(57)【要約】【課題】地中利用システムにおける総合効率を向上させる。【解決手段】  地中に埋設された複数本の地中熱交換器１００と、各地中熱交換器１００に循環させる熱媒を介して採放熱するためのヒートポンプ２００と、ヒートポンプ２００により加熱又は冷却された負荷側熱媒を介して室内を暖房又は冷房する空調機３００と、各地中熱交換器１００に熱媒を循環させるための循環ポンプ４００と、循環ポンプ４００を変流量制御する制御盤５００とを備え、地中熱交換器１００は、中空管体１、及び、中空管体１に収容された複数組のＵチューブ２により構成される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
採放熱管に熱媒を循環させる地中熱交換器であって、
前記採放熱管に熱媒を循環させるに際して、理論上乱流状態を維持できる流速以下、即ち理論上層流状態にある低流速においても、層流状態にあるべき熱交換性能の著しい低下がないこと、及び、その領域における流量又は流速と熱交換性能との相関関係を把握した上で、理論上乱流状態を維持できる流速以下の低流速とすることを特徴とする地中熱交換器。
【請求項２】
流量又は流速と熱交換性能との相関関係を実験又は実験に基づく解析により把握することを特徴とする請求項１に記載の地中熱交換器。
【請求項３】
中空管体、及び、該中空管体に収容された複数組の採放熱管により構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の地中熱交換器。
【請求項４】
前記採放熱管は３組以上であることを特徴とする請求項３に記載の地中熱交換器。
【請求項５】
中空管体、及び、該中空管体に収容された、一対以上のヘッダパイプ間に複数本の細径管を架設してなる梯子型の採放熱管により構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の地中熱交換器。
【請求項６】
前記採放熱管に強制的に乱流を誘発する乱流誘発材を挿入したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の地中熱交換器。
【請求項７】
地中に埋設された地中熱交換器と、
前記地中熱交換器に循環させる熱媒を介して採放熱するためのヒートポンプと、
前記ヒートポンプに接続された負荷機と、
前記地中熱交換器に熱媒を循環させるための循環ポンプと、
前記循環ポンプを変流量制御する制御手段とを備えたことを特徴とする地中熱利用システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記ヒートポンプの負荷出力に基づいて前記循環ポンプを変流量制御することを特徴とする請求項７に記載の地中熱利用システム。
【請求項９】
前記負荷出力は、前記ヒートポンプが実際に処理している負荷出力信号であることを特徴とする請求項８に記載の地中熱利用システム。
【請求項１０】
前記負荷出力は、前記負荷側熱媒の温度及び循環流量を用いて算出される負荷出力であることを特徴とする請求項８に記載の地中熱利用システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記負荷機に循環させる負荷側熱媒の温度に基づいて前記循環ポンプを変流量制御することを特徴とする請求項７に記載の地中熱利用システム。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記ヒートポンプの熱源側の出側及び入側での前記熱媒の温度差に基づいて前記循環ポンプを変流量制御することを特徴とする請求項７に記載の地中熱利用システム。
【請求項１３】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の地中熱交換器を用い、前記制御手段は、理論上乱流状態を維持できる流速以下の低流速となる流量域まで循環ポンプを変流量制御することを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１項に記載の地中熱利用システム。
【請求項１４】
流量又は流速と熱交換性能との相関関係を把握した領域内にて熱媒循環流量に下限値を設定していることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか１項に記載の地中熱利用システム。
【請求項１５】
採放熱管に熱媒を循環させる地中熱交換器の使用方法であって、
前記採放熱管に熱媒を循環させるに際して、理論上乱流状態を維持できる流速以下、即ち理論上層流状態にある低流速においても、層流状態にあるべき熱交換性能の著しい低下がないこと、及び、その領域における流量と熱交換性能との相関関係を把握した上で、理論上乱流状態を維持できる流速以下の低流速とすることを特徴とする地中熱交換器の使用方法。
【請求項１６】
地中に埋設された地中熱交換器と、
前記地中熱交換器に循環させる熱媒を介して採放熱するためのヒートポンプと、
前記ヒートポンプに接続された負荷機と、
前記地中熱交換器に熱媒を循環させるための循環ポンプとを備えた地中熱利用システムの運転方法であって、
前記循環ポンプを変流量制御することを特徴とする地中熱利用システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大地の地中熱を熱源として利用し、地中熱交換器に熱媒を循環させて採放熱することにより、負荷側に温熱又は冷熱を供給する地中熱交換器及びその使用方法、並びに、地中熱利用システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地中に埋設された複数本の地中熱交換器と、各地中熱交換器に循環させる熱媒を介して採放熱するためのヒートポンプと、ヒートポンプに接続された負荷機とを備えた地中熱利用システムが知られている（特許文献１〜３等を参照）。
【０００３】
このような地中熱利用システムは、安定した温度を有する大地の地中熱を熱源として利用し、この熱源に対して採放熱するものであり、外気に対して採放熱する空気熱源方式のシステムと比較しても、年間を通して変化が小さく安定した地中温度を利用することで、冷房及び暖房の両方について高効率に運転することができる。したがって、地中熱利用システムでは、省エネルギー化、低ランニングコスト化、二酸化炭素（ＣＯ2）の排出抑制等の効果に加えて、大気に排熱しないことでヒートアイランド現象の抑制効果も期待されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３３０３１号公報
【特許文献２】特開２００６−２９２３１３号公報
【特許文献３】特開２００７−８５６７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この種の地中熱利用システムにおいて、例えば特許文献１、３にもあるように、地中熱交換器に建築物や土木構造物の基礎杭を利用することが提案されている。基礎杭として用いられる鋼管杭等の中空管体に、Ｕ字管等の採放熱管を挿入するものである。この地中熱交換器では、Ｕ字管を流れる熱媒（例えばエチレングリコールを含む不凍液）が管壁を介して土壌と熱交換し、その熱を運ぶ役割を果たす。このときの熱交換量は、地盤や地中熱交換器の熱特性によるが、熱媒の流れの状態にも大きな影響を受ける。
【０００６】
ここで、管内を流れる流体の流れの状態には、規則的で整然とした流れ（層流）と、時間空間的に不規則な流れ（乱流）とがある。乱流は流速が大きい場合や粘性が低い場合に発生し、層流はその逆である。管内の流れが層流から乱流に遷移する限界は、円管の内径ｄ、断面平均流速Ｕ（＝流量／断面積）、動粘性係数νを用いたレイノルズ数Ｒｅ＝Ｕｄ／νで与えられることが知られている。円管内の流れの場合、例えばレイノズル数Ｒｅ≦２３００であれば層流、レイノルズ数Ｒｅ＞２３００であれば乱流と判断されることがあるが、実際の層流状態から乱流状態への遷移はレイノズル数Ｒｅのある幅の中で起こり、管路の入口形状等に強く依存する。管路壁が滑らかで、しかも入口に絞り部を設け、徐々に流路を狭めて滑らかに流れを管路に導くような場合には層流を維持するレイノルズ数Ｒｅは高くなるが、管入口を直角に切ったような通常の入口形状では、レイノズル数Ｒｅ＝２０００程度から乱れが発生し始め、流路形状により、レイノズル数Ｒｅ＝２７００程度から３０００程度を超えると略連続した乱流状態となる。即ち、円管内の流れの場合、理論上、Ｒｅ＜２０００程度で層流、２０００程度≦Ｒｅ＜２７００程度から３０００程度で遷移流、Ｒｅ≧２７００程度から３０００程度で乱流として扱うのが一般的である。
【０００７】
地中熱交換器における管壁と熱媒との熱伝達は、流体である熱媒の流れ状態が乱流から層流に遷移すると低下し、地中熱交換器の熱交換性能が著しく低下することが知られている。そのため、Ｕ字管を流れる熱媒の流速は、乱流状態を維持できる流速であることが必要とされており、理論上乱流状態を維持できる定流速（定流量）とすることが標準的である。
【０００８】
一方、ヒートポンプ及びヒートポンプに接続された負荷機、例えばヒートポンプにより加熱又は冷却された負荷側熱媒を介して室内を暖房又は冷房する空調機と地中熱交換器と循環ポンプにより構成される地中熱利用システムの能力は、夏冬のピーク時の最大負荷に合わせて設定される。しかしながら、最大負荷が発生するのはピーク時及びその前後のある程度の期間に過ぎず、全期間を通して考えると、部分負荷で運転される期間の方が圧倒的に長い。地中熱利用システムにおいても、部分負荷時にはヒートポンプのコンプレッサ運転台数の低減等、省エネルギーのため抑制運転を行うことはあるが、上述したように流速が小さくなると層流に遷移して熱交換性能が低下するため、熱媒を搬送、循環させる循環ポンプだけは流速を維持するように定格流量で運転される（常に１００％の能力で運転される）ことが一般的である。
【０００９】
このように部分負荷時にも循環ポンプは定格流量で運転されるため、地中熱利用システムの長所である熱源効率の良さを循環ポンプの余分な搬送動力で損ない、総合効率を損なっているのが現状である。循環ポンプを変流量制御し、地中熱交換器の台数や配管系統数を切り替える構成とすることも考えられるが、そのためのバルブ開閉等の制御が複雑となり、また、特定の地中熱交換器への偏りを防ぐために均等利用制御等も考慮しなければならない。
【００１０】
本発明は、上記のような点に鑑みてなされたものであり、地中利用システムにおける総合効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の地中熱交換器は、採放熱管に熱媒を循環させる地中熱交換器であって、前記採放熱管に熱媒を循環させるに際して、理論上乱流状態を維持できる流速以下、即ち理論上層流状態にある低流速においても、層流状態にあるべき熱交換性能の著しい低下がないこと、及び、その領域における流量又は流速と熱交換性能との相関関係を把握した上で、理論上乱流状態を維持できる流速以下の低流速とすることを特徴とする。
本発明の地中熱利用システムは、地中に埋設された地中熱交換器と、前記地中熱交換器に循環させる熱媒を介して採放熱するためのヒートポンプと、前記ヒートポンプに接続された負荷機と、前記地中熱交換器に熱媒を循環させるための循環ポンプと、前記循環ポンプを変流量制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
本発明の地中熱交換器の使用方法は、採放熱管に熱媒を循環させる地中熱交換器の使用方法であって、前記採放熱管に熱媒を循環させるに際して、理論上乱流状態を維持できる流速以下、即ち理論上層流状態にある低流速においても、層流状態にあるべき熱交換性能の著しい低下がないこと、及び、その領域における流量と熱交換性能との相関関係を把握した上で、理論上乱流状態を維持できる流速以下の低流速とすることを特徴とする。
本発明の地中熱利用システムの運転方法は、地中に埋設された地中熱交換器と、前記地中熱交換器に循環させる熱媒を介して採放熱するためのヒートポンプと、前記ヒートポンプに接続された負荷機と、前記地中熱交換器に熱媒を循環させるための循環ポンプとを備えた地中熱利用システムの運転方法であって、前記循環ポンプを変流量制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、地中熱利用システムの長所である熱源効率の良さを循環ポンプの余分な搬送動力で損なわないようにして、地中利用システムにおける総合効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を説明する。
まず、本発明の基本的な考え方について説明する。循環ポンプによる搬送動力の低減のためには熱媒の流量を少なくすることが考えられるが、その場合、少流量化しても熱交換性能が低下しない（熱交換性能を維持できる）地中熱交換器が必要となる。
【００１４】
一般的に用いられる地中熱交換器は、直径１００ｍｍ程度、深さ５０〜１００ｍ程度の孔（ボアホール）を地盤に設け、口径（直径）２５ｍｍ程度の管をＵ字継手を介して接続してなる採放熱管を１組或いは２組、ボアホールに挿入したものである。土壌掘削費用を抑えるためボアホールの孔径は１００ｍｍ程度より極端に大きくすることは好ましくなく、採放熱管との空間的な取合い上、採放熱管の形状に工夫を加えたり、組数を増やしたりする工夫の余地がない。そのため、熱交換性能の維持のためには、上述したように理論上乱流状態を維持できる流量を維持しなければならず、少流量化は困難である。
【００１５】
それに対して、地中熱交換器に建築物や土木構造物の基礎杭を利用する場合、杭工法には様々なものがあるが、杭径は２ｍ程度のものもあり、一般的にボアホールの孔径よりも大きくなる。したがって、基礎杭として用いられる鋼管杭等の中空管体に採放熱管を挿入する場合、その採放熱管には形状、組数ともに工夫の余地がある。
【００１６】
以下に、建築物や土木構造物の基礎杭を利用した地中熱交換器の少流量化の対応例を説明する。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、地中熱交換器１００は、基礎杭として用いられる鋼管杭等の中空管体１に、可撓性のある細径管、例えば架橋ポリエチレン管をそれ自体Ｕ字状に折り曲げてなる採放熱管（Ｕチューブ）２を３組以上（図示例は５組）収容する（以下、「細径多数管方式」と称する）。
【００１７】
比較例として、図示は省略するが、同中空管体に、口径（直径）２５ｍｍの管をＵ字継手を介して接続してなる採放熱管を２組に収容した地中熱交換器を考える（以下、「標準方式」と称する）。
【００１８】
まずは、細径多数管方式にて、標準方式の採放熱管と同等の単位長さ当たりの表面積を確保できる組数を準備して、少流量にて同等の熱交換性能を得ることを考える。例えば口径１６ｍｍのＵチューブ２であれば３組、口径１３ｍｍのＵチューブ２であれば４組で、標準方式の採放熱管と同等の単位長さ当たりの表面積を確保することができる。その上で、合計断面積を５０〜６０％程度に減ずることができるので、同流量であれば流速を大きくすることができる。これにより、理論上の乱流限界を少流量化することができ、少流量にて標準方式と同等の熱交換性能が得られることになる。なお、流量［Ｌ／ｍｉｎ］は、中空管体１の１組当たり流量、或いは、採放熱管の単管流量である。
【００１９】
図２には、口径１６ｍｍのＵチューブ２を３組とした場合の地中熱交換器流量と熱交換性能の相関関係を示す。特性線１０１が細径多数管方式の実験結果（実験値）であり、特性線１０２が細径多数管方式で理論的に（レイノルズ数により）求められる理論値である。流量Ｒ3が理論上の乱流限界であり、理論的には熱交換性能はここに至るまでは僅かにしか低下しないが、ここを超えると著しく低下する。
【００２０】
しかしながら、細径多数管方式においては、実際の乱流限界は少なくとも流量Ｒ1までは見られない。したがって、理論上の乱流限界以下であっても、実験により熱交換性能を把握した流量Ｒ1まで少流量化を図ることが可能である。なお、図２における理論上の乱流限界値はレイノルズ数Ｒｅ＝３０００にて求めた値であるが、流量Ｒ1におけるレイノルズ数はＲｅ＝２７００よりも小さなものとなっており、Ｒｅ＝２７００にて理論上の乱流限界値を求めた場合でも同様の結果となる。
【００２１】
特性線１０３は標準方式で理論的に（レイノルズ数により）求められる理論値である。これまでは理論上の乱流限界となる流量（限界流量）Ｒ4に、調整誤差や性能劣化、能力的余裕等（即ち、安全率）を見込んだ流量（標準流量）Ｒ5以上の流量を確保するようにしていたが、細径多数管方式では、標準流量Ｒ5よりも少ない流量Ｒ2で同等の熱交換性能が得られることが分かる。
【００２２】
なお、図示例では、流量Ｒ1までしか熱交換性能との相関関係を把握していないが、それ以下の流量であっても、理論値ほど熱交換性能が著しく低下しないのであれば（実質的な乱流状態が維持できる限りにおいては）、その領域において更なる少流量化が可能である。
【００２３】
以上の表面積確保型の細径多数管方式は、多数とはいえ、組数を抑え、理論上の乱流状態を維持した上で少流量化が可能な前提で考えたものであったが、実験値においては理論上の乱流限界を大きく超えても実際には層流状態に遷移せず、大幅な少流量化対応が可能である。換言すれば、更に組数を増やし、標準方式の採放熱管よりも単位長さ当たりの表面積を増大させても、実質的な乱流状態が維持できる限りにおいては、熱交換性能が向上し、更なる少流量化が可能であると考えられる。
【００２４】
図３には、口径１６ｍｍのＵチューブ２を５組とした場合の地中熱交換器流量と熱交換性能の相関関係を示す。この場合、標準方式の採放熱管と比較して、単位長さ当たりの表面積を６０％程度増大させるとともに、合計断面積を同等とすることができるので、同流量であれば流速は同等となる。特性線２０１が細径多数管方式の実験結果（実験値）であり、特性線２０２が細径多数管方式で理論的に（レイノルズ数により）求められる理論値である。また、特性線２０３が標準方式で理論的に（レイノルズ数により）求められる理論値である。
【００２５】
この場合、理論的には、細径多数管方式の乱流限界Ｒ15は標準方式の乱流限界Ｒ13よりも大きくなるが、図２に示した表面積確保型と同様に、実際の乱流限界は少なくとも流量Ｒ11までは見られない。したがって、理論上の乱流限界以下であっても、実験により熱交換性能を把握した流量Ｒ11まで少流量化を図ることが可能である。
【００２６】
なお、特性線２０１は、図２に示した表面積確保型の特性線１０１に比べて緩やかになっている。したがって、特性線１０１での流量Ｒ2よりも更に少ない流量Ｒ12で、理論上の乱流限界となる流量（限界流量）Ｒ13に安全率を見込んだ流量（標準流量）Ｒ14と同等の熱交換性能が得られる。即ち、更なる低流速化、少流量化が可能であることが分かる。標準流量と同等の熱交換性能が得られる流量とする場合、図２に示した表面積確保型では標準流量Ｒ5に対して６０〜７０％程度の少流量となるのに対して、図３に示した表面積増大型では、標準流量Ｒ14に対して５０％程度の少流量とすることができる。
【００２７】
なお、流量Ｒ12におけるレイノルズ数はＲｅ＝１４００以下であり、完全な層流に至るまでの遷移流領域の理論上の限界Ｒｅ＝２０００も大きく下回っている。
【００２８】
このように、地中熱交換器流量と熱交換性能との相関関係は、地中熱交換器の仕様により異なるものである。地中熱交換器の仕様が異なるたびに実験を行ってもよいが、ある仕様における実験に基づく解析により、他の仕様の地中熱交換器における地中熱交換器流量と熱交換性能との相関関係を把握するようにしてもよい。解析手法として、例えば特許文献３に実験結果に基づく解析手法が開示されているので、それを利用すればよい。
【００２９】
以上述べたように、Ｕチューブ２に熱媒を循環させるに際して、理論上乱流状態を維持できる流速以下、即ち理論上層流状態にある低流速においても、層流状態にあるべき熱交換性能の著しい低下がないこと、及び、その領域における流量と熱交換性能との相関関係を把握した上で、理論上乱流状態を維持できる流速以下の低流速とするものである。
【００３０】
上述した細径多数管方式により少流量化、即ち標準方式に対して少流量で同等の熱交換性能を維持することが可能になる。しかしながら、地中熱交換器で汲み上げた熱を熱利用機器であるヒートポンプに運び込んだときに、ヒートポンプ自体の運転性能が少流量ゆえに低下するという問題がある。
【００３１】
表１には、あるヒートポンプの標準（定格）流量のおよそ半分の流量の定流量で循環ポンプを運転した場合の暖房負荷率毎のヒートポンプの消費電力（熱源消費電力）及び循環ポンプの消費電力（ポンプ消費電力）の試算例を示す。
【００３２】
【表１】
2009063267.tif 000003
【００３３】
定格時には、少流量化による循環ポンプの消費電力（即ち搬送動力）の削減分を、ヒートポンプの効率悪化（即ち熱源動力）の増加が食いつぶしてしまい、合計消費電力が変わらず、効果が得られないことが分かる。この場合は、熱媒定流量運転における少流量化、即ちフルタイムでの少流量化は効果が薄いことが分かる。
【００３４】
しかしながら、３０％、５０％の部分負荷時には、熱源動力の増加に負荷率が乗ぜられるため悪化率が低減されるのに対して、循環ポンプの消費電力の削減効果はそのまま得られるので、部分負荷運転になるほど効果が上がることが分かる。既述したように、室内を暖房又は冷房する空調機は、全期間を通して考えると、部分負荷で運転される期間が圧倒的に長いので、この効果は大きなものとなる。
【００３５】
更に、表２に逐次ヒートポンプの運転している負荷率に見合う流量で循環ポンプをインバータ制御した場合の計算例を示す。定格（標準）流量に見合う能力の循環ポンプを選定し、部分負荷時に見合う流量に絞った場合の消費電力は回転数及び流量の３乗に比例するため、表２に示すように、ポンプ動力の低減を更に図ることができることがわかる。即ち、変流量制御を加えることにより、少流量化の効果は非常に大きなものとなる。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
図４は、冷房期間６ヶ月における空調負荷変動パターンの一例を示すグラフである。これは、財団法人ヒートポンプ・蓄熱センターホームページで公開されている空調熱源簡易検討型プログラムにて示された温暖地事務所ビルにおける月別負荷分配率、時刻別分配率に基づいて、１冷房期間における１時間毎のピーク負荷に対する負荷率を表わしたものである。初期の２ヶ月、末期の１ヶ月においてはピーク時においても５０〜７０％の部分負荷運転になっていることが分かる。なお、本例は同一月においては月別の代表日の繰り返しデータとなっているが、実際には１日１日の負荷パターンも徐々に上昇、下降することになる。
【００３８】
図５は、図４の１時間毎のデータを更に降順に並べ替えたものである。４０〜６０％の部分負荷運転の時間が最も長く、６０％以下の部分負荷運転が運転時間の半分以上を占めていることが分かる。
【００３９】
これら図４、５のグラフや表１から、部分負荷時においては、その負荷に見合った循環流量に合わせて循環ポンプを運転することが、非常に効果的であることが分かる。
【００４０】
表３は、図５の降順並べ替えデータにおける運転負荷率毎の負荷率平均値、運転時間、全負荷相当時間をまとめたものである。
【００４１】
【表３】
2009063267.tif 000005
【００４２】
このデータを用いて変流量制御の効果を試算する。試算モデルにおけるヒートポンプの定格能力を５６０ｋＷ、冷房期間ＣＯＰ（成績係数＝「ヒートポンプ出力÷ヒートポンプ消費電力」）＝６．０、循環ポンプ定格消費電力を１５ｋＷとする。表３より、冷房期間ヒートポンプ出力は、５６０ｋＷ×９５８ｈ＝５３６,４８０ｋＷｈとなる。
【００４３】
まず、従来通り、熱媒循環流量が定流量で運転される場合の総合効率、即ちシステム成績係数ＳＣＯＰ（＝「ヒートポンプ出力÷（ヒートポンプ消費電力＋循環ポンプ消費電力」とする）を求める。ヒートポンプ消費電力は、ＣＯＰ＝６．０であるので、５３６,４８０ｋＷｈ÷６．０＝８９,４１３ｋＷｈとなる。循環ポンプ消費電力は、定格消費電力を消費し続けるので、１５ｋＷ×１,７２２ｈ＝２５,８３０ｋＷｈとなる。よって、総電力消費量が８９,４１３ｋＷｈ＋２５,８３０ｋＷｈ＝１１５,２４３ｋＷｈとなり、定流量運転におけるＳＣＯＰは、５３６,４８０ｋＷｈ÷１１５,２４３ｋＷｈ＝４．７となる。
【００４４】
次に、熱媒循環流量が負荷に見合う流量（変流量制御）で運転される場合の総合効率、即ちシステム成績係数ＳＣＯＰを求める。循環ポンプ消費電力は、運転時間中、定格消費電力を消費し続けるのではなく、表４に示すように、負荷率相当の流量に見合う電力を消費する。一方、表４に示すように、ヒートポンプのＣＯＰは循環流量の低下により悪化し、熱源消費電力は定流量運転時よりも増加するが、この増加よりも循環ポンプ消費電力低減の方が勝り、総電力消費量は表４に示すように１０５,４７８ｋＷｈとなり、標準流量で定流量で運転する場合に比べ１０％程度低減させることができる。そして、変流量運転におけるＳＣＯＰは、５３６,４８０ｋＷｈ÷１０５,４７８ｋＷｈ＝５．１まで向上させることができる。
【００４５】
【表４】
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【００４６】
図６には、本発明を適用した地中熱利用システムの概略構成を示す。地中に埋設された複数本の地中熱交換器１００と、各地中熱交換器１００に循環させる熱媒を介して採放熱するためのヒートポンプ２００と、ヒートポンプ２００により加熱又は冷却された負荷側熱媒を介して室内を暖房又は冷房する空調機３００と、各地中熱交換器１００に熱媒を循環させるための循環ポンプ４００とを備える。図６では簡単に図示しているが、地中熱交換器１００は、既述した細径多数管方式によるものであり、中空管体１、及び、中空管体１に収容された、好ましくは３組以上のＵチューブ２により構成される。
【００４７】
制御盤５００は、ヒートポンプ２００の負荷出力に基づいて循環ポンプ４００を変流量制御する。負荷出力は、ヒートポンプ２００が実際に処理している負荷出力信号である。例えばヒートポンプ２００は、負荷側個別空調機３００毎の運転状況（負荷率）信号を制御配線を介して受け取り、その集積値により運転している。したがって、ヒートポンプ３００が稼動している負荷出力を電気信号として受け取り、これに合わせて循環ポンプ４００を変流量制御する。
【００４８】
また、循環ポンプ４００を変流量制御するに際して、熱媒循環流量の下限値を設定しておく。この下限値は、既述したように、理論上乱流状態を維持できる流量であるか否かにかかわらず、実験又は実験に基づく解析により把握された流量と熱交換性能との相関関係に基づいて設定されたものであり、例えば図２、３の流量Ｒ1、Ｒ11がこれに相当する。
【００４９】
図７の例は、空調機３００に循環させる負荷側熱媒（冷温水）の温度を温度センサ７００で測定する。制御盤５００は、温度センサ７００で測定された負荷側熱媒の温度に基づいて循環ポンプ４００を変流量制御する。負荷が増えれば暖房時には負荷側熱媒の温度が下がる（冷房時は逆）ことから、負荷判断の簡易的な手法として利用される。
【００５０】
図８の例は、空調機３００の出側及び入側での負荷側熱媒（冷温水）の温度を温度センサ７００で測定するとともに、循環量を流量センサ８００で測定する。制御盤５００は、温度センサ７００で測定された負荷側熱媒の温度及び流量センサ８００で測定された循環量を用いて負荷出力（流量×温度差）を算出し、その負荷に基づいて循環ポンプ４００を変流量制御する。
【００５１】
図９の例は、ヒートポンプ２００の熱源側の出側及び入側での熱媒の温度を温度センサ９００で測定する。制御盤５００は、温度センサ９００で測定されたヒートポンプ２００の熱源側の出側及び入側での熱媒の温度差に基づいて、その温度差が一定となるように循環ポンプ４００を変流量制御する。
【００５２】
なお、図６、９では負荷側の循環ポンプ６００を仮想線で示しているが、これは循環ポンプ６００が不要な場合もあるからである。例えば特許文献２に開示されているように、負荷側熱媒として冷媒（ガス）を使用し、ヒートポンプ２００と空調機３００とを冷媒配管で接続するとともに、二次凝縮・蒸発器を空調機３００に設けることにより、負荷側の循環ポンプ６００を不要にすることができる。
【００５３】
図１０、１１には、細径多数管方式の地中熱交換器の他の例を示す。図１では、３組以上のＵチューブ２を略並行に並べて中空管体１に収容したが、図１０に示すように、３組以上（図示例は４組）のＵチューブ２それぞれの最底部が同軸上に配置されるように重ね合わせて収容してもよい。
【００５４】
また、図１１に示すように、可撓性のある細径管を螺旋状にしたものを採放熱管（螺旋状チューブ）３とし、３組以上（図示例は３組）の螺旋状チューブ３を上下に並べてもよい。図示のままでは、採放熱管は中空管体の底部に行き放しになるが、実際には底部より折り返して螺旋の内側又は外側で中空管体上部まで立ち上げる。これは省略している。
【００５５】
また、図１２に示すように、上下に延伸する一対以上の（本例では一対の）ヘッダパイプ４ａ間に、多数の細径管４ｂを適宜なピッチで並べて架設してなる梯子型の採放熱管４を用いてもよい。この場合に、単に一対のヘッダパイプ４ａのうち一方を供給管とし、他方を排出管とするのでは、並列する細径管４ｂの数が多すぎて、層流が発生しやすくなる。そこで、ヘッダパイプ４ａに仕切り４ｃを適宜設置し、図中矢印に示すように、熱媒が一方のヘッダパイプ４ａから複数本の細径管４ｂを介して他方のヘッダパイプ４ａに流れ、その下方では他方のヘッダパイプ４ａから複数本の細径管４ｂを介して一方のヘッダパイプ４ａに流れる、といったように複数本の細径管４ｂ単位で交互に流れるようにする（Ｓ字流とする）のが望ましい。なお、図１２（ｂ）、（ｃ）に示すように、中空管体１に１組の採放熱管４だけ収容してもよいし、中空管体１の口径が大きいような場合には、図１２（ｄ）に示すように、２組の採放熱管４を対向させるように配置して収容してもよい。
【００５６】
なお、ここまで説明した細径多数管方式とは考え方が異なるが、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、採放熱管５１に、例えば耐食性を有する樹脂製のチェーン、ねじり棒やネジ棒等の乱流誘発材５２を挿入し、採放熱管５１内で強制的に乱流を誘発する方式も有効である。
【００５７】
以上、本発明を実施形態とともに説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。例えば上記実施形態では、地中熱交換器として中空管体１に採放熱管を収容する構造のものを説明したが、例えばコンクリート杭に採放熱管（Ｕチューブ２、螺旋状チューブ３、梯子型の採放熱管４等）を埋設させた構造のものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】細径多数管方式の地中熱交換器の構成を示す図である。
【図２】地中熱交換器流量と熱交換性能の相関関係を示す特性図である。
【図３】地中熱交換器流量と熱交換性能の相関関係を示す特性図である。
【図４】空調負荷変動パターンの一例を示すグラフである。
【図５】図４の特性図を並び替えたグラフである。
【図６】本発明を適用した地中熱利用システムの概略構成を示す図である。
【図７】本発明を適用した他の例の地中熱利用システムの概略構成を示す図である。
【図８】本発明を適用した他の例の地中熱利用システムの概略構成を示す図である。
【図９】本発明を適用した他の例の地中熱利用システムの概略構成を示す図である。
【図１０】細径多数管方式の他の例の地中熱交換器の構成を示す図である。
【図１１】細径多数管方式の他の例の地中熱交換器の構成を示す図である。
【図１２】細径多数管方式の他の例の地中熱交換器の構成を示す図である。
【図１３】乱流を誘発する方式の地中熱交換器の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１      中空管体
２      Ｕチューブ
３      螺旋状チューブ
４      梯子型の採放熱管
４ａ    ヘッダパイプ
４ｂ    チューブ
４ｃ    仕切り
１００  地中熱交換器
２００  ヒートポンプ
３００  空調機
４００  循環ポンプ
５００  制御盤
６００  循環ポンプ
７００  温度センサ
８００  流量センサ
９００  温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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