JP2009216264A - 床暖房システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光の熱エネルギーを蓄えておき、必要なときに取り出すことができ、設置空間を問題としない床暖房システムを提供することである。
【解決手段】 床板１の下に、べた基礎層２、断熱層４を順に配置し、熱源として太陽熱温水集熱パネル１２を屋外に設置し、ポンプ２０，２３，３３で太陽光温水集熱パネル１２の内部とべた基礎層２の内部を温水が循環する熱伝達経路１３を備えることによって、べた基礎層２を放熱層として機能させる床暖房システムにおいて、断熱層４の下に蓄熱層５を設け、熱伝達経路１３は、太陽熱温水集熱パネル１２の内部と蓄熱層５の内部を温水が循環する蓄熱経路１６、並びに蓄熱層１６の内部とべた基礎層２の内部を温水が循環する放熱経路１７を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ソーラーパネルからの熱で基礎コンクリートを温める床暖房システムに関する。

床暖房システムには、ソーラーパネルからの熱で基礎コンクリートを温め、基礎コンクリートの熱を室内に放熱して暖房するものが存在する（特許文献１）。

ところが、ソーラーパネルから得られる熱エネルギーを直ぐに使用せずに、この熱エネルギーを蓄えておき、必要なときに取り出せるようにすることが望まれる。また、熱エネルギーを蓄える蓄熱器は、家屋の周囲に設置することもできるが、設置空間が必要となり、そのために、家屋の外観に影響を与えることや、所有地の広さから設置空間がない（物理的に設置できない）こともある。
特開平９−２８０６６５号公報（段落００１５）

本発明は上記実情を考慮したもので、その解決課題は太陽光の熱エネルギーを蓄えておき、必要なときに取り出すことができ、設置空間を問題としない床暖房システムを提供することである。

本発明は、床板の下に、べた基礎層、断熱層を順に配置し、熱源として太陽熱温水集熱パネルを屋外に設置し、太陽光温水集熱パネルの内部とべた基礎の内部を温水が循環する熱伝達経路を備えることによって、べた基礎層を放熱層として機能させる床暖房システムを前提とする。

請求項１の発明は、断熱層の下に蓄熱層を設け、熱伝達経路は、ポンプで太陽熱温水集熱パネルの内部と蓄熱層の内部を温水が循環する蓄熱経路、並びに蓄熱層の内部とべた基礎層の内部を温水が循環する放熱経路を備えることを特徴とする。

蓄熱層は、全体が同一材料であっても良いし、蓄熱層として地面を利用しないものであっても良いが、地面の温度は冬季の外気温よりも高く、地面の温度を利用するには、次のようにすることが望ましい。即ち、請求項２の発明のように、蓄熱層は、断熱層の下に割ぐり層、熱交換層、地面を順に配置し、熱交換層の内部を温水が循環する蓄熱経路の一部として構成し、熱伝達経路は、蓄熱経路と放熱経路の二つの経路を独立して形成し、蓄熱経路と放熱経路にポンプをそれぞれ接続することを特徴とするものである。

また、同様に地面の温度を利用するには、請求項３の発明のように、蓄熱層は、断熱層の下に割ぐり層、熱交換層、地面を順に配置し、熱交換層の内部を温水が循環する蓄熱経路の一部として構成し、熱伝達経路は、蓄熱経路と放熱経路の二経路が共用経路を介して接続された複合経路であり、蓄熱経路と放熱経路を切替可能なバルブユニットと共用ポンプを共用経路には接続しても良い。

さらに、太陽熱以外に補助熱源を利用する場合には、請求項４の発明のように、太陽熱温水集熱パネル以外の補助熱源と、補助熱源と放熱経路との間で熱交換する熱交換器を備えることが望ましい。

本発明は、べた基礎層の下に配置された断熱層のさらに下に蓄熱層を設けてあるので、建物の周囲に設置空間を必要としない。また、温水を循環させることによって蓄熱層に太陽熱温水集熱パネルの熱を伝えるので、太陽光の熱エネルギーを蓄熱層に蓄えておくことができ、しかも蓄熱層の熱は断熱層によってべた基礎層には直に伝わらないようになっている。そして、蓄熱層の内部と放熱層の内部を温水が循環する放熱経路によって、蓄熱層に蓄熱された熱エネルギーを、必要なときに取り出すことができる。

請求項２、３の発明は、冬季でも外気より温かな地面を巧みに利用し、割ぐり層、熱交換層、地面を全体として蓄熱層とするので、蓄熱容量が大きくなる。また、請求項３の発明は、放熱経路と蓄熱経路を複合経路とし、共用ポンプを使用するので、放熱経路と蓄熱経路にそれぞれポンプを要するものに比べて、ポンプに要する費用が安価となる。

請求項４の発明は、太陽熱温水集熱パネル以外の補助熱源の熱を、熱交換器で放熱経路に伝えることができるので、蓄熱層に蓄えられた熱だけでは不十分な場合にも、室内を暖められる。

床暖房システムに用いる家屋は、図１に示すように、家屋の床板１の下に、コンクリートからなるべた基礎層２、防水シート３、断熱材を充填させた断熱層４、および蓄熱層５を順に積層して配置してある。べた基礎層２は、熱を与えることによって放熱層となる。また、蓄熱層５は、断熱層４の下に、割ぐり石が敷き並べられた割ぐり層６、コンクリートからなる熱交換層７、地面８を順に配置した積層構造で、熱交換層７に熱を与えることによって全体が蓄熱層５となる。また、べた基礎層２の外周部分は、逆Ｔ字状に垂下しており、垂下部分が断熱層４、割ぐり層６、熱交換層７の周囲を覆って地面８に埋設される。また、べた基礎層２の周囲を断熱材９で覆うと共に、壁１０、屋根１１にも断熱材９を配置してある。

床暖房システムは、上述の家屋と、屋外（屋根１１）上に設置する熱源としての太陽熱温水集熱パネル１２と、太陽熱温水集熱パネル１２の内部とべた基礎層２の内部を温水が循環する熱伝達経路１３と、補助熱源１４としてのヒートポンプと、ヒートポンプ１４の熱を熱伝達経路１３に伝える熱交換器１５によって構成する。

熱伝達経路１３の第一例は、図２（イ）（ロ）に示すように四つの経路により構成してあり、単一経路からなる一つの経路と、複合経路からなる他の三つの経路である。以下、各経路について詳述する。

一つ目の経路は単一経路であり、太陽熱温水集熱パネル１２の内部と蓄熱層５（熱交換層７）の内部を温水が循環する蓄熱経路１６であり、太陽熱を蓄熱するものである。蓄熱経路１６は、温水が流れるパイプ(ポリスチレン等の合成樹脂製チューブ）にポンプ２０を接続して循環路を形成したものである。そして、パイプは、その一部分を太陽熱温水集熱パネル１２に内蔵する太陽熱チューブ２１とし、別の部分を熱交換層７の内部に埋設する蓄熱チューブ２２としてある。従って、ポンプ２０を駆動すれば、太陽熱チューブ２１内で温められた温水が蓄熱チューブ２２の内部に流れて、熱交換層７が温まり、その結果、割ぐり層６および地面８も温まって蓄熱層５の全体が温まる。

蓄熱経路１６以外の他の三つの経路は、放熱経路１７、補助熱経路１８、および併用経路１９を切替可能に接続した複合経路であって、複合経路中に別のポンプ２３とバルブユニット２４を備えるもので、バルブユニット２４はその切替操作によって、使用する経路を切り替えられるものである。

バルブユニット２４は、複数のバルブから構成するもので、温水が流れる方向を切り替える第一切替弁２５および第二切替弁２６と、温水の流れを止める第三止め弁２７とから構成し、図示しない制御装置からの制御信号に基づいて作動させる電磁弁を用いる。

放熱経路１７と補助熱経路１８は、べた基礎層２内を通過して両方に引き出した部分を共用する部分とし、この共用する部分の両端部を二つの分岐点とし、分岐点から熱交換器１５に向う経路と、熱交換層７内に向う経路に分かれている。これら二つの分岐点に第一切替弁２５と第二切替弁２６を接続する。第一切替弁２５と第二切替弁２６は、二方向に温水が流れる方向を切り替えるもので、各々、共通ポート（符号なし）と、第一ポート（符号１）、第二ポート（符号２）を有し、第一ポートを開けて第二ポートを閉めるか、その逆に第一ポートを閉めて第二ポートを開けるか切り替え、共通ポートと切り替えたポートとの間に温水を流す。そして第一切替弁２５と第二切替弁２６は、第三止め弁２７との共同操作によって、選択した放熱経路１７または補助熱経路１８にのみ温水を循環させるものである。また、第三止め弁２７は、開閉可能なもので、併用経路１９に接続してあり、第一切替弁２５および第二切替弁２６との共同操作によって、併用経路１９にのみ温水を循環させるものである。

二つ目の経路は蓄熱層５の内部とべた基礎層２の内部を温水が循環する放熱経路１７で、蓄熱した熱を放熱して室内を暖めるものである。放熱経路１７は、蓄熱経路１６とは別のパイプに別のポンプ２３、第一切替弁２５および第二切替弁２６を接続して循環路を形成するものである。パイプは、放熱チューブ２８と熱交換チューブ２９とから構成し、放熱チューブ２８の大半をべた基礎層２の内部に埋設すると共に残りの両端部をべた基礎層２から引き出し、熱交換チューブ２９の大半を熱交換層７の内部に埋設すると共に残りの両端部を熱交換層７から引き出す。放熱チューブ２８の一端にはポンプ２３の出口、ポンプ２３の入口、第一切替弁２５の共通ポート、第一切替弁２５の第二ポート（符号２）、熱交換チューブ２９の一端を順に接続し、熱交換チューブ２９の他端には第二切替弁２６の第二ポート（符号２）、第二切替弁２６の共通ポート、放熱チューブ２８の他端を順に接続してある。そして、温水をポンプ２３から放熱チューブ２８、第二切替弁２６、熱交換チューブ２９、第一切替弁２５、ポンプ２３の順に循環させる。

三つ目の経路は、熱交換器１５の内部とべた基礎層２の内部を温水が循環する補助熱経路１８で、補助熱源１４のみの熱を放熱して室内を暖めるものである。補助熱経路１８は、第一切替弁２５の第一ポート（符号１）および第二切替弁２６の第一ポート（符号１）に補助熱チューブ３０の両端をそれぞれ接続し、補助熱チューブ３０の一部を熱交換器１５に導くものである。そして、温水をポンプ２３から放熱チューブ２８、第二切替弁２６、補助熱チューブ３０、第一切替弁２５、ポンプ２３の順に循環させる。

四つ目の経路は、熱交換器１５の内部とべた基礎層２の内部と蓄熱層５の内部を温水が循環する併用経路１９で、補助熱源１４と蓄熱層５の熱を併用して室内を暖めるものである。併用経路１９は、温水が熱交換層７の熱交換チューブ２９を通過した後に熱交換器１５内の補助熱チューブ３０に向うバイパス経路３１を有し、バイパス経路３１の途中に第三止め弁２７を接続してある。そして、温水をポンプ２３から放熱チューブ２８、第二切替弁２６、熱交換チューブ２９、バイパス経路３１（第三止め弁２７を含む）、補助熱チューブ３０、第一切替弁２５、ポンプ２３の順に循環させる。

なお、前述した熱交換チューブ２９、蓄熱チューブ２２は、地面８の上に組んだ鉄筋の上にそれぞれ敷設するもので、その後にコンクリートを流し込んで熱交換層７を形成する。また、放熱チューブ２８も同様に使用し、べた基礎層２を形成する。

上述した熱伝達経路１３は、バルブユニット２４の切替操作によって、所望の経路に温水を循環させる。蓄熱層５の熱を使う場合（放熱経路１７に温水を循環させる場合）は、蓄熱層５に十分に蓄熱されているときであり、第一切替弁２５の第一ポート（符号１）を開き、第二切替弁２６の第二ポート（符号２）を開き、第三止め弁２７を閉じる。このようにしてから放熱経路１７内のポンプ２３を駆動すれば、熱交換層７で温められた温水がべた基礎層２の内部に流れて、べた基礎層２が温まり、その結果、室内も暖かくなる。

蓄熱層５の熱を使い補助熱源１４で補う場合（併用経路１９に温水を循環させる場合）は、蓄熱層５の蓄熱量が不十分なときであり、第一切替弁２５の第一ポート（符号１）を開き、第二切替弁２６の第二ポート（符号２）を開き、第三止め弁２７を開く。このようにしてから補助熱源１４（ヒートポンプ）を暖房運転しつつポンプ２３を駆動すれば、補助熱源１４の熱だけでなく、蓄熱層５の熱が温水に伝わり、温水がべた基礎層２の放熱チューブ２８に流れ込む。

補助熱源１４の熱を使う場合（補助熱経路１８に温水を循環させる場合）は、蓄熱層５の蓄熱量が不足しているときであり、第一切替弁２５の第一ポート（符号１）を開き、第二切替弁２６の第一ポート（符号１）を開き、第三止め弁２７を閉じる。このようしてから補助熱源１４を暖房運転しつつポンプ２３を駆動すれば、補助熱源１４の熱が熱交換器１５によって補助熱チューブ３０内の温水に伝わり、温水がべた基礎層２の放熱チューブ２８に流れ込む。

熱伝達経路１３の第二例は、図３（イ）（ロ）に示すように四つの経路、すなわち蓄熱経路１６、放熱経路１７、補助熱経路１８、併用経路１９を切替可能に接続した複合経路であって、四つの経路が共用する共用経路３２にポンプ３３とバルブユニット２４を備え、バルブユニット２４の切替操作によって、使用する経路を切り替えられるものである。

バルブユニット２４は、複数のバルブから構成するもので、温水が流れる方向を切り替える第一〜第六共用切替弁３４〜３９から構成する。各共用切替弁３４〜３９は、前例の第一切替弁２５等と同様に、二方向に温水が流れる方向を切り替えるものである。そして各共用切替弁３４〜３９は、共同操作によって、選択した蓄熱経路１６、放熱経路１７、補助熱経路１８、併用経路１９にのみ温水を循環させるものである。

蓄熱経路１６は、太陽熱温水集熱パネル１２から引き出した太陽熱チューブ２１の両端と熱交換層７から引き出した蓄熱チューブ２２の両端部を、共用経路３２の第一共用チューブ４０と第二共用チューブ４１で別々に接続して循環路を構成し、第一共用チューブ４０には途中にポンプ３３を接続し、ポンプ３３から太陽熱チューブ２１に向って温水を循環させる。ポンプ３３を起点として温水の進行方向に沿って第一共用チューブ４０には第一共用切替弁３４の共通ポート、第一共用切替弁３４の第一ポート、第二共用切替弁３５の第二ポート、第二共用切替弁３５の共通ポート、第三共用切替弁３６の共通ポート、第三共用切替弁３６の第二ポートを順番に接続し、第二共用チューブ４１には第四共用切替弁３７の第二ポート、第四共用切替弁３７の共通ポート、第五共用切替弁３８の共通ポート、第五共用切替弁３８の第一ポートを順番に接続し、第五共用切替弁３８の第一ポートから蓄熱チューブ２２を経て温水が流れ込む第一共用チューブ４０には第六共用切替弁３９の第二ポート、第六共用切替弁３９の共通ポートを順次接続し、その後、温水がポンプ３３に戻るものである。

放熱経路１７は、べた基礎層２から引き出した放熱チューブ２８の両端を第三共用切替弁３６の第一ポートと第四共用切替弁３７の第一ポートに接続することによって、共用経路３２を利用しながら放熱チューブ２８と蓄熱チューブ２２との間で温水を循環する循環路を構成するものである。より詳しく言えば、温水がポンプ３３から第一共用切替弁３４、第二共用切替弁３５、第三共用切替弁３６、放熱チューブ２８、第四共用切替弁３７、第五共用切替弁３８、蓄熱チューブ２２、第六共用切替弁３９、ポンプ３３の順に流れるものである。

補助熱経路１８は、第五共用切替弁３８の第二ポートと第六共用切替弁３９の第一ポートを、共用バイパス経路４２で接続すると共に、第一共用切替弁３４の第二ポートと第二共用切替弁３５の第一ポートを補助熱チューブ３０の両端に接続することによって、共用経路３２を利用しながら補助熱チューブ３０と放熱チューブ２８との間で温水を循環する循環路を構成するものである。より詳しく言えば、温水がポンプ３３から第一共用切替弁３４、補助熱チューブ３０、第二共用切替弁３５、第三共用切替弁３６、放熱チューブ２８、第四共用切替弁３７、第五共用切替弁３８、共用バイパス経路４２、第六共用切替弁３９、ポンプ３３の順に流れるものである。

併用経路１９は、共用経路３２を利用しながら補助熱チューブ３０と放熱チューブ２８と蓄熱チューブ２２の間で温水を循環する循環路を構成するものである。より詳しく言えば、温水がポンプ３３から第一共用切替弁３４、補助熱チューブ３０、第二共用切替弁３５、第三共用切替弁３６、放熱チューブ２８、第四共用切替弁３７、第五共用切替弁３８、蓄熱チューブ２２、第六共用切替弁３９、ポンプ３３の順に流れるものである。

共用経路３２は、第一共用チューブ４０と第二共用チューブ４１と共用バイパス経路４２、ポンプ３３、並びに第一〜第六共用切替弁３４〜３９によって構成されるものである。

上述した熱伝達経路１３は、バルブユニット２４の切替操作によって、所望の経路に温水を循環させる。蓄熱層５の熱を使う場合は、第一共用切替弁３４の第一ポートを開き、第二共用切替弁３５の第二ポートを開き、第三共用切替弁３６の第一ポートを開き、第四共用切替弁３７の第一ポートを開き、第五共用切替弁３８の第一ポートを開き、第六共用切替弁３９の第二ポートを開いて、ポンプ２３を駆動する。

蓄熱層５の熱を使い補助熱源１４で補う場合は、第一共用切替弁３４の第二ポートを開き、第二共用切替弁３５の第一ポートを開き、第三共用切替弁３６の第一ポートを開き、第四共用切替弁３７の第一ポートを開き、第五共用切替弁３８の第一ポートを開き、第六共用切替弁３９の第二ポートを開いて、ポンプ２３を駆動する。

補助熱源１４のみの熱を使う場合は、第一共用切替弁３４の第二ポートを開き、第二共用切替弁３５の第一ポートを開き、第三共用切替弁３６の第一ポートを開き、第四共用切替弁３７の第一ポートを開き、第五共用切替弁３８の第二ポートを開き、第六共用切替弁３９の第一ポートを開いて、ポンプ２３を駆動する。

蓄熱層５に熱を蓄える場合は、第一共用切替弁３４の第一ポートを開き、第二共用切替弁３５の第二ポートを開き、第三共用切替弁３６の第二ポートを開き、第四共用切替弁３７の第二ポートを開き、第五共用切替弁３８の第一ポートを開き、第六共用切替弁３９の第二ポートを開いて、ポンプ２３を駆動する。

上述した床暖房システムは、夏季には冷房システムとしても使用することができる。すなわち、夏季には地面の温度が外気温よりも低いので、放熱経路１７に温水（夏季には地面の温度によって冷水となる）を循環させて、地面の温度を蓄熱層５からべた基礎層２に伝える。この場合、蓄熱層５には太陽熱温水集熱パネル１２からの熱を蓄熱しない（蓄熱経路１６のポンプを駆動しない）。また、補助熱源１４（ヒートポンプ）を冷房運転して、補助熱源１４の熱をべた基礎層２に伝えることも可能である。このようにすれば、冷暖房システムとなる。

床暖房システムの概略構造を示す断面図である。 （イ）（ロ）図は床暖房システムの熱伝達経路の第一例を示す説明図、バルブユニットの操作図である。 （イ）（ロ）図は床暖房システムの熱伝達経路の第二例を示す説明図、バルブユニットの操作図である。

符号の説明

１床板、２べた基礎層、３防水シート、４断熱層、５蓄熱層、６割ぐり層、７熱交換層、
８地面、９断熱材、１０壁、１１屋根、１２太陽熱温水集熱パネル、１３熱伝達経路、
１４補助熱源、１５熱交換器、１６蓄熱経路、１７放熱経路、１８補助熱経路、
１９併用経路、２０ポンプ、２１太陽熱チューブ、２２蓄熱チューブ、２３ポンプ、
２４バルブユニット、２５第一切替弁、２６第二切替弁、２７第三止め弁、
２８放熱チューブ、２９熱交換チューブ、３０補助熱チューブ、３１バイパス経路、
３２共用経路、３３ポンプ、３４第一共用切替弁、３５第二共用切替弁、
３６第三共用切替弁、３７第四共用切替弁、３８第五共用切替弁、３９第六共用切替弁、
４０第一共用チューブ、４１第二共用チューブ、４２共用バイパス経路

Claims (4)

1. 床板（１）の下に、べた基礎層（２）、断熱層（４）を順に配置し、熱源として太陽熱温水集熱パネル（１２）を屋外に設置し、ポンプ（２０，２３，３３）で太陽熱温水集熱パネル（１２）の内部とべた基礎層（２）の内部を温水が循環する熱伝達経路（１３）を備えることによって、べた基礎層（２）を放熱層として機能させる床暖房システムにおいて、
   断熱層（４）の下に蓄熱層（５）を設け、
   熱伝達経路（１３）は、太陽熱温水集熱パネル（１２）の内部と蓄熱層（５）の内部を温水が循環する蓄熱経路（１６）、並びに蓄熱層（５）の内部とべた基礎層（２）の内部を温水が循環する放熱経路（１７）を備えることを特徴とする床暖房システム。
2. 蓄熱層（５）は、断熱層（４）の下に割ぐり層（６）、熱交換層（７）、地面（８）を順に配置し、熱交換層（７）の内部を温水が循環する蓄熱経路（１６）の一部として構成し、
   熱伝達経路（１３）は、蓄熱経路（１６）と放熱経路（１７）の二つの経路を独立して形成し、蓄熱経路（１６）と放熱経路（１７）にポンプ（２０，２３）をそれぞれ接続することを特徴とする請求項１記載の床暖房システム。
3. 蓄熱層（５）は、断熱層（４）の下に割ぐり層（６）、熱交換層（７）、地面（８）を順に配置し、熱交換層（７）の内部を温水が循環する蓄熱経路（１６）の一部として構成し、
   熱伝達経路（１３）は、蓄熱経路（１６）と放熱経路（１７）の二経路が共用経路（３２）を介して接続された複合経路であり、蓄熱経路（１６）と放熱経路（１７）を切替可能なバルブユニット（２４）と共用のポンプ（３３）を共用経路（３２）には接続してあることを特徴とする請求項１記載の床暖房システム。
4. 太陽熱温水集熱パネル（１２）以外の補助熱源（１４）と、補助熱源（１４）と放熱経路（１７）との間で熱交換する熱交換器（１５）を備えることを特徴とする請求項２、または３記載の床暖房システム。
   

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