JP6926027B2 - 太陽熱利用システムの運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に、太陽熱利用技術に関する。より詳細には、本発明は、施工が簡単であり、自動制御が可能である太陽熱利用システム及びこのシステムの運転制御方法に関する。

太陽熱給湯装置など、太陽熱エネルギーを利用する種々のシステムが提案されており、代表的な再生可能エネルギーである太陽熱エネルギーの利用は、ますます脚光を浴びている。本発明者も一年を通じて太陽熱の効率的な利用を可能にする太陽熱利用システムを提案している（特許文献１参照）。

特許第５９６８４９９号公報

特許文献１のシステムは、幸いにも好評をもって迎えられたが、以下のような改善点もあった。すなわち、特許文献１のシステムでは、第１蓄熱層において２種類の配管の敷設を必要としているため、施工者にとっては、施工が煩雑になりコストアップの一因となっていた。また、特許文献１のシステムでは、ユーザにとっては、使用用途に合わせてバルブの切り替えを行わなければならないため、操作が煩雑であった。

本発明は、このような状況に鑑みて開発されたものであって、施工をより簡単なものにするとともに、自動制御が可能である太陽熱利用システム及びこのシステムの運転制御方法を提供することを目的としている。

本願請求項１に記載された、屋外に設置された太陽熱コレクター、建物の下部の地中に配置された砕石層、前記砕石層の上に配置されたコンクリート製の蓄熱層、前記蓄熱層の上に配置された断熱層、前記断熱層の上に配置されたコンクリート製の暖房層、前記建物に隣接した屋外に配置されたロードヒーティング層、屋内に配置された熱交換器、屋内に配置され、前記熱交換器の一次側に連結された蓄熱タンク、および屋内に配置され、前記熱交換器の二次側に連結されたバックアップ用熱源機を備えた太陽熱利用システムにおいて、前記蓄熱層に配置され、前記熱交換器の前記二次側に連結された蓄熱パイプと、前記暖房層に配置され、前記熱交換器の前記二次側に連結された暖房パイプと、前記ロードヒーティング層に配置され、前記蓄熱パイプに連結された融雪用パイプと、前記太陽熱コレクターと前記熱交換器の一次側流出口とを連結する戻り管の途中に配置された一次側循環ポンプと、前記蓄熱パイプの供給側パイプの途中に配置された二次側循環ポンプと、前記戻り管と前記蓄熱タンクの流出口に至る戻り枝管との分岐個所に配置された第１三方弁と、前記暖房パイプの供給側パイプと前記蓄熱パイプの供給側パイプの合流個所に配置された第２三方弁と、前記融雪用パイプの供給側パイプと前記蓄熱パイプの供給側パイプの合流個所に配置された第３三方弁とを備え、前記太陽熱コレクターによって取得された熱エネルギーを、前記蓄熱タンク、前記暖房パイプ、或いは、前記蓄熱パイプ及び／又は前記融雪用パイプに選択的に供給するように構成されている太陽熱利用システムの運転制御方法は、暖房モードを選択した場合には、太陽熱コレクターの温度Ｔ₀と暖房層の温度Ｔ₁を比較し、前記温度Ｔ₀が前記温度Ｔ₁＋αになると、第１熱媒体を前記太陽熱コレクターと前記熱交換器の一次側との間で循環させ、かつ、第２熱媒体を前記熱交換器の二次側と前記暖房パイプとの間で循環させるステップと、前記温度Ｔ₁が設定温度βになると、前記第１三方弁を前記蓄熱タンクの側に開放させるとともに、前記二次側循環ポンプを作動停止させ、かつ、前記第１熱媒体を前記太陽熱コレクターと前記蓄熱タンクとの間で循環させるステップと、前記温度Ｔ₁が前記温度β以下になると、前記第２熱媒体を前記バックアップ熱源機と前記暖房パイプとの間で循環させるステップと、前記温度Ｔ₁が前記温度βになり、かつ、前記蓄熱タンク内の水の温度Ｔ₂が設定温度εになると、前記第２熱媒体を前記熱交換器の前記二次側と前記蓄熱パイプとの間で循環させるステップとを含み、 非暖房モードを選択した場合には、前記温度Ｔ₀と前記温度Ｔ₂を比較し、前記温度Ｔ₀が前記温度Ｔ₂＋ζになると、前記第１熱媒体を前記太陽熱コレクターと前記蓄熱タンクとの間で循環させるステップと、前記温度Ｔ₂が前記温度εになると、前記第２三方弁及び前記第３三方弁を前記蓄熱層の側にそれぞれ開放させるとともに、前記二次側循環ポンプを作動させて、前記蓄熱層の側に熱を逃がすステップとを含むことを特徴とするものである。

本願請求項２に記載された太陽熱利用システムの運転制御方法は、前記請求項１の方法において、前記暖房モードにおいて、前記第２熱媒体を前記熱交換器の前記二次側と前記蓄熱パイプおよび前記融雪用パイプとの間で循環させるステップをさらに含むことを特徴とするものである。

本願請求項３に記載された太陽熱利用システムの運転制御方法は、前記請求項２の方法において、前記蓄熱層の温度Ｔ₄が設定温度δ以下になると、前記蓄熱パイプおよび前記融雪用パイプとの間での前記第２熱媒体の循環を断続的にさせるステップをさらに含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、蓄熱パイプと融雪用パイプが連続した１つの配管系で構成されているため、従来と比較して配管の敷設が容易であり、施工期間の短縮やコストダウンが可能になる。また、最初に暖房モードか非暖房モードのいずれかを選択すれば、ほぼ自動的にシステムが作動するので、ユーザにとって非常に使い勝手のよいシステムが提供される。

建物に設置される太陽熱コレクターの能力は、別の太陽熱コレクターに交換しない限り、一年中同じである。一方、太陽熱を主暖房に利用しようとすると、必要とする熱量は、暖房期と非暖房期で大きく異なる。したがって、必然的に余剰熱量が発生することになるが、本発明では、余剰熱量を蓄熱層に導き、蓄熱層を通して砕石層さらにその下層に熱を移動させることにより、蓄熱タンク１６等の機器の過熱を防止することができるとともに、冬季には余剰熱量を融雪に利用することもできる。このように、蓄熱層は、放熱層としての役割も果たしている。

本発明の好ましい実施の形態に係る太陽熱利用システムの全体を示した模式図である。 暖房モードにおける熱媒体の流れを示した配管図である。 非暖房モードにおける熱媒体の流れを示した配管図である。

次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る太陽熱利用システムについて詳細に説明する。図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る太陽熱利用システムの全体を示した模式図である。図１において全体として参照符号１０で示される本発明の好ましい実施の形態に係る太陽熱利用システムは、屋外に設置された太陽熱コレクター（太陽熱集熱器）１２を備えている。太陽熱コレクター１２は、公知の型式のものを使用してよい。太陽熱コレクター１２は、屋外の適当な箇所（例えば、屋根又は外壁）に堅固に取り付けられる。

太陽熱利用システム１０はまた、熱交換器１４と、蓄熱タンク１６と、バックアップ用熱源機１８とを備えており、これらはいずれも屋内に設置されている。熱交換器１４は、プレート型などの任意の型式のものを使用してよい。バックアップ用熱源機１８には、ポンプが内蔵されており、バックアップ用熱源機１８も通常の型式のものを使用してよい。

太陽熱コレクター１２と熱交換器１４の一次側流入口１４ａは、供給管２０ａによって連結されており、太陽熱コレクター１２と熱交換器１４の一次側流出口１４ｂは、戻り管２０ｂによって連結されている。また、供給管２０ａから分岐した供給枝管２０ａ１が蓄熱タンク１６の流入口１６ａに連結されており、戻り管２０ｂから三方弁２４を介して分岐した戻り枝管２０ｂ１が蓄熱タンク１６の流出口１６ｂに連結されている。

熱交換器１４の一次側と供給管２０ａ、供給枝管２０ａ１、戻り管２０ｂ、戻り枝管２０ｂ１との間には、第１熱媒体（例えば、不凍液）が流れており、戻り管２０ｂの途中には、第１熱媒体を供給管２０ａと戻り管２０ｂとの間で循環させる一次側循環ポンプ２２が配置されている。

太陽熱利用システム１０が設置される建物の下部（床下部分）には、地中に配置された砕石層と、砕石層の上に配置された蓄熱層と、蓄熱層の上に配置された断熱層と、断熱層の上に配置された暖房層とが設けられている。また、建物の隣接地の地中には、砕石層と、砕石層の上に配置されたロードヒーティング層とが設けられている。

蓄熱層、暖房層およびロードヒーティング層は、コンクリート又はモルタル（以下「コンクリート等」という）で形成されている。断熱層は、公知の断熱材（例えば、発泡系断熱材）で形成されている。各層の厚さは、典型的には、蓄熱層が約１５ｃｍ、断熱層が約１５ｃｍ、暖房層が約１５ｃｍであるが、これらの厚さに限定されるものではない。

蓄熱層には、蓄熱パイプ２６が配置されている。蓄熱パイプ２６の供給側パイプ２６ａは、熱交換器１４の二次側流出口１４ｃに連結されており、蓄熱パイプ２６の戻り側パイプ２６ｂは、熱交換器１４の二次側流入口１４ｄに連結されている。

蓄熱パイプ２６の供給側パイプ２６ａの途中には、二次側循環ポンプ２８が配置されている。

暖房層には、暖房パイプ３０が配置されている。暖房パイプ３０の供給側パイプ３０ａは、三方弁３２を介して蓄熱パイプ２６の供給側パイプ２６ａに合流し、熱交換器１４の二次側流出口１４ｃに至っている。暖房パイプ３０の戻り側パイプ３０ｂは、三方弁３４を介して蓄熱パイプ２６の戻り側パイプ２６ｂに合流し、熱交換器１４の二次側流入口１４ｄに至っている。

ロードヒーティング層には、融雪用パイプ３６が配置されている。融雪用パイプ３６の供給側パイプ３６ａは、三方弁３８を介して蓄熱パイプ２６の供給側パイプ２６ａに合流している。融雪用パイプ３６の戻り側パイプ３６ｂは、蓄熱パイプ２６に合流している。融雪用パイプ３６の供給側パイプ３６ａの途中には、融雪用循環ポンプ４０が配置されている。

バックアップ用熱源機１８の流出部１８ｂから延びたパイプ４２ａが、三方弁４４、３２を介して蓄熱パイプ２６の供給側パイプ２６ａに合流している。また、バックアップ用熱源機１８の流入部１８ａから延びたパイプ４２ｂが、三方弁４６、３４を介して蓄熱パイプ２６の戻り側パイプ２６ｂに合流している。

熱交換器１４の二次側と蓄熱パイプ２６、暖房パイプ３０、融雪用パイプ３６、およびバックアップ用熱源機１８に連結されているパイプ４２ａ、４２ｂとの間には、第２熱媒体が流れている。

蓄熱層、暖房層、ロードヒーティング層および蓄熱タンク１６には、温度を検知するためのセンサ（いずれも図示せず）が配置されている。また、太陽熱利用システム１０には、任意の個所に制御ユニット（図示せず）が配置されており、各機器（センサ、ポンプ、三方弁など）は、有線又は無線で制御ユニットに接続されている。そして、各機器の情報（各センサで検知された温度など）が制御ユニットに送られ、或いは制御ユニットからの信号により各機器が制御される（ポンプの作動開始又は作動停止、三方弁の開閉など）ようになっている。

次に、以上のように構成された太陽熱利用システム１０の運転制御方法について説明する。太陽熱利用システム１０は、４つの機能、すなわち、給湯機能、暖房機能、蓄熱機能、融雪機能を有している。また、太陽熱利用システム１０の作動モードは、主として寒冷期に使用する暖房モードと、暖房機能および融雪機能を使用しない非暖房モードの２つに大別される。暖房モードでは、すべての機能（給湯機能、暖房機能、蓄熱機能、融雪機能）を使用することができ、非暖房モードでは、給湯機能と蓄熱機能を使用することができる。なお、以下の記載において、太陽熱コレクター１２の温度をＴ₀とし、暖房層の温度をＴ₁とし、蓄熱タンク１６内の水の温度をＴ₂とし、ロードヒーティング層の温度をＴ₃とし、蓄熱層の温度をＴ₄とする。

まず最初に、ユーザは、暖房モード又は非暖房モードのいずれかを選択する。

暖房モードを選択した場合は、以下の通りである。図２は、暖房モードにおける熱媒体の流れを示した配管図である。太陽熱コレクター１２の温度Ｔ₀が暖房層の温度Ｔ₁よりも温度α上昇すると、一次側循環ポンプ２２が作動して、第１熱媒体が太陽熱コレクター１２と熱交換器１４との間で循環される。そして、一次側循環ポンプ２２の作動と連動して、二次循環ポンプ２８が作動して、第２熱媒体が熱交換器１４と暖房パイプ３０との間で循環され、これにより熱エネルギーが暖房層に蓄熱される。なお、暖房モードを選択した時点で、三方弁３２、４４は、いずれも暖房層の側に開放した状態になっている。

暖房層の温度Ｔ₁が温度βに到達すると、三方弁２４が蓄熱タンク１６の側に開放するように切り替わるとともに、二次側循環ポンプ２８が停止して、給湯形態になる。これにより、第１熱媒体が、太陽熱コレクター１２と蓄熱タンク１６との間で循環され、蓄熱タンク１６内の水が加温されて給湯に供される。

暖房層の温度Ｔ₁が設定温度β以下に低下すると、バックアップ用熱源機１８が作動して、第２熱媒体がバックアップ用熱源機１８と暖房層との間で循環され、これにより暖房層に熱エネルギーが蓄熱され、暖房層の温度Ｔ₁が設定温度βに維持される。なお、暖房層の温度Ｔ₁が太陽熱コレクター１２によって取得される熱エネルギーで設定温度βに維持されるときには、バックアップ用熱源機１８は作動しない。

暖房モードにおいて融雪機能を作動させると、三方弁３２、３８が融雪用パイプ３６の側に開放して融雪用パイプ３６と蓄熱パイプ２６が同一回路になるとともに、融雪用循環ポンプ４０が作動する。すると、第２熱媒体が融雪用パイプ３６の側に流れ、ロードヒーティング層上の雪が融雪される。そして、路盤の温度Ｔ₃が設定温度γに到達すると、融雪用循環ポンプ４０が停止し、路盤の温度Ｔ₃が設定温度γ以下に低下すると、融雪用循環ポンプ４０が再び作動する。

融雪機能の使用時に蓄熱層の急激な温度低下を防ぐため、融雪用循環ポンプ４０を断続的に作動させるのが好ましい。すなわち、上述のように融雪機能を作動させ、融雪用パイプ３６と蓄熱パイプ２６を同一回路にすると、蓄熱層の温度Ｔ₄が低下するが、蓄熱層の温度Ｔ₄が設定温度δ以下になると、融雪用循環ポンプ４０が断続的に作動するように構成するのが好ましい。これにより、蓄熱層の温度Ｔ₄の急激な低下が防止される。

暖房層の温度Ｔ₁が温度βに到達し、かつ、蓄熱タンク１６内の水の温度Ｔ₂が設定温度εに到達した場合には、三方弁３２、２８が蓄熱層側に開放し、熱エネルギーを蓄熱層に移動させるようになっている。これにより蓄熱タンク１６の過熱が防止される。

なお、ユーザは、上述の温度α、β、γ、δ、ε（いずれも＞０℃）を任意に設定することができる。

一方、非暖房モードを選択した場合は、以下の通りである。図３は、非暖房モードにおける熱媒体の流れを示した配管図である。太陽熱コレクター１２の温度Ｔ₀が蓄熱タンク１６内の水の温度Ｔ₂よりも温度ζ上昇すると、一次側循環ポンプ２２が作動し、温度Ｔ₀が温度Ｔ₂＋ζ以下になると、一次側循環ポンプ２２が停止する。そして、蓄熱タンク１６内の水の温度Ｔ₂が設定温度εに到達すると、三方弁３２、３８が蓄熱層側に開放するように切り替えられるとともに、二次側循環ポンプ２８が作動して、蓄熱層側に熱が逃がされ、これにより蓄熱タンク１６の過熱が防止される。なお、ユーザは、上述の温度ζ（＞０℃）を任意に設定することができる。

太陽熱利用システム１０において、蓄熱層に蓄熱された熱エネルギーは長期的使用（例えば、夏期の非暖房期間に熱エネルギーを蓄熱しておき、冬期に融雪に使用する）に供されるのに対して、暖房層に蓄熱された熱エネルギーは短期的使用（例えば、蓄熱された熱エネルギーを直ちに暖房に使用する、或いは蓄熱された熱エネルギーを夜間又は曇天・雨天時に暖房に使用する）に供される。これにより、一年を通じて太陽熱の効率的な利用を実現することができる。

また、太陽熱利用システム１０において、ポンプ（一次側循環ポンプ２２、二次側循環ポンプ２８など）の作動電力源として、太陽光発電や小型発電機（図示せず）を用いるように構成することにより、例えば不慮の災害などによる停電時においても、暖房や給湯が可能になる。

本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１０ 太陽熱利用システム
１２ 太陽熱コレクター
１４ 熱交換器
１６ 蓄熱タンク
１８ バックアップ用熱源機
２０ａ 供給管
２０ｂ 戻り管
２２ 一次側循環ポンプ
２４ 三方弁
２６ 蓄熱パイプ
２６ａ 供給側パイプ
２６ｂ 戻り側パイプ
２８ 二次側循環ポンプ
３０ 暖房パイプ
３０ａ 供給側パイプ
３０ｂ 戻り側パイプ
３２ 三方弁
３４ 三方弁
３６ 融雪用パイプ
３６ａ 供給側パイプ
３６ｂ 戻り側パイプ
３８ 三方弁
４０ 融雪用循環ポンプ
４２ａ パイプ（バックアップ用熱源機１８に連結）
４２ｂ パイプ（バックアップ用熱源機１８に連結）
４４ 三方弁
４６ 三方弁

Claims (3)

1. 屋外に設置された太陽熱コレクター、建物の下部の地中に配置された砕石層、前記砕石層の上に配置されたコンクリート製の蓄熱層、前記蓄熱層の上に配置された断熱層、前記断熱層の上に配置されたコンクリート製の暖房層、前記建物に隣接した屋外に配置されたロードヒーティング層、屋内に配置された熱交換器、屋内に配置され、前記熱交換器の一次側に連結された蓄熱タンク、および屋内に配置され、前記熱交換器の二次側に連結されたバックアップ用熱源機を備えた太陽熱利用システムにおいて、前記蓄熱層に配置され、前記熱交換器の前記二次側に連結された蓄熱パイプと、前記暖房層に配置され、前記熱交換器の前記二次側に連結された暖房パイプと、前記ロードヒーティング層に配置され、前記蓄熱パイプに連結された融雪用パイプと、前記太陽熱コレクターと前記熱交換器の一次側流出口とを連結する戻り管の途中に配置された一次側循環ポンプと、前記蓄熱パイプの供給側パイプの途中に配置された二次側循環ポンプと、前記戻り管と前記蓄熱タンクの流出口に至る戻り枝管との分岐個所に配置された第１三方弁と、前記暖房パイプの供給側パイプと前記蓄熱パイプの供給側パイプの合流個所に配置された第２三方弁と、前記融雪用パイプの供給側パイプと前記蓄熱パイプの供給側パイプの合流個所に配置された第３三方弁とを備え、前記太陽熱コレクターによって取得された熱エネルギーを、前記蓄熱タンク、前記暖房パイプ、或いは、前記蓄熱パイプ及び／又は前記融雪用パイプに選択的に供給するように構成されている太陽熱利用システムの運転制御方法であって、
   暖房モードを選択した場合には、
   太陽熱コレクターの温度Ｔ₀と暖房層の温度Ｔ₁を比較し、前記温度Ｔ₀が前記温度Ｔ₁＋αになると、第１熱媒体を前記太陽熱コレクターと前記熱交換器の一次側との間で循環させ、かつ、第２熱媒体を前記熱交換器の二次側と前記暖房パイプとの間で循環させるステップと、
   前記温度Ｔ₁が設定温度βになると、前記第１三方弁を前記蓄熱タンクの側に開放させるとともに、前記二次側循環ポンプを作動停止させ、かつ、前記第１熱媒体を前記太陽熱コレクターと前記蓄熱タンクとの間で循環させるステップと、
   前記温度Ｔ₁が前記温度β以下になると、前記第２熱媒体を前記バックアップ熱源機と前記暖房パイプとの間で循環させるステップと、
   前記温度Ｔ₁が前記温度βになり、かつ、前記蓄熱タンク内の水の温度Ｔ₂が設定温度εになると、前記第２熱媒体を前記熱交換器の前記二次側と前記蓄熱パイプとの間で循環させるステップとを含み、
   非暖房モードを選択した場合には、
   前記温度Ｔ₀と前記温度Ｔ₂を比較し、前記温度Ｔ₀が前記温度Ｔ₂＋ζになると、前記第１熱媒体を前記太陽熱コレクターと前記蓄熱タンクとの間で循環させるステップと、
   前記温度Ｔ₂が前記温度εになると、前記第２三方弁及び前記第３三方弁を前記蓄熱層の側にそれぞれ開放させるとともに、前記二次側循環ポンプを作動させて、前記蓄熱層の側に熱を逃がすステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記暖房モードにおいて、前記第２熱媒体を前記熱交換器の前記二次側と前記蓄熱パイプおよび前記融雪用パイプとの間で循環させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載された方法。
3. 前記蓄熱層の温度Ｔ₄が設定温度δ以下になると、前記蓄熱パイプおよび前記融雪用パイプとの間での前記第２熱媒体の循環を断続的にさせるステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載された方法。

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