(57)【要約】【課題】熱源水の搬送動力を大幅削減でき、施工が容易で、長時間連続運転可能な地熱利用ヒートポンプシステムを得る。【解決手段】  貯水タンク（１）と、循環冷媒と貯水タンク（１）に滞留状態の熱源水との間で熱交換させる運転を行う水熱源ヒートポンプ（２）と、地中の地表近くに埋設されると共に貯水タンク（１）との間で熱源水が定期的に入換えられて滞留状態の熱源水を地中との熱移動で温調する蓄熱タンク（３）と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯水タンク（１）と、循環冷媒と前記貯水タンク（１）に滞留状態の熱源水との間で熱交換させる運転を行う水熱源ヒートポンプ（２）と、地中の地表近くに埋設されると共に前記貯水タンク（１）との間で前記熱源水が定期的に入換えられて滞留状態の熱源水を地中との熱移動で温調する蓄熱タンク（３）と、を備えたことを特徴とする地熱利用ヒートポンプシステム。
【請求項２】
複数の蓄熱タンク（３）を備え、複数の前記蓄熱タンク（３）の少なくとも１つを空き蓄熱タンク（３）とすると共に残りを熱源水を滞留させた滞留蓄熱タンク（３）とし、水熱源ヒートポンプ（２）の運転により設定水温範囲外となった熱源水を貯水タンク（１）から前記空き蓄熱タンク（３）へ移動させると共に地中との熱移動により設定水温範囲内に温調された熱源水を前記滞留蓄熱タンク（３）から前記貯水タンク（１）へ移動させて新たな空き蓄熱タンク（３）とするサイクルを繰返させる制御手段（４）を、設けた請求項１記載の地熱利用ヒートポンプシステム。
【請求項３】
貯水タンク（１）の熱源水に、水熱源ヒートポンプ（２）を構成する水熱源側熱交換部（１３）の伝熱管を浸漬させて、前記熱源水と前記水熱源側熱交換部（１３）の循環冷媒を熱交換自在とした請求項１又は２記載の地熱利用ヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は地熱利用ヒートポンプシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水熱源ヒートポンプには、一方の水熱交換器で熱源水を熱交換し、他方の熱交換器で空調用の空気又は水を熱交換するタイプのものがある。このような水熱源ヒートポンプを地熱を利用して運転するヒートポンプシステムは、地中に埋設したパイプ状の地中熱交換器と、水熱源ヒートポンプの水熱交換器と、の間で熱源水を循環させることで、ヒートポンプの循環冷媒を熱交換させ、熱源水を地熱で温調している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２８９５３３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、パイプ状の地中熱交換器の中を熱源水が常時移動しているので地中との間で熱移動しにくく、ヒートポンプを運転するのに必要な熱量を得るためには、地中の深層部まで埋設する必要がある。そのため、深層部に向け縦穴を特殊な掘削機械で長時間かけて掘らねばならず、非常に手間と時間がかかりコスト高となる。さらに、熱源水をヒートポンプから地中の深層部まで常時循環させる必要があるためにポンプなどの搬送動力が多大となり運転コストが高くつく。また、冬期に地中の同じ場所から長時間連続して採熱すると地中温度の回復が追いつかず、地中温度と採熱量が低下し続けて、ヒートポンプの運転ができなくなったり、凍結防止のために熱源水に不凍液を使用しなければならないため環境汚染が発生する問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記課題を解決するため、貯水タンクと、循環冷媒と前記貯水タンクに滞留状態の熱源水との間で熱交換させる運転を行う水熱源ヒートポンプと、地中の地表近くに埋設されると共に前記貯水タンクとの間で前記熱源水が定期的に入換えられて滞留状態の熱源水を地中との熱移動で温調する蓄熱タンクと、を備えたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１の発明によれば
（１）貯水タンクと蓄熱タンクの間で熱源水を定期的に入換えるだけで水熱源ヒートポンプを運転できて常時循環させる必要がなくなり、しかも、地中の蓄熱タンクが地表近くにあって熱源水の搬送距離が短いため、熱源水の搬送動力を大幅削減でき、省エネとなる。
（２）地熱利用のための穴を地中深くまで特殊な掘削機械で長時間かけて掘る必要がなく、掘削の時間と費用の削減を図れて施工が容易となる。また、貯水タンクと蓄熱タンクは安価製作が可能で搬送も容易である。
（３）蓄熱タンクに熱源水を滞留状態にして地中と熱移動させているので熱交換効率が良く、温調時間の短縮、水量当たりのヒートポンプ運転用熱エネルギーの増加、及び蓄熱タンクのコンパクト化を図れる。
請求項２の発明によれば
（１）空き蓄熱タンクと滞留蓄熱タンクの間で熱源水を順次入換えることで、冬期に地中の同じ場所から長時間連続して採熱することがなくなり、地中温度を回復させるに十分な時間が得られて、滞留蓄熱タンクでの採熱量が水熱源ヒートポンプ運転限界よりも低下するのを防止できる。したがって、冬期でも水熱源ヒートポンプが連続運転可能となり、環境汚染の心配の無い水を熱源として使用でき、不凍液を使わずに済む。さらに、長時間運転のため余分に貯水タンクを大きくする必要がなく、貯水タンクのコンパクト化を図れる。
（２）蓄熱タンク数を増減するだけで、水熱源ヒートポンプの連続運転時間を自由に設定でき、各種条件に応じた最適なヒートポンプシステムを設計構築できる。
請求項３の発明によれば、
（１）貯水タンク内は水なので、水熱源側熱交換部の伝熱管を直接浸漬しても腐食やゴミの付着などの心配がなく、メンテナンスが楽で、耐久性に優れ、安定した熱交換能力を発揮できる。
（２）高価なプレート型熱交換器等なしで熱源水と循環冷媒を熱交換でき、構造が簡単で製作が容易となり、コスト低減を図れる。
【実施例】
【０００７】
図１は、本発明の地熱利用ヒートポンプシステムの一実施例を示しており、この地熱利用ヒートポンプシステムは、貯水タンク１と、循環冷媒と貯水タンク１に設定水量範囲を滞留状態とした熱源水との間で熱交換させる運転を行う水熱源ヒートポンプ２と、地中の地表近くに埋設されると共に貯水タンク１との間で設定水量範囲の熱源水が定期的に入換えられて設定水量範囲を滞留状態とした熱源水を地中との熱移動で温調する蓄熱タンク３と、を備えている。地域により異なるが深度１ｍ位までの地中温度は外気の影響を受けて冬は低く夏は高くなるが、熱源水が採熱（冬期）・放熱（夏期）可能な温度差が地中に対してあるため、例えば深さ約３ｍ前後の地表近くをパワーショベルなどの普通の掘削機械で浅く穴を掘って蓄熱タンク３を埋める。
【０００８】
蓄熱タンク３は複数で、設定水量範囲の熱源水を滞留可能な複数の蓄熱タンク３…の少なくとも１つを空き蓄熱タンク３とすると共に残りを設定水量範囲の熱源水を滞留させた滞留蓄熱タンク３とし、水熱源ヒートポンプ２の運転により設定水温範囲外となった設定水量範囲の熱源水を貯水タンク１から空き蓄熱タンク３へ移動させると共に地中との熱移動により設定水温範囲内に温調された設定水量範囲の熱源水を滞留蓄熱タンク３から貯水タンク１へ移動させて新たな空き蓄熱タンク３とするサイクルを繰返させる制御手段４を、設ける。なお、図例では空き蓄熱タンク３を１つ、滞留蓄熱タンク３を２つとしているが数量の増減は自由で、熱源水を全水量残さず移動させるも、所定水量残しながら移動させるも自由である。
【０００９】
また、水熱源ヒートポンプ２の運転により貯水タンク１の設定水量範囲の熱源水が設定水温範囲内から範囲外となるまでの運転最短時間Ａ、地中との熱移動により蓄熱タンク３の設定水量範囲の熱源水が設定水温範囲外から範囲内になるまでの温調最長時間Ｂ、及び設定水量範囲のの熱源水を滞留可能な蓄熱タンク数量Ｎを、水熱源ヒートポンプ２が連続運転可能なように、運転最短時間Ａ≧温調最長時間Ｂ÷（蓄熱タンク数Ｎ−１）に設定する。たとえば、運転最短時間Ａ≧温調最長時間Ｂの場合は蓄熱タンク３が２つで、運転最短時間Ａ≦温調最長時間Ｂの場合は３つ以上となる。このようにして最適な蓄熱タンク数Ｎに設定することで、余分な設備費及び施工費をかけることなく、確実に地中温度を回復させ、運転最短時間Ａ内に少なくとも１つの蓄熱タンク３の設定水量範囲の熱源水を設定水量範囲内に温調し、水熱源ヒートポンプ２の長時間連続運転を可能にする。なお、熱源水の設定水温範囲は例えば１０〜４５℃で、設定水量範囲は所定容量の水熱源ヒートポンプ２を所定時間運転可能とする必要熱エネルギー量と設定水温範囲とに基づいて算出する（例えば５００〜１０００リットル）。
【００１０】
水熱源ヒートポンプ２は、循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を行う熱交換器１２及び水熱源側熱交換部１３と、循環冷媒を圧縮する圧縮機１４と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構１６と、熱交換器１２及び水熱源側熱交換部１３の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の冷媒流路切換機構１５と、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して成り、貯水タンク１の設定水量範囲の熱源水に、水熱源側熱交換部１３の伝熱管を浸漬させて、熱源水と循環冷媒を熱交換自在とする。図例の熱交換器１２は冷媒−水熱交換器で、循環冷媒と、ファンコイルユニットや床暖房などの空調用に使用する冷温水と、を熱交換する。
【００１１】
制御手段４は、貯水タンク１の熱源水温を検出する貯水温検出器５と、各蓄熱タンク３の熱源水温を検出する蓄熱水温検出器６と、貯水タンク１から空き蓄熱タンク３へ選択的に熱源水を排出させる排水機構７と、貯水タンク１へ滞留蓄熱タンク３から選択的に熱源水を注水させる注水機構８と、貯水タンク１の熱源水が設定水温範囲外となる場合に貯水温検出器５及び蓄熱水温検出器６で検出された熱源水温に応じて空き蓄熱タンク３及び設定水温範囲の滞留蓄熱タンク３を選定し貯水タンク１の熱源水を入換えさせるように排水機構７と注水機構８へ制御信号を出力する制御器９と、を備え、水熱源ヒートポンプ２の省エネ連続運転を自動的に行えるようにしている。
【００１２】
排水機構７は、貯水タンク１から各蓄熱タンク３に連通する排水路１０、分流ヘッダや制御弁等にて構成されて制御器９の信号にて選定された蓄熱タンク３にのみ貯水タンク１から熱源水を排出するように排水路１０を切換える排水路切換機構１１、などにて構成し、注水機構８は、各蓄熱タンク３から貯水タンク１に連通する注水路１７と、熱源水を搬送する送水ポンプ１８と、集合ヘッダや制御弁等にて構成されて制御器９の信号にて選定された蓄熱タンク３からのみ熱源水を貯水タンク１へ注水するように注水路１７を切換える注水路切換機構１９、などにて構成しているが、それぞれ構成の変更は自由である。図例では、排水機構７は落差を利用して排水するようにしているが、送水ポンプを用いて熱源水を排出するも自由である。なお、熱源水の排水と注水のシーケンスは図示省略のタイマーや水量検出器などを用いて制御すればよく、その手段や構成の変更は自由である。
【００１３】
図２は、熱交換器１２が冷媒−空気熱交換器で、循環冷媒で空調用空気を冷却又は加熱し、送風機２０にて被空調空間に給気して空調する例を示している。また、図３は、貯水タンク１の上に水熱源ヒートポンプ２を設けたものを例示しており、この場合も、熱交換器１２を水熱交換器とするも図２と同様に冷媒−空気熱交換器とするも変更は自由である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の地熱利用ヒートポンプシステム例の簡略説明図である。
【図２】他の水熱源ヒートポンプ例を示す簡略図である。
【図３】別の水熱源ヒートポンプ例を示す簡略図である。
【符号の説明】
【００１５】
１    貯水タンク
２    水熱源ヒートポンプ
３    蓄熱タンク
４    制御手段
１３  水熱源側熱交換部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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