蓄熱をマスターする：効率的な太陽熱温水器の鍵

太陽熱温水システムにおける蓄熱

太陽熱温水システムでは、蓄熱タンクとも呼ばれる水貯蔵タンクが、太陽熱収集器によって生成された熱を貯蔵するために使用されます。液体（特に水）を蓄熱に使用することは、さまざまな蓄熱方法の中で最も成熟しており、技術的に健全であり、広く使用されています。一般に、液体は比熱容量が高いだけでなく、沸点が高く、蒸気圧が低いことが望ましい。前者は相変化（気体状態への変化）を避けるため、後者は蓄熱容器の圧力を下げるためです。低温液体蓄熱材の中では水が最も優れた性能を発揮するため、最も一般的に使用されています。

水を蓄熱媒体として使用することの利点と欠点

利点

① 物理的、化学的、熱的性質が非常に安定しており、よく理解されており、その応用技術は成熟しています。

②蓄熱媒体と熱伝達媒体の両方の役割を果たすため、蓄熱システムにおける熱交換器が不要になります。

③ 優れた伝熱性と流動性を有し、一般的に使用される液体の中で最も高い比熱容量、最も低い熱膨張係数、そして低い粘度を有しており、自然循環と強制循環の両方に適しています。

④ 気液平衡における温度と圧力の関係が非常に安定しており、平板型太陽熱集熱器に適しています。

⑤ 豊富に存在し、安価である。

デメリット

① 電解腐食性物質であるため、発生する酸素は金属を容易に腐食します。また、ほとんどのガス（特に酸素）の溶媒となるため、容器や配管の腐食を引き起こします。

②固化すると体積が大きく膨張（最大約10％）し、容器や配管を損傷する恐れがあります。

③ 中温（100℃以上）では、水蒸気圧は水温の上昇とともに指数関数的に増加します。したがって、水を蓄熱に使用する場合、温度と圧力の両方が臨界点（373.0℃、2.2×10 Pa）を超えないようにする必要があります。例えば、300℃での蓄熱コストは、200℃での蓄熱コストの2.75倍になります。

水を蓄熱媒体として使用する場合、蓄熱容器の材質はステンレス鋼、ホーロー、プラスチック、アルミニウム合金、銅、鉄、鉄筋コンクリート、木材など、多岐にわたります。形状は円筒形、箱形、球形など多岐にわたります。しかし、使用する材料の耐食性と耐久性には十分な注意が必要です。例えば、セメントや木材を蓄熱容器の材質として選択する場合は、長期使用によるひび割れや漏水を防ぐため、熱膨張率を考慮する必要があります。

貯湯タンクは、熱と冷気の両方を蓄えることができる装置です。建物に給湯、暖房、空調を供給するシステムの構成要素として開発されました。主な機能は、エネルギー消費量とエネルギー消費量のアンバランスを調整することで、システムの熱効率を向上させ、必要な熱負荷を満たすことです。

貯湯タンクは、放熱特性（全押出流、全混合流、部分混合流）、圧力状態（開放か密閉か）、槽数（単数か複数か）、設置方法（縦か縦か横か横か）、構造材質、用途などにより様々な種類に分類されます。以下では、最初の 2 つのタイプに焦点を当てます。

貯湯タンクの放熱特性

貯湯タンクは、放熱特性（またはタンク内の混合特性）に基づいて、全押し出し流動、全混合流動、部分混合流動の3種類に分類できます。υを水流速度、Lを貯湯タンク長さ、Eを混合拡散係数とすると、上記の3つの分類は、タンク内の水温の混合度合い、すなわち混合特性M=υL/(2E)の値によって分類できます。

（１）完全な押し出しフロー

ピストンフローとも呼ばれ、水槽内の流れは完全にピストン状で、水槽内には温水と冷水の2つの領域があります。両者の界面は非常に明瞭で、ほとんど混合がないことを示しています。このとき、E→0またはM→∞と考えることができます。貯湯タンクが熱を放出する（冷却する）と、下（上）から水が流入し、すべての熱を利用できます。これは、図2-11に示すように理想的な状態です。貯湯タンクに80℃の温水が100Lあり、下部の流入口Aから20℃の冷水がゆっくりと注入され、流出口Bから流出する水はすべて80℃の温水であるとします。しかし、流出する水の量が100Lを超えると、水温はすぐに20℃まで下がります。

（２）完全混合流

水槽内の温度は完全に均一であり、混合が非常に徹底していることを示しています。この場合、E→∞またはM→0が考えられます。通常、これは貯湯タンクに強力なミキサーを設置し、冷水をゆっくりと注入しながら攪拌することによってのみ実現できます。当初、出口Bから流出する水温は80℃です。その後、時間の経過とともに水温は指数関数的に低下します。流出水量がちょうど100Lに達すると、水温は約80×e≒29.3℃まで低下します。

（３）部分混合流

温度成層流とも呼ばれ、水槽内の温度分布が不均一で成層化が生じている状態を指します。この場合、E値は有限値、つまり0とみなすことができます。

貯湯タンクの圧力状態

貯湯タンクは圧力状態により開放型と密閉型に分けられます。通常の大気圧下では、どのような空間がとられるかは状況に応じて異なります。

（１）オープンタイプ

水槽は大気開放型であるため、圧力は低いものの、酸による腐食を受けやすい。酸素は水に溶けやすいため、容器には高い耐腐食性が求められる。また、システムに必要な揚程も高いことが求められる。そのため、一般的には大型太陽光発電システムに用いられる。

（２）密閉型

貯水槽は満水のため、蓄熱槽への損傷を防ぐため、上部に膨張タンクを設置する必要があります。膨張タンクの利点は、配管が簡単で、必要な水ポンプの揚程が小さく、循環ポンプの消費電力が少ないことです。欠点は、静圧が比較的大きいこと、蓄熱槽に高い耐圧性が求められること、そして耐圧容器の設備コストが高いことです。一般的には、小型太陽光発電システムに使用されます。

実際の適用例においては、建物給湯システムや屋上蓄熱槽（自然循環給湯システムと併用）は開放型が主流です。また、基礎梁の空間を蓄熱槽として利用したり、コンクリート製の蓄熱槽を別途設置したりすることも開放型です。一方、システム運転温度が100℃を超える場合は、特殊な熱媒体を使用しない限り、蓄熱槽は密閉型にする必要があります。さらに、地上設置型強制循環給湯システムの蓄熱槽は、一般的に密閉型です。

開放型温水貯蔵タンクは、亜鉛メッキ鋼、ステンレス鋼、グラスファイバーから作られることが多く、密閉型は、エナメル、ステンレス鋼、グラスファイバーから作られることが多いです。

貯湯タンクは円筒形であることが多い。第一に、製造と密閉が容易で経済的である。第二に、放熱性に優れ、死水域を最小限に抑えることができる。第三に、耐圧性に優れている（一定の内圧下では、タンク壁に作用する張力はタンクの半径に比例する）。

蓄熱タンクの熱動特性

（１）熱力学的特性の主なパラメータ

① 蓄熱槽内の死水域の大きさ

②蓄熱槽内の異なる温度の水の混合度合いによって決まる混合特性Ｍ値の大きさ。

③蓄熱材内部の温度勾配

④ 熱交換器の熱容量

⑤ 蓄熱槽に接続される配管系の熱容量

⑥蓄熱槽自体の熱容量及びこれに接する周囲の環境（地中に埋設された蓄熱槽に適用）。

蓄熱媒体として水を使用する蓄熱槽の場合は、熱交換器が不要であるため、上記③、④の２つは無視できます。

（２）熱力学的特性に影響を与える要因

① 水槽内の流体の混合状態 - 蓄熱槽の実際の使用においては、水流路が不完全なピストン流動形態を形成する場合があり、これにより蓄熱が十分に行われないだけでなく、蓄熱した熱を十分に利用できなくなります。

②水槽構造と循環水量…主に水槽内のバッフルの数や形状、接続パイプの数や直径、位置、水槽の形状や循環水量を指します。

③ 熱損失と熱獲得 - 水槽自体に保護面があるため、熱損失と熱獲得は避けられません。熱需要の一時的なピークを緩和するように設計された短期蓄熱タンクの場合、地下に埋めて断熱すると、実際には熱力学に悪影響を及ぼす可能性があります。土壌には熱容量があるため、熱を蓄えるという一定の役割を果たすことができるからです。

④ 蓄熱温度と放熱温度—蓄熱温度とは、蓄熱終了時のタンク内の平均水温を指し、放熱温度とは、タンクから熱を取り出す際の出口水温を指します。熱が十分に利用できるかどうか、そして蓄熱タンクの寿命は、この2つの温度の測定方法に密接に関連しています。

蓄熱タンクの過渡応答

蓄熱槽を使用する場合、出口水温の変動は熱負荷を決定する上で非常に重要です。理論的には、槽内の水温分布を計算することで、入水温度と出水温度（一般的には入水温度と出水温度と呼ばれます）の関数関係を導くことができます。しかし、これには3次元連続方程式、運動量保存方程式、エネルギー保存方程式を解く必要があり、これは複雑なプロセスであり、長時間の計算プログラムを必要とします。

実際の設計においては、タンク内の水温分布を直接把握する必要はありません。入水温度と入熱量の時間変化を把握し、出力温度の時間変化を計算できれば十分です。現在、最も一般的に用いられている手法は、タンク全体を一つのシステムとして扱う「過渡応答法」です。入力と出力の間に線形関係があると仮定すれば（入水温度と出水温度が同程度であれば近似的に仮定できます）、入力温度の変化に対する出力温度の変化は、畳み込み積分を用いて計算できます。

まとめると、貯湯タンクを小規模・短期的な給湯・暖房・空調システム用の蓄熱装置として利用することは、太陽熱利用において重要な役割を果たしており、様々な実用化が進んでいます。季節をまたぐ大規模・長期的な蓄熱が必要な場合、過去20～30年の間に、一部の国では地下帯水層を効果的な蓄熱・省エネ対策として研究し始めています。