JP2013174389A

JP2013174389A - 太陽熱利用給湯システム

Info

Publication number: JP2013174389A
Application number: JP2012039070A
Authority: JP
Inventors: Masaya Nakanose; 正也中ノ瀬
Original assignee: Yazaki Energy System Corp
Current assignee: Yazaki Energy System Corp
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-09-05

Abstract

【課題】部品点数を削減すると共に施行工事の容易な太陽熱利用給湯システムを提供する。
【解決手段】太陽熱利用給湯システム１は、太陽熱集熱器２と、太陽熱集熱器２で加熱された熱媒Ｌを貯留する大気開放型の貯熱槽３と、太陽熱集熱器２内の熱媒Ｌを貯熱槽３に送る熱媒送り配管４と、貯熱槽３内の熱媒Ｌを太陽熱集熱器２に戻す熱媒戻し配管５と、一端が給水管１１に接続されると共に他端が出湯管１３に接続されて貯熱槽３内に配され、給水管１１から供給された水と貯熱槽３内の熱媒Ｌとの間で熱交換させる熱交換器６と、熱媒戻し配管５の途中に設けられ、太陽熱集熱器２と貯熱槽３との間で熱媒Ｌを循環させる循環ポンプ７と、循環ポンプ７を制御する制御装置８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱利用給湯システムに関する。

従来、省エネルギー化の観点から、太陽熱を利用して給湯を行う太陽熱利用給湯システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この種の太陽熱利用給湯システムは、図２に示すように、太陽熱を利用して熱媒を加熱する太陽熱集熱器５０１と、貯湯槽５０３と、貯湯槽５０３内に配されかつ太陽熱集熱器５０１で加熱された熱媒と貯湯槽５０３内の水との間で熱交換させる熱交換器５０５と、太陽熱集熱器５０１内の熱媒を熱交換器５０５に送る熱媒送り配管５０７と、熱媒戻し配管５０９の途中に設けられかつ太陽熱集熱器５０１と熱交換器５０５との間で熱媒を循環させる循環ポンプ５１１と、熱媒戻し配管５０９における貯湯槽５０３と循環ポンプ５１１との間に設けられかつ熱媒の膨張・収縮を吸収する膨張タンク（シスターン）５１３と、循環ポンプ５１１を制御する制御装置５１５と、を備えている。

貯湯槽５０３は、上水道の水を給水する給水管５１７と接続された給水口を下部に有し、湯水を出湯する出湯管５１９と接続された出湯口を上部に有している。貯湯槽５０３は、耐食性に優れた金属（例えば、ステンレス）製の密閉タンクであり、外周部に断熱材を有している。貯湯槽５０３は、出湯口を有する上部に高温の湯水を集まり易くするために設置幅よりも高さが大きい縦置き型とされ、堅牢な脚部に支持されている。

また、貯湯槽５０３に水を給水する給水管５１７には、減圧弁５２５及び排水弁５２７が配設されている。減圧弁５２５は、貯湯槽５０３内の圧力を一定に維持するため、貯湯槽５０３への給水圧を調整する弁である。
出湯管５１９には、温度調節弁５３３を介して、貯湯槽５０３から出湯される湯水を必要に応じて加熱する給湯器（補助加熱機）５３１が接続される。温度調節弁５３３には、減圧弁５２５の下流における給水管５１７から分岐された混合用給水管５２９が接続され、予め貯湯槽５０３の温水と給水管５１７から供給される冷水とを混合して給湯器５３１に入水する。温度調節弁５３３と給湯器５３１との間には、減圧弁５２５の上流における給水管５１７から分岐された直接給水用管５３５と接続された切換弁５３７が配設される。この切換弁５３７を使用することで、給湯器５３１への入水が出湯管５１９から行われる場合と、給水管５１７から直接行われる場合とに切り換えることができる。

制御装置５１５は、貯湯槽５０３内に設けられて貯湯槽５０３内の水の温度を検出する水温度センサ５２１と、太陽熱集熱器５０１の近傍に配設されて熱媒の温度を検出する熱媒温度センサ５２３とに接続されている。そして、制御装置５１５は、水温度センサ５２１で検出された水の温度と、熱媒温度センサ５２３で検出された熱媒の温度との差温に基づいて、循環ポンプ５１１の作動、停止を制御する。

特開平１０−８９７７６号公報

しかしながら、上述の如き従来の太陽熱利用給湯システムにおいては、貯湯槽５０３が縦置き型とされるため、貯湯槽５０３を支持する脚部を堅牢にする必要がある。そこで、コンクリート基礎上に貯湯槽５０３を施行しなければならず、施行工事が容易でなく、施行期間の短縮が難しいという問題があった。
また、従来の太陽熱利用給湯システムにおいては、密閉タンクである貯湯槽５０３への負荷を減らすため、貯湯槽５０３への給水圧を調整する減圧弁５２５や、熱媒の膨張・収縮を吸収する膨張タンク５１３等の多くの部品が必要となり、コストアップの原因となっていた。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的は、部品点数を削減すると共に施行工事の容易な太陽熱利用給湯システムを提供することにある。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１）太陽熱を利用して熱媒を加熱する太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器で加熱された熱媒を貯留する大気開放型の貯熱槽と、前記太陽熱集熱器内の熱媒を前記貯熱槽に送る熱媒送り配管と、前記貯熱槽内の熱媒を前記太陽熱集熱器に戻す熱媒戻し配管と、一端が給水管に接続されると共に他端が出湯管に接続されて前記貯熱槽内に配され、前記給水管から供給された水と前記貯熱槽内の熱媒との間で熱交換させる熱交換器と、前記熱媒戻し配管の途中に設けられ、前記太陽熱集熱器と前記貯熱槽との間で熱媒を循環させる循環ポンプと、前記循環ポンプを制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする太陽熱利用給湯システム。
上記（１）の構成の太陽熱利用給湯システムによれば、太陽熱集熱器で加熱された熱媒が大気開放型の貯熱槽に貯留されるので、熱媒の膨張・収縮を吸収する膨張タンクを貯熱槽と循環ポンプとの間に設ける必要がない。また、給水管から供給された水は、貯熱槽内に配された熱交換器を経て出湯管から出湯される。配管パイプにより構成される熱交換器は、従来の貯湯槽に比べて耐圧性が高いので、熱交換器への給水圧を調整する減圧弁を給水管に設ける必要がない。
更に、貯熱槽内に配される熱交換器は、貯熱槽に貯留される熱媒に対して水平方向に延びるように設けることができるので、貯熱槽を設置幅よりも高さが小さい横置き型とすることができる。また、貯熱槽は、耐圧性を要しないので、貯熱槽自体の構造を簡略化したり、合成樹脂で形成して軽量化したりすることもできる。そこで、貯熱槽の脚部を簡素化し、コンクリート基礎を廃止して簡易基礎にすることで施行工事を容易とすることができる。

（２）上記（１）の構成の太陽熱利用給湯システムであって、前記制御装置は、前記貯熱槽内に設けられて前記貯熱槽内の熱媒の温度を検出する第１センサと、前記太陽熱集熱器近傍に配設されて熱媒の温度を検出する第２センサとに接続され、前記第１センサで検出された熱媒の温度と、前記第２センサで検出された熱媒の温度との差温に基づいて、前記循環ポンプの作動、停止を制御することを特徴とする太陽熱利用給湯システム。
上記（２）の構成の太陽熱利用給湯システムによれば、第１センサで検出された貯熱槽内の熱媒の温度と、第２センサで検出された太陽熱集熱器近傍の熱媒の温度との差温が所定の開始温度以上であるときに集熱運転を開始すれば、エネルギー的に不経済な集熱運転を避けることができると共に、冬季などで屋外に設置される太陽熱集熱器近傍の熱媒の温度が貯湯槽内の熱媒の温度よりも低い場合の集熱運転による貯湯槽内の熱媒の温度低下を防止することができる。

（３）上記（１）又は（２）の構成の太陽熱利用給湯システムであって、前記出湯管には、前記熱交換器から出湯される湯水を必要に応じて加熱する補助加熱機が温度調節装置を介して接続されており、前記温度調節装置には、前記給水管から分岐された混合用給水管が接続され、予め前記熱交換器から出湯される温水と前記混合用給水管から供給される水とが混合して前記補助過熱機に入水されることを特徴とする太陽熱利用給湯システム。
上記（３）の構成の太陽熱利用給湯システムによれば、熱交換器から出湯される温水と混合用給水管から供給される水とが、温度調節装置によって所定の温度とされてから補助過熱機に入水されるので、補助過熱機は熱交換器から出湯される温水や混合用給水管から供給される水の温度変化に関わらず、使用者が設定した温度の温水を安定的に給湯することができる。

本発明に係る太陽熱利用給湯システムによれば、部品点数を削減すると共に施行工事の容易な太陽熱利用給湯システムを提供できる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

本発明の一実施形態に係る太陽熱利用給湯システムの概略構成図である。従来の太陽熱利用給湯システムの概略構成図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る太陽熱利用給湯システム１は、熱媒Ｌを強制循環させて熱交換する強制循環式として構成され、太陽熱集熱器２と、大気開放型の貯熱槽３と、熱媒送り配管４と、熱媒戻し配管５と、熱交換器６と、循環ポンプ７と、制御装置８と、給湯器（補助加熱機）１０と、温度調節弁（温度調節装置）９と、を備える。

太陽熱集熱器２は、例えば矩形板状で、縦（屋根流れ方向）２ｍ、横（棟木に沿う方向）１ｍ、厚さ６０ｍｍの２平方メートル程度の集熱器面積を有して形成される。太陽熱集熱器２は、その内部に熱媒Ｌを循環させる内部流路を有しており、太陽熱を利用して熱媒Ｌを加熱する。一般に、この内部流路が長手側となる向きで屋根面に設置され、複数のものが横並びに連結して使用される。本実施形態では、二台の太陽熱集熱器２が連結して併設されており、太陽熱を利用して熱媒Ｌを加熱する。

貯熱槽３は、軒下等のスペースに設置され、太陽熱集熱器２で加熱された熱媒Ｌを貯留する横置き型のタンクであり、２００リットル程度の貯液容量を有する。本実施形態の貯熱槽３は、上部開口を備える直方体状の槽本体３１と、槽本体３１の上部開口を覆う蓋体３２とを有し、断熱材を一体成形した合成樹脂で形成されている。蓋体３２は、熱媒Ｌが槽本体３１から流出したり、雨水が槽本体３１内に流入したりすることがないように槽本体３１の上部開口を覆っているが、図示しない空気穴により槽本体３１内を大気開放している。

槽本体３１の内部には、熱交換器６が設置され、熱交換器６は槽本体３１を貫通して給水管１１と出湯管１３に接続される。貯熱槽３は、太陽熱を利用して太陽熱集熱器２で加熱された熱媒Ｌを貯留するとともに、給水管１１から供給されて熱交換器６を通る水を加熱して出湯管１３から湯として出湯する。

槽本体３１には、熱媒送り配管４に接続される入口３３と、熱媒戻し配管５に接続される出口３５とが設けられ、太陽熱集熱器２の図示しない内部流路に連通している。また、槽本体３１の下部には、槽本体３１内から熱媒Ｌを抜く際に開かれる排水口（図示せず）が設けられている。槽本体３１に貯留された熱媒Ｌは、太陽熱集熱器２との間を循環することで加熱され、高温となる。

熱媒送り配管４は、一端が下流側の太陽熱集熱器２の排水側となる出入口管２１に接続され、他端が槽本体３１の入口３３に接続される。熱媒戻し配管５は、一端が槽本体３１の出口３５に接続され、他端が上流側の太陽熱集熱器２の注水側となる出入口管２３に接続される。

本実施形態に係る熱交換器６は、ステンレスパイプを折り曲げ形成し、槽本体３１の長手方向に沿って水平方向に延びるように配される。本実施形態においては、熱交換器６が槽本体３１の長手方向に沿って蛇行しながら水平方向に延びているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、熱交換器６を槽本体３１内で螺旋状に配置したり、重畳するように配置したりすることもできる。また、銅パイプなど熱伝導率（熱交換性能）の高い種々な熱交換器を用いることができる。

熱交換器６は、一端が給水管１１に接続されると共に他端が出湯管１３に接続されており、給水管１１から供給された水と貯熱槽３内の高温となった熱媒Ｌとの間で熱交換させ、温めた湯水を出湯管１３に出湯するようになっている。

循環ポンプ７は、熱媒戻し配管５の途中に設けられ、槽本体３１から熱媒Ｌを加圧搬送することにより、熱媒Ｌを太陽熱集熱器２と貯熱槽３との間を循環させる。
本実施形態において、熱媒Ｌには、安全性の面からプロピレングリコールを主とした不凍液が使用される。尚、循環ポンプ７を常時又は所定間隔で駆動し、熱媒Ｌを常に循環させて凍結を防止できる場合には、熱媒Ｌに水を使用することもできる。

制御装置８は、貯熱槽３近傍に設けられて貯熱槽３内の熱媒Ｌの温度を検出する第１センサ５１と、太陽熱集熱器２近傍に配設されて熱媒Ｌの温度を検出する第２センサ５３とに接続される。そして、制御装置８は、第１センサ５１で検出された熱媒Ｌの温度と、第２センサ５３で検出された熱媒Ｌの温度との差温に基づいて、循環ポンプ７の作動、停止を制御する。

なお、第１センサ５１及び第２センサ５３は、それぞれ貯熱槽３内及び太陽熱集熱器２内における熱媒Ｌの温度を検出可能であれば、貯熱槽３内及び太陽熱集熱器２内に設けられても、貯熱槽３近傍の熱媒戻し配管５及び太陽熱集熱器２近傍の熱媒送り配管４に設けられてもよい。

本実施形態の出湯管１３には、熱交換器６から出湯される湯水を必要に応じて加熱する給湯器１０が温度調節弁９を介して接続されている。温度調節弁９には、給水管１１から分岐された混合用給水管４１が接続され、予め熱交換器６から出湯される温水と混合用給水管４１から供給される水とが所定の温度（例えば、３０℃）となるように混合して給湯器１０に入水される。尚、温度調節弁９に代えて、温度調節装置であるミキシングユニットを用いることもできる。

温度調節弁９と給湯器１０との間には、給水管１１から分岐された直接給水用管４５と接続された切換弁４３が配設される。この切換弁４３を使用することで、給湯器１０への入水が温度調節弁９から行われる場合と、給水管１１から直接行われる場合とに切り換えることができる。

給湯器１０は、給湯運転が行われる場合に、必要に応じて給湯用ガスバーナが点火されて加熱され、出湯管１３に接続された温度調節弁９から流入した湯水が熱交換されることにより、給湯管４７からカランやシャワーヘッド等の図示しない出湯端末に所定の給湯設定温度を有する給湯水が供給される。

次に、上記構成を有する太陽熱利用給湯システム１の作用を説明する。
本実施形態の太陽熱利用給湯システム１において、太陽熱集熱器２に日射が当たると、太陽熱集熱器２内の熱媒Ｌが加熱される。
制御装置８は、第２センサ５３で検出された太陽熱集熱器２内の熱媒Ｌの温度と、第１センサ５１で検出された貯熱槽３内の熱媒Ｌの温度との温度差が、所定の開始温度以上である場合、集熱運転プログラムを起動し、図示しない太陽電池等の電源により循環ポンプ７を作動して、集熱運転を開始する。

そこで、太陽熱利用給湯システム１は、エネルギー的に不経済な集熱運転を避けることができると共に、冬季などで屋外に設置される太陽熱集熱器２近傍の熱媒Ｌの温度が貯熱槽３内の熱媒Ｌの温度よりも低い場合の集熱運転による貯熱槽３内の熱媒Ｌの温度低下を防止することができる。

集熱運転が開始されると、循環ポンプ７は回転し、熱媒Ｌを強制的に熱媒戻し配管５、太陽熱集熱器２、熱媒送り配管４、貯熱槽３、循環ポンプ７へと循環させる。その結果、貯熱槽３に貯留された熱媒Ｌが加熱される。
そして、太陽熱集熱器２内の熱媒Ｌと貯熱槽３内の熱媒Ｌとの温度差が、所定の開始温度未満となると、制御装置８は循環ポンプ７を停止して、集熱運転を終了する。

給湯器１０への入水が出湯管１３から行われるように切換弁４３が切り換えられ、太陽熱利用給湯システム１の給湯運転が行われた状態で、給湯器１０の下流にある出湯端末が開栓されると、給水管１１から給水された水が熱交換器６を経て出湯管１３から温度調節弁９に流入されて給湯器１０に供給される。ここで、給水管１１から熱交換器６に供給された水は、貯熱槽３内の高温となった熱媒Ｌとの間で熱交換され、温められた湯水が出湯管１３に出湯する。

温度調節弁９に流入した湯水は、熱交換器６から出湯される温水と混合用給水管４１から供給される水とを所定の温度（例えば、３０℃）に混合して給湯器１０に供給される。給湯器１０は、必要に応じて温度調節弁９から供給された湯水を所定の給湯設定温度に加熱して給湯管４７から出湯端末に供給する。

本実施形態の太陽熱利用給湯システム１によれば、熱交換器６から出湯される温水と混合用給水管４１から供給される水とが、温度調節弁９によって所定の温度とされてから給湯器１０に入水されるので、給湯器１０は熱交換器６から出湯される温水や混合用給水管４１から供給される水の温度変化に関わらず、使用者が設定した温度の温水を安定的に給湯することができる。

従って、上述した太陽熱利用給湯システム１においては、太陽熱集熱器２で加熱された熱媒Ｌが大気開放型の貯熱槽３に貯留されるので、熱媒Ｌの膨張・収縮を吸収する膨張タンクを貯熱槽３と循環ポンプ７との間に設ける必要がない。

また、給水管１１から供給された水は、貯熱槽３内に配された熱交換器６を経て出湯管１３から出湯される。配管パイプにより構成される熱交換器６は、従来の貯湯槽５０３（図２参照）に比べて耐圧性が高いので、熱交換器６への給水圧を調整する減圧弁を給水管１１に設ける必要がない。

更に、貯熱槽３内に配される熱交換器６は、貯熱槽３に貯留される熱媒Ｌに対して水平方向に延びるように設けることができるので、貯熱槽３を設置幅よりも高さが小さい横置き型とすることができる。

即ち、従来の貯湯槽５０３は、出湯口を有する上部に高温の湯水を集まり易くするために設置幅よりも高さが大きい縦置き型とする必要があるが、本実施形態の熱交換器６は、貯熱槽３に貯留される熱媒Ｌとの間で熱交換できればよく、給水管１１及び出湯管１３に接続される両端部の取り出し位置は制約を受けず、貯熱槽３の外形状は自由である。
また、貯熱槽３は、耐圧性を要しないので、貯熱槽３自体の構造を簡略化したり、本実施形態の如く合成樹脂で形成して軽量化したりすることもできる。

更に、太陽熱利用給湯システム１は、貯熱槽３を設置幅よりも高さが小さい横置き型の直方体状とすることで、貯熱槽３が転倒し難くなるので、貯熱槽３の脚部を簡素化し、従来のようなコンクリート基礎を廃止して簡易基礎にすることで施行工事を容易とすることができる。
また、貯熱槽３を横置き型とすることで高さが低くなり、意匠性を向上させて家のデザイン性を阻害しないようにできる。

従って、上述した本実施形態に係る太陽熱利用給湯システム１によれば、減圧弁や膨張タンクを不要として部品点数を削減すると共に、貯熱槽３の脚部を簡素化して簡易基礎とすることで、施行工事を容易として施行期間を短縮すること、大幅なコストダウンが可能となる。

なお、本発明の太陽熱利用給湯システムは、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

例えば、上記実施形態においては、太陽熱集熱器２内の熱媒Ｌと貯熱槽３内の熱媒Ｌとの温度差が、所定の開始温度以上である場合に循環ポンプ７が作動される構成としたが、日射があると太陽電池の発電によって循環ポンプが自動的に運転されるように構成することもできる。
また、制御装置による集熱運転方法は、上述した制御装置８の集熱運転方法に限定されるものではなく、例えば、給水管１１に設けた給水温度センサや水流量計、熱媒戻し配管５や熱媒送り配管４に設けた熱媒流量計等の値に基づいて、貯熱槽３の熱媒Ｌから熱交換器６内の水に供給される集熱量を計算しながら循環ポンプ７の回転数を制御するなどの種々の集熱運転方法を採りうることは云うまでもない。

１…太陽熱利用給湯システム
２…太陽熱集熱器
３…貯熱槽
４…熱媒送り配管
５…熱媒戻し配管
６…熱交換器
７…循環ポンプ
８…制御装置
９…温度調節弁（温度調節装置）
１０…給湯器（補助加熱機）
１１…給水管
１３…出湯管
３１…槽本体
３２…蓋体
５１…第１センサ
５３…第２センサ
Ｌ…熱媒

Claims

太陽熱を利用して熱媒を加熱する太陽熱集熱器と、
前記太陽熱集熱器で加熱された熱媒を貯留する大気開放型の貯熱槽と、
前記太陽熱集熱器内の熱媒を前記貯熱槽に送る熱媒送り配管と、
前記貯熱槽内の熱媒を前記太陽熱集熱器に戻す熱媒戻し配管と、
一端が給水管に接続されると共に他端が出湯管に接続されて前記貯熱槽内に配され、前記給水管から供給された水と前記貯熱槽内の熱媒との間で熱交換させる熱交換器と、
前記熱媒戻し配管の途中に設けられ、前記太陽熱集熱器と前記貯熱槽との間で熱媒を循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプを制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする太陽熱利用給湯システム。
前記制御装置は、前記貯熱槽内に設けられて前記貯熱槽内の熱媒の温度を検出する第１センサと、前記太陽熱集熱器近傍に配設されて熱媒の温度を検出する第２センサとに接続され、前記第１センサで検出された熱媒の温度と、前記第２センサで検出された熱媒の温度との差温に基づいて、前記循環ポンプの作動、停止を制御することを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用給湯システム。
前記出湯管には、前記熱交換器から出湯される湯水を必要に応じて加熱する補助加熱機が温度調節装置を介して接続されており、前記温度調節装置には、前記給水管から分岐された混合用給水管が接続され、予め前記熱交換器から出湯される温水と前記混合用給水管から供給される水とが混合して前記補助過熱機に入水されることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽熱利用給湯システム。