(57)【要約】【課題】地中熱交換機の採熱、放熱能力を回復可能とした効率的な地中熱利用空調システムを提供することを目的とする。【解決手段】地中熱利用空調システムにおいて、地中に設置された地中熱交換器とヒートポンプとの間を熱交換可能に連結し、ヒートポンプと被空調空間及び大気との熱交換器とを切替可能に連結し、冷暖房運転時には、地中熱交換器、ヒートポンプ、被空調空間とを連結して被空調空間を冷暖房し、冷暖房運転時以外で電気使用料金が安価な時に、地中熱交換器、ヒートポンプ、大気との熱交換器とを連結し、前記ヒートポンプを冷暖房運転時の運転と反対の運転をすることにより地中熱交換器の放熱又は採熱能力を回復させることを特徴とする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に設置された地中熱交換器とヒートポンプとの間を熱交換可能に連結し、ヒートポンプと被空調空間及び大気との熱交換器とを切替可能に連結し、冷暖房運転時には、地中熱交換器、ヒートポンプ、被空調空間とを連結して、地中に放熱又は採熱しながら被空調空間を冷暖房し、冷暖房運転時以外で電気使用料金が安価な時に、地中熱交換器、ヒートポンプ、大気との熱交換器とを連結し、前記ヒートポンプを冷暖房運転時の運転と反対の運転をすることにより地中熱交換器の放熱又は採熱能力を回復・向上させることを特徴とする地中熱利用空調システム。
【請求項２】
地中に設置された少なくとも２グループ以上の地中熱交換器とヒートポンプとを熱交換可能に連結すると共に、前記ヒートポンプと被空調空間及び２グループ以上の地中熱交換器の他方の地中熱交換器とを切替可能に連結し、冷暖房運転時、前記少なくとも２グループ以上の地中熱交換器の一方とヒートポンプと被空調空間とを連結して地中に放熱又は採熱しながら冷暖房運転をし、冷暖房運転時以外で電気使用料金が安価な時に、前記ヒートポンプと少なくとも２グループ以上の地中熱交換器とを連結し、前記ヒートポンプで冷暖房運転時の運転と反対の運転をすることにより、少なくとも２グループ以上の地中熱交換器の一方の地中熱交換器の放熱又は採熱能力を回復させ、且つ２グループ以上の地中熱交換器の他方の地中熱交換器に長期的な採熱又は放熱能力を蓄積することを特徴とする地中熱利用空調システム。
【請求項３】
前記地中熱交換器とヒートポンプとの間にブラインを循環させることにより熱交換することを特徴とする請求項１又は２に記載の地中熱利用空調システム。
【請求項４】
前記地中熱交換器とヒートポンプとの間に直接冷媒を循環させることにより熱交換することを特徴とする請求項１又は２に記載の地中熱利用空調システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地熱を利用した被空調空間を冷暖房する地中熱利用空調システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
外気に左右されず年間を通して安定した温度に保たれる地中に、地中熱交換器を設置し、地中熱交換器とヒートポンプとの間で熱交換可能として被空調空間を冷暖房する地中熱利用空調システムが開発されている。
地中熱利用空調システムは、年間を通じて安定した温度の大地を熱源として利用するため、空気熱源等の他システムに比べ成績係数（冷暖房能力／使用電力）の高いシステムである。
【０００３】
【非特許文献１】「地球熱利用システム・地中熱利用ヒートポンプシステムの特徴と課題」新エネルギー産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）発行パンフレット９ページ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の地中熱利用空調システムは、地中に設置された熱交換器とヒートポンプとの間で冷暖房運転のための放熱又は採熱の熱交換が続くと、時間の経過にともない地中熱交換器周辺の地中温度が上昇又は下降し、地中熱交換器の放熱又は採熱能力は減少する。
図中１０（ａ）は、冷房又は暖房運転を行う際の放熱又は採熱にともなう地中熱交換器からの距離に応じた地中温度分布の経時変化を示す。
図中の実線▲１▼は、冷房又は暖房開始時の１日目運転終了時点の地中温度分布を示し、点線▲２▼及び▲３▼は、冷房又は暖房運転期におけるその後の運転時間の経過による地中温度分布の変化を示す。
図１０（ｂ）は、冷房又は暖房運転期における放熱又は採熱能力の経時変化を示す。
図１０（ｂ）▲３▼の時点のように時間経過とともに減少していった放熱又は採熱能力は見掛け上安定するが、その放熱又は採熱能力は初期▲１▼の時点に比べ著しく低下することになり、結果的に冷房又は暖房能力も初期に比べ著しく低下する。
従来の地中熱利用空調システムの冷房又は暖房能力は、この▲３▼の時点の放熱又は採熱能力を基に設計されているのが現状である。このため、標準的な戸建住宅では、冷暖房・給湯負荷等を地中熱でまかなう場合、一般的に１００ｍ程度のボアホール型地中熱交換器が必要になっており、また、住宅以外の業務用建築物では、敷地内に設置し得る数量の地中熱交換器で安定的に得られる冷暖房能力が建物全体の負荷に満たない場合が多く、成績係数の高い地中熱利用空調は部分的にしか使用できず、空調熱源等成績係数の劣る他の空調システムと併用して採用しなければならない事例が多い。
【０００５】
本発明は、上記従来の地中熱利用空調システムの持つ問題点を解消する、地中熱交換器の採熱、放熱能力を回復可能とした効率的な地中熱利用空調システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本第１発明は、前記課題を解決するために、地中熱利用空調システムにおいて、地中に設置された地中熱交換器とヒートポンプとの間を熱交換可能に連結し、ヒートポンプと被空調空間及び大気との熱交換器とを切替可能に連結し、冷暖房運転時には、地中熱交換器、ヒートポンプ、被空調空間とを連結して、地中に放熱又は採熱しながら被空調空間を冷暖房し、冷暖房運転時以外で電気使用料金が安価な時に、地中熱交換器、ヒートポンプ、大気との熱交換器とを連結し、前記ヒートポンプを冷暖房運転時の運転と反対の運転をすることにより地中熱交換器の放熱又は採熱能力を回復・向上させることを特徴とする。
【０００７】
本第２発明は、地中熱利用空調システムにおいて、地中に設置された少なくとも２グループ以上の地中熱交換器とヒートポンプとを熱交換可能に連結すると共に、前記ヒートポンプと被空調空間及び２グループ以上の地中熱交換器の他方の地中熱交換器とを切替可能に連結し、冷暖房運転時、前記少なくとも２グループ以上の地中熱交換器の一方とヒートポンプと被空調空間とを連結して地中に放熱又は採熱しながら冷暖房運転をし、冷暖房運転時以外で電気使用料金が安価な時に、前記ヒートポンプと少なくとも２グループ以上の地中熱交換器とを連結し、前記ヒートポンプで冷暖房運転時の運転と反対の運転をすることにより、少なくとも２グループ以上の地中熱交換器の一方の地中熱交換器の放熱又は採熱能力を回復させ、且つ２グループ以上の地中熱交換器の他方の地中熱交換器に長期的な採熱又は放熱能力を蓄積することを特徴とする。
【０００８】
本第３発明は、本第１又は第２発明の地中熱利用空調システムにおいて、前記地中熱交換器とヒートポンプとの間にブラインを循環させることにより熱交換することを特徴とする。
【０００９】
本第４発明は、本第１又は第２発明の地中熱利用空調システムにおいて、前記地中熱交換器とヒートポンプとの間に直接冷媒を循環させることにより熱交換することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図により説明する。
図１は、本発明の地中熱利用空調システム１を、夏期の冷房用に適用した一実施形態を示す図である。
地中熱利用空調システム１は、地中に設置される地中熱交換器２、ヒートポンプ３、被空調空間４、大気との熱交換器５及びブライン（熱媒体液体又は熱媒体気体）を循環させるブライン配管６を有する。
地中熱交換器２は、地中に形成されるボアホール、杭基礎、直接基礎、地中連続壁等の地中地盤と接するすべての部材に適用可能である。
ヒートポンプ３は、圧縮機７と凝縮器８と膨張弁９と蒸発器１０とそれらを接続し冷媒を循環する冷媒配管１１と冷媒の流れを正逆方向に切り替える四方弁１２から構成される。
図１に示されるように、地中熱利用空調システム１を冷房用に適用する場合、地中熱交換器２内のブラインとヒートポンプ３の凝縮器８からブライン配管６を通して循環するブラインとで熱交換し、地中に放熱し、被空調空間４とヒートポンプ３の蒸発器１０との間で熱交換し、被空調空間４を冷房する。
【００１１】
地熱利用空調システム１の冷房運転時以外で、電気使用料金が安価な時（例えば夜間）に、地中熱交換器２の放熱能力を回復するための運転を行う。図２は回復運転の実施状態を示す図である。
この状態では、冷媒の冷媒配管１１を通しての循環が冷房運転時とは逆循環とし、ヒートポンプ３の凝縮器８と大気との熱交換器５との間で熱交換し、ヒートポンプ３の蒸発器１０からブライン配管６を通して循環するブラインと地中熱交換器２内のブラインとで熱交換し、地中を冷却し、地中熱交換器２の放熱能力を回復させる。
【００１２】
図３は、夏期の地中熱利用空調システム１の冷房運転と地中熱交換器２の放熱能力回復運転が交互に行われている状態を示す図である。実線で示されるものは、冷房運転１３をすることにより、地中熱交換器２の放熱能力が低下するが、電気使用料金が安価な時（例えば夜間）に行われる放熱能力回復運転１４により地中熱交換器２の放熱能力が回復し、初期の能力を維持した冷房運転が可能になることを示している。
図３において破線で示されるのは、放熱能力回復運転を行わない場合の地中熱交換器２の放熱能力の低下状態を示すもので、数日で放熱能力が著しく低下することを示している。
【００１３】
図２の放熱能力回復のための地中冷却運転を行い、地中温度が初期温度に戻り、放熱能力が回復した後も、さらに冷却運転を続ければ、地中温度は初期温度よりさらに低下し、放熱能力そして冷房能力を初期よりも向上させることが可能となる。回復後も冷却運転を続けた場合の地中温度分布を図１０（ａ）の一点鎖線▲４▼に、放熱能力を図１０（ｂ）の▲４▼に示す。初期状態の▲１▼に比べ、▲４▼では空調運転前よりも地中熱交換器からの距離に応じた地中温度分布がさらに低い状態になり、放熱能力が向上している。
【００１４】
図４は、地中熱利用空調システム１を、冬期の暖房用に適用した一実施形態を示す図である。
図４に示されるように、地中熱利用空調システム１を暖房用に適用する場合、地中熱交換器２内のブラインとヒートポンプ３の蒸発器１０からブライン配管６を通して循環するブラインとで熱交換し、地中から採熱し、被空調空間４とヒートポンプ３の凝縮器８との間で熱交換し、被空調空間４を暖房する。
【００１５】
地中熱利用空調システム１の暖房運転時以外で、電気使用料金が安価な時（例えば夜間）に、地中熱交換器２の採熱能力を回復するための運転を行う。図５は回復運転の実施状態を示す図である。
この状態では、冷媒の冷媒配管１１を通しての循環が暖房運転時とは逆循環とし、ヒートポンプ３の蒸発器１０と大気との熱交換器５との間で熱交換し、ヒートポンプ３の凝縮器８からブライン配管６を通して循環するブラインと地中熱交換器２内のブラインとで熱交換し、地中を加熱し地中熱交換器２の採熱能力を回復させる。
【００１６】
図６は、冬期の地中熱利用空調システム１の暖房運転と地中熱交換器２の採熱能力回復運転が交互に行われている状態を示す図である。実線で示されるものは、暖房運転１５をすることにより、地中熱交換器２の採熱能力が低下するが、電気使用料金が安価な時（例えば夜間）に行われる採熱能力回復運転１６により地熱交換機２の採熱能力が回復し、初期の能力を維持した暖房運転が可能になることを示している。
図６において破線で示されるのは、採熱能力回復運転１６を行わない場合の地中熱交換器２の採熱能力の低下状態を示すもので、数日で採熱能力が著しく低下することを示している。
【００１７】
図２の採熱能力が回復のための地中加熱運転を行い、地中温度が初期温度にもどり、採熱能力回復した後も、さらに加熱運転を続ければ、地中温度は初期温度よりさらに上昇し、採熱能力そして暖房能力を初期よりも向上させることが可能となる。回復後も加熱運転を続けた場合の地中温度分布を図１０（ａ）の一点鎖線▲４▼に、採熱能力を図１０（ｂ）の▲４▼に示す。初期状態の▲１▼に比べ、▲４▼では空調運転前よりも地中熱交換器からの距離に応じた地中温度分布がさらに高い状態になり、採熱能力が向上している。
【００１８】
図７は、本発明の地中熱利用空調システムを夏期の冷房運転期間の冷房運転時外であって電気使用料金が安価な時（夜間）に実施される地熱交換機２の放熱能力回復運転時の他の実施形態を示す図である。
この実施形態においては、少なくとも２グループ以上の地中熱交換器２、２’を有する。２グループ以上の地中熱交換器２、２’は、所定間隔を置いて配置されるのが好ましい。
この実施形態においても、冷房運転時は図１に示される実施形態と同様に、少なくとも２グループ以上の地中熱交換器２、２’の一方の地熱交換機２内の充填材とヒートポンプ３の凝縮器８からブライン配管６を通して循環するブラインとで熱交換し、被空調空間４とヒートポンプ３の蒸発器１０との間で熱交換し、地中に放熱し、被空調空間４を冷房する。
この実施形態における放熱能力回復運転は、ヒートポンプ３の蒸発器１０からブライン配管６を通して循環するブラインと一方の地中熱交換器２内の充填材とで熱交換し、一方の地中熱交換器２周囲の地中を冷却し、一方の地熱交換機２の放熱能力を回復させ、ヒートポンプ３の凝縮器８からブライン配管６を通して循環するブラインと他方の地熱交換機２’内の充填材と熱交換して、他方の地熱交換機２’周囲の地中に放熱し、次の暖房期間の採熱能力を向上させるための長期的な高温蓄熱が実施され、大気との熱交換器５による放熱を実施しない。
【００１９】
図８は、本発明の地熱利用空調システム１を冬期の暖房運転期間の暖房運転時外で電気使用料金が安価な時に実施される地中熱交換器２の採熱能力回復運転時の他の実施形態を示す図である。
この実施形態においても、暖房運転時は図４に示される実施形態と同様に、少なくとも２グループ以上の一方の地中熱交換器２内の充填材とヒートポンプ３の蒸発器１０からブライン配管６を通して循環するブラインとで熱交換し、被空調空間４とヒートポンプ３の凝縮器８との間で熱交換し、地中から採熱し、被空調空間４を暖房する。
この実施形態における採熱能力回復運転は、ヒートポンプ３の凝縮器８からブライン配管６を通して循環するブラインと一方の地中熱交換器２内の充填材とで熱交換し、一方の地中熱交換器２周囲の地中を加熱し、一方の地熱交換機２の採熱能力を回復させ、ヒートポンプ３の蒸発器１０からブライン配管６を通して循環するブラインと他方の地熱交換機２’内の充填材と熱交換して、他方の地熱交換機２’周囲の地中から採熱し、次の冷房期間の放熱能力を向上させるための長期的な低温蓄熱が実施され、大気との熱交換器５による熱交換を実施しない。
【００２０】
図９（ａ）（ｂ）は、地中熱交換器２内に満たされた充填材とヒートポンプ３との熱交換を、ブライン配管を通して循環するブラインにより行うのではなく、ヒートポンプ３の冷媒配管１１を循環する冷媒と地中熱交換器２内に満たされた水、グラウト等の充填材とで行うものである。
図９（ａ）は、地中熱利用空調システム１の冷房運転の状態を示すもので、地中熱交換器２内に満たされた充填材と熱交換する冷媒配管１１自体がヒートポンプ３の凝縮器８として機能し、地中に放熱し、ヒートポンプ３の蒸発器１０と被空調空間４との間で熱交換し被空調空間４を冷房する。
図９（ｂ）は、地中熱利用空調システム１の暖房運転の状態を示すもので、地中熱交換器２内に満たされた充填材と熱交換する冷媒配管１１自体がヒートポンプ３の蒸発器１０として機能し、地中から採熱しヒートポンプ３の凝縮器８と被空調空間４との間で熱交換し被空調空間４を暖房する。
【００２１】
以上、本発明の地中熱利用システムの実施形態の用途として空調を中心として説明してきたが、本発明の地中熱利用システムの用途は空調に限定されるものではなく、融雪、給湯等の他の用途にも適用可能であることは当然のことである。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の冷暖房運転時以外で電気使用量が減少する時に、地中熱交換器、ヒートポンプ、大気との熱交換器とを連結し、電気使用量の少ない時に設定される安価な電力を使用し、前記ヒートポンプを冷暖房運転時の運転と反対の運転をすることにより地中熱交換器の放熱又は採熱能力を回復させる構成により、冷暖房運転を長期間繰り返しても、初期の高位な地中熱交換器の放熱又は採熱能力を確保またはさらに向上させることができ、効率的に地中から熱を得ることができ、地中熱交換器ボリュームの低減や、建築物全負荷への地中熱利用対応が可能になる。
また、放熱又は採熱能力回復運転が、冷暖房運転時外の電気使用料金が安価な使用量減少時（夜間）に実施されるため、電力供給能力に影響されることがなく、安い電気料金で運転できるので、低コストの地中熱利用空調システムとすることができる。
さらに、ヒートポンプと少なくとも２グループ以上の地中熱交換器を連結し、前記ヒートポンプで冷暖房運転時の運転と反対の運転をすることにより、少なくとも２グループ以上の地中熱交換器の一方の地中熱交換器の放熱又は採熱能力を回復させ、且つ２グループ以上の地中熱交換器の他方の地中熱交換器に長期的な放熱又は採熱能力を蓄積する構成により、冷房又は暖房運転期間に次の暖房又は冷房運転期間のための長期的採熱又は放熱能力を蓄積することができ、低コストで効率のよい地熱利用空調システムとすることができ、大気との熱交換がないので、ヒートアイランド現象を抑制することができる。
地中熱交換器内の充填材に直接ヒートポンプの冷媒配管を配置することで熱交換効率がよくなり、ブライン配管が必要なくなり、ブライン搬送動力を削減でき、運転のための必要エネルギーを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷房運転時の一実施形態を示す図である。
【図２】本発明の放熱能力回復運転の一実施形態を示す図である。
【図３】本発明の冷房及び放熱能力回復の交互運転による地中熱交換器の放熱能力回復状態を示す図である。
【図４】本発明の暖房運転時の一実施形態を示す図である。
【図５】本発明の採熱能力回復運転の一実施形態を示す図である。
【図６】本発明の暖房及び採熱能力回復の交互運転による地中熱交換器の採熱能力回復状態を示す図である。
【図７】本発明の放熱能力回復運転の他の実施形態を示す図である。
【図８】本発明の採熱能力回復運転の他の実施形態を示す図である。
【図９】本発明の地中熱交換器とヒートポンプとの間の熱交換の他の実施形態を示す図である。
【図１０】（ａ）（ｂ）従来技術の問題点を示す図である。
【符号の説明】
１：地中熱利用空調システム
２：地中熱交換器
３：ヒートポンプ
４：被空調空間
５：大気との熱交換器
６：ブライン用配管
７：圧縮機
８：凝縮器
９：膨張弁
１０：蒸発器
１１：冷媒用配管
１２：四方弁
１３：冷房運転
１４：放熱能力回復運転
１５：暖房運転
１６：採熱能力回復運転
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005048972.tif 000009
【図８】
2005048972.tif 000010
【図９】
2005048972.tif 000011
【図１０】
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