集熱システム
【課題】並列に配された集熱部内を流れる流体の流量がばらつくような配管の設置であっても、集熱部内の流体を送水せずにシステムの稼働可否の判断が可能とすることで、コストを低減することができる集熱システムを提供する。
【解決手段】集熱システム１は、流入ヘッダ６と、複数の流入配管７と、流体を太陽熱によって加熱する複数の集熱部２、３、４と、複数の流出配管８と、流体を合流させる流出ヘッダ９と、複数の集熱部のうち、少なくともいずれか１つを除く集熱部について、内部もしくは近傍にある流体の温度を測定する第１温度センサ１２と、温度センサによる流体の温度の実測値と、流入配管、集熱部および流出配管によって構成される複数の流路それぞれを流通する流体の流量とに基づいて、流出ヘッダで合流後の流体の温度の合流推定値を導出する演算部１５と、合流推定値に基づいて流体の流量を制御する供給制御部１６と、を備える。
【解決手段】集熱システム１は、流入ヘッダ６と、複数の流入配管７と、流体を太陽熱によって加熱する複数の集熱部２、３、４と、複数の流出配管８と、流体を合流させる流出ヘッダ９と、複数の集熱部のうち、少なくともいずれか１つを除く集熱部について、内部もしくは近傍にある流体の温度を測定する第１温度センサ１２と、温度センサによる流体の温度の実測値と、流入配管、集熱部および流出配管によって構成される複数の流路それぞれを流通する流体の流量とに基づいて、流出ヘッダで合流後の流体の温度の合流推定値を導出する演算部１５と、合流推定値に基づいて流体の流量を制御する供給制御部１６と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱によって流体を加熱する集熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽熱を利用して温水を生成する装置として、例えば、特許文献１に示されるように、１組の給水用ヘッダ（流入ヘッダ）と温水収集用ヘッダ（流出ヘッダ）それぞれに複数の集熱器を並列接続する構成の集熱システムが特に家庭用として普及している。
【０００３】
また、太陽熱によって加熱された温水や水蒸気の熱を空調等に利用する業務用の集熱システムは、直列に接続された複数の集熱器の列（以下「集熱部」と称する）をさらに並列接続することで、屋上面や屋根面の形状に合わせた設置方法としている。
【０００４】
こうした業務用の集熱システムでは、日射量が少ないとき等は集熱部内の水の十分な加熱が困難なため、システムを停止し、十分な日射量が確保可能になるとシステムを稼働させるのが一般的である。具体的には、集熱部によって加熱された温水の温度を温度センサによって測定するとともに、測定された温水の温度が要求される温度よりも高い場合には、集熱システムを稼働して集熱部に温水を循環させ、温度センサによって測定された温水の温度が要求される温度よりも低い場合には、集熱システムの稼働を停止するようにしている。
【０００５】
空調等で利用されるのは流出ヘッダで合流した後の温水であるため、システムの稼働可否の判断は、本来、各集熱部を流通した温水の合流後の温度に基づいて行われることが望ましい。したがって、各集熱部内の温水の温度を測定し、その測定温度から合流後の温水の温度を推定する構成が考えられるが、すべての集熱部に温度センサを設置することとなれば、コストが上昇してしまう。
【０００６】
そこで、温度センサを合流後の配管に設置することが考えられるが、この場合、システムの稼働可否の判断のため、一時的にポンプを駆動して、各集熱部で加熱された温水を、温度センサが設置された合流後の配管まで送水しなければならない。そして、合流後の温水の温度がシステムの稼働条件に対して高い場合には、そのままポンプの駆動を継続してシステムを稼働し、合流後の温水の温度がシステムの稼働条件に対して低い場合には、ポンプの駆動を停止させることとなる。このように、システムの稼働可否の判断のためだけにポンプを駆動させることとなれば、システム全体のエネルギー効率の低下要因となる。
【０００７】
上述した理由から、一般に、業務用の集熱システムでは、並列に配された各集熱部に温水を流通させる流路の長さ、配管の太さ、材質等を均一化することで、流量のばらつきを抑える構成が用いられている。このような従来の集熱システムの一例を図５に示す。
【０００８】
この図に示す従来の集熱システム１００では、集熱器１０１ａを直列に接続した集熱部１０１を並列に接続し、流体を流通させる流路の長さ、配管の太さ、材質等を均一化している。具体的に、図５におけるアルファベットを用いて流路を示すと、ａ、ｂ、ｅ、ｈを通る流路、ａ、ｃ、ｆ、ｈを通る流路、ａ、ｄ、ｇ、ｈを通る流路は、それぞれ流路の長さ、配管の太さ、材質等が等しい。こうして、流量のばらつきを抑える構成が用いられている。
【０００９】
そして、温度センサ１０２によって、複数の集熱部１０１のうち、いずれかの集熱部１０１内の流体の温度Ｔ１を測定し、温度センサ１０３によって、加熱された流体を利用する外部装置１０４における熱媒体等の温度Ｔａを測定し、温度センサ１０５によって、集熱部１０１の上流側の流体の温度Ｔｂを測定する。
【００１０】
この構成によれば、各流路の熱量や流通する流体の流量がほとんど等しいため、他の集熱部１０１の流体の温度もほとんど同じ温度と推定できる。したがって、１つの集熱部１０１内の流体の温度Ｔ１を測定することにより、合流後の流体の温度、すなわち、外部装置１０４に供給される流体の温度を推定することが可能となる。そして、集熱システム１００では、温度センサ１０２によって測定される温度Ｔ１と、温度センサ１０３、１０５によって測定される温度Ｔａ、Ｔｂとの温度差がそれぞれ予め定められた値を超えたときに、システムが稼働するように制御されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平８−２１９５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、上記のように流路の長さ、配管の太さ、材質等を均一化して施工することとなると、例えば、ａ、ｂ間の流量は直列に接続された各集熱部の流量の合計値となり、配管の減肉防止の目的として、配管口径を大きくする必要があるため、配管部材の切断、配管の接合等施工作業が煩雑化してしまい、コストの上昇に繋がるおそれがある。また、この構成では、最も長い流路に合わせて、他の流路も長くしなければならないため、施工する配管が無駄に長くなることもコストの上昇要因であった。
【００１３】
そこで、本発明は、施工作業が容易な比較的口径の小さな配管を用いることで低コスト化を図るとともに、並列に配された集熱部内を流れる流体の流量がばらつくような配管の設置であっても、集熱部内の流体を送水せずにシステムの稼働可否の判断を可能とすることで、コストを低減することができる集熱システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の集熱システムは、流体が供給される流入ヘッダと、流入ヘッダに接続され、流体が流通する複数の流入配管と、複数の流入配管のそれぞれに接続され、内部を流通する流体を太陽熱によって加熱する複数の集熱部と、複数の集熱部に接続され、流体が流通する複数の流出配管と、複数の流出配管が接続され、流出配管内を流通する流体を合流させる流出ヘッダと、複数の集熱部のうち、少なくともいずれか１つを除く集熱部について、内部もしくは近傍にある流体の温度を測定する温度測定手段と、温度測定手段によって測定された流体の温度の実測値と、流入配管、集熱部および流出配管によって構成される複数の流路それぞれを流通する流体の流量とに基づいて、流出ヘッダによって合流した流体の温度の合流推定値を導出する演算部と、演算部によって導出された合流推定値に基づいて、流体の流量を制御する供給制御部と、を備える。
【００１５】
演算部は、温度測定手段が配されていない流路を流通する流体の温度の推定値を、流路を流通する流体の流量と、温度測定手段が配された流路を流通する流体の温度および流量とに基づいて導出し、各流路を流通する流体の温度の推定値および実測値から合流推定値を導出してもよい。
【００１６】
演算部は、以下の数式１に基づいて合流後の流体の温度の合流推定値を導出してもよい。
【数１】
…（数式１）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値
Ｍ：集熱部の数
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度
Ｑｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の流量
Ｑｔ：流出ヘッダで合流した後の流体の流量
【００１７】
演算部は、以下の数式２に基づいて合流後の流体の温度の合流推定値を導出してもよい。
【数２】
…（数式２）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値
Ｍ：集熱部の数
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度
Ｖｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の流速
【００１８】
演算部は、以下の数式３に基づいて合流後の流体の温度の合流推定値を導出してもよい。
【数３】
…（数式３）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値
Ｍ：集熱部の数
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度
【００１９】
複数の流入配管と複数の流出配管のうち、少なくとも一本の配管はフレキシブル管で構成されてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、並列に配された集熱部内を流れる流体の流量がばらつくような配管の設置であっても、集熱部内の流体を送水せずにシステムの稼働可否の判断をすることができる。したがって、配管長を短くしたり、口径を小さくしたりして部材コストの低減や、敷設作業の簡素化を実現しつつ、エネルギー効率を低下させることなくシステムの稼働を適切に判断することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態の集熱システムを示す。
【図２】第１の実施形態の集熱システムの制御を説明するためのブロック図である。
【図３】第２の実施形態の集熱システムを示す。
【図４】第２の実施形態の集熱システムの制御を説明するためのブロック図である。
【図５】従来の集熱システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の集熱システム１を示す。本実施形態の集熱システム１は、例えば、建屋の屋上等に設置されるものである。この図に示すように、集熱システム１は、複数の集熱器２ａ、３ａ、４ａを備える。ここでは、集熱器２ａ、３ａ、４ａがそれぞれ複数（ここでは４つ）直列に接続されたものを集熱部２、３、４と称する。そして、本実施形態の集熱システム１は、集熱部２、３、４が３列並列に配されている。なお、集熱部２、３、４の数や、集熱部２、３、４の１列当たりの集熱器２ａ、３ａ、４ａの数は特に限定されるものではない。
【００２４】
集熱器２ａ、３ａ、４ａについては、周知の構成であるため詳細な説明は省略するが、集熱器２ａ、３ａ、４ａは、太陽からの輻射熱（太陽熱）で流体（水、温水）を加熱する装置である。
【００２５】
また、集熱システム１は、太陽熱を利用する外部装置５と接続されている。外部装置５は、例えば、熱を利用して冷却を行うことができる吸収式冷凍機や吸着式冷凍機等であり、空調システム等の一部を構成する。なお、外部装置５は、熱を蓄熱する蓄熱タンクであってもよく、太陽熱によって昇温された流体を利用する装置であれば、その構成や装置の用途等は限定されるものではない。吸収式冷凍機、吸着式冷凍機および蓄熱タンクは、周知の構成であるため詳細な説明は省略する。
【００２６】
集熱システム１のうち、外部装置５と接続され、外部装置５で利用（放熱）した後の流体が流入するのが流入ヘッダ６である。流入ヘッダ６には、複数の流入配管７が接続され、流入ヘッダ６から流体が流入配管７に流入する。各流入配管７は、それぞれ集熱部２、３、４に接続されており、流入配管７から集熱部２、３、４に流体が流入するようになっている。
【００２７】
集熱部２、３、４を通過して加熱された流体（ここでは、温水）は、各集熱部２、３、４に接続された流出配管８内部を流れる。そして、流出配管８内を流通する流体は、流出配管８が接続された流出ヘッダ９で合流して外部装置５に導かれる。
【００２８】
流出ヘッダ９には膨張タンク１０が接続されており、日照条件や設置条件、稼働条件等からシステムが停止した場合に、集熱部２、３、４内で滞留した流体が太陽熱によって加熱されて生じる水蒸気を、膨張タンク１０側に流入させるようにしている。そして、膨張タンク１０側に流入した水蒸気は、当該膨張タンク１０および（もしくは）図示しない放熱器によって冷却されて液化することとなる。なお、集熱器２ａ、３ａ、４ａの種類や、集熱システム１の配管設計によって、蒸気発生の有無や、蒸気の通過する経路は異なる。
【００２９】
ここで、本実施形態においては、流入配管７および流出配管８が、フレキシブル管によって構成されており、各流入配管７や各流出配管８の配管長がそれぞれ異なっている。ここでは、各配管７、８の径や材質は同一のものを利用するものとするが、各配管７、８の径や材質が異なるものであってもよい。ただし、流出配管８、流出ヘッダ９および膨張タンク１０は、上述したように水蒸気が通過することがあるため、耐熱性の高い部材で構成することが望ましい。以下では、流入ヘッダ６から流出ヘッダ９まで流体が流通する３つの流路を、図示のように、それぞれ流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３として説明する。
【００３０】
また、流出ヘッダ９と外部装置５とを接続する配管には、流出ヘッダ９で合流した流体を外部装置５に送水するポンプ１１が設けられている。
【００３１】
第１温度センサ１２（温度測定手段）は、複数の集熱部２、３、４のうちの１つの集熱部２内にある流体の温度（以下、第１温度センサ１２によって測定される温度を「実測値Ｔ１」と称す）を測定する。
【００３２】
なお、第１温度センサ１２は、集熱部２の近傍にある流体の温度を測定してもよい。ここで、集熱部２の近傍とは、流入配管７や流出配管８の内部のうち、集熱部２の出入口近傍であって、これら両配管７、８内部に滞留または流通する流体の温度が、集熱部２内に滞留または流通している流体の温度と許容範囲内の温度差にある位置である。
【００３３】
第２温度センサ１３は、外部装置５内または外部装置５近傍に配され、集熱システム１から流入した流体と熱交換する媒体やその媒体の容器等の温度Ｔａを測定する。かかる温度Ｔａは、例えば、外部装置５が、吸収式冷凍機であれば吸収溶液温度であり、吸着式冷凍機であれば吸着材温度であり、蓄熱タンクであれば蓄熱タンク温度である。
【００３４】
第３温度センサ１４は、流入ヘッダ６と外部装置５とを接続する配管６ａ内の流体の温度Ｔｂを測定する。
【００３５】
本実施形態では、集熱システム１は、複数の集熱部２、３、４のうち１つの集熱部２にのみ第１温度センサ１２が設けられており、演算部が、その実測値Ｔ１から、流出ヘッダ９で合流した後の流体の温度（以下「合流推定値Ｔｈ」と称す）を推定する。そして、後述する供給制御部が、合流推定値Ｔｈと、温度Ｔａ、Ｔｂとに基づいて、システムの稼働の可否を判断する。以下、かかる演算部および供給制御部について、図２を用いて詳述する。
【００３６】
図２は、第１の実施形態の集熱システム１の制御を説明するためのブロック図である。この図に示すように、集熱システム１は、演算部１５、供給制御部１６およびタイマ１７を備えている。
【００３７】
演算部１５には、ポンプ１１によって送出される流量Ｑｔ、流路を構成する配管長、配管径、配管の材質、集熱部２、３、４等の圧力損失特性等から、各流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を流れる流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を算出する流量算出式が予め記憶されている。この流量算出式は、例えば、配管長や配管径等が入力可能となっており、各数値の入力によって、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が算出されるように構成されている。そして、設置現場で配管等の敷設が完了した後、集熱システム１の運用を開始する前に、流量Ｑｔ、流路を構成する配管長、配管径、配管の材質、集熱部２、３、４等の圧力損失特性等の各数値を入力すると、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が算出されるとともに、当該算出された流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３および入力された流量Ｑｔが不図示の記憶部に記憶されることとなる。このように、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑｔが記憶部に記憶されることにより、集熱システム１の運用準備が整う。ここで、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の算出は、配管設備設計において一般的とされる方法で算出可能であるため、詳細は記載しない。
【００３８】
なお、ここでは、流量算出式を演算部１５に記憶しておき、配管長等を入力することによって、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が算出されて記憶部に記憶されることとしたが、こうした流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の演算を別途に行い、別途算出した流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を、単に記憶部に記憶することとしてもよい。いずれにしても、演算部１５は、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を特定することができる構成であればよい。ただし、本実施形態のように、演算部１５に流量算出式を記憶しておき、配管長等の各種条件を入力することで流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を算出するようにすれば、配管を交換した場合等、各種の条件が変更された場合にも、正確な流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３に即座に変更することが可能となる。
【００３９】
そして、演算部１５は、集熱システム１の運用中、タイマ１７によって所定時間（数ミリ秒〜数分）が計時されるたびに、第１温度センサ１２によって測定された流体の温度の実測値Ｔ１と、第３温度センサ１４によって測定された流体の温度Ｔｂを取得する。そして、取得した実測値Ｔ１と温度Ｔｂと、演算部１５に記憶された流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３とから、流出ヘッダ９によって合流した流体の温度である合流推定値Ｔｈを以下のように導出する。
【００４０】
本実施形態では、それぞれの集熱部２、３、４の日照条件等がほとんど等しく、集熱部２、３、４毎の時間当たりの集熱量Ｅが等しいものとする。すなわち、集熱部２における時間当たりの集熱量Ｅ＝集熱部３における時間当たりの集熱量Ｅ＝集熱部４における時間当たりの集熱量Ｅとすると、以下の数式４が成立する。
【数４】
…（数式４）
ただし、
Ｅ：それぞれの集熱部２、３、４における時間当たりの集熱量[ｋＷ]
Ｑ１：第１温度センサ１２が配された流路Ｌ１の流量[ｋｇ／ｈ]
Ｔ１：第１温度センサ１２によって測定された流体の温度の実測値[℃]
Ｑ２：流路Ｌ２を流通する流体の流量[ｋｇ／ｈ]
Ｔ２：流路Ｌ２を流通する流体の温度の推定値[℃]
Ｑ３：流路Ｌ３を流通する流体の流量[ｋｇ／ｈ]
Ｔ３：流路Ｌ３を流通する流体の温度の推定値[℃]
Ｔｂ：配管６ａ内の流体の温度[℃]
【００４１】
上述した数式４から、数式５が導かれる。演算部１５は、以下の数式５を記憶部に記憶している。演算部１５は、以下の数式５に示すように、流路Ｌ２を流通する流体の流量Ｑ２と、第１温度センサ１２が配された流路Ｌ１を流通する流体の温度Ｔ１および流量Ｑ１とに基づいて、推定値Ｔ２を導出する。
【数５】
…（数式５）
【００４２】
また、上述した数式４から、数式６が導かれる。演算部１５は、同様に、流路Ｌ３を流通する流体の温度の推定値Ｔ３も、例えば、以下の数式６に基づいて導出する。
【数６】
…（数式６）
【００４３】
本実施形態の集熱システム１は、第１温度センサ１２の実測値に基づいて、第１温度センサ１２を配していない集熱部３、４の内部を流通する流体の温度の推定値を導出できるため、第１温度センサ１２を複数配する場合に比べてコストを抑えることができる。
【００４４】
続いて、演算部１５は、数式５および数式６によって導出された推定値Ｔ２、Ｔ３と、実測値Ｔ１から、以下の数式１に基づいて合流推定値Ｔｈを導出する。なお、Ｑｔは設計時にシステム設計者が集熱効率や集熱器設置面積等から決定する、システム毎のある固有値である。
【数７】
…（数式１）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値[℃]
Ｍ：集熱部２、３、４の数（本実施形態においては３）
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度（実測値Ｔ１、推定値Ｔ２、Ｔ３）[℃]
Ｑｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の流量[ｋｇ／ｈ]
Ｑｔ：流出ヘッダで合流した後の流体の流量[ｋｇ／ｈ]
【００４５】
このように、数式１に基づいて合流推定値Ｔｈを導出する構成により、演算部１５は、合流推定値Ｔｈを、それぞれの流出配管８の内部を流通する流体の流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の比率に則って、精度よく導出することができる。
【００４６】
また、上述した数式１は、流量＝流路の断面積×流速であるため、以下の数式２に置き換えて用いることもできる。この場合、流量の代わりに流速を予め導出して記憶しておくこととなる。
【数８】
…（数式２）
ただし、
Ｖｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の流速[ｍ／ｓ]
【００４７】
また、演算部１５は、上述した数式１に代えて、以下の数式３に基づいて合流推定値Ｔｈを導出してもよい。
【数９】
…（数式３）
【００４８】
この場合、数式１や数式２を用いる方法と比べ、Ｔｈを推定する精度は低下するが、数式３に基づいて合流推定値Ｔｈを導出する構成により、演算部１５は、合流推定値Ｔｈを、より簡易な計算処理で導出することができる。
【００４９】
供給制御部１６は、演算部１５によって導出された合流推定値Ｔｈに基づいて、集熱システム１内を流れる流体の流量を制御する。具体的には、供給制御部１６は、図２に示すように、演算部１５から合流推定値Ｔｈ、第２温度センサ１３、第３温度センサ１４からそれぞれ温度Ｔａ、Ｔｂを取得する。そして、供給制御部１６は、Ｔｈ>Ｔａ＋αかつＴｈ>Ｔｂ＋βとなった場合にポンプ１１を駆動制御し、Ｔｈ<Ｔａ＋γまたはＴｈ<Ｔｂ＋δとなった場合にポンプ１１を停止制御する（ただし、α、β、γ、δは供給制御部１６に予め入力される定数とする）。
【００５０】
仮に、合流推定値Ｔｈではなく、単に実測値Ｔ１を用いてシステムの稼働可否の判断を行う場合、Ｔ１>Ｔａ＋αであっても、温度を測定していない他の集熱部３、４で加熱された流体の温度が低く、実際にはＴｈ<Ｔａ＋αとなる場合がある。同様に、Ｔ１>Ｔｂ＋βであっても、Ｔｈ<Ｔｂ＋βとなる場合がある。これらの場合、合流後の流体の温度が低過ぎて外部装置５による熱利用ができないまま、集熱システム１が稼働して逆放熱となってしまうこととなる。供給制御部１６は、合流推定値Ｔｈに基づいてシステムの稼働の可否を判断するため、このような事態を回避できる。
【００５１】
上述したように、本実施形態の集熱システム１は、１つの集熱部２に配された第１温度センサ１２のみで合流推定値Ｔｈを導出でき、第１温度センサ１２の数を最小に抑えてコストを低減することができる。また、合流推定値Ｔｈを導出するため、ポンプ１１を稼働させて集熱部２、３、４内の流体を送水させずとも、集熱システム１の稼働の判断を遂行できる。この合流推定値Ｔｈは、複数の流入配管７それぞれの内部を流通する流体の流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の比率を勘案して導出されるため、集熱システム１は、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を均一化するために、流量調整用のバルブを設けたり、流入ヘッダ６から流出ヘッダ９への複数の流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の長さ、配管の太さ、材質等を均一化する必要がなく、部品の調達コストや施工コストを低減できる。
【００５２】
また、長尺（一般に２０ｍ程度）のフレキシブル管は、口径が大きくなる（一般に２０ｍｍ以上）と施工性が低下することから、口径の小さなもののみ販売されているため、従来では流入配管および流出配管にフレキシブル管を用いることができなかった。本実施形態の集熱システム１は、上記のように、複数の流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の流量を均一化する必要がなく、さらに、図５のａ、ｂ間のように流量が多くなる箇所がないことから、配管の口径を大きくする必要もないため、流入配管７および流出配管８をフレキシブル管で構成することができる。
【００５３】
可撓性を有するフレキシブル管を用いれば、配管の配置の自由度が向上し、施工先の環境に応じて変形可能となる。そして、耐熱温度の高い長尺のフレキシブル管を用いることにより、特に、上述した水蒸気が通過する流出配管８等の接合部分に耐熱性の高いシール材を用いる箇所の数を低減でき、また、水蒸気の通過しない箇所についても、熱伸縮吸収部や配管支持金具の設置が不要となること等から、さらなる施工コストの低減が可能となる。
【００５４】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態における集熱システム２０について説明する。第２の実施形態では、上記第１の実施形態と第１温度センサ１２ａ、１２ｂの数および演算部２１の処理が異なるので、ここでは、上記第１の実施形態と同じ構成については説明を省略し、構成が異なる第１温度センサ１２ａ、１２ｂの数および演算部２１についてのみ説明する。
【００５５】
図３は、第２の実施形態における集熱システム２０を示し、図４は、第２の実施形態の集熱システム２０の制御を説明するためのブロック図である。第２の実施形態では、第１温度センサ１２ａ、１２ｂが２つの集熱部２、３にそれぞれ配されている。
【００５６】
演算部２１は、第１温度センサ１２ａによって測定された実測値Ｔ１ａおよび第１温度センサ１２ｂによって測定された実測値Ｔ１ｂそれぞれに基づいて、上記の式から合流推定値Ｔｈａ、Ｔｈｂを導出し、その平均値から合流推定値Ｔｈを導出する。このように、温度センサの数を増やすことで、演算部２１は、合流推定値Ｔｈをより高精度に導出できる。
【００５７】
また、演算部２１は、導出した合流推定値Ｔｈａ、Ｔｈｂのうち、いずれか低温の方に基づいて、システムの稼働の可否を判断してもよいし、いずれか高温の方に基づいて、システムの稼働の可否を判断してもよい。
【００５８】
また、複数の集熱部２、３、４のいずれかが、季節や時間帯等によっては日陰になり易い等、日照条件にばらつきがある場合もあり得る。この場合、演算部２１が、例えば、季節や時間帯等に応じて、第１温度センサ１２ａ、１２ｂのうち、他の集熱部４の日照条件とより等しい集熱部の流体の温度を測定していると考えられる方の実測値を用いて、合流推定値Ｔｈを導出するようにしてもよい。かかる構成により、外部環境の変化による影響を排除し、演算部２１は、より高精度に合流推定値Ｔｈを導出することが可能となる。
【００５９】
なお、上述した実施形態では、３つの流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３それぞれの流量が異なったが、いずれか１つの流路のみが、他の流路と流量が異なる構成も含まれる。また、上述した実施形態では、流入配管７および流出配管８すべてがフレキシブル管である構成を例に挙げたが、いずれか一本のみがフレキシブル管であってもよいし、流入配管７および流出配管８の全てが固定配管であっても構わない。
【００６０】
また、上述した実施形態では、複数の流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が３つである例を挙げたが、流路の数は２つであっても４つ以上であってもよい。また、第１温度センサ１２は、流路が４つ以上の場合において、複数の流路のうち、少なくともいずれか１つを除く流路に配されればよい。つまり、複数の集熱部が設けられた場合において、１つの集熱部を除く他の全ての集熱部に第１温度センサ１２を設けることとしてもよい。
【００６１】
また、上述した実施形態では、流体として水（温水）を例に挙げたが、水に限らず、熱伝達可能な流体であればよい。
【００６２】
また、上述した実施形態では、第１温度センサ１２は、集熱部２内の出口付近（下流側）に配されるが、例えば、入口付近（上流側）に配されてもよい。また、第１温度センサ１２は、直接流体の温度を測定する構成に限らず、集熱器２ａ、３ａ、４ａの集熱パネルや配管の温度を測定して間接的に流体の温度を検出してもよい。
【００６３】
なお、上述した実施形態では、集熱部２、３、４それぞれの時間当たりの集熱量Ｅは等しいものとしたが、実際には、季節や時間帯等によって日陰になる等、集熱部２、３、４ごとに集熱量Ｅが変化する場合がある。そこで、予め、集熱部２、３、４ごとの時間当たりの集熱量Ｅの変化を測定したり、予測したりして、季節や時間帯等の条件に応じて所定の補正係数を考慮したうえで合流推定値Ｔｈを導出してもよい。
【００６４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、太陽熱によって流体を加熱する集熱システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１、２０ 集熱システム
２、３、４ 集熱部
６ 流入ヘッダ
７ 流入配管
８ 流出配管
９ 流出ヘッダ
１２、１２ａ、１２ｂ 第１温度センサ（温度測定手段）
１５、２１ 演算部
１６ 供給制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱によって流体を加熱する集熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽熱を利用して温水を生成する装置として、例えば、特許文献１に示されるように、１組の給水用ヘッダ（流入ヘッダ）と温水収集用ヘッダ（流出ヘッダ）それぞれに複数の集熱器を並列接続する構成の集熱システムが特に家庭用として普及している。
【０００３】
また、太陽熱によって加熱された温水や水蒸気の熱を空調等に利用する業務用の集熱システムは、直列に接続された複数の集熱器の列（以下「集熱部」と称する）をさらに並列接続することで、屋上面や屋根面の形状に合わせた設置方法としている。
【０００４】
こうした業務用の集熱システムでは、日射量が少ないとき等は集熱部内の水の十分な加熱が困難なため、システムを停止し、十分な日射量が確保可能になるとシステムを稼働させるのが一般的である。具体的には、集熱部によって加熱された温水の温度を温度センサによって測定するとともに、測定された温水の温度が要求される温度よりも高い場合には、集熱システムを稼働して集熱部に温水を循環させ、温度センサによって測定された温水の温度が要求される温度よりも低い場合には、集熱システムの稼働を停止するようにしている。
【０００５】
空調等で利用されるのは流出ヘッダで合流した後の温水であるため、システムの稼働可否の判断は、本来、各集熱部を流通した温水の合流後の温度に基づいて行われることが望ましい。したがって、各集熱部内の温水の温度を測定し、その測定温度から合流後の温水の温度を推定する構成が考えられるが、すべての集熱部に温度センサを設置することとなれば、コストが上昇してしまう。
【０００６】
そこで、温度センサを合流後の配管に設置することが考えられるが、この場合、システムの稼働可否の判断のため、一時的にポンプを駆動して、各集熱部で加熱された温水を、温度センサが設置された合流後の配管まで送水しなければならない。そして、合流後の温水の温度がシステムの稼働条件に対して高い場合には、そのままポンプの駆動を継続してシステムを稼働し、合流後の温水の温度がシステムの稼働条件に対して低い場合には、ポンプの駆動を停止させることとなる。このように、システムの稼働可否の判断のためだけにポンプを駆動させることとなれば、システム全体のエネルギー効率の低下要因となる。
【０００７】
上述した理由から、一般に、業務用の集熱システムでは、並列に配された各集熱部に温水を流通させる流路の長さ、配管の太さ、材質等を均一化することで、流量のばらつきを抑える構成が用いられている。このような従来の集熱システムの一例を図５に示す。
【０００８】
この図に示す従来の集熱システム１００では、集熱器１０１ａを直列に接続した集熱部１０１を並列に接続し、流体を流通させる流路の長さ、配管の太さ、材質等を均一化している。具体的に、図５におけるアルファベットを用いて流路を示すと、ａ、ｂ、ｅ、ｈを通る流路、ａ、ｃ、ｆ、ｈを通る流路、ａ、ｄ、ｇ、ｈを通る流路は、それぞれ流路の長さ、配管の太さ、材質等が等しい。こうして、流量のばらつきを抑える構成が用いられている。
【０００９】
そして、温度センサ１０２によって、複数の集熱部１０１のうち、いずれかの集熱部１０１内の流体の温度Ｔ１を測定し、温度センサ１０３によって、加熱された流体を利用する外部装置１０４における熱媒体等の温度Ｔａを測定し、温度センサ１０５によって、集熱部１０１の上流側の流体の温度Ｔｂを測定する。
【００１０】
この構成によれば、各流路の熱量や流通する流体の流量がほとんど等しいため、他の集熱部１０１の流体の温度もほとんど同じ温度と推定できる。したがって、１つの集熱部１０１内の流体の温度Ｔ１を測定することにより、合流後の流体の温度、すなわち、外部装置１０４に供給される流体の温度を推定することが可能となる。そして、集熱システム１００では、温度センサ１０２によって測定される温度Ｔ１と、温度センサ１０３、１０５によって測定される温度Ｔａ、Ｔｂとの温度差がそれぞれ予め定められた値を超えたときに、システムが稼働するように制御されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平８−２１９５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、上記のように流路の長さ、配管の太さ、材質等を均一化して施工することとなると、例えば、ａ、ｂ間の流量は直列に接続された各集熱部の流量の合計値となり、配管の減肉防止の目的として、配管口径を大きくする必要があるため、配管部材の切断、配管の接合等施工作業が煩雑化してしまい、コストの上昇に繋がるおそれがある。また、この構成では、最も長い流路に合わせて、他の流路も長くしなければならないため、施工する配管が無駄に長くなることもコストの上昇要因であった。
【００１３】
そこで、本発明は、施工作業が容易な比較的口径の小さな配管を用いることで低コスト化を図るとともに、並列に配された集熱部内を流れる流体の流量がばらつくような配管の設置であっても、集熱部内の流体を送水せずにシステムの稼働可否の判断を可能とすることで、コストを低減することができる集熱システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の集熱システムは、流体が供給される流入ヘッダと、流入ヘッダに接続され、流体が流通する複数の流入配管と、複数の流入配管のそれぞれに接続され、内部を流通する流体を太陽熱によって加熱する複数の集熱部と、複数の集熱部に接続され、流体が流通する複数の流出配管と、複数の流出配管が接続され、流出配管内を流通する流体を合流させる流出ヘッダと、複数の集熱部のうち、少なくともいずれか１つを除く集熱部について、内部もしくは近傍にある流体の温度を測定する温度測定手段と、温度測定手段によって測定された流体の温度の実測値と、流入配管、集熱部および流出配管によって構成される複数の流路それぞれを流通する流体の流量とに基づいて、流出ヘッダによって合流した流体の温度の合流推定値を導出する演算部と、演算部によって導出された合流推定値に基づいて、流体の流量を制御する供給制御部と、を備える。
【００１５】
演算部は、温度測定手段が配されていない流路を流通する流体の温度の推定値を、流路を流通する流体の流量と、温度測定手段が配された流路を流通する流体の温度および流量とに基づいて導出し、各流路を流通する流体の温度の推定値および実測値から合流推定値を導出してもよい。
【００１６】
演算部は、以下の数式１に基づいて合流後の流体の温度の合流推定値を導出してもよい。
【数１】
…（数式１）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値
Ｍ：集熱部の数
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度
Ｑｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の流量
Ｑｔ：流出ヘッダで合流した後の流体の流量
【００１７】
演算部は、以下の数式２に基づいて合流後の流体の温度の合流推定値を導出してもよい。
【数２】
…（数式２）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値
Ｍ：集熱部の数
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度
Ｖｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の流速
【００１８】
演算部は、以下の数式３に基づいて合流後の流体の温度の合流推定値を導出してもよい。
【数３】
…（数式３）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値
Ｍ：集熱部の数
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度
【００１９】
複数の流入配管と複数の流出配管のうち、少なくとも一本の配管はフレキシブル管で構成されてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、並列に配された集熱部内を流れる流体の流量がばらつくような配管の設置であっても、集熱部内の流体を送水せずにシステムの稼働可否の判断をすることができる。したがって、配管長を短くしたり、口径を小さくしたりして部材コストの低減や、敷設作業の簡素化を実現しつつ、エネルギー効率を低下させることなくシステムの稼働を適切に判断することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態の集熱システムを示す。
【図２】第１の実施形態の集熱システムの制御を説明するためのブロック図である。
【図３】第２の実施形態の集熱システムを示す。
【図４】第２の実施形態の集熱システムの制御を説明するためのブロック図である。
【図５】従来の集熱システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の集熱システム１を示す。本実施形態の集熱システム１は、例えば、建屋の屋上等に設置されるものである。この図に示すように、集熱システム１は、複数の集熱器２ａ、３ａ、４ａを備える。ここでは、集熱器２ａ、３ａ、４ａがそれぞれ複数（ここでは４つ）直列に接続されたものを集熱部２、３、４と称する。そして、本実施形態の集熱システム１は、集熱部２、３、４が３列並列に配されている。なお、集熱部２、３、４の数や、集熱部２、３、４の１列当たりの集熱器２ａ、３ａ、４ａの数は特に限定されるものではない。
【００２４】
集熱器２ａ、３ａ、４ａについては、周知の構成であるため詳細な説明は省略するが、集熱器２ａ、３ａ、４ａは、太陽からの輻射熱（太陽熱）で流体（水、温水）を加熱する装置である。
【００２５】
また、集熱システム１は、太陽熱を利用する外部装置５と接続されている。外部装置５は、例えば、熱を利用して冷却を行うことができる吸収式冷凍機や吸着式冷凍機等であり、空調システム等の一部を構成する。なお、外部装置５は、熱を蓄熱する蓄熱タンクであってもよく、太陽熱によって昇温された流体を利用する装置であれば、その構成や装置の用途等は限定されるものではない。吸収式冷凍機、吸着式冷凍機および蓄熱タンクは、周知の構成であるため詳細な説明は省略する。
【００２６】
集熱システム１のうち、外部装置５と接続され、外部装置５で利用（放熱）した後の流体が流入するのが流入ヘッダ６である。流入ヘッダ６には、複数の流入配管７が接続され、流入ヘッダ６から流体が流入配管７に流入する。各流入配管７は、それぞれ集熱部２、３、４に接続されており、流入配管７から集熱部２、３、４に流体が流入するようになっている。
【００２７】
集熱部２、３、４を通過して加熱された流体（ここでは、温水）は、各集熱部２、３、４に接続された流出配管８内部を流れる。そして、流出配管８内を流通する流体は、流出配管８が接続された流出ヘッダ９で合流して外部装置５に導かれる。
【００２８】
流出ヘッダ９には膨張タンク１０が接続されており、日照条件や設置条件、稼働条件等からシステムが停止した場合に、集熱部２、３、４内で滞留した流体が太陽熱によって加熱されて生じる水蒸気を、膨張タンク１０側に流入させるようにしている。そして、膨張タンク１０側に流入した水蒸気は、当該膨張タンク１０および（もしくは）図示しない放熱器によって冷却されて液化することとなる。なお、集熱器２ａ、３ａ、４ａの種類や、集熱システム１の配管設計によって、蒸気発生の有無や、蒸気の通過する経路は異なる。
【００２９】
ここで、本実施形態においては、流入配管７および流出配管８が、フレキシブル管によって構成されており、各流入配管７や各流出配管８の配管長がそれぞれ異なっている。ここでは、各配管７、８の径や材質は同一のものを利用するものとするが、各配管７、８の径や材質が異なるものであってもよい。ただし、流出配管８、流出ヘッダ９および膨張タンク１０は、上述したように水蒸気が通過することがあるため、耐熱性の高い部材で構成することが望ましい。以下では、流入ヘッダ６から流出ヘッダ９まで流体が流通する３つの流路を、図示のように、それぞれ流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３として説明する。
【００３０】
また、流出ヘッダ９と外部装置５とを接続する配管には、流出ヘッダ９で合流した流体を外部装置５に送水するポンプ１１が設けられている。
【００３１】
第１温度センサ１２（温度測定手段）は、複数の集熱部２、３、４のうちの１つの集熱部２内にある流体の温度（以下、第１温度センサ１２によって測定される温度を「実測値Ｔ１」と称す）を測定する。
【００３２】
なお、第１温度センサ１２は、集熱部２の近傍にある流体の温度を測定してもよい。ここで、集熱部２の近傍とは、流入配管７や流出配管８の内部のうち、集熱部２の出入口近傍であって、これら両配管７、８内部に滞留または流通する流体の温度が、集熱部２内に滞留または流通している流体の温度と許容範囲内の温度差にある位置である。
【００３３】
第２温度センサ１３は、外部装置５内または外部装置５近傍に配され、集熱システム１から流入した流体と熱交換する媒体やその媒体の容器等の温度Ｔａを測定する。かかる温度Ｔａは、例えば、外部装置５が、吸収式冷凍機であれば吸収溶液温度であり、吸着式冷凍機であれば吸着材温度であり、蓄熱タンクであれば蓄熱タンク温度である。
【００３４】
第３温度センサ１４は、流入ヘッダ６と外部装置５とを接続する配管６ａ内の流体の温度Ｔｂを測定する。
【００３５】
本実施形態では、集熱システム１は、複数の集熱部２、３、４のうち１つの集熱部２にのみ第１温度センサ１２が設けられており、演算部が、その実測値Ｔ１から、流出ヘッダ９で合流した後の流体の温度（以下「合流推定値Ｔｈ」と称す）を推定する。そして、後述する供給制御部が、合流推定値Ｔｈと、温度Ｔａ、Ｔｂとに基づいて、システムの稼働の可否を判断する。以下、かかる演算部および供給制御部について、図２を用いて詳述する。
【００３６】
図２は、第１の実施形態の集熱システム１の制御を説明するためのブロック図である。この図に示すように、集熱システム１は、演算部１５、供給制御部１６およびタイマ１７を備えている。
【００３７】
演算部１５には、ポンプ１１によって送出される流量Ｑｔ、流路を構成する配管長、配管径、配管の材質、集熱部２、３、４等の圧力損失特性等から、各流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を流れる流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を算出する流量算出式が予め記憶されている。この流量算出式は、例えば、配管長や配管径等が入力可能となっており、各数値の入力によって、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が算出されるように構成されている。そして、設置現場で配管等の敷設が完了した後、集熱システム１の運用を開始する前に、流量Ｑｔ、流路を構成する配管長、配管径、配管の材質、集熱部２、３、４等の圧力損失特性等の各数値を入力すると、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が算出されるとともに、当該算出された流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３および入力された流量Ｑｔが不図示の記憶部に記憶されることとなる。このように、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑｔが記憶部に記憶されることにより、集熱システム１の運用準備が整う。ここで、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の算出は、配管設備設計において一般的とされる方法で算出可能であるため、詳細は記載しない。
【００３８】
なお、ここでは、流量算出式を演算部１５に記憶しておき、配管長等を入力することによって、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が算出されて記憶部に記憶されることとしたが、こうした流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の演算を別途に行い、別途算出した流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を、単に記憶部に記憶することとしてもよい。いずれにしても、演算部１５は、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を特定することができる構成であればよい。ただし、本実施形態のように、演算部１５に流量算出式を記憶しておき、配管長等の各種条件を入力することで流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を算出するようにすれば、配管を交換した場合等、各種の条件が変更された場合にも、正確な流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３に即座に変更することが可能となる。
【００３９】
そして、演算部１５は、集熱システム１の運用中、タイマ１７によって所定時間（数ミリ秒〜数分）が計時されるたびに、第１温度センサ１２によって測定された流体の温度の実測値Ｔ１と、第３温度センサ１４によって測定された流体の温度Ｔｂを取得する。そして、取得した実測値Ｔ１と温度Ｔｂと、演算部１５に記憶された流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３とから、流出ヘッダ９によって合流した流体の温度である合流推定値Ｔｈを以下のように導出する。
【００４０】
本実施形態では、それぞれの集熱部２、３、４の日照条件等がほとんど等しく、集熱部２、３、４毎の時間当たりの集熱量Ｅが等しいものとする。すなわち、集熱部２における時間当たりの集熱量Ｅ＝集熱部３における時間当たりの集熱量Ｅ＝集熱部４における時間当たりの集熱量Ｅとすると、以下の数式４が成立する。
【数４】
…（数式４）
ただし、
Ｅ：それぞれの集熱部２、３、４における時間当たりの集熱量[ｋＷ]
Ｑ１：第１温度センサ１２が配された流路Ｌ１の流量[ｋｇ／ｈ]
Ｔ１：第１温度センサ１２によって測定された流体の温度の実測値[℃]
Ｑ２：流路Ｌ２を流通する流体の流量[ｋｇ／ｈ]
Ｔ２：流路Ｌ２を流通する流体の温度の推定値[℃]
Ｑ３：流路Ｌ３を流通する流体の流量[ｋｇ／ｈ]
Ｔ３：流路Ｌ３を流通する流体の温度の推定値[℃]
Ｔｂ：配管６ａ内の流体の温度[℃]
【００４１】
上述した数式４から、数式５が導かれる。演算部１５は、以下の数式５を記憶部に記憶している。演算部１５は、以下の数式５に示すように、流路Ｌ２を流通する流体の流量Ｑ２と、第１温度センサ１２が配された流路Ｌ１を流通する流体の温度Ｔ１および流量Ｑ１とに基づいて、推定値Ｔ２を導出する。
【数５】
…（数式５）
【００４２】
また、上述した数式４から、数式６が導かれる。演算部１５は、同様に、流路Ｌ３を流通する流体の温度の推定値Ｔ３も、例えば、以下の数式６に基づいて導出する。
【数６】
…（数式６）
【００４３】
本実施形態の集熱システム１は、第１温度センサ１２の実測値に基づいて、第１温度センサ１２を配していない集熱部３、４の内部を流通する流体の温度の推定値を導出できるため、第１温度センサ１２を複数配する場合に比べてコストを抑えることができる。
【００４４】
続いて、演算部１５は、数式５および数式６によって導出された推定値Ｔ２、Ｔ３と、実測値Ｔ１から、以下の数式１に基づいて合流推定値Ｔｈを導出する。なお、Ｑｔは設計時にシステム設計者が集熱効率や集熱器設置面積等から決定する、システム毎のある固有値である。
【数７】
…（数式１）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値[℃]
Ｍ：集熱部２、３、４の数（本実施形態においては３）
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度（実測値Ｔ１、推定値Ｔ２、Ｔ３）[℃]
Ｑｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の流量[ｋｇ／ｈ]
Ｑｔ：流出ヘッダで合流した後の流体の流量[ｋｇ／ｈ]
【００４５】
このように、数式１に基づいて合流推定値Ｔｈを導出する構成により、演算部１５は、合流推定値Ｔｈを、それぞれの流出配管８の内部を流通する流体の流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の比率に則って、精度よく導出することができる。
【００４６】
また、上述した数式１は、流量＝流路の断面積×流速であるため、以下の数式２に置き換えて用いることもできる。この場合、流量の代わりに流速を予め導出して記憶しておくこととなる。
【数８】
…（数式２）
ただし、
Ｖｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の流速[ｍ／ｓ]
【００４７】
また、演算部１５は、上述した数式１に代えて、以下の数式３に基づいて合流推定値Ｔｈを導出してもよい。
【数９】
…（数式３）
【００４８】
この場合、数式１や数式２を用いる方法と比べ、Ｔｈを推定する精度は低下するが、数式３に基づいて合流推定値Ｔｈを導出する構成により、演算部１５は、合流推定値Ｔｈを、より簡易な計算処理で導出することができる。
【００４９】
供給制御部１６は、演算部１５によって導出された合流推定値Ｔｈに基づいて、集熱システム１内を流れる流体の流量を制御する。具体的には、供給制御部１６は、図２に示すように、演算部１５から合流推定値Ｔｈ、第２温度センサ１３、第３温度センサ１４からそれぞれ温度Ｔａ、Ｔｂを取得する。そして、供給制御部１６は、Ｔｈ>Ｔａ＋αかつＴｈ>Ｔｂ＋βとなった場合にポンプ１１を駆動制御し、Ｔｈ<Ｔａ＋γまたはＴｈ<Ｔｂ＋δとなった場合にポンプ１１を停止制御する（ただし、α、β、γ、δは供給制御部１６に予め入力される定数とする）。
【００５０】
仮に、合流推定値Ｔｈではなく、単に実測値Ｔ１を用いてシステムの稼働可否の判断を行う場合、Ｔ１>Ｔａ＋αであっても、温度を測定していない他の集熱部３、４で加熱された流体の温度が低く、実際にはＴｈ<Ｔａ＋αとなる場合がある。同様に、Ｔ１>Ｔｂ＋βであっても、Ｔｈ<Ｔｂ＋βとなる場合がある。これらの場合、合流後の流体の温度が低過ぎて外部装置５による熱利用ができないまま、集熱システム１が稼働して逆放熱となってしまうこととなる。供給制御部１６は、合流推定値Ｔｈに基づいてシステムの稼働の可否を判断するため、このような事態を回避できる。
【００５１】
上述したように、本実施形態の集熱システム１は、１つの集熱部２に配された第１温度センサ１２のみで合流推定値Ｔｈを導出でき、第１温度センサ１２の数を最小に抑えてコストを低減することができる。また、合流推定値Ｔｈを導出するため、ポンプ１１を稼働させて集熱部２、３、４内の流体を送水させずとも、集熱システム１の稼働の判断を遂行できる。この合流推定値Ｔｈは、複数の流入配管７それぞれの内部を流通する流体の流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の比率を勘案して導出されるため、集熱システム１は、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を均一化するために、流量調整用のバルブを設けたり、流入ヘッダ６から流出ヘッダ９への複数の流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の長さ、配管の太さ、材質等を均一化する必要がなく、部品の調達コストや施工コストを低減できる。
【００５２】
また、長尺（一般に２０ｍ程度）のフレキシブル管は、口径が大きくなる（一般に２０ｍｍ以上）と施工性が低下することから、口径の小さなもののみ販売されているため、従来では流入配管および流出配管にフレキシブル管を用いることができなかった。本実施形態の集熱システム１は、上記のように、複数の流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の流量を均一化する必要がなく、さらに、図５のａ、ｂ間のように流量が多くなる箇所がないことから、配管の口径を大きくする必要もないため、流入配管７および流出配管８をフレキシブル管で構成することができる。
【００５３】
可撓性を有するフレキシブル管を用いれば、配管の配置の自由度が向上し、施工先の環境に応じて変形可能となる。そして、耐熱温度の高い長尺のフレキシブル管を用いることにより、特に、上述した水蒸気が通過する流出配管８等の接合部分に耐熱性の高いシール材を用いる箇所の数を低減でき、また、水蒸気の通過しない箇所についても、熱伸縮吸収部や配管支持金具の設置が不要となること等から、さらなる施工コストの低減が可能となる。
【００５４】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態における集熱システム２０について説明する。第２の実施形態では、上記第１の実施形態と第１温度センサ１２ａ、１２ｂの数および演算部２１の処理が異なるので、ここでは、上記第１の実施形態と同じ構成については説明を省略し、構成が異なる第１温度センサ１２ａ、１２ｂの数および演算部２１についてのみ説明する。
【００５５】
図３は、第２の実施形態における集熱システム２０を示し、図４は、第２の実施形態の集熱システム２０の制御を説明するためのブロック図である。第２の実施形態では、第１温度センサ１２ａ、１２ｂが２つの集熱部２、３にそれぞれ配されている。
【００５６】
演算部２１は、第１温度センサ１２ａによって測定された実測値Ｔ１ａおよび第１温度センサ１２ｂによって測定された実測値Ｔ１ｂそれぞれに基づいて、上記の式から合流推定値Ｔｈａ、Ｔｈｂを導出し、その平均値から合流推定値Ｔｈを導出する。このように、温度センサの数を増やすことで、演算部２１は、合流推定値Ｔｈをより高精度に導出できる。
【００５７】
また、演算部２１は、導出した合流推定値Ｔｈａ、Ｔｈｂのうち、いずれか低温の方に基づいて、システムの稼働の可否を判断してもよいし、いずれか高温の方に基づいて、システムの稼働の可否を判断してもよい。
【００５８】
また、複数の集熱部２、３、４のいずれかが、季節や時間帯等によっては日陰になり易い等、日照条件にばらつきがある場合もあり得る。この場合、演算部２１が、例えば、季節や時間帯等に応じて、第１温度センサ１２ａ、１２ｂのうち、他の集熱部４の日照条件とより等しい集熱部の流体の温度を測定していると考えられる方の実測値を用いて、合流推定値Ｔｈを導出するようにしてもよい。かかる構成により、外部環境の変化による影響を排除し、演算部２１は、より高精度に合流推定値Ｔｈを導出することが可能となる。
【００５９】
なお、上述した実施形態では、３つの流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３それぞれの流量が異なったが、いずれか１つの流路のみが、他の流路と流量が異なる構成も含まれる。また、上述した実施形態では、流入配管７および流出配管８すべてがフレキシブル管である構成を例に挙げたが、いずれか一本のみがフレキシブル管であってもよいし、流入配管７および流出配管８の全てが固定配管であっても構わない。
【００６０】
また、上述した実施形態では、複数の流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が３つである例を挙げたが、流路の数は２つであっても４つ以上であってもよい。また、第１温度センサ１２は、流路が４つ以上の場合において、複数の流路のうち、少なくともいずれか１つを除く流路に配されればよい。つまり、複数の集熱部が設けられた場合において、１つの集熱部を除く他の全ての集熱部に第１温度センサ１２を設けることとしてもよい。
【００６１】
また、上述した実施形態では、流体として水（温水）を例に挙げたが、水に限らず、熱伝達可能な流体であればよい。
【００６２】
また、上述した実施形態では、第１温度センサ１２は、集熱部２内の出口付近（下流側）に配されるが、例えば、入口付近（上流側）に配されてもよい。また、第１温度センサ１２は、直接流体の温度を測定する構成に限らず、集熱器２ａ、３ａ、４ａの集熱パネルや配管の温度を測定して間接的に流体の温度を検出してもよい。
【００６３】
なお、上述した実施形態では、集熱部２、３、４それぞれの時間当たりの集熱量Ｅは等しいものとしたが、実際には、季節や時間帯等によって日陰になる等、集熱部２、３、４ごとに集熱量Ｅが変化する場合がある。そこで、予め、集熱部２、３、４ごとの時間当たりの集熱量Ｅの変化を測定したり、予測したりして、季節や時間帯等の条件に応じて所定の補正係数を考慮したうえで合流推定値Ｔｈを導出してもよい。
【００６４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、太陽熱によって流体を加熱する集熱システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１、２０ 集熱システム
２、３、４ 集熱部
６ 流入ヘッダ
７ 流入配管
８ 流出配管
９ 流出ヘッダ
１２、１２ａ、１２ｂ 第１温度センサ（温度測定手段）
１５、２１ 演算部
１６ 供給制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が供給される流入ヘッダと、
前記流入ヘッダに接続され、前記流体が流通する複数の流入配管と、
前記複数の流入配管のそれぞれに接続され、内部を流通する流体を太陽熱によって加熱する複数の集熱部と、
前記複数の集熱部に接続され、前記流体が流通する複数の流出配管と、
前記複数の流出配管が接続され、該流出配管内を流通する前記流体を合流させる流出ヘッダと、
前記複数の集熱部のうち、少なくともいずれか１つを除く該集熱部について、内部もしくは近傍にある前記流体の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段によって測定された流体の温度の実測値と、前記流入配管、前記集熱部および前記流出配管によって構成される複数の流路それぞれを流通する流体の流量とに基づいて、前記流出ヘッダによって合流した流体の温度の合流推定値を導出する演算部と、
前記演算部によって導出された前記合流推定値に基づいて、前記流体の流量を制御する供給制御部と、を備えたことを特徴とする集熱システム。
【請求項２】
前記演算部は、前記温度測定手段が配されていない流路を流通する前記流体の温度の推定値を、該流路を流通する流体の流量と、前記温度測定手段が配された前記流路を流通する前記流体の温度および流量とに基づいて導出し、各流路を流通する流体の温度の推定値および実測値から前記合流推定値を導出することを特徴とする請求項１に記載の集熱システム。
【請求項３】
前記演算部は、以下の数式１に基づいて前記合流後の流体の温度の合流推定値を導出することを特徴とする請求項２に記載の集熱システム。
【数１】
…（数式１）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値
Ｍ：集熱部の数
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度
Ｑｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の流量
Ｑｔ：流出ヘッダで合流した後の流体の流量
【請求項４】
前記演算部は、以下の数式２に基づいて前記合流後の流体の温度の合流推定値を導出することを特徴とする請求項２に記載の集熱システム。
【数２】
…（数式２）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値
Ｍ：集熱部の数
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度
Ｖｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の流速
【請求項５】
前記演算部は、以下の数式３に基づいて前記合流後の流体の温度の合流推定値を導出することを特徴とする請求項２に記載の集熱システム。
【数３】
…（数式３）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値
Ｍ：集熱部の数
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度
【請求項６】
前記複数の流入配管と前記複数の流出配管のうち、少なくとも一本の配管はフレキシブル管で構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の集熱システム。
【請求項１】
流体が供給される流入ヘッダと、
前記流入ヘッダに接続され、前記流体が流通する複数の流入配管と、
前記複数の流入配管のそれぞれに接続され、内部を流通する流体を太陽熱によって加熱する複数の集熱部と、
前記複数の集熱部に接続され、前記流体が流通する複数の流出配管と、
前記複数の流出配管が接続され、該流出配管内を流通する前記流体を合流させる流出ヘッダと、
前記複数の集熱部のうち、少なくともいずれか１つを除く該集熱部について、内部もしくは近傍にある前記流体の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段によって測定された流体の温度の実測値と、前記流入配管、前記集熱部および前記流出配管によって構成される複数の流路それぞれを流通する流体の流量とに基づいて、前記流出ヘッダによって合流した流体の温度の合流推定値を導出する演算部と、
前記演算部によって導出された前記合流推定値に基づいて、前記流体の流量を制御する供給制御部と、を備えたことを特徴とする集熱システム。
【請求項２】
前記演算部は、前記温度測定手段が配されていない流路を流通する前記流体の温度の推定値を、該流路を流通する流体の流量と、前記温度測定手段が配された前記流路を流通する前記流体の温度および流量とに基づいて導出し、各流路を流通する流体の温度の推定値および実測値から前記合流推定値を導出することを特徴とする請求項１に記載の集熱システム。
【請求項３】
前記演算部は、以下の数式１に基づいて前記合流後の流体の温度の合流推定値を導出することを特徴とする請求項２に記載の集熱システム。
【数１】
…（数式１）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値
Ｍ：集熱部の数
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度
Ｑｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の流量
Ｑｔ：流出ヘッダで合流した後の流体の流量
【請求項４】
前記演算部は、以下の数式２に基づいて前記合流後の流体の温度の合流推定値を導出することを特徴とする請求項２に記載の集熱システム。
【数２】
…（数式２）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値
Ｍ：集熱部の数
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度
Ｖｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の流速
【請求項５】
前記演算部は、以下の数式３に基づいて前記合流後の流体の温度の合流推定値を導出することを特徴とする請求項２に記載の集熱システム。
【数３】
…（数式３）
ただし、
Ｔｈ：合流推定値
Ｍ：集熱部の数
Ｔｉ：複数の流路のうちｉ番目の流路を流通する流体の温度
【請求項６】
前記複数の流入配管と前記複数の流出配管のうち、少なくとも一本の配管はフレキシブル管で構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の集熱システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−７９７５８（Ｐ２０１３−７９７５８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１９８８１（Ｐ２０１１−２１９８８１）
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
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