地中熱利用ヒートポンプ装置、これを備えた地中熱利用装置、および地中熱利用ヒートポンプ装置の制御方法
【課題】 地盤の熱的状況に適応し長期間に渡って安定した運転が実現できる地中熱利用ヒートポンプ装置、およびその制御方法を提供すること。
【解決手段】温度センサ１４で測定したヒートポンプ３から地中熱交換器２への熱媒水の出口温度に基づいて採放熱の限界値を設定し、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ３の運転を制御することで、空気調整装置の運転中において地中温度が高く（または低く）なり過ぎて採放熱効率が著しく低下したり、長期的に地中温度が徐々に上昇（または低下）して採放熱不能になったりすることが防止でき、地盤３の熱的状況に適応して長期間に渡って安定した運転が実現できる。
【解決手段】温度センサ１４で測定したヒートポンプ３から地中熱交換器２への熱媒水の出口温度に基づいて採放熱の限界値を設定し、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ３の運転を制御することで、空気調整装置の運転中において地中温度が高く（または低く）なり過ぎて採放熱効率が著しく低下したり、長期的に地中温度が徐々に上昇（または低下）して採放熱不能になったりすることが防止でき、地盤３の熱的状況に適応して長期間に渡って安定した運転が実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱利用ヒートポンプ装置、これを備えた地中熱利用装置、および地中熱利用ヒートポンプ装置の制御方法に関し、詳しくは、地中に埋設された地中熱交換器に接続されたヒートポンプ本体を備え、地中熱交換器を介して地中から採熱または地中へ放熱する地中熱利用ヒートポンプ、これを備えた地中熱利用装置、および地中熱利用ヒートポンプ装置の制御方法装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地中に埋設された地中熱交換器と、この地中熱交換器に接続されたヒートポンプ本体と、このヒートポンプ本体に接続された空調機器等の二次側（負荷側）熱交換器とを備えた地中熱利用装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような地中熱利用のヒートポンプを備えた空調装置等は、安定した温度を有する大地の地中熱を熱源として利用し、この熱源に対して採放熱するものであり、外気に対して採放熱する空気熱源方式のシステムと比較しても、年間を通して変化が小さく安定した地中温度を利用することで、冷房および暖房の両方について高効率に運転できるシステムである。従って、地中熱利用のヒートポンプシステムでは、省エネルギー化や、低ランニングコスト化、二酸化炭素の排出抑制等の効果に加えて、大気に排熱しないことでヒートアイランド現象の抑制効果も期待されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３０２１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されたような従来の地中熱利用装置では、その運転が二次側の負荷に追従して実施されるのみであり、地盤の熱的状況に応じて運転が制御されるものではないため、長期間に渡る継続的な運転が困難になってしまう可能性があり、問題である。
すなわち、二次側の負荷（例えば、冷房負荷や暖房負荷）が計画値を超えて運転された場合には、ヒートポンプが効率よく運転できる許容値を超えた高温または低温に地中温度がなってしまうことがある。また、二次側の負荷の偏りが大きくなって、地中へ放熱し過ぎたり地中から採熱し過ぎたりした場合には、年間を通した地中温度が徐々に上昇するあるいは低下してしまい、数年後には、採放熱効率が著しく低下してしまうことや、放熱不能あるいは採熱不能になってしまうことがある。さらには、地下水位の変動や地下水の流動状況の変動等を原因として地盤の熱伝導率が変化し、計画当初の採熱、放熱能力よりも低下してしまった場合には、負荷処理に十分な採放熱が実施不能になってしまう可能性もある。
【０００５】
本発明の目的は、地盤の熱的状況に適応し長期間に渡って安定した運転が実現できる地中熱利用ヒートポンプ装置、これを備えた地中熱利用装置、および地中熱利用ヒートポンプ装置の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の地中熱利用ヒートポンプ装置は、地中に埋設された地中熱交換器と、この地中熱交換器に接続されたヒートポンプ本体と、前記地中熱交換器と前記ヒートポンプとを接続して熱媒水を循環させる配管とを備え、前記地中熱交換器を介して地中から採熱または地中へ放熱する地中熱利用ヒートポンプ装置であって、地盤の熱的状況を測定する測定手段と、測定した地盤の熱的状況に基づいて採放熱の限界値を設定する限界値設定手段と、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ本体の運転を制御する運転制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
ここで、測定手段で測定する地盤の熱的状況としては、初期地盤温度や運転期間中の地盤温度、地盤の熱伝導率などの地盤の熱特性、地下水位や地下水の流動状況などの地盤の熱特性に影響する情報等が例示できる。このうち地盤温度は、地盤中に設けた温度センサ等で直接測定されてもよく、また地中熱交換器とヒートポンプ本体との間に循環される熱媒水の温度やその配管の表面温度等から推定された温度であってもよい。
また、限界値設定手段にて設定される採放熱の限界値としては、当該ヒートポンプ装置が設置された設置位置近傍の地盤で負担可能な採放熱量のみならず、周辺地盤からの熱伝達や地下水の流動によって運ばれる熱を考慮した負担採放熱量に基づいて設定されるものである。すなわち、数年〜十年程度の中、長期的に見た場合に、地盤が熱的に自然回復することを考慮した解析等に基づいて採放熱の限界値が設定されるようになっている。
【０００８】
以上の本発明によれば、測定手段で測定した地盤の熱的状況に基づいて採放熱の限界値を設定し、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ本体の運転を制御することで、運転中において地中温度が高く（または低く）なり過ぎて採放熱効率が著しく低下したり、長期的に地中温度が徐々に上昇（または低下）して採放熱不能になったりすることが防止でき、地盤の熱的状況に適応して長期間に渡って安定した運転が実現できる。この際、地盤の熱的な自然回復要素を考慮して採放熱の限界値を設定するように限界値設定手段を構成すれば、採放熱の限界値を低く設定しすぎることがなく、合理的な装置の設計が可能となって設置コストを低減させることができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置は、請求項１に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置において、前記限界値設定手段は、前記測定手段にて測定した前年分または前数年分の地盤の熱的状況に基づいて前記限界値を再設定するように構成されていることを特徴とする。
このような構成によれば、運転期間中における過去の地盤の熱的状況を考慮して採放熱の限界値を再設定することで、地盤状況の変化に応じたより合理的な限界値の設定が可能になり、装置の運転効率を向上させる、あるいは地盤への負担を軽減させることができる。すなわち、地盤の自然回復能力が当初の想定よりも高ければ、採放熱の限界値を上げるように再設定してもよく、このようにすれば装置の運転効率を高めることができる。一方、地盤の自然回復能力が当初の想定よりも低ければ、採放熱の限界値を下げるように再設定することで、地中温度の過度な変動や長期的な変動が防止でき、地盤の採放熱能力を維持することができる。
【００１０】
さらに、請求項３に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置は、請求項１または請求項２に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置において、前記測定手段は、前記配管における前記ヒートポンプ本体からの出口または前記ヒートポンプ本体への入口位置の前記熱媒水の温度を測定する温度センサを有していることを特徴とする。
このような構成によれば、ヒートポンプ本体の出口または入口位置の温度センサによって熱媒水の温度を測定することで、測定した出口温度または入口温度から地盤温度を推定できるので、地盤中や地中熱交換器等に温度センサを設置する場合と比較して温度センサの設置個所数を低減することができ、初期コストおよびメンテナンスに要するコストが抑制できる。
【００１１】
また、請求項４に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の地中熱利用ヒートポンプ装置において、前記ヒートポンプ本体には、前記地中熱交換器と相違する補助熱源が接続されており、前記地中熱交換器における採放熱が前記設定された限界値に達した場合には、前記補助熱源を利用するように前記ヒートポンプ本体が運転制御手段で制御されることを特徴とする。
ここで、補助熱源としては、空気を熱源として採放熱する冷却塔や空気熱交換機、排熱回収器などが例示できる。
このような構成によれば、ヒートポンプ本体に補助熱源が接続され、地中熱交換器の採放熱が限界値に達した場合に補助熱源が利用されるので、二次側の負荷が大きくなって地中熱交換器からの採放熱を停止したとしても、補助熱源からの熱を利用してヒートポンプ本体の運転を継続させることができる。従って、例えば、二次側が空調室内機である場合には、その負荷が大きくなる夏期や冬期においても地盤へ過大な負担をかけることなく、冷房運転や暖房運転を継続させることができる。
【００１２】
一方、本発明の地中熱利用装置は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の地中熱利用ヒートポンプ装置と、この地中熱利用ヒートポンプ装置のヒートポンプ本体に接続された負荷機とを備えた地中熱利用装置であって、前記負荷機には、前記ヒートポンプ本体と相違する他の熱源機器が接続され、前記地中熱交換器における採放熱が前記設定された限界値に達した場合には、前記他の熱源機器を用いて前記負荷機に熱が供給されまたは前記負荷機から熱が吸収されることを特徴とする。
ここで、負荷機としては、室内の冷房、暖房、または冷暖房を行う空調室内機や、冷蔵（冷凍）温蔵機、給湯器、冷水器など、ヒートポンプ本体から供給される（またはヒートポンプ本体で吸収される）熱を利用した各種の機器が例示できる。
また、ヒートポンプ本体と相違する他の熱源機器としては、冷凍機やボイラー、冷温水発生機等が例示できる。
【００１３】
以上の本発明によれば、負荷機に他の熱源機器が接続され、地中熱交換器の採放熱が限界値に達した場合に他の熱源機器を用いて負荷機へ熱が供給されるまたは負荷機から熱が吸収されるので、二次側の負荷が大きくなって地中熱交換器からの採放熱を停止したとしても、他の熱源機器により負荷機の運転を継続させることができる。従って、例えば、負荷機が空調室内機である場合には、その負荷が大きくなる夏期や冬期においても地盤へ過大な負担をかけることなく、冷房運転や暖房運転を継続させることができる。
【００１４】
また、本発明の地中熱利用ヒートポンプ装置の制御方法は、地中に埋設された地中熱交換器と、この地中熱交換器に接続されたヒートポンプ本体と、前記地中熱交換器と前記ヒートポンプとを接続して熱媒水を循環させる配管とを備え、前記地中熱交換器を介して地中から採熱または地中へ放熱する地中熱利用ヒートポンプ装置の制御方法であって、地盤の熱的状況を測定する測定工程と、測定した地盤の熱的状況に基づいて採放熱の限界値を設定する限界値設定工程と、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ本体の運転を制御する運転制御工程とを備えたことを特徴とする。
以上の本発明によれば、前述と同様に、地盤の熱的状況に適応して長期間に渡って安定した運転が実現できるとともに、合理的なヒートポンプ装置の設計が可能となって設置コストを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る地中熱利用装置としての空気調整装置１を示す概略構成図である。図２は、空気調整装置１の要部であるヒートポンプ装置１Ａを示す概略構成図である。
図１および図２において、空気調整装置１は、地盤Ｇ中に埋設された地中熱交換器２と、この地中熱交換器２に接続されたヒートポンプ（ヒートポンプ本体）３と、このヒートポンプ３に接続された負荷機としての空調室内機４と、地中熱交換器２とヒートポンプ３とを接続して水または不凍液等の熱媒水を循環させる水配管５と、ヒートポンプ３と空調室内機４とを接続して水または不凍液等の熱媒水を循環させる水配管６とを備えて構成されている。
【００１６】
ヒートポンプ３には、冷媒（ガス）を循環させる冷媒配管１１と、冷媒配管１１中の冷媒を圧縮する圧縮機７と、冷媒配管１１中の冷媒を膨張させる膨張弁８と、水配管５の熱媒水を用いて冷媒を凝縮または蒸発させる一次凝縮・蒸発器９と、圧縮機７で圧縮された高温の冷媒を凝縮させて水配管６の熱媒水に熱を供給する、または膨張弁８で膨張された低温の冷媒を蒸発させて水配管６の熱媒水から熱を吸収する二次凝縮・蒸発器１０とが設けられている。
また、水配管５，６には、それぞれの熱媒水を循環させる循環ポンプ１２，１３が設けられている。
そして、ヒートポンプ装置１Ａは、地中熱交換器２から熱媒水を介して採熱（または放熱）した地中熱を利用し、ヒートポンプ３の冷媒配管１１中の冷媒を介して水配管６の熱媒水を昇温（冷却）し、この熱媒水により空調室内機４から空調空間Ａに熱を供給（または空調空間Ａから熱を吸収）するものである。
【００１７】
すなわち、ヒートポンプ装置１Ａでは、夏期における冷房運転時において、水配管５，６中の熱媒水および冷媒配管１１中の冷媒が、それぞれ図２に矢印で示す方向に循環される。
すなわち、循環ポンプ１２は、熱媒水をヒートポンプ３の一次凝縮・蒸発器９から地中熱交換器２に送るとともに、地中熱交換器２での熱交換により地中に放熱して温度の下がった熱媒水を一次凝縮・蒸発器９に戻す。
ヒートポンプ３において、一次凝縮・蒸発器９は、圧縮機７で圧縮された冷媒と水配管５中の熱媒水との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮させる。凝縮されて冷却された冷媒は膨張弁８で膨張された後、二次凝縮・蒸発器１０へ送られる。二次凝縮・蒸発器１０は、膨張弁８から送られた冷媒と水配管６中の熱媒水との間で熱交換を行い、内気を冷却し冷媒を蒸発させる。蒸発して昇温された冷媒は圧縮機７で再度圧縮されて一次凝縮・蒸発器９へ送られ、水配管５中の熱媒水との間で熱交換が行われる。
循環ポンプ１２は、二次凝縮・蒸発器１０で冷却された水配管６中の熱媒水を空調室内機４へ送るとともに、空調空間Ａの内気から熱を吸収して昇温された熱媒水を二次凝縮・蒸発器１０に戻す。
以上のようなサイクルを繰り返すことで、冷媒および熱媒水を介して空調空間Ａの熱を地中に排熱し、空調空間Ａの冷房が実施される。
【００１８】
一方、冬期における暖房運転時には、上述した冷媒配管１１中の冷媒が図２の矢印と逆方向に循環される。なお、水配管５，６中の熱媒水の循環方向は、図２に矢印で示す通りである。
すなわち、ヒートポンプ３において、一次凝縮・蒸発器９は、膨張弁８で膨張された冷媒と水配管５中の熱媒水との間で熱交換を行い、冷媒を蒸発させる。蒸発されて昇温された冷媒は圧縮機７で圧縮された後、二次凝縮・蒸発器１０へ送られる。二次凝縮・蒸発器１０は、圧縮機７から送られた冷媒と水配管６中の熱媒水との間で熱交換を行い、内気を加熱し冷媒を凝縮させる。凝縮されて冷却された冷媒は膨張弁８で再度膨張されて一次凝縮・蒸発器９へ送られ、水配管５中の熱媒水との間で熱交換が行われる。
以上のようなサイクルを繰り返すことで、冷媒および熱媒水を介して地中から採熱した熱を空調空間Ａに供給し、空調空間Ａの暖房が実施される。
【００１９】
また、空気調整装置１は、図１に示すように、複数の地中熱交換器２が互いに並列に接続され、これら複数の地中熱交換器２を接続した一系統の水配管５に配管ヘッダー５Ａを介して複数（２台）のヒートポンプ３が接続されている。これら複数のヒートポンプ３は、同時にまたはヒートポンプ３ごとに、運転および停止が切替制御可能に構成されている。また、複数（２台）のヒートポンプ３から延びる水配管６は、配管ヘッダー６Ａを介してまとめられて空調室内機４に接続されている。なお、以上のヒートポンプ３には、複数の空調室内機４が接続されていてもよく、これら複数の空調室内機４を同時に、または複数の空調室内機４ごとに、運転および停止が切替制御可能に構成されていてもよい。
【００２０】
さらに、空気調整装置１には、補助熱源としての冷却塔２１、および他の熱源機器としての冷凍機（チラー）２３およびボイラ３０とを有して構成されている。
冷却塔２１は、空気を熱源として気化熱を利用して循環水（熱媒水）を冷却するものであって、循環水を循環させる水配管２２によって配管ヘッダー５Ａに接続され、この配管ヘッダー５Ａを介してヒートポンプ３に接続されている。すなわち、夏期においてヒートポンプ３が高負荷運転され、後述するように地中熱交換器２による地盤Ｇの採放熱が限界値に達した場合に、地中熱交換器２側への熱媒水の循環が停止または抑制され、冷却塔２１側へ熱媒水が循環され、これによりヒートポンプ３の冷房運転が継続されるようになっている。
【００２１】
冷凍機２３は、前記水配管６と同様に熱媒水を循環させる水配管２４で配管ヘッダー６Ａに接続され、ヒートポンプ３と同様に圧縮機２５と、膨張弁２６と、蒸発器２７と、冷媒配管２８とを有し、蒸発器２７における熱交換により水配管２４中の熱媒水を冷却するものである。水配管２４には、循環ポンプ２９が設けられており、この循環ポンプ２９により水配管２４中の熱媒水が配管ヘッダー６Ａを介して空調室内機４と冷凍機２３の蒸発器２７との間を循環されるようになっている。このような冷凍機２３は、夏期においてヒートポンプ３が高負荷運転されて地中熱交換器２による地盤Ｇへの放熱が限界値に達し、ヒートポンプ３の運転が停止または抑制された場合に運転され、この冷凍機２３の運転により空調室内機４の冷房運転が継続されるようになっている。
【００２２】
ボイラ３０は、前記水配管６，２４と同様に熱媒水を循環させる水配管３１で配管ヘッダー６Ａに接続され、軽油等の化石燃料を燃焼させて熱を発生し、この熱により熱媒水を昇温するものである。そして、水配管３１には、循環ポンプ３２が設けられており、この循環ポンプ３２により水配管３１中の熱媒水が配管ヘッダー６Ａを介して空調室内機４とボイラ３０との間を循環されるようになっている。このようなボイラ３０は、冬期においてヒートポンプ３が高負荷運転されて地中熱交換器２による地盤Ｇからの採熱が限界値に達し、ヒートポンプ３の運転が停止または抑制された場合に運転され、このボイラ３０の運転により空調室内機４の暖房運転が継続されるようになっている。
【００２３】
以上のような空気調整装置１におけるヒートポンプ装置１Ａには、図２に示すように、ヒートポンプ３から地中熱交換器２へ向かう水配管５の出口位置に設けられて熱媒水の出口温度を測定する測定手段としての温度センサ１４と、この温度センサ１４で測定した熱媒水の出口温度に基づいて地盤Ｇの熱的状況を判断する制御装置１５とが設けられている。制御装置１５は、例えば、コンピュータから構成され、予め入力されたデータや組み込まれたプログラムによって、熱媒水の出口温度から地盤Ｇの熱的状況である地中温度（地中熱交換器２の表面温度）を算出するようになっている。そして、制御装置１５は、算出した地中温度に基づいて地中熱交換器２による採放熱の限界値を設定する限界値設定手段として機能するとともに、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ３の運転を制御する運転制御手段としても機能するようになっている。
【００２４】
すなわち、空気調整装置１において、図３のグラフに曲線Ｌ１で示されるような年間の負荷変動が生じる場合に、図４のグラフに細実線で示される曲線Ｌ２が想定される年間の熱媒水の出口温度の変動曲線（基準変動曲線）を示している。そして、図４のグラフに細一点鎖線で示される曲線Ｌ３は、熱媒水の出口温度から算出される年間の地中熱交換器２の表面温度の変動曲線である。ここで、曲線Ｌ２’（図中、太実線）は、冬期の暖房負荷が過大になって地中熱交換器２による地盤Ｇからの採熱が過剰になった場合の熱媒水の出口温度の変動曲線を示し、曲線Ｌ３’（図中、太一点鎖線）は、その際の地中熱交換器２の表面温度の変動曲線を示している。つまり、地盤Ｇからの採熱が過剰になると、地中温度が前年の地中温度よりも下がってしまい、地盤Ｇの採熱能力が低下していってしまうことを示している。これに対して、曲線Ｌ２，Ｌ３では、一年後の地中温度が前年と略同一であり、地盤Ｇの採放熱能力が維持されている。従って、このような年間の熱媒水の出口温度の変動曲線（基準変動曲線）Ｌ２に基づいて、制御装置１５が採放熱の限界値を設定するようになっている。
【００２５】
採放熱の限界値（限界出口温度）は、図５のグラフに一点鎖線で示される曲線Ｌ４のように設定され、熱媒水の出口温度の変動曲線Ｌ２に対して、暖房負荷の期間については、曲線Ｌ２よりも所定温度だけ低い温度となるように設定され、冷房負荷の期間については、曲線Ｌ２よりも所定温度だけ高い温度となるように設定されている（限界値設定工程）。この際、曲線Ｌ２との差である所定温度は、周辺地盤からの熱伝達等により地盤Ｇが熱的に自然回復することを考慮した解析や実験に基づいて設定されている。そして、設定された限界出口温度に応じてヒートポンプ装置１Ａは、図５の丸囲み部の曲線Ｌ５のように温度センサ１４で測定した（測定工程）熱媒水の出口温度が限界出口温度（曲線Ｌ４）に達したときには、制御装置１５によりヒートポンプ３の運転が停止または抑制される。このようにヒートポンプ３の運転を停止または抑制することで、熱媒水の出口温度が曲線Ｌ２に達するまで回復すれば、制御装置１５によりヒートポンプ３の運転が再開される（運転制御工程）。このようなヒートポンプ３の運転制御を実施することで、地中温度が低下しすぎないあるいは上昇しすぎないようにできる。
【００２６】
一方、地盤Ｇの熱的状況は、空気調整装置１の運転開始から数年（例えば、５年程度）の間は比較的安定せず、図６のグラフに示される曲線Ｌ６（１年目の熱媒水の出口温度の変動曲線、細実線）および曲線Ｌ７（１年目の地中熱交換器２の表面温度の変動曲線、細一点鎖線）のように、前年の地中温度よりも低くなってしまう（あるいは高くなってしまう）ことがある。そして、運転開始から数年以降になると、図６のグラフに示される曲線Ｌ６’（５年目の熱媒水の出口温度の変動曲線、太実線）や曲線Ｌ７’（５年目の地中熱交換器２の表面温度の変動曲線、太一点鎖線）のように、前年との地中温度の差が小さくなり安定する。このため、本実施形態のヒートポンプ装置１Ａでは、運転開始から数年間においては、前年の熱媒水の出口温度の測定結果に基づいて、制御装置１５が基準変動曲線（Ｌ６，Ｌ６’）を毎年再設定し、この基準変動曲線に基づいて、制御装置１５が採放熱の限界値を設定するようになっている。
【００２７】
このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）すなわち、温度センサ１４で測定したヒートポンプ３から地中熱交換器２への熱媒水の出口温度に基づいて採放熱の限界値（曲線Ｌ４）を設定し、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ３の運転を制御することで、空気調整装置１の運転中において地中温度が高く（または低く）なり過ぎて採放熱効率が著しく低下したり、長期的に地中温度が徐々に上昇（または低下）して採放熱不能になったりすることが防止でき、地盤３の熱的状況に適応して長期間に渡って安定した運転が実現できる。
【００２８】
（２）さらに、地盤Ｇの熱的な自然回復要素を考慮して採放熱の限界値を設定するようにしたので、採放熱の限界値を低く設定しすぎることがなく、合理的なヒートポンプ装置１Ａの設計が可能となって空気調整装置１の設置コストを低減させることができる。
【００２９】
（３）また、運転期間中における過去の地盤Ｇの熱的状況を考慮して基準変動曲線（Ｌ６，Ｌ６’）および採放熱の限界値を再設定することで、地盤状況の変化に応じたより合理的な限界値の設定が可能になり、ヒートポンプ装置１Ａの運転効率を向上させる、あるいは地盤Ｇへの負担を軽減させることができる。
【００３０】
（４）さらに、ヒートポンプ３から地中熱交換器２への熱媒水の出口温度を測定する温度センサ１４を設けたことで、測定した出口温度から地中温度を推定できるので、地盤中や地中熱交換器２等に温度センサを設置する場合と比較して温度センサ１４の設置個所数を低減することができ、初期コストおよびメンテナンスに要するコストが抑制できる。
【００３１】
（５）また、ヒートポンプ３に冷却塔（補助熱源）２１が接続され、地中熱交換器２の採放熱が限界値に達した場合に冷却塔２１が利用されるので、空調負荷が大きくなって地中熱交換器２からの採放熱を停止または抑制したとしても、冷却塔２１からの熱を利用してヒートポンプ３の運転を継続させることができる。従って、地盤Ｇへ過大な負担をかけることなく、空調室内機４の冷房運転を継続させることができる。
【００３２】
（６）さらに、空調室内機４に他の熱源機器である冷凍機２３やボイラ３０が接続され、地中熱交換器２の採放熱が限界値に達した場合に冷凍機２３やボイラ３０を用いて空調室内機４へ熱が供給されるまたは空調室内機４から熱が吸収されるので、空調負荷が大きくなって地中熱交換器２からの採放熱を停止または抑制したとしても、冷凍機２３やボイラ３０により空調室内機４の運転を継続させることができる。
【００３３】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態においては、空気調整装置１について説明したが、本発明の地中熱利用装置としては、冷暖房可能な空気調整装置に限らず、冷房のみ可能な冷房装置や暖房のみ可能な暖房装置でもよく、また冷蔵庫（冷凍庫）や温蔵機、給湯器、冷水器などであってもよい。
【００３４】
また、前記実施形態では、測定手段としてヒートポンプ３から地中熱交換器２への熱媒水の出口温度を測定する温度センサ１４を用いたが、温度センサ１４で入口温度を測定してもよく、また測定手段は、このような温度センサ１４に限らず、地盤Ｇの地中温度を直接測定するセンサでもよく、地中熱交換器２の表面温度を測定するセンサでもよく、さらには地盤Ｇの熱伝導率を測定する測定装置でもよく、各種の地盤の熱特性を測定可能な装置が適用可能である。
【００３５】
その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る地中熱利用装置を示す概略構成図である。
【図２】前記地中熱利用装置の要部であるヒートポンプ装置を示す概略構成図である。
【図３】前記地中熱利用装置における年間の負荷変動を示すグラフである。
【図４】前記ヒートポンプ装置における熱源側熱媒水の出口温度および地中熱交換器の表面温度の変動を示すグラフである。
【図５】前記ヒートポンプ装置における運転制御方法を示すグラフである。
【図６】前記ヒートポンプ装置における運転開始後１年目および５年目の前記出口温度および前記表面温度の変動を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１Ａ…ヒートポンプ装置、２…地中熱交換器、３…ヒートポンプ（ヒートポンプ本体）、５…水配管、１４…温度センサ（測定手段）、１５…制御装置（限界値設定手段および運転制御手段））、２１…冷却塔（補助熱源）、２３…冷凍機（他の熱源機器）、３０…ボイラ（他の熱源機器）、Ｇ…地盤。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱利用ヒートポンプ装置、これを備えた地中熱利用装置、および地中熱利用ヒートポンプ装置の制御方法に関し、詳しくは、地中に埋設された地中熱交換器に接続されたヒートポンプ本体を備え、地中熱交換器を介して地中から採熱または地中へ放熱する地中熱利用ヒートポンプ、これを備えた地中熱利用装置、および地中熱利用ヒートポンプ装置の制御方法装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地中に埋設された地中熱交換器と、この地中熱交換器に接続されたヒートポンプ本体と、このヒートポンプ本体に接続された空調機器等の二次側（負荷側）熱交換器とを備えた地中熱利用装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような地中熱利用のヒートポンプを備えた空調装置等は、安定した温度を有する大地の地中熱を熱源として利用し、この熱源に対して採放熱するものであり、外気に対して採放熱する空気熱源方式のシステムと比較しても、年間を通して変化が小さく安定した地中温度を利用することで、冷房および暖房の両方について高効率に運転できるシステムである。従って、地中熱利用のヒートポンプシステムでは、省エネルギー化や、低ランニングコスト化、二酸化炭素の排出抑制等の効果に加えて、大気に排熱しないことでヒートアイランド現象の抑制効果も期待されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３０２１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されたような従来の地中熱利用装置では、その運転が二次側の負荷に追従して実施されるのみであり、地盤の熱的状況に応じて運転が制御されるものではないため、長期間に渡る継続的な運転が困難になってしまう可能性があり、問題である。
すなわち、二次側の負荷（例えば、冷房負荷や暖房負荷）が計画値を超えて運転された場合には、ヒートポンプが効率よく運転できる許容値を超えた高温または低温に地中温度がなってしまうことがある。また、二次側の負荷の偏りが大きくなって、地中へ放熱し過ぎたり地中から採熱し過ぎたりした場合には、年間を通した地中温度が徐々に上昇するあるいは低下してしまい、数年後には、採放熱効率が著しく低下してしまうことや、放熱不能あるいは採熱不能になってしまうことがある。さらには、地下水位の変動や地下水の流動状況の変動等を原因として地盤の熱伝導率が変化し、計画当初の採熱、放熱能力よりも低下してしまった場合には、負荷処理に十分な採放熱が実施不能になってしまう可能性もある。
【０００５】
本発明の目的は、地盤の熱的状況に適応し長期間に渡って安定した運転が実現できる地中熱利用ヒートポンプ装置、これを備えた地中熱利用装置、および地中熱利用ヒートポンプ装置の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の地中熱利用ヒートポンプ装置は、地中に埋設された地中熱交換器と、この地中熱交換器に接続されたヒートポンプ本体と、前記地中熱交換器と前記ヒートポンプとを接続して熱媒水を循環させる配管とを備え、前記地中熱交換器を介して地中から採熱または地中へ放熱する地中熱利用ヒートポンプ装置であって、地盤の熱的状況を測定する測定手段と、測定した地盤の熱的状況に基づいて採放熱の限界値を設定する限界値設定手段と、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ本体の運転を制御する運転制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
ここで、測定手段で測定する地盤の熱的状況としては、初期地盤温度や運転期間中の地盤温度、地盤の熱伝導率などの地盤の熱特性、地下水位や地下水の流動状況などの地盤の熱特性に影響する情報等が例示できる。このうち地盤温度は、地盤中に設けた温度センサ等で直接測定されてもよく、また地中熱交換器とヒートポンプ本体との間に循環される熱媒水の温度やその配管の表面温度等から推定された温度であってもよい。
また、限界値設定手段にて設定される採放熱の限界値としては、当該ヒートポンプ装置が設置された設置位置近傍の地盤で負担可能な採放熱量のみならず、周辺地盤からの熱伝達や地下水の流動によって運ばれる熱を考慮した負担採放熱量に基づいて設定されるものである。すなわち、数年〜十年程度の中、長期的に見た場合に、地盤が熱的に自然回復することを考慮した解析等に基づいて採放熱の限界値が設定されるようになっている。
【０００８】
以上の本発明によれば、測定手段で測定した地盤の熱的状況に基づいて採放熱の限界値を設定し、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ本体の運転を制御することで、運転中において地中温度が高く（または低く）なり過ぎて採放熱効率が著しく低下したり、長期的に地中温度が徐々に上昇（または低下）して採放熱不能になったりすることが防止でき、地盤の熱的状況に適応して長期間に渡って安定した運転が実現できる。この際、地盤の熱的な自然回復要素を考慮して採放熱の限界値を設定するように限界値設定手段を構成すれば、採放熱の限界値を低く設定しすぎることがなく、合理的な装置の設計が可能となって設置コストを低減させることができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置は、請求項１に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置において、前記限界値設定手段は、前記測定手段にて測定した前年分または前数年分の地盤の熱的状況に基づいて前記限界値を再設定するように構成されていることを特徴とする。
このような構成によれば、運転期間中における過去の地盤の熱的状況を考慮して採放熱の限界値を再設定することで、地盤状況の変化に応じたより合理的な限界値の設定が可能になり、装置の運転効率を向上させる、あるいは地盤への負担を軽減させることができる。すなわち、地盤の自然回復能力が当初の想定よりも高ければ、採放熱の限界値を上げるように再設定してもよく、このようにすれば装置の運転効率を高めることができる。一方、地盤の自然回復能力が当初の想定よりも低ければ、採放熱の限界値を下げるように再設定することで、地中温度の過度な変動や長期的な変動が防止でき、地盤の採放熱能力を維持することができる。
【００１０】
さらに、請求項３に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置は、請求項１または請求項２に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置において、前記測定手段は、前記配管における前記ヒートポンプ本体からの出口または前記ヒートポンプ本体への入口位置の前記熱媒水の温度を測定する温度センサを有していることを特徴とする。
このような構成によれば、ヒートポンプ本体の出口または入口位置の温度センサによって熱媒水の温度を測定することで、測定した出口温度または入口温度から地盤温度を推定できるので、地盤中や地中熱交換器等に温度センサを設置する場合と比較して温度センサの設置個所数を低減することができ、初期コストおよびメンテナンスに要するコストが抑制できる。
【００１１】
また、請求項４に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の地中熱利用ヒートポンプ装置において、前記ヒートポンプ本体には、前記地中熱交換器と相違する補助熱源が接続されており、前記地中熱交換器における採放熱が前記設定された限界値に達した場合には、前記補助熱源を利用するように前記ヒートポンプ本体が運転制御手段で制御されることを特徴とする。
ここで、補助熱源としては、空気を熱源として採放熱する冷却塔や空気熱交換機、排熱回収器などが例示できる。
このような構成によれば、ヒートポンプ本体に補助熱源が接続され、地中熱交換器の採放熱が限界値に達した場合に補助熱源が利用されるので、二次側の負荷が大きくなって地中熱交換器からの採放熱を停止したとしても、補助熱源からの熱を利用してヒートポンプ本体の運転を継続させることができる。従って、例えば、二次側が空調室内機である場合には、その負荷が大きくなる夏期や冬期においても地盤へ過大な負担をかけることなく、冷房運転や暖房運転を継続させることができる。
【００１２】
一方、本発明の地中熱利用装置は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の地中熱利用ヒートポンプ装置と、この地中熱利用ヒートポンプ装置のヒートポンプ本体に接続された負荷機とを備えた地中熱利用装置であって、前記負荷機には、前記ヒートポンプ本体と相違する他の熱源機器が接続され、前記地中熱交換器における採放熱が前記設定された限界値に達した場合には、前記他の熱源機器を用いて前記負荷機に熱が供給されまたは前記負荷機から熱が吸収されることを特徴とする。
ここで、負荷機としては、室内の冷房、暖房、または冷暖房を行う空調室内機や、冷蔵（冷凍）温蔵機、給湯器、冷水器など、ヒートポンプ本体から供給される（またはヒートポンプ本体で吸収される）熱を利用した各種の機器が例示できる。
また、ヒートポンプ本体と相違する他の熱源機器としては、冷凍機やボイラー、冷温水発生機等が例示できる。
【００１３】
以上の本発明によれば、負荷機に他の熱源機器が接続され、地中熱交換器の採放熱が限界値に達した場合に他の熱源機器を用いて負荷機へ熱が供給されるまたは負荷機から熱が吸収されるので、二次側の負荷が大きくなって地中熱交換器からの採放熱を停止したとしても、他の熱源機器により負荷機の運転を継続させることができる。従って、例えば、負荷機が空調室内機である場合には、その負荷が大きくなる夏期や冬期においても地盤へ過大な負担をかけることなく、冷房運転や暖房運転を継続させることができる。
【００１４】
また、本発明の地中熱利用ヒートポンプ装置の制御方法は、地中に埋設された地中熱交換器と、この地中熱交換器に接続されたヒートポンプ本体と、前記地中熱交換器と前記ヒートポンプとを接続して熱媒水を循環させる配管とを備え、前記地中熱交換器を介して地中から採熱または地中へ放熱する地中熱利用ヒートポンプ装置の制御方法であって、地盤の熱的状況を測定する測定工程と、測定した地盤の熱的状況に基づいて採放熱の限界値を設定する限界値設定工程と、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ本体の運転を制御する運転制御工程とを備えたことを特徴とする。
以上の本発明によれば、前述と同様に、地盤の熱的状況に適応して長期間に渡って安定した運転が実現できるとともに、合理的なヒートポンプ装置の設計が可能となって設置コストを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る地中熱利用装置としての空気調整装置１を示す概略構成図である。図２は、空気調整装置１の要部であるヒートポンプ装置１Ａを示す概略構成図である。
図１および図２において、空気調整装置１は、地盤Ｇ中に埋設された地中熱交換器２と、この地中熱交換器２に接続されたヒートポンプ（ヒートポンプ本体）３と、このヒートポンプ３に接続された負荷機としての空調室内機４と、地中熱交換器２とヒートポンプ３とを接続して水または不凍液等の熱媒水を循環させる水配管５と、ヒートポンプ３と空調室内機４とを接続して水または不凍液等の熱媒水を循環させる水配管６とを備えて構成されている。
【００１６】
ヒートポンプ３には、冷媒（ガス）を循環させる冷媒配管１１と、冷媒配管１１中の冷媒を圧縮する圧縮機７と、冷媒配管１１中の冷媒を膨張させる膨張弁８と、水配管５の熱媒水を用いて冷媒を凝縮または蒸発させる一次凝縮・蒸発器９と、圧縮機７で圧縮された高温の冷媒を凝縮させて水配管６の熱媒水に熱を供給する、または膨張弁８で膨張された低温の冷媒を蒸発させて水配管６の熱媒水から熱を吸収する二次凝縮・蒸発器１０とが設けられている。
また、水配管５，６には、それぞれの熱媒水を循環させる循環ポンプ１２，１３が設けられている。
そして、ヒートポンプ装置１Ａは、地中熱交換器２から熱媒水を介して採熱（または放熱）した地中熱を利用し、ヒートポンプ３の冷媒配管１１中の冷媒を介して水配管６の熱媒水を昇温（冷却）し、この熱媒水により空調室内機４から空調空間Ａに熱を供給（または空調空間Ａから熱を吸収）するものである。
【００１７】
すなわち、ヒートポンプ装置１Ａでは、夏期における冷房運転時において、水配管５，６中の熱媒水および冷媒配管１１中の冷媒が、それぞれ図２に矢印で示す方向に循環される。
すなわち、循環ポンプ１２は、熱媒水をヒートポンプ３の一次凝縮・蒸発器９から地中熱交換器２に送るとともに、地中熱交換器２での熱交換により地中に放熱して温度の下がった熱媒水を一次凝縮・蒸発器９に戻す。
ヒートポンプ３において、一次凝縮・蒸発器９は、圧縮機７で圧縮された冷媒と水配管５中の熱媒水との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮させる。凝縮されて冷却された冷媒は膨張弁８で膨張された後、二次凝縮・蒸発器１０へ送られる。二次凝縮・蒸発器１０は、膨張弁８から送られた冷媒と水配管６中の熱媒水との間で熱交換を行い、内気を冷却し冷媒を蒸発させる。蒸発して昇温された冷媒は圧縮機７で再度圧縮されて一次凝縮・蒸発器９へ送られ、水配管５中の熱媒水との間で熱交換が行われる。
循環ポンプ１２は、二次凝縮・蒸発器１０で冷却された水配管６中の熱媒水を空調室内機４へ送るとともに、空調空間Ａの内気から熱を吸収して昇温された熱媒水を二次凝縮・蒸発器１０に戻す。
以上のようなサイクルを繰り返すことで、冷媒および熱媒水を介して空調空間Ａの熱を地中に排熱し、空調空間Ａの冷房が実施される。
【００１８】
一方、冬期における暖房運転時には、上述した冷媒配管１１中の冷媒が図２の矢印と逆方向に循環される。なお、水配管５，６中の熱媒水の循環方向は、図２に矢印で示す通りである。
すなわち、ヒートポンプ３において、一次凝縮・蒸発器９は、膨張弁８で膨張された冷媒と水配管５中の熱媒水との間で熱交換を行い、冷媒を蒸発させる。蒸発されて昇温された冷媒は圧縮機７で圧縮された後、二次凝縮・蒸発器１０へ送られる。二次凝縮・蒸発器１０は、圧縮機７から送られた冷媒と水配管６中の熱媒水との間で熱交換を行い、内気を加熱し冷媒を凝縮させる。凝縮されて冷却された冷媒は膨張弁８で再度膨張されて一次凝縮・蒸発器９へ送られ、水配管５中の熱媒水との間で熱交換が行われる。
以上のようなサイクルを繰り返すことで、冷媒および熱媒水を介して地中から採熱した熱を空調空間Ａに供給し、空調空間Ａの暖房が実施される。
【００１９】
また、空気調整装置１は、図１に示すように、複数の地中熱交換器２が互いに並列に接続され、これら複数の地中熱交換器２を接続した一系統の水配管５に配管ヘッダー５Ａを介して複数（２台）のヒートポンプ３が接続されている。これら複数のヒートポンプ３は、同時にまたはヒートポンプ３ごとに、運転および停止が切替制御可能に構成されている。また、複数（２台）のヒートポンプ３から延びる水配管６は、配管ヘッダー６Ａを介してまとめられて空調室内機４に接続されている。なお、以上のヒートポンプ３には、複数の空調室内機４が接続されていてもよく、これら複数の空調室内機４を同時に、または複数の空調室内機４ごとに、運転および停止が切替制御可能に構成されていてもよい。
【００２０】
さらに、空気調整装置１には、補助熱源としての冷却塔２１、および他の熱源機器としての冷凍機（チラー）２３およびボイラ３０とを有して構成されている。
冷却塔２１は、空気を熱源として気化熱を利用して循環水（熱媒水）を冷却するものであって、循環水を循環させる水配管２２によって配管ヘッダー５Ａに接続され、この配管ヘッダー５Ａを介してヒートポンプ３に接続されている。すなわち、夏期においてヒートポンプ３が高負荷運転され、後述するように地中熱交換器２による地盤Ｇの採放熱が限界値に達した場合に、地中熱交換器２側への熱媒水の循環が停止または抑制され、冷却塔２１側へ熱媒水が循環され、これによりヒートポンプ３の冷房運転が継続されるようになっている。
【００２１】
冷凍機２３は、前記水配管６と同様に熱媒水を循環させる水配管２４で配管ヘッダー６Ａに接続され、ヒートポンプ３と同様に圧縮機２５と、膨張弁２６と、蒸発器２７と、冷媒配管２８とを有し、蒸発器２７における熱交換により水配管２４中の熱媒水を冷却するものである。水配管２４には、循環ポンプ２９が設けられており、この循環ポンプ２９により水配管２４中の熱媒水が配管ヘッダー６Ａを介して空調室内機４と冷凍機２３の蒸発器２７との間を循環されるようになっている。このような冷凍機２３は、夏期においてヒートポンプ３が高負荷運転されて地中熱交換器２による地盤Ｇへの放熱が限界値に達し、ヒートポンプ３の運転が停止または抑制された場合に運転され、この冷凍機２３の運転により空調室内機４の冷房運転が継続されるようになっている。
【００２２】
ボイラ３０は、前記水配管６，２４と同様に熱媒水を循環させる水配管３１で配管ヘッダー６Ａに接続され、軽油等の化石燃料を燃焼させて熱を発生し、この熱により熱媒水を昇温するものである。そして、水配管３１には、循環ポンプ３２が設けられており、この循環ポンプ３２により水配管３１中の熱媒水が配管ヘッダー６Ａを介して空調室内機４とボイラ３０との間を循環されるようになっている。このようなボイラ３０は、冬期においてヒートポンプ３が高負荷運転されて地中熱交換器２による地盤Ｇからの採熱が限界値に達し、ヒートポンプ３の運転が停止または抑制された場合に運転され、このボイラ３０の運転により空調室内機４の暖房運転が継続されるようになっている。
【００２３】
以上のような空気調整装置１におけるヒートポンプ装置１Ａには、図２に示すように、ヒートポンプ３から地中熱交換器２へ向かう水配管５の出口位置に設けられて熱媒水の出口温度を測定する測定手段としての温度センサ１４と、この温度センサ１４で測定した熱媒水の出口温度に基づいて地盤Ｇの熱的状況を判断する制御装置１５とが設けられている。制御装置１５は、例えば、コンピュータから構成され、予め入力されたデータや組み込まれたプログラムによって、熱媒水の出口温度から地盤Ｇの熱的状況である地中温度（地中熱交換器２の表面温度）を算出するようになっている。そして、制御装置１５は、算出した地中温度に基づいて地中熱交換器２による採放熱の限界値を設定する限界値設定手段として機能するとともに、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ３の運転を制御する運転制御手段としても機能するようになっている。
【００２４】
すなわち、空気調整装置１において、図３のグラフに曲線Ｌ１で示されるような年間の負荷変動が生じる場合に、図４のグラフに細実線で示される曲線Ｌ２が想定される年間の熱媒水の出口温度の変動曲線（基準変動曲線）を示している。そして、図４のグラフに細一点鎖線で示される曲線Ｌ３は、熱媒水の出口温度から算出される年間の地中熱交換器２の表面温度の変動曲線である。ここで、曲線Ｌ２’（図中、太実線）は、冬期の暖房負荷が過大になって地中熱交換器２による地盤Ｇからの採熱が過剰になった場合の熱媒水の出口温度の変動曲線を示し、曲線Ｌ３’（図中、太一点鎖線）は、その際の地中熱交換器２の表面温度の変動曲線を示している。つまり、地盤Ｇからの採熱が過剰になると、地中温度が前年の地中温度よりも下がってしまい、地盤Ｇの採熱能力が低下していってしまうことを示している。これに対して、曲線Ｌ２，Ｌ３では、一年後の地中温度が前年と略同一であり、地盤Ｇの採放熱能力が維持されている。従って、このような年間の熱媒水の出口温度の変動曲線（基準変動曲線）Ｌ２に基づいて、制御装置１５が採放熱の限界値を設定するようになっている。
【００２５】
採放熱の限界値（限界出口温度）は、図５のグラフに一点鎖線で示される曲線Ｌ４のように設定され、熱媒水の出口温度の変動曲線Ｌ２に対して、暖房負荷の期間については、曲線Ｌ２よりも所定温度だけ低い温度となるように設定され、冷房負荷の期間については、曲線Ｌ２よりも所定温度だけ高い温度となるように設定されている（限界値設定工程）。この際、曲線Ｌ２との差である所定温度は、周辺地盤からの熱伝達等により地盤Ｇが熱的に自然回復することを考慮した解析や実験に基づいて設定されている。そして、設定された限界出口温度に応じてヒートポンプ装置１Ａは、図５の丸囲み部の曲線Ｌ５のように温度センサ１４で測定した（測定工程）熱媒水の出口温度が限界出口温度（曲線Ｌ４）に達したときには、制御装置１５によりヒートポンプ３の運転が停止または抑制される。このようにヒートポンプ３の運転を停止または抑制することで、熱媒水の出口温度が曲線Ｌ２に達するまで回復すれば、制御装置１５によりヒートポンプ３の運転が再開される（運転制御工程）。このようなヒートポンプ３の運転制御を実施することで、地中温度が低下しすぎないあるいは上昇しすぎないようにできる。
【００２６】
一方、地盤Ｇの熱的状況は、空気調整装置１の運転開始から数年（例えば、５年程度）の間は比較的安定せず、図６のグラフに示される曲線Ｌ６（１年目の熱媒水の出口温度の変動曲線、細実線）および曲線Ｌ７（１年目の地中熱交換器２の表面温度の変動曲線、細一点鎖線）のように、前年の地中温度よりも低くなってしまう（あるいは高くなってしまう）ことがある。そして、運転開始から数年以降になると、図６のグラフに示される曲線Ｌ６’（５年目の熱媒水の出口温度の変動曲線、太実線）や曲線Ｌ７’（５年目の地中熱交換器２の表面温度の変動曲線、太一点鎖線）のように、前年との地中温度の差が小さくなり安定する。このため、本実施形態のヒートポンプ装置１Ａでは、運転開始から数年間においては、前年の熱媒水の出口温度の測定結果に基づいて、制御装置１５が基準変動曲線（Ｌ６，Ｌ６’）を毎年再設定し、この基準変動曲線に基づいて、制御装置１５が採放熱の限界値を設定するようになっている。
【００２７】
このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）すなわち、温度センサ１４で測定したヒートポンプ３から地中熱交換器２への熱媒水の出口温度に基づいて採放熱の限界値（曲線Ｌ４）を設定し、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ３の運転を制御することで、空気調整装置１の運転中において地中温度が高く（または低く）なり過ぎて採放熱効率が著しく低下したり、長期的に地中温度が徐々に上昇（または低下）して採放熱不能になったりすることが防止でき、地盤３の熱的状況に適応して長期間に渡って安定した運転が実現できる。
【００２８】
（２）さらに、地盤Ｇの熱的な自然回復要素を考慮して採放熱の限界値を設定するようにしたので、採放熱の限界値を低く設定しすぎることがなく、合理的なヒートポンプ装置１Ａの設計が可能となって空気調整装置１の設置コストを低減させることができる。
【００２９】
（３）また、運転期間中における過去の地盤Ｇの熱的状況を考慮して基準変動曲線（Ｌ６，Ｌ６’）および採放熱の限界値を再設定することで、地盤状況の変化に応じたより合理的な限界値の設定が可能になり、ヒートポンプ装置１Ａの運転効率を向上させる、あるいは地盤Ｇへの負担を軽減させることができる。
【００３０】
（４）さらに、ヒートポンプ３から地中熱交換器２への熱媒水の出口温度を測定する温度センサ１４を設けたことで、測定した出口温度から地中温度を推定できるので、地盤中や地中熱交換器２等に温度センサを設置する場合と比較して温度センサ１４の設置個所数を低減することができ、初期コストおよびメンテナンスに要するコストが抑制できる。
【００３１】
（５）また、ヒートポンプ３に冷却塔（補助熱源）２１が接続され、地中熱交換器２の採放熱が限界値に達した場合に冷却塔２１が利用されるので、空調負荷が大きくなって地中熱交換器２からの採放熱を停止または抑制したとしても、冷却塔２１からの熱を利用してヒートポンプ３の運転を継続させることができる。従って、地盤Ｇへ過大な負担をかけることなく、空調室内機４の冷房運転を継続させることができる。
【００３２】
（６）さらに、空調室内機４に他の熱源機器である冷凍機２３やボイラ３０が接続され、地中熱交換器２の採放熱が限界値に達した場合に冷凍機２３やボイラ３０を用いて空調室内機４へ熱が供給されるまたは空調室内機４から熱が吸収されるので、空調負荷が大きくなって地中熱交換器２からの採放熱を停止または抑制したとしても、冷凍機２３やボイラ３０により空調室内機４の運転を継続させることができる。
【００３３】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態においては、空気調整装置１について説明したが、本発明の地中熱利用装置としては、冷暖房可能な空気調整装置に限らず、冷房のみ可能な冷房装置や暖房のみ可能な暖房装置でもよく、また冷蔵庫（冷凍庫）や温蔵機、給湯器、冷水器などであってもよい。
【００３４】
また、前記実施形態では、測定手段としてヒートポンプ３から地中熱交換器２への熱媒水の出口温度を測定する温度センサ１４を用いたが、温度センサ１４で入口温度を測定してもよく、また測定手段は、このような温度センサ１４に限らず、地盤Ｇの地中温度を直接測定するセンサでもよく、地中熱交換器２の表面温度を測定するセンサでもよく、さらには地盤Ｇの熱伝導率を測定する測定装置でもよく、各種の地盤の熱特性を測定可能な装置が適用可能である。
【００３５】
その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る地中熱利用装置を示す概略構成図である。
【図２】前記地中熱利用装置の要部であるヒートポンプ装置を示す概略構成図である。
【図３】前記地中熱利用装置における年間の負荷変動を示すグラフである。
【図４】前記ヒートポンプ装置における熱源側熱媒水の出口温度および地中熱交換器の表面温度の変動を示すグラフである。
【図５】前記ヒートポンプ装置における運転制御方法を示すグラフである。
【図６】前記ヒートポンプ装置における運転開始後１年目および５年目の前記出口温度および前記表面温度の変動を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１Ａ…ヒートポンプ装置、２…地中熱交換器、３…ヒートポンプ（ヒートポンプ本体）、５…水配管、１４…温度センサ（測定手段）、１５…制御装置（限界値設定手段および運転制御手段））、２１…冷却塔（補助熱源）、２３…冷凍機（他の熱源機器）、３０…ボイラ（他の熱源機器）、Ｇ…地盤。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設された地中熱交換器と、この地中熱交換器に接続されたヒートポンプ本体と、前記地中熱交換器と前記ヒートポンプとを接続して熱媒水を循環させる配管とを備え、前記地中熱交換器を介して地中から採熱または地中へ放熱する地中熱利用ヒートポンプ装置であって、
地盤の熱的状況を測定する測定手段と、測定した地盤の熱的状況に基づいて採放熱の限界値を設定する限界値設定手段と、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ本体の運転を制御する運転制御手段と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。
【請求項２】
請求項１に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置において、
前記限界値設定手段は、前記測定手段にて測定した前年分または前数年分の地盤の熱的状況に基づいて前記限界値を再設定するように構成されていることを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置において、
前記測定手段は、前記配管における前記ヒートポンプ本体からの出口または前記ヒートポンプ本体への入口位置の前記熱媒水の温度を測定する温度センサを有していることを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の地中熱利用ヒートポンプ装置において、
前記ヒートポンプ本体には、前記地中熱交換器と相違する補助熱源が接続されており、
前記地中熱交換器における採放熱が前記設定された限界値に達した場合には、前記補助熱源を利用するように前記ヒートポンプ本体が運転制御手段で制御されることを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の地中熱利用ヒートポンプ装置と、この地中熱利用ヒートポンプ装置のヒートポンプ本体に接続された負荷機とを備えた地中熱利用装置であって、
前記負荷機には、前記ヒートポンプ本体と相違する他の熱源機器が接続され、前記地中熱交換器における採放熱が前記設定された限界値に達した場合には、前記他の熱源機器を用いて前記負荷機に熱が供給されまたは前記負荷機から熱が吸収されることを特徴とする地中熱利用装置。
【請求項６】
地中に埋設された地中熱交換器と、この地中熱交換器に接続されたヒートポンプ本体と、前記地中熱交換器と前記ヒートポンプとを接続して熱媒水を循環させる配管とを備え、前記地中熱交換器を介して地中から採熱または地中へ放熱する地中熱利用ヒートポンプ装置の制御方法であって、
地盤の熱的状況を測定する測定工程と、測定した地盤の熱的状況に基づいて採放熱の限界値を設定する限界値設定工程と、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ本体の運転を制御する運転制御工程と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の制御方法。
【請求項１】
地中に埋設された地中熱交換器と、この地中熱交換器に接続されたヒートポンプ本体と、前記地中熱交換器と前記ヒートポンプとを接続して熱媒水を循環させる配管とを備え、前記地中熱交換器を介して地中から採熱または地中へ放熱する地中熱利用ヒートポンプ装置であって、
地盤の熱的状況を測定する測定手段と、測定した地盤の熱的状況に基づいて採放熱の限界値を設定する限界値設定手段と、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ本体の運転を制御する運転制御手段と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。
【請求項２】
請求項１に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置において、
前記限界値設定手段は、前記測定手段にて測定した前年分または前数年分の地盤の熱的状況に基づいて前記限界値を再設定するように構成されていることを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の地中熱利用ヒートポンプ装置において、
前記測定手段は、前記配管における前記ヒートポンプ本体からの出口または前記ヒートポンプ本体への入口位置の前記熱媒水の温度を測定する温度センサを有していることを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の地中熱利用ヒートポンプ装置において、
前記ヒートポンプ本体には、前記地中熱交換器と相違する補助熱源が接続されており、
前記地中熱交換器における採放熱が前記設定された限界値に達した場合には、前記補助熱源を利用するように前記ヒートポンプ本体が運転制御手段で制御されることを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の地中熱利用ヒートポンプ装置と、この地中熱利用ヒートポンプ装置のヒートポンプ本体に接続された負荷機とを備えた地中熱利用装置であって、
前記負荷機には、前記ヒートポンプ本体と相違する他の熱源機器が接続され、前記地中熱交換器における採放熱が前記設定された限界値に達した場合には、前記他の熱源機器を用いて前記負荷機に熱が供給されまたは前記負荷機から熱が吸収されることを特徴とする地中熱利用装置。
【請求項６】
地中に埋設された地中熱交換器と、この地中熱交換器に接続されたヒートポンプ本体と、前記地中熱交換器と前記ヒートポンプとを接続して熱媒水を循環させる配管とを備え、前記地中熱交換器を介して地中から採熱または地中へ放熱する地中熱利用ヒートポンプ装置の制御方法であって、
地盤の熱的状況を測定する測定工程と、測定した地盤の熱的状況に基づいて採放熱の限界値を設定する限界値設定工程と、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ本体の運転を制御する運転制御工程と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の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２９２３１０（Ｐ２００６−２９２３１０Ａ）
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１１５８６８（Ｐ２００５−１１５８６８）
【出願日】平成１７年４月１３日（２００５．４．１３）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月１３日（２００５．４．１３）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
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