太陽熱利用で地球温暖化阻止!

【凍らない】寒冷地の太陽熱利用はソーラーエアーヒーター(PCM温風器)一択です

2020/11/09
 
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nonofho
元地方公務員。農業土木技術者。農業基盤整備の設計・施工に係わること42年、そのノウハウを生かして自然エネルギーの有効利用を考えています。栃木県在住。

 

ソーラーエアーヒーターのお問い合わせ・資料請求が増えています。

そのため、改めて情報を整理しておきますので参考にしていただければ幸いです。

 

これまで極めて寒い地域での太陽熱利用は非常に困難でした。

一応、真空管式太陽熱温水器は凍結に強いですが、東北や北海道のような寒冷地では配管の凍結に特別な備えが必要ですし、分離分割型で不凍液を使う場合でもメンテナンスの面で不安が残ります。

 

そんな技術的問題を一気に解放した製品がソーラーエアーヒーター(PCM温風器)です。

採熱媒体に空気を使うことで凍結の問題を見事に解消しています。

 

これは非常に革新的なことで、理論上は氷点下-40℃になるような場所でも使え、家庭や事業所の暖房や給湯だけでなく農産物や木材の乾燥などアイディア次第でその用途は非常に幅広いものです。

 

もはや、ソーラーエアーヒーター(PCM温風器)を使えば凍結で悩むことはありません。

 

<目次>

1.ソーラーエアーヒーターとは

2.採熱性能

3.使い方

4.耐久性とメンテナンス

5.価格

6.まとめ

 

1.ソーラーエアーヒーターとは

 

技術的な詳細は以下の記事をお読みいただくとして、ここでは概要を説明します。

 

ソーラーエアーヒーター

 

ソーラーエアーヒーター(PCM温風器)とは簡単に言うと、真空管採熱器の中にPCM(相変化材料)を入れることで、採取した太陽熱を別な形にして蓄える装置です。しかし、別な形でと言っても分かりにくいので、以下の図で説明します。

 

PCMの相変図

 

PCMは相変化材料のことで、Phase change materialの略です。

 

PCMは固体ですが熱を受けると液状化します。(この時点で熱が熱ではない形で保存されます。)

次に、この状態から冷風を送るとPCMが反応し熱を発生します。

そして熱が放出され冷えると再度固まります。

 

この繰り返しですが、PCMは安定した物質なので何度でも繰り返して使え、劣化はほとんどないと言われています。

真空管及びPCMの構造は写真のようになっています。

 

PCM採熱器の構造

 

真空管は一般的な温水器のものと違って、風を通すために先端が螺旋状になっています。

どのようにして作るのかは分かりませんが、非常に特殊なものと言えるでしょう。

 

採熱器そのものは、パネル1枚に真空管が30本のものが標準となっています。

以下の図は、蓄熱棒と空気の流れを示しました。

PCM採熱パネル

 

このように採熱の仕組みは非常にシンプルで、下から冷風を送られることでPCMが発熱し、上部のヘッダーから温風が出てくるようになっています。

真空管の内部を空気が通過する構造が斬新なアイディアなわけです。

 

2.採熱性能

 

誰もが気になるのは、「どれだけの能力があるのか」と思います。

右側の標準タイプ、ZNー30D58-1800で説明します。

※ZN-20D58-1800は現在製造されていません。

 

構成 真空管Φ58mm 長さ1.8m 30本

集熱面積 4㎡

総蓄熱能力 33MJ(最大蓄熱能力)

総得熱量 30MJ(使うことのできる熱量)

 

以下を読んで、どれくらいの能力かは想像してください。

これだけの熱量をタダで使えるんです。もったいないと思いませんか。

 

パネル1枚当たりの採熱能力について

採熱パネルの標準得熱量 30MJ
カロリー(Cal)に変換 30×0.24=7.2Mcal(7,200,000Cal)

1Calは、1ccの水を1℃上げる能力がありますから、1リットルでは7,200℃、100リットルなら72℃上昇します。
つまり、200ℓの温水器なら35℃となり、水温が10℃なら45℃、20℃なら55℃になります。

ただ、PCM温風器は蓄熱量で表示しているので日中に使う量が加味されていません。
なので、日中に使えば蓄熱能力プラスαが期待できることになります。
ただし、これは日照条件に大きく左右されるのでメーカーとしては無視しているようです。

(参考にどれくらいの太陽熱エネルギーが1枚の採熱パネルに届いているか計算してみました。)
地上に降り注ぐ太陽エネルギーは、1㎡当たり1Kw(1KJ)とされていますので、パネル1枚(4㎡)の面積では以下のようになります。
※日照時間の計算は、9時から3時の6時間とします。
4.0㎡×60秒×60分×6時間=86,400Kw
つまり、86.4MJのエネルギーが届いていることになります。

変換効率 30/86.4×100=34.7%

 

3.使い方

 

さて、使い方ですが実にシンプルです。

暖房だけなら電動ファンが1台あれば、それだけで温風を使うことができ、どんな寒い場所でも大丈夫です。こんな機材は世界中探してもどこにもありません。

 

(暖房のみに使う場合)

暖房の目安は、住宅の断熱構造にもよりますが一応50㎡とされています。

特徴的なのは、日没までに標準得熱量の30MJがPCMに蓄熱されているなら夜間に使えることです。

日中に不在であるなら、帰宅後に温風が使えるのは非常に大きなメリットではないでしょうか。

PCM採熱器を暖房に使う

 

(暖房と給湯の両方を使う場合)

これは一般家庭用向けモデルで一番新しい製品で、パネル2枚をセット、中央にヘッダーを設けてコンパクトな使用になっています。これに専用のタンクを用意すれば、暖房したりお湯を沸かすことができます。

タンクは2重構造になっており、内側のタンクは250Lの貯湯タンクで、その外側に304Lが被さります。

つまり、その差54Lの熱風が内側のタンク内にある水を温めるわけです。

 

暖房と給湯兼用

 

二重タンクのメリットは大きく、温水タンクと外装タンクの間に空気層があることでお湯が冷めにくくなります。

保温材を厚くして、どのように厳重に保温をしたとしても熱が逃げるのは避けられませんが、空気層は熱を通しにくいのでこのカプセル式タンクは非常に高性能と言えるでしょう。

 

一般家庭向けパネル(真空管40本)

 

一般家庭向けの標準型(真空管60本)のデータは以下の通りです。

右のグラフは20分おきに出風温度を測っていますが、最高で160℃近くになることがわかります。

電動ファンの規格は風量570㎥/hとなっていますが、毎分に直すと9.5㎥ですから以下のような製品を選べば良いことになります。純正品も用意はできますが、220V仕様なので国産を使った方が安全です。

以下の写真の製品は、毎分13㎥、吐出し口外径97mm概ね一致しますから問題は無いはずです。

 

 

 

冬は温風と温水、春から秋までは温水を使うことで一年中無駄なく太陽熱を使うことができますから、床暖房のような暖房方式よりも費用対効果が極めて高いと言えるでしょう。

もちろん暖房だけ、給湯だけの使い方もできます。中国では太陽熱温水器がすでに普及しているので、暖房に使うケースが多いようです。

 

4.耐久性とメンテナンス

 

次に耐久性について考えます。

一般的に使われている太陽熱温水器の真空管はすでに20年以上の実績があるそうですが、PCM温風器の真空管は新たに開発しているのでせいぜい5年くらいの実績ではないでしょうか。

しかし、特殊なのは螺旋の部分だけでなので、一般的な真空管式太陽熱温水器と同等の15年は大丈夫と考えられます。

 

それから肝心のPCM(蓄熱棒)ですが、これは前述したように安定した物質なので液化、固化を繰り返しても何ら問題はないとのことです。

メーカーは半永久的と言っていますが、そこまでは無理としてもかなり長期の使用に耐えられるはずです。

 

そして、メンテナンスに関しては水を使っていないためどのような温水器よりも簡単です。

例えば真空管が割れたとか、真空が抜けたようなトラブルがあっても、その真空管を引き抜いて交換するだけです。

 

PCM(蓄熱棒)についても真空管内に固定されているわけではないので、PCMが漏出するようなトラブルがあれば抜いて交換します。

参考に採熱器組み立ての動画を添付しておきます。

メンテナンスが必要になったら、この逆をやればよいわけですが、動画をみるとあっけないほど簡単に組み立てています。

 

 

それから、ヒートパイプ方式の太陽熱温水器の場合には過集熱(使わない場合など)の心配がありますが、PCM温風器の場合にはその心配は皆無です。

仮に冬期間だけしか使わず放置しておいても過集熱は発生しません。

これは、PCMが太陽熱を吸収放熱を繰り返すためと思われます。(正確には分かりませんが)

 

前述のヒートパイプ方式の太陽熱温水器では、使わないときには遮光シートをかぶせるなどの対策を講じないと熱のためにダメになってしまいます。

これはメンテナンス上非常に重要で、過集熱がないことの有難みは計り知れません。

真空管採熱器が高性能ゆえの悩みではあるのですが・・・

 

 

5.価格

 

ソーラーエアーヒーターの「単品価格」は以下の通りですが、複数台の注文の場合にはコンテナ料金など安くなりますので単価は下がります。

基本的に東京港渡しとなります。

 

ZNー30D58-1800  真空管30本  予定価格 30万円(単品価格・消費税・送料別)

カプセル式タンク 250L(300L) 予定25万円(単品価格・消費税・送料別)

※経済状況等で価格は変動する可能性があります。

 

なお、最新型の真空管横置きタイプについての価格は未定ですが、真空管の本数に応じた価格で見込めばほぼ間違いありません。

こちらは、真空管が40本(25×2)、60本(30×2)、80本(40×2)が用意されているようです。

 

6.まとめ

 

北海道での熱利用はソーラーエアーヒーター一択と書きましたが、逆にいうとそれ以外の製品は使えないし、使わない方が良いと私は考えます。

連日氷点下10℃を下回るような地域、旭川や網走のような極端に寒い地域で水を使った太陽熱温水器はまず無理と思ってください。

仮にできたとしても、それは並々ならぬ努力の結果でしょう。

 

しかし、ソーラーエアーヒーターにそんな努力は必要ありません。

なにしろ空気は凍らないのですから。

 

 

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元地方公務員。農業土木技術者。農業基盤整備の設計・施工に係わること42年、そのノウハウを生かして自然エネルギーの有効利用を考えています。栃木県在住。

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