(57)【要約】【課題】地中熱熱交換器と揚水型熱交換器の利点同士を組み合わせて、より熱交換効率の高い地中熱熱交換装置を提供する。【解決手段】利用側の熱媒体と地中熱との間で熱交換を行う第１熱交換器２２と、地下水井２１に貯水された水Ｗと第１熱交換器２２で熱交換された熱媒体との間で熱交換を行う第２熱交換器３２とを備え、第１熱交換器２２への熱媒体の入力温度と出力温度との温度差が所定の設定範囲内になったとき、地下水井２１から地下水Ｗを汲み上げて第２熱交換器３２に供給し、第１熱交換器２２および第２熱交換器３２を併用して熱交換する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中熱を第１熱源とし、上記第１熱源と利用側の熱媒体との間で熱交換を行う地中熱を利用した地中熱熱交換装置において、
地中の熱交換井に埋設され、上記利用側の熱媒体と上記第１熱源との間で熱交換を行う第１熱交換器と、貯水部に貯水された水を第２熱源とし、上記第１熱交換器で熱交換された上記利用側の熱媒体と上記第２熱源との間で熱交換を行う第２熱交換器と、上記第１熱交換器の上記熱媒体の流入側温度を計測する第１温度センサと、上記第１熱交換器の上記熱媒体の流出側温度とを測定する第２温度センサと、上記第１熱交換器、上記第２熱交換器および上記各温度センサを制御する制御部とを有し、
上記制御部は、上記第１熱交換器への上記熱媒体の流入側温度と流出側温度とを上記各温度センサで計測し、上記熱媒体の上記流入側温度と上記流出側温度の温度差が所定の設定範囲内になったとき、上記貯水部から水を上記第２熱交換器に供給して、上記第１熱交換器および上記第２熱交換器を併用して熱交換することを特徴とする地中熱熱交換装置。
【請求項２】
上記第２熱交換器で熱交換された上記水を上記貯水部に戻す第１配管と、上記第２熱交換器で熱交換された上記水を上記熱交換井に注水する第２配管と、上記第２熱交換器で熱交換された水の排水先を、上記第１配管または上記第２配管のいずれかに選択する三方弁とを有し、上記制御部は、上記三方弁により上記第２配管を選択して、上記第２熱交換器で熱交換した水を上記熱交換井に給水することを特徴とする請求項１に記載の地中熱熱交換装置。
【請求項３】
上記熱交換井には、上記熱交換井の内部の水分量を計測する水分センサーが埋設されており、上記制御部は、上記水分センサーにより上記熱交換井内の上記水分量が規定値よりも低いと判断した場合、上記第２配管を介して上記熱交換井に水を給水することを特徴とする請求項２に記載の地中熱熱交換装置。
【請求項４】
上記第２熱交換器の上記熱媒体の流出側温度を計測する第３温度センサをさらに備え、上記制御部は、上記第３温度センサの測定データを元に、上記第１熱交換器に水を給水することを特徴とする請求項１に記載の地中熱熱交換装置。
【請求項５】
上記第２熱交換器の上記第２熱源の水の流入側温度を測定する第４温度センサと、上記第２熱交換器の上記第２熱源の水の流出側温度とを測定する第５温度センサと、上記貯水部から水を汲み上げる揚水ポンプとを備え、上記制御部は、上記第２熱源の水の流入側温度と流出側温度との温度差が所定の温度差となるように、上記第２熱交換器への水の流量を調節し、上記揚水ポンプの電力消費を抑えることを特徴とする請求項１または４のいずれか１項に記載の地中熱熱交換装置。
【請求項６】
上記貯水部は、地中に向けて掘削された井戸であり、上記水は地下水であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の地中熱熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱を熱源として、利用側との間で熱交換を行う地中熱熱交換装置に関し、さらに詳しく言えば、通常の地中熱熱交換器と、地下水を用いた揚水型熱交換器とを併用した地中熱熱交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に記載されている一般的な地中熱熱交換装置は、地中の熱交換井に埋設された熱交換器に、例えばエアコンなどの利用側の熱媒体を循環させることにより、地中熱と利用側との間で熱交換を行っている。
【０００３】
この種の地中熱熱交換装置は、熱交換器への入力側と出力側の温度差が大きいほど、熱交換効率が高いと言える。しかしながら、長時間に渡って地中熱熱交換装置を運転した場合、入力側（利用側）と出力側（熱源側）との温度差が小さくなり、熱交換性能が低下することがある。
【０００４】
また、別の方法として地下水を汲み上げて利用する揚水型熱交換装置がある。例えば特許文献２に記載されているように、揚水型熱交換装置は、井戸から地下水を汲み上げるための揚水ポンプと、揚水ポンプから汲み上げられた井戸水と利用側の熱媒体との間で熱交換する熱交換器とを備え、地下水と利用側との間で熱交換した地下水を再び井戸に戻すようにしたものがある。
【０００５】
しかしながら、この揚水型熱交換装置は、熱交換用に常に一定の地下水を確保しておくための井戸や揚水ポンプ設備が必要となる。また、都市部では、新しく地下水の揚水施設（井戸）を設置する場合は、設置する井戸の深さや径、揚水ポンプの吐出口の断面積やモータ出力、さらに１日の揚水量などに対して規制がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１９０４３５号公報
【特許文献２】特開２０１１−１７２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は上述した課題を解決するため、地中熱熱交換器と揚水型熱交換器の利点同士を組み合わせてより熱交換効率の高い地中熱熱交換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明は、地中熱を第１熱源とし、上記第１熱源と利用側の熱媒体との間で熱交換を行う地中熱を利用した地中熱熱交換装置において、地中の熱交換井に埋設され、上記利用側の熱媒体と上記第１熱源との間で熱交換を行う第１熱交換器と、貯水部に貯水された水を第２熱源とし、上記第１熱交換器で熱交換された上記利用側の熱媒体と上記第２熱源との間で熱交換を行う第２熱交換器と、上記第１熱交換器の上記熱媒体の流入側温度を計測する第１温度センサと、上記第１熱交換器の上記熱媒体の流出側温度とを測定する第２温度センサと、上記第１熱交換器、上記第２熱交換器および上記各温度センサを制御する制御部とを有し、  上記制御部は、上記第１熱交換器への上記熱媒体の流入側温度と流出側温度とを上記各温度センサで計測し、上記熱媒体の上記流入側温度と上記流出側温度の温度差が所定の設定範囲内になったとき、上記貯水部から水を上記第２熱交換器に供給して、上記第１熱交換器および上記第２熱交換器を併用して熱交換することを特徴としている。
【０００９】
より好ましい態様として、上記第２熱交換器で熱交換された上記水を上記貯水部に戻す第１配管と、上記第２熱交換器で熱交換された上記水を上記熱交換井に注水する第２配管と、上記第２熱交換器で熱交換された水の排水先を、上記第１配管または上記第２配管のいずれかに選択する三方弁とを有し、上記制御部は、上記三方弁により上記第２配管を選択して、上記第２熱交換器で熱交換した水を上記熱交換井に給水することが好ましい。
【００１０】
さらに好ましい態様として、上記熱交換井には、上記熱交換井の内部の水分量を計測する水分センサーが埋設されており、上記制御部は、上記水分センサーにより上記熱交換井内の上記水分量が規定値よりも低いと判断した場合、上記第２配管を介して上記熱交換井に水を給水することが好ましい。
【００１１】
また、上記第２熱交換器の上記熱媒体の流出側温度を計測する第３温度センサをさらに備え、上記制御部は、上記第２熱交換器の上記熱媒体の流出側温度によって、上記第１熱交換器に水を給水することが好ましい。
【００１２】
また、上記第２熱交換器の上記第２熱源の水の流入側温度を測定する第４温度センサと、上記第２熱交換器の上記第２熱源の水の流出側温度とを測定する第５温度センサと、上記貯水部から水を汲み上げる揚水ポンプとを備え、上記制御部は、上記第２熱源の水の流入側温度と流出側温度との温度差が所定の温度差となるように、上記第２熱交換器への水の流量を調節し、上記揚水ポンプの電力消費を抑えることが好ましい。
【００１３】
さらに、上記貯水部は、地中に向けて掘削された井戸であり、上記水は地下水であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、第１熱交換器への熱媒体の流入側温度（入力温度）と流出側温度（出力温度）との温度差を計測し、温度差が所定の設定範囲内になったとき、貯水部から水を第２熱交換器に供給して、第１熱交換器および上記第２熱交換器を併用して熱交換することにより、地中熱熱交換器と揚水式熱交換器の２つの熱交換方式を併用することで、より高い熱交換効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る地中熱熱交換装置の構成を示す模式図。
【図２】地中熱熱交換器の構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の具体的な実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００１７】
図１に示すように、この地中熱熱交換装置１０は、地中熱を熱源とする地中熱熱交換ユニット２０と、地下水を熱源とする揚水型熱交換ユニット３０との２つの熱源ユニットを備えている。
【００１８】
地中熱熱交換ユニット２０は、地表面Ｇからほぼ鉛直に掘削された熱交換井２１と、熱交換井２１の中に沿って配置される地中熱熱交換器２２（以下、第１熱交換器２２という）と、例えばエアコンなどのヒートポンプユニット２３と、同ヒートポンプユニット２３と地中熱熱交換器２２とを接続する冷媒循環路２４とを備えている。
【００１９】
熱交換井２１は、地表面Ｇから地中に向けて掘削された掘削穴であって、その内部には充填材２１１が充填されている。熱交換井２１の数や大きさ、充填材２１１の材質など仕様に応じて任意に設定されてよいが、図１では１箇所のみが示されている。
【００２０】
熱交換井２１の底部には、熱交換井２１の内部の水分量を測定する水分センサ２１２が設けられている。水分センサ２１２は、制御部４０によって制御されており、計測データを制御部４０に送信する。
【００２１】
第１熱交換器２２は、内部に熱媒体が流れる熱交換シートからなり、熱交換井２１内に渦巻き状に巻回された状態で、底面からほぼ垂直に立てた状態で収納されている。この実施形態において、第１熱交換器２２は、１枚の熱交換シートを渦巻き状に巻回した物からなるが、例えば２枚の熱交換シートをそれぞれ１８０°位相とした状態で渦巻き状に巻回して収納してもよく、熱交換シートは少なくとも１つであればよい。
【００２２】
図２を参照して、第１熱交換器２２は、冷媒循環路２４の流入側配管２４１に接続される流入側ヘッダ管２２１と、冷媒循環路２４の流出側配管２４２に接続される流出側ヘッダ管２２２と、流入側ヘッダ管２２１および流出側ヘッダ管２２２との間に架け渡される複数の熱交換チューブ２２３とを備えている。
【００２３】
この実施形態において、流入側ヘッダ管２２１および流出側ヘッダ管２２２はともに、ポリエチレン製の管材からなる。流入側ヘッダ管２２１は、下端側が開放され、上端側が閉塞されている。これに対し、流出側ヘッダ管２２２は、上端側が開放され、他端側が閉塞されている。
【００２４】
熱交換チューブ２２３は、可撓性を有する合成樹脂、好ましくはポリエチレンチューブからなり、一端が流入側ヘッダ管２２１に差し込まれ、他端が流出側ヘッダ管２２２の管内に差し込まれ、それらが互いに平行に配置されている。流入側ヘッダ管２２１および流出側ヘッダ管２２２は熱媒体の幹管であり、熱交換チューブ３２３はそれらの枝管である。
【００２５】
熱交換チューブ２２３は、各ヘッダ管２２１，２２２の軸線方向に沿って所定間隔をもって多数、この実施形態では、φ６ｍｍ×長さ５．６ｍの熱交換チューブ２２３が１１７本が配置されており、それら全体が規則的に並んで配置されることにより、見かけ上、１枚のシート状に形成される。
【００２６】
熱交換チューブ２２３には、熱交換チューブ２２３の並びを整然と配列するためのスペーサ２２４が、この実施形態では３箇所に設けられている。
【００２７】
これによれば、熱媒体は、流入側ヘッダ管２２１の下端から入り、各熱交換チューブ２２３内を同一方向に流出側ヘッダ管２２２に向かって流れながら地中熱との間で熱交換され、流出側ヘッダ管２２２の上端から吐出されて冷媒循環路２４に戻る。
【００２８】
この実施形態において、第１熱交換器２２の大きさは、長さ５．６ｍ×幅０．９ｍである。この種のシート型交換器の一例としては、ＭＡＧＥＮ（イスラエル）社製の製品名「Ｇカーペット」が好適に用いられる。
【００２９】
ヒートポンプユニット２３は、この実施形態において、空気調和機（エアコン）である。ヒートポンプユニット２３は、熱媒体を介して室内側熱交換器と室外側熱交換器との間で熱を移動させる冷凍サイクル回路を有していればよく、その具体的な構成は、仕様に応じて任意に変更されてよい。
【００３０】
冷媒循環路２４は、内部に水や不凍液などの液体の熱媒体が一方向に向かって循環する閉ループ回路であって、熱媒体を循環させるための第１ポンプＰ１が設けられている。この実施形態において、冷媒循環路２４は、ヒートポンプユニット２３の冷媒とは別の熱媒体を、ヒートポンプユニット２３内で熱交換し循環させているが、ヒートポンプユニット２３の冷媒を冷媒循環路２４に直接循環させても良い。
【００３１】
冷媒循環路２４の流入側配管２４１には、流入側温度を計測する第１温度センサＳ１が設けられており、流出側配管２４２には、流出側温度を計測する第２温度センサＳ２が設けられている。第１および第２温度センサＳ１，Ｓ２は制御部４０に接続され、測定データを制御部４０に送るようになっている。冷媒循環路２４の具体的な構成や、熱冷媒の種類については、仕様に応じて任意に選択されてよい。
【００３２】
冷媒循環路２４の一部は、後述する揚水型熱交換ユニット３０の第２熱交換器３２に接続されており、そこで、地下水との間でさらに熱交換されるようになっている。
【００３３】
揚水型熱交換ユニット３０は、地表面Ｇから鉛直に掘削された地下水井３１と、地下水井３１から汲み上げられた水と熱媒体との間で熱交換をするための第２熱交換器３２と、地下水井３１から水を汲み上げ、その水を第２熱交換器３２に導いた後、地下水井３１に戻す第１配管３３と、第２熱交換器３２で熱交換された水を熱交換井２１に注水する第２配管３４と、第１配管３３または第２配管３４のいずれかを選択する三方弁３５とを備えている。
【００３４】
地下水井３１は、地表面から地中の地下水層に至る深さまで掘削され、その底部には地下水Ｗが湧出している。地下水井３１には、第１配管３３の汲み上げ用の配管が、水中に差し込まれている。
【００３５】
この実施形態において、貯水部として地下水井３１が用いられているが、例えば池や川などの水を採水しても良い。さらには、雨水などをタンクに貯めておき、その都度汲み上げて使用するなどしてもよく、水を貯水しておくことが可能な構造であれば、特に限定されることなく使用可能である。
【００３６】
第２熱交換器３２は、いわゆるプレート式熱交換器である。プレート式熱交換器とは、複数枚の熱交換プレートを所定の間隔をもって互いに平行に配置し、各熱交換プレートの隙間に形成された空間に熱媒体と地下水とを交互に循環させることにより、熱交換プレートを介して熱媒体と地下水とを熱交換する熱交換器である。
【００３７】
この実施形態において、第２熱交換器３２は、プレート式熱交換器を用いているが、これ以外の熱交換器が用いられても良い。さらには、地下水Ｗを汲み上げてタンク内に貯めておき、その中に冷媒循環路２４の配管を直に配管して直接熱交換させても良い。
【００３８】
第２熱交換器３２の冷媒循環路２４の出口側には、第２熱交換器３２で熱交換された冷媒の流出側温度を測定するための第３温度センサＳ３が設けられている。また、第２熱交換器３２の第１配管３１の流入側には、流入側温度を計測する第４温度センサＳ４が設けられており、同じく流出側には、流出側温度を計測する第５温度センサＳ５が設けられている。これら第３〜第５温度センサＳ３〜Ｓ５も制御部４０に接続され、測定データを制御部４０に送信するようになっている。
【００３９】
第１配管３３は、地下水井３１から汲み上げた地下水Ｗを、第２熱交換器３２を介して熱交換して、熱交換された地下水Ｗを排水溝３７に排水する配管であり、その一部には、地下水Ｗを汲み上げるための第２ポンプＰ２が設けられている。
【００４０】
第１配管３３の第２熱交換器３２の流出側配管の一部には、三方弁３５が設けられている。三方弁３５は、制御部４０によって制御されており、地下水Ｗの排出先を、第１配管３３または第２配管３４のいずれかに選択する。
【００４１】
第２配管３４は、三方弁方３５を介して第２熱交換器３２で熱交換された地下水を、熱交換井２１に給水する配管であり、その先端は給水手段３６に接続されている。給水手段３６は、ホースに所定間隔で散水孔が穿設された散水チューブからなり、給水手段３６に水が送られることにより、地下水Ｗが熱交換井２１に散水される。
【００４２】
これによれば、熱交換井２１に地下水Ｗを給水することで、第１熱交換器２２の周りに地下水Ｗが充填されるため、地中熱と熱冷媒との熱交換効率をより高めることができる。
【００４３】
次に、この地中熱熱交換装置１０の制御方法の一例について説明するが、この例ではヒートポンプユニット２３は冷房運転の場合について説明する。この地中熱熱交換装置１０は、制御部４０によって制御されている。ヒートポンプユニット２３が冷房運転を開始すると、制御部４０は、まず、第１ポンプＰ１を起動し、冷媒循環路２４内に冷媒液を循環させ、第１熱交換器２２の流入側温度を第１温度センサＳ１で監視する。
【００４４】
また、制御部４０は、熱交換井２１内の水分量を水分センサ２１２で測定し、水分量が規定値以下の場合には、三方弁３５を第２配管３４に切り替えたのち、第２ポンプＰ２を駆動して給水手段３６を介して水を給水する。吸水量は、水分センサ２１２によるリアルタイムモニタリングで行うことが好ましいが、例えば１ショット１０リットルなどの定量給水であってもよい。
【００４５】
制御部４０は、同時に第２温度センサＳ２で流出側温度を計測し、第１熱交換器２２の流入側温度と流出側温度との温度差が所定の設定範囲（例えば？？℃以内）内になった場合、制御部４０は、第１熱交換器２２の熱交換能力が低下してきると判断し、第２ポンプＰ２を起動する。
【００４６】
地下水井３１から汲み上げられた水は、第１配管３３を通って第２熱交換器３２に送られ、第２熱交換器３２で熱交換される。第２熱交換器３２によって熱交換された水は、第１配管３３から三方弁３５を経て排水溝３７に排水される。
【００４７】
これによれば、第１熱交換器２２および第２熱交換器３２を併用して熱交換することにより、熱交換能力を単純に２倍にすることができ、真夏などの過酷な使用条件においても、安定した熱交換を行うことができる。
【００４８】
制御部４０はさらに、第２熱交換器３２の併用時に、第３温度センサＳ３により第２熱交換器３２の流出側温度を測定し、第２熱交換器３２の流出側温度が上昇する傾向が見られた場合（暖房運転時には下降する傾向がみられた場合）には、第２熱交換器３２の熱交換能力が低下してきていると判断し、三方弁３５に切替指令を出し、第２配管３４を選択して、第２熱交換器３２で熱交換された水を給水手段３６に送り熱交換井２１に給水する。
【００４９】
これによれば、熱交換井２１に水を給水することにより、熱交換井２１の充填材の隙間に水が入り込むことにより、第１熱交換器２２の熱交換効率をさらに高めることができる。
【００５０】
制御部４０は、また、第４および第５温度センサＳ４，Ｓ５により第２熱交換器３２の地下水の流入側温度と流出側温度とを計測し、その温度差が小さい（例えば±５°以内）と判断した場合には、第１配管３３を流れる地下水の流速が無駄に早すぎると判断して、第２ポンプＰ２の揚水速度を抑えて、第２熱交換器３２の流入側と流出側とで適度な温度差が付くように制御する。これによれば、第２ポンプＰ２の消費電力を抑えるとともに、地下水の無駄な揚水を抑えることができる。
【００５１】
この実施形態において、制御部４０は、第１熱交換器２２の温度差が小さくなった場合に第２ポンプＰ２を駆動して、第２熱交換器３２で熱交換を行うようにしているが、例えば第１熱交換器２２の起動時に、三方弁３５を第２配管３４側に切り替え、第２ポンプＰ２を一定時間駆動して、熱交換井３１に水を給水するようにしてもよい。
【００５２】
これによれば、第１熱交換器２２の起動時に水を注水することで、第１熱交換器２２の熱交換効率を予め高めておくことができ、流入側温度と流出側温度との温度差が所定の設定範囲（例えば？？℃以内）内となる時間を稼ぐことができる。
【００５３】
以上説明したように、本発明によれば、第１熱交換器への熱媒体の入力温度と出力温度との温度差を計測し、温度差が所定の設定範囲内になったとき、貯水部から水を第２熱交換器に供給して、第１熱交換器および上記第２熱交換器を併用して熱交換することにより、地中熱熱交換器と揚水式熱交換器の２つの熱交換方式を併用することで、より高い熱交換効率が得られる。
【符号の説明】
【００５４】
１０  地中熱熱交換装置
２０  地中熱熱交換ユニット
２１  熱交換井
２１１  充填材
２１２  水分センサ
２２  地中熱熱交換器（第１熱交換器）
２３  ヒートポンプユニット
２４  冷媒循環路
３０  揚水式熱交換ユニット
３１  地下水井
３２  プレート式熱交換器（第２熱交換器）
３３  第１配管
３４  第２配管
３５  三方弁
３６  給水手段
３７  排水溝
Ｐ１  第１ポンプ
Ｐ２  第２ポンプ
Ｓ１〜Ｓ５  第１〜第５温度センサ
Ｗ  地下水
【図１】
2016145660.tif 000003
【図２】
2016145660.tif 000004