JP2020122605A - 空調システム及び温度調節パネル - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽熱集熱器の有効活用を図るとともに、室内の熱を屋外に放出して冷房に寄与することで省エネルギー化を図る。【解決手段】 循環ポンプ８１を稼働させると、温水パネル１で加熱された不凍液は、流路２５，３７，３２を経て、太陽熱集熱器３０に流入する。夜間は気温が下がるので、太陽熱集熱器３０の不凍液から熱が屋外に放出されるようになる。放熱して温度が下がった不凍液は、流路３６，２６，２２，２１を経て、再び温水パネル１に流入する。このような循環を繰り返すことで、屋内の熱や温水パネル１の潜熱蓄熱材３の熱が不凍液に吸収されて、太陽熱集熱器３０で屋外に放出されるようになり、室内の床面の温度が下がって冷房効果がより高まるようになる。【選択図】図７

Description

本発明は、空調システム及びそれに使用する温度調節パネルの改良に関する。

温度調節パネルは、よく知られているように、温水をパネル内に流すことによって、蓄熱材を温め、床暖房などに使用するものである。例えば、下記特許文献１には、特に高齢者や幼児あるいは病弱な人に対してソフトで快適な暖房を可能にすることを目的とし、温水パネルの上に蓄熱材を配置し、温水パイプ内の熱を直接放出するのではなく、一旦蓄熱材に蓄熱し、この蓄熱した熱の放出でフローリング床を加熱し、床暖房を行うことで、室内に放出される熱がソフトとなるようにした蓄熱式床暖房用温水マットが開示されている。

特開2017-155979号公報

ところで、温水パネルに温水を供給する方法として、太陽熱温水器を使用するものがある。一般的には、建物の屋根の上に集熱器と貯湯タンクを設置し、集熱器で太陽熱を集熱して水を温めて温水を貯湯タンクに貯蔵し、これを温水パネルに供給している。現状では、温水の生成と供給にのみ太陽熱集熱器が使用されており、給湯以外にも活用できると好都合である。

本発明は、以上のような点に着目したもので、その目的は、年間を通じて太陽熱集熱器を有効に活用することである。他の目的は、太陽熱集熱器を活用して放熱を行うことで、節電ないし省エネルギー化を図ることである。

本発明の空調システムは、温度調節パネルと太陽熱集熱器とを備えており、前記太陽熱集熱器で集熱して熱媒体を加温して前温度調節パネルに供給する空調システムであって、前記温度調節パネルと前記太陽熱集熱器との間で熱媒体を循環させて、前記温度調節パネルの熱を前記太陽熱集熱器で放熱を行うための第一の循環手段を備えたことを特徴とする。

主要な形態の一つは、熱媒体タンクを備えており、前記熱媒体タンクと前記太陽熱集熱器との間で熱媒体を循環させて、前記熱媒体を加温するための第二の循環手段を備えたことを特徴とする。他の形態の一つは、前記熱媒体タンク内の熱媒体を加熱する加熱手段を備えており、加熱された熱媒体を、前記熱媒体タンクと前記温度調節パネルとの間で循環させて、前記温度調節パネルによる暖房を行う第三の循環手段を備えたことを特徴とする。あるいは、前記熱媒体タンク内の熱媒体を冷却する冷却手段を備えており、冷却された熱媒体を、前記熱媒体タンクと前記温度調節パネルとの間で循環させて、前記温度調節パネルによる冷房を行う第四の循環手段を備えたことを特徴とする。更に他の形態によれば、前記熱媒体の熱を利用して給湯を行う給湯手段を備えたことを特徴とする。

本発明の太陽熱集熱器は、前記いずれかの空調システムで使用する太陽熱集熱器であって、フィン付きパイプを備えており、これに前記熱媒体が流れることを特徴とする。本発明の温度調節パネルは、前記いずれかの空調システムで使用する温度調節パネルであって、前記熱媒体が流れるパイプ手段と、このパイプ手段と接して熱交換を行う潜熱蓄熱手段と、を備えており、前記第一の循環手段による熱媒体の循環が行われたときは、前記熱媒体を介して前記潜熱蓄熱手段の熱を前記太陽熱集熱器で放熱することを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、温度調節パネルと太陽熱集熱器との間で熱媒体を循環させて、前記温度調節パネルの熱を前記太陽熱集熱器で放出することとしたので、室内の熱を屋外に放出することができ、太陽熱集熱器の有効活用を図るとともに、省エネルギー化を図ることができる。

本発明の実施例１における空調システムの全体構成を示す図である。 前記実施例における温水パネルの積層構造を示す主要断面図である。 前記温水パネルの主要平面図である。 前記実施例の冬季における集熱時の動作を示す図である。 前記実施例の冬季における暖房時の動作を示す図である。 前記実施例の夏季・冬季における給湯時の動作を示す図である。 前記実施例の夏季夜間における放熱時の動作を示す図である。 前記実施例における太陽熱集熱器の構造を示す図である。 本発明の実施例２の構成と主要動作を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

図１には、本発明の実施例１の空調システムの全体構成が示されている。同図に示すように、本実施例では、
ａ，室内の床面に設置されている蓄熱材付き温水パネル（以下単に「温水パネル」という）１，
ｂ，建物の屋根などに設置されており、太陽熱を集熱して不凍液（ブライン）を加熱する太陽熱集熱器３０
ｃ，室外もしくは室内に設置されている不凍液タンク４０，
ｄ，給湯を行う場合に設けられる貯湯槽５０，
ｅ，給湯を行う場合に設けられる追炊給湯器６０，
ｆ，不凍液の追炊きを行うための暖房追炊機７０，
ｇ，前記温水パネル１に、前記不凍液タンク４０の不凍液を循環させるための流路２１〜２５と循環ポンプ８１，
ｈ，前記太陽熱集熱器３０と前記不凍液タンク４０との間で不凍液を循環させるための流路３２〜３６と循環ポンプ８２，
ｉ，前記暖房追炊機７０によって前記不凍液タンク４０の不凍液を加熱するための流路７１〜７３と循環ポンプ８３，
ｊ，前記不凍液タンク４０の不凍液によって前記貯湯槽５０のお湯を温めるための熱交換器５１と、流路５２〜５４と、循環ポンプ８４，
ｋ，前記貯湯槽５０のお湯を供給するための流路６１〜６３，
ｌ，前記循環ポンプ８１を利用して、前記温水パネル１と太陽熱集熱器３０との間で不凍液を循環させるための三方切替弁９１〜９４，
を備えている。

以上のうち、温水パネル１は、図２(A)〜(C)に断面を、図３に平面を示す構造となっている。なお、図２(A)は主要断面図であり、(B)は主要部の拡大図であり、(C)は床面における設置状態を示す図である。これらの図において、温水パネル１は、床面の小根太５の間に潜熱蓄熱材３と断熱材４が、適宜の間隔をおいて設けられており、それらの上に伝熱板２が設けられている。潜熱蓄熱材３と断熱材４との隙間の溝８には、伝熱板２の上から温水パイプ７が押し込まれている。すなわち、伝熱板２は、断熱材４の表面から温水パイプ７の下側に入り込み、略Ｕ字状に曲折して、再び潜熱蓄熱材３の表面に位置するようになっている。溝８には、適宜の間隔でパイプ止めリブ６が設けられており、このリブ６に抗して温水パイプ７が溝８内に押し込まれている。このため、リブ６によって温水パイプ７が固定され、配管作業を短時間で行うことができるようになる。

このような温水パネル１は、図２(C)に示すように、床の床材１１と下地合板１２との間に設置される。図２(D)の例は、潜熱蓄熱材３及び温水パイプ７の下側に断熱材９を設けた例である。断熱材９を設けることで、潜熱蓄熱材３の熱が床下側に伝達されるのを防ぐことができる。

太陽熱集熱器３０としては、もちろん一般的な太陽熱集熱器を使用してもよいが、例えば、特開2001-221515号公報に開示されたハイブリッド太陽集熱器が好適な例である。一般的な太陽熱集熱器３１は、同図(B)に示すように、下板３１Ａの上に液体を流すパイプ３１Ｂを配置するとともに、その上側周面に沿って波板３１Ｃが設けられた構造となっている。太陽光（矢印Ｆ８Ａ参照）が上面ガラス３１Ｄを透過して波板３１Ｃを暖めると、その熱は、パイプ３１Ｂ内の液体に伝達されて液体を温める。この方法では、波板３１Ｃからの放熱（矢印Ｆ８Ｂ参照）も多く効率が悪い。そこで、同図(A)に示すように、下板３０Ａの上にフィン付きパイプ３０Ｂを密着して配置する。フィン付きパイプ３０Ｂは、中央のパイプ３０ＢＡの外周にフィン３０ＢＢを設けたものである。不凍液は、このフィン付きパイプ３０Ｂのパイプ３０ＢＡ内を通るようになっている。フィン付きパイプ３０Ｂの上には空気流路３０Ｃが設けられており、太陽光は上面ガラス３０Ｄから入射するようになっている。このような太陽熱集熱器３０によれば、フィン付きパイプ３０Ｂに不凍液を流し、空気流路３０Ｃに空気を流すことで、温められた不凍液と暖気とを得ることができる。以下、本実施例の動作について説明する。

＜集熱＞ 図４には、太陽熱を集熱して不凍液を温める場合が示されており、三方切替弁９２を流路３２から流路３３に切り替え、三方切替弁９４を流路３５から流路３６に切り替える。日中、太陽熱集熱器３０のフィン付きパイプ３０Ｂで加熱された不凍液は、循環ポンプ８２が稼働することにより、流路３２から三方切替弁９２により流路が切り替わり、流路３３に流れ、不凍液タンク４０上方に温められた不凍液が入る。不凍液は、タンク下方から流路３４，３５と流れ、三方切替弁９４により流路３６に流れて、再び太陽熱集熱器３０に戻る。このような循環を繰り返すことで、不凍液タンク４０の不凍液が、太陽熱集熱器３０で温められる。

＜冬季暖房＞ 図５には、太陽熱集熱器３０で加温された不凍液タンク４０の熱エネルギーを利用して、冬季に温水パネル１で室内を床暖房をする場合が示されており、三方切替弁９３を流路２３から流路２２に切り替え、三方切替弁９１を流路２５から流路２４に切り替える。加温された不凍液タンク４０の上方の不凍液は、循環ポンプ８１が稼働することにより、流路２３，２２，２１に流れ、温水パネル１に供給される。

温水パネル１では、加温された不凍液が温水パイプ７を通過する際に、潜熱蓄熱材３を加熱するとともに、伝熱板２に熱が伝わるようになり、床材１１が温められるようになる。潜熱蓄熱材３の熱は、少しずつ伝熱板２を介して床材１１に伝えられる。温水パネル１内で放熱して冷めた不凍液は、三方切替弁９１により流路２５から流路２４に流れて、不凍液タンク４０の下方に入る。このとき、日中であれば、太陽熱集熱器３０の空気流路３０Ｃによって温められた空気を室内に導入するようにしてもよい。

一方、曇天や雨天により太陽熱集熱器３０で集熱ができない場合、若しくは、不凍液タンク４０に十分な熱エネルギーを蓄えられなかった場合は、暖房追炊機７０で不凍液の追い炊きをする。すなわち、循環ポンプ８３を稼働させることで、暖房追炊機７０で温められた不凍液が流路７１，７２から不凍液タンク４０の下方に流入し、タンク上方から流出した不凍液は流路７３から暖房追炊機７０に再び戻る。このような循環を繰り返すことで、不凍液の追い炊きが行われる。

＜給湯＞ 図６には、太陽熱集熱器３０で加温された不凍液タンク４０の熱エネルギーを利用して夏季や冬季（シーズンを問わない）に給湯を行う場合が示されており、循環ポンプ８４が稼働すると、不凍液タンク４０上方の加温された不凍液が流路５３から熱交換器５１に入り、この熱交換器５１で貯湯槽５０内の水を加温する。不凍液は、流路５４，５２を経て不凍液タンク４０の下方に戻る。このような循環を繰り返すことで、不凍液と貯湯槽５０内の水との間で熱交換が行われ、水が加温される。

一方、貯湯槽５０には、給湯管６１から水が供給されて蓄えられており、これが上述した熱交換により加温される。貯湯槽５０内の水は、流路６２を経て追炊給湯器６０で給湯に必要な温度まで加熱され、流路６３を経て出湯される。

＜夏季夜間放熱＞ 図７には、夏季夜間に放熱を行う場合が示されている。三方切替弁９１を流路２５から流路３７に切り替え、三方切替弁９２を流路３７から流路３２に切り替え、三方切替弁９３を流路２６から流路２２に切り替え、三方切替弁９４を流路３６から流路２６に切り替える。この状態で循環ポンプ８１を稼働させると、温水パネル１で加熱された不凍液は、流路２５，３７，３２を経て、太陽熱集熱器３０のフィン付きパイプ３０Ｂに流入する。夜間は気温が下がるので、太陽熱集熱器３０のフィン付きパイプ３０Ｂから効率的に熱が屋外に放出されるようになる。この放熱して温度が下がった不凍液は、流路３６，２６，２２，２１を経て、再び温水パネル１に流入する。このような循環を繰り返すことで、屋内の熱や温水パネル１の潜熱蓄熱材３の熱が不凍液に吸収されて、太陽熱集熱器３０で屋外に放出されるようになり、室内の床面の温度が下がって冷房効果がより高まるようになる。

以上のように、本実施例によれば、次のような効果が得られる。
(1)夏季の夜間において、温水パネルと太陽熱集熱器との間で不凍液を循環させることとしたので、室内の熱を屋外に放出することができ、冷房効果を得ることができる。
(2)太陽熱集熱器にフィン付きパイプを使用することとしたので、不凍液の放熱を効率的に行うことができる。
(3)太陽熱を利用する床暖房システムに、温水パネルと太陽熱集熱器の間を不凍液が循環する回路を追加するだけでよい。
(4)温水パネル自体も、潜熱蓄熱材と断熱材との間の溝にパイプ止めリブを設けることとしたので、温水パイプの設置作業を簡便に行うことができる。

次に、図９も参照しながら、本発明の実施例２について説明する。本実施例では、上述した暖房追炊機７０の代わりに、冷房機能も備えた冷暖房熱源機１００を使用する。例えば、冷水を生成する機能を有する空気式や地熱式のヒートポンプを使用することで、冷暖房熱源機１００を構成することができる。他の構成は、上述した実施例１と同様である。

次に、本実施例の動作を説明すると、冷暖房熱源機１００による暖房機としての動作は、上述した実施例１と同様である。次に、冷暖房熱源機１００による冷房機としての動作を説明すると、前記実施例では、図４に示した動作で集熱が行われ、太陽熱集熱器３０で集熱された熱が不凍液タンク４０に蓄えられるが、本実施例では、図９に示すように、同時に図６に示した不凍液タンク４０と貯湯槽５０との間の不凍液の循環動作も行われる。これにより、熱が貯湯槽５０に移動し、不凍液タンク４０は加熱されつつ、熱を奪われるようになる（図９参照）。

そして、夕刻になるなど、太陽熱が見込めなくなったら、太陽熱集熱器３０と不凍液タンク４０との間の不凍液の循環を停止するとともに、不凍液タンク４０内の不凍液の温度がある程度下がった後に、不凍液タンク４０と貯湯槽５０との間の不凍液の循環も停止する。そして、上述した図５のように、冷暖房熱源機１００の冷房機能によって不凍液を例えば25〜30℃に冷やしつつ、冷やされた不凍液を温水パネル１に供給・循環すれば、今度は床冷房が可能となる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)夏季・冬季の季節は、日本を基準としているため、南半球では夏季と冬季が逆となる。その他、季節や温度に応じて、適宜運転状態を切り替えるようにしてよい。
(2)前記実施例では、給湯を行うこととしたが、給湯は省略してもよい。
(3)前記実施例では、不凍液の追炊きを行うための暖房追炊機７０を設けたが、温水パネル１に面ヒーターを設け、これによって潜熱蓄熱材３や温水パイプ７内の不凍液を温めるようにしてもよい。
(4)上述した流路や三方切替弁による回路構成は一例であり、同様の作用を奏するように、各種の構成とすることができる。
(5)前記実施例では、不凍液を熱媒体として使用したが、状況により、公知の各種の熱媒体を使用してよい。
(6)前記実施例では、温水パネルによって床の温度調節（冷暖房）を行う場合を示したが、床以外の各種の温度調節に適用してよい。
(7)前記実施例では、潜熱蓄熱材と断熱材との間に温水パイプ埋込用の溝を形成したが、潜熱蓄熱材の間に溝を形成してもよいし、更には、潜熱蓄熱材の中に温水パイプを設けるようにしてもよい。上下から潜熱蓄熱材で挟むようにしてもよい。
(8)本発明の適用対象は、住宅が一般的であるが、それに限定されるものではなく、各種の建物，施設に対して適用してよい。

本発明によれば、温度調整パネルと太陽熱集熱器との間で熱媒体を循環させて、前記温度調整パネルの熱を前記太陽熱集熱器で放熱することとしたので、室内の熱を屋外に放出することができ、特に夏季夜間における室内の冷房に好適である。

１：温水パネル
２：伝熱板
３：潜熱蓄熱材
４：断熱材
５：小根太
６：リブ
７：温水パイプ
８：溝
９：断熱材
１１：床材
１２：下地合板
２１〜２５：流路
３０，３１：太陽熱集熱器
３０Ａ，３１Ａ：下板
３０Ｂ：フィン付きパイプ
３０ＢＡ：パイプ
３０ＢＢ：フィン
３０Ｃ：空気流路
３０Ｄ，３１Ｄ：上面ガラス
３１Ｂ：パイプ
３１Ｃ：波板
３２〜３７：流路
４０：不凍液タンク
５０：貯湯槽
５１：熱交換器
５２〜５４：流路
６０：追炊給湯器
６１：給湯管
６１〜６３：流路
７０：暖房追炊機
７１〜７３：流路
８１〜８４：循環ポンプ
９１〜９４：三方切替弁
１００：冷暖房熱源機

Claims (7)

1. 温度調節パネルと太陽熱集熱器とを備えており、前記太陽熱集熱器で集熱して熱媒体を加温して前温度調節パネルに供給する空調システムであって、
   前記温度調節パネルと前記太陽熱集熱器との間で熱媒体を循環させて、前記温度調節パネルの熱を前記太陽熱集熱器で放熱を行うための第一の循環手段を備えたことを特徴とする空調システム。
2. 請求項１記載の空調システムであって、
   熱媒体タンクを備えており、
   前記熱媒体タンクと前記太陽熱集熱器との間で熱媒体を循環させて、前記熱媒体を加温するための第二の循環手段を備えたことを特徴とする空調システム。
3. 請求項２記載の空調システムであって、
   前記熱媒体タンク内の熱媒体を加熱する加熱手段を備えており、
   加熱された熱媒体を、前記熱媒体タンクと前記温度調節パネルとの間で循環させて、前記温度調節パネルによる暖房を行う第三の循環手段を備えたことを特徴とする空調システム。
4. 請求項２記載の空調システムであって、
   前記熱媒体タンク内の熱媒体を冷却する冷却手段を備えており、
   冷却された熱媒体を、前記熱媒体タンクと前記温度調節パネルとの間で循環させて、前記温度調節パネルによる冷房を行う第四の循環手段を備えたことを特徴とする空調システム。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の空調システムであって、
   前記熱媒体の熱を利用して給湯を行う給湯手段を備えたことを特徴とする空調システム。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の空調システムで使用する太陽熱集熱器であって、
   フィン付きパイプを備えており、これに前記熱媒体が流れることを特徴とする太陽熱集熱器。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の空調システムで使用する温度調節パネルであって、
   前記熱媒体が流れるパイプ手段と、
   このパイプ手段と接して熱交換を行う潜熱蓄熱手段と、
   を備えており、
   前記第一の循環手段による熱媒体の循環が行われたときは、前記熱媒体を介して前記潜熱蓄熱手段の熱を前記太陽熱集熱器で放熱することを特徴とする温度調節パネル。

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