(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環ポンプの作動により蓄熱槽内の底部の水を太陽熱集熱器に供給しこの太陽熱集熱器により加熱された温水を上記蓄熱槽の頂部に戻すように強制循環する集熱運転を行い、上記蓄熱槽に対し太陽熱を温水として蓄熱させるように構成された太陽熱利用温水装置において、
上記太陽熱集熱器が受ける日射量を検出する日射量検出手段と、上記太陽熱集熱器から蓄熱槽の頂部に戻されることになる温水の温度を検出する第１温度検出手段と、この第１温度検出手段による検出温度が目標温度になるように上記循環ポンプを作動することにより集熱運転制御を行う集熱運転制御手段とを備え、
上記集熱運転制御手段は、上記日射量検出手段からの検出日射量に基づいて目標温度を設定する目標温度設定部を有し、この目標温度設定部は上記検出日射量との関係で定まる蓄熱温度よりも低い温度を目標温度としてまず設定し、以後、その目標温度を上記蓄熱温度に又は上記蓄熱温度までの範囲の高温側温度に段階的に変更設定するように構成されている
ことを特徴とする太陽熱利用温水装置。
【請求項２】
循環ポンプの作動により蓄熱槽内の底部の水を太陽熱集熱器に供給しこの太陽熱集熱器により加熱された温水を上記蓄熱槽の頂部に戻すように強制循環する集熱運転を行い、上記蓄熱槽に対し太陽熱を温水として蓄熱させるように構成された太陽熱利用温水装置において、
上記太陽熱燃焼器が受ける日射量を検出する日射量検出手段と、上記太陽熱集熱器から蓄熱槽の頂部に戻されることになる温水の温度を検出する第１温度検出手段と、この第１温度検出手段による検出温度が目標温度になるように上記循環ポンプを作動することにより集熱運転制御を行う集熱運転制御手段とを備え、
上記集熱運転制御手段は、計時により現在の季節に関する情報を出力する季節情報出力部と、上記日射量検出手段からの検出日射量又は上記季節情報出力部からの季節情報に基づいて目標温度を設定する目標温度設定部とを有し、
上記目標温度設定部は、上記検出日射量との関係で定まる蓄熱温度よりも低い温度を目標温度としてまず設定し、以後、その目標温度を上記季節情報出力部からの季節情報に応じて予め定めた高温側温度に変更設定するように構成されている
ことを特徴とする太陽熱利用温水装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の太陽熱利用温水装置であって、
上記循環ポンプは可変流量ポンプにより構成され、
上記集熱運転制御手段は、上記循環ポンプによる作動制御流量を、上記蓄熱槽内の底部から頂部までの間に温度差のある２以上の層が形成される低流量範囲として予め設定した成層流量範囲内に制限しつつ、上記検出温度が目標温度になるように比例制御により変更調整するように構成されている、太陽熱利用温水装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の太陽熱利用温水装置であって、
上記蓄熱槽の底部の水又は温水の温度を検出する第２温度検出手段をさらに備え、
上記集熱運転制御手段は、集熱運転の開始により、第１温度検出手段及び上記第２温度検出手段による両検出温度の差の如何に応じて上記循環ポンプを所定流量でＯＮ・ＯＦＦの間欠作動させる温度差ＯＮ・ＯＦＦ運転制御をまず実行し、その後に、目標温度に基づく循環ポンプの作動制御を開始するように構成されている、太陽熱利用温水装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の太陽熱利用温水装置であって、
上記日射量検出手段は、太陽熱集熱器の表面に配設された太陽電池を備え、この太陽電池の発電量に基づいて日射量を推定して検出するように構成されている、太陽熱利用温水装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の太陽熱利用温水装置であって、
上記循環ポンプの作動による循環流量を検出する流量検出手段と、上記蓄熱槽の底部の水又は温水の温度を検出する第２温度検出手段をさらに備え、
上記日射量検出手段は、上記流量検出手段による検出流量と、上記第１及び第２の両温度検出手段による両検出温度の温度差との乗算により得られる集熱量に基づいて、そのときの日射量を推定して検出するように構成されている、太陽熱利用温水装置。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の太陽熱利用温水装置であって、
上記第１温度検出手段は、強制循環中の太陽熱集熱器の表面温度もしくは内部の循環流水の温度、あるいは、上記太陽熱集熱器から蓄熱槽の頂部に戻される温水の温度のいずれかを検出するものである、太陽熱利用温水装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、循環ポンプの作動により蓄熱槽内の水を太陽熱集熱器（コレクタ）との間で強制循環させて加熱することにより太陽熱を温水として蓄熱し、この温水を給湯器等の補助熱源機を介して給湯栓に送り、給湯に利用させるために用いられる太陽熱利用温水装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の太陽熱利用温水装置による集熱運転制御として、次に示すような比例運転制御が一般に行われている。すなわち、図８に示す循環ポンプ７０を連続運転させ、コレクタ３の温度（表面温度）又はコレクタ３の出口の温水温度がある設定温度（例えば６０〜７５℃）になるように、上記循環ポンプ７０の循環流量を変更制御するというものである。この場合には、上記循環ポンプ７０として可変流量ポンプを用い、例えばその回転数を変更制御することにより吐出流量、つまり循環流量が変更制御される。なお、コレクタ３の表面温度は、太陽の日射を受けて加熱される一方、内側の循環流水との熱交換により熱が奪われるため、太陽熱により昇温されて蓄熱槽に戻される温水温度をほぼ表すことになる。
【０００３】
また、太陽熱利用温水装置により蓄熱槽２内に蓄熱された温水は、蓄熱槽２から取り出されて給湯に供することが通常行われているが、その際に蓄熱槽２内の温水が給湯として要求される温度よりも低い場合もある。このため、一般的には、図８に示すように蓄熱槽２と給湯栓との間に補助熱源機（例えば給湯器）１００を介装し、蓄熱槽２から取り出された温水を補助熱源機１００で加熱した上で下流端の給湯栓に給湯するようにされている。
【発明が解決しようとする課題】
ところが、太陽の日射量は天候の状況に応じて様々に変化するため、上記の集熱運転制御によると日射量が少ない場合には設定温度の温水を蓄熱槽２に蓄熱するまでに長時間を要する上に、集熱効率、つまり太陽熱の利用効率も低下することになる。加えて、それまでに給湯使用が行われると上記補助熱源機１００による加熱を追加する必要がありその加熱のためのエネルギー（化石燃料エネルギー又は電気エネルギー）消費がより多く必要になるという不都合がある。
【０００４】
すなわち、太陽が昇っても、上記コレクタ３の温度が設定温度ぎりぎりまでしか昇温しないか、設定温度前後程度にしか昇温しない程度の日射量であると、設定温度までに昇温させるために循環流量は極端に少なく制御されてしまい、集熱効率は極めて低下する上に、蓄熱までに長時間を要することにもなる。特に日の出からの朝の間にこのような不都合が発生し易い。
【０００５】
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、給湯用に要求される温度の温水をより短時間で蓄熱させ得ると共に、その蓄熱を天候の状況に応じて効率よく行い得る太陽熱利用温水装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、循環ポンプの作動により蓄熱槽内の底部の水を太陽熱集熱器に供給しこの太陽熱集熱器により加熱された温水を上記蓄熱槽の頂部に戻すように強制循環する集熱運転を行い、上記蓄熱槽に対し太陽熱を温水として蓄熱させるように構成された太陽熱利用温水装置を対象として、以下の種々の特定事項を備えることとした。
【０００７】
すなわち、請求項１に係る発明では、上記太陽熱集熱器が受ける日射量を検出する日射量検出手段と、上記太陽熱集熱器から蓄熱槽の頂部に戻されることになる温水の温度を検出する第１温度検出手段と、この第１温度検出手段による検出温度が目標温度になるように上記循環ポンプを作動することにより集熱運転制御を行う集熱運転制御手段とを備えることとする。そして、上記集熱運転制御手段として、上記日射量検出手段からの検出日射量に基づいて目標温度を設定する目標温度設定部を有するものとし、この目標温度設定部として、上記検出日射量との関係で定まる蓄熱温度よりも低い温度を目標温度としてまず設定し、以後、その目標温度を上記蓄熱温度に又は上記蓄熱温度までの範囲の高温側温度に段階的に変更設定する構成とする。
【０００８】
なお、上記の「集熱運転制御」としては、循環ポンプを連続運転させてその循環ポンプによる循環流量を変更調整することにより上記検出温度が目標温度になるようにさせる比例運転制御を行っても、循環ポンプを定流量でＯＮ・ＯＦＦ間欠運転させることにより上記検出温度が目標温度になるようにさせるＯＮ・ＯＦＦ運転制御を行っても、いずれでもよい。この点は、以下の請求項２において同様である。
【０００９】
上記請求項１によれば、目標温度設定部によって検出日射量に対応する蓄熱温度よりも低い温度、すなわち、現在の日射量ならば通常の集熱効率での循環流量にて加熱し得る加熱後の温水温度よりも低い温度が集熱運転制御での目標温度としてまず設定されるため、このような目標温度により集熱運転制御（循環ポンプの作動制御）を行えば、上記蓄熱温度を最初から目標温度として設定する場合よりも短時間で蓄熱することが可能になる上に、太陽熱を高効率で利用することも可能になる。例えば上記の比例運転制御を実行する場合であると、例えば目標温度を最初から７５℃とするよりも最初は４０℃とする方が循環流量がより多くなり、あるいは、上記のＯＮ・ＯＦＦ運転制御を実行する場合であると循環ポンプのＯＮ作動時間がより長くなるため、上記目標温度の温水を蓄熱槽に短時間で蓄熱し得る上に、太陽熱の利用効率も高くなる。加えて、低温側の目標温度の温水が蓄熱槽に早期に蓄熱されるため、給湯に供するために補助熱源機で加熱するにしても、その加熱のためのエネルギー消費の節減が図られる。
【００１１】
以上のように、まず、検出日射量に応じて定まる蓄熱温度よりも低い温度が設定された目標温度に基づき集熱運転制御が行われ、その目標温度の温水が蓄熱槽に蓄熱されれば、次に、より高温側の温度に変更設定された目標温度に基づく集熱運転制御が行われ、より高温側の温度の温水が蓄熱槽に蓄熱される、というように、蓄熱槽への蓄熱が段階的に行われる。このため、上述の作用を得た上で、さらに、より高温側の温水の蓄熱をも続行させることが可能になる。これにより、太陽熱の利用効率という観点において、より高温側までの蓄熱を天候の状況に応じて効率よく行い得ることになる。
【００１２】
ここで、上記目標温度設定部による目標温度の変更設定は、上記蓄熱温度よりも低い温度を第１目標温度として設定した後、上記蓄熱温度を第２目標温度として変更設定しても、あるいは、上記第１目標温度と蓄熱温度との中間温度を第２目標温度として変更設定しても、いずれでもよい。また、後者の場合に、上記蓄熱温度を第３目標温度としてさらに変更設定しても、あるいは、より高温側の中間温度を第３もしくは第４目標温度として段階的に変更設定して最終段階で上記蓄熱温度を目標温度として変更設定しても、いずれでもよい。なお、このような段階的変更設定については、次の請求項２においても同様に採用し得る。また、上記の第１目標温度としては、蓄熱槽から太陽熱集熱器に供給される蓄熱槽底部の温度と、検出日射量との関係で定めてもよいが、給湯用に要求される常用温度（例えば４０℃）を設定することが好ましい。このようにすると、給湯側に補助熱源機が介装されている場合には、その補助熱源機の加熱作動なしに蓄熱槽に蓄熱された温水をそのまま給湯させることが可能になり、補助熱源機での加熱のためのエネルギー消費を省略することが可能になる。
【００１３】
請求項２に係る発明では、上記太陽熱燃焼器が受ける日射量を検出する日射量検出手段と、上記太陽熱集熱器から蓄熱槽の頂部に戻されることになる温水の温度を検出する第１温度検出手段と、この第１温度検出手段による検出温度が目標温度になるように上記循環ポンプを作動することにより集熱運転制御を行う集熱運転制御手段とを備えこととする。この場合の集熱運転制御手段として、計時により現在の季節に関する情報を出力する季節情報出力部と、上記日射量検出手段からの検出日射量又は上記季節情報出力部からの季節情報に基づいて目標温度を設定する目標温度設定部とを有するものとする。そして、上記目標温度設定部として、上記検出日射量との関係で定まる蓄熱温度よりも低い温度を目標温度としてまず設定し、以後、その目標温度を上記季節情報出力部からの季節情報に応じて予め定めた高温側温度に変更設定する構成とする。
【００１４】
この請求項２によれば、請求項２による作用の全てが得られる上に、目標温度設定部による目標温度の変更設定を、現在の季節情報を加味して変更させることが可能になる。このため、まずは低温側の目標温度の温水を早期に蓄熱した上で、日射量の季節変動特性に応じたより高温側の温水の蓄熱を効率よく続行させることが可能になる。上記の「季節情報」とは１月・２月・３月…というような月別の情報であっても、春・夏・秋・冬というような四季についての情報であってもよい。そして、月別であれば、第２目標温度として例えば１２月〜２月には５５℃を、６月〜８月には６５℃を、他の月には６０℃をというようにそれぞれ変更設定し、四季別であれば、第２目標温度として冬期には５５℃を、夏期であれば６５℃を、春期もしくは秋期であれば６０℃をというようにそれぞれ変更設定すればよい。このようにすると、例えば冬期であっても画一的に６０℃を第２目標温度として設定する場合に比して、実際の天候もしくは日射状況により対応させた蓄熱が可能になる。
【００１５】
上記の請求項１又は請求項２の太陽熱利用温水装置において、循環ポンプの循環流量を変更調整しつつ連続運転させる作動制御を行う場合には次のようにすればよい。すなわち、上記循環ポンプを可変流量ポンプにより構成し、上記集熱運転制御手段として、上記循環ポンプによる作動制御流量を、上記蓄熱槽内の底部から頂部までの間に温度差のある２以上の層が形成される低流量範囲として予め設定した成層流量範囲内に制限しつつ、上記検出温度が目標温度になるように比例制御により変更調整する構成とすればよい（請求項３）。循環ポンプの作動制御流量を上記成層流量範囲内に制限することにより、蓄熱槽内には底部から頂部までの間に温度差のある２以上の層が成層されることになる。すなわち、太陽熱集熱器で加熱された温水が蓄熱槽に戻されても、低流量であるため蓄熱槽内はかき回されることなく上記加熱後の温水が頂部から順に蓄積されることになる。このため、集熱運転開始後、蓄熱槽の底部はまだ低温であっても、蓄熱槽の頂部には目標温度の温水が早期に確保され、目標温度の温水の早期利用が可能となる。
【００１６】
上記の請求項１〜請求項３のいずれかの太陽熱利用温水装置においては、上記蓄熱槽の底部の水又は温水の温度を検出する第２温度検出手段をさらに備え、上記集熱運転制御手段として、集熱運転の開始により、第１温度検出手段及び上記第２温度検出手段による両検出温度の差の如何に応じて上記循環ポンプを所定流量でＯＮ・ＯＦＦの間欠作動させる温度差ＯＮ・ＯＦＦ運転制御をまず実行し、その後に、目標温度に基づく循環ポンプの作動制御を開始する構成を追加するようにしてもよい（請求項４）。この場合には、日射量が不十分であるときにおいても、まずは上記温度差ＯＮ・ＯＦＦ運転制御を開始させることにより、目標温度よりは低温ではあっても太陽熱を少しでも蓄熱することが可能になる。
【００１７】
上記の請求項１〜請求項４のいずれかの太陽熱利用温水装置で用いる日射量検出手段としては、種々のものを採用することができる。例えば、上記日射量検出手段として、太陽熱集熱器の表面に配設された太陽電池を備え、この太陽電池の発電量に基づいて日射量を推定して検出する構成としてもよい（請求項５）。この場合には、後述の構成と比して日射量を直接的に検出して把握することが可能になり、集熱制御をより適切に実行させ得る。
【００１８】
あるいは、上記循環ポンプの作動による循環流量を検出する流量検出手段と、上記蓄熱槽の底部の水又は温水の温度を検出する第２温度検出手段をさらに備え、上記日射量検出手段として、上記流量検出手段による検出流量と、上記第１及び第２の両温度検出手段による両検出温度の温度差との乗算により得られる集熱量に基づいて、そのときの日射量を推定して検出する構成を採用するようにしてもよい（請求項６）。この場合には、日射量検出のための特別なセンサ等を設置することなく、太陽熱利用温水装置に対し他の用途のために通常設けられている検出手段を利用して演算により日射量を検出し得ることになる。
【００１９】
なお、上記の請求項１〜請求項６のいずれかの太陽熱利用温水装置における第１温度検出手段としては、強制循環中の太陽熱集熱器の表面温度もしくは内部の循環流水の温度、あるいは、上記太陽熱集熱器から蓄熱槽の頂部に戻される温水の温度のいずかれを検出するものとすればよい（請求項７）。太陽熱集熱器の表面温度は日射を受ける一方で内部の水と熱交換される結果、太陽熱集熱器で加熱されて蓄熱槽に戻される温水温度とほぼ同じ温度となる。また、太陽熱集熱器内部の循環流水の温度を検出する位置は太陽熱集熱器の内部位置でも、出口位置でもよい。これらの場合には、太陽熱集熱器と蓄熱槽との間の配管での放熱分を考慮に加えてもよい。さらに、蓄熱槽の頂部に戻される温度の検出位置は配管途中でも、蓄熱槽の頂部位置でもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１の太陽熱利用温水装置によれば、目標温度設定部によって検出日射量に対応する蓄熱温度よりも低い温度が集熱運転制御での目標温度としてまず設定されるため、上記蓄熱温度を最初から目標温度として設定する場合よりも短時間で蓄熱することができる上に、太陽熱を高効率で利用することができるようになる。加えて、低温側とはいえ上記目標温度の温水が蓄熱槽に早期に蓄熱されるため、給湯に供するために補助熱源機で加熱するにしても、その加熱のためのエネルギー消費の節減を図ることができる。
【００２１】
さらに、まずは低温側の目標温度の温水を早期に蓄熱した上で、より高温側の温水の蓄熱をも続行させることができ、蓄熱槽への蓄熱を段階的に行うことができるようになる。これにより、太陽熱の利用効率という観点において、より高温側までの蓄熱を天候の状況に応じて効率よく行うことができるようになる。なお、最初の目標温度として給湯用に要求される常用温度を設定することにより、給湯側に補助熱源機が介装されている場合には、その補助熱源機の加熱作動なしに蓄熱槽に蓄熱された温水をそのまま給湯させることができ、補助熱源機での加熱のためのエネルギー消費を不要とすることができる。
【００２２】
請求項２の太陽熱利用温水装置によれば、目標温度設定部によって検出日射量に対応する蓄熱温度よりも低い温度が集熱運転制御での目標温度としてまず設定されるため、上記蓄熱温度を最初から目標温度として設定する場合よりも短時間で蓄熱することができる上に、太陽熱を高効率で利用することができるようになる。加えて、低温側とはいえ上記目標温度の温水が蓄熱槽に早期に蓄熱されるため、給湯に供するために補助熱源機で加熱するにしても、その加熱のためのエネルギー消費の節減を図ることができる。さらに、その上に、目標温度設定部による目標温度の変更設定により、現在の季節情報を加味して日射量の季節変動特性に応じたより高温側の温水の蓄熱を効率よく続行させることができる。このため、目標温度を例えば冬期であっても画一的に６０℃に変更設定する場合に比して、実際の天候もしくは日射状況により対応させた蓄熱を行うことができる。
【００２３】
請求項３によれば、上記の請求項１又は請求項２の太陽熱利用温水装置において、集熱運転開始後、蓄熱槽の底部はまだ低温であっても、蓄熱槽の頂部に目標温度の温水を早期に確保することができ、目標温度の温水の早期利用を達成して補助熱源機での加熱のためのエネルギー消費を可及的に削減させることができる。
【００２４】
請求項４によれば、上記の請求項１〜請求項３のいずれかの太陽熱利用温水装置において、日射量が不十分であるときにおいても、まずは上記ＯＮ・ＯＦＦ運転制御を開始させることにより、目標温度よりは低温ではあっても太陽熱を少しでも蓄熱した上で、以後の目標温度に基づく蓄熱を実行させることができ、太陽熱の利用効率をより一層向上させることができる。
【００２５】
請求項５によれば、上記の請求項１〜請求項４のいずれかの太陽熱利用温水装置において、日射量検出手段による日射量検出を直接的に検出して把握することができ、集熱制御をより適切に実行させことができる。また、太陽電池を太陽熱利用温水装置の電源として用いる場合には、新たに日射量検出手段として特別なセンサを設置することなく併用させることができる。
【００２６】
請求項６によれば、上記の請求項１〜請求項４のいずれかの太陽熱利用温水装置において、日射量検出のための特別なセンサ等を設置することなく、太陽熱利用温水装置に対し他の用途のために通常設けられている検出手段を利用して演算により日射量を検出することができるようになる。
【００２７】
請求項７によれば、請求項１〜請求項６のいずれかの太陽熱利用温水装置において用いる第１温度検出手段として具体的態様を特定することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
＜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温水装置を示し、２は蓄熱槽、３は太陽熱集熱器（コレクタ）である。
【００３０】
上記蓄熱槽２は例えばステンレス鋼板により形成された密閉容器である。この蓄熱槽２の底部には給水回路４の下流端と、集熱回路５の往き路５ａの上流端とがそれぞれ連通接続され、また、頂部には図示省略の補助熱源機としての給湯器１００（図８参照）を介して給湯させるための給湯回路６の上流端と、上記集熱回路５の戻り路５ｂの下流端とがそれぞれ連通接続されている。上記蓄熱槽２内は給水回路４からの水道水の給水により充満され、給湯回路６を通して給湯使用された分だけ給水回路４から補水されるようになっている。
【００３１】
上記集熱回路５の往き路５ａには、可変流量ポンプ（例えばＤＣポンプ）により構成された循環ポンプ７が介装されている。また、上記コレクタ３には、その表面温度を検出して第１温度検出手段として用いられる表面温度センサ９と、日射量検出手段の一部として用いられる太陽電池１２とが配設され、上記蓄熱槽２の底部には底部位置の水又は温水の温度（以下「底部温度」という）を検出する第２温度検出手段としての底部温度センサ１０が配設されている。
【００３２】
そして、上記循環ポンプ７が上記各センサ９，１０及び太陽電池１２の各出力に基づいて集熱運転制御手段を含むコントローラ１３により作動制御されて集熱運転が行われるようになっている。上記コントローラ１３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。すなわち、上記コントローラ１３は集熱運転制御手段として図２に示すように比例集熱制御部１３１と、ＯＮ・ＯＦＦ運転制御部１３２と、比例集熱制御部１３１での目標温度を設定する目標温度設定部１３３と、上記比例集熱制御部１３１による比例集熱制御及び上記ＯＮ・ＯＦＦ運転制御部１３２による温度差ＯＮ・ＯＦＦ制御を切換える切換制御部１３４と、上記太陽電池１２からの出力に基づいて日射量を推定して検出する日射量検出手段の一部を構成する日射量推定部１３５とを備えている。
【００３３】
上記比例集熱制御部１３１は、上記循環ポンプ７の作動制御流量を上記蓄熱槽２内の底部から頂部までの間に温度差のある２以上の層が形成される低流量範囲として予め設定された成層流量範囲内に制限しつつ、上記表面温度センサ９の検出温度（表面温度）が上記目標温度設定部１３３により設定された目標温度になるように上記循環ポンプ７の回転数をフィードバック制御（ＦＢ制御）により変更調整して比例集熱制御を行うように構成されている。なお、上記循環ポンプ７はその回転数の変化により吐出流量が変化するタイプの可変流量ポンプであるため、作動制御流量での循環ポンプ７の作動制御を行うためにその回転数を制御している。回転数のＦＢ制御とは具体例を示すと、
制御回転数Ｎ＝Ｋ×（表面温度−目標温度）
となるようにする（Ｋ：比例定数）。これにより、上記表面温度は日射による集熱が循環により順次供給される水と熱交換されて上記目標温度で一定に維持されるようになり、蓄熱槽２には上記目標温度でほぼ一定の温水が戻される。
【００３４】
ここで、上記の成層流量範囲とは、蓄熱槽２内が戻り路５ｂからの戻り温水によりかき回されずに、より高温の温水が上側に層をなして貯留されて底部から頂部にわたり温度差のある層が形成される程度の低流量範囲のことであるが、その一方で集熱効率の低下を抑えてある程度の集熱効率を維持するために所定の流量範囲に設定されている。すなわち、図３にコレクタ３の１枚分についての集熱効率と循環流量との関係を示すように、集熱効率のＭＡＸ値（ほぼ５０％の集熱効率）に対しその５０〜９０％程度を達成し得る低効率範囲に対応する循環流量範囲の下限値をβ（Ｌ／ｍｉｎ）と設定している。そして、上記循環流量範囲の上限値、すなわち、コレクタ３での集熱効率を低下させずに温度差のある成層を形成可能な最大流量をα（Ｌ／ｍｉｎ）と設定している。つまり、成層流量範囲としてβ〜αを設定している。これはコレクタ３の１枚分についてであるため、コレクタ３が２枚以上ある場合には、その枚数分を上記β，αに乗じるようにすればよい。
【００３５】
上記目標温度設定部１３３は、目標温度として第１目標温度、第２目標温度というように順次高温側の温度に段階的に変更設定するようになっている。すなわち、まず低温側の温度を第１目標温度として設定し、次段階にそれよりも高温側の温度を第２目標温度として変更設定するようになっている。具体的には、日射量推定部１３５により得られた現在の日射量により加熱させ得る温水温度（蓄熱温度）よりも低い温度を第１目標温度として設定し、この第１目標温度での蓄熱が完了すれば、次段階の第２目標温度として第１目標温度と上記蓄熱温度との中間温度を設定し、この第２目標温度での蓄熱が完了すれば、最終目標温度である第３目標温度として上記蓄熱温度を設定するようになっている。この際、最終目標温度である上記蓄熱温度が例えば７５℃であれば、第１目標温度として補助熱源機１００（図８）での加熱なしに給湯し得る常用温度である例えば４０℃を設定し、第２目標温度として例えば６０℃を設定するようになっている。
【００３６】
上記ＯＮ・ＯＦＦ運転制御部１３２は、上記コレクタ表面温度センサ９及び底部温度センサ１０の両検出温度の差の如何に応じて上記循環ポンプ７を上記のαで固定してＯＮ・ＯＦＦの間欠作動させるようになっている。すなわち、「表面温度−底部温度」の温度差が例えば７℃以上あれば循環ポンプ７をＯＮ作動させ、上記温度差が４℃以下であれば循環ポンプ７をＯＦＦにする、という温度差ＯＮ−ＯＦＦ制御による間欠作動を行うようになっている。
【００３７】
上記切換制御部１３４は、集熱運転が開始されると、まずは上記ＯＮ・ＯＦＦ運転制御部１３２による温度差ＯＮ−ＯＦＦ制御を開始し、この制御実行中に日射量推定部１３５によって得られた現在の日射量が上記比例集熱制御部１３１での第１目標温度に基づく集熱を行うに十分な日射量であると判断されれば比例集熱制御部１３１による比例集熱制御に切換えるようになっている。そして、第１目標温度による比例集熱制御により蓄熱が完了すると、再び現在の日射量が次の第２目標温度に基づく集熱を行うに十分な日射量であると判断されれば、第２目標温度に基づく比例集熱制御を続行する一方、十分な日射量ではなければ上記ＯＮ・ＯＦＦ運転制御部１３２による温度差ＯＮ・ＯＦＦ制御に切換えるようになっている。
【００３８】
上記日射量推定部１３５は、太陽電池１２からの発電量に関する情報の出力を受け、その発電量と日射量とについて予め定めた関係から現在の日射量を推定して検出するようになっている。
【００３９】
以下、コントローラ１３による集熱運転制御について図４を参照しつつ説明する。使用者によるスイッチ操作又は内蔵時計や日射検知による運転指令の出力によって集熱運転スイッチがＯＮにされると集熱運転が開始される。集熱運転が開始されると、まずは上記ＯＮ・ＯＦＦ運転制御部１３２による温度差ＯＮ−ＯＦＦ制御を開始して日射量がたとえ低くても少しでも集熱して蓄熱する（Ｐ１）。そして、この制御実行中に日射量推定部１３５により現在の日射量を推定する（Ｐ２）。現在の日射量が上記目標温度設定部１３３により第１目標温度として設定される温度（常用温度４０℃）以上の温度まで加熱するに十分であると判断されるまで、つまり不十分である間は上記温度差ＯＮ・ＯＦＦ制御を継続させる（Ｐ２、Ｐ３でＮＯ、Ｐ４）。
【００４０】
現在の日射量が上記第１目標温度以上の温度まで加熱するに十分な日射量であると判断されると、コレクタ表面温度センサ９の表面温度が上記第１目標温度になるように比例集熱制御部１３１による比例集熱制御を開始する（Ｐ２、Ｐ３でＹＥＳ、Ｐ５）。つまり、現在の日射量が７５℃まで加熱し得る程度であっても、第１目標温度としては敢えて４０℃という低温側の温度を設定し、この第１目標温度になるように比例集熱制御を行う。この比例集熱制御においては上記の検出表面温度が第１目標温度になるように循環ポンプ７の回転数をＦＢ制御することにより作動制御流量（循環流量）を変更調整する。この際、ＦＢ制御値が前述のα（Ｌ／ｍｉｎ）を超える場合にはＦＢ制御値をα（Ｌ／ｍｉｎ）に強制的に設定して成層蓄熱を維持する一方、急に曇る等によりＦＢ制御値がβ（Ｌ／ｍｉｎ）未満という極めて低流量になってしまう場合には、つまり、循環流量をβ（Ｌ／ｍｉｎ）未満にＦＢ制御しないと集熱し得ない程度の日射量に急変した場合には、循環ポンプ７を一時的にＯＦＦ（比例集熱制御を停止）にして日射量の回復を待つ。以上により、循環流量の変更調整をβ〜αの成層流量範囲内に維持した状態で、蓄熱槽２の底部温度が第１目標温度である常用温度（４０℃）に到達するまで継続させる（Ｐ６でＮＯ、Ｐ５）。
【００４１】
そして、この比例集熱制御の実行によって蓄熱槽２内の全てが第１目標温度の温水で満たされれば、つまり、頂部側から徐々に蓄積されるため底部温度センサ１０により検出される底部温度が上記第１目標温度に到達すれば、再びそのときの日射量の推定を行う（Ｐ６でＹＥＳ、Ｐ７）。この日射量が目標温度設定部１３３により次に設定される第２目標温度（例えば６０℃）以上の温度まで加熱し得るに十分な程度なければ、つまり日射量が不十分であればＯＮ・ＯＦＦ運転制御部１３２による温度差ＯＮ・ＯＦＦ制御に切換え、日射量が上記の十分な程度になるまで温度差ＯＮ・ＯＦＦ制御を持続させる（Ｐ８でＮＯ、Ｐ９）。逆に、第１目標温度での温水の蓄熱が完了した段階でも日射量が上記の十分な程度あれば、それまでの比例集熱制御の目標温度を上記第２目標温度に変更した上で、比例集熱制御を続行する（Ｐ８でＹＥＳ、Ｐ１０）。
【００４２】
そして、図示を省略しているが、蓄熱槽２の底部温度が上記第２目標温度に到達して蓄熱槽２内の全てに第２目標温度の蓄熱が完了すれば、上記のＰ７〜Ｐ１０の処理と同様に目標温度を最終蓄熱温度である第３目標温度（７５℃）に変更して比例集熱制御を行い、第３目標温度の蓄熱を行う。
【００４３】
以上によれば、日射量が最終蓄熱温度（７５℃）まで加熱可能な程度あったとしても、まずは第１目標温度として４０℃での蓄熱を行い、次に第２目標温度としての６０℃での蓄熱を行い、最後に第３目標温度としての７５℃での蓄熱を行うという段階的な蓄熱を行うことにより、最初から最終蓄熱温度の７５℃を目標温度にして循環ポンプ７の循環量を変更調整する比例制御を行う場合に比べ、大幅に短時間での蓄熱が可能となる。その際に、上記第１〜第３目標温度を目標温度とする本実施形態の比例集熱制御では循環ポンプ７の作動制御流量を成層流量範囲に制限しているため、蓄熱槽２には成層蓄熱（成層状態での蓄熱）が行われ、蓄熱槽２の頂部に対し極めて早期にそのときの目標温度の温水を確保することができる。また、比例集熱制御が日射量が不十分で行わないときにも、温度差ＯＮ・ＯＦＦ制御を行うようにしているため、天候の状況に応じて太陽熱の利用効率を十分に高めることができる。
【００４４】
＜第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態に係る太陽熱利用温水装置を示す。この第２実施形態は、第１実施形態の太陽電池１２を省略して第１実施形態とは異なる日射量検出手段を採用する一方、第１実施形態とは異なる構成の集熱運転制御手段を含むコントローラ１４を備えたものである。そして、それに伴い、第１実施形態には設けていない、循環流量を検出する流量検出手段としての流量センサ８と、集熱回路５の戻り路５ｂの蓄熱槽２近傍位置に配設されコレクタ３から蓄熱槽２に戻される加熱後の温水温度（以下「戻り温度」という）を検出する第１温度検出手段としての戻り温度センサ１１とを追加したものである。なお、上記第２実施形態のその他の構成要素は第１実施形態のものと同様構成であるため、同一構成要素には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４５】
上記コントローラ１４は、第１実施形態と同様に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。すなわち、上記コントローラ１４は、集熱運転制御手段として図６に示すように比例集熱制御部１３１と、ＯＮ・ＯＦＦ運転制御部１３２と、比例集熱制御部１３１での目標温度を設定する目標温度設定部１４１と、現在の季節情報を計時しこの季節情報に応じて予め定められた第２目標温度を上記目標温度設定部１４１に対し出力する季節情報出力部としてのカレンダ部１４２と、上記比例集熱制御部１３１による比例集熱制御及び上記ＯＮ・ＯＦＦ運転制御部１３２による温度差ＯＮ・ＯＦＦ制御を切換える切換制御部１３４と、各種センサ８，１０，１１からの出力に基づいて日射量を演算により推定して検出する日射量検出手段の一部を構成する日射量演算部１４３とを備えている。
【００４６】
上記目標温度設定部１４１は、第１実施形態の目標温度設定部１３３と同様に目標温度として第１目標温度、第２目標温度というように順次高温側の温度に段階的に変更設定するように構成されたものであるが、第２目標温度として上記カレンダ部１４２から取得した温度値を設定するようになっている点で第１実施形態の目標温度設定部１３３と異なる。具体的には、日射量推定部１３５により得られた現在の日射量により加熱させ得る温水温度（蓄熱温度）よりも低い温度を第１目標温度として設定し、この第１目標温度での蓄熱が完了すれば、次段階の第２目標温度として第１目標温度と上記蓄熱温度との中間温度であって上記カレンダ部１４２から出力される温度を設定し、この第２目標温度での蓄熱が完了すれば、最終目標温度である第３目標温度として上記蓄熱温度を設定するようになっている。この際、最終目標温度である上記蓄熱温度が例えば７５℃であれば、第１目標温度としては第１実施形態と同様に補助熱源機１００（図８）での加熱なしに給湯し得る常用温度である例えば４０℃を設定し、第２目標温度として後述の季節変動特性を加味した温度値を設定するようになっている。
【００４７】
上記カレンダ部１４２は、計時により現在が少なくとも何月かを季節情報として把握し、この季節情報と予め関係付けられた温度値を上記目標温度設定部１４１に出力するようになっている。例えば現在が１２月〜２月の冬期であれば５５℃を、６月〜８月の夏期であれば６５℃を、３月〜５月の春期や９月〜１１月の秋期であれば６０℃をそれぞれ出力するようになっている。
【００４８】
上記日射量演算部１４３は、流量センサ８により検出される循環流量値と、戻り温度センサ１１により検出される戻り温度から底部温度センサ１０により検出される底部温度を差し引いた温度差とに基づいて、単位時間当たりの集熱量を演算により求め、この集熱量と日射量との相関関係より現在の日射量を推定して得るようになっている。
【００４９】
上記コントローラ１４による集熱運転制御は、上記の第２目標温度の設定が相違するのみで、その殆どが第１実施形態のコントローラ１３と同様の内容を有している。すなわち、図４に示すように、集熱運転が開始されると、まずは上記ＯＮ・ＯＦＦ運転制御部１３２による温度差ＯＮ−ＯＦＦ制御を開始し（Ｐ１）、その制御実行中に日射量演算部１４３により現在の日射量を推定する（Ｐ２）。現在の日射量が上記目標温度設定部１４１により第１目標温度として設定される温度（常用温度４０℃）以上の温度まで加熱するに十分であると判断されるまで、上記温度差ＯＮ・ＯＦＦ制御を継続させる一方（Ｐ２、Ｐ３でＮＯ、Ｐ４）、現在の日射量が上記第１目標温度以上の温度まで加熱するに十分な日射量であると判断されると、コレクタ表面温度センサ９の表面温度が上記第１目標温度になるように比例集熱制御部１３１による比例集熱制御を開始する（Ｐ２、Ｐ３でＹＥＳ、Ｐ５）。この比例集熱制御により、循環流量の変更調整を第１実施形態で説明したβ〜αの成層流量範囲内に維持した状態で、蓄熱槽２の底部温度が第１目標温度である常用温度（４０℃）に到達するまで継続させる（Ｐ６でＮＯ、Ｐ５）。
【００５０】
そして、この比例集熱制御の実行によって蓄熱槽２内の全てが第１目標温度の温水で満たされれば、つまり、頂部側から徐々に蓄積されるため底部温度センサ１０により検出される底部温度が上記第１目標温度に到達すれば、再びそのときの日射量の推定を行うと共に（Ｐ６でＹＥＳ、Ｐ７）、カレンダ部１４２から現在の季節変動特性を加味した第２目標温度を取得する（Ｐ１１）。この日射量が上記第２目標温度（例えば４月であれば６０℃）以上の温度まで加熱し得るに十分な程度なければ、つまり日射量が不十分であればＯＮ・ＯＦＦ運転制御部１３２による温度差ＯＮ・ＯＦＦ制御に切換え、日射量が上記の十分な程度になるまで温度差ＯＮ・ＯＦＦ制御を持続させる（Ｐ８でＮＯ、Ｐ９）。逆に、日射量が上記の十分な程度あれば、それまでの比例集熱制御の目標温度を上記第２目標温度に変更した上で、比例集熱制御を続行する（Ｐ８でＹＥＳ、Ｐ１０）。
【００５１】
そして、蓄熱槽２の底部温度が上記第２目標温度に到達して蓄熱槽２内の全てに第２目標温度の蓄熱が完了すれば、上記のＰ７〜Ｐ１０の処理と同様に目標温度を最終蓄熱温度である第３目標温度（７５℃）に変更して比例集熱制御を行い、第３目標温度の蓄熱を行う。
【００５２】
以上によれば、第１実施形態と同様の作用・効果を得ることができる上に、特に段階的蓄熱の中間段階において季節に基づく太陽熱等の変動特性を加味した第２目標温度を用いて蓄熱を行うことができる。このため、まずは低温側の第１目標温度の温水を早期に蓄熱した上で、太陽熱の季節変動特性に応じたより高温側の第２目標温度の温水の蓄熱を効率よく続行させることができる。これにより、段階的蓄熱を、第２目標温度を季節に関わりなく画一的に設定する場合と比べ、効率よく行うことができるようになる。
【００５３】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記第１及び第２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、上記第１実施形態での太陽電池１２を用いた日射量検出手段を第２実施形態に適用してもよく、あるいは、逆に第２実施形態での日射量演算部１４３を用いた日射量検出手段を第１実施形態に適用してもよい。
【００５４】
さらに、第１又は第２実施形態に対し、図７に示すような熱電対を利用した日射量検出手段１５を適用するようにしてもよい。図７の日射量検出手段１５は、太陽の日射を受ける受熱領域１５１を４等分にし、２つの領域を吸熱のよい黒色に着色し、他の２つの領域を熱を反射し易い白色に着色し、黒色領域１５２，１５２にそれぞれ熱電対１５３を、白色領域１５４，１５４にもそれぞれ熱電対１５５を設置したものである。そして、１組の熱電対１５３，１５３と、他の１組の熱電対１５５，１５５との電位差を検出し、このような電位差と日射量との相関関係から現在の日射量を推定するようにしたものである。なお、上記受熱領域１５１の上側は風よけのために透明な風防が被せられている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の太陽熱利用温水装置を示す模式図である。
【図２】第１実施形態のコントローラの内容を示すブロック図である。
【図３】集熱効率と循環流量との関係を示すグラフである。
【図４】第１実施形態及び第２実施形態による集熱制御を示すフローチャートである。
【図５】第２実施形態の太陽熱利用温水装置を示す模式図である。
【図６】第２実施形態のコントローラの内容を示すブロック図である。
【図７】日射量検出手段の他の形態を示す平面図である。
【図８】太陽熱利用温水装置と補助熱源機との関係を示す模式図である。
【符号の説明】
２              蓄熱槽
３              コレクタ（太陽熱集熱器）
７              循環ポンプ
８              流量センサ（流量検出手段）
９              コレクタ表面温度センサ（第１温度検出手段）
１０            底部温度センサ（第２温度検出手段）
１１            戻り温度センサ（第１温度検出手段）
１２            太陽電池（日射量検出手段）
１３，１４      コントローラ（集熱運転制御手段）
１５            日射量検出手段
１３１          比例集熱制御部
１３２          ＯＮ・ＯＦＦ運転制御部
１３３，１４１  目標温度設定部
１３５          日射量推定部（日射量検出手段）
１４２          カレンダ部（季節情報出力部）
１４３          日射量演算部（日射量検出手段）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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