JP2012502241A - 熱の回収及び太陽光による空気加熱のための透明な有孔板ガラス - Google Patents

Abstract

集熱器が周囲環境にさらされる透明な板ガラス（１２）を有する。透明な板ガラス（１２）は、後側表面材との間にプレナム（１６）を構成するよう後側表面材から間隔を置いて位置している。外気が透明な板ガラスを通ってプレナム（１６）に流入して透明な板ガラスを周囲環境温度に維持することができるようにするための複数個の孔が透明な板ガラスを貫通して設けられており、かくして高い熱効率が得られる。

Description

本発明は、一般に、自由エネルギー、例えば太陽エネルギー及び／又は熱回収によって新鮮な外気を予熱するのに適した装置に関する。

伝統的な板ガラス付き太陽光空気加熱器は、設計上、一般に、暗い太陽光吸収装置の前に配置されたガラス、ポリカーボネート又はＬｅｘａｎ（登録商標）透明カバーを有している。前側透明カバーは、集熱器の頂部からの熱の損失を最小限に抑えるために設けられている。新鮮な外気は、伝統的に、前側透明カバーと太陽光吸収装置との間で集熱器の一端部のところで取り入れられる。空気は、フィンに沿って集光器を通って流れ、これが太陽光吸収装置に沿って移動しているときに太陽光吸収装置から熱を吸収する。温風又は熱風が集熱器の反対側の末端部のところで排出される。空気が集熱器内を進むと、その温度は、周囲温度よりも高く上昇する。集熱器内の温度が高ければ高いほど、周囲環境に向かう熱損失がそれだけ一層大きくなる。熱の損失は、集熱器の底部、縁部及び頂部（ここには板ガラスが存在する）を通って起こる。典型的には、縁部及び底部は絶縁されており、従って、熱の損失は、大部分、頂部を通って、即ち、吸収装置と板ガラスとの間の対流により、次に、板ガラスを通る伝導によって起こる。板ガラスが非常に熱くなると、集熱器は、効率が低くなる。

長年にわたり板ガラスなしの種々の太陽光空気加熱器が設計された。現行設計の蒸散型集熱器は、太陽放射線吸収表面材が板ガラスによって保護されていない状態で太陽に向いて外部に配置されているようなものである。有孔吸収装置は、建物（又は集熱器の底部）と吸収装置との間に負圧を生じさせるファンに結合されている。ファンが作動中にあるとき、空気は、吸収装置を通って引き込まれる。外側の不透明な吸収装置の孔を通過した空気は、吸収装置の外側に向いた側部（境界層）上に自然に生じている暖かい空気の膜を破壊する。この方法は、単位面積当たりの空気の流量が集熱器の１平方フィート（１フィートは、０．３０４８ｍ、したがって、１平方フィートは、約０．０９ｍ²）当たり６ｃｆｍを越える場合に合格レベルの性能を提供する。しかしながら、単位流量が１平方フィート当たり５ｃｆｍを下回った場合、有孔プレートから出る低温空気の量は、集熱器プレートが昇温するのを阻止するには不十分であり、それにより、システムの全体的熱効率にマイナスの影響が生じる。効率は、１平方フィート当たり２ｃｆｍの流量では、３０％、或いはそれどころかこれよりも低い割合に低下する。

したがって、本発明の目的は、上述の問題を解決することにある。

したがって、本発明の一般的な観点によれば、周囲環境にさらされる透明な板ガラスを有する集熱器であって、透明板ガラスは、後側表面材との間にプレナムを構成するよう後側表面材から間隔を置いて位置し、集熱器は、透明板ガラスを貫通して設けられていて、外気が透明板ガラスを通ってプレナム内に流れることができるようにする複数個の孔を更に有し、孔は、板ガラスの表面領域全体にわたって分布して設けられており、プレナムは、出口を有し、集熱器は、加熱された空気をプレナムから出口を通って引き込む送風手段を更に有することを特徴とする集熱器が提供される。

別の一般的な観点によれば、後側表面材は、太陽放射線吸収パネルを含む。

別の一般的な観点によれば、空気を加熱する装置であって、太陽放射線を通過させることができる透明な有孔表面材と、透明な有孔表面材の後ろに配置されていて、太陽放射線を吸収する太陽放射線吸収表面材と、透明な有孔表面材と太陽放射線吸収表面材との間に形成された空隙とを有し、空隙中を流れる空気が太陽放射線吸収表面材から熱を吸収する一方で、透明な有孔表面材の孔を通って流れる新鮮な周囲空気が透明な有孔表面材前後の最小温度差を提供することを特徴とする装置が提供される。

さらに別の一般的な観点によれば、周囲環境にさらされる透明な有孔表面材が提供される。透明な有孔表面材は、後側表面材との間に空隙又はプレナムを形成するよう後側表面材から間隔を置いて位置する。新鮮な外気が透明な有孔表面材を通ってプレナム内に引き込まれる。後側表面材は、例えば、太陽集熱器（「太陽光集熱装置」ともいう）、建物壁又は屋根、温室の外側表面材、光起電性パネル、地面又は任意の非多孔性表面材の形態で提供できる。機械的手段又は自然に行われる手段により、空隙が透明な有孔表面材と後側表面材との間で負圧下に維持される。熱エネルギーを消費し又は必要とする装置への補給用空気、換気、プロセス用空気又は燃焼用空気として用いることができるようプレナムを通って流れる空気をダクト又はチャネル中に引き込むことができるようにするための出口が設けられる。

プレナム内の空気は、太陽光吸収装置として働く後側パネルの表面に対する入射太陽放射線及び／又は後側表面材から逃げ出る熱によって加熱される。したがって、本装置は、太陽光空気加熱器及び／又は熱回収ユニットとしての役目を果たすことができる。後側表面材は、太陽光空気加熱器として用いられる場合、暗い色のものであるのが良く、従って、透明な有孔表面材を通過した入射太陽放射線は、熱の形態で後側表面材によって吸収され、かかる入射太陽放射線が反射されて外部空間に戻るということはない。しかしながら、後側表面材が、美的理由その他で、淡色のものでなければならない場合、太陽光熱効率は、他の従来型板ガラスなしの設計の集熱器よりも高いままである。これは、特に、装置が熱回収装置として用いられる場合に当てはまる。というのは、後側表面材は、効率に影響を及ぼさない色であればどのような色のものであっても良い（これは、温室の場合のように透明であっても良い）が、後側表面材の熱抵抗（断熱度）が低ければ低いほど、熱回収率がそれだけ一層高くなる。本装置は、それと同時に、ソーラーヒーティング（太陽熱暖房）機能と熱回収機能の両方に利用できる。

必要ならば、本装置を出た予熱空気は、その温度を所与の設定値にするために下流側に配置された補助加熱装置（例えば、ガスだきシステム）に導入されるのが良い。

別の観点によれば、太陽に向いた表面材を有する建物のための外気を予熱する方法であって、この方法は、太陽放射線を通過させることができる透明な有孔表面材を建物の太陽に向いた表面材に取り付けてプレナムが透明な有孔表面材と太陽に向いた表面材との間に形成されるようにするステップと、透明な有孔表面材を通って外気をプレナム中に引き込むステップと、透明な有孔表面材を通過した入射太陽放射線を捕捉し、捕捉した太陽放射線を用いてプレナム内の空気を加熱するステップと、加熱された空気をプレナムから引き出すステップとを有することを特徴とする方法が提供される。

本発明の実施形態に従って透明な有孔表面材を有する太陽集熱器の概略側面図である。 透明な有孔板ガラスを備えた太陽集熱器の別の実施形態の概略側面図である。 本発明の別の実施形態に従って透明な有孔板ガラスを備えた地面設置型太陽集熱器の概略側面図である。 本発明の別の実施形態に従って透明な有孔板ガラスを備えた地面設置型太陽集熱器の概略側面図である。 透明な有孔板ガラスを備えた壁取り付け型太陽集熱器の概略側面図である。 透明な有孔板ガラスを備えた屋根設置型太陽集熱器の概略側面図である。 換気システムにより温室内に引き込まれる前に低温の外気を予熱するための温室シェルを包囲した透明な有孔板ガラスを示す略図である。 有孔板ガラス型集熱器の効率と板ガラスなしの有孔集熱器の効率をこれらを通って流れる空気の量の関数として比較したグラフ図である。

本明細書で用いられる「板ガラス」という用語は、広義には、光を通すことができる任意の透明な表面材を意味するようになっている。

図１は、ベースに取り付けられた細長い導管状エンクロージャの形態で提供されている太陽光空気加熱器１０を示しており、この空気加熱器は、周囲環境にさらされると共に太陽に向いた透明な有孔板ガラス１２を有し、この透明な有孔板ガラスは、断熱層１５に被着されている弧状太陽放射線吸収プレート１４を備えた後側パネルの前に配置されている。後側パネルは、一般に、透明な有孔板ガラス１２で覆われた管半分の壁の形態で提供される。吸収プレート１４は、太陽光から得られる利益を最大にするために暗い色のものであるのが良い。有孔板ガラス１２は、有孔ポリカーボネート又は透明な紫外線抵抗性プレートの形態で提供されるのが良い。他の透明なポリマーも又利用できる。板ガラス１２は、剛性であっても良く可撓性であっても良い。孔は、板ガラスの表面全体にわたって分布して配置されても良く、或いはその選択された表面領域にのみ分布して配置されても良い。孔の密度は、板ガラス表面上で一様であっても良く、変化していても良い。

有孔板ガラス１２と太陽放射線吸収プレート１４との間にはプレナム１６が構成されている。新鮮な外気を換気システム、例えば建物換気システムに差し向けられる前に有孔板ガラス１２を通ってプレナム１６内に引き込むためにファン又は他の適当な送風手段１７が後側パネルの一端部のところに設けられた出口１８に作動的に連結されている。透明な有孔板ガラス１２を通過した太陽放射線は、吸収プレート１４によって吸収される。プレナム１６内の空気は、吸収プレート１４によって吸収された熱をピックアップし、その後プレナム１６から引き出される。空気が吸収プレート１４と有孔板ガラス１２との間でプレナム１６に沿って長手方向に移動しているときに、追加の新鮮な外気が有孔板ガラス１２を通って引き込まれる。このように、板ガラス１２は、周囲温度に実質的に等しい温度状態のままである。したがって、到来空気と周囲空気の温度差は、ゼロに等しく又はゼロに近く、従って、熱効率は、可能な限り最も高い値のままである。かくして、板ガラスカバーを通る熱損失又はその前後の熱損失は、最小限に保たれる。

図２は、第２の実施形態を示しており、この実施形態では、同一のコンポーネントは同一の参照符号で示されている。図２に示されている太陽光空気加熱器１０ａは、本質的には、太陽光空気加熱器１０ａが互いに間隔を置いた平行な透明板ガラス及び後側パネルを備えた平べったい形状のものであるという点において図１に示されている太陽光空気加熱器１０とは異なっている。後側パネルは、断熱材料の平べったい層１５ａに被着された平べったい吸収プレート１４ａの形態で提供されている。吸収プレート１４ａは、波形であるのが良い。側壁又は支持体１９ａが後側パネル及び透明な有孔板ガラス１２ａの周囲に沿って設けられており、その目的は、これらの間に一様な空隙１６ａを形成することにある。有孔板ガラス１２ａと後側パネルは、好ましくは、同一の広がりを有する。後側パネル１４ａは、空気加熱機能と光起電性（ＰＶ）パネルの冷却機能の二重機能を提供する光起電性（ＰＶ）パネルの形態で提供されるのが良く、かかるＰＶパネルは、これらの表面が低温に保たれている場合に電気を発生する。図１及び図２に示されているように、透明な有孔板ガラス１２ａは、好ましくは、使用状況に応じて、所与の場所の緯度に等しい傾きで且つ赤道に向いた状態で支持される。しかしながら、透明な板ガラスをこれとは異なる向きに差し向けると共に傾斜させても良いことはいうまでもない。例えば、図４は、水平に差し向けられた透明な有孔板ガラスを示し、図５は、垂直に差し向けられた板ガラスを示している。

図３及び図４に示されているように、太陽光空気加熱器は、地面上に直に設置されるのが良く、地面は、本装置の後側パネルを形成する。図３（図中、同一の参照符号は同一のコンポーネントを示している）の実施形態では、プレナム１６ｂは、透明な有孔板ガラス１２ｂ、建物壁２０ｂ及び地面Ｇで形成されている。プレナム１６ｂ内に引き込まれた新鮮な外気は、地面Ｇにより吸収された太陽放射線並びに壁２０ｂを通って建物から逃げ出た熱によって加熱される。透明な板ガラス１２ｂに設けられている孔を通って流れる新鮮な外気は、板ガラス前後の温度差をほぼゼロに維持し、それにより、高い熱効率が保証される。加熱された空気は、プレナム１６ｂから引き出されて建物換気システム（図示せず）を経て建物Ｂ内で循環される。図４（図中、同一の参照符号は、この場合も又、同一のコンポーネントを示している）に示されているように、太陽光空気加熱器は、周壁１９ｃ、地面によって形成された閉鎖底端部及び透明な有孔板ガラス１２ｃにより覆われた頂端部を備えるエンクロージャの形態でも提供できる。適当な送風手段に連結された出口１８ｃが加熱空気をエンクロージャから引き出すために設けられている。

図５及び図６に示されているように、透明な有孔板ガラス１２ｄ，１２ｅは、建物の建物壁２０ｄ又は屋根２２ｅに互いに向かい合った関係をなして取り付けられるのが良い。図５の実施形態では、プレナム１６ｄは、建物壁２０ｄの外面とこの隣りの垂直に差し向けられた透明な有孔板ガラス１２ｄとの間に形成されている。図６の実施形態では、プレナム１６ｅは、建物屋根２２ｅの外面及び透明な有孔板ガラス１２ｅによって形成されている。両方の実施形態において、壁２０ｄ又は屋根２２ｅを通って建物エンベロープから逃げ出た熱は、プレナム１６ｄ，１６ｅ内の空気を加熱するよう回収される。屋根２２ｅと建物壁２０ｄは、両方共、プレナム１６ｄ，１６ｅに引き込まれた周囲空気を一段と加熱する太陽放射線吸収装置として働く。太陽放射線は、透明な有孔板ガラスを通過し、下に位置している建物壁又は屋根表面材によって吸収され、プレナム内の空気は、建物壁又は屋根からこの熱を吸収する。従来型太陽光用壁又は太陽光用屋根（これらの場合、太陽光放射線は、建物の壁又は屋根を覆っている暗い色のパネルによって直接吸収される）とは対照的に、透明な板ガラスは、建物の外観をマイナスの状態に変更しない（即ち、建物壁又は屋根の色を変えない）。先行技術とは異なり、本システムの性能は、建物壁又は屋根に取り付けられている有孔パネルの色によって影響されず又は制限されない。有孔板ガラス１２ｄ，１２ｅは、透明であり、かくして、これら板ガラスは、建物壁又は屋根の色を変えない。美的目的のために見出さなければならない妥協点は存在しない。

図７は、本発明の別の潜在的な用途（利用可能性）を示している。特に、図７は、当該技術分野において周知のように透明なスキン２５ｆ又はメンブレンで覆われた骨組み構造体を備えている温室Ｂ′を示している。透明な有孔板ガラス１２ｆが透明な有孔板ガラス１２ｆと内側の透明なスキン２５との間に形成された空隙１６ｆを有する二重壁構造体を構成するよう温室壁及び屋根に取り付けられている。この実施形態では、透明な有孔板ガラス１２ｆは、温室Ｂ′の第２の断熱層として働く。内側スキン２５を通って温室から逃げ出る熱は、空隙１６ｆ内に回収される。加熱された空気を空隙から温室Ｂ′内に引き戻すためにファン等が設けられるのが良い。透明な有孔板ガラス１２ｆは、植物の成長に必要な所要の透明度を維持する。

上述の実施形態から理解できるように、本装置は、幾つかの用途で利用でき、かかる用途としては、次のものが挙げられる。
・太陽熱空気加熱器
・建物壁又は屋根に設置される太陽新鮮空気予熱器
・ハイブリッド太陽空気／水加熱システム
・空気‐空気及び空気‐水ヒートポンプの予熱
・温室用の透明なエネルギー回収装置
・光起電性パネルの冷却
・住居用低コスト太陽予熱器

また、空気を更に処理するための種々の装置を本装置の下流側に配置することができる。例えば、本装置を次のユニットに結合することができる。
・ガスだき補給用空気ユニット
・空気を利用したヒートポンプ（空気‐空気又は空気‐水）
・スイミングプール用ヒートポンプ
・燃焼チャンバ
・熱回収ユニット

上述の蒸散型又は有孔板ガラスは、多くの利点をもたらす。到来空気は、板ガラス表面を通り、その表面の大部分で又はその表面全体にわたって導入される。したがって、板ガラス表面は、集熱器頂部の熱損失が実質的に阻止されるように低温状態のままである。さらに、集熱器内部の空気温度は、比較的低温のままであり、底部及び縁部を通る熱損失が減少する。提案設計による透明な有孔板ガラスは、少なくとも高い流量で有孔プレート設計により提供される効率と同じ程度に良好な太陽エネルギー効率をもたらす。しかしながら、流量が低い場合、太陽エネルギー効率は、高いままであり、不透明な有孔集熱器の太陽エネルギー効率を遙かに超え、それどころか、コストを半分以下にした状態で板ガラス付き集熱器の太陽エネルギー効率に勝る。このことは、図８から容易に理解できる。具体的に説明すると、有孔表面の１平方フィート当たり２〜６ｃｆｍの流量の場合、黒い支持面を備えた有孔板ガラスの効率は、従来型黒色有孔シートメタル型太陽集熱器よりも遙かに優れている。性能の差は、淡色又は白色太陽集熱器について一段と顕著である。白色支持面を備えた有孔板ガラスは、白色有孔シートメタル集熱器よりも効率が最高１００％高い。また、理解できるように、従来型板ガラスなし有孔集熱器と上述の有孔板ガラス付き設計の性能の差は、例えば１平方フィート当たり３〜４ｃｆｍの低い流量の場合、一層顕著である。

添付の特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく図示の実施形態の改造例を想到できることは当業者には明らかであろう。

Claims (20)

1. 周囲環境にさらされる透明な板ガラスを有する集熱器であって、前記透明板ガラスは、後側表面材との間にプレナムを構成するよう前記後側表面材から間隔を置いて位置し、前記集熱器は、前記透明板ガラスを貫通して設けられ且つ外気が前記透明板ガラスを通って前記プレナム内に流れることができるようにする複数個の孔を更に有し、前記孔は、前記板ガラスの表面領域全体にわたって分布して設けられており、前記プレナムは、出口を有し、前記集熱器は、加熱された空気を前記プレナムから前記出口を通って引き込む送風手段を更に有する、集熱器。
2. 前記後側表面材は、太陽放射線吸収パネルを含む、請求項１記載の集熱器。
3. 前記太陽放射線吸収パネルは、断熱材層の上に位置している、請求項２記載の集熱器。
4. 前記太陽放射線吸収パネルは、湾曲している、請求項２記載の集熱器。
5. 前記後側表面材は、少なくとも１枚の光起電性パネルを有する、請求項１記載の集熱器。
6. 前記後側表面材は、淡色のものである、請求項１記載の集熱器。
7. 前記太陽放射線吸収パネルは、波形である、請求項２記載の集熱器。
8. 前記後側表面材は、細長い管状の形をしており、前記有孔板ガラスは、前記後側表面材の片側に沿って長手方向に延びている、請求項１記載の集熱器。
9. 前記プレナムは、少なくとも一部が建物の壁によって画定されている、請求項１記載の集熱器。
10. 前記後側表面材は、温室の建物エンベロープの一部をなす透明なメンブレンを含む、請求項１記載の集熱器。
11. 前記後側表面材は、少なくとも一部が地面によって画定されている、請求項１記載の集熱器。
12. 空気を加熱する装置であって、太陽放射線を通過させることができる透明な有孔表面材と、前記透明な有孔表面材の後ろに配置されていて、太陽放射線を吸収する太陽放射線吸収表面材と、前記透明な有孔表面材と前記太陽放射線吸収表面材との間に形成された空隙とを有し、前記空隙中を流れる空気が前記太陽放射線吸収表面材から熱を吸収する一方で、前記透明な有孔表面材の孔を通って流れる新鮮な周囲空気が前記透明な有孔表面材前後の最小温度差を提供する、装置。
13. 前記空隙を負圧下に維持する送風手段が設けられている、請求項１２記載の装置。
14. 前記透明な有孔表面材は、建物表面材に取り付けられ、前記空隙は、前記透明な有孔表面材と前記建物表面材との間に形成されている、請求項１３記載の装置。
15. 前記建物表面材は、温室骨組み構造体全体にわたって延びる透明なメンブレンである、請求項１４記載の装置。
16. 前記建物表面材は、前記太陽放射線吸収表面材の一部をなすと共に淡色のものである、請求項１４記載の装置。
17. 前記太陽放射線吸収表面材は、建物表面材に取り付けられた集熱パネルを含み、前記透明な有孔表面材は、前記集熱パネルを周囲環境から隔離している、請求項１２記載の装置。
18. 太陽に向いた表面材を有する建物のための外気を予熱する方法であって、前記方法は、
    太陽放射線を通過させることができる透明な有孔表面材を前記建物の前記太陽に向いた表面材に取り付けてプレナムが前記透明な有孔表面材と前記太陽に向いた表面材との間に形成されるようにするステップと、
    前記透明な有孔表面材を通って外気を前記プレナム中に引き込むステップと、
    前記透明な有孔表面材を通過した入射太陽放射線を捕捉し、捕捉した前記太陽放射線を用いて前記プレナム内の空気を加熱するステップと、
    加熱された前記空気を前記プレナムから引き出すステップとを有する、方法。
19. 前記入射太陽放射線は、前記建物の太陽に向いた壁によって捕捉される、請求項１８記載の方法。
20. 入射太陽放射線を捕捉するステップは、集熱パネルを前記透明な有孔表面材から距離を置いたところで前記建物壁に取り付けるステップを含み、前記プレナムは、前記透明な有孔表面材と前記集熱パネルとの間に形成される、請求項１８記載の方法。

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