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技術 地下蓄熱利用のヒートポンプ

出願人 エヌビイエル株式会社
発明者 西田俊夫西野義則田村進一西野正毅森山真光古林洋一
出願日 2008年8月8日 (13年0ヶ月経過) 出願番号 2008-205172
公開日 2010年2月18日 (11年6ヶ月経過) 公開番号 2010-038507
状態 未査定
技術分野 化学反応及び燃焼によらない熱の発生又利用 太陽熱集熱器 中央式空気調和
主要キーワード 熱量移動 変換水 大規模集合住宅 防水隔壁 省エネシステム 熱移動効率 地上温度 低温エネルギ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2010年2月18日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

課題

従来エアコン空調機器)は快適居室温度(25度から28度)を保つために外気熱源としてヒートポンプによる冷暖房を実施していたが、ヒートポンプの作動エネルギに対して数倍の熱量移動限界であった。空調機器・給湯機器省エネを目的として、地下蓄熱および地熱利用を可能とするヒートポンプシステムを構成する。

解決手段

外気温度の変化を反対にすれば、ヒートポンプの熱移動効率が高まる。すなわち、外気熱利用から地下蓄熱に切り替えることで解決する。冬場夏場高温エネルギから熱移動、夏場に冬の低温エネルギから熱移動することで、ヒートポンプの熱移動効率を高める。

概要

背景

従来の空調機器構成は外気熱を基本とするヒートポンプによる熱移動である。外気温夏場が高く、冬場は低い。目的の居室温度は一定であることから、夏場は高い外気熱から居室内の冷却をする。冬場は低い外気温から室内を暖房する。これを熱媒体ガスを用いるヒートポンプで熱移動する。高圧側のガス温度は外気温より高いことから、ガスが持つ熱を外気に放出する。ガス減圧側の温度が居室内より低いことからガスの持つ低い熱が居室内空気熱を吸収冷却していた。

本発明はこのヒートポンプの熱移動効率を向上させることが目的である。熱移動効率を向上させると、ヒートポンプ稼働エネルギが一定であるにもかかわらず、熱移動を多くする。これは熱移動エネルギの削減を意味する。

すなわち、本発明の目的である空調エネルギを省エネできる。これには、外気熱に相当する熱源を外気から年中一定である地下熱に変更すること、夏場の高温を地下に蓄熱、冬場で取り出す。反対に冬場の低温を地下に蓄熱して夏場で取り出すことが目的を解決する。

概要

従来エアコン(空調機器)は快適居室温度(25度から28度)を保つために外気を熱源としてヒートポンプによる冷暖房を実施していたが、ヒートポンプの作動エネルギに対して数倍の熱量移動限界であった。空調機器・給湯機器の省エネを目的として、地下蓄熱および地熱利用を可能とするヒートポンプシステムを構成する。外気温度の変化を反対にすれば、ヒートポンプの熱移動効率が高まる。すなわち、外気熱利用から地下蓄熱に切り替えることで解決する。冬場に夏場の高温エネルギから熱移動、夏場に冬の低温エネルギから熱移動することで、ヒートポンプの熱移動効率を高める。

目的

本発明はこのヒートポンプの熱移動効率を向上させることが目的である

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

ヒートポンプを用いた空調機器冷凍機給湯機器において、外気以外に熱媒体として地下水を利用する機器を個別または並列に接続して、水ポンプにより地下水を循環させて地下蓄熱変換する構造を用いて熱変換効率の向上とヒートアイランド環境温度上昇防止を行うガスヒートポンプ装置

請求項2

請求項1装置の地下蓄熱に必要な井戸構造において、竪穴井戸を使用時井戸管は多数個通水可能な穴を持ち、井戸は単数使用の場合は高温熱変換水を上部に放熱冷熱変換水を下部に放熱、吸熱時はその逆に接続するために複数個の長さの異なる循環水管内装してなる蓄熱井戸構造。

請求項3

請求項1装置の地下蓄熱に必要な井戸構造において、外部熱変換を必要とする単数または複数個のガス圧縮機の熱変換機に接続する循環ポンプ水冷媒を、地下蓄熱井戸管に流水可能な多数の穴を持つ管または熱変換に必要な表面積を有する穴なし管を用いて、個別管はそれぞれ高温用低温用に分離して使用する縦型井戸を複数個または横水平方向に平行に配列、または連続渦巻き状に井戸管を地下に埋設して高温水低温水の流れ方向を特定にして地下熱蓄熱効率を向上させるための蓄熱井戸構造。

請求項4

ヒートポンプを用いた空調機器・冷凍機・給湯機器において、室内熱変換機単数または複数個と接続する圧縮機の個別の外部熱変換機器高圧ガスを個別地下竪穴井戸に多数個通水可能な穴を持つ井戸管内で、地下水に熱変換して蓄熱することを目的にした熱媒体ガスを地下循環する構造にして熱変換効率の向上とヒートアイランド外気温度上昇防止を行う構造。

請求項5

請求項4の地下蓄熱効率向上策において、夏場吸熱変換水を冬場放熱温度を高めるまた反対に冬場の冷熱を夏場使用するために、循環水をより加熱・冷却する目的にポンプ循環する変換水を室外屋上または屋根散水して加熱水を地下上部に冷却水を下部から注水蓄熱する方法。

請求項6

シャワー水など必要給湯の蓄熱加熱を行う構造において、居室内冷却(夏場)時は地下蓄熱循環水との熱変換前に給湯器内の水加熱を行い、冬場においては夜間などヒートポンプに余力のあるときに給湯器の加熱を行う方法。

請求項7

蓄熱井戸の構造において、地下温度特性地上温度の年間平均温度となる地下約1.5メートル深さ以下で地下水層を蓄熱地下として通水可能な穴つき管または放熱可能な面積を持つ穴なし熱交換可能な管を使用してなる蓄熱管の配置工法

請求項8

蓄熱井戸の構造において、冬場の変換水を25度以上ある深層地下から取得すること、夏場の変換水を地下1.5メートル以下の浅い地下から取得することを特徴とする地下熱利用のヒートポンプシステム

技術分野

0001

本発明は、ヒートポンプを用いた熱効率向上法とヒートアイランド防止法及び設備に関する。

背景技術

0002

従来の空調機器構成は外気熱を基本とするヒートポンプによる熱移動である。外気温夏場が高く、冬場は低い。目的の居室温度は一定であることから、夏場は高い外気熱から居室内の冷却をする。冬場は低い外気温から室内を暖房する。これを熱媒体ガスを用いるヒートポンプで熱移動する。高圧側のガス温度は外気温より高いことから、ガスが持つ熱を外気に放出する。ガス減圧側の温度が居室内より低いことからガスの持つ低い熱が居室内空気熱を吸収冷却していた。

0003

本発明はこのヒートポンプの熱移動効率を向上させることが目的である。熱移動効率を向上させると、ヒートポンプ稼働エネルギが一定であるにもかかわらず、熱移動を多くする。これは熱移動エネルギの削減を意味する。

0004

すなわち、本発明の目的である空調エネルギを省エネできる。これには、外気熱に相当する熱源を外気から年中一定である地下熱に変更すること、夏場の高温を地下に蓄熱、冬場で取り出す。反対に冬場の低温を地下に蓄熱して夏場で取り出すことが目的を解決する。

発明が解決しようとする課題

0005

本発明は図1に示す目的の居室内空調を行うためにガスヒートポンプ機能を用いた熱変換において、通水可能な透水管を地下に埋設して地下水ポンプ循環して地下1.5メートル以下に上部に高温域・下部に低温域として年間季節変動の必要熱量を地下蓄熱することで、従来の外気変換で少ない温度差の変換であったものを夏場は冷熱・冬場は温熱を利用することを可能にして、外気温度変換の熱効率を数倍向上することを可能にする。

0006

図1に示す効率的な地下蓄熱を可能にするには、季節変動する表層約1.5メートル以下にある安定した約20度から25度の地下温度熱源、図4の約1000メートル毎に約30度上昇する地下温度熱源を利用し、伝熱速度の遅い土壌特性に有効な蓄熱のための熱移動を行う必要がある。

0007

必要となる地下井戸工事が追加されることから、工事が簡単であり費用も安価でなければ普及できない。変換蓄熱のためのエネルギが少量でなければならない。さらに、蓄熱による地下水の環境汚染地下水位の変化など弊害を防止する必要条件が加わる。

課題を解決するための手段

0008

図3に示す地下蓄熱式エアコンの効率向上原理説明図から、ヒートポンプは例えばフレオンアンモニア炭酸ガスなどガスを熱媒体として使用ガスによって異なるが圧縮による液化時は高温となり、減圧による気化時に低温となる特性がある。この循環コンプレッサ内在して作動することで、連続した高温・低温特性を作り出している。高温時に熱放出(冷却)するとエネルギ保存法則から低温時に吸熱する。すなわち放熱と吸熱を行う熱変換器を用いれば熱移動が可能になる。この時、放熱量を多くすれば当然吸熱量も増加する。しかし熱媒体のガス特性から高温と低温の差温度経済的なフレオンなど低圧液化ガスを使用すると有効温度が約50度から60度と小さい。

0009

一方、居室温度は季節変動に影響されずほぼ20度から25度と一定を要求されることから、夏場では外気温度が30度、熱変換に必要な温度差を約10度と仮定すると高温領域でガス特性が一般に最大50度であるため圧縮ガス体(液体)温度は40度となる。すなわち、ポンプ能力(定時間当たりの熱媒体ガス量)を一定にすれば約10度放熱分の熱量が吸熱されることになる。すなわち、居室内を空調するには夏場は冷房・冬場は暖房を必要とすることから目的の吸熱・放熱をえるには外部との放熱の効率を向上させることが熱効率向上となる。

0010

図3に示す従来の外気熱利用では放熱が約10度であるが、夏場が冬の冷熱蓄熱、冬場が夏の温熱蓄熱を地下に蓄熱すれば、地下蓄熱との循環に地下水を用いれば放熱の温度差が約30度となり、同一ヒートポンプで外気温利用に比べて地下蓄熱利用を行えば熱移動が約3倍となる。さらに図4に示す深層地下熱を利用すれば効率は増加する。すなわち、ヒートポンプの効率が高まることで同一必要熱移動のエネルギが少なくなる省エネができる。

発明の効果

0011

本発明の成果は、図3に示すように外気変換に対して、地下蓄熱利用は空調エネルギが約1/3となり,およそ70パーセントの省エネが可能となる。さらに深層地下温度を用いると、冬場の効率がより向上する。すなわち、空調エネルギが約1/6へと低下が可能となり、世界的な問題となっている電力供給のための炭酸ガス発生量を減少させる効果を併せ持つ。さらに、季節変動熱変化を地下蓄熱して平滑化することから、夏場のヒートアイランド(空調による大気の加熱)防止効果と冬場の過冷却防止となる。

発明を実施するための最良の形態

0012

図2に示す給湯器併用がより省エネ効果を高める。地下蓄熱の空調設備に夏場の高温放熱を給湯に利用すれば、夏場の給湯エネルギが不要となり、冬場においても夜間などにおいて熱効率の高いヒートポンプによる給湯加熱は省エネと普及のための設備効率を高める。

0013

図1に示す、夏場・冬場の地下蓄熱循環水による屋上・屋根などからの追加吸熱による温熱・冷熱の吸収は、より熱変換効率を向上させる。

0014

個別空調・給湯のヒートポンプシステムは、図1図2の構成を使用する。一般家庭小規模商業施設ではヒートポンプ圧縮機は低圧のガス媒体を採用する。コンプレッサは単一でインバータ回転可変制御を採用、複数並列接続の居室内吸熱・放熱器と必要給湯器を接続する。地下蓄熱井戸縦型で口径が100ミリメートルから250ミリメートル、深さが3メートルから10メートルで腐食しない
FRP廃材による透水性のある管を使用埋設、内部に地下水位の約1メートル下と井戸の底の2本の循環水管を設置、井戸の中間部に上下の水流れ緩慢にするオリフィス管外部に水が透水するように少量流れる程度)を設置する。これらの構成設備を採用して省エネ空調・給湯を得る。

0015

地下蓄熱方法において、地下水が安定しない(移動する速度が速い地下水のある地域)などでは、井戸周囲(適用可能地上区域)に防水材を地底と周囲に打ち込み、蓄熱域を区画して、必要熱移動を防止、地下水位の確保を行う。なお、大規模集合住宅などには複数本の井戸を用いる場合などは、周囲に防水隔壁など設置するとより簡単に効率的な地域蓄熱ができる。

0016

地下水汚染が発生するなど恐れある地域においては、地下水を循環せずに、高圧ガス熱媒体を地下井戸に直接設置することも可能である。 また井戸を設置しないで交換フィン付き管を埋設して循環水による熱変換、直接ガス熱媒体による変換も可能である。

0017

地下水の移動がある地域などでは、縦型井戸ではなく、地下に水平に透水管を埋設して安定地下水熱を利用することで効率が高まる。

0018

規模の並列接続を行う地域冷暖房としての熱供給循環水には深層地下約1200メートル以下の40度を越える温水を冬場利用が得策。夏場は地下表層水の複数本井戸からの取水が良い。循環は深層地下と表層地下水を季節毎に行う。

図面の簡単な説明

0019

本発明のエアコンの地熱利用省エネシステム構成図
本発明のエアコン・給湯器設備の地熱利用省エネシステム構成図
本発明の地下蓄熱式エアコンの効率向上原理説明図
深層地下熱利用の温度と深さ・用途の関係説明図

符号の説明

0020

(1)水ポンプ
(2)屋外エアコンユニット
(3)熱交換器
(4)コンプレッサー
(5)ガスタンク
(6)電磁弁
(7)冷媒ガス管
(8)屋上・屋根散水
(9)夏場の高温蓄熱
(10)透水管
(11)表層管
(12)深層管
(13)電磁弁
(14)冷媒ガス管
(15)ガスタンク
(16)コンプレッサー
(17)熱交換器
(18)屋外エアコンユニット
(19)給湯
(20)水道
(21)温水タンク
(22)水ポンプ
(23)表層管
(24)A部地下
(25)透水管
(26)深層管

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