JP3760256B2 - 太陽電池を使った床暖房装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廊下、キッチン、水廻り室、居室の一部など通常の暖房が行われていない場所を局所的に暖房する暖房装置に係り、特に太陽エネルギーを利用して床側から暖房する床暖房装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の床暖房には、温水式と電気式があり、熱源としては、温水式でガス，灯油，太陽熱、電気式で商用電源を用いるのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
温水式では、銅又は合成樹脂のパイプをコンクリート内に打設するか（湿式）、前述材料のパイプを予め取り付けた一体型パネルを床に設置する（乾式）ものであった。前者（湿式）では、パイプに故障（漏れ、つまりなど）が起きた場合、修理が大規模になるという問題がある。また、後者（乾式）の場合は、パネル相互間でのパイプの接続が多く、漏れの心配やパネル配置が煩雑になる等の問題があった。いずれも、設備費、工事費が高く、その熱源の性質上狭い範囲の床暖房は経済的でなかった。
【０００４】
電気式では、リード線状の電気ヒータを床下に埋設するもの、シート状のものを床下または仕上げ材下に設置するものがあった。リード線状の電気ヒータを設置するものでは断線など不具合が起きたときに修理が大規模になる問題があった。シート状のものでは、仕上げ材下に設置した場合、仕上げ材上からの物理的な外力によりヒータが傷つけられる問題があった。いずれにしても、電気式の場合、施工は簡単だが熱源のコストが高いため、ランニングコストが高くつくという問題があった。ランニングコストのような問題を解決するために、潜熱蓄熱材と組み合わせ、深夜電力を使って夜のうちに蓄熱して昼間の暖房を行う構成のものもあった。しかし、これらのものでも、小規模の暖房を行うには、契約上も初期投資上も適切な方法とはいえなかった。
【０００５】
局所的暖房手段としては、暖房マットや電気式パネルヒータなどがある。これらは、パネルヒータが設置場所を取るので狭いところでは設置できないことを除けば、簡単で便利な暖房手段である。しかし、電気式では、化石燃料を非効率的に消費するという問題は残った。
【０００６】
また、従来、特別な施設を除くと、廊下、キッチン、水廻り室、などは、一般の住宅内では暖房の対象になっていない場合が多く、高齢者が寒期にこれらの場所で死亡する例も多い。
【０００７】
本発明の課題は、廊下、キッチン、水廻り室、など局所的で小規模な場所を、トラブルが生じた際の対応が容易な構造で、かつ低いランニングコストで暖房するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を達成するために、太陽光を受けて発電する太陽電池と、該太陽電池から出力される直流電流をエネルギー源として加熱される床暖房パネルとを含んでなり、該床暖房パネルは、外周枠と該外周枠の上面に配置された上板材と下面に配置された下板材により形成され、前記床暖房パネル内部には、前記外周枠の内側の前記下板材の上全面に圧縮性の断熱材が配置され、前記圧縮性の断熱材の上に前記外周枠の内面間寸法よりも小さい平面形状の剛性のある断熱材が配置され、前記剛性のある断熱材の上に前記太陽電池に接続された前記電気ヒータが配置され、前記電気ヒータの上面と前記上板材の下面との間に潜熱蓄熱材を収容した容器が配置され、該容器と前記電気ヒータの側面と前記圧縮性の断熱材との間に空気層が形成されている太陽電池を使った床暖房装置を構成したものである。
【０００９】
太陽光発電手段（太陽電池）の直流出力は、直接前記電気ヒータに供給される。太陽電池は屋根などの太陽光線が十分当たる場所に配置される。暖房装置が使用されるのは主として太陽の高度が低い期間であるので、太陽電池の太陽光入射面と水平面のなす角度を、冬季の太陽高度を考慮して大きくとるのが望ましい。
【００１０】
選定する太陽電池出力としては電気ヒータ面積１ｍ²あたり、４００〜６００ｗ程度を供給できる容量とする。
【００１１】
床暖房パネルの構成としては、床パネルの底板の上に断熱材を介してシート状の電気ヒータを配置し、このシート状の電気ヒータの上に接着する構成で潜熱蓄熱材を封入した容器（以下、容器という）を設置するのがよい。前記容器と電気ヒータは、両者間の熱移動を前記容器の平面的な位置の各所で均等にし且つ促進するため、両面接着のアルミフィルムテープで接着するのが望ましい。
【００１２】
電気ヒータ及び前記容器は、床パネルの中央部分のみに設置し、その比率は床パネルの床面積の１／２〜２／３程度とするのがよい。前記容器の周囲側面には、床面に平行な方向に５〜１０ｃｍの空間を設け、空気層を利用して周囲の床面（前記容器に直接接していない床面部分）を間接的に加熱する構成とする。この構成を実現するには、電気ヒータと床パネルの底板の間に配置する断熱材を、剛性のある断熱材と圧縮性のある断熱材の組合せで構成し、電気ヒータの下に、剛性のある断熱材（硬質発泡ウレタンフォームなど）を前記容器より大きい平面形状で配置して、その下方にあるグラスウールなどの圧縮性のある断熱材を圧縮して、前記容器の周囲に空気層を確保するようにすればよい。
【００１３】
潜熱蓄熱材の蓄熱容量は、電気ヒータの面積１ｍ²当り、１２００〜２０００Ｋcal程度の容量とする。
【００１４】
電気ヒータ下面には、安全のため、サーモスイッチを設置し、電気ヒータ下面の温度が設定温度を超えたら、電気ヒータに流れる電流が遮断されるようにしておく。電気ヒータにはまた、切り替えスイッチ及び電圧降下装置を介して商用電源を接続しておき、太陽光発電手段と商用電源のいずれかが前記切り替えスイッチで接続されるようにしておくのが望ましい。このように構成しておけば、日射のない日には商用電源により電気ヒータを駆動して潜熱蓄熱材を加熱することができる。太陽光発電手段と商用電源の切り替えを、前記容器上面（あるいは下面）に配置した温度センサの出力によって行うようにしてもよいし、電気ヒータをながれる電流を検出しておこなうようにしてもよい。温度センサの出力によって行う場合、温度センサの出力が、潜熱蓄熱材の融点を下回ったら、太陽光発電手段から商用電源への切り替えを行うようにすればよい。
【００１５】
前記容器の上に床下地材を配置し、その上に床仕上げ材を設置する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の例を説明する。
【００１７】
図１に、本発明の実施の形態の全体配置を示す。図示のように、本実施の形態は、家屋の屋根上に太陽光入射面を水平面に対して傾斜させて配置された太陽光発電手段である太陽電池１と、該家屋のトイレの床の一部を構成する床暖房パネル３と、該床暖房パネル３と前記太陽電池１を接続する配線２と、を含んで構成されている。太陽電池１の傾斜の度合いは、設置場所の冬季の太陽高度を勘案して設定されるのが望ましいが、屋根傾斜に合わせて設置するようにしてもよい。太陽電池１につながる前記配線２は、軒裏から屋内に引き込まれ、壁面に沿って導設されて床下に導かれる。配線２は、床下で前記床暖房パネル３の下面の接続端子に接続される。
【００１８】
床暖房パネル３は、あらかじめ工場生産され、前記家屋の建設現場で土台に設置されるもので、図２に、その斜視図を示す。図４は図２のＡ−Ａ線矢視断面（鉛直面で切って見た断面）を示す。図示の床暖房パネル３は、中空箱状の床パネルと、該床パネルに内装された圧縮性のある断熱材と硬質の断熱材、電気ヒータ３ｅ、潜熱蓄熱材を収容した樹脂製の容器３ｃからなっている。床パネルは、底板である床下パネル３Ｊと、壁体をなす枠材３ｄと、上蓋をなす床下地３ｂと、床下地３ｂの上に接着された床仕上げ材３ａと、から形成されている。床下パネル３Ｊの上全面に、圧縮性の断熱材であるグラスウール３ｉが配置され、グラスウール３ｉの上に、グラスウール３ｉよりも狭い面積の剛性のある断熱材である硬質発泡ウレタンフォーム３ｈが配置されている。硬質発泡ウレタンフォーム３ｈの上に、硬質発泡ウレタンフォーム３ｈよりも狭い面積の電気ヒータ（以下、ヒータという）３ｅが配置され、ヒータ３ｅの上面と前記床下地３ｂの下面の間に、両者に接するように潜熱蓄熱材を収容した前記樹脂製の容器３ｃが配置されている。潜熱蓄熱材としては、酢酸ナトリウム水和塩を主成分としたものを使用した。この他に、硫酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、塩化カルシウムなどの各水和塩も使用可能である。
【００１９】
ヒータ３ｅの面積と容器３ｃの底面積はほぼ同じとしてあり、両者はアルミフィルムの両面接着テープを間に挟んで接合されてヒータ・潜熱蓄熱材ユニットを形成し、容器３ｃの上面は前記床下地３ｂの下面に接している。前記グラスウール３ｉは当初前記枠材３ｄの高さ一杯に充填されるが、容器３ｃ，ヒータ３ｅ及び前記硬質発泡ウレタンフォーム３ｈに押されて圧縮され、容器３ｃの周囲には空気層３ｇが形成される。空気層３ｇは、水平方向に５〜１０ｃｍの幅で容器３ｃの周囲全体の形成されるようにするのが望ましい。
【００２０】
ヒータ３ｅ下面には、安全のため、サーモスイッチを設置し、ヒータ３ｅ下面の温度が設定温度を超えたら、ヒータ３ｅに流れる電流が遮断されるようにしておく。ヒータ３ｅにはまた、切り替えスイッチ及び電圧降下装置を介して商用電源を接続しておき、太陽電池１と商用電源のいずれかが前記切り替えスイッチで接続されるようにしておくのが望ましい。このように構成しておけば、日射のない日には商用電源によりヒータ３ｅを駆動して潜熱蓄熱材を加熱することができる。太陽電池１と商用電源の切り替えを、前記容器上面（あるいは下面）に配置した温度センサの出力によって行うようにしてもよいし、ヒータ３ｅを流れる電流を検出しておこなうようにしてもよい。温度センサの出力によって行う場合、温度センサの出力が、潜熱蓄熱材の融点を下回ったら、太陽電池１から商用電源への切り替えを行うようにすればよい。
【００２１】
さらに、太陽電池１の出力を切り替えスイッチを介して直流の換気ファンに接続しておき、暖房の不必要な夏季には、換気ファンを駆動するようにしておけば太陽エネルギーを有効に利用できる。
【００２２】
床暖房パネルの工場組立てに際しては、床下パネル３Ｊと枠材３ｄを結合した状態で、順に、グラスウール３ｉ，硬質発泡ウレタンフォーム３ｈ，ヒータ・潜熱蓄熱材ユニットを取付ける。ついで床下地３ｂを枠材３ｄに取り付ける。床仕上げ材３ａは、工場組立て段階で床下地３ｂの上に接着してもよいし、床下地３ｂが取り付けられた床パネルを建設現場で土台上に設置し、室内の工事がほぼ終了した段階で床下地３ｂの上に接着するようにしてもよい。
【００２３】
図示の例では、配線２に介装された切り替えスイッチ、切り替えスイッチに電圧降下装置を介して接続された商用電源、前記切り替えスイッチを駆動する制御手段、前記ヒータの下面に設置され温度が所定の温度を超えたらヒータへの電流を遮断するサーモスイッチなどは図示を省略してある。
【００２４】
潜熱蓄熱材は厚さ２０〜３０ｍｍの平板状に形成された前記樹脂製の容器３ｃに密閉されているが、内部に少量の空気が一緒に封入されており、潜熱蓄熱材が相変化により膨張しても容器３ｃの板状部分が若干膨らむ程度である。これに合わせて、容器３ｃに接合されるヒータ３ｅには、変形自在のカーボン面状ヒータを使用した。ヒータ３ｅの下方に配置される断熱材も、前述のように、圧縮性のあるものにしてある。さらに、容器３ｃの横方向周囲には前述のように空気層３ｇが形成されているから、容器３ｃの横方向膨張を妨げるものはない。
【００２５】
次に上記構成の床暖房装置の動作を説明する。太陽電池１に太陽光が当たると電流が発生し、その直流電流は配線２を経て直接ヒータ２に流れる。ヒータ２は流れる電流で熱を生じ、その熱で、固体となっている潜熱蓄熱材を融解し、潜熱、顕熱の形で蓄熱すると共に、周囲の部材を加熱する。容器３ｃ周囲の空気層３ｇは、潜熱蓄熱材の容器３ｃに接触している床面以外の床面にも対流により熱を伝達し、蓄熱範囲を拡大する効果もある。
【００２６】
潜熱蓄熱材や他の部材に昼間蓄積された熱は、日射のなくなった夜間に逐次放熱され、床面を一定温度に保って床暖房が行われる。トイレなどの常時暖房されていない場所は、冬季の室温は５℃程度に下がることも多い。したがって、床暖房といっても通常の床暖房のように床温度２０℃でなくても、１０〜１５℃程度で十分暖かく感じられる。
【００２７】
図５に、図３に示す床暖房パネルを、恒温室に設置した０．９ｍ×１．５ｍの床面積で高さが１．８ｍの実験用の小部屋に配置し、図２に示す太陽電池（１７Ｖ×１２０ｗ定格）に接続して、周囲温度（恒温室温度）約７℃として暖房を行った結果を示す。この例では、日中の太陽光発電による蓄熱の結果、２３時ごろまで床表面温度を１５℃を超える温度に維持し、朝５時ごろまで９℃程度に維持できるような暖房能力を発揮することができた。図３に示す床暖房パネルにおけるヒータ３ｅ面積（つまりは容器３ｃの平面面積）は約０．２７ｍ²で、潜熱蓄熱材の蓄熱容量は約５００ｋcalであった。
【００２８】
本発明の実施の形態に係る床暖房装置を、廊下、キッチン、水廻り室、トイレ等に設置すれば、それらの場所が冷えていることにより高齢者が体調を害することや、そこへの出入りを躊躇することを防いで、温度的な面でのバリアフリーを達成することができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、局所的で小規模な場所を、少ないランニングコストで暖房することが可能になった。また、熱源に太陽電池を使用するので環境に対する影響が少なく、昼間エネルギを集め、夜に集中する負荷をまかなうことができる。また、本装置を設置する建設現場での作業は、ヒータ３ｅと容器３ｃを内装した床暖房パネルを通常の床工事と同様に設置したあとは、屋根上に太陽電池を配置し、この太陽電池からの２本のリード線（２芯の電線１本）をヒータに接続するだけで、漏れなどの心配のある配管工事がなく、工事でのトラブルも避けられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す全体配置図である。
【図２】図１に示す実施例の太陽電池の例を示す斜視図である。
【図３】図１に示す床暖房パネルの構成を示す斜視図である。
【図４】図３の床暖房パネルのＡ−Ａ線矢視断面を示す断面図である。
【図５】本発明に係る床暖房装置を用いて行った暖房実験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 太陽電池
２ 配線
３ 床暖房パネル
３ａ 床仕上材
３ｂ 床下地
３ｃ 容器
３ｄ 枠材
３ｅ ヒータ
３ｆ アルミフィルム（アルミ両面接着テープ）
３ｇ 空気層
３ｈ 硬質発泡ウレタンフォーム
３ｉ グラスウール
３ｊ 床下パネル

Claims (6)

1. 太陽光を受けて発電する太陽電池と、該太陽電池から出力される直流電流をエネルギー源として加熱される床暖房パネルとを含んでなり、該床暖房パネルは、外周枠と該外周枠の上面に配置された上板材と下面に配置された下板材により形成され、前記床暖房パネル内部には、前記外周枠の内側の前記下板材の上全面に圧縮性の断熱材が配置され、前記圧縮性の断熱材の上に前記外周枠の内面間寸法よりも小さい平面形状の剛性のある断熱材が配置され、前記剛性のある断熱材の上に前記太陽電池に接続された前記電気ヒータが配置され、前記電気ヒータの上面と前記上板材の下面との間に潜熱蓄熱材を収容した容器が配置され、該容器と前記電気ヒータの側面と前記圧縮性の断熱材との間に空気層が形成されている太陽電池を使った床暖房装置。
2. 前記電気ヒータの面積は、前記剛性のある断熱材の面積よりも小さく、かつ前記容器の面積は前記電気ヒータの面積とほぼ同じであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池を使った床暖房装置。
3. 前記電気ヒータと前記容器がアルミニウムの両面接着テープで互いに接着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池を使った床暖房装置。
4. 前記電気ヒータには該電気ヒータの周辺温度が所定の温度を超えたら該電気ヒータと電源の接続を断つサーモスイッチが装着されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽電池を使った床暖房装置。
5. 前記電気ヒータへは、電圧降下装置及び切り替え手段を介して商用電源が接続されており、前記切り替え手段は、該商用電源と前記太陽電池のいずれか一方を前記電気ヒータに接続するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の太陽電池を使った床暖房装置。
6. 前記太陽電池には切り替え手段を介して直流換気ファンが接続されており、暖房不要時には前記直流ファンを駆動可能にしてあることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の太陽電池を使った床暖房装置。

Images