(57)【要約】【課題】  地下蓄熱層に自然エネルギーによるプラス或いはマイナスの熱量を蓄熱し、この熱量を室内空間を最適温度に保ちながら蓄積すると共に、この熱量を利用して室内の冷暖房を行う。【解決手段】  家屋Ｈの下部には地下蓄熱層３が形成され、防湿層４を介して地下蓄熱層３の上部に温度調節層２が形成されている。夏場等太陽光エネルギーを蓄熱する際は温水器７からの温水を放水手段８により地下蓄熱層３に放水して地下蓄熱層３に蓄熱する。この間、地下蓄熱層３の熱により家屋Ｈの室内が昇温してしまう場合には温度調節層２の配管９に対して地下水タンク５の冷水を流して温度調節層２自体を冷却し、地下蓄熱層３側の熱が床面１側に伝わらないようにする。反対に室内を暖房する場合には配管９に対する冷水の供給を停止し、地下蓄熱層３と温度調節層２を熱的に一体化させて地下蓄熱３の熱を室内に供給する。【選択図】        図１
2012063062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の地下に地下蓄熱層を有しこの地下蓄熱層に蓄熱されたプラスの熱量或いはマイナスの熱量を構造物の床面を介して構造物の空間に伝達して当該空間を冷暖房するシステムにおいて、地下蓄熱層と構造物床面との間には温度調節層が形成され、当該温度調節層に対しては所定の温度の媒体が供給されるよう構成され、温度調節層をこの媒体により所定の温度に調整することによって地下蓄熱層の熱を床面に伝達し或いは床面に対する当該地下蓄熱層の熱の伝達を遮断するよう構成したことを特徴とする地下蓄熱層を有する冷暖房システム。
【請求項２】
前記温度調節層に供給される媒体は水であって、当該水は太陽光温水器により加熱されるよう構成したことを特徴とする請求項１記載の地下蓄熱層を有する冷暖房システム。
【請求項３】
温度調節層には媒体が通過する配管が配置され、当該配管を所定温度の媒体が通過することにより温度調節層を所定の温度にするよう構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の地下蓄熱層を有する冷暖房システム。
【請求項４】
温度調節層は壁土に代表される自然の土を固めることにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の地下蓄熱層を有する冷暖房システム。
【請求項５】
地下蓄熱層は地盤と同じ土壌又はこの土壌に代えて充填された石材等の自然素材により構成され、かつ当該地下蓄熱層の底部は地盤に開放された構成であって、当該地下蓄熱層に対しては放水手段が配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の地下蓄熱層を有する冷暖房システム。
【請求項６】
地下蓄熱層と温度調節層との間には防湿層が形成されていることを特徴とする請求項５記載の地下蓄熱層を有する冷暖房システム。
【請求項７】
地下蓄熱層には雪又は氷が充填され、この雪のマイナス熱量により冷房を行うよう構成したことを特徴とする請求項１記載の地下蓄熱層を有する冷暖房システム。
【請求項８】
構造物の地下に地下蓄熱層を有しこの地下蓄熱層に蓄熱されたプラスの熱量或いはマイナスの熱量を構造物の床面を介して当該構造物の空間に伝達して当該空間を冷暖房するシステムに用いる地下蓄熱層において、構造物の底部周縁から鉛直方向に地下開放型隔壁が下降形成され、これら地下開放型隔壁により囲われた空間部に対して蓄熱媒体が充填され、かつこれら蓄熱媒体は地盤に対して接触するよう当該蓄熱媒体の層が地盤に対して開放されていることを特徴とする地下蓄熱層の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽光等の自然エネルギーを熱源とした地中蓄熱システムに係り、特に蓄熱と熱源利用の効率化を図るよう構成した地中蓄熱による冷暖房システムおよび同システムに好適な地下蓄熱層の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今の省エネルギー指向に対応して、家屋をはじめとする各種建築物おいても自然エネルギーを有効利用した冷暖房システムが色々と提案されている。特に暖房に関しては熱源として太陽エネルギー等の自然エネルギーが直接利用できることから下記特許文献に示されるように各種の蓄熱システム、暖房システムが提案されている。
【特許文献１】特開平１１−２１１５９
【特許文献２】実公昭６１−１２５３５
【特許文献３】特開２００４−１７７０２５
【特許文献４】特開２００７−１７８０７１
【特許文献５】特開２００３−３３６９１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献のうち１乃至３は蓄熱媒体として水を利用したシステムである。蓄熱媒体として水を用いたシステムは、比熱が最大の水を利用するため蓄熱効率が高いこと、また配管、ポンプ等を利用して水を所望の場所にまで供給可能であること等から暖房も効率的に行えるという利点がある。
【０００４】
一方、水を供給する配管系は複雑になり、かつ弁、ポンプ、放熱用のファン等の補機類を多数使用する必要があるため、熱源として自然エネルギーを利用しているにも関わらず、電力等の人工エネルギーを相当量使用する必要が生じ、システム全体では必ずしも十分な省エネルギー化を達成しているとは言い難い状態となっている。
【０００５】
このような観点から、特許文献３では地下の水槽である蓄熱槽と建物の床面との間に伝熱手段としてヒートパイプを配置し、このヒートパイプに対して蓄熱槽の熱を直接床面に伝達する構成を採用している。このように構成すれば上記の複雑な配管系、補機類等は基本的に不要となり、システムを単純に構成することが可能となる。
【０００６】
しかしながら、ヒートパイプは高温側から低温側に常時伝熱する機能を有しているため、伝熱に関しては非常に効果的であるが暖房を不要とする夏場において、室内に蓄熱槽内の熱を不要に伝達してしまうことになる。この問題を解決するには、ヒートパイプの放熱部を断熱するか、最も蓄熱が効果的な夏場の蓄熱を中止する等、本来の目的とは相反する不合理な対策を実施せざるを得なくなる。
【０００７】
特許文献４及び５は地下の蓄熱材としてぐり石や礫を用いたものであり、基本的には水を用いた場合と同様の利点及び欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記特許文献に代表される従来技術の問題点を解決し、自然エネルギーのより有効な活用が可能となるシステムを提供することを目的とする。
即ち、家屋等の建築物の地下に配置された地下蓄熱部を有し、地下蓄熱部は太陽エネルギー等の自然エネルギーを蓄熱するよう構成され、かつ蓄熱された熱は家屋の床面を介して家屋内に伝熱可能に構成され、この地下蓄熱部と家屋の床面との間には両者を仕切る層として温度調節が可能な層（温度調節層）が配置され、当該温度調節層の温度を調節することにより、蓄熱層側の熱を床面に対して伝達し或いは伝熱を遮断し、蓄熱層内の温度とは関わりなく床面温度を調節することが可能なように構成された自然エネルギーを利用した蓄熱システムである。
【発明の効果】
【０００９】
温度調節層により地下蓄熱部の熱の伝達、遮断を自由に行えるので蓄熱に最も効果的な夏期においては温度調節層の温度を蓄熱層の温度よりも低く設定することによって、室内温度を上昇させることなく地下蓄熱部に対して十分に蓄熱することが可能となる。
【００１０】
暖房が必要となる時期には温度調節層の温度を地下蓄熱層と同等或いはやや高くすることにより、地下蓄熱層の熱を床面側に伝達することにより地下蓄熱層の熱を部屋側に放熱して効果的な暖房を行うことができる。
【００１１】
上記各効果を発揮することによって、自然エネルギーの効果的な蓄積と必要に応じた放熱が可能となると共に、システムは複雑な補機や配管系を必要としないため蓄積した自然エネルギーを低コストで効果的に利用することが可能となる。
【実施例１】
【００１２】
以下本発明の実施例を図面を参考に具体的に説明する。
図１は本発明の第１の実施例を示す。
先ず本発明の実施対象物の構成の概略を説明すると、図中符号Ｈは家屋等の構造物（以下「家屋」で説明する）である。家屋Ｈの床面１の裏面、即ち床下には温度調節層２が形成され、かつこの温度調節層２の下部には地下蓄熱層３が形成されている。またこの地下蓄熱層３と温度調節層２の間には防湿層４が形成されている。
【００１３】
一方符号５は地下水タンク、６は雨水タンクであって後述するように所定の場所に加熱あるいは非加熱の水を供給するよう構成されている。符号７は太陽光Ｓによりこの水を加熱するための手段として配置されている太陽熱温水器（以下単に「温水器」とする）である。
【００１４】
次に上記構成の各部についての詳細を説明する。
最初に、符号３で示される地下蓄熱層は、本発明においてその構成、構造に特徴があるのではなく、要するに家屋Ｈの地下に所定量の熱が蓄熱可能であればその構成の如何を問うものではない。即ち、前記引用文献１乃至５に記載のように蓄熱用の水を湛えた水槽であったり、コンクリート層であったり、或いはぐり石や礫を用いたもの等何れの構成であってもよい。
【００１５】
以上のとおりであるので、本発明の地下蓄熱層も当然上記の構成の何れかであっもよいが、図示の地下蓄熱層３は上記構成の地下蓄熱層の構造とは趣が異なる構成となっている。即ち上記引用文献記載の地下蓄熱層はいずれも地下に所定の空間を区画形成して、この空間内に水、ぐり石等の蓄熱材を充填する構成であるが、図示の構成は地下蓄熱層３の底部が形成されず、地下蓄熱層３の下部は家屋Ｈが立設する地盤に開放された構成（以下「地下開放型蓄熱層」とする）となっている。
【００１６】
即ち構造物である家屋Ｈの基礎を兼ねる壁が家屋Ｈの底部周縁に沿って鉛直方向に地下に展出して地下開放型隔壁１１を形成している。この地下開放型隔壁１１はその名のとおり各隔壁１１に連設する水平方向の底板部分を持たず、このため各地下開放型隔壁１１により囲われた地下蓄熱層３は地下に向かって開放された構成となっている。
【００１７】
図示の地下蓄熱層３は上記の構成となっているため、蓄熱材はその地盤を構成する土、礫等をそのまま利用するか、或いはぐり石等を充填して蓄熱材とする等の構成となっている。符号８は地下蓄熱層３内に配置された放水手段であって、例えば加熱された水をこの地下蓄熱層３内の蓄熱材に放水することによりこの蓄熱材と熱交換して蓄熱材を加熱する。なお、この地下蓄熱層３の構成では放水された水はそのまま地盤に吸収ささることになる。このため、前記地下水タンク５を井戸として形成しておけば放水した水の一部を地下水として回収することも可能となる。
【００１８】
上記構成の地下蓄熱層３の場合、蓄熱材に対して直接温水等の熱媒体が接触するため、伝熱効率が非常に高く、例えば熱媒体と蓄熱材との温度差が極めて僅か、例えば１℃である場合でも、蓄熱材に対して確実に伝熱することが出来る。このような観点から、本願発明のシステムに用いる地下蓄熱層の構成としては、蓄熱効率、省エネルギーの点からこの位置か開放型の地下蓄熱層が好適であると言える。
【００１９】
一方図示の開放型の地下蓄熱層ではなく前記各特許文献のように密閉された地下空間としての地下蓄熱層の場合には、当然のことながらこの空間内に配管して、配管内の温水の熱のみを蓄熱媒体に伝達し、熱伝達した温水は回収するよう構成して、水が閉鎖空間である地下蓄熱層に溜まらないようにしておく。  
【００２０】
次に温度調節層２の構成について説明する。
温度調節層２は上記の地下蓄熱層３と家屋Ｈの床面１との間に介在位置している。符号９はこの温度調節層２に埋設配置された配管であって、水或いは気体或いは他の流動可能な媒体が通過或いは滞留可能に構成されている。図示の構成では地下水或いは雨水である水が供給されるよう構成されている。
【００２１】
温度調節層２は後述のとおり所定の温度の液体或いは気体を通過或いは滞留させることにより地下蓄熱層３側の熱を床面１に伝達したり或いはこの地下蓄熱層３の熱を遮断する機能を有している。このため温度調節層２を構成する材料は一定の伝熱機能を有していることが望ましい。その構成材料としては従来から蓄熱材としても利用されているコンクリートが一般的であるが、家屋Ｈの立替え等将来の家屋の取壊しまで考えると、大量の建築廃棄物となってしまうコンクリートは必ずしも妥当な材料ではない。
【００２２】
上記コクリートに代えて、例えば壁土等の天然素材により前記温度調節層２を形成すればコンクリートとほぼ同様或いはそれ以上の伝熱特性を有する温度調節層を形成することが可能となる。なお、図示の構成では床面１に対して温度調節層２が直接密着した構成としてあるが、この温度調節層２に対して根太に対応する支持構造を埋設する等の構成としておけば温度調節層２は床面を支持する構造とする必要がないため、前記天然素材で十分構成可能である。
【００２３】
符号４は温度調節層２と地下蓄熱層３との間に介在配置された防湿層である。地下蓄熱層３に対しては、図示の構成では地中放水手段（以下単に「放水手段」とする）８を介して水が放水されるため、この放水された水分が室内側に漏れ出ないようにする必要上防湿層４が配置されている。防湿層４としては金属膜とプラスチックフィルムとの積層膜等、水分を通さないフィルム状の膜であればその目的を十分達成することができる。
【００２４】
上記構成の機能を、先ず夏場等地下蓄熱層３に対して蓄熱する場合について説明する。  バルブＶ１、Ｖ２を開として地下水タンク５内の水をポンプ１０等の移送手段を用いて温水器７に供給する。温水器７においては供給された水は太陽光Ｓにより、日光の量にもよるが最高８０℃程度に加熱され、バルブＶ３を開としておくことにより地下蓄熱層３内の放水手段８を介して地下蓄熱層３の蓄熱材に放水する。これにより地下蓄熱層３は徐々に昇温し熱が蓄積される。この場合前記地下開放型の蓄熱層を用いた場合には温水が直接蓄熱材に接触するため、伝熱効率が極めて高いものとなる。
【００２５】
一方、床面からの放熱は室内温度を上昇させてしまうため、夏期等の暖房を必要としない時期においては地下蓄熱層３からの放熱を遮断する必要がある。この放熱の遮断は図示の構成では以下のとおり実施される。
即ち、バルブＶ４を閉としておき、この状態でバルブＶ５を開として前記温水器７に供給する地下水の一部を温度調節層２内の配管９に流入させる。地域によっても異なるが通常地下水は季節に係わりなく１４℃から１６℃程度で一定であるため、配管９にこの地下水を供給することによって温度調節層２の温度を地下蓄熱層３の温度よりも低く設定し、地下蓄熱層３から伝熱される温度と相殺してしまい、これにより地下蓄熱層３からの熱が床面１に伝達されるのを遮断する。
【００２６】
なお、配管９に対する地下水の単位時間流量を調節することにより床面温度を調節することが可能である。即ち流量が多ければ床面温度は地下水の温度近くまで降下させることが可能であり、床面の必要温度に対応して地下水の流量を調節する。このようにして夏場を中心として地下蓄熱層３に対して、家屋Ｈの室内温度の上昇を考慮することなく十分に蓄熱することが可能となり、暖房が必要な冬場に備えることになる。なお、バルブＶ６を開として前記地下水に替えて或いはこの地下水に加えて雨水タンク６内の雨水を利用することも可能である。図示の構成では水の供給経路を主体として示してあり、雨水タンク６が外気に露出しているように表示されているが、地下水タンク５と同様タンクを地下に埋設して雨水の温度も前記地下水に近い一定の温度として用いるのが望ましい。
【００２７】
次に冬場等、地下蓄熱層３の熱を利用する場合について説明する。
先ず、通常はバルブＶ４、Ｖ５を閉としておき、配管９内の水は当該配管内に滞留させておく。この状態で温度調節層２は地下蓄熱層３からの熱により昇温して温度調節層２と地下蓄熱層３は熱的に一体化し、これにより地下蓄熱層３に蓄熱された熱は防湿層４、温度調節層２を経て床面１に伝達され、家屋Ｈの室内を暖房する。この場合、温度調節層２の配管９内に滞留した水は地下蓄熱層３からの熱によりこの熱量に対応した温度にまで昇温し、温度調節層２全体として地下蓄熱層３側の熱を室内に伝達することになる。換言すれば温度調節層２自体が室内に対する発熱体として機能し、地下蓄熱層３はこの発熱体たる温度調節層２に対して熱エネルギーを供給する手段として作用すると解することもできる。この場合、配管９内には最も熱容量の大きい水が充填されているため温度調節層２自体が所定の温度を保持し、室内を安定的に暖房することができる。
【００２８】
また、冬場であっても晴天時には温水器７内の水は地下蓄熱層３から供給される熱量に対応する温度よりも高くなることがある。この場合にはバルブＶ３を開として温水を放水手段８により地下蓄熱層３に放水して、地下蓄熱層３に蓄えられた熱量を補充する。またこれと同時にバルブＶ４を開としてこの温水の一部を温度調節層２の配管９に送り、この温水により温度調節層２自体で発熱させて床面１の温度を上昇させるようにしてもよい。      
【００２９】
上述した構成では、温度調節層２に対しては水が供給されるよう構成されているが、温度調節層２は地下蓄熱層３の熱を室内に対して伝達あるいは遮断するために、その目的に対応した温度に調整することにその機能があるのであるから、この機能の達成が可能であれば温度調節層２に供給する流体は水に限る必要はなく、所定の温度の空気などの気体であっても構わない。
【００３０】
図２は上記した構成要素の系統を示す。図中符号１０で示す加熱補助手段とは、家屋Ｈの室内を暖房する際に地下蓄熱層３からの熱では不十分であり、かつ温水器７からの熱量も十分確保できない場合に使用する人工的な加熱手段であって、例えば電気ヒータ等である。この加熱補助手段はあくまでも例外的、かつ補助的に使用するものであり、そのエネルギー源も前述の電気のように人工的エネルギーを直接使用する外、例えば電気発生のための燃料電池作動時に生じる熱を利用する等、本来廃棄される熱を利用することも可能である。また、前記地下開放型の蓄熱層の場合には暖房の場合夏期を含む長期間に渡って大量の熱量を蓄熱することが可能であるため、地下蓄熱層の容量にもよるが基本的にはこの加熱補助手段は必要ない。
【００３１】
図３は水を供給する場合の各バルブの開閉のタイミングの一例を示している。
先ずケースＣ１として床１の床面温度が適正温度として予め設定されている温度（設定温度）よりも高い場合にはバルブＶ５を開として地下水を直接温度調節層２に供給して地下蓄熱層３側の熱が床面に伝達されのを阻止する。
【００３２】
ケースＣ２は上記ケースＣ１とは逆に床面温度が設定温度よりも低い場合であって、この場合にはバルブＶ４を開として温水器７から温水を供給して床面温度を設定温度まで上昇させる。この場合温水器７から供給される温水温度が前記設定温度に達しない場合には前記加熱補助手段１０により所定の温度まで床面を昇温させる。
【００３３】
ケースＣ３は地下蓄熱層３の蓄熱に関するものであって、温水器７から排出される温水の温度が地下蓄熱層３の温度よりも高い場合にはバルブＶ３を開として放水手段８から地下蓄熱層３に対して温水を放出する。前述のとおり夏場は殆どこの状態であり、ほとんどの場合このケースＣ３は前記ケースＣ１と同時進行的に実施されることになる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上本発明を、主として冬季に室内暖房を実施するために、夏期を中心として自然エネルギーを蓄熱する場合を例に説明したが、逆に夏場の冷房を主目的として実施する場合にも本発をそのまま実施することができる。
【００３５】
即ち、冬季に一定量以上の積雪がある地域において、地下蓄熱層３は地下空間内に運び込んだ雪或いは氷により構成し、冬季はこの雪や氷により床面が冷却されないよう温度調節層２に対して温水等の媒体を供給して地下蓄熱層３側のマイナスの熱量が伝達されないように構成し、夏期はこの地下蓄熱層３のマイナス熱量を温度調節層２を介して床面に伝達して冷房を行うよう構成することも可能である。
【００３６】
また、上記実施例では本発明の実施対象が家屋という比較的小規模な構造物であったが、本発明の構成はビルや工場等の大型の構造物に対しても実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例を示す図であって、地下蓄熱層と温度調節層とを有する家屋の断面図である。
【図２】図１に示す給水系統のブロック図である。
【図３】図２に示す給水系統における弁の開閉状態を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  （家屋Ｈの）床面
２  温度調節層
３  地下蓄熱層
４  防湿層
５  地下水タンク
６  雨水タンク
７  太陽熱温水器
８  放水手段
９  配管
１０  ボンプ
１１  地下開放型隔壁
Ｈ  家屋
Ｓ  太陽光
Ｖ１〜Ｖ６  バルブ
【図１】
2012063062.tif 000003
【図２】
2012063062.tif 000004
【図３】
2012063062.tif 000005