(57)【要約】【課題】地中熱交換器を使用する屋内冷暖房システムでは、地中に埋入した部分の温度が局部的に高くあるいは低くなる問題がある。本発明は廃熱を蓄熱することでこの問題を解決するものである。【課題を解決するための手段】廃温風あるいは廃冷風を、地中に埋入した二重管構造の熱交換器に通して、該温風あるいは冷風の廃熱を該熱交換器に接した地中に拡散浸透せしめて蓄熱してなると共に、該熱交換器に空気を流して、該空気と該蓄熱された地熱との間で熱の授受を行わしめて、該蓄熱を該空気に伝達して外に運び出して利用することを特徴とする。【選択図】図２
2007255803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃温風あるいは廃冷風を、地中に埋入した二重管構造の熱交換器に通して、該温風あるいは冷風の廃熱を該熱交換器に接した地中に拡散浸透せしめて蓄熱してなると共に、該熱交換器に空気を流して、該空気と該蓄熱された地熱との間で熱の授受を行わしめて、該蓄熱を該空気に伝達して外に運び出して利用することを特徴とする廃熱の蓄熱と利用方法。
【請求項２】
廃温風あるいは廃冷風を、グリ石の堆積層に通して、該温風あるいは冷風の廃熱を該グリ石の堆積層に拡散浸透せしめて蓄熱してなると共に、該グリ石の堆積層に空気を流して、該空気と該グリ石の蓄熱との間で熱の授受を行わしめて、該蓄熱を該空気に伝達して外に運び出して利用することを特徴とする廃熱の蓄熱と利用方法。
【請求項３】
廃温風あるいは廃冷風を、グリ石の堆積層と地中に埋入した二重管構造の熱交換器に通して、該温風あるいは冷風の廃熱を、該グリ石の堆積層と該熱交換器に接した地中に拡散浸透せしめて蓄熱してなると共に、該グリ石の堆積層と該熱交換器に空気を流して、該空気と該蓄熱されたグリ石および地熱との間で熱の授受を行わしめて、該蓄熱を該空気に伝達して外に運び出して利用することを特徴とする廃熱の蓄熱と利用方法。
【請求項４】
上記廃棄された冷風が、夜間深夜電力の時間帯で使用されるヒートポンプ式湯沸し装置の冷媒の蒸発側で排出される冷風であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の廃熱の蓄熱と利用方法。
【請求項５】
上記ヒートポンプ式湯沸し装置が、凝縮器、圧縮機、蒸発器、膨脹弁、水槽からなり、該凝縮器を水槽に浸漬し、該圧縮機で圧縮、昇温させた冷媒を該凝縮器に通して水槽の水を加熱する構造である請求項４に記載の廃熱の蓄熱と利用方法。
【請求項６】
上記二重管構造の熱交換器は、先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた構造の二重管の、該外管の先端を下にして地下に埋入して、内管と外管の隙間に空気を流して地熱と熱交換させる構造の交換器であって、該外管は地下５ｍの深さまで埋入されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の廃熱の蓄熱と利用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃熱の蓄熱と利用方法に係り、更に詳しくは、一戸建て住宅、集合住宅、ホテル、病院、学校、体育館などの建物や、その他建造物全般の冷暖房に利用することが出来る廃熱の蓄熱と利用方法に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
地中熱は、夏は比較的涼しく、冬は比較的暖かい温度になる事から、この熱を回収する為に、従来から二重管構造の熱交換パイプを地中に埋入して、熱交換パイプに外気を通して、地熱の熱回収をしている（特許文献１）。例えば日本では、平均気温１５℃の地中では、夏場に３２℃、冬場にマイナス０．５℃の気温の時でも、地熱は平均１５℃になる。この外気と地熱の温度差を利用して冷暖房に使用しているが、従来方法では、夏季、あるいは冬季、二重管構造の熱交換器が埋められた地域の地中温度は、大地の熱拡散速度が遅いために、他の場所（地中の平均気温）よりも夏季では局部的に高く、あるいは冬季では、局部的に低くなる。夜間、放置することによって緩やかに熱拡散が進み、早朝には概ね本来の地中平均温度に近づくが、長期間暑い日、あるいは寒い日が続くと、熱交換器を埋めた地中の温度が平均温度に回復しないことも多々あるのが現状である。
【０００３】
本発明者らは、この問題を改良するために、地中熱交換器を埋入する地中とその周辺区域の地中に良熱伝導性の物質、鉱物あるいは金属塊、粒を密に埋入して熱拡散を促進して温度を平準化させる発明を出願（特願2004-214184）しているが、この方法は施工に手間がかかり、施工コストが高くなる欠点がある。
【０００４】
一方、地中に廃熱を蓄熱することが特許文献１に開示されているが、設備が複雑で経済的な効果は疑問である。
【特許文献１】特開2005-337645号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、施工コストが極めて安価で、しかも従来捨てられている冷熱あるいは温熱エネルギーの蓄熱を利用して熱交換パイプを埋入した地中温度の局部的な上昇あるいは低下を防ぐことが出来る新しい廃熱の蓄熱と利用方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは上記課題に関して鋭意研究を行った結果、捨てられている温廃熱、冷廃熱を二重管構造の熱交換器に通して地中に蓄熱することで上記課題を解決できることを見出したものであり、本発明は下記の構成からなるものである。
１．廃温風あるいは廃冷風を、地中に埋入した二重管構造の熱交換器に通して、該温風あるいは冷風の廃熱を該熱交換器に接した地中に拡散浸透せしめて蓄熱してなると共に、該熱交換器に空気を流して、該空気と該蓄熱された地熱との間で熱の授受を行わしめて、該蓄熱を該空気に伝達して外に運び出して利用することを特徴とする廃熱の蓄熱と利用方法。
２．廃温風あるいは廃冷風を、グリ石の堆積層に通して、該温風あるいは冷風の廃熱を該グリ石の堆積層に拡散浸透せしめて蓄熱してなると共に、該グリ石の堆積層に空気を流して、該空気と該グリ石の蓄熱との間で熱の授受を行わしめて、該蓄熱を該空気に伝達して外に運び出して利用することを特徴とする廃熱の蓄熱と利用方法。
３．廃温風あるいは廃冷風を、グリ石の堆積層と地中に埋入した二重管構造の熱交換器に通して、該温風あるいは冷風の廃熱を、該グリ石の堆積層と該熱交換器に接した地中に拡散浸透せしめて蓄熱してなると共に、該グリ石の堆積層と該熱交換器に空気を流して、該空気と該蓄熱されたグリ石および地熱との間で熱の授受を行わしめて、該蓄熱を該空気に伝達して外に運び出して利用することを特徴とする廃熱の蓄熱と利用方法。
４．上記廃棄された冷風が、夜間深夜電力の時間帯で使用されるヒートポンプ式湯沸し装置の冷媒の蒸発側で排出される冷風であることを特徴とする上記１〜３のいずれか１項に記載の廃熱の蓄熱と利用方法。
５．上記ヒートポンプ式湯沸し装置が、凝縮器、圧縮機、蒸発器、膨脹弁、水槽からなり、該凝縮器を水槽に浸漬し、該圧縮機で圧縮、昇温させた冷媒を該凝縮器に通して水槽の水を加熱する構造である上記４に記載の廃熱の蓄熱と利用方法。
６．上記二重管構造の熱交換器は、先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた構造の二重管の、該外管の先端を下にして地下に埋入して、内管と外管の隙間に空気を流して地熱と熱交換させる構造の交換器であって、該外管は地下５ｍの深さまで埋入されてなることを特徴とする上記１〜５のいずれか１項に記載の廃熱の蓄熱と利用方法。
【発明の効果】
【０００７】
熱交換器が埋入された部位の局部的温度上昇および温度低下を防止できる。
本来捨てていた排熱を蓄熱できるので、極めて省エネ（省電力）になる。
設備費がほとんどかからない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の構造とその作用機能を図面で説明する。
図１は、本発明の温冷排熱を蓄熱して冷暖房に利用する時の一般的な説明図である。
本発明の地中熱交換器は、熱伝導の良い金属のパイプの中に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた構造からなり、外管の先端は封止され、もう一方の端は開放され、この封止された先端が地中に垂直に埋入されている。
内管と外管の隙間に排温風、排冷風を流して地熱と熱交換、つまり地中に廃温風、廃冷風の温熱、冷熱を吸収、蓄熱させ、熱交換させた廃温風、廃冷風は内管を通って上昇させて外に排出させる。
廃温風の温度は、少なくとも地中熱交換器が埋入された地中の温度よりも高いことが必要であり、一方廃冷風の温度は、少なくとも地中熱交換器が埋入された地中の温度よりも低いことが必要である。
地中熱交換器が埋入された地中付近の温度は、夏季では地中の平均気温よりも局部的に高く、冬季では局部的に低くなっている。冬季は少なくとも地中温度よりも高い廃温風、夏季は地中温度よりも低い廃冷風を通すことで、熱交換が行われて地中の局部的な温度のピークは解消されて平準化されてくる。あるいは逆に、冬季、地中の平均気温よりも高い逆ピーク、あるいは夏季、地中の平均気温よりも低い逆ピークが形成されてくる。
内管を上昇してきた廃温風、廃冷風は、必要に応じてそのまま屋内の冷暖房に転用しても良いし、あるいは外に排出しても良い。
【０００９】
本発明は、廃温風、廃冷風が不定期に間歇的或いは時間限定で得られる場合に最も好適である。つまり廃温風、廃冷風が２４時間一定して得られる場合は、当然廃温風、廃冷風をそのまま屋内冷暖房に利用出来るわけであるが、廃温風、廃冷風が間歇的或いは限られた時間のみ得られる場合、冷暖房熱源として利用しがたいことになる。このようなときに本発明の廃温風、廃冷風の温熱、冷熱を一旦地中に蓄熱して、これを空気に熱交換して外に取り出し、小出しにして使用するようにすると、２４時間冷暖房が可能となる訳である。
【００１０】
本発明で廃温熱、廃冷熱は、必ずしも温風、冷風でなくても良い。つまり液体あるいは固体の持っている廃熱でも、これを熱交換して温風、冷風に変換して利用すればよい。
【００１１】
図２はヒートポンプ式の湯沸し装置から排出される廃冷風を蓄熱して冷房に利用するときの説明図である。
図２の例は、ヒートポンプ式の湯沸し装置と地中に埋入された二重管構造の熱交換器の組合せからなる。
ヒートポンプ式の湯沸し装置（図２中右側）は、凝縮器、圧縮機、蒸発器、膨脹弁、水槽からなり、凝縮器を水槽に浸漬し、圧縮機で圧縮、昇温させた冷媒（CO2）を凝縮器に通して水槽の水を加熱する構造である。
本発明で凝縮器とは、図２中、凝縮側の熱交換器を指す。蒸発器とは図中、蒸発側の熱交換器を指す。
凝縮器の中では、圧縮機によって加圧、昇温された気体の冷媒が水槽の水で冷却されて液化する。一方気体冷媒の放出した凝縮熱を貰って水は昇温する。水槽の水は目的に応じて沸騰まで昇温できるが、概ね70〜80℃の経済的な温度で保持する。
凝縮器を通過した液体の冷媒は膨脹弁から噴射されて体積膨脹して温度が下がり、更に蒸発器を通過する時に、外気で加熱されて、気化する。この時、外気から蒸発熱を奪って気化する為に、外気は冷却されて外に排出されることとなる。
ヒートポンプ式湯沸し装置の蒸発器から常に冷風が排出されるのは、このためである。
夏季、冷風の温度は15.5〜18℃である。一方地中熱交換器と接する部分の地中温度は
２０〜２５℃であり、地中熱交換器に冷風を流すことにより熱交換器と接する部分の地中温度は低下する。つまり地中に冷風の冷熱が蓄熱されることとなる。
【００１２】
冷風の排出するパイプは、地中熱交換器の外気取り入れ口と連結される。
夏季、夜間、深夜電力の時間帯（23時〜翌朝4時）、切替弁が開かれて冷風が地中熱交換器に流される。
図２で、冷風は、グリ石層を通って地中パイプを通るようになっているが、グリ石層は必ずしも必要ではない。必要に応じて除去しても良い。又図２では、グリ石、地中パイプを通過した風が、家屋（図示していない）の１階床下に排出されるようになっているが、
必ずしもこれに限定されるものではなく、逆の流れ、つまり冷風が先ず地中パイプに入り、
ついでグリ石層を通って、外気に放出されても良い。要するに、少なくとも冷風は地中パイプの中を通って、冷風の冷熱が地中に蓄熱できる構造であれば、いかなる構造でも良い。  
【００１３】
図３は、夏季昼間の場合の説明図である。
この場合、ヒートポンプ式湯沸し装置は休止しているので、切替弁を切り替えて、地中熱交換器には外気を取り込んで流すことになる。図３はグリ石なしの場合を例示したが、勿論これのみに限定されるものでないことはいうまでも無いことである。グリ石有り、無しに係らず、外気を取り込んで流す。これは地中熱交換器の従来の使用法である。
【００１４】
図４は、図３の構造で、夜間、深夜電力の時間帯（22時〜翌朝４時）にヒートポンプ式湯沸し装置を稼動させて、切替弁を切り替えて外気は遮断、冷風を地中熱交換器に流して地中に冷熱を蓄熱した後、昼間、外気を取り入れて地中熱交換器を通過させ、床下に排出した時の排出側の温度状況を示した図である。グリ石層なしの場合である。  
地中熱交換器の仕様
外管    ：外径φ250mm、長さ：5,000mm
外管材質：厚さ3.2mmのアルミニウムパイプ
内間    ：外径φ150mm、長さ：5,500mm
内管材質：厚さ3.8mmのポリエチレンパイプ
ヒートポンプ式湯沸し装置の仕様
定格電力  ：６KW
タンク容量：460リットル
湯温      ：65〜95℃
定格ＣＯＰ：4.51
冷風の温度：15.5〜18℃
【００１５】
図４で、エコ排気とは冷風の排気温度である。GEOパイプとは、夜間冷風を流さない場合、つまり通常の地中熱交換器の温度変化を示したものである。エコ＋GEOパイプとは、GEOパイプに夜間、冷風を流した場合の温度変化を示したものである。なおエコ排気を流す前の地中熱交換器と接する地中付近の温度は２０〜２５℃である。
GEOパイプ（地中熱交換器）の使用で外気温度が7.5℃程度低下し、更にエコ＋GEOパイプにすることで、つまり夜間エコ排気の冷風をGEOパイプ（地中熱交換器）に流すことで、昼間、GEOパイプ（地中熱交換器）から出てくる空気の温度はGEOパイプ単独の場合よりも更に1.4〜3.4℃低下することがわかる。外気温度よりは、実に10℃近く下がることになる。
夜間10時から翌朝６時までの、エコ＋GEOパイプの曲線と、エコ排気の曲線の差の面積（斜線部の面積）が、地中に蓄熱される冷熱量を示す目安となる。
朝６時から夜間10時までのGEOパイプの曲線と、エコ＋GEOパイプの曲線の差の面積（斜線部の面積）が、地中に蓄熱された冷熱に因ってもたらされた冷房効果である。
ヒートポンプ式湯沸し装置の冷熱は、本来外気に放出されて捨てられていたエネルギーであるので、上記した地中に蓄熱された冷熱に因ってもたらされた冷房効果は、まさに捨てられたエネルギーの活用に因って生まれた効果であり、本発明は、極めて省エネ性に優れた発明であることがわかる。
【００１６】
本発明の廃熱は、上記冷熱のみに限定されるものではなく、温廃熱、例えば大規模調理場より排出される温風、浴場の温排水、家庭の風呂の温排水も温廃熱源として有効に活用することが出来る。
【００１７】
本発明の地中熱交換器は、熱伝導の良い金属のパイプの中に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた構造からなる。
外管の先端は封止され、もう一方の端は開放され、この封止された先端が地中に垂直に埋入されている。
内管と外管の隙間に外気の空気を流して地熱と熱交換させて、内管を通って上昇する。
夏季、外気温が３２℃の時、熱交換されて内管を上昇する空気の温度は２６℃まで下がっている。冬季、外温度が０℃の時でも、熱交換された空気は１０℃程度まで上昇する。
外管は熱伝導の良い金属のパイプ（たとえばアルミ製）、内管は熱伝導の悪い、たとえば樹脂製（たとえばポリエチレンのような）パイプからなる。
地中温度は、６ｍ以上の深さで、ほぼ一定（平均温度）してくるが、夏場では２〜５ｍの深さ部分は、これよりも低く、冬場では逆に高くなる。
従って外管の埋入深さは、地中５mの深さが、熱効率的にも、掘削費用の点でも、最も好ましい。
【００１８】
一方地表から500〜1000mm深さ部分は夏季温度が高く、冬季温度が低いために、地面に埋入した熱交換パイプの地表から500〜1000mm深さ部分はこの熱影響を受ける。通常、パイプ材料には熱伝導性に優れたアルミ合金が使用されているために、この熱影響はパイプのより深い部分にも伝播して、パイプが接触する地面よりも高くなる部分が発生する。当然パイプの熱交換効率を下げることとなる。
【００１９】
本発明で使用する地中熱交換器は、開口部は地表から500〜1000mm深さ埋入部分として、断熱材で形成して、地表からの熱影響を遮断することが好ましい。
断熱材としては、セラミックスや樹脂類が好ましい。特に樹脂類が好ましい。
【００２０】
開口部、胴部、先端部を分離して、適宜着脱できるようにすることで、搬送費用の急騰を防止できる。
長尺物を運搬する場合、長さ４ｍを境にして運送費が急騰するが、胴部、先端部は熱伝導性の良いアルミあるいはアルミ合金で形成し、胴部、先端部を併せた長さは、４〜４．５ｍ、先端部を0.5ｍ程度とすることで、胴部長さを４ｍ以下にすることで、搬送費用の急騰を防止できる。
【００２１】
胴部、先端部、開口部の接合は、各パイプの端面にフランジ等を取付け、隣り合うパイプ同士は、フランジ間にＯリングを挟んで、フランジをボルトで締め付けて接合するようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
建築物全般の冷房に利用できる。
動物飼育、植物栽培のグリーンハウスなどの温度調整に利用できる。
水、その他の流体の冷却、昇温等、産業上発生する気体、液体の冷却、昇温に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の温冷廃熱を蓄熱して冷暖房に利用する時の一般的な説明図である。
【図２】図２は、ヒートポンプ式湯沸し装置の冷熱を利用する冷房システムの作用機能説明図である。
【図３】図３は、図２の夏季昼間の場合の説明図である。
【図４】図４は、図２で示したヒートポンプ式湯沸し装置の冷熱を蓄熱したときの地中熱交換器の温度変化を示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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