JPH1194367A - 地中熱利用ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 地中熱利用ヒートポンプシステムにおいて、
熱媒凍結を防止して安定的なシステム運転を可能にする
とともに、システム効率の向上、構成機器の小型化、環
境保全性の向上を可能にする。 【解決手段】 対地熱交換用の埋設熱交換器４とヒート
ポンプ装置３の吸熱部３ｂとの間で熱媒Ｗ１を循環させ
て、ヒートポンプ装置３の発生温熱により対象建築物１
の暖房を行う構成において、熱媒Ｗ１に水を用い、対象
建築物１において生じる排湯を貯留しておく排湯槽８を
設け、熱媒Ｗ１としての水が凍結危険状態にあるか否か
を判定して、その判定結果に基づき、凍結危険状態のと
き排湯槽８における貯留排湯の保有温熱を用いて熱媒Ｗ
１としての水を自動加熱する凍結防止手段１０Ｂ，Ｐ
ｂ，Ｖａ，Ｖｂ，１５，１２を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地中から採熱して
暖房を行う地中熱利用のヒートポンプシステムに関し、
詳しくは、熱媒を対地熱交換させる埋設熱交換器とヒー
トポンプ装置の吸熱部との間で前記熱媒を循環させて、
前記ヒートポンプ装置の発生温熱により対象建築物の暖
房を行う地中熱利用ヒートポンプシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の地中熱利用ヒートポンプ
システムでは、埋設熱交換器とヒートポンプ装置の吸熱
部との間で循環させる熱媒として、エチレングリコール
やプロピレングリコールなどを添加した不凍液を使用
し、これにより、暖房期の気温低下やヒートポンプ装置
運転による熱媒温度降下で熱媒が凍結するのを防止して
いた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、不凍液は例え
ば水に比べ熱交換性能が低く、この為、システム全体の
効率が低く制限されるとともに、埋設熱交換器やヒート
ポンプ装置などのシステム構成機器が大型化してシステ
ムコストが嵩む問題があり、また、環境保全面からも不
凍液に代わるより安全な熱媒が要望されている。

【０００４】以上の実情に対し、本発明の主たる課題
は、合理的な凍結防止構成を採用することにより、熱媒
としての不凍液使用を不要にして上記問題を効果的に解
消する点にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

〔１〕請求項１記載の発明では、埋設熱交換器とヒート
ポンプ装置の吸熱部との間で循環させる熱媒に水を用い
てヒートポンプ装置を運転し、これにより、熱媒として
の水を対地熱交換させて地中から採熱する形態で、その
ヒートポンプ装置の発生温熱により対象建築物の暖房を
行う。また、この対象建築物において生じる排湯（例え
ば、浴槽からの排出湯など）を排湯槽に貯留しておく。

【０００６】そして、気温低下やヒートポンプ装置運転
による熱媒温度降下のために熱媒としての水が凍結危険
状態になると、凍結危険状態にあるか否かの判定結果に
基づき、上記排湯槽における貯留排湯の保有温熱を用い
て熱媒としての水を凍結防止手段に自動加熱させ、これ
により、熱媒としての水の凍結を防止する。

【０００７】つまり、請求項１記載の発明によれば、埋
設熱交換器とヒートポンプ装置の吸熱部との間で循環さ
せる熱媒に水を用いながらも、この水の凍結を防止して
安定したシステム運転を実現できる。そして、このよう
に熱媒に水を用いることで、従前の如く熱媒に不凍液を
用いるに比べ、熱媒の熱交換性能を高く確保することが
でき、これにより、システム全体の効率を向上できると
ともに、埋設熱交換器やヒートポンプ装置などのシステ
ム構成機器の小型化を可能にしてシステムコストを安価
にすることができ、さらにまた、環境保全面でも一層優
れたシステムにすることができる。

【０００８】しかも、対象建築物において生じる排湯の
保有温熱を用いて凍結防止を行うから、省エネ面で優
れ、凍結防止のためのランニングコスト上昇も効果的に
回避できる。

【０００９】〔２〕請求項２記載の発明では、請求項１
記載の発明の実施にあたり、対象建築物において使用す
る湯を給湯槽に貯留しておく。

【００１０】また、凍結危険状態にあるか否かの判定と
ともに、排湯槽における貯留排湯の保有温熱が設定下限
量未満か否かの判定を凍結防止手段に行わせ、そして、
これらの判定結果に基づき、熱媒としての水が凍結危険
状態にある状況において排湯槽における貯留排湯の保有
温熱が設定下限量以上のときには、排湯槽における貯留
排湯の保有温熱を用いて熱媒としての水を凍結防止手段
に自動加熱させ、これにより、熱媒としての水の凍結を
防止する。

【００１１】一方、熱媒としての水が凍結危険状態にあ
る状況において排湯槽における貯留排湯の保有温熱が設
定下限量未満のときには、上記給湯槽における貯留湯の
保有温熱を用いて熱媒としての水を凍結防止手段に自動
加熱させ、これにより、熱媒としての水の凍結を防止す
る。

【００１２】つまり、請求項２記載の発明によれば、対
象建築物での排湯発生量が不足であったり、また、排湯
槽における貯留排湯の保有温熱を使い切ってしまう等
で、排湯槽における貯留排湯の保有温熱が不足の状況に
なったとしても、給湯槽における貯留湯の保有温熱を用
いた凍結防止を自動的に行え、この点、凍結防止面で一
層信頼性の高いシステムにすることができる。

【００１３】〔３〕請求項３記載の発明では、埋設熱交
換器とヒートポンプ装置の吸熱部との間で循環させる熱
媒に水を用いてヒートポンプ装置を運転し、これによ
り、熱媒としての水を対地熱交換させて地中から採熱す
る形態で、そのヒートポンプ装置の発生温熱により対象
建築物の暖房を行う。また、対象建築物において使用す
る湯を給湯槽に貯留しておく。

【００１４】そして、気温低下やヒートポンプ装置運転
による熱媒温度降下のために熱媒としての水が凍結危険
状態になると、凍結危険状態にあるか否かの判定結果に
基づき、上記給湯槽における貯留湯の保有温熱を用いて
熱媒としての水を凍結防止手段に自動加熱させ、これに
より、熱媒としての水の凍結を防止する。

【００１５】つまり、請求項３記載の発明によれば、請
求項１記載の発明と同様、埋設熱交換器とヒートポンプ
装置の吸熱部との間で循環させる熱媒に水を用いながら
も、この水の凍結を防止して安定したシステム運転を実
現できる。そして、このように熱媒に水を用いること
で、従前の如く熱媒に不凍液を用いるに比べ、熱媒の熱
交換性能を高く確保することができ、これにより、シス
テム全体の効率を向上できるとともに、埋設熱交換器や
ヒートポンプ装置などのシステム構成機器の小型化を可
能にしてシステムコストを安価にすることができ、さら
にまた、環境保全面でも一層優れたシステムにすること
ができる。

【００１６】しかも、給湯に使用する湯の保有温熱を用
いて凍結防止を行うから、例えば、凍結防止専用の加熱
器を熱媒配管系に付加装備するに比べ、システムコスト
を安価にすることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は住宅１を冷暖房の対象建築
物とした地中熱利用のヒートポンプシステムを示し、２
は住宅室内に配備したファンコイルユニット、３はヒー
トポンプ装置、４は熱源側熱媒としての水Ｗ１を対地熱
交換させる二重管式の埋設熱交換器である。

【００１８】また、５はファンコイルユニット２の内蔵
コイル２ａとヒートポンプ装置３の負荷側熱交換器３ａ
との間で負荷側熱媒としての水Ｗ２（以下、負荷側熱媒
水と称す）を循環ポンプＰｃにより循環させる負荷側循
環路、６は埋設熱交換器４とヒートポンプ装置３の熱源
側熱交換器３ｂとの間で熱源側熱媒としての水Ｗ１（以
下、熱源側熱媒水と称す）を循環ポンプＰａにより循環
させる熱源側循環路である。

【００１９】運転については、暖房運転の場合、ヒート
ポンプ装置３の負荷側熱交換器３ａを放熱部（つまり冷
媒凝縮器）として機能させ、かつ、ヒートポンプ装置３
の熱源側熱交換器３ｂを吸熱部（つまり冷媒蒸発器）と
して機能させ、これにより、熱源側熱媒水Ｗ１を図中実
線の矢印で示す如く熱源側循環路６で循環（後述の通常
循環）させるに伴い埋設熱交換器４において地中から採
熱しながら、ファンコイルユニット２の内蔵コイル２ａ
に供給する負荷側熱媒水Ｗ２をヒートポンプ装置３の負
荷側熱交換器３ａにより加熱する形態で、ヒートポンプ
装置３の発生温熱をもって住宅室内を暖房する。

【００２０】一方、冷房運転の場合、逆にヒートポンプ
装置３の負荷側熱交換器３ａを吸熱部（つまり冷媒蒸発
器）として機能させ、かつ、ヒートポンプ装置３の熱源
側熱交換器３ｂを放熱部（つまり冷媒凝縮器）として機
能させ、これにより、熱源側熱媒水Ｗ１を同様に図中実
線の矢印で示す如く熱源側循環路６で循環させるに伴い
埋設熱交換器４において地中へ放熱しながら、ファンコ
イルユニット２の内蔵コイル２ａに供給する負荷側熱媒
水Ｗ２をヒートポンプ装置３の負荷側熱交換器３ａによ
り冷却する形態で、ヒートポンプ装置３の発生冷熱をも
って住宅室内を冷房する。

【００２１】７は対象住宅で使用する湯を貯留する給湯
槽、８は対象住宅で生じる排湯（例えば、浴槽からの排
出湯）を貯留する排湯槽であり、これら給湯槽７及び排
湯槽８の夫々には、熱源側循環路６の往路部分から熱媒
導入路９を介して導かれる熱源側熱媒水Ｗ１と各槽７，
８の貯留湯とを熱交換させる熱媒熱交換器１０Ａ，１０
Ｂを内蔵し、そして、これら熱媒熱交換器１０Ａ，１０
Ｂを通過した熱源側熱媒水Ｗ１は熱媒導出路１１を介し
て熱源側循環路６の復路部分に戻すようにしてある。

【００２２】また、熱媒導入路９には、その熱媒導入路
９への熱媒水流入を遮断した状態で熱源側の循環ポンプ
Ｐａにより熱源側熱媒水Ｗ１を図中実線の矢印で示す如
く循環させる通常循環と、熱媒導入路９に介装した副循
環ポンプＰｂにより熱媒導入路９へ熱媒水流入させて熱
源側熱媒水Ｗ１を図中破線の矢印で示す如く循環させる
凍結防止循環とに、熱源側熱媒水Ｗ１の循環形態を切り
換える導入側三方弁Ｖａを設け、さらに、熱媒導出路１
１には、並列接続形態とした給湯槽７の熱媒熱交換器１
０Ａと排湯槽８の熱媒熱交換器１０Ｂとのいずれに熱源
側熱媒水Ｗ１を通過させるかを選択する導出側三方弁Ｖ
ｂを設けてある。

【００２３】７ａは対象住宅の給湯箇所へ給湯槽７の貯
留湯を送出する給湯路、７ｂは給湯槽７への補給水路、
７ｃは給湯槽７の槽内水を加熱する給湯用ヒータであ
り、８ａは対象住宅で生じた排湯を排湯槽８に導入する
排湯路、８ｂは低温化等で不要になった排湯槽８の貯留
排湯を排出する排水路である。

【００２４】１２は埋設熱交換器４の近傍において熱源
側熱媒路６における熱源側熱媒水Ｗ１の温度ｔｗを検出
する水温センサ、１３は排湯槽８における排湯の貯留量
ｇｙを検出する湯量センサ、１４は排湯槽８における貯
留排湯の温度ｔｙを検出する湯温センサ、１５はこれら
センサの検出情報に基づきシステムを制御する制御装置
であり、この制御装置１５は特に暖房期の必要制御とし
て次の如き凍結防止制御（図２参照）を実行する。

【００２５】水温センサ１２による熱源側熱媒水Ｗ１の
検出温度ｔｗが設定凍結危険温度ｔ１（例えば２°Ｃ）
未満になると、ヒートポンプ装置３が運転中の場合はヒ
ートポンプ装置３の運転及び熱源側循環ポンプＰａの運
転を停止した上で、また、ヒートポンプ装置３が停止中
の場合は既に停止状態にあるこれらヒートポンプ装置３
及び熱源側循環ポンプＰａの停止は省略して、熱源側熱
媒水Ｗ１の循環形態を前記の通常循環から凍結防止循環
にする側に導入側三方弁Ｖａを切り換える。

【００２６】また、湯量センサ１３及び湯温センサ１４
の検出情報ｇｙ，ｔｙに基づき、排湯槽８における貯留
排湯の保有温熱が設定下限量ｑｙ未満か否かを判定（図
２では省略）し、排湯槽８における貯留排湯の保有温熱
が設定下限量ｑｙ以上のときには、熱媒導入路９からの
流入熱媒水Ｗ１を排湯槽８の熱媒熱交換器１０Ｂに通過
させる側に導出側三方弁Ｖｂを切り換え、一方、排湯槽
８における貯留排湯の保有温熱が設定下限量ｑｙ未満の
ときには、熱媒導入路９からの流入熱媒水Ｗ１を給湯槽
７の熱媒熱交換器１０Ａに通過させる側に導出側三方弁
Ｖｂを切り換える。

【００２７】そして、副循環ポンプＰｂを運転し、これ
により、排湯槽８における貯留排湯の保有温熱が設定下
限量ｑｙ以上のときには、排湯槽８の側の熱媒熱交換器
１０Ｂにおいて排湯槽８における貯留排湯の保有温熱に
より熱源側熱媒水Ｗ１を加熱しながら、熱源側熱媒水Ｗ
１を図中破線の矢印で示す如く循環させて、熱源側熱媒
水Ｗ１の凍結を防止し、また、排湯槽８における貯留排
湯の保有温熱が設定下限量ｑｙ未満のときには、給湯槽
７の側の熱媒熱交換器１０Ａにおいて給湯槽７における
貯留湯の保有温熱により熱源側熱媒水Ｗ１を加熱しなが
ら、熱源側熱媒水Ｗ１を図中破線の矢印で示す如く循環
させて、熱源側熱媒水Ｗ１の凍結を防止する。

【００２８】なお、熱源側熱媒水Ｗ１を排湯槽８の熱媒
熱交換器１０Ｂに通過させる凍結防止運転の実施途中に
おいて、排湯槽８における貯留排湯の保有温熱が設定下
限量ｑｙ未満になった場合には、その判定に基づき、熱
源側熱媒水Ｗ１を給湯槽７の熱媒熱交換器１０Ａに通過
させる側に導出側三方弁Ｖｂを切り換えて、凍結防止運
転を継続する。

【００２９】その後、水温センサ１２による熱源側熱媒
水Ｗ１の検出温度ｔｗが設定凍結危険温度ｔ１よりも高
く設定された安全温度ｔ２（例えば５°Ｃ）以上になる
と、副循環ポンプＰｂを停止して凍結防止運転を終了
し、また、熱源側熱媒水Ｗ１の循環形態を凍結防止循環
から通常循環に復帰する側に導入側三方弁Ｖａを切り換
えるとともに、導出側三方弁Ｖｂを所定の復帰位置（例
えば、給湯槽７側の熱媒水通過を遮断する位置、あるい
は、排湯槽８側の熱媒水通過を遮断する位置、あるいは
また、給湯槽７側と排湯槽８側との両方について熱媒水
通過を遮断する位置）に切り換える。

【００３０】そして、上記の凍結防止運転に入る以前に
ヒートポンプ装置３が運転中であった場合にはヒートポ
ンプ装置３の運転及び熱源側循環ポンプＰａの運転を復
帰した上で、また、凍結防止運転に入る以前にヒートポ
ンプ装置３が停止中であった場合にはヒートポンプ装置
３及び熱源側循環ポンプＰａの復帰運転は省略して、再
び、水温センサ１２による熱源側熱媒水Ｗ１の検出温度
ｔｗを監視する状態に戻る。

【００３１】以上要するに、本実施形態では、暖房運転
において埋設熱交換器４とヒートポンプ装置３の吸熱部
３ａ（冷房では放熱部）との間で循環させる熱源側の熱
媒に水Ｗ１を使用する。

【００３２】そして、この水使用に対し、給湯槽７及び
排湯槽８の熱媒熱交換器１０Ａ，１０Ｂ、副循環ポンプ
Ｐｂ、導入側及び導出側の三方弁Ｖａ，Ｖｂ、制御装置
１５、並びに、水温センサ１２は、熱媒としての水Ｗ１
が凍結危険状態にあるか否かを判定して、その判定結果
に基づき、熱媒としての水Ｗ１が凍結危険状態にあると
き排湯槽８における貯留排湯の保有温熱を用いて、また
は、給湯槽７における貯留湯の保有温熱を用いて熱媒と
しての水Ｗ１を自動加熱する凍結防止手段を構成する。

【００３３】また、本実施形態において、この凍結防止
手段は、排湯槽８における貯留排湯の保有温熱が設定下
限量ｑｙ未満か否かを判定して、その判定結果に基づ
き、熱媒としての水Ｗ１が凍結危険状態にある状況にお
いて排湯槽８における貯留排湯の保有温熱が設定下限量
ｑｙ以上のときには、排湯槽８における貯留排湯の保有
温熱を用いて熱媒としての水Ｗ１を自動加熱し、かつ、
熱媒としての水Ｗ１が凍結危険状態にある状況において
排湯槽８における貯留排湯の保有温熱が設定下限量ｑｙ
未満のときには、給湯槽７における貯留湯の保有温熱を
用いて熱媒としての水Ｗ１を自動加熱する構成にしてあ
る。

【００３４】なお、図面上では熱媒側循環路６のうち凍
結防止循環を行わない部分の管路長が、凍結防止循環を
行う部分の管路長と同等程度になっているが、実際に
は、凍結防止循環を行わない部分の管路長は凍結防止循
環を行う部分の管路長よりも極力短くし、また、凍結防
止循環を行わない部分については、凍結の恐れの無い箇
所に配置したり高度の断熱処理を行うなどして、その部
分での熱媒水凍結が起こらないようにする。

【００３５】〔別の実施形態〕次に別の実施形態を列記
する。

【００３６】前述の実施形態では、排湯槽８における貯
留排湯の保有温熱を用いて熱媒としての水Ｗ１を加熱す
る形態と、給湯槽７における貯留湯の保有温熱を用いて
熱媒としての水Ｗ１を加熱する形態との両方を採用した
が、これに代え、排湯槽８と給湯槽７とのいずれか一方
の槽における貯留湯の保有温熱を用いて熱媒としての水
Ｗ１を加熱する形態のみを実施してもよい。

【００３７】排湯槽８における貯留排湯の保有温熱や給
湯槽７における貯留湯の保有温熱を用いて熱媒としての
水Ｗ１を加熱するのに、その具体的加熱形式は、排湯槽
８や給湯槽７に熱媒熱交換器１０Ｂ，１０Ａを内蔵する
前述実施形態の如き形式に限られるものではなく、例え
ば、熱媒としての水Ｗ１を排湯槽８や給湯槽７から導出
した湯と熱交換させる形式を採用するなど、種々の形式
を採用できる。

【００３８】また、前述の実施形態では、熱媒としての
水Ｗ１の循環形態を通常循環から凍結防止循環に切り換
えて、その熱媒としての水Ｗ１を加熱する形式にした
が、これに代え、例えば、暖房運転時と同様の通常循環
形態のままで熱媒としての水Ｗ１を加熱する形式を採用
するなど、加熱の際の循環形態としては種々の形態を採
用できる。

【００３９】前述の実施形態では、熱媒としての水Ｗ１
の温度ｔｗを検出して、その検出水温ｔｗに基づき凍結
危険状態にあるか否かを判定する判定方式を採用した
が、これに代え、外気温を検出して、その検出外気温に
基づき熱媒としての水Ｗ１が凍結危険状態にあるか否か
を判定する判定方式を採用してもよく、熱媒としての水
Ｗ１が凍結危険状態にあるか否かを判定する具体的判定
方式としては、種々の方式を採用できる。

【００４０】排湯槽８に貯留しておく排湯は、浴槽から
の排出湯に限定されるものではなく、凍結防止に利用で
きる温熱を保有する湯であれば、例えば、食器洗浄器か
らの排出湯など、種々のもの使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】システムの全体構成を示す図

【図２】凍結防止制御のフローチャート

【符号の説明】

１ 対象建築物 ３ ヒートポンプ
装置 ３ｂ 吸熱部 ４ 埋設熱交換器 ７ 給湯槽 ８ 排湯槽 Ｗ１ 熱媒 １０Ｂ，Ｐｂ，Ｖａ，Ｖｂ，１５，１２ 凍結防止手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 熊田 忠夫 兵庫県神戸市東灘区向洋町中６丁目９番地 神戸インターナショナルハウジング株式 会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱媒を対地熱交換させる埋設熱交換器と
   ヒートポンプ装置の吸熱部との間で前記熱媒を循環させ
   て、前記ヒートポンプ装置の発生温熱により対象建築物
   の暖房を行う地中熱利用ヒートポンプシステムであっ
   て、 前記熱媒に水を用い、 前記対象建築物において生じる排湯を貯留しておく排湯
   槽を設け、 前記熱媒としての水が凍結危険状態にあるか否かを判定
   して、その判定結果に基づき、前記熱媒としての水が凍
   結危険状態にあるとき前記排湯槽における貯留排湯の保
   有温熱を用いて前記熱媒としての水を自動加熱する凍結
   防止手段を設けてある地中熱利用ヒートポンプシステ
   ム。
2. 【請求項２】 前記対象建築物において使用する湯を貯
   留しておく給湯槽を設け、 前記凍結防止手段を、 前記排湯槽における貯留排湯の保有温熱が設定下限量未
   満か否かを判定して、その判定結果に基づき、前記熱媒
   としての水が凍結危険状態にある状況において前記排湯
   槽における貯留排湯の保有温熱が設定下限量以上のとき
   には、前記排湯槽における貯留排湯の保有温熱を用いて
   前記熱媒としての水を自動加熱し、 かつ、前記熱媒としての水が凍結危険状態にある状況に
   おいて前記排湯槽における貯留排湯の保有温熱が設定下
   限量未満のときには、前記給湯槽における貯留湯の保有
   温熱を用いて前記熱媒としての水を自動加熱する構成に
   してある請求項１記載の地中熱利用ヒートポンプシステ
   ム。
3. 【請求項３】 熱媒を対地熱交換させる埋設熱交換器と
   ヒートポンプ装置の吸熱部との間で前記熱媒を循環させ
   て、前記ヒートポンプ装置の発生温熱により 対象建築物の暖房を行う地中熱利用ヒートポンプシステ
   ムであって、 前記熱媒に水を用い、 前記対象建築物において使用する湯を貯留しておく給湯
   槽を設け、 前記熱媒としての水が凍結危険状態にあるか否かを判定
   して、その判定結果に基づき、前記熱媒としての水が凍
   結危険状態にあるとき前記給湯槽における貯留湯の保有
   温熱を用いて前記熱媒としての水を自動加熱する凍結防
   止手段を設けてある地中熱利用ヒートポンプシステム。