特許 7504410 制御装置、地中熱利用システム、制御方法、及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-14

(45)【発行日】2024-06-24

(54)【発明の名称】制御装置、地中熱利用システム、制御方法、及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   F24T 10/20 20180101AFI20240617BHJP

   F25B 30/06 20060101ALI20240617BHJP

   F28D 20/00 20060101ALI20240617BHJP

【ＦＩ】

F24T10/20

F25B30/06 T

F28D20/00 A

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022057820

(22)【出願日】2022-03-31

(65)【公開番号】P2023149312

(43)【公開日】2023-10-13

【審査請求日】2023-10-25

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】516299338

【氏名又は名称】三菱重工サーマルシステムズ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】519135633

【氏名又は名称】公立大学法人大阪

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(74)【代理人】

【識別番号】100161702

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100189348

【弁理士】

【氏名又は名称】古都 智

(74)【代理人】

【識別番号】100196689

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 康一郎

(72)【発明者】

【氏名】三原 伸治

(72)【発明者】

【氏名】崔 林日

(72)【発明者】

【氏名】坂井 正頌

(72)【発明者】

【氏名】山口 徹

(72)【発明者】

【氏名】竹中 悠

(72)【発明者】

【氏名】中尾 正喜

【審査官】広瀬 雅治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１７３２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－３２５６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１１５０１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－００４７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０８５６４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２４７４９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２４Ｔ １０／２０

Ｆ２５Ｂ ３０／０６

Ｆ２８Ｄ ２０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

温水井戸と冷水井戸とを備える熱源井戸設備を、前記温水井戸及び前記冷水井戸の各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくするように制御する物質平衡制御部と、
加熱装置及び冷却装置のうち、少なくとも一方を含む蓄熱補助設備を、前記温水井戸及び前記冷水井戸の両方の井戸の前記年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくするように制御する熱平衡制御部と、
を備え、
前記物質平衡制御部が、前記年間の各運転期間における揚水又は還水すべき設定体積を算出する体積算出部と、前記設定体積に基づき、前記熱源井戸設備を操作する井戸設備操作部と、を備え、
前記熱平衡制御部が、前記各運転期間における還水すべき設定温度を算出する温度算出部と、前記設定温度に基づき、前記蓄熱補助設備を操作する補助設備操作部と、を備える制御装置。

【請求項2】

前記温度算出部が、前期の還水履歴から揚水温度応答を求めるモデル式により、前記揚水温度応答の還水重み付け平均値を算出する第一算出部を備える請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記温度算出部が、前記第一算出部で算出した前記揚水温度応答から次期の還水温度を算出する第二算出部を備える請求項２に記載の制御装置。

【請求項4】

前記加熱装置が、太陽熱集熱器を含む請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項5】

前記冷却装置が、冷却塔を含む請求項１から４のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項6】

前記熱源井戸設備が、前記温水井戸と前記冷水井戸と接続する配管をさらに備え、
熱負荷と前記配管内との間に設けられているヒートポンプと、
前記配管内の水と前記ヒートポンプ側及び前記蓄熱補助設備側の媒体との間で、熱交換を行う熱交換器と、
をさらに備える
請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか一項に記載の制御装置と、
前記熱源井戸設備と、
前記蓄熱補助設備と、
を備える
地中熱利用システム。

【請求項8】

温水井戸と冷水井戸とを備える熱源井戸設備を、前記温水井戸及び前記冷水井戸の各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくするように制御し、
加熱装置及び冷却装置のうち、少なくとも一方を含む蓄熱補助設備を、前記温水井戸及び前記冷水井戸の両方の井戸の前記年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくするように制御し、
前記揚水体積と前記還水体積とを等しくする制御において、前記年間の各運転期間における揚水又は還水すべき設定体積を算出し、前記設定体積に基づき、前記熱源井戸設備を操作し、
前記揚水熱量と前記還水熱量とを等しくする制御において、前記各運転期間における還水すべき設定温度を算出し、前記設定温度に基づき、前記蓄熱補助設備を操作する
制御方法。

【請求項9】

コンピュータに、
温水井戸と冷水井戸とを備える熱源井戸設備を、前記温水井戸及び前記冷水井戸の各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくするように制御し、
加熱装置及び冷却装置のうち、少なくとも一方を含む蓄熱補助設備を、前記温水井戸及び前記冷水井戸の両方の井戸の前記年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくするように制御し、
前記揚水体積と前記還水体積とを等しくする制御において、前記年間の各運転期間における揚水又は還水すべき設定体積を算出し、前記設定体積に基づき、前記熱源井戸設備を操作し、
前記揚水熱量と前記還水熱量とを等しくする制御において、前記各運転期間における還水すべき設定温度を算出し、前記設定温度に基づき、前記蓄熱補助設備を操作する
ことを実行させる
プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、制御装置、地中熱利用システム、制御方法、及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、井戸に蓄えた蓄熱を利用する地中熱利用システムが提案されている。

【0003】

これに関連する技術として、例えば、特許文献１には、帯水層に延びる複数の井戸に蓄えた温水及び冷水を利用する地中熱利用システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平１１－３２５６５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に開示された地中熱利用システムは、冷房負荷に偏った建物の場合にあっては、冷却塔等を介して温水を冷却し、暖房負荷に偏った建物の場合にあっては、太陽熱等を介して冷水を温めて井戸を回復している。
しかし、特許文献１に開示された地中熱利用システムでは、年間を通じた熱量バランスと体積バランスとを維持できないことがある。

【0006】

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、年間を通じた熱量バランスと体積バランスとを維持しやすい制御装置、地中熱利用システム、制御方法、及びプログラ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】

【0007】

上記課題を解決するために、本開示に係る制御装置は、温水井戸と冷水井戸とを備える熱源井戸設備を、前記温水井戸及び前記冷水井戸の各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくするように制御する物質平衡制御部と、加熱装置及び冷却装置のうち、少なくとも一方を含む蓄熱補助設備を、前記温水井戸及び前記冷水井戸の両方の井戸の前記年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくするように制御する熱平衡制御部と、を備える。

【0008】

本開示に係る制御方法は、温水井戸と冷水井戸とを備える熱源井戸設備を、前記温水井戸及び前記冷水井戸の各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくするように制御し、加熱装置及び冷却装置のうち、少なくとも一方を含む蓄熱補助設備を、前記温水井戸及び前記冷水井戸の両方の井戸の前記年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくするように制御する。

【0009】

本開示に係るプログラムは、コンピュータに、温水井戸と冷水井戸とを備える熱源井戸設備を、前記温水井戸及び前記冷水井戸の各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくするように制御し、加熱装置及び冷却装置のうち、少なくとも一方を含む蓄熱補助設備を、前記温水井戸及び前記冷水井戸の両方の井戸の前記年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくするように制御することを実行させる。

【発明の効果】

【0010】

本開示の制御装置、地中熱利用システム、制御方法、及びプログラムによれば、年間を通じた熱量バランスと体積バランスとを維持しやすい。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本開示の実施形態に係る地中熱利用システムの系統図である。

【図2】本開示の実施形態に係る地中熱利用システムの年間サイクルにおける機能を説明する図である。

【図3】本開示の実施形態に係る制御装置のブロック図である。

【図4】本開示の実施形態に係る制御方法のフローチャートである。

【図5】年間サイクルにおける還水温度と揚水温度の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示に係る実施形態について、図面を用いて説明する。すべての図面において同一または相当する構成には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。

【0013】

＜実施形態＞
本開示に係る地中熱利用システムの実施形態について、図１～図５を参照して説明する。
（地中熱利用システムの構成）
図１に示すように、地中熱利用システム１は、熱源井戸設備１０と、蓄熱補助設備２０と、ヒートポンプ３０と、熱交換器４０と、制御装置５０とを備える。
熱負荷ＬＤ（例：空調負荷）が暖房を利用している時、地中熱利用システム１は、熱源井戸設備１０に蓄えられた温水の温熱を暖房に利用すると同時に排冷熱を蓄える。
熱負荷ＬＤが冷房を利用している時、地中熱利用システム１は、熱源井戸設備１０に蓄えられた冷水の冷熱を冷房に利用すると同時に排温熱を蓄える。

【0014】

（熱源井戸設備の構成）
熱源井戸設備１０は、温水井戸１１と、冷水井戸１２と、配管１３とを備える。

【0015】

温水井戸１１及び冷水井戸１２は、それぞれ、地上から帯水層ＬＹ内に延びている。
温水井戸１１及び冷水井戸１２は、それぞれスクリーンを有するケーシング等を備え、帯水層ＬＹの地下水を取り込んだり、温水井戸１１及び冷水井戸１２の内部から帯水層ＬＹへ地下水を戻したりできるように構成されている。
地中熱利用システム１の定常運転時において、温水井戸１１周辺の帯水層ＬＹには温水が蓄えられ、冷水井戸１２周辺の帯水層ＬＹには冷水が蓄えられている。
温水井戸１１と冷水井戸１２とは、蓄えられた温水と冷水とが混ざらない程度に互いに十分離れた距離に設けられている。

【0016】

地中熱利用システム１において、熱源井戸設備１０は、地下水を、温水井戸１１及び冷水井戸１２のうちの一方から地上にくみ上げ、熱利用及び補助蓄熱のために地上で熱交換を行い、温水井戸１１及び冷水井戸１２のうちの他方に注入する。つまり、熱源井戸設備１０は、温水井戸１１から地下水をくみ上げて冷水井戸１２に注入する場合と、冷水井戸１２から地下水をくみ上げて温水井戸１１に注入する場合の、２つの運転モードを有する。

【0017】

配管１３は、温水井戸１１と冷水井戸１２とを接続する。
配管１３の一端である第一端１３１は、温水井戸１１の内部に延びており、温水井戸１１の内部の地下水に浸漬されている。
配管１３の他端である第二端１３２は、冷水井戸１２の内部に延びており、冷水井戸１２の内部の地下水に浸漬されている。

【0018】

第一端１３１及び第二端１３２の各々には、ポンプＰＰ、調整弁ＲＶ、逆止弁ＣＶ等が設けられており、配管１３内の水の流量を調整できるように構成されている。
ポンプＰＰは、制御装置５０からの指令により、インバータ制御により出力を変更できる。
調整弁ＲＶは、制御装置５０からの指令により、開度を変更できる。

【0019】

（ヒートポンプの構成）
ヒートポンプ３０は、コンデンサ、エバポレータ、コンプレッサ等を備え、熱交換器４０を介して、熱負荷ＬＤと配管１３との間に設けられている。
ヒートポンプ３０は、熱交換器４０で配管１３内の水と熱交換を行った媒体を冷却したり、加熱したりする。これにより、ヒートポンプ３０は、配管１３内の水から得られた温熱又は冷熱を熱負荷ＬＤに利用する一方、熱負荷ＬＤから排出される排温熱又は排冷熱を、熱交換器４０を介して、配管１３内の水に蓄える。

【0020】

（熱交換器の構成）
熱交換器４０は、配管１３内の水とヒートポンプ３０側及び蓄熱補助設備２０側の媒体との間で熱交換する。
具体的には、熱交換器４０は、配管１３内の水として、温水井戸１１からくみ上げられて配管１３内を流れる地下水と、ヒートポンプ３０側及び蓄熱補助設備２０側の媒体との間で熱交換する。熱交換が行われた後の地下水は、熱交換器４０から配管１３内を流れ、冷水井戸１２に注入される。
逆に、熱交換器４０は、配管１３内の水として、冷水井戸１２からくみ上げられて配管１３内を流れる地下水と、ヒートポンプ３０側及び蓄熱補助設備２０側の媒体との間で熱交換する。熱交換が行われた後の地下水は、熱交換器４０から配管１３内を流れ、温水井戸１１に注入される。
熱交換器４０は、地上で延びる配管１３の途中に設けられている。

【0021】

熱交換器４０を経た水が温水の場合、温水井戸１１では温水蓄熱を行う。
熱交換器４０を経た水が冷水の場合、冷水井戸１２では冷水蓄熱を行う。
ここで「温水」とは、帯水層ＬＹの地下水の初期地中温度より高い温度の水のことであり、「冷水」とは、帯水層ＬＹの地下水の初期地中温度より低い温度の水のことである。
例えば、帯水層ＬＹの地下水の初期地中温度は１８℃である。

【0022】

（蓄熱補助設備の構成）
蓄熱補助設備２０は、熱交換器４０で配管１３内の水と熱交換を行った媒体を冷却したり、加熱したりする。
蓄熱補助設備２０は、加熱装置２０１と、冷却装置２０６とを備える。
本実施形態において、加熱装置２０１は太陽熱集熱器２０２を備え、冷却装置２０６は冷却塔２０７を備える。

【0023】

冷却塔２０７は、水を大気と接触させて気化させるときの気化熱を利用し、蓄熱補助設備２０の媒体を冷却する。
これにより、図２に示すように、冬期において、熱負荷ＬＤにおける暖房と同時に冷水井戸１２への蓄冷を行う通常の運転に加え、必要に応じて冷却塔２０７を利用した冷水井戸１２への補助蓄冷が可能となる。

【0024】

太陽熱集熱器２０２は、太陽により水を温めて得られた太陽熱を利用し、蓄熱補助設備２０の媒体を加熱する。
これにより、図２に示すように、夏期において、熱負荷ＬＤにおける冷房と同時に温水井戸１１への蓄熱を行う通常の運転に加え、必要に応じて太陽熱集熱器２０２を利用した温水井戸１１への補助蓄熱が可能となる。

【0025】

（制御装置の構成）
図３に示すように、制御装置５０は、物質平衡制御部５０１と、熱平衡制御部５０５とを機能的に備える。

【0026】

制御装置５０は、ハードウェア構成として、ＣＰＵ５１と、メモリ５２、通信インタフェース５３と、記録媒体５４とを備える。

【0027】

ＣＰＵ５１は、予め用意されたプログラムに従って動作することで種々の機能を発揮するプロセッサである。ＣＰＵ５１の機能については後述する。

【0028】

メモリ５２は、ＣＰＵ５１の動作に必要な記憶領域を有する。

【0029】

通信インタフェース５３は、通信線を介して他の装置と通信可能に接続するための接続インタフェースであり、他の装置に指令を送信したり、他の装置からの応答を受信したりできるように構成されている。

【0030】

記録媒体５４は、制御装置５０の筐体内に設けられたローカルの記録媒体であって、ＨＤＤやＳＳＤなどの大容量記憶デバイスである。

【0031】

次に、制御装置５０のＣＰＵ５１の機能について説明する。
ＣＰＵ５１は、予め用意されたプログラムに従って動作することで、上述のように、物質平衡制御部５０１及び熱平衡制御部５０５としての機能を発揮する。

【0032】

（物質平衡制御部の構成）
物質平衡制御部５０１は、熱源井戸設備１０を、温水井戸１１及び冷水井戸１２の各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくするように制御する。
物質平衡制御部５０１は、体積算出部５０２と、井戸設備操作部５０３とを備える。

【0033】

体積算出部５０２は、年間の各運転期間における各井戸の揚水又は還水すべき設定体積を算出する。
具体的には、体積算出部５０２は、温水井戸１１と冷水井戸１２と別々に、暖房運転期間（例えば冬期の一期間）における設定体積を算出する。
また、体積算出部５０２は、温水井戸１１と冷水井戸１２と別々に、暖房と低温外気との併用の運転期間（例えば冬期の別期間）における設定体積を算出する。
また、体積算出部５０２は、温水井戸１１と冷水井戸１２と別々に、冷房運転期間（例えば夏期）における設定体積を算出する。

【0034】

井戸設備操作部５０３は、算出された設定体積に基づき、熱源井戸設備１０を操作する。
具体的には、各運転期間における各井戸の揚水又は還水の体積が、算出された設定体積となるように、ポンプＰＰ、調整弁ＲＶ等に指令を送り、配管１３内の水の流量を制御する。

【0035】

（熱平衡制御部の構成）
熱平衡制御部５０５は、蓄熱補助設備２０を、温水井戸１１及び冷水井戸１２の両方の井戸の年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくするように制御する。
熱平衡制御部５０５は、温度算出部５０６と、補助設備操作部５０９とを備える。

【0036】

温度算出部５０６は、還水すべき還水温度を算出する。
具体的には、温度算出部５０６は、暖房運転期間（例えば冬期の一期間）における冷水井戸１２への還水温度を算出する。
また、温度算出部５０６は、暖房と低温外気との併用運転期間（例えば冬期の別期間）における冷水井戸１２への還水温度を算出する。
また、温度算出部５０６は、冷房運転期間（例えば夏期の別期間）における温水井戸１１への還水温度を算出する。

【0037】

温度算出部５０６は、第一算出部５０７と、第二算出部５０８とを備える。
第一算出部５０７は、前期の還水履歴から揚水温度応答を求めるモデル式により、揚水温度応答の還水重み付け平均値を算出する。モデル式の詳細については後述する。
第二算出部５０８は、第一算出部５０７で算出した揚水温度応答から次期の還水温度を決定する。

【0038】

補助設備操作部５０９は、温度算出部５０６が算出した還水すべき還水温度に基づき、蓄熱補助設備２０を操作する。
具体的には、各運転期間において加熱が必要な時は、補助設備操作部５０９は、体積算出部５０２で算出された体積で還水しつつ還水温度が算出した還水温度となるように、蓄熱補助設備２０の加熱装置２０１に指令を送り、加熱装置２０１の加熱能力を操作する。
逆に、各運転期間において冷却が必要な時は、補助設備操作部５０９は、体積算出部５０２で算出された体積で還水しつつ還水温度が算出した還水温度となるように、蓄熱補助設備２０の冷却装置２０６に指令を送り、冷却装置２０６の冷却能力を操作する。

【0039】

（制御装置の動作）
本実施形態の制御装置５０の動作について説明する。
制御装置５０の動作は、制御方法の実施形態に相当する。
制御装置５０は、図４に示す各ステップを実施する。

【0040】

まず、物質平衡制御部５０１は、熱源井戸設備１０を、温水井戸１１及び冷水井戸１２の各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくするように制御する（ＳＴ０１：物質平衡制御ステップ）
具体的には、体積算出部５０２は、年間の各運転期間における揚水又は還水すべき設定体積を算出し（ＳＴ０１Ａ：設定体積算出ステップ）、井戸設備操作部５０３は、熱源井戸設備１０を操作する（ＳＴ０１Ｂ：井戸設備操作ステップ）

【0041】

ＳＴ０１の実施と並行して、熱平衡制御部５０５は、蓄熱補助設備２０を、温水井戸１１及び冷水井戸１２の両方の井戸の年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくするように制御する（ＳＴ０２：物質平衡制御ステップ）。
具体的には、温度算出部５０６は、年間の各運転期間における還水すべき設定温度を算出し（ＳＴ０２Ａ：設定温度算出ステップ）、補助設備操作部５０９は、設定温度に基づき、蓄熱補助設備２０を操作する（ＳＴ０２Ｂ：補助設備操作ステップ）。

【0042】

（モデル式の詳細説明）
地中熱利用システム１では、図５に示すようなモデルを構築する。
図５において、縦軸は揚水・還水温度を示し、横軸は揚水・還水体積を示す。
地中熱利用システム１は、還水温度を設定することができ、図５においても蓄熱・蓄冷期間中一定としている。
図５に示すモデルは、夏期冷房負荷が冬期暖房負荷よりも大きい場合を想定している。このため、図５に示すモデルには、暖房運転による蓄冷では足りない冷熱分を補うために冬期における蓄熱補助設備２０の運転が加えられている。もし、夏期冷房負荷が冬期暖房負荷よりも大きい場合、夏期に蓄熱を補う運転が必要となる。
揚水温度は前年度の還水履歴の影響を受けるため、前年度の還水履歴から揚水温度応答を求めるためのモデル式を作成し、次年度運転時の注水温度を決定する。
揚水温度は、揚水期間中徐々に初期地下水温度へ向かって低下又は上昇するが、作成する簡易モデルでは、揚水温度応答を還水重み付け平均値として算出し、使用する。

【0043】

ここで、熱量の正負の定義に関し、帯水層ＬＹへの熱の流入を正とし、帯水層ＬＹからの熱の流出を負とする。
また、各記号を以下のように定義する。
Ｑw,w：冬期の熱量（図５に示す網掛け部の面積）
Ｑw,s：夏期の熱量（図５に示す網掛け部の面積）
Ｔp,w：冬期の温水井戸揚水温度
Ｔi,w,1：冬期の冷水井戸還水温度
Ｔi,s：夏期の温水井戸還水温度
Ｔp,s：夏期の冷水井戸揚水温度
Ｔi,w,2：暖房と低温外気との併用運転期間における平均還水温度
Ｖw,1：暖房運転期間の揚水・還水体積
Ｖw,2：暖房と低温外気との併用運転期間の揚水・還水体積
Ｖw,s：冷房運転期間の揚水・還水体積
Ｖw,w＝Ｖw,1＋Ｖw,2

【0044】

冬期の熱量Ｑw,w（図５に示す網掛け部の面積）は、式（１）となる。

【0045】

【数1】

【0046】

式（１）の右辺第一項は、式（２）となる。

【0047】

【数2】

【0048】

ここで、暖房運転期間におけるＴp,wの平均温度を式（３）のようにおく。

【0049】

【数3】

【0050】

すると、式（２）は式（４）となる。

【0051】

【数4】

【0052】

同様に、暖房と低温外気との併用運転期間におけるＴp,wの平均温度を式（５）のようにおく。

【0053】

【数5】

【0054】

すると、式（１）は式（６）となる。

【0055】

【数6】

【0056】

同様に、夏期の熱量Ｑw,s（図５に示す網掛け部の面積）である式（７）において、式（８）のようにおく。

【0057】

【数7】

【0058】

【数8】

【0059】

すると、式（９）となる。

【0060】

【数9】

【0061】

結果、年間サイクルの式として、式（６）と式（９）が得られる。

【0062】

次に、年間サイクルの物質平衡式は、式（１０）となる。

【0063】

【数10】

【0064】

年間サイクルの熱平衡式は、式（１１）となる。

【0065】

【数11】

【0066】

以上より、熱物質平衡制御は次のように定式化できる。
「年間サイクルにおいて、式（６）、式（９）、式（１０）、式（１１）を満足する、変数Ｔi,w,1、Ｔi,w,2、Ｔi,s、Ｖw,1、Ｖw,2を求めること。」

【0067】

上記で説明した年間熱物質平衡制御を実現するためには、還水履歴から揚水温度応答を得るモデルが必要である。

【0068】

Ｔp,w（冬期の温水井戸揚水温度）は、Ｔi,s（夏期の温水井戸還水温度）から式（１２）に示す関数により求める。

【0069】

【数12】

【0070】

Ｔp,s（夏期の冷水井戸揚水温度）は、Ｔi,w,1（冬期の冷水井戸還水温度）とＴi,w,2（暖房と低温外気との併用運転期間における平均還水温度）とから、式（１３）に示す関数により求める。

【0071】

【数13】

【0072】

各期の熱回収率εは、帯水層ＬＹに同量の水が注入され、そこから揚水されるときの生産エネルギーと投入エネルギーの比として定義される。水のエネルギー量は、帯水層ＬＹの基の周辺温度Ｔ0を基準として定義される。熱回収率εは、式（１４）となる。

【0073】

【数14】

【0074】

式（１４）は、式（１５）のように書くことができる。

【0075】

【数15】

【0076】

無次元温度Ｔ'は、式（１６）のように定義される。

【0077】

【数16】

【0078】

熱回収率の式（１４）は、式（１７）のように表記できる。

【0079】

【数17】

【0080】

還水流量、揚水流量が一定の場合、無次元化揚水温度は、式（１８）となる。

【0081】

【数18】

【0082】

１、２サイクル目の揚水温度応答は、過去のデータから予測することができないため、下記の手順で想定する必要がある。

【0083】

［１］物性値や帯水層条件を設定する。

【0084】

［２］縦分散長と等価熱伝導率から、式（１９）に従って、有効熱伝導率を求める。

【0085】

【数19】

【0086】

［３］式（２０）に示すように、無次元数を求める。

【0087】

【数20】

【0088】

［４］揚水温度データベース（Ｄｏｕｇｈｔｙらによるもの（ＣＨＲＩＳＴＩＮＥ ＤＯＵＧＨＴＹ等，“Ａ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ａｎ Ａｑｕｉｆｅｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ”，ＷＡＴＥＲ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ ＲＥＳＥＡＲＣＨ，１９８２年６月，ＶＯＬ.１８，ＮＯ．３，ｐ． ５７１－５８７）、中尾、仲西によるもの（中尾正喜，仲西琴音等，“帯水層蓄熱システム企画のための揚水温度予測手法（第１報）既往研究の無次元化アプローチと課題”，空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集，公益社団法人 空気調和・衛生工学会，２０２０年，第２巻，ｐ．１６９－１７２））から、無次元数に近い揚水温度データを抽出する。

【0089】

（作用及び効果）
本実施形態によれば、制御装置５０は、各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくでき、両方の井戸の年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくできる。
したがって、制御装置５０は、年間を通じた熱量バランスと体積バランスとを維持しやすい。
加えて、年間を通じたこれらのバランスを維持できれば、還水温度の低下又は上昇が抑制でき、地中の熱塊サイズが安定し、周辺帯水層及び地球環境への影響を抑制できる。
また、自動制御しやすいことで、長期安定した運用が可能であり、帯水層蓄熱利用が普及しやすい。
また、事前に蓄冷運転方式、運転時間等を決めることができるため、蓄熱、消費電力ロス等の縮小が可能となる。
また、簡易的に平均揚水温度変化を求めることにより、制御装置５０は、物質平衡制御及び熱平衡制御を実施しやすい。

【0090】

また、本実施形態の制御装置５０は、年間の各運転期間における揚水又は還水すべき設定体積と還水すべき設定温度を算出し、熱源井戸設備１０と蓄熱補助設備２０とを操作するため、制御装置５０は、熱源井戸設備１０及び蓄熱補助設備２０を、各運転期間の目標となる揚水又は還水すべき体積と還水すべき温度とに設定できる。

【0091】

また、本実施形態の制御装置５０は、第一算出部５０７を備えることにより、蓄熱補助設備２０の利用の有無を含む期間における平均的な還水温度を予測できる。

【0092】

また、本実施形態の制御装置５０は、第二算出部５０８を備えることにより、次期の還水温度を予測できる。

【0093】

また、本実施形態の加熱装置２０１は、太陽熱集熱器２０２を含むことにより、太陽熱のような未利用の自然エネルギーが可能である。

【0094】

また、本実施形態の冷却装置２０６は、冷却塔２０７を含むことにより、低い外気温を利用した蓄冷が可能である。

【0095】

また、本実施形態では、配管１３内の水とヒートポンプ３０側及び蓄熱補助設備２０側の媒体との間で熱交換が行われるため、熱源井戸設備１０と熱負荷ＬＤとの間、及び熱源井戸設備１０と蓄熱補助設備２０との間での熱収受がしやすい。

【0096】

＜変形例＞
本実施形態では、蓄熱補助設備２０は、加熱装置２０１と、冷却装置２０６とを備えるが、蓄熱を補助できるなら、どのように構成されてもよい。
変形例として、寒冷地においては、蓄熱補助設備２０は、加熱装置２０１及び冷却装置２０６のうち、加熱装置２０１のみを備えてもよい。
他の変形例として、温暖地においては、蓄熱補助設備２０は、加熱装置２０１及び冷却装置２０６のうち、冷却装置２０６のみを備えてもよい。

【0097】

本実施形態では、温度算出部５０６は、第一算出部５０７と、第二算出部５０８とを備えるが、還水温度を算出できるならどのように構成されてもよい。
変形例として、温度算出部５０６は、第一算出部５０７及び第二算出部５０８のうち、第一算出部５０７のみを備えてもよい。
他の変形例として、温度算出部５０６は、第一算出部５０７及び第二算出部５０８のうち、第二算出部５０８のみを備えてもよい。

【0098】

ヒートポンプ３０は、熱負荷ＬＤに対して設けられているが、配管１３内の水に温熱又は冷熱を提供するために必要であれば、さらに他の設備にも設けられてもよい。
変形例として、ヒートポンプ３０は、熱負荷ＬＤに加えて、蓄熱補助設備２０に対して設けられてもよい。

【0099】

なお、上述の各実施形態においては、制御装置５０の各種機能を実現するためのプログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをマイコンといったコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各種処理を行うものとしている。ここで、コンピュータシステムのＣＰＵ５１の各種処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって上記各種処理が行われる。また、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。

【0100】

＜その他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として示したものであり、本開示の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、本開示の範囲や要旨に含まれると同様に、本開示の範囲とその均等の範囲に含まれるものとする。

【0101】

＜付記＞
上述の実施形態に記載の制御装置５０、地中熱利用システム１、制御方法、及びプログラムは、例えば以下のように把握される。

【0102】

（１）第１の態様に係る制御装置５０は、温水井戸１１と冷水井戸１２とを備える熱源井戸設備１０を、前記温水井戸１１及び前記冷水井戸１２の各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくするように制御する物質平衡制御部５０１と、加熱装置２０１及び冷却装置２０６のうち、少なくとも一方を含む蓄熱補助設備２０を、前記温水井戸１１及び前記冷水井戸１２の両方の井戸の前記年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくするように制御する熱平衡制御部５０５と、を備える。

【0103】

本態様によれば、制御装置５０は、各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくでき、両方の井戸の年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくできる。
したがって、制御装置５０は、年間を通じた熱量バランスと体積バランスとを維持しやすい。
加えて、年間を通じたこれらのバランスを維持できれば、還水温度の低下又は上昇が抑制でき、地中の熱塊サイズが安定し、周辺帯水層及び地球環境への影響を抑制できる。
また、自動制御しやすいことで、長期安定した運用が可能であり、帯水層蓄熱利用が普及しやすい。
また、事前に蓄冷運転方式、運転時間等を決めることができるため、蓄熱、消費電力ロス等の縮小が可能となる。

【0104】

（２）第２の態様に係る制御装置５０は、前記物質平衡制御部５０１が、前記年間の各運転期間における揚水又は還水すべき設定体積を算出する体積算出部５０２を備え、前記熱平衡制御部５０５が、前記各運転期間における還水すべき設定温度を算出する温度算出部５０６を備え、前記設定体積に基づき、前記熱源井戸設備１０を操作する井戸設備操作部５０３と、前記設定温度に基づき、前記蓄熱補助設備２０を操作する補助設備操作部５０９と、をさらに備える（１）の制御装置５０である。

【0105】

本態様によれば、制御装置５０は、熱源井戸設備１０及び蓄熱補助設備２０を、各運転期間の目標となる揚水又は還水すべき体積と還水すべき温度とに設定できる。

【0106】

（３）第３の態様に係る制御装置５０は、前記温度算出部５０６が、前期の還水履歴から揚水温度応答を求めるモデル式により、前記揚水温度応答の還水重み付け平均値を算出する第一算出部５０７を備える（２）の制御装置５０である。

【0107】

本態様によれば、制御装置５０は、蓄熱補助設備２０の利用の有無を含む期間における平均的な還水温度を予測できる。

【0108】

（４）第４の態様に係る制御装置５０は、前記温度算出部５０６が、前記第一算出部で算出した前記揚水温度応答から次期の還水温度を算出する第二算出部５０８を備える（２）または（３）の制御装置５０である。

【0109】

本態様によれば、制御装置５０は、次期の還水温度を予測できる。

【0110】

（５）第５の態様に係る制御装置５０は、前記加熱装置２０１が、太陽熱集熱器２０２を含む（１）から（４）のいずれか一つの制御装置５０である。

【0111】

本態様によれば、太陽熱のような未利用の自然エネルギーが可能である。

【0112】

（６）第６の態様に係る制御装置５０は、前記冷却装置２０６が、冷却塔２０７を含む（１）から（５）のいずれか一つの制御装置５０である。

【0113】

本態様によれば、低い外気温を利用した蓄冷が可能である。

【0114】

（７）第７の態様に係る制御装置５０は、前記熱源井戸設備１０が、前記温水井戸１１と前記冷水井戸１２と接続する配管１３をさらに備え、熱負荷ＬＤと前記配管１３内との間に設けられているヒートポンプ３０と、前記配管１３内の水と前記ヒートポンプ３０側及び前記蓄熱補助設備２０側の媒体との間で、熱交換を行う熱交換器４０と、をさらに備える（１）から（６）のいずれか一つの制御装置５０である。

【0115】

本態様によれば、配管１３内の水とヒートポンプ３０側及び蓄熱補助設備２０側の媒体との間で熱交換が行われるため、熱源井戸設備１０と熱負荷ＬＤとの間、及び熱源井戸設備１０と蓄熱補助設備２０との間での熱収受がしやすい。

【0116】

（８）第８の態様に係る地中熱利用システム１は、（１）から（７）のいずれか一つの制御装置５０と、前記熱源井戸設備１０と、前記蓄熱補助設備２０と、を備える。

【0117】

本態様によれば、地中熱利用システム１は、各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくでき、両方の井戸の年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくできる。
したがって、地中熱利用システム１は、年間を通じた熱量バランスと体積バランスとを維持しやすい。
加えて、年間を通じたこれらのバランスを維持できれば、還水温度の低下又は上昇が抑制でき、地中の熱塊サイズが安定し、周辺帯水層及び地球環境への影響を抑制できる。
また、自動制御しやすいことで、長期安定した運用が可能であり、帯水層蓄熱利用が普及しやすい。
また、事前に蓄冷運転方式、運転時間等を決めることができるため、蓄熱、消費電力ロス等の縮小が可能となる。

【0118】

（９）第９の態様に係る制御方法は、温水井戸１１と冷水井戸１２とを備える熱源井戸設備１０を、前記温水井戸１１及び前記冷水井戸１２の各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくするように制御し、加熱装置２０１及び冷却装置２０６のうち、少なくとも一方を含む蓄熱補助設備２０１を、前記温水井戸１１及び前記冷水井戸１２の両方の井戸の前記年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくするように制御する。

【0119】

本態様によれば、制御方法は、各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくでき、両方の井戸の年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくできる。
したがって、制御方法は、年間を通じた熱量バランスと体積バランスとを維持しやすい。
加えて、年間を通じたこれらのバランスを維持できれば、還水温度の低下又は上昇が抑制でき、地中の熱塊サイズが安定し、周辺帯水層及び地球環境への影響を抑制できる。
また、自動制御しやすいことで、長期安定した運用が可能であり、帯水層蓄熱利用が普及しやすい。
また、事前に蓄冷運転方式、運転時間等を決めることができるため、蓄熱、消費電力ロス等の縮小が可能となる。

【0120】

（１０）第１０の態様に係るプログラムは、コンピュータに、温水井戸と冷水井戸とを備える熱源井戸設備を、前記温水井戸及び前記冷水井戸の各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくするように制御し、加熱装置及び冷却装置のうち、少なくとも一方を含む蓄熱補助設備を、前記温水井戸及び前記冷水井戸の両方の井戸の前記年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくするように制御することを実行させる。

【0121】

本態様によれば、プログラムは、各井戸の年間における揚水体積と還水体積とを等しくでき、両方の井戸の年間における揚水熱量と還水熱量とを等しくできる。
したがって、プログラムは、年間を通じた熱量バランスと体積バランスとを維持しやすい。
加えて、年間を通じたこれらのバランスを維持できれば、還水温度の低下又は上昇が抑制でき、地中の熱塊サイズが安定し、周辺帯水層及び地球環境への影響を抑制できる。
また、自動制御しやすいことで、長期安定した運用が可能であり、帯水層蓄熱利用が普及しやすい。
また、事前に蓄冷運転方式、運転時間等を決めることができるため、蓄熱、消費電力ロス等の縮小が可能となる。

【符号の説明】

【0122】

１ 地中熱利用システム
１１ 温水井戸
１２ 冷水井戸
１３ 配管
２０ 蓄熱補助装置
３０ ヒートポンプ
４０ 熱交換器
５０ 制御装置
５１ ＣＰＵ
５２ メモリ
５３ 通信インタフェース
５４ 記録媒体
１３１ 第一端
１３２ 第二端
２０１ 加熱装置
２０２ 太陽熱集熱器
２０６ 冷却装置
２０７ 冷却塔
５０１ 物質平衡制御部
５０２ 体積算出部
５０３ 井戸設備操作部
５０５ 熱平衡制御部
５０６ 温度算出部
５０７ 第一算出部
５０８ 第二算出部
５０９ 補助設備操作部
ＣＶ 逆止弁
ＬＤ 熱負荷
ＬＹ 帯水層
ＰＰ ポンプ
ＲＶ 調整弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】