(57)【要約】【課題】土壌の膨大な熱容量を有効に利用するための地熱交換器及びそれを利用して、熱効率が極めて良く、運転費が極めて少ない空調装置が要望されている。【解決手段】地熱交換器を複数の熱交換管と、複数の熱交換管に熱媒体を供給する供給槽と、複数の熱交換管からの熱媒体を収集する収集槽と、で構成し、一年中温度が殆ど変わらない地中に、または大気との間に断熱材を備えて、地中に熱的に導通した蓄熱材の中に埋設する。熱媒体として空気を使用し、外気が地中温度より低い時、または室内温度が冷房設定温度より高い時に、外気をその地熱交換器経由で建物に入れる。これにより冬冷たい外気を地中温度付近まで温め、夏熱い外気を地中温度付近まで冷やして建物に取り入れるので冬暖房の補助をし、夏冷房する。【選択図】  図２
2007032910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体を介して土壌を含む蓄熱材に熱を貯蔵または前記蓄熱材から熱を回収する地熱交換器であって、
高熱伝導材で作られ、互いにほぼ平行に配管された複数の熱交換管と、
前記複数の熱交換管の各々の一端に接続され、前記熱媒体を前記複数の熱交換管に供給する供給槽と、
前記複数の熱交換管の各々の他端に接続され、前記複数の熱交換管からの前記熱媒体を収集する収集槽と、を含み、
前記蓄熱材は一年中温度が殆ど変わらない地中の土壌、または前記地中の土壌に熱的に導通し、大気との間に断熱材を備えている土壌を含むことを特徴とする地熱交換器
【請求項２】
前記蓄熱材は建物の床下のコンクリートと土壌を含み、前記熱媒体は建物に取り入れられる空気であり、前記収集槽は排水口を備えていることを特徴とする請求項１記載の地熱交換器
【請求項３】
前記熱媒体は不凍液であることを特徴とする請求項１記載の地熱交換器
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項目に記載された地熱交換器を備えていることを特徴とする空調装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気または不凍液を土壌と熱交換させる地熱交換器及びその地熱交換器を利用して建物を空調する空調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、土壌の熱特性を利用して住宅の冷房と暖房の補助を行う技術が開発され、実用化されてきた。地表の温度は土壌の熱特性と、気温や日射量等の気象条件により変化するが地中約５ｍ地点では温度は一年中ほとんど変わらなく、ほぼ気温の年間の平均温度である。以下その温度を地中温度と呼ぶ。土壌の熱容量は大きい（地質により異なるが、１立方メートルあたり約５００Ｋｃａｌ／ｋ）ので、土壌との接触面の大きい熱交換器で土壌と熱交換することにより膨大な熱量を土壌から収集、または土壌に蓄積することができる。つまり、冬季は土壌の熱を収集し暖房の補助とし、夏季は熱を土壌に蓄積し家を冷房できる。
【０００３】
土壌の熱を利用するために管を地中深く埋め、その管の中に空気または液体を流して熱交換する方法があるが長い管を地中深く埋めるための埋設工事が高価である。地表の温度は、外気の気温等の気象条件の影響で変わるので地表を気象条件の影響を受けないようにすれば地表は地中との熱伝導によりほぼ地中温度となる。従って、地表を外気から断熱することにより、長い管を地中深く埋設せずに、地表で地熱を利用することができ、その方法が開発された。
【０００４】
その1例（例えば、特許文献１参照）は、断熱材を住宅の基礎の外側にほぼ水平に２ｍ幅で敷設し、その地下約１ｍの深さに外気導入管を埋設するものである。外気導入管は住宅をほぼ１周し、緩勾配で配管し、その最下部に結露枡を配置して結露した水を処理する。外気は長い外気導入管を通過する過程で土壌と熱交換し、外気導入管から出る時、外気は地中温度付近になる。その空気を住宅に入れて住宅を空調する。
【０００５】
他の例（例えば、特許文献２参照）は、住宅の基礎コンクリートの外側に断熱材を敷設し、熱交換器を基礎コンクリートの上に設置して熱交換するものである。図７を参照して説明する。図７の家は高気密高断熱の家であり、換気の空気を地熱伝達器５０で冬季に冷たい外気を暖め室内に導入して暖房の補助をし、夏季に熱い外気を冷やし室内を冷房するものである。家の気密断熱空間は気密断熱層３３と基礎コンクリート３７で形成されている。地中断熱材３４は土壌より上の気密断熱層３３の延長で寒冷地では地中約１ｍまで敷設され、基礎コンクリート３７直下の土壌３６を家の外部の土壌３５の地表から断熱している。給気口２２から給気ファン２３により取り入れられた外気は、切換えダンパー２４によりバイパスダクト２７を通るバイパス経路と地熱伝達器５０を通る地熱伝達経路かのいずれかを通って吹出し口２８から室内に入いる。室内の空気は不図示の排出口から排出される。暖房が必要な冬季に切換えダンパー２４により地熱伝達経路に切換え、外気を基礎コンクリート３７の表面温度まで暖めて室内に入れて暖房の補助をする。また、冷房が必要な夏季に切換えダンパー２４により地熱伝達経路に切換え、外気を基礎コンクリート３７の表面温度まで冷やして室内に入れて室内を冷房する。
【０００６】
地熱伝達器５０は熱抵抗の小さい地熱伝達器台５１の上にその全底面を接触して設置する。地熱伝達器台５１は地熱伝達器５０内で結露した水を排水管５３に集めるためにその上面が傾斜している。地熱伝達器台５１は熱拡散率の大きい銅やアルミニューム等で作成された熱伝達板５２の上に設置されている。熱伝達板５２は基礎コンクリート３７の上に密着して設置されている。熱伝達板５２の面積は大きいほどその直下の基礎コンクリート３７及び土壌の熱容量を利用できるため、できるだけ大きくするのが好ましい。地熱伝達器５０の内部には垂直に配置され互いに熱的に導通した複数の薄い金属シートからなる熱伝達フィンがあり、通過する空気との熱伝達を大きくして空気が地熱伝達器５０を出るときにその温度がほぼ熱伝達フィンの温度となるようにする。熱伝達フィンの面積が大きいほど、熱伝達フィン間の間隔が狭いほど熱伝達が大きい。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−２０８７６４
【特許文献２】特願２００４−０４７７６２（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
土壌と熱交換する熱交換器（地熱交換器）を空調に使うためには地熱交換器から排出される風量が十分であり、且つ地熱交換器から排出される空気の温度が地中温度付近である必要がある。つまり冬季は冷たい外気を地中温度程度にまで暖め暖房の補助をし、夏季は熱い外気を地中温度程度まで冷やし、室内を快適な温度にする。土壌には空気と熱交換した熱が地熱交換器付近に蓄積され、地熱交換器の温度はその蓄熱量が増加するに従って次第に外気温度に近づく。つまり、冬季または夏季の初めは地熱交換器の温度は地中温度付近であるので地熱交換器から排出される空気の温度は地中温度付近であるが、冬季または夏季の終りに近づくにつれて地熱交換器から排出される空気の温度は外気温度に次第に近づく。冬季または夏季の終りに地熱交換器から排出される空気の温度を地中温度付近に保つためには地熱交換器と土壌の接触面積を大きくし、且つ地熱交換器の出口付近の土壌の温度を地中温度付近に保つ必要がある。
【０００９】
従来の、外気導入管により外気を土壌と熱交換する方法は土壌との接触面積を大きくするために長い熱交換用の外気導入管を地中に埋める。そのために次のような問題がある。外気導入管の内径が小さい場合、土壌との接触面積が小さく、また風量を確保するために風速が大きくするので外気導入管に発生する圧力損失が大きくなり、強力なファンが必要である。従って、内径が比較的大きい外気導入管を使う。外気導入管は地中に埋められるので機械的な強度が必要であり、且つ耐腐食性があり、且つ熱伝導率の高い材料を使う必要があるために高価になる。更に、深さ約１ｍの所に埋設されているため管が地震等で破損した場合や埃で汚れた場合のメンテナンスが困難である。更に、建物の周囲の外側に断熱材を敷設するために幅が約２ｍの土地が必要である。
【００１０】
また、従来の熱伝達器を使う方法は熱伝達板とコンクリートとの接触面が平面のため次のような問題がある。熱伝達板の面積が大きい場合、熱伝達板とコンクリートの間に空気層ができ、熱伝達板とコンクリートの間の熱伝導率が低下し、熱伝達器からの空気の温度が地中温度付近にならない。熱伝達器の底面積が大きい場合、熱伝達器の制作費が高価になり、熱伝達器の底面積が小さい場合、面積が大きい熱伝達板を使う必要があり、熱伝達板で熱を広く伝達するために厚い熱伝達板を使う必要があり高価になる。熱伝達板の面積が小さい場合、多数の熱伝達器が必要であり、高価になる。
【００１１】
本発明は前記従来例の不具合を解消し、土壌との熱交換により、空気の温度を地中温度近くまで変化させ、熱容量が大きく、圧力損失を小さく保ち、設置が容易で、メンテナンスが容易で、安価な地熱交換器及びその地熱交換器を利用して建物を空調する空調装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１記載の本発明によれば、本発明の地熱交換器は、熱媒体を介して土壌を含む蓄熱材に熱を貯蔵または前記蓄熱材から熱を回収する地熱交換器であって、高熱伝導材で作られ、互いにほぼ平行に配管された複数の熱交換管と、前記複数の熱交換管の各々の一端に接続され、前記熱媒体を前記複数の熱交換管に供給する供給槽と、前記複数の熱交換管の各々の他端に接続され、前記複数の熱交換管からの前記熱媒体を収集する収集槽と、を含み、前記蓄熱材は一年中温度が殆ど変わらない地中の土壌、または前記地中の土壌に熱的に導通し、大気との間に断熱材を備えている土壌を含むことを特徴とする。
【００１３】
複数の熱交換管を供給槽と収集槽の間に配置することにより、（１）熱媒体と蓄熱材の接触は熱交換管を介して行われるのでその接触面は曲面であり、空気層はできない。（２）熱交換管の長さと直径と流速を適切に選択するにより、圧力損失を小さく保ち、かつ熱媒体の温度を地中温度に近くできる。（３）熱交換管の数量を大きくすることにより圧力損失を大きくせずに流量を大きくできる。（４）熱交換管の長さと数量と間隔を適切にして建物の床下の広い面積を熱交換に利用でき、土壌と交換する熱量を大きくできる。（５）熱交換管は市販のアルミ、ステンレス等の金属の円管を使えるので建材費も安く、設置も容易である。（６）地表に設置すればメンテが容易である。（７）蓄熱材として潜熱蓄熱材を使えば熱容量を大きくできる。地熱交換器は一年中温度が殆ど変わらない地中に埋設しても良いし、また大気との間に断熱材を備えて、地中に熱的に導通した蓄熱材の中に設置しても良い。
【００１４】
請求項２記載の本発明によれば、前記蓄熱材は建物の床下のコンクリートと土壌を含み、前記熱媒体は建物に取り入れられる空気であり、前記収集槽は排水口を備えていることを特徴とする。
【００１５】
建物とその床下の空気は大気から床下の土壌とコンクリート（蓄熱材）を断熱し、床下の土壌とコンクリートは地中に導通しているので、床下の土壌とコンクリートの温度は、他に熱源が無い場合、一年中温度が殆ど変わらない地中温度である。従って、そこに地熱交換器を設置して、建物に取り入れる外気を熱媒体とすれば、外気を夏涼しくし、冬暖かくして建物に取り入れ、建物を空調できる。夏、高温多湿の空気が冷やされると結露する。収集槽の排水口は熱交換管で結露した水を排水する。結露した水を流すために熱交換管は供給槽側を収集槽側より少し高く設置し、水の流れを促進する。また収集槽は傾けて設置するのが好ましく、収集槽の最下部に排水口を設けるのが好ましい。
【００１６】
請求項３記載の本発明によれば、前記熱媒体は不凍液であることを特徴とする。
【００１７】
不凍液の単位体積あたりの熱容量は空気のそれに比べて遥かに大きいので、建物が大きい場合や地熱交換器と建物の距離が長い場合、熱媒体として不凍液を使うのが好ましい。また不凍液は結露しないので地中に埋設する場合は空気より好ましい。不凍液と空気は共に流体であるので地熱交換器の構造は同様である。
【００１８】
請求項４記載の本発明によれば、本発明の空調装置は、請求項１〜３のうちいずれか一項目に記載された地熱交換器を備えていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の地熱交換器を利用することにより、熱媒体として空気を使った場合、ファンで外気を本発明の空調装置に送るだけで、冬冷たい外気を地中温度付近まで温め、夏熱い外気を地中温度付近まで冷やすことができるので、極めて熱効率が良く、運転費が少ない空調装置を構築できる。建物が大きい場合や地熱交換器と建物の距離が長い場合は熱の運搬中の熱の損失を少なくするために熱媒体として不凍液を使うのが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
以上述べたように、本発明の地熱交換器は、建物の床下の蓄熱材に埋設した場合は管を地中深く埋設する必要が無い。更に本発明の地熱交換器は構造が簡単であり、使用部材の長さ等の加工が容易であるので建物の床下のレイアウト等に合わせて容易に作成でき、建物の床下を最大限利用できる。更に蓄熱材と熱交換管との接触面に空気層ができないため蓄熱材と地熱交換器間の熱伝導が良い。熱交換管の長さと本数と直径を適切にすることにより、地熱交換器から排出される熱媒体の温度と流量を適切にでき且つ地熱交換器の圧力損失を適切にできる。更に地熱交換器の構造が簡単で、床下の土壌またはコンクリートの表面に埋設した場合、製作費が安く、設置とメンテナンスが容易である。更に外断熱した建物の床下に設置することにより床下の大部分を地熱交換器に活用できる。更に排水口を配置しているので空気が高温多湿の場合に生じる結露を排水し、メンテナンスを容易にする。更に、蓄熱材として潜熱蓄熱材を使えば熱容量を大きくできる。更に、熱媒体として不凍液を使った場合、熱容量を大きくでき、かつ地熱交換器と空調の場所の距離を長くできる。従って、本発明の地熱交換器を利用することにより、極めて熱効率が良く、運転費が少ない空調装置を構築できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は空気を熱媒体とした本発明の地熱交換器１０が建物の床下に設置された場合の垂直方向の断面図であり、図２はその水平方向の断面図である。図２のBB面の断面図が図１であり、図１のAA面の断面図が図２である。複数の熱交換管１３は土壌１８の上の家の基礎コンクリート１７の上に盛られたコンクリート１６に埋設されている。上流ダクト１１は供給槽１２に連結し、供給槽１２は複数の熱交換管１３の各々の一端に連結している。複数の熱交換管１３の各々の他端は収集槽１５に連結し、収集槽１５は下流ダクト１４に連結している。熱交換管１３は収集槽１５側に向けて下がるように傾斜して埋設されている。収集槽１５は緩勾配で設置され、その最下部に排水管１９が設置されるのが好ましい。上流ダクト１１と供給槽１２、供給槽１２と熱交換管１３、熱交換管１３と収集槽１５、収集槽１５と下流ダクト１４は全て空気が漏れないように連結されているので上流ダクト１１に入った空気は、排水管１９から排出される空気を除いて、全て下流ダクト１４から排出される。
【００２２】
不図示のファンで上流ダクト１１を通して送られた空気は、供給槽１２を経由して複数の熱交換管１３を通過し、収集槽１５で収集され下流ダクト１４から排出される。供給槽１２と収集槽１５のBB面の断面積は熱交換管１３の断面積より遥かに大きくするのが好ましい。その場合、供給槽１２と収集槽１５のBB面の断面に垂直な空気の流れの速度は小さいので、供給槽１２と収集槽１５内の気圧はほぼ均一であり、各熱交換管１３の両端にかかる気圧はほぼ同じである。更に、各熱交換管１３の内径は同じであるので各熱交換管１３に流れる風量はほぼ同じであり、各熱交換管１３で熱交換される量もほぼ同じである。従って、各熱交換管１３の温度分布もほぼ同じであり、各熱交換管１３から出てくる空気の温度もほぼ同じである。空気は熱交換管１３を通過する過程で、高熱伝導材の熱交換管１３と熱交換し、その熱はコンクリート１６と基礎コンクリート１７を経由して土壌１８に伝達される。空気と熱交換管１３の温度差に比例した熱量が熱交換され、空気の温度はその熱量に比例して変わり、次第に地中温度に近づく。一方同じ熱量が熱交換管１３に伝達し熱交換管１３とコンクリート１６と基礎コンクリート１７と土壌１８の温度を変える。熱交換した空気は収集槽１５に集められ下流ダクト１４から排出される。
【００２３】
空気を熱媒体とした本発明の地熱交換器を家の冷暖房に利用した１実施例を図３に示す。図３の家は高気密高断熱の家であり、換気の空気を地熱交換器２５と２６で冬季に冷たい外気を暖め室内に導入して暖房の補助をし、夏季に熱い外気を冷やし室内を冷房するものである。家の気密断熱空間は気密断熱層３３と基礎コンクリート３７で形成されている。地中断熱材３４は土壌より上の気密断熱層３３の延長で寒冷地では地中約１ｍまで敷設され、基礎コンクリート３７直下の土壌３６を家の外部の土壌３５の地表から断熱している。給気口２２から給気ファン２３により取り入れられた外気は、切換えダンパー２４によりバイパスダクト２７を通るバイパス経路と地熱交換器２５と２６を通る地熱交換経路かのいずれかを通って吹出し口２８から室内に入いる。室内の空気は不図示の排気口から排出される。暖房が必要な冬季に切換えダンパー２４により地熱交換経路に切換え、外気を基礎コンクリート３７の温度まで暖めて室内に入れて暖房の補助をする。また、冷房が必要な夏季に切換えダンパー２４により地熱交換経路に切換え、外気を基礎コンクリート３７の温度まで冷やして室内に入れて室内を冷房する。なお、配水管は図面を簡単にするために図に示していない。
【００２４】
地熱交換器の平面はほぼ長方形であるので基礎コンクリートのレイアウトによっては複数の地熱交換器を設置することにより基礎コンクリートと熱交換する面積を大きくできる場合がある。特に地熱交換器の個数が少なく、熱交換管の長さが比較的短い（３ｍ程度）場合は直列に接続するのが好ましい。それは、空気は熱交換管を通過する過程で、空気と熱交換管の温度差に比例した熱量が熱交換され、その熱量が熱交換管に伝達し熱交換管の温度を変える。熱は温度の低い方に拡散されるのでその近傍の温度を変える。例えば、夏、外気温度が高い場合、熱交換管の供給槽付近で熱交換された熱は下流方向にも拡散され下流を温める。季節の終りにはその影響は３ｍ程度にまで及び、地熱交換器からの空気の温度が上昇する。この影響を排除する１つの方法は地熱交換器を直列に接続し、最終段の地熱交換器の収集槽を初段の地熱交換器の供給槽から５ｍ程度離なすことである。図３は地熱交換器を２段直列に接続した例を示す。
【００２５】
図３のように外気を地熱交換器で熱交換させて空調に使用する場合、上流ダクトからの空気は外気であり、その温度は時々刻々変化する。また熱交換管やコンクリートや土壌の温度は場所により異なり、且つそれぞれ時間的変化の割合も異なるので正確な解析は困難である。ここでは季節の初めに蓄熱材の温度分布は均一であり、地中温度と等しいとし、季節の終りにどの程度の熱量を蓄積できるかを見積もる。土壌の熱特性は地質等により異なるが、説明を簡単にするために土壌の熱容量を１立方メートルあたり５００Ｋｃａｌ／ｋとし、熱伝導率を１．０Ｋｃａｌ／ｍｈｋとする。また、コンクリートの熱特性はほぼ土壌の熱特性と同じであるので以下の説明では同じとする。
【００２６】
地表に建物や断熱材が無く土壌が外気に直接接触している場合、図４に示したように、土壌の温度は地中深くになるにつれてほぼ指数関数的に地中温度に近づくことが知られている。図３の実施例では空気が強制的に熱交換管に送られているので単位面積あたり熱交換する熱量は大きく、また地熱交換経路が断続的に選択されるので熱交換が断続的に行われる。しかし蓄熱材の熱特性は同じであり、熱交換が行われる期間はほぼ同じであるので温度分布はほぼ同じ特性を示すと考えられる。つまり、季節の終り頃、土壌の地中方向への温度分布は図４で示すように地中深くになるにつれてほぼ指数関数的に温度が地中温度Ｔｏに近づくと考えられる。土壌に蓄えられた熱量は斜線の面積で表されるので、地表の温度をＴｓとすると１平方メートルあたり土壌に約（Ｔｓ−Ｔｏ）ｘ７５０Ｋｃａｌの熱が蓄えられる。
【００２７】
図１において、空気が熱交換管１３を通過する時に空気は熱交換管１３と熱を交換し、交換した熱量は空気と熱交換管１３の温度差に比例する。空気の温度はその交換した熱量に比例して変わる。一方同じ交換した熱量は熱交換管１３に伝達し熱交換管１３とコンクリート１６と基礎コンクリート１７と土壌１８の温度を変える。また、季節の初めと終りでは温度分布は大きく異なり、また地熱交換器の面積が大きい場合と小さい場合では大きく異なる。従って、熱交換管１３の温度分布と熱交換管１３内の空気の温度分布は非常に複雑であり、正確な温度分布を求めるのは困難である。
【００２８】
ここでは熱交換管１３の温度分布を図５と６を参照して定性的に説明する。位置ｘは図２に示したように熱交換管１３の位置を示し、供給槽１２との接続点が０であり収集槽１５との接続点がLである。説明を簡単にするために季節の始めに熱交換管１３とコンクリート１６と基礎コンクリート１７と土壌１８の温度は全て地中温度Ｔｏとし、外気温度Ｔａは季節の期間中同じとする。
【００２９】
図５（Ａ）は冬の初めの熱交換管１３に沿った熱交換管１３の温度分布４３と熱交換管１３内の空気の温度分布４４を示す。熱交換管内の空気の温度は熱交換管の表面付近では熱交換管の温度に近く、熱交換管の中央付近では熱交換管の温度との差が大きい。温度分布４４で示された温度は熱交換管内の平均温度である。冬の初めでは蓄熱量が少ないので熱交換管１３の温度は、入口（ｘ＝０）付近で空気と熱交換管１３の温度差が大きく、ｘが大きくなるに従って急激に高くなり、その後温度変化は緩やかになり、熱交換管１３の出口（ｘ＝L）の温度Ｔｃはほぼ地中温度Ｔｏである。なお蓄熱量は斜線の領域の面積に比例する。熱交換管１３内の空気の温度は熱交換管１３の入口（ｘ＝０）においてＴａであり、熱交換管１３の温度Ｔｓよりかなり低く、ｘが大きくなるに従って急激に高くなり、その後温度変化は緩やかになり、熱交換管１３の出口（ｘ＝L）の温度Ｔｃはほぼ地中温度Ｔｏである。
【００３０】
図５（Ｂ）は地熱交換器が有効に外気を暖める最後の頃（この時期が冬季の終りになるのが好ましい）の温度分布を示す。熱交換管１３付近の熱は空気に大量に放熱され熱交換管１３の入口（ｘ＝０）の温度Ｔｓは外気温度Ｔａに近づいている。熱交換管１３の温度はｘが大きくなるに従って高くなり、出口（ｘ＝L）の温度Ｔｃは地中温度Ｔｏより少し低い。熱交換管１３内の空気の温度もｘが大きくなるに従って緩やかに高くなり、出口（ｘ＝L）の温度Ｔｂは熱交換管１３の出口（ｘ＝L）の温度Ｔｃより少し低い。地熱交換器が有効であるためには出口の温度Ｔｂと地中温度Ｔｏとの温度差が数度（例えば５度）以下であるのが好ましい。図５（Ｃ）は地熱交換器による放熱が飽和状態になり、熱交換管１３の出口（ｘ＝L）の空気の温度Ｔｂは地中温度Ｔｏよりかなり低く有効に空調できない状態である。季節の終りにこのようになった場合、地熱交換器の面積を大きくすることにより改善できる。
【００３１】
図６（Ａ）は夏の初めの熱交換管１３に沿った温度分布を示す。夏の外気は高温多湿であり、外気を冷やすと結露するので温度分布は冬季に比べて更に複雑になる。温度分布４５と４６はそれぞれ熱交換管１３と熱交換管１３内の空気の温度分布を示す。夏の初めでは地熱交換器に蓄熱された熱量が少ないため熱交換管１３の入口付近で空気と熱交換管１３の温度差が大きく、ｘが大きくなるに従って急激に温度が低くなる。空気が冷やされると相対湿度が大きくなり、１００％になった時結露が始まり、その温度をＴｄで示す。例えば外気の温度が３０度、湿度が７０％の時結露が始まる温度Ｔｄは２４度であり、２４度以下になると結露する。２４度以下では１度下がるごとに空気１立方メートルあたり約１．２ｇの水が生成され、６５０ｃａｌの凝縮熱が放出される。空気は結露しない時１度下がるごとに１立方メートルあたり３００ｃａｌの熱を放出するので結露した場合は１度下がるごとに１立方メートルあたり９５０ｃａｌの熱を放出する。つまり空気が冷やされ結露が始まると空気の熱容量が約３．２倍になったように見え、従って、温度分布４５と４６に示したように空気の温度変化は緩やかになり、空気の放熱量が多くなり、熱交換管１３の温度の上昇が大きくなる。
【００３２】
外気が高温で湿度が低い場合は結露しない。外気が高温で湿度が常に低い場合は温度分布４７と４８で示したように熱交換管１３と熱交換管１３内の空気の温度は共に急激に低くなり、その後温度変化は緩やかになり、熱交換管１３の出口（ｘ＝L）では共にほぼ地中温度Ｔｏである。
【００３３】
図６（Ｂ）は地熱交換器が有効に冷房できる最後の頃（この時期が夏季の終りになるのが好ましい）の温度分布を示す。熱交換管１３の付近に熱が大量に蓄熱され熱交換管１３の入口（ｘ＝０）の温度Ｔｓは外気温度Ｔａに近づいている。熱交換管１３の温度はｘが大きくなるに従って低くなり、熱交換管１３内の空気の温度もｘが大きくなるに従って低くなり、温度Ｔｄで結露が始まる。結露が始まると空気の温度変化は上記で述べたように緩やかになり、温度分布４６のようになる。地熱交換器が有効であるためには出口の温度Ｔｅと地中温度Ｔｏとの温度差が数度（例えば７度）以下であるのが好ましい。図６（Ｃ）は地熱交換器による蓄熱が飽和状態になり、熱交換管１３の出口（ｘ＝L）の空気の温度Ｔｅは地中温度Ｔｏよりかなり高く有効に空調できない状態である。季節の終りにこのようになった場合、地熱交換器の面積を大きくすることにより改善できる。
【００３４】
季節の終りの熱交換管１３の温度分布は図５（Ｂ）と図６（Ｂ）の様になるのが好ましく、熱交換管１３の平均の表面温度はほぼＴｓとＴｏの中間と考えられる。従って、地熱交換器の面積をSとすると、季節の終りに蓄えられる熱量は約（Ｔｓ−Ｔｏ）ｘSｘ３７５Ｋｃａｌとなる。熱交換管１３の入口の温度Ｔｓは季節の終りには外気温度Ｔａに近いので（Ｔｓ−Ｔｏ）を１４度とすると季節の終りに蓄えられる熱量は約Sｘ５０００Ｋｃａｌとなる。
【００３５】
次にこの地熱交換器を使った冷暖房の例を示す。夏、図３のように換気の空気を地熱交換器で冷やし住宅を冷房するとする。換気の風量を毎時１５０立方メートルとし、6月中旬から9月中旬の内の３０日間、一日8時間冷房するとし、冷房している時の平均の外気の温度を３０度、湿度を７０％とし、地熱交換器からの空気の温度を2１度、湿度を１００％とすると地熱交換器が吸収する熱量は約１７０，０００Ｋｃａｌである。３０度、７０％の空気が2１度、100％になると１立方メートルあたり３．９ｇの水が結露し、その時に放熱する凝縮熱も含めた。地熱交換器の面積が３４平方メートル以上であり、冷たい換気の空気だけで冷房できる高断熱の家は地熱交換器だけで冷房できる。
【００３６】
冬、図３の例のように換気の空気を地熱交換器で地中温度付近まで暖めるとする。暖房期間を１２月から３月の４ヶ月間とし、外気が1日１２時間地中温度より低いとし、その間の外気の温度の平均温度を5度、地熱交換器からの空気の温度を１０度とすると３４０，０００Ｋｃａｌの熱が交換される。地熱交換器の面積が６８平方メートル必要である。熱交換器の面積が６８平方メートル以下の場合、換気の空気が地中温度よりかなり下がり、冬の終り頃は図５（Ｃ）のような温度分布になる。高気密高断熱の家で強制給気の換気をする場合、直接外気を室内に導入すると、冬外気が冷たくて不快であるので外気を地熱交換器で暖めて室内に導入することにより不快感が減少させ、且つ暖房の熱量を減少させることができる。
【００３７】
熱交換管の長さは主に敷設する基礎コンクリートのレイアウトにより決まるが３ｍ以上あるのが望ましい。熱交換管の間隔は狭いほど基礎コンクリートの表面が均一になるので熱効率が良くなるが熱交換管の本数が増加し高価になるので１０ｃｍ程度が好ましい。熱交換管の内径は熱交換器で許容される圧力損失と熱交換管の風量から摩擦抵抗線図を使用して算出できる。
【００３８】
図７は不凍液を熱媒体とした本発明の地熱交換器１０が建物の床下に設置された場合の垂直方向の断面図であり、図８はその水平方向の断面図である。図８のBB面での断面図が図７であり、図７のAA面での断面図が図８である。複数の熱交換管６３は土壌６８の上の家の基礎コンクリート６７の上に盛られたコンクリート６６に埋設されている。上流管６１は供給槽６２に連結し、供給槽６２は複数の熱交換管６３の各々の一端に連結している。複数の熱交換管６３の各々の他端は収集槽６５に連結し、収集槽６５は下流管６４に連結している。
【００３９】
不図示のポンプで上流管６１を通して送られた不凍液は、供給槽６２を経由して複数の熱交換管６３を通過し、収集槽６５で収集され下流管６４から排出される。供給槽６２と収集槽６５のBB面の断面積は熱交換管１３の断面積より遥かに大きくするのが好ましい。その場合、供給槽６２と収集槽６５のBB面の断面に垂直な不凍液の流れの速度は小さいので、供給槽６２と収集槽６５内の液圧はほぼ均一であり、各熱交換管１３の両端にかかる液圧はほぼ同じである。更に、各熱交換管６３の内径は同じであるので各熱交換管６３に流れる流量はほぼ同じであり、各熱交換管６３で熱交換される量もほぼ同じである。従って、各熱交換管６３の温度分布もほぼ同じであり、各熱交換管６３から出てくる不凍液の温度もほぼ同じである。不凍液は熱交換管６３を通過する過程で、高熱伝導材の熱交換管６３と熱交換し、その熱はコンクリート６６と基礎コンクリート６７を経由して土壌６８に伝達される。不凍液と熱交換管６３の温度差に比例した熱量が熱交換され、不凍液の温度はその熱量に比例して変わり、次第に地中温度に近づく。一方同じ熱量が熱交換管６３に伝達し熱交換管６３とコンクリート６６と基礎コンクリート６７と土壌６８の温度を変える。熱交換した不凍液は収集槽６５に集められ下流管６４から排出される。
【００４０】
図９は不凍液を熱媒体とした地熱交換器を空調に使用した１実施例を示す。建物８３の基礎コンクリート８４の外側には断熱材８２が埋設されている。１階の空調は基礎コンクリート８４に設置された地熱交換器７２と熱媒体を循環させるポンプ７４と熱媒体管７７と１階に設置されたラジエータ７６と換気ファン７５で構成されている。
【００４１】
換気ファン７５は常に運転され、外気をラジエータ７６を介して建物８３内に取り入れ、建物８３内を換気する。ラジエータ７６は不凍液と通過する空気の熱交換をする。ポンプ７４は不凍液を熱交換器７２とラジエータ７６を回る経路を循環させ蓄熱材に貯蔵された熱をラジエータ７６に運ぶ。ポンプ７４は不図示の空調のコントローラにより室内温度が冷房設定温度より高い場合、または外気温度が外気設定温度以下の場合に運転される。これにより、外気が冷たい時、外気は地中温度付近まで温められて室内に取り入れられ、室内が冷房設定温度より高い場合、外気は地中温度付近まで冷やされて室内に取り入れられ、室内を冷房する。
【００４２】
換気の空気のみでは室内を充分冷房できない場合、ポンプ８０とファン７８を運転する。ポンプ８０は不凍液を熱交換器７１とラジエータ７９を回る経路を循環させてラジエータ７９に冷熱を送り、ファン７８は室内の熱い空気をラジエータ７９に送り、室内の空気を冷やして室内に戻し、室内を冷房する。熱交換器７１と７２は平行に設置されているので一方の熱交換器が貯蔵した熱を他方がその熱を回収できる。
【００４３】
建物８３の２階は地熱交換器を地表から浅い所（例えば地表から１ｍの所）に埋設した場合の１実施例を示す。地表から浅いので地表の温度変化の影響を避けるために断熱材８１が地熱交換器７３と地表との間に埋設されている。建物８３の３階は地熱交換器を地表から深い所（例えば地表から５ｍの所）に埋設した場合の１実施例を示す。地表から深いので地表の温度変化の影響を受けないので断熱材は不要である。
【００４４】
なお、不凍液を熱媒体とした地熱交換器を空調に使用した場合の地熱交換器の周辺の温度分布は空気を熱媒体とした地熱交換器を空調に使用した場合のそれと同様である。
【００４５】
以上、図示例に基づき説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではない。床下に基礎コンクリートが敷設されていない場合は土壌に地熱交換器を埋設しても良い。また基礎コンクリートの中にパッケージされた潜熱蓄熱材を埋め、熱容量を大きくしても良い。更に、本発明の地熱交換器を備えた蓄熱装置をヒートポンプの熱源として使用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】空気を熱媒体とした本発明の地熱交換器の垂直方向の断面図である。
【図２】空気を熱媒体とした本発明の地熱交換器の水平方向の平面図である。
【図３】空気を熱媒体とした本発明の地熱交換器を空調に使用した１実施例を示す。
【図４】地中の温度分布を示す。
【図５】冬季の熱交換管とその内部の空気の温度分布を示す。
【図６】夏季の熱交換管とその内部の空気の温度分布を示す。
【図７】不凍液を熱媒体とした本発明の地熱交換器の垂直方向の断面図である。
【図８】不凍液を熱媒体とした本発明の地熱交換器の水平方向の平面図である。
【図９】不凍液を熱媒体とした本発明の地熱交換器を空調に使用した１実施例を示す。
【図１０】従来の地熱交換器の１実施例を示す。
【符号の説明】
【００４７】
１１  上流ダクト  １２  供給槽  １３  熱交換管  １４  下流ダクト  １５  収集槽
１６  コンクリート  １７  基礎コンクリート  １８  土壌  １９  排水管  ２２  給気口
２３  給気ファン  ２４  切換えダンパー  ２５、２６  地熱交換器  ２７  バイパスダクト
２８  吹出し口  ２９  床  ３３  気密断熱層  ３４  地中断熱材  ３５  外部の土壌
３６  直下の土壌  ３７  基礎コンクリート  ４１  夏季の地中温度分布  
４２  冬季の地中温度分布
４３  冬季の熱交換管の温度分布  ４４  冬季の熱交換管内の空気の温度分布
４５  夏季の熱交換管の温度分布（結露あり）  
４６  夏季の熱交換管内の空気の温度分布（結露あり）
４７  夏季の熱交換管の温度分布（結露なし）
４８  夏季の熱交換管内の空気の温度分布（結露なし）
５０  地熱伝達器  ５１  地熱伝達器台  ５２  熱伝達板  ５３  排水管
６１  上流管  ６２  供給槽  ６３  熱交換管  ６４  下流管  ６５  収集槽
６６  コンクリート  ６７  基礎コンクリート  ６８  土壌  
７１、７２、７３  地熱交換器  ７４、８０  ポンプ  ７５  換気ファン  
７６、７９  ラジエータ  ７８  ファン  ８１、８２  断熱材
８３  建物  ８４  基礎コンクリート
【図１】
2007032910.tif 000003
【図２】
2007032910.tif 000004
【図３】
2007032910.tif 000005
【図４】
2007032910.tif 000006
【図５】
2007032910.tif 000007
【図６】
2007032910.tif 000008
【図７】
2007032910.tif 000009
【図８】
2007032910.tif 000010
【図９】
2007032910.tif 000011
【図１０】
2007032910.tif 000012