特許 6243723 蓄熱システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6243723

(24)【登録日】2017年11月17日

(45)【発行日】2017年12月6日

(54)【発明の名称】蓄熱システム

(51)【国際特許分類】

   F24J 2/42 20060101AFI20171127BHJP

   F24J 3/08 20060101ALI20171127BHJP

【ＦＩ】

   F24J2/42 B

   F24J3/08

   F24J2/42 Z

   F24J2/42 T

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-257687(P2013-257687)

(22)【出願日】2013年12月13日

(65)【公開番号】特開2015-114069(P2015-114069A)

(43)【公開日】2015年6月22日

【審査請求日】2016年11月14日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成２５年９月３０日大和ハウス工業株式会社のホームページにて「当社初「太陽熱・地中熱利用給湯システム」を導入した次世代環境配慮型介護施設「Ｄ’ｓＳＭＡＲＴＳＩＬＶＥＲ（ディーズスマートシルバー）の実証実験」を開始」を公開

(73)【特許権者】

【識別番号】390037154

【氏名又は名称】大和ハウス工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】502394069

【氏名又は名称】株式会社 大阪テクノクラート

(74)【代理人】

【識別番号】110001586

【氏名又は名称】特許業務法人アイミー国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】梅田 裕之

(72)【発明者】

【氏名】宇都宮 栄治

【審査官】 宮崎 賢司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１５２０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３３１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０８１７６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２１４５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６０−０２５８２２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭５５−０６５４６５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許第０６１６７７１５（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許第０６６１５６０１（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２４Ｊ ２／４２

Ｆ２４Ｊ ３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

太陽熱および地中熱を併用する蓄熱システムであって、
太陽熱集熱器によって集熱された太陽熱を熱源とする第１の熱媒体が循環することによって、熱回収タンクに蓄熱するための第１循環回路と、
地中熱採熱器によって採熱された地中熱を熱源とする第２の熱媒体が、地中熱ヒートポンプにより昇温されて循環することによって、前記熱回収タンクに蓄熱するための第２循環回路と、
前記第２循環回路から分岐し、前記第２の熱媒体が循環する分岐循環回路と、
前記第１循環回路を循環する前記第１の熱媒体と、前記分岐循環回路を循環する前記第２の熱媒体とを熱交換させるための熱交換ユニットと、
前記第２の熱媒体が循環する回路を、前記第２循環回路と前記分岐循環回路とのうちのいずれか一方に、選択的に切り替えるための第１の切替弁とを備える、蓄熱システム。

【請求項2】

前記分岐循環回路は、前記第２循環回路のうちの、前記地中熱採熱器と前記地中熱ヒートポンプとの間の採熱回路から分岐し、前記地中熱採熱器を通過する、請求項１に記載の蓄熱システム。

【請求項3】

前記熱交換ユニットは、前記第１循環回路における、前記太陽熱集熱器への還り経路に設けられる、請求項１または２に記載の蓄熱システム。

【請求項4】

前記分岐循環回路内に前記第２の熱媒体を循環させるための循環ポンプと、
前記第１循環回路内に前記第１の熱媒体を循環させた状態で、前記第１の熱媒体と前記分岐循環回路内の前記第２の熱媒体とを熱交換させる熱交換運転を行うために、前記第１の切替弁および前記循環ポンプの動作を制御する制御手段とをさらに備える、請求項１〜３のいずれかに記載の蓄熱システム。

【請求項5】

前記太陽熱集熱器への入口側における前記第１の熱媒体の温度を検知するための第１の温度センサをさらに備え、
前記制御手段は、前記第１の温度センサの温度が異常高温値となった場合に、前記熱交換運転を実行することにより、前記第２の熱媒体の熱で前記第１の熱媒体を冷却する、請求項４に記載の蓄熱システム。

【請求項6】

前記熱回収タンク内の被加熱媒体の温度を検知するための第２の温度センサをさらに備え、
前記制御手段は、前記第２の温度センサの温度が設定温度以上となった場合に、前記熱交換運転を実行することにより、前記第１の熱媒体の熱を地中に蓄熱する、請求項４または５に記載の蓄熱システム。

【請求項7】

前記熱回収タンク内を循環する回路を、前記第１循環回路と前記第２循環回路とのうちのいずれか一方に、選択的に切り替えるための第２の切替弁をさらに備える、請求項１〜６のいずれかに記載の蓄熱システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蓄熱システムに関し、特に、太陽熱および地中熱を併用する蓄熱システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、再生可能エネルギーとして、太陽熱だけでなく地中熱を利用した蓄熱システムが提案されている。たとえば、特開２００２−８１７６３号公報（特許文献１）には、ソーラーパネルを含むハイブリッドパネルと、蓄熱槽と、地中熱交換器とを、集熱媒体循環経路で接続した太陽熱、地中熱利用システムが開示されている。このシステムでは、夏季の集熱量が多い昼間には、集熱媒体を蓄熱槽と地中熱交換器とに循環させることで、蓄熱と、地中への排熱、すなわちソーラーパネルの温度上昇を防止とを行うことが開示されている。また、日照量の少ない冬季には、夏季の間に地中に蓄熱された熱で、地中熱交換器を循環する集熱媒体を温めてソーラーパネルに送ることが開示されている。

【0003】

また、特開２０１１−１４０８２７号公報（特許文献２）には、太陽集熱パネルと、建物の基礎部に設置された地中蓄熱槽とを有する地中蓄熱住宅において、太陽熱を集熱する熱媒体が、太陽熱回収タンクと地中蓄熱槽とを循環するように、熱媒体循環用の配管が設けられることが開示されている。当該住宅では、太陽熱回収タンク内の給湯用水を温めた後の残熱を地中蓄熱槽に放出することで、夏季の床冷房や、冬季の床暖房に利用することが開示されている。

【0004】

また、たとえば特開２０１３−１５２０３６号公報（特許文献３）のように、地中熱ヒートポンプを設けることで、太陽熱だけでなく地中熱を独立した熱源として併用するセントラル給湯システムも提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００２−８１７６３号公報

【特許文献2】特開２０１１−１４０８２７号公報

【特許文献3】特開２０１３−１５２０３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

太陽熱および地中熱をそれぞれ独立した熱源として併用するシステムでは、地中熱ヒートポンプの運転をするうちに採熱箇所の周辺は低温になるため、徐々に効率が低下する。そのため、特許文献３では、通所介護施設など昼間に給湯を多く利用する施設において、地中熱ヒートポンプにおける採熱回路の熱媒体が、利用後の湯水の排湯と熱交換するように構成することによって、地中熱の温度低下が防止されている。

【0007】

しかしながら、特許文献３のシステムでは、地中熱を採熱するための採熱器（採熱管）は、貯湯タンクへの蓄熱のためだけに利用されている。そのため、地中熱採熱器をさらに有効に活用することで、太陽熱および地中熱を効率的に利用するシステムが望まれていた。

【0008】

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、再生可能エネルギーである太陽熱および地中熱を効率的に利用することのできる蓄熱システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

この発明のある局面に従う蓄熱システムは、太陽熱および地中熱を併用する蓄熱システムであって、第１循環回路と、第２循環回路と、分岐循環回路と、熱交換ユニットとを備える。第１循環回路では、太陽熱集熱器によって集熱された太陽熱を熱源とする第１の熱媒体が循環することによって、熱回収タンクに蓄熱される。第２循環回路では、地中熱採熱器によって採熱された地中熱を熱源とする第２の熱媒体が、地中熱ヒートポンプにより昇温されて循環することによって、熱回収タンクに蓄熱される。分岐循環回路は、第２循環回路から分岐し、第２の熱媒体が循環する。熱交換ユニットは、第１循環回路を循環する第１の熱媒体と、分岐循環回路を循環する第２の熱媒体とを熱交換させる。

【0010】

好ましくは、分岐循環回路は、第２循環回路のうちの、地中熱採熱器と地中熱ヒートポンプとの間の採熱回路から分岐し、地中熱採熱器を通過する。

【0011】

熱交換ユニットは、第１循環回路における、太陽熱集熱器への還り経路に設けられることが望ましい。

【0012】

好ましくは、第２の熱媒体が循環する回路を、第２循環回路と分岐循環回路とのうちのいずれか一方に、選択的に切り替えるための第１の切替弁をさらに備える。

【0013】

また、分岐循環回路内に第２の熱媒体を循環させるための循環ポンプと、第１の切替弁および循環ポンプの動作を制御する制御手段とをさらに備えることが望ましい。制御手段は、第１循環回路内に第１の熱媒体を循環させた状態で、第１の熱媒体と分岐循環回路内の第２の熱媒体とを熱交換させる熱交換運転を行う。

【0014】

好ましくは、太陽熱集熱器への入口側における第１の熱媒体の温度を検知するための第１の温度センサをさらに備え、制御手段は、第１の温度センサの温度が異常高温値となった場合に、熱交換運転を実行することにより、第２の熱媒体の熱で第１の熱媒体を冷却する。

【0015】

また、熱回収タンク内の被加熱媒体の温度を検知するための第２の温度センサをさらに備え、制御手段は、第２の温度センサの温度が設定温度以上となった場合に、熱交換運転を実行することにより、第１の熱媒体の熱を地中に蓄熱してもよい。

【0016】

熱回収タンク内を循環する回路を、第１循環回路と第２循環回路とのうちのいずれか一方に、選択的に切り替えるための第２の切替弁をさらに備えてもよい。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、再生可能エネルギーである太陽熱および地中熱を効率的に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施の形態に係る貯湯システムの回路構成を概略的に示す図である。

【図2】本発明の実施の形態に係る貯湯システムにおいて、ソーラー運転時の熱媒体の流れを示す図である。

【図3】本発明の実施の形態に係る貯湯システムにおいて、地中熱ＨＰ（ヒートポンプ）運転時の熱媒体の流れを示す図である。

【図4】本発明の実施の形態に係る貯湯システムにおいて、熱交換運転時の熱媒体の流れを示す図である。

【図5】本発明の実施の形態に係る貯湯システムの制御構成を示すブロック図である。

【図6】本発明の実施の形態における日中の運転判断処理を示すフローチャートである。

【図7】本発明の実施の形態におけるタンク弁開閉処理を示すフローチャートである。

【図8】本発明の実施の形態におけるソーラー冷却モードでの熱交換処理を示すフローチャートである。

【図9】本発明の実施の形態における地中蓄熱モードでの熱交換処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

【0020】

本実施の形態における蓄熱システムは、たとえば介護施設など多数の人に利用される施設や住宅等の建物に搭載され、蓄熱された被加熱媒体が、給湯や屋内の空調等に利用される。以下に、蓄熱システムが、たとえば、被加熱媒体を水（湯）とする貯湯システムである例について説明する。

【0021】

＜貯湯システムの構成例について＞
（回路構成について）
はじめに、本発明の実施の形態に係る貯湯システムの回路構成について説明する。図１を参照して、本実施の形態に係る貯湯システムは、太陽熱集熱器により集熱される太陽熱と、地中熱採熱器により採熱される地中熱とを、それぞれ独立した熱源として併用可能である。したがって、貯湯システムは、太陽熱集熱器としてのソーラーパネル１ａ，１ｂ，１ｃと、地中熱採熱器としてのボアホール２と、熱回収タンクとしての貯湯タンク４ａ，４ｂ，４ｃと、貯湯タンク４ａ〜４ｃ内を通る第１循環回路１０および第２循環回路２０とを備えている。なお、ソーラーパネル１ａ〜１ｃ、ボアホール２、および貯湯タンク４ａ〜４ｃの個数は、特に限定されるものではなく、必要な蓄熱量等に応じて定められればよい。

【0022】

本実施の形態において、第１循環回路１０は、ソーラーパネル１ａ〜１ｃによって集熱された太陽熱を熱源とする熱媒体が循環する。蓄熱時における第１の循環回路１０内の熱媒体の流動方向が図２に示されている。

【0023】

第２循環回路２０は、ボアホール２によって採熱された地中熱を熱源とする熱媒体が循環する。蓄熱時における第２の循環回路２０内の熱媒体の流動方向が図３に示されている。第２循環回路２０の途中位置には、地中熱ヒートポンプ７が設けられている。地中熱ヒートポンプ７で昇温された熱媒体が貯湯タンク４ａ〜４ｃ内を流動することによって、貯湯タンク４ａ〜４ｃ内の水が温められる。

【0024】

本実施の形態では、第１循環回路１０および第２循環回路２０は、貯湯タンク４ａ〜４ｃを共有するように並列配置されていれる。そのため、貯湯システムには、切替弁５１が設けられている。切替弁５１は、貯湯タンク４ａ〜４ｃ内を循環する回路を、第１循環回路１０と第２循環回路２０とのうちのいずれか一方に、選択的に切り替える。具体的には、切替弁５１は、たとえば三方弁により構成され、第１循環回路１０と第２循環回路２０との接続部に設けられる。切替弁５１は、ソーラーパネル１ａ〜１ｃ側およびボアホール２側のうちの一方のみが「開」状態となるように制御される。

【0025】

なお、本実施の形態では、第１循環回路１０および第２循環回路２０の双方に共有される回路を、蓄熱回路４０という。蓄熱回路４０は、各貯湯タンク４ａ〜４ｃ内を通過する迂回路４０ａ，４０ｂ，４０ｃを含む。貯湯タンク４ａ〜４ｃおよび蓄熱回路４０の詳細については後述する。

【0026】

また、第１循環回路１０および第２循環回路２０のいずれにおいても、熱媒体が熱源から蓄熱回路４０（貯湯タンク４ａ〜４ｃ側）へ向かう経路を「往き経路」、逆に、熱源側へ戻る経路を「還り経路」という。また、太陽熱を集熱する熱媒体と、地中熱を採熱する熱媒体とを区別する場合には、前者を「第１の熱媒体」、後者を「第２の熱媒体」ともいう。

【0027】

第１循環回路１０には、第１の熱媒体を循環させるための循環ポンプ１１が設けられている。循環ポンプ１１は、蓄熱回路４０からソーラーパネル１ａ〜１ｃへ向かう還り経路内に設けられている。

【0028】

第２循環回路２０は、地中熱ヒートポンプ７よりもボアホール２側の採熱回路２０ａと、地中熱ヒートポンプ７よりも蓄熱回路４０側の負荷側回路２０ｂとを含む。地中熱ヒートポンプ７は、公知のように、圧縮機、膨張弁、蒸発器（熱交換器）、凝縮器（熱交換器）、および四方弁を含む。採熱回路２０ａにおいて地中熱により温められた第２の熱媒体は、蒸発器と熱交換することによって冷却され、ボアホール２に戻る。負荷側回路２０ｂを循環する第２の熱媒体は、凝縮器と熱交換することによって高温化され、蓄熱回路４０へ向かう。

【0029】

第２循環回路２０の採熱回路２０ａおよび負荷側回路２０ｂには、それぞれ循環ポンプ３１，２１が設けられている。採熱回路２０ａの循環ポンプ３１は、ボアホール２から地中熱ヒートポンプ７へ向かう往き経路内に設けられている。負荷側回路２０ｂの循環ポンプ２１は、たとえば、蓄熱回路４０から地中熱ヒートポンプ７へ向かう還り経路内に設けられている。

【0030】

本実施の形態に係る貯湯システムは、分岐循環回路３０と、熱交換ユニット３とをさらに備えている。分岐循環回路３０は、第２循環回路２０から分岐し、第２の熱媒体が循環する。熱交換ユニット３は、分岐循環回路３０と第１循環回路１０との接続部に設けられている。これにより、第１循環回路１０を循環する第１の熱媒体と、分岐循環回路３０を循環する第２の熱媒体とを熱交換することができる。分岐循環回路３０における第２の熱媒体の流動方向が図４に示されている。

【0031】

分岐循環回路３０は、第２循環回路２０のうちの採熱回路２０ａから分岐することが望ましい。この場合、分岐循環回路３０は、ボアホール２を通過するように構成されている。採熱回路２０ａには、第２の熱媒体の流動方向を、地中熱ヒートポンプ７側および熱交換ユニット３のうちの一方に選択的に切り替えるための切替弁５２が設けられている。切替弁５２は、たとえば三方弁により構成され、地中熱ヒートポンプ７側および熱交換ユニット３側のうちの一方のみが「開」状態となるように制御される。

【0032】

切替弁５２は、循環ポンプ３１よりも下流側に設けられている。これにより、貯湯タンク４ａ〜４ｃへの蓄熱のために採熱回路２０ａに第２の熱媒体を循環させる場合と、第１の熱媒体との熱交換のために分岐循環回路３０に第２の熱媒体を循環させる場合とで、循環ポンプ３１を共有することができる。なお、循環ポンプ３１を共有することなく、それぞれの回路２０ａ，３０上に個別に循環ポンプを設けてもよい。

【0033】

ここで、貯湯タンク４ａ〜４ｃおよび蓄熱回路４０の構成例について説明する。貯湯タンク４ａ，４ｂ，４ｃには、それぞれ、加熱コイル部（熱交換器）４６ａ，４６ｂ，４６ｃが内蔵されている。熱媒体は、加熱コイル部４６ａ〜４６ｃを流動する。これにより、熱媒体と貯湯タンク４ａ〜４ｃ内の水とが熱交換され、貯湯タンク４ａ〜４ｃ内の水が昇温される。つまり、貯湯タンク４ａ〜４ｃに、太陽熱および地中熱が回収され、蓄熱される。

【0034】

貯湯タンク４ａ〜４ｃの入口部には、それぞれ、流路切替用の切替弁（以下「タンク弁」という）５３ａ，５３ｂ，５３ｃが設けられている。タンク弁５３ａ，５３ｂ，５３ｃが開閉されることによって、蓄熱回路４０内における循環経路が切り替えられる。タンク弁５３ａ〜５３ｃは、たとえば、三方弁により構成されており、迂回路４０ａ〜４０ｃの往き経路上にそれぞれ配置される。熱媒体が、貯湯タンク４ａ〜４ｃの加熱コイル部４６ａ〜４６ｃを通過する場合のタンク弁５３ａ〜５３ｃの状態を「開」状態という。熱媒体が、貯湯タンク４ａ〜４ｃの加熱コイル部４６ａ〜４６ｃを通過することなく、迂回路４０ａ〜４０ｃの還り経路へ流動する場合のタンク弁５３ａ〜５３ｃの状態を「閉」状態という。

【0035】

本実施の形態では、隣り合う貯湯タンク４ａ〜４ｃ同士は、連通接続路４１により接続されている。低温側の貯湯タンク４ｃは、給水路４３と接続されている。高温側の貯湯タンク４ａと給湯栓（蛇口）４５との間の給湯路４２は、たとえば湯水混合栓５４を介して、給水路４３と接続されている。なお、湯水混合栓５４と給湯栓４５との間には、バックアップ用の給湯器４４が設けられてもよい。

【0036】

（制御構成について）
本実施の形態に係る貯湯システムの制御構成について説明する。図５を参照して、上述した地中熱ヒートポンプ７、循環ポンプ１１，２１，３１、切替弁５１，５２、およびタンク弁５３ａ〜５３ｃは、蓄熱制御装置８によってその動作が制御されている。蓄熱制御装置８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算処理装置によって実現される制御部８１と、不揮発性の記憶部８２と、日時を計測するクロック８３とを含む。記憶部８２には、本システムを動作させるためのプログラムや各種データが予め格納されている。

【0037】

図１および図５に示されるように、本システムは、複数の温度センサ６１〜６４と、日射量センサ６５とをさらに備えている。温度センサ６１は、第１循環回路１０の往き経路上に設けられ、集熱後の第１の熱媒体の温度（以下「ソーラー出口温度」という）を検知する。温度センサ６１は、たとえば、ソーラーパネル１ａ〜１ｃの出口側（出口付近）に設けられる。温度センサ６４は、第１循環回路１０の還り経路上に設けられ、蓄熱回路４０を循環した後（典型的には、貯湯タンク４ａ〜４ｃへの放熱後）の第１の熱媒体の温度（以下「ソーラー入口温度」という）を検知する。温度センサ６４は、たとえば、ソーラーパネル１ａ〜１ｃの入口側に設けられる。

【0038】

温度センサ６２は、蓄熱回路４０の最も上流側、すなわち貯湯タンク４ａの入口付近に設けられ、貯湯タンク４ａ〜４ｃへの放熱前における熱媒体の温度（以下「タンク入口温度」という）を検知する。温度センサ６３ａ〜６３ｃは、貯湯タンク４ａ〜４ｃ内の水（湯）の温度（以下「貯湯温度」という）をそれぞれ検知する。日射量センサ６５は、たとえばソーラーパネル１ａ〜１ｃ付近など、本システムが搭載された建物近辺の日射量を検知する。

【0039】

なお、各センサ６１〜６５が出力するアナログ信号は、たとえばＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換器（図示せず）などによってデジタル信号に変換され、変換後の信号が制御部８１に入力されるものとする。

【0040】

制御部８１は、クロック８３から得られる時刻や日射量センサ６５から得られる日射量に基づいて、ソーラー運転および地中熱ＨＰ（ヒートポンプ）運転のいずれかを選択的に実行する。基本的に、ソーラー運転は、日中（たとえば７時から１７時）に行われ、地中熱ＨＰ運転は夜間に行われる。ただし、日中であっても、曇天時または日射量不足の際には、ソーラー運転から地中熱ＨＰ運転に切り替える。

【0041】

ソーラー運転を実行する場合、制御部８１は、第１循環回路１０を作動させる。具体的には、切替弁５１のソーラーパネル１ａ〜１ｃ側を開状態にし、かつ、循環ポンプ１１を駆動させる。本実施の形態では、ソーラー運転中であっても、タンク弁５３ａ〜５３ｃの開閉を制御することで、貯湯タンク４ａ〜４ｃへの蓄熱（放熱）を行うことなく、第１の熱媒体を循環させることもできる。

【0042】

地中熱ＨＰ運転を実行する場合、制御部８１は、第２循環回路２０を作動させる。具体的には、切替弁５２のボアホール２側を開状態にし、かつ、循環ポンプ２１，３１を駆動させる。

【0043】

制御部８１は、ソーラー運転中（たとえば日中の晴天時）に、熱交換運転をさらに行う。熱交換運転を行う場合、制御部８１は、分岐循環回路３０を作動させる。具体的には、切替弁５２の熱交換ユニット３側を開状態にし、かつ、循環ポンプ３１を駆動する。これにより、熱交換ユニット３において第１の熱媒体と第２の熱媒体との熱交換が行われる。制御部８１は、夏季の晴天時の昼間など太陽熱の集熱量が多過ぎる場合であって給湯利用が少ない場合、あるいはこれらのいずれかの場合に、熱交換運転を行う。これにより、太陽熱の余剰熱を地中へ放熱（蓄熱）することができる。

【0044】

本実施の形態において、熱交換運転に関して制御部８１が行う処理を「熱交換処理」という。制御部８１は、熱交換処理に関し、２つのモードを有している。１つは、ソーラー冷却モードであり、もう１つは、地中蓄熱モードである。

【0045】

ソーラー冷却モードでは、太陽熱の集熱量が多過ぎる場合など、ソーラーパネル１ａ〜１ｃ（第１循環回路１０）がオーバーヒートして、第１の熱媒体が異常高温値となった場合に、熱交換運転を実行する。これにより、第１の熱媒体が地中熱（第２の熱媒体）によって冷却される。また、第１の熱媒体の熱は、地中へ排熱（蓄熱）される。地中蓄熱モードでは、貯湯タンク４ａ〜４ｃ内の貯湯温度が設定温度を超えている場合など、第１の熱媒体の温度と貯湯温度との温度差がなくなってきた場合に、熱交換運転を実行する。これにより、第１の熱媒体が温度差のある地中熱と熱交換される。また、太陽熱の余剰熱が地中へ蓄熱（放熱）される。

【0046】

なお、これらのモードを作動させる時間帯を分けることとしてもよい。また、これらのモードのうち、いずれを実行するかは、たとえば、蓄熱制御装置８の図示しない操作部からの指示に応じて決定されてもよい。

【0047】

＜動作について＞
（日中の運転判断処理）
図６は、本実施の形態に係る貯湯システムの日中の運転判断処理を示すフローチャートである。当該処理は、クロック８３から得られる時刻がたとえば７時となったときに開始される。なお、図６に示される処理は、蓄熱制御装置８の制御部８１が、記憶部８２に格納されたプログラムを読み出して実行することによって実現される。後に説明する図７〜図９に示される処理も同様である。

【0048】

図６を参照して、制御部８１は、日射量センサ６５からの信号に基づいて、日射量が設定値よりも多いか否かを判断する（ステップＳ１）。この設定値は、季節に応じて変更されてもよい。日射量が設定値よりも多いと判断した場合（ステップＳ１にてＹＥＳ）、第１循環回路１０を作動させ、ソーラー運転を実行する（ステップＳ２）。その後、ステップＳ１に戻る。本実施の形態において、ソーラー運転中に、図７に示すようなタンク弁開閉処理、および、図８，図９に示すような熱交換処理が並行して行われる。

【0049】

これに対し、日射量が設定値以下と判断した場合には（ステップＳ１にてＮＯ）、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、温度センサ６１により検知されるソーラー出口温度が、温度センサ６３ａ〜６３ｃにより検知される貯湯温度以上であるか否かが判断される。ソーラー出口温度が貯湯温度以上であれば（ステップＳ３にてＹＥＳ）、上記ステップＳ２へ進み、ソーラー運転を実行する。なお、ソーラー出口温度が、温度センサ６３ａ〜６３ｃが検知する貯湯温度のうちいずれか１つでも超えていれば、ソーラー運転を実行することとしてよい。

【0050】

一方、ソーラー出口温度が貯湯温度よりも低ければ（ステップＳ３にてＮＯ）、第２循環回路２０を作動させ、地中熱ＨＰ運転を実行する（ステップＳ４）。その後、ステップＳ１に戻る。

【0051】

上述のように、ソーラー運転中に、日射量およびソーラー出口温度の双方がそれぞれの条件を満たさなくなった場合には、日中であっても地中熱ＨＰ運転に切り替えられる。したがって、本実施の形態では、日射量が見込めない場合でも、バックアップ用の給湯器４４を使うことなく、自然エネルギーである地中熱を利用して蓄熱することができる。また、地中熱ヒートポンプ７を夜間だけでなく日中にも使用することで、地中熱を有効に活用することができる。

【0052】

また、一旦、地中熱ＨＰ運転が行われても、日射量およびソーラー出口温度のいずれか一方が条件を満たすようになった場合には、ソーラー運転に切り替えられる。したがって、日中の天候変化に対応することができる。

【0053】

なお、本実施の形態では、曇天または雨天（つまり「晴れ」以外）を判断するために、日射量およびソーラー出口温度の双方が検知されたが、いずれか一方のみが検知されてもよい。

【0054】

（タンク弁開閉処理）
図７は、本実施の形態におけるタンク弁開閉処理を示すフローチャートである。図７を参照して、ソーラー運転中に、制御部８１は、温度センサ６２により検知されるタンク入口温度が、温度センサ６３ａ〜６３ｃが検知する貯湯温度を超えているか否かを判断する（ステップＳ１１）。制御部８１は、貯湯温度がタンク入口温度未満のタンク弁を開状態とし（ステップＳ１２）、貯湯温度がタンク入口温度以上のタンク弁を閉状態とする（ステップＳ１３）。ステップＳ１１の温度判断は、所定の時間間隔で行われてもよい。

【0055】

（ソーラー冷却モードでの熱交換処理）
図８は、本実施の形態におけるソーラー冷却モードでの熱交換処理を示すフローチャートである。図８を参照して、制御部８１は、温度センサ６４により検知されるソーラー入口温度が、異常高温であるか否かを判断する（ステップＳ２１）。異常高温としての温度は予め定められており、ここでは、たとえば８０℃以上であるものとする。ソーラー入口温度が異常高温であると判断された場合（ステップＳ２１にてＹＥＳ）、分岐循環回路３０を作動することによって、熱交換運転（ソーラー冷却運転）を行う（ステップＳ２２）。具体的には、制御部８１は、循環ポンプ３１の駆動を開始するとともに、切替弁５２の熱交換ユニット３側を開状態とする。このとき、切替弁５２の地中熱ヒートポンプ７側は閉状態とされる。

【0056】

当該熱交換処理は、ソーラー運転中に行われるため、図４に示されるように、熱交換ユニット３において、第１循環回路１０を循環する第１の熱媒体と、分岐循環回路３０を循環する第２の熱媒体との間で、熱交換される。これにより、第１の熱媒体の高温の熱は、地中に排熱され、地中熱（第２の熱媒体）によって冷却される。より具体的には、８０℃以上の第１の熱媒体は、熱交換により５０℃程度まで冷却される。また、１５〜１６℃程度の第２の熱媒体は、熱交換により４０°程度に加温され、ボアホール２において地中に排熱される。なお、図４では、第１の熱媒体が貯湯タンク４ａ〜４ｃ内を通過しない状態を示しているが、第１の熱媒体が貯湯タンク４ａ〜４ｃ内を通過する状態（蓄熱時）に、ソーラー冷却運転が行われてもよい。

【0057】

ソーラー冷却運転は、ソーラー入口温度が安全温度（たとえば５０℃）となるまで継続される（ステップＳ２３にてＮＯ）。ソーラー入口温度が安全温度まで降下したと判断した場合（ステップＳ２３にてＹＥＳ）、制御部８１は、分岐循環回路３０をオフする（ステップＳ２４）。つまり、循環ポンプ３１の駆動を停止するとともに、切替弁５２の熱交換ユニット３側を閉状態とする。このとき、切替弁５２の地中熱ヒートポンプ７側は開状態とされる。

【0058】

ソーラー冷却モードでの熱交換処理によれば、第１の熱媒体を地中熱によって冷却することができる。したがって、第１循環回路１０を含む太陽熱システム系統における温度上昇を抑制し、保護することができる。

【0059】

また、地中熱ＨＰ運転以外にも地中熱を有効に利用することができる。したがって、第１循環回路１０を冷却するためだけに、たとえば水道水による冷却装置を別途設ける必要がなくなる。その結果、水道量の削減にもつながる。

【0060】

また、第１の熱媒体の高温の熱を、地中に排熱することで、地中熱ＨＰ運転時における地中熱ヒートポンプ７の効率を向上させることもできる。

【0061】

（地中蓄熱モードでの熱交換処理）
図９は、本実施の形態におけるソーラー冷却モードでの熱交換処理を示すフローチャートである。図９を参照して、制御部８１は、温度センサ６３ａ〜６３ｃにより検知される貯湯温度が、設定温度（目標温度）以上であるか否かを判断する（ステップＳ３１）。貯湯温度が設定温度以上であると判断した場合（ステップＳ３１にてＹＥＳ）、分岐循環回路３０を作動することによって、熱交換運転（ボアホール２への蓄熱運転）を行う（ステップＳ３２）。ここで制御部８１が行う処理は、図８のステップＳ２２で行われる処理と同様である。

【0062】

分岐循環回路３０が作動されると、図４に示されるように、熱交換ユニット３において、第１循環回路１０を循環する第１の熱媒体と、分岐循環回路３０を循環する第２の熱媒体との間で、熱交換される。これにより、第１の熱媒体の余剰熱が、地中に蓄熱され、第１の熱媒体の温度は降温される。

【0063】

ボアホール２への蓄熱運転は、たとえば、ソーラー出口温度が地中温度以下となるまで継続される（ステップＳ３３にてＮＯ）。地中温度を検知するための温度センサ（図示せず）は、たとえば、ボアホール２と循環ポンプ３１との間に設けられる。ソーラー出口温度が地中温度未満となったと判断した場合（ステップＳ３３にてＹＥＳ）、制御部８１は、分岐循環回路３０をオフする（ステップＳ３４）。ここで制御部８１が行う処理は、図８のステップＳ２４で行われる処理と同様である。

【0064】

地中蓄熱モードでの熱交換処理によれば、第１の熱媒体が温度差のある地中熱と熱交換されるため、ソーラーパネル１ａ〜１ｃの集熱効率を向上させることができる。また、太陽熱の余剰熱が地中に蓄熱されるため、地中熱ＨＰ運転時における地中熱ヒートポンプ７の効率を向上させることができる。

【0065】

以上説明したように、本実施の形態によれば、ソーラー運転時に、太陽熱の余剰熱を地中へ放熱するとともに、地中熱によって第１の熱媒体を降温させることができる。そのため、本実施の形態では、貯湯タンク４ａ〜４ｃへの蓄熱のためだけでなく、第１循環回路１０の冷却、および、ソーラーパネル１ａ〜１ｃの集熱効率の向上のためにも、ボアホール２を活用することができる。また、ソーラーパネル１ａ〜１ｃは、地中熱ヒートポンプ７の採熱効率の向上のためにも活用することができる。したがって、本実施の形態によれば、太陽熱および地中熱を効率的に活用することができる。

【0066】

また、地中熱ヒートポンプ７の採熱効率が向上するため、地中熱ヒートポンプ７を、給湯だけでなく、冷暖房等他の機能に利用することも可能となる。また、地中熱ヒートポンプ７の採熱効率が大幅に向上すれば、ソーラーパネル１ａ〜１ｃを、夏季ピークではなく冬季ピークに合わせて設計することができる。したがって、冬季の集熱量不足を低減することができる。

【0067】

なお、本実施の形態では、分岐循環回路３０は、第２循環回路２０の採熱回路２０ａのうちのボアホール２と地中熱ヒートポンプ７との間から分岐することとした。しかしながら、分岐循環回路３０は、第２循環回路２０から分岐し、地中熱ヒートポンプ７により昇温される前の低温の第２の熱媒体を熱交換ユニット３に循環させることができれば、他の部分から分岐していてもよい。

【0068】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0069】

１ａ，１ｂ，１ｃ ソーラーパネル、２ ボアホール、３ 熱交換ユニット、４ａ，４ｂ，４ｃ 貯湯タンク、７ 地中熱ヒートポンプ、８ 蓄熱制御装置、１０ 第１循環回路、１１，２１，３１ 循環ポンプ、２０ 第２循環回路、２０ａ 採熱回路、２０ｂ 負荷側回路、３０ 分岐循環回路、４０ 蓄熱回路、４０ａ，４０ｂ，４０ｃ 迂回路、４１ 連通接続路、４２ 給湯路、４３ 給水路、４４ 給湯器、４５ 給湯栓、４６ａ，４６ｂ，４６ｃ 加熱コイル部、５１，５２ 切替弁、５３ａ，５３ｂ，５３ｃ タンク弁、５４ 湯水混合栓、６１，６２，６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６４ 温度センサ、６５ 日射量センサ、８１ 制御部、８２ 記憶部、８３ クロック。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】