JP2004361074A - 太陽熱を利用した暖房及び給湯用ボイラーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽熱を利用した暖房及ぶ給湯用ボイラシステムにおいて、ボイラーの不要な稼動とその稼動による加熱負荷を防止してエネルギーの浪費を最小化させる。
【解決手段】太陽熱を利用した暖房及び給湯用ボイラーシステムに係り、温水の対流作用で蓄熱タンク５と温水貯蔵タンク１１に低温水と高温水がその温度別に分離して貯蔵されるようにし、熱媒体液に吸収された太陽熱を温水の加熱に実質的で效果的に利用できるようにすると同時に蓄熱タンク５から温水貯蔵タンク１１への持続的な温水供給を介して暖房と給湯に必要な温水の量を充分に確保できるようにして、共に供給対流管１０及び給湯貯蔵タンク２４の内部温度条件によって太陽熱または補助ボイラー２０による暖房と給湯を選択的に行うことができるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽熱を利用した暖房及び給湯用ボイラーシステムに係り、さらに詳細には熱媒体液が流動する配管の内部にエアーが発生して停滞する現象を防止することができるようにして、これによって熱媒体液を円滑に流動させて熱媒体液に吸収された太陽熱をさらに效率的に回収すると同時に配管内のエアー除去のための煩わしい作業とエアーの熱膨張による配管の破損を防止してシステムの半永久的な使用が可能なようにし、熱媒体液に吸収された太陽熱を低温部と高温部に分離貯蔵してその低温部側が太陽熱によって持続的に加熱してその高温部側の暖房と給湯に利用されることができるようにし、これによって太陽熱を暖房と給湯に実質的で效率的に利用できるようにすると同時に温水の持続的な供給を成すことができるようにして、補助ボイラーの作動時にも要求する温度の７０〜９０％まで太陽熱であらかじめ加熱した温水に１０〜３０％に該当する少量のエネルギーだけを補助ボイラーで補充する式で少量の温水だけを集中的に加熱してその不足した熱源を速かに補充できるようにすることによって、ボイラーの不要な稼動とその稼動による加熱負荷を防止してエネルギーの浪費を最小化させることができるようにした太陽熱を利用した暖房給湯ボイラーシステムに関する。

一般に太陽熱を利用したボイラーシステムは石油や石炭または天然ガスの使用による化石燃料の浪費と環境汚染を防止するための目的でそのエナージ源が無限に近い太陽熱を利用して室内の暖房と温水の供給を行うことができるようにしたことであって、その普及初期には太陽熱を回収することができる時間が昼間に限られて曇った天気や雨天時には太陽熱を回収することができなくなるので太陽熱の回収が間歇的に行われるだけでなくその集熱密度も低くて大きいエナージ源として形成させることができない短所によってそれほど広く活用はできなかったが、最近になって太陽光線を追跡しながら短い時間内に太陽熱を高密度で回収してその熱を蓄積させることができる技術が発展するによって太陽熱を利用したボイラーシステムの普及が拡散している実情である。

前記のように太陽熱を利用したボイラーシステムはその設置場所と設置方式によっていろいろの形態に分けられることができるが最も代表的であるものには、その表面が黒い銅版または銅パイプ材質で構成される集熱器を透明なふたが取り付けてある箱に入れて屋根のように太陽熱を回収するのが容易な場所に設置して、前記集熱器の内部に熱媒体液を循環させるための配管が蓄熱タンクの内部で熱交換器を形成するようにし、この熱交換器から集熱器に延びる配管には熱媒体液の循環のための循環ポンプが設置された構造で形成されるものである。

前記熱媒体液は水のような潜熱蓄熱材を利用する事もでき、冬期に熱媒体液が凍結されることを防止するためにエチレングリコールのような不凍液を水と５０：５０の比率で混ぜたことを用いることもでき、前記蓄熱タンクの内部には熱媒体液との熱交換を介して太陽熱を吸収した温水が貯蔵されることによって室内の暖房コイルや給湯用配管のように暖房と給湯を必要とする場所に温水を供給することができるようになっている。

また、夜間や曇った天気または雨天時のように集熱器で太陽熱を直接吸収できない期間や、集熱器で吸収される太陽熱だけでは暖房や給湯用温水を要求する温度に加熱させられない場合を備えて補助暖房のためのボイラーが前記蓄熱タンクと共に設置されることによって蓄熱タンクに貯蔵された温水の温度を一定の水準に維持させることができるようにした。

しかし、前記のような従来の太陽熱を利用したボイラーシステムは停電や熱媒体液の漏洩または電気制御装置の故障などが発生する場合熱媒体液の配管内部にエアーが発生するようになるが、このように発生したエアーが集熱器の上部側に位置する配管の内部で停滞して熱媒体液の円滑な循環が非常に難しくなる問題点が発生しており、これによって建物の屋上に設置した集熱器側に作業者が直接上がってエアーバルブを開放させる煩わしい作業を経なければならない問題点があっただけでなく、エアーを適時に除去することができない場合には配管内部を流動する熱媒体液の収縮と膨脹が繰り返されながら集熱器と連結された配管が破裂する深刻な問題点が発生した。

また、熱媒体液によって吸収された太陽熱を１台の蓄熱タンクに貯蔵させるようにしたため蓄熱タンクに貯蔵された温水を低温と高温に分離できなくなり、これによって集熱器で吸収された太陽熱を蓄熱タンクの内部に一時的に貯蔵させる単純な熱エネルギー移送サイクルに過ぎなく太陽熱による暖房と温水の加熱効率が非常に低下する問題点があった。

特に、夜間や曇った天気または雨天時のように集熱器に太陽熱を直接吸収できない期間や、集熱器で吸収される太陽熱だけでは暖房や給湯用温水を要求する温度に加熱させられない場合補助ボイラーを用いて蓄熱タンクに貯蔵された温水を加熱させなければならないが、補助ボイラーによって１台の蓄熱タンクに貯蔵された温水全体を加熱しなければならないので温水の加熱によるエネルギーの浪費をもたらす問題点があっただけでなく、補助ボイラーによって蓄熱タンク内部の温水を一定温度以上に加熱させておくようになれば、昼間に太陽熱を吸収して温水を加熱させるにしても既に一定温度以上に上昇した温水をさらに高い温度に加熱させることができないため太陽から吸収される低温の熱は事実上温水の加熱に全く利用されることができない問題点があった。

本発明は前記のような従来の問題点を解決するために案出したものであって、本発明による太陽熱を利用した暖房給湯ボイラーシステムは、太陽熱を吸収した熱媒体液を集熱器から蓄熱タンクの内部に延びる配管に循環させて蓄熱タンクに貯蔵された低温水と熱交換を行うようにして、このように熱交換された熱媒体液を熱媒体タンクに循環させて配管内の残留空気を除去させると同時に循環ポンプによって熱媒体液を集熱器側に押す式で再供給できるようにすることによって、熱媒体液が流動する配管の内部にエアーが発生して停滞する現象を防止することができるようにして、これによって熱媒体液を円滑に流動させて熱媒体液に吸収された太陽熱をさらに效率的に回収すると同時に配管内のエアー除去のための煩わしい作業とエアーの熱膨張による配管の破損を防止してシステムの半永久的な使用が可能なようにすることをその技術的課題にする。

また、前記蓄熱タンクを供給対流管と循環水対流管によってその上部の温水貯蔵タンクと連結設置することによって、それぞれの対流管による温水の対流作用で蓄熱タンクと温水貯蔵タンクに低温水と高温水がその温度別に分離して貯蔵されるようにし、これによって蓄熱タンクの内部では太陽熱による低温水の持続的な加熱が行われて、温水貯蔵タンクと供給対流管の上部側には暖房と給湯に適合な高温水だけが集約されるようにすることによって、熱媒体液に吸収された太陽熱を温水の加熱に実質的で效果的に利用できるようにすると同時に蓄熱タンクから温水貯蔵タンクへの持続的な温水供給を介して暖房と給湯に必要な温水の量を充分に確保することができるようにすることを本発明の他の技術的課題にする。

そして、前記供給対流管の上端部を補助ボイラーと室内暖房コイルに個別的に連結して暖房システムを構成すると同時に、前記供給対流管に貯蔵された高温水の熱を１次的に回収するためにその内部に熱交換コイルを形成しながら延びる冷水供給管の上端部を給湯貯蔵タンクと補助ボイラーに個別的に連結して、この給湯貯蔵タンクの内部には供給対流管と循環水対流管にそれぞれ連結されて給湯貯蔵タンクに貯蔵された温水を高温水の熱で２次加熱する補助加熱手段を設置して給湯システムを構成することによって、供給対流管及び給湯貯蔵タンクの内部温度条件により太陽熱または補助ボイラーによる暖房と給湯を選択的に行うことができるようにして、補助ボイラーの作動時にも太陽熱によってあらかじめ加熱した少量の温水だけを集中的に加熱してその不足した熱源だけを速かに補充することができるようにすることによって、ボイラーの不要な稼動とその稼動による加熱負荷を防止してエネルギーの浪費を最小化させることができるようにすることを本発明のまた他の技術的課題にする。

前記の技術的課題を達成するための本発明は、太陽熱集熱器から延びる熱媒体液の供給ラインが蓄熱タンクの内部で熱交換器を形成して、この熱交換器から太陽熱集熱器に延びる熱媒体液の回収ラインには循環ポンプが設置されたことにおいて、前記熱媒体液の供給ラインと回収ラインには高温感知センサーと低温感知センサーがそれぞれ設置されてその回収ライン上には熱媒体液を貯蔵する熱媒体タンクが前記循環ポンプと共に設置され、前記蓄熱タンクはその一側上部に連結される供給対流管とその他側下部に連結される循環水対流管によって温水貯蔵タンクの上、下側とそれぞれ連結設置されて、その供給対流管の上端部は温水貯蔵タンクより高い位置まで延びて室内の暖房コイルと補助ボイラーにそれぞれ連結設置され、前記暖房コイルから供給対流管に延びる暖房回収管には循環ポンプと三方電子バルブが設置されて、その三方電子バルブから補助回収管が延びて前記循環水対流管の下側部に連結設置され、前記供給対流管には冷水供給管がその内部に熱交換コイルを形成しながら供給対流管の上部に延びてその端部側に給湯貯蔵タンクと前記補助ボイラーにそれぞれ連結する三方電子バルブが設置され、前記給湯貯蔵タンクの内部には高温水供給管と温水回収管によって供給対流管と循環水対流管の上端部にそれぞれ連結される補助加熱手段が設置されて、給湯貯蔵タンクの一側に延びる給湯供給管には前記補助ボイラーから延びる給湯配管と流速感知スイッチが連結設置され、前記供給対流管と給湯貯蔵タンクには該三方電子バルブの作動を制御する温度センサーが設置されることを特徴とする。

前記のように本発明による太陽熱を利用した暖房給湯ボイラーシステムは、熱媒体タンクに熱媒体液を流入させる過程で熱媒体液に含まれたエアーを自動的に除去させると同時に循環ポンプが集熱器側に熱媒体液を押す式で再供給できるようにすることによって、熱媒体液が循環する配管の内部でエアーが停滞する現象を防止することができる効果があり、これによって熱媒体液の円滑な循環による温水の効果的な加熱を行うと同時に配管内部のエアーをいちいち除去させる煩わしい作業と配管の破裂現象を未然に防止してボイラーシステムの半永久的な使用を可能なようにする効果があるものである。

以下、前記の目的を達成するための本発明を添付した図面を参照して詳細に説明すれば次の通りである。
図１は、本発明による太陽熱を利用した暖房給湯ボイラーシステムの全体的な構成を示す配管図であって図示しているように、太陽熱集熱器１から延びる熱媒体液の供給ライン１ａが蓄熱タンク５の内部で熱交換器４を形成して、この熱交換器４から太陽熱集熱器１に延びる熱媒体液の回収ライン１ｂには熱媒体液の貯蔵と循環のための熱媒体タンク８と循環ポンプ９が設置されており、前記熱媒体液の供給ライン１ａと回収ライン１ｂには集熱器１側の熱媒体液温度と熱交換器４を流動して出た熱媒体液の温度を測定する高温感知センサー２と低温感知センサー７がそれぞれ設置されている。

集熱器１側に連結された前記供給ライン１ａは集熱器１より高い位置に突出てから下部に延びるが、その理由は集熱器１の内部に貯蔵された熱媒体液が供給ライン１ａ側に落下することを防止してその上部に空いた空間が発生しないようにするためのことであって、供給ライン１ａをこのように形成させることだけでも別途のエアーバルブを設置する必要性がなくなり、前記熱媒体タンク８は熱媒体液の膨脹と収縮を吸収して熱交換器４を通過して出た熱媒体液からエアーを自然的に分離及び除去させると同時に自然損失となる熱媒体液を補充させる役割をすることであって、熱媒体タンク８の上端部にはエアー排出用空間が形成されて、その上のふた８ａにエアー自動排出管８ｂを形成したのである。

そしてこの熱媒体タンク８の一側には熱媒体液が消尽される場合その低水位を感知してボイラーシステムに内蔵された警報装置で熱媒体液の補充を知らせる低水位センサー６が設置されている。

そして、熱媒体液の流動配管による熱交換器４をその内部に備える前記蓄熱タンク５はその一側上部に連結される供給対流管１０とその他側下部に連結される循環水対流管１２によってその上部側に設置する温水貯蔵タンク１１と熱交換可能であるように設置されるが、前記供給対流管１０はその上端部が温水貯蔵タンク１１より高い位置まで延びて温水貯蔵タンク１１の上部側に連結設置されて、前記循環水対流管１２はその上端部が温水貯蔵タンク１１の下部側に連結設置されることによって、蓄熱タンク５で吸収された太陽熱を対流式で循環させて高温部と低温部に分離することができるようにした。

すなわち、前記供給対流管１０は蓄熱タンク５で昇温された温水を上部に移送して温水貯蔵タンク１１より高い位置まで延びるその上端部に温水の熱を集中させることによって暖房供給水または給湯加熱水で使われる高温水を集約して保管する役割をして、前記循環水対流管１２は熱交換後低温に下がる温水を蓄熱タンク５に移送させて再加熱させる役割をすることであって、前記供給対流管１０と循環水対流管１２によって蓄熱タンク５と温水貯蔵タンク１１に低温水と高温水をそれぞれ分離して貯蔵することができるようになると同時に供給対流管１０の上端部に最も高い温度の高温水を集約させることができるようになる。

前記のような役割をする供給対流管１０の上端部には温水供給管１３と暖房回収管１６によって室内の暖房コイル１５が連結されると同時に暖房配管２１によって補助ボイラー２０が連結設置されて、前記暖房コイル１５から供給対流管１０に延びる暖房回収管１６には循環ポンプ１７と三方電子バルブ１８が設置され、前記三方電子バルブ１８の下部側には補助回収管１９が延びて前記循環水対流管１２の下側部に連結設置されている。

また、前記供給対流管１０の一側上部には供給対流管１０の内部温度によって三方電子バルブ１８の作動を制御する補助暖房温度センサー１０ｂが設置されることによって供給対流管１０から測定した温度値によって太陽熱による暖房とボイラーによる補助暖房を選択的に行うことができるようになっている。

そして、前記供給対流管１０の内部には図示していない冷水供給源から延びる冷水供給管２２がジグザグ形態に配列されて熱交換コイル１０ａを形成しており、前記熱交換コイル１０ａから供給対流管１０の上部に延びる冷水供給管２２の先端部には流入管２４ａによって給湯貯蔵タンク２４と連結されて、給湯配管２７によって前記補助ボイラー２０と連結される三方電子バルブ２３が設置される。

前記給湯貯蔵タンク２４は冷水供給管２２を流動する冷水が供給対流管１０の熱交換コイル１０ａを経ながら一次加熱された温水を貯蔵する役割をすることであって、その内部には高温水供給管２５ａによって前記供給対流管１０の上端部と連結されて、温水回収管２５ｂによって前記循環水対流管１２の上端部にそれぞれ連結される補助加熱手段２５が設置され、これによって供給対流管１０の上端部に貯蔵された高温水で給湯貯蔵タンク２４に貯蔵された温水を給湯に適合な温度に加熱させることができるようになっている。

参考でこの時の補助加熱手段２５は循環水対流管１２から温水を供給を受けることでなく別途の加熱手段（ガスヒーター、電気ヒーター等）で水を加熱する手段になることもある。

また、前記給湯貯蔵タンク２４の一側には要求する場所に温水を供給するための給湯供給管２４ｂが連結設置されて、前記給湯供給管２４ｂには補助ボイラー２０の内部に熱交換コイル２０ａを形成しながら延びる給湯配管２７及び流速感知スイッチ３０がそれぞれ連結設置され、前記給湯貯蔵タンク２４の一側上部には給湯貯蔵タンク２４の内部温度によって三方電子バルブ２３の作動を制御する給湯温度センサー２６が設置されて給湯貯蔵タンク２４から測定した温度値によって太陽熱による給湯とボイラーによる給湯を選択的に行うことができるようになっている。

前記給湯供給管２４ｂに設置する流速感知スイッチ３０は温水の使用のために図示していない水道蛇口やバルブを開放させることによって給湯供給管２４ｂの内部を介して温水が流動するようになる場合温水の流動方向に曲がる電線が接点部と接続されて補助ボイラー２０を作動させるようになって、水道蛇口やバルブを締めることによって給湯供給管２４ｂの内部を介して温水が流動しない場合には電線が接点部で離脱して補助ボイラー２０の作動を中止させる役割をする。

また、前記給湯貯蔵タンク２４の上部には一般的なボイラーシステムに設置することと同様にボイラーシステムへの給水と共に水温上昇によるシステム内部の膨張力を吸収するための膨脹タンク２８が設置されており、前記膨脹タンク２８には供給対流管１０から補助加熱手段２５に延びる前記高温水供給管２５ａと一体で連結される膨脹ライン２８ａがその一側に貫通して、その他側にはボイラーシステムに給水を供給するためのボイラー給水管２９が延びて前記循環水対流管１２の下側部と連結設置されている。

また、前記膨脹タンク２８の両側にはこの膨脹タンク２８に貯蔵される水が一定水位以上になれば膨脹タンク２８の外部に水を自動的に排出させるようにしたオーバーフロー管２８ｂと、膨脹タンク２８で蒸発する水の量だけ膨脹タンク２８に給水を供給するための補充水供給管２８ｃがそれぞれ連結設置された構成で形成される。

前記のような構成で形成される本発明の作用関係を図２及び図３を参照してさらに詳細に説明し、本発明の作用関係に対する説明では本発明によるボイラーシステムの理解を助けるために本発明のボイラーシステムを暖房サイクルに適用させた場合と給湯サイクルに適用させた場合にそれぞれ分離して説明するが、実質的には暖房サイクルと給湯サイクルが同時に行われて室内の暖房と温水の供給を共に行うように構成されているものである。

図２は、本発明によるボイラーシステムを暖房サイクルに適用させた状態を示す配管図であって、図示しているように集熱器１で太陽熱を吸収して熱媒体液が加熱されると高温感知センサー２から測定した温度値が低温感知センサー７から測定した温度値に比べて高くなって、これによって各センサー２、７から信号が伝送されて循環ポンプ９を作動させることによって集熱器１から太陽熱を吸収した熱媒体液が流入ライン１ａを介して熱交換器４に流入した次に熱媒体タンク８を備える回収ライン１ｂを介して集熱器１側に再回収され、この過程で蓄熱タンク５の内部に貯蔵された低温水が熱交換器４の内部を流動する熱媒体液によって加熱される。

この時、前記した熱媒体タンク８はそのふた８ａの上にエアー自動排出管８ｂが形成されていて熱交換器４を循環した熱媒体内に含まれたエアーが随時に抜けることができる。

前記のように循環ポンプ９を用いて熱媒体液を供給ライン１ａと熱交換器４及び熱媒体タンク８と回収ライン１ｂを介して流動させるようになれば、熱媒体液の流動過程で発生したエアーは熱媒体タンク８に熱媒体液が流入する過程で自動的に除去されて熱媒体タンク８上部に形成されたエアー排出用空間に抜けるようになるだけでなく、集熱器１側の供給ライン１ａが集熱器１より高い位置に突出形成された状態で前記循環ポンプ９が集熱器１側に熱媒体を押す式で再供給するため熱媒体液の供給ライン１ａと回収ライン１ｂ及び集熱器１の内部空間にエアーが停滞する現象が発生しないようになる。

これによって、循環ポンプ９による熱媒体液の循環をさらに円滑に遂げるようになることによって、熱媒体液に吸収された太陽熱を利用して蓄熱タンク５に貯蔵された温水をより效果的に加熱させることができるようになって、建物の屋上に設置した集熱器１側に作業者が直接上がって配管内部のエアーをいちいち除去させる煩わしい作業をする必要性が全くないだけでなく、配管内部を流動する熱媒体液の収縮と膨脹が繰り返されながら集熱器１と連結された配管が破裂する現象も未然に防止するようになるものである。

前記のように太陽熱を吸収した熱媒体液を熱交換器４の内部に流動させることによって蓄熱タンク５内部の温水を持続的に加熱させるようになれば、蓄熱タンク５に貯蔵された温水の温度が持続的に上昇するようになるが、蓄熱タンク５の温水はその下部側より上部側の温度がさらに高くなるため、蓄熱タンク５の上部側高温水が供給対流管１０を介して温水貯蔵タンク１１に流動することによって温水貯蔵タンク１１の温度を蓄熱タンク５より高い温度に維持させるようになる。

また、温水貯蔵タンク１１に貯蔵された温水もその下部側より上部側の温度がさらに高くなるため、温水貯蔵タンク１１の上部側高温水が供給対流管１０の上端部に集約されてその下部側温水の一部は循環水対流管１２を介して蓄熱タンク５の下部に再流入して加熱する式で日没時まで太陽熱による温水の加熱と循環が持続的に行われるようになり、これによって蓄熱タンク５から温水貯蔵タンク１１と供給対流管１０の上端部へ行くほど高い温度を有する温水が次々と貯蔵されて低温水と高温水を效果的に分離させることができることになる。

前記のように太陽熱による温水の持続的な加熱が行われることによって高温感知センサー２から測定する温度値と低温感知センサー７から測定する温度値がほとんど同様であるようになれば、各センサー２、７から信号が伝送されて循環ポンプ９の作動を中止させることによって熱媒体液の循環を中断させるようになり、このように熱媒体液の循環が中断した状態で高温感知センサー２から測定する温度値より低温感知センサー７から測定する温度値が再び低くなるようになれば、循環ポンプ９が再作動して熱媒体液の循環が再び行われるようになる。

前記のように熱媒体液の循環によって供給対流管１０の上端部に集約された高温水が室内の暖房に適合な温度に加熱した状態で室内に設置したボイラースイッチ１４をオンＯＮさせるようになれば、室内の暖房コイル１５と連結された循環ポンプ１７が作動することによって温水供給管１３を介して室内の暖房コイル１５に温水が流動して暖房が行われるようになって、このように暖房に使われた温水は暖房回収管１６と三方電子バルブ１８及び補助回収管１９を介して循環水対流管１２に流入する。

前記のように循環水対流管１２に流入する温水は初期暖房時多くの熱エネルギーを室内暖房に消費してその温度が比較的低い状態に流入するが、このような場合は循環水対流管１２を介して流入した温水がその対流作用によって蓄熱タンク５に供給されることによって太陽熱によって再加熱するが、持続的な暖房による室内の温度上昇で循環水対流管１２を介して流入する温水の温度が蓄熱タンク５に貯蔵された温水の温度より高くなる場合には、循環水対流管１２を介して流入した温水がその対流作用によって蓄熱タンク５に供給されないで温水貯蔵タンク１１側に供給されることによって、蓄熱タンク５内部の温度上昇を防止して太陽熱による持続的な温水の加熱が可能になる。

前記のように太陽熱による暖房を持続的に行う過程で供給対流管１０の内部温度が暖房をすることができない程度の低温に下がるようになれば、補助暖房温度センサー１０ｂがこの温度を感知して補助ボイラー２０と三方電子バルブ１８を作動させることによって、暖房回収管１６から補助回収管１９に通じる管路を遮断させると同時に暖房回収管１６の管路が供給対流管１０の上端部と直接的に連結するようにし、暖房のために足りない熱量だけは補助ボイラー２０が作動して供給対流管１０の内部に貯蔵された温水だけを暖房に必要な温度に加熱させる補助ボイラー２０による暖房サイクルが成り立つようになる。

すなわち、暖房に必要な温度が４５℃という場合、太陽熱を吸収できない夜間のような時間に供給対流管１０の上端部温度が４５℃以下に下がるようになっても温水貯蔵タンク１１に貯蔵される温水の温度は約４０℃程度になるだけでなく、昼間の間蓄熱タンク５と温水貯蔵タンク１１に貯蔵された熱エネルギーが消失することがなくそれぞれの対流管１０、１２を介した対流作用によって供給対流管１０の上端部に熱エネルギーが持続的に集約されることによって、補助ボイラー２０による暖房時にも供給対流管１０の上端部温度を長時間４０℃程度に維持させるようになり、これによって補助ボイラー２０で約５℃程度だけ温水を加熱させれば暖房に必要な温水を持続的に供給できるようになるものである。

前記のように暖房に必要な１００％の温度のうち供給対流管１０の上部には太陽熱によって７０〜９０％程度の温度に加熱した温水が常に貯蔵されるため残りの１０〜３０％に該当する温度位だけ補助ボイラー２０で加熱してその足りない熱量を補充すれば良くて、補助ボイラー２０によって加熱される温水の量も蓄熱タンク５と温水貯蔵タンク１１に貯蔵された温水全体量でない暖房に必要な最小限の量だけ加熱させるようにすることによって、補助ボイラー２０による温水の加熱負荷を顕著に低くめることができるだけでなく補助ボイラー２０の過度な運転によるエネルギーの浪費も防止するようになるものである。

前記のように補助ボイラー２０による暖房を行う過程で蓄熱タンク５の内部温度はその対流作用によって非常に低くなった状態に維持することによって集熱器１から太陽熱を吸収できる条件になる即時太陽熱を速く吸収して太陽熱による温水の実質的な加熱が行われるようになり、これによって温水貯蔵タンク１１の温度が再び上昇して供給対流管１０の上端部に貯蔵された高温水が暖房に適している程に加熱すれば、補助暖房温度センサー１０ｂがこの温度を感知して補助ボイラー２０の作動を中止させると同時に三方電子バルブ１８によって暖房回収管１６と補助回収管１９の管路を連通させることによって太陽熱による暖房が再び行われるようになるものである。

図３は、本発明によるボイラーシステムを給湯サイクルに適用させた状態を示す配管図であって、図示しているように冷水供給管２２を介して供給される冷水が供給対流管１０の内部に設置した熱交換コイル１０ａを流動する過程で供給対流管１０に貯蔵された高温水の熱を回収して１次的に加熱した次に、このように加熱した温水が三方電子バルブ２３と流入管２４ａを介して給湯貯蔵タンク２４の内部に貯蔵される。

前記のように給湯貯蔵タンク２４の内部に貯蔵された温水はその内部に供給対流管１０の先端部に貯蔵された高温水が流動する補助加熱手段２５によって２次に加熱することによって給湯に適合な温度の温水に加熱し、このように加熱した温水は給湯供給管２４ｂを介して温水が必要とする場所に供給されて、給湯の加熱に使われてその温度が低下した温水は補助加熱手段２５から温水回収管２５ｂを介して循環水対流管１２の上部に再び供給され、前記暖房サイクルの説明で言及したように循環水対流管１２の上部に流入した温水はその温度による対流現象で温水貯蔵タンク１１または蓄熱タンク５に選択的に供給されて再加熱する。

前記のような給湯貯蔵タンク２４の温水加熱も、太陽熱を吸収して加熱した供給対流管１０の高温水が熱交換コイル１０ａを介して供給対流管１０の内部を通過する冷水を１次的に加熱して給湯貯蔵タンク２４に供給することによって供給対流管１０に集約された太陽熱を給湯貯蔵タンク２４に１次的に伝達するようになって、供給対流管１０の上端部に貯蔵された高温水が補助加熱手段２５の内部を流動しながら給湯貯蔵タンク２４の内部温水を２次的に加熱させることによって供給対流管１０に集約された太陽熱を給湯貯蔵タンク２４に２次的に伝達するようになり、補助加熱手段２５で温水の加熱に使われてその温度が低くなった温水が温水回収管２５ｂと循環水対流管１２を介して蓄熱タンク５または温水貯蔵タンク１１に回収されて太陽熱による実質的な加熱が再び行われる太陽熱による給湯サイクルになるものである。

前記のように太陽熱による給湯が行われる過程では給湯供給管２４ｂに温水が供給されて流速感知スイッチ３０がオンＯＮ状態にセッティングされても補助ボイラー２０は作動しなくなり、給湯貯蔵タンク２４に貯蔵された温水が給湯をすることができない程度の温度に低くなるようになれば、給湯貯蔵タンク２４に設置した給湯温度センサー２６が温度設定値を感知して三方電子バルブ２３を作動させることによって、供給対流管１０の熱交換コイル１０ａから流入管２４ａに通じる管路を遮断させると同時に給湯配管２７を介して補助ボイラー２０に連結する管路を開放するようになり、これによって冷水供給管２２に供給される冷水が供給対流管１０の熱交換コイル１０ａを経ながら１次に加熱して、このように一次加熱した温水が給湯配管２７を介して補助ボイラー２０に内蔵された熱交換コイル２０ａを経ながら２次に加熱して給湯供給管２４ｂに供給されることによって補助ボイラー２０による給湯サイクルが作動するようになる。

前記のように補助ボイラー２０による給湯が行われる過程では給湯供給管２４ｂに温水が供給されて流速感知スイッチ３０がオンＯＮ状態にセッティングされる場合にだけ補助ボイラー２０が作動して、水道蛇口やバルブを締めることによって給湯供給管２４ｂに温水が供給されない場合には流速感知スイッチ３０がオフＯＦＦ状態にセッティングされて補助ボイラー２０の作動が中止し、給湯貯蔵タンク２４に貯蔵された温水が給湯をすることができる程度の温度に再び上昇するようになれば、給湯温度センサー２６が温度設定値を感知して三方電子バルブ２３を作動させることによって、供給対流管１０の熱交換コイル１０ａから流入管２４ａに通じる管路を開放して太陽熱による給湯が再び行われるようになるものである。

前記のように本発明による太陽熱を利用した暖房給湯ボイラーシステムは熱媒体液によって吸収された太陽熱を蓄熱タンク５と温水貯蔵タンク１１及び供給対流管１０に低温と高温に分離して次々と貯蔵するようになることによって、集熱器１で吸収された太陽熱が蓄熱タンク５の内部に貯蔵された低温水を持続的に加熱させることができるようにして、太陽熱によって十分に加熱した高温水だけを暖房と給湯に選択的に用いるようになり、これによって太陽熱を温水の加熱に実質的で效果的に用いることができるだけでなく太陽熱による温水の加熱効率も高い水準に向上させることができるようになって、蓄熱タンク５から温水貯蔵タンク１１への持続的な温水供給を介して暖房と給湯に必要な温水の量を充分に確保できるようになるものである。

特に、供給対流管１０と給湯貯蔵タンク２４に貯蔵された温水の温度が暖房と給湯に適していない程度に低くなった場合にだけ補助ボイラー２０を選択的に作動させるようにして、補助ボイラー２０によって加熱される温水は太陽熱から吸収された熱エネルギーが対流上昇によって温水貯蔵タンク１１を経由して供給対流管１０の上部に持続的に補充伝えられる状態で補助ボイラー２０としてはその足りない熱量だけ補充加熱させるようにすると同時に、補助ボイラー２０によって加熱される温水の量も蓄熱タンク５と温水貯蔵タンク１１に貯蔵された温水の全体量でない暖房と給湯に必要な最小限の量だけ集中的に加熱させるようにすることによって、補助ボイラー２０の作動によるエネルギーの浪費と補助ボイラー２０の加熱負荷を最小化させながらも暖房と給湯に必要な温水を持続的に供給できるようになるものである。

また、熱媒体液によって加熱された温水を低温水と高温水に分離して貯蔵するようになることによって、集熱器で吸収された太陽熱で低温水を持続的に加熱させると同時に太陽熱によって十分に加熱した高温水だけを暖房と給湯に選択的に用いることができる効果があり、これによって太陽熱を温水の加熱に実質的で效果的に用いることができるだけでなく、夜間や雨天時補助ボイラーの稼動による太陽熱の利用効果低下を防止して太陽熱による温水の加熱効率を高い水準に向上させることができる効果があるものである。

特に、供給対流管と給湯貯蔵タンクに貯蔵された温水の温度が暖房と給湯に適していない程度に低くなった場合にだけ補助ボイラーを選択的に作動させてその足りない熱量だけ補充するようにして、補助ボイラーによって加熱される温水の量も暖房と給湯に必要な最小限の量だけを集中的に加熱させるようにすることによって、補助ボイラーの作動によるエネルギーの浪費と補助ボイラーによる加熱負荷を最小化させながらも暖房と給湯に必要な温水を持続的に供給できる効果があるものである。

本発明は太陽熱受恵が可能な場所での住居用家屋、商業用ホテル、学校や公共機関の寮建物等に設置して広く使用できる。

本発明の全体構成を見せた配管図。 本発明の暖房サイクル作動状態を見せた配管図。 本発明に給湯サイクル作動状態を見せた配管図。

符号の説明

１ 集熱器
１ａ 供給ライン
１ｂ 回収ライン
２ 高温感知センサー
３ 逆止バルブ
４ 熱交換器
５ 蓄熱タンク
６ 低水位センサー
７ 低温感知センサー
８ 熱媒体タンク
９、１７循環ポンプ
１０ 供給対流管
１０ａ、２０ａ熱交換コイル
１０ｂ補助暖房温度センサー
１１ 温水貯蔵タンク
１２ 循環水対流管
１３ 温水供給管
１４ ボイラースイッチ
１５ 暖房コイル
１６ 暖房回収管
１８、２３三方電子バルブ
１９ 補助回収管
２０ 補助ボイラー
２１ 暖房配管
２２ 冷水供給管
２４ 給湯貯蔵タンク
２４ａ流入管
２４ｂ給湯供給管
２５ 補助加熱手段
２５ａ高温水供給管
２５ｂ温水回収管
２６ 給湯温度センサー
２７ 給湯配管
２８ 膨脹タンク
２８ａ膨脹ライン
２８ｂオーバーフロー管
２８ｃ補充水供給管
２９ ボイラー給水管
３０ 流速感知スイッチ

Claims (3)

1. 太陽熱集熱器１から延びる熱媒体液の供給ライン１ａが蓄熱タンク５の内部で熱交換器４を形成して、この熱交換器４から太陽熱集熱器１に延びる熱媒体液の回収ライン１ｂには循環ポンプ９が設置されたことにおいて、
   前記熱媒体液の供給ライン１ａと回収ライン１ｂには高温感知センサー２と低温感知センサー７がそれぞれ設置されてその回収ライン１ｂ上には熱媒体液を貯蔵する熱媒体タンク８が前記循環ポンプ９と共に設置され、
   前記蓄熱タンク５はその一側上部に連結される供給対流管１０とその他側下部に連結される循環水対流管１２によって温水貯蔵タンク１１の上、下側とそれぞれ連結設置されて、その供給対流管１０の上端部は温水貯蔵タンク１１より高い位置まで延びて室内の暖房コイル１５と補助ボイラー２０にそれぞれ連結設置され、
   前記暖房コイル１５から供給対流管１０に延びる暖房回収管１６には循環ポンプ１７と三方電子バルブ１８が設置されて、その三方電子バルブ１８から補助回収管１９が延びて前記循環水対流管１２の下側部に連結設置され、
   前記供給対流管１０には冷水供給管２２がその内部に熱交換コイル１０ａを形成しながら供給対流管１０の上部に延びてその端部側に給湯貯蔵タンク２４と前記補助ボイラー２０にそれぞれ連結する三方電子バルブ２３が設置され、
   前記給湯貯蔵タンク２４の内部には高温水供給管２５ａと温水回収管２５bによって供給対流管１０と循環水対流管１２の上端部にそれぞれ連結される補助加熱手段２５が設置されて、給湯貯蔵タンク２４の一側に延びる給湯供給管２４ｂには前記補助ボイラー２０から延びる給湯配管２７と流速感知スイッチ３０が連結設置され、
   前記供給対流管１０と給湯貯蔵タンク２４には該三方電子バルブ１８、２３の作動を制御する温度センサー１０ｂ、２６が設置されることを特徴とする太陽熱を利用した暖房及び給湯用ボイラーシステム。
2. 前記した熱媒体タンク８はその上側のふた８ａに下向いたエアー自動排出管８ｂを形成して熱交換器４から循環する熱媒体内のエアーが随時排出することができるようにしてなったことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱を利用した暖房及び給湯用ボイラーシステム。
3. 前記した補助加熱手段２５は別途の電気ヒーターまたはガスヒーターなどの直接加熱手段を用いてなったことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱を利用した暖房及び給湯用ボイラーシステム。

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