JP2009128005A - 太陽光熱の採光および集排熱装置とその利用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 夏季および冬季に限定することなく、年間を通して降り注ぐ太陽光熱を、熱エネルギーと光エネルギーに分離して、しかも同時に、断熱と集排熱および蓄熱と遮光、採光および分散光を得る機能を有するものが無かった。
【解決手段】 前面に前部保温カバーを装着した断熱収納箱内に、太陽光熱を受けて、受熱および反射を繰り返す複数の反射集熱室を有する面状集熱板を複数内蔵して、面状集熱板で集熱した熱を、それぞれの熱伝導部を介して単体の蓄熱室に蓄熱し、蓄熱室に接続した熱移送管で外部機器と接続して熱利用や排熱を行い、あるいは、熱移送管を建物の内部に導入して熱利用する。一方、面状集熱板で反射して減光した太陽光を、断熱収納箱の後面に設けてある後部保温カバーより透過を可能とし室内へ採光するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光熱を減光しながら採光を確保しつつ集排熱する装置であって、太陽光熱の採光および集排熱装置とその利用方法に関するものである。

建築物室内への採光と温度調節は、太陽光熱の遮光、遮熱や断熱によって調節しているが、窓部では従来より、金属板を複数枚短冊状に組み合わせた、いわゆるシャッター方式のブラインドが使用されており、夏季にはブラインドを手動で閉として遮光遮熱して室温を調節し、冬季には同じく開として採光集熱して室内の明るさと室温を調節している。
また近年、一般住宅の外壁面には、窓部を除いた外壁全面に断熱壁を形成して太陽光熱を遮熱し、室内との断熱を図るように外断熱材が使用されている。
また、窓全体がガラスで覆われた高層ビルなどにおいては、窓部のガラスに塗膜コーティングしたものが使用されてこの塗膜で遮光遮熱している。
その他に、ビニールハウスや温室については、周辺を被っているビニールあるいはガラスによって採光集熱し、冬季には室温が低下すると、ヒーターなどの加温機器で昇温を確保し、夏季にはビニールや窓を全半開にし、また遮光幕を用いて調光と温度調節を行っている。

特開平１０−２８０８１８号

従来のものは、夏冬の別なく通年して太陽光熱の採光と遮熱、集排熱および断熱を行うものではない。特に、シャッター方式のブラインドでは冬季には開として室内の採光と平行して太陽熱を室内に導入利用しているが、夏季には閉として遮熱を行うと採光は制限されてしまい、室内では照明装置による採光確保が必要となる。また、室内側に設置されたブラインドに不要の太陽熱が集熱されて室内が過昇温され、しかも遮熱、排熱効果は図られていない。また、外断熱壁方式は遮熱に利用してはいるが、集排熱する方式ではない。
また、ビニールハウスや温室についても、寒冷期には室内を密閉して太陽光熱による室内昇温には利用しているが、夏季の太陽光熱の降り注ぎ過ぎる昼間では、室内の温度は過上昇して、昇温抑制のために人為的に開放して外気導入するかあるいは、遮光幕を用いて減光と遮熱を行って室内温度の過上昇を抑制しているが、採光と遮熱あるいは集排熱を同時に確保する手段は用いられていない。

本発明は、以上のような課題を解決するためのものであり、太陽の光と熱を、四季を通して有効に利用することにあり、ひとたび入射した太陽光と熱を、機器の中で複数回反射させて、かつひとたび入射した太陽光と熱を入射した方向に反射させることなく無反射で、機器の奥までの間で集熱させて、その集熱させた熱エネルギーを一時蓄熱して利用するので、室内を加熱する熱源や、種々の機器の熱源として利用し、あるいは集熱された熱エネルギーを一時蓄熱して室外に排熱することによって室内の昇温を抑制するものである。より具体的には、採光を目的とする建物の窓部やビニールハウスあるいは温室の外周に使用して、室内への採光と断熱、また室内の採光と加熱に利用し、あるいは建物の外壁に使用することにより太陽光の透過を確保しつつ遮熱と断熱を可能とするものである。その他に建築物、ビニールハウスや温室の天井付近に設置することにより、室内の排熱機器として機能させて、室内の昇温を抑制するものである。

前面に前部保温カバーを装着した断熱収納箱内に、太陽光熱を受けて、受熱および反射を繰り返す複数の反射集熱室を有する面状集熱板を複層内蔵して、面状集熱板で集熱した熱を、それぞれの熱伝導部を介して単体の蓄熱室に蓄熱し、蓄熱室に接続した熱移送管で外部機器と接続して熱利用や排熱を行い、あるいは、熱移送管を建物の内部に導入して熱利用する一方、面状集熱板で反射して減光した太陽光を、断熱収納箱の後面に設けてある後部保温カバーより透過を可能とし室内へ採光するものである。また、建物の外壁に使用することにより外断熱材として使用するものである。
その他にビニールハウス内および温室への集熱利用と、ビニールハウス内および温室の採光と遮熱および排熱により過昇温を抑制することを可能としたものである。

太陽光熱エネルギーの集熱方法として、上記に述べた面状集熱板によれば、太陽光熱の採光および集排熱装置の形状が設置場所に応じて平面、凹面、凸面であっても、日の出から日没まで入射角度を補正または追尾することなく固定したままで採光と集排熱が可能である。また、太陽光熱が反射集熱室にひとたび入射すると入射側には反射しないので、前部保温カバーのガラスを通過した太陽光熱の入射後は、熱損失を出さない高断熱性能を有した断熱収納箱の内部に設けてある面状集熱板に集熱され、さらに上部の蓄熱室に、より高温集熱が可能となり、太陽光熱の熱エネルギーを奪取した後は太陽光のみで、室内が高温となることを抑制して、しかも後部保温カバーによって採光を可能としてあるので、太陽光と熱エネルギーを分離して利用することができ、夏季における室内の遮熱と断熱および採光が確保され、一方冬季には採光と集熱が可能となる。

本発明の太陽光熱の集束機器を使用することにより、日射された太陽光熱は反射集熱室で、日射の反射を繰り返すことによって損失なく集熱し、また、日射方向への逆反射をすることは無いので、日射光熱を効率よく利用することができる。
また、この集熱した熱を断熱被覆されたパイプなどの熱移送管によって、冬季には室内に導入して昇温熱源とし、夏季には熱移送管を貯湯タンクなどの外部機器に接続して熱源として利用することができる。
また、窓部での採光可能な断熱壁として使用でき、かつ反射集熱室で反射を繰り返した後の太陽光は、室内には分散光として室内全体へ柔らかい光が照射され、従来の窓部からの高温直射光による室内の一部のみの照射を無くすことができる。
以上のことから、図５に示す建築物の屋根や外壁に本発明装置の熱移送管を図の左側のように使用することにより冬季の使用に最適であり、同じく図の右側のように使用することにより夏季の使用に最適であり、また、熱移送管を左側と右側を組み合わせて夏冬には無論のこと、夏冬以外の季節にも適応して使用することができる。
また、図６に示すように建築物の室内への採光も必要な場合には窓部のみにも使用できるし、図７に示すようにビニールハウスあるいは温室にも使用でき、これらも図５のように左側と右側を組み合わせた使用もできる。
また、図８および図９のものは、ビニールハウスあるいは温室、または建築物の室内の高温抑制を排熱によって賄うことができ、室内の換気として機能させることができる。

この発明の一実施形態は、太陽光熱の採光および集排熱装置の前面、即ち太陽光の入射する側には、太陽光の入射をできる限り妨げないで、しかも内部からの放熱をできる限り阻止可能なガラス板又は透明度を有するアクリル、ポリカーボネートなどの合成樹脂などを利用した前部保温カバー（３）を設け、後面には前部保温カバー（３）と同じ特性を持った後部保温カバー（９）を設け、前部と後部の保温カバー（３，９）の間には、大きさを異にする、即ち、反射集熱室の開口高さと厚さは、前面を大きく後面に行くに従って小さくした順に複層に配置して、入射する太陽光熱を採光集熱する面状に広がる面状集熱板（２）を内蔵して断熱収納箱（１）とし、この断熱収納箱（１）内部の上部に、面状集熱板（２）のそれぞれの上部に接して面状集熱板（２）の熱を集束する熱集束部（４）を設け、その熱集束部（４）の上部に熱伝導部（５）を介して蓄熱室（６）を設けて一時熱備蓄する。

つぎに、蓄熱室（６）に蓄熱した熱エネルギーを、蓄熱室（６）に接続してある断熱被覆された金属または非鉄金属のパイプなどの熱移送管（８）を経由して外部または室内に熱移送する。

図１は本発明装置の正面図であり、断熱収納箱（１）は箱形形状としたものであり、しかも断熱性を有した構造としたものである。形状は箱形以外に三角形、多角形、円形、半円形などでも可能である。
太陽光熱が日射される方向、即ち、図２において右側方向には太陽光熱の透過を許容するガラス板又は透明性を有するアクリル、ポリカーボネートなどの合成樹脂製の前部保温カバー（３）が断熱収納箱（１）の内部を密閉する状態で取り付けられている。この断熱収納箱（１）の内部には、複層の面状集熱板（２）が設けてあり、断熱収納箱（１）内に固定されて取り付けられている。

面状集熱板（２）は、外部形状を同一としてある面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）から成る複数層で構成されており、各部材（２Ａ〜２Ｃ）は六角形をしたハニカム構造をしたもので、しかも太陽光を反射し受熱を可能とした金属又は非金属性のものであって、具体的にはアルミ材あるいはアルミ箔としたものである。また、図４に示すように各面状集熱板部材（２Ａ〜２Ｃ）の六角形をしたハニカム構造の反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の開口高さ（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３）はＨ１〜Ｈ３に行くに従って暫減とし、一方、厚さ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）もＴ１〜Ｔ３に行くに従って暫減としてあり、前部保温カバー（３）側より面状集熱板部材（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）の順に積層してある。
面状集熱板（２）の上側面には、面状集熱板（２）と同一材質とした、熱集束部（４）が密接した状態で当接しており、また、この熱集束部（４）の上部には箱形をした蓄熱室（６）が熱伝導部（５）を介して当接している。

蓄熱室（６）には、熱移送管（８）が接続されており、外部機器との接続に便利なように断熱収納箱（１）の外側に突出した状態にあり、熱移送管（８）自身は外側を断熱材（７）で断熱被覆されている。また、熱移送管（８）と断熱収納箱（１）との接続部も断熱としてある。
その他に、前部保温カバー（３）と対面する位置であってしかも面状集熱板（２）の後側に、前部保温カバー（３）と同一性状をした後部保温カバー（９）を使用して断熱収納箱（１）内の熱を保つ状態で取り付けてある。

また、蓄熱室（６）に当接された熱伝導部（５）は、熱移送管（８）とは反対になるように配置し、熱集束部（４）に集熱された熱を、熱伝導部（５）を経由して蓄熱室（６）に蓄えさせる。この蓄熱室（６）の熱を、太陽光の日射の減少する雲による日陰時および夜間に面状集熱板（２）への逆流放熱の防止と熱移送管（８）へ安定供給する目的のため、蓄熱室（６）の体積を可能な限り大とし同時に、熱伝導部（５）は熱移送管（８）とは近接しない反対方向に配置してある。

なお、本発明による太陽光熱の採光および集排熱装置の設置位置は、地上より上方に設置され、前部保温カバー（３）側が太陽の日射を受ける側とし、熱移送管（８）が上側に来る状態に設置され、また、四季に応じて太陽の高さや日射角度が変化するので、その変化に対応して移動可能とすることもできる。

つぎに本発明の作用について説明する。
図３および図４は、本発明の太陽光熱の採光および集排熱装置に太陽光熱が日射する状態を示すもので、前部保温カバー（３）を経て、面状集熱板（２）を構成する面状集熱板部材（２Ａ）の反射集熱室（Ｕ）に太陽光熱が日射した状態であり、太陽光熱（ァ）は便宜上２本の光跡で示す。
太陽光熱（ァ）は、前部保温カバー（３）を透過して、反射集熱室（Ｕ）の空間の下面に入射角αで日射し、反射角βで反射する。このときに入射ポイント（Ｐ１）と反射ポイント（Ｐ２）は太陽の光熱エネルギーを反射すると同時に輻射によって受熱し、太陽光熱が間断なく連続して日射され続けると、反射集熱室（Ｕ）内は昇温蓄熱されて、時間の経過に伴って上層階に位置する反射集熱室（Ｕ）へと熱伝導して行き、最後には熱集束部（４）に熱集束されて行く。

本発明の面状集熱板（２）は図４に示すように、面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）の順に積層されているので、面状集熱板部材（２Ａ）の反射集熱室（Ｕ）内に日射した太陽光熱は面状集熱板部材（２Ｂ）の反射集熱室（Ｖ）へと入射して、反射ポイント（Ｐ２）で太陽の熱エネルギーを輻射によって受熱し、この受熱は面状集熱板部材（２Ａ）と同様に熱集束部（４）に熱集束されて行く。
また同様に、図４に示すように面状集熱板部材（２Ｂ）のつぎは面状集熱板部材（２Ｃ）へと入射し反射ポイント（Ｐ３）で反射するので、熱集束部（４）に熱集束されてゆく。このときに、面状集熱板部材（２Ａ）に日射された熱エネルギーは面状集熱板部材（２Ｃ）に到達時には減衰された熱エネルギーとなっている。
こうして、面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）によって集熱された熱エネルギーは熱集束部（４）に熱伝導して、熱集束部（４）の上部に設けられた熱伝導部（５）を経て蓄熱室（６）に蓄熱されることになる。
従って、蓄熱室（６）に蓄熱された熱エネルギーは、断熱材（７）で被覆された熱移送管（８）に熱損失の無い状態で導入されて、この熱移送管（８）を室内に導入して室内の昇温に、また室外では外部機器を接続して種々の機器の熱源として利用できる。

ここで、図２に示した面状集熱板（２）を面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）のように複数層にそれぞれ構成した理由は、単に、面状集熱板部材（２Ａ）のみを単体使用して、面状集熱板部材（２Ａ）厚さＴ１をＴに拡大した面状集熱板（２）とすると、Ｔの場合には日射した太陽光熱は規則的な反射を繰り返して、反射光と熱は後方に到達するが、この状態では反射回数が少ないので、後方にはかなりの光と熱エネルギーが断熱収納箱（１）の後部保温カバー（９）に到達し通過してしまい、輻射による集熱は僅かとなり、太陽光熱を太陽光と熱エネルギーに分離して有効に利用できたとは言えない、といった理由からである。

面状集熱板（２）に入射された太陽光熱の反射回数をより多くするために、各面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）の反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の厚さＴ１〜Ｔ３とし、高さをＨ１〜Ｈ３として、しかも暫減させることにより実現可能となる。図４示すように、太陽光熱の入射後は後部に位置する面状集熱板部材（２Ｃ）に達するまで入射と反射をより多く繰り返すことになり、各反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ）は入射、反射時の受熱によって相当の熱エネルギーを受けることになるので、面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）で受熱した熱エネルギーは相当に集熱効果を上げている。従って、面状集熱板部材（２Ｃ）に達するそれぞれの太陽光熱エネルギーは減衰しており、入射方向である前方に向かう反射は殆ど無く、無反射に近い状態となり、また、後部保温カバー（９）を透過する太陽光熱も減衰しているので、太陽の投射エネルギーの多くは面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）の上部に、熱対流により熱集束部（４）に被熱される状態となる。
この熱集束部（４）に被熱された熱エネルギーは、熱対流によって熱伝導部（５）を経て蓄熱室（６）に蓄熱される。このとき、断熱収納箱（１）は断熱構造としてあるので、蓄熱室（６）内の蓄熱エネルギーは保熱される。

一方、光エネルギーは面状集熱板部材（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）で入射あるいは反射することによって減光されているが、後部保温カバー（９）を透過可能となる。
また、断熱収納箱（１）内の面状集熱板部材（２Ｃ）で反射した光エネルギーは、図４に示すように、太陽光分散光イのように下方向への分散光量や太陽光分散光ウのように上方向への分散光量となるので、後部保温カバー（９）を減光された状態で透過して、しかも縦横（図においては上下の方向）に分散された光となって断熱収納箱（１）の外部へと放光される。従って本発明装置を使用していない現状の窓構造では、直接太陽光が入射するので、入射光は分散されない直射光として室内の一部にのみ光量を集中して入射するので、夏季には過昇温となりブラインドなどで遮光する必要が生じてくる。

図５に示すものは、外断熱壁として、建築物の屋根および外壁に利用した実施例を示し、室内への集熱にも利用できるものである。また集熱した熱エネルギーは、貯湯タンクなどの蓄熱装置を経由して熱エネルギーを利用することもできる。この場合、断熱収納箱（１）は後部保温カバー（９）を使用せず、断熱収納箱の面状集熱板部材を多くして、後部保温カバーを省いた断熱収納箱として光エネルギーの透過を阻止する構造としたものを使用してもよい。
図６は、窓の断熱用と室内への集熱用として利用したものであって、しかも採光を可能としたものである。この場合には、図４で説明したとおり、太陽光熱は面状集熱板部材（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）で入射と反射を繰り返すことによって熱エネルギーは減衰するが、すでに蓄熱室（６）には蓄熱されており同時に光エネルギーも減少して行くので、本発明装置を窓全体に被っても採光は確保されて、適度なブラインドとしての作用をすると同時に窓部の断熱と室内への集熱としての効果を発揮できるものである。この場合、後部保温カバー（９）を透過した光エネルギーが多いときには後部保温カバー（９）にフィルターなどを用いて透過光量を抑制することもできる。
なお、本発明装置を窓部より突出させて設置しているが、従来の窓ガラスの代わりに本発明装置を直接設置してもよい。
図７に示すものは、本発明装置をビニールハウス内および温室に利用することにより、図６の窓の利用と同様に採光を確保しつつ集熱と断熱による温度抑制を行うことができ、ビニールハウスおよび温室内の高温抑制を可能とするものである。また集熱した熱エネルギーは、太陽光熱の及ばない夜間に、貯湯タンクなどの蓄熱装置を経由して熱エネルギーを利用することが可能となる。

図８に示すものは、ビニールハウス内の天井付近に設置して、また図９に示すものは建築物の天井付近に設置して、本発明装置に照射された太陽光熱の熱エネルギーをビニールハウスの外部または建築物の外部へ熱移動によって高温抑制するものであり、ビニールハウス内あるいは建築物の室内上層に存在する高温を排熱させるものである。その他にビニールハウスの外側または建築物の外側に外部機器を設置しておけば、この排熱を外部機器の熱源として利用することもできる。この時、熱移送管（８）は図２の位置とは反対側の面状集熱板部材（２Ａ）側に設置すればよい。

図６に示すように熱移送管（８）は、一方は室内に他方は室外としてあるので、図５および図７の熱移送管（室外）も、各図の左側の例と右側の例を組み合わせることによって、図６と同様に機能するので、図５〜図７の例のものでは、冬季には室内への熱移送管とし、夏季には室外への熱移送管として機能させて、適宜開あるいは閉として使用すればよい。

本発明装置の正面図で、一部を断面で示した図 図１のＡ−Ａ線断面図 太陽光が面状集熱板の前面側に入射したときの入射と反射の状況説明図 太陽光が面状集熱板内に入射したときの入射と反射の状況説明図 本発明装置を建築物の屋根および外壁に利用する方法の実施例 本発明装置を建築物の窓に利用する方法の実施例 本発明装置をビニールハウスおよび温室に利用する方法の実施例 本発明装置をビニールハウスおよび温室の室内に利用する方法の実施例 本発明装置を建築物の室内に利用する方法の実施例

符号の説明

１、断熱収納箱
２、面状集熱板
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ、面状集熱板部材
３、前部保温カバー
４、熱集束部
５、熱伝導部
６、蓄熱室
７、断熱材
８、熱移送管
９、後部保温カバー

Claims (6)

1. 前面に、太陽光熱を透過可能とした前部保温カバー（３）と、後面に同じく太陽光熱を透過可能とした後部保温カバー（９）とを装着してしかも全体が断熱性能を有し箱形をした断熱収納箱（１）の内部に、太陽光熱を受けて、受熱及び反射を繰り返す複数の反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を有して、しかも前記複数の反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の開口高さと厚さは、太陽光の日射する方向から後方に向かうに従って次第に小さくなる構成とした面状集熱板（２）を内蔵し、前記面状集熱板（２）に接して前記複数の反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ）内の熱を熱伝導集熱する熱集束部（４）を配置し、熱集束部（４）に熱伝導部（５）、熱伝導部（５）に蓄熱室（６）、蓄熱室（６）に熱移送管（８）をそれぞれ配置して、熱集束部（４）の集束熱を熱伝導部（５）から蓄熱室（６）へ蓄熱した後、熱移送管（８）より集熱あるいは排熱させ、しかも前部保温カバー（３）、面状集熱板（２）、後部保温カバー（９）より太陽光を透過採光することを特徴とする太陽光熱の採光および集排熱装置。
2. 熱伝導部（５）は熱移送管（８）とは近接しない反対方向で蓄熱室（６）に当接してある請求項１に記載の太陽光熱の採光および集排熱装置。
3. 太陽光熱の採光および集排熱装置を建築物の窓部に設置して室内への太陽光熱の採光と集排熱を行う太陽光熱の採光および集排熱装置の利用方法。
4. 太陽光熱の採光および集排熱装置を建築物やビニールハウスおよび温室の外周に設置して室内への太陽光熱の採光と集排熱を行う太陽光熱の採光および集排熱装置の利用方法。
5. 太陽光熱の採光および集排熱装置をビニールハウスおよび温室の室内上層に設置し、熱移送管（８）の管端を室外に設置して室内の集排熱を行う太陽光熱の採光および集排熱装置の利用方法。
6. 太陽光熱の採光および集排熱装置を建築物の室内上層に設置し、熱移送管（８）の管端を室外に設置して室内の集排熱を行う太陽光熱の採光および集排熱装置の利用方法。

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