特開 2024-176744 空調システム

(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】P2024176744

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】空調システム

(51)【国際特許分類】

   F24F 5/00 20060101AFI20241212BHJP

   F24F 11/70 20180101ALI20241212BHJP

   F25B 30/06 20060101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

F24F5/00 101A

F24F11/70

F25B30/06 T

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023095522

(22)【出願日】2023-06-09

(71)【出願人】

【識別番号】302060926

【氏名又は名称】株式会社フジタ

(74)【代理人】

【識別番号】110000408

【氏名又は名称】弁理士法人高橋・林アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】金井 泰人

(72)【発明者】

【氏名】滝澤 勇輝

【テーマコード（参考）】

3L054

3L260

【Ｆターム（参考）】

3L054BA06

3L054BF10

3L260AB01

3L260AB06

3L260BA46

3L260CB38

3L260CB40

(57)【要約】

【課題】年間の負荷が冷熱（または温熱）のみを必要とする設備機器に対して、継続的に地中熱を使用することのできる空調システムを提供する。
【解決手段】空調システムは、熱媒体が循環され地盤と熱交換を行う地中熱交換器と、熱媒体が循環され地盤の地中熱を熱源とする空調機と、空調機から熱媒体が循環される設備機器と、を有し、空調機から循環された熱媒体を設備機器で熱変換して低温化させてから地中熱交換器へ循環させる構成を有していてもよく、空調機が吸熱を行うとき設備機器で発熱を行う運転モードを有していてもよい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱媒体が循環され、地盤と熱交換を行う地中熱交換器と、
前記熱媒体が循環され、前記地盤の地中熱を熱源とする空調機と、
前記空調機から前記熱媒体が循環される設備機器と、
を有することを特徴とする空調システム。

【請求項2】

前記空調機から循環された熱媒体を、前記設備機器で熱変換して低温化させてから前記地中熱交換器へ循環させる、請求項１に記載の空調システム。

【請求項3】

前記空調機が吸熱を行うとき、前記設備機器で発熱を行う、請求項２に記載の空調システム。

【請求項4】

前記地中熱交換器の前記地盤からの採熱量および放熱量を計測する熱交換量計測器と、
前記空調機の運転を制御する監視部と、を含み、
前記監視部は、前記熱交換量計測器で計測された採熱量および放熱量を記録し、一定期間において、前記放熱量の積算値および前記採熱量の積算値の一方が他方を上回ると判断されたとき、前記空調機の運転を停止させる、請求項１に記載の空調システム。

【請求項5】

前記熱交換量計測器が、
前記地中熱交換器から前記空調機へ循環される前記熱媒体の温度を計測する第１の温度計と、
前記設備機器から前記地中熱交換器へ循環する前記熱媒体の温度を計測する第２の温度計と、
前記熱媒体の流量を計測する流量計と、
を含む、請求項４に記載の空調システム。

【請求項6】

前記空調機が第１のファンコイルユニットを含み、
前記設備機器が、ヒートポンプと、前記ヒートポンプと熱交換を行う第２のファンコイルユニットと、を含む、請求項１に記載の空調システム。

【請求項7】

前記空調機が第１の部屋に対して設置され、前記設備機器が第２の部屋に対して設置され、
前記空調機は、前記第１の部屋で吸熱を行う、請求項６に記載の空調システム。

【請求項8】

前記第１の部屋に前記地中熱以外を熱源とする第１の補助空調機と、前記第２の部屋に前記地中熱以外を熱源とする第２の補助空調機と、を有する、請求項７に記載の空調システム。

【請求項9】

前記空調機が前記第１の部屋で吸熱運転を行い、前記設備機器が前記第２の部屋で発熱運転を行う第１の運転モードと、
前記空調機が前記第１の部屋で吸熱運転を行い、前記第２の設備機器が停止し、前記第２の補助空調機が前記第２の部屋で吸熱運転を行う第２の運転モードと、
前記空調機および前記設備機器が停止し、前記第１の補助空調機が前記第１の部屋で吸熱運転を行い、前記第２の補助空調機が前記第２の部屋で吸熱運転を行う第３の運転モードと、を含む、請求項８に記載の空調システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は地中熱を継続利用するための空調システムに関する。

【背景技術】

【0002】

地中熱を利用するヒートポンプと、このヒートポンプに接続された負荷機器とを備え、ヒートポンプの出口温度を測定し、出口温度に基づいて地盤に対する採放熱の限界値を設定し、ヒートポンプの稼働を制御する地中熱利用装置が開示されている（特許文献１参照）。この地中熱利用装置によれば、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の運転を制御することで、運転中に地中温度が高く（または低く）なり過ぎて採放熱効率が著しく低下し、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ることを防止することができ、地盤の熱的状況に応じて長期間に渡って安定した運転が実現できるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６－２９２３１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

電気設備が格納されている電気室では変圧器などの機器からの発熱があるため、年間を通して室温を下げる必要がある。このような部屋に対して地中熱を利用した空調システムを構築すると、常に地中に放熱することになるため地中温度が上がり続けてしまうことが問題となる。また、特許文献１開示される地中熱利用装置のように採放熱の限界値を設定すると、採放熱のバランスが直ぐに崩れてしまうので、地中熱を利用した空調システムを長期間継続して稼働できないという問題がある。

【0005】

本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、年間の負荷が冷熱（または温熱）のみを必要とする設備機器に対して、継続的に地中熱を使用することのできる空調システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一実施形態に係る空調システムは、熱媒体が循環され地盤と熱交換を行う地中熱交換器と、熱媒体が循環され地盤の地中熱を熱源とする空調機と、空調機から熱媒体が循環される設備機器と、を有する。

【0007】

本発明の一実施形態において、空調システムは、空調機から循環された熱媒体を設備機器で熱変換して低温化させてから地中熱交換器へ循環させる構成を有していてもよい。

【0008】

本発明の一実施形態において、空調システムは、空調機が吸熱を行うとき設備機器で発熱を行う運転モードを有していてもよい。

【0009】

本発明の一実施形態において、空調システムは、地中熱交換器の地盤からの採熱量および放熱量を計測する熱交換量計測器と、空調機の運転を制御する監視部とを含み、監視部が、熱交換量計測器で計測された採熱量および放熱量を記録し、一定期間において放熱量の積算値および採熱量の積算値の一方が他方を上回ると判断されたとき、空調機の運転を停止させる機能を有していてもよい。

【0010】

本発明の一実施形態において、熱交換量計測器が、地中熱交換器から空調機へ循環される熱媒体の温度を計測する第１の温度計と、設備機器から地中熱交換器へ循環する熱媒体の温度を計測する第２の温度計と、熱媒体の流量を計測する流量計と、を含んでいてもよい。

【0011】

本発明の一実施形態において、空調機が第１のファンコイルユニットを含み、設備機器が、ヒートポンプと、ヒートポンプと熱交換を行う第２のファンコイルユニットとを含んでいてもよい。

【0012】

本発明の一実施形態において、空調機が第１の部屋に対して設置され、設備機器が第２の部屋に対して設置され、空調機は第１の部屋で吸熱を行うものであってもよい。また、第１の部屋に地中熱以外を熱源とする第１の補助空調機が設置され、第２の部屋に地中熱以外を熱源とする第２の補助空調機が設置されていてもよい。

【0013】

本発明の一実施形態において、空調システムは、空調機が第１の部屋で吸熱運転を行い設備機器が第２の部屋で発熱運転を行う第１の運転モードと、空調機が第１の部屋で吸熱運転を行い第２の設備機器が停止し、第２の補助空調機が第２の部屋で吸熱運転を行う第２の運転モードと、空調機および設備機器が停止し第１の補助空調機が第１の部屋で吸熱運転を行い、第２の補助空調機が第２の部屋で吸熱運転を行う第３の運転モードと、を有していてもよい。

【発明の効果】

【0014】

地盤の地中熱を熱源とする空調機と、この空調機から熱媒体が循環される設備機器とが対をなすように空調システムを構築することで、空調機の年間の熱負荷が冷熱のみを必要とする場合であっても、継続的に空調システムを稼働させることができ、地中熱の利用範囲の拡大と最大限の利用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態に係る空調システムの構成を示す図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る空調システムの監視部の構成を示すブロック図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る空調システムの動作を説明する図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る空調システムの動作を説明する図である。

【図5】本発明の一実施形態に係る空調システムの動作を説明する図である。

【図6】本発明の一実施形態に係る空調システムの動作を説明する図である。

【図7】本発明の一実施形態に係る空調システムを稼働することによる地中からの採熱および地中への放熱の関係を説明する図である。

【図8】本発明の一実施形態に係る空調システムの動作を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施の形態を、図面等を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に例示する実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号（または数字の後にＡ、Ｂなどを付した符号）を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。さらに各要素に対する「第１」、「第２」と付記された文字は、各要素を区別するために用いられる便宜的な標識であり、特段の説明がない限りそれ以上の意味を有しない。

【0017】

空調機（空気調和機）とは、対象とする空間の空気の温度、湿度、流量、清浄度などを調節して供給するための機器であるが、本明細書においては、空気の温度調節のみを行う機器も空調機の範疇に含まれるものとする。

【0018】

図１は、本発明の一実施形態に係る地中熱を利用した空調システム１００の構成を示す。空調システム１００は、地盤３００に埋設された地中熱交換器１０２と、この地中熱交換器１０２に接続された第１の空調機１０４と、第１の空調機１０４と対を成すように設置された設備機器１０６と、を有する。地中熱交換器１０２は内部に熱媒体が循環され地盤３００と熱交換する機器であり、第１の空調機１０４は地中熱を熱源として利用する機器である。

【0019】

地中熱交換器１０２は、地表から地下１０ｍから２００ｍ程度の深さに埋設される。地中熱交換器１０２は熱媒体が流れることで地中３０２に対して採熱または放熱する流路を有する。地中熱交換器１０２の流路は、熱媒体が地上から地中３０２に向かって流れると共に、再び地上に向けて流れ出るように構成されている。地中熱交換器１０２の流路は、Ｕ字型であってもよいし、螺旋状の流路であってもよいし、メアンダ状に屈曲した流路であってもよいし、水平型の流路であってもよい。

【0020】

熱媒体は機器を加熱または冷却して目的の温度に制御するため、外部の熱源と機器との間での熱を移動させる為に使用される流体である。熱媒体は、例えば、水であってもよいし、水にエチレングリコールなどの不凍物質が添加された不凍液であってもよい。

【0021】

地中熱交換器１０２は、流路に熱媒体が流れることで、地中３０２に対して熱を放出（放熱）し、または地中３０２から熱を採取（採熱）する機能を有する。なお、本実施形態において地中３０２とは、地下９ｍ前後から２００ｍ程度の深さの地中を指し、地中熱とはこの深さ範囲の地中にある熱を指す。なお、地中熱は季節に関わりなく年間を通して一定であり、地域により違いがあるものの、例えば関東地方では年間を通して１７℃前後である。したがって、地上の外気温に比べて地中熱は、夏期において外気温より低く冬期において外気温より高いといった特徴を有する。

【0022】

空調システム１００は、地中熱交換器１０２、第１の空調機１０４、および設備機器１０６の間で熱媒体が循環するように接続された構成を有している。図１は、説明のため、熱媒体が流れる流路を、第１の配管１１２Ａ、第２の配管１１２Ｂ、第３の配管１１２Ｃと示す。第１の配管１１２Ａは、地中熱交換器１０２と第１の空調機１０４との間を繋ぐ流路を形成し、第２の配管１１２Ｂは、第１の空調機１０４と設備機器１０６との間を繋ぐ流路を形成し、第３の配管１１２Ｃは、設備機器１０６と地中熱交換器１０２との間を繋ぐ流路を形成する。なお、図１には図示されないが、第１の配管１１２Ａ、第２の配管１１２Ｂ、および第３の配管１１２Ｃの中の少なくとも１箇所に、熱媒体を循環させる循環ポンプが設けられている。

【0023】

第１の部屋２０１は建築物の内部に設置される部屋である。第１の部屋２０１は、建築物の地上階に設置される部屋であってもよいし、地下階に設置される部屋であってもよい。図示されないが、第１の部屋２０１には発熱源となる機器または設備が設置されている。例えば、第１の部屋２０１は、電気設備が設置された電気室であってもよいし、サーバーやネットワーク機器、ストレージデバイスが設置されたデータセンターの部屋であってもよいし、発熱を伴う工作機械が設置された工場の作業場であってもよい。第１の部屋２０１は、発熱源となる機器や機械が設置されていることにより、室温を所定の温度に保つために（別言すれば室内が高温にならないようにするために）、年間を通して室内を冷やす（冷房する）必要がある部屋である。

【0024】

第１の部屋２０１と対を成すように第２の部屋２０２が存在する。第２の部屋２０２は、第１の部屋２０１と同じ建築物の中にあってもよいし、別の建築物に設置される部屋であってもよい。また、第２の部屋２０２は、第１の部屋２０１と同様に地上階にあってもよいし、地下階にあってもよい。第２の部屋２０２の構成は任意であるが、少なくとも熱機器が設置された部屋である。別言すれば、第２の部屋２０２は、熱交換器により発生する熱を利用する機器が設置された部屋である。また、第２の部屋２０２は、冬期に暖房、夏期に冷房が行われ室内の温度が調整さされる部屋である。

【0025】

なお、図１は、第１の部屋２０１および第２の部屋２０２がそれぞれ１つの部屋として示されているが、第１の部屋２０１および第２の部屋２０２は、それぞれ複数の部屋の総称として用いられもよい。また、第１の部屋２０１と第２の部屋２０２とは、１対１で対応していてもよいし、多対１または１対多で対応していてもよい。すなわち、１つの第１の部屋２０１に対して複数の第２の部屋２０２が設置されていてもよいし、複数の第１の部屋２０１に対して１つの第２の部屋２０２が設置されていてもよい。

【0026】

第１の部屋２０１には、地中熱を熱源とする第１の空調機１０４が設置される。また、第１の部屋２０１には、地中熱を熱源としない第１の補助空調機１１４が設置される。第１の空調機１０４および第１の補助空調機１１４は、第１の部屋２０１で吸熱（冷房）を行うために設置される。第１の空調機１０４と第１の補助空調機１１４とは補完的な関係を有する。すなわち、第１の補助空調機１１４は、第１の空調機１０４が稼働しないとき、第１の部屋２０１の吸熱（冷房）を代替するために設置されている。第１の補助空調機１１４は、地中熱以外を熱源とし稼働される空調機である。

【0027】

第１の空調機１０４は、地中熱交換器１０２から熱媒体が循環され、この熱媒体を使って吸熱（冷房）を行う。第１の空調機１０４は、例えば、ファンコイルユニットを含んで構成される。この場合、地中熱交換器１０２からファンコイルユニットに熱媒体が循環されることにより吸熱（冷房）が行われる。なお、第１の空調機１０４は、ファンコイルユニットを有するものに限定されず、第１の部屋２０１で吸熱を行い、その熱を熱媒体に移動させて取り出すことのできる機器であれば他の構成が適用されてもよい。

【0028】

また、第１の部屋２０１は、冷蔵庫また冷凍庫に置き換えられてもよく、この場合、第１の空調機１０４は地中熱を熱源とする第１の冷蔵装置に置き換え、第１の補助空調機１１４は地中熱を熱源としない第１の補助冷蔵装置に置き換えることができる。

【0029】

第２の部屋２０２には、地中熱を熱源とする設備機器１０６が設置される。また、第２の部屋２０２には、地中熱を熱源としない補助設備機器１１６が設置される。図１に示すように、第２の部屋２０２に設置される設備機器１０６は、例えば、ヒートポンプ１０６２と、ヒートポンプ１０６２と接続された第２の空調機１０６４であってもよい。また、第２の空調機１０６４に代えて（すなわち空調機に代えて）、給湯器であってもよい。いずれにしても、設備機器１０６は、第１の空調機１０４から循環された熱媒体の熱を利用する機器であればよく、例えば、ヒートポンプ１０６２などの熱交換器と、熱交換器で発生した熱を消費する機器、装置または設備であることが好ましい。第２の部屋２０２に設置される補助設備機器１１６は、設備機器１０６の機能を代替するものであり、例えば、地中熱を熱源としない第２の補助空調機１１６であってもよい。また、第２の補助空調機１１６に代えて、補助給湯器であってもよい。いずれにしても、補助設備機器１１６は、地中熱を熱源とせず電力や燃料油で稼働される機器、装置または機械であることが好ましい。第２の部屋２０２に設置される設備機器１０６と補助設備機器１１６とは補完的な関係にある。第２の補助空調機１１６は、例えば、第２の空調機１０６４が稼働しない（できない）とき第２の部屋の空調を行うために配置される。

【0030】

第２の部屋２０２に配置される設備機器１０６には、第１の空調機１０４から熱媒体が循環される。設備機器１０６は、第１の空調機１０４で発生した熱を利用する機器である。図１は、第１の空調機１０４から第２の配管１１２Ｂにより熱媒体がヒートポンプ１０６２に循環する構成を示す。ヒートポンプ１０６２は、冷媒（ガス）を循環させる冷媒配管と、冷媒配管中の冷媒を圧縮する圧縮機１０６６と、冷媒配管の中の冷媒を膨張させる膨張弁１０６７と、第１の空調機１０４から循環される熱媒体を用いて冷媒を凝縮または蒸発させる一次凝縮蒸発器１０６８と、圧縮機１０６６で圧縮された高温の冷媒を凝縮させて第２の空調機１０６４から循環される熱媒水に熱を供給する二次凝縮蒸発器１０６９とを含む。ヒートポンプ１０６２は、第１の空調機１０４から循環された熱媒体の熱を一次凝縮蒸発器１０６８で熱交換し、冷却された熱媒体を第３の配管１１２Ｃを通して地中熱交換器１０２に循環させる。そして、ヒートポンプ１０６２で熱交換された熱を第２の空調機１０６４が利用して第２の部屋２０２の発熱（暖房）を行う。

【0031】

ところで、第１の部屋２０１が電気室である場合、吸熱（冷房）を行わないと室温が４０℃以上となる。換気設備のみで排熱することも考えられるが、発熱負荷が大きい場合や建物の奥深い位置に配置させる場合は、ダクトサイズや換気設備の容量が大きくなることから配置することは困難である。そこで、第１の部屋２０１を、第１の空調機１０４によって吸熱（冷房）することとなるが、電気設備は通年稼働するため第１の空調機１０４も年間を通して吸熱（冷房）運転される。したがって、第１の空調機１０４が地中熱を熱源し、発生した熱量を全て地中３０２で採放熱した場合、地中３０２から採熱する熱量よりも放熱する熱量の方が過剰となってしまう。

【0032】

そこで、本実施形態の空調システム１００では、第１の空調機１０４で発生した熱を、第２の部屋２０２に設置された設備機器１０６で有効利用して、その後、地中熱交換器１０２が地中３０２へ採放熱するように構成されている。さらに、空調システム１００は、設備機器１０６を稼働することによってでは、採放熱量のバランスがとれないと判断されたとき、および第１の部屋２０１に設置された室内温湿度計１１１の温度及び湿度、熱媒体の温度、熱媒体の流量などに基づいて、第１の空調機１０４の吸熱（冷房）能力では第１の部屋２０１の室温を所定の範囲に保つことができないと判断されたときには、第１の補助空調機１１４および補助設備機器１１６を稼働させて、地中熱の利用を停止するように構成されている。

【0033】

地中への放熱量および採熱量のバランスをとるためには、空調システム１００の稼働による地中への放熱量および採熱量を知る必要がある。そこで、空調システム１００には、地中熱交換器１０２から循環される熱媒体の流入口である第１の配管１１２Ａに第１の温度計１０８２が設けられ、熱媒体の地中への流出口である第３の配管１１２Ｃに、第２の温度計１０８４と流量計１０８６とが設けられている。第１の温度計１０８２は、地中熱交換器１０２から流れ出る熱媒体の温度を測定するために設けられ、第２の温度計１０８４は、設備機器１０６から流れ出る熱媒体の温度を測定するために設けられ、流量計１０８６は、地中熱交換器１０２に流れ込む熱媒体の流量を測定するために設けられている。このような構成により、第１の温度計１０８２と第２の温度計１０８４で測定された熱媒体の温度差を知ることができ、流量計１０８６により熱媒体の流量を知ることができ、地中熱交換器１０２が地盤３００と熱交換する熱量を求めることができる。

【0034】

図１に示すように、空調システム１００は、地中熱交換器１０２が地盤３００と熱交換する熱量を求め、それに基づいて稼働状態を制御する監視部１１０を有する。監視部１１０は、第１の温度計１０８２、第２の温度計１０８４、および流量計１０８６が計測したデータに基づいて、第１の空調機１０４、設備機器１０６、第１の補助空調機１１４、補助設備機器１１６の運転を制御する機能を有する。

【0035】

図２はブロック図であり、監視部１１０の構成の一例を示す。監視部１１０は、Ａ／Ｄ変換部１１０１、データ記憶部１１０２、熱量計算部１１０３、空調能力計算部１１０４、判定部１１０５、制御部１１０６を含む。Ａ／Ｄ変換部１１０１は、第１の温度計１０８２、第２の温度計１０８４、および流量計１０８６から出力されるアナログ信号が入力され、その信号をデジタル信号に変換し、データ記憶部１１０２に出力する機能を有する。データ記憶部１１０２は、室内温湿度計１１１の測定データ、第１の温度計１０８２の測定データ、第２の温度計１０８４の測定データ、および流量計１０８６の測定データが格納される。熱量計算部１１０３は、第１の温度計１０８２の測定データ、第２の温度計１０８４の測定データ、および流量計１０８６の測定データから熱量を計算する機能を有する。判定部１１０５は、熱量計算部１１０３で計算された熱量に基づいて、地中からの採熱、地中への放熱のバランスが崩れているか否かを判定し、制御部１１０６はこの判定結果に基づいて第１の部屋２０１の第１の空調機１０４および第１の補助空調機１１４の運転状態、並びに第２の部屋２０２の設備機器１０６および補助設備機器１１６の運転状態を制御する（または、各機器の運転状態を制御するための制御信号を出力する）機能を有する。

【0036】

熱量計算部１１０３が計算する熱量は、時間単位、日単位、週単位、月単位、半年単位、または年単位で算出される積算熱量である。熱量計算部１１０３は、例えば、地中への熱量が放出される場合をプラス、地中から熱量が採熱される場合をマイナスとして計算する。判定部１１０５は、前述のような一定期間内で積算熱量の収支がプラス側またはマイナス側に過剰にシフトしているか否かを判定する。すなわち、判定部１１０５は、熱量計算部１１０３で計算された結果に基づいて、熱量が過剰に地中に放熱されているかまたは過剰に採熱されているか判定する機能を有する。判定部１１０５は、また、判定のための基準値を用い、地中に採放熱された熱量（積算熱量）が基準値の範囲内であるか否かに基づいて判定を行ってもよい。

【0037】

制御部１１０６は、判定部の判定結果に基づいて、空調システム１００の運転モードを切り替える制御を行う。例えば、判定部１１０５が地中への放熱量が過剰になると判定した場合に、制御部１１０５は第１の空調機１０４の運転を停止させ、第１の補助空調機１１４の運転に切り替える制御を行う。また、判定部１１０５が地中への採熱量が過剰になると判定した場合、制御部１１０５は第１の空調機１０４および設備機器１０６の運転を停止させ、第１の補助空調機１１４および補助設備機器１１６の運転に切り替える制御を行う。

【0038】

空調能力計算部１１０４は、第１の部屋２０１に設置された室内温湿度計１１１の温度および湿度と、第１の配管１１２Ａに第１の温度計１０８２で測定された熱媒体の温度から、第１の空調機１０４の空調能力を推定する機能を有する。判定部１１０５は、空調能力計算部１１０４で計算された第１の空調機１０４の空調能力によって、第１の部屋２０１の温度および湿度を所定の範囲内に空調できるか否かを判断する機能を有していてもよい。制御部１１０６は、判定部１１０５において空調能力有りと判定された場合には、第１の空調機１０４の運転を継続する判断をし、空調能力なしと判定された場合には、第１の補助空調機１１４を稼働させる制御を行う機能を有していてもよい。

【0039】

図２に示すような監視部１１０の機能は、Ａ／Ｄ変換回路、コンピュータ、空調機の運転を制御する制御盤などのハードウェア資源と、コンピュータで実行される制御プログラムなどのソフトウェア資源により実現される。なお、図１は、監視部１１０が、地中熱交換器１０２によって地中３０２へ採放熱される熱量を監視し、機器の運転を制御する態様を示すが、本実施形態の空調システム１００はこの態様に限定されない。例えば、監視部１１０は、地中熱交換器１０２の採放熱量のデータ収集のみを行い（Ａ／Ｄ変換部１１０１およびデータ記憶部１１０２の機能に相当）、採放熱された熱量の計算や採放熱量のバランスについての判断（熱量計算部１１０３および判定部１１０５の機能に相当）は、ネットワークで接続されたコンピュータによって随時行われてもよい。

【0040】

本実施形態に係る空調システム１００は、少なくとも３の運転モードを有する。以下に、各運転モードを説明する。なお、以下の説明において、設備機器１０６は、ヒートポンプ１０６２と第２の空調機１０６４で構成され、補助設備機器１１６が第２の補助空調機で構成される場合を示す。

【0041】

［第１実施形態］
本実施形態は、上記で説明したように、第１の部屋２０１に発熱源となる機器、機械が設置されていることにより、第１の部屋２０１に設置された第１の空調機１０４が年間を通して吸熱（冷房）を行う場合の運転モードについて示す。

【0042】

第１の運転モード
図３は、第１の運転モードを示す。第１の運転モードは、冬期に適用される運転モードである。第１の運転モードは、第１の空調機１０４が吸熱（冷房）運転され、第２の空調機１０６４が発熱（暖房）運転され、第１の補助空調機１１４および第２の補助空調機１１６は停止した状態となる。この第１の運転モードでは、地中熱交換器１０２が地中３０２の熱を採熱し、第１の部屋２０１の室温よりも低い温度に冷やされた熱媒体が第１の空調機１０４に循環される。第１の空調機１０４は、地中熱交換器１０２から循環された熱媒体によって第１の部屋２０１で吸熱（冷房）を行う。熱媒体は、例えば、地中の温度が１７℃である場合、地中熱交換器１０２が採熱することにより同程度の温度に暖められた状態となる。

【0043】

第１の空調機１０４は、例えば、ファンコイルユニットを有し、熱媒体がファンコイルユニットに循環されて吸熱（冷房）を行う。第１の部屋２０１は、前述のように、電気室などであり発熱源があることにより吸熱（冷房）が必要とされている。第１の空調機１０４に循環される熱媒体は第１の部屋２０１の室温より低い温度であるので、この熱媒体の熱を利用して吸熱（冷房）を行うことができる。

【0044】

熱媒体は第１の空調機１０４から設備機器１０６に循環される。熱媒体は第１の空調機１０４で暖められ温度が上昇している。第２の部屋２０２に配置された設備機器１０６は、この熱媒体の熱を利用して発熱（暖房）を行う。具体的には、熱媒体が第１の空調機１０４からヒートポンプ１０６２の一次凝縮蒸発器１０６８へ循環されて熱変換が行われる。

【0045】

ヒートポンプ１０６２において、一次凝縮蒸発器１０６８は、膨張弁１０６７で膨張された冷媒と循環された熱媒体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１０６６で圧縮されさらに高温にされた後、二次凝縮蒸発器１０６９へ送られる。二次凝縮蒸発器１０６９は、圧縮機１０６６から送られた冷媒と、第２の空調機１０６４から循環された熱媒体との間で熱交換を行い、その熱媒体を加熱して冷媒を凝縮させる。そして、第２の空調機１０６４は加熱された熱媒体によって発熱し、第２の部屋２０２の暖房を行う。ヒートポンプ１０６２では、凝縮されて冷却された冷媒が膨張弁１０６７で再度膨張されてさらに温度が低下した状態で一次凝縮蒸発器１０６８へ送られる。そして第１の空調機１０４から循環された熱媒体との間で熱交換が行われる。

【0046】

第１の空調機１０４から設備機器１０６へ循環された熱媒体は、ヒートポンプ１０６２で熱を奪われて（冷却されて）地中熱交換器１０２に循環される。熱媒体は地中の温度より低い温度に冷やされているので、地中熱交換器１０２は地中３０２から採熱を行う。そして、採熱により地中温度にまで暖められた熱媒体が第１の空調機１０４へ循環される。

【0047】

以上のような一連の動作により、第１の空調機１０４により第１の部屋２０１で吸熱（冷房）が行われ、第２の空調機１０６４が発熱することにより第２の部屋２０２が暖房される。第１の運転モードは、季節が冬期であれば一定期間継続して運転が行われる。第１の運転モードでは、地中熱交換器１０２が地中３０２から熱を奪う採熱の状態となる。図７（Ａ）は、この状態を模式的に示すグラフであり、横軸を時間軸、縦軸のプラス側を放熱、マイナス側を採熱とすると、一定期間採熱が行われる状態となる。

【0048】

なお、第１の運転モードにおいて、熱媒体が循環する順番が逆であってもよい。すなわち、図４に示すように、熱媒体が、地中熱交換器１０２から設備機器１０６、第１の空調機１０４の順に循環されてもよい。この場合、設備機器１０６では、第２の空調機１０６４が発熱（暖房）運転されており、ヒートポンプ１０６２の一次凝縮蒸発器１０６８では地中熱交換器１０２から循環された熱媒体が、ヒートポンプの冷媒と熱交換され冷却される。熱媒体は第１の空調機１０４に循環される。第１の空調機１０４では、第２の配管１１２Ｂの経路に設けられた第３の温度計１０８８によって熱媒体の温度を測定し、吸熱（冷房）運転が可能か否かを監視部１１０で判断される。第１の空調機１０４は吸熱（冷房）運転されているとき、吸熱により熱媒体の温度が上昇した状態で地中熱交換器１０２に循環する。地中熱交換器１０２では熱媒体の熱が地中３０２へ放熱される。このように、熱媒体が循環する順番を逆転させることによっても、第１の部屋２０１で吸熱（冷房）を行い、第２の部屋２０２で発熱（暖房）を行うことができる。

【0049】

第２の運転モード
図５は、第２の運転モードを示す。第２の運転モードは、夏期または冬期に適用されることがある運転モードである。第２の運転モードは、第１の空調機１０４が吸熱（冷房）運転され、第２の空調機１０６４が停止され、第１の補助空調機１１４が停止され、第２の補助空調機１１６は吸熱（冷房）運転または発熱（暖房）運転される状態となっている。第２の運転モードでは、地中熱交換器１０２が地中３０２へ熱を放熱し、第１の部屋２０１の室温よりも低い温度に冷やされた熱媒体が第１の空調機１０４に循環される。第１の空調機１０４は、地中熱交換器１０２から循環された熱媒体によって第１の部屋２０１の吸熱（冷房）を行う。熱媒体は、例えば、地中３０２の温度が１７℃である場合、地中熱交換器１０２の放熱により同程度の温度に冷却される。

【0050】

第１の空調機１０４は、第１の運転モードと同様に吸熱（冷房）運転されるので、第１の補助空調機１１４は停止した状態にある。熱媒体は第１の空調機１０４から設備機器１０６に循環されるが、第２の運転モードでは設備機器１０６が停止した状態にある。第１の空調機１０４から設備機器１０６に循環した熱媒体は、ヒートポンプ１０６２で熱交換されずそのまま地中熱交換器１０２に循環される。したがって、地中熱交換器１０２には、第１の空調機１０４で温度が地中温度よりも上昇した熱媒体が循環される。そして、熱媒体が循環された地中熱交換器１０２は地中３０２へ熱を放熱する。

【0051】

なお、第２の部屋２０２では、第２の空調機１０６４が停止した状態であり、第２の補助空調機１１６により吸熱（冷房）または発熱（暖房）運転が行われる。なお、図示はされないが、第２の運転モードでは、第２の補助空調機１１６も停止した状態となっていてもよい。

【0052】

以上のような一連の動作により、第１の空調機１０４により第１の部屋２０１が吸熱（冷房）され、第２の補助空調機１１６により第２の部屋２０２が吸熱（冷房）または発熱（暖房）される。第２の運転モードは、夏期及び冬期において一定期間継続して運転を行うことができる。第２の運転モードでは、地中熱交換器１０２が地中３０２へ熱を放出する放熱の状態となる。図７（Ｂ）は、第１の運転モードから第２の運転モードに切り替わり継続的に第１の空調機１０４が吸熱（冷房）運転される状態を模式的に示すグラフであり、地中３０２へ一定期間放熱される状態を示す。

【0053】

第１の運転モードおよび第２の運転モードは、地中３０２からの採熱量と地中３０２への放熱量が同じであるか、または同程度になるまで運転することができる。例えば、図７（Ｂ）に示すように、第１の運転モードにより所定の採熱量がある場合、第２の運転モードは、その採熱量と同じまたは同程度の放熱量になるまで運転をすることが可能である。このように、空調システム１００を稼働するときに、地中３０２からの採熱量と地中３０２への放熱量のバランスがとれるように運転モードを切り替えて運用することで、地中の温度上昇を抑えることができる。

【0054】

第３の運転モード
図６は、第３の運転モードを示す。第３の運転モードは、夏期または冬期に適用されることがある運転モードである。第２の運転モードは、第１の空調機１０４が停止され第１の補助空調機１１４が吸熱（冷房）運転され、設備機器１０６（第２の空調機１０６４）が停止され、第２の補助空調機１１６は吸熱（冷房）運転または発熱（暖房）運転される状態を有する。第３の運転モードは、第１の空調機１０４および設備機器の運転が行われないため、地中熱交換器１０２において地中３０２への放熱および地中３０２からの採熱が行われない。第３の運転モードは、地中３０２からの採熱量と地中３０２への放熱量のバランスがとれなくなったときに適用される運転モードとなる。

【0055】

図７（Ｃ）は、第３の運転モードによる地中３０２からの採熱量と地中３０２への放熱量の関係を模式的に示す。第３の運転モードでは、前述のように地中３０２への採放熱が行われず、仮に第１の空調機１０４を吸熱（冷房）運転したとすれば地中へ放出される熱量（図中点線で示す部分）を、第１の補助空調機１１４によって代替している。このように、第１の補助空調機１１４を用いることで、地中３０２に対する採熱量のバランスが崩れてしまう場合であっても、第１の部屋２０１の吸熱（冷房）を続けることができる。

【0056】

なお、採熱量と地中への放熱量のバランスは、日単位、週単位、または月単位で判断することもできるが、半年単位、年単位、または数年単位で比較し考慮することができる。

【0057】

以上のように、本発明の一実施形態に係る空調システム１００によれば、地盤３００の地中熱を熱源とする第１の空調機１０４と、第１の空調機１０４から熱媒体が循環される設備機器１０６とが組み合わされ、さらに地中熱を熱源としない第１の補助空調機１１４および補助設備機器１１６を備えた構成とすることで、第１の空調機１０４が年間を通して吸熱（冷房）のみを行う場合であっても、継続的に空調システム１００を稼働させることができ、地中温度が変動しないようにして地中熱を最大限有効利用することが可能となる。

【0058】

［第２実施形態］
本実施形態は、第１の部屋２０１に設置された第１の空調機１０４が年間を通して発熱（暖房）を行う場合の運転モードについて示す。

【0059】

図８は、第４の運転モードを示す。第４の運転モードは夏期に適用される運転モードである。第４の運転モードは、第１の空調機１０４が発熱（暖房）運転され、第２の空調機１０６４が吸熱（冷房）運転され、第１の補助空調機１１４および第２の補助空調機１１６は停止した状態となる。

【0060】

第４の運転モードでは、地中熱交換器１０２が地中３０２の熱を採熱し、第２の部屋２０２の室温よりも低い温度に冷やされた熱媒体がヒートポンプ１０６２に循環される。ヒートポンプ１０６２の一次凝縮蒸発器１０６８では、圧縮機１０６６で圧縮され高温になった冷媒と、地中熱交換器１０２から循環された熱媒体との間で熱交換が行われる。熱交換された冷媒は、膨張弁１０６７で膨張され温度が低下されたあと二次凝縮蒸発器１０６９へ送られる。二次凝縮蒸発器１０６９は、膨張弁１０６７から送られた冷媒と、第２の空調機１０６４から循環された熱媒体との間で熱交換を行い、その熱媒体を冷却し冷媒を蒸発させる。そして、第２の空調機１０６４は冷却された熱媒体によって吸熱し、第２の部屋２０２の冷房を行う。

【0061】

ヒートポンプ１０６２では、蒸発されて温度が上層した冷媒が圧縮機１０６６で再度圧縮されて高温になった状態で一次凝縮蒸発器１０６８へ送られる。そして地中熱交換器１０２から循環された熱媒体との間で熱交換が行われる。一次凝縮蒸発器１０６８で熱交換され、温度が上昇した熱媒体は第１の空調機１０４へ循環する。第１の空調機１０４では、ヒートポンプ１０６２から循環された熱媒体によって発熱（暖房）を行う。そして、温度が低下した熱媒体は地中熱交換器１０２へ循環され、地中熱が採熱される。

【0062】

以上のような一連の動作により、第４の運転モードでは、第２の空調機１０６４により第２の部屋２０２で吸熱（冷房）が行われ、第１の空調機１０４で発熱（暖房）が行われることにより、地中熱交換器１０２では地中熱の採熱が行われる。

【0063】

第４の運転モードは、第１の部屋において年間を通して暖房が必要であったり、温熱利用をする機器又は設備が設置されていたりする場合に適用することができる。例えば、第１の部屋２０１が温室であったり、温泉、温水プールなど年間を通して給湯が必要であったりする場合に適用される。温泉、温水プールなどの場合には、第１の空調機１０４を、第１の給湯器などに置き換えることができる。

【0064】

なお、本実施形態においても、地中への採放熱量のバランスがとれないと判断されたときは、第３の運転モードに切り替えることができる。この場合、第１の補助空調機１１４は、第１の補助給湯器などに置き換えることができる。

【0065】

以上において開示された例示的な実施形態の全体または一部は、以下の補足的な説明として説明することができるが、本発明の一実施形態はこれに限定されない。

【0066】

（付記１）
地中に埋設された地中熱交換器と、第１の室内を吸熱（冷房）する第１の空調機と、前記地中熱交換器と前記第１の空調機とを接続し熱媒体を循環させる第１の配管と、第２の室内の暖房を行う第２の空調機と、前記第１の空調機から前記第２の空調機へ前記熱媒体を循環させる第２の配管と、前記第２の空調機から前記地中熱交換器へ前記熱媒体を循環させる第３の配管と、を含む空調システム。

【0067】

（付記２）
前記第１の空調機は第１のファンコイルユニットを有し、前記熱媒体が前記第１のファンコイルユニットに循環される、付記１に記載の空調システム。

【0068】

（付記３）
前記第１の空調機から前記熱媒体が循環されるヒートポンプを有し、前記第２の空調機が、前記ヒートポンプと熱交換をして発熱する、付記２に記載の空調システム。

【0069】

（付記４）
前記第１の空調機が第１の部屋に対して設置され、前記第２の空調機が第２の部屋に対して設置され、前記第１の空調機が前記第１の部屋で吸熱（冷房）を行う、付記３に記載の空調システム。

【0070】

（付記５）
前記第１の部屋に前記地中熱以外を熱源とする第１の補助空調機器と、前記第２の部屋に前記地中熱以外を熱源とする第２の補助空調機器と、を有する、付記４に記載の空調システム。

【符号の説明】

【0071】

１００：空調システム、１０２：地中熱交換器、１０４：第１の空調機、１０６：設備機器、１０６２：ヒートポンプ、１０６４：第２の空調機、１０６６：圧縮機、１０６７：膨張弁、１０６８：一次凝縮蒸発器、１０６９：二次凝縮蒸発器、１０８：熱交換量計測器、１０８２：第１の温度計、１０８４：第２の温度計、１０８６：流量計、１０８８：第３の温度計、１１０：監視部、１１０１：Ａ／Ｄ変換部、１１０２：データ記憶部、１１０３：熱量計算部、１１０４：空調能力計算部、１１０５：判定部、１１０６：制御部、１１１：室内温湿度計、１１２Ａ：第１の配管、１１２Ｂ：第２の配管、１１２Ｃ：第３の配管、１１４：第１の補助空調機、１１６：補助設備機器（第２の補助空調機）、２０１：第１の部屋、２０２：第２の部屋、３００：地盤、３０２：地中

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】