(57)【要約】【課題】地中熱源ヒートポンプ装置を冷房負荷主体の地域にも効率よく適用できる装置を提供する。【解決手段】地中熱交換器の他に空気熱交換器を設けた。空気熱交換器は、冷房運転時に地中熱交換器の上流側になる位置に配置した。これにより冷房時の凝縮熱は空気熱交換器にて大気に放出し、温度が低く高質な地中熱は凝縮液の過冷却のために使われる。これにより、地中熱へ放出した過冷却分は全て冷房能力の増加となるので効率がアップする。そして、冷房排熱の大半は大気に放出されるので、冷房負荷が主体の地域でも地中への熱負荷が冷房時に突出することもない。【選択図】図１
2006284022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中熱を熱源として冷暖房を行う地中熱源ヒートポンプ装置において、ガス四方弁２の熱源側接続口２Ｃと水熱交換器５のガス側接続口５Ａとの間に空気熱交換器４を設けたことを特徴とする地中熱源ヒートポンプ装置。
【請求項２】
ガス四方弁２の熱源側接続口２Ｃと熱源切替ガス四方弁１３の接続口１３Ａを接続し、該ガス四方弁２の冷温水器側接続口２Ａとデフロスト用ガス三方弁１５の接続口１５Ａを接続し、前記熱源切替ガス四方弁の他の接続口１３Ｂを空気熱交換器４のガス側接続口４Ａと、１３Ｃを前記デフロスト用ガス三方弁１５の接続口１５Ｂと、１３Ｄを水熱交換器５のガス側接続口５Ａと接続し、前記デフロスト用ガス三方弁１５の接続口１５Ｃと冷温水器９のガス側接続口９Ａを接続し、液四方弁７の熱源側接続口７Ｂと熱源切替液四方弁１４の接続口１４Ｃを接続し、該液四方弁７の冷温水器側接続口７Ｄとデフロスト用液三方弁１６の接続口１６Ａと接続し、前記熱源切替液四方弁１４の他の接続口１４Ａを前記デフロスト用液三方弁１６の接続口１６Ｂと、１４Ｂを水熱交換器５の液側接続口５Ｂと、１４Ｄを空気熱交換器４の液側接続口４Ｂとをそれぞれ接続し、前記デフロスト用液三方弁１６の接続口１６Ｃを冷温水器９の液側接続口９Ｂと接続し、空気熱交換器４の液側接続口４Ｂと水熱交換器５のガス側接続口５Ａの間に電磁弁１７を設けたことを特徴とする請求項１に記載の地中熱源ヒートポンプ装置。ただし、空気熱交換器４の液出入口部と液側接続口４Ｂとの間にはサブクール弁４Ｃ並びに逆止弁４Ｄを設置し、これらをバイパスするラインに電磁弁４Ｅが設置されて成る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱を熱源として冷暖房を行う地中熱源ヒートポンプ装置の建設コスト抑制ならびに効率向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の地中熱源ヒートポンプ装置では、冷房運転時の冷房排熱の全てを地中熱交換器を通して地中に放熱していた。
そこで、図４に示すように特許文献２には、地中熱交換器と並列に冷却塔並びにボイラーあるいは空冷ヒートポンプの温水コイルから成る補助熱源を接続し、これらを切換え使用し、暖房負荷に応じた地中採熱量と、冷房負荷に応じた地中放熱量とが等しくなるようにした空気調和システムが開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２８９５３３号公報
【特許文献２】特開２００３−１３０４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし日本国内では一部の寒冷地域を除いて冷房負荷は暖房負荷より大きく、その上、冷房時は圧縮機に消費される電力分が冷房負荷に加算されて冷房排熱となるため、地中熱交換器にかかる負荷は圧倒的に冷房運転時に大きい。これにより地中熱源ヒートポンプで冷・暖房共に行おうとすると、建設費の嵩む地中熱交換器は冷房運転条件で選定しなければならなかった。これが建設コストを押し上げ冷・暖房共用の地中熱源ヒートポンプ装置の普及の障害となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、冷房負荷が暖房負荷より大きい日本国内の大半の地域でも地中熱源ヒートポンプによる冷暖房を低コストで、かつ高効率に実施するためのものである。
【０００５】
このため、冷房運転と暖房運転の回路を切替えるためのガス四方弁の熱源側接続口２Ｃと水熱交換器のガス側接続口５Ａの間に空気熱交換器４を設けた。冷房運転時の空気熱交換器の役割は冷房排熱を大気に放出することである。そして、この時、水熱交換器は空気熱交換器で凝縮した冷媒液を過冷却させるために使われる。
【０００６】
地中温度は年間を通して、ほぼ一定で、外気温度に比べて冷房期には低く、暖房期には高い。このためヒートポンプの熱源として考えると地中熱は大気熱より高品質と言われている。しかし、地中熱の難点は熱の出し入れが比較的困難なことである。それでも暖房運転に限れば、空気熱源ヒートポンプでは空気熱交換器への着霜という厄介な問題があるため、地中熱源ヒートポンプの優位性は顕著であった。
【０００７】
ところが、冷房運転においては空気熱源ヒートポンプの冷房排熱の大気への放出には特別の困難はない。その上、先に述べた通り、地中熱交換器での交換熱量も暖房運転時に比べて圧倒的に多く、冷房条件で地中熱交換器の選定を行わなければならないことが建設コストを押し上げ、普及の妨げとなっていた。
【０００８】
このため、本発明では冷房排熱は空気熱交換器を介して大気に放出することとした。そして空気熱交換器で凝縮した冷媒液を地中熱でさらに冷却し、過冷却状態とする。これにより、地中熱で冷却した過冷却熱量と等量が冷却能力の増加となって冷房運転の効率を向上させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施例に基づき本発明を説明する。
【実施例１】
【００１０】
本発明の実施例１を図１を参照しながら説明する。はじめに冷房運転時の動作について説明する。圧縮機１で圧縮された高温高圧の冷媒ガスはガス四方弁２，三方弁３を通って空気熱交換器４に入り、ここにて冷房排熱を大気に放出して、凝縮・液化する。空気熱交換器の液出口側のサブクール弁４Ｃは、空気熱交換器４で冷媒ガスの全量を確実に凝縮させるためのもので、未凝縮ガスがここを通過するのを防ぐ役割を果たす。このようにして、完全に凝縮した冷媒液は、逆止弁４Ｄを通って水熱交換器５に導かれ、ここで地中熱交換器１１で低温に冷やされた不凍液と熱交換し、冷却され過冷却液となる。過冷却液は、液四方弁７を経由して膨張弁８に至り、ここで減圧され低温低圧液となって、液四方弁７を通って冷温水器９に入る。ここで冷媒液は空調機１２を循環する冷水より熱を奪い、これを冷却する。そして自身は完全に蒸発・ガス化して、ガス四方弁２を通って、圧縮機１に戻り、ここで圧縮されてサイクルを完了する。
【００１１】
次に暖房運転時の動作について説明する。圧縮機１で圧縮された高温高圧の冷媒ガスはガス四方弁２を通って冷温水器９に入り、ここにて凝縮熱を空調機１２を循環する温水に放出し、温水を加熱すると同時に、自身は凝縮・液化する。凝縮液は、液四方弁７を経由して膨張弁８に至り、ここで減圧され低温低圧液となって、液四方弁７を通って水熱交換器５に入る。ここで冷媒液は地中熱交換器１１を循環する不凍液より熱を奪い、完全に蒸発・ガス化して、三方弁３，ガス四方弁２を通って、圧縮機１に戻り、ここで圧縮されてサイクルを完了する。
【実施例２】
【００１２】
次に実施例２を図２を参照しながら説明する。第２の発明では、空気熱交換器４を暖房時の蒸発器としても使えるようにし、そしてデフロスト熱源として地中熱を利用できるようにした。
【００１３】
はじめに冷房運転時の動作について説明する。圧縮機１で圧縮された高温高圧の冷媒ガスはガス四方弁２，熱交切替ガス四方弁１３を通って空気熱交換器４に入り、ここにて冷房排熱を大気に放出して、凝縮・液化する。ここで凝縮した冷媒液は、サブクール弁４Ｃ，逆止弁４Ｄ，電磁弁１７を通って水熱交換器５に導かれ、ここで地中熱交換器１１で低温に冷やされた不凍液と熱交換し、冷却され過冷却液となる。過冷却液は、熱交切替液四方弁１４，液四方弁７を経由して膨張弁８に至り、ここで減圧され低温低圧液となって、液四方弁７，デフロスト用液三方弁１６を通って冷温水器９に入る。ここで冷媒液は空調機１２を循環する冷水より熱を奪い、これを冷却する。そして自身は完全に蒸発・ガス化して、デフロスト用ガス三方弁１５，ガス四方弁２を通って、圧縮機１に戻り、ここで圧縮されてサイクルを完了する。
【００１４】
次に暖房運転時の動作について説明する。圧縮機１で圧縮された高温高圧の冷媒ガスはガス四方弁２，デフロスト用ガス三方弁１５を通って冷温水器９に入り、ここにて凝縮熱を空調機１２を循環する温水に放出し、温水を加熱すると同時に、自身は凝縮・液化する。凝縮液は、デフロスト用液三方弁１６，液四方弁７を経由して膨張弁８に至り、ここで減圧され低温・低圧液となって、液四方弁７，熱交切替液四方弁１４を通って水熱交換器５に入る。ここで冷媒液は地中熱交換器１１を循環する不凍液より熱を奪い、完全に蒸発・ガス化して、熱交切替ガス四方弁１３の接続口１３Ｄより入り、１３Ａを出て，ガス四方弁２から圧縮機１に戻り、ここで圧縮されてサイクルを完了する。
【００１５】
以上は、地中熱源暖房運転時の動作であるが、本発明では地中熱源が劣化、すなわち地中の温度が低下し、地中熱交換器の採熱能力が低下した場合は、空気熱源運転に切替えることができる。この時の動作は以下の通りである。膨張弁８を出た低温・低圧液は液四方弁７から熱交切替液四方弁１４に至るが、ここで、回路が切替わり、接続口１４Ｄより空気熱交換器の液接続口４Ｂ，電磁弁４Ｅを通って、空気熱交換器４に入る。冷媒液はここで大気より熱を吸収し、完全に蒸発・ガス化して、熱交切替ガス四方弁１３，ガス四方弁２を通って、圧縮機１に戻る。
【００１６】
次に、空気熱源暖房運転のデフロスト動作について説明する。圧縮機１で圧縮された高温高圧の冷媒ガスはガス四方弁２，熱交切替ガス四方弁１３を通って空気熱交換器４に入り、凝縮熱を放出してデフロストを行う。ここで凝縮した冷媒液は、サブクール弁４Ｃ，逆止弁４Ｄを通って、熱交切替液四方弁１４の接続口１４Ｄより入り，１４Ｃより出て、液四方弁７を経由して膨張弁８に至り、ここで減圧され低温低圧液となって、液四方弁７，デフロスト用液三方弁１６，熱交切替液四方弁１４を通って水熱交換器５に入る。ここで冷媒液は地中熱交換器１１を循環する不凍液より熱を奪い、完全に蒸発・ガス化して、熱交切替ガス四方弁１３の接続口１３Ｄより入り、１３Ｃを出て，デフロスト用ガス三方弁１５，ガス四方弁２を通って、圧縮機１に戻り、ここで圧縮されてデフロスト・サイクルを完了する。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明によれば、冷房排熱を空気熱交換器を通じて大気に放出する。このため、地中熱交換器の選定を暖房条件で行うことができ、これにより冷房負荷が主体となる比較的温暖な地域でも地中熱源ヒートポンプによる冷暖房を地中熱交換器の建設負担増がなく実施することができる。
【００１８】
そして、冷房運転時における地中熱の利用は、これをヒートポンプの凝縮液の過冷却のために使っているが、これは地中熱源の温度の低さを生かした合理的な利用方法である。すなわち、過冷却は図３に示す通り冷凍効果を増大させるので、過冷却分がそのまま冷却能力を増加させることになる。
【００１９】
図３は、冷媒としてＨＦＣ１３４ａを使用した場合の過冷却による冷却能力の増加割合をモリエル線図上に示したものである。図のように、空気熱交換器における冷媒凝縮温度を５０℃，水熱交換器における冷媒過冷却液の出口温度を２０℃と仮定し、冷温水器における蒸発温度を０℃，冷温水器出口における冷媒過熱度を０℃とすると、過冷却のない場合の冷凍効果が１２７．０ｋＪ／ｋｇに対して、本発明の過冷却を行った場合のそれは１７１．１ｋＪ／ｋｇとなる。これにより冷却能力の増加割合は３５％にもなる。
【００２０】
さらに、本発明では空気熱源による暖房運転も可能である。地中熱源暖房運転では運転が長時間にわたり連続すると、地中熱交換器の採熱能力が低下することがある。これによりヒートポンプの加熱能力は低下するが、このような時、空気熱源運転に切替えれば加熱能力の低下を抑えることができる。そして、これにより地中熱交換器の運転を休止すれば、地中温度の回復につながり、地中熱交換器の採熱能力を回復させることができる。
【００２１】
空気熱源運転を行った場合のデフロストは、通常逆サイクル運転で行われるが、この時、温水から熱を奪って、これをデフロストの熱源にするため、温水温度が下がってしまい、空調機に悪影響を与えてしまう。ところが本発明では、デフロストの熱源を地中熱としているため、このような不都合もない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施例を示す系統図。
【図２】本発明の第２実施例を示す系統図。
【図３】冷房運転時の冷媒過冷却の冷却能力増加に与える効果を示すモリエル線図。
【図４】従来の地中熱利用ヒートポンプの一例の系統図。
【符号の説明】
【００２３】
１    圧縮機
２    ガス四方弁
３    三方弁
４    空気熱交換器
５    水熱交換器
７    液四方弁
８    膨張弁
９    冷温水器
【図１】
2006284022.tif 000003
【図２】
2006284022.tif 000004
【図３】
2006284022.tif 000005
【図４】
2006284022.tif 000006