JP5774435B2 - 集熱システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽熱によって流体を加熱する集熱システムに関する。

従来、太陽熱を利用して温水を生成する装置として、例えば、特許文献１に示されるように、１組の給水用ヘッダ（流入ヘッダ）と温水収集用ヘッダ（流出ヘッダ）それぞれに複数の集熱器を並列接続する構成の集熱システムが特に家庭用として普及している。

また、太陽熱によって加熱された温水や水蒸気の熱を空調等に利用する業務用の集熱システムは、直列に接続された複数の集熱器の列（以下「集熱部」と称する）をさらに並列接続することで、屋上面や屋根面の形状に合わせた設置方法としている。

こうした業務用の集熱システムでは、日射量が少ないとき等は集熱部内の水の十分な加熱が困難なため、システムを停止し、十分な日射量が確保可能になるとシステムを稼働させるのが一般的である。具体的には、集熱部によって加熱された温水の温度を温度センサによって測定するとともに、測定された温水の温度が要求される温度よりも高い場合には、集熱システムを稼働して集熱部に温水を循環させ、温度センサによって測定された温水の温度が要求される温度よりも低い場合には、集熱システムの稼働を停止するようにしている。

空調等で利用されるのは流出ヘッダで合流した後の温水であるため、システムの稼働可否の判断は、本来、各集熱部を流通した温水の合流後の温度に基づいて行われることが望ましい。したがって、各集熱部内の温水の温度を測定し、その測定温度から合流後の温水の温度を推定する構成が考えられるが、すべての集熱部に温度センサを設置することとなれば、コストが上昇してしまう。

そこで、温度センサを合流後の配管に設置することが考えられるが、この場合、システムの稼働可否の判断のため、一時的にポンプを駆動して、各集熱部で加熱された温水を、温度センサが設置された合流後の配管まで送水しなければならない。そして、合流後の温水の温度がシステムの稼働条件に対して高い場合には、そのままポンプの駆動を継続してシステムを稼働し、合流後の温水の温度がシステムの稼働条件に対して低い場合には、ポンプの駆動を停止させることとなる。このように、システムの稼働可否の判断のためだけにポンプを駆動させることとなれば、システム全体のエネルギー効率の低下要因となる。

上述した理由から、一般に、業務用の集熱システムでは、並列に配された各集熱部に温水を流通させる流路の長さ、配管の太さ、材質等を均一化することで、流量のばらつきを抑える構成が用いられている。このような従来の集熱システムの一例を図５に示す。

この図に示す従来の集熱システム１００では、集熱器１０１ａを直列に接続した集熱部１０１を並列に接続し、流体を流通させる流路の長さ、配管の太さ、材質等を均一化している。具体的に、図５におけるアルファベットを用いて流路を示すと、ａ、ｂ、ｅ、ｈを通る流路、ａ、ｃ、ｆ、ｈを通る流路、ａ、ｄ、ｇ、ｈを通る流路は、それぞれ流路の長さ、配管の太さ、材質等が等しい。こうして、流量のばらつきを抑える構成が用いられている。

そして、温度センサ１０２によって、複数の集熱部１０１のうち、いずれかの集熱部１０１内の流体の温度Ｔ１を測定し、温度センサ１０３によって、加熱された流体を利用する外部装置１０４における熱媒体等の温度Ｔａを測定し、温度センサ１０５によって、集熱部１０１の上流側の流体の温度Ｔｂを測定する。

この構成によれば、各流路の熱量や流通する流体の流量がほとんど等しいため、他の集熱部１０１の流体の温度もほとんど同じ温度と推定できる。したがって、１つの集熱部１０１内の流体の温度Ｔ１を測定することにより、合流後の流体の温度、すなわち、外部装置１０４に供給される流体の温度を推定することが可能となる。そして、集熱システム１００では、温度センサ１０２によって測定される温度Ｔ１と、温度センサ１０３、１０５によって測定される温度Ｔａ、Ｔｂとの温度差がそれぞれ予め定められた値を超えたときに、システムが稼働するように制御されることとなる。

特開平８−２１９５５７号公報

しかし、上記のように流路の長さ、配管の太さ、材質等を均一化して施工することとなると、例えば、ａ、ｂ間の流量は直列に接続された各集熱部の流量の合計値となり、配管の減肉防止の目的として、配管口径を大きくする必要があるため、配管部材の切断、配管の接合等施工作業が煩雑化してしまい、コストの上昇に繋がるおそれがある。また、この構成では、最も長い流路に合わせて、他の流路も長くしなければならないため、施工する配管が無駄に長くなることもコストの上昇要因であった。

そこで、本発明は、施工作業が容易な比較的口径の小さな配管を用いることで低コスト化を図るとともに、並列に配された集熱部内を流れる流体の流量がばらつくような配管の配置であっても、集熱部内の流体を送水せずにシステムの稼働可否の判断を可能とすることで、コストを低減することができる集熱システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の集熱システムは、流体が供給される流入ヘッダと、流入ヘッダに接続され、流体が流通する複数の流入配管と、複数の流入配管のそれぞれに接続され、内部を流通する流体を太陽熱によって加熱する複数の集熱部と、複数の集熱部に接続され、流体が流通する複数の流出配管と、複数の流出配管が接続され、流出配管内を流通する流体を合流させる流出ヘッダと、複数の集熱部のうち、いずれか１つの集熱部について、内部もしくは近傍にある流体の温度を測定する温度測定手段と、集熱部の上流側の流体の温度を測定する上流測定手段と、以下の数式１を満たすと、流体の流量を増加させる供給制御部と、を備えたことを特徴とする。

…（数式１）
ただし、
Ｔｚ：温度測定手段によって測定された集熱部の流体の温度の実測値
Ｔｂ：集熱部の上流側の流体の温度
β：定数
Ｑｔ：流出ヘッダで合流した後の流体の流量
Ｍ：集熱部の数
Ｑｘ：実測値の測定対象となる集熱部を流通する流体の流量

上記課題を解決するために、本発明の他の集熱システムは、流体が供給される流入ヘッダと、流入ヘッダに接続され、流体が流通する複数の流入配管と、複数の流入配管のそれぞれに接続され、内部を流通する流体を太陽熱によって加熱する複数の集熱部と、複数の集熱部に接続され、流体が流通する複数の流出配管と、複数の流出配管が接続され、流出配管内を流通する流体を合流させる流出ヘッダと、複数の集熱部のうち、いずれか１つの集熱部について、内部もしくは近傍にある流体の温度を測定する温度測定手段と、集熱部の下流側から流入した流体と熱交換する媒体、または媒体近傍の温度を測定する下流測定手段と、以下の数式２を満たすと、流体の流量を増加させる供給制御部と、を備えたことを特徴とする。

…（数式２）
ただし、
Ｔｚ：温度測定手段によって測定された集熱部の流体の温度の実測値
Ｔａ：集熱部の下流側から流入した流体と熱交換する媒体、または媒体近傍の温度
ε：集熱部の上流側の流体の温度Ｔｂと、集熱部の下流側の流体の温度Ｔａとの差分と略等しい定数
α：定数
Ｑｔ：流出ヘッダで合流した後の流体の流量
Ｍ：集熱部の数
Ｑｘ：実測値の測定対象となる集熱部を流通する流体の流量
上記課題を解決するために、本発明の他の集熱システムは、流体が供給される流入ヘッダと、流入ヘッダに接続され、流体が流通する複数の流入配管と、複数の流入配管のそれぞれに接続され、内部を流通する流体を太陽熱によって加熱する複数の集熱部と、複数の集熱部に接続され、流体が流通する複数の流出配管と、複数の流出配管が接続され、流出配管内を流通する流体を合流させる流出ヘッダと、複数の集熱部のうち、少なくともいずれか１つを除く複数の集熱部について、内部もしくは近傍にある流体の温度を測定する温度測定手段と、集熱部の上流側の流体の温度を測定する上流測定手段と、以下の数式１を満たすと、流体の流量を増加させる供給制御部と、を備えたことを特徴とする。

…（数式１）
ただし、
Ｔｚ：温度測定手段によって測定された、複数の流体の温度の実測値の平均値、または、複数の集熱部の流体の温度の実測値のうちのいずれかの実測値
Ｔｂ：集熱部の上流側の流体の温度
β：定数
Ｑｔ：流出ヘッダで合流した後の流体の流量
Ｍ：集熱部の数
Ｑｘ：実測値の測定対象となる集熱部を流通する流体の流量
上記課題を解決するために、本発明の他の集熱システムは、流体が供給される流入ヘッダと、流入ヘッダに接続され、流体が流通する複数の流入配管と、複数の流入配管のそれぞれに接続され、内部を流通する流体を太陽熱によって加熱する複数の集熱部と、複数の集熱部に接続され、流体が流通する複数の流出配管と、複数の流出配管が接続され、流出配管内を流通する流体を合流させる流出ヘッダと、複数の集熱部のうち、少なくともいずれか１つを除く複数の集熱部について、内部もしくは近傍にある流体の温度を測定する温度測定手段と、集熱部の下流側から流入した流体と熱交換する媒体、または媒体近傍の温度を測定する下流測定手段と、以下の数式２を満たすと、流体の流量を増加させる供給制御部と、を備えたことを特徴とする。

…（数式２）
ただし、
Ｔｚ：温度測定手段によって測定された、複数の流体の温度の実測値の平均値、または、複数の集熱部の流体の温度の実測値のうちのいずれかの実測値
Ｔａ：集熱部の下流側から流入した流体と熱交換する媒体、または媒体近傍の温度
ε：集熱部の上流側の流体の温度Ｔｂと、集熱部の下流側の流体の温度Ｔａとの差分と略等しい定数
α：定数
Ｑｔ：流出ヘッダで合流した後の流体の流量
Ｍ：集熱部の数
Ｑｘ：実測値の測定対象となる集熱部を流通する流体の流量

本発明によれば、並列に配された集熱部内を流れる流体の流量がばらつくような配管の配置であっても、集熱部内の流体を送水せずにシステムの稼働可否の判断をすることができる。したがって、配管長を短くしたり、口径を小さくしたりして部材コストの低減や、敷設作業の簡素化を実現しつつ、エネルギー効率を低下させることなくシステムの稼働を適切に判断することが可能となる。

第１の実施形態の集熱システムを示す。 第１の実施形態の集熱システムの制御を説明するためのブロック図である。 第２の実施形態の集熱システムを示す。 第２の実施形態の集熱システムの制御を説明するためのブロック図である。 従来の集熱システムを示す。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の集熱システム１を示す。本実施形態の集熱システム１は、例えば、建屋の屋上等に設置されるものである。この図に示すように、集熱システム１は、複数の集熱器２ａ、３ａ、４ａを備える。ここでは、集熱器２ａ、３ａ、４ａがそれぞれ複数（ここでは４つ）直列に接続されたものを集熱部２、３、４と称する。そして、本実施形態の集熱システム１は、集熱部２、３、４が３列並列に配されている。なお、集熱部２、３、４の数や、集熱部２、３、４の１列当たりの集熱器２ａ、３ａ、４ａの数は特に限定されるものではない。

集熱器２ａ、３ａ、４ａについては、周知の構成であるため詳細な説明は省略するが、集熱器２ａ、３ａ、４ａは、太陽からの輻射熱（太陽熱）で流体（本実施形態においては水および温水とする）を加熱する装置である。

また、集熱システム１は、太陽熱を利用する外部装置５と接続されている。外部装置５は、例えば、熱を利用して冷却を行うことができる吸収式冷凍機や吸着式冷凍機等であり、空調システム等の一部を構成する。なお、外部装置５は、熱を蓄熱する蓄熱タンクであってもよく、太陽熱によって昇温された流体を利用する装置であれば、その構成や装置の用途等は限定されるものではない。吸収式冷凍機、吸着式冷凍機および蓄熱タンクは、周知の構成であるため詳細な説明は省略する。

集熱システム１のうち、外部装置５と接続され、外部装置５で利用（放熱）した後の流体が流入するのが流入ヘッダ６である。流入ヘッダ６には、複数の流入配管７が接続され、流入ヘッダ６から流体が流入配管７に流入する。各流入配管７は、それぞれ集熱部２、３、４に接続されており、流入配管７から集熱部２、３、４に流体が流入するようになっている。

集熱部２、３、４を通過して加熱された流体（ここでは、温水）は、各集熱部２、３、４に接続された流出配管８内部を流れる。そして、流出配管８内を流通する流体は、流出配管８が接続された流出ヘッダ９で合流して外部装置５に導かれる。

流出ヘッダ９には膨張タンク１０が接続されており、日照条件や設置条件、稼働条件等からシステムが停止した場合に、集熱部２、３、４内で滞留した流体が太陽熱によって加熱されて生じる水蒸気を、膨張タンク１０側に流入させるようにしている。そして、膨張タンク１０側に流入した水蒸気は、当該膨張タンク１０および（もしくは）図示しない放熱器によって冷却されて液化することとなる。なお、集熱器２ａ、３ａ、４ａの種類や、集熱システム１の配管設計によって、蒸気発生の有無や、蒸気の通過する経路は異なる。

ここで、本実施形態においては、流入配管７および流出配管８が、フレキシブル管によって構成されており、各流入配管７や各流出配管８の配管長がそれぞれ異なっている。ここでは、各配管７、８の径や材質は同一のものを利用するものとするが、各配管７、８の径や材質が異なるものであってもよい。ただし、流出配管８、流出ヘッダ９および膨張タンク１０は、上述したように水蒸気が通過することがあるため、耐熱性の高い部材で構成することが望ましい。以下では、流入ヘッダ６から流出ヘッダ９まで流体が流通する３つの流路を、図示のように、それぞれ流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３として説明する。

また、流出ヘッダ９と外部装置５とを接続する配管には、流出ヘッダ９で合流した流体を外部装置５に送水するポンプ１１が設けられている。

第１温度センサ１２（温度測定手段）は、複数の集熱部２、３、４のうちの１つの集熱部２内にある流体の温度（以下、第１温度センサ１２によって測定される温度を「実測値Ｔ１」と称す）を測定する。

なお、第１温度センサ１２は、集熱部２の近傍にある流体の温度を測定してもよい。ここで、集熱部２の近傍とは、流入配管７や流出配管８の内部のうち、集熱部２の出入口近傍であって、これら両配管７、８内部に滞留または流通する流体の温度が、集熱部２内に滞留または流通している流体の温度と許容範囲内の温度差にある位置である。

第２温度センサ（下流測定手段）１３は、外部装置５内または外部装置５近傍に配され、集熱部２、３、４の下流側から流入した流体と熱交換する媒体やその媒体の近傍（容器等）の温度Ｔａを測定する。かかる温度Ｔａは、例えば、外部装置５が、吸収式冷凍機であれば吸収溶液温度であり、吸着式冷凍機であれば吸着材温度であり、蓄熱タンクであれば蓄熱タンク温度である。

第３温度センサ（上流測定手段）１４は、流入ヘッダ６と外部装置５とを接続する配管６ａ内の流体の温度Ｔｂを測定する。すなわち、温度Ｔｂは、集熱部２、３、４の上流側の流体の温度となる。

本実施形態では、集熱システム１は、複数の集熱部２、３、４のうち１つの集熱部２にのみ第１温度センサ１２が設けられている。そして、後述する供給制御部が、第１温度センサ１２の実測値Ｔ１と、温度Ｔａ、Ｔｂと、演算部が導出した判定定数とに基づいて、システムの稼働の可否を判断する。

以下、まず、判定定数の導出の根拠となる数式を示し、続いて、演算部による判定定数の導出処理、および供給制御部によるポンプ１１の制御処理について詳述する。

（判定定数の導出の根拠：ポンプ１１の駆動条件１）
集熱システム１の稼働の可否は、集熱部２、３、４で加温された後に流出ヘッダ９で合流した流体の温度によって判断すべきである。したがって、流出ヘッダ９の下流側の温度に基づいて集熱システム１の稼働の可否を判断することが考えられるが、この場合、集熱システム１の稼働停止状態では、集熱部２、３、４と流出ヘッダ９が離れているため自然対流や熱伝導によって集熱部２、３、４内の流体の温度が均一化することもなく、集熱部２、３、４で加温された流体が合流したときの温度を把握することができない。そこで、集熱部２、３、４で加温された流体が合流したときの温度を合流推定値Ｔｈとした場合に、この合流推定値Ｔｈを根拠として集熱システム１の稼働の可否を判断することが考えられる。具体的には、ポンプ１１の駆動条件を、以下の数式３を満たすこととする。

…（数式３）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値[℃]
Ｔｂ：集熱部２、３、４の上流側の流体の温度
β：定数

合流推定値Ｔｈは、以下の数式４に基づいて導出される。なお、Ｑｔは設計時にシステム設計者が集熱効率や集熱器設置面積等から決定する、システム毎のある固有値である。

…（数式４）
ただし、
Ｍ：集熱部２、３、４の数（本実施形態においては３）
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度（実測値Ｔ１、推定値Ｔ２、Ｔ３）[℃]
Ｑｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の流量[ｋｇ／ｈ]
Ｑｔ：流出ヘッダ９で合流した後の流体の流量[ｋｇ／ｈ]

数式４のＴｉのうち、Ｔ１は実測値である。Ｔ２、Ｔ３は、集熱部２、３、４毎の時間当たりの集熱量Ｅの関係式から導出される。本実施形態では、それぞれの集熱部２、３、４の日照条件等がほとんど等しく、集熱部２、３、４毎の時間当たりの集熱量Ｅが等しいものとする。すなわち、集熱部２における時間当たりの集熱量Ｅ＝集熱部３における時間当たりの集熱量Ｅ＝集熱部４における時間当たりの集熱量Ｅとすると、以下の数式５が成立する。

…（数式５）
ただし、
Ｅ：それぞれの集熱部２、３、４における時間当たりの集熱量[ｋＷ]
Ｑ１：第１温度センサ１２が配された流路Ｌ１の流量[ｋｇ／ｈ]
Ｔ１：第１温度センサ１２によって測定された流体の温度の実測値[℃]
Ｔ２：流路Ｌ２を流通する流体の温度の推定値[℃]
Ｔ３：流路Ｌ３を流通する流体の温度の推定値[℃]

上述した数式５から、数式６が導かれる。以下の数式６に示すように、流路Ｌ２を流通する流体の流量Ｑ２と、第１温度センサ１２が配された流路Ｌ１を流通する流体の温度Ｔ１および流量Ｑ１とに基づいて、推定値Ｔ２が導出される。

…（数式６）

また、上述した数式５から、数式７が導かれる。同様に、流路Ｌ３を流通する流体の温度の推定値Ｔ３も、例えば、以下の数式７に基づいて導出できる。

…（数式７）

数式６、数式７を数式４に代入すると、合流推定値Ｔｈは以下の数式８で表わされる。

…（数式８）

上述したポンプ１１の駆動条件の数式３は、数式８に示す合流推定値Ｔｈを代入すると、以下の数式１で表わされる。

…（数式１）
ただし、
Ｔｚ：温度測定手段によって測定された流体の温度の実測値であって、本実施形態においてはＴ１[℃]
β：定数
Ｑｘ：実測値の測定対象となる集熱部を流通する流体の流量（ここではＱ１）[ｋｇ／ｈ]

数式１における右辺第２項は、判定定数である。この判定定数は、システムの稼働、非稼働といった状態によっては変化せず、システムの稼働の判定に用いられる定数となる。続いて、かかる判定定数を導出する演算部の処理について説明する。

（演算部による判定定数の導出処理）
図２は、第１の実施形態の集熱システム１の制御を説明するためのブロック図である。この図に示すように、集熱システム１は、演算部１５、記憶部１６、供給制御部１７およびタイマ１８を備えている。

演算部１５には、ポンプ１１によって送出される流量Ｑｔ、流路を構成する配管長、配管径、配管の材質、集熱部２、３、４等の圧力損失特性等から、流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を流れる流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を算出する流量算出式が予め記憶されている。この流量算出式は、例えば、配管長や配管径等が入力可能となっており、各数値の入力によって、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が算出されるように構成されている。そして、設置現場で配管等の敷設が完了した後、集熱システム１の運用を開始する前に、流量Ｑｔ、流路を構成する配管長、配管径、配管の材質、集熱部２、３、４等の圧力損失特性等の各数値を入力すると、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が算出される。ここで、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の算出は、配管設備設計において一般的とされる方法で算出可能であるため、詳細は記載しない。

なお、ここでは、流量算出式を演算部１５に記憶しておき、配管長等を入力することによって、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が算出されることとしたが、例えば、流量Ｑ１の演算を別途に行い、別途算出した流量Ｑ１を、単に記憶部に記憶することとしてもよい。いずれにしても、演算部１５は、流量Ｑ１を特定することができる構成であればよい。ただし、本実施形態のように、演算部１５に流量算出式を記憶しておき、配管長等の各種条件を入力することで流量Ｑ１を算出するようにすれば、配管を交換した場合等、各種の条件が変更された場合にも、正確な流量Ｑ１に即座に変更することが可能となる。

そして、演算部１５は、数式１の右辺第２項に、流量Ｑｔ、Ｑ１、予め設定された定数β、集熱部２、３、４の数である３を代入し、判定定数を導出し、記憶部１６に記憶する。記憶部１６は、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等で構成される。

上述した演算部１５による判定定数の導出は、例えば、当該集熱システム１の施工後に１度だけ行い、導出した判定定数を記憶部１６に記憶させておけばよい。後述する供給制御部１７は、判定の都度、記憶部１６に記憶されている判定定数を参照する。

（供給制御部１７によるポンプ１１の制御処理）
供給制御部１７は、集熱システム１の運用中、タイマ１８によって所定時間（数ミリ秒〜数分）が計時されるたびに、第１温度センサ１２によって測定された流体の温度の実測値Ｔ１と、第２温度センサ１３によって測定された外部装置５やその内部の媒体の温度Ｔａと、第３温度センサ１４によって測定された流体の温度Ｔｂを取得する。

そして、供給制御部１７は、取得した実測値Ｔ１と温度Ｔａ、Ｔｂと、記憶部１６に記憶された判定定数とから、上述した数式１による判定処理を行う。具体的に、供給制御部１７は、数式１を満たす場合が、ポンプ１１を駆動させる条件のひとつとなる。

（ポンプ１１の駆動条件２）
また、本実施形態では、上記の駆動条件１を満たすと判定した場合に、以下の駆動条件２を満たすかを判定し、駆動条件１、２の双方もしくは片方を満たすと判定した場合に、ポンプ１１を駆動することとしている。ポンプ１１の駆動条件２は、以下の数式９を満たすこととする。

…（数式９）
ただし、
Ｔａ：集熱部２、３、４の下流側の流体の温度[℃]
α：定数

この数式９についても、上述した数式３と同様、判定定数と実測値Ｔ１と、Ｔａからなる数式に置き換えられる。集熱部２、３、４の上流側の流体の温度Ｔｂと下流側の流体の温度Ｔａとは、大凡変化しない温度差に維持される。ここで、温度Ｔａと温度Ｔｂとの温度差（差分）と略等しい値をεとする。ただし、略等しいとは、実際の温度Ｔａと温度Ｔｂとの温度差の変化の幅の範囲内に収まることを示す。Ｔｂ−Ｔａ≒εであることから、ここでは、Ｔｂ−Ｔａ＝εと見なすと、数式９は、以下の数式２に置き換えられる。ただし、数式２においては、右辺第２項および第３項の和が判定定数となる。

…（数式２）
ただし、
ε：集熱部２、３、４の上流側の流体の温度Ｔｂと、集熱部２、３、４の下流側の流体の温度Ｔａとの差分と略等しい定数

以上のように、本実施形態では、供給制御部１７が、数式１および（もしくは）数式２に基づいてポンプ１１の駆動の可否を判定する。そして、数式１および（もしくは）数式２の双方を満たすと判定した場合、すなわち、駆動条件１、２の双方もしくは片方を満たすと判定した場合に限り、ポンプ１１を駆動制御することとなる。

（ポンプ１１の停止条件１）
また、ポンプ１１の停止条件は、以下の数式１０を満たすことである。

…（数式１０）
ただし、
δ：定数

同様に、数式１０は、以下の数式１１に置き換えられる。

…（数式１１）

（ポンプ１１の停止条件２）
また、本実施形態では、上記の停止条件１を満たすと判定した場合に、以下の停止条件２を満たすかを判定し、停止条件１、２の双方を満たすと判定した場合に、ポンプ１１を停止することとしている。ポンプ１１の停止条件２は、以下の数式１２を満たすこととする。

…（数式１２）
ただし、
γ：定数

同様に、数式１２は、以下の数式１３に置き換えられる。

…（数式１３）

仮に、数式１、２、１１、１３ではなく、単に実測値Ｔ１を数式３、９、１０、１２の合流推定値Ｔｈとして代入してシステムの稼働可否の判断を行う場合、Ｔ１>Ｔａ＋αであっても、温度を測定していない他の集熱部３、４で加熱された流体の温度が低く、実際にはＴｈ<Ｔａ＋αとなる場合がある。同様に、Ｔ１>Ｔｂ＋βであっても、Ｔｈ<Ｔｂ＋βとなる場合がある。これらの場合、合流後の流体の温度が低過ぎて外部装置５による熱利用ができないまま、集熱システム１が稼働して逆放熱となってしまうこととなる。供給制御部１７は、合流推定値Ｔｈを勘案して導出された数式１〜４に基づいてシステムの稼働の可否を判断するため、このような事態を回避できる。

上述したように、本実施形態の集熱システム１は、１つの集熱部２に配された第１温度センサ１２のみでシステムの稼働の可否を判定でき、第１温度センサ１２の数を最小に抑えてコストを低減することができる。また、ポンプ１１を稼働させて集熱部２、３、４内の流体を送水させずとも、集熱システム１の稼働の判断を遂行できる。上述した判定定数は、複数の流入配管７それぞれの内部を流通する流体の流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の比率に基づいて、合流推定値Ｔｈを勘案して導出されるため、集熱システム１は、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を均一化するために、流量調整用のバルブを設けたり、流入ヘッダ６から流出ヘッダ９への複数の流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の長さ、配管の太さ、材質等を均一化する必要がなく、部品の調達コストや施工コストを低減できる。

また、長尺（一般に２０ｍ程度）のフレキシブル管は、口径が大きくなる（一般に２０ｍｍ以上）と施工性が低下することから、口径の小さなもののみ販売されているため、従来では流入配管および流出配管にフレキシブル管を用いることができなかった。本実施形態の集熱システム１は、上記のように、複数の流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の流量を均一化する必要がなく、さらに、図５のａ、ｂ間のように流量が多くなる箇所がないことから、配管の口径を大きくする必要もないため、流入配管７および流出配管８をフレキシブル管で構成することができる。

可撓性を有するフレキシブル管を用いれば、配管の配置の自由度が向上し、施工先の環境に応じて変形可能となる。そして、耐熱温度の高い長尺のフレキシブル管を用いることにより、特に、上述した水蒸気が通過する流出配管８等の接合部分に耐熱性の高いシール材を用いる箇所の数を低減でき、また、水蒸気の通過しない箇所についても、熱伸縮吸収部や配管支持金具の設置が不要となること等から、さらなる施工コストの低減が可能となる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態における集熱システム２０について説明する。第２の実施形態では、上記第１の実施形態と第１温度センサ１２ａ、１２ｂの数および演算部２１、供給制御部２２の処理が異なるので、ここでは、上記第１の実施形態と同じ構成については説明を省略し、構成が異なる第１温度センサ１２ａ、１２ｂの数および演算部２１、供給制御部２２についてのみ説明する。

図３は、第２の実施形態における集熱システム２０を示し、図４は、第２の実施形態の集熱システム２０の制御を説明するためのブロック図である。第２の実施形態では、第１温度センサ１２ａ、１２ｂが２つの集熱部２、３にそれぞれ配されている。

演算部２１は、流量Ｑ１、Ｑ２を導出し、その流量Ｑ１、Ｑ２を用いて、第１温度センサ１２ａ、１２ｂが配された集熱部２、３それぞれについての判定定数を導出する。

供給制御部２２は、第１温度センサ１２ａによって測定された実測値Ｔ１_ａおよび第１温度センサ１２ｂによって測定された実測値Ｔ１_ｂそれぞれに基づいて、システムの稼働の可否を判断する。供給制御部２２は、演算部２１が導出した、集熱部２、３それぞれについての判定定数の平均値と、実測値Ｔ１_ａ、Ｔ１_ｂの平均値について、上述した判定を行う。このように、温度センサの数を増やすことで、供給制御部２２は、システムの稼働の可否をより高精度に判定できる。

また、供給制御部２２は、測定した実測値Ｔ１_ａ、Ｔ１_ｂのうち、いずれか低温の方に基づいて、システムの稼働の可否を判断してもよいし、いずれか高温の方に基づいて、システムの稼働の可否を判断してもよい。

また、複数の集熱部２、３、４のいずれかが、季節や時間帯等によっては日陰になり易い等、日照条件にばらつきがある場合もあり得る。この場合、供給制御部２２が、例えば、季節や時間帯等に応じて、第１温度センサ１２ａ、１２ｂのうち、他の集熱部４の日照条件とより等しい集熱部の流体の温度を測定していると考えられる方の実測値を用いてもよい。かかる構成により、供給制御部２２は、外部環境の変化による影響を排除し、より適切にシステムの稼働の可否を判断可能となる。

なお、上述した実施形態では、３つの流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３それぞれの流量が異なったが、いずれか１つの流路のみが、他の流路と流量が異なる構成も含まれる。また、上述した実施形態では、流入配管７および流出配管８すべてがフレキシブル管である構成を例に挙げたが、いずれか一本のみがフレキシブル管であってもよいし、流入配管７および流出配管８の全てが固定配管であっても構わない。

また、上述した実施形態では、複数の流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が３つである例を挙げたが、流路の数は２つであっても４つ以上であってもよい。また、第１温度センサ１２は、流路が４つ以上の場合において、複数の流路のうち、少なくともいずれか１つを除く流路に配されればよい。つまり、複数の集熱部が設けられた場合において、１つの集熱部を除く他の全ての集熱部に第１温度センサ１２を設けることとしてもよい。

また、上述した実施形態では、流体として水（温水）を例に挙げたが、水に限らず、熱伝達可能な流体であればよい。

また、上述した実施形態では、第１温度センサ１２、１２ａ、１２ｂは、集熱部２内の出口付近（下流側）に配されるが、例えば、入口付近（上流側）に配されてもよい。また、第１温度センサ１２、１２ａ、１２ｂは、直接流体の温度を測定する構成に限らず、集熱器２ａ、３ａ、４ａの集熱パネルや配管の温度を測定して間接的に流体の温度を検出してもよい。

なお、上述した実施形態では、集熱部２、３、４それぞれの時間当たりの集熱量Ｅは等しいものとしたが、実際には、季節や時間帯等によって日陰になる等、集熱部２、３、４ごとに集熱量Ｅが変化する場合がある。そこで、予め、集熱部２、３、４ごとの時間当たりの集熱量Ｅの変化を測定したり、予測したりして、季節や時間帯等の条件に応じて所定の補正係数を考慮したうえで判定定数を導出してもよい。

また、上述した実施形態では、演算部１５、２１が判定定数を導出して記憶する構成を例に挙げた。しかし、集熱システム１、２０は、必ずしも演算部１５、２１を備える必要はなく、例えば、予め、外部装置等で導出した判定定数を、供給制御部１７、２２の記憶部１６に記憶させておき、供給制御部１７、２２は、この記憶部１６に記憶された判定定数を用いて、システムの稼働の可否を判断してもよい。かかる構成により、集熱システム１、２０を、演算処理能力の低い簡易な構成で実現できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、太陽熱によって流体を加熱する集熱システムに利用することができる。

１、２０ 集熱システム
２、３、４ 集熱部
６ 流入ヘッダ
７ 流入配管
８ 流出配管
９ 流出ヘッダ
１２、１２ａ、１２ｂ 第１温度センサ（温度測定手段）
１３ 第２温度センサ（下流測定手段）
１４ 第３温度センサ（上流測定手段）
１５、２１ 演算部
１７、２２ 供給制御部

Claims (4)

1. 流体が供給される流入ヘッダと、
   前記流入ヘッダに接続され、前記流体が流通する複数の流入配管と、
   前記複数の流入配管のそれぞれに接続され、内部を流通する流体を太陽熱によって加熱する複数の集熱部と、
   前記複数の集熱部に接続され、前記流体が流通する複数の流出配管と、
   前記複数の流出配管が接続され、該流出配管内を流通する前記流体を合流させる流出ヘッダと、
   前記複数の集熱部のうち、いずれか１つの該集熱部について、内部もしくは近傍にある前記流体の温度を測定する温度測定手段と、
   前記集熱部の上流側の流体の温度を測定する上流測定手段と、
   以下の数式１を満たすと、前記流体の流量を増加させる供給制御部と、を備えたことを特徴とする集熱システム。
   

   

   …（数式１）
   ただし、
   Ｔｚ：前記温度測定手段によって測定された集熱部の流体の温度の実測値
   Ｔｂ：前記集熱部の上流側の流体の温度
   β：定数
   Ｑｔ：前記流出ヘッダで合流した後の流体の流量
   Ｍ：前記集熱部の数
   Ｑｘ：前記実測値の測定対象となる集熱部を流通する流体の流量
2. 流体が供給される流入ヘッダと、
   前記流入ヘッダに接続され、前記流体が流通する複数の流入配管と、
   前記複数の流入配管のそれぞれに接続され、内部を流通する流体を太陽熱によって加熱する複数の集熱部と、
   前記複数の集熱部に接続され、前記流体が流通する複数の流出配管と、
   前記複数の流出配管が接続され、該流出配管内を流通する前記流体を合流させる流出ヘッダと、
   前記複数の集熱部のうち、いずれか１つの該集熱部について、内部もしくは近傍にある前記流体の温度を測定する温度測定手段と、
   前記集熱部の下流側から流入した流体と熱交換する媒体、または該媒体近傍の温度を測定する下流測定手段と、
   以下の数式２を満たすと、前記流体の流量を増加させる供給制御部と、を備えたことを特徴とする集熱システム。
   

   

   …（数式２）
   ただし、
   Ｔｚ：前記温度測定手段によって測定された集熱部の流体の温度の実測値
   Ｔａ：前記集熱部の下流側から流入した流体と熱交換する媒体、または該媒体近傍の温度
   ε：前記集熱部の上流側の流体の温度Ｔｂと、前記集熱部の下流側の流体の温度Ｔａとの差分と略等しい定数
   α：定数
   Ｑｔ：前記流出ヘッダで合流した後の流体の流量
   Ｍ：前記集熱部の数
   Ｑｘ：前記実測値の測定対象となる集熱部を流通する流体の流量
3. 流体が供給される流入ヘッダと、
   前記流入ヘッダに接続され、前記流体が流通する複数の流入配管と、
   前記複数の流入配管のそれぞれに接続され、内部を流通する流体を太陽熱によって加熱する複数の集熱部と、
   前記複数の集熱部に接続され、前記流体が流通する複数の流出配管と、
   前記複数の流出配管が接続され、該流出配管内を流通する前記流体を合流させる流出ヘッダと、
   前記複数の集熱部のうち、少なくともいずれか１つを除く複数の該集熱部について、内部もしくは近傍にある前記流体の温度を測定する温度測定手段と、
   前記集熱部の上流側の流体の温度を測定する上流測定手段と、
   以下の数式１を満たすと、前記流体の流量を増加させる供給制御部と、を備えたことを特徴とする集熱システム。
   

   

   …（数式１）
   ただし、
   Ｔｚ：前記温度測定手段によって測定された、複数の流体の温度の実測値の平均値、または、該複数の集熱部の流体の温度の実測値のうちのいずれかの実測値
   Ｔｂ：前記集熱部の上流側の流体の温度
   β：定数
   Ｑｔ：前記流出ヘッダで合流した後の流体の流量
   Ｍ：前記集熱部の数
   Ｑｘ：前記実測値の測定対象となる集熱部を流通する流体の流量
4. 流体が供給される流入ヘッダと、
   前記流入ヘッダに接続され、前記流体が流通する複数の流入配管と、
   前記複数の流入配管のそれぞれに接続され、内部を流通する流体を太陽熱によって加熱する複数の集熱部と、
   前記複数の集熱部に接続され、前記流体が流通する複数の流出配管と、
   前記複数の流出配管が接続され、該流出配管内を流通する前記流体を合流させる流出ヘッダと、
   前記複数の集熱部のうち、少なくともいずれか１つを除く複数の該集熱部について、内部もしくは近傍にある前記流体の温度を測定する温度測定手段と、
   前記集熱部の下流側から流入した流体と熱交換する媒体、または該媒体近傍の温度を測定する下流測定手段と、
   以下の数式２を満たすと、前記流体の流量を増加させる供給制御部と、を備えたことを特徴とする集熱システム。
   

   

   …（数式２）
   ただし、
   Ｔｚ：前記温度測定手段によって測定された、複数の流体の温度の実測値の平均値、または、該複数の集熱部の流体の温度の実測値のうちのいずれかの実測値
   Ｔａ：前記集熱部の下流側から流入した流体と熱交換する媒体、または該媒体近傍の温度
   ε：前記集熱部の上流側の流体の温度Ｔｂと、前記集熱部の下流側の流体の温度Ｔａとの差分と略等しい定数
   α：定数
   Ｑｔ：前記流出ヘッダで合流した後の流体の流量
   Ｍ：前記集熱部の数
   Ｑｘ：前記実測値の測定対象となる集熱部を流通する流体の流量

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