JP2021032009A - 薪ストーブによる屋根融雪構造及び給湯設備 - Google Patents

Abstract

【課題】降雪地域ではさまざまな屋根融雪装置が普及しているが従来の屋根融雪では電気・水道・灯油等の高額なランニングコストが掛かかってしまう。また、屋根の融雪媒体が密でない箇所では、融雪のムラができて雪が残ってしまう。そのため地域全般に多くは普及しておらず、いまだ多くの家屋が人力で屋根の雪を降ろしているといった状況である。【解決手段】屋根融雪装置の熱源を薪ストーブとすることで電気・灯油等を使用せずにランニングコストを抑える。薪ストーブが温めた空気と水で屋根全体を温めて融雪のムラを無くし、熱源と屋根の間に貯水槽を設けることで温水を再利用して浴室給湯をする。同装置は夏季では熱源を太陽熱としても給湯が可能である。また、同装置の換気扇により建物内の空気を循環し、冷暖房を補い年間の光熱費の節減を目的とする。【選択図】図５

Description

本考案は薪ストーブの発する放射熱から屋根融雪及び浴槽給湯する装置、構造に関する。
また、同装置により太陽熱によって温水を作り、浴槽給湯する装置に関する。

従来の屋根融雪方法には、水道水散水方式、地下水散水方式、電気ヒーター式、屋根裏施工方式、屋根隠ぺい施工方式、屋根表面施工方式、薪ストーブ(特許文献２）といった様々な方法がある（非特許文献１）。
また、融雪機能と給湯機能を備えた設備もある。（特許文献１）

特開２００５−３１４９８３号公報 特開平９−２９６６２９号公報

「家庭用融雪装置虎の巻」 ｈｔｔｐ：／／ｙｕｋｉｎｏｎａｙａｍｉ．ｃｏｍ

降雪地域、特に豪雪地帯といわれる地域では古来より住宅の屋根に降り積もった雪は人力で降ろしていた。そのため毎年屋根からの転落による怪我や死亡事故等が起こり、労力も大変なものである。それによりこれまで考案され、普及していった様々な融雪方法があるが、それぞれには融雪のムラや融雪の為だけに電気代や水道代、灯油代等の高額なランニングコストが掛かってしまうといった改善の余地が存在し、未だ多くの家屋にまでは普及されていない。

融雪をするための熱源を薪ストーブとし、その上階に貯水槽を設置する。薪ストーブの発する輻射熱から本構造の配管を熱し空気と水を温める。水は一旦貯水槽に溜めて屋根に設置した配気管・配水管によって屋根材の金属板を温め屋根融雪を行う。貯水槽を用いることによって融雪で使用した温水を再利用して浴室の給湯を可能とし、夏季においても熱源を太陽熱として屋根部の配水管を熱し給湯する。建物２階天井部分と屋根裏側壁に換気扇を設置して、建物内の空気を循環させる。

往来の屋根融雪で使用する電気や灯油などを用いず、融雪に掛ける費用は僅かな電気代と水道代のみである。あくまで薪ストーブは建物内の暖房が本来の目的であり、屋根融雪は副産物的なものであるので融雪の為だけに掛かる高額なランニングコストは必要ない。また、融雪で使用した温水は浴槽への給湯として再利用することができ、また本構造設備は夏季においても強い直射日光により屋根表面が高温に熱せられ、直下の配水管内の水も熱せられて温水となり浴槽の給湯を可能にする。更に建物内の空気を循環させることによって、冬季は融雪を円滑にして建物全体を温め、夏季では冷房費用を削減することができる。

本発明に係る設備構造の全体構成図である。 本発明に係る配気管を示す側面図である。 本発明に係る配水管を示す側面図である。 屋根部分の配気管、配水管の構成図である。 貯水槽、配水管の構成図である。 本設備における薪ストーブの構造図である。

図１は本考案に係る融雪給湯装置の実施例を示す全体構成図である。
建物屋根は一般的な切妻屋根の四寸勾配とする。屋根材は金属板（トタン）の三角形山型の波板を使用し、尾根・谷を垂木に添って地面に対し垂直に設置し、屋根材と野地板との間に空間を設け、その内部に融雪媒体の空気と温水を通過させる。
建物の下階の出来るだけ中央に薪ストーブ１を、その上階直上部には浴槽で使用する水の容量の密閉式貯水槽６を設置する。薪ストーブからは煙突が屋根棟に向かって伸び、煙突は屋根部分からではなく建物側壁から外部に突出させることとする。１階の床下部から配気管２ｉを設置して夏季には床下の温度の低い空気を１階室内に取り入れる。
薪ストーブに火を入れ同室内が暖まると手動、若しくは温度制御によって自動で天井部の換気扇４ａが作動し、天井裏の空気を下階へ送る。すると屋根裏空間が陰圧となり、薪ストーブの熱気が配気管２ａから２ｄへ、同階室内の暖まった空気が配気管２ｅを通過して軒下の屋根表面のトタン７下空間へ流れ、空気融雪が始まる。しばらくすると薪ストーブによって貯水槽６内部の水が暖まり、こちらも手動、若しくは温度制御によって自動で電動ポンプ９ａが作動し、貯水槽６内上層の暖まった水を汲み上げ配水管５ｃから５ｅを通ってトタン７を温め温水融雪が始まる。

図２は本考案装置の配気管の設置例を示す側面図である。
図１、図２において建物下階の中央に薪ストーブ１を設置し、薪ストーブ本体１の後面、側面を金属板で覆い薪ストーブから放出される輻射熱により金属板を温め、同時に金属板と薪ストーブとの間に設けた空間の空気を温める。
煙突３の外側に配気管２ａを二重煙突の様式で屋根裏部まで伸ばして設置し、暖められた空気は煙突３からの熱も加わって加熱・断熱され配気管２ａ内部を上昇していく。一本の配気管２ａは屋根裏部で二分して配気管２ｂとなって上へ伸び、屋根棟部で水平移行して配気管２ｃとなる。配気管２ｃからは配気管２ｄの枝が等間隔で多数出ており、温まった空気が屋根上部から野地板と屋根表面のトタン７の空間に放出される。同時に薪ストーブにより室内の温まった空気は同階天井部外壁傍に多数設置した配気管２ｅから上階の壁を通って屋根裏部で水平に設置した配気管２ｆに合流し、等間隔に配気管２ｇの枝が多数分岐して軒下部から野地板、トタン７間に放出してトタン７を温め融雪をする。尚トタン７は三角形の山型の波板とし、雪との接地面を広くとり熱交換の効率を高める。
最上階天井には換気扇４ａを設置して屋根裏の空気を下階部分へ送ると、屋根裏内が陰圧になるためトタン７を温め終えた空気は配気管２ｄ、２ｇ両放出口の中間に設けた排気口２ｈから屋根裏内に流入し、換気扇によって２階へ排出され下階室内を温めて建物内を循環する。

図３は本考案装置の配水管の設置例を示す。
図３において配水管５ａｂが薪ストーブ１本体の背部から内部に入り込み、炎によって直接配水管５ａｂを高温で熱して管内の水が温められ、薪ストーブ内部で移行した配水管５ａ内を上昇していく。配水管５ａは配気管２ａと煙突３との間の空間内部に設置して、高温の空気によって水温低下を防ぎ、上階に設置した貯水槽６底部に入り込んで、温められた水は次第に貯水槽６内上層部に貯留していく。貯水槽６内部では暖められた水の容量が増えていくことにより仕切り板８を押し下げて、貯水槽６に貯留していた冷たい水は配水管５ｂより下降して、配水管５ａｂに流れ、薪ストーブ１により温められ配水管５ａ内を上昇し循環していく。（以下一時循環という。）
貯水槽６内の暖められた水は電動ポンプ９ａによって汲み上げられ、配水管５ｃを通って屋根棟まで伸びた管内部を流れ、配水管５ｄに水平に移行して分岐した配水管５ｅに至る。トタン７と野地板の間に設置した配水管５ｅはトタン7の三角形頂点内側に密着させ、熱伝導によりトタン７を温めて融雪する。配水管ｅ内の温め終えた水は屋根裏内の配水管５ｆ、５ｇに集まり配水管５ｈを下降して貯水槽６の上層部に戻る。（以下二次循環という。）
尚配水管５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｆ、５ｇ、５ｈは水温の低下を防ぐために断熱材を巻くように設置をする。

図４は屋根部における配気管、配水管の配置を示す。
図４において屋根材は金属素材のトタンを使用して、雪との接地面を広く取り熱交換の効率を高めるために三角形を呈した山型の波板とする。また、この三角の形状は水はけが非常に良いため、屋根材の傷みを防ぎ耐久性の向上が見込まれる。この水はけの良さから屋根上部の雪が溶けた水が屋根の勾配と波板の形状から集まって流れ、ある程度の水量となって下降し、更に降り積もる雪を溶かすことが出来ることになる。
屋根表面の三角形の底辺は野地板にしっかり密着させ、トタン7の両端、屋根の上下端には三角形の空間を塞ぐ蓋を設置して配気管２ｄ、２ｇの暖められた空気の流出を防ぐようにする。配気管２ｄ、２ｇの両排出口の中間に屋根裏とつながる排気口２ｈを設置する。最上階天井部分に設置した換気扇４ａによって屋根裏が陰圧になるため、配気管２ｄ、２ｇ内の温かい空気は排気口２ｈから屋根裏部に流れ、換気扇４ａから下階へと送られる。
配水管５ｅにはバネを用いた固定具を採用し、配水管５ｅはトタン7の三角形の内部頂点部分に密着して設置する事が可能となる。密着させることにより配水管５ｅの熱がトタン７に無駄なく伝わり雪を溶かしていく。
また配水管５ｅを三角形の山一つ置きに設置し、配気室と配水管室に分けることにより、設備のコストを抑えて屋根全体に設置できるため融雪のムラを解消することができる。

図５は貯水槽６の構造を示す。
貯水槽６を構成する素材として保温性の高い材質のものを使用する。
図５において薪ストーブから上階へ伸びる配水管５ａが貯水槽６底部へ入り込み、網（ネット）１０と仕切り板８を貫き貯水槽６の１／３上部に終わる。貯水槽６底部からは配水管５ｂが下階薪ストーブに向かって伸び、貯水槽６下層の冷たい水を薪ストーブに送る。
貯水槽６内部を仕切り板８から上を上層Ａとし、下を下層Ｂとすると、暖められた仕切り板８の比重より軽くなった水は上層Ａを対流し、下層Ｂに貯留していた仕切り板８より比重の重い冷たい水は、配水管５ｂから排出する。この一次循環を繰り返すことによって下層Ｂの容量が減り、上層Ａの容量が増えていく。下層Ｂの容量がなくなって仕切り板８が下がりきってしまえば上層Ａの水は一次循環を繰り返し次第に水温が上昇していくことになる。
仕切り板８と配水管５ａとの間には僅かな隙間を設けて、仕切り板８のスムーズな上下動を可能にするものの、隙間からは少量の温度差のある水が流出入するが、設備上問題はないものとする。
また配水管５ａの排出口には仕切り板８が通過する径よりも若干大きい固定具を取り付け、仕切り板８の浮き上がりを防ぎ、排出口と貯水槽天井部分の間に配水管５ａから排出する温水が対流するスペースを設ける。
尚、仕切り板８を構成する素材は水温３０°Ｃの密度（９９５．６５４ｋｇ／平方メートル、但し、水道水にはカルキが含まれているため若干の誤差が生じる）と同じ質量を有するものを使用することで、３０°Ｃ以上の水（９９５．６５４ｋｇ／平方メートル以下）と３０°Ｃ以下の水（９９５．６５４ｋｇ／平方メートル以上）とを仕切ることができ、水温の違う水を混ざらずに上層と下層に分けることが可能となる。
貯水槽６上部から延びる配水管５ｃには電動ポンプ９ａが設置され、上層Ａの温水を汲み上げ屋根に設置した配管ｅを通って熱交換によりトタン７を温めて融雪し、融雪し終えた水は配水管５ｈから配水管５ｈＡを通って貯水槽６の１／３上部下層に戻って二次循環をする。
貯水槽６の１／３上部からは浴室へ延びる配水管５ｉが設置され、浴室の蛇口から貯水槽６内の温水が流失すると同時に、密閉式貯水槽であるから貯水槽６底部に設置した配水管５ｊから水道水が自動給水され水位を一定に保つ。低温の水道水からの給水により、貯水槽６内部の水が混ざり全体の水温の急激な低下を防止するため、配水管５ｊの流入口上部に網目の細かいストッキング様の網（ネット）１０を設置し、水流が仕切り板８を押し上げる力を抑制し、温度以外の外力による仕切り板の変動を出来るだけ抑える。
配水管５ｈには二つの経路を設け、融雪時にはバルブ１１ａを閉めて１１ｂを開け、融雪し終えた水は配水管５ｈＡを通り貯水槽６の１／３上部に戻る。
夏季の太陽熱を熱源とするときにはバルブ１１ａを開けてバルブ１１ｂを閉め、下層Ｂの水を電動ポンプ９ｂによって配水管５ｈＢから配水管５ｈに送り、屋根部の配水管５ｅ内で太陽熱によって温めて配水管５ｃから貯水槽６上部に戻る二次循環をする。
配水管５ａ、５ｂの貯水槽６直近にはバルブ１１ｃ、１１ｄを設置し、薪ストーブを使用しない期間においてはバルブを閉めて水を抜き、配水管の劣化を防ぐようにする。
貯水槽６の上層部と下層部には水温計を設置し、リビングもしくは浴室でモニターにより融雪・給湯のための水温の管理が出来るようにする。また、貯水槽６内の水温を設定し、電動ポンプ９ａの電源を自動制御出来る事が望ましい。但し外気温が０度以下では屋根部の配水管が凍結する怖れがあるため電動ポンプ９ａは可動したままにしておくこととする。尚、降雪・積雪・凍結の怖れがなく電動ポンプ９ａを可動せずに二次循環を停止していても、薪ストーブで暖房しておれば一次循環は自然の法則であるので貯水槽６内にはお湯が貯留し、浴室給湯が可能である。

図６は本設備において使用する薪ストーブの構造を示す。
薪ストーブ本体の背部に四方の口を設ける。その口を塞ぐ鉄板中央のやや上部に配水管５ａを、やや下部に配水管５ｂを通過して埋め込み、薪ストーブ内でそれぞれＴ字型に分岐し、その枝の末端と中央から更にＵ字型に３本分岐して配水管５ａと配水管５ｂが繋がる。この３本のＵ字型の配水管５ａｂは薪ストーブの燃焼室に設置することになり、薪ストーブの炎が直接当たり、配水管５ａｂ内の水を速やかに高温にする事ができる。
また薪ストーブの側面から背面を金属板で覆い、薪ストーブと金属板との間に空間を設け煙突に通じる配気管２ａを設置し、この配気管２ａは煙突３と配水管５aを覆う二重煙突の形を呈する。薪ストーブを覆う金属板は輻射熱によって熱せられ、同時に背面の空間内の空気も温められて配気管２ａ内を上昇し、配気管２ｂ・２ｃを経て屋根部に至る。

夏期などに強い直射日光によって図３、図４の屋根表面のトタン７が熱せられ直下の配水管５ｅ内の水が温められる。手動、若しくは屋根裏空間の温度制御によって電動ポンプ９ｂを作動し、貯水槽６内の冷水が配水管５ｈＢ・５ｈ・５ｇ・５ｆを通って送られ、配水管５ｅ内の温水が押し出されるかたちとなって配水管５ｄ・５ｃを通り貯水槽６上層に流入し、冬季の融雪時とは逆の二次循環を作り、貯水槽６内の水温を上昇させて給湯を可能にする。
更に屋根裏内の熱くなった空気は図１・図２の換気扇４ｂにより屋外に排出し、陰圧になった建物内は床下の温度の低い空気を配気管２ｉから室内に取り入れて、１階から２階へと流れて建物全体の温度上昇を抑え冷房費用を節約する事ができる。したがって建物全体は気密性の高い構造のものでなければならず、この空気の流れによって融雪を可能とし、建物内の温度環境を快適にする。また、本考案の融雪システムは空気によるものだけでなく温水を同時使用することによって給湯、更には太陽熱給湯を可能にする。

１ 薪ストーブ
２ 配気管
３ 煙突
４ 換気扇
５ 配水管
６ 貯水槽
７ トタン
８ 仕切り板
９ 電動ポンプ
１０ 網
１１ バルブ

Claims (3)

1. 屋根融雪の熱源である暖房器具に配気管を取り付けて屋根棟まで伸ばし、垂木に沿って尾根・谷を合わせた屋根材波板と野地板との空間に排気口を多数設け、同暖房室内外壁傍の天井部分に吸気口を設けて上階外壁内に配気管を屋根軒下まで通して、同様に屋根材波板と野地板との空間に排気口を多数設置し、併せて前記暖房器具に配水管を設置して前記室内上階には貯水槽を設けて、同貯水槽から屋根に向かって延びる配水管には電動ポンプを取り付けて、野地板と屋根材波板間に配水管を多数設置し貯水槽へ循環する経路からなり、貯水槽から浴室へ至る配水管を設置した屋根融雪給湯装置。
2. 内容物の液体の一定温度と同じ質量の仕切り板を内蔵した貯水槽としたことを特徴とする請求項１に記載の屋根融雪給湯装置。
3. 貯水槽から屋根に向かって延びる２本の配水管にそれぞれ電動ポンプを取り付けて、野地板と屋根材波板間に配水管を多数設置し貯水槽へ循環する正・逆二つの経路を特徴として、貯水槽から浴室へ至る配水管を設置した請求項１または請求項２に記載の屋根融雪給湯装置。

Images