(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽熱と補助熱源とを選択的に熱源として室内の暖房を行う太陽熱暖房装置において、
太陽熱を利用して温水を加熱する太陽熱加熱手段と、前記太陽熱加熱手段と並列に設けられ補助熱源となる温水ボイラと、室内を加熱する暖房用放熱器と、前記太陽熱加熱手段と前記温水ボイラとを切り替える切替弁と、室温に応じて前記暖房用放熱器に供給される温水の流量を調節する放熱器流量弁と、
前記太陽熱加熱手段により加熱された温水の温度を検出する第１温度センサと、前記放熱器流量弁の上流側の温水の温度を検出する第２温度センサと、前記放熱器流量弁の下流側の温水の温度を検出する第３温度センサと、前記第１乃至第３温度センサと前記切替弁とが電気的に接続され前記切替弁の切替を行う制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記第２温度センサにより検出される温度と前記第３温度センサにより検出される温度との差が所定の基準温度差以下であり、前記第１温度センサにより検出される温度が所定の暖房可能温度以上であるときは、前記切替弁により前記太陽熱加熱手段と前記暖房用放熱器とを接続し、
前記第２温度センサにより検出される温度と前記第３温度センサにより検出される温度との差が前記基準温度差を超えているとき、又は前記第１温度センサにより検出される温度が前記暖房可能温度未満であるときは前記切替弁により前記温水ボイラと前記暖房用放熱器とを接続することを特徴とする太陽熱暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、太陽熱と補助熱源とを選択的に熱源として室内の暖房を行う太陽熱暖房装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、太陽熱又は補助熱源を利用して室内の暖房を行う装置が数多く提案されている。これらの従来の装置は、なるべく太陽熱を利用して補助熱源を利用しないですむように、太陽熱を集熱する集熱器や集熱器により加熱された温水を貯蔵する貯湯槽の容量をある程度大型なものとしていた。このように、集熱器等の機器を大型なものとすることにより、冬季においても太陽熱による暖房を行うことができるようにしていた。
【０００３】
しかしながら、集熱器等の機器を大型にすると設置場所に問題が生じると共に設備費用がかさむという不都合があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明者等が、従来の太陽熱暖房装置において、実際の暖房に必要な熱量（暖房負荷）の時間的な変化を観測したところ、暖房負荷が高くなるのは主に室温が低い状態から通常の室温となるまで加熱する場合であって、一度通常の室温に加熱された後は低い暖房負荷で室温が保たれていた。また、１年のうちの暖房が行われている期間を通して見ると、暖房負荷が低い状態が全体の７〜８割を占めていることを知見した。
【０００５】
本発明は、太陽熱暖房装置の改良を目的とし、さらに詳しくは上記実情に鑑み設備を大型化することなく効率よく太陽熱を利用することができる太陽熱暖房装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の太陽熱暖房装置は、太陽熱と補助熱源とを選択的に熱源として室内の暖房を行う太陽熱暖房装置であって、以下の特徴を備えている。
【０００７】
まず、太陽熱を利用して温水を加熱する太陽熱加熱手段と、前記太陽熱加熱手段と並列に設けられ補助熱源となる温水ボイラと、室内を加熱する暖房用放熱器と、前記太陽熱加熱手段と前記温水ボイラとを切り替える切替弁と、室温に応じて前記暖房用放熱器に供給される温水の流量を調節する放熱器流量弁とを備える。
【０００８】
また、前記太陽熱加熱手段により加熱された温水の温度を検出する第１温度センサと、前記放熱器流量弁の上流側の温水の温度を検出する第２温度センサと、前記放熱器流量弁の下流側の温水の温度を検出する第３温度センサと、前記第１乃至第３温度センサと前記切替弁とが電気的に接続され前記切替弁の切替を行う制御手段とを備える。
【０００９】
そして、前記制御手段は、前記第２温度センサにより検出される温度と前記第３温度センサにより検出される温度との差が所定の基準温度差以下であり、前記第１温度センサにより検出される温度が所定の暖房可能温度以上であるときは、前記切替弁により前記太陽熱加熱手段と前記暖房用放熱器とを接続する。一方、前記第２温度センサにより検出される温度と前記第３温度センサにより検出される温度との差が前記基準温度差を超えているとき、又は前記第１温度センサにより検出される温度が前記暖房可能温度未満であるときは前記切替弁により前記温水ボイラと前記暖房用放熱器とを接続する。
【００１０】
本発明の太陽熱暖房装置においては、暖房負荷の大小は前記第２温度センサと前記第３温度センサとにより検出される温度の差により判定している。例えば、室温が高くなると暖房負荷が小さくなるが、この場合は前記暖房用放熱器側に流れる温水の量が少なくなる。すると、前記第３温度センサにより検出される温度と前記第２温度センサにより検出される温度との差が小さくなる。逆に、室温が低いときは暖房負荷が高くなるが、この場合は前記暖房用放熱器に流れる温水の量が多くなるため、暖房用放熱器による熱量の消費によって前記第３温度センサにより検出される温度と前記第２温度センサにより検出される温度との差が大きくなる。
【００１１】
本発明の太陽熱暖房装置は、暖房負荷が小さく、前記太陽熱加熱手段により加熱される温水の温度が所定の暖房可能温度以上であれば太陽熱を利用した暖房を行う。一方、暖房負荷が高い場合や前記太陽熱加熱手段の温度が前記暖房可能温度未満であれば前記補助熱源による暖房を行う。このように、本発明の太陽熱暖房装置は、暖房負荷が低いときのみ太陽熱を利用した暖房を行い、暖房負荷が高いときは太陽熱による暖房を行わずに補助熱源による暖房を行う。従って、太陽熱による暖房の際には多くの熱量を必要としないので、集熱器や貯湯槽等の設備を大型化する必要がなく、設備費用を低く抑えることができる。また、このような構成とした場合であっても、暖房を必要とする期間中の約７〜８割は太陽熱を利用することができるので、補助熱源による燃料消費も押さえることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の太陽熱暖房装置の実施形態の一例について、図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明の実施形態の一例である太陽熱暖房装置を示す構成図、図２は太陽熱暖房装置の電気的構成を示すブロック図、図３は太陽熱暖房装置の作動を示すフローチャートである。
【００１３】
本実施形態の太陽熱暖房装置１は、図１に示すように、太陽熱を利用して温水の加熱を行う太陽熱加熱手段２と、補助熱源である温水ボイラ３と、暖房用放熱器であるパネルヒータ４とを備えている。また、後述する太陽熱加熱手段２の加熱用熱交換器１４とパネルヒータ４とは太陽熱温水回路５によって接続されている。この太陽熱温水回路５には、加熱用熱交換器１４と温水ボイラ３とが並列となるように補助熱源温水回路６が接続されている。
【００１４】
太陽熱加熱手段２は、図１に示すように、住宅の屋根等に設置されて太陽熱の集熱を行う集熱器８と、太陽熱により加熱された温水を貯蔵する貯湯槽９と、集熱器８により集熱された太陽熱によって貯湯槽９内の温水を加熱する集熱用熱交換器１０とを有しており、これらの機器が集熱用温水回路１１によって接続されている。この集熱用温水回路１１には、集熱用温水回路１１内の温水を循環させる集熱用ポンプ１２と、集熱用温水回路１１内の圧力の変化を吸収するための膨張タンク１３とが設けられている。また、貯湯槽９には、太陽熱温水回路５に接続されて内部の温水を加熱する加熱用熱交換器１４が設けられている。また、貯湯槽９内の上方部分の温水の温度を検出する第１温度センサ１５と、集熱器８内の温水の温度を検出する集熱温センサ１６が設けられている。
【００１５】
太陽熱温水回路５には、加熱用熱交換器１４の吐出側と温水ボイラ３の吐出側とを接続する三方切替弁１７が設けられており、その三方切替弁１７の下流側には太陽熱温水回路５内の温水を循環させる循環ポンプ１８が設けられている。また、パネルヒータ４はバイパス路１９ａが内蔵されている放熱器流量弁１９を介して太陽熱温水回路５に接続されている。この放熱器流量弁１９には室温に応じてパネルヒータ４に供給される温水の流量を調節するためのサーモバルブ１９ｂが装着されている。
【００１６】
補助熱源温水回路６には、温水ボイラ３の他に温水回路内の圧力の変化を吸収するための膨張タンク２０が設けられている。
【００１７】
また、本実施形態の太陽熱暖房装置１においては、太陽熱温水回路５において放熱器流量弁１９の上流側に設けられ、パネルヒータ４に供給される温水の温度を検出する第２温度センサ２１が設けられている。また、太陽熱温水回路５の放熱器流量弁１９の下流側には、パネルヒータ４から還流される温水の温度を検出する第３温度センサ２２が設けられている。
【００１８】
尚、本実施形態の太陽熱暖房装置１においては、パネルヒータ４、集熱器８、貯湯槽９、温水ボイラ３、三方切替弁１７、放熱器流量弁１９、温水ボイラ３、集熱用ポンプ１２、循環ポンプ１８等の各機器は、従来より用いられているものと同様の構成であるので、詳細な説明は省略する。
【００１９】
次に、本実施形態の太陽熱暖房装置１の電気的構成について図２を参照して説明する。本実施形態の太陽熱暖房装置１は、コントローラ２４によって制御されている。このコントローラ２４には、第１温度センサ１５と第２温度センサ２１と第３温度センサ２２と集熱温センサ１６の各センサが接続されている。また、コントローラ２４には、三方切替弁１７と循環ポンプ１８と集熱用ポンプ１２とが接続されている。
【００２０】
次に、本実施形態の太陽熱暖房装置１の作動について図３を参照して説明する。まず、使用者により図示しない運転スイッチがＯＮにされると、コントローラ２４は循環ポンプ１８の作動を開始し、太陽熱暖房装置１の運転が開始される（ＳＴＥＰ１）。
【００２１】
ここで、太陽熱加熱手段２においては、コントローラ２４によって第１温度センサ１５と集熱温センサ１６との温度差を検出し、集熱器８の温度が貯湯槽９の温度よりも所定温度（例えば７℃）高い場合に集熱用ポンプ１２を作動させる。これにより、集熱器８により集熱された太陽熱が集熱用熱交換器１０によって貯湯槽９に蓄えられる。
【００２２】
一方、循環ポンプ１８から吐出された温水は放熱器流量弁１９を介してパネルヒータ４に供給されるが、放熱器流量弁１９においては、サーモバルブ１９ｂによって室温に応じた量の温水がパネルヒータ４に送られる（ＳＴＥＰ２）。運転開始時においては室温が低い場合が多いため、放熱器流量弁１９によって太陽熱温水回路５内の温水の多くがパネルヒータ４に送られバイパス路１９ａを介して還流される温水は少なくなる。
【００２３】
次に、コントローラ２４は、第１温度センサ１５、第２温度センサ２１、及び第３温度センサ２２によってそれぞれの温水の温度を検出する（ＳＴＥＰ３）。このとき、コントローラ２４は、第２温度センサ２１からの温度データと第３温度センサ２２からの温度データとを比較してその差、即ち暖房負荷を計算する（ＳＴＥＰ４）。すると、パネルヒータ４によって多くの熱量が消費されるので、第２温度センサ２１により検出される温度に比べて第３温度センサ２２により検出される温度は大幅に低くなる。
【００２４】
このように、運転開始時等は暖房負荷が高くなるので、第２温度センサ２１と第３温度センサ２２との温度データの差が所定の基準温度差（例えば５℃）を越えることとなる（ＳＴＥＰ５でＮＯ）。このように暖房負荷が大きい場合は、コントローラ２４は三方切替弁１７によって温水ボイラ３とパネルヒータ４とを接続する（ＳＴＥＰ９）。これにより、太陽熱温水回路５内の温水は、温水ボイラ３によって加熱され、循環ポンプ１８によってパネルヒータ４に送られ、パネルヒータ４によって室内の暖房が行われる。また、第１温度センサ１５により検出される温度が所定の暖房可能温度（例えば４５℃）未満の場合（ＳＴＥＰ６でＮＯ）であっても、コントローラ２４は三方切替弁１７によって温水ボイラ３とパネルヒータ４とを接続する（ＳＴＥＰ９）。
【００２５】
このように温水ボイラ３によって室内の暖房が行われると室温が徐々に上昇する。すると、サーモバルブ１９ｂによって放熱器流量弁１９による流量の調節が行われ、室温の上昇に合わせて徐々にバイパス路１９ａを通過する温水の量が増加し、パネルヒータ４に供給される温水の量が減少する。
【００２６】
このように、パネルヒータ４を通過する温水の量が減少すると、第２温度センサ２１により検出される温度と、第３温度センサ２２により検出される温度との差が小さくなり、暖房負荷が小さくなる。そして、両者の温度の差が基準温度差以下になったときは（ＳＴＥＰ５でＹＥＳ）、さらに第１温度センサ１５の温度データが暖房を行うために必要な温度、即ち暖房可能温度以上であるかどうかを判断する（ＳＴＥＰ６）。ここで、第１温度センサ１５の温度データが所定の暖房可能温度以上であれば（ＳＴＥＰ６でＹＥＳ）、コントローラ２４は三方切替弁１７によって加熱用熱交換器１４とパネルヒータ４とを接続する（ＳＴＥＰ７）。
【００２７】
これにより、太陽熱温水回路５内の温水は、加熱用熱交換器１４によって加熱され、循環ポンプ１８によってパネルヒータ４に送られ、パネルヒータ４によって室内の暖房が行われる。このとき、暖房負荷は小さい状態なので、太陽熱を利用した場合であっても十分暖房を行うことができる。そして、図示しない運転スイッチがＯＦＦにされるまでコントローラ２４は暖房運転を継続する（ＳＴＥＰ８でＮＯ）。
【００２８】
このように、本実施形態の太陽熱暖房装置１によれば、暖房負荷が小さいときに太陽熱を利用した暖房を行い、暖房負荷が大きいときには補助熱源による暖房を行う。従って、太陽熱による暖房の際には多くの熱量を必要としないので、集熱器８や貯湯槽９等の設備を大型化する必要がなく、設備費用を低く抑えることができる。また、このような構成とした場合であっても、暖房を必要とする期間中の約７〜８割は太陽熱を利用することができるので、温水ボイラ３による燃料消費も押さえることができる。
【００２９】
尚、上記実施形態においては、暖房用放熱器としてパネルヒータ４を例にして説明したが、これに限らず、室内を暖房するファンコンベクタや床暖房パネル等の暖房機器であってもよい。また、上記実施形態においては、パネルヒータ４に供給される温水の量を調節する手段としてバイパス路１９ａを備えた放熱器流量弁１９を用いているが、これに限らず、バイパス路と別個に流量調節弁を設けてもよい。また、放熱器流量弁１９はサーモバルブ１９ｂが一体となっているが、これに限らず、放熱器流量弁１９とサーモバルブ１９ｂとを離れた場所に設け、両者をキャピラリチューブで連結してもよい。さらに、別個に温度センサを設けて電気的に放熱器流量弁による流量調節を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例である太陽熱暖房装置を示す構成図。
【図２】太陽熱暖房装置の電気的構成を示すブロック図。
【図３】太陽熱暖房装置の作動を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…太陽熱暖房装置、２…太陽熱加熱手段、３…温水ボイラ、４…パネルヒータ（暖房用放熱器）、７…バイパス路、１５…第１温度センサ、１７…三方切替弁（切替弁）、１９…放熱器流量弁、２１…第２温度センサ、２２…第３温度センサ、２４…コントローラ（制御手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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