(57)【要約】【課題】地中熱を加熱熱源として使用する第二種吸収式ヒートポンプと、それを使用した農業施設および暖房方法を提供する。【解決手段】蒸発器２と、吸収器３と、再生器４と、凝縮器５とを備えて構成され、被加熱媒体Ｔの温度が、前記蒸発器２または前記再生器４に導入する加熱媒体Ｈの温度よりも高くなる熱出力を得る第二種吸収式ヒートポンプ１であって、凝縮器５の冷媒蒸気Ｒｇを冷却する冷却媒体Ｃの経路を有し、冷却冷媒Ｃを大気Ａで冷却する大気熱交換器６と、蒸発器２の冷媒液Ｒを加熱し、再生器４の吸収希溶液Ｓｄを加熱する加熱媒体Ｈの経路を有し、加熱媒体Ｈを地中熱Ｇｈで加熱する地中熱交換器７とを有するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒液を加熱し、冷媒蒸気を発生させる蒸発器と、
吸収溶液が前記蒸発器で発生した冷媒蒸気を吸収する際の吸収熱で被加熱媒体を加熱する吸収器と、
前記吸収器にて冷媒蒸気を吸収することにより溶質濃度が低くなった吸収希溶液を導入し、加熱することで冷媒蒸気を発生し、同時に溶質濃度が高い吸収溶液を生成する再生器と、
前記再生器にて発生した冷媒蒸気を冷却し、冷媒液を生成する凝縮器とを備えて構成され、
前記被加熱媒体の温度が、前記蒸発器または前記再生器に導入する加熱媒体の温度よりも高くなる熱出力を得る第二種吸収式ヒートポンプであって、
凝縮器の冷媒蒸気を冷却する冷却媒体の経路を有し、冷却冷媒を大気で冷却する大気熱交換器と、
蒸発器の冷媒液を加熱し、再生器の吸収希溶液を加熱する加熱媒体の経路を有し、加熱媒体を地中熱で加熱する地中熱交換器とを有することを特徴とする第二種吸収式ヒートポンプ。
【請求項２】
熱交換器を介して吸収器から得られる、温水または温風を、暖房熱源とする暖房装置を具備する第二種吸収式ヒートポンプ。
【請求項３】
熱交換器を介して凝縮器から吸熱する冷却媒体経路に冷却装置を具備する第二種吸収式ヒートポンプ。
【請求項４】
前記冷媒液がアンモニアで、前記吸収液が水となされた請求項１ないし３の何れか一記載の第二種吸収式ヒートポンプ。
【請求項５】
施設本体内部の暖房のための熱源として請求項２記載の第二種吸収式ヒートポンプを具備する農業施設。
【請求項６】
請求項１ないし４の何れか一記載の第二種吸収式ヒートポンプを用いた暖房方法であって、地中熱よりも大気温度が低い場所において、地中熱を加熱熱源として、当該地中熱よりも高い熱出力を得て、得られた熱出力を暖房熱源とすることを特徴とする第二種吸収式ヒートポンプを用いた暖房方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱を高温熱源として利用する第二種吸収式ヒートポンプと、それを使用した農業施設および暖房方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、第二種吸収式ヒートポンプは、蒸発器において、加熱媒体によって冷媒液を加熱して冷媒蒸気を発生させ、この発生した冷媒蒸気を、吸収器において、吸収溶液に吸収させ、この際発生する吸収熱で被加熱媒体を加熱するように構成されている。再生器においては、溶質濃度が低くなった吸収溶液を加熱媒体によって加熱することで、冷媒蒸気を発生させるとともに、溶質濃度が高くなった吸収溶液を生成するように構成されている。      
【０００３】
凝縮器においては、再生器で発生した冷媒蒸気を冷却媒体によって冷却することで、凝縮液化させ、冷媒液を生成するように構成されている。
【０００４】
そして、吸収器に導入される被加熱媒体は、蒸発器または前記再生器に導入する加熱媒体の温度よりも高い温度で熱出力することができるように構成されていた。
【０００５】
従来より、このような第二種吸収式ヒートポンプは、加熱媒体の加熱熱源として、ガスエンジンやディーゼルエンジンなどの原動機の排熱を使用し、冷媒蒸気を冷却して凝縮させる冷却媒体の冷却熱源として、大気や地中熱を使用することで、利用しやすい０．４ＭＰａ（飽和温度１４３．６２℃）以上の蒸気を取り出すことが行われていた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−６５８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の第二種吸収式ヒートポンプにおいては、加熱熱源である排熱を得るために、原動機を使用しなければならなかった。
また、高温の蒸気を取り出すために、地中熱は、冷却熱源として使用することしか考えられていなかった。
【０００８】
本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、地中熱を加熱熱源として使用する第二種吸収式ヒートポンプと、それを使用した農業施設および暖房方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明に係る第二種吸収式ヒートホンプは、冷媒液を加熱し、冷媒蒸気を発生させる蒸発器と、吸収溶液が前記蒸発器で発生した冷媒蒸気を吸収する際の吸収熱で被加熱媒体を加熱する吸収器と、前記吸収器にて冷媒蒸気を吸収することにより溶質濃度が低くなった吸収希溶液を導入し、加熱することで冷媒蒸気を発生し、同時に溶質濃度が高い吸収溶液を生成する再生器と、前記再生器にて発生した冷媒蒸気を冷却し、冷媒液を生成する凝縮器とを備えて構成され、前記被加熱媒体の温度が、前記蒸発器または前記再生器に導入する加熱媒体の温度よりも高くなる熱出力を得る第二種吸収式ヒートポンプであって、凝縮器の冷媒蒸気を冷却する冷却媒体の経路を有し、冷却冷媒を大気で冷却する大気熱交換器と、蒸発器の冷媒液を加熱し、再生器の吸収希溶液を加熱する加熱媒体の経路を有し、加熱媒体を地中熱で加熱する地中熱交換器とを有するものである。
【００１０】
第二種吸収式ヒートポンプは、熱交換器を介して吸収器から得られる、温水または温風を、暖房熱源とする暖房装置を具備するものであってもよい。
【００１１】
第二種吸収式ヒートポンプは、大気熱交換器の冷却媒体経路に、たとえば放射冷却器などの冷却装置を具備するものであってもよい。
【００１２】
第二種吸収式ヒートポンプは、前記冷媒液がアンモニアで、前記吸収液が水となされたものであってもよい。
【００１３】
また、上記課題を解決するための本発明の農業施設は、施設本体内部の暖房のための熱源として上記暖房装置を具備する第二種吸収式ヒートポンプを具備するものである。
【００１４】
さらに、上記課題を解決するための本発明の第二種吸収式ヒートポンプを用いた暖房方法は、上記第二種吸収式ヒートポンプを用いた暖房方法であって、地中熱よりも大気温度が低い場所において、地中熱を加熱熱源として、当該地中熱よりも高い熱出力を得て、得られた熱出力を暖房熱源とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、地中熱を加熱熱源として有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る第二種吸収式ヒートポンプの全体構成の概略を示す冷媒回路図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、図１に示す第二種吸収式ヒートポンプにおける加熱媒体の供給経路の他の実施の形態を示す概略図である。
【図３】図１に示す第二種吸収式ヒートポンプを熱源として使用した植物工場の概略を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は本発明に係る第二種吸収式ヒートポンプ１の全体構成の概略を示す冷媒回路図である。
【００１９】
本発明に係る第二種吸収式ヒートポンプ１は、蒸発器２と、吸収器３と、再生器４と、凝縮器５とを具備し、凝縮器５の冷媒蒸気Ｒｇを冷却する大気熱交換器６と、蒸発器２の冷媒液Ｒおよび再生器４の吸収希溶液Ｓｄを加熱する地中熱熱交換器７とを有している。
【００２０】
蒸発器２は、後述する地中熱熱交換器７を流れる加熱媒体Ｈによって冷媒液Ｒを加熱して冷媒蒸気Ｒｇを発生するように構成されている。蒸発器２と凝縮器5との間は、冷媒ポンプ１０１を介して冷媒供給経路１１で接続さている。蒸発器２と吸収器３との間は、レシーバ１０２を介して冷媒蒸気供給経路１２で接続されている。
【００２１】
これにより、凝縮器５から冷媒供給経路１１を経て蒸発器２に供給された冷媒液Ｒは、この蒸発器２で加熱され、冷媒蒸気Ｒｇとなった後、冷媒蒸気供給経路１２からレシーバ１０２を経て吸収器３へと供給される。
【００２２】
吸収器３は、再生器４から供給される吸収溶液Ｓが、冷媒蒸気供給経路１２から供給される冷媒蒸気Ｒｇを吸収して吸収熱を発生するようになされている。吸収器３は、この吸収熱によって、当該吸収器３内に設けた熱交換器８１を流れる被加熱媒体Ｔを加熱して熱出力を得ることができるように構成されている。吸収器３の上部と再生器４の底部との間は、溶液ポンプ１０３を介して吸収溶液供給経路１３によって接続されている。吸収器３の底部と再生器４の上部との間は、膨張弁１０４を介して吸収希溶液回収経路１４によって接続されている。冷媒蒸気供給経路１２は、吸収器３の上部に接続されている。吸収溶液供給経路１３と吸収希溶液回収経路１４とは、溶液熱交換器１０５によって互いに熱交換するように構成されている。
【００２３】
これにより、吸収器３の上部から冷媒蒸気供給経路１２を経て供給された冷媒蒸気Ｒｇは、同じく吸収器３の上部から吸収溶液供給経路１３を経て供給された吸収溶液Ｓに吸収され、その際の吸収熱で被加熱媒体Ｔの熱交換器８１を加熱するようになされている。冷媒蒸気Ｒｇの吸収によって溶質濃度が低くなった吸収希溶液Ｓｄは、吸収器３の底部から吸収希溶液回収経路１４を介して再生器４へと回収するようになされている。また、吸収希溶液回収経路１４から再生器４へと回収される吸収希溶液Ｓｄは、吸収器３で吸収熱が全て回収されずに未回収熱を有するので、溶液熱交換器１０５は、この未回収熱を有する吸収希溶液Ｓｄが流れる吸収希溶液回収経路１４と、再生器４からの吸収溶液Ｓが流れる吸収溶液供給経路１３との間で熱交換し、吸収器３へと供給される吸収溶液Ｓの温度を高めるように構成されている。
【００２４】
再生器４は、後述する地中熱熱交換器７を流れる加熱媒体Ｈによって吸収希溶液Ｓｄを加熱して冷媒蒸気Ｒｇを発生させるとともに、溶質濃度が高くなった冷媒溶液Ｓを生成するように構成されている。再生器４の上部と凝縮器５の上部との間は、冷媒蒸気供給経路１５によって接続されている。再生器４の上部には、吸収希溶液回収経路１４が接続されている。この吸収希溶液回収経路１４は、膨張弁１０４と再生器４との間の分岐点ａから、レシーバ１０２の底部に接続する冷媒蒸気回収経路１６が接続されている。この冷媒蒸気回収経路１６にも膨張弁１０６が設けられている。この膨張弁１０６とレシーバ１０２との間の冷媒蒸気回収経路１６の分岐点ｂからは、冷媒供給経路１１へのバイパス経路１７が設けられている。このバイパス経路１７には、開閉弁１０７が設けられており、通常時は「閉」となっている。
【００２５】
これにより、吸収器３から吸収希溶液回収経路１４を経て再生器４に供給された吸収希溶液Ｓｄは、この再生器４で加熱され、冷媒蒸気供給経路１５から凝縮器５へと冷媒蒸気Ｒｇが供給される。この冷媒蒸気Ｒｇの供給により、溶質濃度が高くなった吸収溶液Ｓは、溶液ポンプ１０３によって吸収溶液供給経路１３から吸収器３へと供給される。
【００２６】
凝縮器５は、後述する大気熱交換器６を流れる冷却媒体Ｃによって、再生器４から冷媒蒸気供給経路１５を介して供給される冷媒蒸気Ｒｇを凝縮液化するように構成されている。凝縮器５の上部には、冷媒蒸気供給経路１５が接続されている。凝縮器５の底部には、冷媒供給経路１１が接続されている。
【００２７】
これにより、再生器４から冷媒蒸気供給経路１５を経て凝縮器５に供給された冷媒蒸気Ｒｇは、この凝縮器５で冷却され、冷媒液Ｒとなった後、冷媒供給経路１１から冷媒ポンプ１０１を経て蒸発器２へと供給される。
【００２８】
大気熱交換器６は、凝縮器５内に設けた熱交換器６１との間が、冷却媒体Ｃの循環経路６２によって接続されている。この冷却媒体Ｃは、循環経路６２に設けた循環ポンプ６０によって大気熱交換器６と熱交換器６１との間を循環できるように構成されている。
【００２９】
これにより、屋外の大気熱交換器６で大気Ａによって冷却された冷却媒体Ｃは、循環経路６２を介して凝縮器５内の熱交換器６１で冷媒蒸気Ｒｇを冷却して凝縮液化した後、再度循環経路６２を介して大気熱交換器６へと戻され、以後、循環ポンプ６０によって、この循環が繰り返される。
【００３０】
地中熱熱交換器７は、蒸発器２内に設けた熱交換器７１と、再生器４内に設けた熱交換器７２との間が、加熱媒体Ｈの循環経路７３によって接続さている。この加熱媒体Ｈは、循環経路７３に設けた循環ポンプ７０によって地中熱熱交換器７と熱交換器７１と熱交換器７２との間を循環できるように構成されている。この際、地中熱熱交換器７は、１５℃〜２０℃の比較的安定した温度の地中熱Ｇｈが得られるように、地下５ｍ以上の深さに設けられる。
【００３１】
これにより、地中熱熱交換器７によって加熱された加熱媒体Ｈは、循環経路７３を介して蒸発器２内の熱交換器７１で冷媒液Ｒを加熱して冷媒蒸気Ｒｇとした後、再生器４内の熱交換器７２で吸収希溶液Ｓｄを加熱して冷媒蒸気Ｒｇを発生させた後、再度循環経路７３を介して地中熱熱交換器７へと戻され、以後、循環ポンプ７０によってこの循環が繰り返される。
【００３２】
なお、図１においては、蒸発器２に設けた熱交換器７１と再生器４に設けた熱交換器７２とを直列に接続しているが、図２（ａ）に示すように並列に接続してもよいし、図２（ｂ）に示すようにそれぞれの熱交換器７１，７２に対応してそれぞれ循環ポンプ７０と地中熱熱交換器７とを接続するものであってもよい。
【００３３】
このようにして構成される第二種吸収式ヒートポンプ１は、地中熱Ｇｈを加熱熱源とし、大気Ａを冷却熱源として利用するため、地中熱Ｇｈよりも大気Ａの温度が低い環境下で使用される。具体的には、１５℃〜２０℃で安定している地中熱Ｇｈに対して、この温度よりも大気Ａの温度が低い地域で使用する。この場合、地中熱Ｇｈよりも大気Ａの温度が低いといっても、温度差が少なすぎるとヒートポンプサイクルを構成することができないので、地中熱Ｇｈよりも大気Ａの温度が１５℃以上低い温度差の地域で使用することが好ましい。また、地中熱Ｇｈの温度よりも大気Ａの年平均温度が高い地域でも、例えば、冬期の温度が低ければ、冬期に使用することができる。
【００３４】
これにより、第二種吸収式ヒートポンプ１は、地中熱Ｇｈよりも高い約２２℃〜３０℃の温度の熱出力が得られることとなる。例えば、地中熱Ｇｈの温度が１７℃で大気Ａの温度が０℃の場合、２６℃の熱出力を得ることができる。
【００３５】
また、冷え込みが厳しい極寒地であっても、地中熱自体の温度は安定しているため、この第二種吸収式ヒートポンプ１によると、常に地中熱Ｇｈよりも高い約２２℃〜３０℃の温度の熱出力を得ることができる。この２２℃〜３０℃の熱出力は、極寒地においては、人を暖房するための補助熱源として使用することができる。また、極寒地における人への利用以外にも、寒冷地や厳冬期における補助空調用の温水や温風として使用することができる。例えば、図３は、第二種吸収式ヒートポンプ１の熱出力を、植物を一定温度で管理することが求められる植物工場１０の補助暖房に使用している。この植物工場１０は、工場内に設けた暖房装置８と、第二種吸収式ヒートポンプ１の吸収器３内に設けた熱交換器８１との間を循環経路８２で接続して被加熱媒体Ｔを循環させ、第二種吸収式ヒートポンプ１の吸収器３からの熱出力を暖房装置８を介して植物工場１０で使用するように構成されている。この場合、暖房装置８としては、ファン（図示省略）によって植物工場１０内に温風を出すようにしたものであってもよいし、水耕栽培の水温管理に使用するものであってもよいし、輻射熱暖房に使用するものであってもよい。水耕栽培の水温管理に使用する場合、水耕栽培の培養液自体を、被加熱媒体Ｔとして使用してもよい。
【００３６】
また、上記した植物工場１０以外でも、例えば、家畜の飼育施設において、エサや飲み水や施設の凍結防止のための補助暖房に使用したり、生簀や水槽などの水産設備において、水温管理のための補助暖房に使用したり、倉庫において、保管した保管品の凍結による凍傷や冷凍乾燥を防止するための補助暖房として使用したりすることもできる。
【００３７】
しかも、この第二種吸収式ヒートポンプ１にける加熱熱源は、エンジン排熱などのように、燃料消費によって得るものではなく、自然から入手するものであるため、低いコストで熱出力を得ることができる。
【００３８】
また、地中熱Ｇｈをそのまま利用するのであれば、熱容量が不足して有効利用ができないような極寒地や寒冷地であっても、本発明の第二種吸収式ヒートポンプ１によると、その地中熱Ｇｈを最大で１．５倍程度まで熱容量を増やすことができる。したがって、今まで熱容量が不足して地中熱Ｇｈの利用ができなかった極寒地や寒冷地であっても地中熱Ｇｈの利用の促進を図ることが可能となる。
【００３９】
なお、地中熱Ｇｈは、地面に埋設した地中熱熱交換器７内に加熱媒体Ｈを通過させて地中熱Ｇｈを吸収するように構成しているが、地中熱Ｇｈの他に地中または地表の安定した熱源を使用してもよい。例えば、工場排水や生活排水を含む下水または河川を流れる水と、加熱媒体Ｈとを熱交換して吸収するものであってもよい。工場排水や生活排水は排水自体がある程度の温度を有しており、地中に埋設された下水管を通過して排水されるため、地中熱Ｇｈと同等の温度が得られる。河川を流れる水も、地盤や地下水脈を通過して地中熱Ｇｈで温められているため、冬季に氷結していない河川などでは、地中熱Ｇｈと同等の温度が得られる。その他、農地の肥料として集められた家畜の糞尿と、加熱媒体Ｈとを熱交換するものであってもよい。このような家畜の糞尿は、発酵しているため、加熱媒体Ｈによって熱吸収しても、比較的安定した温度が得られる。
【００４０】
また、冷却媒体Ａは、外気を直接取り込むように構成しているが、たとえば放射冷却器等の冷却装置を通した外気や不凍液を冷却熱源としてもよい。第二種吸収式ヒートポンプは、冷却媒体Ａの温度が低いほど吸収器出口の被加熱媒体Ｔの温度が高くなるという性質がある。そのため、冷却媒体Ａに冷却装置を具備することによって、本発明の効果をより大きく得ることができる。
【００４１】
また、本発明の第二種吸収式ヒートポンプ１は、１５℃〜２０℃で安定している地中熱Ｇｈを加熱熱源として使用することを考えると、冷媒液Ｒをアンモニア、吸収液Ｓを水としたアンモニア−水系の媒体を使用することが好ましい。しかし、設置する場所によっては、火山活動の影響で地中熱Ｇｈが高くなっていたり、河川の水が温泉になっていたり、工場排水が高温になっていたりするので、このような場合には、その温度帯にあった好適な冷媒液Ｒおよび吸収液Ｓを使用することができる。
【００４２】
なお、本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【符号の説明】
【００４３】
１  第二種吸収式ヒートポンプ
１０  植物工場（農業施設）
２  蒸発器
３  吸収器
４  再生器
５  凝縮器
６  大気熱交換器
７  地中熱熱交換器
８  暖房装置
８１  熱交換器
Ａ  大気
Ｃ  冷却冷媒
Ｈ  加熱冷媒
Ｓｄ  吸収希溶液
Ｓ  吸収溶液
Ｔ  被加熱媒体
Ｔｐ  熱出力
Ｒ  冷媒
Ｒｇ  冷媒蒸気
Ｇｈ  地中熱
【図１】
2014062691.tif 000003
【図２】
2014062691.tif 000004
【図３】
2014062691.tif 000005