JP5869365B2

JP5869365B2 - 太陽熱利用給湯システム

Info

Publication number: JP5869365B2
Application number: JP2012039069A
Authority: JP
Inventors: 正也中ノ瀬; 栄大塚
Original assignee: Yazaki Energy System Corp
Current assignee: Yazaki Energy System Corp
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: JP2013174388A

Description

本発明は、太陽熱利用給湯システムに関する。

従来、省エネルギー化の観点から、太陽熱を利用して給湯を行う太陽熱利用給湯システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この種の太陽熱利用給湯システムは、図４に示すように、太陽熱を利用して熱媒を加熱する太陽熱集熱器５０１と、貯湯槽５０３と、貯湯槽５０３内に配されかつ太陽熱集熱器５０１で加熱された熱媒と貯湯槽５０３内の水との間で熱交換させる熱交換器５０５と、太陽熱集熱器５０１内の熱媒を熱交換器５０５に送る熱媒送り配管５０７と、熱媒戻し配管５０９の途中に設けられかつ太陽熱集熱器５０１と熱交換器５０５との間で熱媒を循環させる循環ポンプ５１１と、熱媒戻し配管５０９における貯湯槽５０３と循環ポンプ５１１との間に設けられかつ熱媒の膨張・収縮を吸収する膨張タンク（シスターン）５１３と、循環ポンプ５１１を制御する制御装置５１５と、を備えている。

貯湯槽５０３は、上水道の水を給水する給水管５１７と接続された給水口を下部に有し、湯水を出湯する出湯管５１９と接続された出湯口を上部に有している。貯湯槽５０３は、耐食性に優れた金属（例えば、ステンレス）製の密閉タンクであり、外周部に断熱材を有している。貯湯槽５０３は、出湯口を有する上部に高温の湯水を集まり易くするために設置幅よりも高さが大きい縦置き型とされ、堅牢な脚部に支持されている。

また、貯湯槽５０３に水を給水する給水管５１７には、減圧弁５２５及び排水弁５２７が配設されている。減圧弁５２５は、貯湯槽５０３内の圧力を一定に維持するため、貯湯槽５０３への給水圧を調整する弁である。
出湯管５１９には、温度調節弁５３３を介して、貯湯槽５０３から出湯される湯水を必要に応じて加熱する給湯器（補助加熱機）５３１が接続される。温度調節弁５３３には、減圧弁５２５の下流における給水管５１７から分岐された混合用給水管５２９が接続され、予め貯湯槽５０３の温水と給水管５１７から供給される冷水とを混合して給湯器５３１に入水する。温度調節弁５３３と給湯器５３１との間には、減圧弁５２５の上流における給水管５１７から分岐された直接給水用管５３５と接続された切換弁５３７が配設される。この切換弁５３７を使用することで、給湯器５３１への入水が出湯管５１９から行われる場合と、給水管５１７から直接行われる場合とに切り換えることができる。

制御装置５１５は、貯湯槽５０３内に設けられて貯湯槽５０３内の水の温度を検出する水温度センサ５２１と、太陽熱集熱器５０１の近傍に配設されて熱媒の温度を検出する熱媒温度センサ５２３とに接続されている。そして、制御装置５１５は、水温度センサ５２１で検出された水の温度と、熱媒温度センサ５２３で検出された熱媒の温度との差温に基づいて、循環ポンプ５１１の作動、停止を制御する。

特開平１０−８９７７６号公報

しかしながら、上述の如き従来の太陽熱利用給湯システムにおいては、貯湯槽５０３が縦置き型とされるため、貯湯槽５０３を支持する脚部を堅牢にする必要がある。そこで、コンクリート基礎上に貯湯槽５０３を施行しなければならず、施行工事が容易でなく、施行期間の短縮が難しいという問題があった。
また、従来の太陽熱利用給湯システムにおいては、密閉タンクである貯湯槽５０３への負荷を減らすため、貯湯槽５０３への給水圧を調整する減圧弁５２５や、熱媒の膨張・収縮を吸収する膨張タンク５１３等の高価な部品が必要となり、コストアップの原因となっていた。
また、熱交換器５０５は密閉タンクである貯湯槽５０３内に配置されるため、使用できる熱交換器形式に制約があり、プレート式熱交換器や多管式熱交換器などの熱交換性能の高い熱交換器を用いることが困難であった。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的は、熱交換性能を向上させながら部品コストを削減すると共に施行工事の容易な太陽熱利用給湯システムを提供することにある。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１）太陽熱を利用して熱媒を加熱する太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器で加熱された熱媒を貯留する大気開放型の貯熱槽と、前記太陽熱集熱器内の熱媒を前記貯熱槽に送る熱媒送り配管と、前記貯熱槽内の熱媒を前記太陽熱集熱器に戻す熱媒戻し配管と、前記熱媒戻し配管の途中に設けられ、前記貯熱槽内の熱媒の循環経路を切り換える第１の電動三方切換弁と、入口端が前記第１の電動三方切換弁に接続されると共に出口端が前記熱媒送り配管に接続された高温側配管と、入口端が給水管に接続されると共に出口端が出湯管に接続された低温側配管とを有して前記貯熱槽内に配され、前記高温側配管内の熱媒と前記低温側配管内の水との間で熱交換させる熱交換器と、前記熱媒戻し配管における前記第１の電動三方切換弁より上流に設けられ、前記貯熱槽内の熱媒を前記太陽熱集熱器又は前記高温側配管との間で循環させる循環ポンプと、前記第１の電動三方切換弁を制御する第１制御部と前記循環ポンプを制御する第２制御部とを有し、前記熱交換器による熱交換運転及び前記太陽熱集熱器による集熱運転を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする太陽熱利用給湯システム。
上記（１）の構成の太陽熱利用給湯システムによれば、太陽熱集熱器で加熱された熱媒が大気開放型の貯熱槽に貯留されるので、熱媒の膨張・収縮を吸収する膨張タンクを貯熱槽と循環ポンプとの間に設ける必要がない。また、給水管から供給された水は、熱交換器の低温側配管を経て出湯管から出湯される。熱交換器の低温側配管は、従来の貯湯槽に比べて耐圧性が高いので、熱交換器への給水圧を調整する減圧弁を給水管に設ける必要がない。また、第１の電動三方切換弁を切り換えることにより、一つの循環ポンプだけで貯熱槽内の熱媒を太陽熱集熱器又は熱交換器へ循環させることができ、高価な循環ポンプを複数設ける必要がない。
また、熱交換器は、従来の貯湯槽のような密閉タンクではない大気開放型の貯熱槽内に配されるので、使用できる熱交換器形式に制約がなく、プレート式熱交換器や多管式熱交換器などの熱交換性能の高い熱交換器を用いることができる。更に、熱交換器自体が、加熱された熱媒により常時高温環境の貯熱槽内に配置されるので、給水管から給水される低温の水との間の熱交換率が向上する。
また、熱媒が貯留される貯熱槽は、従来の湯水が充填される貯湯槽のように出湯口を有する上部に高温の湯水を集まり易くするために縦置き型とする必要がないので、貯熱槽を設置幅よりも高さが小さい横置き型とすることができる。また、貯熱槽は、耐圧性を要しないので、貯熱槽自体の構造を簡略化したり、合成樹脂で形成して軽量化したりすることもできる。そこで、貯熱槽の脚部を簡素化し、コンクリート基礎を廃止して簡易基礎にすることで施行工事を容易とすることができる。

（２）上記（１）の構成の太陽熱利用給湯システムであって、前記熱媒送り配管が前記貯熱槽の上部に接続され、前記熱媒戻し配管が前記貯熱槽の下部に接続されることを特徴とする太陽熱利用給湯システム。
上記（２）の構成の太陽熱利用給湯システムによれば、貯熱槽の下部に集まる上部より低温の熱媒が、熱媒戻し配管により太陽熱集熱器に戻されることで、太陽熱集熱器は熱媒を効率よく加熱することができる。

（３）上記（１）の構成の太陽熱利用給湯システムであって、前記熱媒送り配管が前記貯熱槽の下部に接続され、前記熱媒戻し配管が前記貯熱槽の上部に接続されることを特徴とする太陽熱利用給湯システム。
上記（３）の構成の太陽熱利用給湯システムによれば、貯熱槽の上部に集まる下部より高温の熱媒が、第１の電動三方切換弁を介して熱交換器の高温側配管に供給されることで、熱交換器は熱媒の熱を低温側配管内の水へ効率よく熱交換することができる。

（４）太陽熱を利用して熱媒を加熱する太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器で加熱された熱媒を貯留する大気開放型の貯熱槽と、前記太陽熱集熱器内の熱媒を前記貯熱槽の上部に送る熱媒送り配管と、前記貯熱槽内の下部の熱媒を前記太陽熱集熱器に戻す熱媒戻し配管と、前記熱媒戻し配管の途中に設けられ、前記貯熱槽の熱媒の循環経路を切り換える第２の電動三方切換弁と、前記熱媒戻し配管における前記第２の電動三方切換弁より上流に設けられ、前記貯熱槽の熱媒の循環経路を切り換える第３の電動三方切換弁と、前記熱媒送り配管の途中に設けられ、前記貯熱槽の熱媒の循環経路を切り換える第４の電動三方切換弁と、入口端が前記第２の電動三方切換弁に接続されると共に出口端が前記第３の電動三方切換弁に接続された高温側配管と、入口端が給水管に接続されると共に出口端が出湯管に接続された低温側配管とを有し、高温側配管内の熱媒と低温側配管内の水との間で熱交換させる熱交換器と、前記熱媒戻し配管における前記第２の電動三方切換弁と前記第３の電動三方切換弁との間に設けられ、前記貯熱槽の熱媒を前記太陽熱集熱器又は前記高温側配管との間で循環させる循環ポンプと、入口端が前記第４の電動三方切換弁に接続されると共に出口端が前記熱媒戻し配管における前記循環ポンプと前記第３の電動三方切換弁との間に接続されるバイパス配管と、前記第２乃至第４の電動三方切換弁を制御する第３制御部と前記循環ポンプを制御する第２制御部とを有し、前記熱交換器による熱交換運転及び前記太陽熱集熱器による集熱運転を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする太陽熱利用給湯システム。
上記（４）の構成の太陽熱利用給湯システムによれば、太陽熱集熱器で加熱された熱媒が大気開放型の貯熱槽に貯留されるので、熱媒の膨張・収縮を吸収する膨張タンクを貯熱槽と循環ポンプとの間に設ける必要がない。また、給水管から供給された水は、熱交換器の低温側配管を経て出湯管から出湯される。熱交換器の低温側配管は、従来の貯湯槽に比べて耐圧性が高いので、熱交換器への給水圧を調整する減圧弁を給水管に設ける必要がない。また、第２乃至第４の電動三方切換弁を切り換えることにより、一つの循環ポンプだけで貯熱槽内の熱媒を太陽熱集熱器又は熱交換器へ循環させることができ、高価な循環ポンプを複数設ける必要がない。
また、熱交換器は、従来の貯湯槽のような密閉タンクではない大気開放型の貯熱槽内に配されるので、使用できる熱交換器形式に制約がなく、プレート式熱交換器や多管式熱交換器などの熱交換性能の高い熱交換器を用いることができる。更に、熱交換器自体が、加熱された熱媒により常時高温環境の貯熱槽内に配置されるので、給水管から給水される低温の水との間の熱交換率が向上する。
また、熱媒が貯留される貯熱槽は、従来の湯水が充填される貯湯槽のように出湯口を有する上部に高温の湯水を集まり易くするために縦置き型とする必要がないので、貯熱槽を設置幅よりも高さが小さい横置き型とすることができる。また、貯熱槽は、耐圧性を要しないので、貯熱槽自体の構造を簡略化したり、合成樹脂で形成して軽量化したりすることもできる。そこで、貯熱槽の脚部を簡素化し、コンクリート基礎を廃止して簡易基礎にすることで施行工事を容易とすることができる。
また、貯熱槽内の熱媒を太陽熱集熱器に循環させる際には、第２乃至第４の電動三方切換弁を切り換えることにより、貯熱槽の下部に集まる上部より低温の熱媒を熱媒戻し配管により太陽熱集熱器に戻すことができるので、太陽熱集熱器は熱媒を効率よく加熱することができる。一方、貯熱槽内の熱媒を熱交換器に循環させる際には、第２乃至第４の電動三方切換弁を切り換えることにより、貯熱槽の上部に集まる下部より高温の熱媒がバイパス配管を介して熱交換器の高温側配管に供給されるので、熱交換器は熱媒の熱を低温側配管内の水へ効率よく熱交換することができる。従って、太陽熱集熱器の加熱効率向上と熱交換器の熱交換効率向上を両立させながら、貯熱槽の熱媒をそれぞれ太陽熱集熱器又は熱交換器へ循環させることができる。

（５）上記（１）〜（４）何れか１つの構成の太陽熱利用給湯システムであって、前記制御装置における第２制御部は、前記貯熱槽に設けられて前記貯熱槽内の熱媒の温度を検出する第１センサと、前記太陽熱集熱器に配設されて熱媒の温度を検出する第２センサとに接続され、前記第１センサで検出された熱媒の温度と、前記第２センサで検出された熱媒の温度との差温に基づいて、前記循環ポンプの作動、停止を制御することを特徴とする太陽熱利用給湯システム。
上記（５）の構成の太陽熱利用給湯システムによれば、第１センサで検出された貯熱槽内の熱媒の温度と、第２センサで検出された太陽熱集熱器近傍の熱媒の温度との差温が所定の開始温度以上であるときに集熱運転を開始すれば、エネルギー的に不経済な集熱運転を避けることができると共に、冬季などで屋外に設置される太陽熱集熱器近傍の熱媒の温度が貯湯槽内の熱媒の温度よりも低い場合の集熱運転による貯湯槽内の熱媒の温度低下を防止することができる。

（６）上記（１）〜（４）何れか１つの構成の太陽熱利用給湯システムであって、前記出湯管には、前記低温側配管の出口端から出湯される湯水を必要に応じて加熱する補助加熱機が温度調節装置を介して接続されており、前記温度調節装置には、前記給水管から分岐された混合用給水管が接続され、予め前記低温側配管の出口端から出湯される温水と前記混合用給水管から供給される水とが混合して前記補助過熱機に入水されることを特徴とする太陽熱利用給湯システム。
上記（６）の構成の太陽熱利用給湯システムによれば、熱交換器から出湯される温水と混合用給水管から供給される水とが、温度調節装置によって所定の温度とされてから補助過熱機に入水されるので、補助過熱機は熱交換器から出湯される温水や混合用給水管から供給される水の温度変化に関わらず、使用者が設定した温度の温水を安定的に給湯することができる。

本発明に係る太陽熱利用給湯システムによれば、熱交換性能を向上させながら部品コストを削減すると共に施行工事の容易な太陽熱利用給湯システムを提供できる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

本発明の第１実施形態に係る太陽熱利用給湯システムの概略構成図である。本発明の第２実施形態に係る太陽熱利用給湯システムの概略構成図である。本発明の第３実施形態に係る太陽熱利用給湯システムの概略構成図である。従来の太陽熱利用給湯システムの概略構成図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
図１に示すように、本第１実施形態に係る太陽熱利用給湯システム１は、熱媒Ｌを強制循環させて熱交換する強制循環式として構成され、太陽熱集熱器２と、大気開放型の貯熱槽３と、熱媒送り配管４と、熱媒戻し配管５と、第１の電動三方切換弁７１と、熱交換器６と、循環ポンプ７と、制御装置８と、給湯器（補助加熱機）１０と、温度調節弁（温度調節装置）９と、を備える。

太陽熱集熱器２は、例えば矩形板状で、縦（屋根流れ方向）２ｍ、横（棟木に沿う方向）１ｍ、厚さ６０ｍｍの２平方メートル程度の集熱器面積を有して形成される。太陽熱集熱器２は、その内部に熱媒Ｌを循環させる内部流路を有しており、太陽熱を利用して熱媒Ｌを加熱する。一般に、この内部流路が長手側となる向きで屋根面に設置され、複数のものが横並びに連結して使用される。本実施形態では、三台の太陽熱集熱器２が連結して併設されており、太陽熱を利用して熱媒Ｌを加熱する。

貯熱槽３は、軒下等のスペースに設置され、太陽熱集熱器２で加熱された熱媒Ｌを貯留する横置き型のタンクであり、２００リットル程度の貯液容量を有する。
本実施形態の貯熱槽３は、上部開口を備える直方体状の槽本体３１と、槽本体３１の上部開口を覆う蓋体３２とを有し、断熱材を一体成形した合成樹脂で形成されている。
蓋体３２は、熱媒Ｌが槽本体３１から流出したり、雨水が槽本体３１内に流入したりすることがないように槽本体３１の上部開口を覆っているが、図示しない空気穴により槽本体３１内を大気開放している。

槽本体３１の内部に熱交換器６が設置された貯熱槽３は、太陽熱を利用して太陽熱集熱器２で加熱された熱媒Ｌを貯留するとともに、給水管１１から供給されて熱交換器６を通る水を加熱して出湯管１３から湯として出湯する。
槽本体３１には、貯熱槽３の上部において熱媒送り配管４に接続される上部口（入口）３３と、貯熱槽３の下部において熱媒戻し配管５に接続される下部口（出口）３５とが設けられ、太陽熱集熱器２の図示しない内部流路に連通している。また、槽本体３１の下部には、槽本体３１内から熱媒Ｌを抜く際に開かれる排水口（図示せず）が設けられている。槽本体３１に貯留された熱媒Ｌは、太陽熱集熱器２との間を循環することで加熱され、高温となる。

熱媒送り配管４は、一端が下流側の太陽熱集熱器２の排水側となる出入口管２１に接続され、他端が槽本体３１の上部口３３に接続される。熱媒戻し配管５は、一端が槽本体３１の下部口３５に接続され、他端が上流側の太陽熱集熱器２の注水側となる出入口管２３に接続される。

第１の電動三方切換弁７１は、熱媒戻し配管５の途中に設けられ、貯熱槽３内の熱媒Ｌの循環経路を太陽熱集熱器２又は熱交換器６へ切り換える。具体的には、第１の電動三方切換弁７１は、弁体が熱媒戻し配管５から高温側配管６１への通路を塞ぎ、貯熱槽３から太陽熱集熱器２への通路を開く状態と、弁体が貯熱槽３から太陽熱集熱器２への通路を塞ぎ、熱媒戻し配管５から高温側配管６１への通路を開く状態と、に切り換わる。

本第１実施形態に係る熱交換器６は、入口端が第１の電動三方切換弁７１に接続されると共に出口端が熱媒送り配管４に接続された高温側配管６１と、入口端が給水管１１に接続されると共に出口端が出湯管１３に接続された低温側配管６２とを有し、高温側配管６１内の熱媒Ｌと低温側配管６２内の水との間で熱交換させるプレート式熱交換器であり、保温材で覆われている。本発明はこれに限定されるものではない。例えば、多管式熱交換器などの熱交換性能の高い種々の熱交換器を用いることができる。

高温側配管６１は、入口端が槽本体３１を貫通して第１の電動三方切換弁７１に接続されると共に出口端が槽本体３１を貫通して熱媒送り配管４に接続されており、第１の電動三方切換弁７１を切り換えることにより、貯熱槽３内の高温となった熱媒Ｌが循環される。
低温側配管６２は、入口端が給水管１１に接続されると共に出口端が出湯管１３に接続されており、給水管１１から供給された水を高温側配管６１内を循環する高温の熱媒Ｌとの間で熱交換させ、温めた水を出湯管１３から湯として出湯する。

循環ポンプ７は、熱媒戻し配管５における第１の電動三方切換弁７１より上流に設けられ、槽本体３１から熱媒Ｌを加圧搬送することにより、貯熱槽３内の熱媒Ｌを太陽熱集熱器２又は高温側配管６１との間で循環させる。
本実施形態において、熱媒Ｌには、安全性の面からプロピレングリコールを主とした不凍液が使用される。尚、循環ポンプ７を常時又は所定間隔で駆動し、熱媒Ｌを常に循環させて凍結を防止できる場合には、熱媒Ｌに水を使用することもできる。

制御装置８は、第１の電動三方切換弁７１を制御する第１制御部８１と循環ポンプ７を制御する第２制御部８２とを有し、熱交換器６による熱交換運転及び太陽熱集熱器２による集熱運転を制御する。
第１制御部８１は、低温側配管６２の入口端に接続された貯熱槽３近傍における給水管１１に設けられて水の流量を検出するフロースイッチ２０と、第１の電動三方切換弁７１に接続される。そして、第１制御部８１は、フロースイッチ２０で検出された水の流量に基づいて、第１の電動三方切換弁７１の弁切換を制御する。なお、フロースイッチ２０は、給水管１１内の水の流れを検出可能であれば、種々の流量計を使用することができる。

第２制御部８２は、貯熱槽３に設けられて貯熱槽３内の熱媒Ｌの温度を検出する第１センサ５１と、太陽熱集熱器２に配設されて熱媒Ｌの温度を検出する第２センサ５３とに接続される。そして、第２制御部８２は、第１センサ５１で検出された熱媒Ｌの温度と、第２センサ５３で検出された熱媒Ｌの温度との差温に基づいて、循環ポンプ７の作動、停止を制御する。

なお、第１センサ５１及び第２センサ５３は、それぞれ貯熱槽３内及び太陽熱集熱器２内における熱媒Ｌの温度を検出可能であれば、貯熱槽３内及び太陽熱集熱器２内に設けられても、貯熱槽３近傍の熱媒戻し配管５及び太陽熱集熱器２近傍の熱媒送り配管４に設けられてもよい。

本実施形態の出湯管１３には、熱交換器６における低温側配管６２の出口端から出湯される湯水を必要に応じて加熱する給湯器１０が温度調節弁９を介して接続されている。温度調節弁９には、給水管１１から分岐された混合用給水管４１が接続され、予め熱交換器６から出湯される温水と混合用給水管４１から供給される水とが所定の温度（例えば、３０℃）となるように混合して給湯器１０に入水される。尚、温度調節弁９に代えて、温度調節装置であるミキシングユニットを用いることもできる。

温度調節弁９と給湯器１０との間には、給水管１１から分岐された直接給水用管４５と接続された切換弁４３が配設される。この切換弁４３を使用することで、給湯器１０への入水が温度調節弁９から行われる場合と、給水管１１から直接行われる場合とに切り換えることができる。

給湯器１０は、給湯運転が行われる場合に、必要に応じて給湯用ガスバーナが点火されて加熱され、出湯管１３に接続された温度調節弁９から流入した湯水が熱交換されることにより、給湯管４７からカランやシャワーヘッド等の図示しない出湯端末に所定の給湯設定温度を有する給湯水が供給される。

次に、上記構成を有する第１実施形態に係る太陽熱利用給湯システム１の作用を説明する。
本第１実施形態の太陽熱利用給湯システム１において、制御装置８の第１制御部８１は、フロースイッチ２０で検出された給水管１１内の水の流量がゼロである場合は、第１の電動三方切換弁７１の弁体を切り換えて熱媒戻し配管５から高温側配管６１への通路を塞ぎ、貯熱槽３から太陽熱集熱器２への通路を開く。そこで、循環ポンプ７が駆動されると、貯熱槽３内の熱媒Ｌが熱媒戻し配管５を介して太陽熱集熱器２に戻され、太陽熱集熱器２と貯熱槽３との間で循環される。

太陽熱集熱器２に日射が当たると、太陽熱集熱器２内の熱媒Ｌが加熱される。
制御装置８の第２制御部８２は、第２センサ５３で検出された太陽熱集熱器２内の熱媒Ｌの温度と、第１センサ５１で検出された貯熱槽３内の熱媒Ｌの温度との温度差が、所定の開始温度以上である場合、集熱運転プログラムを起動し、図示しない太陽電池等の電源により循環ポンプ７を作動して、集熱運転を開始する。

そこで、太陽熱利用給湯システム１は、エネルギー的に不経済な集熱運転を避けることができると共に、冬季などで屋外に設置される太陽熱集熱器２近傍の熱媒Ｌの温度が貯熱槽３内の熱媒Ｌの温度よりも低い場合の集熱運転による貯熱槽３内の熱媒Ｌの温度低下を防止することができる。

集熱運転が開始されると、循環ポンプ７は回転し、熱媒Ｌを強制的に熱媒戻し配管５、太陽熱集熱器２、熱媒送り配管４、貯熱槽３、循環ポンプ７へと循環させる。その結果、貯熱槽３に貯留された熱媒Ｌが加熱される。
この際、本第１実施形態の太陽熱利用給湯システム１は、熱媒送り配管４が貯熱槽３の上部に設けた上部口３３に接続され、熱媒戻し配管５が貯熱槽３の下部に設けた下部口３５に接続される。そこで、貯熱槽３の下部に集まる上部より低温の熱媒Ｌが、熱媒戻し配管５により太陽熱集熱器２に戻されることで、太陽熱集熱器２は熱媒Ｌを効率よく加熱することができる。
そして、太陽熱集熱器２内の熱媒Ｌと貯熱槽３内の熱媒Ｌとの温度差が、所定の開始温度未満となると、第２制御部８２は循環ポンプ７を停止して、集熱運転を終了する。

給湯器１０への入水が出湯管１３から行われるように切換弁４３が切り換えられ、太陽熱利用給湯システム１の給湯運転が行われた状態で、給湯器１０の下流にある出湯端末が開栓されると、給水管１１から給水された水が熱交換器６の低温側配管６２を経て出湯管１３から温度調節弁９に流入されて給湯器１０に供給される。この時、フロースイッチ２０が給水管１１内の水の流量変化（流入）を検出する。

制御装置８の第１制御部８１は、フロースイッチ２０で検出された水の流入に基づいて、第１の電動三方切換弁７１の弁体を切り換えて貯熱槽３から太陽熱集熱器２への通路を塞ぎ、熱媒戻し配管５から高温側配管６１への通路を開く。この際、集熱運転によって貯熱槽３内の熱媒Ｌが高温となり、太陽熱集熱器２内の熱媒Ｌとの温度差が所定の開始温度未満となった為に循環ポンプ７が停止している場合には、制御装置８の第２制御部８２が循環ポンプ７を作動する。

そこで、貯熱槽３内の高温となった熱媒Ｌが、熱交換器６の高温側配管６１へ循環される。
給水管１１から熱交換器６の低温側配管６２に供給された水は、高温側配管６１に供給される高温となった熱媒Ｌとの間で熱交換され、温められた湯水が出湯管１３に出湯する。

温度調節弁９に流入した湯水は、熱交換器６から出湯される温水と混合用給水管４１から供給される水とを所定の温度（例えば、３０℃）に混合して給湯器１０に供給される。給湯器１０は、必要に応じて温度調節弁９から供給された湯水を所定の給湯設定温度に加熱して給湯管４７から出湯端末に供給する。

本第１実施形態の太陽熱利用給湯システム１によれば、熱交換器６から出湯される温水と混合用給水管４１から供給される水とが、温度調節弁９によって所定の温度とされてから給湯器１０に入水されるので、給湯器１０は熱交換器６から出湯される温水や混合用給水管４１から供給される水の温度変化に関わらず、使用者が設定した温度の温水を安定的に給湯することができる。

従って、上述した太陽熱利用給湯システム１においては、太陽熱集熱器２で加熱された熱媒Ｌが大気開放型の貯熱槽３に貯留されるので、熱媒Ｌの膨張・収縮を吸収する膨張タンクを貯熱槽３と循環ポンプ７との間に設ける必要がない。

また、給水管１１から供給された水は、熱交換器６の低温側配管６２を経て出湯管１３から出湯される。熱交換器６の低温側配管６２は、従来の貯湯槽５０３（図４参照）に比べて耐圧性が高いので、熱交換器６への給水圧を調整する減圧弁を給水管１１に設ける必要がない。
また、第１の電動三方切換弁７１を切り換えることにより、一つの循環ポンプ７だけで貯熱槽３内の熱媒Ｌを太陽熱集熱器２又は熱交換器６へ循環させることができ、高価な循環ポンプ７を複数設ける必要がない。

また、熱交換器６は、従来の貯湯槽５０３（図４参照）のような密閉タンクではない大気開放型の貯熱槽３内に配されるので、使用できる熱交換器形式に制約がなく、プレート式熱交換器や多管式熱交換器などの熱交換性能の高い熱交換器を用いることができる。更に、熱交換器６自体が、加熱された熱媒Ｌにより常時高温環境の貯熱槽３内に配置されるので、給水管１１から給水される低温の水との間の熱交換率が向上する。

更に、熱媒Ｌが貯留される貯熱槽３は、従来の湯水が充填される貯湯槽５０３のように出湯口を有する上部に高温の湯水を集まり易くするために縦置き型とする必要がないので、貯熱槽３を設置幅よりも高さが小さい横置き型とすることができる。

また、貯熱槽３は、耐圧性を要しないので、貯熱槽３自体の構造を簡略化したり、本実施形態の如く合成樹脂で形成して軽量化したりすることもできる。
更に、太陽熱利用給湯システム１は、貯熱槽３を設置幅よりも高さが小さい横置き型の直方体状とすることで、貯熱槽３が転倒し難くなるので、貯熱槽３の脚部を簡素化し、従来のようなコンクリート基礎を廃止して簡易基礎にすることで施行工事を容易とすることができる。
また、貯熱槽３を横置き型とすることで高さが低くなり、意匠性を向上させて家のデザイン性を阻害しないようにできる。

従って、上述した本第１実施形態に係る太陽熱利用給湯システム１によれば、熱交換性能を向上させながら減圧弁や膨張タンクを不要として部品コストを削減すると共に、貯熱槽３の脚部を簡素化して簡易基礎とすることで、施行工事を容易として施行期間を短縮すること、大幅なコストダウンが可能となる。

図２は、本発明の第２実施形態に係る太陽熱利用給湯システム１０１の概略構成図である。なお、上記第１実施形態に係る太陽熱利用給湯システム１と同様の構成部材については、同符号を付して詳細な説明を省略する。
図２に示すように、本第２実施形態に係る太陽熱利用給湯システム１０１は、太陽熱集熱器２と、大気開放型の貯熱槽３と、熱媒送り配管４と、熱媒戻し配管５と、第１の電動三方切換弁７１と、熱交換器６と、循環ポンプ７と、制御装置８と、給湯器（補助加熱機）１０と、温度調節弁（温度調節装置）９と、を備える。

そして、本第２実施形態に係る太陽熱利用給湯システム１０１は、熱媒送り配管４が貯熱槽３の下部に設けた下部口（入口）３５に接続され、熱媒戻し配管５が貯熱槽３の上部に設けた上部口（出口）３３に接続されると共に、高温側配管６１の入口端が第１の電動三方切換弁７１に接続され、出口端が熱媒送り配管４に接続された以外は、上記第１実施形態に係る太陽熱利用給湯システム１と同様の構成である。

本第２実施形態に係る太陽熱利用給湯システム１０１によれば、貯熱槽３の上部に集まる下部より高温の熱媒Ｌが、第１の電動三方切換弁７１を介して熱交換器６の高温側配管６１に供給されることで、熱交換器６は熱媒Ｌの熱を低温側配管６２内の水へ効率よく熱交換することができる。なお、その他の作用効果は、上記第１実施形態に係る太陽熱利用給湯システム１と同様である。

図３は、本発明の第３実施形態に係る太陽熱利用給湯システム２０１の概略構成図である。なお、上記第１実施形態に係る太陽熱利用給湯システム１と同様の構成部材については、同符号を付して詳細な説明を省略する。
図３に示すように、本第３実施形態に係る太陽熱利用給湯システム２０１は、太陽熱集熱器２と、大気開放型の貯熱槽３と、熱媒送り配管４と、熱媒戻し配管５と、第２の電動三方切換弁７２と、第３の電動三方切換弁７３と、第４の電動三方切換弁７４と、熱交換器６と、循環ポンプ７と、バイパス配管７５と、制御装置８ａと、給湯器（補助加熱機）１０と、温度調節弁（温度調節装置）９と、を備える。

第２の電動三方切換弁７２は、熱媒戻し配管５の途中に設けられ、貯熱槽３内の熱媒Ｌの循環経路を太陽熱集熱器２又は熱交換器６へ切り換える。具体的には、第２の電動三方切換弁７２は、弁体が熱媒戻し配管５から高温側配管６１への通路を塞ぎ、貯熱槽３の下部口（出入口）３５から太陽熱集熱器２への通路を開く状態と、弁体が貯熱槽３の下部口３５から太陽熱集熱器２への通路を塞ぎ、熱媒戻し配管５から高温側配管６１への通路を開く状態と、に切り換わる。

第３の電動三方切換弁７３は、熱媒戻し配管５における第２の電動三方切換弁７２より上流に設けられ、貯熱槽３内の熱媒Ｌの循環経路を太陽熱集熱器２又は熱交換器６へ切り換える。具体的には、第３の電動三方切換弁７３は、弁体が高温側配管６１から熱媒戻し配管５への通路を塞ぎ、貯熱槽３の下部口３５から第２の電動三方切換弁７２を介して太陽熱集熱器２への通路を開く状態と、弁体が貯熱槽３の下部口３５から第２の電動三方切換弁７２への通路を塞ぎ、高温側配管６１から貯熱槽３の下部口３５への通路を開く状態と、に切り換わる。

第４の電動三方切換弁７４は、熱媒送り配管４の途中に設けられ、貯熱槽３内の熱媒Ｌの循環経路を太陽熱集熱器２又は熱交換器６へ切り換える。具体的には、第４の電動三方切換弁７４は、弁体が熱媒送り配管４からバイパス配管７５への通路を塞ぎ、太陽熱集熱器２から貯熱槽３の上部口（出入口）３３への通路を開く状態と、弁体が太陽熱集熱器２から貯熱槽３の上部口３３への通路を塞ぎ、貯熱槽３の上部口３３からバイパス配管７５及び第２の電動三方切換弁７２を介して高温側配管６１への通路を開く状態と、に切り換わる。

本第３実施形態に係る熱交換器６は、入口端が第２の電動三方切換弁７２に接続されると共に出口端が第３の電動三方切換弁７３に接続された高温側配管６１と、入口端が給水管１１に接続されると共に出口端が出湯管１３に接続された低温側配管６２とを有し、高温側配管６１内の熱媒Ｌと低温側配管６２内の水との間で熱交換させるプレート式熱交換器であり、保温材で覆われている。

高温側配管６１は、入口端が第２の電動三方切換弁７２に接続されると共に出口端が第３の電動三方切換弁７３に接続されており、第２乃至第４の電動三方切換弁７２，７３，７４を切り換えることにより、貯熱槽３内の高温となった熱媒Ｌが循環される。
低温側配管６２は、入口端が給水管１１に接続されると共に出口端が出湯管１３に接続されており、給水管１１から供給された水を高温側配管６１内を循環する高温の熱媒Ｌとの間で熱交換させ、温めた水を出湯管１３から湯として出湯する。

循環ポンプ７は、熱媒戻し配管５における第２の電動三方切換弁７２と第３の電動三方切換弁７３との間に設けられ、槽本体３１から熱媒Ｌを加圧搬送することにより、貯熱槽３内の熱媒Ｌを太陽熱集熱器２又は高温側配管６１との間で循環させる。

バイパス配管７５は、入口端が第４の電動三方切換弁７４に接続されると共に出口端が熱媒戻し配管５における循環ポンプ７と第３の電動三方切換弁７３との間に接続される。
制御装置８ａは、第２乃至第４の電動三方切換弁７２，７３，７４を制御する第３制御部８３と循環ポンプ７を制御する第２制御部８２とを有し、熱交換器６による熱交換運転及び太陽熱集熱器２による集熱運転を制御する。

第３制御部８３は、フロースイッチ２０と、第２乃至第４の電動三方切換弁７２，７３，７４に接続される。そして、第３制御部８３は、フロースイッチ２０で検出された水の流量に基づいて、第２乃至第４の電動三方切換弁７２，７３，７４の弁切換を制御する。

次に、上記構成を有する第３実施形態に係る太陽熱利用給湯システム２０１の作用を説明する。
本第３実施形態の太陽熱利用給湯システム２０１において、制御装置８ａの第３制御部８３は、フロースイッチ２０で検出された給水管１１内の水の流量がゼロである場合は、第２乃至第４の電動三方切換弁７２，７３，７４を切り換えて、貯熱槽３内の熱媒Ｌを太陽熱集熱器２と貯熱槽３との間で循環させる。

具体的には、第２の電動三方切換弁７２は、熱媒戻し配管５から高温側配管６１への通路を塞ぎ、貯熱槽３の下部口３５から太陽熱集熱器２への通路を開く状態に弁体が切り換えられる。第３の電動三方切換弁７３は、高温側配管６１から熱媒戻し配管５への通路を塞ぎ、貯熱槽３の下部口３５から第２の電動三方切換弁７２を介して太陽熱集熱器２への通路を開く状態に弁体が切り換えられる。第４の電動三方切換弁７４は、熱媒送り配管４からバイパス配管７５への通路を塞ぎ、太陽熱集熱器２から貯熱槽３の上部口３３への通路を開く状態に弁体が切り換えられる。

そこで、循環ポンプ７が駆動されると、貯熱槽３内の熱媒Ｌが熱媒戻し配管５を介して太陽熱集熱器２に戻されると共に、熱媒送り配管４を介して貯熱槽３に送られるので、太陽熱集熱器２と貯熱槽３との間で熱媒Ｌが循環される。

太陽熱集熱器２に日射が当たると、太陽熱集熱器２内の熱媒Ｌが加熱される。
制御装置８ａの第２制御部８２は、第２センサ５３で検出された太陽熱集熱器２内の熱媒Ｌの温度と、第１センサ５１で検出された貯熱槽３内の熱媒Ｌの温度との温度差が、所定の開始温度以上である場合、集熱運転プログラムを起動し、図示しない太陽電池等の電源により循環ポンプ７を作動して、集熱運転を開始する。

そこで、太陽熱利用給湯システム２０１は、エネルギー的に不経済な集熱運転を避けることができると共に、冬季などで屋外に設置される太陽熱集熱器２近傍の熱媒Ｌの温度が貯熱槽３内の熱媒Ｌの温度よりも低い場合の集熱運転による貯熱槽３内の熱媒Ｌの温度低下を防止することができる。

集熱運転が開始されると、循環ポンプ７は回転し、熱媒Ｌを強制的に熱媒戻し配管５、太陽熱集熱器２、熱媒送り配管４、貯熱槽３、循環ポンプ７へと循環させる。その結果、貯熱槽３に貯留された熱媒Ｌが加熱される。
そして、太陽熱集熱器２内の熱媒Ｌと貯熱槽３内の熱媒Ｌとの温度差が、所定の開始温度未満となると、第２制御部８２は循環ポンプ７を停止して、集熱運転を終了する。

給湯器１０への入水が出湯管１３から行われるように切換弁４３が切り換えられ、太陽熱利用給湯システム２０１の給湯運転が行われた状態で、給湯器１０の下流にある出湯端末が開栓されると、給水管１１から給水された水が熱交換器６の低温側配管６２を経て出湯管１３から温度調節弁９に流入されて給湯器１０に供給される。この時、フロースイッチ２０が給水管１１内の水の流量変化（流入）を検出する。

制御装置８ａの第３制御部８３は、フロースイッチ２０で検出された水の流入に基づいて、第２乃至第４の電動三方切換弁７２，７３，７４を切り換えて、貯熱槽３内の熱媒Ｌを熱交換器６と貯熱槽３との間で循環させる。
具体的には、第２の電動三方切換弁７２は、貯熱槽３の下部口３５から太陽熱集熱器２への通路を塞ぎ、熱媒戻し配管５から高温側配管６１への通路を開く状態に弁体が切り換えられる。第３の電動三方切換弁７３は、貯熱槽３の下部口３５から第２の電動三方切換弁７２への通路を塞ぎ、高温側配管６１から貯熱槽３の下部口３５への通路を開く状態に弁体が切り換えられる。第４の電動三方切換弁７４は、太陽熱集熱器２から貯熱槽３の上部口３３への通路を塞ぎ、貯熱槽３の上部口３３からバイパス配管７５及び第２の電動三方切換弁７２を介して高温側配管６１への通路を開く状態に弁体が切り換えられる。

この際、集熱運転によって貯熱槽３内の熱媒Ｌが高温となり、太陽熱集熱器２内の熱媒Ｌとの温度差が所定の開始温度未満となった為に循環ポンプ７が停止している場合には、制御装置８ａの第２制御部８２が循環ポンプ７を作動する。
そこで、貯熱槽３内の高温となった熱媒Ｌが、熱交換器６の高温側配管６１へ循環される。
給水管１１から熱交換器６の低温側配管６２に供給された水は、高温側配管６１に供給される高温となった熱媒Ｌとの間で熱交換され、温められた湯水が出湯管１３に出湯する。

本第３実施形態に係る太陽熱利用給湯システム２０１によれば、貯熱槽３内の熱媒Ｌを太陽熱集熱器２に循環させる際には、第２乃至第４の電動三方切換弁７２，７３，７４を切り換えることにより、貯熱槽３の下部に集まる上部より低温の熱媒Ｌを下部口３５から熱媒戻し配管５により太陽熱集熱器２に戻すことができるので、太陽熱集熱器２は熱媒Ｌを効率よく加熱することができる。

一方、貯熱槽３内の熱媒Ｌを熱交換器６に循環させる際には、第２乃至第４の電動三方切換弁７２，７３，７４を切り換えることにより、貯熱槽３の上部に集まる下部より高温の熱媒Ｌがバイパス配管７５を介して熱交換器６の高温側配管６１に供給されるので、熱交換器６は熱媒Ｌの熱を低温側配管６２内の水へ効率よく熱交換することができる。

従って、本第３実施形態に係る太陽熱利用給湯システム２０１は、太陽熱集熱器２の加熱効率向上と熱交換器６の熱交換効率向上を両立させながら、貯熱槽３の熱媒Ｌをそれぞれ太陽熱集熱器２又は熱交換器６へ循環させることができる。なお、その他の作用効果は、上記第１実施形態に係る太陽熱利用給湯システム１と同様である。

なお、本発明の太陽熱利用給湯システムは、上述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

例えば、上記実施形態においては、太陽熱集熱器２内の熱媒Ｌと貯熱槽３内の熱媒Ｌとの温度差が、所定の開始温度以上である場合に循環ポンプ７が作動される構成としたが、日射があると太陽電池の発電によって循環ポンプが自動的に運転されるように構成することもできる。
また、制御装置による集熱運転方法は、上述した制御装置８，８ａの集熱運転方法に限定されるものではなく、例えば、給水管１１に設けた給水温度センサや水流量計、熱媒戻し配管５や熱媒送り配管４に設けた熱媒流量計等の値に基づいて、貯熱槽３の熱媒Ｌから熱交換器６内の水に供給される集熱量を計算しながら循環ポンプ７の回転数を制御するなどの種々の集熱運転方法を採りうることは云うまでもない。

１…太陽熱利用給湯システム
２…太陽熱集熱器
３…貯熱槽
４…熱媒送り配管
５…熱媒戻し配管
６…熱交換器
７…循環ポンプ
８…制御装置
９…温度調節弁（温度調節装置）
１０…給湯器（補助加熱機）
１１…給水管
１３…出湯管
２０…フロースイッチ
３１…槽本体
３２…蓋体
５１…第１センサ
５３…第２センサ
６１…高温側配管
６２…低温側配管
７１…第１の電動三方切換弁
８１…第１制御部
８２…第２制御部
Ｌ…熱媒

Claims

太陽熱を利用して熱媒を加熱する太陽熱集熱器と、
前記太陽熱集熱器で加熱された熱媒を貯留する大気開放型の貯熱槽と、
前記太陽熱集熱器内の熱媒を前記貯熱槽に送る熱媒送り配管と、
前記貯熱槽内の熱媒を前記太陽熱集熱器に戻す熱媒戻し配管と、
前記熱媒戻し配管の途中に設けられ、前記貯熱槽内の熱媒の循環経路を切り換える第１の電動三方切換弁と、
入口端が前記第１の電動三方切換弁に接続されると共に出口端が前記熱媒送り配管に接続された高温側配管と、入口端が給水管に接続されると共に出口端が出湯管に接続された低温側配管とを有して前記貯熱槽内に配され、前記高温側配管内の熱媒と前記低温側配管内の水との間で熱交換させる熱交換器と、
前記熱媒戻し配管における前記第１の電動三方切換弁より上流に設けられ、前記貯熱槽内の熱媒を前記太陽熱集熱器又は前記高温側配管との間で循環させる循環ポンプと、
前記第１の電動三方切換弁を制御する第１制御部と前記循環ポンプを制御する第２制御部とを有し、前記熱交換器による熱交換運転及び前記太陽熱集熱器による集熱運転を制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする太陽熱利用給湯システム。
前記熱媒送り配管が前記貯熱槽の上部に接続され、前記熱媒戻し配管が前記貯熱槽の下部に接続されることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用給湯システム。
前記熱媒送り配管が前記貯熱槽の下部に接続され、前記熱媒戻し配管が前記貯熱槽の上部に接続されることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用給湯システム。
太陽熱を利用して熱媒を加熱する太陽熱集熱器と、
前記太陽熱集熱器で加熱された熱媒を貯留する大気開放型の貯熱槽と、
前記太陽熱集熱器内の熱媒を前記貯熱槽の上部に送る熱媒送り配管と、
前記貯熱槽内の下部の熱媒を前記太陽熱集熱器に戻す熱媒戻し配管と、
前記熱媒戻し配管の途中に設けられ、前記貯熱槽の熱媒の循環経路を切り換える第２の電動三方切換弁と、
前記熱媒戻し配管における前記第２の電動三方切換弁より上流に設けられ、前記貯熱槽の熱媒の循環経路を切り換える第３の電動三方切換弁と、
前記熱媒送り配管の途中に設けられ、前記貯熱槽の熱媒の循環経路を切り換える第４の電動三方切換弁と、
入口端が前記第２の電動三方切換弁に接続されると共に出口端が前記第３の電動三方切換弁に接続された高温側配管と、入口端が給水管に接続されると共に出口端が出湯管に接続された低温側配管とを有し、高温側配管内の熱媒と低温側配管内の水との間で熱交換させる熱交換器と、
前記熱媒戻し配管における前記第２の電動三方切換弁と前記第３の電動三方切換弁との間に設けられ、前記貯熱槽の熱媒を前記太陽熱集熱器又は前記高温側配管との間で循環させる循環ポンプと、
入口端が前記第４の電動三方切換弁に接続されると共に出口端が前記熱媒戻し配管における前記循環ポンプと前記第３の電動三方切換弁との間に接続されるバイパス配管と、
前記第２乃至第４の電動三方切換弁を制御する第３制御部と前記循環ポンプを制御する第２制御部とを有し、前記熱交換器による熱交換運転及び前記太陽熱集熱器による集熱運転を制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする太陽熱利用給湯システム。
前記制御装置における第２制御部は、前記貯熱槽に設けられて前記貯熱槽内の熱媒の温度を検出する第１センサと、前記太陽熱集熱器に配設されて熱媒の温度を検出する第２センサとに接続され、前記第１センサで検出された熱媒の温度と、前記第２センサで検出された熱媒の温度との差温に基づいて、前記循環ポンプの作動、停止を制御することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の太陽熱利用給湯システム。
前記出湯管には、前記低温側配管の出口端から出湯される湯水を必要に応じて加熱する補助加熱機が温度調節装置を介して接続されており、前記温度調節装置には、前記給水管から分岐された混合用給水管が接続され、予め前記低温側配管の出口端から出湯される温水と前記混合用給水管から供給される水とが混合して前記補助過熱機に入水されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の太陽熱利用給湯システム。