本発明は、地中熱空調システムに関する。

従来、太陽熱と地中熱とを利用した空調システムが提案されている(例えば特許文献1参照)。このような空調システムには、例えば太陽熱を利用した冷暖房を行うと共にバックアップとして地中熱による冷暖房を行うものがある。

特開2010−255982号公報

近年、パッシブ建築などの高断熱・高気密仕様の建物のように、年間を通して冷房負荷は充分発生するが、暖房負荷については冷房負荷ほど発生しない建築物が提案されている。このような建築物に対して地中熱を利用した空調システムを用いる場合、冷房期に地中に対して行う放熱量が、暖房期における地中からの吸熱量を上回ってしまう。このような場合、年月の経過と共に地中熱温度の上昇を招き、将来的に地中熱を安定して利用できなくなる可能性がある。

なお、この問題は、上記の建築物に地中熱を利用した空調システムを用いる場合に限らず、年間の平均気温が高い地域などのように地中に対して行う放熱量が地中からの吸熱量を上回ってしまう環境下において共通する問題である。さらには、年間の平均気温が低い地域などのように地中に対して行う放熱量が地中からの吸熱量を下回ってしまう環境下においては、地中熱温度の低下を招くことから共通する問題である。加えて、地中熱を利用した冷房のみや暖房のみを行う地中熱空調システムについても共通する問題である。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、将来的に地中熱を安定して利用できなくなる可能性を低減することが可能な地中熱空調システムを提供することにある。

本発明の地中熱空調システムは、地中熱を取得する地中熱取得手段を備え、前記地中熱取得手段により取得された地中熱を利用して冷房及び暖房の少なくとも一方の空調を行う地中熱空調システムであって、前記地中熱取得手段により取得される地中熱温度を検出する第1検出手段と、対象となる対象水の温度を検出する第2検出手段と、前記第1検出手段により検出される地中熱温度と、前記第2検出手段により検出される対象水の温度との比較結果が所定条件を満たす場合に、地中熱を利用した前記空調を行わず、当該対象水を前記地中熱取得手段に供給する給水制御手段と、を備えることを特徴とする。

この地中熱空調システムによれば、対象水の温度と地中熱温度とが所定条件を満たす場合に当該対象水を地中熱取得手段に供給するため、地中に対して対象水を供給することで、地中から吸熱したり地中に放熱したりすることができ、地中熱の熱収支をバランス化させることができる。従って、将来的に地中熱を安定して利用できなくなる可能性を低減することが可能な地中熱空調システムを提供することができる。

また、地中熱空調システムにおいて、前記給水制御手段は、前記第1検出手段により検出される地中熱温度よりも、前記第2検出手段により検出される対象水の温度の方が低い場合に、当該対象水を前記地中熱取得手段に供給することが好ましい。

この地中熱空調システムによれば、対象となる水の温度の方が地中熱温度よりも低い場合に、当該水を地中熱取得手段に供給するため、パッシブ建築などの高断熱・高気密仕様の建物における空調を行うシステムや、年間の平均気温が高い地域における空調を行うシステム等において、地中からの吸熱を行って、地中熱の熱収支をバランス化させることができる。

また、地中熱空調システムにおいて、前記対象水は、水道管側から給水される水であって、前記給水制御手段は、水道管側から給水される水を水道圧を利用して前記地中熱取得手段に供給することが好ましい。

この地中熱空調システムによれば、水道管側から給水される水を水道圧を利用して地中熱取得手段に供給するため、地中熱の熱収支をバランス化させるにあたり、ポンプ等を使用して電力消費が発生する事態を抑えることができる。

また、地中熱空調システムにおいて、前記給水制御手段は、前記地中熱取得手段に供給されて前記地中熱取得手段から排出される水を、外部からの熱量を受け入れて内部の湯水を加熱可能な貯湯槽に供給することが好ましい。

この地中熱空調システムによれば、地中熱取得手段に供給されて地中熱取得手段から排出される水を貯湯槽に供給するため、地中から吸熱して昇温した水を貯湯槽に供給することとなる。このため、給水される水の温度が低くなる冬季などに、貯湯槽に供給する水の温度を高めることとなり、給湯温度まで昇温するときの熱量を小さくすることができる。

なお、上記において対象水は、その温度が限定されるものではなく、温水、冷水、及び常温水のいずれの温度帯であってもよい概念のものである。また、湯水についても同様に、その温度が限定されるものではない。

本発明によれば、将来的に地中熱を安定して利用できなくなる可能性を低減することが可能な地中熱空調システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る地中熱空調システムを含む空調給湯システムを示す構成図である。

図1に示した給水機構の拡大図である。

給水機構の制御状態を示す第1の図である。

給水機構の制御状態を示す第2の図である。

本実施形態に係る給水制御装置による動作を示すフローチャートである。

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。

図1は、本発明の実施形態に係る地中熱空調システムを含む空調給湯システムを示す構成図である。図1に示すように、空調給湯システム1は、太陽熱空調システム100と、給湯システム200と、地中熱空調システム300と、室内機IUとを備えて構成されている。

太陽熱空調システム100は、概略的に太陽熱集熱器110と、蓄熱槽120と、温水焚吸収式冷凍機130と、熱交換器140と、各種配管R1〜R12と、各種ポンプP1〜P5と、第1及び第2三方弁V1,V2とを備えている。

太陽熱集熱器110は、日当たりの良い住宅やビル等の屋根などに設置され太陽光を利用して熱媒を暖めるものである。太陽熱集熱器110と蓄熱槽120とは第1熱媒往き配管R1及び第1熱媒還り配管R2で接続されている。第1熱媒往き配管R1及び第1熱媒還り配管R2は、太陽熱集熱器110と蓄熱槽120とを接続するものであり内部に熱媒が流れる構成となっている。熱媒は第1熱媒往き配管R1及び第1熱媒還り配管R2を介して太陽熱集熱器110と蓄熱槽120とを循環する。

蓄熱槽120は、太陽熱集熱器110によって加熱された熱媒を貯湯しておくことで蓄熱を行うものである。集熱ポンプP1は、蓄熱槽120の熱媒を太陽熱集熱器110に送り込む動力となるものであって、第1熱媒往き配管R1上に設けられている。この集熱ポンプP1が作動することで熱媒は太陽熱集熱器110と蓄熱槽120とを循環する。

蓄熱槽120と温水焚吸収式冷凍機130とは第2熱媒往き配管R3及び第2熱媒還り配管R4で接続されている。第2熱媒往き配管R3及び第2熱媒還り配管R4は、蓄熱槽120と温水焚吸収式冷凍機130とを接続するものであり内部に熱媒が流れる構成となっている。熱媒ポンプP2は、第2熱媒往き配管R3上に設けられており、蓄熱槽120の熱媒を温水焚吸収式冷凍機130に送り込む動力となるものである。この熱媒ポンプP2が作動することで熱媒は蓄熱槽120と温水焚吸収式冷凍機130とを循環する。

温水焚吸収式冷凍機130は、蒸発器、吸収器、再生器、及び凝縮器の吸収冷凍サイクルを利用して冷水を得るものである。本実施形態に係る温水焚吸収式冷凍機130は、第2熱媒往き配管R3及び第2熱媒還り配管R4が再生器に接続されており、蓄熱槽120からの熱媒によって冷媒(例えば水)を吸収した吸収液(例えば臭化リチウム)から冷媒を沸騰分離させる。また、温水焚吸収式冷凍機130は、蒸発器に冷水往き配管R5及び冷水還り配管R6が接続されている。冷水往き配管R5及び冷水還り配管R6は温水焚吸収式冷凍機130により冷却される冷水が流れる構成となっており、室内機IU側に接続されている。室内機IUは、温水焚吸収式冷凍機130からの冷水を利用して冷房を行うこととなる。なお、本実施形態に係る地中熱空調システム300は、特別養護老人ホームなどの多数の部屋を有する施設に用いられることを想定しており、室内機IUは、多数個(複数個)設けられている。

また、温水焚吸収式冷凍機130は、冷却塔131に接続されている。冷却塔131は冷却水配管R7を通じて冷却水を温水焚吸収式冷凍機130の吸収器及び凝縮器に供給するように構成されている。冷却水配管R7には、冷却水を送り込む動力となる冷却水ポンプP3が設けられている。

なお、冷水還り配管R6には冷水を温水焚吸収式冷凍機130と室内機IUとで循環させる循環ポンプP4が設けられている。また、温水焚吸収式冷凍機130と室内機IUとの間には、往きヘッダーH1と還りヘッダーH2とが設けられている。往きヘッダーH1から室内機IUを通じて還りヘッダーH2までは、室内側配管R8で接続されている。室内側配管R8には往きヘッダーH1から室内機IUを通じて還りヘッダーH2まで冷水を移送するための動力となる室内側ポンプP5が設けられている。

第2熱媒往き配管R3のうち熱媒ポンプP2と温水焚吸収式冷凍機130との間には、第1三方弁V1が設けられている。第1三方弁V1は、熱媒分岐配管R9の一端に接続されている。熱媒分岐配管R9の他端は熱交換器140の一次側141に接続されている。さらに、熱媒分岐配管R9を通じて熱交換器140の一次側141に供給された熱媒は、熱媒分岐配管R10を通じて第2熱媒還り配管R4に戻されるように配管接続されている。このため、第1三方弁V1が制御されることにより、熱交換器140は、蓄熱槽120からの熱媒を一次側141に導入可能となっており、熱交換を行うことにより二次側142に流れる湯水を温水化する。

熱交換器140の二次側142には、温水往き配管R11と温水還り配管R12とが接続されている。また、冷水還り配管R6には、循環ポンプP4と温水焚吸収式冷凍機130との間に第2三方弁V2が設けられており、温水往き配管R11は、第2三方弁V2と熱交換器140の二次側142とを接続している。さらに、温水還り配管R12は熱交換器140の二次側142と冷水往き配管R5とを接続している。このような配管接続関係であるため、第2三方弁V2が制御されることで、温水を室内機IU側に供給可能となる。室内機IUは、熱交換器140の二次側142からの温水を利用して暖房を行うこととなる。

給湯システム200は、概略的に貯湯槽210と、熱移送部220と、加熱源230と、給湯配管R13と、給水ポンプP6とを備えている。

貯湯槽210は、施設内の需要者に供給する湯水を貯湯するものであって、外部からの熱量を受け入れて内部の湯水を加熱可能なものである。外部からの熱量は、後述するように熱移送部220や加熱源230を利用して受け入れられる。この貯湯槽210は地中熱空調システム300の給水機構(後述の符号330)を介して、水道管側に接続される給水管R18からの水を受入可能とされている。

熱移送部220は、蓄熱槽120に蓄えられた熱を利用して貯湯槽210内の湯水を加熱させるものである。この熱移送部220は、貯湯槽210内の湯水を導入して蓄熱槽120を経由のうえ再度貯湯槽210に戻すための熱移送管221と、熱移送管221を通じた湯水の流通を行うための熱移送ポンプ222とを備えている。加熱源230は、図外の装置からの蒸気やガスによる加熱器などを利用して貯湯槽210内の湯水を加熱するものである。なお、加熱源230は、蒸気やガスによる加熱に限るものではなく、熱移送部220とは異なる熱を利用して貯湯槽210内の湯水を加熱するものであれば、電力等を利用するものであってもよい。

給湯配管R13は、施設内のシャワー、浴槽及び蛇口等につながる配管である。給水ポンプP6は、貯湯槽210内の湯水を給湯配管R13に流すための動力源となるものである。

地中熱空調システム300は、概略的に地中熱熱交換器(地中熱取得手段)310と、地中熱ヒートポンプ320と、各種配管R14〜R17と、ポンプP7,P8とを備えている。

地中熱熱交換器310は、地中熱を取得するものであって、例えば地中100mなどの地中深くまで敷設される配管によって構成されている。地中深くにおいては季節によらず温度が一定化されており、例えば12℃〜18℃程度となっている。地中熱熱交換器310は、配管内に水が供給され、水が地中熱を取得することによって熱媒温度を上記温度帯とするものである。

このような地中熱熱交換器310と地中熱ヒートポンプ320の一次側321とは地中熱往き配管R14及び地中熱還り配管R15によって接続されている。また、地中熱還り配管R15には、熱媒が地中熱熱交換器310と地中熱ヒートポンプ320の一次側321とを循環するための動力源となる地中熱ポンプP7が設けられている。

地中熱ヒートポンプ320の二次側322には、冷温水往き配管R16と、冷温水還り配管R17とが接続されている。冷温水往き配管R16は往きヘッダーH1に接続され、冷温水還り配管R17は還りヘッダーH2に接続されている。また、冷温水還り配管R17には、冷温水ポンプP8が設けられている。冷温水ポンプP8は、地中熱ヒートポンプ320の二次側322と室内機IUとで冷温水を循環させる動力源となるものである。地中熱ヒートポンプ320は、一次側321に導入された熱媒を利用して二次側322の湯水を冷水化したり温水化したりする。室内機IUは、地中熱ヒートポンプ320の二次側322から送られてくる冷温水によって(すなわち地中熱熱交換器310により取得された地中熱を利用して)冷房及び暖房を行う。

更に、地中熱空調システム300は、給水機構330と、給水制御装置(第1検出手段、第2検出手段、給水制御手段)340と、第1及び第2温度センサ(第1検出手段、第2検出手段)T1,T2とを備えている。図2は、図1に示した給水機構330の拡大図である。図2に示すように、給水機構330は、給水管R18と、地中熱往き配管R14及び地中熱還り配管R15とを接続するものであり、第3〜第5三方弁V3〜V5と、第1及び第2バイパス管R19,R20とを備えている。

第3三方弁V3は、給水管R18上に設けられており、第1ポートV31が水道管側に接続され、第2ポートV32が貯湯槽210側に接続されている。第3ポートV33は、第1バイパス管R19の一端に接続されている。

第4三方弁V4は、地中熱還り配管R15上に設けられており、第1ポートV41が地中熱ヒートポンプ320側に接続され、第2ポートV42が地中熱熱交換器310側に接続されている。第3ポートV43は、第1バイパス管R19の他端に接続されている。

第5三方弁V5は、地中熱往き配管R14上に設けられており、第1ポートV51が地中熱熱交換器310側に接続され、第2ポートV52が地中熱ヒートポンプ320側に接続されている。第3ポートV53は、第2バイパス管R20の一端に接続されている。第2バイパス管R20の他端は、給水管R18のうち、第3三方弁V3の第2ポートV32と貯湯槽210との間の部分に接続されている。

再度、図1を参照する。図1に示す第1温度センサT1は、地中熱熱交換器310に設けられ、地中熱熱交換器310により取得される地中熱温度に応じた温度信号を出力するものである。第2温度センサT2は、給水管R18に設けられ、給水される水(対象水)の温度を検出するものである。第1及び第2温度センサT1,T2からの温度信号は給水制御装置340に送信される。なお、第1温度センサT1は、地中熱熱交換器310の出口側の地上部分等に設けられ、地中熱熱交換器310から排出される水の温度を地中熱温度とし、温度信号を出力するものであってもよい。

給水制御装置340は、第1温度センサT1からの温度信号を入力して地中熱温度を検出する機能を有している。また、給水制御装置340は、第2温度センサT2からの温度信号を入力して給水される水の温度を検出する機能を有している。さらに、給水制御装置340は、検出した地中熱温度と給水される水の温度との比較結果に基づいて、第3〜第5三方弁V3〜V5を制御する。

具体的に説明すると、給水制御装置340は、検出した地中熱温度に対して、給水される水の温度が同じ又は高いと判断した場合(比較結果が所定条件を満たさない場合)、図3に示すように第3〜第5三方弁V3〜V5を制御する。一方、給水制御装置340は、検出した地中熱温度よりも、給水される水の温度が低いと判断した場合(比較結果が所定条件を満たす場合)、図4に示すように第3〜第5三方弁V3〜V5を制御する。

図3は、給水機構330の制御状態を示す第1の図であり、図4は、給水機構330の制御状態を示す第2の図である。なお、図3及び図4において太線は水の流れを示している。

図3に示すように、給水制御装置340は、検出した地中熱温度に対して、給水される水の温度が同じ又は高いと判断した場合、給水される水を給水管R18を通じてそのまま貯湯槽210に供給させる。具体的に給水制御装置340は、第3三方弁V3の第1ポートV31と第2ポートV32とを流通状態とし、第3ポートV33を遮断状態とする。これにより、給水制御装置340は、給水される水を貯湯槽210に供給する。なお、この場合において給水制御装置340は、第4三方弁V4の第1ポートV41と第2ポートV42とを流通状態とし、第3ポートV43を遮断状態とする。同様に給水制御装置340は、第5三方弁V5の第1ポートV51と第2ポートV52とを流通状態とし、第3ポートV53を遮断状態とする。これにより、地中熱を利用した空調に支障がないようにしておく。すなわち、給水制御装置340は、地中熱熱交換器310と地中熱ヒートポンプ320とで水の流通が可能となるように、第4及び第5三方弁V4,V5を制御しておく。

一方、図4に示すように、給水制御装置340は、検出した地中熱温度よりも、給水される水の温度が低いと判断した場合、給水される水を地中熱熱交換器310を経由のうえ貯湯槽210に供給する。具体的に給水制御装置340は、第3三方弁V3の第1ポートV31と第3ポートV33とを流通状態とし、第2ポートV32を遮断状態とする。また、給水制御装置340は、第4三方弁V4の第2ポートV42と第3ポートV43とを流通状態とし、第1ポートV41を遮断状態とする。これにより、給水制御装置340は、第1バイパス管R19を通じて給水される水を地中熱熱交換器310に到達させる。さらに、給水制御装置340は、第5三方弁V5の第1ポートV51と第3ポートV53とを流通状態とし、第2ポートV52を遮断状態とする。これにより、給水制御装置340は、第2バイパス管R20を通じて地中熱熱交換器310からの水を貯湯槽210に供給する。なお、給水制御装置340は、このような給水状態である場合、地中熱を利用した空調を一時的に停止させることとなる。

なお、給水制御装置340は、検出した地中熱温度よりも、給水される水の温度が低いと判断した場合であっても、地中熱を利用した空調が必要となるときには、給水機構330を図4に示す制御状態とせず、図3に示す制御状態とする判断を行うようになっていてもよい。これにより、地中熱による空調を妨げないようにできるからである。

次に、本実施形態に係る地中熱空調システム300の給水制御装置340による制御フローを説明する。図5は、本実施形態に係る給水制御装置340による動作を示すフローチャートである。なお、図5に示すフローチャートは、例えば1日のうちの空調負荷が小さくなると予測される予め定められた時間帯において実行される。

図5に示すように、まず、給水制御装置340は、第1温度センサT1からの温度信号に基づいて地中熱温度を検出する(S1)。次いで、給水制御装置340は、第2温度センサT2からの温度信号に基づいて給水温度を検出する(S2)。次に、給水制御装置340は、ステップS2において検出した給水温度がステップS1において検出した地中熱温度よりも低いかを判断する(S3)。

給水温度が地中熱温度よりも低いと判断した場合(S3:YES)、給水制御装置340は、図4に示すように、給水される水を地中熱熱交換器310を経由して貯湯槽210まで供給する(S4)。そして、図5に示す処理は終了する。一方、給水温度が地中熱温度よりも低くないと判断した場合(S3:NO)、給水制御装置340は、図3に示すように、給水される水を地中熱熱交換器310を経由せずに直接貯湯槽210まで供給する(S5)。そして、図5に示す処理は終了する。

このようにして、本実施形態に係る地中熱空調システム300によれば、対象となる水の温度の方が地中熱温度よりも低い場合に、当該水を地中熱熱交換器310に供給するため、地中からの吸熱を行って、地中熱の熱収支をバランス化させることとなる。従って、将来的に地中熱を安定して利用できなくなる可能性を低減することが可能な地中熱空調システム300を提供することができる。

また、水道管側から給水される水を水道圧を利用して地中熱熱交換器310に供給するため、地中熱の熱収支をバランス化させるにあたり、ポンプ等を使用して電力消費が発生する事態を抑えることができる。

また、地中熱熱交換器310に供給されて地中熱熱交換器310から排出される水を貯湯槽210に供給するため、地中から吸熱して昇温した水を貯湯槽に供給することとなる。このため、給水される水の温度が低くなる冬季などに、貯湯槽210に供給する水の温度を高めることとなり、給湯温度まで昇温するときの熱量を小さくすることができる。また、給湯温度まで昇温するときの熱量を小さくすることができるため、加熱源230の使用を抑えることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、可能な範囲で適宜他の技術を組み合わせてもよい。さらに、可能な範囲で公知又は周知の技術を組み合わせてもよい。

例えば、上記実施形態において地中熱熱交換器310を経由した水は貯湯槽210に供給されるが、これに限らず、貯湯槽210に供給されなくともよい。この場合、地中熱熱交換器310を経由した水は、例えば需要者に供給されてもよいし、捨てられてもよい。

さらに、上記実施形態では水道管側からの水を地中熱熱交換器310に供給するが、これに限らず、温水焚吸収式冷凍機130で得られた冷水を地中熱熱交換器310に供給するなど、他の水を供給するようにしてもよい。また、供給する水は飲料水に限られない。

加えて、上記実施形態では、地中に対する放熱量が地中からの吸熱量を上回る場合を例に説明したが、これに限らず、本発明は、地中に対する放熱量が地中からの吸熱量を下回る場合に適用されてもよい。この場合、対象水の温度が地中熱温度より高くなる場合に、対象水を地中熱熱交換器310に供給することとなる。この場合において、対象水は、例えば燃料電池等を冷却することにより昇温した冷却水等が該当する。

また、上記実施形態に係る地中熱空調システム300は、冷房及び暖房の双方を行うものであるが、これに限らず、冷房のみや暖房のみを行うものであってもよい。

1 :空調給湯システム 200 :給湯システム 210 :貯湯槽 300 :地中熱空調システム 310 :地中熱熱交換器(地中熱取得手段) 330 :給水機構 340 :給水制御装置(第1検出手段、第2検出手段、給水制御手段) R19 :第1バイパス管 R20 :第2バイパス管 T1 :第1温度センサ(第1検出手段) T2 :第2温度センサ(第2検出手段) V3 :第3三方弁 V4 :第4三方弁 V5 :第5三方弁