特開 2019-168184 地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムおよび地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-168184(P2019-168184A)

(43)【公開日】2019年10月3日

(54)【発明の名称】地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムおよび地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 30/06 20060101AFI20190906BHJP

   F25B 27/00 20060101ALI20190906BHJP

【ＦＩ】

   F25B30/06 T

   F25B27/00 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2018-57237(P2018-57237)

(22)【出願日】2018年3月23日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ・２０１７年度日本冷凍空調学会年次大会講演論文集ＣＤ（Ｆ１１３−１〜Ｆ１１３−６）発行日 平成２９年９月２６日 ・２０１７年度日本冷凍空調学会年次大会 開催日 平成２９年９月２７日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度 国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「再生可能エネルギー熱利用技術開発／地中熱利用トータルシステムの高効率化技術開発及び規格化、および再生可能エネルギー熱利用のポテンシャル評価技術の開発／低コスト・高効率を実現する間接型地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの開発と地理地盤情報を利用した設計・性能予測シミュレーションツール・ポテンシャル評価システムの開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】306022513

【氏名又は名称】日鉄エンジニアリング株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100188592

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 洋

(72)【発明者】

【氏名】中村 靖

(72)【発明者】

【氏名】葛 隆生

(57)【要約】

【課題】地中熱ヒートポンプにおける採放熱量を確保しつつ、地中熱交換器を効率的に運転する。
【解決手段】配管系統１３は、第１配管２１と、第１配管２１を通過した熱媒を複数のヒートポンプ１２それぞれに供給する複数の第２配管２２と、複数のヒートポンプ１２それぞれを通過した熱媒が供給される複数の第３配管２３と、複数の第３配管２３それぞれを通過した熱媒が供給される複数の第４配管２４および複数の第５配管２５と、複数の第４配管２４それぞれを通過した熱媒を合流させて第１配管２１に供給する第６配管２６と、複数の第５配管２５それぞれを通過した熱媒を合流させて地中熱交換器１１に供給する第７配管２７と、地中熱交換器１１を通過した熱媒を第１配管２１に供給する第８配管２８と、を備え、流量調整部１７は、第４配管２４および第５配管２５への第３配管２３からの熱媒の流量を調整する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

地中熱交換器と、
前記地中熱交換器との間で熱媒を循環させる複数のヒートポンプと、
前記地中熱交換器と前記複数のヒートポンプとを接続する配管系統と、
前記配管系統における前記熱媒の流量を調整する流量調整部と、を備え、
前記配管系統は、
第１配管と、
前記第１配管を通過した前記熱媒を前記複数のヒートポンプそれぞれに供給する複数の第２配管と、
前記複数のヒートポンプそれぞれを通過した前記熱媒が供給される複数の第３配管と、
前記複数の第３配管それぞれを通過した前記熱媒が供給される複数の第４配管および複数の第５配管と、
前記複数の第４配管それぞれを通過した前記熱媒を合流させて前記第１配管に供給する第６配管と、
前記複数の第５配管それぞれを通過した前記熱媒を合流させて前記地中熱交換器に供給する第７配管と、
前記地中熱交換器を通過した前記熱媒を前記第１配管に供給する第８配管と、を備え、
前記流量調整部は、前記第４配管および前記第５配管への前記第３配管からの前記熱媒の流量を調整する地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム。

【請求項2】

前記流量調整部を制御する制御部を更に備え、
前記制御部は、前記第６配管における前記熱媒の温度と前記第８配管における前記熱媒の温度とに基づいて、前記流量調整部を制御する請求項１に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム。

【請求項3】

前記制御部は、前記複数のヒートポンプのうち、冷房を行い前記熱媒へ放熱運転している前記ヒートポンプにおける放熱量の合計値である合計放熱量と、暖房を行い前記熱媒から採熱運転している前記ヒートポンプにおける採熱量の合計値である合計採熱量と、の比較結果に基づいて、前記流量調整部を制御する第１工程を実施し、
前記制御部は、前記第１工程で、
前記合計放熱量の絶対値が前記合計採熱量の絶対値よりも高い場合には、前記採熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の全量を前記第４配管に供給しつつ、前記放熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の前記第４配管および前記第５配管への供給量を制御する第２工程を実施し、
前記合計採熱量の絶対値が前記合計放熱量の絶対値よりも高い場合には、前記放熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の全量を前記第４配管に供給しつつ、前記採熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の前記第４配管および前記第５配管への供給量を制御する第３工程を実施し、
前記制御部は、前記第２工程および前記第３工程のいずれの工程においても、前記第６配管における前記熱媒の温度と、前記第８配管における前記熱媒の温度と、が同等になるように、前記供給量を制御する請求項２に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム。

【請求項4】

請求項１に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転方法であって、
前記複数のヒートポンプのうち、冷房を行い前記熱媒へ放熱運転している前記ヒートポンプにおける放熱量の合計値である合計放熱量と、暖房を行い前記熱媒から採熱運転している前記ヒートポンプにおける採熱量の合計値である合計採熱量と、の比較結果に基づいて、前記流量調整部を制御する第１工程を備える地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転方法。

【請求項5】

前記第１工程では、
前記合計放熱量の絶対値が前記合計採熱量の絶対値よりも高い場合には、前記採熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の全量を前記第４配管に供給しつつ、前記放熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の前記第４配管および前記第５配管への供給量を制御する第２工程を実施し、
前記合計採熱量の絶対値が前記合計放熱量の絶対値よりも高い場合には、前記放熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の全量を前記第４配管に供給しつつ、前記採熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の前記第４配管および前記第５配管への供給量を制御する第３工程を実施し、
前記第２工程および前記第３工程のいずれの工程においても、前記第６配管における前記熱媒の温度と、前記第８配管における前記熱媒の温度と、が同等になるように、前記供給量を制御する請求項４に記載の地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムおよび地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転方法に関する。本発明は、ＨＲ−ＧＳＨＰシステムの熱源水の循環方法およびその制御手法に関する。この方法を用いることにより、温熱供給と冷熱供給を行う２種類以上のＧＳＨＰの一次側配管をＧＨＥＸに接続し、それぞれのヒートポンプを同時に運転もしくは短期間で繰り返し運転を行うＨＲ−ＧＳＨＰシステムについて、例えば、設置したＧＨＥＸ長さに対して、最大限のＧＳＨＰシステムの導入効果が得られる。その結果として、例えば、高効率なＧＳＨＰシステムの導入拡大に繋がり、CO₂排出量の抑制や、省エネルギー効果をもたらす。

【背景技術】

【0002】

例えば下記特許文献１に示すような地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムにおいて、温熱供給と冷熱供給を行う２種類以上のＧＳＨＰの一次側配管をＧＨＥＸに接続し、それぞれのヒートポンプを同時に運転もしくは短期間で繰り返し運転を行うと、地中の持つ蓄熱性の利用によって冷温熱需要の時間差を吸収できる。そのため、従来のＧＳＨＰシステムと比較するとＧＨＥＸの必要長さを大幅に削減することが期待できる。
また、従来の熱回収ヒートポンプとの比較では、熱回収ループに設置した補助熱源の運転を最小限に抑えることも可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５６９０６５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、ＨＲ−ＧＳＨＰシステムについては、ＧＨＥＸの必要長さを大幅に削減できるという観点から、導入拡大が有望であるものの、一次側において冷熱供給側のヒートポンプの排熱と温熱供給側のヒートポンプの冷熱を吸収させる熱回収運転を行うための循環方法や制御方法が確立されていないのが現状である。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様は、地中熱交換器と、前記地中熱交換器との間で熱媒を循環させる複数のヒートポンプと、前記地中熱交換器と前記複数のヒートポンプとを接続する配管系統と、前記配管系統における前記熱媒の流量を調整する流量調整部と、を備え、前記配管系統は、第１配管と、前記第１配管を通過した前記熱媒を前記複数のヒートポンプそれぞれに供給する複数の第２配管と、前記複数のヒートポンプそれぞれを通過した前記熱媒が供給される複数の第３配管と、前記複数の第３配管それぞれを通過した前記熱媒が供給される複数の第４配管および複数の第５配管と、前記複数の第４配管それぞれを通過した前記熱媒を合流させて前記第１配管に供給する第６配管と、前記複数の第５配管それぞれを通過した前記熱媒を合流させて前記地中熱交換器に供給する第７配管と、前記地中熱交換器を通過した前記熱媒を前記第１配管に供給する第８配管と、を備え、前記流量調整部は、前記第４配管および前記第５配管への前記第３配管からの前記熱媒の流量を調整する地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムである。
前記流量調整部を制御する制御部を更に備え、前記制御部は、前記第６配管における前記熱媒の温度と前記第８配管における前記熱媒の温度とに基づいて、前記流量調整部を制御してもよい。
前記制御部は、前記複数のヒートポンプのうち、冷房を行い前記熱媒へ放熱運転している前記ヒートポンプにおける放熱量の合計値である合計放熱量と、暖房を行い前記熱媒から採熱運転している前記ヒートポンプにおける採熱量の合計値である合計採熱量と、の比較結果に基づいて、前記流量調整部を制御する第１工程を実施し、前記制御部は、前記第１工程で、前記合計放熱量の絶対値が前記合計採熱量の絶対値よりも高い場合には、前記採熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の全量を前記第４配管に供給しつつ、前記放熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の前記第４配管および前記第５配管への供給量を制御する第２工程を実施し、前記合計採熱量の絶対値が前記合計放熱量の絶対値よりも高い場合には、前記放熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の全量を前記第４配管に供給しつつ、前記採熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の前記第４配管および前記第５配管への供給量を制御する第３工程を実施し、前記制御部は、前記第２工程および前記第３工程のいずれの工程においても、前記第６配管における前記熱媒の温度と、前記第８配管における前記熱媒の温度と、が同等になるように、前記供給量を制御してもよい。

【0006】

本発明の一態様は、前記地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムの運転方法であって、前記複数のヒートポンプのうち、冷房を行い前記熱媒へ放熱運転している前記ヒートポンプにおける放熱量の合計値である合計放熱量と、暖房を行い前記熱媒から採熱運転している前記ヒートポンプにおける採熱量の合計値である合計採熱量と、の比較結果に基づいて、前記流量調整部を制御する第１工程を備える。
前記第１工程では、前記合計放熱量の絶対値が前記合計採熱量の絶対値よりも高い場合には、前記採熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の全量を前記第４配管に供給しつつ、前記放熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の前記第４配管および前記第５配管への供給量を制御する第２工程を実施し、前記合計採熱量の絶対値が前記合計放熱量の絶対値よりも高い場合には、前記放熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の全量を前記第４配管に供給しつつ、前記採熱運転の前記ヒートポンプを通過した前記熱媒の前記第４配管および前記第５配管への供給量を制御する第３工程を実施し、前記第２工程および前記第３工程のいずれの工程においても、前記第６配管における前記熱媒の温度と、前記第８配管における前記熱媒の温度と、が同等になるように、前記供給量を制御してもよい。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、地中熱ヒートポンプにおける採放熱量を確保しつつ、地中熱交換器を効率的に運転することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施形態に係るＨＲ−ＧＳＨＰシステムの構成である。

【図2】本発明の一実施形態に係るＨＲ−ＧＳＨＰシステムにおける一次側バイパスの概念図である。

【図3】本発明の一実施形態に係るシステムにおけるバイパス制御のフローである。

【図4】本発明の実施例に用いたフィールド試験系統図である。

【図5】本発明の実施例におけるＧＳＨＰ出力である。

【図6】本発明の実施例におけるＧＳＨＰ採熱量、地中熱交換器採熱量である。

【図7】本発明の実施例におけるＧＳＨＰ一次側温度Tpin、Tpout および熱回収後温度Tmix の変化である。

【図8】本発明の一実施形態に係るＨＲ−ＧＳＨＰシステムにおける一次側バイパスの概念図である。

【図9】本発明の第１の比較例に係るＨＲ−ＧＳＨＰシステムにおける一次側バイパスの概念図である。

【図10】本発明の第２の比較例に係るＨＲ−ＧＳＨＰシステムにおける一次側バイパスの概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図１から図１０を参照し、本発明の一実施形態に係る地中熱利用熱回収ヒートポンプシステムを説明する。なお本実施形態では、「地中熱利用熱回収ヒートポンプ」を「ＨＲ−ＧＳＨＰ」ということがある。「地中熱ヒートポンプ」を「ＧＳＨＰ」や「ヒートポンプ」ということがある。「地中熱交換器」を「ＧＨＥＸ」ということがある。

【0010】

図１に制御対象となるＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０の構成を示す。制御対象となるＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０は、用途の異なる複数種類のＧＳＨＰ１２（熱源機）と、システムの各点の計測、構成機器の運転制御を行うプログラマブルコントローラー(ＰＬＣ１５)と、で構成される。

【0011】

［ＨＲ−ＧＳＨＰシステムの構成］
図１に示すように、地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム（ＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０）は、負荷対象１の負荷（熱負荷）を賄う。ＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０は、地中熱交換器（ＧＨＥＸ１１）と、ＧＨＥＸ１１との間で熱媒を循環させる複数のヒートポンプ（ＧＳＨＰ１２）と、ＧＨＥＸ１１と複数のＧＳＨＰ１２とを接続する配管系統１３と、ＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０（ＧＳＨＰ１２）を制御する制御部１４と、を備えている。制御部１４は、例えば、前述のＰＬＣ１５と、コンピュータに実装されＰＬＣ１５に制御用パラメータを送るソフトウエア１６と、により構成することができる。ＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０は、負荷対象１に対して温熱や冷熱を供給する。

【0012】

図２に示すように、ＧＳＨＰ１２は、ＧＨＥＸ１１（ＧＨＥＸ１１）との間で熱媒を循環させることで、熱媒の温度を調整する。
配管系統１３は、熱媒が通過する第１配管２１から第８配管２８を備えている。第２配管２２から第５配管２５は、それぞれ複数設けられている。
複数の第２配管２２は、第１配管２１を通過した熱媒を複数のＧＳＨＰ１２それぞれに供給する。第２配管２２には、温度計３１が設けられている。

【0013】

第３配管２３から第５配管２５は、複数のＧＳＨＰ１２それぞれを通過した熱媒が供給される。
第３配管２３は、各ＧＳＨＰ１２に直結され、ＧＳＨＰ１２を通過した熱媒が直接供給される。第３配管２３には、ポンプ３２、温度計３１、流量計３３が設けられている。
第４配管２４および第５配管２５は、第３配管２３を介してＧＳＨＰ１２に接続されており、ＧＳＨＰ１２を通過した熱媒が間接的に供給される。

【0014】

第４配管２４は、第６配管２６に接続され、第５配管２５は、第７配管２７に接続されている。第４配管２４および第５配管２５には、流量調整弁３４が設けられている。流量調整弁３４は、配管系統１３における熱媒の流量を調整する流量調整部１７を形成している。

【0015】

第６配管２６は、複数の第４配管２４それぞれを通過した熱媒を合流させて第１配管２１に供給する。第６配管２６は、温度が異なる熱媒を混合して直接熱回収する配管である。言い換えると、第６配管２６は、複数の第４配管２４が合流し、第１配管２１に接続されるまでの冷房温排熱と暖房冷排熱とを相互排熱回収を行い、直接熱回収を行う配管である。第６配管２６には、温度計３１が設けられている。

【0016】

第７配管２７は、複数の第５配管２５それぞれを通過した熱媒を合流させてＧＨＥＸ１１に供給する。第７配管２７には、温度計３１、流量計３３および第１ヘッダー３５が、上流側（第５配管２５側）から下流側（ＧＨＥＸ１１側）に向けてこの順に設けられている。
第８配管２８は、ＧＨＥＸ１１を通過した熱媒を第１配管２１に供給する。第８配管２８には、第２ヘッダー３６および温度計３１が、上流側（ＧＨＥＸ１１側）から下流側（第１配管２１側）に向けてこの順に設けられている。

【0017】

第７配管２７および第８配管２８は、複数のＧＳＨＰ１２からの熱媒が合流した後、ＧＨＥＸ１１に送り込む配管、およびＧＨＥＸ１１の出口から第１配管２１と合流するまでの、地中と熱交換を行い、間接熱回収を行う配管である。
第１配管２１は、上述した直接熱回収および間接熱回収の効果を合流させる。本実施形態では、第６配管２６および第８配管２８それぞれを通過した熱媒を第１配管２１で合流させた後、合流された熱媒を、第２配管２２により分岐させて複数のＧＳＨＰ１２それぞれに供給する。

【0018】

［ＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０の制御］
本実施形態に示すＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０のように、ＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０においては個々のＧＳＨＰ１２（熱源機）の循環流量の合計値が、ＧＨＥＸ１１に循環可能な流量(ボアホールシングルUチューブ型でUチューブ口径が25Aの場合、１本あたり40L/min程度)を超えることが想定される。ＧＨＥＸ１１に循環可能な流量を超える流量が流れる場合には、ＧＨＥＸ１１での圧力損失が大きくなり、それによりシステム全体、ひいては熱源機の循環流量の不足が生じる。

【0019】

上述のＧＨＥＸ１１への過度な流量の循環を防ぎ適正な流量とするため、図２に示す通り、ＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０の一次側にバイパスを設置する。そして、図３に示す制御フローによりバイパスへの循環流量を制御することで、同じ熱量の冷熱供給側のＧＳＨＰ１２の排熱と温熱供給側のＧＳＨＰ１２の冷熱をＧＨＥＸ１１に熱源水を送り込む前に吸収する。

【0020】

バイパス制御フローの手順を以下で説明する。

【0021】

（１）用途の異なる２種類のＧＳＨＰ１２(ＧＳＨＰ−１(温熱供給運転)、ＧＳＨＰ−２(冷熱供給運転))の一次側のそれぞれの採熱量、放熱量をQhp1,1、Qhp1,2 とする。ＧＳＨＰ−１の一次側の循環流量をVhp1,1、ＧＳＨＰ−２の一次側の循環流量をVhp1,2 とする。

【0022】

（２）Qhp1,1とQhp1,2の絶対値を比較する（ステップＳ１）。

【0023】

（３）Qhp1,1がQhp1,2より大きい場合(採熱運転の場合、ステップＳ１：ＹＥＳ)は以下の手順で制御を行う。
まず、Qhp1,2=0であるか否かを判定する（ステップＳ２）。Qhp1,2が0でない場合（ステップＳ２：ＮＯ）、ＧＳＨＰ−２(放熱運転側)の一次側循環水を全てバイパス側に送り出す。即ちVhp1b,2＝Vhp1,2 となる（ステップＳ３）。ＧＳＨＰ−１(採熱運転側)の一次側循環水のうちバイパス側への流量Vhp1b,1 をTmix=Tpout になるように調整する（ステップＳ４）。残りのＧＨＥＸ１１側への循環流量Vhp1o,1＝Vhp1,1―Vhp1b,1 がＧＨＥＸ１１の循環流量Vf1 となる（ステップＳ５）。なお、循環流量の調整は、例えば流量調整部１７を制御することにより実施することができる。流量調整部１７としては、前述の構成に限られず、例えば２方弁を採用し、循環流量の調整を、２方弁の開度の調整にて行うこともできる。
ただし、Qhp1,2=0 の場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）には、バイパス運転は行わずVf1=Vhp1,1となる（ステップＳ６）。

【0024】

（４）逆にQhp1,2がQhp1,1より大きい場合(放熱運転の場合、ステップＳ１：ＮＯ)には、以下の手順で制御を行う。
まず、Qhp1,1=0であるか否かを判定する（ステップＳ７）。Qhp1,2が0でない場合（ステップＳ７：ＮＯ）、ＧＳＨＰ−１(採熱運転側)の一次側循環水を全て還りバイパス側に送り出す。即ちVhp1b,1＝Vhp1,1 となる（ステップＳ８）。ＧＳＨＰ−２(放熱運転側)の一次側循環水のうちバイパス側への流量Vhp1b,2をTmix= Tpoutになるように調整する（ステップＳ９）。残りのＧＨＥＸ１１側への循環流量Vhp1o,2＝Vhp1,2―Vhp1b,2 がＧＨＥＸ１１の循環流量LVf1 となる（ステップＳ１０）。なお、循環流量の調整は2 方弁の開度の調整にて行う。
ただし、Qhp1,1=0 の場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）には、バイパス運転は行わずVf1=Vhp1,1 となる（ステップＳ１１）。

【0025】

以上により、採熱（冷房運転）および放熱（暖房運転）それぞれに用いられた熱媒同士を混合させ、直接的に熱回収する直接熱回収の最大化を図りつつ、残りの熱媒を地中と熱交換させて熱回収をする間接熱回収の最小化を図ることができる。間接熱回収の最小化を図ることにより、熱媒と地中熱との間で最小限の採放熱をすることに留めることが可能になり、ＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０全体での効率を高めることができる。
また、Tmix= Tpoutとなり、結果として、ＧＨＥＸ１１に供給される熱媒（第７配管２７内の熱媒）の温度の変動を抑えることができる。その結果、ＧＨＥＸ１１の運転性能を安定させることができる。

【0026】

なお、本文では２種類のＧＳＨＰ１２で説明を行っているが、3 種類以上のＧＳＨＰ１２を使用した場合にもＧＳＨＰ１２の一次側の合計採放熱量の計算を行い、採熱運転か放熱運転を判定し、それに応じて（３）の運転(放熱運転側の一次側循環水全てのバイパス運転)もしくは（４）の運転(採熱運転側の一次側循環水全てのバイパス運転)を行う。

【0027】

［本実施形態に係るＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０、運転方法のまとめ］
＜構成要件＞
本実施形態に係るＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０は、用途の異なる複数台のＧＳＨＰ１２をＧＨＥＸ１１に接続したＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０において、異なるＧＳＨＰ１２でそれぞれ冷熱供給、温熱供給を行った場合において、ＧＳＨＰ１２の一次側(熱源側)の循環水をバイパスで混合させて、冷熱供給側のＧＳＨＰ１２の温排熱と温熱供給側のＧＳＨＰ１２の冷排熱を吸収させる熱回収運転(直接熱回収)を行うことで、片側の温排熱もしくは冷排熱の余剰分のみをＧＨＥＸ１１で処理(間接熱回収)するＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０、およびその熱源水バイパス配管および循環流量制御システムに関する。

【0028】

上記のＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０において、ＧＳＨＰ１２の合計循環流量がＧＨＥＸ１１の循環可能な流量よりも大きくなる場合に、ＧＨＥＸ１１おける循環流量を適正に制御し、過度な循環流量による圧力損失増大による熱源機の循環流量の低下を防ぐことができる、ＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０、およびその熱源水バイパス配管および循環流量制御システムに関する。

【0029】

本実施形態では、制御部１４が、第６配管２６における熱媒の温度と第８配管２８における熱媒の温度とに基づいて、流量調整部１７を制御する。
また、制御部１４が、複数のＧＳＨＰ１２のうち、冷房を行い熱媒へ放熱運転しているＧＳＨＰ１２における放熱量の合計値である合計放熱量と、暖房を行い熱媒から採熱運転しているＧＳＨＰ１２における採熱量の合計値である合計採熱量と、の比較結果に基づいて、流量調整部１７を制御する第１工程を実施する。制御部１４は、第１工程で、合計放熱量の絶対値が合計採熱量の絶対値よりも高い場合には、採熱運転のＧＳＨＰ１２を通過した熱媒の全量を第４配管２４に供給しつつ、放熱運転のＧＳＨＰ１２を通過した熱媒の第４配管２４および第５配管２５への供給量を制御する第２工程を実施する。制御部１４は、第１工程で、合計採熱量の絶対値が合計放熱量の絶対値よりも高い場合には、放熱運転のＧＳＨＰ１２を通過した熱媒の全量を第４配管２４に供給しつつ、採熱運転のＧＳＨＰ１２を通過した熱媒の第４配管２４および第５配管２５への供給量を制御する第３工程を実施する。制御部１４は、第２工程および第３工程のいずれの工程においても、第６配管２６における熱媒の温度と、第８配管２８における熱媒の温度と、が同等になるように、供給量を制御する。

【0030】

＜作用効果＞
本実施形態に係るＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０においては、ＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０について、異なるＧＳＨＰ１２でそれぞれ冷熱供給、温熱供給を行った場合において、ＧＳＨＰ１２の一次側(熱源側)の循環水をバイパスで混合させて、冷熱供給側のＧＳＨＰ１２の温排熱と温熱供給側のＧＳＨＰ１２の冷排熱を吸収させる熱回収運転(直接熱回収)を行うことで、片側の温排熱もしくは冷排熱の余剰分のみをＧＨＥＸ１１で処理(間接熱回収)するものとなり、ＧＳＨＰ１２処理負荷に対しＧＨＥＸ１１採放熱量を大幅に低減することが可能となる。

【0031】

また、本発明では、ＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０について、ＧＳＨＰ１２の合計循環流量がＧＨＥＸ１１の循環可能な流量よりも大きくなる場合に、ＧＨＥＸ１１における循環流量を適正に制御し、過度な循環流量による圧力損失増大による熱源機の循環流量の低下を防ぐことができる。
ＧＳＨＰ１２毎にバイパス回路を設けたことが最大のポイントである。ＧＨＥＸ１１循環可能流量に制御するだけならば、ＧＳＨＰ１２出口合流後でＧＨＥＸ１１循環可能流量以上はバイパスさせれば済むが、それでは適正な直接熱回収、間接熱回収が行えない。

【0032】

他の熱源と比較して効率の高いＧＳＨＰ１２について、採放熱量を調整することが可能となり、その結果、長期的に運転可能な範囲で、かつ省エネルギー効果を最大限に得られる条件で運転できるようになるため、ＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０の導入の費用対効果を最大化することや、コスト回収年数を最小化することが可能となる。

【0033】

流量調整部１７が、第４配管２４、第５配管２５への熱媒の流量を調整する。そのため、各ＧＳＨＰ１２を通過した熱媒全てをＧＨＥＸ１１に戻す場合と異なり、各ＧＳＨＰ１２で生じた冷房による放熱（冷房温排熱）と暖房による採熱（暖房冷排熱）を吸収した熱媒を第６配管２６に送りその熱媒同士を合流させ、第６配管２６内で相互の排熱を直接熱回収させることができる。
また、第４配管２４や第５配管２５が、各ＧＳＨＰ１２に個別に対応して複数ずつ設けられている。そのため、例えば、冷房による放熱量に比べ暖房による採熱量が大きい場合には、放熱側のＧＳＨＰ１２における熱媒は全て第４配管２４を通して第６配管２６に送りつつ、採熱側のＧＳＨＰ１２においては、放熱量と等しい採熱量相当の熱媒を、第４配管２４を通して第６配管２６に送り、合流させることにより直接熱回収による完全な相互排熱回収が行える。これにより、第６配管２６を通して第１配管２１に合流し、ＧＨＥＸ１１に送られる熱媒（採放熱量）と間接熱回収（地盤への負担）を最小限にすることができ、大幅にGHEXの必要長さや本数を削減することができる。ＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０の運転効率を高めることができる。

【0034】

＜比較例と本実施形態との比較＞
本実施形態のＨＲ−ＧＳＨＰシステム１０の主要構成を図８に示す。

【0035】

これに対して図９に示す第１の比較例に係るシステム１０Ａでは、配管系統１３が、第２配管２２、第５配管２５、第７配管２７および第８配管２８によって形成されている。ＧＨＥＸ１１および第８配管２８を通過した熱媒は、第２配管２２を通してＧＳＨＰ１２に供給される。ＧＳＨＰ１２を通過した熱媒は、第５配管２５および第７配管２７を通してＧＨＥＸ１１に供給される。
この比較例に係るシステム１０Ａでは、本実施形態と異なり、相互の排熱を直接熱回収させることができないまま、第７配管２７および第８配管２８を熱媒の全量が通過させることとなる。そのため、HR-GSHPシステムにおける短期熱回収効果で削減したGHEX本数では適正流量を大幅に超過し、圧力損失過大により配管設計的に成立せず、多量の熱媒が循環可能な配管やＧＨＥＸ１１を過剰に形成する必要が生じてＧＨＥＸ１１の大型化が必要になったり、場合によってはそのような設備を実現することができなかったりするおそれがある。

【0036】

また図１０に示す第２の比較例に係るシステム１０Ｂでは、配管系統１３が、第２配管２２、第５配管２５、第７配管２７、第８配管２８に加えて、第１配管２１および第６配管２６を備えている。第６配管２６は、第７配管２７内の熱媒を第１配管２１に供給する。言い換えると、このシステム１０Ｂでは、第１の比較例に係るシステム１０Ａにおける第７配管２７と第８配管２８との間を、第６配管２６によりバイパスしている。
この比較例に係るシステム１０Ｂは、システム１０Ａにおける圧力損失過大における流量阻害対策だけを考え、GHEXの許容流量以上の流量は第６配管２６に逃がそうとするものであるが、本実施形態と異なり、第６配管２６が、第７配管２７内で全量合流した熱媒の一部を第１配管２１に第６配管２６を通して供給し、残りの熱媒をＧＨＥＸ１１に供給している。そのため、本実施形態の場合に比べると、全量合流させてしまったため直接熱回収はできておらず、さらに例えば採熱量が放熱量に勝っている状況であれば第６配管２６と第８配管２８が合流して第１配管２１に供給される熱媒温度はシステム１０に比べ低下してしまい、冷房運転の効率が低下するとともに、システム１０と同等の設計をしていれば冷房能力不足が生じる可能性もある。

【実施例】

【0037】

上記に説明した制御運転を北海道大学構内に設置したフィールド試験装置により検証を行った。図４にフィールド試験系統図を、表１に試験装置構成機器概要を示す。

【0038】

【表1】

【0039】

フィールド試験装置は主に複数台のＧＳＨＰ１２と、補助熱源機である空気熱源ヒートポンプ(ASHP)、ＧＨＥＸ１１と、任意に設定した暖房・冷房負荷を模擬できる模擬負荷装置(模擬負荷タンクとASHP)と、で構成される。

【0040】

表２に設定負荷を示す。

【0041】

【表2】

【0042】

暖房負荷を15 kW、冷房負荷を9 kW と設定して、2 台のＧＳＨＰ１２の一次側において熱回収が発生するようにした。また、ボアホール地中熱交換器の使用本数は１本とした。

【0043】

図５にＧＳＨＰ１２の出力を、図６にＧＳＨＰ１２の一次側の採放熱量とＧＨＥＸ１１の採放熱量を、図７に一次側の温度変化を示す。

【0044】

図６に示す通りＧＳＨＰ１２の一次側の採放熱量(Qph-hp1、Qhp-hp2、Qph-hp3)の合計値Qph-sum はＧＨＥＸ１１の採放熱量Qghexと同等の値となっており、本制御運転によりＧＳＨＰ１２側の採放熱の余りの分のみがＧＨＥＸ１１の採放熱量となっていることが確認できた。

【0045】

また、図７より、図２に示されるバイパス側の熱回収後の温度TmixとＧＨＥＸ１１出口温度Tpoutとはほぼ等しくなっているため、このことからも本制御の運転状況が良好であることが確認できた。
また、ＧＨＥＸ１１の出入口温度差（TpinとToutとの温度差）も生じており、ＧＨＥＸ１１の採熱も行えていることが確認できた。

【符号の説明】

【0046】

１０ 地中熱利用熱回収ヒートポンプシステム
１１ 地中熱交換器
１２ ヒートポンプ
１３ 配管系統
１４ 制御部
１７ 流量調整部
２１ 第１配管
２２ 第２配管
２３ 第３配管
２４ 第４配管
２５ 第５配管
２６ 第６配管
２７ 第７配管
２８ 第８配管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】