冷熱が蓄熱されるようになっている。なお、冷熱とは、地熱より低い温度の熱のことを意味している。

前記集熱部３は、集熱パネル３で構成されている。集熱パネル３は、太陽光や外気の熱を集熱する集熱板と、この集熱板によって集熱された熱を熱媒体としての水と熱交換することによりこの水に蓄熱することが可能な薄板状のパネルであり、例えば建物の屋根に設置されている。なお、集熱パネル３の設置場所は、屋根以外でもよく、日当たりのよい場所であれば壁や地上に直接設置してもよい。
集熱パネル３には、この集熱パネル３に熱媒体としての水を送り込む送込み配管８と、集熱パネル３から水を送り出す送出配管９とが接続されている。

前記熱放出部４は、本実施の形態では輻射パネル４であり、建物の室内に設置されている。輻射パネル４はその内部に熱媒体としての水を流す細長いパイプが蛇行して配置されたものであり、表面から輻射熱を放出できるようになっている。このような輻射パネル４は例えば室内の壁や天井に設置されている。

前記循環手段５は、図２に示すように、暖期において、第１地中蓄熱部１と集熱部３との間で熱媒体としての水を循環させるととともに、第２地中蓄熱部２と熱放出部４との間で熱媒体としての水を循環させ、図３に示すように、冷期において、第１地中蓄熱部１と熱放出部４との間で熱媒体としての水を循環させるとともに、第２地中蓄熱部２と集熱部３との間で熱媒体としての水を循環させるものであり、以下のように構成されている。
すなわちまず、循環手段５は、図２に示すように、第１地中蓄熱部１と集熱部３とを、熱媒体としての水が循環可能に接続するとともに、第２地中蓄熱部２と熱放出部４とを、熱媒体としての水が循環可能に接続する第１循環経路１１と、図３に示すように、第１地中蓄熱部１と熱放出部４とを、熱媒体としての水が循環可能に接続するとともに、第２地中蓄熱部２と集熱部３とを、熱媒体としての水が循環可能に接続する第２循環経路１２とを備えており、第１循環経路１１と第２循環経路１２とは、切替バルブ１３，１４によって切替可能である。

前記第１循環経路１１は、第１地中蓄熱部１と集熱部３とを熱媒体としての水が循環可能に接続する第１蓄熱集熱部間循環経路１１ａと、第２地中蓄熱部２と熱放出部４とを熱媒体としての水が循環可能に接続する第２蓄熱熱放出部間循環経路１１ｂとから構成されている。
第１蓄熱集熱部間循環経路１１ａは、第１地中蓄熱部１から水給送用のポンプＰ１を介して切替バルブ１３に接続された送出配管１５と、この送出配管１５に切替バルブ１３を介して接続された前記送込み配管８と、前記送出配管９と、この送出配管９に接続され前記第１地中蓄熱部１に熱媒体としての水を戻す戻し配管１６とから構成されている。
第２蓄熱熱放出部間循環経路１１ｂは、第２地中蓄熱部２から水給送用のポンプＰ２を介して切替バルブ１４に接続された送出配管１７と、この送出配管１７に切替バルブ１４を介して接続された送込み配管１８と、前記熱放出部４に接続されて前記第２地中蓄熱部２に熱媒体としての水を戻す戻し配管１９とから構成されている。

前記第２循環経路１２は、第１地中蓄熱部１と熱放出部４とを熱媒体としての水が循環可能に接続する第１蓄熱熱放出部間循環経路１２ａと、第２地中蓄熱部２と集熱部３とを熱媒体としての水が循環可能に接続する第２蓄熱集熱部間循環経路１２ｂとから構成されている。
第１蓄熱熱放出部間循環経路１２ａは、第１地中蓄熱部１から水給送用のポンプＰ１を介して切替バルブ１３に接続された送出配管１５と、この送出配管１５に切替バルブ１３を介して接続されて熱放出部４に熱媒体としての水を送り込む送込み配管２０と、前記熱放出部４に接続されて熱媒体としての水を前記第１地中蓄熱部１に戻す戻し配管２１とから構成されている。なお、この戻し配管２１は前記戻し配管１６と一部重なっている。
第２蓄熱集熱部間循環経路１２ｂは、第２地中蓄熱部２から水給送用のポンプＰ２を介して切替バルブ１４に接続された送出配管１７と、この送出配管１７に切替バルブ１４を介して接続された送込み配管２３と、前記集熱部３に接続されて前記第２地中蓄熱部２に熱媒体としての水を戻す戻し配管２４とから構成されている。なお、送込み配管２３は前記送込み配管８と一部重なっている。また、戻し配管２４は前記戻し配管１９と一部重なっている。

次に、上記構成の地熱利用冷暖房装置によって冷暖房を行う方法について図１〜図３を参照して説明する。
図２は暖期における地熱利用冷暖房装置の状態を示している。まず、切替バルブ１３，１４を操作して、第１循環経路１１ａ，１１ｂを選択することによって、第１地中蓄熱部１と集熱部３とを、熱媒体としての水が循環可能に接続するとともに、第２地中蓄熱部２と熱放出部４とを、熱媒体としての水が循環可能に接続する。
そして、ポンプＰ１を作動すると、第１地中蓄熱部１と集熱部３との間で水が循環する。集熱部３では特に日中に太陽光による熱や外気による熱が集熱され、この熱が水に伝達され、この水が送出配管９、戻し配管１６を通って第１地中蓄熱部１に流入することによって、この第１地中蓄熱部１に水の熱が蓄熱される。つまり、熱交換用パイプ６を介して、水と第１地中蓄熱部１の地盤との間で熱交換が行われ、この第１地中蓄熱部１に蓄熱される。そして、水は送出配管１５、切替バルブ１３、送込み配管８を通って再び集熱部３へと送り込まれる。このような熱媒体としての水の循環によって第１地中蓄熱部１に温度の高い外気の熱が連続的に蓄熱され、保持される。

一方、ポンプＰ２を作動すると、第２地中蓄熱部２と熱放出部４との間で熱媒体としての水が循環する。すなわち、第２地中蓄熱部２から水が送出配管１７、切替バルブ１４、送込み配管１８を通って、熱放出部４に流入する。第２地中蓄熱部２には後述するように、冷期の低い温度の外気の熱が蓄熱され保持されているので、この低い温度の外気の熱が水によって熱放出部４に伝達され、この水と室内の空気との間で熱放出部４を介して熱交換を行うことによって、室内の温度を下げることができる、つまり冷房することができる。熱放出部４からの水は戻し配管１９を通って再び第２地中蓄熱部２に送り込まれる。このような熱媒体としての水の循環によって第２地中蓄熱部２に蓄熱されている冷期の低い温度の外気の熱が連続的に熱放出部４から冷熱として放熱されることで、連続的に室内を冷房することができる。

図３は冷期における地熱利用冷暖房装置の状態を示している。まず、切替バルブ１３，１４を操作して、第２循環経路１２ａ，１２ｂを選択することによって、第１地中蓄熱部１と熱放出部４とを、熱媒体としての水が循環可能に接続するとともに、第２地中蓄熱部２と集熱部３とを、熱媒体としての水が循環可能に接続する。
そして、ポンプＰ２を作動すると、第２地中蓄熱部２と集熱部３との間で水が循環する。集熱部３では特に夜間の放熱冷却によって、低い温度の外気の熱（冷熱）が集熱され、この冷熱が水に伝達され、この水が送出配管９、戻し配管２４を通って第２地中蓄熱部２に流入することによって、この第２地中蓄熱部２に水の冷熱が蓄熱される。つまり、熱交換用パイプ７を介して、水と第２地中蓄熱部２の地盤との間で熱交換が行われ、この第２地中蓄熱部２に冷熱が蓄熱される。そして、水は送出配管１７、切替バルブ１４、送込み配管２３を通って再び集熱部３へと送り込まれる。このような熱媒体としての水の循環によって第２地中蓄熱部２に温度の低い外気の冷熱が連続的に蓄熱され、保持される。

一方、ポンプＰ１を作動すると、第１地中蓄熱部１と熱放出部４との間で熱媒体としての水が循環する。すなわち、第１地中蓄熱部１から水が送出配管１５、切替バルブ１３、送込み配管２０を通って、熱放出部４に流入する。第１地中蓄熱部１には上述したように、暖期の高い温度の外気の熱が蓄熱され保持されているので、この高い温度の外気の熱が水によって熱放出部４に伝達され、この水と室内の空気との間で熱放出部４を介して熱交換を行うことによって、室内の温度を上げることができる、つまり暖房することができる。熱放出部４からの水は戻し配管２１を通って再び第１地中蓄熱部１に送り込まれる。このような熱媒体としての水の循環によって第１地中蓄熱部１に蓄熱されている暖期の高い温度の外気の熱が連続的に熱放出部４から温熱として放熱されることで、連続的に室内を暖房することができる。

このように、暖期と冷期に応じて第１循環経路１１と第２循環経路１２とを切替えることによって、容易かつ確実に冷暖房を選択して行うことができる。

本発明に係る地熱利用冷暖房装置の一例を示すもので、その概略構成図である。 同、暖期における状態を示す概略構成図である。 同、冷期における状態を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 第１地中蓄熱部
２ 第２地中蓄熱部
３ 集熱部
４ 輻射パネル（熱放出部）
５ 循環手段
１１ 第１循環経路
１２ 第２循環経路
１３，１４ 切替バルブ

Claims (3)

1. 地中に埋設された第１地中蓄熱部と、地中に前記第１地中蓄熱部と離間して埋設された第２地中蓄熱部と、室外に設置されて、外気の熱を集熱する集熱部と、室内に設けられた熱放出部とを備え、
   暖期において、前記第１地中蓄熱部と前記集熱部との間で熱媒体を循環させるととともに、前記第２地中蓄熱部と前記熱放出部との間で熱媒体を循環させ、冷期において、前記第１地中蓄熱部と前記熱放出部との間で熱媒体を循環させるとともに、前記第２地中蓄熱部と前記集熱部との間で熱媒体を循環させる循環手段を設けたことを特徴とする地熱利用冷暖房装置。
2. 請求項１に記載の地熱利用冷暖房装置において、
   前記循環手段は、前記第１地中蓄熱部と前記集熱部とを、熱媒体が循環可能に接続するとともに、前記第２地中蓄熱部と前記熱放出部とを、熱媒体が循環可能に接続する第１循環経路と、
   前記第１地中蓄熱部と前記熱放出部とを、熱媒体が循環可能に接続するとともに、前記第２地中蓄熱部と前記集熱部とを、熱媒体が循環可能に接続する第２循環経路とを備え、
   前記第１循環経路と第２循環経路とは切替可能であることを特徴とする地熱利用冷暖房装置。
3. 請求項１または２に記載の地熱利用冷暖房装置において、
   前記熱放出部は輻射パネルであり、前記集熱部は集熱パネルであることを特徴とする地熱利用冷暖房装置。

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