JPS6410739B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (1) 発明の技術分野 本発明は太陽熱利用給湯暖房装置、詳しくは太
陽熱集熱器、蓄熱タンク、ボイラー等を用い床暖
房にも実施可能な太陽熱を利用する給湯暖房装置
に関する。

(2) 技術の背景 現在太陽熱集熱器を用いた給湯暖房システムは
広く普及し、例えば一般家庭の台所、風呂場への
給湯や室内暖房等に利用され、無公害、省エネル
ギーのシステムとして評価されている。

このシステムは主として太陽熱集熱器、この太
陽熱集熱器で太陽熱を吸収した温水を蓄える蓄熱
タンク、暖房などを目的とする熱交換器およびボ
イラー等の補助熱源を構成要素とし、これらをポ
ンプ、切換弁を介して配管で結合した構成であ
る。そして熱媒体としては水もしくは不凍液が用
いられ、またボイラー以外にヒートポンプ等が使
用される場合もある。

(3) 従来技術と問題点 前記した構成における各装置の接続方法は種々
提供されており、それぞれ特徴があるがいずれも
システム構成上の問題があり、熱効率が低い。そ
のため新たな構成により熱効率が向上した太陽熱
利用給湯暖房システムが要望されている。

従来のシステムはその構成がボイラーなどの補
助熱源を含む１系統回路から成るため、ボイラー
の熱が太陽熱集熱器にまで流れ、集熱器およびボ
イラーの熱効率が十分に生かしきれない問題があ
る。また熱媒体が水の場合、配管内に水あかの堆
積や錆による腐蝕が生じたり凍結により配管が破
裂する問題がある。

特に１本の銅管を複数回屈曲して配置し、これ
にウレタン等の保温材を配した後、合板ではさん
で板状とし（以下床暖房パネルと称す）、これを
床に敷いて温水暖房を行う床暖房においては、上
記の水による腐蝕および凍結による配管破裂が重
大な問題となつている。

また床暖房においては太陽熱利用で得られる40
〜60℃程度の温水が最も適しているのもかかわら
ず、構成部材が高価になり、また、工事が複雑に
なるため、いまだボイラー等を熱源としているの
が現状であり、太陽熱利用が十分に行われていな
い。そのためエネルギーの無駄が多い問題があ
る。

(4) 発明の目的 本発明は上記従来の問題点に鑑み、従来の一系
統回路に起因した熱交率の低さが改善され、また
従来の床暖房システムにも適用できる太陽熱利用
給湯暖房装置の提供を目的とする。

(5) 発明の構成 太陽熱集熱器、蓄熱タンク、水・熱媒体熱交換
器、ボイラー、温水・熱媒体熱交換器および床暖
房パネルから成る給湯暖房装置において、不凍液
を媒体とする回路は、太陽集熱器、配管Ｂ、熱動
弁、配管Ｅ、水・熱媒体熱交換器、ポンプ、配管
Ａから成る開放回路と、配管Ｆ、自動ミキシング
バルブ、配管Ｇ、温水・熱媒体熱交換器、配管
Ｊ，Ｋ、床暖房パネル、配管Ｌから成る密閉回路
とから成る２系統回路構成のものであり、熱動弁
は配管Ｂから配管Ｄ方向と配管Ｂから配管Ｆ方向
に、また熱動弁は配管Ｌから配管Ｆ方向と配管Ｌ
から配管Ｅ方向に切り替え可能であり、自動ミキ
シングバルブは、配管Ｆを配管Ｇまたは配管Ｋに
接続可能であることを特徴とする太陽熱利用給湯
暖房装置。

(6) 発明の実施例 以下床暖房を例に本発明実施例を図面により説
明する。

第１図は本発明に係わる太陽熱利用給湯暖房シ
ステムによる床暖房の系統図で、同図において符
号１は太陽熱集熱器、２は蓄熱タンク、３は補助
熱源であるボイラー、４は暖房用熱媒体とボイラ
ーによる温水との熱交換装置、５は床暖房パネ
ル、６は大気開放型の膨張タンク、７，８および
９は循環ポンプ、１０，１１はヒーター２５をも
つ熱動弁また１２，１３は自動ミキシングバルブ
でいずれの弁もワツクスサーモの熱膨張を利用し
た三方弁である。また符号１４は減圧逆止弁で蓄
熱タンク２への水道水の供給を調節する弁、１５
は通常のバルブ、２２は自動空気抜き弁、２３は
安全弁である。

また符号１６は太陽熱集熱器（以下集熱器と略
記する）１に配設された高温側センサー、１７は
蓄熱タンク２内に配設された低温側センサー、１
８は熱動弁１０および１１の制御用サーモスタツ
ト、１９は暖房用サーモスタツト、２０は高温側
センサー１６と低温側センサー１７の検出する温
度の差によつてポンプ９の運転を制御する差温サ
ーモスタツトであり、これらは同図に破線で示す
如くポンプ７，８，９およびヒータ２５と符号２
１で示す制御装置によつて集中制御される。なお
符号Ａ，Ｂ，Ｃ等で示される実線は配管である。

第２図は上記制御装置２１の主要部の構成図
で、同図において符号１６，１７，２０はそれぞ
れ第１図に同じ符号で示される高温側センサー、
低温側センサーおよび差温サーモスタツト、３１
は交流電源、３２は差温サーモスタツト２０より
制御される第１図に示すポンプ９の作動装置、３
３および３６は同様にそれぞれポンプ７およびポ
ンプ８の作動装置、３４，３５は第１図に符号１
０および１１で示す熱動弁の制御装置でヒータ２
５への通電を制御する。またＳ１，Ｓ２，Ｓ３は
それぞれスイツチを示し、Ｓ１は暖房運転スイツ
チ、Ｓ３はルームサーモスタツトにより開閉し、
ポンプ７の作動装置３３を作動させるスイツチ、
Ｓ２は試験または自動運転用の切替えスイツチ、
Ｓ４はサーモスタツト１８によつて切り替り、熱
動弁１０，１１およびポンプ８を制御する切替え
スイツチである。なお上記スイツチＳ３およびＳ
４の切替え温度およびポンプ９の作動温度は適宜
設定する。

上述した構成においてボイラー３および蓄熱タ
ンク２における熱媒体には水を用い、他方集熱器
１を中心とする蓄熱暖房回路における熱媒体には
不凍液を用いる。第３図は当該システムが停止し
ているときの上記水および不凍液の状態を示し、
実線で示される配管Ａ，Ｂ，Ｄ，ＥとＦ，Ｇ，
Ｊ，Ｋ，Ｌには不凍液、また破線で示される配管
Ｃ，Ｈ，Ｉ，Ｍ，Ｑおよび蓄熱タンク２、ボイラ
ー３には水が入つている（なお前記以外の回路は
省略する）。そして不凍液を熱媒体とする回路は、
熱動弁１０，１１を境として集熱器１、熱交換器
２４、ポンプ９および配管Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅから成
る開放回路と、床暖房パネル５、熱交換器４、ポ
ンプ７および配管Ｆ，Ｇ，Ｊ，Ｋ，Ｌから成る密
閉回路とから成る２系統回路構成である。

上記密閉回路における空気抜きおよび膨張の逃
げは、熱動弁１０のｄ方向とｆ方向（第１図）と
を貫通させる微小孔を設けることにより膨張タン
ク６を用いて行う。この場合微小孔の大きさは密
閉回路における不凍液の流れを阻害しない程度と
し、またこの程度で十分効果があり、その結果膨
張タンクが１つで足りる利点がある。

なお上記貫通孔ではなく配管ＬとＥとの間に熱
動弁１０を通らない迂回路を設けてもよい。この
場合の迂回路も貫通孔と同様不凍液の流れを阻害
しないものとする。

次に上記太陽熱利用給湯暖房システムにおける
種々の動作を第４図以下を参照して説明する。

第４図は夏期および冬期の暖房停止時に蓄熱の
みを行うときの熱媒体の流れを示すシステム系統
図で、同図および以下の図において制御回路系統
は省略し、また配管は動作に関与している部分の
み実線で示し、他の部分は破線で示す。なお配管
に付した矢印は熱媒体の流れ方向を表す。

暖房を行わないときは、第２図の制御回路にお
いて（以下単に制御回路においてと記す）スイツ
チＳ１が開かれているので差温サーモスタツト２
０によりポンプ９のみが運転され、またこのとき
熱動弁１１はａ→ｂ方向が接続され、熱動弁１０
ではｄ→ｅ方向が接続されている。

従つてこの場合第４図に示す如く不凍液の流れ
は集熱器１から配管Ｂ、熱動弁１１、配管Ｄ、配
管Ｅを経て熱交換器２４で蓄熱タンク２内の水と
熱交換し、次いでポンプ９を介して配管Ａを通り
集熱器１へ戻る。そして集熱器１の出口での温度
（高温側センサー１６の検出温度）と蓄熱タンク
２内の温水温度（低温側センサー１７の検出温
度）との差が例えば７ないし８℃となつたとき差
温サーモスタツト２０が作動してポンプ９を運転
し、３ないし４℃の差となつた時停止する。かく
して蓄熱タンク９内に高温水が蓄えられる。

第５図は冬期晴天日における暖房運転時のシス
テム動作を示す系統図で、スイツチＳ１は暖房を
行うため、予め閉じられていて、スイツチＳ３は
ルームサーモスタツトにより閉じ、スイツチＳ４
は接点３８の高温側に倒れている。

従つてポンプ７および９が運転され、また熱動
弁１１，１０はａ−ｃ方向およびｄ−ｆ方向（第
１図）への接続に切り替わり、集熱器１を出た高
温の不凍液は配管Ｂ、熱動弁１１、ポンプ７を経
て自動ミキシングバルブ１３を介して配管Ｋに入
り、次いで床暖房パネル５で熱交換後、配管Ｌ、
熱動弁１０、配管Ｅを経て熱交換器２４で蓄熱タ
ンク２内の温水と熱交換し、次いでポンプを介し
て集熱器１へ戻る。なお自動ミキシングバルブ１
３は不凍液の温度が設定温度以上になると自動的
に配管Ｆと配管Ｋとの接続に切り替り、設定温度
以下になると再びもとの配管Ｆと配管Ｇとの接続
になる。かくして得られた太陽熱を暖房および蓄
熱の両方に有効に利用できる。

第６図は冬期晴天日ではあるが、集熱器１の出
口温度が設定温度以下の場合で、このときは制御
回路においてスイツチＳ１，Ｓ３は第５図の場合
と同様に閉じているが、スイツチＳ４は接点３７
の低温側に倒れている。従つて熱動弁は第４図の
場合と同じ接続となるが、接点３７が閉じること
によつてポンプ７，８，９すべてが作動し、そし
て図示せぬ駆動装置によりボイラー３が運転され
る。そのためシステムは第６図に示す如く、第４
図と同じ集熱側回路とボイラー３を用いた暖房側
回路との２系統で運転される。

集熱側は第４図と同じであるから暖房側回路に
ついてのみ説明すると、配管Ｆ内の不凍液の温度
が低いため、自動ミキシングバルブ１３の接続が
配管Ｆ→配管Ｇの方向に切り替り、不凍液はポン
プ７により配管Ｆ、自動ミキシングバルブ１３、
配管Ｇを経て熱交換器４でボイラー３の温水から
熱を受けとり、次いで配管Ｊから配管Ｋに入り暖
房パネル５へ送られて放熱した後、配管Ｌ、熱動
弁１０を経て配管Ｆへ入り以上の循環を繰り返
す。他方、ボイラー３の温水はポンプ８により配
管Ｈ、熱交換器４、配管Ｉの順で循環する。

以上のように２系統回路による運転により、ボ
イラー３の熱が集熱側へ流れることがないので、
集熱器１の熱効率が低下することなく、エネルギ
ーの有効利用が行なえる。

第７図は冬期の夜間暖房および給湯を行うとき
のシステムの系統図で、ボイラー３により暖房を
行う一方、昼間に蓄熱タンク２内に蓄えた温水を
供給するシステムの運転である。

この場合制御装置のスイツチＳ１およびＳ３が
閉じられ、またスイツチＳ４は接点３７側へ倒れ
ているが、差温サーモスタツト２０によるポンプ
９の運転は蓄熱が完了している状態であるので行
われない。従つて第７図に示す如く、暖房回路は
第６図と同じとなり、集熱側は運転されない。そ
して蓄熱タンク２内の温水はその上層部から配管
Ｃを介して自動ミキシングバルブ１２、配管Ｒを
経て供給される。なお自動ミキシングバルブ１２
は配管Ｃ内の温度上昇（50〜60℃）によつて配管
Ｃと配管Ｒとの接続に切り替つている。また温水
供給と同時に蓄熱タンク２には下部から水道水が
供給される。

第８図は温水供給において温水温度が30ないし
40℃と低い場合の夜間暖房給湯システムを示し、
この場合は自動ミキシングバルブ１２が配管Ｃと
配管Ｑの接続に切り替り、蓄熱タンク２からの低
温水はボイラー３に導かれて加温された後、配管
Ｔから供給される。なお暖房は第７図と同じであ
る。

第９図および第１０図は給湯のみを行う場合の
システムを示し、集熱により蓄熱タンク２内の蓄
えられた温水が設定温度以上の場合は第９図の如
く直接給湯し、温水温度が30〜40℃と低いときは
第１０図の如く自動ミキシングバルブ１２が切り
替りボイラー３で加温した後配管Ｔから供給す
る。

ところでシステムの試運転や試験を行う場合制
御装置のスイツチＳ２を閉じると、不凍液が集熱
側および暖房側の全回路にわたつて循環するため
各装置の動作チエツク、不凍液の膨張タンクから
の補充および空気抜きが容易に行なえ、安定した
システムの運転ができるようになるという効果が
ある。

第１１図は当該システムにおける熱動弁１０，
１１および配管Ｄからなる集熱および暖房の回路
切替え部分の構成図で、同図に示す如く熱動弁１
０および１１、また図示しない配管Ｆへの接続部
４５および図示しない配管Ｅへの接続部４６をも
つ配管Ｄを４個のユニオン４１，４２，４３，４
４を介して接続する。なお矢印は不凍液の流れ方
向を示す。

かかる構成とすることにより各接続部ａ，４
５，ｄおよび４６の配向が自由に選択でき、設置
場所による配設の制限を排除することができる。

第１２図は第１１図の構成における各接続部の
配向例を示す図で、同図ａはすべての接続部ａ，
４５，ｄおよび４６と配管ＤがYZ平面に平行な
面内にある配向例、ｂ，ｃは配管Ｄと接続部４６
がYZ平面、接続部ａ，４５，ｄがXZ平行にそれ
ぞれ平行な面内にある例、ｄはｂまたはｃにおい
て接続部の１つ、例えばａがYZ平面に平行な面
内に配向している例、ｅは接続部ａ，４５，ｄ，
４６がすべて紙面に垂直な方向に配向している
例、ｆ，ｇは配管ＤがYZ平面、ｈはXY平面に
平行な面にあり、接続部ａ，４５，ｄ，４６が各
方向を向いている例である。

なお配向例は上述したものに限るものでなく、
設置場所によつて適宜選択する。

以上説明した本発明の太陽熱利用給湯暖房シス
テムは、床暖房パネル以外にフアンコイルユニツ
トを用いた暖房にも適用できるのはいうまでもな
いが、既設のボイラーを用いた暖房においては、
当該システムにおけるボイラーによる暖房回路以
外の部分を追加することにより容易に本発明のシ
ステムを構成でき、熱効率の良い給湯暖房が行な
える。

また本発明のシステムは回路切替えにワツクス
サーモを利用した三方弁を用いているため、電磁
弁やモータ電動弁等の電気的動作の弁に比べ故障
が少なく安定した運転が行なえ、また低価格であ
る利点があるほか、集熱暖房回路の熱媒体に不凍
液を用いるため凍結による配管破裂の心配がな
い。

(7) 発明の効果 以上詳細に説明した如く、本発明よれば、補助
熱源の熱が集熱器へ流れることがないため、太陽
熱および補助熱源の効率良い利用が実現され、ま
た配管接続を工夫することにより設置場所の制限
を排除できる太陽熱利用給湯暖房システムを提供
でき、省エネルギー、工事の簡便化に効果大であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる太陽熱利用給湯暖房シ
ステムの系統図、第２図は前記システムの制御回
路の構成図、第３図はシステム内の熱媒体の配置
を示す図、第４図から第１０図は当該システムの
各種運転状態を示す系統図、第１１図は当該シス
テムにおける集熱回路と暖房回路との接続部の配
管構成を示す図、第１２図は上記接続部の各種配
向状態を示す図でる。 １……太陽熱集熱器、２……蓄熱タンク、３…
…ボイラー、４，２４……水対不凍液熱交換器、
５……床暖房パネル、６……膨張タンク、７，
８，９……循環ポンプ、１０，１１……熱動弁、
１２，１３……自動ミキシングバルブ、１６，１
７……温度センサー、１８，１９……サーモスタ
ツト、２０……差温サーモスタツト、２１……制
御装置、２５……ヒーター、３２，３３，３６…
…ポンプ作動装置、３４，３５……熱動弁制御装
置、４１，４２，４３，４４……ユニオン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 太陽熱集熱器１、蓄熱タンク２、水・熱媒体
   熱交換器２４、ボイラー３、温水・熱媒体熱交換
   器４および床暖房パネル５から成る給湯暖房装置
   において、 不凍液を媒体とする回路は、太陽集熱器１、配
   管Ｂ、熱動弁１１，１０、配管Ｅ、水・熱媒体熱
   交換器２４、ポンプ９、配管Ａから成る開放回路
   と、配管Ｆ、自動ミキシングバルブ１３、配管
   Ｇ、温水・熱媒体熱交換器４、配管Ｊ，Ｋ、床暖
   房パネル５、配管Ｌから成る密閉回路とから成る
   ２系統回路構成のものであり、 熱動弁１１は配管Ｂから配管Ｄ方向と配管Ｂか
   ら配管Ｆ方向に、また熱動弁１０は配管Ｌから配
   管Ｆ方向と配管Ｌから配管Ｅ方向に切り替え可能
   であり、 自動ミキシングバルブ１３は、配管Ｆを配管Ｇ
   または配管Ｋに接続可能であることを特徴とする
   太陽熱利用給湯暖房装置。