JP2019052799A - 太陽熱集熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒の凍結抑制を図りつつ、高い集熱効率と経済性とを兼ね備える太陽熱集熱システムを提供する。【解決手段】太陽熱集熱システム１は、太陽熱集熱器１０からの熱媒を蓄熱槽２０の槽上部に戻す第１熱媒配管３１と、蓄熱槽２０の槽下部に存在する熱媒を太陽熱集熱器１０に供給する第２熱媒配管３２と、太陽熱集熱器１０からの熱媒を蓄熱槽２０の槽下部に戻す第３熱媒配管３７と、蓄熱槽２０に戻る熱媒の経路を第１熱媒配管３１と第３熱媒配管３７とで切り替える三方弁４５と、第２熱媒配管３２に設けられ、熱媒を循環させる凍結抑制ポンプ４１と、を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱集熱システムに関する。

従来より、再生可能なエネルギーを利用した太陽熱集熱システムが知られている。太陽熱集熱システムは、太陽熱を集熱する太陽熱集熱器と、集熱した太陽熱を蓄熱する蓄熱槽とを主体に構成されている。太陽熱集熱システムを大きく分類すると、集熱回路の形態により、開放型のシステムと密閉型のシステムとの２つのタイプが存在する。

ところで、集熱回路の熱媒に水などを使用した場合、使用環境によっては、冬季に、熱媒凍結の問題が発生する。開放型のシステムでは太陽熱集熱器の設置高さを利用することで蓄熱槽までの熱媒配管を下り勾配に設定し、太陽熱集熱器及び熱媒配管の熱媒を落水させることで凍結を抑制している。一方、密閉型のシステムでは熱媒の落水を利用することができないことから、熱媒に不凍液を用いることで凍結の抑制を図っている。ところで、不凍液は高価であるため、容積が大きい蓄熱槽を含む回路と集熱回路とを分割し、両者を熱交換器で熱的に接続する構成が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−１６４１７３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構成にあっては、熱交換器の追加のみならず、システム構成及び制御の大幅な変更が必要となり、また、集熱回路側にも設計変更が生じるため、システム全体のコストが増加してしまう可能性がある。また、熱交換器を利用する場合には温度差が必要となるため、集熱温度を高く設定する必要があり、集熱効率の低下を招いてしまう可能性がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱媒の凍結抑制を図りつつ、経済性と高い集熱効率とを兼ね備える太陽熱集熱システムを提供することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、太陽熱により熱媒を加熱する太陽熱集熱器と、太陽熱集熱器により加熱された熱媒を貯える蓄熱槽と、を備える太陽熱集熱システムを提供する。この太陽熱集熱システムは、太陽熱集熱器からの熱媒を蓄熱槽の槽上部に戻す第１熱媒配管と、蓄熱槽の槽下部に存在する熱媒を太陽熱集熱器に供給する第２熱媒配管と、太陽熱集熱器からの熱媒を蓄熱槽の槽下部に戻す第３熱媒配管と、蓄熱槽に戻る熱媒の経路を第１熱媒配管と第３熱媒配管とで切り替える切替手段と、第２熱媒配管に設けられ、熱媒を循環させる凍結抑制ポンプ、を有している。

ここで、本発明は、第２熱媒配管に設けられ、太陽熱の集熱時に熱媒を循環させる集熱ポンプをさらに有していてもよい。この場合、第２熱媒配管は、集熱ポンプをバイパスするバイパス配管を備え、凍結抑制ポンプは、バイパス配管に設けられるとともに、集熱ポンプよりもポンプ容量が小さいことが好ましい。

また、本発明において、凍結抑制ポンプは、太陽熱の集熱時に熱媒を循環させる集熱ポンプと兼用されてもよい。

また、本発明は、太陽熱集熱器に流入する熱媒の温度を検出する熱媒温度センサと、熱媒温度センサの検出結果に基づいて、切替手段及び凍結抑制ポンプを制御する制御部と、をさらに有していてもよい。

また、本発明において、制御部は、熱媒温度センサにより検出される熱媒の温度が、熱媒の低温状態を判定する判定温度以下である場合、凍結抑制ポンプを起動させるとともに、切替手段を第１熱媒配管側から第３熱媒配管側へと切り替えることが好ましい。

また、本発明において、制御部は、凍結抑制ポンプの起動後、熱媒温度センサにより検出される熱媒の温度が、判定温度よりも所定温度以上上昇した場合には、凍結抑制ポンプを停止させることが好ましい。

本発明によれば、熱媒の凍結抑制を図りつつ、経済性と高い集熱効率とを兼ね備える太陽熱集熱システムを提供することができる。

本実施形態に係る太陽熱集熱システムの構成を模式的に示す図 本実施形態に係る太陽熱集熱システムの動作を示すフローチャート 熱媒の循環状態を説明する図 切替手段の変形例を説明する図

以下、本実施形態に係る太陽熱集熱システム１について説明する。ここで、図１は、本実施形態に係る太陽熱集熱システム１の構成を模式的に示す図である。

太陽熱集熱システム１は、太陽熱を集熱し、この集熱した太陽熱を蓄熱したり、熱利用機器に供給したりするシステムである。熱利用機器は、熱を利用して運転等する機器をいい、例えば、熱により駆動する吸収式冷温水機などの冷暖房システム、供給される水を熱により沸き上げて給湯を行う給湯システムが該当する。太陽熱集熱システム１は、太陽熱集熱器１０と、蓄熱槽２０と、熱媒配管３０と、コントローラ５０とを主体に構成されている。

太陽熱集熱器１０は、太陽熱により熱媒を加熱する。太陽熱集熱器１０は、屋根やベランダなどの日当たりのよい場所に設置されている。太陽熱集熱システム１を低コストに構築することから、熱媒には水が用いられている。

蓄熱槽２０は、熱媒が保有する熱、すなわち、太陽熱集熱器１０により集熱された熱（太陽熱）を蓄熱したり、蓄熱した熱を熱利用機器に供給したりする。蓄熱槽２０は、熱媒を内部に貯えるタンクから構成され、胴部２１と、第１端壁２２と、第２端壁２３とで構成されている。胴部２１は、軸方向に沿って長手となる中空円筒状の部材であり、例えば軸方向が上下方向に沿うように配置されている。第１端壁２２は、上側に膨出した形状を有し、胴部２１の上端に配置されてこれを閉塞する。第２端壁２３は、下側に膨出した形状を有し、胴部２１の下端に配置されてこれを閉塞する。

蓄熱槽２０には、熱媒配管３０と接続する５つの接続部２０ａ〜２０ｅが設けられている。第１接続部２０ａ及び第２接続部２０ｂは、蓄熱槽２０の槽上部に設けられている。また、第３接続部２０ｃ、第４接続部２０ｄ及び第５接続部２０ｅは、蓄熱槽２０の槽下部に設けられている。

具体的には、第１接続部２０ａは、第１端壁２２の頂部（上向きの頂部）に設けられ、第２接続部２０ｂは、胴部２１の上端に設けられている。また、第３接続部２０ｃ及び第４接続部２０ｄは、胴部２１の下端に設けられ、第５接続部２０ｅは、第２端壁２３の頂部（下向きの頂部）に設けられている。

なお、槽上部及び槽下部は、相対的な上下関係を示すものに過ぎず、蓄熱槽２０の上側領域及び下側領域のみを限定的に示すものではない。

熱媒配管３０は、熱媒が流れる配管であり、第１熱媒配管３１、第２熱媒配管３２、熱媒往き配管３５及び熱媒還り配管３６を備えている。

第１熱媒配管３１及び第２熱媒配管３２は、太陽熱集熱器１０と蓄熱槽２０との間を接続する集熱回路を構成する配管である。第１熱媒配管３１は、太陽熱集熱器１０からの熱媒（太陽熱により加熱された熱媒）を蓄熱槽２０の槽上部に戻す配管である。第１熱媒配管３１は、太陽熱集熱器１０と蓄熱槽２０の第１接続部２０ａとに接続されている。第２熱媒配管３２は、蓄熱槽２０からの熱媒（低温域の熱媒）を太陽熱集熱器１０に供給する配管である。第２熱媒配管３２は、蓄熱槽２０の第３接続部２０ｃと太陽熱集熱器１０とに接続されている。

第２熱媒配管３２には、熱媒を循環させる駆動源となる集熱ポンプ４０が設けられている。集熱ポンプ４０を起動させることで、太陽熱集熱器１０と蓄熱槽２０との間で熱媒が循環する。この熱媒の循環を通じて、太陽熱集熱器１０により集熱された太陽熱が蓄熱槽２０に蓄熱される。

熱媒往き配管３５及び熱媒還り配管３６は、蓄熱槽２０と、熱利用機器（図示せず）とを接続する回路を構成する配管である。

熱媒往き配管３５は、蓄熱槽２０に貯えられる熱媒を熱利用機器に供給する配管である。熱媒往き配管３５は、蓄熱槽２０の第２接続部２０ｂと熱利用機器とに接続されている。熱媒還り配管３６は、熱利用機器において熱利用された熱媒を蓄熱槽２０に還す配管である。熱媒還り配管３６は、熱利用機器と蓄熱槽２０の第４接続部２０ｄとに接続されている。

また、本実施形態に係る太陽熱集熱システム１において、熱媒配管３０は、第３熱媒配管３７をさらに備えている。第３熱媒配管３７は、熱媒の凍結を抑制するために用意された配管である。この第３熱媒配管３７は、太陽熱集熱器１０からの熱媒を蓄熱槽２０の槽下部に戻す配管である。本実施形態において、第３熱媒配管３７は、その配管上流側を第１熱媒配管３１と共有する構成となっており、第１熱媒配管３１の途中から分岐し、その端部が蓄熱槽２０の第５接続部２０ｅに接続されている。なお、第３熱媒配管３７を太陽熱集熱器１０の出口部に直接接続し、第１熱媒配管３１と第３熱媒配管３７とを並列させた配管構成としてもよい。

また、太陽熱集熱システム１は、太陽熱集熱器１０から蓄熱槽２０に戻る熱媒の経路を、第１熱媒配管３１と第３熱媒配管３７とで切り替える切替手段を備えている。本実施形態では、切替手段が、第３熱媒配管３７と第１熱媒配管３１との分岐点に設けられた三方弁４５から構成されている。

また、第２熱媒配管３２は、集熱ポンプ４０をバイパスするバイパス配管３８を備えている。このバイパス配管３８により、集熱ポンプ４０よりも上流側と集熱ポンプ４０よりも下流側とが相互に接続される。

バイパス配管３８には、熱媒を循環させる駆動源となる凍結抑制ポンプ４１が設けられている。この凍結抑制ポンプ４１を起動させることで、集熱ポンプ４０を停止させたままでも、太陽熱集熱器１０と蓄熱槽２０との間で熱媒を循環させることができる。熱媒の循環により熱媒を流動させることで、熱媒の凍結を抑制することができる。

また、本実施形態において、凍結抑制ポンプ４１は、集熱ポンプ４０のポンプ容量よりも小さいポンプ容量に設定されている。例えば、凍結抑制ポンプ４１のポンプ容量は、集熱ポンプ４０のポンプ容量の１０％程度に設定されている。

コントローラ５０は、太陽熱集熱システム１の制御を司る制御部である。コントローラ５０には、制御入力として、各種センサ等からの信号が入力されている。コントローラ５０は、制御入力に基づいて各種の演算を行い、この演算結果に従った制御出力を太陽熱集熱システム１の各部に出力する。コントローラ５０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。

本実施形態との関係において、第２熱媒配管３２には、太陽熱集熱器１０に供給される熱媒の温度を検出する熱媒温度センサ５１が設けられている。コントローラ５０は、熱媒温度センサ５１の検出結果に基づいて、三方弁４５及び凍結抑制ポンプ４１を制御する。

以下、本実施形態に係る太陽熱集熱システム１の動作を説明する。ここで、図２は、本実施形態に係る太陽熱集熱システム１の動作を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定の周期で呼び出され、コントローラ５０によって実行される。

まず、ステップ１（Ｓ１）において、コントローラ５０は、熱媒温度センサ５１により熱媒の温度を検出する。

ステップ２（Ｓ２）において、コントローラ５０は、熱媒の温度が判定温度以下であるか否かを判断する。この判定温度は、熱媒の低温状態を判定するためのパラメーターであり、熱媒の凍結温度に基づいて予め設定されている（例えば３℃）。熱媒の温度が判定温度以下である場合には、ステップ２において肯定判定され、ステップ３（Ｓ３）に進む。一方、熱媒の温度が判定温度よりも高い場合には、ステップ２において否定判定され、後述するステップ１０（Ｓ１０）に進む。

ステップ３において、コントローラ５０は、凍結抑制ポンプ４１を起動させる。

ステップ４（Ｓ４）において、コントローラ５０は、三方弁４５を制御し、蓄熱槽２０に戻る熱媒の経路を第３熱媒配管３７側に切り替える。

凍結抑制ポンプ４１の起動により、蓄熱槽２０の熱媒は、第３接続部２０ｃに吸い込まれ、第２熱媒配管３２へと流出する。ところで、熱媒の凍結が発生する夜間などにあっては、蓄熱槽２０内の熱媒は、下方から上方にかけて低温から高温になる温度分布を備えている。また、第３接続部２０ｃは、蓄熱槽２０の槽下部に位置している。そのため、凍結抑制ポンプ４１の起動により、蓄熱槽２０の下層に存在する熱媒、すなわち、低温域の熱媒が第２熱媒配管３２へと流出する。この低温域の熱媒は、バイパス配管３８及び第２熱媒配管３２を介して太陽熱集熱器１０に送られる。太陽熱集熱器１０に送られた熱媒は、一旦第１熱媒配管３１を経由した後、三方弁４５及び第３熱媒配管３７を流れ、第５接続部２０ｅから蓄熱槽２０の内部に流入する。第５接続部２０ｅは、第３接続部２０ｃと同様、蓄熱槽２０の槽下部に位置しているため、第３熱媒配管３７を経由した熱媒は、蓄熱槽２０の下層（低温域の熱媒が存在する層）に戻される。すなわち、第３熱媒配管３７を利用した熱媒の循環により、蓄熱槽２０内の高温域の熱媒を撹拌することなく、低温域の熱媒を循環させることができる（図３参照）。このような一連の流れで示す、低温域の熱媒の循環は、熱媒の凍結を抑制する制御（凍結抑制制御）に相当する。

ステップ５（Ｓ５）において、コントローラ５０は、制御フラグＦを「１」にセットする。

ステップ６（Ｓ６）において、コントローラ５０は、熱媒の温度が、判定温度よりも所定温度ΔＴ（例えば３℃）以上上昇したか否かを判断する。所定温度ΔＴ以上の温度上昇があった場合には、ステップ６で肯定判定され、ステップ７（Ｓ７）に進む。一方、所定温度ΔＴ以上の温度上昇がなかった場合には、ステップ６で否定判定され、本ルーチンを終了する（ＲＥＴＵＲＮ）。

ステップ７において、コントローラ５０は、凍結抑制ポンプ４１を停止させる。

ステップ８（Ｓ８）において、コントローラ５０は、三方弁４５を制御し、蓄熱槽２０に戻る熱媒の経路を第３熱媒配管３７側から第１熱媒配管３１側に切り替える。

ステップ９（Ｓ９）において、コントローラ５０は、制御フラグＦを「０」にリセットする。

一方、ステップ１０において、コントローラ５０は、制御フラグＦが「１」であるか否かを判断する。凍結抑制制御が実行中の場合には制御フラグＦが「１」であるため、ステップ１０で肯定判定され、ステップ６に進む。一方、凍結抑制制御が行われていない場合には制御フラグＦが「０」であるため、ステップ１０で否定判定され、本ルーチンを終了する（ＲＥＴＵＲＮ）。

このように本実施形態に係る太陽熱集熱システム１は、凍結抑制ポンプ４１と、第３熱媒配管３７とを備えているため、蓄熱槽２０内に貯えられた低温域の熱媒、すなわち、外気温よりも温かい熱媒を、太陽熱集熱器１０と蓄熱槽２０との間で循環させることができる。これにより、熱媒が流動するので、熱媒の凍結を抑制することができる。

そして、本実施形態によれば、熱媒の循環作用により凍結を抑制することができるので、熱媒に不凍液を用いる必要がない。そのため、熱交換器を用いた構成を採用する必要がなくなり、熱交換器の追加、システム構成及び制御の大幅な変更、集熱回路側の設計変更も必要がないので、コストアップを抑制することができる。また、太陽熱集熱器１０と蓄熱槽２０とで熱媒を共有することができるので、熱交換器を用いる場合のような温度差が不要となる。これにより、集熱効率の向上を図ることができる。また、不凍液を用いる必要がないので、回路内に膨張タンクが不要となり、不凍液の管理を行う必要もない。これにより、システム管理を簡素に行うことができる。このように、本実施形態に係る太陽熱集熱システム１によれば、熱媒の凍結を抑制しつつ、経済性と高い集熱効率とを兼ね備えるシステムを提供することができる。

また、本実施形態によれば、蓄熱槽２０の槽下部に熱媒を戻す第３熱媒配管３７を用いて低温域の熱媒を循環させているため、低温域の熱媒が、蓄熱槽２０の槽上部に存在する高温域の熱媒に戻されることがない。このため、蓄熱槽２０の槽上部に存在する高温域の熱媒が撹拌されず、留まり続けることができるので、熱媒の極端な温度低下を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、太陽熱の集熱時に起動させられる集熱ポンプ４０をバイパスするバイパス配管３８に、集熱ポンプ４０よりもポンプ容量が小さい凍結抑制ポンプ４１を設けている。熱媒の凍結を防止する場合、太陽熱の集熱を行うときのように熱媒を積極的に循環させる必要はない。そのため、凍結抑制ポンプ４１は小さなポンプ容量で足りる。また、ポンプ容量が小さな凍結抑制ポンプ４１を用いることで、システムのエネルギー消費を抑制することができる。これにより、システムのランニングコストを下げることができる。

もっとも、凍結抑制ポンプ４１を設けずに、集熱ポンプ４０を起動させて、凍結抑制のために熱媒の循環を行ってもよい。この構成によれば、凍結抑制ポンプ４１が、太陽熱の集熱時に熱媒を循環させる集熱ポンプ４０と兼用されるので、凍結抑制を簡素なシステム構成で実現することができる。

また、本実施形態によれば、熱媒温度センサ５１により検出される熱媒の温度が判定温度以下であることが判断されると、コントローラ５０により、凍結抑制ポンプ４１が起動させられるとともに、三方弁４５が第１熱媒配管３１側から第３熱媒配管３７側へと切り替えられる。これにより、熱媒の凍結が発生する状況で、熱媒の循環がタイムリーに開始されるので、熱媒の凍結を適切に抑制することができる。

また、本実施形態によれば、熱媒の温度が、判定温度よりも所定温度ΔＴ以上上昇した場合には、凍結抑制ポンプ４１が停止させられる。これにより、熱媒に凍結が発生するような期間に限り、凍結抑制ポンプ４１が熱媒を循環させることとなる。その結果、凍結抑制ポンプ４１を効率的に動作させることができるので、システムのエネルギー消費を抑制することができる。これにより、システムのランニングコストを下げることができる。

なお、本実施形態では、太陽熱集熱器１０から蓄熱槽２０に戻る熱媒の経路を第１熱媒配管３１と第３熱媒配管３７とで切り替える切替手段として三方弁４５を利用している。しかしながら、図４に示すように、第３熱媒配管３７に二方弁４６を設けるとともに、第１熱媒配管３１（第３熱媒配管３７と第１熱媒配管３１との分岐点よりも下流側）に二方弁４７を設け、これらの二方弁４６，４７により切替手段を構成してもよい。この場合、コントローラ５０は、二方弁４６，４７の動作が相反する関係となるように二方弁４６，４７を制御する。例えば、二方弁４６を開とすれば、二方弁４７を閉とするといった如くである。

以上、本実施形態に係る太陽熱集熱システムについて説明したが、本発明はこの実施形態に限定されることなく、その発明の範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。

熱媒としては、水に限らず、凍結可能性がある種々の熱媒に対して適用可能である。また、本システムは、熱媒として不凍液、或いは、水と不凍液との混合液とを用いるものであってもよい。

１ 太陽熱集熱システム
１０ 太陽熱集熱器
２０ 蓄熱槽
２０ａ〜２０ｅ 接続部
３０ 熱媒配管
３１ 第１熱媒配管
３２ 第２熱媒配管
３５ 熱媒往き配管
３６ 熱媒還り配管
３７ 第３熱媒配管
３８ バイパス配管
４０ 集熱ポンプ
４１ 凍結抑制ポンプ
４５ 三方弁（切替手段）
５０ コントローラ（制御部）
５１ 熱媒温度センサ

Claims (6)

1. 太陽熱により熱媒を加熱する太陽熱集熱器と、
   前記太陽熱集熱器により加熱された熱媒を貯える蓄熱槽と、
   を備える太陽熱集熱システムにおいて、
   前記太陽熱集熱器からの熱媒を前記蓄熱槽の槽上部に戻す第１熱媒配管と、
   前記蓄熱槽の槽下部に存在する熱媒を前記太陽熱集熱器に供給する第２熱媒配管と、
   前記太陽熱集熱器からの熱媒を前記蓄熱槽の槽下部に戻す第３熱媒配管と、
   前記蓄熱槽に戻る熱媒の経路を前記第１熱媒配管と前記第３熱媒配管とで切り替える切替手段と、
   前記第２熱媒配管に設けられ、熱媒を循環させる凍結抑制ポンプ、
   を有する太陽熱集熱システム。
2. 前記第２熱媒配管に設けられ、太陽熱の集熱時に熱媒を循環させる集熱ポンプをさらに有し、
   前記第２熱媒配管は、前記集熱ポンプをバイパスするバイパス配管を備え、
   前記凍結抑制ポンプは、前記バイパス配管に設けられるとともに、前記集熱ポンプよりもポンプ容量が小さい
   請求項１記載の太陽熱集熱システム。
3. 前記凍結抑制ポンプは、太陽熱の集熱時に熱媒を循環させる集熱ポンプと兼用される
   請求項１記載の太陽熱集熱システム。
4. 前記太陽熱集熱器に流入する熱媒の温度を検出する熱媒温度センサと、
   前記熱媒温度センサの検出結果に基づいて、前記切替手段及び前記凍結抑制ポンプを制御する制御部と、をさらに有する
   請求項１から３のいずれか記載の太陽熱集熱システム。
5. 前記制御部は、
   前記熱媒温度センサにより検出される熱媒の温度が、熱媒の低温状態を判定する判定温度以下である場合、前記凍結抑制ポンプを起動させるとともに、前記切替手段を前記第１熱媒配管側から前記第３熱媒配管側へと切り替える
   請求項４記載の太陽熱集熱システム。
6. 前記制御部は、
   前記凍結抑制ポンプの起動後、前記熱媒温度センサにより検出される熱媒の温度が、前記判定温度よりも所定温度以上上昇した場合には、前記凍結抑制ポンプを停止させる
   請求項５記載の太陽熱集熱システム。

Images