(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが接続された熱媒の循環経路と、
前記ポンプを制御し、熱媒を循環させる制御部と、
を有し、
前記循環経路には、冷却制御において熱媒が循環されるラジエタが接続され、
前記制御部は、
検出した熱媒の温度から、前記ラジエタにおいて冷却された熱媒が前記集熱器の出口まで移動する移動時間の後の将来的な前記集熱器の出口での熱媒の温度を少なくとも前記移動時間ごとに予測し、
熱媒が沸騰すると予測した場合には、前記ポンプを動作させて熱媒を循環させて、熱媒の温度を下げる前記冷却制御を実行する
太陽熱利用システム。
【請求項２】
集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが接続された熱媒の循環経路と、
前記ポンプを制御し、熱媒を循環させる制御部と、
を有し、
前記制御部は、
検出した熱媒の温度から、前記タンク若しくは前記熱交換器において冷却された熱媒が前記集熱器の出口まで移動する移動時間の後の将来的な前記集熱器の出口での熱媒の温度を少なくとも前記移動時間ごとに予測し、
熱媒が沸騰すると予測した場合には、前記タンクに貯蔵される熱媒または水の温度を低下させる制御を実行しながら前記ポンプを動作させて熱媒を循環させて、または前記熱交換器で熱交換させながら前記ポンプを動作させて熱媒を循環させて、熱媒の温度を下げる冷却制御を実行する
太陽熱利用システム。
【請求項３】
集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが接続された熱媒の循環経路と、
前記ポンプを制御し、熱媒を循環させる制御部と、
日射量センサと、
を有し、
前記制御部は、
検出した熱媒の温度と予測する時の前記日射量センサの実測値とから将来的な前記集熱器の出口での熱媒の温度を予測し、
熱媒が沸騰すると予測した場合には、前記ポンプを動作させて熱媒を循環させて、熱媒の温度を下げる冷却制御を実行する
太陽熱利用システム。
【請求項４】
太陽エネルギーを熱媒の熱へ変換する集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが接続されるとともに冷却制御において熱媒が循環されるラジエタが接続される熱媒の循環経路における、熱媒の沸騰防止制御方法であって、
検出した熱媒の温度から、前記ラジエタにおいて冷却された熱媒が前記集熱器の出口まで移動する移動時間の後の将来的な前記集熱器の出口での熱媒の温度を少なくとも前記移動時間ごとに予測するステップと、
熱媒が沸騰すると予測した場合に、熱媒を循環させて、熱媒の温度を下げる冷却制御を実行するステップと、
を有する熱媒の沸騰防止制御方法。
【請求項５】
太陽エネルギーを熱媒の熱へ変換する集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが接続された熱媒の循環経路における、熱媒の沸騰防止制御方法であって、
検出した熱媒の温度から、前記タンク若しくは前記熱交換器において冷却された熱媒が前記集熱器の出口まで移動する移動時間の後の将来的な前記集熱器の出口での熱媒の温度を少なくとも前記移動時間ごとに予測するステップと、
熱媒が沸騰すると予測した場合には、前記タンクに貯蔵される熱媒または水の温度を低下させる制御を実行しながら前記ポンプを動作させて熱媒を循環させて、または前記熱交換器で熱交換させながら前記ポンプを動作させて熱媒を循環させて、熱媒の温度を下げる冷却制御を実行するステップと、
を有する熱媒の沸騰防止制御方法。
【請求項６】
太陽エネルギーを熱媒の熱へ変換する集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが接続された熱媒の循環経路における、熱媒の沸騰防止制御方法であって、
検出した熱媒の温度と予測する時の日射量センサの実測値とから将来的な前記集熱器の出口での熱媒の温度を予測するステップと、
熱媒が沸騰すると予測した場合に、熱媒を循環させて、熱媒の温度を下げる冷却制御を実行するステップと、
を有する熱媒の沸騰防止制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱を熱源として利用する太陽熱利用システム、および太陽熱で加熱される熱媒の沸騰防止制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽熱利用システムは、たとえば、水などの熱媒を、ポンプ、集熱器、およびタンクが接続された循環経路で循環させる。そして、ポンプの動力で熱媒を循環させ、集熱器において熱媒を太陽エネルギーで加熱し、タンクに貯蔵されている給湯用の水を熱媒で加熱する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５８−０４７９５４号公報
【特許文献２】特開昭６３−２３８３６１号公報
【特許文献３】特開平１１−１４８７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、太陽エネルギーにより加熱される熱媒は、太陽エネルギーの加熱により沸点する可能性がある。熱媒が沸騰すると、集熱器は、１５０から３００度の高温になる。沸騰した熱媒の温度が低下する前に熱媒を循環させると、高温の集熱器へ新たな熱媒が供給されることになる。集熱器は急激に冷やされ、集熱器などに不具合が発生する可能性がある。
この事態を避けるためには、太陽熱により熱媒が沸騰した場合には、熱媒が外気や放射冷却により冷却されて凝縮するまで、熱媒を循環させることができない。
熱媒の温度は、通常は日没後に低下すると考えられるので、熱媒が一旦沸騰してしまうと、その後は一日中、熱媒を循環させることができず、太陽熱を利用できない。
【０００５】
このため、集熱器において、熱媒が沸騰しないように工夫する必要がある。
特許文献１では、集熱器より低い位置に落水タンクを設け、落水バルブを開いて、集熱器の熱媒を落水タンクへ落水させる。
特許文献２では、集熱器に放熱器を接続し、熱媒の温度がある設定温度以上に上昇したときは、集熱器の熱媒を放熱器に循環させて冷却する。
特許文献３では、集熱器のセンサの検知温度が所定温度より高くなると、集熱器の熱媒を蓄熱タンクに循環させるとともに、蓄熱タンクへ温度の低い水道水を給水し、熱媒を冷却する。
しかしながら、特許文献１のように集熱器の熱媒を落水タンクへ落水させた場合、集熱器内で熱媒が沸騰しなくなるものの、落水後の集熱器の温度が上昇する。高温になった集熱器へ新たな熱媒が供給されると、やはり、集熱器が急激に冷やされることになり、集熱器に不具合が発生する可能性があるため、通常落水が発生した日は集熱を再開することができない。
また、特許文献２、３では、熱媒の温度がたとえば沸騰温度などの所定の判定温度以上になることを検出し、放熱器への熱媒の循環もしくは水道水の給水による冷却制御を開始する。しかしながら、単に熱媒の温度を検出して冷却制御を開始したとしても、開始後の日射により熱媒が更に加熱されると、冷却処理された熱媒が集熱器に到達する前に、熱媒が沸騰する可能性がある。
仮にたとえば、放熱器から集熱器出口までの熱媒の移動所要時間が２００秒、集熱器出口温度９８度で冷却制御を開始する太陽熱利用システムの場合、集熱器入口温度が９０度、出口温度が９５度の状況で、日射量Ｇ＝０．５ｋＷ／ｍ２（薄曇り）がＧ＝１．０ｋＷ／ｍ２（晴天）に変動すると、ある時間の後に出口温度は９８度に達し、冷却制御が始まる。  しかし、２００秒が経過して冷却された熱媒が集熱器出口に到達する前に、出口温度は１００度に到達し、熱媒の沸騰が始まることとなる。
この冷却処理中の沸騰を防止するためには、判定温度を、熱媒が沸騰する温度より大幅に低く設定し、それらの温度の間に十分な余裕幅を確保する必要がある。しかしその結果、更なる加熱が無いような状況であっても、余裕幅を見込んだ熱媒温度で冷却制御を開始する必要があり、太陽熱を有効に利用できないこととなる。
【０００６】
このように太陽熱利用システムでは、集熱器の急激な冷却による不具合の発生または太陽熱の利用率の低下を抑制しつつ、熱媒の沸騰を抑制することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の観点に係る太陽熱利用システムは、集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが接続された熱媒の循環経路と、ポンプを制御し、熱媒を循環させる制御部と、を有する。そして、循環経路には、冷却制御において熱媒が循環されるラジエタが接続され、制御部は、検出した熱媒の温度から、ラジエタにおいて冷却された熱媒が集熱器の出口まで移動する移動時間の後の将来的な集熱器の出口での熱媒の温度を少なくとも移動時間ごとに予測し、熱媒が沸騰すると予測した場合には、ポンプを動作させて熱媒を循環させて、熱媒の温度を下げる冷却制御を実行する。
【０００８】
本発明の第２の観点に係る太陽熱利用システムは、集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが接続された熱媒の循環経路と、ポンプを制御し、熱媒を循環させる制御部と、を有する。そして、制御部は、検出した熱媒の温度から、タンク若しくは熱交換器において冷却された熱媒が集熱器の出口まで移動する移動時間の後の将来的な集熱器の出口での熱媒の温度を少なくとも移動時間ごとに予測し、熱媒が沸騰すると予測した場合には、タンクに貯蔵される熱媒または水の温度を低下させる制御を実行しながらポンプを動作させて熱媒を循環させて、または熱交換器で熱交換させながらポンプを動作させて熱媒を循環させて、熱媒の温度を下げる冷却制御を実行する。
【０００９】
本発明の第３の観点に係る太陽熱利用システムは、集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが接続された熱媒の循環経路と、ポンプを制御し、熱媒を循環させる制御部と、日射量センサと、を有する。そして、制御部は、検出した熱媒の温度と予測する時の日射量センサの実測値とから将来的な集熱器の出口での熱媒の温度を予測し、熱媒が沸騰すると予測した場合には、ポンプを動作させて熱媒を循環させて、熱媒の温度を下げる冷却制御を実行する。
【００１０】
本発明の第４の観点に係る熱媒の沸騰防止制御方法は、太陽エネルギーを熱媒の熱へ変換する集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが接続されるとともに冷却制御において熱媒が循環されるラジエタが接続される熱媒の循環経路における、熱媒の沸騰防止制御方法である。そして、検出した熱媒の温度から、ラジエタにおいて冷却された熱媒が集熱器の出口まで移動する移動時間の後の将来的な集熱器の出口での熱媒の温度を少なくとも移動時間ごとに予測するステップと、熱媒が沸騰すると予測した場合に、熱媒を循環させて、熱媒の温度を下げる冷却制御を実行するステップと、を有する。
【００１１】
本発明の第５の観点に係る熱媒の沸騰防止制御方法は、太陽エネルギーを熱媒の熱へ変換する集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが接続された熱媒の循環経路における、熱媒の沸騰防止制御方法である。そして、検出した熱媒の温度から、タンク若しくは熱交換器において冷却された熱媒が集熱器の出口まで移動する移動時間の後の将来的な集熱器の出口での熱媒の温度を少なくとも移動時間ごとに予測するステップと、熱媒が沸騰すると予測した場合には、タンクに貯蔵される熱媒または水の温度を低下させる制御を実行しながらポンプを動作させて熱媒を循環させて、または熱交換器で熱交換させながらポンプを動作させて熱媒を循環させて、熱媒の温度を下げる冷却制御を実行するステップと、を有する。
【００１２】
本発明の第５の観点に係る熱媒の沸騰防止制御方法は、太陽エネルギーを熱媒の熱へ変換する集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが接続された熱媒の循環経路における、熱媒の沸騰防止制御方法である。そして、検出した熱媒の温度と予測する時の日射量センサの実測値とから将来的な集熱器の出口での熱媒の温度を予測するステップと、熱媒が沸騰すると予測した場合に、熱媒を循環させて、熱媒の温度を下げる冷却制御を実行するステップと、有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、検出した熱媒の温度から、集熱器における熱媒の将来的な温度を予測する。そして、将来的に熱媒が沸騰すると予測した場合には、集熱器の熱媒の温度を下げる冷却制御を実行する。これにより、集熱器における熱媒の沸騰を防止できる。また、将来的な熱媒の温度を予測するので、その冷却制御中に熱媒が更に加熱されることがあったしても、熱媒が沸騰する前に冷却された熱媒を集熱器に到達させることが可能である。
特に、本発明では、将来的な熱媒の温度を予測するにあたって、集熱器の出口における熱媒の温度を予測する。よって、熱媒が沸騰してしまうと予測される場合にのみ、冷却制御が実行される。単に熱媒の温度を検出して冷却制御を実行する場合と比べて、冷却制御の実行を制限でき、太陽熱を効率よく利用できる。また、熱媒を循環させて冷却するので、仮にたとえば集熱器から熱媒を抜いて沸騰を防止しようとする場合のように制御実行後に集熱器が制御後に高温となることもない。制御実行後に集熱器が高温とならず、制御実行後の循環により、集熱器が急激に冷却されることもない。
このように、本発明では、集熱器の急激な冷却による不具合の発生または太陽熱の利用率の低下を抑制しつつ、熱媒の沸騰を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る、太陽熱利用システムの概略構成図である。
【図２】図２は、図１の太陽熱利用システムにおける、熱媒の沸騰防止制御のフローチャートである。
【図３】図３は、図２の冷却制御ステップの詳細なフローチャートである。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態に係る太陽熱利用システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る太陽熱利用システム１の概略構成図である。
図１の太陽熱利用システム１は、ポンプ２、集熱器３、タンク４、ラジエタ５、コントローラ（ＣＴＲＬ）６を有する。集熱器３とタンク４とは、分離されている。集熱器３とタンク４とは、一体化されていてもよい。この太陽熱利用システム１は、太陽熱を、タンク４の給湯用の水を加熱するために利用する。
ポンプ２、集熱器３、タンク４は、配管７により環状に接続され、熱媒としての水が循環する第１循環経路を構成する。なお、熱媒は、オイルなどの他の液体または気体でもよい。
ラジエタ５は、配管７に接続される。ポンプ２、集熱器３、タンク４、およびラジエタ５は、熱媒の第２循環経路を構成する。
第１循環経路と第２循環経路との分岐箇所には、コントローラ６により切り替え制御される第１切替バルブ８および第２切替バルブ９が設けられる。
【００１７】
集熱器３は、たとえば平板形状のハウジング１１内に、熱媒の内部循環路１２を有する。ハウジング１１の内部は、断熱性能を高めるために減圧されてもよい。また、ハウジングは内部循環路１２を覆うような円筒状であってもよい。内部循環路１２は、配管７により第１循環経路および第２循環経路に接続される。集熱器３へ供給された熱媒は、内部循環路１２を循環し、循環中に太陽により加熱される。集熱器３は、日陰になり難いビルの屋上、家屋の屋根に設置される。集熱器３は、ハウジング１１が太陽に対して直角になると、受光量が最大となる。集熱器３は、設置個所の緯度などに応じた角度により、設置される。ハウジング１１の設置上面は、太陽光を透過する透明板１３で構成される。透明板１３は、たとえばガラス板、アクリル板である。これにより、ハウジング１１へ照射される太陽の光は、ほぼすべて、内部循環路１２へ当たる。
【００１８】
タンク４は、たとえばタンク本体２１と、熱交換器２２と、を有する。タンク本体２１は、断熱構造を有し、内部に給湯用の水を貯蔵する。熱交換器２２は、タンク本体２１内に配置され、配管７に接続される。タンク４は、熱交換器２２により加熱された給湯用の温水を貯蔵できる。タンク本体２１には、給水管２３、排水管２４、給湯管２５が接続される。排水管２４には、タンク本体２１からの水道水の排出を制御する排水弁２６が設けられる。給湯管２５の先には水道水との混合用バルブが設置され、シャワー等で利用される温度になるよう、温水と水道水が混合される。排水弁２６は、コントローラ６に接続され、開閉が制御される。
【００１９】
ポンプ２は、たとえばモータ駆動される容積式ポンプである。ポンプ２は、配管７中に配置される。ポンプ２の力により、熱媒は、第１循環経路または第２循環経路を循環する。コントローラ６は、ポンプ２を動作させ、停止させる。コントローラ６は、ポンプ２により、熱媒の流量を制御してもよい。
【００２０】
ラジエタ５は、たとえば屈曲された放熱管を有する。第１循環経路の配管７が断熱材により被覆されているのに対し、放熱管はそのような被覆が無い。ラジエタ５は、空冷ではなく、水冷でもよい。水冷のラジエタ５では、放熱管が冷却水に浸漬される。
【００２１】
コントローラ６は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、Ｉ／Ｆ（Inter Face）が内部バスで接続された１チップマイクロコンピュータである。コントローラ６は、第１切替バルブ８、第２切替バルブ９およびポンプ２に接続され、これらの動作を制御する。コントローラ６は、太陽熱利用システム１の動作を制御する。
コントローラ６には、時間を計測するタイマ（ＴＭＲ）３１が接続される。コントローラ６は、タイマ３１から時刻または時間の情報を取得し、太陽熱利用システム１の制御に利用する。
コントローラ６には、各種のセンサが接続される。本実施形態では、コントローラ６に、たとえば、熱媒の流量計３２、熱媒の供給温度センサ３３、熱媒の排出温度センサ３４、外気温センサ３５、日射量センサ３６が接続される。
【００２２】
流量計３２は、たとえばオリフィス流量計である。流量計３２は、第２切替バルブ９から集熱器３までの供給側共通路に配置される。流量計３２は、集熱器３から第１切替バルブ８までの排出側共通路に配置されてもよい。流量計３２は、ポンプ２により循環される熱媒の流量（Ｑ）を計測し、その実測値をコントローラ６へ出力する。
【００２３】
供給温度センサ３３、排出温度センサ３４、または外気温センサ３５は、たとえば熱電対、サーミスタである。供給温度センサ３３は、供給側共通路に配置され、集熱器３へ供給される加熱前の熱媒の温度（Ｔｉ）を検出する。排出温度センサ３４は、排出側共通路に配置され、集熱器３から出力される加熱後の熱媒の温度（Ｔｏ）を検出する。なお、流量計３２に熱線式流量計を使用し、供給温度センサ３３または排出温度センサ３４と兼用してもよい。外気温センサ３５は、たとえば集熱器３の周辺に配置され、外気温（Ｔａｍｂ）を計測する。供給温度センサ３３、排出温度センサ３４、または外気温センサ３５は、計測した温度の値をコントローラ６へ出力する。
【００２４】
日射量センサ３６は、たとえば集熱器３の周囲に設置される。日射量センサ３６は、集熱器３の日射量（Ｇ）を計測し、その実測値をコントローラ６へ出力する。
【００２５】
次に、図１の太陽熱利用システム１の動作について説明する。
図１の太陽熱利用システム１において、コントローラ６は、タンク４の給湯用の水を太陽熱で加熱するための制御を実行する。
【００２６】
コントローラ６は、第１切替バルブ８および第２切替バルブ９を、ラジエタ５側に切り替える。
タンク４内の給湯用の水の温度が所定の熱媒温度以下に冷たい場合、コントローラ６は、ポンプ２を動作させる。熱媒は、第１循環経路で循環する。
熱媒の温度には、供給温度センサ３３または排出温度センサ３４により実測された温度、または日射量センサ３６の実測値の積算値などから演算した温度を利用すればよい。
【００２７】
熱媒の循環が開始されると、ポンプ２から送り出された熱媒は、供給側共通路を通じて集熱器３へ供給される。熱媒は、集熱器３の内部循環路１２を循環する際に、集熱器３に照射される太陽エネルギーにより加熱される。集熱器３において加熱された熱媒は、集熱器３の出口から出力側共通路へ出力され、タンク４へ供給される。熱交換器２２により、熱媒の熱の一部が給湯用の水へ移動する。タンク４内のたとえば常温の給湯用の水は、加熱される。これにより、タンク４内に蓄積されている給湯用の水の温度が上昇する。
【００２８】
タンク４内の給湯用の温水が所定の温度以上もしくは熱媒が所定の熱媒温度以下になると、コントローラ６は、ポンプ２を停止させ、熱媒の循環を停止する。これにより、タンク４内の給湯用の温水の温度は、所定の温度以下に制御される。
そして、後述するように、本実施形態では、熱媒の冷却制御の実行の可否が予測温度に基づいて判断されるため、熱媒の最高温度は、冷却制御の実行時の熱媒の判定温度に制限されない。その結果として、熱媒の熱により加熱されるタンク４内の給湯用の温水の温度も、制御実行時の熱媒の判定温度に制限されない。タンク４内の給湯用の温水の最高温度は、熱媒の沸騰温度に近い温度にできるため、温水の利用量を増やせる。
【００２９】
タンク４内の給湯用の温水を使用する場合、温水は、給湯管２５から供給され、たとえばタンク４外で水と混合され、適温で利用される。
タンク４内の水が利用されると、水道圧により、給水管２３からタンク４内へ新たな常温の水が追加される。
タンク４内の水の温度が熱媒温度以下になる度に、コントローラ６は、上述した太陽熱によるタンク４の水を加熱する制御を繰り返し実行する。制御の度に、ポンプ２は、動作と停止とを繰り返す。
なお、太陽の日射は、昼間のみであり、夜間はない。コントローラ６は、日射量センサ３６により日射が検出されている期間に、またはタイマ３１の計測時間により判断される日中期間に、熱媒を循環させるように加熱制御を実行してよい。
【００３０】
図１の太陽熱利用システム１では、上述した太陽熱による加熱制御に加えて、熱媒を沸騰させない制御を実行する。
図２は、図１の太陽熱利用システム１における、熱媒の沸騰防止制御のフローチャートである。
熱媒を沸騰させないために、コントローラ６は、太陽熱利用システム１の動作期間中に周期的に、集熱器３の出口での熱媒の温度を予測する。コントローラ６は、コントローラ６に接続された各種のセンサの実測値を用いて、将来的な熱媒の温度を予測する。
そして、熱媒が沸騰すると予測される場合には、コントローラ６は、熱媒をラジエタ５に循環させて、熱媒の温度を下げる冷却制御を実行する。予想されない場合は、冷却制御を実行しない。
【００３１】
沸騰防止制御において、コントローラ６は、まず、周期的な判断タイミングであるか否かを判断する（ＳＴ１）。
コントローラ６は、タイマ３１の計測時間に基づいて、前回の沸騰防止制御の実行要否の判断タイミングからの経過時間が、所定の確認周期以上になったか否かを判断する。
コントローラ６は、経過時間が確認周期以上になるまで、この判断を繰り返す。
確認周期は、たとえば０．１秒、１０秒などの、コントローラ６の制御周期でよい。ただし、最大でも、ラジエタ５において冷却された熱媒が、集熱器３の出口まで移動する移動時間以下にするとよい。これにより、熱媒が沸騰することを予測していない期間が発生しないようにできる。
【００３２】
図１の太陽熱利用システム１では、ラジエタ５の出口から、集熱器３の出口までの、熱媒の移動時間は、下記式１、式２に基づいて演算できる。
式１は、第１循環経路の配管７での熱媒の流速Ｖ［ｍ／ｓｅｃ］を求める式である。Ｑ［ｍ３／ｓｅｃ］は、第１循環経路の配管７での熱媒の流量である。Ｄ［ｍ］は、配管７の内径（直径）である。
式２は、熱媒の移動時間ｔ［ｓｅｃ］を求める式である。Ｌ［ｍ］は、ラジエタ５の出口から、集熱器３の出口までの、配管７長である。
【００３３】
【数１】
0005783921.tif 000002
【数２】
0005783921.tif 000003
【００３４】
なお、上述した熱媒の移動時間、これと比較される所定の確認周期、熱媒の流速、熱媒の流量、配管７の内径、配管７長などの値は、判断時点での実測値であってもよいが、固定値であってもよい。固定値は、更に、設置された各太陽熱利用システム１での固定値であっても、複数の太陽熱利用システム１に共通した設計値（たとえば最悪値）でもよい。実測値は、コントローラ６のＲＡＭに書き込み、固定値は、コントローラ６のＲＯＭに書き込めばよい。
特に、第１循環経路の配管７での熱媒の流量Ｑ［ｍ３／ｓｅｃ］は、一般的に太陽熱利用システム１において一定流量である。試運転時に計測した流量を、予めコントローラ６のＲＯＭに書き込めばよい。この場合、流量計３２は不要としてよい。
【００３５】
所定の確認周期の時間が経過したと判断すると、コントローラ６は、上記式１、式２で使用するパラメータを検出し（ＳＴ２）、集熱器３の出口での熱媒の温度を予測する（ＳＴ３）。
コントローラ６は、コントローラ６に接続された各種のセンサの実測値を用いて、次の確認周期の経過時点における、集熱器３の出口での熱媒の温度を予測する。
【００３６】
図１の太陽熱利用システム１では、次の確認周期の経過時点での集熱器３の出口での熱媒の温度は、下記式３、式４、式５に基づいて演算できる。
式３は、集熱器３の入口から出口までにおける熱媒の温度変動の平均速度Ｖａｖｅ［℃／ｓｅｃ］を求める式である。ΔＧ［ｋＷ／ｍ２］は、集熱器３における日射の変動量である。ηは、集熱器３の集熱効率である。Ｃｐ［ｋＪ／ｋｇ・℃］は、集積器の熱容量である。
式４は、集熱器３の出口での熱媒温度の変動速度Ｖｏ［℃／ｓｅｃ］を求める式である。ただし、集熱器３の入口温度Ｔｉを一定と仮定している。
式５は、所定の周期ｔ秒における、集熱器３の出口での熱媒の温度変動の幅ΔＴｏ［℃］を求める式である。
コントローラ６は、集熱器３の出口の現在の温度Ｔｏに、所定の確認周期ｔ秒における集熱器３の出口での熱媒の温度変動の幅ΔＴｏを加算し、現時点から確認周期ｔ秒における集熱器３の出口での熱媒の温度を予測演算する。
【００３７】
【数３】
0005783921.tif 000004
【数４】
0005783921.tif 000005
【数５】
0005783921.tif 000006
【００３８】
なお、上述した集熱器３での熱媒の温度変動の平均速度、日射の変動量、集熱器３の集熱効率、集熱器３の熱容量、集熱器３の出口での熱媒温度の変動速度、集熱器３の出口での熱媒の温度変動の幅などには、実測値を用いてもよいが、固定値を用いてもよい。固定値は、更に、設置された各太陽熱利用システム１の固有値でも、複数の太陽熱利用システム１に共通する設計値（たとえば最悪値）でもよい。実測値は、コントローラ６のＲＡＭに書き込み、固定値は、コントローラ６のＲＯＭに書き込めばよい。
特に、集熱器３の集熱効率ηは、下記式６により演算できるが、集熱器３の集熱効率ηとして一般的な値である、たとえば０．５を使用してもよい。式６において、η０、ａ１［Ｗ／ｍ２・℃］、ａ２［Ｗ／ｍ２・℃］は、集熱器３毎に固有の定数である。Ｔａｖｅは、集熱器３の入口および出口の平均温度であり、Ｔａｖｅ＝（Ｔｏ＋Ｔｉ）／２で求まる。Ｔａｍｂは、外気温である。
【数６】
0005783921.tif 000007
【００３９】
また、集熱器３での日射の変動量ΔＧとして、実測値を用いる以外に、設置地域での過去の最大値を調査し、これをコントローラ６のＲＯＭに書き込み、演算に使用してもよい。このときΔＴｏは、ΔＧに過去の最大値を用いることにより、実測値を用いる場合より大きくなる。そのため、熱媒の冷却制御を実行し易くなり、熱媒を過剰に冷却してしまう可能性があるが、日射量を計測する必要がなく、日射計が不要になる。
【００４０】
集熱器３の出口での熱媒の将来的な温度を予測した後、コントローラ６は、当該予測温度が、熱媒の沸点温度を超えるか否かを判断する（ＳＴ４）。
水の沸点は、大気圧下で約１００度である。
予測した熱媒の将来的な温度が沸点を超えていない場合、コントローラ６の制御は、ステップＳＴ１に戻る。
予測した熱媒の将来的な温度が沸点以上である場合、コントローラ６は、熱媒を冷却するために、熱媒の冷却制御を実行する（ＳＴ５）。その後、コントローラ６の制御は、ステップＳＴ１に戻る。
【００４１】
図３は、図２の冷却制御ステップの詳細なフローチャートである。
熱媒を冷却する制御において、コントローラ６は、まず、第１切替バルブ８および第２切替バルブ９を、ラジエタ５側に切り替える（ＳＴ１１）。
その後、コントローラ６は、ポンプ２を動作させる（ＳＴ１２）。
これにより、将来的に沸騰すると予想された集熱器３の熱媒は、第２循環経路を循環し、ラジエタ５により冷却される。なお、ＳＴ１２以前でも、熱媒温度やタンク内の温水温度次第では、加熱制御によりポンプ２が動作している場合もある。
【００４２】
熱媒冷却のためにポンプ２を動作させた後、コントローラ６は、熱媒の温度を監視する。
コントローラ６は、たとえば排出温度センサ３４により熱媒の温度を検出し（ＳＴ１３）、熱媒の温度が、その沸点より低い所定の停止温度以下になったか否かを判断する（ＳＴ１４）。
コントローラ６は、熱媒の温度が停止温度以下になるまで、ステップＳＴ１３およびＳＴ１４を繰り返し、当該判断による熱媒の温度の監視を継続する。
熱媒の温度が停止温度以下になると、コントローラ６は、熱媒の温度の監視を終了する。コントローラ６は、ポンプ２を停止させ（ＳＴ１５）、第１切替バルブ８および第２切替バルブ９を、タンク４側に切り替える（ＳＴ１６）。ただし、ＳＴ１５以降でも、熱媒温度やタンク内の温水温度次第では、加熱制御によりポンプ２が継続して動作する場合もある。
このように、ポンプ２は、ステップＳＴ１２からステップＳＴ１５までの処理期間において、連続的に動作する。なお、ポンプ２は、この冷却制御での動作期間において、間欠的に動作してもよい。
【００４３】
以上のように、第１実施形態では、集熱器３における熱媒の温度を予測する。そして、将来的に熱媒が沸騰すると予測した場合には、熱媒をラジエタ５に循環させて、熱媒の温度を下げる冷却制御を実行する。これにより、集熱器３における熱媒の沸騰を防止できる。また、将来的な熱媒の温度を予測するので、その冷却制御の実行中に熱媒が更に集熱器３において加熱されたとしても、熱媒が沸騰する前に冷却された熱媒を集熱器３に到達させることが可能になる。
しかも、第１実施形態では、熱媒の将来的な温度を予測するにあたって、集熱器３の出口における熱媒の温度を予測し、熱媒が沸騰してしまうと予測される場合にのみ、冷却制御を実行するようにできる。固有値を用いて冷却制御を実行する場合と比べ、冷却制御の実行を制限でき、太陽熱を効率よく利用できる。また、冷却制御においては熱媒を循環さて熱媒を冷却させるので、仮にたとえば集熱器３から熱媒を抜いて沸騰を防止しようとした場合のように制御後の集熱器３が高温とならず、制御後すぐに熱媒の再度の循環が可能となる。
このように、第１実施形態では、集熱器３の急激な冷却による不具合の発生または太陽熱の利用率の低下を抑制しつつ、熱媒の沸騰を抑制できる。
【００４４】
［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態に係る太陽熱利用システム４１の概略構成図である。
図４の太陽熱利用システム４１は、太陽熱で室内を冷房するものであり、熱を伝える媒体として、太陽熱で加熱される熱媒と、熱媒の熱で加熱されて循環する冷媒と、冷却する室内へ循環する水とを用いる。
【００４５】
図４の太陽熱利用システム４１は、ポンプ２、集熱器３、熱交換器４２、ラジエタ５、コントローラ６を有する。
集熱器３、熱交換器４２、ポンプ２は、配管７により環状に接続され、熱媒としての水が循環する第１循環経路を構成する。
ラジエタ５は、配管７に接続される。集熱器３、熱交換器４２、ラジエタ５、およびポンプ２は、熱媒の第２循環経路を構成する。
第１循環経路と第２循環経路との分岐箇所には、コントローラ６により切り替え制御される第１切替バルブ８および第２切替バルブ９が設けられる。
コントローラ６には、タイマ３１と、図示しない各種のセンサが接続される。コントローラ６には、たとえば、図１と同様に、熱媒の流量計３２、熱媒の供給温度センサ３３、熱媒の排出温度センサ３４、外気温センサ３５、日射量センサ３６が接続される。
コントローラ６は、第２実施形態と同様に、太陽熱で加熱された熱媒を熱交換器４２へ循環させる太陽熱の利用制御と、熱媒の沸騰防止制御とを実行する。
【００４６】
熱交換器４２は、吸収式冷凍機４３に配置される。
ファンコイルユニット４４と吸収式冷凍機４３は配管により接続される。ファンコイルユニット４４と吸収式冷凍機４３との間で、水が循環される。室内の熱は、水により、吸収式冷凍機４３へ移動する。
図４に示すように、吸収式冷凍機４３では、冷媒としての水の気化熱を利用して熱交換を実施する。吸収式冷凍機４３では、蒸発器５１、吸収器５２、再生器５３および凝縮器５４の４つが配管により接続される。
【００４７】
熱交換器４２は、再生器５３に配置される。再生器５３は、水を含む吸収液を収容する。水を含む吸収液には、臭化リチウム水溶液がある。熱交換器４２の熱により、水を含む吸収液を加熱し、水蒸気を発生させる。
【００４８】
凝縮器５４は、再生器５３に接続される。再生器５３で気化した水蒸気は、凝縮器５４において凝縮して液化する。凝縮器５４において、凝縮水が生成される。
蒸発器５１は、凝縮器５４に接続される。蒸発器５１には、ファンコイルユニット４４に接続された水の熱交換器が配置される。蒸発器５１に供給された凝縮水は、ファンコイルユニット４４を介して室内から移動した熱により、気化する。
吸収器５２は、蒸発器５１と再生器５３との間に接続される。蒸発器５１で気化した水蒸気は、吸収器５２において、再生器５３から供給される水分が気化され高濃度となった吸収液に吸収され、吸収液は低濃度になる。低濃度の吸収液は、再び、再生器５３へ供給される。
【００４９】
この太陽熱利用システム４１では、コントローラ６がポンプ２を駆動することにより、太陽熱で加熱された熱媒が、吸収式冷凍機４３の再生器５３へ供給される。熱媒の熱により、再生器５３において、吸収液から水蒸気が分離される。水蒸気は凝縮器５４で液化し、蒸発器５１においてファンコイルユニット４４とからくる水の冷却に用いられ、再び水蒸気となる。この水蒸気は、吸収器において凝縮し、高濃度の吸収液と混ざって再生器５３へ供給され、再利用される。
【００５０】
以上のように、第２実施形態では、太陽熱を利用して冷房ができる。具体的には、太陽熱は、冷媒が循環する蒸発、吸収、再生および凝縮の４過程のうちの、冷媒を含む吸収液から冷媒を気化により分離して再生する再生器５３において、吸収液を加熱するために利用される。
また、第２実施形態でも、熱媒の沸騰防止制御を実行するので、第１実施形態と同様に、熱媒の沸騰を抑制し、熱媒が沸騰したことによる終日停止状態の発生を抑制できる。
【００５１】
以上の実施形態は、本発明の好適な実施形態の例であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形または変更が可能である。
【００５２】
たとえば上記実施形態では、沸騰すると予想された熱媒は、ラジエタ５に循環することで冷却される。
この他にもたとえば、沸騰すると予想された熱媒は、タンク４において冷却されてもよい。この場合、たとえば、タンク４へ新たな冷たい水を供給する制御を、併せて実行するとよい。これにより、沸騰しそうな熱媒を、効率よく冷却できる。また、沸騰防止制御における移動時間には、タンク４において冷却された熱媒が、集熱器３の出口まで移動する移動時間を使用すればよい。
【００５３】
上記実施形態では、集熱器３で加熱される熱媒としての水は、タンク４に設けた熱交換器２２を循環する。この他にもたとえば、タンク４の水を、集熱器３に直接注入し、循環させてもよい。
【００５４】
上記実施形態は、ラジエタ５は、タンク４とポンプ２との間で配管７に接続され、タンク４と直列に接続されている。この他にもたとえば、ラジエタ５は、ポンプ２と集熱器３との間の配管７に接続されてもよい。ラジエタ５は、タンク４と並列となるように配管７に接続されてもよい。
【００５５】
［実施の形態の効果］
以上の実施形態および変形例には、以下の効果がある。
たとえば、上記実施形態では、集熱器３における熱媒の温度を予測する。そして、将来的に熱媒が沸騰すると予測した場合には、熱媒をラジエタ５または熱交換器４２に循環させて、熱媒の温度を下げる冷却制御を実行する。これにより、集熱器３における熱媒の沸騰を防止できる。また、将来的な沸騰の有無を予測するので、その冷却制御の実行中に熱媒が集熱器３において更に加熱されていたとしても、熱媒が沸騰する前に冷却された熱媒を集熱器３に供給することが可能になる。
急激に日射が変動したとしても、集熱器３の熱媒を沸騰させることなく、熱媒を冷却し加熱制御を継続させることができる。
【００５６】
これに対して、仮にたとえば、単に熱媒の温度を検出して熱媒をラジエタ５に循環させた場合には、熱媒が更に加熱され、ラジエタ５での熱媒の冷却が間に合わず、冷却制御を実行したとしても熱媒が沸騰してしまう可能性がある。
たとえば、ラジエタ５から集熱器３の出口までの熱媒の移動所要時間が２００秒で、集熱器３の出口温度Ｔｏ≧９８度で冷却制御を開始する場合、集熱器３の入口温度Ｔｉ＝９０度、出口温度Ｔｏ＝９５度の状況で、日射量Ｇ＝０．５ｋＷ／ｍ２（薄曇り）がＧ＝１．０ｋＷ／ｍ２（晴天）に変動すると、ある時間の後に出口温度Ｔｏは９８度に達し、冷却制御が始まる。しかし、２００秒が経過して冷却された熱媒が集熱器出口に到達する前に、出口温度Ｔｏは１００度に到達し、熱媒の沸騰が始まることとなる。
このような事態を避けるためには、冷却制御が開始される集熱器出口温度Ｔｏを、９８度より更に下げる必要がある。その結果、熱媒を過剰に冷却してしまう状況が増加し、太陽熱の利用率が低下してしまう。
【００５７】
しかも、上記実施形態では、熱媒の将来的な温度を予測するにあたって、集熱器３の出口における熱媒の温度を予測する。よって、熱媒が沸騰してしまうと予測される場合にのみ、冷却制御を実行するようにできる。冷却制御の実行を制限でき、単に熱媒の沸騰を検出した場合と比べて、太陽熱を効率よく利用できる。また、冷却制御においては熱媒を循環させるので、仮にたとえば集熱器３から熱媒を抜いて沸騰を防止しようとした場合のように制御後の集熱器３が高温となることもない。制御後に熱媒を循環させたとしても、集熱器３が急激に冷却されることもない。
このように、以上の実施形態では、集熱器３の急激な冷却による不具合の発生または太陽熱の利用率の低下を抑制しつつ、熱媒の沸騰を抑制できる。
【００５８】
また、上記実施形態では、ラジエタ５において冷却された熱媒が、集熱器３の出口まで移動する移動時間の後の、集熱器３の出口での熱媒の温度を、少なくとも移動時間ごとに予測している。
よって、熱媒が将来的に沸騰すると予測していない期間において、熱媒が沸騰することを防止できる。
【００５９】
また、上記実施形態の変形例では、沸騰防止制御において、タンク４に給水させ、熱媒を冷却させている。また、移動時間として、タンク４において冷却された熱媒が、集熱器３の出口まで移動する移動時間を使用すればよい。よって、熱媒が将来的に沸騰すると予測していない期間において、熱媒が沸騰することを防止できる。
【００６０】
また、上記実施形態では、熱媒の温度を予想する時の日射量センサの実測値を用いて、集熱器３の出口の熱媒の温度を予測している。これにより、日射変動量を最大値などの固定値とした場合に比べて、熱媒の温度を正確に予測できる。予測温度についての余裕幅を減らすことができる。
同様に、上記実施形態では、日射変動量、集熱器３の入口での熱媒の温度および出口での熱媒の温度、外気温度についても、実測値を用いている。これにより、これらの値に最適値、最大値などの固定値を使用した場合に比べて、熱媒の温度を正確に予測できる。予測温度についての余裕幅を極めて減らすことができる。
このような効果は、少なくとも、日射変動量、集熱器３の入口での熱媒の温度および出口での熱媒の温度、外気温度、並びに日射量のうちの、少なくとも１つについて実測値を用いることにより、得られる。
【００６１】
また、第２実施形態での第１循環経路には、集熱器３、熱交換器４２、およびポンプ２が接続され、この熱交換器４２は、冷媒を循環させる蒸発、吸収、再生および凝縮の４過程のうちの、冷媒としての水を含む吸収液から冷媒を気化により分離して再生する再生過程において、吸収液を加熱するために利用される。
よって、太陽熱を、高効率で、冷房、冷凍に利用できる。
【符号の説明】
【００６２】
１，４１…太陽熱利用システム
２…ポンプ
３…集熱器
４…タンク
５…ラジエタ
６…コントローラ（制御部）
３６…日射量センサ
４２…熱交換器
【図１】
0005783921.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
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