JP2013200069A - 太陽熱集熱装置の凍結防止システムおよび太陽熱集熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凍結防止を図りつつ、蓄熱タンク内の蓄熱温度の低下を防止できる、太陽熱集熱装置の凍結防止システムと太陽熱集熱装置を提供する。
【解決手段】太陽熱を集熱する集熱器10と、蓄熱タンク30と、集熱ポンプ23により集熱器10から蓄熱タンク30に太陽熱を伝達する集熱配管20と、集熱運転を制御するシステム制御部40を備える太陽熱集熱装置Sにおいて、集熱配管20の往き配管21と戻り配管22の間に、蓄熱タンク30の手前に位置するバイパス管25を設け、バイパス管25と蓄熱タンク30の間であって往き配管21と戻り配管22に、戻り配管22内の熱媒体をバイパス管25へ迂回可能な流路切換弁26,27を設け、屋外に設けた外気温度計43により外気温度を検出し、集熱運転の停止後に外気温度が下限設定温度以下となった場合、システム制御部40が、各流路切換弁26,27を閉じると共に、集熱ポンプ23を再作動させて、集熱配管20内の熱媒体をバイパス管25を通して循環させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱集熱装置の凍結防止システムおよび太陽熱集熱装置に関するものである。

従来より、太陽熱を利用した太陽熱集熱装置が広く知られている（例えば特許文献１、２参照）。かかる太陽熱集熱装置は、主に密閉循環方式と開放循環方式に大別され、例えば前者の密閉循環方式では、集熱器で太陽熱を集熱し、集熱ポンプの作動により集熱配管を流れる熱媒体との間で熱交換し、熱交換後の高温の熱媒体を蓄熱タンク向けて戻し、蓄熱タンク内の貯留水との間で熱交換を行い、集熱配管を通って集熱器に送るようになっている。蓄熱タンク内に温水として蓄熱された熱は、給湯その他に利用されるようになっている。

特開平６−１４７６５１号公報 特開２０００−１３０８６２号公報

ところで、水を熱媒体とする太陽熱集熱装置にあっては、冬季に外気温が０℃以下になると、集熱配管内の水が凍結し、集熱器や集熱配管が破損する原因となる。このため、従来より、集熱器等の凍結による破損を防止する対策として種々の方法が試みられている。例えば、不凍液法は集熱配管に不凍液を使用する方法であり、自然落水法は集熱ポンプ停止により自然に蓄熱タンクに落水させる方法であり、排水法は電磁弁凍結防止弁により集熱器と配管の水を排出する方法である。しかしながら、不凍液法は作動媒体の濃度管理が必要となり、自然落水法は機器および配管の落水勾配を大きくとらないと残留水が凍結する恐れがあり、排水法は凍結防止弁の信頼性が低いという問題がある。

このため、外気温が設定温度（例えば２℃）以下になったときに、集熱ポンプを作動させて集熱配管内の水（熱媒体）を循環させて集熱配管内の水が凍結するのを防止する方法が考えられる。しかしながら、かかる方法では、集熱配管内で、蓄熱タンク内の温度よりも低い温度の熱媒体を循環させることから、蓄熱タンク内の蓄熱温度（給湯温度）を低下させるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、太陽熱集熱装置において、凍結防止を図りつつ、蓄熱タンク内の蓄熱温度の低下を防止できる、太陽熱集熱装置の凍結防止システムおよび太陽熱集熱装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る太陽熱集熱装置の凍結防止システムは、
太陽熱を集熱する１又は複数の集熱器と、集熱器で集熱された太陽熱を蓄熱する蓄熱タンクと、集熱ポンプにより集熱器側の熱交換部と蓄熱タンク側の熱交換部の間で熱媒体を循環させ、熱交換部での熱交換により集熱器から蓄熱タンクに太陽熱を伝達する集熱配管と、集熱運転を制御するシステム制御部を備えている太陽熱集熱装置において、
集熱配管の往き配管と戻り配管の間に、蓄熱タンクの手前に位置するバイパス管を設けると共に、バイパス管と蓄熱タンクの間であって往き配管と戻り配管のそれぞれに、戻り配管を蓄熱タンクへ向けて流れる熱媒体をバイパス管へ迂回可能な流路切換弁を設け、
屋外に設けた外気温度計により外気温度を検出し、集熱運転の停止後に外気温度が下限設定温度以下となった場合、システム制御部が、各流路切換弁を閉じると共に、集熱ポンプを再作動させて、集熱配管内の熱媒体をバイパス管を通して循環させることを特徴とする。

本発明に係る太陽熱集熱装置の凍結防止システムは、外気温度が下限設定温度以下から上昇して下限設定温度を超える中間設定温度となった場合に、当該検出温度信号に基づき、システム制御部が、集熱ポンプを停止させることを第２の特徴とする。

本発明に係る太陽熱集熱装置の凍結防止システムは、外気温度が下限設定温度以下となった最初の検出温度信号から一定時間経過後に受信した外気温度の検出温度が下限設定温度以下である場合に、後の検出温度信号に基づき、システム制御部が、各流路切換弁を閉じると共に、集熱ポンプを再作動させて、集熱配管内の熱媒体をバイパス管を通して循環させることを第３の特徴とする。

本発明に係る太陽熱集熱装置は、
太陽熱を集熱する１又は複数の集熱器と、集熱器で集熱された太陽熱を蓄熱する蓄熱タンクと、集熱ポンプにより集熱器側の熱交換部と蓄熱タンク側の熱交換部の間で熱媒体を循環させ、熱交換部での熱交換により集熱器から蓄熱タンクに太陽熱を伝達する集熱配管と、集熱運転を制御するシステム制御部を備えている太陽熱集熱装置において、
集熱配管の往き配管と戻り配管の間に、蓄熱タンクの手前に位置するバイパス管を設けると共に、バイパス管と蓄熱タンクの間であって往き配管と戻り配管のそれぞれに、戻り配管を蓄熱タンクへ向けて流れる熱媒体をバイパス管へ迂回可能な流路切換弁を設け、
システム制御部は、集熱運転モードと凍結防止運転モードを備えており、
集熱運転モードは、集熱器に設けた第１温度センサにより集熱器における集熱可能温度を検出し、蓄熱タンクに設けた第２温度センサにより蓄熱タンク内の蓄熱温度を検出し、集熱器における集熱可能温度が蓄熱タンク内の蓄熱温度を上回った場合に、システム制御部が、各流路切換弁を開くと共に、集熱ポンプを作動させて、集熱配管内の熱媒体を蓄熱タンク側の熱交換部を通して循環させ、
凍結防止運転モードは、屋外に設けた外気温度計により外気温度を検出し、集熱運転停止後に外気温度が下限設定温度以下となった場合に、システム制御部が、各流路切換弁を閉じると共に、集熱ポンプを再作動させ、集熱配管内の熱媒体をバイパス管を通して循環させることを特徴とする。

本発明に係る太陽熱集熱装置は、凍結防止運転モードにおいて、外気温度が下限設定温度以下から上昇して下限設定温度を超える中間設定温度となった場合に、当該検出温度信号に基づき、システム制御部が、集熱ポンプを停止させることを第２の特徴とする。

本発明に係る太陽熱集熱装置は、システム制御部が、凍結防止運転準備モードをさらに備えており、
凍結防止運転準備モードは、外気温度が下限設定温度以下となった最初の検出温度信号に基づき、システム制御部がタイマーを作動させ、一定時間経過後に受信した外気温度の検出温度が下限設定温度以下である場合に、後の検出温度信号に基づき、システム制御部が凍結防止運転モードに移行させることを第３の特徴とする。

本発明に係る太陽熱集熱装置は、システム制御部が、集熱運転準備モードをさらに備えており、
集熱運転準備モードは、第１温度センサによる検出温度が第２温度センサによる検出温度を上回った場合に、両検出温度信号に基づき、システム制御部がタイマーを作動させ、一定時間経過後に受信した第１温度センサによる検出温度が第２温度センサによる検出温度を上回った場合に、後の検出温度信号に基づき、システム制御部が集熱運転モードに移行させることを第４の特徴とする。

以上説明したように、本発明に係る太陽熱集熱装置の凍結防止システムによれば、集熱配管の往き配管と戻り配管の間に、蓄熱タンクの手前に位置するバイパス管を設けると共に、バイパス管と蓄熱タンクの間であって往き配管と戻り配管のそれぞれに、戻り配管を蓄熱タンクへ向けて流れる熱媒体をバイパス管へ迂回可能な流路切換弁を設け、屋外に設けた外気温度計により外気温度を検出し、集熱運転の停止後に外気温度が下限設定温度以下となった場合、システム制御部が、各流路切換弁を開状態から閉状態に切換操作すると共に、集熱ポンプを再作動させて、集熱配管内の熱媒体をバイパス管を通して循環させるようにしたから、凍結防止運転時に、集熱器および集熱配管の凍結による破損を防止すると同時に、蓄熱タンク内の蓄熱温度の低下を防止できるという、優れた効果を奏する。

また、本発明に係る太陽熱集熱装置によれば、上記凍結防止システムの構造を採用することにより、凍結防止運転時に、集熱器および集熱配管の凍結による破損を防止すると同時に、蓄熱タンク内の蓄熱温度の低下を防止できる他、外気温の低下による配管の急激な収縮の防止、ひいては配管の耐久性の向上を図れるという、優れた効果を奏する。

太陽熱集熱システムの全体構成図、 集熱運転モードのフロー図、 凍結防止運転モードのフロー図である。

本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図１ないし図３は本発明の一実施形態を示すもので、図１において、符号Ｓは太陽熱集熱装置を示している。

太陽熱集熱装置Ｓは、複数の集熱器１０と、集熱配管２０と、蓄熱タンク３０と、システム制御部４０を備えている。

集熱器１０は、図１に示すように、屋上１に取付部材２を介して複数台（図示例では３台、以下、図の左から第１集熱器１０Ａ、第２集熱器１０Ｂ、第３集熱器１０Ｃと称する場合がある）が太陽熱を効率よく集熱できるように傾斜姿勢で設置されている。各集熱器１０は、ヘッダー管１１に複数本のヒートパイプ１２・・・が接続された構造をしている。ヘッダー管１１の入口および出口には集熱配管２０が接続され、したがって、ヘッダー管１１は集熱配管２０の一部を構成すると共に集熱配管２０の一方の熱交換部２０Ａを形成している。各ヒートパイプ１２の内部には太陽熱を集熱して加熱される熱媒体（水）が封入されている。同熱媒体は、太陽熱の集熱により加熱されてヘッダー管１１側へ移動し、ヘッダー管１１（熱交換部２０Ａ）において集熱配管２０内を流れる熱媒体（水）との間で熱交換されるようになっている。

集熱配管２０は、地上Ｇ等に設置された蓄熱タンク３０と各集熱器１０との間を循環する往き配管２１と戻り配管２２から構成されている。各集熱器１０のヘッダー管１１に対して、往き配管２１の分岐管２１Ａおよび戻り配管２２の分岐管２２Ａが延びており、ヘッダー管１１の入口に分岐管２１Ａ、出口に分岐管２２Ａが接続されている。これにより、後述の集熱ポンプ２３の作動により、集熱配管２０内の熱媒体が、蓄熱タンク３０内の熱交換部２０Ｂから往き配管２１を通り各集熱器１０のヘッダー管１１（熱交換部２０Ａ）へ向かい、同ヘッダー管１１から戻り配管２２を通り元の蓄熱タンク３０の熱交換部２０Ｂ側へと戻り、集熱配管２０内を循環するようになっている。

往き配管２１の途中には集熱ポンプ２３が設けられている。集熱ポンプ２３は集熱運転時および凍結防止運転時に作動して、集熱配管２０内の熱媒体を循環させる役割をする。戻り配管２２の途中には膨張タンク２４が設けられている。膨張タンク２４は蓄熱タンク３０側へ向かう戻り配管２２内の熱媒体の圧が上昇した時に熱媒体の一部を逃す役割をする。膨張タンク２４の下流側の戻り配管２２と集熱ポンプ２３の上流側の往き配管２１の間には、蓄熱タンク３０の手前に位置して、戻り配管２２と往き配管２１を接続するバイパス管２５が設けられている。このバイパス管２５は凍結防止運転時に戻り配管２２内を流れる熱媒体を蓄熱タンク３０の手前で往き配管２１に迂回させる役割をする。

戻り配管２２の、バイパス管２５の入口部と蓄熱タンク３０の間には、第１流路切換弁２６が、往き配管２１の、バイパス管２５の出口部と蓄熱タンク３０の間には、第２流路切換弁２７が設けられている。これらの第１流路切換弁２６および第２流路切換弁２７は、集熱運転時にそれぞれ開いて、戻り配管２２内の熱媒体を蓄熱タンク３０側へ向かわせ、凍結防止運転時にそれぞれ閉じて、戻り配管２２内の熱媒体を蓄熱タンク３０の手前でバイパス管２５へ迂回させる役割をする。

なお、図１中、符号２８は開閉調整弁、符号２８Ａは逆止弁、符号２９は逃し弁を示している。

蓄熱タンク３０は、各集熱器１０で集熱した太陽熱を給湯水の形式で蓄熱するもので、蓄熱タンク３０内を通過する集熱配管２０の熱交換部２０Ｂにおいて熱交換を行い、内部に高温の給湯水を貯留するようになっている。蓄熱タンク３０内に貯留された高温の給湯水は給湯配管３１を通して給湯負荷３２に供給されるようになっている。なお、蓄熱タンク３０には、給水配管３３を通して水が補給されるようになっている。符号３４は蓄熱タンク３０内の水を排出するための排水管である。

システム制御部４０は、集熱運転モード、凍結防止運転モードの２つの運転モードを備えており、集熱器１０のヘッダー管１１（熱交換部２０Ａ）の表面温度（集熱可能温度）を検出する第１温度センサ４１、蓄熱タンク４０内の蓄熱温度（貯湯温度）を検出する第２温度センサ４２、外気温を検出する外気温度計４３からの各検出温度信号を受信し、集熱運転の制御および凍結防止運転の制御を行うようになっている。

集熱運転モードは、集熱運転条件として、図示例の場合、第１集熱器１０Ａに設けた第１温度センサ４１により第１集熱器１０Ａにおけるヘッダー管１１（熱交換部２０Ａ）の表面温度（集熱可能温度）を検出し、蓄熱タンク３０に設けた第２温度センサ４２により蓄熱タンク３０内の蓄熱温度（蓄熱水温度）を検出し、第１集熱器１０Ａにおけるヘッダー管１１（熱交換部２０Ａ）の表面温度（集熱可能温度）が蓄熱タンク３０内の蓄熱温度を上回った場合に、システム制御部４０が、第１流路切換弁２６および第２流路切換弁２７を開くと共に、集熱ポンプ２３を作動させて、集熱配管２０内の熱媒体を蓄熱タンク３０側の熱交換部２０Ｂを通して循環させるようになっている。

上記集熱運転条件（ヘッダー管１１の表面温度＞蓄熱タンク３０内の蓄熱温度）は、任意に拡大設定可能である。例えば、検出温度の差を１０℃〜３０℃の範囲で任意に設定し、両検出温度差が任意の設定値を超えた場合に集熱ポンプ２３を作動させるようにしてよい。ヘッダー管１１の表面温度が蓄熱タンク３０の蓄熱温度を上回っている場合でも、集熱配管２０を蓄熱タンク３０へ向けて移動する間、風等の外部要因により、集熱配管２０内の熱媒体の熱が外部に放散し、蓄熱温度を下回る場合がある。この場合、両検出温度差を大きく設定し、集熱運転中に集熱配管２０内の熱媒体の熱が外部に放散しても熱交換部２０Ｂにおける熱媒体の温度が蓄熱温度を上回るようにし、集熱運転を安定して行わせることができるようになる。

上記集熱運転モードは、集熱運転開始にあたり、集熱運転準備モードを追加することができる。集熱運転準備モードは、上記集熱運転条件（ヘッダー管１１の表面温度＞蓄熱タンク３０内の蓄熱温度）にタイマー条件を追加したもので、第１集熱器１０Ａにおけるヘッダー管１１（熱交換部２０Ａ）の表面温度（集熱可能温度）が蓄熱タンク３０内の蓄熱温度を上回った場合、第１温度センサ４１からの検出温度信号を受信して、内蔵のタイマーを一定時間（例えば、３分間〜１０分間の任意時間）作動させた後のヘッダー管１１の表面温度が蓄熱タンク３０内の蓄熱温度を上回っていれば、後の検出温度信号に基づき、集熱運転モードに移行させるものである。集熱運転モードの直前に集熱運転準備モードを設けることにより、天候等の外的要因によって、ヘッダー管１１の表面温度が安定しない場合であっても、集熱運転を安定させることができる。

なお、上記集熱運転モードは、集熱運転により、蓄熱タンク３０内の蓄熱温度が上昇し、上限蓄熱温度（例えば８０℃）に達すると、第２温度センサ４２からの検出温度信号により、システム制御部４０が集熱ポンプ２３の作動を停止し、同蓄熱温度が上限蓄熱温度から低下し、再始動温度（例えば７８℃）に達すると、集熱ポンプ２３を再作動させ、これを繰り返すようになっている。そして、第１集熱器１０Ａにおけるヘッダー管１１の表面温度（集熱可能温度）の低下と共に、同表面温度が蓄熱タンク３０内の蓄熱温度以下となった場合には、システム制御部４０が集熱ポンプ２３を停止し、集熱配管２０内の熱媒体の循環を停止するようになっている。

凍結防止運転モードは、凍結運転防止条件として、屋外に設けた外気温度計４３により外気温度を検出し、外気温度が低下し、外気温度が下限設定温度（例えば２℃）に達した場合に、システム制御部４０が、第１流路切換弁２６および第２流路切換弁２７を閉じると共に、集熱ポンプ２３を再作動させ、集熱配管２０内の熱媒体を蓄熱タンク３０の手前で戻り配管２２からバイパス管２５に迂回させ循環させ、各集熱器１０および集熱配管２０の凍結を防止するようになっている。

上記凍結防止運転モードは、凍結防止運転開始にあたり、凍結防止運転準備モードを追加することができる。凍結防止運転準備モードは、上記凍結防止運転条件（外気温度＜＝下限設定温度）にタイマー条件を追加したもので、外気温度計４３による外気温度が低下し、下限設定温度（例えば２℃）に達した場合、外気温度計４３からの検出温度信号を受信し、内蔵のタイマーを一定時間（例えば、３分間〜１０分間の任意時間）作動させた後の外気温度計４３による外気温度が上記下限設定温度以下であれば、後の検出温度信号に基づき、凍結防止運転モードに移行させるものである。凍結防止運転モードの直前に凍結防止運転準備モードを設けることにより、風等の外的要因によって、外気温度が安定しない場合であっても、凍結防止運転を安定させることができる。

上記凍結防止運転モードは、外気温度が下限設定温度から上昇し、中間設定温度（例えば４℃）に達すると、外気温度計４３からの検出温度信号により、システム制御部４０が集熱ポンプ２３の作動を停止し、凍結防止運転を停止させるようになっている。なお、第１集熱器１０Ａにおけるヘッダー管１１の表面温度が蓄熱タンク３０内の蓄熱温度を越えると、集熱運転モードに移行し、システム制御部４０が、第１流路切換弁２６および第２流路切換弁２７を開くと共に、集熱ポンプ２３を作動させて、再び集熱運転を開始するようになっている。

上記凍結防止運転モードは、凍結防止運転条件（外気温度＜＝下限設定温度）よりも、集熱運転条件（ヘッダー管１１の表面温度＞蓄熱タンク３０内の蓄熱温度）が優先される。すなわち、外気温度が下限設定温度以下（２℃）であっても、日照時間帯の日照量によっては、集熱運転条件（ヘッダー管１１の表面温度＞蓄熱タンク３０内の蓄熱温度）が満たされる場合がある。その場合には、集熱運転が可能であるので、集熱運転モードを優先し、効率よく太陽熱を集熱し、蓄熱することができる。

なお、システム制御部４０と第１温度センサ４１、第２温度センサ４２、外気温度計４３との間は制御回線４４により接続されている。また、システム制御部４０と第１切換弁２６、第２切換弁２７、集熱ポンプ２３との間は制御回線４５により接続されている。さらに、システム制御部４０と戻り配管２２に設けられた水温計４６、往き配管２１に設けられた水温計４７との間は制御回線４８により接続されている。なお、水温計４６、４７はそれぞれ戻り配管２２内の熱媒体、往き配管２１内の熱媒体の温度をモニタリングする役割をもつ。

次に、上記構成の太陽熱集熱装置Ｓにおいて、集熱運転モード、凍結防止運転モードの各制御方法について、図２および図３を参照しながら以下に説明する。

（集熱運転モード）
図２に示すように、日照時間帯等、太陽熱の集熱により第１温度センサ４１、すなわち第１集熱器１０Ａにおけるヘッダー管１１の表面温度が上昇し、第２温度センサ４２、すなわち蓄熱タンク３０内の蓄熱温度よりも高くなると、両センサ４１、４２からの検出温度信号に基づき、集熱運転準備モードから一定時間経過後に集熱運転モードに移行し、システム制御部４０が、第１流路切換弁２６および第２流路切換弁２７を“開”状態とすると共に、集熱ポンプ２３を作動させる。これにより、集熱運転が開始される。集熱運転モードでは、集熱運転準備モードを介在させることにより、集熱運転が安定する。

集熱運転モードでは、集熱配管２０内を流れる熱媒体が、各集熱器１０側のヘッダー管１１（熱交換部２０Ａ）において、各集熱器１０のヒートパイプ１２内で加熱された熱媒体と熱交換しながら往き管２１と戻り配管２２との間で循環する。そして、他方の蓄熱タンク３０側の熱交換部２０Ｂにおいて、蓄熱タンク３０内の水を上限蓄熱温度（８０℃）に達するまで加熱する。加熱により高温となった蓄熱タンク３０内の温水は、給湯配管３１を通して屋内の給湯負荷３２へ供給される。蓄熱タンク３０内の蓄熱温度が上限蓄熱温度（８０℃）と再始動温度（７８℃）の間を繰り返す間、集熱ポンプ２３の停止と再始動が繰り返される。

日照時間帯を過ぎて日没時間帯に入る等して、第１温度センサ４１、すなわちヘッダー管１１の表面温度が低下し、第２温度センサ４２、すなわち蓄熱タンク３０内の蓄熱温度以下となった場合には、両センサ４１、４２からの温度信号を受信したシステム制御部４０が、集熱ポンプ２３を停止させる。これにより、集熱運転が停止され、蓄熱タンク３０内の蓄熱温度の低下が防止される。

（凍結防止運転モード）
冬季等、外気温が０℃付近になると、集熱配管２０内の熱媒体（水）が凍結し、集熱配管２０や集熱器１０が破損するおそれがある。このため、外気温が下限設定温度（２℃）に達すると、凍結防止運転に切り換わる。図３に示すように、外気温が低下し、外気温度計４３からの検出温度が下限設定温度（２℃）に達すると、外気温度計４３からの検出温度信号に基づき、凍結防止運転準備モードから一定時間経過後に凍結防止運転モードに移行し、システム制御部４０が、第１流路切換弁２６、第２流路切換弁２７を“開”から“閉”に切換操作し、また、第１流路切換弁２６、第２流路切換弁２７からの閉信号を受信し、集熱ポンプ２３を起動させる。これにより凍結防止運転が開始される。凍結防止運転モードでは、凍結防止運転準備モードを介在させることにより、凍結防止運転が安定する。なお、外気温度が下限設定温度以下であっても、日照時間帯等、第１温度センサ４１の検出温度が第２温度センサ４２の検出温度を上回る場合は、集熱運転モードが優先される。

凍結防止運転モードでは、集熱配管２０内を流れる低温の熱媒体が、戻り配管２２から蓄熱タンク３０へ向かうことなく、第１流路切換弁２６の手前でバイパス管２５の入口からバイパス管２５に迂回し、バイパス管２５の出口から往き配管２１へと向かう。そして、外気温度が下限設定温度以下の間中、集熱配管２０内の熱媒体が戻り配管２２、バイパス管２５、往き配管２１の間を循環する。

これにより、凍結防止運転中に、凍結による集熱配管２０および各集熱器１０の破損が防止されると共に、戻り配管２２内の低温の熱媒体が蓄熱タンク３０内を通過することによる、蓄熱タンク３０内の蓄熱温度の低下が防止される。なお、外気温が上昇し、下限設定温度を上回り、中間設定温度（４℃）に達すると、外気温度計４３からの検出温度信号により、システム制御部４０が集熱ポンプ２３を停止させ、凍結防止運転が終了する。

そして、日照時間帯等、太陽熱の集熱により第１温度センサ４１の検出温度が、第２温度センサ４２の検出温度よりも高くなった場合には、両センサ４１、４２からの検出温度信号に基づき、集熱運転モードに移行し、システム制御部４０が、戻り配管２２の第１流路切換弁２６および往き配管２１の第２流路切換弁２７を“閉”から“開”に切換操作すると共に、集熱ポンプ２３を作動させ、集熱運転を再び開始する。

かくして本発明の太陽熱集熱装置Ｓによると、各集熱器１０におけるヘッダー管１１の表面温度（集熱可能温度）が蓄熱タンク３０内の蓄熱温度よりも高い場合には、集熱運転モードにより、太陽熱を効率よく集熱して蓄熱タンク３０内に蓄熱し、外気温度が下限設定温度以下の場合には、凍結運転モードに切り換えて、凍結運転により集熱器１０や集熱配管２０の凍結による破損を防止し、集熱運転により蓄熱タンク内に蓄熱した温水の温度低下を防止することができる。

なお、本実施形態では、第１切換弁２６および第２切換弁２７に電動開閉弁を用いるが、この形式に限らず、バイパス管２５の入口および出口に三方弁を設けても良い。また、本実施形態では、密閉循環方式の太陽熱集熱装置について説明したが、これにかぎらず、本発明は開放循環方式にも適用されるのは言うまでもない。

本発明に係る太陽熱集熱装置の凍結防止システムは、太陽熱集熱装置に含まれる集熱器や集熱配管の凍結を防止するシステムとして利用可能である。また、本発明に係る太陽熱集熱装置は、太陽熱を集熱して給湯等の熱源供給用に用いる装置として、家庭用、事業用、産業分野、農業分野に幅広く利用可能である。

１ 屋上
２ 取付部材
１０ 集熱器
１１ ヘッダー管
１２ ヒートパイプ
２０ 集熱配管
２０Ａ，２０Ｂ 熱交換部
２１ 往き配管
２１Ａ，２２Ａ 分岐管
２２ 戻り配管
２３ 集熱ポンプ
２４ 膨張タンク
２５ バイパス管
２６ 第１切換弁
２７ 第２切換弁
２８ 開閉調整弁
２８Ａ 逆止弁
２９ 逃し弁
３０ 蓄熱タンク
３１ 給湯配管
３２ 給湯負荷
３３ 給水配管
３４ 排水管
４０ システム制御部
４１ 第１温度センサ
４２ 第２温度センサ
４３ 外気温度計
４４，４５，４８ 制御回線
４６，４７ 水温計
Ｓ 太陽熱集熱装置

Claims (7)

1. 太陽熱を集熱する１又は複数の集熱器と、集熱器で集熱された太陽熱を蓄熱する蓄熱タンクと、集熱ポンプにより集熱器側の熱交換部と蓄熱タンク側の熱交換部の間で熱媒体を循環させ、熱交換部での熱交換により集熱器から蓄熱タンクに太陽熱を伝達する集熱配管と、集熱運転を制御するシステム制御部を備えている太陽熱集熱装置において、
   集熱配管の往き配管と戻り配管の間に、蓄熱タンクの手前に位置するバイパス管を設けると共に、バイパス管と蓄熱タンクの間であって往き配管と戻り配管のそれぞれに、戻り配管を蓄熱タンク側へ向けて流れる熱媒体をバイパス管へ迂回可能な流路切換弁を設け、
   屋外に設けた外気温度計により外気温度を検出し、集熱運転の停止後に外気温度が下限設定値以下となった場合、システム制御部が、各流路切換弁を閉じると共に、集熱ポンプを再作動させて、集熱配管内の熱媒体をバイパス管を通して循環させることを特徴とする、太陽熱集熱装置の凍結防止システム。
2. 外気温度が下限設定温度以下から上昇して下限設定温度を超える中間設定温度となった場合に、当該検出温度信号に基づき、システム制御部が、集熱ポンプを停止させることを特徴とする、請求項１記載の太陽熱集熱装置の凍結防止システム。
3. 外気温度が下限設定温度以下となった最初の検出温度信号から一定時間経過後に受信した外気温度の検出温度が下限設定温度以下である場合に、後の検出温度信号に基づき、システム制御部が、各流路切換弁を閉じると共に、集熱ポンプを再作動させて、集熱配管内の熱媒体をバイパス管を通して循環させることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の太陽熱集熱装置の凍結防止システム。
4. 太陽熱を集熱する１又は複数の集熱器と、集熱器で集熱された太陽熱を蓄熱する蓄熱タンクと、集熱ポンプにより集熱器側の熱交換部と蓄熱タンク側の熱交換部の間で熱媒体を循環させ、熱交換部での熱交換により集熱器から蓄熱タンクに太陽熱を伝達する集熱配管と、集熱運転を制御するシステム制御部を備えている太陽熱集熱装置において、
   集熱配管の往き配管と戻り配管の間に、蓄熱タンクの手前に位置するバイパス管を設けると共に、バイパス管と蓄熱タンクの間であって往き配管と戻り配管のそれぞれに、戻り配管を蓄熱タンク側へ向けて流れる熱媒体をバイパス管へ迂回可能な流路切換弁を設け、
   システム制御部は、集熱運転モードと凍結防止運転モードを備えており、
   集熱運転モードは、集熱器に設けた第１温度センサにより集熱器における集熱可能温度を検出し、蓄熱タンクに設けた第２温度センサにより蓄熱タンク内の蓄熱温度を検出し、集熱器における集熱可能温度が蓄熱タンク内の蓄熱温度を上回った場合に、システム制御部が、各流路切換弁を開くと共に、集熱ポンプを作動させて、集熱配管内の熱媒体を蓄熱タンク側の熱交換部を通して循環させ、
   凍結防止運転モードは、屋外に設けた外気温度計により外気温度を検出し、集熱運転停止後に外気温度が下限設定温度以下となった場合に、システム制御部が、各流路切換弁を閉じると共に、集熱ポンプを再作動させ、集熱配管内の熱媒体をバイパス管を通して循環させることを特徴とする太陽熱集熱装置。
5. 凍結防止運転モードにおいて、外気温度が下限設定温度以下から上昇して下限設定温度を超える中間設定温度となった場合に、当該検出温度信号に基づき、システム制御部が、集熱ポンプを停止させることを特徴とする、請求項４記載の太陽熱集熱装置。
6. システム制御部が、凍結防止運転準備モードをさらに備えており、
   凍結防止運転準備モードは、外気温度が下限設定温度以下となった最初の検出温度信号に基づき、システム制御部がタイマーを作動させ、一定時間経過後に受信した外気温度の検出温度が下限設定温度以下である場合に、後の検出温度信号に基づき、システム制御部が凍結防止運転モードに移行させることを特徴とする、請求項４または請求項５記載の太陽熱集熱装置。
7. システム制御部が、集熱運転準備モードをさらに備えており、
   集熱運転準備モードは、第１温度センサによる検出温度が第２温度センサによる検出温度を上回った場合に、両検出温度信号に基づき、システム制御部がタイマーを作動させ、一定時間経過後に受信した第１温度センサによる検出温度が第２温度センサによる検出温度を上回った場合に、後の検出温度信号に基づき、システム制御部が集熱運転モードに移行させることを特徴とする、請求項４ないし請求項６のいずれか一項に記載の太陽熱集熱装置。

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