(57)【要約】【課題】従来の地中熱利用ヒートポンプ装置は、地中熱の状況、採熱井戸の設置の状況、地上部での熱需要等の環境条件の個別性の著しい事項を勘案して専用のヒートポンプシステムを設計・構築しなければならない。【解決手段】地中部に設置した管路に熱媒体ガスを循環し、地中管路を熱交換器として地中熱と熱交換して蒸発又は凝縮させて、地上部の熱交換端子において、制御が独立した別体のヒートポンプ装置の熱源として所定の温度を供給できるように電動式のコンプレッサーをインバータ制御して熱媒体を循環させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中部に設置した管路に熱媒体ガスを循環し、地中管路を熱交換器として地中熱と熱交換して蒸発又は凝縮させて、地上部の熱交換端子において、制御が独立した別体のヒートポンプ装置の熱源として所定の温度を供給できるように電動式のコンプレッサーをインバータ制御して熱媒体を循環させることを特徴とした複合ヒートポンプシステム
【請求項２】
前記インバータ制御は、熱交換端子本体の温度又は熱交換端子からの熱媒体ガス出口圧力をセンサーで検出し、温度又は圧力を所定の上限及び下限値の範囲内となるように周波数によりコンプレッサーの稼動を調整するものであることを特徴とした請求項１に記載の複合ヒートポンプシステム
【請求項３】
前記熱交換端子は被熱交換側が複数の副室に分割され、制御が独立した複数の別体のヒートポンプ装置の熱媒体管路がそれぞれ副室に接続されて、複数の別体のヒートポンプ装置の蒸発器又は凝縮器となることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の複合ヒートポンプシステム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本願発明は、地中部に設置した管路に熱媒体ガスを循環し、地中熱により熱媒体ガスを蒸発又は凝縮をさせる地中熱利用のヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】熱媒体ガス（フロン系等）の凝縮又は蒸発を利用して空調、冷凍や給湯を行うヒートポンプ装置は、投入されるエネルギー（コンプレッサー動力等）に対し、取り出すことのできるエネルギー（温冷熱）の比（成績係数）が、近年のさまざまな要素技術の改善により向上しており、その省エネルギー性から各方面での導入が進展している。【０００３】ヒートポンプ装置では、熱利用された後の熱媒体ガスは、そのエンタルピー変化を補うように、コンプレッサーにより送流されて他の熱源と熱交換（例えば冷房室内機（蒸発器）利用後のガス化した熱媒体は、室外機（凝縮器）で外気温と熱交換）されて循環される。【０００４】このためヒートポンプ装置は、外部エネルギー源となる熱交換源（空気熱、水熱、地中熱、太陽熱等の熱源）との整合性がその有効性左右する重要要素となっているが、空調用ヒートポンプ装置では、季節による外気温の変化が熱交換上不利に作用（冷房期には外気温が高く、暖房機には外気温が低い）するためヒートポンプ装置の効率向上の必然的な制約となっている。【０００５】これに対し、年間を通じて温度変化の少ない地中熱や地下水を熱交換源とすることで、外気温の空冷式熱源によるヒートポンプ装置よりも高い効率のヒートポンプシステムが実現可能である。【０００６】地中に熱媒循環管路を設置して、当該熱媒と地中熱とを熱交換させて、その熱交換後の熱媒ガスの熱をヒートポンプ熱源として利用する技術的思想は、特許文献１乃至特許文献３等で知られている。
【特許文献１】  特開平１０−３００２６６号公報
【特許文献２】  特開２００９−２５７７３７号公報
【特許文献３】  特開２０１１−７４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】前記の特許文献１は、ブラインと呼ばれる液体熱媒を地中熱と顕熱による熱交換を行い、その液体熱媒をポンプにより地上部へ循環揚水してそれをヒートポンプの熱源として利用する方式に係るものであるが、この場合概ね１０℃乃至１５℃前後の地中温により顕熱交換するので地中熱とブラインの温度差が必要であり、また熱交換量を増加させるためには液体熱媒を十分な量循環させるためより大きなポンプ動力を必要とし、結果ヒートポンプシステムの効率が低下するものであった。【０００８】また、特許文献１の段落００１１にも記されているように、地下水そのものを揚水して熱源利用したり、地中採熱管の周辺の地下水をくみ上げ配管熱媒との熱交換性を向上したりする方法も知られているが、そのための専用設備や動力を必要とするなど実用上の課題が大きなものとなっている。【０００９】これに対して、前記の特許文献２及び特許文献３は、ヒートポンプシステムを循環する熱媒体ガスを地中配管により直接地中部に循環させて、地中部において直接に熱媒体ガスを膨張又は凝縮させる方式に係るものであり、ブライン又は地下水を揚水循環させるための特段の設備装置や動力を不要とし、潜熱交換により顕熱交換より小さな温度差で蒸発、凝縮させて熱利用効率を上げ、熱媒体ガスの圧縮比を少なくすることとができるため、ブライン等による顕熱交換の方式に比べ高効率化できる優れた地中熱利用ヒートポンプシステムとなっている。【００１０】しかし、いずれの特許文献においても、直接膨張式に拘泥するがあまり、熱媒体ガスの流路が地上部と地中部とを一系統で結び、１台のコンプレッサーにより地中配管内での熱媒体ガスの膨張又は凝縮を制御しつつ、地上部での空調機等の熱交換器での熱需要に対応させるべく循環させており、長い熱媒体配管による１つの熱媒体ガスの熱力学的サイクルとして設計されるものであり、実用上は地中熱の状況、採熱井戸の設置の状況、地上部での熱需要等の環境条件の個別性の著しい事項を勘案して、専用のヒートポンプシステムを設計・構築しなければならなかった。【００１１】更に、技術的にも地中熱の温度帯近傍になった熱媒体ガスを空調機等の熱交換器の熱媒体ガス入口温度にまで引き上げていくには、コンプレッサーの入力が大きくなることで、気体液体の状態変化（摩擦等による温度上昇）により必要以上のエントロピー上昇が生じ、ヒートポンプシステム全体の仕事量が上昇する＝効率が低下する問題も必然的に発生した。
【課題を解決する手段】
【００１２】本願発明者は、地中部に熱媒体ガスを循環させる直接膨張式（地中部潜熱交換式）の有効性を踏まえつつ、上記のような公知技術の装置設計上の硬直性や、一系統の熱力学的サイクル系統方式による制約を克服する方法を鋭意研究し、地上部で利用するヒートポンプ装置と、地中熱を利用するためのヒートポンプ装置を熱交換器を介して熱的に接続し、熱媒体ガスの制御を各々独立した制御回路とコンプレッサーで制御する方法を見出した。
【００１３】すなわち、本願請求項１の発明は、地中部に設置した管路に熱媒体ガスを循環し、地中管路を熱交換器として地中熱と熱交換して蒸発又は凝縮させて、地上部の熱交換端子において、制御が独立した別体のヒートポンプ装置の熱源として所定の温度を供給できるように電動式のコンプレッサーをインバータ制御して熱媒体を循環させることを特徴とした複合ヒートポンプシステムである。
【００１４】また、請求項２の発明は、前記インバータ制御は、熱交換端子の本体の温度又は熱交換端子からの熱媒体ガス出口圧力をセンサーで検出し、温度又は圧力を所定の上限及び下限値の範囲内となるように周波数によりコンプレッサーの稼動を調整するものであることを特徴とした請求項１に記載の複合ヒートポンプシステムである。
【００１５】さらに、請求項３の発明は、前記熱交換端子は被熱交換側が複数の副室に分割され、制御が独立した複数の別体のヒートポンプ装置の熱媒体管路がそれぞれ副室に接続されて、複数の別体のヒートポンプ装置の蒸発器又は凝縮器となることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の複合ヒートポンプシステムである。
【００１６】上記の構成とすることで、熱媒体ガスを地中熱温度帯（概ね１０℃乃至１５℃前後）と根と交換し地上部で所定の熱源温度帯（１８℃乃至２２℃）とする仕事を行う地中熱利用ヒートポンプと、熱交換端子の熱源温度帯（１８℃乃至２２℃）の熱を利用して利用施設内の空調機等の熱交換器の必要温度帯（暖房時は概ね３６℃乃至５０℃、冷房時は概ね７℃乃至１５℃）への仕事を行う地中熱利用ヒートポンプとは制御が独立したヒートポンプ装置との複合システムとすることができる。
【発明の効果】
【００１７】本願発明により、地中熱を直接膨張式で利用する場合において、インバータ制御による可変能力の範囲で地上部に熱源を供給することが可能となり、熱交換端子の能力設計において余裕度を確保したうえでは、地上部の別体のヒートポンプ装置の制御の変動や、複数台並列で接続されたヒートポンプ装置の起動停止に対して、より安定的かつ弾力的に対応することができる。
【００１８】また、地中熱を地上部での熱源とするために制御されるインバータ式ヒートポンプ装置と、地上部でのヒートポンプ装置は、相互に切り離した制御となることで、地中熱利用のための装置設計を簡素化又は定格化することが可能となるとともに、地上部でのヒートポンプ装置は熱交換端子への熱媒体ガス系統の接続を確保するだけで、特段の専用装置である必要がなくなり、上市されているエヤコン機器等の一般機を容易に利用し複合システムとすることができる。
【００１９】さらに、合理的な範囲で地中熱利用のためのヒートポンプ装置に余裕能力を持たせておくことで、適宜に地上部のヒートポンプ装置を接続増設することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】本発明を実施の形態を説明する。【００２１】本願発明では、採熱井戸に往復して挿置された採熱管に熱媒体ガスをインバータ制御でのコンプレッサーにより循環して地中熱を一旦所定の温度帯にして熱交換端子での供給熱源にするものであって、熱媒体ガスの熱力学的サイクルは地中採熱管と熱交換端子とを循環する熱媒体ガスについて設計され、それに基づき制御される。ここでは、便宜的に「一段目ヒートポンプ」と称する。【００２２】一段目ヒートポンプでは、熱交換端子本体の温度又は熱交換端子の熱媒体ガス出口圧力をセンサーで検出して、熱交換端子が所定の温度帯となるように電動式コンプレッサーがインバータ制御されるものである。【００２３】次に、一段目ヒートポンプの熱交換端子に熱媒体系統が接続され、かつ制御が独立した別体のヒートポンプ装置が、熱交換端子を熱源として一段目ヒートポンプとは独立した熱媒体ガスの熱力学的サイクルに基づきインバータ制御されている。ここでは、一段目ヒートポンプと熱的に接続した当該ヒートポンプを、便宜的に「二段目ヒートポンプ」と称する。【００２４】したがって、本願発明の複合ヒートポンプとは、上記の地中熱利用の一段目ヒートポンプと、一般的な空調機等の二段目ヒートポンプとが、熱交換端子（熱交換器）により「熱媒体ガス」対「熱媒体ガス」での熱交換を行わせるべく接続されて、それぞれが別に設定された温度又は圧力条件によって制御されるものをいう（図１）。【００２５】熱交換端子では、蒸発・凝縮による高圧（１ＭＰａ〜数ＭＰａ）に耐えうる構造を有するものであれば公知の熱交換器であってよく、プレート式熱交換器や、二重管式熱交換器等が選択されうる。このとき原則的には一段目ヒートポンプと二段目ヒートポンプの熱媒体ガスが熱交換され、一方が蒸発で一方が凝縮となる逆の相変化を熱交換器内で生じさせるものである。【００２６】熱交換端子（熱交換器）では、加熱媒体と冷却媒体が向かい合わせに接して流れる対交流式の熱交換が熱交換効率上望ましいが、熱交換端子（熱交換器）内の温度差が熱媒体入口側と出口側で大きくなる。このため、本願では熱交換端子の本体外表面側のいずれかの箇所、望ましくは概ね熱媒体入口出口の箇所の中間部付近に熱センサー検出部を密着設置して、熱交換端子の本体の温度として計測するものである。【００２７】本願請求項１の発明に記載した「所定の温度を供給」とは、上記の熱交換端子の本体の温度を検出し、インバータ制御によるコンプレッサーでの熱媒体循環量の調整により温度変化を補って所定の温度を保持することであり、当然ながら二段目ヒートポンプによる熱交換負荷の急変動のあるときは熱交換端子の温度が変化するので、それに応じたコンプレッサー稼働がなされるようになっている。【００２８】本願発明では、一段目ヒートポンプにより熱交換端子で供給される所定の温度は、二段目ヒートポンプの仕事との関係で、概ね地中熱温度帯（概ね１０℃乃至１５℃前後）と、二段目ヒートポンプが冷暖房装置である場合の需要熱温度帯（暖房時）下限値又は排熱温度帯（冷房時）上限値となる概ね３２℃乃至３５℃の温度との、概ね中間となる温度帯、すなわち２０℃前後、概ね１８℃乃至２２℃の範囲で所定の温度が定められることが望ましい。【００２９】さらに実用的には、本願請求項２の発明に記載したとおりに、予め熱交換端子の前記で定められた熱交換端子の温度の変化の幅を、所定の温度から概ね±２℃〜±５℃に収めるようにコンプレッサーをインバータ制御により稼働させて、当該の温度の変化幅の範囲内に収めるようするものである。【００３０】例えば、熱交換端子の温度を２０℃と設定したときに、その温度の±２℃の変化幅に達したときにそれを所定の温度２０℃に戻すように、或いは例えば熱交換端子の温度を１８℃と設定したとき、その温度の±５℃の変化幅に達したときにそれを所定の温度１８℃に戻すよう一段目ヒートポンプのコンプレッサーを作動させるものである。【００３１】こうすることで、前記段落００２７で述べたような制御により、所定の温度に保つべく微妙かつ頻繁なコンプレッサー作動にならず、一段目ヒートポンプのコンプレッサーの稼働を所定の温度変化幅の範囲で停止又は低稼働化させることができる。なお、当然に一段目ヒートポンプの作動が停止又は低稼働化したときには、二段目のインバータ制御ヒートポンプが熱交換端子の温度変化を補うように二段目ヒートポンプのコンプレッサーが作動することになる。【００３２】なお、熱交換端子（熱交換器）の選定は、十分な熱交換効率及び本体容量を有する場合は問題にならないが、経済性の観点から小型化したものを選ぶ場合があるが、そのときは、熱交換端子からの一段目ヒートポンプの熱媒体ガスの出口温度と、二段目ヒートポンプの熱媒体ガスの出口温度との間の温度差ができるだけないように選定しなければならない。【００３３】本願発明の複合ヒートポンプシステムが、一段目ヒートポンプと二段目ヒートポンプの熱的な接続により構成されるものであることから、熱交換端子には如何なる運転状況においても上記温度差が６℃以下、望ましくは２℃以下となるように十分な熱交換能力を発揮させなければならない。このため実用上は、二段目ヒートポンプの熱交換需要の上限を予め想定したうえで、それに対応した熱交換能力を発揮しうるようコンプレッサーの定格能力と熱交換器の定格能力が検討されて、一段目ヒートポンプが設計されている。【００３４】本願請求項３の発明にかかる二段目ヒートポンプが熱交換端子への複数接続は、一段目ヒートポンプ側が、地中熱源と熱交換端子とを循環する熱媒体ガスの熱力学的サイクルシステムとなっているのに対して、二段目ヒートポンプが熱交換端子と個別任意の熱利用端末（空調機、温水器、等）との間での熱力学的サイクルシステムがそれぞれ構成されており、二段目のそれぞれのヒートポンプは独立してコンプレッサーと制御機構を有して、他の二段目ヒートポンプや、一段目ヒートポンプとは熱力学的サイクル上も分離されて、熱交換端子で熱的にのみ接続されるものである（図２）。【００３５】したがって、複数の二段目ヒートポンプの熱交換端子での熱交換需要の変動は、合計されて一段目ヒートポンプの熱供給にかかる制御対象となる。この場合においても、熱交換端子に配された温度センサーにより検出される熱交換端子の温度変化を補い前述の温度変化幅の範囲となるよう一段目ヒートポンプのコンプレッサーがインバータ制御されて熱媒���ガス循環量が調整されるものである。【００３６】なお、熱交換端子の二段目ヒートポンプが接続される被熱交換側（本願発明では一段目ヒートポンプ側から見たときを指す。）が複数の副室に分割されているので、当然に各副室への熱媒体ガスの入口出口は独立して設けられている。【００３７】この場合、例えば一段目ヒートポンプの熱媒体ガスを並列分岐して、複数の二段目ヒートポンプごとに対応した熱交換端子を設け、そこで一段目ヒートポンプと二段目ヒートポンプとの熱媒体ガスの熱交換を行う方法も当然にあるが、熱交換端子（熱交換器）を複数台設置しなければなないこと、それに伴い制御のためのセンサー等も複数設置することとなるなど、から本願発明ではこれを一体的な熱交換器として構成するものである。【００３８】本願発明の複合ヒートポンプシステムでは、地中熱源を利用した一段目ヒートポンプに、熱交換端子を熱源利用する二段目ヒートポンプを熱的に接続したものであり、それぞれのヒートポンプの制御は分離されている。このため、一段目ヒートポンプには二段目ヒートポンプの稼働を熱交換端子の温度の変化により判別し、一段目ヒートポンプを起動させるものとなっている。【００３９】熱交換端子は断熱材により外気温との断熱措置が十分に図られているため、熱交換端子の温度変化は二段目ヒートポンプの熱交換需要によるものとなっている。このため二段目ヒートポンプが停止している場合は、熱交換端子の温度変化が生じないため、このときは自動に一段目ヒートポンプも停止するようになっている。【００４０】一方、二段目ヒートポンプの起動（例えば空調機のスタート）のときは、熱交換端子に急激な熱負荷がかかるために、熱交換端子に配した温度センサーにより温度変化を検知するようにして一段目ヒートポンプを起動するようにしてある。なお、単位時間当たり（例えば１分当たり等）の温度変化（Δｔ）を計測するようにして、通常の外気温の変化による影響を排除して、二段目ヒートポンプの起動を検出するようになっている。【００４１】熱媒体ガスの熱力学的サイクルでは、温度と圧力はほぼ同義の指数であると考えることができるので、上記まで述べた説明において、熱交換端子の温度変化の検出に替え、一段目ヒートポンプ、二段目ヒートポンプの熱交換端子への熱媒ガスの入口出口に配した圧力センサーにより、圧力を計測し制御してもよい。【００４２】なお、ヒートポンプ装置では、最終的な熱利用装置での冷熱利用と温熱利用について固定的であるとき（温水器、冷凍機など）と、切替え・可変的であるとき（空調機など）があるが、通常、切替え・可変的であるときは熱媒体ガスの流れ方向が逆転して、常にコンプレッサーに気体状態の熱媒体が流れるようになっている。システム構成的には、一段目・二段目ヒートポンプのそれぞれが熱媒体流路に四方切替え弁を配し、冷熱利用時と温熱利用時に切り替えられるものである。本明細書では特に説明・図示していないが、本願発明も当然に少なくとも一段目ヒートポンプシステムは流れ方向の切替機構を備えている。【００４３】また、本願発明の熱交換端末（熱交換器）の熱交換容量が十分に確保されている場合は、二段目ヒートポンプの熱交換需要の微変動分については一段目ヒー��ポンプの熱媒体ガスの温度変化に大きな変化を与えず、加えて本願請求項２の発明により一段目ヒートポンプの稼働を制御する温度指標に変化幅が与えられることで、一段目ヒートポンプのインバータ式制御のコンプレッサーの負荷変動を緩やかなものとすることができる。【００４４】このため、自然熱交換方式になる地中配管での熱媒体ガスの制御にかかるコンプレッサーのベース負荷運転をより安定化させやすく、かつ複合ヒートポンプシステムの全体設計に負荷的な弾力性を持たせることが可能となる。【００４５】さらには、一段目ヒートポンプと、二段目ヒートポンプの熱媒体ガスは異なる特性のものを選択しうるものとなり、例えば一段目ヒートポンプの熱媒体ガスを低圧・低温特性に優れるものを選択して、より地中熱利用の効率を向上させる熱力学的サイクルシステムを設計することが可能である。【００４６】また、図３の本願発明の複合ヒートポンプシステムの熱力学的サイクルの概念図に示すように、従来の一系統方式の地中熱利用ヒートポンプサイクル（図中破線）に比べ、一段目ヒートポンプのサイクル（図中下段）と二段目ヒートポンプのサイクル（図中上段）を熱的に結合したものでは冷凍能力が増大し（図中β＞α）、かつ仕事量を減少させる（図中（Ａ＋Ｂ）＜Ｃ）ことができ、熱力学的サイクル上従来の一系統サイクル方式の地中熱ヒートポンプシステムよりも本願発明の複合ヒートポンプシステムは優れた能力を発揮する。【００４７】但し、従来型の一系統サイクル方式に対して、本願発明では一段目、二段目それぞれにインバータ制御式コンプレッサーを稼働させる必要があり、熱的負荷状況によっては電力消費量が増加する側面もあるものの、地中熱温度帯と、二段目ヒートポンプの需要熱温度下限値又は排熱温度上限値との、概ね中間となる温度帯（空調機では概ね２０℃前後となる。）での熱媒体ガス間での熱交換が安定化できる設定では、それぞれのコンプレッサーの稼働状況を低下させることができ、システム全体での消費電力は従来型よりやや上昇する程度に最適化することができる。【００４８】また、直接膨張方式に限らず、ブライン方式や地下水冷方式など従来の方式によるヒートポンプシステムである場合も、その熱源温度帯と、最終的な熱利用端末での熱需要温度帯又は排熱温度帯との温度差が大きな場合（概ね３０℃前後以上）においては、積極的に本願発明の複合ヒートポンプシステムにより熱力学的サイクルを多段方式にすることで、効率化を図ることが可能となる。【００４９】いずれにせよ、地中熱利用ヒートポンプ装置において、地中熱を利用して所定の温度の熱源を供給する仕事を担う熱力学的サイクルを制御したヒートポンプ装置と、その熱源を利用して別体として制御されるヒートポンプ装置（空調機、給湯器等）とが、熱交換端子（熱交換器）で熱媒体ガス対熱媒体ガスでの熱交換のうえ、熱的に接続された複合ヒートポンプシステムを構成するとの技術思想にかかる事項は、公知の技術の部分的利用を含むものであってもなお本願発明の範囲に含まれることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】  本願発明の複合ヒートポンプシステムを示す概念図
【図２】  本願請求項３の発明のヒートポンプシステムの実施の例の概念図
【図３】  本願発明の複合ヒートポンプによる熱力学的サイクルの概念図
【符号の説明】
【００５１】１  地中熱配管路
２  熱交換端子
３  コンプレッサー（一段目ヒートポンプ装置）
４  コンプレッサー（二段目ヒートポンプ装置）
５  熱センサー及びインバータ制御装置
６  熱利用端末（二段目ヒートポンプ装置）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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