JPH1030851A - 太陽熱利用給湯装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】太陽熱を利用した給湯装置において問題となる
凍結事故を防止し、バラツキのある給湯温度を安定さ
せ、熱損失も無く安定した供給をする。 【構成】集熱器、貯湯タンク、蓄熱熱交換槽、ボイラー
を主要機器とし、集熱器の貯湯タンクと蓄熱熱交換槽の
熱交換器を直列に設置しているので、安定した給湯温度
が確保されるとともに、集熱器が放熱器となる凍結時に
は、重力差による循環が発生し凍結を防止する。蓄熱材
の加熱用ボイラーは加熱時間と燃料の種別を選ばないか
ら経済的である。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、太陽熱利用給湯におけ
る凍結防止と安定した水温確保に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、太陽熱利用の給湯装置としては種
々のものが用いられている。凍結防止には集熱器の水を
落水によって抜き取る方法、例えば実開昭５８ー１１４
４４７など。また水をポンプによって循環する方法、例
えば実開昭５８ー１９０３５０など。また冷媒を集熱に
利用する方法、例えば特開昭６３ー２１４４４など。特
殊なものとして、例えば特開昭５７ー８５４３４などが
ある。その他集熱には不凍液を用いて給湯と熱交換する
方法などがある。 【０００３】給湯温度に関してはバラバラな温度のまま
で、使用時に加熱または水でうすめて利用する、とか給
湯器を通し加熱して利用する、などの方法が採られてい
る。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】太陽熱利用の給湯装置
で解決しなくてはならない主要課題は、凍結の問題と集
熱量の変動、つまり集熱温度が変動（集熱が出来ないこ
とを含む）する問題である。いづれの方法もイニシャル
コストが掛かり、かつ操作が複雑である。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明は、給湯水用集熱
器と貯湯タンク、蓄熱熱交換槽との組み合わせによって
この問題を解決する。蓄熱層には蓄熱材が充填されてお
り、この蓄熱材を加熱するボイラーが設置されている。
ボイラーは蓄熱材の加熱であるから給湯使用時間に関係
なく運転できる。また燃料としては灯油、ガスはもちろ
ん紙ゴミ、枯れ木なども利用可能である。 【０００６】貯湯タンクから蓄熱槽の熱交換器を経て蛇
口に供給するシステムであるから、蓄熱熱交換槽に貯え
られている蓄熱材と熱交換し安定した温度で供給され
る。蓄熱材の温度は、ボイラーによって常に一定の温度
（通常５０〜５５℃程度）に保持される。 【０００７】 【作用】太陽熱利用の給湯装置における凍結は集熱器、
配管で起こるが、最も起こり易いのは集熱器である。配
管については保温など対策が可能である。 【０００８】集熱器の凍結については、気温が下がり、
太陽光の無い場合に起こるが、この時は集熱器が暖房に
おける放熱器と同様の現象が起きている。蓄熱熱交換槽
は暖房時のボイラーの役目となるので、丁度重力式温水
暖房の考え方が適用できる。この考えを応用して解決す
る。これには循環回路の確保が必要になるが、本発明は
これを解決している。 【０００９】安定した給湯温度の確保については集熱器
の集熱量によって決まる。つまり日照の強度と時間によ
って給湯温度がバラバラになっているが、蓄熱熱交換槽
の熱交換器によって所定の温度に昇温、降温処理されて
供給される。 【００１０】貯湯タンクの給湯温度が所定の供給温度の
場合は蓄熱材との熱の授受はなく、熱損失は伴わない。
低い場合は蓄熱材から熱を得て昇温し所定の温度となっ
て供給される。高い場合は蓄熱材に熱を与えて降温し所
定の温度となって供給される。 【００１１】 【実施例】図１は太陽熱給湯装置システム図である。集
熱器１には流路３を有する受光体２があり、太陽光がさ
し込む表面は太陽光透過性のあるガラスなどで覆い、反
対の裏面は断熱材で構成されている。流路３の上端には
貯湯タンク４、下端にはヘッダー５が配設されている。 【００１２】集熱器１に対しての給水は給水配管７から
分岐した集熱器給水管８からヘッダー５に接続されて行
われる。給水はヘッダー５から受光体２の流路３に入り
太陽光によって加熱され昇温した給水は上昇し、貯湯タ
ンク４に入り比重差によって置換しながら貯湯タンク４
に貯えられる。これと入れ替わりに貯湯タンク４内の水
は貯湯タンク４の下部から降水管６によってヘッダー５
に至り、受光体２の流路３に入り太陽光によって加熱さ
れ再び貯湯タンク４に入る。この繰り返し（循環）によ
って貯湯タンク４の水は加熱されて給湯に供される温度
に達する、 【００１３】貯湯タンク４からは給湯取り出し配管９が
設置されており、蓄熱熱交換槽１０に至る。 【００１４】蓄熱熱交換槽１０は外郭をなす蓄熱槽１
１、蓄熱槽１１の中には蓄熱材、熱交換器１２、拡散板
１８がある。蓄熱材としては通常は水を用いる。給湯取
り出し配管９は熱交換器１２の中間位置に接続され、熱
交換器１２の中を通り上端より給湯配管１９を経て蛇口
２０に至る。蛇口２０は洗面器２１など給湯を必要とす
る場所に配設される。 【００１５】また蓄熱熱交換槽１０には、給水配管７か
ら分岐した熱交換器給水管１３が自動弁１４を経て熱交
換器１２の下端に接続されている。 【００１６】太陽熱利用給湯装置としては蓄熱熱交換槽
１０の蓄熱材を加熱するボイラー１５を有している。蓄
熱熱交換槽１０とボイラー１５はボイラー低温水管１
６、ボイラー高温水管１７によって接続されている。蓄
熱材の膨張・収縮を吸収する膨張タンクは図示が省略さ
れている。更にボイラー１５に対しては始動・停止の信
号を出すサーモスタット２２・２３が設けられている。 【００１７】太陽熱利用給湯装置としては給湯使用時に
太陽熱で加熱された給湯を積極的に使用するため給湯配
管１９にフロースイッチ２４を取付ている。また確実な
給湯の温度確保と凍結防止のために給湯取り出し配管９
の上部にはサーモスタット２５が取り付けられている。 【００１８】本発明の太陽熱利用給湯装置の構成は以上
のようある。次に具体的に動作の説明をする。 【００１９】太陽熱給湯装置の各種配管、集熱器１の受
光体２の流路３、蓄熱熱交換槽１０、同配管、ボイラー
１５などには給湯用水および蓄熱材（水）が充填されて
いる状態にあり、これに太陽光がさし込んで加熱状態に
なると、受光体２が加熱され流路３内の水が加熱され
る。加熱された水は流路３に沿って上昇し貯湯タンク４
に入り比重差によって置換し貯湯タンク４上部に貯えら
れる。これと入れ替わる貯湯タンク４内の水は貯湯タン
ク４の下部から降水管６によってヘッダー５に至り、受
光体２の流路３に入り太陽光によって加熱され再び貯湯
タンク４に入る。この繰り返し（循環）によって貯湯タ
ンク４の水は加熱されて給湯に供される温度に達する。 【００２０】蛇口２０でお湯を使用すると使用量に相当
する水は給水管７から供給される。この時、フロースイ
ッチ２４の信号によって自動弁１４は閉じる。しかし回
路切り替えサーモスタット２５の設定によっては開く場
合もある。自動弁１４は給湯不使用時、つまりフロース
イッチ２４が流れの発生を感知しない時は、自動弁１４
は常に開の状態にある。 【００２１】例えば回路切り替えサーモスタット２５の
設定を１５℃とすると、１５℃以上の時は自動弁１４は
フロースイッチ２４の信号と同様閉じる。１５℃未満の
時はフロースイッチ２４の信号の‘閉じる’に係わらず
自動弁１４が開くように働く。もちろんこの設定温度は
変更できる。 【００２２】つまり回路切り替えサーモスタット２５の
検出水温が１５℃未満の時は、給湯使用時に係わらず自
動弁１４は開の状態となるから、蓄熱熱交換槽１０の熱
交換器１２に対する給水は集熱器給水管８と熱交換器給
水管１３の両方から行われるから熱交換器の有効利用に
なる。両者の流量の割合は各々の流水抵抗に逆比例す
る。 【００２３】本発明の太陽熱利用給湯装置１の凍結防止
作用について説明する。凍結が最もおこり易いのは集熱
器１である。他の配管などは保温などにより防止出来る
ので説明を省略する。凍結が起こる条件は日射が無く、
気温が下がり、給湯の使用がなくて受光体２の流路３内
の水が滞留する（動かない）場合である。気温が０℃以
下にならない場合でも受光体２は天空の逆輻射により容
易に０℃以下になり流路３の水が凍結する。気温による
凍結防止装置が機能しないで凍結事故を起こすのはこの
天空逆輻射を考慮しないことによる。 【００２４】気温が下がりかつ集熱器１の受光体２が天
空の逆輻射により冷却されると流路３の水も温度が下が
り比重が増加する。一方蓄熱熱交換槽１０内の蓄熱材の
温度は給湯に適する温度である５０〜５５℃に保持され
ており、かつ給湯を使用しない場合は自動弁１４は開の
状態にあるから比重差により破線矢印（給湯使用時およ
び集熱時は実線矢印方向の流れになる）の方向の流れが
発生する。この流れの発生と熱の供給によって受光体２
の流路３の凍結が防止される。もちろん配管の凍結も防
止される。 【００２５】従来太陽熱給湯装置においては、日射の強
弱・日照時間長短などにより集熱量に差が発生する。貯
湯タンク４の給湯温度にはバラツキが生ずる。これを直
接使用する場合には種々の不具合がある。本発明の太陽
熱給湯装置においては蓄熱熱交換槽１０により給湯温度
を補正して給湯に供する働きがある。 【００２６】まず貯湯タンク４内温度が５０℃程度に昇
温している場合について説明する。貯湯タンク４から給
湯取り出し配管９を通り蓄熱熱交換槽１０の熱交換器１
２を経て給湯配管１９に至るが蓄熱材と給湯の温度がほ
ぼバランスしていることから熱交換をしないで集熱器１
による給湯として利用される。 【００２７】日射が強く貯湯タンク４内温度が７０℃程
度で集熱された場合は、逆に蓄熱材に熱を与え給湯温度
は下がったものになって供給される。 【００２８】一方日射が弱く貯湯タンク４内温度が３０
℃程度に留まった場合には蓄熱熱交換槽１０の熱交換器
１２により昇温し所定の温度として給湯に供される。さ
らに日照が無く給水温度がそのまま熱交換器１２に入る
場合においても所定の給湯温度に昇温して給湯される。 【００２９】回路切り替えサーモスタット２５の設定温
度以下になった場合は熱交換器給水管１３からも熱交換
器１２に対して供給されるから熱交換器１２は有効に働
くとともに受光体２の流路３にも流れを発生させるから
これも凍結の防止に有効に働く。 【００３０】集結器１で集熱量によって蓄熱材に対し熱
の授受はあるが、集熱された熱量は全て有効に使用され
る。蓄熱材の温度が下がった場合はサーモスタット２２
の信号によりボイラーが運転に入る。サーモスタット２
２の設定温度は通常５０℃である。蓄熱槽の温度が上が
りサーモスタット２３の信号によりボイラーが停止す
る。このサーモスタット２３の設定温度は５５℃であ
る。これらサーモスタットの設定温度は要求給湯温度に
よって任意に設定できる 【００３１】 【発明の効果】以上のような構成で機能するので次のよ
うな効果がある。 １）太陽熱利用給湯装置の凍結事故防止が確実かつメン
テナンスフリーでできる。 ２）太陽熱利用の給湯装置の給湯温度が安定したものに
なるので安心して使用できる。 ３）蓄熱熱交換槽を利用しているからボイラー燃料の種
別と給湯の使用・不使用を選ばない。

【図面の簡単な説明】 【図１】太陽熱給湯装置システム図である。 【符号の説明】 １ 集熱器 ２ 受光体 ３ 流路 ４ 貯湯タンク ５ ヘッダー ６ 降水管 ７ 給水配管 ８ 集熱器給水管 ９ 給湯取り出し配管 １０ 蓄熱熱交換槽 １１ 蓄熱槽 １２ 熱交換器 １３ 熱交換器給水管 １４ 自動弁 １５ ボイラー １６ ボイラー低温水管 １７ ボイラー高温水管 １８ 拡散板 １９ 給湯配管 ２０ 蛇口 ２１ 洗面器 ２２ ボイラー始動サーモスタット ２３ ボイラー停止サーモスタット ２４ フロースイッチ ２５ 回路切り替えサーモスタット

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 太陽熱の集熱器１に集熱を貯える貯湯タ
   ンク４を設け、また別に熱交換器１２を内蔵した蓄熱槽
   １１、つまり蓄熱熱交換槽１０を設置するとともに、蓄
   熱槽１１の蓄熱材が常時ボイラー１５によって給湯適温
   （例えば５０〜５５℃）に保持されている状態にあり、
   給湯は貯湯タンク４から蓄熱熱交換槽１０の熱交換器１
   ２に入り蓄熱材と熱交換した後、給湯配管１９を経て蛇
   口２０に供給することを特徴とする太陽熱利用給湯装
   置。 【請求項２】 【請求項１】の太陽熱利用給湯装置の貯湯タンク４から
   給湯は、蓄熱熱交換槽１０の熱交換器１２の中間部に入
   り、一方給水配管７からの給水を熱交換器１２の下端に
   配設したことを特徴とした太陽熱利用給湯装置。 【請求項３】 【請求項２】の太陽熱利用給湯装置において、給水配管
   ７から分岐してなる熱交換器給水管１３にはフロースイ
   ッチ２４と回路切り替えサーモスタット２５からの指令
   によって作動する自動弁１４を設け、給湯を使用しない
   時は、自動弁１４は常に開いた状態とし、フロースイッ
   チ２４が流れを感知した時は閉の信号を出すが、サーモ
   スタット２５の設定温度未満の時は、自動弁１４は開の
   状態となり、設定温度以上の時はフロースイッチ２４の
   信号に従って閉の状態となることを特徴とする太陽熱利
   用給湯装置。