JP5427315B2 - 太陽熱システム - Google Patents

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Description

本発明は、太陽熱システムに関し、より詳しくは、システムの利用効率を高め、集熱部によって獲得された熱を暖房および給湯負荷に迅速に利用できるようにし、安定したシステム駆動が可能な太陽熱システムに関する。
一般的に、太陽熱システムは、集熱部、蓄熱部、および利用部で構成され、集熱部によって集熱された熱を熱交換器によって蓄熱部に蓄熱し、蓄熱した熱を利用部において暖房および給湯の熱源として用いるシステムである。
既存の太陽熱システムは、価格が高価である反面、システムの利用効率が暖房の場合に４０〜５０％と微弱であり、システム過熱などの故障が頻繁に生じるという問題点がある。
すなわち、暖房負荷を通過した暖房還水の温度が蓄熱タンクの下部温度より高く流入される場合、蓄熱タンク内部の温度成層化が乱れて、蓄熱した熱量を暖房熱源として十分に活用することができず、暖房システム設計が誤った場合、太陽熱の予熱暖房条件において補助ボイラーが蓄熱タンク内部の水を暖めるということが生じ得るし、集熱器との熱交換が蓄熱タンクの下部でなされて順次に水を暖めることになるため、冬季のように常時に熱源が必要な場合には、実際の負荷対応速度が遅くなることにより全体システムの効率が低いという問題点があった。
また、熱媒体循環ラインに漏れが発生しても警報システムがなく、自然減少分に対しても消費者が直接補充しなければならないという問題点があり、夏季の場合には、蓄熱した水温が８０℃以上に上昇して、温水使用時に火傷の危険があった。
さらには、システムが過熱する場合、集熱部に設けられたＡＣ電源放熱器で集熱した熱を放熱して、外部電力の使用量が増加するという問題点があった。
本発明は、前記した問題点を改善するために発明したもので、暖房負荷の通過前後の暖房水の温度を比較し、暖房循環流量の変流量制御を実施して暖房還水温度を最大限に下げ、暖房還水温度に応じて蓄熱タンクに流入される流路の形成を異にして、蓄熱した熱量の暖房熱源としての使用を極大化し、システムの利用効率を高めた太陽熱システムを提供することに目的がある。
また、本発明は、集熱器の熱媒体循環流量の変流量制御によって熱媒体の温度を高め、蓄熱タンクの下部および上部において熱媒体との熱交換がなされるように流路を形成させることにより、集熱部によって獲得された熱を暖房および給湯負荷に迅速利用できるようになった太陽熱システムを提供することに他の目的がある。
また、本発明は、集熱部に圧力センサを設けると共に熱媒体補充水タンクにチェックバルブを設けて、一定圧力以下では熱媒体の自動補充および漏れの警報を発し、熱媒体補充水タンクに低水位センサを設けて、熱媒体補充を知らせることによって、作動エラーを防止できるようにし、給湯出口と冷水入口に混合弁が適用されたバイパスラインを設けて、適正温度の温水を供給できるようにし、蓄熱タンクの上部温度が一定温度以上である場合に警報を発する一方、蓄熱タンクの上部に設けられた太陽光ＰＶ（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）モジュールで作動するＤＣ電源放熱器および循環ポンプによって蓄熱した熱量を放熱することにより、安定したシステム駆動を可能にした太陽熱システムを提供することにもう一つの目的がある。
前記目的を達成するための本発明の太陽熱システムは、
太陽熱を吸収して内部に収容された熱媒体を加熱する太陽熱集熱器と、
暖房水が収容されると共に、前記太陽熱集熱器に蓄熱配管を介して連結される第１蓄熱熱交換器と第２蓄熱熱交換器が内側の上部と下部にそれぞれ設けられ、暖房還水を内側に拡散させるディフューザを備えている蓄熱槽と、
前記蓄熱配管に連結され、蓄熱配管内の圧力を感知する圧力センサと熱媒体を圧送して循環させる循環ポンプと、
前記蓄熱配管に不足した熱媒体を補充するために加圧ポンプを介して連結された熱媒体補充水タンクと、
前記蓄熱槽の暖房水供給配管に暖房水供給制御用三方弁を介して暖房水出口が連結され、前記蓄熱槽のディフューザに暖房水還水制御用三方弁を介して暖房還水口が連結される補助ボイラーと、
前記暖房水供給制御用三方弁と前記補助ボイラーの暖房還水口との間に連結されるチェックバルブと、
前記補助ボイラーの暖房水出口と前記暖房水還水制御用三方弁に連結される暖房負荷と、を含んでなっている。
前記において、ディフューザは、蓄熱槽の中部と下部にそれぞれ設けられ、前記中部および下部に設けられるディフューザは、流入口が暖房還水配管に連結されている三方弁の相異なる出口にそれぞれ連結され、前記三方弁は、蓄熱槽の高さ別の温度と暖房還水の温度が比較され、暖房還水より高い部位に流入されるように開放が制御されることを特徴とする。
前記において、前記蓄熱槽には冷水管が入口に連結される蓄熱槽温水熱交換器が内側に設けられ、前記蓄熱槽温水熱交換器の出口に連結される温水配管には前記補助ボイラーの温水熱交換器を介して混合弁が連結され、前記混合弁の一側には前記冷水管が連結される一方、前記混合弁の温水入口側と出口側および冷水流入口側にはそれぞれ温度センサが設けられ、前記混合弁においては、混合弁の入出口に設けられた温度センサの感知温度に基づいて出水温度が制御されるようになることを特徴とする。
前記において、前記蓄熱槽の上部と中部および下部に各位置における温度を感知する上部温度センサ、中部温度センサ、および下部温度センサがそれぞれ設けられ、暖房還水の流入位置と集熱配管の熱媒体流入位置を制御するようになることを特徴とする。
前記蓄熱槽の上側には蓄熱槽内の暖房水を外部に循環させて放熱させられるように放熱配管を介して放熱器が連結され、前記放熱配管の一端には二方弁と循環ポンプが連結される一方、前記放熱器には太陽光発電機が連結され、太陽光発電機から供給される電源によって駆動されるようになることを特徴とする。
前記したように、本発明は、暖房循環流量の変流量制御によって暖房還水を最大限に下げることができ、蓄熱した熱量の暖房熱源としての使用を極大化し、暖房および給湯負荷に応じた迅速な応答性を持たせることによってシステム効率を非常に高めることができ、熱媒体の不足状態を感知して使用者に補充することを知らせることができ、給湯温度を一定に維持できるだけでなく、電力消費を減らし、補助ボイラーの稼動を最小化できるという利点がある。
本発明に係る太陽熱システムの全体系統図を示す図面である。 図１中の太陽熱集熱システム系統図を示す図面である。 図１中の太陽熱暖房システム系統図を示す図面である。 図１中の太陽熱給湯システム系統図を示す図面である。
以下、例示図面に基づいて本発明の好ましい一実施形態に対する構成および作用を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による太陽熱システムの全体系統図を示すものであって、本発明は、大きく分けて、太陽エネルギーを吸収して熱に変換する太陽熱集熱器１０、前記太陽熱集熱器１０によって吸収された熱を蓄熱する蓄熱槽２０、前記蓄熱槽２０によって予熱された暖房水または温水を所定温度に加熱する補助熱交換器３０、前記蓄熱した熱を利用する暖房負荷４０、前記太陽熱集熱器１０の蓄熱配管に不足した熱媒体を補充するための熱媒体補充水タンク５０、温水を設定温度で供給するための混合弁６０、前記蓄熱槽２０の蓄熱温度が設定温度以上である場合に放熱するための放熱器７０と、前記放熱器７０の駆動電源を供給するために太陽光を電気エネルギに変換する太陽光発電機８０とからなる。
以下では、システム別系統図に基づいてより詳細に説明する。
図２は、図１中の太陽熱集熱システム系統図を示す。
建物の外部に設けられ、太陽熱を集熱する太陽熱集熱器１０の熱媒体出口側に設けられる集熱配管１１と熱媒体入口側に設けられる集熱配管１２との間には第１、第２蓄熱熱交換器２１，２２が直列に連結され、前記第１蓄熱熱交換器２１は蓄熱槽２０内において上部に設けられ、前記第２蓄熱熱交換器２２は蓄熱槽２０内において下部に設けられている。このようにして、前記太陽熱集熱器１０によって加熱された熱媒体が前記第１、第２蓄熱熱交換器２１，２２に循環し、これにより、前記蓄熱槽２０内に収容されている暖房水が前記第１、第２蓄熱熱交換器２１，２２において熱交換がなされて加熱される。
また、太陽熱集熱器１０と蓄熱槽２０の上部に設けられる第１蓄熱熱交換器２１を連結する集熱配管１１には三方弁Ｖ１が連結され、前記三方弁Ｖ１は集熱配管１１の流路を第１蓄熱熱交換器２１を経て第２蓄熱熱交換器２２に形成するか、あるいは第１蓄熱熱交換器２１を経ずに第２蓄熱熱交換器２２に直接形成するように変更する役割をする。これにより、太陽熱集熱器１０から集熱配管１１を通じて流れる熱媒体は、前記第１、第２蓄熱熱交換器２１，２２を経て太陽熱集熱器１０に循環するか、前記第１蓄熱熱交換器２１を経ずに前記第２蓄熱熱交換器２２だけを経た後に太陽熱集熱器１０に循環し得る。
蓄熱槽２０において第１蓄熱熱交換器２１を経て熱媒体を循環させる場合には、蓄熱槽２０の蓄熱量がほとんど消耗した状態、すなわち上部温度センサＴＣ４によって感知される水温が一定温度以下において熱量に対する需要がある時に上部の水温を速かに蓄熱させようとする時であり、これにより熱量の需要に対する応答速度が速くなる。
前記集熱配管１１には、太陽熱集熱器１０の温度を測定できる温度センサＴＣ１が連結され、集熱配管１２には、集熱配管１２内の圧力を感知する圧力センサ１３が連結されると共に、集熱配管１１，１２を通じて太陽熱集熱器１０と蓄熱槽２０間に熱媒体を循環させるための循環ポンプ１４が連結されている。
前記圧力センサ１３は、集熱配管１２内の熱媒体の温度が過度に上昇する場合、圧力が設定値より高くなるのを防止するために、集熱配管１２内の圧力を感知して太陽熱システムの全般的な動作を制御するコントローラ（図示せず）に伝達する。
前記コントローラは、温度センサＴＣ１を通じて太陽熱集熱器１０の獲得熱量を判断し、獲得熱量が大きい場合には、循環ポンプ１４の回転数を上げて流量を大きくすることによって蓄熱熱量を高め、獲得熱量が小さい場合には、循環ポンプ１４の回転数を下げて流量を小さくすることにより、循環ポンプ１４の頻繁なオン／オフを防止して、循環ポンプ１４の耐水性を増大させ、消費電力を減少させることができる。
また、前記集熱配管１２の一端には、集熱配管１２を通じて循環する熱媒体が不足した場合、これを補充するための熱媒体補充水タンク５０が加圧ポンプ１５を介して連結されている。熱媒体補充水タンク５０内には低水位センサ５１が設けられ、感知した信号を前記コントローラに伝送し、前記コントローラにおいては、熱媒体補充水タンク５０から受信した低水位感知信号に対応して、通常の警報手段を利用して使用者に知らせる。
さらに、前記蓄熱槽２０の上部と中部および下部には、それぞれ、上部温度センサＴＣ２、中部温度センサＴＣ３、および下部温度センサＴＣ４が設けられ、各位置における蓄熱槽２０内の暖房水温度を感知して前記コントローラに伝達するようになっている。
また、前記蓄熱槽２０の上側には放熱配管を介して放熱器７０が連結されていると共に、前記放熱配管の途中には二方弁７１と循環ポンプ７２が連結されている。また、前記放熱器７０には太陽光発電機８０が連結され、常用電源ではない太陽光発電機８０から供給される電源によって駆動されるようになっている。
このようにして、前記上部温度センサＴＣ２によって蓄熱槽２０の上部温度が所定温度以上である場合、コントローラにおいては警報手段を作動させ、蓄熱槽２０の上部に設けられた放熱器７０および循環ポンプ７２を作動させて、蓄熱した熱量を放熱するようになっている。放熱器７０および循環ポンプ７２は、太陽光発電機８０から供給される電源によって駆動されるようにすることにより常用電源を使わないので、電力費用を節減できるようになっている。
図３は、図１中の太陽熱暖房システムの系統図を示す。
蓄熱槽２０の上部一側に設けられる出口側には暖房水供給配管４１が連結され、前記暖房水供給配管４１には暖房水供給制御用三方弁Ｖ４を介して補助ボイラー３０の暖房水出口が連結されると共に暖房負荷４０の一端が連結される。
前記補助ボイラー３０の暖房水還水口と前記暖房負荷４０の他端には三方弁Ｖ３を介して暖房還水配管４２が連結され、前記暖房水還水制御用三方弁Ｖ３の他端に連結される暖房還水配管４２には蓄熱槽２０に設けられるディフューザ２３、２４が連結されている。
前記ディフューザ２３２４は、還水する暖房水を蓄熱槽２０内に噴射して迅速に拡散されるようにして速かに熱交換がなされるようにするもので、図示したように、ディフューザ２３は蓄熱槽２０の中部に設けられ、ディフューザ２４は蓄熱槽２０の下部に設けられることができ、この場合、暖房還水配管４２を通じて還水する暖房水は、その温度に応じ、三方弁Ｖ２を通じて中部のディフューザ２３または下部のディフューザ２４に供給されるように流路を変更することができる。
また、前記暖房水供給配管４１または暖房還水配管４２の一端には暖房水を循環させるための循環ポンプ４４が設けられる。図示したのは、暖房還水配管４２に設けられた例である。
このような構造からなる暖房システム系において、蓄熱槽内の温度と暖房還水の温度差に応じた暖房流路について説明する。
第１に、蓄熱槽２０内の温度が使用者が設定した温度より高い場合について説明する。この時はコントローラが蓄熱槽２０内の各温度センサＴＣ２〜ＴＣ４によって感知される温度が使用者が設定した暖房温度より高いと判断された場合であって、三方弁Ｖ４は蓄熱槽２０から暖房負荷４０方向に流路が形成されるように制御される一方、三方弁Ｖ３は暖房負荷４０から蓄熱槽２０方向に流路が形成されるように制御される。これにより、蓄熱槽２０の暖房水供給配管４１を通じて出水する暖房水は暖房負荷４０を経て直に蓄熱槽２０に還水され、再度熱交換された後に出水する循環動作が繰り返される。
第２に、蓄熱槽２０内の下層温度は使用者が設定した温度より低いものの、上層温度は使用者が設定した温度より高い場合について説明する。この時は、コントローラが蓄熱槽２０内の各温度センサＴＣ２〜ＴＣ４によって感知される温度から、下層温度は使用者が設定した暖房温度より低く、上層温度は使用者が設定した暖房温度より高いと判断された場合であって、
三方弁Ｖ４は蓄熱槽２０から暖房負荷４０方向に流路が形成されるように制御される一方、三方弁Ｖ３は暖房負荷４０から蓄熱槽２０方向に流路が形成されるように制御され、特に三方弁Ｖ２が三方弁Ｖ３から中部のディフューザ２３方向に流路が形成されるように制御される。これにより、蓄熱槽２０の暖房水供給配管４１を通じて出水する暖房水は暖房負荷４０を経て蓄熱槽２０の中部位置に還水され、再度熱交換された後に出水する循環動作が繰り返される。
第３に、蓄熱槽２０内の温度が使用者が設定した温度より低い場合について説明する。この時は、コントローラが蓄熱槽２０内の各温度センサＴＣ２〜ＴＣ４によって感知される温度が使用者が設定した暖房温度より低いと判断された場合であって、三方弁Ｖ４は蓄熱槽２０に流れる流路が遮断される方向に流路が形成されるように制御される一方、三方弁Ｖ３は暖房負荷４０から補助熱交換器３０方向に流路が形成されるように制御される。これにより、補助熱交換器３０で熱交換によって加熱される暖房水は暖房負荷４０を経て再度補助熱交換器３０に還水され、再度熱交換されて出水する循環動作が繰り返される。
このように、蓄熱槽２０は、内部の水温が、上層部が高くて下層部が低い成層化をなすことにより、暖房負荷４０を通過して還水される温度と蓄熱槽２０の高さに応じた温度を相互比較して、蓄熱槽２０に暖房水を流入させて加熱するか、外部の補助熱交換器３０を通じて加熱するようにすることにより、蓄熱槽２０の内部熱量を最大限に活用することができる。
また、コントローラにおいては、暖房負荷４０の前後端に設けられた温度センサＴＣ８、ＴＣ９によって暖房負荷４０通過前後の暖房水温度を比較して、暖房循環流量の変流量制御、すなわち循環ポンプ稼動程度ＲＰＭを調節する。
また、前記暖房水供給制御用三方弁Ｖ４の他の流路孔と前記補助ボイラー３０の暖房還水口との間にはチェックバルブ４３を介して連結されている。前記チェックバルブ４３は、蓄熱槽２０から暖房水供給配管４１を通じて供給される暖房水が必要に応じて補助ボイラー３０に供給されて熱交換を可能にするが、この時、暖房負荷４０と暖房水還水制御用三方弁Ｖ３を経て補助ボイラー３０に還水される暖房水が暖房水供給配管４１に流入されるのを防止するためのものである。
図４は、図１中の太陽熱給湯システムの系統図を示す。
蓄熱槽２０には冷水管６１が入口に連結される蓄熱槽温水熱交換器２５が内側に設けられ、前記蓄熱槽温水熱交換器２５の出口に一端が連結される温水配管６２の他端には補助ボイラー３０に設けられる温水熱交換器３２を介して混合弁６０が連結される。前記混合弁６０の他側には前記冷水管６１が直接連結される一方、また他の一側には温水バルブ６３が連結される。また、前記混合弁６０の温水入口側と出口側および冷水流入口側には各位置において温水および冷水の温度を感知するように温度センサＴＣ５、ＴＣ６、ＴＣ７がそれぞれ設けられている。したがって、コントローラは、温度センサＴＣ５、ＴＣ６、ＴＣ７の感知温度と使用者が設定した温水温度とを比較して混合弁６０の開放度を制御する。すなわち、混合弁６０は温水配管６２を通じて流入される温水量と冷水管６１を通じて流入される冷水量の流入量をそれぞれ調節して、使用者が設定した温度の温水を供給するようになる。これにより、予期できない高温の温水排出が防止され、火傷を未然に防止できるようになる。
前記冷水管６１は常に開放された状態にあり、使用者が家庭に設けられた温水バルブ６３を開放すれば、蓄熱槽２０または補助ボイラー３０によって加熱された温水が温水配管６２を通じて温水バルブ６３に供給され、前記冷水管６１を通じて流入される冷水の圧力によって排出されるようになる。
１０・・・太陽熱集熱器
１１、１２・・・集熱配管
１３・・・圧力センサ
１４・・・循環ポンプ
１５・・・加圧ポンプ
２０・・・蓄熱槽
２１・・・第１蓄熱熱交換器
２２・・・第２蓄熱熱交換器
２３、２４・・・ディフューザ
２５・・・蓄熱槽温水熱交換器
３０・・・補助熱交換器
４０・・・暖房負荷
４１・・・暖房水供給配管
４２・・・暖房還水配管
４３・・・チェックバルブ
５０・・・熱媒体補充水タンク
５１・・・低水位センサ
６０・・・混合弁
６１・・・冷水管
６２・・・温水配管
６３・・・温水バルブ
７０・・・放熱器
７１・・・二方弁
７２・・・循環ポンプ
８０・・・太陽光発電機
Ｖ１〜Ｖ４・・・三方弁
ＴＣ１〜ＴＣ９・・・温度センサ

Claims (7)

  1. 太陽熱を吸収して内部に収容された熱媒体を加熱する太陽熱集熱器と、
    暖房水が収容されると共に、前記太陽熱集熱器に蓄熱配管を介して連結される第１蓄熱熱交換器と第２蓄熱熱交換器が内側の上部と下部にそれぞれ設けられ、暖房還水を内側に拡散させるディフューザを備えている蓄熱槽と、
    前記蓄熱配管に連結され、蓄熱配管内の圧力を感知する圧力センサと熱媒体を圧送して循環させる循環ポンプと、
    前記蓄熱配管に不足した熱媒体を補充するために加圧ポンプを介して連結された熱媒体補充水タンクと、
    前記蓄熱槽の暖房水供給配管に暖房水供給制御用三方弁を介して暖房水出口が連結され、前記蓄熱槽のディフューザに暖房水還水制御用三方弁を介して暖房還水口が連結される補助ボイラーと、
    前記暖房水供給制御用三方弁と前記補助ボイラーの暖房還水口との間に連結されるチェックバルブと、
    前記補助ボイラーの暖房水出口と前記暖房水還水制御用三方弁に連結される暖房負荷と、を含んでなる太陽熱システム。
  2. 前記ディフューザは、蓄熱槽の中部と下部にそれぞれ設けられ、前記中部および下部に設けられるディフューザは、流入口が暖房還水配管に連結されている三方弁の相異なる出口にそれぞれ連結され、前記三方弁は、蓄熱槽の高さ別の温度と暖房還水の温度が比較され、暖房還水より高い部位に流入されるように流路が制御されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱システム。
  3. 前記蓄熱槽には冷水管が入口に連結される蓄熱槽温水熱交換器が内側に設けられ、前記蓄熱槽温水熱交換器の出口に連結される温水配管には前記補助ボイラーの温水熱交換器を介して混合弁が連結され、前記混合弁の一側には前記冷水管が連結される一方、前記混合弁の温水入口側と出口側および冷水流入口側にはそれぞれ温度センサが設けられ、前記混合弁においては、混合弁の入出口に設けられた温度センサの感知温度に基づいて出水温度が制御されるようになることを特徴とする、請求項１または２に記載の太陽熱システム。
  4. 前記蓄熱槽の上部と中部および下部に各位置における温度を感知する上部温度センサ、中部温度センサ、および下部温度センサがそれぞれ設けられ、暖房還水の流入位置と集熱配管の熱媒体流入位置を制御するようになることを特徴とする、請求項３に記載の太陽熱システム。
  5. 前記蓄熱槽の上側には蓄熱槽内の暖房水を外部に循環させて放熱させられるように放熱配管を介して放熱器が連結され、前記放熱配管の一端には二方弁と循環ポンプが連結される一方、前記放熱器には太陽光発電機が連結され、太陽光発電機から供給される電源によって駆動されるようになり、太陽熱集熱器の出口側に設けられる温水温度感知センサの感知温度が予め設定された温度より高い場合、放熱器に循環させて過熱を防止するようになることを特徴とする、請求項３に記載の太陽熱システム。
  6. 温水出口に設けられる混合弁には冷水管が連結され、温水の出水温度を制御できるようになることを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱システム。
  7. 熱媒体補充水タンクには低水位センサが設けられ、熱媒体の自動補充と漏れ警報を発せられるようになることを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱システム。
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