太陽熱温水器の冬期対策：配管の凍結と損傷を防ぐ方法

太陽熱温水システムの凍結防止

太陽熱温水器の集熱器とその屋外配管は、特に寒冷な高緯度地域では、厳しい冬季に凍結した水の膨張によって損傷を受けることがよくあります。そのため、太陽熱温水器の冬期対策を検討する必要があります。現在、太陽熱温水器の一般的な凍結防止対策は以下のとおりです。

凍結防止ソーラーコレクターの選び方

集熱器は太陽熱温水システムにおいて屋外に設置する必要がある重要な部品です。凍結防止機能付きの集熱器を選択すれば、厳しい冬季における凍結による損傷の心配がなくなります。

本書の第1章で紹介したヒートパイプ式真空管集熱器と、管を内蔵したオールガラス真空管集熱器は、どちらも凍結防止型の集熱器です。加熱された水が真空管に直接流入することはないため、真空管のガラスカバーチューブが水と接触することはありません。さらに、ヒートパイプ自体の作動流体容量が非常に低いため、零下数十度の温度でも真空管は凍結しません。

凍結防止機能を備えた別のタイプの集熱器として、ヒートパイプ式平板型集熱器があります。従来の平板型集熱器とは異なり、この集熱器は吸収器の配管にパイプではなくヒートパイプを使用しています。このヒートパイプは、低沸点・低凝固点の媒体を作動流体として使用することで、吸収器の凍結を防止します。しかし、ヒートパイプ式平板型集熱器は、前述の真空管型集熱器に比べて技術的・経済的性能が劣るため、まだ広く普及していません。

不凍液を使用した二重循環システム

二重循環システム（またはデュアルサーキットシステム）は、太陽熱温水システムに熱交換器を組み込んだシステムです。集熱器と熱交換器の高温側が第1回路（またはプライマリループ）を形成します。熱伝達媒体として低凝固点不凍液を使用することで、システムの不凍液として機能します。二重循環システムは、自然循環式と強制循環式の両方の太陽熱温水システムに使用できます。

自然循環システムでは、一次ループに不凍液を使用しますが、貯水タンクは屋外に設置され、システムの冷水タンクと給湯配管も一部屋外に設置されます。これらの屋外配管は、断熱材を施しても、冬の寒い夜に凍結しないという保証はありません。そのため、システム設計時には、使用後に配管内の温水を排出する手段を考慮することが重要です。例えば、サイフォン式の給湯管を冷水配管と兼用し、その上部に開閉を制御する大気開放弁を設置して配管内の温水を排出するといった方法があります。

自動排水機能付きリターンシステム

シングルループ強制循環システムでは、通常、温度差を利用して循環水ポンプの運転を制御し、貯水タンクは屋内（1階または地下）に設置されます。冬季の日中、十分な日射量がある場合、温度差コントローラが循環水ポンプを起動し、集水器を正常に稼働させます。夜間や曇りの日など、日射量が不足している場合は、温度差コントローラが循環水ポンプを停止し、集水器と配管内の水が重力によって貯水タンクに戻るようにすることで、凍結による損傷を防ぎます。翌日、または日射量が十分なレベルに戻ると、温度差コントローラが循環水ポンプを再起動し、貯水タンク内の水をデフレクタに送り込み、システムの稼働を継続させます。この凍結防止システムはシンプルで信頼性が高く、追加の機器を必要としません。ただし、システム内の循環水ポンプは高揚程である必要があります。

近年、海外では二重回路システムにも逆流式凍結防止対策が施され始めています。このシステムでは、第一回路では不凍液を使用せず、集熱器の熱媒体として水を使用します。夜間や曇りの日など日射量が不足すると、循環水ポンプが自動的に停止し、集熱器内の水はサイフォン効果によって専用に設計された小型貯水タンクに流れ込みます。翌日、あるいは日射量が再び十分になった際に、水は再び集熱器に送り込まれ、システムの運転を継続します。

排水システムを使用して貯留水を排出する

自然循環または強制循環の単回路システムでは、温度センサーがコレクターの吸収器の下、または屋外の最低周囲温度の配管に埋め込まれ、コントローラーに接続されます。コレクターまたは屋外配管内の水温が氷点下（3～4℃）に近づくと、コントローラーは温度センサーからの信号に基づいて排水弁とエア抜き弁を開きます。コレクターおよび屋外配管内の水は重力によってシステム外に排出され、再利用を防ぎ、目的の不凍効果を実現します。

貯湯タンクからの夜間温水自動循環

強制循環の単回路システムでは、温度感知素子がコレクターの吸収器の下の配管内、または屋外の最低周囲温度に埋め込まれ、コントローラに接続されています。コレクターまたは屋外の配管内の水温が凍結に近づくと（例：3～4℃）、コントローラは電源をオンにして循環ポンプを起動し、貯湯タンクからコレクターに温水を送り、コレクターと配管内の水温を上昇させます。コレクターまたは配管内の水温が設定値に達すると（またはポンプが設定時間稼働すると）、コントローラは電源をオフにして循環ポンプを停止します。この凍結防止方法は循環ポンプを動作させるためにある程度の電力を消費するため、極寒ではなく時々凍結する地域に適しています。

自然循環または強制循環の単回路システムでは、屋外配管の凍結しやすい箇所に自己制御型のヒーターテープを設置します。この方法では、ヒーターテープの近くに設置されたサーミスタをヒーターテープの回路に接続します。ヒーターテープに通電すると、配管内の水が加熱され、同時にサーミスタの温度が上昇して抵抗値が増加します。サーミスタの抵抗値が一定値に達すると、回路が遮断され、ヒーターテープへの通電が停止し、温度が徐々に下がります。このプロセスが何度も繰り返されることで、屋外配管内の水の凍結を防ぐと同時に、ヒーターテープが過熱して危険が生じるのを防ぎます。この凍結防止方法はある程度の電力を消費しますが、極寒の地域では効果的です。