JP5652745B2 - 太陽熱温水システム - Google Patents

Description

本発明は、循環ポンプの作動により、貯湯タンク内の湯水を熱交換加熱するための熱交換器と、太陽熱の集熱パネルとの間で熱媒を強制循環させることで太陽熱の集熱を温水として貯湯タンク内に蓄熱し、この温水を給湯等に利用するために用いられる太陽熱温水システムに関し、特に集熱パネルと、貯湯タンクや熱交換器との間の高低差が従来よりも大きい場合であっても不都合なく設置し得るようにするための技術に係る。

従来、集熱パネルと貯湯タンクとの間の循環回路を構成する循環経路としてゴムホースを利用した場合に生じるおそれのある不都合、例えば管壁を通して外部から空気が循環経路内に侵入するおそれに対策するために、集熱運転用の循環ポンプとは別個に他の循環ポンプを循環経路に介装し、集熱運転用の循環ポンプを集熱可能なときに自動作動させる一方、別個の循環ポンプを集熱可能な時間帯において間欠作動させて、一定時間毎に２台同時運転させることで、侵入した空気を開放型膨張タンクから除去させるようにすることが提案されている（例えば特許文献１参照）。

又、循環ポンプとしてＤＣポンプを用いて熱媒の循環流量を可変とすることで、短時間での天気の変化にも対応させて集熱効率を高めることを企図した提案もなされている（例えば特許文献２参照）。

実公昭６３−３７６３５号公報 特開２００９−２７５９７１号公報

ところで、近年、太陽熱利用の普及に伴い、集熱パネルを従来よりもさらに高所（例えば３階建て家屋の屋根上）に設置することが行われるようになりつつあり、集熱パネルと貯湯タンクとの高低差がより大きくなる傾向にある。これに伴い、従来は問題になることはなかった現象が不都合発生となるおそれが考えられる。すなわち、強力な太陽光に照らされて集熱パネルが沸騰するに至る結果、集熱パネル内に気泡が発生し、気泡発生に伴い熱媒（例えば不凍液）が集熱パネルから半密閉式の集熱循環回路内に下降してしまったとしても、従来の高低差（例えば９ｍ未満）程度であれば、自然に復旧して所定の状態に戻るようになっている。つまり、一定時間が経過して集熱パネルが冷えてくると、熱媒が大気圧により集熱パネル内に押し戻されて集熱パネル内が熱媒で充満した状態に自然に戻ることになる。ところが、集熱パネルがより高所（例えば高低差が１０ｍ以上の高所）に設置されると、集熱パネルが冷えてきても、大気圧だけでは熱媒を集熱パネル内に戻すことは困難となると考えられ、不都合な状態を発生させてしまうことになる。

この対策として、集熱運転開始時に前記の高低差分だけ循環ポンプの揚程を上げるように作動制御することが考えられる。しかしながら、そのような作動制御を集熱運転開始時に画一的に実行させるとすると、作動エネルギーの無駄な消費や、循環ポンプの耐久性の悪化を招くという不都合を発生させるおそれがある。その一方、個々の設置環境毎に異なる制御内容の太陽熱温水システムを構成するようにすることも考えられるが、そのようにすると特にコストの増大やシステム提供に伴う作業が増大し、太陽熱利用の促進を阻害することにもつながる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、特に高低差が異なる種々の設置環境に対しても同一制御仕様のものを提供することを可能としつつも、高低差が通常のものよりも大きい設置環境に設置されたとしても不都合発生を確実に回避し得る太陽熱温水システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、太陽熱を集熱して熱媒を加熱する集熱パネルと、貯湯タンクと、この貯湯タンク内の湯水を熱交換加熱するための熱交換器と、循環ポンプの作動により前記集熱パネルと前記熱交換器との間で熱媒を循環させることで前記貯湯タンク内の湯水を熱交換加熱して貯湯として蓄熱させる集熱循環回路とを備えた太陽熱温水システムを対象にして、次の特定事項を備えることとした。すなわち、前記集熱循環回路内に気泡が発生したか否かを判定する気泡発生判定手段を備えることとし、この気泡発生判定手段により気泡発生と判定されたとき、気泡発生と判定されたとき以外の通常のときの能力よりも大能力で前記循環ポンプを作動制御する構成を備えることとする。

この特定事項を備える場合、集熱パネルが通常以上の高低差のある場所に設置されていたとしても、しかも、集熱パネル内の熱媒に沸騰が生じた結果、内部に気泡が発生し、この気泡発生に伴い熱媒が集熱パネルから下降してしまうという下降現象が生じていたとしても、循環ポンプが大能力で作動されるため、集熱循環回路内の熱媒を集熱パネルまで押し上げて、集熱パネル内に充満させることが可能となる。従って、特に高低差が異なる種々の設置環境に対しても同一制御仕様の太陽熱温水システムを提供することが可能となり、しかも、高低差が通常のものよりも大きい設置環境に設置されたとしても不都合の発生を確実に回避し得るようになる。加えて、本発明では、前記循環ポンプが作動を停止した状態で経過する経過時間を計時するポンプ停止タイマを備え、前記気泡発生判定手段として、前記ポンプ停止タイマにより計時される経過時間が設定時間値を超えれば、気泡発生と判定する構成とした（請求項１）。このようにすることで、集熱パネルにおける沸騰発生以外の事由に基づいて気泡発生した場合であっても、その気泡発生を確実に検知し得ることになる。すなわち、循環ポンプの作動停止状態が継続すれば、循環経路の管壁を透過して侵入する空気がより増加し気泡発生に至る。これをポンプ停止タイマにより、的確に検知し得るようになる。

本発明の太陽熱温水システムにおいて、集熱パネルにおける熱媒の温度又はこの熱媒温度と同等の温度を検出する熱媒温度検出手段を備え、前記気泡発生判定手段として、前記熱媒温度検出手段により検出される熱媒温度が設定温度以上であれば、気泡発生と判定する構成とすることができる（請求項２）。このようにすることで、気泡発生か否かの判定を具体的に行い得ることになり、循環ポンプの作動をより的確に行い得るようになる。

又、集熱循環回路に介装された膨張タンクと、この膨張タンク内の熱媒の液位を検出する液位検出手段とを備え、前記気泡発生判定手段として、前記液位検出手段により熱媒の液位が設定液位を超えれば、気泡発生と判定する構成とすることができる（請求項３）。このようにすることで、集熱パネルにおいて沸騰が生じ、それに起因して熱媒が下降すれば、前記液位検出手段により検出される液位が上昇して設定液位を超えることになる。これにより、気泡発生か否かの判定を確実に行い得ることになる。

以上、説明したように、本発明の太陽熱温水システムによれば、集熱パネルが通常以上の高低差のある場所に設置されていたとしても、しかも、集熱パネル内の熱媒に沸騰が生じた結果、内部に気泡が発生し、この気泡発生に伴い熱媒が集熱パネルから下降してしまうという下降現象が生じていたとしても、循環ポンプを大能力で作動させることができ、集熱循環回路内の熱媒を集熱パネルまで押し上げて、集熱パネル内に充満させることができるようになる。従って、特に高低差が異なる種々の設置環境に対しても同一制御仕様の太陽熱温水システムを提供することができるようになり、しかも、高低差が通常のものよりも大きい設置環境に設置されたとしても不都合の発生を確実に回避することができるようになる。加えて、ポンプ停止タイマにより計時される経過時間が設定時間値を超えれば、気泡発生と判定するようにしているため、集熱パネルにおける沸騰発生以外の事由に基づいて気泡発生した場合、すなわち、循環ポンプの作動停止状態が継続すれば、循環経路の管壁を透過して侵入する空気がより増加し気泡発生に至る場合であっても、これをポンプ停止タイマにより、的確に検知することができるようになる。

特に、請求項２によれば、熱媒温度検出手段により検出される熱媒温度が設定温度以上であれば、気泡発生と判定する構成とすることで、気泡発生か否かの判定を具体的に行うことができ、循環ポンプの作動をより的確に行うことができるようになる。

又、請求項３によれば、膨張タンク内の熱媒の液位を検出する液位検出手段を備え、液位検出手段により熱媒の液位が設定液位を超えれば、気泡発生と判定する構成とすることで、集熱パネルにおいて沸騰が生じ、それに起因して熱媒が下降すれば、液位検出手段により検出される液位が上昇して設定液位を超えることになるため、気泡発生か否かの判定を確実に行うことができるようになる。

本発明に係る太陽熱温水システムの実施形態を示す模式図である。 図１の太陽熱温水システムの作動制御に係る構成を示すブロック図である。 集熱運転制御に係るフローチャートである。 気泡発生判定に基づくポンプ能力切換設定処理に係るフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る太陽熱温水システムを示す。同図中の符号１は例えば地上に設置されたシステム本体、２は内部を通る熱媒（例えば不凍液）に太陽熱を集熱させるための集熱パネル、３は貯湯タンク、４は集熱パネル２と貯湯タンク３との間に熱媒を循環させることにより熱媒の熱を貯湯タンク３内に貯湯として蓄熱する集熱循環回路、５は外部から水道水等を貯湯タンク３内に給水する給水路、６は貯湯タンク３内の貯湯を用いて給湯栓（図示省略）等に給湯するために出湯する出湯路、７はこの太陽熱温水システムの作動制御を行うコントローラである。

集熱パネル２は例えば家屋の屋根に設置され、その頂部位置近傍には集熱パネル２を構成するフィンの温度を検出する熱媒温度検出手段としての集熱パネル温度センサ２１が設置されている。この集熱パネル温度センサ２１により検出される前記のフィン温度は、集熱により最も昇温した状態の熱媒の熱媒温度Ｔｓと同等であり、フィン温度の検出により熱媒温度Ｔｓを検出するようになっている。

貯湯タンク３は、例えばステンレス鋼により密閉式に構成された密閉容器である。この貯湯タンク３には、貯湯タンク３内の底部付近の湯又は水（以下「湯水」という）の温度Ｔｔを検出する貯湯タンク温度センサ３１が設置されている。給水路５は、その上流端が外部の水道管等に接続され、下流端が図示省略の逆止弁等を介して貯湯タンク３の底部に接続されている。この給水路５には給水温度を検出する給水温度センサ５１や給水流量を検出する給水流量センサ５２が介装されている。又、出湯路６は、その上流端が貯湯タンク３の頂部に接続され、貯湯タンク３の頂部近傍には貯湯タンク３から出湯した湯の温度を検出する出湯温度センサ６１が介装されている。

集熱循環回路４は、循環ポンプ４１の作動により熱媒を循環経路４２を通して集熱パネル２と貯湯タンク３内の蓄熱用熱交換器（例えばコイル型熱交換器）４３との間で循環させるように構成されたものである。循環経路４２は、集熱パネル２の内部に通されて昇温した高温の熱媒をその頂部近傍から導出させて貯湯タンク３内の蓄熱用熱交換器４３の入側に導く往き路４２ａと、蓄熱用熱交換器４３で熱交換されて低温になった熱媒を蓄熱用熱交換器４３の出側から導出させて集熱パネル２の底部まで戻す戻り路４２ｂとから構成されている。これら往き路４２ａ及び戻り路４２ｂからなる循環経路４２は、システム本体１と集熱パネル２との間に延びる部分が例えばＰＥ（ポリエチレン）管を用いて配管されている。

又、システム本体１内に形成された戻り路４２ｂには半密閉式のタンク４４が介装され、このタンク４４の頂部は連通管４５１を介してリザーブタンク４５の底部と連通されている。この連通管４５１を通してタンク４４内からあふれた熱媒をリザーブタンク４５内に逃がすようになっている。これらタンク４４とリザーブタンク４５との組み合わせにより膨張タンクが構成されている。なお、タンク４４には底部側の所定液位位置に下限液位を検出する液位電極４４１が配設され、この液位電極４４１によりタンク４４内の液位が下限液位まで低下したことが検知されたときにはコントローラ７により循環ポンプ４１の作動が強制的に停止されるようになっており、循環ポンプ４１の空回り作動の発生を回避するようになっている。

循環ポンプ４１は可変流量ポンプ（例えばＤＣポンプ）により構成され、その吐出能力が増減調整可能となっている。ＤＣポンプの場合、電流値を増大すれば回転数が増加して吐出量が増大し、電流値を低減すれば回転数が低下して吐出量が低減する。特にこの循環ポンプ４１の作動・停止あるいは通常能力・大能力の切換がコントローラ７による制御対象となる。

以上の太陽熱温水システムはリモコン７１からの入力設定信号・操作信号の出力や、温度センサ２１，３１等からの検出信号の出力を受けて、コントローラ７により作動制御されるようになっている。コントローラ７は、ＭＰＵやメモリ等を備え、予め搭載されたプログラムの実行や制御回路により各種制御が行われるようになっている。そして、コントローラ７は、作動制御のために、図２に示すように集熱運転を行う集熱運転制御手段７２、集熱パネル２を含む集熱循環回路４内に気泡が発生しているか否か、あるいは、循環経路４２の配管の管壁を透過して外部の空気が侵入して気泡が存在しているか否か、を判定する気泡発生判定手段７３、及び、気泡発生判定手段７３による判定結果に基づいて循環ポンプ４１のポンプ能力を増減切換するためのポンプ能力切換設定手段７４を備える他、図示省略の給湯制御手段等を備えている。

まず、ポンプ能力切換設定手段７４によるポンプ能力切換設定処理について図３を参照しつつ説明すると、まず気泡発生判定手段７３により気泡発生と判定されてなければ、ポンプ能力フラグに「０」を設定する（ステップＳ１１でＮＯ，ステップＳ１２）。もしも気泡発生判定手段７３により気泡発生と判定されていればポンプ能力フラグに「１」を設定する（ステップＳ１１でＹＥＳ，ステップＳ１３）。このポンプ能力切換設定手段７４による処理は、集熱運転制御手段７２により集熱運転が実行されているか否かを問わずに継続して実行され、ポンプ能力フラグに「１」が設定された後に、大能力での循環ポンプ４１の作動が実行されれば、「０」の初期設定に戻るようになっている。

ステップＳ１１の気泡発生判定手段７３による気泡発生判定処理は次のようにして行われる。第１の判定項目として、集熱パネル温度センサ２１により検出される熱媒温度Ｔｓが、熱媒が沸騰する温度として予め設定した沸騰温度Ｔｆを超えたか否かを判定する。沸騰温度Ｔｆとしては、熱媒が不凍液である場合には、例えば８０℃である。熱媒温度Ｔｓが沸騰温度Ｔｆを１度でも超えれば、前記の如くポンプ能力フラグに「１」が設定されて、次回の集熱運転の際には大能力で循環ポンプ４１の作動が行われる。この理由は、たとえ沸騰したとしても、その後に冷えて気泡が消滅しているかも知れないが、次回の集熱運転開始タイミングでどのような状態になっているか種々の試験を実施する以外に把握することができない。そこで、１度でも沸騰が発生すれば、次回の集熱運転開始の際には念のため、大能力で循環ポンプ４１を作動させるようにしているのである。

第２の判定項目として、循環ポンプ４１が作動停止状態を継続している経過時間が設定時間ｔｓ（例えば２４時間）以上になっているか否かを判定する。作動停止状態が設定時間ｔｓ以上継続していれば、循環経路４２の管壁から空気が内部に侵入し所定量以上の気泡が発生しているものと判定し、前記の如くポンプ能力フラグに「１」を設定する。

以上の気泡発生判定処理によって、集熱パネル２における沸騰発生に伴う気泡発生の加えて、循環経路４２の管壁を透過して空気が侵入することに伴う気泡発生の双方について、確実に判定することができるようになる。

以上の気泡発生判定処理や、ポンプ能力切換設定処理を基礎として、集熱運転制御手段７２による集熱運転制御は次のようにして行われる。すなわち、図４に示すように、まず貯湯タンク３の蓄熱量は不足しているか否かを例えば貯湯タンク温度センサ３１により検出される湯水温度Ｔｔに基づいて確認し（ステップＳ１）、蓄熱量が満杯状態（貯湯タンク３の底部温度である湯水温度Ｔｔが上限温度に到達している状態）であれば集熱運転は行わずに、次の制御に移行する（ステップＳ１でＮＯ）。蓄熱量が不足していれば（ステップＳ１でＹＥＳ）、さらに集熱パネル温度センサ２１により検出される熱媒温度Ｔｓが前記の湯水温度Ｔｔよりもα℃（例えば６℃）以上高温であることの開始条件の成立を確認し、熱媒温度Ｔｓが低温であれば集熱運転は行わずに待機する（ステップＳ２でＮＯ）。熱媒温度Ｔｓが湯水温度Ｔｔ＋α℃以上の高温であれば、集熱運転を開始する（ステップＳ２でＹＥＳ）。つまり、熱媒温度Ｔｓが貯湯タンク３の底部の湯水温度Ｔｔよりも所定の設定温度差（例えば６℃の温度差）以上高温であることを条件に、循環ポンプ４１を作動させることにより集熱運転を開始させる。この集熱運転開始の際には、ポンプ能力切換設定手段７４により循環ポンプ４１の作動能力として通常能力か、通常能力よりも大きい大能力かのいずれに設定されているかの確認を行う。すなわち、前述のポンプ能力切換設定処理によりポンプ能力フラグに「０」か「１」かのいずれが設定されているかを確認する（ステップＳ３）。ポンプ能力フラグが「０」であれば通常能力で循環ポンプ４１を作動させ（ステップＳ３でＮＯ，ステップＳ４）、ポンプ能力フラグが「１」であれば通常能力よりも大きい大能力で循環ポンプ４１を設定作動時間（例えば２分間）だけ作動させ、以後は通常能力で作動させる（ステップＳ３でＹＥＳ，ステップＳ５）。大能力で作動させる設定作動時間としては、集熱循環回路４内の熱媒が１周するのに要する時間に相当する時間値を考慮して設定すればよい。つまり、集熱パネル２の側からシステム本体１の側に熱媒が下降していたとしても、その熱媒が集熱パネル２まで押し上げられ、集熱パネル２内に充満した上で、システム本体１の側まで循環されてくるのに要する時間値を設定すればよい。

これにより、通常能力で循環ポンプ４１が作動された場合には、集熱パネル２から高温の熱媒が往き路４２ａを通して蓄熱用熱交換器４３に供給され、蓄熱用熱交換器４３において貯湯タンク３内の湯水を熱交換加熱することにより低温になった熱媒が戻り路４２ｂを通して集熱パネル２に戻される。集熱パネル２に戻された熱媒は集熱パネル２内を頂部に進行する間に再加熱され、再び高温になった熱媒が往き路４２ａを通して蓄熱用熱交換器４３に供給されるというように循環される。そして、貯湯タンク３内の湯水が熱交換加熱されることにより、熱媒に担持された集熱熱量が貯湯タンク３内の湯水に移動し、貯湯として貯湯タンク３内に蓄熱されることになる。

一方、通常能力よりも大きい大能力で循環ポンプ４１が作動された場合には、例えば太陽熱が強力で集熱パネル２内の熱媒に沸騰が生じた結果、内部に気泡が発生し、この気泡発生に伴い熱媒が集熱パネル２から下降してしまうという下降現象（いわゆる落水現象又は水崩れ現象）が生じていたとしても、しかも、集熱パネル２がシステム本体１よりも通常以上の高低差（例えば１０ｍ以上の高低差）のある場所に設置されていたとしても、大能力でのポンプ作動により集熱循環回路４内の熱媒を集熱パネル２まで押し上げて、集熱パネル２内に充満させることができる。そして、以後は、前記の通常能力により循環ポンプ４１が作動され、無駄な作動エネルギーを消費することなく、又、循環ポンプ４１の耐久性を損なうことなく、熱媒に担持された集熱熱量が貯湯タンク３内の湯水に移動し、貯湯として貯湯タンク３内に蓄熱されることになる。

以上の実施形態の場合、特に高低差が異なる種々の設置環境に対しても同一制御仕様の太陽熱温水システムを提供することができ、しかも、高低差が通常のものよりも大きい設置環境に設置されたとしても不都合の発生を確実に回避することができるようになる。

＜他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、前記実施形態では、気泡発生判定手段７３による気泡発生判定処理として、集熱パネル温度センサ２１により検出される熱媒温度Ｔｓが熱媒が沸騰温度Ｔｆを超えたか否かで判定を行うようにしているが、これに限らず、例えばリザーブタンク４５に設けた沸騰時液位を検出する液位検出手段としてのリザーブタンク液位センサ（例えば液位電極）４５２を用いて判定するようにしてもよい。すなわち、集熱パネル２に沸騰が生じれば、熱媒が下降してタンク４４内があふれ、あふれた熱媒が連通管４５１を通してリザーブタンク４５に流入して液位が上昇する。この液位の上昇が前記リザーブタンク液位センサ４５２により検知されれば、気泡発生と判定するようにしてもよい。もちろん、かかるリザーブタンク液位センサ４５２による沸騰時液位の検知を、熱媒温度Ｔｓが沸騰温度Ｔｆを超えたか否かの判定の代わりに採用しても、あるいは、併用しても、いずれの構成にしてもよい。

さらに、前記の液位センサ４５２により沸騰時液位の検出の代わりに、リザーブタンク４５のオーバーフロー管４５３に配設した水流センサ４５４によりオーバーフローした熱媒流れの発生を検知することで気泡発生の判定を行うようにしてもよい。つまり、沸騰時液位を超えると、その超えた熱媒がオーバーフロー管４５３を通して排出されることになるため、その流れの発生を検知することで、沸騰時液位を検知するのと同等の気泡判定を行い得る。従って、前記のオーバーフロー管水流センサ４５４も液位検出手段を構成し得る。

又、前記実施形態では熱交換器４３が貯湯タンク３内に設置された例を示したが、これに限らず、熱交換器が貯湯タンク３の外部に設置され、この熱交換器に対し集熱循環回路の熱媒を熱源側に循環供給する一方、貯湯タンク３内の湯水を他の循環ポンプにより被加熱側に循環供給することで、貯湯タンク内の湯水が熱媒により熱交換加熱されるように構成された太陽熱温水システムも本発明に含まれる。

２ 集熱パネル
３ 貯湯タンク
４ 集熱循環回路
２１ 集熱パネル温度センサ（熱媒温度検出手段）
４１ 循環ポンプ
４４ タンク（膨張タンク）
４５ リザーブタンク（膨張タンク）
７３ 気泡発生判定手段
７５ ポンプ停止タイマ
４５２ リザーブタンク液位センサ（液位検出手段）
４５４ オーバーフロー管水流センサ（液位検出手段）

Claims (3)

1. 太陽熱を集熱して熱媒を加熱する集熱パネルと、貯湯タンクと、この貯湯タンク内の湯水を熱交換加熱するための熱交換器と、循環ポンプの作動により前記集熱パネルと前記熱交換器との間で熱媒を循環させることで前記貯湯タンク内の湯水を熱交換加熱して貯湯として蓄熱させる集熱循環回路とを備えた太陽熱温水システムであって、
   前記集熱循環回路内に気泡が発生したか否かを判定する気泡発生判定手段を備え、この気泡発生判定手段により気泡発生と判定されたとき、気泡発生と判定されたとき以外の通常のときの能力よりも大能力で前記循環ポンプを作動制御するように構成される一方、
   前記循環ポンプが作動を停止した状態で経過する経過時間を計時するポンプ停止タイマを備え、
   前記気泡発生判定手段は、前記ポンプ停止タイマにより計時される経過時間が設定時間値を超えれば、気泡発生と判定するように構成されている、
   ことを特徴とする太陽熱温水システム。
2. 請求項１に記載の太陽熱温水システムであって、
   集熱パネルにおける熱媒の温度又はこの熱媒温度と同等の温度を検出する熱媒温度検出手段を備え、
   前記気泡発生判定手段は、前記熱媒温度検出手段により検出される熱媒温度が設定温度以上であれば、気泡発生と判定するように構成されている、太陽熱温水システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の太陽熱温水システムであって、
   前記集熱循環回路に介装された膨張タンクと、この膨張タンク内の熱媒の液位を検出する液位検出手段とを備え、
   前記気泡発生判定手段は、前記液位検出手段により熱媒の液位が設定液位を超えれば、気泡発生と判定するように構成されている、太陽熱温水システム。

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