JP4904626B2 - 太陽熱利用装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽熱を熱源として水を加熱し、生成した温水を給湯、あるいは暖房などに使う太陽熱利用装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の太陽熱利用装置としては、例えば、特開平7−98157号公報に記載されているような太陽熱温水器があった。図8は、前記公報に記載された従来の太陽熱利用した太陽熱温水器を示すものである。
【0003】
図8において、1は太陽熱温水器、2は貯水タンク、3ガラス板、4は太陽熱集熱器、5は太陽熱温水器1へ水を給水する給水配管、6は貯水タンクの温水を出水する出湯配管である。この構成において、貯水タンク2から太陽熱集熱器4へ送り込まれて蓄えられた水は、ガラス板3を通過する太陽光によって加熱することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の太陽熱温水器は、太陽光を受熱して太陽熱集熱器4の水を加温するため、加熱された水の温度は太陽の日射の強弱に左右されるばかりでなく、太陽の日射量が少ない場合、あるいは冬期には、太陽熱集熱器4の水を給湯に必要な温度まで加熱できないという課題を有していた。
【0005】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、太陽の日射の強弱に左右されることなく、水を給湯、あるいは暖房に必要な温度まで加熱し、太陽の日射が無い場合でも、大気熱などの自然エネルギーを有効に利用して水(あるいは、ブラインなど)を加熱できる太陽熱利用装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、太陽熱集熱パネルと、大気を前記太陽熱パネルに通風させる送風手段と、水回路と、前記太陽熱パネルを通過した大気が前記水回路の水と熱交換する集熱熱交換器と、前記送風手段の風量を可変する風量可変手段と、水回路の水量を可変する水量可変手段と、前記集熱熱交換器の下流に大気の温度を検知する温度センサーと、前記温度センサーの検知温度T5が所定の温度T6となるように風量制御手段を介して風量を可変制御する送風制御手段とを備えた太陽熱利用装置としたものである。
【0007】
これによって、外部から吸入した大気と、日射を受光して高温となった太陽熱集熱パネルと熱交換させて、高温の大気を生成し、大気の温熱を集熱熱交換器で水に受熱させることによって、水の加熱が可能となる。また、日射量が少ない場合でも、吸入する大気の風量を制御すると、高温の大気を生成することが可能となり、これと水を集熱熱交換器で熱交換させると、太陽の日射量が少ない場合でも給湯、あるいは暖房に必要な所定の温度まで水を加熱することができる。
【0008】
また、太陽熱を利用して温水を生成すると同時に、所定の温度の温風を生成できるので、給湯と暖房の同時運転が可能な太陽熱利用装置とすることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載の発明は、太陽熱集熱パネルと、大気を前記太陽熱パネルに通風させる送風手段と、水回路と、前記太陽熱パネルを通過した大気が前記水回路の水と熱交換する集熱熱交換器と、前記送風手段の風量を可変する風量可変手段と、水回路の水量を可変する水量可変手段と、前記集熱熱交換器の下流に大気の温度を検知する温度センサーと、前記温度センサーの検知温度T5が所定の温度T6となるように風量制御手段を介して風量を可変制御する送風制御手段とを備えた太陽熱利用装置とすることにより、日射量が少ない場合でも、日射を受光した太陽熱集熱パネルと熱交換する大気の風量を制御して高温の大気を生成し、これと水を集熱熱交換器で熱交換させると、水を加熱することが可能となり、太陽の日射量が少ない場合でも、給湯、あるいは暖房に必要な所定の温度の温水を生成する太陽熱利用装置とすることができる。
【0010】
また、太陽熱を利用して温水を生成すると同時に、所定の温度の温風を生成できるので、給湯と暖房の同時運転が可能な太陽熱利用装置とすることができる。
【0011】
請求項2に記載の発明は、太陽熱集熱パネルと、大気を前記太陽熱パネルに通風させる送風手段と、水回路と、前記太陽熱パネルを通過した大気が前記水回路の水と熱交換する集熱熱交換器と、前記送風手段の風量を可変する風量可変手段と、水回路の水量を可変する水量可変手段と、前記集熱熱交換器の上流に大気の温度を検知する温度センサーと、前記集熱熱交換器の上流に水の温度を検知する温度センサーと、前記大気の温度を検知する温度センサーの検知温度T1が所定の温度T2となるように風量可変手段を介して風量を可変制御するとともに、前記水の温度を検知する温度センサーの検知温度を基に、前記送風手段を作動させる送風制御手段とを備えたとすることにより、日射の強弱に応じて、日射を受光した太陽熱集熱パネルと熱交換する大気の風量を制御して所定の温度の大気を生成し、これと水を集熱熱交換器で熱交換させると、水の加熱が可能となり、太陽の日射の強弱に関わらず、給湯、あるいは暖房に必要な所定の温度の温水を生成する太陽熱利用装置とすることができる。また、日射の有無に応じて大気と水との熱交換を制御するので、日射変動時の水の放熱を抑制できるとともに、日射がない場合でも大気熱を利用して水の加熱を行う太陽熱利用装置とすることができる。
【0012】
請求項3に記載の発明は、前記太陽熱集熱パネルの温度を検知する温度センサーと、前記温度センサーの検知温度T3が所定の温度T4となるように前記風量可変手段を介して風量を可変制御する送風制御手段を備えた請求項1又は2記載の太陽熱利用装置とすることにより、日射の強弱に応じて、日射を受光した太陽熱集熱パネルと熱交換する大気の風量を制御して所定の温度の大気を生成させ、これを集熱熱交換器で水と熱交換させると、水の加熱が可能となり、太陽の日射の強弱に関わらず、さらに、日射変動が激しい場合でも、給湯、あるいは暖房に必要な所定の温度の温水を生成する太陽熱利用装置とすることができる。
【0013】
請求項4に記載の発明は、太陽熱集熱パネルは、太陽光を透過する透過体を備えたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の太陽熱利用装置とすることにより、透過体と太陽熱集熱パネルの間隙を通過する大気を温室効果により効率よく加温することができるので、太陽の日射の強弱に関わらず、さらに、日射変動が激しい場合でも、給湯、あるいは暖房に必要な所定の温度の温水を生成する太陽熱利用装置とすることができる。
【0014】
請求項5に記載の発明は、前記集熱熱交換器の上流に、外部から大気を吸入するための開閉が可能な開閉ダンパーを備えたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の太陽熱利用装置とすることにより、日射がない場合、外部の大気を吸入して集熱熱交換器における大気の風量を増加させて、大気と水の交換熱量の増大を図ることができるので、大気熱などの自然エネルギーを最大に利用して水の加熱を行う太陽熱利用装置とすることができるとともに、太陽熱集熱パネルを通過する際の通路抵抗を減らすことができるので、装置の効率を向上させることができる。
【0015】
請求項6に記載の発明は、ヒートポンプ回路と、前記ヒートポンプ回路の冷媒と水回路の水が熱交換する冷媒熱交換器を備えたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の太陽熱利用装置とすることにより、日射を受光した太陽熱集熱パネルと熱交換する大気の風量を制御して所定の温度の大気を生成し、これと水を集熱熱交換器で熱交換させたあと、ヒートポンプ回路の冷媒の凝縮熱を利用して水を所定の温度まで加熱することが可能となるので、太陽の日射の強弱に関わらず、給湯、あるいは暖房に必要な所定の温度の温水を生成し、さらに水の加熱能力を向上させた太陽熱利用装置とすることができる。
【0016】
【実施例】
以下、本発明の実施例および参考例について図面を用いて説明する。
【0017】
(参考例1)
図1は、本発明の参考例1における太陽熱利用装置の構成図を示すものである。6は太陽の日射を受光する太陽熱集熱パネル、7は大気と水が熱交換する集熱熱交換器、8は大気を外部から吸入する送風手段、9は送風手段8を駆動するモーター、10は水を集熱熱交換器7へ供給する水回路、11は大気と集熱熱交換器7で熱交換した水が流れる水回路、12は水ポンプ、13は貯水槽、14、15は貯水槽13へ水を供給、あるいは排出する水配管、16は集熱熱交換器7を流出した水の温度を検知する温度センサーである。
【0018】
17は、インバーター回路、あるいは、電圧制御回路等を備えてモーター9の回転数制御を行う風量可変手段、18は風量可変手段17と、モーター9を介して送風手段8が搬送する風量を可変制御する送風制御手段である。19は水ポンプ12が搬送する水量を可変する水量可変手段であり、水ポンプ12の回転数を可変できるインバーター回路、あるいは電圧制御回路等を備えている。20は水量制御手段であり、温度センサー16で検知する温度Twが、予め任意に設定した本装置で生成するべき所定の水の温度(給湯、あるいは暖房に必要な水の温度)T0となるように、水量可変手段を19を介して水量を制御するものである。
【0019】
21は集熱熱交換器7の上流の大気の温度を検知する温度センサーであり、ここで、送風制御手段18は温度センサー21の検知した温度を基に、モーター9と風量可変手段17を介して、送風手段8で外部から吸入する大気の風量を制御するものであり、温度センサー21の検知した大気の温度T1が、所定の温度T2対して、T1=T2となるように風量を制御する。
【0020】
本参考例において、所定の温度T2は、T2=T0+αとし、αは+0〜20℃の範囲で設定し、太陽熱集熱パネル6の面積と、集熱熱交換器7の伝熱面積に応じて最適値が設定される。ここで、図1に示すように、送風手段8で外部より吸入された大気が、太陽熱集熱パネル6を通過した後、集熱熱交換器7へ流入するように、太陽熱集熱パネル6、集熱熱交換器7、送風手段8を配置している。また、本参考例では、大気と熱交換する媒体に水を用い、貯水槽13に貯えられる水は、水配管14、15より取り出し、給湯、暖房等に利用することができる。大気と熱交換する媒体は、水の他に、例えばブラインとすることも可能である。
【0021】
本参考例において、集熱熱交換器7にフィンチューブ式熱交換器を用い、チューブ側を水回路10、11と連結した。温度センサー16、21にはサーミスターを用い、温度センサーはこの他に、熱電対、測温抵抗体を使用することもできる。本参考例では、水量可変制御を行う手段を水ポンプ12としたが、水回路10、11に水量制御弁を設け、水量制御弁の弁開度を制御して水量を制御する構成とすることもできる。
【0022】
また、送風手段8は、シロッコ式ファンを用いたが、クロスフロー式ファン、あるいはプロペラ式ファンなどを利用することも可能である。また、本参考例において、本装置で加熱した温水を給湯利用する時には、T0=35〜60℃の範囲で設定し、暖房に利用する場合は、T0=55〜80℃の範囲で設定したが、使用者の好みの応じて設定することができるので、この範囲に限るものではない。
【0023】
以上のように構成された太陽熱利用装置について、以下その動作、作用を説明する。
【0024】
太陽熱集熱パネル6が太陽の日射を受光しているとき、太陽熱集熱パネル6の表面は高温に加熱される。このとき、送風手段8によって外部から大気を吸入すると、大気は太陽熱集熱パネル6を通過する際に、高温となった太陽熱集熱パネル6の表面と熱交換して高温となる。そのあと、高温となった大気は、集熱熱交換器7を通過する際に、水ポンプ12によって搬送された水回路10の水と熱交換し、大気の保有する温熱は水の加熱に利用される。
【0025】
従って、太陽の日射を太陽熱集熱パネル6が受光しているとき、水回路10の水の加熱が可能となる。ここで、水量制御手段20により温度センサー16の検知する温度Twが、予め任意に設定された、給湯、および暖房に必要な温度(所定の温度)T0となるように、水量可変手段19と水ポンプ12を介して水量を制御すると、貯水槽13に温度がT0の温水を貯めることができる。この貯水した温水は、水配管15より取り出して、給湯、あるいは、暖房に利用することができる。このとき、太陽熱集熱パネル6と熱交換する大気の風量は、温度センサー21の検知する温度T1が、T1=T2(T2=T0+α)となるように制御されるため、T0<T1となる大気が集熱熱交換器7を通過することになる。
【0026】
太陽熱集熱パネル6が受光する太陽の日射量が少ないとき(朝、夕方、冬期など)は、太陽熱集熱パネル6と大気が熱交換する熱量が少なくなるので、集熱熱交換器7へ流入する大気の温度が低下する。大気の温度が低下すると、所定の温度T0の温水を生成することが不可能となる。そこで、風量可変手段17と送風制御手段18により、温度センサー21で検知する大気の温度T1が所定の温度T2(T0<T2)となるまで送風手段8で搬送する風量を減らすと、太陽熱集熱パネル6が受光する日射量が少なくても、温度の高い大気を生成することができる。このとき、集熱熱交換器7で熱交換した水の温度がT0となるように、水量を水量制御手段20と水量可変手段19で制御すると、日射量が少ない場合でも、所定の温度T0の温水を生成することが可能となる。
【0027】
以上のように、本参考例においては、太陽熱集熱パネル6と、集熱熱交換器7と、送風手段8と、風量可変手段17と、送風制御手段18と、水量可変手段19と、水量制御手段20などを設置し、太陽の日射を太陽熱集熱パネル6が受光しているとき、送風手段8によって外部より吸入した大気を、太陽熱集熱パネル6と熱交換させて温度T2まで加熱した後、集熱熱交換器7で水と熱交換させ、さらに予め設定された、給湯、あるいは暖房に必要な所定の温度T0となるように水量制御を行う構成としたので、所定の温度T0の温水を生成することができる。また、太陽の日射量が少ないときでも、大気の風量を下げることにより高温の大気を生成し、これと水を熱交換させるので、太陽の日射の強弱に左右されずに、給湯、あるいは暖房を行うために必要な温度まで水を加熱する太陽熱利用装置とすることができる。
【0028】
尚、本参考例においては、集熱熱交換器7で生成した温水を貯水槽13に貯水する構成としたが、貯水槽13を略して、水回路11より直接出水させて、給湯、あるいは暖房に利用する構成としてもよい。
【0029】
また、外部から吸入する大気温度よりも、集熱熱交換器7から流出する大気温度が高い場合は、装置から排出される温度の大気を室内に導入すると室内の暖房を行うことができる。
【0030】
また、貯水槽13に貯水した水の温度を下げたい場合は、集熱熱交換器7を介して大気へ放熱させることができる。このとき、温度センサー16の検知する温度T1が、所定の温度T0(冷却する目標となる温度)となるように、水量可変手段19と水量制御手段20で水量を制御し、さらに、温度センサー21の検知した温度T1が所定の温度T2となるように送風制御手段18によって風量を制御すると、温度T0まで貯水槽13の温度を低下させることができる。ここで、所定の温度T2は、T2=T0−α(α=+0〜20℃)の範囲で設定した。
【0031】
(参考例2)
図2は、本発明の参考例2における太陽熱利用装置の構成図を示すものである。23は太陽熱集熱パネル6の温度を検知する温度センサー、24は温度センサー23の検知した温度を基に、モーター9と風量可変手段17を介して送風手段8で吸入する大気の風量を制御する送風制御手段である。送風制御手段24は、温度センサー23の検知した大気の温度T3が、所定の温度T4に対して、T3=T4となるように風量を制御する。ここで、所定の温度T4は、T4=T0+βとし、βは本参考例において、+1〜50℃の範囲で太陽熱集熱パネル6の面積と、集熱熱交換器7の伝熱面積に応じて最適値が設定される。
【0032】
以上のように構成された太陽熱利用装置について、以下その動作、作用を説明する。
【0033】
太陽熱集熱パネル6が太陽の日射を受光しているとき、本参考例においても第1の参考例で記載したように、外部から吸入した大気を、日射を受けて高温となった太陽熱集熱パネル6と熱交換させて高温化し、これと水を集熱熱交換器7で熱交換させることで、水の加熱を行うことができる。
【0034】
天候変化により日射量が変動する場合は、太陽熱集熱パネル6の温度が変化するため、太陽熱集熱パネル6と熱交換した後の大気の温度も変化する。集熱熱交換器7に流入する大気の温度が変化しても、水量制御手段20と水量可変手段19で温度センサー16の検知する温度Twが、予め設定された給湯、あるいは暖房に必要な所定の温度T0となるように水量を制御すると、温度T0の温水を生成することができる。しかし、日射変動が激しい場合は、水量制御手段20と水量可変手段19の水量制御の追従が遅れるため、生成する温水の温度変動が大きくなる。そこで、送風制御手段24によって、温度センサー23の検知する温度T3が、所定の温度T4となるように風量可変手段17を介して太陽熱集熱パネル6と熱交換する大気の風量を制御する。
【0035】
従って、日射が変動した場合でも、太陽熱集熱パネル6の温度は一定温度となり、太陽熱集熱パネル6と熱交換関係にある大気も、風量は変化するものの、集熱熱交換器7に流入するときの温度はほぼ一定の温度に保つことができる。従って、日射変動がある場合でも、温度T0の温水を安定して生成することが可能となる。日射量が変動した場合、最初に太陽熱集熱パネル6の温度が変化するため、太陽熱集熱パネル6と熱交換したあとの大気温度を基に風量を制御する方法よりも、より迅速に日射量の変化に追従して所定の温度T0の温水を生成することができる。
【0036】
また、太陽熱集熱パネル6が受光する太陽の日射量がないときは、太陽熱集熱パネル6の温度が低下し、温度の高い大気を生成することが不可能となる。この場合、所定の温度T0の温水を生成することができないので、温度センサー23の検知温度T3がT0>T3となるとき、送風制御手段24と水量制御手段20によって、送風手段8と水ポンプ12の運転を停止させる。従って、日射変動により、所定温度T0の温水が生成できなくなる状態を迅速に検知し、装置の運転を停止させることができる。
【0037】
また、本装置を動作させていないとき、太陽の日射がある場合は、大気が太陽熱集熱パネル6を通過しないので、太陽熱集熱パネル6の表面温度は高温となる。太陽熱集熱パネル6の表面が高温となる状態が長く続くと、太陽熱集熱パネル6が劣化、破損する場合が生じる。そこで、集熱熱交換器7で水による集熱運転をしていないときでも、温度センサー23で検知する太陽熱集熱パネル6の温度T3が、所定の温度T4<T3となったとき、送風制御手段24を介して送風手段8を作動させ、大気を太陽熱集熱パネル6と熱交換させると、高温の太陽熱集熱パネル6を冷却することができる。従って、装置の耐久性を向上させることができる。ここで、所定の温度T4は、T4=30℃〜200℃の範囲で設定し、最適値は太陽熱集熱パネル6の面積、太陽熱集熱パネル6への太陽の入射角度、太陽熱集熱パネル6の材質によって決定される。
【0038】
以上のように、本参考例においては、温度センサー23と、送風制御手段24などを設置し、太陽の日射を太陽熱集熱パネル6が受光しているとき、送風手段8によって外部より吸入した大気を、太陽熱集熱パネル6の温度がT4となるように熱交換させた後、集熱熱交換器7で水と熱交換させる構成としたので、日射変動が激しい場合でも、所定の温度の温水を安定して生成する太陽熱利用装置とすることができる。また、本装置を停止しているときに、太陽の日射量がある場合でも、大気を吸入して太陽熱集熱パネルの冷却運転を行うので、耐久性を向上させた太陽熱利用装置とすることができる。
【0039】
(実施例1)
図3は、本発明の実施例1における太陽熱利用装置の構成図を示すものである。25は集熱熱交換器7の下流の大気の温度を検知する温度センサー、26は温度センサー25の検知した大気温度を基に、風量可変手段17を制御して大気の風量を可変する送風制御手段である。ここで、送風制御手段26は、温度センサー25の検知する温度T5が所定の温度T6となるように、風量を風量可変手段17を介して制御する。
【0040】
以上のように構成された太陽熱利用装置について、以下その動作、作用を説明する。太陽熱集熱パネル6が太陽の日射を受光しているとき、本実施例においても第1の参考例で記載したように、日射を受けて高温となった太陽熱集熱パネル6と熱交換させた大気で、水の加熱を行うことができる。
【0041】
太陽より太陽熱集熱パネル6が受熱した熱量よりも、集熱熱交換器7で水が大気から加熱された熱量が少ない場合は、外部の大気よりも高温の大気が装置外へ排出される。この熱交換したあとの高温の大気を室内に搬送すると、水の加熱を行うと同時に、室内の暖房を行うことができる。即ち、熱交換した後の大気の温度を温度センサー25で検知し、検知した温度T5が所定の温度T6となるように、風量可変手段17と送風制御手段26を介して、大気の風量を制御し、温度T6の大気を室内に搬送することである。ここで、所定の温度T6は、室内の暖房を行うときに必要な大気の温度に設定する。
【0042】
また、集熱熱交換器7の上流の水の温度が、集熱熱交換器7の上流側の大気温度より高い場合は、水の保有する温熱を大気へ放熱して、温度の高い大気を生成することができる。このとき、熱交換した後の大気の温度を温度センサー25で検知し、検知した温度T5が所定の温度T6となるように、風量可変手段17と送風制御手段26を介して、大気の風量を制御する。従って、温度T6の大気が送風手段8から装置外へと送風されることになる。この温度T6の大気を室内に搬送すると、太陽熱を水に蓄熱し、室内の暖房を行う装置とすることができる。
【0043】
以上のように、本実施例においては、大気の温度を検知する温度センサー25と、温度センサー25の検知した温度T5を基に風量可変手段17を制御する送風制御手段26を備え、温度センサー25の検知した温度T5が、所定の温度T6となるように風量を制御するので、太陽の日射の強弱に関わらず、水の加熱を行うことができるともに、これと同時に所定の温度の温風を生成して暖房を行う太陽熱利用装置とすることができる。
【0044】
(実施例2)
図4は、本発明の実施例2における太陽熱利用装置の構成図を示すものである。27は集熱熱交換器7で熱交換する前の水の温度を検知する温度センサー、28は温度センサー27の検知した温度T7と温度センサー16の検知した温度T1を基に、風量可変手段17とモーター9を制御して吸入する大気の風量を可変する送風制御手段、29は温度センサー27の検知した温度T7と温度センサー16の検知した温度T1を基に、水量可変手段19を制御して水量を可変する水量制御手段である。
【0045】
以上のように構成された太陽熱利用装置について、以下その動作、作用を説明する。太陽熱集熱パネル6が太陽の日射を受光しているとき、本実施例においても第1の参考例、および第2の参考例で記載したように、外部から吸入した大気を、日射を受けて高温となった太陽熱集熱パネル6と熱交換させて高温化し、これと水を集熱熱交換器7で熱交換させることで、水の加熱を行うことができる。
【0046】
太陽熱集熱パネル6が太陽の日射を受光しないとき(夜間、曇り、雨天など)、送風手段8によって外部から大気を吸入すると、大気は太陽熱集熱パネル6で加温されないまま集熱熱交換器7へ流入する。従って、大気の風量を下げても、高温の大気を生成することはできない。しかし、外部から吸入した大気と集熱熱交換器7へ入る水回路10の水との間に温度差がある場合は、大気と水は集熱熱交換器7を介して熱交換することが可能である。
【0047】
特に、夏場の気温が高い場合は、太陽の日射がないときでも、水の温度より大気の温度が高い場合がある。従って、温度センサー21と温度センサー27で大気と水の温度を検知し、水より大気が高温であるとき、送風手段8を動作させて外部から大気を吸入すると、大気の保有する温熱を集熱熱交換器7を介して水の加熱に利用することができる。
【0048】
即ち、送風制御手段28によって、温度センサー27の検知した水の温度T7に対して、温度センサー21の検知した大気の温度T1がT7<T1となるとき、送風手段8を運転させると水を加熱することができる。このとき、T1<T0となるとき、所定の温度T0の温水が生成できないが、太陽熱集熱パネル6が日射を受熱した場合に、貯水槽13に貯水された水を再循環させることにより、短時間で所定の温度T0の温水を生成することができる。
【0049】
また、太陽の日射の有無に関わらず、集熱熱交換器の上流の水回路10の水の温度T7が、太陽熱集熱パネル6を通過した大気の温度より高い場合は、集熱熱交換器7を介して、熱媒体の温熱を大気へ放熱してしまう。即ち、温度センサー21の検知した大気温度T1が、温度センサー27の検知した水の温度T7に対してT1≦T7となるとき、送風制御手段は28は、モーター9を介して送風手段8を停止させることで、水の温熱の大気への放熱を抑制することができる。
【0050】
図8に示す従来の太陽熱温水器の場合では、上記のように、気温が高く、貯水した水の温度が低くても、ガラス板3が熱抵抗となるため、大気と太陽熱集熱器4の水が熱交換する量は少量に止まるため、大気の保有する温熱を給湯に利用することはできない。さらに、太陽熱集熱器4に貯めて高温に加熱された水は、太陽熱集熱器4が天候変化により太陽の日射を受光しなくなったとき、水の保有する温熱を大気へ放熱してしまう。しかし、本実施例によれば、送風制御手段28は、温度センサー21、27の検知した大気温度と水の温度を基に、送風手段8の運転を制御するので、水の温熱を大気へ放熱を防ぐことができる。
【0051】
また、受熱した太陽の日射を最大限に水の加熱に利用する条件は、集熱熱交換器7の熱通過率が最大となるときである。集熱熱交換器7の熱通過率を増加させるためには、水量と大気の風量を増加させる必要があるが、温度センサー16の検知した温度T1が温度センサー27の検知した温度T7に対して、T1<T7となるまで風量を増加させると水の加熱が不可能となる。従って、温度センサー16の検知した温度T1と温度センサー27の検知した温度T7の温度差(T1−T7)が所定の温度差となるように風量を送風制御手段28で制御すると、太陽の日射を最大限に利用して水の加熱を行うことができる。ここで、本実施例において温度差(T1−T7)は、1〜10℃とした。この温度差の最適値は、集熱熱交換器7の仕様、および、送風手段8の仕様によって決定される値である。
【0052】
以上のように、本実施例においては、水の温度を検知する温度センサー27と、温度センサー27の検知した温度を基に送風手段8を制御する送風制御手段28を備え、温度センサー21の検知した大気温度T1が、温度センサー27の検知した水の温度T7に対して、T1<T7となるとき送風手段8を運転させることとした。従って、太陽の日射の有無に関わらず、大気と熱媒体に温度差がある場合(夏季等)は、自然エネルギーを有効に利用して水の加熱を行うことができるともに、天候変化により太陽の日射量が変動しても、水の保有する温熱を大気へ放熱することを防ぐことができる。また、温度差(T1−T7)が所定の温度差となるように、風量を制御すると太陽の日射を最大限に水の加熱に利用できる装置とすることができる。
【0053】
(実施例3)
図5は、本発明の実施例3における太陽熱利用装置の構成図を示すものである。図5において、6aは集熱熱交換器7の上面に配置して太陽光を透過する透過体である。太陽の日射は透過体6aを透過した後、太陽熱集熱パネル6によって吸収される。送風手段8によって、外部から吸入された大気は、透過体6aと太陽熱集熱パネル6との間の空間を通過して集熱熱交換器7へ流入する。本実施例において透過体6aには、ガラスを用いたが、プラスチック、アクリル等の樹脂材料も用いることができる。以上のように構成された太陽熱利用装置について、以下その動作、作用を説明する。
【0054】
太陽熱集熱パネル6が太陽の日射を受光しているとき、本実施例においても第1の参考例で記載したように、外部から吸入した大気を、日射を受けて高温となった太陽熱集熱パネル6と熱交換させて高温化し、これと水を集熱熱交換器7で熱交換させることで、水の加熱を行うことができる。
【0055】
ここで、太陽熱集熱パネル6と透過体6aの間の空間を通過する大気は、高温となった太陽熱集熱パネル6の表面と熱交換して高温となるが、空間を通過する際の大気は、外部の大気と混合されることなく熱交換するので、透過体6aを設置することにより、温室効果を利用してさらに高温の大気を生成することができる。即ち、日射量がごく僅かな場合でも、水の加熱ができるとともに、より高い温度まで水を加熱することが可能となる。
【0056】
以上のように、本実施例においては、透過体6aを設置し、太陽熱集熱パネル6と透過体6aの間の空間を通過する大気を温室効果を利用して高温化するので、日射がごく僅かな条件でも、水の加熱を行うことができる。さらに、より高い温度まで大気温度を上昇させることが可能となるので、より高温の温水が生成できる太陽熱利用装置とすることができる。
【0057】
(参考例3)
図6は、本発明の参考例3における太陽熱利用装置の構成図を示すものである。図6において、30は集熱熱交換器7の上流側に設置して外部より大気を吸入する開閉ダンパーであり、開閉が可能な構成である。31は開閉ダンパー30の開閉を制御するダンパー制御手段であり、温度センサー21の検知した温度T1をもとにダンパー部分の開閉動作を行う。
【0058】
以上のように構成された太陽熱利用装置について、以下その動作、作用を説明する。太陽熱集熱パネル6が太陽の日射を受光しているとき、本参考例においても第1の参考例、および第2の参考例で記載したように、外部から吸入した大気を、日射を受けて高温となった太陽熱集熱パネル6と熱交換させて高温化し、これと水を集熱熱交換器7で熱交換させることで、水の加熱を行うことができる。
【0059】
太陽の日射量が多く、外部から吸入する大気の温度が高い場合(夏季など)は、高温の大気が最も多量に生成される条件であり、水を加熱する能力が最大となる。このとき、送風手段8で吸入される大気の量も最大となるが、実施例3で示すような構成とした場合、大気が太陽熱集熱パネル6と透過体6aの間隙を通過する際の通路抵抗が増加するので、送風手段8のモーター9が消費する電力量が増大してしまう。そこで、温度センサー21の検知温度T1が所定の温度T9に対して、T1>T9になった場合は、開閉ダンパー制御手段31によって開閉ダンパー30を開き、外部から大気を吸入する。太陽熱集熱パネル6を通過した高温の大気と、開閉ダンパーから吸入された大気と混合した大気の温度が所定の温度T9となるように送風手段8の風量を送風制御手段18で制御する。
【0060】
このとき、開閉ダンパーから吸入された大気は、太陽熱集熱パネル6を通過しないので、大気が太陽熱集熱パネルを通過する際の通路抵抗を低減することができる。従って、大量の風量が必要なときであっても、開閉ダンパー30を開放することによって外部から大気を吸入すると送風手段8のモーター9の消費する電力量を低く抑えることが出来る。ここで、本参考例では所定の温度T9を第2の参考例のT2としたので、貯水槽13に所定の温度T0の温水を貯水することができる。
【0061】
太陽熱集熱パネル6が太陽の日射を受光しないとき(夜間、曇り、雨天など)、送風手段8によって外部から大気を吸入すると、大気は太陽熱集熱パネル6で加温されないまま集熱熱交換器7へ流入する。しかし、流入する大気と集熱熱交換器7へ入る水回路10の水との間に温度差がある場合は、大気と水は集熱熱交換器7を介して熱交換することが可能である。特に、夏場の気温が高い場合は、太陽の日射がないときでも、水の温度より大気の温度が高い場合がある。従って、第2の実施例で示した温度センサー27を設置し、温度センサー21と温度センサー27で大気と水の温度を検知し、水より大気が高温であるとき、送風手段8を動作させて外部から大気を吸入すると、大気の保有する温熱(大気熱)を集熱熱交換器7を介して水の加熱に利用することができる。
【0062】
このとき、実施例3で示すような構成である場合、開閉ダンパー30を開放し、外部から大気を吸入すると、大気が太陽熱集熱パネル6と透過体6aの間隙を通過する際の通路抵抗が低減するので、大量の大気を集熱熱交換器7に導くことができる。従って、大気熱で水を加熱する時の加熱能力を向上させることができる。このとき、T1<T0となるとき、所定の温度T0の温水が生成できないが、太陽熱集熱パネル6が日射を受熱した場合に貯水槽13に貯水された水を再循環させることにより、短時間で所定の温度T0の温水を生成することができる。
【0063】
以上のように、本参考例においては、集熱熱交換器7の大気通路の上流側に外部より大気を吸入するための開閉ダンパー30を設置し、日射量が多い場合、あるいは日射がない場合は、開閉ダンパー30を開放して外部より大気を吸入して大気の通路抵抗を低減させるので、効率の高い太陽熱利用装置とすることが出来る。さらに、大量の大気を集熱熱交換器7に導くことができるので、大気熱利用時の水の加熱能力を向上させることができる。
【0064】
(参考例4)
図7は、本発明の参考例4における太陽熱利用装置の構成図を示すものである。32は圧縮機、蒸発器、減圧弁、冷媒回路などを有するヒートポンプ回路、33はヒートポンプ回路の冷媒と水回路11の水が熱交換する冷媒熱交換器、34は冷媒熱交換器33を流出した水の温度を検知する温度センサー、35は温度センサー34の検知した温度を基に水量を制御する水量制御手段である。
【0065】
以上のように構成された太陽熱利用装置について、以下その動作、作用を説明する。日射の強弱に関わらず、送風制御手段18で風量を制御して得られる高温の大気温度T1が、本装置で設定された目標とする温水の温度T0より決定される温度T2に達しない場合は、温度T0まで水を加熱することができない。そこで、風量制御と水量制御を行っても、所定の温度T0の温水が得られない場合は、ヒートポンプ回路32の圧縮機を駆動させ、冷媒の凝縮熱を冷媒熱交換器33を介して水に放熱する。従って、集熱熱交換器7を流出した水を再加熱することが可能となる。温度センサー34で冷媒熱交換器33を流出した温水の温度を検知し、この検知した温度が所定の温度T0となるように、水量制御手段35で水量を制御すると、所定の温度まで加熱された水を生成することができる。また、冷媒の凝縮熱を併用するので、水の加熱能力の増加させることができる。
【0066】
以上のように、本参考例においては、ヒートポンプ回路32と、冷媒熱交換器33と、温度センサー34と、水量制御手段35などを設置したので、太陽熱集熱パネル6と熱交換させて高温化した大気で、所定の温度T0まで水を加熱できないとき、冷媒の凝縮熱で水を所定の温度T0まで再加熱する生成することが可能となる。従って、太陽の日射量に左右されずに、所定の温度の温水を生成するばかりでなく、水の加熱能力を向上させた太陽熱利用装置とすることができる。
【0067】
尚、本参考例において、ヒートポンプ回路を設置して、水の加熱を行う構成としたが、ヒートポンプ回路の替わりにヒーター等の加熱手段を設置して所定の温度まで加熱するとしても、日射量に左右されずに、給湯、あるいは暖房を行うために必要な温度まで水を加熱する太陽熱利用装置とすることができる。
【0068】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、太陽の日射量の強弱に関わらず、水を所定の温度T0まで加熱し、さらに、太陽の日射がない場合でも、大気熱などの自然エネルギーを有効に利用して水(または、ブラインなど)を加熱する太陽熱利用装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の参考例1における太陽熱利用装置の構成図
【図2】 本発明の参考例2における太陽熱利用装置の構成図
【図3】 本発明の実施例1における太陽熱利用装置の構成図
【図4】 本発明の実施例2における太陽熱利用装置の構成図
【図5】 本発明の実施例3における太陽熱利用装置の構成図
【図6】 本発明の参考例3における太陽熱利用装置の構成図
【図7】 本発明の参考例4における太陽熱利用装置の構成図
【図8】 従来の太陽熱利用装置の構成図
【符号の説明】
6 太陽熱集熱パネル
6a 透過体
7 集熱熱交換器
8 送風手段
10、11 水回路
16、21、23、25、27、34 温度センサー
17 風量可変手段
18、24、26、28 送風制御手段
19 水量可変手段
20、29、35 水量制御手段
30 開閉ダンパー
32 ヒートポンプ回路
33 冷媒熱交換器
Claims (6)
- 太陽熱集熱パネルと、大気を前記太陽熱パネルに通風させる送風手段と、水回路と、前記太陽熱パネルを通過した大気が前記水回路の水と熱交換する集熱熱交換器と、前記送風手段の風量を可変する風量可変手段と、水回路の水量を可変する水量可変手段と、前記集熱熱交換器の下流に大気の温度を検知する温度センサーと、前記温度センサーの検知温度T5が所定の温度T6となるように風量制御手段を介して風量を可変制御する送風制御手段とを備えた太陽熱利用装置。
- 太陽熱集熱パネルと、大気を前記太陽熱パネルに通風させる送風手段と、水回路と、前記太陽熱パネルを通過した大気が前記水回路の水と熱交換する集熱熱交換器と、前記送風手段の風量を可変する風量可変手段と、水回路の水量を可変する水量可変手段と、前記集熱熱交換器の上流に大気の温度を検知する温度センサーと、前記集熱熱交換器の上流に水の温度を検知する温度センサーと、前記大気の温度を検知する温度センサーの検知温度T1が所定の温度T2となるように風量可変手段を介して風量を可変制御するとともに、前記水の温度を検知する温度センサーの検知温度を基に、前記送風手段を作動させる送風制御手段とを備えた太陽熱利用装置。
- 太陽熱集熱パネルの温度を検知する温度センサーと、前記温度センサーの検知温度T3が所定の温度T4となるように風量可変手段を介して風量を可変制御する送風制御手段を備えた請求項1又は2記載の太陽熱利用装置。
- 太陽熱集熱パネルは、太陽光を透過する透過体を備えた請求項1〜3のいずれか1項に記載の太陽熱利用装置。
- 集熱熱交換器の上流に、外部から大気を吸入するための開閉が可能な開閉ダンパーを備えた請求項1〜4のいずれか1項に記載の太陽熱利用装置。
- ヒートポンプ回路と、前記ヒートポンプ回路の冷媒と水回路の水が熱交換する冷媒熱交換器を備えた請求項1〜5のいずれか1項に記載の太陽熱利用装置。
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