JP2003130494A - 地中熱交換器を利用した空気調和システムおよびその空気調和システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 地中熱交換器の使用による地中のヒートアッ
プおよびクールダウンを防ぎ、地中熱交換器を長期にわ
たって使用できる地中熱交換器を利用した空気調和シス
テムおよびその空気調和システムの運転方法を提供す
る。 【解決手段】 地中熱交換器１２と補助熱交換器１４と
を熱源とし、これらを暖房負荷による地中採熱量と、冷
房負荷による地中放熱量とが等しくなるように択一的に
切り換えて使用して空気調和する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地中を循環させた
熱媒によって熱交換する地中熱交換器を利用した空気調
和システムおよびその空気調和システムの運転方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、地中熱交換器を有する空気調和シ
ステムは、例えば図３に示すようにボアホール熱交換器
を用いたものがある。このボアホール熱交換器１００は
地中に形成したボアホール１０１内に循環配管をなすＵ
チューブ１０２を配設してグラウト１０３等で埋め戻
し、このＵチューブ１０２と建物に設置された空調装置
とを接続して、Ｕチューブ１０２に熱媒を循環させ、地
中に対して熱を授受する地中熱交換器によって空気調和
する構造となっている。このボアホール熱交換器１００
は、地中の熱容量を利用して蓄熱することで、一年を通
して建物の熱需要を賄うものである。すなわち、空調装
置を冷房運転しているときには、地中に放熱して蓄熱
し、暖房運転しているときには、地中から採熱してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一年を
通して建物の熱需要を賄う場合には、冷房運転している
ときの地中への放熱量と、暖房運転しているときの地中
から採熱量とのバランスが重要な問題となる。例えば、
図４（ａ）、（ｂ）に示すように冷房負荷が暖房負荷よ
り大きい場合には、冷房時に地中に放熱した熱を、暖房
時だけでは採熱しきれないために年々地中温度が上昇し
（以下、ヒートアップという）、数年後には地中熱利用
による冷房ができなくなってしまう。逆に、暖房負荷が
冷房負荷より大きい場合には、図４（ｃ）、（ｄ）に示
すように年々地中温度が下降し（以下、クールダウンと
いう）、地中熱利用による暖房ができなくなってしまう
という課題があった。

【０００４】そこで、本発明はかかる従来の課題に鑑み
て成されたもので、地中熱交換器の使用による地中のヒ
ートアップおよびクールダウンを防ぐことによって、地
中熱交換器を長期にわたって使用ことができる、地中熱
交換器を利用した空気調和システムおよびその空気調和
システムの運転方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに請求項１に示す空気調和システムは、地中を循環さ
せた熱媒によって熱交換する地中熱交換器と、補助熱源
としての補助熱交換器とを用いて空気調和する空気調和
システムであって、前記地中熱交換器と前記補助熱交換
器とを択一的に切り換えて使用して空気調和することを
特徴とする。

【０００６】この発明によれば、空気調和システムの熱
交換手段を地中熱交換器と補助熱交換器とを択一的に切
り換えて使用することができるので、冷房負荷が暖房負
荷より大きい場合や、暖房負荷が冷房負荷より大きい場
合には、地中熱交換器によって放熱または採熱した熱量
をすべて消費するとともに、補助熱交換器に切り換える
ことによって、熱量の不足分を補うことができる。した
がって、地中熱交換器による地中放熱量および地中採熱
量を過不足が生じないように調節すると、地中のヒート
アップおよびクールダウンを防止することができ、もっ
て、地中熱交換器を長期にわたって使用し続けることが
可能となる。ここで、補助熱源設備によって熱交換する
補助熱交換器とは、例えばボイラ、冷凍機・ヒートポン
プ、冷却塔などの機器や蓄熱槽を用いて熱交換する熱交
換器をいう。

【０００７】前記地中熱交換器は、一年間を通じて、暖
房負荷に応じて発生する地中採熱量と、冷房負荷に応じ
て発生する地中放熱量とが等しくなるように運転するこ
とが望ましい。

【０００８】すなわち、地中に放熱された熱量よりも多
くの熱量が地中から採熱されたり、地中から採熱された
熱量より多くの熱量が地中に放熱されることがないの
で、地中熱交換器による地中放熱量と地中採熱量とのバ
ランスを保つことができ、もって地中温度が年々上昇又
は下降するヒートアップやクールダウンを防止すること
ができる。これにより、地中温度を所定の温度範囲内に
維持することができるので、地中熱交換器を長期にわた
って使用することが可能となり、かつ、適正な温度の熱
媒を供給できるため、効率よく空気調和することができ
る。

【０００９】また、前記地中熱交換器は、この地中熱交
換器を一年間連続稼動したときに、前記地中採熱量と前
記地中放熱量との少ない方の熱量を、冷房または暖房時
の最も出力を必要とする時期に合わせて消費するように
運転することが望ましい。

【００１０】空気調和システムが、地中採熱量と地中放
熱量との少ない方を基準とするので、地中採熱量より多
く放熱することなく、また、地中放熱量より多く採熱す
ることを防止できる。特に、気温が高い真夏や、気温が
低い真冬時のように最も出力を必要とする時期に合わせ
て、外気に影響されにくい地中熱交換器を使用するの
で、より効率よく空気調和システムを稼動させることが
できる。

【００１１】さらに、前記地中熱交換器の前記地中採熱
量と前記地中放熱量とは、地上における前記熱媒の地中
への入り口と、地上への出口とでそれぞれ計測すること
を特徴とする。

【００１２】前記地中採熱量と前記地中放熱量とは、地
上において計測できるので、計測設備の設置およびメン
テナンスが容易であるとともに、計測状態を地上におい
て容易に確認することができる。

【００１３】また、請求項５に示す空気調和システムの
運転方法は、地中を循環させた熱媒によって熱交換する
地中熱交換器と、補助熱源としての補助熱交換器とを用
いて空気調和する空気調和システムの運転方法であっ
て、前記地中熱交換器と補助熱交換器とを択一的に切り
換えて使用することを特徴とする。

【００１４】この空気調和システムの運転方法によれ
ば、空気調和システムの熱交換手段を地中熱交換器と補
助熱交換器とを択一的に切り換えて使用することができ
るので、熱源効率が高く地球温暖化防止に有効と考えら
れる地中熱交換器によって放熱または採熱した熱量をす
べて消費した後に、その不足分を補助熱交換器に切り換
えて補うことができる。すなわち、地中熱交換器による
地中放熱量および地中採熱量を過不足が生じないように
調整して消費することによって、地中のヒートアップお
よびクールダウンを防止することができ、地中熱交換器
を長期にわたって使用することが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面を参照して詳細に説明する。図１は本発明にかかる空
気調和システムの一実施形態を示すシステム系統図であ
る。

【００１６】本空気調和システム１０は、主熱源の地中
熱交換器をなすボアホール熱交換器１２と、冷却用補助
熱源の補助熱交換器をなす冷却塔１４とを備えた水冷ヒ
ートポンプ１６と、例えば加熱用補助熱源の温水コイル
でなる空冷ヒートポンプ１８と、建物内に設置された３
台の空調機２０とが循環路をなすパイプを介して接続さ
れている。前記３台の空調機２０は、ボアホール熱交換
器系統と、冷却塔系統と、温水コイル系統との３系統の
循環路を有することになり、これら循環路には、複数の
バルブ２２がそれぞれ設けられ、これらバルブ２２は図
示しない制御装置によって開閉可能に設けられている。
また、ボアホール熱交換器系統の循環路には、冷却水ポ
ンプ２４と熱源水ポンプ２６とが、温水コイル系統の循
環路には、冷温水ポンプ２８が適宜設置され、パイプ内
の水を循環させている。

【００１７】前記ボアホール熱交換器１２は、地中地盤
３０に直径１５ｃｍ、深さ５０ｍから２００ｍの縦穴を
なすボアホールを掘削し、その内部にＵ字状パイプ１２
ａを配設し、ボアホールはその内部にグラウトが充填さ
れて埋め戻されて形成されている。そして、Ｕ字状パイ
プ１２ａの一方から水が流入し地中のＵ字状パイプ１２
ａ内を通って、他方側から流出するように設置されてい
る。このとき、流入した水の温度が地中温度より高い場
合には、地中に放熱されて蓄熱されるとともに、水は冷
却されてＵ字状パイプ１２ａから流出し、流入した水の
温度が地中温度より低い場合には、地中から採熱して流
出するとともに地中は冷やされることになる。

【００１８】前記Ｕ字状パイプ１２ａの地上から突出し
た位置には、それぞれ地中への入口における入口温度と
地中への出口における出口温度及び熱媒流量を地上で測
定する計測器（図示せず）が設けられている。この計測
器による計測データは、前記制御装置によって、ボアホ
ール熱交換器１２の入口温度および流量と、出口温度お
よび流量として記憶される。また、制御装置において
は、前記計測データから地中放熱量、地中採熱量等が算
出され、これらの計算結果に基づいて、空気調和システ
ムが制御される。制御の詳細については後述する。

【００１９】前記冷却塔１４は、冷却塔系統の循環路内
を流れる水を冷却することによって熱交換を行い、前記
温水コイルは外面にフィンが設けられた管内に熱媒をな
す温水を通して熱交換している。

【００２０】次に図２を参照して本空気調和システムの
運転方法について説明する。図２は本実施形態における
年間熱負荷形態と運転方法を示し、（ａ）は年間冷房負
荷が年間暖房負荷より大きい場合、（ｂ）は年間暖房負
荷が年間冷房負荷より大きい場合、（ｃ）は本システム
を用いた場合のボアホール出口温度の長期推移を示して
いる。ここでは、図２（ａ）に示した年間冷房負荷が大
きい場合を例に説明する。

【００２１】近年のように温暖化現象や事務機器の増加
によるオフィス高温化などによって、一年を通して冷房
負荷が暖房負荷より大きいことが予め明らかな場合に
は、暖房開始日よりボアホール熱交換器系統の循環路の
バルブ２２を開くとともに、他の循環路のバルブ２２を
閉じ、水冷ヒートポンプ１６をボアホール熱交換器１２
を使用して運転する。このとき、地中からは暖房負荷に
応じて採熱され、この地中採熱量が前記計測装置によっ
て計測され（例えば１時間毎）、前記制御装置によって
積算され累計地中採熱量が記憶される。

【００２２】その後、暖房から冷房に切り換えるが、外
気の湿球温度が低い時期には、冷却塔系統の循環路のバ
ルブ２２を開くとともに、他の循環路のバルブ２２を閉
じて水冷ヒートポンプ１６を冷却塔１４を使用して運転
する。当然のことながら暖房から冷房に切り換える際に
空気調和システム１０を使用しない時期があっても構わ
ない。

【００２３】そして、例えば梅雨明けした後のように空
調機２０を最大出力で使用し、年間を通じて冷房負荷が
ピークとなるような外気条件が厳しい時期に合わせて、
水冷ヒートポンプ１６の熱源を冷却塔１４からボアホー
ル熱交換器１２に切り換えて運転する。この時、前記計
測器の計測データから地中放熱量を積算し、累計地中放
熱量を計算する。

【００２４】ボアホール熱交換器１２により水冷ヒート
ポンプ１６を運転し続けるとともに、前記累計地中採熱
量と前記累計地中放熱量とを比較し、これらが等しくな
った時点で、水冷ヒートポンプ１６の熱源をボアホール
熱交換器１２から冷却塔１４に切り換える。これらの冷
暖房の切り換えおよび熱源の切り換えは、作業者が手動
で行っても構わない。

【００２５】また、年間暖房負荷が年間冷房負荷より大
きい場合には、前記冷却塔系統の循環路に換えて温水コ
イル系統の循環路を用いる。この際には、冷房開始時よ
りボアホール熱交換器１２により水冷ヒートポンプ１６
を運転し、暖房開始時からは温水コイルによる空冷ヒー
トポンプ１８に切り換え、暖房負荷がピークとなる時期
に再びボアホール熱交換器１２により水冷ヒートポンプ
１６を運転し、累計地中放熱量と累計地中採熱量とが等
しくなった時点で、水冷ヒートポンプ１６の熱源をボア
ホール熱交換器１２から空冷ヒートポンプ１８に切り換
えることになる。

【００２６】このように、空気調和システム１０の熱源
をボアホール熱交換器１２と冷却塔１４とに切り換えた
り、補助熱源である空冷ヒートポンプ１８を択一的に切
り換えて使用することによって、ボアホール熱交換器１
２による地中放熱量及び地中採熱量を余すことなく使用
することができ、ボアホール熱交換器１２による地中放
熱量及び地中採熱量の不足分を冷却塔１４や空冷ヒート
ポンプ１８によって補うことができる。

【００２７】また、ボアホール熱交換器１２の入口およ
び出口において、水温や流量を測定するので、地中採熱
量と地中放熱量とをほぼ正確に把握することができると
ともに、それらの少ない方の熱量を基準とするので、こ
の測定データに基づいて放熱、または採熱を行うため、
地中に放熱された熱量よりも多くの熱量が地中から採熱
されたり、地中から採熱された熱量より多くの熱量が地
中に放熱されることを防止できる。よって、地中温度が
年々上昇又は下降するヒートアップやクールダウンを確
実に防止することができるため、地中熱交換器１２の寿
命が短縮されてしまうことを防止でき、長期使用が可能
となる。

【００２８】さらに、ボアホール熱交換器１２を使用す
る時期を、最も空調機２０の出力を必要とする時期に合
わせて消費するので、外気温度に関係なく適正な温度の
熱媒を供給することができるので、ボアホール熱交換器
１２をより効率よく稼動させることができ、空気調和シ
ステム１０の効率も向上させることができる。

【００２９】また、その測定装置を地上に設置したの
で、計測設備の構成が簡単になり、設置およびメンテナ
ンスが容易であるとともに、計測状態を地上において容
易に確認することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の地中熱交換
器を利用した空気調和システムおよびその空気調和シス
テムの運転方法にあっては、空気調和システムの熱交換
手段を地中熱交換器と補助熱交換器とを択一的に切り換
えて使用することができるので、地中熱交換器によって
地中に放熱または地中から採熱した熱量をすべて消費
し、その不足分のみを補助熱交換器に切り換えて補うこ
とができる。したがって、地中のヒートアップおよびク
ールダウンを防止することができ、地中熱交換器を長期
にわたって使用することが可能となる。

【００３１】また、地中熱交換器は、一年間を通じて地
中採熱量と地中放熱量とが等しくなるように運転するの
で、ヒートアップやクールダウンを防止することがで
き、地中温度を所定の温度に保つことで効率よく空気調
和することができる。特に、地中採熱量と地中放熱量と
の少ない方を基準とするので、地中採熱量より多く放熱
することなく、また、地中放熱量より多く採熱すること
を確実に防止できる。

【００３２】さらに、前記地中採熱量と前記地中放熱量
とを地上で計測するので、計測設備の構成が簡単にな
り、設置およびメンテナンスが容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる空気調和システムの一実施形態
を示すシステム系統図である。

【図２】本発明にかかる空気調和システムの運転概念を
示す概念図である。

【図３】ボアホール熱交換器を示す概略図である。

【図４】従来の空気調和システムの運転概念を示す概念
図である。

【符号の説明】

１０ 空気調和システム １２ ボアホール熱交換器 １２ａ Ｕ字状パイプ １４ 冷却塔 １６ 水冷ヒートポンプ １８ 空冷ヒートポンプ ２０ 空調機 ２２ バルブ ２４ 冷却水ポンプ ２６ 熱源水ポンプ ２８ 冷温水ポンプ ３０ 地中地盤

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地中を循環させた熱媒によって熱交換す
   る地中熱交換器と、補助熱源として補助熱交換器とを用
   いて空気調和する空気調和システムであって、 前記地中熱交換器と前記補助熱交換器とを択一的に切り
   換えて使用して空気調和することを特徴とする空気調和
   システム。
2. 【請求項２】 前記地中熱交換器は、一年間を通じて、
   暖房負荷に応じて発生する地中採熱量と、冷房負荷に応
   じて発生する地中放熱量とが等しくなるように運転する
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和システム。
3. 【請求項３】 前記地中熱交換器は、この地中熱交換器
   を一年間連続稼動したときに、前記地中採熱量と前記地
   中放熱量との少ない方の熱量を、冷房または暖房時の最
   も出力を必要とする時期に合わせて消費するように運転
   することを特徴とする請求項１または２に記載の空気調
   和システム。
4. 【請求項４】 前記地中熱交換器の前記地中採熱量と前
   記地中放熱量とは、地上における前記熱媒の地中への入
   り口と、地上への出口とでそれぞれ計測することを特徴
   とする請求項１〜３のいずれかに記載の空気調和システ
   ム。
5. 【請求項５】 地中を循環させた熱媒によって熱交換す
   る地中熱交換器と、補助熱源としての補助熱交換器とを
   用いて空気調和する空気調和システムの運転方法であっ
   て、 前記地中熱交換器と補助熱交換器とを択一的に切り換え
   て使用することを特徴とする空気調和システムの運転方
   法。