JP2011007434A - Solar heat water heater use system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は一般に、太陽熱温水器利用システムに関する。より詳細には、本発明は、太陽熱温水器によって得られた熱エネルギーの有効活用を可能にする太陽熱温水器利用システムに関する。 The present invention generally relates to solar water heater utilization systems. In more detail, this invention relates to the solar water heater utilization system which enables the effective utilization of the thermal energy obtained by the solar water heater.
太陽の熱エネルギーを有効に活用する装置として、太陽熱温水器が知られている。太陽熱温水器は一般的に、家屋の屋根に設置した集熱器で太陽エネルギーを取得し、取得した太陽エネルギーで水を加温することによって得られる熱を融雪、暖房、風呂、ロードヒーティング、ビニルハウスなどの種々の用途に活用するものであり、二酸化炭素の排出等のない、環境に優しいエネルギー取得方法であるため、一般家庭においても普及が進んでいる。 Solar water heaters are known as devices that effectively utilize solar thermal energy. Solar water heaters generally acquire solar energy with a collector installed on the roof of a house, and heat obtained by heating water with the acquired solar energy is used for melting snow, heating, bathing, road heating, It is used for various purposes such as vinyl houses, and since it is an environmentally friendly energy acquisition method that does not emit carbon dioxide, it is also spreading in general households.
しかしながら、太陽熱温水器は、日照時間の影響を受けるという特性を有している。すなわち、夏季などのように日照時間が長い季節においては、熱エネルギーの吸収量が多くなって消費しきれなくなる一方、冬季などのように日照時間が短い季節においては、熱エネルギーの吸収量が少なくなって必要量に足りないという事態が生ずる。したがって、太陽熱温水器によって得られる熱エネルギーを季節差に影響されずに有効に活用することができるシステムに対する強い要請がある。 However, solar water heaters have the property of being affected by sunshine hours. In other words, in summer seasons and other periods where sunshine hours are long, the amount of heat energy absorbed increases and cannot be consumed. The situation where it becomes insufficient is necessary. Therefore, there is a strong demand for a system that can effectively use the thermal energy obtained by the solar water heater without being affected by the seasonal difference.
本発明は、このような状況に鑑みて開発されたものであって、太陽熱温水器によって得られた熱エネルギーを有効に活用することができる太陽熱温水器利用システムを提供することを目的としている。 This invention is developed in view of such a condition, Comprising: It aims at providing the solar water heater utilization system which can utilize the thermal energy obtained by the solar water heater effectively.
本願請求項1に記載の太陽熱温水器利用システムは、集熱部および貯湯槽を有する太陽熱温水器と、地中に埋設される蓄熱配管と、前記太陽熱温水器の貯湯槽と前記蓄熱配管とを連結し、加温された液体を前記蓄熱配管に供給するための第1配管と、前記太陽熱温水器の貯湯槽と前記蓄熱配管とを連結し、地中において放熱した液体を前記太陽熱温水器の貯湯槽に戻すための第2配管とを備えていることを特徴とするものである。 The solar water heater utilization system according to claim 1 of the present application includes a solar water heater having a heat collecting part and a hot water storage tank, a heat storage pipe buried in the ground, a hot water storage tank of the solar water heater, and the heat storage pipe. The first pipe for connecting and heating the heated liquid to the heat storage pipe, the hot water storage tank of the solar water heater and the heat storage pipe are connected, and the liquid radiated in the ground is discharged from the solar water heater. And a second pipe for returning to the hot water tank.
本発明の太陽熱温水器利用システムによれば、夏季などのように日照時間が長い季節において取得した熱エネルギーを地中の蓄熱層に蓄積しておき、冬季などのように日照時間が短い季節に所望の用途(例えば、融雪、暖房、風呂、生活水、ロードヒーティング、ビニルハウスなど)に活用するものであり、二酸化炭素の排出等のに使用することができるので、太陽熱温水器によって得られた熱エネルギーを有効に活用することが可能になる。本システムは、土を蓄熱媒体としているため、低コストで製造することができる。また、本システムは、構造が簡単であるため、製造コストが廉価であり、故障が少なく、維持管理も低コストで行うことができる。 According to the solar water heater utilization system of the present invention, the thermal energy acquired in a season with a long sunshine time such as in the summer is accumulated in the underground heat storage layer, and in a season with a short sunshine time such as in the winter. It can be used for desired applications (for example, snow melting, heating, bathing, domestic water, road heating, vinyl house, etc.), and can be used for carbon dioxide emission, etc., so it can be obtained by a solar water heater. It is possible to effectively use the thermal energy. Since this system uses soil as a heat storage medium, it can be manufactured at low cost. In addition, since this system has a simple structure, the manufacturing cost is low, there are few failures, and maintenance can be performed at a low cost.
次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る太陽熱温水器利用システムについて詳細に説明する。図1は、本発明の好ましい実施の形態に係る太陽熱温水器利用システムの全体を模式的に示した図である。図1において全体として参照符号10で示される本発明の好ましい実施の形態に係る太陽熱温水器利用システムは、太陽熱温水器12を備えている。
Next, with reference to drawings, the solar water heater utilization system which concerns on preferable embodiment of this invention is demonstrated in detail. FIG. 1 is a diagram schematically showing the entire solar water heater utilization system according to a preferred embodiment of the present invention. The solar water heater utilization system according to a preferred embodiment of the present invention indicated by the
太陽熱温水器12としては、家屋の屋根上に配置される、通常の自然循環式のものを使用してよい。すなわち、太陽熱温水器12は、水に太陽の熱エネルギーを供給するパネル状の集熱部12aと、集熱部12aにおいて加温された温水を貯留するための貯湯槽12bとを有している。
As the
図2は、太陽熱温水器12の一例を模式的に示した斜視図である。図2において、参照符号12a1、12a2、12a3は、第1ヘッダー流路、第2ヘッダー流路、第1ヘッダー流路と第2ヘッダー流路とを連結する継ぎ流路をそれぞれ示している。また、参照符号12a4、12a5は、第1ヘッダー流路12a1と貯湯槽12bとを連結する連結流路、第2ヘッダー流路12a2と貯湯槽12bとを連結する連結流路を示している。集熱部12aは、表面が透光性材料で形成されたケース12cに収納されている。
FIG. 2 is a perspective view schematically showing an example of the
太陽熱温水器利用システム10は又、地中に埋設される蓄熱配管14を備えている。蓄熱配管14は、太陽熱温水器によって得られた熱エネルギーを地中の蓄熱層に伝達するための配管である。蓄熱配管14は、熱エネルギーを蓄熱層に伝達するため、出来るだけ長い距離、蓄熱層内に位置するように配置されている。蓄熱配管14を設置する孔は、杭打ち機によって穿孔されたものを用いる。これにより、蓄熱配管14の設置コストを低減することができる。
The solar water
図3は、太陽熱温水器利用システム10の別の形態を示した模式図である。図3に示される太陽熱温水器利用システム10では、地中に蓄熱用の孔を穿孔し、この蓄熱孔内に蓄熱配管14が配置されている点を除いて、図1に示される太陽熱温水器利用システム10と実質的に同一の構成を有している。
FIG. 3 is a schematic diagram showing another form of the solar water
蓄熱層への熱エネルギーの放出を効率的に行うため、蓄熱配管14として、一対のパイプを並置した“U”字形管を用いてもよいし(図4(a)参照)、蓄熱配管14に、放熱片14a(図4(b)にフィン状の放熱片14a、図4(c)に鍔状の放熱片14aが図示されている)を設けてもよい。なお、図4に示された形態は一例にすぎず、蓄熱配管14の外表面積を増大して蓄熱層への熱エネルギーの伝達を効率的に行うことができるものであれば、他の形態のものを使用してよい。
In order to efficiently release the heat energy to the heat storage layer, a “U” -shaped pipe in which a pair of pipes are juxtaposed may be used as the heat storage pipe 14 (see FIG. 4A). Further, a heat radiating
太陽熱温水器利用システム10は更に、太陽熱温水器12の貯湯槽12bと蓄熱配管14とを連結し、温水を蓄熱配管14に供給する第1配管16と、太陽熱温水器12の貯湯槽12bと蓄熱配管14とを連結し、蓄熱層において放熱した水を太陽熱温水器12に戻すための第2配管18とを備えている。なお、第1配管16と第2配管18には、開閉用の弁16a、18a、18bがそれぞれ設けられている。また、第2配管18には、水を強制的に循環させるため、ポンプが設けられている。
The solar water
以上のように構成された太陽熱温水器利用システム10の作動について説明する。太陽熱温水器12によって加温された温水が、第1配管16を介して蓄熱配管14に供給される。蓄熱配管14に供給された温水の熱エネルギーは、土を媒体として、地中の蓄熱層に伝達されて蓄えられる。熱エネルギーを蓄熱層に伝達して温度が低下した水は、第2配管18を介して太陽熱温水器12に戻され、太陽熱を取得して再び加温される。以上の工程を繰り返すことにより、夏季などのように日照時間の長い季節に、蓄熱層に熱エネルギーを蓄え、このようにして蓄えられた熱エネルギーを、冬季などのように日照時間の短い季節に、所望の用途(例えば、冬季の室内暖房や生活水、道路や駐車場のロードヒーティング、ビニルハウス、融雪など)に使用する。
Operation | movement of the solar water
次に、本発明の太陽熱温水器利用システムの効果について検証するために行われたシミュレーションについて説明する。
(1)地中蓄熱孔(図5参照、蓄熱配管14として8字形管を使用)
各地中蓄熱孔の間隔を1.5m、地中蓄熱孔の蓄熱半径を0.75m 、地中蓄熱孔の深さを8m、地中蓄熱孔の有効蓄熱深さを6m (地表面から2mは断熱層とする)とすると、地中蓄熱孔の蓄熱容積は、
0.752 ×π×6=10.6m3
となる。
(2)太陽熱温水器
太陽熱温水器の集熱面積を4.12m2、熱効率を60%、蓄熱層に至るまでの熱損失を50%と仮定する。
(3)地中の蓄熱量
蓄熱層は、含水率50%の土からなるものと仮定する。
蓄熱層の比重は、土の比重(1.7g/cm3)、水の比重(1.0g/cm3)とすると、
1.3g/cm3=1,300kg/m3
となる。
蓄熱層の比熱容量は、土の比熱容量(0.8Jg -1K -1)、水の比熱容量(4.2Jg -1K -1)とすると、
2.5Jg -1K -1=2,500Jkg -1K -1
となる。
したがって、蓄熱孔1本の最大蓄熱容量は、
10.6m3×1,300kg/m3×2,500Jkg -1K -1 =34.5MJK -1
となる。
また、蓄熱孔1本当たりの最大蓄熱量は、地中温度が10°Cから50°Cまで上昇するとすると、
34.5MJK -1×40K =1,380MJ
となる。
Next, the simulation performed in order to verify about the effect of the solar water heater utilization system of this invention is demonstrated.
(1) Underground heat storage hole (see FIG. 5, using an 8-shaped tube as the heat storage pipe 14)
The distance between the heat storage holes in each place is 1.5m, the heat storage radius of the underground heat storage holes is 0.75m, the depth of the underground heat storage holes is 8m, the effective heat storage depth of the underground heat storage holes is 6m (2m from the ground surface is the heat insulation layer) And the heat storage volume of the underground heat storage hole is
0.75 2 × π × 6 = 10.6m 3
It becomes.
(2) Solar water heater It is assumed that the solar water heater has a heat collection area of 4.12 m 2 , thermal efficiency of 60%, and heat loss up to the heat storage layer of 50%.
(3) Ground heat storage amount It is assumed that the heat storage layer consists of soil with a moisture content of 50%.
If the specific gravity of the heat storage layer is the specific gravity of soil (1.7 g / cm 3 ) and the specific gravity of water (1.0 g / cm 3 ),
1.3g / cm 3 = 1,300kg / m 3
It becomes.
The specific heat capacity of the heat storage layer is assumed to be the specific heat capacity of soil (0.8 Jg -1 K -1 ) and the specific heat capacity of water (4.2 Jg -1 K -1 ).
2.5Jg -1 K -1 = 2,500 Jkg -1 K -1
It becomes.
Therefore, the maximum heat storage capacity of one heat storage hole is
10.6m 3 × 1,300kg / m 3 × 2,500Jkg -1 K -1 = 34.5MJK -1
It becomes.
In addition, the maximum amount of heat stored per heat storage hole is, if the underground temperature rises from 10 ° C to 50 ° C,
34.5MJK -1 × 40K = 1,380MJ
It becomes.
(4)雪の比熱容量と年間降雪量
年間降雪量(10年平均)を570cm =5.7m、雪の比重を0.3g/cm3=300kg/m3、雪の比熱容量を2.1Jg -1K -1)=2,100Jkg -1K -1 とすると、1m2当たりの融雪熱容量は、
5.7m3 ×300kg/m3×2,100Jkg -1K -1 =3.59MJK -1
1m2当たりの融雪熱量(雪平均温度−2.5 °C)は、
3.59MJK -1×2.5K=8.98MJ
となる。
(5)1m3の水を加温するのに要する熱量
水温を15°Cから40°Cまで上昇させるとき、
1,000kg ×25K/m3×4,200 Jkg -1K -1=1.05MJ/m3
の熱量が必要となる。
(6)太陽熱温水器の集熱量
いま札幌市を例にとると、年間日射量(単位面積当たり)が、12.4MJ/m2 × 365日=4,526MJ/m2であるので、太陽熱温水器1台の集熱量は、
集熱量×年間日射量=4.12m2×4,526MJ/m2=18,647MJ
となる。
(4) the specific heat capacity and annual snowfall annual snowfall snow (10 year average) of 570 cm = 5.7 m, the specific gravity of the snow 0.3g / cm 3 = 300kg / m 3, the snow specific heat capacity 2.1Jg -1 K When -1) = 2,100Jkg -1 K -1, snow melting heat capacity per 1 m 2 is
5.7m 3 × 300kg / m 3 × 2,100Jkg -1 K -1 = 3.59MJK -1
1 m 2 per snow melting heat quantity (snow average temperature -2.5 ° C) is
3.59MJK -1 × 2.5K = 8.98MJ
It becomes.
(5) The amount of heat required to heat 1 m 3 of water When raising the water temperature from 15 ° C to 40 ° C,
1,000kg × 25K / m 3 × 4,200 Jkg -1 K -1 = 1.05MJ / m 3
The amount of heat is required.
(6) Collection amount of solar water heaters Taking Sapporo City as an example, the amount of solar radiation (per unit area) is 12.4MJ / m 2 × 365 days = 4,526MJ / m 2 , so solar water heater 1 The amount of heat collected by the stand is
Heat collection x Annual solar radiation = 4.12m 2 x 4,526MJ / m 2 = 18,647MJ
It becomes.
(7)分析
以上より、蓄熱孔の最大蓄熱量(1本当たり)が1,380MJ 、1m2当たりの融雪熱量が8.98MJ/m2 、太陽熱温水器1台の年間集熱量が18,647MJ、1m3の水を加温するのに要する熱量が105MJ/m3となる。
したがって、1本の地中蓄熱孔の最大蓄熱量で融雪できる面積は、
1,380MJ ÷8.98MJ/m2 =153.7 m2
となり、蓄熱経路の熱損失を50%と仮定すると、
153.7 m2×50%
となる。
また、1台の太陽熱温水器によって供給できる地中蓄熱孔の本数は、
18,647MJ/ 台÷1,380MJ =13.5本/台
となり、太陽熱温水器の熱効率を60%、蓄熱経路と地中での熱損失を50%と仮定すると、
13.5本/台×60%×50%=4.1 本/台
となる。
さらに、太陽熱温水器1台によって供給できる温水の量(15°Cから40°Cまで)は、
18,647MJ/ 台÷105MJ/m3=196m3 /台
となり、太陽熱温水器の熱効率を60%と仮定すると、
196m3 /台×60%÷ 365日=0.322m3 /日/台
となる。
(8)検証結果
以上の結果、1本の地中蓄熱孔の最大蓄熱量で融雪できる面積は72m2、1台の太陽熱温水器が供給できる地中蓄熱孔の本数は4本、1台の太陽熱温水器(地中蓄熱孔4本)が供給できる温水の量(15°Cから40°Cまで)は 322リットル/日となる。
(9)結論
以上のシミュレーションにより、1台の太陽熱温水器で相当な面積の駐車場の融雪やロードヒーティングが可能となることが分かった。また、1台の太陽熱温水器で家庭への十分な温水供給が可能となることが分かった。さらに、複数台の太陽熱温水器を使用することにより、國や地方自治体が管轄している道路の融雪に利用することができることが分かった。
(7) Analysis Based on the above, the maximum amount of heat stored in the heat storage holes (per one) is 1,380 MJ, the amount of snow melting per 1 m 2 is 8.98 MJ / m 2 , and the annual heat collection of one solar water heater is 18,647 MJ, 1 m 3 The amount of heat required to heat the water is 105 MJ / m 3 .
Therefore, the area that can melt snow with the maximum amount of heat stored in one underground heat storage hole is
1,380MJ ÷ 8.98MJ / m 2 = 153.7 m 2
Assuming that the heat loss in the heat storage path is 50%,
153.7 m 2 × 50%
It becomes.
In addition, the number of underground heat storage holes that can be supplied by one solar water heater is
18,647MJ / unit ÷ 1,380MJ = 13.5 / unit, assuming that the thermal efficiency of the solar water heater is 60%, the heat storage path and the heat loss in the ground is 50%,
13.5 / unit x 60% x 50% = 4.1 / unit.
Furthermore, the amount of hot water (from 15 ° C to 40 ° C) that can be supplied by one solar water heater is:
18,647MJ / unit ÷ 105MJ / m 3 = 196m 3 / unit, assuming that the solar water heater's thermal efficiency is 60%
196m 3 / unit x 60% ÷ 365 days = 0.322m 3 / day / unit.
(8) Verification results As a result of the above, the area where snow can be melted with the maximum amount of heat stored in one underground heat storage hole is 72m 2 , and the number of underground heat storage holes that can be supplied by one solar water heater is four. The amount of hot water (from 15 ° C to 40 ° C) that can be supplied by the solar water heater (4 underground heat storage holes) is 322 liters / day.
(9) Conclusion According to the above simulation, it was found that snow melting and road heating of a parking lot having a considerable area can be performed with one solar water heater. It was also found that a single solar water heater can supply sufficient hot water to the home. Furthermore, it was found that by using multiple solar water heaters, it can be used to melt snow on the roads that the national and local governments have jurisdiction over.
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention described in the claims, and these are also included in the scope of the present invention. Needless to say, it is something.
たとえば、前記実施の形態に示した太陽熱温水器12は例示的なものにすぎず、他の形態の温水器を使用してもよい。また、温水器では、水の代わりに、他の適当な液体(例えば、不凍液など)を使用してもよい。
For example, the
10 太陽熱温水器利用システム
12 太陽熱温水器
12a 集熱部
12b 貯湯槽
12c ケース
14 蓄熱配管
14a 放熱片
16 第1配管
16a 弁
18 第2配管
18a、18b 弁
DESCRIPTION OF
Claims (1)
集熱部および貯湯槽を有する太陽熱温水器と、
地中に埋設される蓄熱配管と、
前記太陽熱温水器の貯湯槽と前記蓄熱配管とを連結し、加温された液体を前記蓄熱配管に供給するための第1配管と、
前記太陽熱温水器の貯湯槽と前記蓄熱配管とを連結し、地中において放熱した液体を前記太陽熱温水器の貯湯槽に戻すための第2配管と、
を備えていることを特徴とするシステム。 A solar water heater system,
A solar water heater having a heat collecting part and a hot water tank;
A heat storage pipe buried in the ground,
A first pipe for connecting the hot water storage tank of the solar water heater and the heat storage pipe, and supplying a heated liquid to the heat storage pipe;
A second pipe for connecting the hot water storage tank of the solar water heater and the heat storage pipe and returning the heat radiated in the ground to the hot water tank of the solar water heater;
A system characterized by comprising:
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