(57)【要約】【課題】    高効率に運転可能で、かつ施工性を良好にしてコスト低減を図ることができる地中熱利用装置を提供すること。【解決手段】地中熱交換器２とヒートポンプ３とを一次冷媒配管５で接続し、この一次冷媒配管５中の自然冷媒から一次凝縮・蒸発器９を介して空調室内機４側に熱を供給、または一次冷媒配管５中の自然冷媒で空調室内機４側から熱を吸収するようにしたので、一次側の循環ポンプで熱媒水を循環させる場合と比較して、循環に要するエネルギーが削減でき、空気調整装置１全体のエネルギー効率を十分に高効率化することができる。さらに、地中熱交換器２とヒートポンプ３とを一次冷媒配管５で接続したことで、これらの各機器間を水配管で接続した場合と比較して、配管の施工性を向上させることができるとともに、施工コストを低減することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設された地中熱交換器と、この地中熱交換器に接続されたヒートポンプと、このヒートポンプに接続された負荷機と、前記地中熱交換器と前記ヒートポンプとを接続する一次側配管とを備え、
前記一次側配管は、冷媒を循環させる冷媒配管であり、
前記ヒートポンプには、前記一次側配管中の冷媒との間で熱交換を実施する熱交換器が設けられ、この熱交換器を介して前記負荷機に熱を供給または負荷機から熱を吸収することを特徴とする地中熱利用装置。
【請求項２】
請求項１に記載の地中熱利用装置において、
前記一次側配管中の冷媒は、前記地中熱交換器からの採熱時において、当該冷媒のガス化および液化による比重変化で自然循環されることを特徴とする地中熱利用装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の地中熱利用装置において、
前記一次側配管は、放熱用配管と採熱用配管とに分岐されるとともに、これらの放熱用配管と採熱用配管とが切替可能に構成され、
前記放熱用配管には、前記冷媒が所定圧力で封入され、
前記採熱用配管には、前記放熱用配管中の冷媒よりも低い圧力で前記冷媒が封入されていることを特徴とする地中熱利用装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の地中熱利用装置において、
前記一次側配管には、当該一次側配管中の冷媒の圧力を調節する圧力調節手段が設けられ、この圧力調節手段により、採熱時における前記一次側配管中の冷媒の圧力が放熱時よりも低く調節されることを特徴とする地中熱利用装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の地中熱利用装置において、
前記一次側配管中の冷媒が二酸化炭素冷媒であることを特徴とする地中熱利用装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の地中熱利用装置において、
前記一次側配管には、前記地中熱交換器に対して大気放熱用凝縮器および／または大気採熱用蒸発器が前記ヒートポンプと切替可能に接続されており、
前記大気放熱用凝縮器は、前記地中熱交換器からの放熱により地盤に蓄えられた余剰な熱を大気に放熱し、前記大気採熱用蒸発器は、前記地中熱交換器の採熱により温度低下した地盤に対して大気から採熱した熱を供給することを特徴とする地中熱利用装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の地中熱利用装置において、
前記ヒートポンプと前記負荷機とは、冷媒を循環させる冷媒配管で構成された二次側配管で接続され、
前記ヒートポンプには、前記二次側配管中の冷媒を圧縮する圧縮機と、前記二次側配管中の冷媒を膨張させる膨張弁とが設けられ、前記熱交換器は、前記一次側配管中の冷媒を用いて前記二次側配管中の冷媒を凝縮または蒸発させる一次凝縮・蒸発器であり、
前記負荷機には、前記ヒートポンプの圧縮機で圧縮された高温の前記二次側配管中の冷媒を凝縮させる、または前記ヒートポンプの膨張弁で膨張された低温の前記二次側配管中の冷媒を蒸発させる二次凝縮・蒸発器が設けられていることを特徴とする地中熱利用装置。
【請求項８】
請求項７に記載の地中熱利用装置において、
前記ヒートポンプには、複数の前記負荷機が接続され、これら複数の負荷機を同時に、または複数の負荷機ごとに、運転および停止が切替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装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれかに記載の地中熱利用装置において、
前記地中熱交換器は、互いに並列および／または直列に複数接続され、これら複数の地中熱交換器を接続した一系統の前記一次側配管に１台または複数の前記ヒートポンプが接続されていることを特徴とする地中熱利用装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の地中熱利用装置において、
前記複数の地中熱交換器に接続された前記一次側配管が複数系統設けられ、これら複数の一次側配管の系統ごとに前記冷媒の循環および停止が切替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装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱利用装置に関し、詳しくは、地中に埋設した地中熱交換器から採熱（または放熱）した地中熱を利用し、ヒートポンプを介して負荷側に熱を供給（または負荷側から熱を吸収）する地中熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地中に埋設された地中熱交換器と、この地中熱交換器に接続されたヒートポンプと、このヒートポンプに接続された空調機器等の熱交換器とを備えた地中熱利用装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような地中熱利用のヒートポンプシステムは、安定した温度を有する大地の地中熱を熱源として利用し、この熱源に対して採放熱するものであり、外気に対して採放熱する空気熱源方式のシステムと比較しても、年間を通して変化が小さく安定した地中温度を利用することで、冷房および暖房の両方について高効率に運転できるシステムである。従って、地中熱利用のヒートポンプシステムでは、省エネルギー化や、低ランニングコスト化、二酸化炭素の排出抑制等の効果に加えて、大気に排熱しないことでヒートアイランド現象の抑制効果も期待されている。
【０００３】
そして、特許文献１に記載された地中熱利用装置は、地中熱交換器とヒートポンプとが水配管からなる第一循環路で接続され、ヒートポンプと放熱管とが水等の熱媒配管（以下、水配管と記す）からなる第二循環路で接続され、ヒートポンプ内部には、冷媒配管からなる第三循環路が設けられている。そして、暖房時においては、第一循環路に循環された第一熱媒で地中熱を採熱し、この熱を第三循環路内の第三熱媒（冷媒）で吸収するとともに、第二循環路内の第二熱媒に供給して第二熱媒を昇温することで、熱交換器から放熱されるように構成されている。冷房時においては、逆に第一熱媒から地中に放熱し、この第一熱媒で第三熱媒から熱を吸収し第三熱媒を冷却し、この第三熱媒と第二熱媒との間で熱交換して第二熱媒を冷却し、熱交換器により空調空間から採熱するように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３０２１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されたような従来の地中熱利用装置では、第一循環路内の第一熱媒が水や不凍液等の熱媒水からなり、この第一熱媒を循環ポンプによって地中熱交換器側に循環させる必要があるため、熱源（一次）側の循環ポンプを駆動するためのエネルギーが大きくなり、装置全体における運転エネルギーの高効率化が十分に実現できないという問題がある。
さらに、第一循環路が水配管から構成されているため、配管に水勾配を設けたり、エア抜きが必要になったり、配管同士をねじ接続する必要があったりするため、配管工事の施工性が悪化するとともに施工コストが増大してしまうという問題もある。
【０００６】
本発明の目的は、高効率に運転可能で、かつ施工性を良好にしてコスト低減を図ることができる地中熱利用装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の地中熱利用装置は、地中に埋設された地中熱交換器と、この地中熱交換器に接続されたヒートポンプと、このヒートポンプに接続された負荷機と、前記地中熱交換器と前記ヒートポンプとを接続する一次側配管とを備え、前記一次側配管は、冷媒を循環させる冷媒配管であり、前記ヒートポンプには、前記一次側配管中の冷媒との間で熱交換を実施する熱交換器が設けられ、この熱交換器を介して前記負荷機に熱を供給または負荷機から熱を吸収することを特徴とする。
【０００８】
ここで、負荷機としては、室内の冷房、暖房、または冷暖房を行う空調室内機や、冷蔵（冷凍）温蔵機、給湯器、冷水器など、ヒートポンプから供給される（またはヒートポンプで吸収される）熱を利用した各種の機器が例示できる。
【０００９】
以上の本発明によれば、地中熱交換器とヒートポンプとを接続する一次側配管を冷媒配管とし、この一次側配管中の冷媒と熱交換器を介して負荷機に熱を供給または負荷機から熱を吸収するようにしたので、従来のように一次側の循環ポンプで熱媒水を循環させる場合と比較して、循環に要する大きなエネルギーが削減できる。従って、装置全体のエネルギー効率を十分に高効率化することができる。
さらに、地中熱交換器とヒートポンプとを冷媒配管で接続したことで、従来のように水配管で接続した場合の制約を受けなくでき、配管の施工性を向上させることができるとともに、施工コストを低減することができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の地中熱利用装置は、請求項１に記載の地中熱利用装置において、前記一次側配管中の冷媒は、前記地中熱交換器からの採熱時において、当該冷媒のガス化および液化による比重変化で自然循環されることを特徴とする。
このような構成によれば、採熱時において、一次側配管中の冷媒がガス化および液化による比重変化で自然循環されるので、冷媒の循環に要するエネルギーがさらに削減でき、装置全体のエネルギー効率を一層向上させることができる。
【００１１】
さらに、請求項３に記載の地中熱利用装置は、請求項１または請求項２に記載の地中熱利用装置において、前記一次側配管は、放熱用配管と採熱用配管とに分岐されるとともに、これらの放熱用配管と採熱用配管とが切替可能に構成され、前記放熱用配管には、前記冷媒が所定圧力で封入され、前記採熱用配管には、前記放熱用配管中の冷媒よりも低い圧力で前記冷媒が封入されていることを特徴とする。
このような構成によれば、放熱用配管および採熱用配管の各々において、放熱または採熱に適した所定の圧力で冷媒を封入しておくことで、地中熱交換器における地盤への放熱効率または地盤からの採熱効率を高めて、装置の運転効率をさらに向上させることができる。また、採熱用配管における冷媒の封入圧力を適宜調節することで、ヒートポンプの熱交換器で冷却されて液化した冷媒が地中熱交換器へ向かって自然下降し、地中熱交換器で昇温されてガス化した冷媒がヒートポンプに向かって自然上昇するようにでき、循環ポンプを用いなくても冷媒を自然循環させることができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の地中熱利用装置は、請求項１または請求項２に記載の地中熱利用装置において、前記一次側配管には、当該一次側配管中の冷媒の圧力を調節する圧力調節手段が設けられ、この圧力調節手段により、採熱時における前記一次側配管中の冷媒の圧力が放熱時よりも低く調節されることを特徴とする。
このような構成によれば、放熱時または採熱時において、圧力調節手段により一次側配管中の冷媒の圧力を放熱または採熱に適した圧力に調節することで、地中熱交換器における地盤への放熱効率または地盤からの採熱効率を高めて、装置の運転効率をさらに向上させることができる。また、採熱時において一次側配管中の冷媒の圧力を適宜調節することで、ヒートポンプの熱交換器で冷却されて液化した冷媒が地中熱交換器へ向かって自然下降し、地中熱交換器で昇温されてガス化した冷媒がヒートポンプに向かって自然上昇するようにでき、循環ポンプを用いなくても冷媒を自然循環させることができる。
【００１３】
また、請求項５に記載の地中熱利用装置は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の地中熱利用装置において、前記一次側配管中の冷媒が二酸化炭素冷媒であることを特徴とする。
このような構成によれば、一次側の冷媒として自然冷媒である二酸化炭素冷媒を用いることで、前述のように冷媒の搬送動力を低減することができるとともに、環境負荷も軽減することができる。
【００１４】
さらに、請求項６に記載の地中熱利用装置は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の地中熱利用装置において、前記一次側配管には、前記地中熱交換器に対して大気放熱用凝縮器および／または大気採熱用蒸発器が前記ヒートポンプと切替可能に接続されており、前記大気放熱用凝縮器は、前記地中熱交換器からの放熱により地盤に蓄えられた余剰な熱を大気に放熱し、前記大気採熱用蒸発器は、前記地中熱交換器の採熱により温度低下した地盤に対して大気からの熱を採熱して供給することを特徴とする。
ここで、大気放熱用凝縮器および大気採熱用蒸発器は、少なくともいずれか一方が一次側配管に接続されていればよく、両方が接続されていてもよい。
このような構成によれば、例えば前記負荷機が空調機であって、夏期における冷房負荷が過大になって地中熱交換器からの放熱量が暖房負荷時の採熱量を超えてしまい、熱が地盤に蓄積されて地中温度が上昇してしまう可能性がある場合に、地中熱交換器からの一次側配管の接続を大気放熱用凝縮器側に切り替え、地盤中の余剰な熱を大気放熱用凝縮器から大気に放熱することで、地中温度の上昇を防止することができ、長期間に渡って安定した地盤への放熱を実施することができる。一方、冬期における暖房負荷が冷房負荷よりも過大になった場合には、地中熱交換器からの一次側配管の接続を大気採熱用蒸発器側に切り替え、大気から採熱した熱を地盤に供給することで、地中温度の低下を防止して長期間に渡って安定した地盤からの採熱を実施することができる。
【００１５】
また、請求項７に記載の地中熱利用装置は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の地中熱利用装置において、前記ヒートポンプと前記負荷機とは、冷媒を循環させる冷媒配管で構成された二次側配管で接続され、前記ヒートポンプには、前記二次側配管中の冷媒を圧縮する圧縮機と、前記二次側配管中の冷媒を膨張させる膨張弁とが設けられ、前記熱交換器は、前記一次側配管中の冷媒を用いて前記二次側配管中の冷媒を凝縮または蒸発させる一次凝縮・蒸発器であり、前記負荷機には、前記ヒートポンプの圧縮機で圧縮された高温の前記二次側配管中の冷媒を凝縮させる、または前記ヒートポンプの膨張弁で膨張された低温の前記二次側配管中の冷媒を蒸発させる二次凝縮・蒸発器が設けられていることを特徴とする。
ここで、一次凝縮・蒸発器および二次凝縮・蒸発器としては、それぞれ二次側配管中の冷媒を凝縮させるものでもよく、また冷媒を蒸発させるものでもよく、さらに冷媒を凝縮させる機能および冷媒を蒸発させる機能の両方の機能を有したものでもよい。ただし、一次凝縮・蒸発器で冷媒を凝縮させた場合には、二次凝縮・蒸発器は、冷媒を蒸発させるように構成され、一次凝縮・蒸発器で冷媒を蒸発させた場合には、二次凝縮・蒸発器は、冷媒を凝縮させるように構成されている。
【００１６】
以上の構成によれば、ヒートポンプと負荷機とを冷媒配管で接続し、二次凝縮・蒸発器を負荷機に設けたので、一次凝縮・蒸発器である熱交換器で一次側配管中の冷媒から熱を吸収（または一次側配管中の冷媒に熱を放熱）した二次側配管中の冷媒が圧縮機または膨張弁を介して負荷機まで運ばれて循環することとなり、従来のような二次側の循環ポンプが不要にできる。また、ヒートポンプの一次凝縮・蒸発器から負荷機の二次凝縮・蒸発器まで冷媒が直接循環されるので、負荷側の熱媒水への熱交換が不要となり、熱交換によるロスを最小限にすることができる。従って、熱効率をさらに良好にし、かつ二次側の循環ポンプの駆動エネルギーを省略することができるので、装置全体のエネルギー効率を一層高効率化することができる。
さらに、ヒートポンプと負荷機とを冷媒配管で接続したことで、二次側の配管の施工性も向上させることができるとともに、施工コストをさらに低減することができる。
【００１７】
さらに、請求項８に記載の地中熱利用装置は、請求項７に記載の地中熱利用装置において、前記ヒートポンプには、複数の前記負荷機が接続され、これら複数の負荷機を同時に、または複数の負荷機ごとに、運転および停止が切替制御可能に構成されていることを特徴とする。
このような構成によれば、ヒートポンプに接続された複数の負荷機を、同時または個別に切替制御することで、例えば、負荷機が空調室内機である場合には、複数の部屋における冷房や暖房を集中制御したり、各部屋ごとに個別制御したりを任意に選択することにより、個別の遠隔発停やスケジュール運転等、省エネルギー運転が実施できる。
そして、このようなヒートポンプおよび複数の空調室内機で構成された個別分散方式の空調システムとしては、ビル用マルチ方式のシステムが一般的に用いられており、ヒートポンプと複数の空調室内機との接続工事や、制御配線工事等が標準化されているため、このビル用マルチ方式の標準化された施工システムを利用することで、さらなる施工コストの低減を図ることができる。
【００１８】
また、請求項９に記載の地中熱利用装置は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の地中熱利用装置において、前記地中熱交換器は、互いに並列および／または直列に複数接続され、これら複数の地中熱交換器を接続した一系統の前記一次側配管に１台または複数の前記ヒートポンプが接続されていることを特徴とする。
このような構成によれば、負荷機側（二次側）で必要とされる負荷に応じて、複数のヒートポンプの運転、停止を切り替えたりすることができ、装置全体の運転効率を一層向上させることができる。
【００１９】
さらに、請求項１０に記載の地中熱利用装置は、請求項９に記載の地中熱利用装置において、前記複数の地中熱交換器に接続された前記一次側配管が複数系統設けられ、これら複数の一次側配管の系統ごとに前記冷媒の循環および停止が切替制御可能に構成されていることを特徴とする。
このような構成によれば、負荷に応じて複数の一次側配管の系統の循環、停止を切り替えることで、冷媒の搬送動力の軽減による適正化が可能となり、装置全体の運転効率を向上させることができるとともに、採放熱する地盤への負担を軽減して地中温度の安定化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、第２実施形態以降において、次の第１実施形態で説明する構成部材と同じ構成部材、および同様な機能を有する構成部材には、第１実施形態の構成部材と同じ符号を付し、それらの説明を省略または簡略化する。
【００２１】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る地中熱利用装置としての空気調整装置１を示す概略構成図である。
図１において、空気調整装置１は、地盤Ｇ中に埋設された地中熱交換器２と、この地中熱交換器２に接続されたヒートポンプ３と、このヒートポンプ３に接続された負荷機としての空調室内機４と、地中熱交換器２とヒートポンプ３とを接続してＣＯ2 等の自然冷媒を循環させる一次冷媒配管（一次側配管）５と、ヒートポンプ３と空調室内機４とを接続して冷媒を循環させる二次冷媒配管（二次側配管）６とを備えて構成されている。
そして、空気調整装置１は、地中熱交換器２から一次冷媒配管５中の自然冷媒を介して採熱（または放熱）した地中熱を利用し、ヒートポンプ３により二次冷媒配管６中の冷媒を昇温（または冷却）し、この冷媒を介して空調室内機４により空調空間Ａに熱を供給（または空調空間Ａから熱を吸収）して空調空間Ａの室温を調節するものである。
【００２２】
ヒートポンプ３には、二次冷媒配管６中の冷媒を圧縮する圧縮機７と、二次冷媒配管６中の冷媒を膨張させる膨張弁８と、一次冷媒配管５中の自然冷媒を用いて二次冷媒配管６中の冷媒を凝縮または蒸発させる一次凝縮・蒸発器（熱交換器）９とが設けられている。
空調室内機４には、ヒートポンプ３の圧縮機７で圧縮された高温の冷媒を凝縮させる、またはヒートポンプ３の膨張弁８で膨張された低温の冷媒を蒸発させる二次凝縮・蒸発器１０が設けられている。
【００２３】
また、一次冷媒配管５は、ヒートポンプ３から地中熱交換器２側に延びた出口およびヒートポンプ３への入口位置において二股に分岐されており、分岐された一方が放熱用配管５Ａとされ、他方が採熱用配管５Ｂとされている。これらの放熱用配管５Ａおよび採熱用配管５Ｂには、それぞれ分岐位置近傍に切替弁１１が設けられており、冷房時における放熱用配管５Ａと暖房時における採熱用配管５Ｂとを切り替えて自然冷媒を循環させることができるように構成されている。さらに、放熱用配管５Ａおよび採熱用配管５Ｂには、それぞれ異なる封入圧力で自然冷媒が封入され、採熱用配管５Ｂにおける封入圧力が放熱用配管５Ａにおける封入圧力よりも低く設定されている。この封入圧力としては、自然冷媒が気化〜液化の状態変化を起こすのに適した圧力に設定されており、例えば、放熱用配管５Ａにおいて、冷房時に３０℃〜２５℃の状態変化を起こす封入圧力として７ＭＰa 程度に設定され、採熱用配管５Ｂにおいて、暖房時に０℃〜５℃の状態変化を起こす封入圧力として３．５ＭＰa 程度に設定されている。
【００２４】
また、放熱用配管５Ａには、自然冷媒を循環させる循環ポンプ１２が設けられている。一方、採熱用配管５Ｂには、自然冷媒を循環させるためのポンプ等が設けられていない。すなわち、冬期の暖房運転時において、採熱用配管５Ｂでは、ヒートポンプ３の一次凝縮・蒸発器９によって熱を奪われた自然冷媒が凝縮（液化）して比重が大きくなり、重力落下することで地中熱交換器２内を下降し、地中熱交換器２によって地中から採熱した自然冷媒が蒸発（気化）して比重が小さくなり、この浮力によって地中熱交換器２内を上昇するようになっている。このような自然冷媒の状態変化を利用した自然循環によって、採熱用配管５Ｂにおいて、ポンプ等の循環装置が不要にできるようになっている。
【００２５】
以上の空気調整装置１では、夏期における冷房運転時においては、放熱用配管５Ａ側の切替弁１１が開かれ、採熱用配管５Ｂ側の切替弁１１が閉じられる。
そして、循環ポンプ１２は、放熱用配管５Ａ中の自然冷媒をヒートポンプ３の一次凝縮・蒸発器９から地中熱交換器２に送るとともに、地中熱交換器２での熱交換により地中に放熱して温度の下がった自然冷媒を一次凝縮・蒸発器９に戻す。
ヒートポンプ３において、図１に矢印で示すように、一次凝縮・蒸発器９は、圧縮機７で圧縮された二次冷媒配管６中の冷媒と一次冷媒配管５中の自然冷媒との間で熱交換を行い、二次冷媒配管６中の冷媒を凝縮させる。凝縮されて冷却された二次冷媒配管６中の冷媒は膨張弁８で膨張された後、二次冷媒配管６を通って空調室内機４へ送られる。
空調室内機４において、二次凝縮・蒸発器１０は、膨張弁８から送られた冷媒と空調空間Ａの内気との間で熱交換を行い、内気を冷却し二次冷媒配管６中の冷媒を蒸発させる。蒸発して昇温された冷媒は圧縮機７で再度圧縮されて一次凝縮・蒸発器９へ送られ、一次冷媒配管５中の自然冷媒との間で熱交換が行われる。
以上のようなサイクルを繰り返すことで、一次および二次の冷媒配管５，６中の冷媒を介して空調空間Ａの熱を地中に排熱し、空調空間Ａの冷房が実施される。
【００２６】
一方、冬期における暖房運転時においては、放熱用配管５Ａ側の切替弁１１が閉じられ、採熱用配管５Ｂ側の切替弁１１が開かれる。
そして、採熱用配管５Ｂ中の自然冷媒は、前述したように、地中熱交換器２で昇温されて気化するとともに、一次凝縮・蒸発器９で冷却されて液化することで、ヒートポンプ３の一次凝縮・蒸発器９と地中熱交換器２との間を自然循環する。
ヒートポンプ３において、二次冷媒配管６中の冷媒が図１の括弧内に示す矢印の方向に循環され、一次凝縮・蒸発器９は、膨張弁８で膨張された冷媒と一次冷媒配管５中の自然冷媒との間で熱交換を行い、二次冷媒配管６中の冷媒を蒸発させる。蒸発されて昇温された冷媒は圧縮機７で圧縮された後、二次冷媒配管６を通って空調室内機４へ送られる。
空調室内機４において、二次凝縮・蒸発器１０は、圧縮機７から送られた二次冷媒配管６中の冷媒と空調空間Ａの内気との間で熱交換を行い、内気を加熱し冷媒を凝縮させる。凝縮されて冷却された二次冷媒配管６中の冷媒は膨張弁８で再度膨張されて一次凝縮・蒸発器９へ送られ、一次冷媒配管５中の自然冷媒との間で熱交換が行われる。
以上のようなサイクルを繰り返すことで、一次および二次の冷媒配管５，６中の冷媒を介して地中から採熱した熱を空調空間Ａに供給し、空調空間Ａの暖房が実施される。
【００２７】
このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）すなわち、地中熱交換器２とヒートポンプ３とを一次冷媒配管５で接続し、この一次冷媒配管５中の自然冷媒から一次凝縮・蒸発器９を介して空調室内機４側に熱を供給、または一次冷媒配管５中の自然冷媒で空調室内機４側から熱を吸収する、冷媒熱搬送方式を採用したので、一次側の循環ポンプで熱媒水を循環させる場合と比較して、循環に要する大きなエネルギーが削減でき、空気調整装置１全体のエネルギー効率を十分に高効率化することができる。
【００２８】
（２）さらに、ヒートポンプ３と空調室内機４とを二次冷媒配管６で接続し、二次凝縮・蒸発器１０を空調室内機４に設けたので、一次凝縮・蒸発器９で一次冷媒配管５中の自然冷媒から熱を吸収（または一次冷媒配管５中の自然冷媒中の冷媒に熱を放熱）した二次冷媒配管６中の冷媒が圧縮機７または膨張弁８を介して空調室内機４まで運ばれて循環することとなり、二次側の循環ポンプが不要にできる。また、ヒートポンプ３の一次凝縮・蒸発器９から空調室内機４の二次凝縮・蒸発器１０まで冷媒が直接循環されるので、熱交換によるロスを最小限にすることができる。従って、熱効率をさらに良好にし、かつ二次側の循環ポンプの駆動エネルギーを省略することができるので、空気調整装置１全体のエネルギー効率を一層高効率化することができる。
【００２９】
（３）さらに、地中熱交換器２とヒートポンプ３とを一次冷媒配管５で接続し、ヒートポンプ３と空調室内機４とを二次冷媒配管６で接続したことで、これらの各機器間を水配管で接続した場合の制約を受けなくでき、配管の施工性を向上させることができるとともに、施工コストを低減することができる。
【００３０】
（４）また、一次冷媒配管５を放熱用配管５Ａおよび採熱用配管５Ｂで構成し、各々の配管５Ａ，５Ｂに放熱または採熱に適した所定の圧力で自然冷媒を封入しておくことで、地中熱交換器２における地盤への放熱効率または地盤からの採熱効率を高めることができる。さらに、採熱用配管５Ｂにおける冷媒の封入圧力を調節して、自然冷媒が自然循環するようにしたことで、採熱用配管５Ｂの循環ポンプ等を省略することができ、冷媒の循環に要するエネルギーをさらに削減してエネルギー効率を一層向上させることができる。
【００３１】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る地中熱利用装置としての空気調整装置１Ａについて、図２に基づいて説明する。
図２は、本実施形態の空気調整装置１Ａを示す概略構成図である。
空気調整装置１Ａは、前記第１実施形態の空気調整装置１と同様の地中熱交換器２、ヒートポンプ３、空調室内機４、および二次冷媒配管６を備えたものであって、一次冷媒配管５の構成が第１実施形態と相違している。
【００３２】
すなわち、一次冷媒配管５には、一次冷媒配管５中の自然冷媒の圧力を調節する圧力調節手段としての圧力調整装置１３が設けられるとともに、循環ポンプ１２を跨いで迂回経路５Ｃが設けられている。そして、迂回経路５Ｃの途中位置、および迂回経路５Ｃの分岐部分の循環ポンプ１２寄りの位置には、それぞれ切替弁１１が設けられている。このような一次冷媒配管５では、冷房運転時（放熱時）においては、迂回経路５Ｃの途中位置の切替弁１１を閉じ、循環ポンプ１２側の切替弁１１を開くとともに、圧力調整装置１３により一次冷媒配管５中の自然冷媒の封入圧力を上昇（つまり前述のように放熱に適した７ＭＰa 程度の封入圧力に調整）させ、循環ポンプ１２によって自然冷媒が循環されるようになっている。一方、暖房運転時（採熱時）においては、迂回経路５Ｃの途中位置の切替弁１１を開き、循環ポンプ１２側の切替弁１１を閉じるとともに、圧力調整装置１３により一次冷媒配管５中の自然冷媒の封入圧力を低下（つまり前述のように採熱に適した３．５ＭＰa 程度の封入圧力に調整）させ、状態変化による自然循環によって自然冷媒が循環されるようになっている。
【００３３】
このような本実施形態によれば、前述の(１)〜(３)の効果に加えて以下のような効果がある。
（５）すなわち、放熱時または採熱時において、圧力調整装置１３により一次冷媒配管５中の自然冷媒の圧力を放熱または採熱に適した圧力に調節することで、地中熱交換器２における地盤への放熱効率または地盤からの採熱効率を高めることができる。また、採熱時において一次冷媒配管５中の自然冷媒が自然循環するようにしたことで、循環ポンプ１２の運転を停止することができ、冷媒の循環に要するエネルギーをさらに削減してエネルギー効率を一層向上させることができる。
さらに、封入圧力の異なる採熱用配管および放熱用配管を兼用することにより、イニシャルコストの低減や、地中熱交換器２内部や一次冷媒配管５の経路における配管設置、敷設スペースを低減することができる。
【００３４】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る地中熱利用装置としての空気調整装置１Ｂについて、図３に基づいて説明する。
図３は、本実施形態の空気調整装置１Ｂを示す概略構成図である。
空気調整装置１Ｂは、前記第１実施形態の空気調整装置１と同様の地中熱交換器２、ヒートポンプ３、および一次冷媒配管５を備えたものであって、ヒートポンプ３に複数の空調室内機４が接続され、これら複数の空調室内機４を同時に、または複数の空調室内機４ごとに、運転および停止が切替制御可能に構成されている点が第１実施形態と相違している。なお、本実施形態の空気調整装置１Ｂにおいて、一次冷媒配管５を前記第２実施形態と同様に構成してもよい。
【００３５】
複数の空調室内機４は、建物に設けられる複数の居室等の独立した空調空間Ａにそれぞれ設けられ、二次冷媒配管６を介して１台のヒートポンプ３に各々並列に接続されている。そして、ヒートポンプ３と各空調空間Ａの空調室内機４との間には、制御連絡配線１４が接続されており、ヒートポンプ３と各空調室内機４とが互いに連動して動作するようになっている。
また、建物の管理室や制御室等には、集中制御装置（制御盤）１５が設けられ、この集中制御装置１５と各空調室内機４とは、集中制御配線１６で接続されている。さらに、各空調空間Ａにおいて、空調室内機４には、リモコン等の個別制御装置１７が設けられている。
【００３６】
以上の空気調整装置１Ｂでは、第１実施形態の空気調整装置１と同様に、一次および二次の冷媒配管５，６中の冷媒を介して各空調空間Ａの熱を地中に排熱して冷房する、あるいは地中から採熱した熱を各空調空間Ａに供給して暖房するように構成されている。
そして、集中制御装置１５からの指令により、各空調空間Ａの空調室内機４の運転、停止が遠隔操作で切り替えられるようになっている。この遠隔操作としては、全ての空調空間Ａの空調室内機４を一斉に運転または停止させるものでもよく、各空調空間Ａの空調室内機４を個別に運転または停止させるものでもよい。また、集中制御装置１５において設定された運転スケジュールに従って、各空調空間Ａの空調室内機４が動作するように構成されていてもよい。さらに、集中制御装置１５による運転制御に加えて、各空調空間Ａの個別制御装置１７によっても空調室内機４が操作可能に構成されている。
【００３７】
このような本実施形態によれば、前述の(１)〜(５)の効果に加えて以下のような効果がある。
（６）すなわち、複数の空調空間Ａにおける冷房や暖房を集中制御したり、各空調空間Ａごとに個別制御したりできるので、集中または個別の遠隔発停や、スケジュール運転等の省エネルギー運転が実施できる。
【００３８】
（７）さらに、ヒートポンプ３と各空調空間Ａの空調室内機４との接続工事や、制御配線工事等としては、個別分散方式の空調システムとして標準化されたビル用マルチ方式の施工システムが利用可能なので、さらなる施工コストの低減を図ることができる。
【００３９】
〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態に係る地中熱利用装置としての空気調整装置１Ｃについて、図４に基づいて説明する。
図４は、本実施形態の空気調整装置１Ｃを示す概略構成図である。
本実施形態の空気調整装置１Ｃは、一次冷媒配管５の構成、複数の地中熱交換器２が互いに並列に接続されている点、および一次冷媒配管５に地盤温度回復用の大気放熱用凝縮器１８が接続されている点が、前記第３実施形態の空気調整装置１Ｂと相違し、その他の構成は、第３実施形態と略同様である。なお、ここでは、複数の地中熱交換器２を並列に接続したものについて説明するが、複数の地中熱交換器２が互いに直列に接続されていてもよい。また、複数の地中熱交換器２が複数のヒートポンプ３に接続されていてもよく、さらには、複数の地中熱交換器２を接続した系統が複数設けられていてもよい。
【００４０】
空気調整装置１Ｃでは、複数の地中熱交換器２が互いに並列に一次冷媒配管５で接続されている。これら複数の地中熱交換器２としては、建物の基礎杭である鋼管杭に内蔵されたものが好適である。また、一次冷媒配管５には、地盤温度回復用の大気放熱用凝縮器１８が、ヒートポンプ３と切替可能に接続されている。この大気放熱用凝縮器１８は、熱交換器１８Ａと、ファン１８Ｂとを備え、一次冷媒配管５中の自然冷媒と外気との間で熱交換することで自然冷媒を冷却するために用いられる。つまり、夏期の冷房運転時における地中熱交換器２から地盤Ｇへの放熱量が、冬期の暖房運転時における採熱量に対し、地盤Ｇの自然回復力を含めてもバランスしない程過多な場合は、地盤Ｇの余剰な熱を大気放熱用凝縮器１８から大気に放熱開放し、地中温度を回復させて長期的に地中熱を使用可能にするものである。
【００４１】
そして、一次冷媒配管５の構成は、前記第２実施形態と略同様であり、複数の切替弁１１によって放熱時と採熱時とで循環経路が切り替えられるとともに、図示しない圧力調整装置によって一次冷媒配管５中の自然冷媒の封入圧力が調整されるようになっている。また、一次冷媒配管５において、放熱時の循環経路における循環ポンプ１２の手前位置には、受液器１９が設けられている。この受液器１９は、冷房運転時（放熱時）においては、地中熱交換器２で凝縮された自然冷媒の一部が液化されずにガス混じりで戻ってきたとしても、循環ポンプ１２にエア噛みが生じないようにするためのものであり、受液器１９で気液分離された液体の自然冷媒が循環ポンプ１２に送られるようになっている。一方、採熱時においては、前述のように状態変化による自然循環によって自然冷媒が循環されるため、循環ポンプ１２の運転が不要になっている。
【００４２】
このような本実施形態によれば、前述の(１)〜(３)、(５)〜(７)の効果に加えて以下のような効果がある。
（８）すなわち、夏期の冷房負荷が冬期の暖房負荷よりも過大になるような場合に、地盤中の余剰な熱を大気放熱用凝縮器１８から大気に放熱することで、地中温度の上昇を防止することができ、長期間に渡って安定した地盤への採熱を実施することができる。
【００４３】
（９）また、負荷に応じて複数の地中熱交換器２を適宜切り替えて運転する、あるいは複数の地中熱交換器２を接続した系統を複数設け、これら複数系統を適宜切り替えて運転すれば、地盤Ｇへの負担を抑制しつつ、空気調整装置１Ｃ全体の運転効率を一層向上させることができる。
【００４４】
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記各実施形態においては、空気調整装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃについて説明したが、本発明の地中熱利用装置としては、冷暖房可能な空気調整装置に限らず、冷房のみ可能な冷房装置や暖房のみ可能な暖房装置でもよく、また冷蔵庫（冷凍庫）や温蔵機、給湯器、冷水器などであってもよい。
【００４５】
また、前記各実施形態では、ヒートポンプ３の一次凝縮・蒸発器９と空調室内機４の二次凝縮・蒸発器１０との間を二次冷媒配管６で接続して冷媒を直接循環させる方式が採用されていたが、二次側配管は、水や不凍液等の熱媒水を循環させる水配管であってもよく、この場合には、ヒートポンプ３内に二次凝縮・蒸発器１０を設け、一次および二次凝縮・蒸発器９，１０、圧縮機７および膨張弁８間に冷媒を循環させる冷媒配管を設ければよい。
また、前記第１〜第３実施形態では、前記第４実施形態における受液器１９の説明を省略したが、第１〜第３実施形態の一次冷媒配管５においても同様な受液器が設けられており、循環ポンプ１２のエア噛みが防止できるようになっている。
【００４６】
また、前記第４実施形態では、一次冷媒配管５に大気放熱用凝縮器１８を接続したが、これに限らず、地盤温度回復用の大気採熱用蒸発器を接続してもよく、大気放熱用凝縮器と大気採熱用蒸発器とを並列かつ切替可能に接続してもよい。このような大気採熱用蒸発器を接続すれば、冬期における暖房負荷が冷房負荷よりも過大になった場合には、地中熱交換器からの一次側配管の接続を大気採熱用蒸発器側に切り替え、大気から採熱した熱を地盤に供給することで、地中温度の低下を防止して長期間に渡って安定した地盤からの採熱を実施することができるようになる。
【００４７】
その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る地中熱利用装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る地中熱利用装置を示す概略構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る地中熱利用装置を示す概略構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る地中熱利用装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４９】
２…地中熱交換器、３…ヒートポンプ、４…負荷機としての空調室内機、５…一次側配管としての一次冷媒配管、５Ａ…放熱用配管、５Ｂ…採熱用配管、６…二次側配管としての二次冷媒配管、７…圧縮機、８…膨張弁、９…一次凝縮・蒸発器（熱交換器）、１０…二次凝縮・蒸発器、１３…圧力調節手段としての圧力調整装置、１８…大気放熱用凝縮器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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