JP6349293B2 - 暖房システム - Google Patents

Description

本発明は、暖房システムに関する。

従来の一般建物の暖房システムとしては、薪ストーブ、石油ストーブやガスストーブなどを熱源として部屋ごとに室内を直接暖房する場合が多く、部屋ごとに温度差が生じたり、一つの部屋の中においても、場所によって温度差が生じるなど快適な暖房環境を得ることは困難であった。このような暖房システムに対して、建物内全体の温度差を小さくして快適な温度環境を実現するものとして、たとえば、セントラルヒーティングや床暖房などがある。しかし、セントラルヒーティングや床暖房などは、エネルギー消費量が高く、燃料費など経済的負担が大きくなってしまうという課題がある。

その対応策として、特許文献１には、年間を通じて温度がほぼ一定である地中熱を利用する地中熱ヒートポンプ装置を用いた暖房システムが開示されている。特許文献１に記載の暖房システムは、地中熱ヒートポンプ装置を用いて、室内に配置された空気昇温用熱交換器で昇温した空気を床下および壁内部に送り込み、間接的に部屋全体の暖房を行うものである。

特開２０１３−２３８３７１号公報

特許文献１に記載されている暖房システムでは、昇温された空気を床下および壁内の空間に送り込み、床および壁内部を昇温して建物全体の暖房を行い、室内各所の温度差を小さくすることで快適な暖房を実現できるものとされている。しかしながら、床下および壁内部に温風を送風する建物構造では、建物内外で熱（温度）の移動があり、設定室温を満足させるためには、床下および壁内の空間に送り込む空気の温度を５０℃〜６０℃程度に昇温する必要があり、エネルギー消費量が高くなってしまう。昨今のエネルギー価格の高騰を考慮すると、エネルギー消費量のさらなる低減により、ランニングコストの低減が求められている。また、地球環境の面からも低エネルギー化が求められている。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、建物内の快適な暖房を提供しながら、エネルギー消費量を抑えた暖房システムを実現しようとするものである。

上記課題を解決するために、本発明の暖房システムは、第１地中熱ヒートポンプ装置と、空気熱ヒートポンプ装置と、第１地中熱ヒートポンプ装置および空気熱ヒートポンプ装置によって昇温した暖房用熱媒を建物の床下に充填した蓄熱材の内部に埋設された配管に送流し、蓄熱材を介して暖房用媒体と床材の間で熱交換し、建物の室内の空気を昇温させる一つまたは複数の蓄熱材昇温用熱交換器と、第２地中熱ヒートポンプ装置と、空気中熱交換器と、を有し、第１地中熱ヒートポンプ装置は、地中を循環する第１熱媒と第２熱媒との間で熱交換を行う熱源側の第１熱交換器と、暖房用熱媒となる第３熱媒と第２熱媒との間で熱交換を行う負荷側の第２熱交換器と、第２熱媒の循環路において、第２熱媒を圧縮し第２熱交換器側に送流する第１圧縮機と、第１圧縮機側から送流された第２熱媒を減圧し第１熱交換器側に送流する第１膨張弁と、を有し、空気熱ヒートポンプ装置は、外気と第４熱媒との間で熱交換を行う空気中熱交換部と、第２熱交換器の下流側で分岐された第３熱媒と第４熱媒との間で熱交換を行う第３熱交換器と、第４熱媒の循環路において、第４熱媒を圧縮し第３熱交換器側に送流する第２圧縮機と、第２圧縮機側から送流された第４熱媒を減圧し空気中熱交換部側に送流する第２膨張弁と、を有し、蓄熱材昇温用熱交換器からの戻り熱媒温度を、設定室温に対して８．５℃〜１０℃高くし、前記第２地中熱ヒートポンプ装置は、第１地中熱ヒートポンプ装置から分岐された第１熱媒と、当該第１熱媒と第５熱媒との間で熱交換を行う第４熱交換器と、第６熱媒と第５熱媒との間で熱交換を行う第５熱交換器と、第５熱媒の循環路において、第５熱媒を減圧して第５熱交換器に送流する第３膨張弁と、第５熱交換器から送流される第５熱媒を圧縮して第４熱交換器に送流する第３圧縮機と、を有し、空気中熱交換器は、建物の室内に配置され、第２地中熱ヒートポンプ装置から送流される第６熱媒を循環する配管と、当該配管よりも室内内側に配置された送風機を有し、室内を冷房可能としている、こととする。

上記発明に加えて、第１地中熱ヒートポンプ装置は、第３熱媒を循環させるポンプを有し、蓄熱材昇温用熱交換器の入り側の入り熱媒温度と、戻り側の戻り熱媒温度の差を０．５℃以内となるように、第３熱媒を、流速０．２ｍ／秒〜０．８ｍ／秒、かつ単位時間当たりの流量１５リットル／分〜２０リットル／分の範囲で循環させる、ことが好ましい。

また、上記発明に加えて、暖房システムは、第１地中熱ヒートポンプ装置および空気熱ヒートポンプ装置から送流された第３熱媒の合流部より下流側に、第３熱媒を一つまたは複数の蓄熱材昇温用熱交換器に分岐して送流するヘッダーを有している、ことが好ましい。

上記発明に加えて、暖房装置は、戻り熱媒温度を検出する温度センサーを有し、第１地中熱ヒートポンプ装置および前記空気熱ヒートポンプ装置は、前記戻り熱媒温度の検出値によって制御される、ことが好ましい。

また、本発明の暖房装置は、第１地中熱ヒートポンプ装置と、空気熱ヒートポンプ装置と、第１地中熱ヒートポンプ装置によって昇温した暖房用熱媒を建物の床下に充填した蓄熱材の内部に埋設された配管に送流し、蓄熱材を介して暖房用媒体と床材の間で熱交換し、建物の室内の空気を昇温させる一つまたは複数の蓄熱材昇温用熱交換器と、第２地中熱ヒートポンプ装置と、空気中熱交換器と、を有し、第１地中熱ヒートポンプ装置は、地中を循環する第１熱媒と第２熱媒との間で熱交換を行う熱源側の第１熱交換器と、暖房用熱媒となる第３熱媒と、第２熱媒との間で熱交換を行う負荷側の第２熱交換器と、第２熱媒の循環路において、第２熱媒を圧縮し第２熱交換器側に送流する第１圧縮機と、第１圧縮機側から送流された第２熱媒を減圧し第１熱交換器側に送流する第１膨張弁と、を有し、蓄熱材昇温用熱交換器からの戻り熱媒温度を設定室温に対して８．５℃〜１０℃高くし、第２地中熱ヒートポンプ装置は、第１地中熱ヒートポンプ装置から分岐された第１熱媒と、当該第１熱媒と第５熱媒との間で熱交換を行う第４熱交換器と、第６熱媒と第５熱媒との間で熱交換を行う第５熱交換器と、第５熱媒の循環路において、第５熱媒を減圧して第５熱交換器に送流する第３膨張弁と、第５熱交換器から送流される第５熱媒を圧縮して第４熱交換器に送流する第３圧縮機と、を有し、空気中熱交換器は、建物の室内に配置され、第２地中熱ヒートポンプ装置から送流される第６熱媒を循環する配管と、当該配管よりも室内内側に配置された送風機を有し、室内を冷房可能としている、こととする。

また、上記発明に加えて、第１地中熱ヒートポンプ装置は、第３熱媒を循環させるポンプを有し、蓄熱材昇温用熱交換器の入り側の入り熱媒温度と、戻り側の戻り熱媒温度の差を０．５℃以内となるように、第３熱媒を、流速０．２ｍ／秒〜０．８ｍ／秒、かつ単位時間当たりの流量１５リットル／分〜２０リットル／分の範囲で循環させる、ことが好ましい。

また、上記発明に加えて、第１地中熱ヒートポンプ装置から送流された第３熱媒を、一つまたは複数の蓄熱材昇温用熱交換器に分岐して送流するヘッダーを有している、ことが好ましい。

本発明の第１の実施の形態に係る暖房システムの構成を示す構成説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る暖房システムの全体構成を示し、暖房対象の建物と蓄熱材熱交換器の構成を模型的に表す説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る蓄熱材熱交換器を構成する配管の１例を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る暖房システムを用いた暖房方法を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る暖房システムの構成を示す構成説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る暖房システムの全体構成を模型的に表す説明図である。

以下、本発明の実施の形態に係る暖房システムについて、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る暖房システム１の構成を示す構成説明図である。図1に示すように、暖房システム１は、地中熱を集熱して暖房用熱源となる暖房用熱媒（第３熱媒Ｆ３）を昇温する第１地中熱ヒートポンプ装置２と、地中熱ヒートポンプ２で昇温された暖房用熱媒と、建物の床下に充填された蓄熱材との間で熱交換を行う蓄熱材昇温用熱交換器３（以降、蓄熱材熱交換器３と記載する）を有している。図１は、蓄熱材熱交換器３として、建物の１階フロア側に配置される蓄熱材熱交換器３Ａと２階フロア側に配置される蓄熱材熱交換器３Ｂの２系列を有している場合を例示している（図２も参照する）。

また、暖房システム１は、空気熱ヒートポンプ装置４を有している。空気熱ヒートポンプ装置４は、室外の空気を熱源として、第１地中熱ヒートポンプ装置２による暖房用熱媒の昇温を補完するために設けられている。すなわち、第１地中熱ヒートポンプ装置２で昇温された暖房用熱媒の一部をさらに昇温する機能を有する。

また、暖房システム１は、地中熱ヒートポンプ装置２、蓄熱材熱交換器３、空気熱ヒートポンプ装置４に加え、これらを連結する各流路を制御する制御部５を有している。制御部５は、ユーザーによる室温設定に基づき、第１地中熱ヒートポンプ装置２、空気熱ヒートポンプ装置４の駆動制御、および蓄熱材熱交換器３Ａ，３Ｂ間の流路の確保、単位時間当たりの流量および流速などを制御する機能を有している。

地中熱ヒートポンプ装置２は、熱源である地中熱を集熱する地中熱交換部６と、地中熱の熱源側の熱交換器である第１熱交換器７と、負荷側（蓄熱材熱交換器３側）の熱交換器である第２熱交換器８を有している。地中熱交換部６と第１熱交換器７は配管Ｌ１で連結されていて、ポンプ９によって、第１熱媒Ｆ１である液体が地中熱交換部６と第１熱交換部７の間で図示矢印方向に循環される。第１熱媒Ｆ１としては、熱伝導性が高い不凍液を用いるが、水であってもよい。また、配管Ｌ１は、地中（地中熱交換部６）から第１熱交換器７までの間は架橋ポリエチレン管などの樹脂製のものや銅管などの金属製のものが使用され、第１熱交換器７内は銅管などの熱伝導性が高い金属製のものが使用される。配管Ｌ１は、地盤表面Ｇから地中５０ｍ〜１００ｍ程度の深さに埋設される。この埋設深さは、地中温度が１５℃〜２０℃の範囲で、年間を通じてほぼ一定となる深さとなるように設定される。

第１熱交換器７と第２熱交換器８は、配管Ｌ２で接続されていて、配管Ｌ２内には、第２熱媒Ｆ２としてＨＦＣ（代替フロンガス）またはＨＣ（ノンフロンガス）などが充填され、図示矢印方向に循環される。第２熱交換器８の上流側には第１圧縮機１０が配置され、下流側には第１膨張弁１１が配置されている。第１圧縮機１０は、第２熱媒Ｆ２を圧縮して昇温する。また、第１膨張弁１１は、いわゆる蒸発器であって第１圧縮機１０によって昇温された第２熱媒Ｆ２を降温する。第１圧縮機１０で昇温された第２熱媒Ｆ２と暖房用熱媒となる第３熱媒Ｆ３との間で熱交換することで負荷側（建物側）の暖房用熱媒である第３熱媒Ｆ３の温度を昇温する。第１熱媒Ｆ１は、第１膨張弁１１で降温されて地中温度に近い温度の熱媒として地中に戻される。地中に戻された第１熱媒Ｆ１は、地中熱交換部６の熱交換作用によって、循環前の地中温度となる。なお、配管Ｌ２は、熱伝導率が高い銅管などの金属製のものを使用することが好ましい。

第２熱交換器８と蓄熱材熱交換器３とは、配管Ｌ３、Ｌ４によって連結されている。蓄熱材熱交換器３は、図１に示す例では、１階フロア側の蓄熱材熱交換器３Ａと２階フロア側の蓄熱材熱交換器３Ｂを有し、それぞれ配管Ｌ３から蓄熱材熱交換器３Ａ側の配管Ｌ５と蓄熱材熱交換器３Ｂ側の配管Ｌ６に第３熱媒Ｆ３が分流される。配管Ｌ５，Ｌ６は、床下に埋設される配管であって、架橋ポリエチレン管などの樹脂製のものや銅管などの金属製のものを使用できる。また、第３熱媒Ｆ３としては、不凍液または水を用いることが可能である。

配管Ｌ３は、蓄熱材熱交換器３に第３熱媒Ｆ３を送流することから往管Ｌ３と記載することがある。一方、配管Ｌ４は、蓄熱材熱交換器３から第３熱媒Ｆ３を第２熱交換器８側に戻すことから還管Ｌ４と記載することがある。なお、配管Ｌ４および配管Ｌ５は、建物内の蓄熱材であるシンダーコンクリート４４またはシンダーコンクリート５３（共に図２参照）に埋設される範囲をさし、往管Ｌ３および還管Ｌ４は、建物外に配設される範囲をさすものとする。

往管Ｌ４には、第２熱交換器８側から順にポンプ１５、逆止弁１６、ヘッダーである往管ヘッダー１７が配設されている。ポンプ１５は、第３熱媒Ｆ３を図示矢印方向に所定の流速および単位時間当たりの流量で送流する機能を有する。逆止弁１６は、蓄熱材熱交換器３側から第２熱交換器８側に第３熱媒Ｆ３が逆流することを防止する機能を有する。そして、往管ヘッダー１７は、往管Ｌ３に送流される第３熱媒Ｆ３を配管Ｌ５，Ｌ６各々にほぼ同じ流速、流量で分岐して送流する機能を有する。また、還管Ｌ４には、還管ヘッダー１８が配設されている。還管ヘッダー１８は、１階フロア側の蓄熱材熱交換器３Ａおよび２階フロア側の蓄熱材熱交換器３Ｂからの戻りの第３熱媒Ｆ３をまとめ、流量条件を往き（往管Ｌ３）の流量条件と同じにして第２熱交換器８に戻す機能を有する。ここで、配管Ｌ３〜Ｌ６を架橋ポリエチレン管としたとき、往還ヘッダー１７および還管ヘッダー１８をサヤ管ヘッダーとすれば、配管を容易に行うことが可能となる。また、還管Ｌ４には、第３熱媒Ｆ３の温度を検出する温度センサー１９が配置されている。温度センサー１９は、蓄熱材熱交換器３からの戻り流路の第３熱媒Ｆ３の温度を検出するので、以降、この温度を戻り熱媒温度と記載する。

暖房システム１は、上記の第１地中熱ヒートポンプ装置２に加えて空気熱ヒートポンプ装置４を有している。空気熱ヒートポンプ装置４は、空気中熱交換部２０と、第３熱交換器２１を有している。空気中熱交換部２０は、蒸発器として動作する。空気中熱交換部２０と第３熱交換部２１は、配管Ｌ７によって連結されている。配管Ｌ７には、第４熱媒Ｆ４が充填されている。第４熱媒Ｆ４は、第２熱媒Ｆ２と同じＨＦＣ（代替フロンガス）またはＨＣ（ノンフロンガス）などであって、図示矢印方向に循環される。第３熱交換器２１の上流側には、第２圧縮機２２が配設され、下流側には、第２膨張弁２３が配設されている。配管Ｌ７には、熱伝導率が高い銅管などの金属製のものが使用される。

第２圧縮機２３は、第４熱媒Ｆ４を圧縮して昇温する。また、第２膨張弁２２は、いわゆる蒸発器であって、第２圧縮機２２によって昇温された第４熱媒Ｆ４を降温する。第２圧縮機２２で昇温された第４熱媒Ｆ４は、負荷側（建物側）の第３熱媒Ｆ３の間の熱交換によって第３熱媒Ｆ３を昇温する。また、第２膨張弁２３は、昇温された第４熱媒Ｆ４を外気温に近い温度に降温する。空気中熱交換部２０は、外気から集熱する機能を有する。第３熱交換器２１には、第２熱交換器８で昇温された第３熱媒Ｆ３が配管Ｌ８を通って流入され、第３熱交換器２１の熱交換作用によってさらに昇温された第３熱媒Ｆ３は、配管Ｌ９を通って送流される。

第２熱交換器８から送流された第３熱媒Ｆ３は、ポンプ１５と逆止弁１６の間で蓄熱材熱交換器３側に向かう流れと第３熱交換器２１側に向かう流れとに分岐部２４で分岐される。分岐部２４には、三方弁などが配設される。また、第３熱交換器２１から送流される第３熱媒Ｆ３は、逆止弁１６と往管ヘッダー１７の間の合流部２５で往管Ｌ３に合流される。合流部２５には、三方弁などが配設される。往管Ｌ３の合流部２５と分岐部２４の間には逆止弁１６が配設されていて、蓄熱材熱交換器３側から第２熱交換器８側および第３熱交換器２１側に向かって第３熱媒Ｆ３が逆流しない。

配管Ｌ９には、第３熱交換器２１側から順にポンプ２６、熱動弁２７、定流量弁２８が配設されている。ポンプ２６は、分岐部２４で分流された第３熱媒Ｆ３を図示矢印方向に送流する機能を有する。熱動弁２７は、配管Ｌ９を開閉することにより第３熱交換器２１から送流される第３熱媒Ｆ３の送流または送流停止する機能を有する。また、定流量弁２８は、往管Ｌ３に合流する第３熱交換器２１からの第３熱媒Ｆ３の流量を制御する機能を有する。なお、第３熱交換器２１から送流される第３熱媒Ｆ３の単位時間当たりの流量は、第２熱交換器８から送流される第３熱媒Ｆ３の流量よりも少ない。往管ヘッダー１７では、第２熱交換器８および第３熱交換器２１の両方から送流された第３熱媒Ｆ３を、１階部フロア側の蓄熱材熱交換器３Ａおよび２階フロア側の蓄熱材熱交換器３Ｂに分流する。往管ヘッダー１７の作用によって、蓄熱材熱交換器３Ａと蓄熱材熱交換器３Ｂに流れる第３熱媒Ｆ３の単位時間当たりの流量は、ほぼ同じとなる。

暖房システム１は、制御部５を有している。制御部５は、第１地中熱ヒートポンプ装置２、蓄熱材熱交換器３、および空気熱ヒートポンプ装置４の動作を制御する機能を有する。第１地中熱ヒートポンプ装置２においては、ポンプ９の駆動制御、第１圧縮機１０および第１膨張弁１１の駆動制御を行う。なお、ポンプ９は、地中最深部から第１熱交換器７まで第１熱媒Ｆ１を送流可能な揚程を有するものを選択する。制御部５は、温度センサー１９で検出した戻り熱媒温度で、第２熱交換器８の昇温の制御を行う。また、制御部５は、ポンプ１５の駆動制御を行う。ポンプ１５では、蓄熱材熱交換器３に送流する第３熱媒Ｆ３の流速および単位時間当たりの流量などを制御する。操作パネルは、１階部分４１および２階部分４２の室内に配置される。室温の設定は、リモコンなどで入力するようにしてもよい。

制御部５は空気熱ヒートポンプ装置４において、第２圧縮機２２および第２膨張弁２３の駆動を制御する。第２圧縮機２２は、第１地中熱ヒートポンプ装置２が第３熱媒Ｆ３の昇温動作を行っても、戻り熱媒温度が所定温度以下の場合に駆動され、同時にポンプ２６が駆動される。このとき熱動弁２７が解放され第３熱交換器２１で昇温された第３熱媒Ｆ３が合流部２５に向かって送り出される。第３熱交換器２１を駆動しないときには、分岐部２４の三方弁を制御して、第２熱交換器８側から蓄熱材熱交換器３に向かう第３熱媒Ｆ３の送流を継続し、第３熱交換器２１側には第３熱媒Ｆ３を送流しない。第３熱交換器２１を駆動するときには、分岐部２４の三方弁を全部解放、または所定量解放して、第２熱交換器８および第３熱交換器２１の両方から第３熱媒Ｆ３が蓄熱材熱交換器３に向かって送流される。

１階部分だけ暖房する場合には、１階部分側の蓄熱材熱交換器３Ａのみに第３熱媒Ｆ３を送流するよう往管ヘッダー１７を制御する。２階部分だけ暖房する場合には、２階部分側の蓄熱材熱交換器３Ｂのみに第３熱媒Ｆ３を送流するよう往管ヘッダー１７を制御し、両方のフロアを暖房する場合には、往管ヘッダー１７をすべて解放して蓄熱材熱交換器３Ａ,３Ｂの両方に第３熱媒Ｆ３を送流する。

なお、暖房対象の部屋の温度を検出する温度センサー２９を設置するようにしてもよい。温度センサー２９は、設定された室温に対して検出した室温との差がある場合には、制御部５により第２熱交換器８および第３熱交換器２１を駆動制御することによって昇温または降温することが可能とる。

本実施の形態では、たとえば、地中熱ヒートポンプ装置２のポンプ１５の送出可能流量に比べて空気熱ヒートポンプ装置４のポンプ２６の送出可能流量を小さくしている。これは、熱動弁２７を開放状態にした場合、地中熱ヒートポンプ装置２から送出される第３熱媒Ｆ３のうち一部が空気熱ヒートポンプ装置４に流れるようにしていることによる。たとえば、ポンプ１５の送出可能流量を毎分１５リットルしたとき、ポンプ２６の送出可能流量を毎分５リットルなどとすることができる。空気熱ヒートポンプ装置４に流れる第３熱媒Ｆ３の流量は、分岐部２５の三方弁の開閉度で制御可能である。

続いて、暖房システム１における蓄熱材熱交換器３の構成および建物の構成について図２および図３を参照して説明する。

図２は、第１の実施の形態に係る暖房システム１の全体構成を示し、暖房対象の建物と蓄熱材熱交換器３の構成を模型的に表す説明図である。例示した建物４０は、１階部分４１および２階部分４２を有する２層構造の建物である。なお、１階部分および２階部分には、居住部屋以外に、風呂場、トイレおよび納戸部屋なども含まれる。暖房システム１は、既述したように、地中熱交換部６を備えた第１地中熱ヒートポンプ装置２と、空気熱ヒートポンプ装置４と、蓄熱材熱交換器３Ａ,３Ｂを有している。第１地中熱ヒートポンプ装置２および空気熱ヒートポンプ装置４は、屋外に設置される。蓄熱材熱交換器３Ａは、１階部分４１の床下に配設されていて、蓄熱材熱交換器３Ｂは、２階部分４２の床下に配設されている。まず、１階部分４１の床下構造について説明する。図２に示すように、１階部分４１の床下には、一般的なコンクリートが打設された基礎コンクリート４３と、基礎コンクリート４３の図示上方に断熱材であり、蓄熱材であるシンダーコンクリート４４が打設されている。そして、シンダーコンクリート４４の内部には配管Ｌ５が埋設されている。基礎コンクリート４３とシンダーコンクリート４４の間には、ポリスチレンフォームなどの断熱材４５が隙間なく敷設されている。

シンダーコンクリート４４は、熱伝導体としてのセラミック粒状体を混入して練り合わせたものである。本実施の形態ではセラミック粒状体として黒曜石パーライトを用いている。シンダーコンクリート４４は、セメント、水、川砂および黒曜石パーライトに加えて、添加剤として防水材や水セメントなどを適切な混合比で混合して打設したものである。シンダーコンクリート４４の熱伝導率は、基礎コンクリート４３の概ね１／３程度であり、高い断熱性を備えていて優れた蓄熱材である。シンダーコンクリート４４の上面には、シンダーコンクリート４４に密着するように床材である床仕上げ材４６が組み立てられている。木造建築の場合、床仕上げ材４６は、不図示の根太材などに架橋するように組み立てられる。床仕上げ材４６に代えて畳、絨毯またはカーペットを用いることも可能で、この場合は、これらをシンダーコンクリート４４の上面に直接敷設してもよい。また、シンダーコンクリート４４と断熱材４５の間に防湿シート（図示は省略）などを敷設するようにしてもよい。なお、風呂場やトイレなどには、床仕上げ材４６以外のシートフローリングやタイルなどをシンダーコンクリート４４の上面に直接敷設するようにすればよい。

続いて、２階部分４２の床下構造について説明する。２階部分４２の床下構造は、構造的な仕切り部である桁５０に床下材としての合板５１が張られ、合板５１の上面にポリスチレンフォームなどの断熱材５２が敷設される。さらに、この断熱材５２の上部にシンダーコンクリート５３が打設されている。配管Ｌ６は、このシンダーコンクリート５３内に埋設されている。シンダーコンクリート５３は、１階部分４１に打設されるシンダーコンクリート４４と同じ構成のものとすることが可能であるが、川砂を除いている。川砂を除くことで、重量を抑えつつ、熱伝導率を下げることが可能となる。シンダーコンクリート５３と断熱材５２の間に防湿シート（図示せず）を敷設することが好ましい。シンダーコンクリート５３の上面には、シンダーコンクリート５３に密着するように床仕上げ材５４が組み立てられている。床仕上げ材５４に代えて畳、絨毯またはカーペットを用いることも可能で、この場合は、シンダーコンクリート５３の上面に直接敷設することが可能である。

なお、１階部分４１の天井部には、天井仕上げ材５５が組みたてられ、２階部分４２の天井部には、天井仕上げ材５６が組み立てられている。

暖房システム１を効果的に作用させるためには、建物自体（暖房対象の室内）からの放熱を抑えるために、建物自体の断熱性を高めることが必須である。そのために１階部分４１および２階部分４２を囲む壁や天井部を断熱構造とする。そこで、建物４０の断熱構造について説明する。建物４０の１階部分４１を囲む壁部５６の内部には、発泡ウレタンまたはグラスウールなどの断熱材５７が配設されている。なお、発泡ウレタンとグラスウールを組み合わせた断熱材としてもよい。また、２階部分４２の床下は、断熱材であるシンダーコンクリート５３が打設されているが、天井仕上げ材５５の上方（２階部分４２の床下部下方）には、ポリスチレンフォームなどの断熱材５７を敷設すればなおよい。たとえば１階部分４１に間仕切壁（図示せず）などがある場合には、間仕切壁内にもグラスウールなどの断熱材を配設する。

２階部分４２を囲む壁部５８の内部および天井部５９にも発泡ウレタンまたはグラスウールなどの断熱材６０が配設される。なお、断熱材６０として、発泡ウレタンとグラスウールを組み合わせた断熱材としてもよい。天井仕上げ材６２の上方（２階部分４２の小屋裏）には、断熱材６１としてポリスチレンフォームを敷設することが好ましい。また、２階部分４２に間仕切壁（図示せず）などがある場合には、間仕切壁内にグラスウールなどの断熱材を配設する。なお、断熱材６１としては、ポリスチレンフォーム以外に、グラスウール、発泡ウレタンまたは硬質ウレタンフォームなどとしてもよい。

また、上記各断熱材や建物構造物の接合部、配管Ｌ５が基礎コンクリート４３を貫通する部分および配管Ｌ６が壁部５８を貫通する部分などの隙間に発泡ウレタンなどを吹付施工して隙間ができないようにする。このような断熱構造を採用することで、室内外、部屋間および室内と小屋裏の間の温度（熱）移動を抑制すると同時に、床表面からの輻射熱を壁部や天井部で反射する構造体が形成される。次に、蓄熱材熱交換器３Ａ，３Ｂの構成について図３を参照して説明する。

図３は、蓄熱材熱交換器３を構成する配管Ｌ５，Ｌ６の１例を示す平面図である。配管Ｌ５と配管Ｌ６が、架橋ポリエチレン管などの曲げやすい樹脂製の場合には、図３に示すような折れ曲り形状にすることが可能である。この際、各部分の平面にほぼ均等に熱を伝達できる配管構造とする。つまり、床下平面方向に対して配管ピッチをほぼ一定にするために、折れ曲り部の内側に案内軸６５を設けて、案内軸６５の周りで湾曲するようにする。なお、配管Ｌ５，Ｌ６は、各々シンダーコンクリート４４，５３との接触面積を減らさないために、隣接する配管の間に隙間を持たせ、シンダーコンクリート４４，５３を隙間に充填させる。なお、配管Ｌ５，Ｌ６の形状は、配管長や配置を考慮して、図３に示す折れ曲り形状以外に渦巻き状や自由曲線形状や、曲線と直線の組み合わせとしてもよい。曲線の場合は、第３熱媒Ｆ３の流通を妨げない曲率とする。

なお、配管Ｌ５，Ｌ６が銅管などの金属製や曲りにくい樹脂製の場合には、単純に図３に示すような折れ曲り形状に成形することは困難であるため、湾曲部と直線部に分割したものを用意し、互いに嵌め込むようにすれば、長さやピッチの自由度が増す。図３に示す矢印は、第３熱媒Ｆ３の送流方向を表していて、配管Ｌ５，Ｌ６共に、往管ヘッダー１７側から入り、還管ヘッダー１８側に流れることを表している。

（暖房システム１を用いた暖房方法）
図４は、暖房システム１を用いた暖房方法を示すフローチャートである。図１も参照しながら説明する。制御部５には、ユーザーが所望する室温が設定されているものとする。たとえば、１例として設定室温を２０℃とする。制御部５は、室温の設定温度に対する戻り熱媒温度を不図示のメモリに記憶していて、たとえば、戻り熱媒温度Ｗ１を３０℃とする。上記のメモリに記憶されている戻り熱媒温度と設定室温との相関の情報は、予め暖房システムの製造業者や設備業者が、実験やシミュレーションなどによって取得したものである。あるいは、ユーザーが室温および戻り熱媒温度の双方を任意に設定できるようにしてもよい。

また、制御部５には、温度センサー１９からの戻り熱媒温度の測定結果と、室内の温度センサー２９から、１階部分４１または２階部分４２もしくはその両者など、暖房対象となる室温の測定結果が伝達されているものとする。また、図４に示す「ＳＴＡＲＴ」の条件は、第１地中熱ヒートポンプ装置２、および空気熱ヒートポンプ装置４にそれぞれ電源が供給されていると共に、設定室温と実際の室温とに差が生じている状態とする。

ステップＳ１において、制御部５は、温度センサー２９の測定結果が室温の設定温度Ｔ１以下か否かを判定する。設定温度Ｔ１とは、たとえば２０℃である。ステップＳ１において、室温が設定温度Ｔ１以下である（Ｙｅｓ）と判定されると、第１の熱交換ステップとしての第１地中熱ヒートポンプ装置２を起動(（ＯＮ）する（ステップＳ２）。一方、ステップＳ１において、室温が設定温度Ｔ１を超えている（Ｎｏ）と判定されると、ステップＳ８に進む。すなわち、地中熱ヒートポンプ装置２および空気熱ヒートポンプ装置４は、起動しない停止（ＯＦＦ）状態とされる。

ステップＳ２において、第１地中熱ヒートポンプ２を起動すると、第２熱交換器８の熱交換作用により、第３熱媒Ｆ３が昇温される。昇温された第３熱媒Ｆ３は、ポンプ１５によって蓄熱材熱交換器３側に送流される。そして、温度センサー１９によって戻り熱媒温度を検出し、検出温度が所定の戻り熱媒温度Ｗ１であるか否かを判定する（ステップＳ３）。検出した戻り熱媒温度が、設定戻り熱媒温度Ｗ１以上（たとえば３１℃（Ｙｅｓ））の場合には、第１地中熱ヒートポンプ装置２を停止するステップＳ８に移行する。ステップＳ３において、検出温度が所定の戻り熱媒温度Ｗ１以下（たとえば２９℃（Ｙｅｓ））の場合には、空気熱ヒートポンプ装置４を起動（ＯＮ）する（ステップＳ４）。つまり、第１地中熱ヒートポンプ装置２だけでは、第３熱媒Ｆ３を所定の戻り熱媒温度Ｗ１まで昇温できないと判断して、空気熱ヒートポンプ４を起動する。このステップＳ４の動作は、「ＳＴＡＲＴ」から所定時間経過後に入るようにしてもよい。すなわち、所定時間経過するまでは、第１地中熱ヒートポンプ２のみを駆動し続けるようにし、その後、ステップＳ４に入るようにしてもよい。空気熱ヒートポンプ４では、第１地中熱ヒートポンプ装置２から分流された第３熱媒Ｆ３をさらに昇温し、ポンプ２６によって第１地中熱ヒートポンプ装置２から送流される第３熱媒Ｆ３と合流して蓄熱材熱交換器３側に送流される。

次いで、温度センサー１９によって戻り熱媒温度を検出し、検出温度が、所定の戻り熱媒温度Ｗ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。検出温度が所定の戻り熱媒温度Ｗ１以上（たとえば３１℃（Ｙｅｓ））になったときには、空気熱ヒートポンプ装置４を停止（ＯＦＦ）する（ステップＳ６）。検出温度が所定の戻り熱媒温度Ｗ１以下（たとえば２９℃（Ｎｏ））の場合には、空気熱ヒートポンプ装置４の駆動（ステップＳ４）による昇温動作を戻り熱媒温度が所定温度Ｗ１になるまで継続する。次いで、温度センサー２９によって室温を検出し、室温が設定温度Ｔ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ７）。室温が設定温度Ｔ１以上（たとえば、２１℃）の場合には、第１地中熱ヒートポンプ２および空気熱ヒートポンプ装置４を停止（ＯＦＦ）し、１周期分の処理を終了する。その処理終了後（「ＥＮＤ」後）は、ステップＳ１に戻り、室温を常時、または所定間隔で検出し、その測定結果と設定温度を比較する。また、ステップＳ７において、室温が設定温度Ｔ１以下を継続していた（ＮＯ）場合には、第１地中熱ヒートポンプ２の駆動を継続し、ステップＳ３以降の工程を繰り返す。なお、ステップＳ２において、暖房システム１を起動する時には、第３熱媒Ｆ３の温度を急上昇させ、その後は、ゆっくりと昇温を継続することで、効率的な暖房を行うことが可能となる。

温度センサー１９による戻り熱媒温度の検出は、常時行うようにしてもよく、あるいは所定の間隔で行うようにしてもよい。また、温度センサー２９による室温の検出も、常時行うようにしてもよく、あるいは所定の間隔で行うようにしてもよい。

暖房システム１は、第１地中熱ヒートポンプ装置２および空気熱ヒートポンプ装置４によって第３熱媒Ｆ３を昇温し、第３熱媒Ｆ３の戻り熱媒温度を制御して、蓄熱材熱交換器３の作用によって床表面を昇温し、床表面からの輻射熱で室内を暖める、いわゆる床下暖房システムである。ここで、既述した戻り熱媒温度に対してシンダーコンクリート４４およびシンダーコンクリート５３に入りこむ前の第３熱媒Ｆ３の温度を入り熱媒温度と記載する。

次いで、戻り熱媒温度、床表面室温、室温の関係について図１を参照しながら説明する。なお、暖房対象建物は、既述したような断熱構造を有していることを前提とする。そして、戻り熱媒温度と入り熱媒温度の差を０．５℃以下、好ましくは０．３℃以下となるように、蓄熱材熱交換器３Ａ、３Ｂに流れる第３熱媒Ｆ３の流速および単位時間当たりの流量を設定しておく。シミュレーションおよび事前の確認によって、第３熱媒Ｆ３の流速を毎秒０．２ｍ〜０．８ｍ、流量を毎分１５リットル〜２０リットルの範囲で組み合わせれば、戻り熱媒温度と入り熱媒温度の差が、平均で０．２℃〜０．３℃の範囲、最大でも０．５℃以内となることが確認できた。戻り熱媒温度と入り熱媒温度の差を小さくできるということは、蓄熱材（断熱材）であるシンダーコンクリート４４，５３の全体を一様に昇温しつつ、温度を維持できることを表している。つまり、暖房用熱媒である第３熱媒Ｆ３をゆっくりと大量に送流することで、戻り熱媒温度と入り熱媒温度の差を小さく安定させることが可能となる。したがって、暖房システム１において、上記の流速、単位時間当たりの流量が暖房用熱媒である第３熱媒Ｆ３の送流条件となる。なお、第３熱媒Ｆ３を上記流速および流量で流すには、配管Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６の管内径を１３ｍｍ〜３０ｍｍとすることが好ましい。

また、第３熱媒Ｆ３を流速毎秒０．２ｍ〜０．８ｍ、毎分１５リットル〜２０リットルの流量の範囲で、戻り熱媒温度と入り熱媒温度の差を０．５℃以内になるように送流したときの床表面温度は、戻り熱媒温度に対して１．５℃〜３℃低くなる。したがって、戻り熱媒温度は、輻射熱の直接的な熱源となる床表面の所望の温度に対して１．５℃〜３℃高くなるようにすればよい。また、室温は、床表面からの高さ５０ｃｍの位置で、床表面温度に対して平均−７℃、高さ１２０ｃｍの位置で平均−６℃、高さ２４０ｃｍ（天井付近）で平均−５℃の差があることを確認した。このように、床表面からの高さによる温度差が小さいのは、空気対流方式による暖房に対して、床表面からの輻射熱や壁、天井から輻射熱の反射があるためである。一般にユーザーが寒いと強く感じる床表面からの高さは、５０ｃｍ位置とされる。よって、設定室温Ｔ１（床表面からの高さ５０ｃｍ位置の温度）を２０℃とすれば、床表面温度を２７℃とすればよい。また、床表面温度は、戻り熱媒温度に対して１．５℃〜３℃低くなることから、戻り熱媒温度を２８．５℃〜３０℃とすれば、室温を設定室温２０℃にすることが可能となるといえる。床表面温度と戻り熱媒温度の関係は、暖房システムの設置業者または製造業者によって行われる。また、ユーザーが行ってもよい。

床表面温度は、建物４０が図２に示すような断熱構造を採用し、第１地中熱ヒートポンプ装置２および空気熱ヒートポンプ装置４を駆動していても外気温の変動の影響を受ける。この影響を２℃とすれば、戻り熱媒温度を３０．５℃〜３２℃で管理すればよい。すなわち、戻り熱媒温度が設定室温に対して８．５℃〜１０℃高くなるように、第１地中熱ヒートポンプ装置２および空気熱ヒートポンプ装置４を駆動すればよい。

以上説明した暖房システム１は、第１地中熱ヒートポンプ装置２と、空気熱ヒートポンプ装置４と、第１地中熱ヒートポンプ装置２および空気熱ヒートポンプ装置４によって昇温した暖房用熱媒である第３熱媒Ｆ３を建物４０の床下に充填した蓄熱材であるシンダーコンクリート４４，５３の内部に埋設された配管Ｌ５，Ｌ６に送流し、シンダーコンクリート４４，５３を介して第３熱媒Ｆ３と床材（床仕上げ材４６，５４）の間で熱交換し、建物４０の１階部分４１および２階部分４２の各室内の空気を昇温させる蓄熱材熱交換器３Ａ，３Ｂを有している。

第１地中熱ヒートポンプ装置２は、地中を循環する第１熱媒Ｆ１と第２熱媒Ｆ２との間で熱交換を行う熱源側の第１熱交換器７と、暖房用熱媒となる第３熱媒Ｆ３と第２熱媒との間で熱交換を行う負荷側の第２熱交換器８と、第２熱媒Ｆ２の循環路において、第２熱媒Ｆ２を圧縮し第２熱交換器８側に送流する第１圧縮機１０と、第１圧縮機１０側から送流された第２熱媒Ｆ２を減圧し第１熱交換器７側に送流する第１膨張弁１１と、を有している。

また、空気熱ヒートポンプ装置４は、外気と第４熱媒Ｆ４との間で熱交換を行う空気中熱交換部２０と、第２熱交換器８の下流側で分岐された第３熱媒Ｆ３と第４熱媒Ｆ３との間で熱交換を行う第３熱交換器２１と、第４熱媒Ｆ４の循環路において、第４熱媒Ｆ４を圧縮し第３熱交換器２１側に送流する第２圧縮機２３と、第２圧縮機２３側から送流された第４熱媒Ｆ４を減圧し空気中熱交換部２０側に送流する第２膨張弁２２と、を有している。そして、暖房システム１は、蓄熱材熱交換器３から戻る第３熱媒Ｆ３の戻り熱媒温度を、設定室温に対して８．５℃〜１０℃高くなるように管理するようにする。

このように構成される暖房システム１は、所望の設定室温に対して戻り熱媒温度を８．５℃〜１０℃高く、すなわち設定室温を２０℃とすれば、戻り熱媒温度を２８．５℃〜３０℃にすれば、設定室温に暖房することが可能となる。前述した従来技術では、設定室温２０℃に対して戻り熱媒（戻り水）温度を５０℃〜６０℃に昇温している。したがって、暖房システム１は、従来技術の暖房システムに対して、約５０％のエネルギー消費に抑えることが可能となる。その結果ランニングコストを大幅に低減できる。また、床表面温度が室温よりも高いことから、足元が温かく、床表面や壁表面などが結露することがない快適な暖房を提供できる。

なお、上記暖房システム１は、蓄熱材熱交換器３において、入り熱媒温度と戻り熱媒温度の差が０．５℃以内となり、流路中の第３熱媒Ｆ３の温度変化が小さいことから、地中に埋設する配管Ｌ１の深さを、従来の一般的な深さ７０ｍ〜８０ｍに対して４０ｍ〜６０ｍに浅くすることが可能となる。

また、第１地中熱ヒートポンプ装置２は、第３熱媒Ｆ３を循環させるポンプ１５を有し、蓄熱材熱交換器３の入り側の入り熱媒温度と、戻り側の戻り熱媒温度の差を０．５℃以内となるように、第３熱媒Ｆ３を、流速０．２ｍ／秒〜０．８ｍ／秒、かつ単位時間当たりの流量１５リットル／分〜２０リットル／分の範囲で循環させる。

このように、蓄熱材（断熱材）であるシンダーコンクリート４４，５３中に、暖房用熱媒である第３熱媒Ｆ３を上記流速、上記単位時間当たりの流量で送流すれば、シンダーコンクリート４４，５３中の第３熱媒Ｆ３の入り熱媒温度と戻り熱媒温度の差を０．５℃以内に維持できるので、シンダーコンクリート４４，５３の全体をほぼ一定の温度とすることができ、その結果、床表面全体の床表面温度をほぼ一定の温度に維持することができる。

また、暖房システム１は、第１地中熱ヒートポンプ装置２および空気熱ヒートポンプ装置４から送流された第３熱媒Ｆ３の合流部より下流側に、第３熱媒Ｆ３を蓄熱材熱交換器３Ａまたは蓄熱材熱交換器３Ｂに分岐して送流するヘッダーである往管ヘッダー１７を有している。

往管ヘッダー１７によって、蓄熱材熱交換器３Ａおよび蓄熱材熱交換器３Ｂにそれぞれに送流する第３熱媒体Ｆ３の単位時間当たりの流量が、ほぼ一定となる。したがって、蓄熱材熱交換器３Ａ，３Ｂの入り側の入り熱媒温度と、戻り側の戻り熱媒温度の差を０．５℃以内に抑えることができる。蓄熱材熱交換器３Ａを１階部分４１に設置し、蓄熱材熱交換器３Ｂを２階部分４２に設置すれば、１階部分の室温と２階部分の室温をほぼ同じ温度に制御できる。

また、暖房システム１は、戻り熱媒温度を検出する温度センサー１９を有し、第１地中熱ヒートポンプ装置２および空気熱ヒートポンプ装置４を、戻り熱媒温度の検出値によって制御される。既述したように、室温は、戻り熱媒温度によって調整可能である。図４で説明したように、第１地中熱ヒートポンプ装置２だけ駆動したときの戻り熱媒温度が所定温度Ｗ１以下の場合に、空気熱ヒートポンプ装置４を駆動し、戻り熱媒温度が所定温度Ｗ１に達するまで第３熱媒Ｆ３を昇温することができる。また、戻り熱媒温度が所定温度Ｗ１以上になったときに、空気熱ヒートポンプ装置４を停止する。また、第１地中熱ヒートポンプ装置２だけ駆動したときの戻り熱媒温度が所定温度Ｗ１以上の場合には、第１地中熱ヒートポンプ装置２も停止する。このように戻り熱媒温度によって第１地中熱ヒートポンプ装置２および空気熱ヒートポンプ装置４を制御すれば、無駄のない効率的な暖房を行うことが可能となる。

また、暖房システム１は、第１地中熱ヒートポンプ装置２と、空気熱ヒートポンプ装置４と、第１地中熱ヒートポンプ装置２によって昇温した暖房用熱媒である第３熱媒Ｆ３を建物４０の床下に充填した蓄熱材であるシンダーコンクリート４４，５３の内部に埋設された配管Ｌ５，Ｌ６に送流し、シンダーコンクリート４４，５３を介して第３熱媒Ｆ３と床材（床仕上げ材４６，５４）の間で熱交換し、建物４０の室内の空気を昇温させる蓄熱材昇温用熱交換器３Ａ，３Ｂと、を有している。

また、第１地中熱ヒートポンプ装置２は、地中を循環する第１熱媒Ｆ１と第２熱媒Ｆ２との間で熱交換を行う熱源側の第１熱交換器７と、第３熱媒Ｆ３と、第２熱媒Ｆ２との間で熱交換を行う負荷側の第２熱交換器８と、第２熱媒Ｆ２の循環路において、第２熱媒Ｆ２を圧縮し第２熱交換器８側に送流する第１圧縮機１０と、第１圧縮機１０側から送流された第２熱媒Ｆ２を減圧し第１熱交換器７側に送流する第１膨張弁１１と、を有し、蓄熱材熱交換器３からの戻り熱媒温度を設定室温に対して８．５℃〜１０℃高くなるように管理する。

地中熱が１５℃〜２０℃の範囲で比較的高い温度で安定している場合や、春秋季の外気温が冬季に比べて高い季節など、または冬季においても外気温が比較的高い場合などでは、蓄熱材熱交換器３からの戻り熱媒温度を設定室温に対して８．５℃〜１０℃高くなるように第１地中熱ヒートポンプ装置２を駆動すれば十分な暖房効果が得られる。したがって、従来技術の暖房システムに対して５０％以下にエネルギー消費量を抑えることが可能となる。

また、暖房システム１において、第１地中熱ヒートポンプ装置２を駆動して暖房する場合、第１地中熱ヒートポンプ装置２は、第３熱媒Ｆ３を循環させるポンプ１５を有し、蓄熱材熱交換器３の入り側の入り熱媒温度と、戻り側の戻り熱媒温度の差を０．５℃以内となるように、第３熱媒Ｆ３を、流速０．２ｍ／秒〜０．８ｍ／秒、かつ単位時間当たりの流量１５リットル／分〜２０リットル／分の範囲で循環させる。

このように、蓄熱材（断熱材）であるシンダーコンクリート４４，５３中に、暖房用熱媒である第３熱媒Ｆ３を上記流速、上記単位時間当たりの流量で送流すれば、シンダーコンクリート４４，５３中の第３熱媒Ｆ３の入り熱媒温度と戻り熱媒温度の差を０．５℃以内に維持できるので、シンダーコンクリート４４，５３の全体をほぼ一定の温度とすることができ、その結果、床表面全体の床表面温度をほぼ一定の温度に維持することができる。

また、暖房システム１において、第１地中熱ヒートポンプ装置２を駆動して暖房する場合、第１地中熱ヒートポンプ装置２から送流された第３熱媒Ｆ３を、蓄熱材昇温用熱交換器３Ａ，３Ｂに分岐して送流するヘッダー（往管ヘッダー１７）を有している。

往管ヘッダー１７によって、蓄熱材熱交換器３Ａおよび蓄熱材熱交換器３Ｂにそれぞれに送流する第３熱媒体Ｆ３の単位時間当たりの流量が、ほぼ一定となる。したがって、蓄熱材熱交換器３Ａ，３Ｂの入り側の入り熱媒温度と、戻り側の戻り熱媒温度の差を０．５℃以内に抑えることができる。蓄熱材熱交換器３Ａを１階部分４１に設置し、蓄熱材熱交換器３Ｂを２階部分４２に設置すれば、１階部分の室温と２階部分の室温をほぼ同じ温度に制御できる。

（第２の実施の形態）
続いて、本発明の第２の実施の形態に係る暖房システム８０について図５、図６を参照しながら説明する。第２の実施の形態の暖房システム８０は、前述した第１の実施の形態の暖房システム１が、暖房を目的としたシステムであることに対して、暖房に加え冷房が可能な暖房システムである。

図５は、第２の実施の形態に係る暖房システム８０の構成を示す構成説明図である。暖房システム８０は、前述した第１の実施の形態の暖房システム１に加え、冷房用の第２地中熱ヒートポンプ装置８１と空気熱交換器８２を有している。暖房システム１の構成は、図１に示したものと同じ構成とすることが可能なので説明を省略し、共通部分には、図１と同じ符号を付している。

第２地中熱ヒートポンプ装置８１は、地中熱交換部６と、熱源側の熱交換器である第４熱交換器８３と、負荷側の熱交換器である第５熱交換器８４を有している。地中熱熱交換部６は、暖房システム１の地中熱交換部６と共用するものとする。地中熱交換部６と第４熱交換器８３は、配管Ｌ１０で連結されていて、ポンプ９によって、第１熱媒Ｆ１が地中熱交換部６と第４熱交換器８３の間で図示矢印方向に循環される。配管Ｌ１０は、地中から第４熱交換器８３までの間は架橋ポリエチレン管などの樹脂製のものや銅管などの金属製が使用され、第４熱交換器８３内は銅管などの熱伝導性が高い金属製のものを使用することが好ましい。ポンプ９は、暖房システム１側のポンプ９と共用する。したがって、ポンプ９は、暖房システム１および暖房システム８０を同時に駆動可能な揚程を有することが望ましい。なお、ポンプ９を共用とせず、後述する分岐部８５の下流側（第１熱交換器７側および第４熱交換器８３側）にそれぞれ１個ずつ、計２個のポンプを設けるようにしてもよい。

暖房システム１側の配管Ｌ１と暖房システム８０側の配管Ｌ１０は、送出側ではポンプ９の下流側の分岐部８５で分岐連結され、戻り側は地中熱交換部６に対して上流側の分岐部８６で合流連結される。分岐部８５および分岐部８６には、三方弁またはヘッダーが使用される。なお、第４熱交換器８３と分岐部８５の間に熱動弁を配設するようにしてもよい。また、分岐部８６と第１熱交換器７の間の配管Ｌ１には、逆止弁８７を配設し、第４熱交換器８３から送流される第１熱媒Ｆ１が第１熱交換器７側に逆流しないようにしている。

第４熱交換器８３と第５熱交換器８４は、配管Ｌ１１で接続され、配管Ｌ１１内には、第５熱媒Ｆ５として第２熱媒Ｆ２や第４熱媒Ｆ４と同じようにＨＦＣ（代替フロンガス）またはＨＣ（ノンフロンガス）などが充填されていて、図示矢印方向に循環される。第５熱交換器８４の上流側には第３膨張弁８８が配設され、下流側には第３圧縮機８９が配設されている。第３膨張弁８８は、いわゆる蒸発器であって第３熱媒Ｆ３を降温する。第３圧縮機８９は、第５熱媒Ｆ５を圧縮して第５熱媒Ｆ５を昇温する。第４熱交換器８３は、地中熱の熱源となる第１熱媒と第５熱媒Ｆ５との間の熱交換作用によって第５熱媒Ｆ５が地中熱を集熱する。第５熱交換器８４は、第５熱媒Ｆ５と第６熱媒Ｆ６の間の熱交換作用で、負荷側（建物側）の熱媒である第６熱媒Ｆ６を所定の温度に昇温する。なお、第６熱媒Ｆ６は、第３熱媒Ｆ３と同じように不凍液または水を使用するが、暖房システム１と区別して説明するため第６熱媒Ｆ６と記載する。

第５熱交換器８４と空気熱交換器８２とは、配管Ｌ１２、Ｌ１３によって連結されている。空気熱交換器８２は、図５に示す例では、１階部分４１用の空気熱交換器８２Ａと２階部分４２用の空気熱交換器８２Ｂを有している。空気熱交換器８２Ａは配管Ｌ１４を有し、空気熱交換器８２Ｂは配管Ｌ１５を有し、配管Ｌ１４，Ｌ１５は、各々配管Ｌ１２から分岐されている。配管Ｌ１４，Ｌ１５は、室内機９１，９２内（図６参照）に配設され、熱伝導率が高い銅管などの金属製のものか、架橋ポリエチレン管などの樹脂製のものを使用することが可能であるが、熱伝導率が高い金属製のものがより好ましい。

配管Ｌ１２と配管Ｌ１４，Ｌ１５は、往き側では往管ヘッダー９３で連結されている。また、第５熱交換器８４と往管ヘッダー９３の間には、ポンプ９４が配置されている。ポンプ９４は、第６熱媒Ｆ６を図示矢印方向に所定の流速、所定の単位時間当たりの流量で送流する。また、配管１３と配管Ｌ１４，Ｌ１５の戻り側連結部には、還管ヘッダー９５が配設されている。還管ヘッダー９５は、１階部分４１用の空気熱交換器８２Ａおよび２階部分４２用の空気熱交換器８２Ｂからの戻りの第６熱媒Ｆ６をまとめ、第６熱媒Ｆ６の流量条件を往き（配管Ｌ１２）の流量条件と同じにして第５熱交換器８４に戻す機能を有する。ここで、配管Ｌ１２、Ｌ１３には、架橋ポリエチレン管などの樹脂製のものを使用する。１階部分用の空気熱交換器８２Ａおよび２階部分用の空気熱交換器８２Ｂには、それぞれ送風機９６が設けられている。送風機９６は、配管Ｌ１４，Ｌ１５それぞれの室内内側に配置され、第６熱媒Ｆ６と室内空気との間で熱交換された空気を冷風として室内に送風し、室内を冷房する。

暖房システム８０は、制御部５によって制御される。制御部５は、暖房システム１と共用可能であるが、前述した暖房システム１の機能に加えて、暖房と冷房の切り換え手段を有し、ユーザーによる室温設定に基づき、第２地中熱ヒートポンプ装置８１の駆動制御（つまり第６熱媒Ｆ６の温度制御）、第６熱媒Ｆ６の流路の確保、単位時間当たりの流量および流速の制御などを行う機能を有する。流路の確保としては、往管ヘッダー９３の流路切り換え、すなわち、第６熱媒Ｆ６の配管Ｌ１４または配管Ｌ１５、または両方への送流の切り換え、還管ヘッダー９５による流路切り換え、すなわち、第６熱媒Ｆ６の配管Ｌ１４または配管Ｌ１５、または両方からの送流の切り換えを行う。

ここで、第２地中熱交換器２および空気熱交換器８２による冷房について説明する。第５熱媒Ｆ５は、第３膨張弁８８の作用で降温され第５熱交換器８４に入る。第５熱交換器８４では、第５熱媒Ｆ５と第６熱媒Ｆ６との熱交換作用によって、第６熱媒Ｆ６が高温され空気熱交換器８２に送流される。空気熱交換器８２において、室内空気温度が、第６熱媒Ｆ６との間の熱交換作用で第６熱媒Ｆ６に吸収されて降温される。そして、送風機９６によって冷風が室内に循環される。第６熱媒Ｆ６と室内空気との熱交換作用で、戻り側の第６熱媒Ｆ６は昇温される。そして、第５熱交換器において第５熱媒との熱交換作用で、第６熱媒Ｆ６は、降温される。このサイクルを継続することによって建物４０の室内を冷房することが可能となる。

なお、暖房システム８０による室内の冷房を効果的に行うためには、建物４０を図２に示したような断熱構造としている。

図６は、第２の実施の形態に係る暖房システム８０の全体構成を模型的に表す説明図である。建物４０は、図２で説明したものと同じ断熱構造を有しているので詳細な説明は省略する。図６では、図２と共通部分に図２と同じ符号を付している。１階部分４１の上部には、室内機９１が取り付けられ、２階部分４２の上部には、室内機９２が取り付けられている。一方、室外には、第１地中熱ヒートポンプ装置２、空気熱ヒートポンプ装置２および第２地中熱ヒートポンプ装置８１が設置されている。室内機９１，９２にはそれぞれ、空気熱交換器８２Ａと送風機９６、空気熱交換器８２Ｂと送風機９６（共に、図５参照）を有していて、冷風を室内に送風できるようになっている。

次に、暖房システム８０を用いた冷房方法について図５を参照しながら説明する。まず、ユーザーは、不図示の操作パネルからの操作（またはリモコン操作）によって、冷房の選択と所望の室温を設定しておく。制御部５には、設定室温および室温と、第５熱交換器８４の駆動条件（第３圧縮機８９の駆動条件）および第６熱媒Ｆ６の単位時間当たりの流量や流速の相関を予めメモリに記憶させてある。なお、第６熱媒Ｆ６の単位時間当たりの流量や流速は、ポンプ９４の駆動を制御することで行われる。送風機９６は、暖房システム８０を起動（ＯＮ）したときに駆動を開始し、暖房システム８０を停止（ＯＦＦ）したときに駆動を停止する。設定温度よりも室温が高い場合には、第２地中熱ヒートポンプ装置８１を起動し、設定温度よりも室温が低い場合あるいは同じ場合には、地中熱ヒートポンプ８１を停止する。なお、配管Ｌ１３の途中に配置された温度センサー９６で第６熱媒Ｆ６の戻り熱媒温度を検出し、設定室温と第６熱媒Ｆ６の戻り熱媒温度との差から、上記駆動条件を決定するようにしてもよい。このような場合も、予め、設定室温と第６熱媒Ｆ６の戻り熱媒温度との相関をメモリに記憶させておくが、この設定は、暖房システム８０の設置業者または製造業者によって行われる。ただし、ユーザーが行ってもよい。

以上説明した暖房システム８０は、前述した暖房システム１に加え、第２地中熱ヒートポンプ装置８１と、空気中熱交換器８２と、を有している。第２地中熱ヒートポンプ装置８１は、第１地中熱ヒートポンプ装置２から分岐された第１熱媒Ｆ１と、第１熱媒Ｆ１と第５熱媒Ｆ５との間で熱交換を行う第４熱交換器８３と、第６熱媒Ｆ６と第５熱媒Ｆ５との間で熱交換を行う第５熱交換器８４と、第５熱媒Ｆ５の循環路において、第５熱媒Ｆ５を減圧して第５熱交換器８４に送流する第３膨張弁８８と、第５熱交換器８４から送流される第５熱媒Ｆ５を圧縮して第４熱交換器８３に送流する第３圧縮機８９と、を有している。また、空気中熱交換器８２は、建物４０の室内に配置され、第２地中熱ヒートポンプ装置８１から送流される第６熱媒Ｆ６を循環する配管Ｌ１４，Ｌ１５と、配管Ｌ１４，Ｌ１５よりも室内内側に配置された送風機９６を有し、室内を冷房可能としている。

このように構成された暖房システム８０は、暖房と冷房に切り替えることで、前述した暖房システム１で暖房が可能で、制御部５で暖房から冷房に切り替え、第２地中熱ヒートポンプ装置８１を駆動することで室内の冷房を行うことが可能となる。この際、第６熱媒Ｆ６の戻り熱媒温度を検出し、第２地中熱ヒートポンプ装置８１の駆動制御（温度制御）を行うことで室温の調整が可能である。第２地中熱ヒートポンプ装置８１の熱源は、地中熱で、地中熱は１５℃〜２０℃の間でほぼ一定であるから、一般に用いられるチラーなどに比べてエネルギー消費量を抑えることが可能となる。

なお、本発明は前述の実施の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範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

たとえば、第１、第２の実施の形態において、空気熱ヒートポンプ装置４を設けないようにしてもよい。また、第２の実施の形態では、戻り熱媒温度を検出して室温を制御しているが、温度センサー２９によって、室温を検出して設定室温になるように第２地中熱ヒートポンプ装置８１を制御してもよい。

また、第１、第２の実施の形態では、２階建て建物の例をあげて説明しているが、建物が１階部分のみの場合には、蓄熱材熱交換器３Ｂや空気熱交換器８２Ｂは不要である。また、３階以上の建物の場合には、フロアごとに、蓄熱材熱交換器３や空気熱交換器８２を設けるようにしてもよい。また、１階部分または２階部分が広い面積を暖房する場合には、各階用として蓄熱材熱交換器３Ａおよび蓄熱材熱交換器３Ｂ、またはさらに蓄熱材熱交換器の数を増やして配置するようにしてもよい。冷房の場合も暖房と同様に、一つの階に複数の空気熱交換器８２を設置するようにしてもよい。

また、前述した第２の実施の形態では、第２地中熱ヒートポンプ装置８１および空気熱交換器８２を駆動するようにしているが、たとえば、第１の実施の形態の暖房システム１（第１地中熱ヒートポンプ２を駆動する）で冷房することも可能である。この場合には、前述した暖房システム１の考え方で、戻り熱媒温度を設定室温に対して適切に設定することで可能となる。ただし、室内の湿度が高く、室温と床表面温度差が大きくなると結露しやすくなるので、暖房システム１を含めた暖房システム８０を用いることが好ましい。

１…暖房システム（第1の実施の形態）
２…第１地中熱ヒートポンプ装置
３…蓄熱材熱交換器（蓄熱材昇温用熱交換器）
３Ａ…蓄熱材熱交換器（１階部分）
３Ｂ…蓄熱材熱交換器（２階部分）
４…空気熱ヒートポンプ装置
７…第１熱交換器（熱源側）
８…第２熱交換器（負荷側）
９…ポンプ（熱源側）
１０…第１圧縮機（地中熱ヒートポンプ装置）
１１…第１膨張弁（地中熱ヒートポンプ装置）
１７…往管ヘッダー（ヘッダー）
１９…温度センサー（還管側）
２０…空気中熱交換部
２１…第３熱交換器（空気熱ヒートポンプ装置）
２２…第２圧縮機（空気熱ヒートポンプ装置）
２３…第２膨張弁（空気熱ヒートポンプ装置）
４０…建物
４４，４５…シンダーコンクリート（蓄熱材）
４６…床仕上げ材（床材）
５７，６０，６１…断熱材
８０…暖房システム（第２の実施の形態）
８１…第２地中熱ヒートポンプ装置
８２…空気熱交換器
８２Ａ…空気熱交換器（１階部分）
８２Ｂ…空気熱交換器（２階部分）
８３…第４熱交換器
８４…第５熱交換器
８８…第３膨張弁
８９…第３圧縮機
９５…送風機
Ｆ１…第１熱媒
Ｆ２…第２熱媒
Ｆ３…第３熱媒（暖房用熱媒）
Ｆ４…第４熱媒
Ｆ５…第５熱媒
Ｆ６…第６熱媒（冷房用熱媒）
Ｌ１〜Ｌ１５…配管

Claims (7)

1. 第１地中熱ヒートポンプ装置と、
   空気熱ヒートポンプ装置と、
   前記第１地中熱ヒートポンプ装置および前記空気熱ヒートポンプ装置によって昇温した暖房用熱媒を建物の床下に充填した蓄熱材の内部に埋設された配管に送流し、前記蓄熱材を介して前記暖房用媒体と床材の間で熱交換し、前記建物の室内の空気を昇温させる一つまたは複数の蓄熱材昇温用熱交換器と、
   第２地中熱ヒートポンプ装置と、
   空気中熱交換器と、を有し、
   前記第１地中熱ヒートポンプ装置は、
   地中を循環する第１熱媒と第２熱媒との間で熱交換を行う熱源側の第１熱交換器と、
   前記暖房用熱媒となる第３熱媒と前記第２熱媒との間で熱交換を行う負荷側の第２熱交換器と、
   前記第２熱媒の循環路において、前記第２熱媒を圧縮し前記第２熱交換器側に送流する第１圧縮機と、前記第１圧縮機側から送流された第２熱媒を減圧し前記第１熱交換器側に送流する第１膨張弁と、を有し、
   前記空気熱ヒートポンプ装置は、
   外気と第４熱媒との間で熱交換を行う空気中熱交換部と、
   前記第２熱交換器の下流側で分岐された前記第３熱媒と前記第４熱媒との間で熱交換を行う第３熱交換器と、
   前記第４熱媒の循環路において、前記第４熱媒を圧縮し前記第３熱交換器側に送流する第２圧縮機と、前記第２圧縮機側から送流された前記第４熱媒を減圧し前記空気中熱交換部側に送流する第２膨張弁と、を有し、
   前記蓄熱材昇温用熱交換器からの戻り熱媒温度を、設定室温に対して８．５℃〜１０℃高くし、
   前記第２地中熱ヒートポンプ装置は、
   前記第１地中熱ヒートポンプ装置から分岐された前記第１熱媒と、当該第１熱媒と第５熱媒との間で熱交換を行う第４熱交換器と、
   第６熱媒と前記第５熱媒との間で熱交換を行う第５熱交換器と、
   前記第５熱媒の循環路において、前記第５熱媒を減圧して前記第５熱交換器に送流する第３膨張弁と、前記第５熱交換器から送流される第５熱媒を圧縮して前記第４熱交換器に送流する第３圧縮機と、
   を有し、
   前記空気中熱交換器は、
   前記建物の室内に配置され、前記第２地中熱ヒートポンプ装置から送流される第６熱媒を循環する配管と、当該配管よりも室内内側に配置された送風機を有し、室内を冷房可能としている、
   ことを特徴とする暖房システム。
2. 請求項１に記載の暖房システムにおいて、
   前記第１地中熱ヒートポンプ装置は、前記第３熱媒を循環させるポンプを有し、
   前記蓄熱材昇温用熱交換器の入り側の入り熱媒温度と、戻り側の戻り熱媒温度の差を０．５℃以内となるように、
   前記第３熱媒を、流速０．２ｍ／秒〜０．８ｍ／秒、かつ単位時間当たりの流量１５リットル／分〜２０リットル／分の範囲で循環させる、
   ことを特徴とする暖房システム。
3. 請求項１に記載の暖房システムにおいて、
   前記第１地中熱ヒートポンプ装置および前記空気熱ヒートポンプ装置から送流された前記第３熱媒の合流部より下流側に、前記第３熱媒を一つまたは複数の前記蓄熱材昇温用熱交換器に分岐して送流するヘッダーを有している、
   ことを特徴とする暖房システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の暖房システムにおいて、
   前記戻り熱媒温度を検出する温度センサーを有し、
   前記第１地中熱ヒートポンプ装置および前記空気熱ヒートポンプ装置は、前記戻り熱媒温度の検出値によって制御される、
   ことを特徴とする暖房システム。
5. 第１地中熱ヒートポンプ装置と、
   空気熱ヒートポンプ装置と、
   前記第１地中熱ヒートポンプ装置によって昇温した暖房用熱媒を建物の床下に充填した蓄熱材の内部に埋設された配管に送流し、前記蓄熱材を介して前記暖房用媒体と床材の間で熱交換し、前記建物の室内の空気を昇温させる一つまたは複数の蓄熱材昇温用熱交換器と、
   第２地中熱ヒートポンプ装置と、
   空気中熱交換器と、を有し、
   前記第１地中熱ヒートポンプ装置は、
   地中を循環する第１熱媒と第２熱媒との間で熱交換を行う熱源側の第１熱交換器と、
   前記暖房用熱媒となる第３熱媒と、前記第２熱媒との間で熱交換を行う負荷側の第２熱交換器と、
   前記第２熱媒の循環路において、前記第２熱媒を圧縮し前記第２熱交換器側に送流する第１圧縮機と、前記第１圧縮機側から送流された第２熱媒を減圧し前記第１熱交換器側に送流する第１膨張弁と、を有し、
   前記蓄熱材昇温用熱交換器からの戻り熱媒温度を設定室温に対して８．５℃〜１０℃高くし、
   前記第２地中熱ヒートポンプ装置は、
   前記第１地中熱ヒートポンプ装置から分岐された前記第１熱媒と、当該第１熱媒と第５熱媒との間で熱交換を行う第４熱交換器と、
   第６熱媒と前記第５熱媒との間で熱交換を行う第５熱交換器と、
   前記第５熱媒の循環路において、前記第５熱媒を減圧して前記第５熱交換器に送流する第３膨張弁と、前記第５熱交換器から送流される第５熱媒を圧縮して前記第４熱交換器に送流する第３圧縮機と、
   を有し、
   前記空気中熱交換器は、
   前記建物の室内に配置され、前記第２地中熱ヒートポンプ装置から送流される第６熱媒を循環する配管と、当該配管よりも室内内側に配置された送風機を有し、室内を冷房可能としている、
   ことを特徴とする暖房システム。
6. 請求項５に記載の暖房システムにおいて、
   前記第１地中熱ヒートポンプ装置は、前記第３熱媒を循環させるポンプを有し、
   前記蓄熱材昇温用熱交換器の入り側の入り熱媒温度と、戻り側の戻り熱媒温度の差を０．５℃以内となるように、
   前記第３熱媒を、流速０．２ｍ／秒〜０．８ｍ／秒、かつ単位時間当たりの流量１５リットル／分〜２０リットル／分の範囲で循環させる、
   ことを特徴とする暖房システム。
7. 請求項５または請求項６に記載の暖房システムにおいて、
   前記第１地中熱ヒートポンプ装置から送流された前記第３熱媒を、一つまたは複数の前記蓄熱材昇温用熱交換器に分岐して送流するヘッダーを有している、
   ことを特徴とする暖房システム。

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