JP2011202908A - 太陽熱利用の暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成が簡単で設備コストが安く、運用コストも安い、住宅内の南北の気温較差を是正する太陽熱を利用した住宅の暖房装置の実現。
【解決手段】住宅の外面に集熱容器２を配置し、この内部に集熱放熱ユニット３を置くと共に、住宅内でポンプ８を接続した冷媒配管６を１又は複数のループとして構成して集熱放熱ユニット３と接続することで、集熱容器２内部で温熱を得た冷媒を住宅内で回動可能とすることで、住宅の南北における気温格差を低減することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽熱を利用した住宅用の暖房装置に関する。

省エネルギーを図るため、住宅の断熱性能は年々向上し、日射が直接差し込む南側の部屋は、冬場でも日射が強い時間帯では暑く感じる場合がある。一方、住宅の北側の部屋（特に、普段人がいない廊下や便所）は、対照的に寒い状態になる。このように、住宅の中で室温に大きな差異があると、暖かいところから寒いところに移動する際に住人にヒートショックを与えることになり、望ましくない。

一方、全館空調を導入し、住宅内の気温を均一にしようとすると、住人にヒートショックを与えることはなくなる。しかし、全館空調は初期コストがかかり、稼働期間も限られ、また、維持コスト（電気代等）もかかることから、普及は進んでいない。

このような状況で、住宅の南側に照射される太陽熱を用いて、北側の部屋等の気温を上昇させる安価な手段の提案が望まれる。

他方で、太陽電池パネルが太陽光から受けた熱を集熱する太陽熱の交換器に、潜熱蓄熱材が封入されたマイクロカプセルを所定温度範囲で固化しない作動流体に含ませて形成されるスラリー状の熱媒体を循環させて、太陽熱を収集し、これをヒートポンプ回路の熱源に用いることが提案されている（特許文献１）。

また、金属製の屋根を利用して熱交換した空気を使う暖房システムが提案されている。つまり、冬の天気の良い日に屋根で集熱した空気を、換気扇程度のファンで立ち下がりダクトを通らせ床下空気層に送り、基礎コンクリートに蓄熱し、気温が下がるとコンクリートからゆっくりと放熱させ、室温を平準化するものである（非特許文献１）。

しかし、特許文献１では、特に空調に適用することを目的とするものではなく、ヒートポンプ回路も必要とすることから、コストがかかる。また、非特許文献１は、住宅内全体の暖房を目的としており、住宅内の南北の気温較差を是正するものではない。

特開２００５−２４１１４８号公報 「ソーラーれん」、株式会社自然エネルギー研究所、 ［online］、［平成22年3月3日検索］ 、インターネット ＜http://www.passivedesign.com/SR1_about.htm＞

そこで、構成が簡単で設備コストが安く、また、運用コストも安い、住宅内の南北の気温較差を是正する太陽熱を利用した住宅の暖房装置の提案が望まれる。

そこで、発明者らは、この課題を解決すべく、次の構成の第１の発明を成した。
集熱容器を住宅の外面に配置し、
複数個の冷媒細管を並列に配置し、更に、前記冷媒細管の両端を二つの冷媒管に接続して、前記一方の冷媒管から他方の冷媒管に前記冷媒細管を介して内部に封入した冷媒を移動可能に構成した集熱放熱ユニットを、前記集熱容器の内部に配置し、
ポンプを接続した冷媒配管を、前記二つの冷媒管に接続し、前記冷媒の通路を１又は複数のループとして構成することで前記冷媒を回動可能とし、
前記冷媒配管の一部を、又は、前記冷媒配管の一部を前記集熱放熱ユニット３とは別の集熱放熱ユニット３に変えたものを、住宅内部の内壁の内若しくは外、天井の表若しくは裏又は床下に配置し、
前記冷媒細管にて太陽熱により熱せられた前記冷媒をループとなった前記冷媒配管内部で前記ポンプを駆動することにより回動させ、
前記冷媒配管の一部に、又は、前記冷媒配管の一部を前記集熱放熱ユニット３とは別の集熱放熱ユニット３に変えたものに、前記冷媒が通る際に放熱させること、
を特徴とする、太陽熱利用の暖房装置。

更に、次の構成の第２の発明を成した。
前記集熱容器を住宅の略南面の屋根若しくは外壁に配置したこと、
を特徴とする、第１の発明にかかる太陽熱利用の暖房装置。

更に、次の構成の第３の発明を成した。
複数個の冷媒細管を並列に配置し、更に、前記冷媒細管の両端を二つの冷媒管に接続して、前記一方の冷媒管から他方の冷媒管に前記冷媒細管を介して内部に封入した冷媒を移動可能に構成した集熱放熱ユニットを住宅の略南面の窓に面する部屋の床に配置し、
ポンプを接続した冷媒配管を、前記二つの冷媒管に接続し、前記冷媒の通路を１又は複数のループとして構成することで前記冷媒を回動可能とし、
前記冷媒配管の一部を、又は、前記冷媒配管の一部を前記集熱放熱ユニット３とは別の集熱放熱ユニット３に変えたものを、住宅内部の内壁の内若しくは外、天井の表若しくは裏又は床下に配置し、
前記冷媒細管にて太陽熱により熱せられた前記冷媒をループとなった前記冷媒配管内部で前記ポンプを駆動することにより回動させ、
前記冷媒配管の一部を、又は、前記冷媒配管の一部を前記集熱放熱ユニット３とは別の集熱放熱ユニット３に変えたものに、前記冷媒が通る際に放熱させること、
を特徴とする、太陽熱利用の暖房装置。

更に、次の構成の第４の発明を成した。
前記住宅内部の内壁内部、天井裏又は床下に配置した冷媒配管は、前記住宅の北面の部屋を通すこと、
を特徴とする、第１から第３の発明にかかる太陽熱利用の暖房装置。

更に、次の構成の第５の発明を成した。
前記冷媒を潜熱蓄熱材が封入されたカプセルを含む作動流体で構成されたこと、
を特徴とする、第１から第４の発明にかかる太陽熱利用の暖房装置。

本発明により、配管を中心とした単純な構成で設備コストが安く、また、冷媒を回動させるポンプが低消費電力で運用コストも安くでき、住宅の南側の太陽熱を北側の部屋の温度上昇に用いることで、住宅内の温度差を低減することができる。

（Ａ）本発明の構成要素の配置を示した概略断面図である。（Ｂ）本発明の 構成要素の集熱容器を住宅の屋根に取り付けた状態を示す図面である。 本発明の構成要素の集熱容器の内部に設置する集熱放熱ユニットとそれに接 続する冷媒配管の配置状況を示す図面である。 本発明の実施形態を示す断面図であり、２階の腰窓の下の外壁に集熱容器を 取り付け、また、１階の南面の窓のある部屋の床に集熱放熱ユニットを取り 付け、それらで得られた温熱を北側の部屋の床下から放出させる場合を示し ている。 本発明の実施形態を示す平面図であり、腰窓の下の外壁に集熱容器を取り付 け、そこで得られた温熱を北側の部屋の床下から放出させる場合を示してい る。 本発明の実施形態を示す平面図であり、外壁に集熱容器を取り付け、そこで 得られた温熱を北側の部屋の内壁から放出させる場合を示している。 本発明の実施形態を示す平面図であり、ベランダの手すりに集熱容器を取り 付け、そこで得られた温熱を北側の部屋の内壁から放出させる場合を示して いる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

（実施例１の説明）
＜物的構成の説明＞
図１（Ａ）は、本発明の構成要素の配置を示した住宅１の概略断面図である。
住宅１の外面の一部である屋根に、集熱容器２を設置し、その内部に集熱放熱ユニット３（図示せず）を設置する。そして、集熱容器２と住宅１の外壁に設けた孔との間にダクト７ｃを設け、ダクト７ｃに冷媒配管６を導通させる（後に述べるように、冷媒ＲＥの通路はループ構成となり、冷媒配管６はそのループの一部となることから、このダクト７ｃには２本の冷媒配管６が収納される）。
住宅１の天井裏に引き込まれた２本の冷媒配管６は、冷媒配管６等に封入された冷媒ＲＥを回動させるポンプ８と、冷媒配管６の破裂防止やポンプ８の故障防止のための圧力逃しのサージタンク９に接続する。そして、室内に設置されたダクト７ｄに２本の冷媒配管６を再度収納して、パネルヒータ１０までに引き込む。

図１（Ｂ）は、本願発明に係る太陽熱利用の暖房装置を設置した住宅１の斜視図である。２つの集熱容器２ａ、２ｂが設置されており、また、その間に２つのダクト７ａ、７ｂが設置されている。集熱容器２ａ、２ｂは、南面に設置し、また、冬場の太陽の南中高度を考慮し、最も太陽熱を得られやすくするよう、適当な傾斜をつけるのが望ましい。また、集熱容器２の個数は、取得したい太陽熱の量に応じて増減する。

この集熱容器２の内部の構成を図２に示す。１つの集熱容器２の内部には、１つの集熱放熱ユニット３が設置されている。この集熱放熱ユニット３は、多数の冷媒細管４を並列に配置し、更に、冷媒細管４の両端を二つの冷媒管５ａ、５ｂに接続して、一方の冷媒管５から他方の冷媒管５に冷媒細管４を介して内部に封入した冷媒ＲＥを移動可能に構成したものである。集熱容器２及びダクト７に冷媒配管６を収納させ、冷媒管５の間は、この冷媒配管６にて接続させる。そして、２つの集熱容器２ａ，２ｂと二つのダクト７ａ、７ｂの内部で、冷媒配管６、冷媒管５及び冷媒細管４は、その内部に封入された冷媒ＲＥを回動できる１又は複数のループを構成する。また、集熱放熱ユニット３の交換や故障対応が可能なように、集熱容器２は開閉できる構造とする。

更に、室内に設置したダクト７ｄを通して、冷媒配管６を室内に下ろし、パネルヒータ１０の内部に冷媒配管６を収納する。

また、冷媒ＲＥは、水等でも効果はあるが、蓄熱能力の高いもの、例えば、潜熱蓄熱材が封入されたカプセル及び所定の温度範囲で固化しない作動液体で構成されたスラリー状のものが望ましい。

なお、熱を室内までに運ぶ冷媒配管７を収納するダクト７ａ、７ｂ、７ｃは、温熱を逃さないために、断熱性の材質で構成するのが望ましい。また、天井裏の冷媒配管７等も、温熱を逃がさないために、極力短く構成するのが望ましい（この部分を断熱容器の中に入れてもよい）。

＜動作の説明＞
図１（Ｂ）に示すように、日光が集熱容器２に当たり、集熱容器２の内部の気温が上昇する。集熱容器２は、集熱効果を高めるため、外装を黒色とするのが望ましいが、住宅１の美観も考慮し、集熱効果の高い他の暗系統の色彩を選択してもよい。

集熱容器２の内部に設置された集熱放熱ユニット３は、多数の冷媒細管４を並列に構成することで、表面積を大きくしており、太陽熱による集熱容器２の内部での気温上昇により、温熱を冷媒細管４を通して冷媒ＲＥに取り込む。この冷媒細管４及び冷媒管５は、銅やステンレスなどの材質で構成されるが、冷媒細管４については、温熱を効率よく冷媒ＲＥに伝えるため、管の肉厚は、必要とされる機械強度が確保できる範囲内で、なるべく薄くするのがよい。

冷媒細管４にて温熱を吸収した冷媒ＲＥは、ポンプ８により回動される。冷媒ＲＥの回動は早くする必要はないため、ポンプ８は低速回転のものでよく、また、冷媒ＲＥはスラリー状の場合もあるが、粘性は低めにすることで高い吐出能力のものにする必要はない。このようなことから、ポンプ８の消費電力は非常に小さいものになる。

そして、回動された冷媒ＲＥが部屋の中に設置されたパネルヒータ１０に入り、部屋の中に放熱する。また、パネルヒータでなくとも、集熱放熱ユニット３を部屋の内壁の外に設置し、又は、内壁の中に埋設し、これに冷媒配管６を接続させ、集熱放熱ユニット３から直に温熱を室内に放出させることもできる。更に、集熱放熱ユニット３の替わりに冷媒配管６を部屋の内壁の外に設置し、又は、内壁の中に埋設することでも、温熱を室内に放出することができる（この場合、設備費が安くできる）。
また、パネルヒータ等の自然放熱手段がスペース等の関係で設置困難な場合には、ファンコンベクタにより温熱を温風で部屋の中へ放出させてもよい。

（実施例２の説明）
図３の住宅１の断面図おいては、２階の南側の腰窓１２の下の外壁に集熱容器２が取り付けられている。前述の実施例と同様に、この集熱容器２に集熱放熱ユニット３を置き、これから冷媒配管６を２階の床下に配置し、集熱容器２の内部で太陽熱を吸収した冷媒ＲＥを屋内に引き込み、北側の部屋の床で温熱を放出させる構造のものである。温熱の放出は、部屋の床下に集熱放熱ユニット３を敷き詰めて行ってもよいし、冷媒配管６を部屋の床下に九十九折り状に配置して行ってもよい。２階床下に配置する冷媒配管６は、温熱を放出させる北側の部屋以外では、断熱性のダクト７（図示せず）に収納し、冷媒ＲＥの回動の途中で温熱を外に出さないようにする（温熱をもっている部分の冷媒配管６のみに断熱材を巻き付けてもよい）。また、温熱を放出させる北側の部屋の床下には、１階に温熱を逃がさないために、集熱放熱ユニット３等の下に、断熱材（図示せず）を敷き詰める。なお、集熱容器２の外壁への取り付けに際しては、集熱容器２を外壁の外付けとすること以外にも、外壁材に集熱容器２を含ませるような構造のものとしてもよい。
図４は、この場合の平面図である。腰窓１２の下に二つの集熱容器２が取り付けられている。また、北側の部屋の床下には、４枚の集熱放熱ユニット３が収納されている。なお、集熱放熱ユニット３は、集熱容器２の内部に集熱のために設置するものも、住宅１の内部に放熱のために設置するものも、基本的な構造は同じであるが、サイズ等を変更しても構わない。

（実施例３の説明）
図３の１階の南側の窓１１に面した部屋には、部屋の内部にまで日光が降り注ぐが、この部屋の床下に集熱放熱ユニット３が設置されている。これも、前述の実施例と同様に、太陽熱による温熱を吸収した冷媒ＲＥを冷媒配管６にて北側の部屋の床下にまで回動させ、そこに設置してある集熱放熱ユニット３から温熱を放出させるものである。
また、南側と南側の集熱放熱ユニット３は、ほぼ同一の水平レベルの床の下に設置される。このため、北側の集熱放熱ユニット３の水平レベルを多少高くし、また、冷媒ＲＥの閉ループを幾つか並列にするか、若しくは、冷媒ＲＥの流動性を高めることで、冷媒ＲＥの管内での流動損を低めれば、ポンプ８をなくしても、閉ループ内で冷媒ＲＥに温度差に起因した密度勾配が生じることで、自然に冷媒ＲＥが回動することも可能である。

（実施例４の説明）
図５は、外壁に集熱容器２を取り付け、そこで得られた温熱を北側の部屋の内壁に設置した集熱放熱ユニット３に冷媒配管６にて回動させ、放出するものである。

（実施例５の説明）
図６は、ベランダ２２の手すり部分１３に集熱容器２を取り付け、または、手すり部分を集熱容器２を兼ねるような構造とし、その内部に集熱放熱ユニット３を設置するものである。具体的な温熱の移動については、上記の実施例と同じである。

（集合住宅への適用）
なお、上記の実施例は、集合住宅に対しても適用可能である。ただし、屋根に集熱容器２を設置する実施例１については、集合住宅の屋上に各住戸毎に集熱容器２を設置することになる。

１ 住宅、 ２ 集熱容器、
３ 集熱放熱ユニット、 ４ 冷媒細管、
５ 冷媒管、 ６ 冷媒配管、
７ ダクト、 ８ ポンプ、
９ サージタンク、 １０ パネルヒータ、
１１ 窓、 １２ 腰窓、
１３ ベランダの手すり、 ２２ ベランダ

Claims (5)

1. 集熱容器を住宅の外面に配置し、
   複数個の冷媒細管を並列に配置し、更に、前記冷媒細管の両端を二つの冷媒管に接続して、前記一方の冷媒管から他方の冷媒管に前記冷媒細管を介して内部に封入した冷媒を移動可能に構成した集熱放熱ユニットを、前記集熱容器の内部に配置し、
   ポンプを接続した冷媒配管を、前記二つの冷媒管に接続し、前記冷媒の通路を１又は複数のループとして構成することで前記冷媒を回動可能とし、
   前記冷媒配管の一部を、又は、前記冷媒配管の一部を前記集熱放熱ユニットとは別の集熱放熱ユニットに変えたものを、住宅内部の内壁の内若しくは外、天井の表若しくは裏又は床下に配置し、
   前記冷媒細管にて太陽熱により熱せられた前記冷媒をループとなった前記冷媒配管内部で前記ポンプを駆動することにより回動させ、
   前記冷媒配管の一部に、又は、前記冷媒配管の一部を前記集熱放熱ユニットとは別の集熱放熱ユニットに変えたものに、前記冷媒が通る際に放熱させること、
   を特徴とする、太陽熱利用の暖房装置。
2. 前記集熱容器を住宅の略南面の屋根若しくは外壁に配置したこと、
   を特徴とする、請求項１に記載の太陽熱利用の暖房装置。
3. 複数個の冷媒細管を並列に配置し、更に、前記冷媒細管の両端を二つの冷媒管に接続して、前記一方の冷媒管から他方の冷媒管に前記冷媒細管を介して内部に封入した冷媒を移動可能に構成した集熱放熱ユニットを住宅の略南面の窓に面する部屋の床に配置し、
   ポンプを接続した冷媒配管を、前記二つの冷媒管に接続し、前記冷媒の通路を１又は複数のループとして構成することで前記冷媒を回動可能とし、
   前記冷媒配管の一部を、又は、前記冷媒配管の一部を前記集熱放熱ユニットとは別の集熱放熱ユニットに変えたものを、住宅内部の内壁の内若しくは外、天井の表若しくは裏又は床下に配置し、
   前記冷媒細管にて太陽熱により熱せられた前記冷媒をループとなった前記冷媒配管内部で前記ポンプを駆動することにより回動させ、
   前記冷媒配管の一部を、又は、前記冷媒配管の一部を前記集熱放熱ユニットとは別の集熱放熱ユニットに変えたものに、前記冷媒が通る際に放熱させること、
   を特徴とする、太陽熱利用の暖房装置。
4. 前記住宅内部の内壁内部、天井裏又は床下に配置した冷媒配管は、前記住宅の北面の部屋を通すこと、
   を特徴とする、請求項１から請求項３に記載の太陽熱利用の暖房装置。
5. 前記冷媒を潜熱蓄熱材が封入されたカプセルを含む作動流体で構成されたこと、
   を特徴とする、請求項１から請求項４に記載の太陽熱利用の暖房装置。

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