太陽熱温水器: 種類と操作に関する包括的なガイド

太陽熱温水技術入門

非動力循環式瞬間太陽熱温水システム

システムコンポーネント: 真空管コレクター、接続可能な水タンク、調整可能なブラケット、および熱交換器。

無動力循環式瞬間太陽熱温水器の動作原理：真空管内の水は太陽光にさらされると加熱され始めます。水は加熱されると密度が低下し、自然にタンクへと循環し、徐々に水を温めます。温められた水は、ポリウレタンフォームで断熱されたタンクに貯められます。タンク内の固定された蛇腹管を流れる冷水は、加圧された水道水をタンク内の水とほぼ同じ温度（温度差2℃未満）まで昇温します。これにより、安定した加圧された清潔な温水が得られます。

自然循環型太陽熱温水システム

自然循環型太陽熱温水システムは、集熱器と貯水槽の温度差を利用して熱サイフォンヘッドを形成し、システム内で水を循環させます。同時に、集熱器から得られる有用なエネルギーは、水を加熱することで貯水槽に継続的に蓄えられます。

システムの運転中、集熱器内の水は太陽放射によって加熱され、温度が上昇し、密度が低下します。加熱された水は集熱器内を徐々に上昇し、集熱器の上部循環管を通って貯水タンクの上部へと流れ込みます。同時に、貯水タンクの底部から冷水が下部循環管を通って集熱器の底部へと流れ込みます。時間の経過とともに、貯水タンク内に明確な温度成層が形成され、まず上層の水が使用可能な温度に達し、この状態がタンク全体が完全に使用可能になるまで続きます。

温水を得る方法は2種類あります。1つは補給タンクを使用する方法で、貯湯タンクの底部に冷水を補充し、上層の温水を押し出して使用します。水位は補給タンク内のフロート弁によって制御されます。この方法はトップアップ方式と呼ばれることもあります。もう1つは補給タンクを使用せず、貯湯タンクの底部から重力によって温水を落下させる方法で、ドロップダウン方式と呼ばれることもあります。

強制循環型太陽熱温水システム

強制循環式太陽熱温水システムは、集熱器と貯水タンク間の配管に設置された水ポンプを用いてシステム内の水を循環させます。同時に、集熱器から得られる有用なエネルギーは、水を加熱することで貯水タンクに蓄えられます。

システムの運転中は、循環ポンプの起動と停止を制御する必要があります。そうしないと、電気エネルギーと熱エネルギーの両方が無駄になります。一般的に最も一般的な方法は温度差制御ですが、温度差制御と太陽光発電制御の両方を同時に使用する場合もあります。

温度差制御は、集水器出口の水温と貯水タンク底の水温との温度差を利用して循環ポンプの運転を制御します。

日の出後、集熱器内の水は太陽熱によって加熱され、徐々に温度が上昇します。集熱器出口と貯水槽底の水の温度差が設定値（通常8～10℃）に達すると、温度コントローラから循環ポンプを起動する信号が発せられ、システムが運転を開始します。曇りの時間帯や日没前の午後は、日射量が減少し、集熱器の温度が徐々に低下します。集熱器出口と貯水槽底の水の温度差が再び設定値（通常3～4℃）に達すると、温度コントローラから循環ポンプを停止する信号が発せられ、システムが運転を停止します。

太陽熱温水システム

お湯を得る方法にもトップフロー方式とドロップフロー方式の 2 種類があります。

トップフロー方式は、貯湯タンクの底に冷水（水道水）を注ぎ、上層の温水を押し出して使用します。ドロップフロー方式は、温水自体が重力によってタンクの底から落下することを利用し、強制循環下ではタンク内の水が完全に混合され、温度の成層化が大幅に防止されます。そのため、トップフロー方式とドロップフロー方式のどちらも、最初から温水を提供します。トップウォーター方式と比較すると、トップウォーター方式の利点は、加圧された温水噴霧によりユーザーの快適性が向上し、水タンクの補充を気にする必要がないことです。一方、欠点は、水タンクの底から流入する冷水がタンク内の温水と混ざる可能性があることです。トップウォーター方式は、温水と冷水の混合を防止できるという利点がある一方で、温水が重力によって落下するため、ユーザーの快適性に影響を与え、毎日水タンクを補充する必要があるという欠点もあります。

二重回路強制循環システムでは、熱交換器として、水槽内に設置する浸漬型熱交換器、または水槽外に設置するプレート型熱交換器のいずれかを使用できます。プレート型熱交換器は、浸漬型熱交換器に比べて多くの利点があります。第一に、プレート型熱交換器は伝熱面積が大きく、伝熱温度勾配が小さく、システム効率への影響が少ないという利点があります。第二に、プレート型熱交換器はシステム配管内に設置されるため、柔軟性が高く、システム設計とレイアウトが容易になります。第三に、プレート型熱交換器は市販されており、標準化されているため、品質保証と信頼性の確保が容易です。

強制循環システムは、大規模、中規模、小規模の太陽熱温水システムに適しています。

流通式太陽熱温水システムは、集熱器を一度通過するだけで水を希望の温度まで加熱し、その後加熱された水が連続的に貯水タンクに放出されます。

システムの運転中は、温水がユーザーの要求を満たすように、通常、定温排出方式が採用されています。コレクター入口パイプは水道管に接続されています。コレクター内の水は太陽熱によって加熱され、徐々に温度が上昇します。コレクター出口には温度センサーが設置されています。温度コントローラーは、コレクター入口に設置された電動バルブの開度を制御します。この温度コントローラーは、コレクター出口温度に基づいてコレクター入口流量を調整し、出口水温を一定に保ちます。このシステムの信頼性は、可変流量電動バルブとコントローラーの性能に大きく依存します。

電動バルブとコントローラへの厳しい要件を回避するため、一部のシステムでは、コレクター出口に電動バルブを設置し、バルブの状態を「開」と「閉」の2つに絞ります。コレクター出口温度が設定値に達すると、温度コントローラが電動バルブを開き、コレクター出口から貯水タンクに温水が流入します。同時に、コレクター出口温度が設定値を下回るまで、冷水（水道水）がコレクターに供給されます。電動バルブが閉じ、このプロセスが繰り返されます。この定温排水方法は比較的シンプルですが、電動バルブの閉止特性にヒステリシスがあるため、温水の温度が設定値よりも低くなる場合があります。

直流式給湯システムには多くの利点があります。第一に、強制循環式給湯システムと比較して水ポンプが不要です。第二に、自然循環式給湯システムと比較して貯湯タンクを屋内に設置できます。第三に、循環式給湯システムと比較して、毎日使用可能なお湯が早く利用可能になり、晴天期間であれば一定量の使用可能なお湯を確保できます。第四に、冬季の凍結防止のため、夜間に給湯システムから水を抜く設計が容易です。直流式給湯システムの欠点は、信頼性の高い可変流量電動バルブとコントローラーが必要であり、システムが複雑になり、投資額が増加することです。

直接流システムは主に大規模な太陽熱温水システムに適しています。