JP3163802U - 建築物における太陽光と太陽熱利用のハイブリッド構造 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電セルとフィルムを積層した太陽光発電モジュールの屋根材一体型ユニットを並べて屋根材とし、その下部に空気層を設けて、太陽光発電と太陽熱の集熱、さらに床下熱の３種類の自然エネルギーを複合させて、より快適な生活空間を実現させるハイブリッド構造を提供する。【解決手段】冬季における太陽熱の利用、夏季における床下冷熱の利用のために、屋根材の下部に空気層をつくり、その屋根構造物の上端に温度センサーを設置して、上端の温度が一定温度以下になると、屋根構造物の下端から空気を給気して太陽熱を集熱して床下を通して室内に供給する。冷房期には、太陽熱をできるだけ排除するために、床下の空気を屋根材の上部から導入して、太陽熱を吸収させて屋外に排出する。あるいは、集熱した空気を、室内に入れないで、送風機により室外へ排出させることを可能にした。【選択図】図１

Description

太陽光発電、太陽熱及び床下熱の三種類の自然エネルギーの複合を可能にした建築物の省エネルギー構造に関する。

地中熱を利用した換気システムに注目すると、３件の特許文献があった。外気を床下に取り込み地中熱を摂取して、その空気を熱交換器で再度熱交換して床上の居室へ給気する方法が開示されている（特許文献１）。また、不凍液を循環させたパイプを地中に埋没させて、地中熱を取り込み、熱交換をして居室部へ吹き出させる地中熱を利用した省エネ恒温換気システムも開示されている（特許文献２）。地中熱交換器、換気熱交換器、ヒートポンプを組み合わせた冷暖房換気システムも公開されている（特許文献３）。

太陽集熱パネルと床下空気の活用によるソーラー暖房と浴室乾燥システムを開示した特許がある（特許文献４）。さらに、太陽熱の利用は、数十年前から屋根の上に設置された太陽熱温水器でよく知られているところである。その太陽熱温水器の集熱ユニットの上に、太陽光発電ユニットを積層したハイブリッドパネルの特許がある（特許文献５）。査定されていないが、太陽光発電と太陽熱集熱モジュールのハイブリッド技術が公開されている（特許文献６、特許文献７）。

前項までの特許文献の他に、太陽光発電と太陽熱の熱電変換素子を活用した太陽光・太陽熱ハイブリッドモジュールが公開されている（特許文献８）。太陽光による発電と太陽熱による発電を組み合わせたものである。さらに、屋根材の取付け方法や配線に関する特許がある（特許文献９、特許文献１０）。

太陽熱の利用に関しては、ＮＥＤＯ技術開発機構が中心となり、空気集熱式ソーラー除湿冷房システム開発、ハイブリッド冷暖房システム開発、太陽熱木質系材料乾燥技術研究等が平行して進展中である（非特許文献１）。また、太陽熱による穀物の乾燥技術が、官学で研究され、一部は普及しつつある（非特許文献２）。さらに、我が国では、１９９０年までの住宅用温水器の普及があったものの太陽熱利用機器では、ヨーロッパに遅れを取った。そこでＮＥＤＯでは、太陽熱利用に関する調査、太陽エネルギー新利用システム技術開発、太陽熱高度利用システムに関するフィールドテスト事業を平行して積極的に進め、その成果報告を発表している（非特許文献３）。

特開２００９−２６４０１８ 特開２００８−２６１５３５ 特許第４１９５６５１号 特開２００９−１９８０９５ 特許第４１６１１３２号 特開平１１−２８１１６６ 特開平７−２３４０２０ 特開２００７−８１０９７ 特開２００９−２７５３６８ 特開２００５−５６９０４

Ｆｏｃｕｓ ＮＥＤＯ Ｖｏｌ．５ Ｎｏ．２２、１３頁 三重大学農学部学術報告 Ｎｏ．７４、８１−９４ページ 平成１８・１９年度の成果報告会、東京ビッグサイト（平成２０年）

太陽光発電と太陽熱のハイブリッドパネルはあるが、一つは、水を温水にするための太陽熱利用であり、他の一つは、太陽熱を電気に変換しているものである。太陽光発電、太陽熱、地中熱の三種類の自然エネルギーを組合せて、建造物の省エネルギーを実現した家屋構造は見当たらない。本考案の課題は、太陽光発電素子とフィルムとが積層された薄板状屋根材、その下に空気層を有する屋根構造、家屋への給気構造と排気構造を備え、太陽光発電、太陽熱、床下熱の三種類の自然エネルギーを季節に合わせてコントロールして、家屋の冷暖房の補助を実現し、快適な生活空間の実現と省エネルギーの実現である。

１フレキシブル太陽電池とフィルムとが積層された薄板の複合した屋根材構造として電力を確保する。２この屋根材の下部に空気層を設ける構造として、冬季の暖房のための空気集熱を可能な構造を作る。３屋根材下部の空気層の上部から床下へのダクトを通し、送風機と流路変更のシャッターを設け、空気層で集熱した空気を、建築物の床下に導入できる構造とする。４床下から室内に給気できる給気口を設ける。５冷房期の昼間には、ファンの逆運転により床下の空気をダクトを通して給気して、屋根構造物に導入し、その下端より室外に排出できる構造とする。これは夏季における太陽熱をできるだけ室内に取り入れないために必要な構造である。６送風機とシャッターによって、太陽熱を集熱した空気を送風機の下のシャッターから直ぐ屋外へ排出できる仕組みを設定する。

また、７冬季における太陽熱の利用、夏季における床下熱の利用、季節や昼夜の温度差に対応するために、屋根構造物の上端に温度センサーを設置する。上端の温度が昼間に、２０℃以下になると、屋根構造物の下端から空気を導入して集熱し、屋根構造物の上端の温度が３０℃以上になると床下の空気を屋根構造物の上端から導入して下端から外部に排出させる。温度センサーによって作動の自動切替えを可能にする。

さらに、８春秋期には、上のシャッターと送風機によって、床下と室内の空気を循環させる。外気を床下に給気する場合にも、床下熱で外気を室温に近づけた後、室内に給気し、同量の室内空気を室外へ排出して、換気を可能にする建築物構造とする。その際、室外空気をフィルターを通して取り入れて、気密住宅の換気を確保できる構造とする。９床下には、熱交換器１４を設置する。

課題解決の手段を組み合わせた長所として、１冬季における太陽熱集熱が室内空気の補助暖房となる。２気密住宅での換気を確保できる。３室内空気が清浄化して、快適な生活空間を実現できる効果がある。４夏季の日射熱の発生をかなり削減できる。

本考案の冬季集熱モードの全体を示した省エネルギー構造の家屋の断面模式図 屋根構造物の軒先納まり図 夏季に屋根面を冷却する冷却モードの空気の流れの一例である。 春秋期の空気の室内循環モードの図である。

本考案を実施するための形態を図１と図２によって説明する。フレキシブル太陽光発電素子とフィルムが積層された薄板状太陽光発電体の屋根材１を最上面に使用する。その下に空気層２を設け、３は家屋を形成している断熱性と遮光性を有する通常の建築ボードを使用して屋根構造物とする。太陽熱の集熱の点から建築ボードの表面は黒色が好ましいが他の色であっても集熱はできる。図２には、屋根材の軒先の構造を示している。最表面の１が、フレキシブル太陽光発電素子とフィルムが積層された板状太陽光発電体である。太陽光により１で発電され、太陽光発電素子を透過した太陽光により２の空気層が暖められ、太陽熱を吸収することができる。図２の１５は、空気の出口が外から見えないように隠している鼻隠しである。

４−１と４−２はシャッターで、５で示す送風機の上下にある。送風機と共に６のダクトに設置してある。４のシャッターの操作により空気層の空気を床下のみに給気し、室内の空気を床下に循環することもできる。７は建物の外壁であり、８は床下空間を示している。９は、床下の空気を室内に取りいれる通気口である。１０の破線は、建物内部の空気の流れを示す矢印破線である。シャッターが二つあれば、屋根下の空気を床下へ導入し、送風機から直接屋外へ排出することもできて便利である。

５の送風機ファンは、送風方向を逆転運転できるものであり、４−１と４−２のシャッターとの連動により、図１の冬季の集熱モード運転、図３の夏季の屋根面冷却モード運転、図４の春秋期の室内循環モード運転に切り替えることができる。これらの切換えは、屋根構造物の上部に設置する温度センサー１６によって行う。

床下には、１１で示す家屋外から床下へ空気を導入するパイプがあり、室外側には、フィルター１３が設置され、外気から入る花粉のような異物を排除して、１２のファンで導入できる構造である。１４は床下に設置した熱交換器である。

夏季の運転モードの別の方法として、図１の１６のセンサー温度が、３０℃以上になると、送風機の下にあるシャッターの屋外への排気口１７によって、屋外へ熱を排気する運転とすることもできる。

太陽光発電の薄板状屋根材の大きさは、ユニットを連結して、顧客の設計に合わせて組立て、図１と図２に示すような構造の建造物を作った。冬季には、ファン５によって室外の空気を、屋根材の下の空気層へ吸引し、太陽熱により暖めて、そのまま床下へ送る。日射がある時の１３時頃の太陽で、約２０℃の温度上昇があった。すなわち冬場でも太陽熱により屋根材上部から２０℃程度温められた空気を導入できた。本考案の屋根材構造により太陽光集熱機能が働き、冬の暖房の補助機能として活用できた。

屋根構造物の上端の温度が３０℃以上の時に、１６のセンサーによって、夏季モードに変わった。すなわち、床下の空気をダクトを通して、屋根構造物の上端より給気して、屋根構造物の下端から室外に排出する図３の夏季の屋根面冷却モード運転となった。日射の温度上昇による室内の熱気は減少し、室内は快適な環境となった。

気候の良い春秋期には、図４のような室内循環モードで運転し、床下から１２のファンを作動させて、室外のフィルターによりろ過した空気を取り入れて循環させることにより快適な環境を得た。

太陽光発電は、徐々に普及しているが、企業での採用は、まだ試験の域を脱していない。施工コストと得られる電気量の関係で、生産効率が良くないからである。床下熱の利用と太陽熱の利用を複合させて活用すると、設備の投資額が少なくて冷暖房効果が得られるため省エネルギーシステムとしてかなり優位となる。標準仕様を確立すれば、家庭や工場での普及が考えられる。本考案の利用可能性は高い。

１フレキシブル太陽電池とフィルムの積層による屋根材
２屋根材の下の空気層
３断熱性と遮光性を有する建築ボード
４−１送風ファンの上にある流路変更のシャッター
４−２送風ファンの下にある流路変更のシャッター
５ダクトにある送風機
６屋根材上部から床下までのダクト
７建物の外壁
８床下の空間
９床下の空気を室内へ導入する空気口
１０空気の流れを示す破線矢印
１１室外空気を床下に導入するパイプ
１２床下の給気ファン
１３外気のフィルター
１４床下に設置した熱交換器
１５軒先の鼻隠し
１６屋根構造物の上部に設置した温度センサー
１７夏季モードの時の屋根材の下の高温の空気を室外に出す排気口

Claims (8)

1. 太陽光発電セルとフィルムとが積層されてなるフレキシブル太陽光発電モジュールの薄板状屋根材とその下部に空気層を有する屋根構造物であって、該屋根構造物の上端部に、当該空気層と床下とを導通するダクトが接続され、当該ダクトに当該空気層の空気を床下へ或いは床下の空気を当該空気層へ導入する送風機を設置し、さらに当該ダクトに流路変更シャッターを設けて、太陽光による発電と太陽熱の空気集熱及び床下の空気の導入によって室内環境を変化させることを特徴とする建築物の省エネルギー構造
2. 暖房期には、屋根構造物の下端から外気を導入し、太陽熱を集熱して温め、ダクトにより床下へ導入してから室内に給気できることを可能にした請求項１の冬季集熱型の建築物の省エネルギー構造
3. 冷房期には、ファンを逆転させて、床下の空気を屋根構造物の上端から給気し、該屋根構造物の下端から室外に排出することを可能にした請求項１の屋根面冷却型の建築物省エネルギー構造
4. 冷房期に、送風機の下のシャッターを使用して、屋根下の太陽熱を集熱した空気を、送風機の下のシャッターの操作により屋外へ排出させて、夏季の太陽熱を屋内に導入しない請求項１の省エネルギー構造
5. 春秋期には、屋根材下部の空気層を、シャッターにより遮断し、室内空気を床下に導入し、適温となった空気を室内に戻ことを可能にした請求項１の循環型の建築物省エネルギー構造
6. 床下に、フィルターを通して外気を導入し、かつ、熱交換器を設置して、快適な生活環境の形成を実現する請求項１の建築物の省エネルギー構造
7. 顧客の色々の屋根形状と屋根面積に対して、屋根一体型のフレキシブル太陽光発電モジュールの大きさの異なるものの組合せで対応し、屋根面積を最大限利用する請求項１の建築物の省エネルギー構造
8. 冬季の暖房、夏季の冷房、春秋期の適温空気の循環を温度センサーによって自動コントロールする請求項１の建造物の省エネルギー構造

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