(57)【要約】【課題】  太陽熱温水器によって得られた熱エネルギーを有効に活用することができる太陽熱温水器利用システムを提供することである。【解決手段】  集熱部（１２ａ）および貯湯槽（１２ｂ）を有する太陽熱温水器（１２）と、地中に埋設される蓄熱配管（１４）と、太陽熱温水器の貯湯槽と蓄熱配管とを連結し、加温された液体を蓄熱配管に供給するための第１配管（１６）と、太陽熱温水器の貯湯槽と蓄熱配管とを連結し、地中において放熱した液体を太陽熱温水器の貯湯槽に戻すための第２配管（１８）とを備えていることを特徴とする太陽熱温水器利用システム（１０）が提供される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽熱温水器利用システムであって、
集熱部および貯湯槽を有する太陽熱温水器と、
地中に埋設される蓄熱配管と、
前記太陽熱温水器の貯湯槽と前記蓄熱配管とを連結し、加温された液体を前記蓄熱配管に供給するための第１配管と、
前記太陽熱温水器の貯湯槽と前記蓄熱配管とを連結し、地中において放熱した液体を前記太陽熱温水器の貯湯槽に戻すための第２配管と、
を備えていることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、太陽熱温水器利用システムに関する。より詳細には、本発明は、太陽熱温水器によって得られた熱エネルギーの有効活用を可能にする太陽熱温水器利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽の熱エネルギーを有効に活用する装置として、太陽熱温水器が知られている。太陽熱温水器は一般的に、家屋の屋根に設置した集熱器で太陽エネルギーを取得し、取得した太陽エネルギーで水を加温することによって得られる熱を融雪、暖房、風呂、ロードヒーティング、ビニルハウスなどの種々の用途に活用するものであり、二酸化炭素の排出等のない、環境に優しいエネルギー取得方法であるため、一般家庭においても普及が進んでいる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、太陽熱温水器は、日照時間の影響を受けるという特性を有している。すなわち、夏季などのように日照時間が長い季節においては、熱エネルギーの吸収量が多くなって消費しきれなくなる一方、冬季などのように日照時間が短い季節においては、熱エネルギーの吸収量が少なくなって必要量に足りないという事態が生ずる。したがって、太陽熱温水器によって得られる熱エネルギーを季節差に影響されずに有効に活用することができるシステムに対する強い要請がある。
【０００４】
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、太陽熱温水器によって得られた熱エネルギーを有効に活用することができる太陽熱温水器利用システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願請求項１に記載の太陽熱温水器利用システムは、集熱部および貯湯槽を有する太陽熱温水器と、地中に埋設される蓄熱配管と、前記太陽熱温水器の貯湯槽と前記蓄熱配管とを連結し、加温された液体を前記蓄熱配管に供給するための第１配管と、前記太陽熱温水器の貯湯槽と前記蓄熱配管とを連結し、地中において放熱した液体を前記太陽熱温水器の貯湯槽に戻すための第２配管とを備えていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の太陽熱温水器利用システムによれば、夏季などのように日照時間が長い季節において取得した熱エネルギーを地中の蓄熱層に蓄積しておき、冬季などのように日照時間が短い季節に所望の用途（例えば、融雪、暖房、風呂、生活水、ロードヒーティング、ビニルハウスなど）に活用するものであり、二酸化炭素の排出等のに使用することができるので、太陽熱温水器によって得られた熱エネルギーを有効に活用することが可能になる。本システムは、土を蓄熱媒体としているため、低コストで製造することができる。また、本システムは、構造が簡単であるため、製造コストが廉価であり、故障が少なく、維持管理も低コストで行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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温水器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温水器利用システムの全体を模式的に示した図である。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温水器利用システムは、太陽熱温水器１２を備えている。
【０００８】
太陽熱温水器１２としては、家屋の屋根上に配置される、通常の自然循環式のものを使用してよい。すなわち、太陽熱温水器１２は、水に太陽の熱エネルギーを供給するパネル状の集熱部１２ａと、集熱部１２ａにおいて加温された温水を貯留するための貯湯槽１２ｂとを有している。
【０００９】
図２は、太陽熱温水器１２の一例を模式的に示した斜視図である。図２において、参照符号１２ａ１、１２ａ２、１２ａ３は、第１ヘッダー流路、第２ヘッダー流路、第１ヘッダー流路と第２ヘッダー流路とを連結する継ぎ流路をそれぞれ示している。また、参照符号１２ａ４、１２ａ５は、第１ヘッダー流路１２ａ１と貯湯槽１２ｂとを連結する連結流路、第２ヘッダー流路１２ａ２と貯湯槽１２ｂとを連結する連結流路を示している。集熱部１２ａは、表面が透光性材料で形成されたケース１２ｃに収納されている。
【００１０】
太陽熱温水器利用システム１０は又、地中に埋設される蓄熱配管１４を備えている。蓄熱配管１４は、太陽熱温水器によって得られた熱エネルギーを地中の蓄熱層に伝達するための配管である。蓄熱配管１４は、熱エネルギーを蓄熱層に伝達するため、出来るだけ長い距離、蓄熱層内に位置するように配置されている。蓄熱配管１４を設置する孔は、杭打ち機によって穿孔されたものを用いる。これにより、蓄熱配管１４の設置コストを低減することができる。
【００１１】
図３は、太陽熱温水器利用システム１０の別の形態を示した模式図である。図３に示される太陽熱温水器利用システム１０では、地中に蓄熱用の孔を穿孔し、この蓄熱孔内に蓄熱配管１４が配置されている点を除いて、図１に示される太陽熱温水器利用システム１０と実質的に同一の構成を有している。
【００１２】
蓄熱層への熱エネルギーの放出を効率的に行うため、蓄熱配管１４として、一対のパイプを並置した“Ｕ”字形管を用いてもよいし（図４（ａ）参照）、蓄熱配管１４に、放熱片１４ａ（図４（ｂ）にフィン状の放熱片１４ａ、図４（ｃ）に鍔状の放熱片１４ａが図示されている）を設けてもよい。なお、図４に示された形態は一例にすぎず、蓄熱配管１４の外表面積を増大して蓄熱層への熱エネルギーの伝達を効率的に行うことができるものであれば、他の形態のものを使用してよい。
【００１３】
太陽熱温水器利用システム１０は更に、太陽熱温水器１２の貯湯槽１２ｂと蓄熱配管１４とを連結し、温水を蓄熱配管１４に供給する第１配管１６と、太陽熱温水器１２の貯湯槽１２ｂと蓄熱配管１４とを連結し、蓄熱層において放熱した水を太陽熱温水器１２に戻すための第２配管１８とを備えている。なお、第１配管１６と第２配管１８には、開閉用の弁１６ａ、１８ａ、１８ｂがそれぞれ設けられている。また、第２配管１８には、水を強制的に循環させるため、ポンプが設けられている。
【００１４】
以上のように構成された太陽熱温水器利用システム１０の作動について説明する。太陽熱温水器１２によって加温された温水が、第１配管１６を介して蓄熱配管１４に供給される。蓄熱配管１４に供給された温水の熱エネルギーは、土を媒体として、地中の蓄熱層に伝達されて蓄えられる。熱エネルギーを蓄熱層に伝達して温度が低下した水は、第２配管１８を介して太陽熱温水器１２に戻され、太陽熱を取得して再び加温される。以上の工程を繰り返すことにより、夏季などのように日照時間の長い季節に、蓄熱層に熱エネルギーを蓄え、このようにして蓄えられた熱エネルギーを、冬季などのように日照時間の短い季節に、所望の用途（例えば、冬季の室内暖房や生活水、道路や駐車場のロードヒーティング、ビニルハウス、融雪など）に使用する。
【００１５】
次に、本発明の太陽熱温水器利用システムの効果について検証するために行われたシミュレーションについて説明する。
（１）地中蓄熱孔（図５参照、蓄熱配管１４として８字形管を使用）
各地中蓄熱孔の間隔を1.5m、地中蓄熱孔の蓄熱半径を0.75m 、地中蓄熱孔の深さを８m、地中蓄熱孔の有効蓄熱深さを６m （地表面から2mは断熱層とする）とすると、地中蓄熱孔の蓄熱容積は、
0.752 ×π×６＝10.6m3
となる。
（２）太陽熱温水器
太陽熱温水器の集熱面積を4.12m2、熱効率を60％、蓄熱層に至るまでの熱損失を50％と仮定する。
（３）地中の蓄熱量
蓄熱層は、含水率50％の土からなるものと仮定する。
蓄熱層の比重は、土の比重（1.7g/cm3）、水の比重（1.0g/cm3）とすると、
1.3g/cm3＝1,300kg/m3
となる。
蓄熱層の比熱容量は、土の比熱容量（0.8Jg -1K -1）、水の比熱容量（4.2Jg -1K -1）とすると、
2.5Jg -1K -1＝2,500Jkg -1K -1 
となる。
したがって、蓄熱孔１本の最大蓄熱容量は、
10.6m3×1,300kg/m3×2,500Jkg -1K -1 ＝34.5MJK -1
となる。
また、蓄熱孔１本当たりの最大蓄熱量は、地中温度が10°Ｃから50°Ｃまで上昇するとすると、
34.5MJK -1×40K ＝1,380MJ 
となる。
【００１６】
（４）雪の比熱容量と年間降雪量
年間降雪量（10年平均）を570cm ＝5.7m、雪の比重を0.3g/cm3＝300kg/m3、雪の比熱容量を2.1Jg -1K -1）＝2,100Jkg -1K -1 とすると、１m2当たりの融雪熱容量は、
5.7m3 ×300kg/m3×2,100Jkg -1K -1 ＝3.59MJK -1
１m2当たりの融雪熱量（雪平均温度−2.5 °Ｃ）は、
3.59MJK -1×2.5K＝8.98MJ
となる。
（５）１m3の水を加温するのに要する熱量
水温を15°Ｃから40°Ｃまで上昇させるとき、
1,000kg ×25K/m3×4,200 Jkg -1K -1＝1.05MJ/m3 
の熱量が必要となる。
（６）太陽熱温水器の集熱量
いま札幌市を例にとると、年間日射量（単位面積当たり）が、12.4MJ/m2 × 365日＝4,526MJ/m2であるので、太陽熱温水器１台の集熱量は、
集熱量×年間日射量＝4.12m2×4,526MJ/m2＝18,647MJ
となる。
【００１７】
（７）分析
以上より、蓄熱孔の最大蓄熱量（１本当たり）が1,380MJ 、１m2当たりの融雪熱量が8.98MJ/m2 、太陽熱温水器１台の年間集熱量が18,647MJ、１m3の水を加温するのに要する熱量が105MJ/m3となる。
したがって、１本の地中蓄熱孔の最大蓄熱量で融雪できる面積は、
1,380MJ ÷8.98MJ/m2 ＝153.7 m2
となり、蓄熱経路の熱損失を50％と仮定すると、
153.7 m2×５０％
となる。
また、１台の太陽熱温水器によって供給できる地中蓄熱孔の本数は、
18,647MJ/ 台÷1,380MJ ＝13.5本／台
となり、太陽熱温水器の熱効率を60％、蓄熱経路と地中での熱損失を50％と仮定すると、
13.5本／台×60％×50％＝4.1 本／台
となる。
さらに、太陽熱温水器１台によって供給できる温水の量（15°Ｃから40°Ｃまで）は、
18,647MJ/ 台÷105MJ/m3＝196m3 ／台
となり、太陽熱温水器の熱効率を60％と仮定すると、
196m3 ／台×60％÷ 365日＝0.322m3 ／日／台
となる。
（８）検証結果
以上の結果、１本の地中蓄熱孔の最大蓄熱量で融雪できる面積は72m2、１台の太陽熱温水器が供給できる地中蓄熱孔の本数は４本、１台の太陽熱温水器（地中蓄熱孔４本）が供給できる温水の量（15°Ｃから40°Ｃまで）は 322リットル／日となる。
（９）結論
以上のシミュレーションにより、１台の太陽熱温水器で相当な面積の駐車場の融雪やロードヒーティングが可能となることが分かった。また、１台の太陽熱温水器で家庭への十分な温水供給が可能となることが分かった。さらに、複数台の太陽熱温水器を使用することにより、國や地方自治体が管轄している道路の融雪に利用することができることが分かった。
【００１８】
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。
【００１９】
たとえば、前記実施の形態に示した太陽熱温水器１２は例示的なものにすぎず、他の形態の温水器を使用してもよい。また、温水器では、水の代わりに、他の適当な液体（例えば、不凍液など）を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の好ましい実施の形態に係る太陽熱温水器利用システムの全体を模式的に示した図である。
【図２】図１のシステムに用いられる太陽熱温水器の一例を模式的に示した斜視図である。
【図３】本発明の別の好ましい実施の形態に係る太陽熱温水器利用システムの全体を模式的に示した図である。
【図４】蓄熱配管に設けられる放熱片の例を示した模式図である。
【図５】本発明の効果を検証するために行われたシミュレーションを説明するための図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０  太陽熱温水器利用システム
１２  太陽熱温水器
１２ａ  集熱部
１２ｂ  貯湯槽
１２ｃ  ケース
１４  蓄熱配管
１４ａ  放熱片
１６  第１配管
１６ａ  弁
１８  第２配管
１８ａ、１８ｂ  弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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