JPH0132424B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は太陽熱の有効利用を図つた冷暖房装置
に係り、特に大量かつ最期にわたる蓄熱を可能と
することにより暖房エネルギーの大巾な低減を図
つた潜熱利用の冷暖房装置に関する。

本発明の目的は、季節間において寒暖の激しい
地域あるいは昼夜の寒暖の激しい地域において特
に適する省エネルギー冷暖房装置を提供すること
であり、特に冷房が必要な暑い時期に太陽熱およ
び冷房排熱を暖房が必要なときにまで貯蔵してこ
れを回収できるような真の省エネルギー化を図つ
た装置を提供することである。

この目的を達成せんとしてなされた本発明は、
空気式太陽熱集熱器と蓄熱槽との間に空気循環路
を形成し、蓄熱槽と空気調和器との間に熱源水循
環路を形成し、さらにこの熱源水循環路に冷凍機
を介装させ、暖房が必要な季節以前の太陽および
冷房運転時の冷房排熱を該蓄熱槽に蓄熱してこれ
を暖房熱源とする太陽熱利用の冷暖房装置であつ
て、前記の蓄熱槽が蓄熱物質を封入した多数の蓄
熱器ユニツトの集合体からなり、この各々の蓄熱
器ユニツトは太陽熱または冷房排熱で融解可能な
蓄熱物質を封入した容器からなり、この各々の容
器内には、前記の空気循環路の空気または冷房排
熱を受熱した空気を流す空気通路と、これとは独
立して該熱源水循環路の熱源水を流す熱源水通路
が形成されている太陽熱利用の冷暖房装置を提供
するものである。

本発明装置に使用される蓄熱物質としては、例
えば、CaCl₂・6H₂O、Na₂SO₄・10H₂O、
Na₂S₂O₃・5H₂Oなどの水和塩類、Na₂HPO₄−
NaH₂PO₄−KH₂PO₄−H₂O系などの含水りん酸
塩混合物類、エチレンジアミンなどの有機化合物
類、パラフインやシリコンオイルなどの油脂類な
どが挙げられる。本発明においてはこのような蓄
熱物質に太陽熱や冷房排熱を大量かつ長期的に潜
熱の形態で貯蔵しこれを適宜暖房用に取り出せる
ようにしたものである。以下、まずこの大量かつ
長期的に潜熱蓄熱を可能にした本発明に従う蓄熱
槽の構造について第１〜１０図を参照しながら説
明した上で、第１１図に示した本発明の装置全体
について説明することにする。

第１図は、本発明に従う蓄熱槽を構成するため
の単位蓄熱器ユニツトの代表例を示す断面図であ
り、前掲の如き蓄熱物質を封入する容器を示して
いる。この容器内には気体媒体（空気）と液体媒
体（熱源水）とを独立して流すための通路が設け
てあり、１斗缶程度の容積をもつた大きさであ
る。第１図において、１は円筒形の缶体であり、
この缶体１の上下には上蓋２と下蓋２′が気密に
取付けられている。この上蓋２と下蓋２′の中心
部には同軸の小円筒３が気密に取付けられ、この
小円筒３を取巻くようにしてコイル４が配置して
ある。コイル４の１方の端は缶体１の下方に、他
方の端は缶体１の上方に突出しており、この缶体
１へのコイル端の接続も気密が保持されている。
５は蓄熱物質の注入口、６は蓄熱物質の排出口で
あり、蓄熱物質充填後はこの注入口５と排出口６
はめくらにしておく。このようにして蓄熱物質を
封入する容器が形成され、この容器内に熱媒体を
流すための通路、すなわち小円筒３とコイル４が
形成される。後述するが、この小円筒３は気体例
えば空気を流す通路として使用され、コイル４は
液体例えば水を流す通路として独立使用される。
この図示の蓄熱器ユニツトは上下左右が実質上対
称であり、図示の位置を上下に逆さにしても同一
形状に表われ、これを同軸的に積み重ねた場合、
図の破線で示す他の同型の蓄熱器ユニツトにおけ
る小円筒３′の出口は実線の小円筒３の入口と整
合して連結され、同様にコイル４も出口と入口が
配管接続されるようになつている。

第２図は第１図の蓄熱器ユニツトを８個組み合
わせて１単位の蓄熱槽を構成した状態を、また第
３図ではこの８個の蓄熱器ユニツトからなる１単
位蓄熱槽をさらに集合した状態を、それぞれ図解
的に示したものである。

１単位の蓄熱槽は、第２図に示したように、方
形の４隅に組まれたａ〜ｄの４本の垂直な中空パ
イプと、これらの中空パイプａ〜ｂ，ｂ〜ｃ，ｃ
〜ｄ，ｄ〜ａ間の中心の辺に配置された４本の垂
直な中空パイプイ〜ニと、中央に配置する１本の
垂直な中空パイプCPとからなる枠組みの中に、
８個の蓄熱器ユニツトを２段にして収めることに
よつて構成されている。これらの中空パイプのう
ち、中央のパイプCPを除いた周辺のものは、こ
の１単位の槽熱槽を隣り合わせて集合するさい
に、その隣接する槽と共用される。

この状態は第３図の平面配置に示すように、１
単位の蓄熱槽（Ui）における隅のパイプａ〜〜
ｄが、或る方向（図では紙面の上下方向）では隣
接する単位蓄熱槽の隅のパイプとして共用される
が、或る方向（図では紙面の左右方向）では隣接
する単位蓄熱槽の辺のパイプとして共通される。
そして、これらのパイプの全て（ａ〜ｄ、イ〜
ニ、CP）は蓄熱器ユニツトを組み合わせて固定
する支柱としての役割のほかに、各蓄熱器ユニツ
トの内部に配されたコイル４（第１図）を互いに
連結して熱媒液体（熱源水）を循環させるための
熱媒配管として機能させるようにしてある。各々
の単位蓄熱槽において、各パイプは第４図に示し
たような水平な支持板７を上中下の合計３枚使用
して互いに位置決めされ、このように位置決めさ
れた９本のパイプと３枚の支持板によつて、８個
の蓄熱器ユニツトが２個づつ軸心に合わせて積み
重ねた４本の筒となり、この４本の筒で１単位の
蓄熱槽に構成される。この軸心に合わせて積み重
ねされることによつて、小円筒３（第１図）は互
いに整合して連結され、この中に熱媒気体（空
気）が通される。

熱媒液体（熱源水）は、各々の中空パイプａ〜
ｄ、イ〜ニ、CPを利用して各蓄熱器ユニツトの
コイルに循環されるが、この接続関係は第３図の
平面配置における矢印で示してある。例えば第３
図のUiの単位蓄熱槽について見れば、上段の４
個のユニツトも下段の４個のユニツトも同様に、
中央のパイプCPに熱媒液体が各々の内部コイル
から流出するように接続され、かつ辺のパイプイ
とロから熱媒液体が各々の内部コイルに流入する
ように接続される。他方、このUiの右隣りの単
位蓄熱槽においては、中央のパイプCPとの接続
Uiと同じであるが、Uiでは隅のパイプ（ａ〜ｄ）
として機能していたものが辺のパイプ（イ〜ニ）
として機能し、これから熱媒液体が流入するよう
になる。つまり、単位蓄熱槽の隣接にさいして蓄
熱器ユニツト１個分をずらして隣接させることに
よつて、隣の単位蓄熱槽では液体循環用に使用さ
れなかつたパイプが隣りの単位蓄熱槽では液体循
環用に使用され、しかもそのさい、単位蓄熱槽と
して個別に見た場合、いづれにおいても、各パイ
プと各ユニツト内のコイルとの接続位置は不変と
することができる。この不変の接続関係を保つて
単位蓄熱器を無限に集合することができ、実際に
は受熱または放熱の熱容量に合わせてこの集合の
度合いを任意に調節することができる。なお、こ
の集合の場合、第３図のような平面的な広がりの
ほかに上下方向の接続も随意であり、３次元的な
任意の構造をもつた蓄熱槽構造物を構築すること
ができる。構築された蓄熱槽において、熱媒気体
（空気）は各蓄熱器ユニツトの小円筒を通すよう
にすると共に、各蓄熱器ユニツトの間の空隙、す
なわち缶体１の外側にも通すようにすれば、各蓄
熱器ユニツト内の蓄熱物質はこの熱媒気体との熱
交換面積が一層増大してその熱交換効率が向上す
る。

以下さらに本発明の蓄熱器ユニツトの他の利用
のしかた並びに他の形状構造例を示す。

第５図は蓄熱器ユニツトを縦方向に積み重ねる
さいにリングジヨイント９を利用した例を示す。
このリングジヨイント９は第６図に示したよう
に、気体が透過する開口１０（中央内面にはオリ
フイスを設けてある）を上下リング１１と１２で
形成したもので、この上下リング１１と１２に積
み重ねようとする蓄熱器ユニツトの端部を嵌め込
む。そして第４図に示した支授板７をこのリング
ジヨイント９の中央部で支持させる。１３はこの
支持板１７を受けるための張り出し片を示してい
る。この支持板７を使用しかつ蓄熱器ユニツトの
積み重ねにさいして小円筒同志の接続を若干切離
しておくと、小円筒から小円筒へ流れる気体の１
部は開口１０を経て缶体の外側に流れ出るし、逆
に缶体の外側を流れる気体は支持板７に衝突して
（この支持板７がバツフルプレートとして機能し
て）この開口１０から小円筒内に流入すをような
気流の流れが生じ、缶体の外側と内側（小円筒）
に気流が混合しながら流れることになり、この気
体と蓄熱物質との熱交換が各蓄熱器ユニツト内の
蓄熱物質の全域にわたつて効果的に行なわれる。

第７図、第１図の蓄熱器ユニツトを最もコンパ
クトに配置する場合の平面配置図である。この場
合、１個の蓄熱器ユニツトに対し２本の垂直なパ
イプ１４と１５が用いられ、その１方は蓄熱器ユ
ニツト内のコイルに熱媒液体を流入する流入管、
他方は熱媒液体をコイルから流出させる流出管と
して使用される。縦方向への積み重ねは、この第
７図の配置を保つたまま積層されるが、１段下の
蓄熱器ユニツトで流出管となつたパイプは流出管
とするような接続のしかたをしてもよい。つま
り、縦方向の各蓄熱器ユニツトのコイルをパイプ
１４と１５にシリーズに接続してもよい。このシ
リーズに接続するかあるいはパラレルに接続する
かは、受熱容量、熱媒流体量、蓄熱物質の種類と
量によつて決定され、また異なる水系に別けて接
続することもできる。この積層にあたつて、第６
図の如きリングジヨイントの使用も可能であり、
缶体の外側と内側（小円筒）に熱媒気体を流すよ
うにすることもできる。ただし、この第７図の配
置では第３図の配置よりも各蓄熱器ユニツト同志
の間隙は小さいので、必ずしも第４図のようなバ
ツフルプレートを使用しなくともよい。

第８図は、第２図に示した単位蓄熱槽の集合例
を示したもので、熱媒としての空気が槽全体に効
果的に流れるようにした配置例を示す。すなわ
ち、単位蓄熱槽を他の単位蓄熱槽と共用の空気入
口チヤンバー１６と空気出口チヤンバー１７との
間に配置し、空気入口チヤンバー１６には空気入
口連絡ボツクス１８から空気を送り込むようにす
ると共に空気出口チヤンバー１７から空気出口連
絡ボツクス１９に空気を取り出すようにしたもの
である。空気入口チヤンバー１６と空気出口チヤ
ンバー１７は２次元的な広がりをもつていて、こ
れらの間には単位蓄熱槽が、これらチヤンバーの
面とは直角方向に小円筒３が整列するようにし
て、幾つも配置されている。なお、第８図におけ
るUjやUiは第２図の８個の蓄熱器ユニツトから
なる単位蓄熱槽を示し、９は第５〜６図に示した
ようなリングジヨイントである。第８図には液体
熱媒の配管が省略されているが、液体熱媒用の配
管も第３図または第７図で説明したようにして配
設してある。

第９図は、本発明に従う太陽熱集熱器と蓄熱槽
からなる装置の断面略図である。第９図におい
て、２０は空気式太陽熱集熱器、２１は地下コン
クリート構造物、UiやUjは蓄熱器ユニツトの複
数個からなる単位蓄熱槽、２２は送風機、２３は
空気チヤンバー、２４は切替ダンパ、２５は給気
口、２６は還気口、２８〜３１は液体（熱源水）
配管、３２は液タンクを示している。図示のよう
に、この太陽熱の蓄熱装置は、地表の日射面に配
置された空気式太陽熱集熱器２０の真下の地下構
造物内に、先に説明したような蓄熱器ユニツトを
集合配列したものである。この蓄熱器ユニツトの
集合体は、例えば第２図で説明した８個の蓄熱器
ユニツトからなる単位蓄熱槽を、第２図の状態か
ら90゜回転して、つまり罐体の中心軸を水平方向
にして、上下、左右、前後の３次元方向に積層し
たものであり、単位蓄熱槽UiやUjには水平方向
に空気が流れるようにしてある。

まず、この蓄熱装置内の空気の流れについて説
明すると、蓄熱運転においては、送風機２２の吐
出空気は空気チヤンバー２３から切替ダンパ２４
を経て空気式太陽熱集熱器２０に入り、この集熱
器２０によつて加熱された空気は上段の単位蓄熱
槽の列から下段の単位蓄熱槽の列へと蛇行しなが
ら流れてゆき、各々の蓄熱器ユニツト内の蓄熱物
質に与熱したあと、最終的には再び送風機２２に
吸込まれ、再びこの循環をくり返す。この蓄熱運
転を続行することにより、蓄熱器ユニツト内の蓄
熱物質は融解し、特に日射の強い場合には、ほと
んどの蓄熱器ユニツトは融解した蓄熱物質を収容
することになる。１たん融解した蓄熱物質は、本
蓄熱装置内への熱媒の流れを止めると、部分的に
は凝固を開始しても、その発熱によつて装置内が
所定の温度に保持されるので、長期にわたつてそ
の大部分が融解したままの状態に維持される。

放熱運転においては、切替ダンパ２４を作動し
て空気チヤンバー２３の空気を給気口２５の方に
導き、還気口２６からの空気を空気式太陽熱集熱
器２０に流し込むようにすればよい。これによつ
て送風機２２だけの動力で還気口２６からの戻り
空気は単位蓄熱槽内を通過することにより蓄熱物
質の凝固熱により加熱され給気口２５から所定の
熱要求側に供給される。なお、冬期や中間期にお
ける日射時においては、切替ダンパ２４の開度調
整により蓄熱と放熱の同時運転も行なうことがで
きる。

また放熱運転は各蓄熱器ユニツトのコイル４
（第１図）へ通水することによつても行なうこと
ができる。例えば第２図に示したような中空パイ
プａ〜ｄ、イ〜ニ、およびCPの配管を施して単
位蓄熱槽Uiを構成し、これらのパイプを単位蓄
熱槽間で連結して一連の連続した水配管となし、
各蓄熱器ユニツトのコイル内に通水できるように
する。そしてこれらの配管にポンプ３３によつて
タンク３２の水を循環させ、給湯管３１から熱要
求側に供給すればよい。この水を熱媒とする放熱
運転は、前述の空気による放熱運転に比べて、回
収熱を短時間に多量採取できる点で効率がよい。

第１０図は、第９図の太陽熱蓄熱装置にさらに
補助熱源装置を付設した装置の略断面図である。
図示のように空気循環路にガスバーナ４０および
燃焼室４１を設け、この燃焼空気を空気チヤンバ
ー２３に送り込めるようにしたものである。第１
０図において、４２は燃料ガスのボンベ、４３は
ガス配管、２４₁〜２４₆は切替ダンパを示してお
り、太陽熱単独による蓄熱運転、太陽熱と焼燃ガ
スによる蓄熱運転、蓄熱ユニツトの蓄熱を放熱す
る運転、この放熱運転にさらに燃焼空気を混入す
る運転、あるいはこれらの運転のさらに組み合わ
さつた運転、さらには蓄熱槽の部分使用の運転な
どを切替ダンパ２４₁〜２４₆の開度制御によつて
行なえるようにしたものである。送風機２２並び
に液体配管は第９図同様に設置されており、補助
熱源が適宜導入される以外は第９図と同様の運転
が行ない得る。

以上説明したような空気式太陽熱集熱器２０と
蓄熱器ユニツトの集合体からなる潜熱蓄熱槽をそ
の構成の１要素として使用することにより本発明
の冷暖房装置が構成される。

以下にこの本発明装置の全体構成を第１１図に
従つて説明する。第１１図、説明の便宜上、本発
明の装置の各使用機器の配置を系統図で図解した
ものである。第１１図において、６０と６１は先
に第１〜１０において詳述した本発明に従う蓄熱
器ユニツトの群からなる蓄熱槽であり、６０は太
陽熱を蓄熱するための蓄熱槽、６１は冷房排熱を
蓄熱するための蓄熱槽である。第１１図ではこの
蓄熱槽６０と６１が２つに分けて表わされている
が実際には、第８〜１０図に示したように１つの
蓄熱槽構造体として構成し、その空気通路を２群
に分けるような使用のしかたをすればよい。

第１１図において、６２は空調空間、６３は空
気調和器、６４はこの空気調和器内の熱源水コイ
ル、６５は同じく給気フアン、６６は冷凍機、２
０は既述の空気式太陽熱集熱器を示しており、図
示のように、空気式太陽熱集熱器２０と蓄熱槽６
０および６１との間に空気循環路６７〜７２が形
成され、また蓄熱槽６０および６１と空気調和器
６３との間には熱源水循環路７５〜７９が形成さ
れており、この熱源水循環路７５〜７９には冷凍
機６６が介装されている。また、２２は送風機、
８０および８１は空気回路切替ダンパ、８３は熱
源水循環ポンプ、８４および８５は冷暖房切替用
の熱源水回路切替弁を示している。なお、２５は
第９〜１０図と同様の給気口、２６は同じく還気
口であり、熱要求個所に直接温風を供給するため
のものであるが、本発明装置ではこれは付加的に
利用され得るものであつて、蓄熱槽で蓄熱された
熱のほとんどは各蓄熱器ユニツトに配されたコイ
ル４（第１図）に通水する熱源水によつて回収す
るようにする。

本発明装置の太陽熱蓄熱運転、暖房運転、冷房
運転（冷房排熱蓄熱運転）を順に追つて説明する
と、太陽熱蓄熱運転は、送風機２２の駆動すると
共に空気回路切替ダンパ８０と８１の切換によつ
て、空気式太陽熱集熱器２０→空気路７０→空気
路７１→蓄熱槽６０→空気路６８→送風機２２の
循環路を形成して行なう。これにより、各蓄熱器
ユニツトの蓄熱物質に潜熱または顕熱の形態で蓄
熱が行なわれる。暖房が必要な時期に至つた場合
は、空気調和器６３を運転して必要な温風を空調
空間６２に供給するのであるが、この場合、蓄熱
槽６０の各蓄熱器ユニツトのコイル４（第１図）
を通水させたあと空気調和器６３のコイル６４に
通水させる熱源水回路を作る。すなわち、熱源水
循環ポンプ８３を駆動すると共に熱源水回路切替
弁８３と８４の切換によつて、水路７６→コイル
６４→水路７７→水路７８→蓄熱槽６０（蓄熱器
ユニツトのコイル４）→水路７５→循環ポンプ８
３の熱源水循環路を形成する。これにより、蓄熱
槽６０の蓄熱はコイル６４で放熱し、これを受熱
した暖気がフアン６３によつて空調空間６２に吹
出され、その還気はレタンダクト８７によつて空
気調和器６３に戻される。

冷房運転は、冷凍機６６の駆動によつて冷水を
作つて行なわれるがこれと同時にその冷凍機排熱
は蓄熱槽６１において各蓄熱機ユニツトの蓄熱物
質に潜熱または顕熱の形で蓄熱される。すなわ
ち、冷凍機６６、凝縮ポンプ８８、循環ポンプ８
３を駆動すると共に、切替弁８３と８４の切換に
よつて、水路７６→コイル６４→水路７７→水路
７９→冷凍機６６→循環ポンプ８３の熱源水（冷
水）循環回路を形成し、また、冷凍機冷却水は凝
縮ポンプ８８→蓄熱槽６１（蓄熱器ユニツトのコ
イル４）→冷凍機６６の循環回路を形成させる。

この冷房排熱の蓄熱量が過大になる場合は、そ
の夜間などにおいて、空気式太陽熱集熱器２０を
逆に放熱器として利用して大気に放熱すればよ
い。すなわち、空気式太陽熱集熱器２０と蓄熱槽
６１との間で、空気路６９→送風機２２→空気路
６７→集熱器２０→空気路７０→空気路７２→蓄
熱槽６１の循環路が形成されるように切替ダンパ
８０と８１を切替えて送風機２２を駆動すればよ
い。

一方、冷房排熱による蓄熱量が暖房必要時にお
いて過少にすぎるような事態が生じる場合は、こ
の冷房排熱用としておいた蓄熱槽６１を太陽熱の
蓄熱用に利用して太陽熱によつて蓄熱を行ない、
これを暖房用に使用することも任意に行ない得
る。

このようにして本発明の冷暖房装置は、第１〜
１０図で説明したような気体通路と液体通路をも
つ蓄熱器ユニツトの集合により、蓄熱物質に特に
潜熱の形態で大容量の太陽熱を熱交換効率よく蓄
熱し、暖房が必要なときまでにこれを貯蔵するこ
とができ、その回収においても極めて熱交換効率
よく行ない得るようにすると共に、冷房排熱の利
用も行ない得るようにしたものであり、省エネル
ギー冷暖房装置として非常に有益なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う蓄熱器ユニツトの代表例
を示す断面略図、第２図は８個の蓄熱器ユニツト
で１単位の蓄熱槽を構成した例を示す斜視図、第
３図は単位蓄熱槽を集合した配置平面図、第４図
は単位蓄熱槽を構成するさいに使用する支持板
（バツフルプレート）の斜視図、第５図は蓄熱器
ユニツトの接続部を示す略正面図、第６図はその
接続部に使用するリングジヨイントの斜視図、第
７図は蓄熱器ユニツトの他の配置例を示す配置平
面図、第８図は単位蓄熱槽の集合例を示す略断面
図、第９図は空気式太陽熱集熱器と蓄熱槽集合体
との装置構成例を示す断面図、第１０図は第９図
の装置の変形例を示す断面図、第１１図は本発明
の冷暖房装置の全体構成例を示す機器配置系統図
である。 １……罐体、２……蓋、３……小円筒（空気通
路）、４……コイル（熱源水通路）、７……リング
ジヨイント、９……支持板（バツフルプレート）、
１６……空気入口チヤンバー、１７……空気出口
チヤンバー、２０……空気式太陽熱集熱器、２２
……送風機、６０，６１……蓄熱槽、６２……空
調空間、６３……空気調和器、６６……冷凍機、
６７〜７２……空気循環回路、７５〜７９……熱
源水循環回路、８０，８１……空気回路切替ダン
パ、８３……熱源水循環ポンプ、８４，８５……
熱源水回路切替弁、Ui，Uj……単位蓄熱槽。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 空気式太陽熱集熱器と蓄積槽との間に空気循
   環路を形成し、蓄熱槽と空気調和器との間に熱源
   水循環路を形成し、さらにこの熱源水循環路に冷
   凍機を介装させ、暖房が必要な季節以前の太陽熱
   および冷房運転時の冷房排熱を該蓄熱槽に蓄熱し
   てこれを暖房熱源とする太陽熱利用の冷暖房装置
   であつて、前記の蓄熱槽が蓄熱物質を封入した多
   数の蓄熱器ユニツトの集合体からなり、この各々
   の蓄熱器ユニツトは太陽熱または冷房排熱で融解
   可能な蓄熱物質を封入した容器からなり、この
   各々の容器内には、前記の空気循環路の空気また
   は冷房排熱を受熱した空気を流す空気通路と、こ
   れとは独立して該熱源水循環路の熱源水を流す熱
   源水通路とが形成されている太陽熱利用の冷暖房
   装置。