空気調和設備と地中熱管
【課題】地中熱を利用し、かつ除湿と冷却を別けた空調方式を採用した中・大規模ビルの空気調和設備の大幅な省エネルギー化を実現する。
【解決手段】冷却は、地中熱管３を用いて地中温度に可成り近い２０℃程度の低温の冷水を取り出して循環し、冷凍機を使用しないで、空調運転時間帯に空調室の天井に設置した照明器具を機能的に組み込んだ天井空調ユニット１８にこの冷水を送り、２２℃程度の、室内空気温度と極めて小温度差で、大量の空気を低圧損で循環して、部屋の隅々まで快適な気流を与える。除湿は、夜間電力供給時間帯に地中熱水を冷却水として冷凍機１０を運転して氷蓄熱を行い、翌日の空調時間帯には取り入れ外気を除湿に必要な露点温度まで冷却除湿してほぼ室温まで再熱して室内へ給気する。
【解決手段】冷却は、地中熱管３を用いて地中温度に可成り近い２０℃程度の低温の冷水を取り出して循環し、冷凍機を使用しないで、空調運転時間帯に空調室の天井に設置した照明器具を機能的に組み込んだ天井空調ユニット１８にこの冷水を送り、２２℃程度の、室内空気温度と極めて小温度差で、大量の空気を低圧損で循環して、部屋の隅々まで快適な気流を与える。除湿は、夜間電力供給時間帯に地中熱水を冷却水として冷凍機１０を運転して氷蓄熱を行い、翌日の空調時間帯には取り入れ外気を除湿に必要な露点温度まで冷却除湿してほぼ室温まで再熱して室内へ給気する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は除湿と冷却とを別けて夫れ夫れに専用の熱交換器と夫れ夫れに最適な温度レベルの冷・温水熱源を使用する空気調和設備の冷温熱源となる、夏季は冷凍機の凝縮器の放熱手段、冬季はヒートポンプの蒸発器の集熱手段として地中熱管との間に水を循環させて省エネルギー化性能を格段に向上し、かつ極めて快適性の高い、高品質の空調設備を提供するための技術に関わる。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止の必要性は大きく叫ばれ、大きなエネルギー消費を伴うビル空調の省エネルギー化については、真剣にその省エネルギー性能の改善が進められており、温度が極めて安定し、且つ、夏は外気温度より低く、冬は外気温度より高い温度レベルで使用できる地中熱利用の空調設備が脚光を浴びつつある。
【０００３】
上に述べた地中熱利用の空気調和設備は、これまで全て夏季は冷凍機の冷却水として、また冬季は全てヒートポンプの熱源として地中熱循環水を利用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０２２８４２号
【特許文献２】特開２００５−２１４６０８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明では空調を行う室内空気の温度２５℃と地中温度概ね１６℃〜１８℃の間の温度レベルで室内の空調ユニットの熱交換器と地中熱の熱交換器との間を循環させる冷水の水温を利用して、直接に室内空気の顕熱冷却を行い、そこに冷凍機を介在させない事に拠り、空調の電力を大幅に節減しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
今日の人類にとって最も重要な課題は省エネルギー化を図り地球温暖化を防止する事である。本発明では除湿と冷却とを別けて夫れ夫れに専用の熱交換器を使用して、夫れ夫れに最適温度レベルの冷水を通して空調を行うことによる８５％の省エネルギー化性能を、さらに地中熱管を利用して地中放熱、地中集熱を行う事によりその省エネルギー化率を９５％以上まで向上し、且つ快適性の高い、高品質の空調設備を提供しようとするものである。
【０００７】
そこで本発明では、中・大規模ビルのインテリアー部分について、年間を通じて冷房を必要とする中・大規模のビルの空気調和設備として、近年、在室者率の減少と窓など開口部のサッシュの高気密化によって、除湿負荷が極端に減少し、室内空気調和負荷の９０％以上を占めるに至った顕熱負荷に関して、在来の様に冷凍機による冷水を使用せず、自然エネルギーとして使用できる地中熱管への循環によって得られる２０℃前後の常温に近い冷水を使用し、循環ポンプと空調ユニットの僅かな電力のみで全ての顕熱冷却を行える様にした。
【０００８】
空調の顕熱冷却に使用する冷水の温度が２０℃と言う事は、間違っても２２℃程度以下の空気が吹き出される可能性は極めて少なく、室温２５℃と僅か２℃〜３℃しか温度差の無い気流は扇風機の快適な気流と変わらず、極めて快適性の高い空調となる。
【０００９】
然も、３℃程度の小温度差の空調は、在来、常識とされる１２℃差の空調と比較すると４倍の風量を要する事は簡単に予測される。通常の換気回数を毎時１２回とすると、４８回の換気回数となり、クリーンルームと同様の風量となって、気流とファン関連の騒音とに充分の注意を払えば部屋の隅々まで快適でバラツキのない、温度と理想的な気流を実現できる。
【００１０】
さらに、大きな風量を処理するために必要とされる空調ユニット内の圧力損失の低減化に努力をすれば、送風電力の消費の増加も抑える事が可能である。処が風量については、一般的に天井に取り付けられている照明器具を、天井空調ユニットの空気吸込側に一体化収納する事によって、照明の冷却のために必要な風量はゼロとなるので、風量は４倍に増すことはなく、有効床面積当たり３０Ｗの照明を処理するために１２℃差で給気を行えば、必要給気量は
３０Ｗ×０．８６ｋｃａｌ／Ｗｈ÷０．２４ｋｃａｌ／ｋｇ・℃÷１２℃÷０．８６ｍ３／ｋｇ＝１０．４ｍ３／ｈとなり、天井高を２．６ｍとすると、丁度毎時４回の換気回数に付き、１０回の換気回数の内４０％を占めている事になるので、温度差が３℃と小さくなっても風量は２．４倍に増す程度で済み、換気回数は毎時２９回となり、空調環境はかなり現状より改善されると考えてよい。
【００１１】
空調室内の空気温度を、快適とされる２５℃に保つためには、必要な２０℃〜２１℃程度の冷水温度を自然エネルギーである地中熱管への循環水によって得るために、別別に設けた地中放熱管の複数を直列に接続して使用することも、地中放熱管への循環水のみによる冷却を実用化するためには主要な事項となる。
【００１２】
近年、地中熱を使用した建築物、温室などの空調、加温設備などについて多くの企業などが研究開発を進めているが、何れも冷凍機を使用するかヒートポンプを使用するための放熱源、集熱源として使用するものばかりであり、地中熱管への循環水を直接に空調の冷熱源として使用する試みはなかった様に思われる。
【００１３】
そこで、本発明による空調設備では冷凍機を使わず、直接、地中放熱の循環による冷水を使用するため、その冷水の温度レベルを空調設備が必要とする室内空気の冷却に適した温度まで低下させる事が出来るか否かが重要なポイントとなる。
【００１４】
その点を配慮して［００１１］項に述べた通り別々に設けた地中放熱管の複数を直列に接続して使用し、地中温度に可成り近い温度まで循環冷水の温度を下げる必要が考えられるが、さらに、他の方法として、地中に掘削された一本の縦穴などの中に、複数且つ偶数の４本、６本、８本などの伝熱管を端部でＵ字型に接続して、前記、複数且つ偶数の伝熱管をすべて直列に接続して、使用上は１本の伝熱管として、地中で２往復以上の循環をする事によって、一本の地中熱管から可成り地中温度に近い、空調設備の顕熱冷却には不足の無い低温までの冷却を可能とする地中熱管設備は極めて有効である。
【００１５】
室内に必要な照明を単独で天井などに取り付ける方法をやめて、天井空調ユニットの下面、内部にとりつけ、照明の発熱を室内に出さずに、空調ユニットの室内からの吸い込み空気によって冷却する方式を採る事によって、室内温度より高い温度で照明発熱を冷却することによって、地中放熱管への循環水による冷却を効果的に行い、且つ、循環空気の量を減じてファン電力を少なく保ちさらに省エネルギー化の効果を高めることが出来る。
【００１３】
何れにしても、室温との温度差を３℃の小さい温度差で給気を行って空調を行うには、［００１０］項に述べた通り、時間当たり２９回、凡そ３０回の換気回数が必要となるので、天井に多数の天井空調ユニットを配置し、その天井空調ユニットの中の空気の通路を広く、圧力損失の少ない形状とし、通過面積が広く、圧力損失の少ない空気濾過器と熱交換器を使用し、効率の高い、騒音の充分に低いファンを使用して、快適な空間を創ることが必要である。
【００１４】
さらに、多数の天井空調ユニットを使用するには、製造コストが安く、取り付け作業も極めて容易であることが肝要と考えられる。
【００１５】
ＬＥＤの使用は照明電力の削減には大きく寄与するが、天井空調ユニットの吸込側に照明器具を組み込む方法では、蛍光灯でも風量が特に増す事は無いので、空調の立場から見れば大きな問題にはならない。
【００１６】
以上、室内空気の顕熱冷却を自然エネルギーの地中放熱管への循環水によって行う方法について述べたが、除湿に関しては、室内空気の露点温度以下の低温まで空気を冷却する必要性から、冷凍機の使用は必須となる。これに関しても地中放熱管への循環水を有効に利用し、空冷式より低温の凝縮温度と−２℃〜−３℃程度の氷点から僅かに低い蒸発温度で夜間電力を使用して氷蓄熱を行い、翌日の空調時間帯において必要となる外気の冷却除湿のための冷熱源として利用する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は冷却と除湿とを分離して空調を行う先行技術文献に記載の空気調和設備の改良型で、空調負荷の大部分を占める室内空気の顕熱冷却の冷熱源について、在来は冷凍機によって行っていた処を、自然エネルギーである地中熱管への常温に近い循環冷水により、僅かな循環ポンプの電力を使用するのみで冷却できるため、冷凍機の電力がゼロとなり、空調設備の消費電力を大きく節減できる。
【００１８】
さらに、除湿に関しても、夜間電力で氷蓄熱を行って、翌日の取り入れ外気の冷却除湿に使用する先行技術文献に記載の除湿方法についても、冷凍機の凝縮器に地中熱管との２０℃前後の低温の循環冷却水の利用により、冷凍機の入力を大幅に節減できる。
【００１９】
この発明によって、在来の中・大規模のビル空調による消費電力が延べ床面積１００ｍ２当たり年間で通常５０００ｋＷｈ〜７０００ｋＷｈになるのに対して、本発明によるビル空調設備では、年間の消費電力が２０ｋＷＨｈで、僅かに３％〜４％程度で済み、９６％〜９７％の省エネルギー化が可能となり、地球温暖化ガス排出削減の大きな決め手となり、同時にユーザーに取っては、安い夜間電力を主として使用するので９８％ほどの省マネーとなる。
【００２０】
なかんずく、夜間電力による部分が、消費電力の大部分を占めるため、まず、火力発電による電力エネルギーの消費はゼロに近く、地球温暖化ガス排出量の削減に大きく寄与できるのみならず、冷却のために冷却水などを消耗する事も無く、水不足や汚染の原因にもならず、環境上でも申し分のない空調システムと言える。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
図１は本発明による地中熱管を冷熱源または温熱源として空調を行うが、室内の顕熱の冷却が必要な時季には顕熱冷却には冷凍機を運転せずに、地中熱管を放熱管として使用し、天井設置の照明組込型空調ユニットに地中熱管との間に冷凍機を介在させないで、空調ユニットで昇温した冷水を各階の天井配管の漏水事故防止のために設けた立ち上がり主管と各階天井配管とを圧力的に無縁とするための熱交換器のみを介して、地中熱管と当該熱交換器との間を循環する地中熱循環冷却水に放熱し、冷凍機は使用せずに室内の顕熱の冷却を地中熱管のみにて行う、９６％と省エネルギー化率の極めて高い、新しい空気調和設備の説明用のフロー図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１に沿って説明すると先ず、地面に垂直に直径２００ｍｍの縦穴を深度１００ｍまで掘削して保護管を入れ、外径６０ｍｍ、内径５１ｍｍ、の全長５ｍの耐衝撃性硬質塩ビ管２本を一端でエルボで接続し、Ｕ字型としたもの３組を底部で重ね合わせ、中央に外径７６ｍｍ、内径６５ｍｍの同じく全長５ｍの硬質塩ビ管を軸として、周囲に等間隔に６本の外径６０ｍｍの塩ビ管が並んだバランスのとれた形状とする。
【００２３】
これを縦穴に４ｍ程度、挿入した時点でソケットで７本とも次の管を接着接続して５ｍ挿入し、この作業を１９回繰り返すと底部の管は深度１００ｍに達し、上方の６本の管端の内４本を２個のエルボを６０°の角度に繋いでＵ字型特殊継手で１本の間隔を置いて２個使用して４本の管を接続すると、片道１００ｍの縦のループ３本が出来上がり、残りの２本がそのループの上部出口、入口となる。
【００２４】
中央の外径７６ｍｍの管は引き抜き、６本の管の隙間に珪砂を充填し、外側の保護管を抜き、地面から１ｍ程まで珪砂１を充分に充填した後、セメント２を流して固定、全長６００ｍの伝熱管３を埋め込んだ地中熱管設備４は完成する。この管で８０Ｌｉｔ／ｍｉｎ程度の流量時の圧力損失は約１２ｍＡｑと実用的である。
【００２５】
この地中熱管設備４は、地方、地区、地下水の水流の在る無しに拠って、多少の前後は在ろうが、これまでの、地中熱管の熱データーから類推すると、循環水入口温度で２３℃程度の８０Ｌｉｔ／ｍｉｎの循環水を２０℃程度まで冷却できる冷却能力があるものと期待できる。従って、８０Ｌｉｔ／ｍｉｎ×６０×３℃÷８６０＝１６．７ｋＷの冷却能力となり、通常のビル空調で、延べ床面積１６７ｍ２、即ち５０坪の空調の冷熱源として利用できることになる。
【００２６】
なお、同様の構造の地中熱管で６本の冷却管を２本づつ底部で繋ぎ、３本のＵ字管として並列に埋設した地中熱管設備３基を造って、これら３台を直列に接続して使用する場合にも、ほぼ同様の結果が得られるものと思われるが、地中熱管の完成度としては前述の１基の地中熱管の中で３往復したものが優れている。
【００２７】
前記伝熱管３の出口管５に地中熱水循環ポンプ６を接続して吐出管７を機械室８に導き、上階への立ち上がり主管９と機械室８内のチラー１０の凝縮器１１に接続する。地中熱水循環ポンプ６の取り付け位置によっては、吸込側の負圧が大きくなり、キャビテーションが予測される場合には、ポンプの揚程を２分割して２台直列のポンプに置き替えれば好い。
【００２８】
主管８は上階の各階の配管シャフト１２内に設けられたプレート熱交換器１３に分岐接続され、前記プレート熱交換器１３からの戻り管は、戻り主管１４に接続されて機械室８にて、前記チラー１０の凝縮器１１からの戻り管１５と合流して地中熱管設備４の６００ｍの伝熱管３の入口管１６に接続する。
【００２９】
この一連の配管を満水にすれば、地中熱水循環ポンプ６を運転することによって、地中熱管設備４の６００ｍの伝熱管３と各階の配管シャフト１２内に設置されたプレート熱交換器１３とこれに並列に接続された２台のチラー１０の凝縮器１１との間を地中熱水が循環することとなる。
【００３０】
昼間、空調運転時間帯で各階の空調室１７内で顕熱冷却の必要がある場合は、照明組み込みの天井空調ユニット１８のファンを運転すると同時に、各階の２次循環水ポンプ１９を運転、天井空調ユニット１８の照明の上部に収めたフィンチューブ熱交換器で室内からの循環空気を冷却し、昇温した２次循環水は各階のプレート熱交換器１３を介して、地中熱水循環ポンプ６により循環される１次地中熱循環水に熱を伝え、間接的に地中熱管設備４の伝熱管３で地中２０に放熱する。
【００３１】
本発明の天井空調ユニット１８は単に空調ユニットに照明器具を組み込むのではなく、空調機の吸込口の内側以外の室内や吹出口などに照明を器具を取り付ける場合に比較すると、照明の熱量を処理するための風量を循環風量から減じる事が可能で、風量を減らし電力消費量の節減ができる。
【００３２】
各階の空調室１７内の空気温度を検知するルームサーモスタットまたは還気サーモスタットを天井空調ユニット１８に付けてファンの速度を調節し、室温を一定に保つことも可能である。この場合、ファン電力は節減を図ることができる。
ただし、冷水温度が２０℃で、室温と僅か５℃の温度差しかないので、温度制御を行わなくても室温は２℃まで振れることは無く、温度制御の必要性は薄い。
【００３３】
夜間に運転されるチラー１０の凝縮器１１からの排熱に関しては、各階の天井設置の天井空調ユニット１８とは異なり、２次循環水を使用せず、直接に１次地中熱循環水によって地中２０に放熱する。ただし、これら各階の空調室１７内の空気の顕熱冷却や、チラー１０の運転によって循環水の温度が地中温度より上がって、放熱によって温度がバランスする場合に限られるのは当然である。
【００３４】
此処で、前記［００２８］項の各階のプレート熱交換器１３と２次循環水ポンプ１９ならびにその周辺機器について説明をする。本発明による空気調和設備では、各階の空調室１７の天井懐２１に、多くの水配管が設置されることになるが、これまでの建築設備の常識からは、天井懐の水配管は漏水事故の原因となる可能性があるために嫌われる傾向にあり、熱搬送をポンプと水の配管に拠らずに、ファンと空気でダクトを使用して熱搬送を行おうとする向きが非常に多い。
【００３５】
然し乍ら、ファンと空気による熱搬送は、ポンプと水による熱搬送の２０倍〜３０倍にも上る電気エネルギーを消費する事は避けられず、社会的要求に反している。これをポンプと水による熱搬送に替えることは社会的に大きな意義が在り、漏水事故の可能性の無い状態でポンプと水による熱搬送の実現が望まれる。
【００３６】
本発明では、その点に配慮し、漏水事故の可能性の無い配管方式を採用した。すなわち、配管シャフト１２の中の立ち上がり主管９、立ち下がり主管２２の高層部分までの高い配管の圧力が、各階天井の配管に影響を与えない様に、プレート熱交換器１３によって先ず圧力的に縁を切った。以下に本発明による空調システムが漏水事故の可能性が先ず在り得ないと言う点について説明をする。
【００３７】
各階の空調室１７の天井懐２１内の天井配管２３はプレート熱交換器１３によって、１次地中熱循環水との間で必要な熱量の授受だけを行って、各階とも圧力的に独立した２次循環水回路２４を設置する。
【００３８】
２次循環水循環のための２次循環水ポンプ１９の運転によって循環を行うに際して、当該階の天井レベルより下のレベルで配管シャフト１２の中に置かれた、大気圧開放の水位調整タンク２５と２次循環水ポンプ１９の吐出側と吸込側の双方からそれぞれ吐出側連絡管バルブ２６、吸込側連絡管バルブ２７を介して、前記の水位調整タンク２５に接続されている。
【００３９】
各階の２次循環水回路２４に循環水を入れ、２次循環水ポンプ１９を運転するには、先ず水位調整タンク２５に必要の水量を入れ、吐出側連絡管バルブ２６を閉め、吸込側連絡管バルブ２７のみを開け、２次循環水ポンプ１９を水で満たし、運転を開始すると、２次循環水ポンプ１９は水位調整タンク２５から水を吸って、当該階の空調室１７の天井懐２１内の天井配管２３及び天井空調ユニット１８の熱交換器に水を揚げ、空気抜き弁から完全に空気が抜けると、２次循環水回路２４での循環水の循環が開始される。
【００４０】
２次循環水ポンプ１９の前後の圧力計の指示値が安定し、所定の圧力差が確認できた段階で、吐出側連絡管バルブ２６を閉めて、吸込側連絡管バルブ２７を開けると、圧力計の指示値は下がり、吐出側の圧力計は水位調整タンク２５の水位の静水頭と一致し、この時点からこの水位調節タンク２５の水位より上のレベルにある天井配管２３の内部は大気圧より下がって、弱真空状態となる。
【００４１】
所謂サイホン状態のまま２次循環水回路２４内は循環水が循環し、サイホン状態はポンプの運転停止に関係なく保たれる。従って天井懐２１内部での漏水事故の可能性は全くゼロとなり、万一、天井配管２３で継ぎ手にひび割れが生じたり、天井空調ユニット１８との接続ホースに傷がついた場合でも、サイホン状態のため、水が漏れ出す事は無く、そこから空気を吸って、吸った空気と同量の水が、重力によって水位調整タンク２５に戻るだけである。
【００４２】
水位調整タンク２５にはオーバーフロー管を設けて、水位が以上に上昇した場合には異常信号を発信する警報回路を設ければ、常時、監視体制が採れ、サービスも完璧に行うことができる。
【００４３】
天井配管２３が一挙にずたずたに破壊される程の強い地震などでは、天井配管２３の内部に在る水は天井から流出するが、天井配管２３内の水の保有量は標準的な２０Ａの配管サイズで、床面積１ｍ２当たり４００ｃｃに満たない少量であり、１階層の配管に限定されるので、被害を与える程の漏水ではなく、他の建物の破壊による損害に比較すれば全く問題にならない程度のものであろう。
【００４４】
夜間電力供給時間帯を中芯に運転されるチラー１０は氷蓄熱槽２８の中の製氷ユニット２９を蒸発器として、夜間電力で製氷を行い、冷熱を蓄熱する。この氷点に近い低温の冷水を使用して翌日の空調運転時間帯に取り入れ外気を除湿する。
大型ビルではチラーにターボ冷凍機を使用し、地中梁４４の間隔を蓄熱槽に使用するのも全く問題はない。
【００４５】
外気調和機３０は外気ガラリー３１から外気を取り入れ、空気濾過器３２、入口エコノマイザーコイル３３、主熱交換器３４、出口エコノマイザーコイル３５を経て、外気給気ファン３６により加圧し、配管シャフト１２内に立ち上げた給気ダクト３７から各階の空調室１７の天井懐２１に至り、天井空調ユニット１８の外気吸い込み穴から吸われ、加圧されて各階の空調室１７内に給気される。
【００４６】
取り入れ外気は外気調和機３０の主熱交換器３４で、蓄熱水ポンプ３８によってここを通過する低温冷水によって８℃まで除湿冷却される他、入口エコノマイザーコイル３３並びに出口エコノマイザーコイル３５で次の処理がなされる。即ち、入口エコノマイザーコイル３３と出口エコノマイザーコイル３５はエコノマイザーポンプ３９とエコノマイザー循環水配管４０によって接続され、夏季、入口エコノマイザーコイル３３で３５℃の外気により温度上昇したエコノマイザー循環水は出口エコノマイザーコイル３５に廻り、そこで主熱交換器３４で８℃の低温まで冷却除湿された取り入れ外気と接し、温度が１２℃〜１５℃程度まで低下、逆に８℃まで冷却除湿された外気は２２℃〜２５℃程度まで再熱される。
【００４７】
この様にして８℃まで冷却除湿され、２２℃〜２５℃まで再熱された取り入れ外気は外気ファン３６で加圧され最終的に各階の空調室１７に給気されるが、８℃の露点温度まで冷却除湿された空気は空調室１７内の２５℃：５０％の空気と比較すると単位体積１ｍ３当たりで水蒸気の含有率が４ｇ少ないため、法定による在室者１名当たり毎時２５ｍ３の換気をこの取り入れ外気によって行えば、１名の在室者に対して１００ｇ／ｈ・名の除湿能力を持つことになり、日本人成人男子が軽作業中に空気中に排出するとされる水蒸気量１００ｇ／ｈ・名と一致する。
【００４８】
従って、この除湿外気を１名の在室者１名当たり毎時２５ｍ３を供給すれば、室内空気に対する除湿はほぼ完璧と言える。然し乍ら、在室者数を正確に把握する事は容易ではない。そこで本発明では、室内ＣＯ２スタットを使用して、その信号によって室内への外気の給気量を調整する方法を採った。それは、人間の食物には炭素Ｃの成分と水素Ｈの成分の比率に食物によって大きな差が無いので、人間の排出する水蒸気量と炭酸ガス量の比率は略一定と考えられる。この事から、ＣＯ２スタットを利用すれば、温度の影響を受けて終始変化する相対湿度をヒューミティスタットを使用して外気を調整するより遥かに正確に、擾乱なしに相対湿度を一定に制御する事が可能である。
【００４９】
然も、給気される外気は除湿能力を持ったまま、外気調和機３０の出口エコノマイザーコイル３５で、外気の熱によって２２℃〜２５℃程度まで再熱されているので、外気の給気によって室温に与える影響は極めて少なくて済む。さらに、入口エコノマイザーコイル３３ではエコノマイザー効果で３５℃：６０％程度の高温多湿の取り入れ外気は自然に２３℃：９５％程度まで予冷却、除湿されるため外気負荷の３０％程度を軽減されている点も経済的に大きなメリットである。
【００５０】
ペリメーター部分で暖房が必要な時季には複数台の内、必要な台数のチラー１０の冷媒切り替え４方弁４１を切り替え、凝縮器１１を蒸発器として、氷蓄熱槽２８内部の製氷ユニット２９を凝縮器として、夜間電力でヒートポンプとして運転し、氷蓄熱槽２８を温水蓄熱槽として使用し、４５℃程度の温水を蓄え、翌日の暖房の必要な時間帯に温水循環回路４２（破線で示す）に蓄熱水ポンプ３８を運転して温水を循環させ、ペリメーター部分の床上に設置された床置型ファンコイルユニット４３に温水を循環供給して暖房を行う。
【００５１】
通常の空冷式ヒートポンプは暖房が必要となる早朝の外気の寒い場合、ヒートポンプの熱源とする外気の温度が低く、蒸発温度が−７℃程度以下となり、ヒートポンプの能力も充分に発揮できず、エネルギー消費効率も２．０以下に低下するが、本発明による、地中熱水を熱源とする場合は循環水の温度が１０℃以下には下がることは殆どなく、蒸発温度も７℃程度で保持されるのでエネルギー消費効率も３．５程度以上に高く、然も、夜間電力、即ち、原子力発電によるクリーンエネルギーが主体となるため、経済性、地球温暖化防止上も極めて有利である。
【００５２】
ペリメーターの暖房のみならず、外気の昇温も必要な系統にあっては、バルブの切り替えで室内へ温風の外気を給気する事もでき、更に、インテリアー部分では他所が暖房中でも、地中熱循環水による顕熱冷却は年間を通じ確保できる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は上に述べた通りの構成としたので、極めて経済性高く、夜間電力で翌日の外気除湿に必要な量の氷蓄熱を行う以外は殆ど冷凍機を運転しないので、省エネルギー化性能も９５％以上と極めて高く、その結果、地球温暖化防止も充分に講じられるので、ビル空調、工場空調など産業上の利用の可能性は、他の空調システムと比較すると格段に高いもので、将来に亙り他方式の追随を許さない。
【符号の説明】
【００５４】
１．珪砂
２．セメント
３．伝熱管
４．地中熱管設備
５．伝熱管３の出口管
６．地中熱水循環ポンプ
７．吐出管
８．機械室
９．立ち上がり主管
１０．チラー
１１．凝縮器
１２．配管シャフト
１３．プレート熱交換器
１４．戻り主管
１５．戻り管
１６．伝熱管３の入口管
１７．各階の空調室
１８．天井空調ユニット
１９．２次循環水ポンプ
２０．地中
２１．天井懐
２２．立ち下がり主管
２３．天井配管
２４．２次循環水回路
２５．水位調整タンク
２６．吐出側連絡管バルブ
２７．吸込側連絡管バルブ
２８．氷蓄熱槽
２９．製氷ユニット
３０．外気調和機
３１．外気ガラリー
３２．空気濾過器
３３．入口側エコノマイザーコイル
３４ 主熱交換器
３５．出口側エコノマイザーコイル
３６．外気ファン
３７．給気ダクト
３８．蓄熱水ポンプ
３９．エコノマイザーポンプ
４０．エコノマイザー循環水配管
４１．冷媒切り替え４方弁
４２．温水循環回路
４３．床置型ファンコイルユニット
４４．地中梁
【図１】
【技術分野】
【０００１】
この発明は除湿と冷却とを別けて夫れ夫れに専用の熱交換器と夫れ夫れに最適な温度レベルの冷・温水熱源を使用する空気調和設備の冷温熱源となる、夏季は冷凍機の凝縮器の放熱手段、冬季はヒートポンプの蒸発器の集熱手段として地中熱管との間に水を循環させて省エネルギー化性能を格段に向上し、かつ極めて快適性の高い、高品質の空調設備を提供するための技術に関わる。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止の必要性は大きく叫ばれ、大きなエネルギー消費を伴うビル空調の省エネルギー化については、真剣にその省エネルギー性能の改善が進められており、温度が極めて安定し、且つ、夏は外気温度より低く、冬は外気温度より高い温度レベルで使用できる地中熱利用の空調設備が脚光を浴びつつある。
【０００３】
上に述べた地中熱利用の空気調和設備は、これまで全て夏季は冷凍機の冷却水として、また冬季は全てヒートポンプの熱源として地中熱循環水を利用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０２２８４２号
【特許文献２】特開２００５−２１４６０８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明では空調を行う室内空気の温度２５℃と地中温度概ね１６℃〜１８℃の間の温度レベルで室内の空調ユニットの熱交換器と地中熱の熱交換器との間を循環させる冷水の水温を利用して、直接に室内空気の顕熱冷却を行い、そこに冷凍機を介在させない事に拠り、空調の電力を大幅に節減しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
今日の人類にとって最も重要な課題は省エネルギー化を図り地球温暖化を防止する事である。本発明では除湿と冷却とを別けて夫れ夫れに専用の熱交換器を使用して、夫れ夫れに最適温度レベルの冷水を通して空調を行うことによる８５％の省エネルギー化性能を、さらに地中熱管を利用して地中放熱、地中集熱を行う事によりその省エネルギー化率を９５％以上まで向上し、且つ快適性の高い、高品質の空調設備を提供しようとするものである。
【０００７】
そこで本発明では、中・大規模ビルのインテリアー部分について、年間を通じて冷房を必要とする中・大規模のビルの空気調和設備として、近年、在室者率の減少と窓など開口部のサッシュの高気密化によって、除湿負荷が極端に減少し、室内空気調和負荷の９０％以上を占めるに至った顕熱負荷に関して、在来の様に冷凍機による冷水を使用せず、自然エネルギーとして使用できる地中熱管への循環によって得られる２０℃前後の常温に近い冷水を使用し、循環ポンプと空調ユニットの僅かな電力のみで全ての顕熱冷却を行える様にした。
【０００８】
空調の顕熱冷却に使用する冷水の温度が２０℃と言う事は、間違っても２２℃程度以下の空気が吹き出される可能性は極めて少なく、室温２５℃と僅か２℃〜３℃しか温度差の無い気流は扇風機の快適な気流と変わらず、極めて快適性の高い空調となる。
【０００９】
然も、３℃程度の小温度差の空調は、在来、常識とされる１２℃差の空調と比較すると４倍の風量を要する事は簡単に予測される。通常の換気回数を毎時１２回とすると、４８回の換気回数となり、クリーンルームと同様の風量となって、気流とファン関連の騒音とに充分の注意を払えば部屋の隅々まで快適でバラツキのない、温度と理想的な気流を実現できる。
【００１０】
さらに、大きな風量を処理するために必要とされる空調ユニット内の圧力損失の低減化に努力をすれば、送風電力の消費の増加も抑える事が可能である。処が風量については、一般的に天井に取り付けられている照明器具を、天井空調ユニットの空気吸込側に一体化収納する事によって、照明の冷却のために必要な風量はゼロとなるので、風量は４倍に増すことはなく、有効床面積当たり３０Ｗの照明を処理するために１２℃差で給気を行えば、必要給気量は
３０Ｗ×０．８６ｋｃａｌ／Ｗｈ÷０．２４ｋｃａｌ／ｋｇ・℃÷１２℃÷０．８６ｍ３／ｋｇ＝１０．４ｍ３／ｈとなり、天井高を２．６ｍとすると、丁度毎時４回の換気回数に付き、１０回の換気回数の内４０％を占めている事になるので、温度差が３℃と小さくなっても風量は２．４倍に増す程度で済み、換気回数は毎時２９回となり、空調環境はかなり現状より改善されると考えてよい。
【００１１】
空調室内の空気温度を、快適とされる２５℃に保つためには、必要な２０℃〜２１℃程度の冷水温度を自然エネルギーである地中熱管への循環水によって得るために、別別に設けた地中放熱管の複数を直列に接続して使用することも、地中放熱管への循環水のみによる冷却を実用化するためには主要な事項となる。
【００１２】
近年、地中熱を使用した建築物、温室などの空調、加温設備などについて多くの企業などが研究開発を進めているが、何れも冷凍機を使用するかヒートポンプを使用するための放熱源、集熱源として使用するものばかりであり、地中熱管への循環水を直接に空調の冷熱源として使用する試みはなかった様に思われる。
【００１３】
そこで、本発明による空調設備では冷凍機を使わず、直接、地中放熱の循環による冷水を使用するため、その冷水の温度レベルを空調設備が必要とする室内空気の冷却に適した温度まで低下させる事が出来るか否かが重要なポイントとなる。
【００１４】
その点を配慮して［００１１］項に述べた通り別々に設けた地中放熱管の複数を直列に接続して使用し、地中温度に可成り近い温度まで循環冷水の温度を下げる必要が考えられるが、さらに、他の方法として、地中に掘削された一本の縦穴などの中に、複数且つ偶数の４本、６本、８本などの伝熱管を端部でＵ字型に接続して、前記、複数且つ偶数の伝熱管をすべて直列に接続して、使用上は１本の伝熱管として、地中で２往復以上の循環をする事によって、一本の地中熱管から可成り地中温度に近い、空調設備の顕熱冷却には不足の無い低温までの冷却を可能とする地中熱管設備は極めて有効である。
【００１５】
室内に必要な照明を単独で天井などに取り付ける方法をやめて、天井空調ユニットの下面、内部にとりつけ、照明の発熱を室内に出さずに、空調ユニットの室内からの吸い込み空気によって冷却する方式を採る事によって、室内温度より高い温度で照明発熱を冷却することによって、地中放熱管への循環水による冷却を効果的に行い、且つ、循環空気の量を減じてファン電力を少なく保ちさらに省エネルギー化の効果を高めることが出来る。
【００１３】
何れにしても、室温との温度差を３℃の小さい温度差で給気を行って空調を行うには、［００１０］項に述べた通り、時間当たり２９回、凡そ３０回の換気回数が必要となるので、天井に多数の天井空調ユニットを配置し、その天井空調ユニットの中の空気の通路を広く、圧力損失の少ない形状とし、通過面積が広く、圧力損失の少ない空気濾過器と熱交換器を使用し、効率の高い、騒音の充分に低いファンを使用して、快適な空間を創ることが必要である。
【００１４】
さらに、多数の天井空調ユニットを使用するには、製造コストが安く、取り付け作業も極めて容易であることが肝要と考えられる。
【００１５】
ＬＥＤの使用は照明電力の削減には大きく寄与するが、天井空調ユニットの吸込側に照明器具を組み込む方法では、蛍光灯でも風量が特に増す事は無いので、空調の立場から見れば大きな問題にはならない。
【００１６】
以上、室内空気の顕熱冷却を自然エネルギーの地中放熱管への循環水によって行う方法について述べたが、除湿に関しては、室内空気の露点温度以下の低温まで空気を冷却する必要性から、冷凍機の使用は必須となる。これに関しても地中放熱管への循環水を有効に利用し、空冷式より低温の凝縮温度と−２℃〜−３℃程度の氷点から僅かに低い蒸発温度で夜間電力を使用して氷蓄熱を行い、翌日の空調時間帯において必要となる外気の冷却除湿のための冷熱源として利用する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は冷却と除湿とを分離して空調を行う先行技術文献に記載の空気調和設備の改良型で、空調負荷の大部分を占める室内空気の顕熱冷却の冷熱源について、在来は冷凍機によって行っていた処を、自然エネルギーである地中熱管への常温に近い循環冷水により、僅かな循環ポンプの電力を使用するのみで冷却できるため、冷凍機の電力がゼロとなり、空調設備の消費電力を大きく節減できる。
【００１８】
さらに、除湿に関しても、夜間電力で氷蓄熱を行って、翌日の取り入れ外気の冷却除湿に使用する先行技術文献に記載の除湿方法についても、冷凍機の凝縮器に地中熱管との２０℃前後の低温の循環冷却水の利用により、冷凍機の入力を大幅に節減できる。
【００１９】
この発明によって、在来の中・大規模のビル空調による消費電力が延べ床面積１００ｍ２当たり年間で通常５０００ｋＷｈ〜７０００ｋＷｈになるのに対して、本発明によるビル空調設備では、年間の消費電力が２０ｋＷＨｈで、僅かに３％〜４％程度で済み、９６％〜９７％の省エネルギー化が可能となり、地球温暖化ガス排出削減の大きな決め手となり、同時にユーザーに取っては、安い夜間電力を主として使用するので９８％ほどの省マネーとなる。
【００２０】
なかんずく、夜間電力による部分が、消費電力の大部分を占めるため、まず、火力発電による電力エネルギーの消費はゼロに近く、地球温暖化ガス排出量の削減に大きく寄与できるのみならず、冷却のために冷却水などを消耗する事も無く、水不足や汚染の原因にもならず、環境上でも申し分のない空調システムと言える。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
図１は本発明による地中熱管を冷熱源または温熱源として空調を行うが、室内の顕熱の冷却が必要な時季には顕熱冷却には冷凍機を運転せずに、地中熱管を放熱管として使用し、天井設置の照明組込型空調ユニットに地中熱管との間に冷凍機を介在させないで、空調ユニットで昇温した冷水を各階の天井配管の漏水事故防止のために設けた立ち上がり主管と各階天井配管とを圧力的に無縁とするための熱交換器のみを介して、地中熱管と当該熱交換器との間を循環する地中熱循環冷却水に放熱し、冷凍機は使用せずに室内の顕熱の冷却を地中熱管のみにて行う、９６％と省エネルギー化率の極めて高い、新しい空気調和設備の説明用のフロー図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１に沿って説明すると先ず、地面に垂直に直径２００ｍｍの縦穴を深度１００ｍまで掘削して保護管を入れ、外径６０ｍｍ、内径５１ｍｍ、の全長５ｍの耐衝撃性硬質塩ビ管２本を一端でエルボで接続し、Ｕ字型としたもの３組を底部で重ね合わせ、中央に外径７６ｍｍ、内径６５ｍｍの同じく全長５ｍの硬質塩ビ管を軸として、周囲に等間隔に６本の外径６０ｍｍの塩ビ管が並んだバランスのとれた形状とする。
【００２３】
これを縦穴に４ｍ程度、挿入した時点でソケットで７本とも次の管を接着接続して５ｍ挿入し、この作業を１９回繰り返すと底部の管は深度１００ｍに達し、上方の６本の管端の内４本を２個のエルボを６０°の角度に繋いでＵ字型特殊継手で１本の間隔を置いて２個使用して４本の管を接続すると、片道１００ｍの縦のループ３本が出来上がり、残りの２本がそのループの上部出口、入口となる。
【００２４】
中央の外径７６ｍｍの管は引き抜き、６本の管の隙間に珪砂を充填し、外側の保護管を抜き、地面から１ｍ程まで珪砂１を充分に充填した後、セメント２を流して固定、全長６００ｍの伝熱管３を埋め込んだ地中熱管設備４は完成する。この管で８０Ｌｉｔ／ｍｉｎ程度の流量時の圧力損失は約１２ｍＡｑと実用的である。
【００２５】
この地中熱管設備４は、地方、地区、地下水の水流の在る無しに拠って、多少の前後は在ろうが、これまでの、地中熱管の熱データーから類推すると、循環水入口温度で２３℃程度の８０Ｌｉｔ／ｍｉｎの循環水を２０℃程度まで冷却できる冷却能力があるものと期待できる。従って、８０Ｌｉｔ／ｍｉｎ×６０×３℃÷８６０＝１６．７ｋＷの冷却能力となり、通常のビル空調で、延べ床面積１６７ｍ２、即ち５０坪の空調の冷熱源として利用できることになる。
【００２６】
なお、同様の構造の地中熱管で６本の冷却管を２本づつ底部で繋ぎ、３本のＵ字管として並列に埋設した地中熱管設備３基を造って、これら３台を直列に接続して使用する場合にも、ほぼ同様の結果が得られるものと思われるが、地中熱管の完成度としては前述の１基の地中熱管の中で３往復したものが優れている。
【００２７】
前記伝熱管３の出口管５に地中熱水循環ポンプ６を接続して吐出管７を機械室８に導き、上階への立ち上がり主管９と機械室８内のチラー１０の凝縮器１１に接続する。地中熱水循環ポンプ６の取り付け位置によっては、吸込側の負圧が大きくなり、キャビテーションが予測される場合には、ポンプの揚程を２分割して２台直列のポンプに置き替えれば好い。
【００２８】
主管８は上階の各階の配管シャフト１２内に設けられたプレート熱交換器１３に分岐接続され、前記プレート熱交換器１３からの戻り管は、戻り主管１４に接続されて機械室８にて、前記チラー１０の凝縮器１１からの戻り管１５と合流して地中熱管設備４の６００ｍの伝熱管３の入口管１６に接続する。
【００２９】
この一連の配管を満水にすれば、地中熱水循環ポンプ６を運転することによって、地中熱管設備４の６００ｍの伝熱管３と各階の配管シャフト１２内に設置されたプレート熱交換器１３とこれに並列に接続された２台のチラー１０の凝縮器１１との間を地中熱水が循環することとなる。
【００３０】
昼間、空調運転時間帯で各階の空調室１７内で顕熱冷却の必要がある場合は、照明組み込みの天井空調ユニット１８のファンを運転すると同時に、各階の２次循環水ポンプ１９を運転、天井空調ユニット１８の照明の上部に収めたフィンチューブ熱交換器で室内からの循環空気を冷却し、昇温した２次循環水は各階のプレート熱交換器１３を介して、地中熱水循環ポンプ６により循環される１次地中熱循環水に熱を伝え、間接的に地中熱管設備４の伝熱管３で地中２０に放熱する。
【００３１】
本発明の天井空調ユニット１８は単に空調ユニットに照明器具を組み込むのではなく、空調機の吸込口の内側以外の室内や吹出口などに照明を器具を取り付ける場合に比較すると、照明の熱量を処理するための風量を循環風量から減じる事が可能で、風量を減らし電力消費量の節減ができる。
【００３２】
各階の空調室１７内の空気温度を検知するルームサーモスタットまたは還気サーモスタットを天井空調ユニット１８に付けてファンの速度を調節し、室温を一定に保つことも可能である。この場合、ファン電力は節減を図ることができる。
ただし、冷水温度が２０℃で、室温と僅か５℃の温度差しかないので、温度制御を行わなくても室温は２℃まで振れることは無く、温度制御の必要性は薄い。
【００３３】
夜間に運転されるチラー１０の凝縮器１１からの排熱に関しては、各階の天井設置の天井空調ユニット１８とは異なり、２次循環水を使用せず、直接に１次地中熱循環水によって地中２０に放熱する。ただし、これら各階の空調室１７内の空気の顕熱冷却や、チラー１０の運転によって循環水の温度が地中温度より上がって、放熱によって温度がバランスする場合に限られるのは当然である。
【００３４】
此処で、前記［００２８］項の各階のプレート熱交換器１３と２次循環水ポンプ１９ならびにその周辺機器について説明をする。本発明による空気調和設備では、各階の空調室１７の天井懐２１に、多くの水配管が設置されることになるが、これまでの建築設備の常識からは、天井懐の水配管は漏水事故の原因となる可能性があるために嫌われる傾向にあり、熱搬送をポンプと水の配管に拠らずに、ファンと空気でダクトを使用して熱搬送を行おうとする向きが非常に多い。
【００３５】
然し乍ら、ファンと空気による熱搬送は、ポンプと水による熱搬送の２０倍〜３０倍にも上る電気エネルギーを消費する事は避けられず、社会的要求に反している。これをポンプと水による熱搬送に替えることは社会的に大きな意義が在り、漏水事故の可能性の無い状態でポンプと水による熱搬送の実現が望まれる。
【００３６】
本発明では、その点に配慮し、漏水事故の可能性の無い配管方式を採用した。すなわち、配管シャフト１２の中の立ち上がり主管９、立ち下がり主管２２の高層部分までの高い配管の圧力が、各階天井の配管に影響を与えない様に、プレート熱交換器１３によって先ず圧力的に縁を切った。以下に本発明による空調システムが漏水事故の可能性が先ず在り得ないと言う点について説明をする。
【００３７】
各階の空調室１７の天井懐２１内の天井配管２３はプレート熱交換器１３によって、１次地中熱循環水との間で必要な熱量の授受だけを行って、各階とも圧力的に独立した２次循環水回路２４を設置する。
【００３８】
２次循環水循環のための２次循環水ポンプ１９の運転によって循環を行うに際して、当該階の天井レベルより下のレベルで配管シャフト１２の中に置かれた、大気圧開放の水位調整タンク２５と２次循環水ポンプ１９の吐出側と吸込側の双方からそれぞれ吐出側連絡管バルブ２６、吸込側連絡管バルブ２７を介して、前記の水位調整タンク２５に接続されている。
【００３９】
各階の２次循環水回路２４に循環水を入れ、２次循環水ポンプ１９を運転するには、先ず水位調整タンク２５に必要の水量を入れ、吐出側連絡管バルブ２６を閉め、吸込側連絡管バルブ２７のみを開け、２次循環水ポンプ１９を水で満たし、運転を開始すると、２次循環水ポンプ１９は水位調整タンク２５から水を吸って、当該階の空調室１７の天井懐２１内の天井配管２３及び天井空調ユニット１８の熱交換器に水を揚げ、空気抜き弁から完全に空気が抜けると、２次循環水回路２４での循環水の循環が開始される。
【００４０】
２次循環水ポンプ１９の前後の圧力計の指示値が安定し、所定の圧力差が確認できた段階で、吐出側連絡管バルブ２６を閉めて、吸込側連絡管バルブ２７を開けると、圧力計の指示値は下がり、吐出側の圧力計は水位調整タンク２５の水位の静水頭と一致し、この時点からこの水位調節タンク２５の水位より上のレベルにある天井配管２３の内部は大気圧より下がって、弱真空状態となる。
【００４１】
所謂サイホン状態のまま２次循環水回路２４内は循環水が循環し、サイホン状態はポンプの運転停止に関係なく保たれる。従って天井懐２１内部での漏水事故の可能性は全くゼロとなり、万一、天井配管２３で継ぎ手にひび割れが生じたり、天井空調ユニット１８との接続ホースに傷がついた場合でも、サイホン状態のため、水が漏れ出す事は無く、そこから空気を吸って、吸った空気と同量の水が、重力によって水位調整タンク２５に戻るだけである。
【００４２】
水位調整タンク２５にはオーバーフロー管を設けて、水位が以上に上昇した場合には異常信号を発信する警報回路を設ければ、常時、監視体制が採れ、サービスも完璧に行うことができる。
【００４３】
天井配管２３が一挙にずたずたに破壊される程の強い地震などでは、天井配管２３の内部に在る水は天井から流出するが、天井配管２３内の水の保有量は標準的な２０Ａの配管サイズで、床面積１ｍ２当たり４００ｃｃに満たない少量であり、１階層の配管に限定されるので、被害を与える程の漏水ではなく、他の建物の破壊による損害に比較すれば全く問題にならない程度のものであろう。
【００４４】
夜間電力供給時間帯を中芯に運転されるチラー１０は氷蓄熱槽２８の中の製氷ユニット２９を蒸発器として、夜間電力で製氷を行い、冷熱を蓄熱する。この氷点に近い低温の冷水を使用して翌日の空調運転時間帯に取り入れ外気を除湿する。
大型ビルではチラーにターボ冷凍機を使用し、地中梁４４の間隔を蓄熱槽に使用するのも全く問題はない。
【００４５】
外気調和機３０は外気ガラリー３１から外気を取り入れ、空気濾過器３２、入口エコノマイザーコイル３３、主熱交換器３４、出口エコノマイザーコイル３５を経て、外気給気ファン３６により加圧し、配管シャフト１２内に立ち上げた給気ダクト３７から各階の空調室１７の天井懐２１に至り、天井空調ユニット１８の外気吸い込み穴から吸われ、加圧されて各階の空調室１７内に給気される。
【００４６】
取り入れ外気は外気調和機３０の主熱交換器３４で、蓄熱水ポンプ３８によってここを通過する低温冷水によって８℃まで除湿冷却される他、入口エコノマイザーコイル３３並びに出口エコノマイザーコイル３５で次の処理がなされる。即ち、入口エコノマイザーコイル３３と出口エコノマイザーコイル３５はエコノマイザーポンプ３９とエコノマイザー循環水配管４０によって接続され、夏季、入口エコノマイザーコイル３３で３５℃の外気により温度上昇したエコノマイザー循環水は出口エコノマイザーコイル３５に廻り、そこで主熱交換器３４で８℃の低温まで冷却除湿された取り入れ外気と接し、温度が１２℃〜１５℃程度まで低下、逆に８℃まで冷却除湿された外気は２２℃〜２５℃程度まで再熱される。
【００４７】
この様にして８℃まで冷却除湿され、２２℃〜２５℃まで再熱された取り入れ外気は外気ファン３６で加圧され最終的に各階の空調室１７に給気されるが、８℃の露点温度まで冷却除湿された空気は空調室１７内の２５℃：５０％の空気と比較すると単位体積１ｍ３当たりで水蒸気の含有率が４ｇ少ないため、法定による在室者１名当たり毎時２５ｍ３の換気をこの取り入れ外気によって行えば、１名の在室者に対して１００ｇ／ｈ・名の除湿能力を持つことになり、日本人成人男子が軽作業中に空気中に排出するとされる水蒸気量１００ｇ／ｈ・名と一致する。
【００４８】
従って、この除湿外気を１名の在室者１名当たり毎時２５ｍ３を供給すれば、室内空気に対する除湿はほぼ完璧と言える。然し乍ら、在室者数を正確に把握する事は容易ではない。そこで本発明では、室内ＣＯ２スタットを使用して、その信号によって室内への外気の給気量を調整する方法を採った。それは、人間の食物には炭素Ｃの成分と水素Ｈの成分の比率に食物によって大きな差が無いので、人間の排出する水蒸気量と炭酸ガス量の比率は略一定と考えられる。この事から、ＣＯ２スタットを利用すれば、温度の影響を受けて終始変化する相対湿度をヒューミティスタットを使用して外気を調整するより遥かに正確に、擾乱なしに相対湿度を一定に制御する事が可能である。
【００４９】
然も、給気される外気は除湿能力を持ったまま、外気調和機３０の出口エコノマイザーコイル３５で、外気の熱によって２２℃〜２５℃程度まで再熱されているので、外気の給気によって室温に与える影響は極めて少なくて済む。さらに、入口エコノマイザーコイル３３ではエコノマイザー効果で３５℃：６０％程度の高温多湿の取り入れ外気は自然に２３℃：９５％程度まで予冷却、除湿されるため外気負荷の３０％程度を軽減されている点も経済的に大きなメリットである。
【００５０】
ペリメーター部分で暖房が必要な時季には複数台の内、必要な台数のチラー１０の冷媒切り替え４方弁４１を切り替え、凝縮器１１を蒸発器として、氷蓄熱槽２８内部の製氷ユニット２９を凝縮器として、夜間電力でヒートポンプとして運転し、氷蓄熱槽２８を温水蓄熱槽として使用し、４５℃程度の温水を蓄え、翌日の暖房の必要な時間帯に温水循環回路４２（破線で示す）に蓄熱水ポンプ３８を運転して温水を循環させ、ペリメーター部分の床上に設置された床置型ファンコイルユニット４３に温水を循環供給して暖房を行う。
【００５１】
通常の空冷式ヒートポンプは暖房が必要となる早朝の外気の寒い場合、ヒートポンプの熱源とする外気の温度が低く、蒸発温度が−７℃程度以下となり、ヒートポンプの能力も充分に発揮できず、エネルギー消費効率も２．０以下に低下するが、本発明による、地中熱水を熱源とする場合は循環水の温度が１０℃以下には下がることは殆どなく、蒸発温度も７℃程度で保持されるのでエネルギー消費効率も３．５程度以上に高く、然も、夜間電力、即ち、原子力発電によるクリーンエネルギーが主体となるため、経済性、地球温暖化防止上も極めて有利である。
【００５２】
ペリメーターの暖房のみならず、外気の昇温も必要な系統にあっては、バルブの切り替えで室内へ温風の外気を給気する事もでき、更に、インテリアー部分では他所が暖房中でも、地中熱循環水による顕熱冷却は年間を通じ確保できる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は上に述べた通りの構成としたので、極めて経済性高く、夜間電力で翌日の外気除湿に必要な量の氷蓄熱を行う以外は殆ど冷凍機を運転しないので、省エネルギー化性能も９５％以上と極めて高く、その結果、地球温暖化防止も充分に講じられるので、ビル空調、工場空調など産業上の利用の可能性は、他の空調システムと比較すると格段に高いもので、将来に亙り他方式の追随を許さない。
【符号の説明】
【００５４】
１．珪砂
２．セメント
３．伝熱管
４．地中熱管設備
５．伝熱管３の出口管
６．地中熱水循環ポンプ
７．吐出管
８．機械室
９．立ち上がり主管
１０．チラー
１１．凝縮器
１２．配管シャフト
１３．プレート熱交換器
１４．戻り主管
１５．戻り管
１６．伝熱管３の入口管
１７．各階の空調室
１８．天井空調ユニット
１９．２次循環水ポンプ
２０．地中
２１．天井懐
２２．立ち下がり主管
２３．天井配管
２４．２次循環水回路
２５．水位調整タンク
２６．吐出側連絡管バルブ
２７．吸込側連絡管バルブ
２８．氷蓄熱槽
２９．製氷ユニット
３０．外気調和機
３１．外気ガラリー
３２．空気濾過器
３３．入口側エコノマイザーコイル
３４ 主熱交換器
３５．出口側エコノマイザーコイル
３６．外気ファン
３７．給気ダクト
３８．蓄熱水ポンプ
３９．エコノマイザーポンプ
４０．エコノマイザー循環水配管
４１．冷媒切り替え４方弁
４２．温水循環回路
４３．床置型ファンコイルユニット
４４．地中梁
【図１】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷房を必要とする期間において、電力会社の定める夜間電力供給時間帯に夜間電力を主に使用して、冷凍機の凝縮器に地中熱管設備の地中放熱循環水を通して、蒸発器側では氷蓄熱を行い、低温の冷熱を蓄熱し、通常、翌日、空調を使用する時間帯には、空調を行う室内の天井に設置された顕熱冷却用の空調ユニットの熱交換器に地中放熱循環水を通水して、冷凍機を使用せずに室内空気の冷却を行い、除湿に関しては室内の換気を行うための外気を処理する外気調和機の主熱交換器で、前日の夜間に前記地中放熱循環水と冷凍機を使用して蓄熱した氷点に近い低温の冷水を使用して、室内空気の除湿に十分な効果のある露点温度まで除湿をして室内に給気し、室内空気の温度、湿度を所定の値に調節することを特色とする空気調和設備。
【請求項２】
ペリメーター部分で暖房が必要な冬季に、電力会社の定める夜間電力供給時間帯に夜間電力を主に使用して、ヒートポンプの蒸発器に地中熱管設備により、地中集熱循環水を通して、氷蓄熱槽の製氷ユニットを凝縮器として使用して温水加熱を行って温熱を蓄熱し、また、必要に応じては蒸発器側で氷蓄熱も同時に行い、通常、翌日、空調を使用する時間帯には空調を行う室内のペリメーター部分の床上に設置された空調ユニットの熱交換器には前記温熱蓄熱された温水を必要に応じて通水してペリメーター部分の暖房を行い、前記ペリメーター部分以外の部分の天井に設置された顕熱冷却用の空調ユニットの熱交換器には地中放熱循環水を通水して、冷凍機を使用せずに室内空気の冷却を行い、除湿に関しては室内の換気を行うための外気を処理する外気調和機の主熱交換器で、前日の夜間に蓄熱した氷点に近い低温の冷水を使用して、室内の除湿に十分な効果のある露点温度まで除湿を行って室内に給気し、室内空気の温度、湿度を所定の値に調節することを特色とする請求項１の空気調和設備。
【請求項３】
天井に設置される請求項１または請求項２の空調ユニットに、室内で必要とされる照度を得られる蛍光灯または、ＬＥＤ、冷陰極管照明、有機ＥＬ照明、無機ＥＬ照明による面照明ユニットを下面に組み込んだ事によって、空調ユニットの内部以外の他所に同様の照明効果をもつ照明器具を設置した場合に比較すると、室内への送風量とファン電力を節減した事を特色する請求項１の空気調和設備。
【請求項４】
請求項１、請求項２における地中熱管の地中熱循環水を冷凍機を使用しないで直接室内の顕熱冷却に使用する事を目的とし、その実用性を高めるための方法として、通常、縦穴型の地中熱管では１往復限りの複数本の伝熱管が使用されているのに対して、本発明では地中に掘削した１本の縦穴の内部で複数かつ偶数の伝熱管の両端の部分でＵ字型に直列に接続し２往復以上の循環回路を用いて効率を上げた事を特色とする地中熱管設備を使用した事を特色とする空気調和設備。
【請求項５】
請求項１、請求項２における地中熱管設備において、請求項４と同じ目的でその実用性を高めるため他の方法としてに別々に設置した地中熱管の複数本を直列接続にして使用する事を特色とする請求項１並びに、請求項２の空気調和設備。
【請求項６】
請求項１、請求項２の空気調和設備に使用する外気調和機の主熱交換器の空気上流側と下流側にエコノマイザー熱交換器を配置して、上流側と下流側の熱交換器の間に水循環回路と循環ポンプを設置し、冷房時期において、夏季の高温の取り入れ外気の熱を上流側の熱交換器で取り込んで下流側の熱交換器に送り、除湿の目的で前記主熱交換器で低い露点温度まで除湿冷却された外気を、前記下流の熱交換器でほぼ室温に近い温度まで昇温し、除湿能力を保持しながら低温によって室内温度への影響が及ばぬ様に再熱し、かつこれによって外気のもつ高い温度の熱量を低減させ、外気を必要露点温度まで冷却除湿を行うに要する必要冷却熱量を大幅に節減する事が出来るようにした外気調和機を使用する事を特色とする請求項１の空気調和設備。
【請求項７】
請求項１、請求項２の空気調和設備の各階天井や床上の設置される空調ユニットの天井懐内の冷水配管のレベルと地中熱管設備の上端のレベルとの間に循環ポンプを設置し、前記循環ポンプの吐出側と吸込側の２カ所から２本の膨張管を設けて、循環ポンプとほぼ同様のレベルに置いた膨張水槽に夫れ夫れバルブを介して接続した事を特色とし、また必要によっては、循環ポンプのキャビテーションを防止するために、循環ポンプに必要な揚程を２分して２台の直列接続の循環ポンプに負担させる事を特色とした請求項１、請求項２の空気調和設備。
【請求項１】
冷房を必要とする期間において、電力会社の定める夜間電力供給時間帯に夜間電力を主に使用して、冷凍機の凝縮器に地中熱管設備の地中放熱循環水を通して、蒸発器側では氷蓄熱を行い、低温の冷熱を蓄熱し、通常、翌日、空調を使用する時間帯には、空調を行う室内の天井に設置された顕熱冷却用の空調ユニットの熱交換器に地中放熱循環水を通水して、冷凍機を使用せずに室内空気の冷却を行い、除湿に関しては室内の換気を行うための外気を処理する外気調和機の主熱交換器で、前日の夜間に前記地中放熱循環水と冷凍機を使用して蓄熱した氷点に近い低温の冷水を使用して、室内空気の除湿に十分な効果のある露点温度まで除湿をして室内に給気し、室内空気の温度、湿度を所定の値に調節することを特色とする空気調和設備。
【請求項２】
ペリメーター部分で暖房が必要な冬季に、電力会社の定める夜間電力供給時間帯に夜間電力を主に使用して、ヒートポンプの蒸発器に地中熱管設備により、地中集熱循環水を通して、氷蓄熱槽の製氷ユニットを凝縮器として使用して温水加熱を行って温熱を蓄熱し、また、必要に応じては蒸発器側で氷蓄熱も同時に行い、通常、翌日、空調を使用する時間帯には空調を行う室内のペリメーター部分の床上に設置された空調ユニットの熱交換器には前記温熱蓄熱された温水を必要に応じて通水してペリメーター部分の暖房を行い、前記ペリメーター部分以外の部分の天井に設置された顕熱冷却用の空調ユニットの熱交換器には地中放熱循環水を通水して、冷凍機を使用せずに室内空気の冷却を行い、除湿に関しては室内の換気を行うための外気を処理する外気調和機の主熱交換器で、前日の夜間に蓄熱した氷点に近い低温の冷水を使用して、室内の除湿に十分な効果のある露点温度まで除湿を行って室内に給気し、室内空気の温度、湿度を所定の値に調節することを特色とする請求項１の空気調和設備。
【請求項３】
天井に設置される請求項１または請求項２の空調ユニットに、室内で必要とされる照度を得られる蛍光灯または、ＬＥＤ、冷陰極管照明、有機ＥＬ照明、無機ＥＬ照明による面照明ユニットを下面に組み込んだ事によって、空調ユニットの内部以外の他所に同様の照明効果をもつ照明器具を設置した場合に比較すると、室内への送風量とファン電力を節減した事を特色する請求項１の空気調和設備。
【請求項４】
請求項１、請求項２における地中熱管の地中熱循環水を冷凍機を使用しないで直接室内の顕熱冷却に使用する事を目的とし、その実用性を高めるための方法として、通常、縦穴型の地中熱管では１往復限りの複数本の伝熱管が使用されているのに対して、本発明では地中に掘削した１本の縦穴の内部で複数かつ偶数の伝熱管の両端の部分でＵ字型に直列に接続し２往復以上の循環回路を用いて効率を上げた事を特色とする地中熱管設備を使用した事を特色とする空気調和設備。
【請求項５】
請求項１、請求項２における地中熱管設備において、請求項４と同じ目的でその実用性を高めるため他の方法としてに別々に設置した地中熱管の複数本を直列接続にして使用する事を特色とする請求項１並びに、請求項２の空気調和設備。
【請求項６】
請求項１、請求項２の空気調和設備に使用する外気調和機の主熱交換器の空気上流側と下流側にエコノマイザー熱交換器を配置して、上流側と下流側の熱交換器の間に水循環回路と循環ポンプを設置し、冷房時期において、夏季の高温の取り入れ外気の熱を上流側の熱交換器で取り込んで下流側の熱交換器に送り、除湿の目的で前記主熱交換器で低い露点温度まで除湿冷却された外気を、前記下流の熱交換器でほぼ室温に近い温度まで昇温し、除湿能力を保持しながら低温によって室内温度への影響が及ばぬ様に再熱し、かつこれによって外気のもつ高い温度の熱量を低減させ、外気を必要露点温度まで冷却除湿を行うに要する必要冷却熱量を大幅に節減する事が出来るようにした外気調和機を使用する事を特色とする請求項１の空気調和設備。
【請求項７】
請求項１、請求項２の空気調和設備の各階天井や床上の設置される空調ユニットの天井懐内の冷水配管のレベルと地中熱管設備の上端のレベルとの間に循環ポンプを設置し、前記循環ポンプの吐出側と吸込側の２カ所から２本の膨張管を設けて、循環ポンプとほぼ同様のレベルに置いた膨張水槽に夫れ夫れバルブを介して接続した事を特色とし、また必要によっては、循環ポンプのキャビテーションを防止するために、循環ポンプに必要な揚程を２分して２台の直列接続の循環ポンプに負担させる事を特色とした請求項１、請求項２の空気調和設備。
【公開番号】特開２０１１−２２６７５３（Ｐ２０１１−２２６７５３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１０６３３（Ｐ２０１０−１１０６３３）
【出願日】平成２２年４月２０日（２０１０．４．２０）
【出願人】（５９３１１９８８２）
【出願人】（５００４０７９７２）
【出願人】（５００４０７９９４）
【出願人】（５００４０８０１６）
【出願人】（５００４０８０２７）
【出願人】（５００４０８０３８）
【出願人】（５０４３３７２８０）
【出願人】（５０４０８１２８０）
【出願人】（５０９２６６６７５）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２０日（２０１０．４．２０）
【出願人】（５９３１１９８８２）
【出願人】（５００４０７９７２）
【出願人】（５００４０７９９４）
【出願人】（５００４０８０１６）
【出願人】（５００４０８０２７）
【出願人】（５００４０８０３８）
【出願人】（５０４３３７２８０）
【出願人】（５０４０８１２８０）
【出願人】（５０９２６６６７５）
【Ｆターム（参考）】
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