(57)【要約】【課題】冷暖房の効率を高めることができるとともに、省エネルギー性を高めることのできる冷暖房システムを提供する。【解決手段】  第一の温度帯域Ｗ１からヒートポンプ部１１１及び吸放熱部１１２を経由して第二の温度帯域Ｗ２に地下水等を送水する冬季暖房用の第一の送水路１５１，１５２，１５３，１５４と、第二の温度帯域Ｗ２から吸放熱部１１２を経由して第一の温度帯域Ｗ１に地下水等を送水する夏季冷房用の第二の送水路１５４，１５７，１１４，１５６，１５１とを切り換える切換手段Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４と、ヒートポンプ部１１１の出入口における地下水等の温度差を８℃以上とする温度差生成手段とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の温度帯域の水を揚水してヒートポンプ部と吸放熱部とを有する冷暖房装置に送り、使用後の水を第二の温度帯域に注水して保温し、前記第一の温度帯域と前記第二の温度帯域との間の送水方向を夏季と冬季とで切り換える冷暖房システムにおいて、
前記第一の温度帯域から前記ヒートポンプ部及び前記吸放熱部を経由して前記第二の温度帯域に送水する冬季暖房用の第一の送水路と前記第二の温度帯域から前記吸放熱部を経由して前記第一の温度帯域に送水する夏季冷房用の第二の送水路とを切り換える切換手段と、
前記ヒートポンプ部の出入口における水の温度差を８℃以上とする温度差生成手段と、
を有することを特徴とする冷暖房システム。
【請求項２】
前記第一の温度帯域と前記第二の温度帯域とが、同一又は異なる地下水の帯水層であることを特徴とする請求項１に記載の冷暖房システム。
【請求項３】
第一の温度帯域の水を揚水してヒートポンプ部と吸放熱部とを有する冷暖房装置に送り、使用後の水を第二の温度帯域に注水して保温し、前記第一の温度帯域と前記第二の温度帯域との間の送水方向を夏季と冬季とで切り換える冷暖房方法において、
冬季に、前記第一の温度帯域から前記ヒートポンプ部及び前記吸放熱部を経由して前記第二の温度帯域に送水して暖房を行い、
夏季に、前記第二の温度帯域から前記吸放熱部を経由し前記第一の温度帯域に送水して冷房を行い、
冬季暖房時における前記ヒートポンプ部の出入口の温度差を８℃以上としたこと、
特徴とする冷暖房方法。
【請求項４】
前記第一の温度帯域と前記第二の温度帯域とが、同一又は異なる地下水の帯水層であることを特徴とする請求項３に記載の冷暖房方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下の帯水層のように水温がほぼ一定に保たれた温度帯域から水を汲み上げてヒートポンプ形の熱交換器で熱交換を行う冷暖房システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地下水の温度は、その地域の年平均気温プラス2.5℃程度と一年を通じてほぼ一定で、例えば日本の本州では概ね１２℃〜１９℃程度である。この地下水を熱源とするヒートポンプ形の冷暖房システムは、大気を熱源とする冷暖房システムに比べて，冬暖かくて夏冷たい熱源なので，同形の冷暖房システムに比べて能力が高いという特徴がある（例えば、特許文献１参照）。
また、この種の冷暖房システムでは、冬季の暖房又は夏季の冷房に利用した地下水を別の井戸に戻し、冬季と夏季で地下水の送水方向を切り換えることで、冬季の冷排熱を夏季の冷房に利用し、夏季の温排熱を冬季の暖房に利用するようにした技術も提案されている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２７１０２６号公報（例えば段落０００２の記載参照）
【特許文献２】特開２００７−３０３６９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上記した従来の冷暖房システムでは、地下水を利用してもヒートポンプの性能向上は1割程度にとどまるという問題がある。
本発明はこの問題点に鑑みてなされたもので、地下水等を熱源とするヒートポンプ形の冷暖房システムにおいて、その特長を活かしつつ、より熱交換効率を高めることができるとともに、省エネルギー性をさらに高めることのできる冷暖房システム及び冷暖房方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために本発明は、第一の温度帯域の水を揚水してヒートポンプ部と吸放熱部とを有する冷暖房装置に送り、使用後の水を第二の温度帯域に注水して保温し、前記第一の温度帯域と前記第二の温度帯域との間の送水方向を夏季と冬季とで切り換える冷暖房システムにおいて、前記第一の温度帯域から前記ヒートポンプ部及び前記吸放熱部を経由して前記第二の温度帯域に送水する冬季暖房用の第一の送水路と前記第二の温度帯域から前記吸放熱部を経由して前記第一の温度帯域に送水する夏季冷房用の第二の送水路とを切り換える切換手段と、前記ヒートポンプ部の出入口における水の温度差を８℃以上とする温度差生成手段とを有する冷暖房システムとしてある。
【０００６】
温度差生成手段としては、ヒートポンプ部を水が通過する間にその温度差が８℃以上になるように、揚水量を調節するとともにヒートポンプ部を制御する方法を挙げることができる。
この構成によれば、水の温度差が８℃以上になるように暖房運転を行うことで冬季のエネルギー消費効率（以下「ＣＯＰ」と記載する）は低いものの、低温の水が得られることで夏季にはヒートポンプ部を介さずに直接冷房することができてＣＯＰが高くなる。温度差を８℃以上、好ましくは１０℃以上とすることで、通年のＣＯＰを改善できる。
前記第一の温度帯域及び前記第二の温度帯域は、保温性を有するものであればタンクや地下水槽であってもよいが、流れのほとんど無い地下の帯水層を利用することもできる。この場合、前記第一の温度帯域と前記第二の温度帯域とは同一の帯水層であってもよいし異なる帯水層であってもよい。
【０００７】
本発明の冷暖房方法は、第一の温度帯域の水を揚水してヒートポンプ部と吸放熱部とを有する冷暖房装置に送り、使用後の水を第二の温度帯域に注水して保温し、前記第一の温度帯域と前記第二の温度帯域との間の送水方向を夏季と冬季とで切り換える冷暖房方法において、冬季に、前記第一の温度帯域から前記ヒートポンプ部及び前記吸放熱部を経由して前記第二の温度帯域に送水して暖房を行い、夏季に、前記第二の温度帯域から前記吸放熱部を経由し前記第一の温度帯域に送水して冷房を行い、冬季暖房時における前記ヒートポンプ部の出入口の温度差を８℃以上とした方法としてある。
前記第一の温度帯域と前記第二の温度帯域とは、同一又は異なる地下水の帯水層であってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、温度差を８℃以上と大きくすることで、冬季のＣＯＰは低いものの、夏季には保存した冷温の地下水等をそのまま冷房に利用することができるのでＣＯＰが向上し、通年のエネルギー効率を高めることができる。通年のエネルギー効率を高める温度差としては８℃以上、好ましくは１０℃以上とするのがよい。
【０００９】
図３は、揚水時の地下水の温度及び冷暖房後の地下水の温度とヒートポンプ部のＣＯＰとの関係を示したものである。例えば、冬季において１６℃程度の地下水からヒートポンプ部で熱を回収し、６℃程度の冷排水を得るものとする。この冷排水を流れのほとんどない帯水層で保存すると、夏季には８℃程度になる。この地下水を、ヒートポンプ部を介さずに直接夏季の冷房に使用すれば、ＣＯＰは８０程度と極めて高い数値になる。季節の後半では、地下水の温度が５℃ほど上昇するので、冷房負荷の大きい時間帯が増えて地下水の直接利用だけでは冷房が不十分となり、ヒートポンプ部を稼働させる必要が生じることがあるが、それでもＣＯＰは高い値を保っているので、通年でエネルギーコストを削減することができる。また、地下水を直接利用した夏季冷房で可能な限り大きい温度差の温排水を得るようにすれば、冬季のＣＯＰの向上を図ることができる。
【００１０】
さらに本発明では、ヒートポンプ部で８℃以上の温度差を得るために地下水の循環量を従来よりも減じることで、井戸や熱交換器，ポンプのスクリーンの目詰まりを抑制することができる。
また、本発明の冷暖房システムでは、地下の帯水層から揚水した地下水を冷暖房で使用した後に地下の帯水層に戻すようにしているので、地盤沈下や地下水不足という問題は生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の冷暖房システムの一実施形態にかかり、冷暖房システムの全体構成を説明する概略図である。
【００１２】
この実施形態では、地下水の流れが緩やかな二つの帯水層（第一の帯水層Ｗ１及び第二の帯水層Ｗ２）を利用して、一方の帯水層（例えば第一の帯水層Ｗ１）に温排水を保存し、他方の帯水層（例えば第二の帯水層Ｗ２）に冷排水を保存するようにしている。
冷暖房システム１は、第一の帯水層Ｗ１に向けて埋設された井戸ケーシング１２及び第二の帯水層Ｗ２に向けて埋設された井戸ケーシング１３と、ヒートポンプ部１１１及び吸放熱部１１２を有する冷暖房装置１１と、この冷暖房装置１１と第一の帯水層Ｗ１及び第二の帯水層Ｗ２との間で地下水を送水する送水管１５と、地下水を揚水して送水管１５に送るポンプPとを有している。
【００１３】
送水管１５は、第一の帯水層Ｗ１から地上まで延びる送水管１５１，この送水管１５１からバルブＶ１のところで分岐してヒートポンプ部１１１まで延びる送水管１５２，ヒートポンプ部１１内に設けられ送水管１５２に連結された送水管１５３，この送水管１５３とバルブＶ２のところで合流し、第二の帯水層Ｗ２まで延びる送水管１５４，送水管１５１からバルブＶ１のところで分岐して吸放熱部１１２まで延びる送水管１５６及び送水管１５４からバルブＶ２のところで分岐する送水管１５７から構成されている。
【００１４】
ヒートポンプ部１１１には、送水管１５３内を流れる地下水との間で熱の授受が行われた流体（水）を吸放熱部１１２まで送る送水管１１３が配管され、吸放熱部１１２には、送水管１１３から送られた流体と室内の空気との間で吸熱又は放熱を行う送水管１１４が配管されている。
送水管１１３の一端と送水管１５６とはバルブＶ３を介して送水管１１４に連結され、送水管１１３の他端と送水管１５７とはバルブＶ４を介して送水管１１４に連結されている。
【００１５】
この実施形態では、送水管１５１，１５２，１５３，１５４が第一の帯水層Ｗ１からヒートポンプ部１１１を経て第二の帯水層Ｗ２に地下水を送水する第一の送水路を構成し、送水管１５４，１５７，１１４，１５６，１５１が第二の帯水層Ｗ２から吸放熱部１１２を経て第一の帯水層Ｗ１に送水する第二の送水路を構成する。
バルブＶ１〜Ｖ４は、切り換え動作によって送水方向を選択的に切り換えるもので、バルブＶ１は第一の帯水層Ｗ１から揚水された地下水を送水管１５２又は送水管１５６のいずれかに流し、バルブＶ２は送水管１５３から送水された地下水を送水管１５４から第二の帯水層Ｗ２又は第二の帯水層Ｗ２から揚水された地下水を送水管１５７のいずれかに流す。また、バルブＶ３は送水管１１４を流れる水を送水管１５６又は送水管１１３のいずれかに流し、バルブＶ４は送水管１５７の地下水又は送水管１１３の水のいずれかを送水管１１４に流す。
この実施形態では、バルブＶ１〜Ｖ４が、前記第一の送水路と前記第二の送水路とを切り換える切換手段を構成する。
【００１６】
ヒートポンプ部１１１では、出入口における地下水の温度差が予め設定した温度範囲になるようにする。好ましい温度範囲は８℃以上であり、１０℃以上となるようにするのが好適である。温度差が大き過ぎると、冬季に地下水が凍結してしまうほか、夏季のＣＯＰは向上するものの冬季のＣＯＰが低下して通年のエネルギー効率が低下するため、冬季に凍結せず、かつ、通年のエネルギー効率を低下させない範囲内で温度差の上限を選択する。
【００１７】
上記構成の冷暖房システム１の作用について、図２を参照しつつ説明する。なお、図２（ａ）（ｂ）においては、地下水の送水が行われる送水管のみを実線で示すとともに符号を付し、それ以外の送水管については符号なしの点線で示すものとする。
図２（ａ）に示すように、冬季の暖房時には、送水管１５１から送水管１５２に送水されるようにバルブＶ１を切り換え、送水管１５３から送水管１５４に送水されるようにバルブＶ２を切り換える。また、送水管１１４から送水管１１３に送水されるようにバルブＶ３を切り換え、送水管１１３から送水管１１４に送水されるようにバルブＶ４を切り換える。
【００１８】
ポンプＰを駆動させて第一の帯水層Ｗ１からの揚水を開始すると、地下水は送水管１５１から送水管１５２を経てヒートポンプ部１１１に送られ、ヒートポンプ部１１１内の送水管１５３を流れる間に、熱の回収が行われる。回収された熱は、送水管１１３内の流体に担持された状態で吸放熱部１１２に送られ、送水管１１４を流れる間に放熱される。
一方、熱が回収されることで冷排水となった地下水は、送水管１５３から送水管１５４を経て第二の帯水層Ｗ２に注水される。第二の帯水層Ｗ２は水流がほとんどないため、冷排水となった温度の低い地下水は、この第二の帯水層Ｗ２で保存される。
【００１９】
図２（ｂ）に示すように、夏季の冷房時には、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を冬季とは逆に切り換えるとともに、ポンプＰによって第二の帯水層Ｗ２に低温で保存されている地下水（冷排水）を揚水する。
第二の帯水層Ｗ２から揚水された地下水は、送水管１５４から送水管１５７を経て吸放熱部１１２に送られ、吸放熱部１１２の送水管１１４を流れる間に吸熱が行われる。温度が高くなり温排水となった地下水は、送水管１５６から送水管１５１を経て、第一の帯水層Ｗ１に注水される。第一の帯水層Ｗ１は水流がほとんどないため、温排水となった温度の高い地下水は、この第一の帯水層Ｗ１で保存される。
【００２０】
本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の説明に限定されるものではない。
例えば、上記の説明では二つの帯水層Ｗ１，Ｗ２を利用しているが、同じの帯水層を利用するものであってもよい。
また、帯水層Ｗ１，Ｗ２を利用して温排水又は冷排水を保存するとしたが、保温が可能であれば帯水層Ｗ１，Ｗ２に限らず保温タンクであってもよいし、地下の貯水槽であってもよい。また、地下水に限らず水道水や河川水、海水であってもよい。
さらに、本発明では、夏季における吸放熱部１１２の熱交換性を高めて、例えば１０℃以上の温排水を得るようにすることで、冬季のＣＯＰの向上を図ることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明は、地下水等を利用した冷暖房システムに広く適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の冷暖房システムの一実施形態にかかり、冷暖房システムの全体構成を説明する概略図である。
【図２】この実施形態の冷暖房システムの作用を説明する図である。
【図３】冷温排水の温度差とエネルギー効率（ＣＯＰ）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２３】
１        冷暖房システム
１１      冷暖房装置
１１１    ヒートポンプ部
１１２    吸放熱部
１１３，１１４      送水管
１２，１３  井戸ケーシング
１５１〜１５７  送水管
Ｖ１〜Ｖ４    バルブ（切換手段）
Ｐ        ポンプ
Ｗ１      第一の帯水層
Ｗ２      第二の帯水層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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