(57)【要約】【課題】低コストで充分な地熱等の自然エネルギーを取得、貯蔵及び利用することが可能な太陽熱利用蓄熱融雪システム及び太陽熱利用蓄熱融雪システムの制御方法を提供する。【解決手段】地中に形成された蓄熱槽、前記蓄熱槽内外を巡る内部に水又は不凍液を循環させる蓄熱槽循環熱交換パイプ、及び、前記蓄熱槽循環熱交換パイプ内に水又は不凍液を送液するための送液ポンプからなる一次部と、地表面に埋設された路盤、前記路盤内外を巡る内部に水又は不凍液を循環させる路盤循環熱交換パイプ、及び、前記路盤循環熱交換パイプ内に水又は不凍液を送液するための送液ポンプからなる二次部とからなる太陽熱利用蓄熱融雪システムであって、前記一次部と二次部とは、切り離され各々独立して制御されるものであり、かつ、熱交換器により前記一次部と二次部との間で熱交換されるものである太陽熱利用蓄熱融雪システム。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に形成された蓄熱槽、前記蓄熱槽内外を巡る内部に水又は不凍液を循環させる蓄熱槽循環熱交換パイプ、及び、前記蓄熱槽循環熱交換パイプ内に水又は不凍液を送液するための送液ポンプからなる一次部と、地表面に埋設された路盤、前記路盤内外を巡る内部に水又は不凍液を循環させる路盤循環熱交換パイプ、及び、前記路盤循環熱交換パイプ内に水又は不凍液を送液するための送液ポンプからなる二次部とからなる太陽熱利用蓄熱融雪システムであって、
前記一次部と二次部とは、切り離され各々独立して制御されるものであり、かつ、熱交換器により前記一次部と二次部との間で熱交換されるものである
ことを特徴とする太陽熱利用蓄熱融雪システム。
【請求項２】
請求項１記載の太陽熱利用蓄熱融雪システムを制御する方法であって、
路盤循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の流量を一定に保持しながら、路盤で消費される熱量を計算し、前記熱量に応じて、蓄熱槽循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の流量を変動させる
ことを特徴とする太陽熱利用蓄熱融雪システムの制御方法。
【請求項３】
太陽熱利用蓄熱融雪システムの起動時に、蓄熱槽循環熱交換パイプ又は路盤循環熱交換パイプのうち、一方の循環熱交換パイプにおいて、送液ポンプを動作させ、温度センサーによって前記循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の温度を確認し、送液ポンプを停止させ、
更に、他方の循環熱交換パイプにおいて、送液ポンプを動作させ、温度センサーによって前記循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の温度を確認し、送液ポンプを停止させた後、
前記蓄熱槽循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の温度が前記路盤循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の温度よりも高い場合には融雪運転を開始し、
前記路盤循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の温度が前記蓄熱槽循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の温度よりも高い場合には蓄熱運転を開始する
ことを特徴とする請求項２記載の太陽熱利用蓄熱融雪システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低コストで充分な地熱等の自然エネルギーを取得、貯蔵及び利用することが可能な太陽熱利用蓄熱融雪システム及び太陽熱利用蓄熱融雪システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、灯油ボイラ、ガス給湯機、ヒートポンプ等で加熱した湯、又は、不凍液を、路盤等に循環させることによって除雪を行う無散水融雪システムが利用されている。このような無散水融雪システムは、融雪性能が高く、人手を要しない自動制御可能なシステムとして、全国各地で施工され好評を博している。
近年では、この無散水融雪システムの利便性を享受しながら、ランニングコストを低下させるべく、特にその熱源の取得方法について様々に検討されている。
【０００３】
このような無散水融雪システムとして、例えば、特許文献１には、クリーンエネルギー利用消・融雪方法が開示されている。この方法は、地面から深さ１００〜１５０ｍまで鉛直に内外二重同心筒を埋没させることによって地熱を取得・利用する方法である。この方法によれば、季節を問わず安定した地中温度を有効に活用することによって、石油等の化石燃料の消費を抑制することができる。
【０００４】
しかしながら、この方法では、安定した地中の温度を取得することができるものの、温泉等噴出地域でもない限り、地中温度は１０〜２０℃程度であることから、充分な熱エネルギーが取得できないことがあり、ヒートポンプ等の補助熱源が必要となってしまうことがある。また、地熱利用することによって、確かにランニングコストを抑えることができるものの、地下１００〜１５０ｍの掘削費用や、補助熱源を導入することによって、イニシャルコストが嵩んでしまうため、一部の官公庁や補助金でイニシャル費用低減されでもしない限り、導入に尻込みをしてしまう状況がある。更に、冬季に地中のエネルギーを使用し過ぎると、翌年まで周辺地中の温度が回復せず、いわゆる「熱枯れ」という現象が起こり、地熱を充分に取得することができず、結局、補助熱源に頼る状況が発生し、クリーンエネルギー利用の魅力が半減する場合があった。
【０００５】
一方、特許文献２には、太陽熱蓄熱融雪装置が開示されている。この方法は、地表面を掘削して所定深さを有する埋設部を設け、この埋設部の周囲に断熱槽を形成し、これに囲繞された空間に鉛直方向に蛇行する採熱放熱管を配管するとともに、内部に蓄熱部材を充填し蓄熱槽とし、蓄熱槽内の採熱放熱管と地表側の放熱集熱管とに循環液を封入し、この循環液を両管に循環させる自然エネルギー利用システムである。この方法によれば、夏季には、放熱集熱管を埋設した地表面にて熱を取得することができ、冬季には、夏季に取得した熱も利用して融雪を行うことができる。
【０００６】
しかしながら、この方法では、埋設側と、地上側とが直列に接続された循環経路が形成されており、循環液を循環させる際に、それぞれ側で独立して循環液の流量を調整することができず、それぞれの側で等流量としなければならないことから数々の不都合を生じていた。すなわち、この不都合は、冬季において、融雪運転を開始した直後は、蓄熱された高温の循環液が得られるが、融雪運転を開始してしばらく経過すると、循環液の温度が低下ししてしまうことに起因するものである。
【０００７】
例えば、冬季に突入した直後は、地中の熱エネルギーは未だ使用されていない状態であって、地中温度や流量に応じて、エネルギーを消費することとなる。この場合、必要以上に熱エネルギーが消費されてしまうことがある。この熱エネルギー消費の無駄を防ぐために、例えば、流量を制御した場合には、路盤において、路盤の入口側では、循環液の温度は高いが、路盤中での融雪以外に外気にも熱エネルギーを奪われることによって、循環液の温度は低下し、路盤出口側に至った時には、融雪能力が不足し、路盤上に融雪「ムラ」が発生してしまうことがある。
【０００８】
また、冬季が終わりに近づくと、過度の運転負荷に起因して、地中に蓄積される熱エネルギーが不足することがある。そのため、地中の温度が低下してしまった状況で融雪を行うためには、かなり大きな流量の水等を流し、熱エネルギーを地上へ伝える運転が必要になる。しかし、通常、地中の採熱部と地上の路盤とは、長い配管を介して連通しているため、配管経路における圧力損失が大きくなり、ポンプの負荷が大きくなってしまう。すなわち、大きな圧力損失が生じる中で、高い流量で水等を流すためには、高価で大型のポンプを使わなければならなかった。
【０００９】
更に、融雪システムに用いるパイプとしては、熱伝導性等の観点から、ＳＵＳ管やヒートパイプが用いられている。しかしながら、近年、金属価格の高騰が激しい中では、これらを使用することによって、イニシャルコストが増大してしまうという問題があった。
【００１０】
そのため、大深度の掘削を必要とせず、高価な補助熱源も必要としない融雪システムであって、循環運転による熱エネルギー損失や、圧力損失を抑えることができる融雪システムが求められていた。
【特許文献１】特許第２８０８３８９号公報
【特許文献２】特許第２８４９６９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、低コストで充分な地熱等の自然エネルギーを取得、貯蔵及び利用することが可能な太陽熱利用蓄熱融雪システム及び太陽熱利用蓄熱融雪システムの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、地中に形成された蓄熱槽、前記蓄熱槽内外を巡る内部に水又は不凍液を循環させる蓄熱槽循環熱交換パイプ、及び、前記蓄熱槽循環熱交換パイプ内に水又は不凍液を送液するための送液ポンプからなる一次部と、地表面に埋設された路盤、前記路盤内外を巡る内部に水又は不凍液を循環させる路盤循環熱交換パイプ、及び、前記路盤循環熱交換パイプ内に水又は不凍液を送液するための送液ポンプからなる二次部とからなる太陽熱利用蓄熱融雪システムであって、前記一次部と二次部とは、切り離され各々独立して制御されるものであり、かつ、熱交換器により前記一次部と二次部との間で熱交換されるものである太陽熱利用蓄熱融雪システムである。
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１３】
本発明者らは、鋭意検討した結果、地中に形成された蓄熱槽、前記蓄熱槽内外を巡る内部に水又は不凍液を循環させる蓄熱槽循環熱交換パイプ、及び、前記蓄熱槽循環熱交換パイプ内に水又は不凍液を送液するための送液ポンプからなる一次部と、地表面に埋設された路盤、前記路盤内外を巡る内部に水又は不凍液を循環させる路盤循環熱交換パイプ、及び、前記路盤循環熱交換パイプ内に水又は不凍液を送液するための送液ポンプからなる二次部とを、切り離して各々独立して制御できるように形成することによって、必要に応じて、各循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の流量、すなわち熱の移動を制御することができるため、必要以上の熱エネルギーの損失や融雪ムラの発生を回避するとともに、各循環熱交換パイプの圧力損失を低減することができる。こうして、冬季には、蓄熱槽の熱を吸収し、吸収した熱を路盤において放出することによって、融雪を行うことができる。夏季には、道路や駐車場等の路盤から熱を吸収し、吸収した熱を地中において蓄熱槽に蓄積し、冬季まで持ち越すことによって、冬季において再び路盤等に供給し、融雪等に供することができる。このように、自然エネルギーを低コストかつ効率的に利用することが可能となることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１４】
図１は、本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムの概略を示す模式図である。
図１において、１は蓄熱槽、２は路盤、３１は蓄熱槽循環熱交換パイプ、３２は路盤循環熱交換パイプ、４は制御ユニットを示す。蓄熱槽１は、土壌に形成された遮熱層１１と、遮熱層１１に囲まれた土壌とからなる。路盤２は、地表付近に形成されたコンクリート２１からなる。蓄熱槽循環熱交換パイプ３１は、蓄熱槽１内外を巡り、制御ユニット４内において、熱交換器４１と温度センサー４２と送液ポンプ４３と流量計４４とに接続されている。路盤循環熱交換パイプ３２は、路盤２内外を巡り、制御ユニット４内において、熱交換器４１と温度センサー４２と送液ポンプ４３と流量計４４とに接続されている。蓄熱槽循環熱交換パイプ３１と、路盤循環熱交換パイプ３２とは、切り離され各々独立した循環径路を形成しており、制御ユニット４内おいて、各別に送液ポンプ４３等に接続されているため、各々独立して制御される。
制御ユニット４内の送液ポンプ４３によって、蓄熱槽循環熱交換パイプ３１内及び路盤循環熱交換パイプ３２内に水等を送液させる。例えば、冬季においては、蓄熱槽循環熱交換パイプ３１内を循環する水等が蓄熱槽１内を通る際に、蓄熱層１に蓄積された熱を取得し、制御ユニット４内の熱交換器４１において、路盤循環熱交換パイプ３２内を循環する水等に熱を伝える。路盤循環熱交換パイプ内を循環する水等は、伝えられた熱を路盤２において放出し、融雪等を行う。夏季においては、路盤循環熱交換パイプ３２内を循環する水等が路盤２内を通る際に、太陽光等によって温められた路盤２から熱を取得し、制御ユニット４内の熱交換器４１において、蓄熱槽循環熱交換パイプ３１内を循環する水等に熱を伝える。蓄熱槽循環熱交換パイプ３１内を循環する水等は、伝えられた熱を蓄熱槽１において放出し、冬季に備えて蓄熱槽１に熱を蓄積する。
【００１５】
上記一次部において、上記蓄熱槽は、地中に形成されている。すなわち、地中の土壌が蓄熱槽としての役割を担う。上記蓄熱槽は、地中の土壌が有する地熱を熱源として利用する役割を担うとともに、後述する路盤で取得した太陽熱等を蓄積する役割を担う。
【００１６】
従来、蓄熱槽は、地上に設置され、パネルタンクを用いた貯水式の蓄熱槽や、エコアイス（登録商標）等に用いられる潜熱蓄熱材を用いた蓄熱槽等が用いられている。しかしながら、このような蓄熱槽は、新規設置に費用がかかるという問題がある。
これに対して、本発明の太陽熱利用融雪システムにおける蓄熱槽は、地中に形成されている。そのため、比較的熱伝導率が低く、比熱が高い土壌の蓄熱性を利用することによって、従来より安価な蓄熱槽とすることができる。
【００１７】
一般的に、地面を掘削していくと、その地域の気候、地下水位、温泉の有無により異なるが、おおよそ掘削深度が７〜１０ｍ程度で、年間１２〜１８℃程度の安定した温度帯に到達する。更に、掘削深度が１００ｍ程度に達すれば、温度が上昇に転ずる場合が多いが、掘削深度が７〜５０ｍ程度の範囲で、年間１２〜１８℃程度の安定した温度帯の土層に到達する。
【００１８】
従来、上記蓄熱槽を形成する方法としては特に限定されず、例えば、ボーリング等の掘削方法を用いて、立孔（ボアホール）を掘削し、熱交換パイプを挿入した後、埋設することによって、地中の熱エネルギーを取得することが考えられる。
しかしながら、こうした場合、掘削深度が深ければ深い程、取得可能な熱量が増えるものの、掘削費用も飛躍的に高くなる。一方、浅く掘削した場合、例えば、地表層から７ｍ程度の掘削深度では、掘削費は安価になるものの、地表面の温度の影響を受けるため、取得できる熱エネルギーが不充分となるという問題があった。
これに対して、本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムでは、後述するように、地熱に加えて、夏季に太陽熱等を取得し、取得した太陽熱等を冬季に利用することによって、従来より浅い深度のところに蓄熱槽を形成しても、必要な地熱等を取得することができる。
【００１９】
上記蓄熱槽を形成する方法としては特に限定されず、例えば、地表面を開削し、後述する熱交換パイプを埋設することによって形成することができる。
上記埋設には、地表面を開削した際に生じた廃土、山砂、川砂等を埋め戻してもよいし、蓄熱性能を増大させるために、より比熱の高い物質、潜熱蓄熱材等を用いてもよい。
【００２０】
上記開削の深度は、地表面からの深度の好ましい下限が０．５ｍ、好ましい上限が２０ｍである。０．５ｍ未満であると、後述する遮熱層を設けるための領域を確保することができず、充分な蓄熱を行うことができなかったり、充分な地熱が得られなかったりすることがある。２０ｍを超えると、開削施工コストが高くなることがある。
上記開削は、地表面から深度が２ｍ程度未満であれば、土留めは不要であるが、深度が２ｍを超える場合には、土留め工が必要となったり、開削角度を大きくすることが必要となったりすることがある。
【００２１】
上記蓄熱槽を形成する方法としては、立孔（ボアホール）を群杭式に掘削し、該立孔に後述する熱交換パイプを挿入した後、該立孔を埋設する方法を用いてもよい。挿入する熱交換パイプは、ボアホール内を循環するように埋設することが好ましい。
【００２２】
上記立孔の深度は、地表面からの深度の好ましい下限が２．０ｍ、好ましい上限が１００ｍである。２．０ｍ未満であると、充分に安定した地熱を取得することができないことがある。１００ｍを超えると、立孔施工性が劣ることがある。
【００２３】
上記立孔同士の間隔は、好ましい下限が０．２ｍ、好ましい上限が２．５ｍである。０．２ｍ未満であると、所定の体積を有する蓄熱槽を形成するための掘削立孔本数が増え、コスト高となるとともに、隣接する立孔同士が熱干渉することによって、掘削本数が増える割に充分な熱量を確保することができなくなることがある。２．５ｍを超えると、地中に蓄積された熱量を熱交換パイプによって充分に吸熱・放熱することができないことがある。
【００２４】
上記蓄熱槽は、上面、側面及び下面に、遮熱層を設置することが好ましい。すなわち、上記蓄熱槽が遮熱層によって囲繞されていることが好ましい。
遮熱層が設置されることによって、蓄熱槽から熱が逃げ出すことを防止し、蓄熱性を向上させることができる。そのため、蓄熱槽を形成するための掘削体積を小さくしても充分な熱を確保することが可能となり、掘削コスト等を抑えることができる。
【００２５】
上記遮熱層を構成する素材としては特に限定されず、例えば、発泡ポリエチレン、フェノールフォーム、フェノールウレタンフォーム、ウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、発泡ポリカーボネート、発泡ポリプロピレン、ポリイソシアネートフォーム等が挙げられる。
【００２６】
上記遮熱層の厚さは、好ましい下限が１０ｍｍ、好ましい上限が５００ｍｍである。１０ｍｍ未満であると、充分な断熱性が得られないことがある。５００ｍｍを超えると、施工性が劣ることがある。より好ましい下限は３０ｍｍ、より好ましい上限は１００ｍｍである。
【００２７】
上記二次部において、上記路盤は、地表面に埋設されている。
上記路盤は、夏季は、太陽熱を取得するための採熱部として利用することができ、冬季は放熱部として利用することができる。すなわち、夏季においては、上記路盤が吸収した太陽熱を、上記路盤中に敷設された路盤循環熱交換パイプ内に循環する水等が取得し、熱交換器を介して、取得した熱を地中の上記蓄熱槽において放出し、熱を蓄積することができる。一方、冬季においては、上記蓄熱槽循環熱交換パイプ内に循環する水又は不凍液が、上記蓄熱槽内を通る際に地熱を取得し、熱交換器を介して、上記路盤においてに取得した地熱を放出することによって、上記路盤上の融雪等に利用することができる。
【００２８】
上記路盤を形成する方法としては特に限定されず、例えば、地面を浅く掘削したところに割石等を敷き、その上に後述する熱交換パイプを仮配管し、その上からコンクリート等を流し込み、その後、更にコンクリート上にアスファルト舗装等を行う方法等が挙げられる。
【００２９】
上記一次部において、上記蓄熱槽循環熱交換パイプは、上記蓄熱槽内外を巡り、内部に水又は不凍液を循環させる。
上記二次部において、上記路盤循環熱交換パイプは、上記路盤内外を巡り、内部に水又は不凍液を循環させる。
【００３０】
上記不凍液としては特に限定されず、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール等を主成分として水で希釈したものに防錆剤等を添加したもの等が挙げられる。
【００３１】
上記蓄熱槽循環熱交換パイプ及び上記路盤循環熱交換パイプを構成する熱交換パイプとしては特に限定されず、例えば、ＰＥ管、架橋ＰＥ管、ＳＵＳ管、銅管、金属複合管等が挙げられる。なかでも、金属複合管が好ましい。
【００３２】
上記金属複合管は、最外層に設けられた合成樹脂層と、前記合成樹脂組成物層の内面側に設けられた金属層と、前記金属層の内面側に設けられた合成樹脂層とからなるものであることが好ましい。
【００３３】
熱交換パイプとしては、内部を循環する水又は不凍液の流路を長く確保したり、曲げたりする際に継手を形成することが不可欠となる。従来の熱交換パイプとしては、熱交換効率に優れた金属管が用いられてきたが、こうした場合、施工時の手間やコストを増大させるだけでなく、継手の数だけ漏れが発生する可能性がある。更に、熱交換パイプ内部を流れる流体や、熱交換パイプ外部に接する土質や土中水分によって、腐食が避けられないといったリスクもある。そのため、近年では、金属管に代えて、耐腐食性・可撓性に優れた合成樹脂管が使用されている。しかしながら、合成樹脂管は、金属管と比べて熱交換能力に大きく欠けるため、熱を採取・利用する際に金属管と比べて時間がかかったり、温度が上がらなかったりする問題があった。
これに対して、上記金属複合管を用いた場合には、金属管と比較しても遜色ない伝熱性能を発揮することに加えて、金属管の欠点であった腐食性を克服することができる。また、上記金属複合管は曲げ加工が可能で、長い配管を製造することができるため、継手を少なくすることができ、金属管と比較して長期の耐久性も大きく上回る。更に、上記金属複合管は、形状保持性に優れるため、飛躍的に施工性が向上する。
【００３４】
上記金属複合管は、最外層又は最内層に設けられた合成樹脂層の熱放射率が０．８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつ、熱伝導率０．５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがより好ましい。このような構成とすることによって、より高い伝熱性能を発揮し、本発明の自然熱ハイブリッド土壌蓄熱システムのランニングコストを低減することができる。熱放射率が０．８０Ｗ／ｍ・Ｋ未満、又は、熱伝導率０．５０Ｗ／ｍ・Ｋ未満であると、充分な熱量を効率的に採取等することができないことがある。
【００３５】
上記熱交換パイプの内径の好ましい下限は５ｍｍ、好ましい上限は３０ｍｍである。５ｍｍ未満であると、充分な熱エネルギーを取得・放出することができないことがある。３０ｍｍを超えると、施工性が劣ることがある。
【００３６】
上記熱交換パイプの形状としては特に限定されないが、上記蓄熱槽内及び上記路盤内においては、蛇行形状を有することが好ましい。蛇行形状を有することによって、効率的に熱を取得・放出することが可能となる。
【００３７】
上記熱交換パイプが上記蛇行形状を有する場合、上記蛇行形状のピッチは、好ましい下限が５０ｍｍ、好ましい上限が２５００ｍｍである。５０ｍｍ未満であると、熱交換パイプの曲げ加工が難しくなることがある。また、ピッチがあまりに短すぎることから、路盤への入口近傍では吸熱・放熱を行うが、中盤から出口側近傍では、熱交換パイプ内部を通る水等の温度が路盤温度に近づいてしまい、充分に吸熱・放熱を行うことができない。例えば、冬季には、路盤の入口付近では融雪することができるが、路盤の中盤から出口側近傍では融雪することができず、積雪してしまうことがある。このような不具合を避けるために、これに対して、熱交換パイプを多数分岐して、路盤に対する入口と出口とを増やすことによって、このような不具合は解消することができるが、熱交換パイプの接続箇所が増え、継ぎ手のコストや施工の手間が発生することがある。２５００ｍｍを超えると、熱交換パイプピッチ間の部分では吸熱・放熱を行うことができないため、例えば、夏季には、路盤全体から充分に熱を取得することができず、冬季には、熱交換パイプピッチ間の雪が溶けず融雪ムラが発生することがある。
【００３８】
上記一次部及び二次部は、各々独立して、上記蓄熱槽循環熱交換パイプ内及び上記路盤循環熱交換パイプ内に水又は不凍液を送液するための送液ポンプを有する。
上記送液ポンプは、上記蓄熱槽循環熱交換パイプ内及び上記路盤循環熱交換パイプ内に水又は不凍液を送液する役割を担う。
このような構造を有することによって、上記蓄熱槽循環熱交換パイプ内及び上記路盤循環熱交換パイプ内を循環する水等の流量を各々独立して調整することができるため、上記蓄熱槽等に蓄積された熱量の無駄な消費や、上記路盤において融雪ムラ等の発生を回避するとともに、圧力損失を低減することが可能となる。
【００３９】
上記一次部と二次部とは、切り離され独立して制御されるものであり、かつ、熱交換機により上記一次部と二次部との間で熱交換される。
このような構造を有することによって、上記熱交換器を介して、一次部において上記蓄熱槽循環熱交換パイプ内を循環する水等と、二次部において上記路盤循環熱交換パイプ内を循環する水等とは、熱を交換することができる。具体的には例えば、冬季には、一次部の蓄熱槽循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液が、蓄熱槽内を通る際に地熱を取得し、熱交換器によって、二次部の上記路盤循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液に熱を伝え、路盤において熱を放出することによって融雪を行う。一方、夏季には、二次部の路盤循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液が、路盤内を通る際に太陽熱等を取得し、熱交換器によって、一次部の蓄熱槽循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液に熱を伝え、蓄熱槽において熱を放出することによって、蓄熱槽に熱を蓄積する。こうして、自然エネルギーを効率的に利用することができる。
【００４０】
上記熱交換器としては特に限定されず、従来公知のものを用いることができるが、熱交換効率が優れることから、対向流式のものであることが好ましい。
【００４１】
本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムは、制御ユニットを有することが好ましい。
上記制御ユニットは、自動制御運転によって、上記蓄熱槽循環熱交換パイプ及び路盤循環熱交換パイプ内に、水又は不凍液を循環させる役割を担う。上記制御ユニットにおいて、上記蓄熱槽循環熱交換パイプ及び路盤循環熱交換パイプは、上記送液ポンプ等に各々独立して接続されることによって、上記蓄熱槽循環熱交換パイプ内及び路盤循環熱交換パイプ内に、各々独立して水又は不凍液を循環させることができる。
【００４２】
上記制御ユニットとしては、融雪時、蓄熱時等の負荷に応じて、流量を調整して熱交換パイプ内に水又は不凍液を循環させることができるものであれば特に限定されず、従来公知のものが用いられる。
【００４３】
上記制御ユニットにおいて、上記蓄熱槽循環熱交換パイプ及び路盤循環熱交換パイプは、各々独立して、温度センサー、降雪センサー等の各種センサーを有することが好ましい。上記温度センサーは、各循環経路を流れる水又は不凍液の温度を測定する役割を担う。上記降雪センサーは、降雪の有無を検知する役割を担う。
【００４４】
従来、路盤、蓄熱槽に温度センサーを埋設した場合には、経年劣化等に起因して断線等の発生リスクがあった。これに対して、本発明の太陽熱利用融雪システムでは、上記制御ユニットが温度センサー等を有することによって、断線等の発生リスクを回避することができる。上記温度センサー等は、上記蓄熱槽又は上記路盤に埋設されるのではなく、上記制御ユニットに設置されることによって、上記熱交換パイプ内を循環する温度を簡易に確認することができ、夏季の蓄熱運転又は冬季の融雪運転の開始判断をスムーズに行うことができる。
【００４５】
上記制御ユニットにおいて、上記蓄熱槽循環熱交換パイプ及び路盤循環熱交換パイプは、各々独立して、流量計を有することが好ましい。
上記流量計は、各循環経路を流れる水又は不凍液の流量を測定する役割を担う。
上記制御ユニットは、更に、絞り弁を有してもよく、インバーター制御装置を有してもよい。
【００４６】
本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムを運転する方法としては特に限定されないが、自動運転が好ましく、季節等に応じて運転態様を変化させることが好ましい。
【００４７】
本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムは、夏季においては、外気温度及び降水量を測定した結果、例えば、外気温度３０℃以上、かつ、降水量０ｍｍである場合には、上記路盤において太陽熱等の熱を取得し、取得した熱は、上記熱交換器を介して上記蓄熱槽に蓄積することができる。
上記運転を判断する外気温度や降水量は地域や運転実情を鑑みて制御上で変更することが可能である。また、外気温度だけで判断してもよいし、実際に路盤に温度センサーを埋めて、その温度測定値によって、以下の蓄熱判断運転開始の判断を行ってもかまわない。
蓄熱判断運転は、まず、二次部において路盤循環熱交換パイプの送液ポンプを回転させ、路盤循環熱交換パイプ内に水等を循環させ、路盤循環熱交換パイプ内の水等の戻り温度（Ｔ２）を計測し、送液ポンプを停止する。次いで、一次部の蓄熱槽循環熱交換パイプの送液ポンプを回転させ、蓄熱槽循環熱交換パイプ内の水等を循環させ、蓄熱槽循環熱交換パイプ内の水等の戻り温度（Ｔ１）計測し、送液ポンプを停止する。
計測したＴ２とＴ１とを比較し、蓄熱運転を行うか判断する。Ｔ２の方が高い場合には、一次部の蓄熱槽循環熱交換パイプの送液ポンプ、及び、二次部の路盤循環熱交換パイプの送液ポンプを回転させ、上記路盤で取得した熱を、上記熱交換器を介して、上記蓄熱槽に伝えることによって、上記路盤で取得した熱を上記蓄熱槽へ蓄積する。
このように蓄熱判断運転を行ってから、蓄熱をするので確実に路盤側から地中へ熱を搬送することができる。また、この蓄熱判断運転は一次側二次側別々に切り分けて行うため、上記蓄熱判断運転によりせっかく蓄熱槽に蓄積した熱が路盤側へ伝わっていくこともない。
一方、外気温度及び降水量を測定した結果、例えば、外気温度３０℃以上、かつ、降水量０ｍｍの条件を満たさない場合には、送液ポンプを停止する停止運転を行う。
上記停止運転は、蓄熱中計測し続けているＴ２がＴ１よりも低くなり、蓄熱をしなくなると判断した際も実行される。
更に、本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムは、頻繁な運転を避けるため、上記送液ポンプをタイマー休眠した後、例えば、１時間毎に、外気温度及び降水量を測定する。こうして、定期的かつ自動的に外気温度及び降水量を測定したうえで、蓄熱運転を行うか又はタイマー休眠を行うか判断する。このタイマー時間も制御上で変更可能である。
本明細書において、夏季におけるこのような本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムの運転態様を、蓄熱運転ともいう。
【００４８】
本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムは、冬季においては、従来公知の降雪センサーを用いて降雪を検知した場合、一次部の蓄熱槽循環熱交換パイプの送液ポンプ、及び、二次部の路盤循環熱交換パイプの送液ポンプを全力で回転し、循環運転を継続しながら、二次部の路盤循環熱交換パイプ内の水等の行き温度と戻り温度との温度差、及び、流量から、路盤循環熱交換パイプ側の熱エネルギー消費量を計算する。
得られた熱エネルギー消費量に応じて、一次部の蓄熱槽循環熱交換パイプ内を循環する水等の流量を調整する。すなわち、例えば、熱エネルギー消費量が少ない場合（低融雪負荷の場合）には、一次部の蓄熱槽循環熱交換パイプの送液ポンプの回転数を減少させることによって、一次部から二次部へ供給する熱量を抑える。
一方、降雪がない場合には、送液ポンプを停止する。頻繁な運転を避けるため、送液ポンプをタイマー休眠した後、例えば、３０分毎に、融雪センサーを用いて降雪の有無を検知する。こうして、定期的かつ自動的に降雪の有無を検知したうえで、融雪運転を行うか又はタイマー休眠を行うか判断する。
本明細書において、冬季におけるこのような本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムの運転態様を、融雪運転ともいう。
【００４９】
本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムを用いた上記融雪運転では、上記二次部における上記路盤循環熱交換パイプの送液ポンプは、全力で回転させるのに対し、上記一次部における上記蓄熱槽循環熱交換パイプの送液ポンプは、必要な熱量に応じて、回転させればよいため、必要な熱量のみを供給することができる。
また、上記一次部の蓄熱槽循環熱交換パイプと、上記二次部の路盤循環熱交換パイプとは、相互に連通せず、各々独立した循環経路であることから、圧力損失を抑え、上記二次部の路盤循環熱交換パイプ内を循環する水等の流量を充分に確保することができるため、上記路盤の温度分布にムラを生じることなく、融雪ムラの発生を抑制することが可能となる。
上記送液ポンプは、流量が０〜１００Ｌ／ｍｉｎの範囲で可変な従来公知のものを用いることができる。
上記送液ポンプの制御上の流量設定は、融雪面積にもよるが、好ましくは０〜３０Ｌ／ｍｉｎ、より好ましくは０〜２０Ｌ／ｍｉｎ程度である。
上記送液ポンプの制御上の全力運転の数値は、制御上可変であるが、好ましい下限は１０Ｌ／ｍｉｎ、好ましい上限は２０Ｌ／ｍｉｎである。上記送液ポンプの全力運転時に流量が少ないと、一次部及び二次部ともに循環熱交換パイプ内を循環する水等が入れ替わるのが遅くなり、制御ユニットの戻り側で温度を判断するのに時間が必要となることがあることに加え、循環する水等を介して運ぶ熱量が限られてしまうことがある。一方、流量が大き過ぎると、使用するポンプが大型となり、イニシャルコストや設置スペース、消費電力が大きくなる等問題が発生してしまうことがある。より好ましい下限は１０Ｌ／ｍｉｎ、より好ましい上限は１５Ｌ／ｍｉｎである。
【００５０】
本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムを用いることによって、冬季の降雪時に路盤循環熱交換パイプの流量を高いレベルで一定に保持しながら、路盤で消費される熱量を計算し、前記熱量に応じて蓄熱槽循環熱交換パイプ内を循環する水等の流量を変動させることができる。こうして、路盤における融雪ムラ等の発生を抑えつつ、適量のエネルギーを常に無駄なく供給することが可能となる。
このような本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムを制御する方法であって、路盤循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の流量を一定に保持しながら、路盤で消費される熱量を計算し、前記熱量に応じて、蓄熱槽循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の流量を変動させる太陽熱利用蓄熱融雪システムの制御方法もまた、本発明の一つである。
【００５１】
本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムの制御方法は、太陽熱利用蓄熱融雪システムの起動時に、蓄熱槽循環熱交換パイプ又は路盤循環熱交換パイプのうち、一方の循環熱交換パイプにおいて、送液ポンプを動作させ、温度センサーによって前記循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の温度を確認し、送液ポンプを停止させ、更に、他方の循環熱交換パイプにおいて、送液ポンプを動作させ、温度センサーによって前記循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の温度を確認し、送液ポンプを停止させた後、前記蓄熱槽循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の温度が前記路盤循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の温度よりも高い場合には融雪運転を開始し、前記路盤循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の温度が前記蓄熱槽循環熱交換パイプ内を循環する水又は不凍液の温度よりも高い場合には蓄熱運転を開始することが好ましい。このような方法で制御することによって、季節等に応じて、効率的に本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムを制御することができる。
【発明の効果】
【００５２】
本発明によれば、低コストで充分な地熱等の自然エネルギーを取得、貯蔵及び利用することが可能な太陽熱利用蓄熱融雪システム及び太陽熱利用蓄熱融雪システムの制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
【００５４】
（実施例１）
（蓄熱槽）
新潟県妙高市の融雪実験場において、縦及び横７．２８ｍ、深さ２．１８ｍ、体積１１２．９ｍ３となるように地面を掘削し、内径２０ｍｍの金属複合管（エスロンスーパーエスロメタックス、積水化学工業社製）を約５００ｍｍのピッチで内部に埋設し、周囲を５００ｍｍ厚のポリスチレンフォームで覆った。更に、雨水の浸入を防ぐべく、ポリスチレンフォーム周囲を５ｍｍ厚のブチルゴムシートで覆うことによって、蓄熱槽を形成した。
蓄熱槽の上面は、地表面から深さ約５００ｍｍの地中に形成した。
【００５５】
（路盤）
コンクリートを厚み１００ｍｍで打設し、その際、内径１３ｍｍの架橋ＰＥ管を地表面から３０ｍｍの深さに、ピッチが７５ｍｍとなるように埋設した。架橋ＰＥ管は地表面から５０ｍｍの深さに埋設されるように、コンクリート養生後、コンクリート上に２０ｍｍ厚のアスファルトを敷設した。
【００５６】
（熱交換器等）
一次部の蓄熱槽循環熱交換パイプ及び二次部の路盤循環熱交換パイプは、銅プレート式熱交換器（ＣＢ２６−１８Ｈ、アルファラバル社製）を介して各循環熱交換パイプ内を循環する水等の熱を交換できるように接続し、それぞれ独立してＤＣポンプ（ＰＤ−２１、三相電機社製）に接続することによって、蓄熱槽循環熱交換パイプ内及び路盤循環熱交換パイプ内を循環する水等の流量を各々独立して制御することが可能な制御ユニットを設置した。
【００５７】
図１は、作製した太陽熱利用蓄熱融雪システムの概略を示す模式図である。
図１において、１は蓄熱槽、２は路盤、３１は蓄熱槽循環熱交換パイプ、３２は路盤循環熱交換パイプ、４は制御ユニットを示す。蓄熱槽１は、土壌に形成された遮熱層１１と、遮熱層１１に囲まれた土壌とからなる。路盤２は、地表付近に形成されたコンクリート２１からなる。蓄熱槽循環熱交換パイプ３１は、蓄熱槽１内外を巡り、制御ユニット４内において、熱交換器４１と温度センサー４２と送液ポンプ４３と流量計４４とに接続されている。路盤循環熱交換パイプ３２は、路盤２内外を巡り、制御ユニット４内において、熱交換器４１と温度センサー４２と送液ポンプ４３と流量計４４とに接続されている。蓄熱槽循環熱交換パイプ３１と、路盤循環熱交換パイプ３２とは、切り離され各々独立した循環径路を形成しており、制御ユニット４内おいて、各別に送液ポンプ４３等に接続されているため、各々独立して制御される。
【００５８】
実施例１で得られた太陽熱利用蓄熱融雪システムは、夏季においては、太陽熱によって二次部の路盤が温まり、路盤の温度が一次部の蓄熱槽内の温度より高温になると、自動運転によって、速やかに制御ユニットの熱交換器を介して、路盤から蓄熱槽へ熱を移動し、蓄熱槽へ蓄熱される。こうして、夏季において、蓄熱槽内の最大温度が３５．９℃となったことを確認した。その後、蓄熱槽内の熱は、秋季を持ち越し、冬季の融雪運転開始直前の蓄熱槽内の温度が３０．２℃を維持したことを確認した。
【００５９】
冬季において降雪時には、通常、各循環経路の流量が１Ｌ／ｍｉｎ程度の供給量のところ、二次部の路盤循環熱交換パイプの総流量を１５Ｌ／ｍｉｎ（３分割回路であるため、各回路に５Ｌ／ｍｉｎ）程度の供給量とすることによって、路盤の融雪ムラの解消を確認した。また、一次部の蓄熱槽循環熱交換パイプの流量を制御することによって、必要に応じて、最大出力で約１２０Ｗ／ｍ２の熱量を供給した。融雪負荷が少ないときには３０Ｗ／ｍ２程度まで熱量の供給を低下させた。こうして、過不足なく熱量を供給し、かつ、蓄熱槽の熱量が不足することなく、冬季間の融雪を全うすることを確認した。
【００６０】
更に、実施例１で得られた太陽熱利用蓄熱融雪システムは、温度センサー等のセンサー類が外部に露出していないことから、センサー類の損傷はもちろんのこと、センサー線等の劣化が無いことも確認した。
このように、本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムでは、自動運転で通年運転できることが確認された。
冬季融雪の総運転時間は、２８５時間であり、主に制御システム及びＤＣポンプ２台についての電力使用量は３４．２ｋＷｈであった。１ｋＷｈ当たり２１円とすると、冬季融雪コストは７１８．２円であった。
【００６１】
（比較例１）
図２で示すように、一次部と二次部とを制御ユニット内で直通させたこと以外は、実施例１と同様の構造を有する融雪システムのモデルをシミュレーション上で再現した。
この融雪システムでは、蓄熱運転の際に、一次部と二次部とを別々に運転することができないことから、外気温度及び降雨量の条件が成立すれば蓄熱運転を行うこととした。
これにより、秋季において、外気温度が３０℃以上ではあるが、路盤やその内部の熱交換パイプ内の冷媒温度が低い際にも蓄熱運転を行うこととなったため、実際には放熱運転となってしまった。すなわち、夏季において蓄熱槽内の最大温度は実施例１同様に３５．９℃まで到達したにもかかわらず、その後、秋季に大幅低下し、冬季の融雪運転開始直前の蓄熱槽内の温度は２５．１℃となり、実施例１より５．１℃も低下してしまうこととなった。
【００６２】
また、冬季融雪運転では、各側個別運転不可能なので、全周回の循環経路の総流量を３Ｌ／ｍｉｎ（３分割回路であるため、各回路に１Ｌ／ｍｉｎ）の供給量とした。これにより路盤入口付近では融雪することができるが、路盤の中盤から後半では熱が残っておらず、雪が溶けず融雪ムラが発生してしまった。更に、供給熱量は冬季開始時には蓄熱槽内の温度が高く多かったが、運転時間が延びるにつれ、蓄熱槽内の温度が低下し、１００時間を経過する頃には融雪能力が発揮できないこととなった。また、そもそも蓄熱槽内の温度が低かったため、蓄熱槽の熱量が不足することとなり、冬季間の融雪を全うすることができなかった。
【００６３】
（比較例２）
図３に示すように、ガスボイラーを用いた融雪システムのモデルをシミュレーション上で再現した。図３中、５はガスボイラーを示す。
冬季融雪運転では、概ね１３０Ｗ／ｍ２を発揮できる出力を設定した。解析上、融雪ムラは発生せず、冬季間の融雪を全うすることができた。
しかしながら、冬季間の融雪の総運転時間は２８５時間となり、路盤や機器のロスを含めると、ガス使用量は約１９２ｍ３となった。なお、制御システムにかかった電気代はコストから除き、都市ガスによるシミュレーションを行った。
ガス１ｍ３当たり１２０円とすると、冬季融雪コストは２３０４０円と非常に高価となった。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、低コストで充分な地熱等の自然エネルギーを取得、貯蔵及び利用することが可能な太陽熱利用蓄熱融雪システム及び太陽熱利用蓄熱融雪システムの制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の太陽熱利用蓄熱融雪システムの一例を示す模式図である。
【図２】比較例１で用いた融雪システムの一例を示す模式図である。
【図３】比較例２で用いた融雪システムの一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  蓄熱槽
１１  遮熱層
２  路盤
２１  コンクリート
３０  熱交換パイプ
３１  蓄熱槽循環熱交換パイプ
３２  路盤循環熱交換パイプ
４  制御ユニット
４１  熱交換器
４２  温度センサー
４３  送液ポンプ
４４  流量計
５  ガスボイラー
【図１】
2008304141.tif 000002
【図２】
2008304141.tif 000003
【図３】
2008304141.tif 000004