WO2013175731A1 - 地中熱利用ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

　地中熱を有効に利用して運転効率と性能の改善を図ることができる地中熱利用ヒートポンプ装置を提供する。地中熱利用ヒートポンプ装置は、圧縮機と、放熱器と、膨張機構と、蒸発器を含む冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、地中に埋設された地中熱採熱管と、蒸発器と熱交換関係に設けられた地中熱伝熱器と、空調を行うための利用側熱交換器と、放熱器と熱交換関係に設けられた利用側伝熱器と、これら地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる熱媒体循環装置を備えた。

Description

地中熱利用ヒートポンプ装置

　本発明は、地中熱を採取して空調等を行う地中熱利用ヒートポンプ装置に関するものである。

　近年では地球温暖化防止のために、圧縮機により冷媒を循環させる冷凍サイクル装置に地中熱を利用した地中熱採熱装置を組み合わせた装置が開発されてきている。この装置は、地中に埋設された地中熱採熱管と室内等に設けられた利用側熱交換器との間で水やブライン等の熱媒体を循環させることにより構成され、冷房時には地中熱採熱管にて地中に放熱することで冷却された熱媒体が、利用側熱交換器に通風される空気から吸熱することにより、冷却作用（冷房）を発揮する。

　また、暖房時には冷凍サイクル装置の蒸発器で熱媒体が吸熱することで、地中熱を暖房に利用するものである（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。これは特に外気温度よりも地中の温度の方が高い寒冷地の冬季に有効である。

特開２００５－１０６３８４号公報 特開２０１０－２１６７８３号公報

　しかしながら、上記特許文献１では冷凍サイクル装置と地中熱を利用する地中熱採熱装置は、冷凍サイクル装置の蒸発器とのみ熱交換し、特許文献２では暖房時の冷凍サイクル装置の蒸発器と冷房時の冷凍サイクル装置の凝縮器（何れも熱利用熱交換器３１）とのみ熱交換する構成であったため、冷凍サイクル装置に対して地中熱を有効に利用することができない問題があり、更なる運転効率と冷房、暖房性能の向上が望まれていた。

　本発明は、係る従来の技術的課題を解決するためになされたものであり、地中熱を有効に利用して運転効率と性能の改善を図ることができる地中熱利用ヒートポンプ装置を提供するものである。

　上記課題を解決するために、請求項１の発明の地中熱利用ヒートポンプ装置は、圧縮機と、放熱器と、膨張機構と、蒸発器を含む冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、地中に埋設された地中熱採熱管と、蒸発器と熱交換関係に設けられた地中熱伝熱器と、空調を行うための利用側熱交換器と、放熱器と熱交換関係に設けられた利用側伝熱器と、これら地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる熱媒体循環装置を備えたことを特徴とする。

　また、請求項２の発明の地中熱利用ヒートポンプ装置は、圧縮機と、放熱器と、膨張機構と、蒸発器を含む冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、地中に埋設された地中熱採熱管と、蒸発器と熱交換関係に設けられた地中熱伝熱器と、空調を行うための利用側熱交換器と、放熱器と熱交換関係に設けられた利用側伝熱器と、これら地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器への熱媒体の流通を制御する熱媒体循環装置と、冷凍サイクル装置及び熱媒体循環装置を制御する制御装置を備え、この制御装置は、熱媒体循環装置により、地中熱採熱管と地中熱伝熱器との間で熱媒体を循環させると共に、利用側熱交換器と利用側伝熱器との間で熱媒体を循環させる第１の運転モードと、熱媒体循環装置により、地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる第２の運転モードを有することを特徴とする。

　また、請求項３の発明の地中熱利用ヒートポンプ装置は、圧縮機と、放熱器と、膨張機構と、蒸発器を含む冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、地中に埋設された地中熱採熱管と、蒸発器と熱交換関係に設けられた地中熱伝熱器と、空調を行うための第１及び第２の利用側熱交換器と、放熱器と熱交換関係に設けられた利用側伝熱器と、これら地中熱採熱管、地中熱伝熱器、両利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器への熱媒体の流通を制御する熱媒体循環装置と、冷凍サイクル装置及び熱媒体循環装置を制御する制御装置を備え、この制御装置は、熱媒体循環装置により、地中熱採熱管と地中熱伝熱器との間で熱媒体を循環させると共に、第１の利用側熱交換器と利用側伝熱器との間で熱媒体を循環させる第１の運転モードと、熱媒体循環装置により、地中熱採熱管、地中熱伝熱器、第２の利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる第２の運転モードを有することを特徴とする。

　また、請求項４の発明の地中熱利用ヒートポンプ装置は、上記発明において制御装置は、熱媒体循環装置により、利用側伝熱器を出た熱媒体の一部を分流し、第１の利用側熱交換器に流した後、第２の利用側熱交換器を出た熱媒体に合流させる第３の運転モードを有することを特徴とする。

　また、請求項５の発明の地中熱利用ヒートポンプ装置は、第１の圧縮機及び第１の放熱器と、膨張機構と、蒸発器と、第１の圧縮機及び第１の放熱器に対して二元接続の高元側、若しくは、二段接続の後段側の関係で設けられた第２の圧縮機及び第２の放熱器を含む冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、地中に埋設された地中熱採熱管と、蒸発器と熱交換関係に設けられた地中熱伝熱器と、空調を行うための利用側熱交換器と、第１の放熱器と熱交換関係に設けられた第１の利用側伝熱器と、第２の放熱器と熱交換関係に設けられた第２の利用側伝熱器と、これら地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、第１の利用側伝熱器、及び、第２の利用側伝熱器への熱媒体の流通を制御する熱媒体循環装置と、冷凍サイクル装置及び熱媒体循環装置を制御する制御装置を備え、この制御装置は、熱媒体循環装置により、地中熱採熱管と地中熱伝熱器との間で熱媒体を循環させると共に、利用側熱交換器と第１及び第２の利用側伝熱器との間で熱媒体を循環させる第１の運転モードと、熱媒体循環装置により、地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、第１の利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる第２の運転モードを有することを特徴とする。

　また、請求項６の発明の地中熱利用ヒートポンプ装置は、第１の圧縮機及び第１の放熱器と、膨張機構と、蒸発器と、第１の圧縮機及び第１の放熱器に対して二元接続の高元側、若しくは、二段接続の後段側の関係で設けられた第２の圧縮機及び第２の放熱器を含む冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、地中に埋設された地中熱採熱管と、蒸発器と熱交換関係に設けられた地中熱伝熱器と、空調を行うための第１及び第２の利用側熱交換器と、給湯を行うための第３の利用側熱交換器と、第１の放熱器と熱交換関係に設けられた第１の利用側伝熱器と、第２の放熱器と熱交換関係に設けられた第２の利用側伝熱器と、これら地中熱採熱管、地中熱伝熱器、各利用側熱交換器、第１の利用側伝熱器、及び、第２の利用側伝熱器への熱媒体の流通を制御する熱媒体循環装置と、冷凍サイクル装置及び熱媒体循環装置を制御する制御装置を備え、この制御装置は、熱媒体循環装置により、地中熱採熱管と地中熱伝熱器との間で熱媒体を循環させると共に、第１の利用側熱交換器及び第３の利用側熱交換器と第１及び第２の利用側伝熱器との間で熱媒体を循環させる第１の運転モードと、熱媒体循環装置によって地中熱採熱管、地中熱伝熱器、第２の利用側熱交換器、及び、第２の利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させ、且つ、第３の利用側熱交換器と第１の利用側伝熱器との間で熱媒体を循環させる第２の運転モードを有することを特徴とする。

　また、請求項７の発明の地中熱利用ヒートポンプ装置は、上記各発明において蒸発器を流れる冷媒と地中熱伝熱器を流れる熱媒体は対向流となり、放熱器を流れる冷媒と利用側伝熱器を流れる熱媒体は対向流となることを特徴とする。

　また、請求項８の発明の地中熱利用ヒートポンプ装置は、上記各発明において制御装置は、地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる状態、又は、第２の運転モードにおける被空調空間の冷房負荷、温度、湿度、外気の温度、湿度のうちの一つ、若しくは、それらの組み合わせに基づき、冷凍サイクル装置の運転を制御することを特徴とする。

　また、請求項９の発明の地中熱利用ヒートポンプ装置は、上記各発明において制御装置は、地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる状態、又は、第２の運転モードにおいて冷凍サイクル装置を停止する制御状態を有することを特徴とする。

　また、請求項１０の発明の地中熱利用ヒートポンプ装置は、上記各発明において冷凍サイクル装置の冷媒回路内に、冷媒として二酸化炭素を封入したことを特徴とする。

　本発明の地中熱利用ヒートポンプ装置によれば、圧縮機と、放熱器と、膨張機構と、蒸発器を含む冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、地中に埋設された地中熱採熱管と、蒸発器と熱交換関係に設けられた地中熱伝熱器と、空調を行うための利用側熱交換器と、放熱器と熱交換関係に設けられた利用側伝熱器と、熱媒体循環装置を備えており、この熱媒体循環装置により、地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させるようにしているので、特に利用側熱交換器で冷房（第２の運転モード）を行う場合に、地中熱採熱管で地中に放熱した熱媒体が、地中熱伝熱器に流入して冷凍サイクル装置の蒸発器と熱交換し、当該蒸発器によって更に冷やされた後、利用側熱交換器に流入することになる。これにより、利用側熱交換器による冷房性能を向上させることができるようになる。

　そして、利用側熱交換器を出た熱媒体は次に利用側伝熱器に流入し、冷凍サイクル装置の放熱器と熱交換して温度が上昇した後、再び地中熱採熱管に戻るので、地中での熱交換効率も良好となる。

　一方、冷凍サイクル装置の冷媒は放熱器にて利用側伝熱器を流れる熱媒体に対して放熱し、その後、膨張機構で絞られ、蒸発器に流入して地中熱伝熱器を流れる熱媒体から吸熱する循環を繰り返すので、冷凍サイクル装置の運転効率も良好となる。

　これらにより、本発明の地中熱利用ヒートポンプ装置によれば、極めて性能のよい冷房運転を高効率で実現することが可能となるものである。

　また、請求項２の発明の如く制御装置が、熱媒体循環装置により、地中熱採熱管と地中熱伝熱器との間で熱媒体を循環させると共に、利用側熱交換器と利用側伝熱器との間で熱媒体を循環させる第１の運転モードと、熱媒体循環装置により、地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる第２の運転モードを有することとすれば、第２の運転モードにて利用側熱交換器により上記の如き冷房運転を実行し、且つ、第１の運転モードでは、地中熱採熱管で吸い上げた熱を熱媒体により地中熱伝熱器に搬送し、冷凍サイクル装置の蒸発器に受け渡すと共に、この熱を更に冷凍サイクル装置の放熱器に冷媒を介して搬送し、利用側伝熱器を流れる熱媒体に吸い上げさせることができるようになる。

　これにより、第１の運転モードにおいて地中熱を利用した極めて性能のよい暖房運転や給湯運転を高効率で実現することが可能となる。

　この場合、請求項３の発明の如く空調を行うための第１及び第２の利用側熱交換器を設け、制御装置が、熱媒体循環装置により、地中熱採熱管と地中熱伝熱器との間で熱媒体を循環させると共に、第１の利用側熱交換器と利用側伝熱器との間で熱媒体を循環させる第１の運転モードと、熱媒体循環装置により、地中熱採熱管、地中熱伝熱器、第２の利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる第２の運転モードを有することとしてもよい。その場合は、第１の利用側熱交換器にて暖房運転や給湯運転を行い、第２の利用側熱交換器にて冷房運転を行うことになる。

　また、そのとき請求項４の発明の如く制御装置が、熱媒体循環装置により、利用側伝熱器を出た熱媒体の一部を分流し、第１の利用側熱交換器に流した後、第２の利用側熱交換器を出た熱媒体に合流させる第３の運転モードを有することとすれば、第２の利用側熱交換器で冷房しながら、第１の利用側熱交換器で暖房を行う所謂除湿運転を実現することが可能となる。

　また、請求項５の発明の如く冷凍サイクル装置が、第１の圧縮機及び第１の放熱器と、膨張機構と、蒸発器と、第１の圧縮機及び第１の放熱器に対して二元接続の高元側、若しくは、二段接続の後段側の関係で設けられた第２の圧縮機及び第２の放熱器を含む冷媒回路を有することとし、第１の放熱器と熱交換関係に設けられた第１の利用側伝熱器と、第２の放熱器と熱交換関係に設けられた第２の利用側伝熱器を設け、制御装置が熱媒体循環装置により、地中熱採熱管と地中熱伝熱器との間で熱媒体を循環させると共に、利用側熱交換器と第１及び第２の利用側伝熱器との間で熱媒体を循環させる第１の運転モードと、熱媒体循環装置により、地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、第１の利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる第２の運転モードを有することとすれば、請求項１０の発明の如く冷凍サイクル装置の冷媒として自然冷媒である二酸化炭素を用い、冷凍サイクル装置の冷媒回路の高圧側を超臨界圧力以上で使う場合に、特に有効なものとなる。

　これは、請求項６の発明の如く給湯を行うための第３の利用側熱交換器を設け、制御装置が、熱媒体循環装置により、地中熱採熱管と地中熱伝熱器との間で熱媒体を循環させると共に、第１の利用側熱交換器及び第３の利用側熱交換器と第１及び第２の利用側伝熱器との間で熱媒体を循環させる第１の運転モードと、熱媒体循環装置によって地中熱採熱管、地中熱伝熱器、第２の利用側熱交換器、及び、第２の利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させ、且つ、第３の利用側熱交換器と第１の利用側伝熱器との間で熱媒体を循環させる第２の運転モードを有することとした場合にも同様である。そして、この場合には第２の利用側熱交換器において冷房を行いながら、第３の利用側熱交換器において給湯も行うことが可能となる。

　また、請求項７の発明の如く蒸発器を流れる冷媒と地中熱伝熱器を流れる熱媒体は対向流となり、放熱器を流れる冷媒と利用側伝熱器を流れる熱媒体は対向流となるようにすれば、蒸発器或いは放熱器の入口、出口における冷媒の温度差を大きくとり、冷凍能力と運転効率のより一層の改善を図ることが可能となる。

　また、請求項８の発明の如く、制御装置が、地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる状態、又は、第２の運転モードにおける被空調空間の冷房負荷、温度、湿度、外気の温度、湿度のうちの一つ、若しくは、それらの組み合わせに基づき、冷凍サイクル装置の運転を制御するようにすれば、季節や環境に応じて冷凍サイクル装置を適切に運転し、効率のよいヒートポンプ運転を実現することが可能となる。

　この場合、特に請求項９の発明の如く制御装置が、地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる状態、又は、第２の運転モードにおいて冷凍サイクル装置を停止する制御状態を有するようにすれば、冷凍サイクル装置の運転が不要な、例えば春季や秋季には冷凍サイクル装置を停止して地中熱のみによる冷房や暖房を実現することも可能となるものである。

本発明を適用した地中熱利用ヒートポンプ装置の一実施例の構成図（第２の運転モード）である（実施例１）。 図１の地中熱利用ヒートポンプ装置の第１の運転モードを説明する構成図である。 図１の地中熱利用ヒートポンプ装置の制御装置による制御例を説明するフローチャートである。 図１の地中熱利用ヒートポンプ装置で冷凍サイクル装置を停止した状態を示す構成図である。 図１の地中熱利用ヒートポンプ装置の第２の運転モードにおける他の制御例を説明する構成図である（実施例２）。 図５における制御装置による制御例を説明するフローチャートである。 図１の地中熱利用ヒートポンプ装置の第２の運転モードにおける更に他の制御例を説明する構成図である（実施例３）。 図７における制御装置による制御例を説明するフローチャートである。 図１の地中熱利用ヒートポンプ装置の他の構成例を示す図である（実施例４）。 本発明を適用した地中熱利用ヒートポンプ装置の他の実施例の構成図（第２の運転モード、第３の運転モード）である（実施例５）。 図１０の地中熱利用ヒートポンプ装置の第１の運転モードを説明する構成図である。 本発明を適用した地中熱利用ヒートポンプ装置の更に他の実施例の構成図（第２の運転モード）である（実施例６）。 図１２の地中熱利用ヒートポンプ装置の第１の運転モードを説明する構成図である。 本発明を適用した地中熱利用ヒートポンプ装置の更に他の実施例の構成図（第２の運転モード）である（実施例７）。 図１４の地中熱利用ヒートポンプ装置の第１の運転モードを説明する構成図である。 図１２、図１３（実施例６）の地中熱利用ヒートポンプ装置のｐ－ｈ線図である。

　以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

　図１、図２、図４は本発明の一実施例の地中熱利用ヒートポンプ装置１の構成図を示し、図３は制御例のフローチャートを示している。各図において地中熱利用ヒートポンプ装置１は、冷凍サイクル装置２と、地中熱採熱装置３と、これらを制御する制御装置４とから構成されている。

　冷凍サイクル装置２は、圧縮機６と、放熱器（ガスクーラ）７と、膨張機構（電子膨張弁）８と、蒸発器９を配管１１にて順次環状に接続した冷媒回路１０を備えている。そして、この冷媒回路１０内には冷媒として実施例では二酸化炭素が封入されている。

　また、地中熱採熱装置３は、地中に埋設された地中熱採熱管１２と、蒸発器９と熱交換関係に設けられた地中熱伝熱器１３と、循環ポンプ１４と、三方弁（流路制御手段）１６と、家屋の室内等の被空調空間に設けられて空調を行うための利用側熱交換器１７と、放熱器７と熱交換関係に設けられた利用側伝熱器１８と、三方弁（流路制御手段）１９と、もう一つの循環ポンプ２１を備えており、地中熱採熱管１２と、地中熱伝熱器１３と、循環ポンプ１４と、三方弁１６の第２の出口１６Ｂが配管２２にて環状に接続され、利用側熱交換器１７と、利用側伝熱器１８と、三方弁１９の第２の出口１９Ｂと、循環ポンプ２１が配管２３にて環状に接続されている。

　更に、循環ポンプ２１と利用側熱交換器１７との間の配管２３と三方弁１６の第１の出口１６Ａとはバイパス管２４にて接続され、三方弁１６の第２の出口１６Ｂと地中熱採熱管１２との間の配管２２と三方弁１９の第１の出口１９Ａとはもう一つのバイパス管２６にて接続されている。そして、これら循環ポンプ１４、２１、三方弁１６、１９、配管２２、２３、バイパス管２４、２６により本発明における熱媒体循環装置２７が構成されている。そして、この地中熱採熱装置３内には、熱媒体として実施例では水、若しくは、ブラインが封入されている。

　また、制御装置４は汎用のマイクロコンピュータにて構成されており、その出力に圧縮機６や膨張機構８、各循環ポンプ１４、２１、三方弁１６、１９が接続されている。また、制御装置４の入力には、圧縮機６の吐出温度（吐出冷媒温度）を検出する吐出温度センサ２８と、被空調空間である室内の温度（室内温度）を検出する室内温度センサ２９と、外気温度を検出する外気温度センサ３０と、利用側熱交換器１７の熱媒体入口温度を検出する熱媒体入口温度センサ３１が接続されている。制御装置４はこれら各センサ２８～３１が検出する各温度と、指令入力（モード切換、室内設定温度等）に基づき、圧縮機６及び循環ポンプ１４、２１の回転数と、膨張機構８の開度を制御し、各三方弁１６、１９を切り換える。

　以上の構成で、次に本発明の地中熱利用ヒートポンプ装置１の動作を説明する。先ず、図３のフローチャートを参照しながら地中熱利用ヒートポンプ装置１の冷房運転（第２の運転モード）について説明する。例えば、春季から夏季の季節に図示しないモード切換スイッチによる指令入力で冷房運転（第２の運転モード）が開始されると、制御装置４は三方弁１６、１９を制御し、それぞれの第１の出口１６Ａ、１９Ａを開く。また、図３のステップＳ１で外気温度センサ３０又は室内温度センサ２９が検出する外気温度又は室内温度を検知し、被空調空間としての室内設定温度との差（温度差）を算出する。

　そして、制御装置４はステップＳ２で算出された差（温度差）が１０℃以上か否か判断する。今は例えば夏季で差（温度差）が１０℃以上であった場合には、制御装置４は室内の冷房負荷が大なるものと判断してステップＳ３に進む。このステップＳ３では冷凍サイクル装置２の圧縮機６を運転する冷房運転（ＨＰ運転での冷房）を行うものとし、ステップＳ４で前記差（温度差）により圧縮機６の回転数と吐出温度を設定する。即ち、差（温度差）が大きく、冷房負荷がより大きい場合には圧縮機６の回転数を高くし、設定吐出温度も高くして冷凍サイクル装置２の冷凍能力を増大させる。逆に差（温度差）が１０℃以上ではあるが、比較的小さい場合には回転数及び設定吐出温度を低くして冷凍サイクル装置２の冷凍能力を削減する。また、制御装置４はステップＳ５で吐出温度センサ２８が検出する圧縮機６の吐出温度が前記設定吐出温度となるように膨張機構８の弁開度を制御する。

　更に、制御装置４はステップＳ６で前記差（温度差）により目標熱媒体入口温度を設定し、熱媒体入口温度センサ３１が検出する利用側熱交換器１７の熱媒体入口温度がこの目標熱媒体入口温度になるように循環ポンプ１４の回転数を制御する（循環ポンプ２１は停止）。即ち、熱媒体入口温度センサ３１が検出する利用側熱交換器１７に流入する熱媒体の温度（熱媒体入口温度）が目標熱媒体入口温度より高く、その差が大きい場合には循環ポンプ１４の回転数を低下させる。

　冷凍サイクル装置２の圧縮機６が運転されると、圧縮機６から吐出された超臨界状態の二酸化炭素冷媒は放熱器７に流入し、そこで放熱して膨張機構８に至り、液／ガス混合状態となって蒸発器９に流入する。そこで、冷媒は蒸発して吸熱作用を発揮し、圧縮機６に吸い込まれる循環を繰り返す。

　一方、地中熱採熱装置３の循環ポンプ１４が運転されると、地中熱採熱管１２で例えば１５℃程の温度の地中に放熱し（即ち、地中で冷却され）、４０℃であったものが２０℃程に温度が低下した熱媒体は地中熱採熱管１２から吸引され、配管２２を通って地中熱伝熱器１３に流入する。ここで、冷凍サイクル装置２の蒸発器９に放熱（蒸発器９は吸熱）して更に冷却され、７℃程となり、循環ポンプ１４及び三方弁１６を経てバイパス管２４を通り、利用側熱交換器１７に流入する。

　利用側熱交換器１７には図示しない送風機により室内空気が循環されるので、利用側熱交換器１７に流入した熱媒体は室内空気から吸熱して１２℃程に温度上昇する。一方、室内空気は熱媒体により冷却されるので、室内（被空調空間）は冷房される。利用側熱交換器１７から出た熱媒体は次に利用側伝熱器１８に入る。冷凍サイクル装置２の放熱器７には７０℃程の冷媒が流入するので、利用側伝熱器１８を通過する熱媒体は吸熱し、放熱器７を通過する冷媒は冷却される。そして、冷媒は１５℃程にまで冷却されて放熱器７から流出し膨張機構８に向かう。熱媒体は４０℃程に温度上昇して三方弁１９及びバイパス管２６を通り、地中熱採熱管１２に戻る。地中熱採熱管１２では熱媒体が再度地中（１５℃程）に放熱し、地中熱伝熱器１３に向かう循環を繰り返す。

　このように地中熱採熱装置３の地中熱採熱管１２で地中に放熱した熱媒体は、地中熱伝熱器１３に流入して冷凍サイクル装置２の蒸発器９と熱交換し、当該蒸発器９によって更に冷やされた後、利用側熱交換器１７に流入するので、利用側熱交換器１７による冷房性能を向上させることができるようになる。そして、利用側熱交換器１７を出た熱媒体は次に利用側伝熱器１８に流入し、冷凍サイクル装置２の放熱器７と熱交換して温度が上昇した後、再び地中熱採熱管１２に戻るので、地中での熱交換効率も良好となる。

　一方、冷凍サイクル装置２の冷媒は放熱器７にて利用側伝熱器１８を流れる熱媒体に対して放熱し、その後、膨張機構８で絞られ、蒸発器９に流入して地中熱伝熱器９を流れる熱媒体から吸熱する循環を繰り返すので、冷凍サイクル装置２の運転効率も良好となる。これらにより、地中熱利用ヒートポンプ装置１は極めて性能のよい冷房運転を高効率で実現することが可能となる。

　一方、今は春季で外気温度又は室内温度と室内設定温度との差（温度差）が１０℃未満の場合、制御装置４は冷房負荷が小さいものと判断してステップＳ２からステップＳ７に進む。このステップＳ７では図４に示すように冷凍サイクル装置２の圧縮機６を停止して地中熱のみで冷房する冷房運転（地中冷熱での冷房）を行うものとし、ステップＳ８で前記差（温度差）により循環ポンプ１４の回転数を決定して制御する（循環ポンプ２１は停止）。即ち、１０℃未満ではあるが差（温度差）が比較的大きい場合には循環ポンプ１４の回転数を高くし、小さい場合には回転数を低くする。

　この場合には、冷凍サイクル装置２は停止しているので、循環ポンプ１４の運転により地中熱採熱管１２で冷えた熱媒体が利用側熱交換器１７に循環され、その吸熱作用で室内は冷房されることになる。即ち、地中熱のみで冷房されることになるので、冷凍サイクル装置２の消費電力は零となり、著しく省エネ化した冷房が実現される。

　次に、秋季や冬季に前述したモード切換スイッチによる指令入力で暖房運転（第１の運転モード）が開始されると、制御装置４は三方弁１６、１９を制御し、図２に示すようにそれぞれの第２の出口１６Ｂ、１９Ｂを開く。そして、圧縮機６及び各循環ポンプ１４、２１を運転する。冷凍サイクル装置２の圧縮機６が運転されると、前述同様に圧縮機６から吐出された超臨界状態の二酸化炭素冷媒は放熱器７に流入し、そこで放熱して膨張機構８に至り、液／ガス混合状態となって蒸発器９に流入する。そこで、冷媒は蒸発して吸熱作用を発揮し、圧縮機６に吸い込まれる循環を繰り返す。

　一方、地中熱採熱装置３の循環ポンプ１４が運転されると、地中熱採熱管１２で例えば１５℃程の温度の地中から吸熱し（即ち、地中で温められ）、１０℃程に温度が上昇した熱媒体は地中熱採熱管１２から吸引され、配管２２を通って地中熱伝熱器１３に流入する。ここで、冷凍サイクル装置２の蒸発器９に放熱（蒸発器９内の冷媒は吸熱し、５℃程から８℃程になる）して冷却され、７℃程となり、循環ポンプ１４及び三方弁１６を経て地中熱採熱管１２に戻り、再び吸熱する循環を繰り返す。

　また、循環ポンプ２１が運転されると、利用側伝熱器１８内で放熱器７内を流れる冷媒（８０℃程）から吸熱して５０℃程に温度上昇した熱媒体は（冷媒は４５℃程まで冷える）、配管２３を通って利用側熱交換器１７に入り、そこで放熱して４０℃程となった後、再び利用側伝熱器１８に流入する循環を繰り返す。利用側熱交換器１７には図示しない送風機により室内空気が循環されるので、室内空気は利用側熱交換器１７内の熱媒体により加熱され、これにより、室内（被空調空間）は暖房される。

　このように、暖房運転では地中熱採熱管１２で地中から吸い上げた熱を熱媒体により地中熱伝熱器１３に搬送し、冷凍サイクル装置２の蒸発器９に受け渡すと共に、この熱を更に冷凍サイクル装置２の放熱器７に冷媒を介して搬送し、利用側伝熱器１８を流れる熱媒体に吸い上げさせる。これにより、地中熱を利用した極めて性能のよい暖房運転を高効率で実現することが可能となる。

　尚、この暖房運転においても前述同様に制御装置４により外気温度或いは室内温度と室内設定温度との差（温度差）に基づいて圧縮機６と循環ポンプ１４、２１が制御される。そして、秋季等に同様に差（温度差）が小さくなった場合、暖房負荷が小さいものと判断して冷凍サイクル装置２を停止し、各三方弁１６、１９を図４の状態に切り換える。従って、このときには地中熱のみを利用した暖房が行われることになり、特に寒冷地における秋季に省エネ効果を発揮する。

　また、実施例では上記各運転状態において、冷凍サイクル装置２の蒸発器９を流れる冷媒と地中熱採熱装置３の地中熱伝熱器１３を流れる熱媒体は対向流となり、放熱器７を流れる冷媒と利用側伝熱器１８を流れる熱媒体は対向流となる（以下の各実施例においても同じ）。これにより、蒸発器９或いは放熱器７の入口、出口における冷媒の温度差を大きくとり、冷凍能力と運転効率をより一層の改善することができるようになる。

　尚、上記実施例ではモード切換スイッチで冷房と暖房を切り換えるようにしたが、それに限らず、オートモードを設定し、外気温度等に応じて自動的に上記冷房運転（春季は地中熱採熱装置３による地中熱のみの冷房、夏季には冷凍サイクル装置２と地中熱採熱装置３による冷房）と暖房運転（秋季は地中熱採熱装置３による地中熱のみの暖房、冬季には冷凍サイクル装置２と地中熱採熱装置３による暖房）が実行されるようにしてもよい。

　次に、図５、図６は前記図１の地中熱利用ヒートポンプ装置１の制御装置４による他の制御例を示している。この実施例の場合は、図５の構成図に示すように、前記図１の場合に加えて利用側熱交換器１７の熱媒体出口温度を検出する熱媒体出口温度センサ３２が設けられ、制御装置４の入力に接続されている。そして、この場合制御装置４は、外気温度又は室内温度と室内設定温度との差、及び、熱媒体出入口温度差により冷房負荷を予測して制御する。

　即ち、制御装置４は冷房運転（第２の運転モード）が開始されると、図６のフローチャートのステップＳ９で外気温度又は室内温度を検知し、室内設定温度との差ΔＴを算出する。そして、ステップＳ１０で差ΔＴにより圧縮機６の回転数と吐出温度を所定の初期値に設定して運転を開始する。所定時間後、ステップＳ１１で再度差ΔＴを算出し、ステップＳ１２で熱媒体入口温度と、熱媒体出口温度センサ３２が検出する熱媒体出口温度との差Δｔを検知する。

　そして、ステップＳ１３で差ΔＴと差Δｔに基づいて圧縮機６のＯＮ、ＯＦＦを設定する。即ち、差ΔＴ及び差Δｔがそれぞれの所定の閾値以上の場合（冷房負荷大）にはＯＮに設定し、ステップＳ１４に進み、閾値未満の場合（冷房負荷小）にはＯＦＦに設定してステップＳ１８に進む。ステップＳ１４では冷凍サイクル装置２の圧縮機６を運転する冷房運転（ＨＰ運転での冷房）を行うものとし、ステップＳ１５で差ΔＴと差Δｔにより圧縮機６の回転数と吐出温度を設定する。即ち、例えば室内設定温度より室内温度が高く、利用側熱交換器１７での熱交換も活発に行われて熱媒体入口と出口の温度差が大きい場合（差ΔＴ及び差Δｔが大きい）、冷房負荷がより大きいので圧縮機６の回転数を高くし、設定吐出温度も高くして冷凍サイクル装置２の冷凍能力を増大させる。逆に差ΔＴ及び差Δｔが閾値以上ではあるが、比較的小さい場合には回転数及び設定吐出温度を低くして冷凍サイクル装置２の冷凍能力を削減する。また、制御装置４はステップＳ１６で吐出温度センサ２８が検出する圧縮機６の吐出温度が前記設定吐出温度となるように膨張機構８の弁開度を制御する。

　更に、制御装置４はステップＳ１７で前記差ΔＴ及びΔｔにより目標熱媒体入口温度を設定し、熱媒体入口温度センサ３１が検出する利用側熱交換器１７の熱媒体入口温度がこの目標熱媒体入口温度になるように循環ポンプ１４の回転数を制御する（循環ポンプ２１は停止）。即ち、熱媒体入口温度センサ３１が検出する利用側熱交換器１７に流入する熱媒体の温度（熱媒体入口温度）が目標熱媒体入口温度より高く、その差が大きい場合には循環ポンプ１４の回転数を低下させる。

　一方、今は春季で差ΔＴ及び差Δｔがそれぞれの所定の閾値未満の場合、制御装置４は冷房負荷が小さいものと判断してステップＳ１３で圧縮機６をＯＦＦに設定してステップＳ１８に進む。このステップＳ１８では図４に示すように冷凍サイクル装置２の圧縮機６を停止して地中熱のみで冷房する冷房運転（地中冷熱での冷房）を行うものとし、ステップＳ１９で前記差ΔＴ及び差Δｔにより循環ポンプ１４の回転数を決定して制御する（循環ポンプ２１は停止）。即ち、閾値未満ではあるが差ΔＴ及び差Δｔが比較的大きい場合には循環ポンプ１４の回転数を高くし、小さい場合には回転数を低くする。

　このように、前記実施例１の外気温度又は室内温度と室内設定温度との差ΔＴに、利用側熱交換器１７の熱媒体出入口温度差（Δｔ）を加味して冷房負荷を判断することにより、より正確に冷房負荷を予測して圧縮機６や膨張機構８、循環ポンプ１４の制御を行うことができるようになる。

　次に、図７、図８は前記図１の地中熱利用ヒートポンプ装置１の制御装置４による更に他の制御例を示している。この実施例の場合は、図７の構成図に示すように、前記図５（実施例２）の場合に加えて放熱器７の出口温度を検出する放熱器出口温度センサ３３が設けられ、制御装置４の入力に接続されている。そして、この場合制御装置４は、外気温度又は室内温度と室内設定温度との差、及び、熱媒体出入口温度差により冷房負荷を予測すると共に、冷凍サイクル装置２の放熱器７の出口温度も考慮して制御する。

　即ち、制御装置４は冷房運転（第２の運転モード）が開始されると、図８のフローチャートのステップＳ２０で外気温度又は室内温度を検知し、室内設定温度との差ΔＴを算出する。そして、ステップＳ２１で差ΔＴにより圧縮機６の回転数と吐出温度を所定の初期値に設定して運転を開始する。所定時間後、ステップＳ２２で再度差ΔＴを算出し、ステップＳ２３で熱媒体入口温度と熱媒体出口温度との差Δｔを検知する。

　そして、ステップＳ２４で差ΔＴと差Δｔに基づいて圧縮機６のＯＮ、ＯＦＦを設定する。即ち、差ΔＴ及び差Δｔがそれぞれの所定の閾値以上の場合（冷房負荷大）にはＯＮに設定し、ステップＳ２５に進み、閾値未満の場合（冷房負荷小）にはＯＦＦに設定してステップＳ２９に進む。ステップＳ２５では冷凍サイクル装置２の圧縮機６を運転する冷房運転（ＨＰ運転での冷房）を行うものとし、ステップＳ２６で差ΔＴと差Δｔにより圧縮機６の回転数と吐出温度、及び、放熱器出口温度を設定する。即ち、例えば室内設定温度より室内温度が高く、利用側熱交換器１７と空気との熱交換も活発に行われて熱媒体入口と出口の温度差が大きい場合（差ΔＴ及び差Δｔが大きい）、冷房負荷がより大きいので圧縮機６の回転数を高くし、設定吐出温度も高くして冷凍サイクル装置２の冷凍能力を増大させる。また、設定放熱器出口温度も高くして効率の低下を抑制する。逆に差ΔＴ及び差Δｔが閾値以上ではあるが、比較的小さい場合には回転数及び設定吐出温度を低くして冷凍サイクル装置２の冷凍能力を削減する。また、設定放熱器出口温度も低くする。更に、制御装置４はステップＳ２７で吐出温度センサ２８が検出する圧縮機６の吐出温度、及び、放熱器出口温度センサ３３が前記設定吐出温度、及び、設定放熱器出口温度となるように膨張機構８の弁開度を制御する。

　更に、制御装置４はステップＳ２８で前記差ΔＴ及びΔｔにより目標熱媒体入口温度を設定し、熱媒体入口温度センサ３１が検出する利用側熱交換器１７の熱媒体入口温度がこの目標熱媒体入口温度になるように循環ポンプ１４の回転数を制御する（循環ポンプ２１は停止）。即ち、熱媒体入口温度センサ３１が検出する利用側熱交換器１７に流入する熱媒体の温度（熱媒体入口温度）が目標熱媒体入口温度より高く、その差が大きい場合には循環ポンプ１４の回転数を低下させる。

　一方、今は春季で差ΔＴ及び差Δｔがそれぞれの所定の閾値未満の場合、制御装置４は冷房負荷が小さいものと判断してステップＳ２４で圧縮機６をＯＦＦに設定してステップＳ２９に進む。このステップＳ２９では図４に示すように冷凍サイクル装置２の圧縮機６を停止して地中熱のみで冷房する冷房運転（地中冷熱での冷房）を行うものとし、ステップＳ３０で前記差ΔＴ及び差Δｔにより循環ポンプ１４の回転数を決定して制御する（循環ポンプ２１は停止）。即ち、閾値未満ではあるが差ΔＴ及び差Δｔが比較的大きい場合には循環ポンプ１４の回転数を高くし、小さい場合には回転数を低くする。

　このように、前記実施例２の外気温度又は室内温度と室内設定温度との差ΔＴ、及び、利用側熱交換器１７の熱媒体出入口温度差（Δｔ）で冷房負荷を判断することに加えて、放熱器出口温度も考慮して膨張機構８の弁開度を制御することで、冷凍サイクル装置２の効率を向上させることができるようになる。

　尚、図９は図１の地中熱利用ヒートポンプ装置１の他の構成例を示している（実施例４）。尚、図１中と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この場合、循環ポンプ１４は利用側熱交換器１７と利用側伝熱器１８の間の配管２３に設けられ、循環ポンプ２１は三方弁１６の第２の出口１６Ｂ下流側の配管２２に設けられている。制御は図１の場合と同様である、このような循環ポンプの配置としても本発明は有効である。

　次に、図１０、図１１は本発明の更に他の実施例の地中熱利用ヒートポンプ装置１の構成を示している。尚、図１、図２中と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この場合、バイパス管２４は循環ポンプ２１と利用側熱交換器１７との間の配管２３と三方弁１６の第１の出口１６Ａの間では無く、利用側熱交換器（第１の利用側熱交換器）１７と利用側伝熱器１８との間の配管２３と三方弁１６の第１の出口１６Ａの間に接続され、更にこのバイパス管２４には第２の利用側熱交換器３４が設けられている。従って、利用側熱交換器１７は第１の利用側熱交換器となる。そして、第２の利用側熱交換器３４は例えば第１の利用側熱交換器１７の空気流入側に設けられる。

　これにより、暖房運転（第１の運転モード）時は図２と同様であるが、冷房運転（第２の運転モード）時に地中熱採熱装置３の循環ポンプ１４が運転されると、地中熱採熱管１２で例えば１５℃程の温度の地中に放熱し（即ち、地中で冷却され）、２０℃程に温度が低下した熱媒体は地中熱採熱管１２から吸引され、配管２２を通って地中熱伝熱器１３に流入し、ここで、冷凍サイクル装置２の蒸発器９に放熱（蒸発器９は吸熱）して更に冷却され、７℃程となり、循環ポンプ１４及び三方弁１６を経てバイパス管２４を通り、第２の利用側熱交換器３４に流入するようになる。

　前述した如く第２の利用側熱交換器３４にも図示しない送風機により室内空気が循環されるので、第２の利用側熱交換器３４に流入した熱媒体は室内空気から吸熱して１２℃程に温度上昇する。一方、室内空気は熱媒体により冷却されるので、室内（被空調空間）は冷房される。利用側熱交換器１７から出た熱媒体は次に利用側伝熱器１８に入る。冷凍サイクル装置２の放熱器７には７０℃程の冷媒が流入するので、利用側伝熱器１８を通過する熱媒体は吸熱し、放熱器７を通過する冷媒は冷却される。そして、冷媒は１５℃程にまで冷却されて放熱器７から流出し膨張機構８に向かう。熱媒体は４０℃程に温度上昇して三方弁１９及びバイパス管２６を通り、地中熱採熱管１２に戻る。地中熱採熱管１２では熱媒体が再度地中（１５℃程）に放熱し、地中熱伝熱器１３に向かう循環を繰り返すようになる。

　即ち、この実施例５の場合には、冷房は第２の利用側熱交換器３４で、暖房は第１の利用側熱交換器１７でそれぞれ別々に行われるようになる。そこで、図１０の冷房運転状態において、例えば制御装置４により三方弁１９の第２の出口１９Ｂも少許開くことで（第１の出口１９Ａと第２の出口１９Ｂを選択的に開放するデューティー制御、若しくは、第１の出口１９Ａの開度はそのままで、第２の出口１９Ｂも少許開く等）、利用側伝熱器１８を出た熱媒体の一部を三方弁１９にて分流し、第１の利用側熱交換器１７に流した後、第２の利用側熱交換器３４を出た熱媒体に合流させるようにしてもよい。

　利用側伝熱器１８を出た熱媒体の温度は前述したように４０℃程に上昇しているので、このような制御を行うことで、室内空気は第２の利用側熱交換器３４で冷却された後、第１の利用側熱交換器１７で加温されるようになる。即ち、第２の利用側熱交換器３４で空気中の湿気を除去した後、第１の利用側熱交換器１７で温度を上げてから室内に吹き出すことができるようになるので、除湿運転が実現される（第３の運転モード）。この除湿運転も制御装置４への図示しないモード切換スイッチによる指令入力により行うものとする。

　次に、図１２、図１３は本発明の更に他の実施例の地中熱利用ヒートポンプ装置１の構成を示している。尚、図１、図２中と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この場合、冷凍サイクル装置２は、放熱器７の下流側で膨張機構８との間の冷媒回路１０中にもう一つの放熱器（第３の放熱器）３６を備えている。また、冷媒回路１０に対して高元側となるもう一つの第２の冷媒回路３７を備えている。従って、冷媒回路１０はこの場合第１の冷媒回路となる。第２の冷媒回路３７は第２の圧縮機３８と、第２の放熱器３９と、第２の膨張機構４１と、第２の蒸発器４２を順次環状に配管接続して構成されている。従って、この場合圧縮機６は第１の圧縮機、放熱器７は第１の放熱器、膨張機構８は第１の膨張機構、蒸発器９は第１の蒸発器となる。そして、第１の冷媒回路１０の放熱器３６と第２の冷媒回路３７の第２の蒸発器４２とがカスケード接続され、これにより両冷媒回路１０、３７は、第２の冷媒回路３７が二元接続の高元側、第１の冷媒回路１０が二元接続の低元側となる二元冷凍装置を構成している。

　そして、利用側熱交換器１７の出口側の配管２３には三方弁４３が設けられ、この三方弁４３の第１の出口４３Ａが利用側伝熱器１８に配管２３で接続されている。更に、この三方弁４３の第２の出口４３Ｂは配管４４を介して第２の放熱器３９と熱交換関係に設けられた第２の利用側伝熱器４６の入口に接続されている。従って、この場合利用側伝熱器１８は第１の利用側伝熱器となる。第２の利用側伝熱器４６の出口には三方弁４７が接続され、この三方弁４７の第１の出口４７Ａは配管４８を介して給湯用熱交換器４９に接続され、この給湯用熱交換器４９の出口はこれも配管４８により循環ポンプ５１の入口に接続され、循環ポンプ５１の出口は配管４８により第２の利用側伝熱器４６の入口に接続されている。また、三方弁４７の第２の出口４７Ｂは配管５２により三方弁１９の入口に接続されている。給湯用熱交換器４９は図示しない貯湯タンク内の水を加熱する。そして、この配管５２中にも同様の熱媒体が封入されるので、この場合の熱媒体循環装置２７は、循環ポンプ１４、２１、５１、三方弁１６、１９、４３、４７、配管２２、２３、４４、４８、５２、バイパス管２４、２６により構成される。また、この場合も前述同様の制御装置４が設けられ、冷凍サイクル装置２及び熱媒体循環装置２７を制御する。

　以上の構成で、次にこの実施例の地中熱利用ヒートポンプ装置１の動作を説明する。先ず、冷房運転（第２の運転モード）について説明する。同様に春季から夏季の季節に図示しないモード切換スイッチによる指令入力で冷房運転（第２の運転モード）が開始されると、制御装置４は図１２の如く三方弁１６、１９、４３、４７を制御し、それぞれの第１の出口１６Ａ、１９Ａ、４３Ａ、４７Ａを開く。そして、第１の圧縮機６及び第２の圧縮機３８を運転し、循環ポンプ１４、５１を運転する（循環ポンプ２１は停止）。

　冷凍サイクル装置２の第２の圧縮機３８が運転されると、第２の圧縮機３８から吐出された高温高圧の冷媒が第２の放熱器３９に流入し、そこで放熱して第２の膨張機構４１に至り、減圧されて第２の蒸発器４２に流入する。そこで、冷媒は蒸発して吸熱作用を発揮し、第２の圧縮機３８に吸い込まれる循環を繰り返す。

　一方、第１の圧縮機６が運転されると、第１の圧縮機６から吐出された超臨界状態の二酸化炭素冷媒は第１の放熱器７、更に、次段の放熱器３６に順次流入し、それらで放熱して第１の膨張機構８に至り、液／ガス混合状態となって第１の蒸発器９に流入する。そこで、冷媒は蒸発して吸熱作用を発揮し、第１の圧縮機６に吸い込まれる循環を繰り返す。このとき、冷媒回路１０の放熱器３６と冷媒回路３７の第２の蒸発器４２はカスケード接続されているので、第１の膨張機構８に流入する二酸化炭素冷媒は過冷却されることになる。そして、第１の冷媒回路１０の高圧と第２の冷媒回路３７の高圧は、図１６のｐ－ｈ線図に示すように、共に超臨界圧力でほぼ同等となるように第１及び第２の膨張機構８、４１によって制御される。そのため、同じ温度域の熱媒体となり、第１及び第２の冷媒回路１０、３７の総合効率を向上させることができる。第２の冷媒回路３７は、所定の冷媒封入量にすることにより、低圧が最適圧力になり、効率が向上する。

　一方、地中熱採熱装置３の循環ポンプ１４が運転されると、地中熱採熱管１２で例えば１５℃程の温度の地中に放熱し（即ち、地中で冷却され）、２０℃程に温度が低下した熱媒体は地中熱採熱管１２から吸引され、配管２２を通って地中熱伝熱器１３に流入する。ここで、冷媒回路１０の第１の蒸発器９に放熱（蒸発器９は吸熱）して更に冷却され、７℃程となり、循環ポンプ１４及び三方弁１６を経てバイパス管２４を通り、利用側熱交換器１７に流入する。

　利用側熱交換器１７には図示しない送風機により室内空気が循環されるので、利用側熱交換器１７に流入した熱媒体は室内空気から吸熱して１２℃程に温度上昇する。一方、室内空気は熱媒体により冷却されるので、室内（被空調空間）は冷房される。利用側熱交換器１７から出た熱媒体は次に三方弁４３を経て第１の利用側伝熱器１８に入る。冷媒回路１０の第１の放熱器７には７０℃程の冷媒が流入するので、第１の利用側伝熱器１８を通過する熱媒体は吸熱し、第１の放熱器７を通過する冷媒は冷却される。そして、冷媒は１５℃程にまで冷却されて第１の放熱器７から流出し、第１の膨張機構８に向かう。熱媒体は４０℃程に温度上昇して三方弁１９及びバイパス管２６を通り、地中熱採熱管１２に戻る。地中熱採熱管１２では熱媒体が再度地中（１５℃程）に放熱し、地中熱伝熱器１３に向かう循環を繰り返す。

　この場合も、地中熱採熱装置３の地中熱採熱管１２で地中に放熱した熱媒体は、地中熱伝熱器１３に流入して冷媒回路１０の第１の蒸発器９と熱交換し、当該蒸発器９によって更に冷やされた後、利用側熱交換器１７に流入するので、利用側熱交換器１７による冷房性能を向上させることができるようになる。そして、利用側熱交換器１７を出た熱媒体は次に第１の利用側伝熱器１８に流入し、冷媒回路１０の第１の放熱器７と熱交換して温度が上昇した後、再び地中熱採熱管１２に戻るので、地中での熱交換効率も良好となる。

　一方、冷媒回路１０の冷媒は第１の放熱器７にて第１の利用側伝熱器１８を流れる熱媒体に対して放熱すると共に、放熱器３６で第２の蒸発器４２に対して放熱し、その後、第１の膨張機構８で絞られ、第１の蒸発器９に流入して地中熱伝熱器９を流れる熱媒体から吸熱する循環を繰り返すので、冷媒回路１０の運転効率も良好となる。

　また、循環ポンプ５１が運転されると、第２の利用側伝熱器４６で冷媒回路３７の第２の放熱器３９からの放熱で加熱された熱媒体は給湯用熱交換器４９に流入し、そこで放熱した後、再度第２の利用側伝熱器４６に戻る循環を繰り返すので、これにより、給湯用熱交換器４９にて貯湯タンク内の水を加熱し、給湯を行うことが可能となる。これらにより、地中熱利用ヒートポンプ装置１は給湯を行いながら、極めて性能のよい冷房運転を高効率で実現することが可能となる。尚、この場合も給湯用熱交換器４９を流れる熱媒体と第２の放熱器３９を流れる冷媒は同様に対向流となる。

　次に、秋季や冬季に前述したモード切換スイッチによる指令入力で暖房運転（第１の運転モード）が開始されると、制御装置４は三方弁１６、１９を制御し、図１３に示すようにそれぞれの第２の出口１６Ｂ、１９Ｂを開く。また、三方弁４３、及び、三方弁４７については第１、第２の双方の出口４３Ａ、４３Ｂ、及び、４７Ａ、４７Ｂを開く。そして、第１の圧縮機６、第２の圧縮機３８、及び、各循環ポンプ１４、２１、５１を運転する。第１の冷媒回路１０及び第２の冷媒回路３７の動作については前述同様である。

　一方、地中熱採熱装置３の循環ポンプ１４が運転されると、地中熱採熱管１２で例えば１５℃程の温度の地中から吸熱し（即ち、地中で温められ）、１０℃程に温度が上昇した熱媒体は地中熱採熱管１２から吸引され、配管２２を通って地中熱伝熱器１３に流入する。ここで、冷媒回路１０の第１の蒸発器９に放熱（蒸発器９内の冷媒は吸熱し、５℃程から８℃程になる）して冷却され、７℃程となり、循環ポンプ１４及び三方弁１６を経て地中熱採熱管１２に戻り、再び吸熱する循環を繰り返す。

　また、循環ポンプ２１が運転されると、第１の利用側伝熱器１８、第２の利用側伝熱器４６内で第１の放熱器７、第２の放熱器３９内を流れる冷媒から吸熱して温度上昇した熱媒体は、配管２３、三方弁４７、配管５２を通って利用側熱交換器１７に入り、そこで放熱した後、三方弁４３を経て再び第１の利用側伝熱器１８、第２の利用側伝熱器４６に流入する循環を繰り返す。利用側熱交換器１７には図示しない送風機により室内空気が循環されるので、室内空気は利用側熱交換器１７内の熱媒体により加熱され、これにより、室内（被空調空間）は暖房される。

　また、循環ポンプ５１が運転されると、第２の利用側伝熱器４６で冷媒回路３７の第２の放熱器３９からの放熱で加熱された熱媒体は三方弁４７を経て給湯用熱交換器４９に流入し、そこで放熱した後、再度第２の利用側伝熱器４６に戻る循環を繰り返すので、これにより、給湯用熱交換器４９にて貯湯タンク内の水を加熱し、給湯を行うことが可能となる。これらにより、この場合の地中熱利用ヒートポンプ装置１は給湯を行いながら、極めて性能のよい暖房運転を高効率で実現することが可能となる。

　次に、図１４、図１５は本発明の更に他の実施例の地中熱利用ヒートポンプ装置１の構成を示している。尚、図１２、図１３中と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この場合も、冷凍サイクル装置２は、放熱器７の下流側で膨張機構８との間の冷媒回路１０中にもう一つの放熱器（第３の放熱器）３６を備えている。また、冷媒回路１０に対する高元側としてもう一つ、第２の冷媒回路３７を備えている。従って、冷媒回路１０はこの場合第１の冷媒回路となる。第２の冷媒回路３７は第２の圧縮機３８と、第２の放熱器３９と、第２の膨張機構４１と、第２の蒸発器４２を順次環状に配管接続して構成されている。従って、この場合圧縮機６は第１の圧縮機、放熱器７は第１の放熱器、膨張機構８は第１の膨張機構、蒸発器９は第１の蒸発器となる。そして、第１の冷媒回路１０の放熱器３６と第２の冷媒回路３７の第２の蒸発器４２とがカスケード接続され、これにより両冷媒回路１０、３７は、第２の冷媒回路３７が二元接続の高元側、第１の冷媒回路１０が二元接続の低元側となる二元冷凍装置を構成している。

　また、バイパス管２４は三方弁１６の第１の出口１６Ａと第２の利用側伝熱器４６の入口管を結んでおり、このバイパス２４中には第２の利用側熱交換器５３が設けられている。また、第２の利用側伝熱器４６は同様に第２の冷媒回路３７の第２の放熱器３９と熱交換関係に設けられている。また、この第２の利用側伝熱器４６の出口が配管６１により三方弁１９の入口に接続され、三方弁１９の第１の出口１９Ａが地中熱採熱管１２の入口にバイパス管２６で接続されている。

　また、第１の利用側伝熱器１８は同様に冷媒回路１０の第１の放熱器７と熱交換関係に設けられているが、この第１の利用側伝熱器１８の入口は配管６２により三方弁５４の第１の出口５４Ａに接続されている。また、三方弁５４の第２の出口５４Ｂは配管６３におり第２の利用側伝熱器４６の入口に接続されている。また、三方弁１９の第２の出口１９Ｂは配管６４により循環ポンプ５６の入口に接続され、第１の利用側伝熱器１８の出口は配管６６により配管６４に接続されている。

　循環ポンプ５６の出口は配管６７により三方弁５７の入口に接続され、三方弁５７の第１の出口５７Ａは第３の利用側熱交換器６８の入口に接続されている。また、三方弁５７の第２の出口５７Ｂは第１の利用側熱交換器５８の入口に接続されている。これら利用側熱交換器６８、５８の出口は合流して配管６９を介して三方弁５４の入口に接続されている。

　そして、この場合の熱媒体循環装置２７は、循環ポンプ１４、５６、三方弁１６、１９、５４、５７、配管２２、６１、６２、６３、６４、６６、６７、６９、バイパス管２４、２６等により構成される。また、この場合も前述同様の制御装置４が設けられ、冷凍サイクル装置２及び熱媒体循環装置２７を制御する。尚、前記第３の利用側熱交換器６８は給湯用熱交換器７１と熱交換関係に設けられ、給湯用熱交換器７１には循環ポンプ７２により循環回路７４を経て貯湯タンク７３内の水が循環される。

　以上の構成で、次にこの実施例の地中熱利用ヒートポンプ装置１の動作を説明する。先ず、冷房運転（第２の運転モード）について説明する。同様に春季から夏季の季節に図示しないモード切換スイッチによる指令入力で冷房運転（第２の運転モード）が開始されると、制御装置４は図１４の如く三方弁１６、１９、５４、５７を制御し、それぞれの第１の出口１６Ａ、１９Ａ、５４Ａ、５７Ａを開く。そして、第１の圧縮機６及び第２の圧縮機３８を運転し、循環ポンプ１４、５６、７２を運転する。第１及び第２の冷媒回路１０、３７の動作は前述同様である。

　地中熱採熱装置３の循環ポンプ１４が運転されると、地中熱採熱管１２で例えば１５℃程の温度の地中に放熱し（即ち、地中で冷却され）、２０℃程に温度が低下した熱媒体は地中熱採熱管１２から吸引され、配管２２を通って地中熱伝熱器１３に流入する。ここで、冷媒回路１０の第１の蒸発器９に放熱（蒸発器９は吸熱）して更に冷却され、７℃程となり、循環ポンプ１４及び三方弁１６を経てバイパス管２４を通り、第２の利用側熱交換器５３に流入する。

　この第２の利用側熱交換器５３にも図示しない送風機により室内空気が循環されるので、第２の利用側熱交換器５３に流入した熱媒体は室内空気から吸熱して１２℃程に温度上昇する。一方、室内空気は熱媒体により冷却されるので、室内（被空調空間）は冷房される。第２の利用側熱交換器５３から出た熱媒体は次に第２の利用側伝熱器４６に入る。冷媒回路３７の第２の放熱器３９には高温の冷媒が流入するので、第２の利用側伝熱器４６を通過する熱媒体は吸熱し、第２の放熱器３９を通過する冷媒は冷却される。尚、この場合も第２の利用側熱交換器４６を流れる熱媒体と第２の放熱器３９を流れる冷媒は対向流となる。そして、冷媒は第２の放熱器３９から流出し、第２の膨張機構４１に向かう。熱媒体は４０℃程に温度上昇して三方弁１９及びバイパス管２６を通り、地中熱採熱管１２に戻る。地中熱採熱管１２では熱媒体が再度地中（１５℃程）に放熱し、地中熱伝熱器１３に向かう循環を繰り返す。

　この場合も、地中熱採熱装置３の地中熱採熱管１２で地中に放熱した熱媒体は、地中熱伝熱器１３に流入して冷媒回路１０の第１の蒸発器９と熱交換し、当該蒸発器９によって更に冷やされた後、第２の利用側熱交換器５３に流入するので、第２の利用側熱交換器５３による冷房性能を向上させることができるようになる。そして、第２の利用側熱交換器５３を出た熱媒体は次に第２の利用側伝熱器４６に流入し、冷媒回路３７の第２の放熱器３９と熱交換して温度が上昇した後、再び地中熱採熱管１２に戻るので、地中での熱交換効率も良好となる。

　一方、冷媒回路３７の冷媒は第２の放熱器３９にて第２の利用側伝熱器４６を流れる熱媒体に対して放熱し、その後、第２の膨張機構４１で絞られ、第２の蒸発器４２に流入して放熱器３６を流れる冷媒から吸熱する循環を繰り返すので、冷媒回路３７、１０の運転効率も良好となる。

　また、循環ポンプ５６が運転されると、第１の利用側伝熱器１８で冷媒回路１０の第１の放熱器７からの放熱で加熱された熱媒体は、配管６６、循環ポンプ５６、配管６７、三方弁５７を経て第３の利用側熱交換器６８に流入し、そこで放熱した後、配管６９、三方弁５４、配管６２を経て再度第１の利用側伝熱器１８に戻る循環を繰り返すので、これにより、給湯用熱交換器７１に循環される貯湯タンク７３内の水を加熱し、給湯を行うことが可能となる。これらにより、地中熱利用ヒートポンプ装置１は給湯を行いながら、極めて性能のよい冷房運転を高効率で実現することが可能となる。

　次に、秋季や冬季に前述したモード切換スイッチによる指令入力で暖房運転（第１の運転モード）が開始されると、制御装置４は三方弁１６、１９を制御し、図１５に示すようにそれぞれの第２の出口１６Ｂ、１９Ｂを開く。また、三方弁５４、及び、三方弁５７については第１、第２の双方の出口５４Ａ、５４Ｂ、及び、５７Ａ、５７Ｂを開く。そして、第１の圧縮機６、第２の圧縮機３８、及び、各循環ポンプ１４、５６、７２を運転する。第１の冷媒回路１０及び第２の冷媒回路３７の動作については前述同様である。

　一方、地中熱採熱装置３の循環ポンプ１４が運転されると、地中熱採熱管１２で例えば１５℃程の温度の地中から吸熱し（即ち、地中で温められ）、１０℃程に温度が上昇した熱媒体は地中熱採熱管１２から吸引され、配管２２を通って地中熱伝熱器１３に流入する。ここで、第１の冷媒回路１０の第１の蒸発器９に放熱（蒸発器９内の冷媒は吸熱し、５℃程から８℃程になる）して冷却され、７℃程となり、循環ポンプ１４及び三方弁１６を経て地中熱採熱管１２に戻り、再び吸熱する循環を繰り返す。

　また、循環ポンプ５６が運転されると、第１の利用側伝熱器１８、第２の利用側伝熱器４６内で第１の放熱器７、第２の放熱器３９内を流れる冷媒から吸熱して温度上昇した熱媒体は、配管６６、６１、６４、三方弁１９、循環ポンプ５６、配管６７、三方弁５７を通って第１の利用側熱交換器５８又は第３の利用側熱交換器６８に入り、それらで放熱した後、三方弁５４、配管６２、６３を経て再び第１の利用側伝熱器１８、第２の利用側伝熱器４６に流入する循環を繰り返す。第１の利用側熱交換器５８にも図示しない送風機により室内空気が循環されるので、室内空気は第１の利用側熱交換器５８内の熱媒体により加熱され、これにより、室内（被空調空間）は暖房される。

　また、給湯用熱交換器７１に循環される貯湯タンク７３内の水も加熱し、給湯を行うことが可能となるので、これらにより、地中熱利用ヒートポンプ装置１は給湯を行いながら、極めて性能のよい暖房運転を高効率で実現することが可能となる。

　尚、上記各実施例では外気温度、室内温度と室内設定温度で冷凍サイクル装置２と地中熱採熱装置３を制御したが、それに限らず、外気温湿度や室内の湿度に基づき、或いは、温度に加えてそれらを加味して冷房負荷を判断し、制御装置４により制御するようにしてもよい。

　また、冷凍サイクル装置２を停止する運転状態は上記全ての実施例において有効であり、図１１，図１５の場合には、利用側熱交換器１７、５８は床暖房用等の熱交換器でもよい。更に、図１２～図５の場合、第１の冷媒回路１０と第２の冷媒回路３７から成る所謂二元冷凍装置で冷凍サイクル装置２を構成したが、それに限らず、冷媒回路１０の第１の放熱器７の下流側を分流して、一方に第２の圧縮機３８を組み込み、第２の放熱器３９の出口を膨張機構８の入口で合流させても有効である。その場合には、第２の圧縮機３８及び第２の放熱器３９は、第１の圧縮機６及び第１の放熱器７の後段側となり、両者は所謂二段冷凍装置を構成することになる。

　更に、上記各実施例では暖房運転も行うことができる地中熱利用ヒートポンプ装置１で説明したが、それに限らず、請求項１の発明については冷房運転のみが可能な装置であっても有効である。

　１　地中熱利用ヒートポンプ装置
　２　冷凍サイクル装置
　３　地中熱採熱装置
　４　制御装置
　６、３８　圧縮機
　７、３６、３９　放熱器
　８、４１　膨張機構
　９、４２　蒸発器
　１０、３７　冷媒回路
　１２　地中熱採熱管
　１３　地中熱伝熱器
　１４、２１、５１、５６、７２　循環ポンプ
　１６、１９、４３、４７、５４、５７　三方弁
　１７、３４、５３、５８、６８　利用側熱交換器
　１８、４６　利用側伝熱器
　２４、２６　バイパス管
　２７　熱媒体循環装置

Claims (10)

1. 　圧縮機と、放熱器と、膨張機構と、蒸発器を含む冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、
   　地中に埋設された地中熱採熱管と、
   　前記蒸発器と熱交換関係に設けられた地中熱伝熱器と、
   　空調を行うための利用側熱交換器と、
   　前記放熱器と熱交換関係に設けられた利用側伝熱器と、
   　これら地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる熱媒体循環装置を備えたことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ装置。
2. 　圧縮機と、放熱器と、膨張機構と、蒸発器を含む冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、
   　地中に埋設された地中熱採熱管と、
   　前記蒸発器と熱交換関係に設けられた地中熱伝熱器と、
   　空調を行うための利用側熱交換器と、
   　前記放熱器と熱交換関係に設けられた利用側伝熱器と、
   　これら地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器への熱媒体の流通を制御する熱媒体循環装置と、
   　前記冷凍サイクル装置及び熱媒体循環装置を制御する制御装置を備え、
   　該制御装置は、前記熱媒体循環装置により、前記地中熱採熱管と前記地中熱伝熱器との間で前記熱媒体を循環させると共に、前記利用側熱交換器と前記利用側伝熱器との間で前記熱媒体を循環させる第１の運転モードと、
   　前記熱媒体循環装置により、前記地中熱採熱管、前記地中熱伝熱器、前記利用側熱交換器、及び、前記利用側伝熱器の順で前記熱媒体を循環させる第２の運転モードを有することを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ装置。
3. 　圧縮機と、放熱器と、膨張機構と、蒸発器を含む冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、
   　地中に埋設された地中熱採熱管と、
   　前記蒸発器と熱交換関係に設けられた地中熱伝熱器と、
   　空調を行うための第１及び第２の利用側熱交換器と、
   　前記放熱器と熱交換関係に設けられた利用側伝熱器と、
   　これら地中熱採熱管、地中熱伝熱器、両利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器への熱媒体の流通を制御する熱媒体循環装置と、
   　前記冷凍サイクル装置及び熱媒体循環装置を制御する制御装置を備え、
   　該制御装置は、前記熱媒体循環装置により、前記地中熱採熱管と前記地中熱伝熱器との間で前記熱媒体を循環させると共に、前記第１の利用側熱交換器と前記利用側伝熱器との間で前記熱媒体を循環させる第１の運転モードと、
   　前記熱媒体循環装置により、前記地中熱採熱管、前記地中熱伝熱器、前記第２の利用側熱交換器、及び、前記利用側伝熱器の順で前記熱媒体を循環させる第２の運転モードを有することを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ装置。
4. 　前記制御装置は、前記熱媒体循環装置により、前記利用側伝熱器を出た前記熱媒体の一部を分流し、前記第１の利用側熱交換器に流した後、前記第２の利用側熱交換器を出た前記熱媒体に合流させる第３の運転モードを有することを特徴とする請求項３に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置。
5. 　第１の圧縮機及び第１の放熱器と、膨張機構と、蒸発器と、前記第１の圧縮機及び第１の放熱器に対して二元接続の高元側、若しくは、二段接続の後段側の関係で設けられた第２の圧縮機及び第２の放熱器を含む冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、
   　地中に埋設された地中熱採熱管と、
   　前記蒸発器と熱交換関係に設けられた地中熱伝熱器と、
   　空調を行うための利用側熱交換器と、
   　前記第１の放熱器と熱交換関係に設けられた第１の利用側伝熱器と、
   　前記第２の放熱器と熱交換関係に設けられた第２の利用側伝熱器と、
   　これら地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、第１の利用側伝熱器、及び、第２の利用側伝熱器への熱媒体の流通を制御する熱媒体循環装置と、
   　前記冷凍サイクル装置及び熱媒体循環装置を制御する制御装置を備え、
   　該制御装置は、前記熱媒体循環装置により、前記地中熱採熱管と前記地中熱伝熱器との間で前記熱媒体を循環させると共に、前記利用側熱交換器と前記第１及び第２の利用側伝熱器との間で前記熱媒体を循環させる第１の運転モードと、
   　前記熱媒体循環装置により、前記地中熱採熱管、前記地中熱伝熱器、前記利用側熱交換器、及び、前記第１の利用側伝熱器の順で前記熱媒体を循環させる第２の運転モードを有することを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ装置。
6. 　第１の圧縮機及び第１の放熱器と、膨張機構と、蒸発器と、前記第１の圧縮機及び第１の放熱器に対して二元接続の高元側、若しくは、二段接続の後段側の関係で設けられた第２の圧縮機及び第２の放熱器を含む冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、
   　地中に埋設された地中熱採熱管と、
   　前記蒸発器と熱交換関係に設けられた地中熱伝熱器と、
   　空調を行うための第１及び第２の利用側熱交換器と、
   　給湯を行うための第３の利用側熱交換器と、
   　前記第１の放熱器と熱交換関係に設けられた第１の利用側伝熱器と、
   　前記第２の放熱器と熱交換関係に設けられた第２の利用側伝熱器と、
   　これら地中熱採熱管、地中熱伝熱器、各利用側熱交換器、第１の利用側伝熱器、及び、第２の利用側伝熱器への熱媒体の流通を制御する熱媒体循環装置と、
   　前記冷凍サイクル装置及び前記熱媒体循環装置を制御する制御装置を備え、
   　該制御装置は、前記熱媒体循環装置により、前記地中熱採熱管と前記地中熱伝熱器との間で前記熱媒体を循環させると共に、前記第１の利用側熱交換器及び第３の利用側熱交換器と前記第１及び第２の利用側伝熱器との間で前記熱媒体を循環させる第１の運転モードと、
   　前記熱媒体循環装置によって前記地中熱採熱管、前記地中熱伝熱器、前記第２の利用側熱交換器、及び、前記第２の利用側伝熱器の順で前記熱媒体を循環させ、且つ、前記第３の利用側熱交換器と前記第１の利用側伝熱器との間で前記熱媒体を循環させる第２の運転モードを有することを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ装置。
7. 　前記蒸発器を流れる冷媒と前記地中熱伝熱器を流れる熱媒体は対向流となると共に、前記放熱器を流れる冷媒と前記利用側伝熱器を流れる熱媒体は対向流となることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちの何れかに記載の地中熱利用ヒートポンプ装置。
8. 　前記制御装置は、前記地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる状態、又は、前記第２の運転モードにおける被空調空間の冷房負荷、温度、湿度、外気の温度、湿度のうちの一つ、若しくは、それらの組み合わせに基づき、前記冷凍サイクル装置の運転を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちの何れかに記載の地中熱利用ヒートポンプ装置。
9. 　前記制御装置は、前記地中熱採熱管、地中熱伝熱器、利用側熱交換器、及び、利用側伝熱器の順で熱媒体を循環させる状態、又は、前記第２の運転モードにおいて前記冷凍サイクル装置を停止する制御状態を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のうちの何れかに記載の地中熱利用ヒートポンプ装置。
10. 　前記冷凍サイクル装置の冷媒回路内に、冷媒として二酸化炭素を封入したことを特徴とする請求項１乃至請求項９のうちの何れかに記載の地中熱利用ヒートポンプ装置。

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