パッシブ太陽熱温水器の作り方

太陽熱温水器はどのように動作するのですか? さまざまなタイプの太陽熱温水器をご覧ください。 パッシブ太陽熱温水器を構築することで、化石燃料排出への依存を減らします。

バッチ ヒーターの設計、設置、使用、メンテナンスには、いくつかの基本原則と考慮事項が適用されます。 IPSWH は、システムの中心となるのがタンクに保管されている水の「バッチ」であるため、バッチ ヒーターと呼ばれます。 基本的なバッチ ヒーターの設計は、1 つのタンクまたは一連の大きな直径のパイプまたはタンクに基づいています。 タンクはフラットブラックに塗装されるか、太陽熱を容易に吸収して内部に蓄えられた水に伝達する選択的な表面でコーティングされています。 熱の収集を増やし、熱損失を減らすために、タンクは、南向きの側面または上部がガラス材で覆われた断熱ボックスに囲まれています。

標準的なバッチヒーターでは、冷水は底部近くの側面入口を通って、または上部から入って底部近くに冷水を排出する「ディップチューブ」を通って太陽熱収集タンクに入ります。 加熱された水は、水が最も暖かい上部近くの出口から出て、バックアップの従来型ヒーター (ガス、電気、または木材を燃料とする) に移動し、そこで希望の温度まで加熱されます。 バッチヒーターは循環に水道管の圧力を使用するため、高価なポンプや制御装置が不要になります。 夏の間、または一年中暖かく晴れた場所では、多くの場合、バックアップ ヒーターをオフにしてバイパスし、バッチ ヒーターで必要なお湯をすべて供給します。 カリフォルニア州デービスでは、3 タンクヒーターが 9 か月間すべてのお湯を賄いました。

コレクターの温度が比較的低いため、コンポーネントの膨張と収縮が最小限に抑えられ、磨耗が軽減されます。 システム内の水の質量は、材料に損傷を与える可能性のある凍結や極度の高温からシステムを保護するのに役立ち、システムの寿命が長くなります。 ヨーロッパでの研究によると、コレクター内の水の最大 20 パーセントはタンクに損傷を与えることなく凍結する可能性がありますが、保護されたり排水されたりしない限り、パイプは依然として危険にさらされていることに留意してください。

安価で構築が簡単な太陽熱温水器シス​​テムを求める日曜大工にとって、一体型パッシブ太陽熱温水器 (IPSWH、イプスワウと発音) はまさに夢の実現です。 この現実的な湯沸かし器を作るのに必要なのは、廃棄された電気温水器のタンク、タンクを収納する自家製の断熱合板の箱、使用済みの窓ガラスまたは透明なプラスチックの 1 ～ 2 枚、一般的な配管金具、その他の材料だけです。パイプと少しの断熱材。 測定し、考え、鋸で切り、ハンマーでたたき、塗装し、レンチを回す満足のいく数時間を追加すると、空にあるフレンドリーな炉 (唯一の安全な原子炉) によって実質的に無料で提供される熱水が継続的に供給されるようになります。 、9,300万マイル離れています）。

まず、再生可能エネルギーの素晴らしい世界への新入社員のために、太陽熱暖房の基本を復習しましょう。 太陽熱温水器には、アクティブとパッシブの 2 つの基本的なタイプがあります。 アクティブ システムは、収集した熱を循環させるポンプを動作させる外部電力に依存しています。 パッシブセットアップではそうではありません。 パッシブ システムは、どの瞬間においても効率が劣る可能性がありますが、信頼性がはるかに高く、捕捉される熱の単位あたりのコストが低くなります。 バッチヒーターとも呼ばれる一体型パッシブ太陽熱温水器は、パッシブシステムの中で最も単純であり、その信頼性と外部電力からの独立性により、非常に低コストでの長期生産につながります。 私が知っているカリフォルニア州デービスのシステムは、キロワット時あたり約 1 ペニーに相当するコストで 30 年間運用されています。

バッチ式ヒーターは、温暖な気候や寒い地域での季節使用に最適な選択肢として長い間知られてきましたが、改良された材料と設計による最近の研究では、寒い地域でもバッチ式ヒーターが最適な選択肢である可能性があることが示唆されています。 自社開発アプリケーションの場合、信頼性や設置の容易さなど、ほぼすべての点で平板および真空管の競合製品よりも優れています。 これらは改造の可能性が高く、さまざまな農業および商業用途に最適であり、洗浄や高温用途の予熱に低コストの温水または温水を提供します。

基本を理解したところで、現在使用されている多くのタイプのバッチ ヒーターのうち 5 つを見てみましょう。

ソーラーシャワーは実際には小規模なバッチヒーターであり、透明と黒のプラスチックを使用してポータブルで驚くほど効果的な太陽熱温水器を作る古典的なデザインです。 水を袋に入れ、透明な面を太陽に向けて置きます。 1 時間以内に水が温まり始め、太陽が明るい寒い日でも快適なシャワーが提供されます。 私はキャンプ中に何年もこれらを使用していますが、その機能の良さにいつも感心しています。

シングルタンクバッチヒーターは、昔ながらの特大のブレッドボックスによく似ているものもあるため、「ブレッドボックス」ヒーターとも呼ばれます。 全体として、これはおそらく最も経済的で、構築が最も簡単な常設バッチ ヒーターであり、必要なのは簡単に入手できる材料と基本的な構築スキルだけです。 「エコノモデル」ブレッドボックスの場合、回収された標準的な電気温水器タンクが断熱合板ボックスまたは古い冷蔵庫または冷凍庫のシェルに収納されています。 ガラス素材 (通常はガラス、グラスファイバー、または高温耐性の成形プラスチック) がボックスを覆っています。

流入した水はタンクの底部近くのブレッドボックスに入り、太陽で温められた水は上部近くから汲み上げられ、家のバックアップユニットに送られます。 水平方向のブレッドボックスは、垂直方向のブレッドボックスよりも構築が簡単で目立ちませんが、タンクを傾けると水の成層が増加し、太陽の角度が改善されるため、温度が高くなります。

垂直型 3 タンク バッチ ヒーターも同様ですが、より多くのストレージとコレクター領域によりパフォーマンスが向上します。 トリプルタンカーの場合、3 つの給湯器コアタンクが大きな断熱性の高いボックスに収められています。 グレージング材は南向きの側面とボックスの上部を覆っています。 保温性を高めるために断熱蓋やロールダウンカバーを取り付けることもできますが、私はそれが必要であるとは感じませんでした。 3 つのタンクは直列に配管されており、中央の (したがって最も断熱性の高い) タンクは、加熱された水が排出される前の最終段階として機能します。

より大きな収集表面積、傾斜した位置による熱成層の改善、および直列接続により、小型の水平単一タンクのブレッドボックスよりも優れた加熱が可能になります。 3 タンク ヒーターの効率をテストするために、カリフォルニア中北部にある自宅に 1 台のヒーターを設置して 1 年間監視しました。その結果、家族の給湯量の 70 パーセントがこのヒーターで賄われていることがわかりました。

温室用バッチヒーターは、寒冷地や冬季のパフォーマンスと凍結防止に最適な選択肢である可能性があります。 ほぼすべての構成をサンスペースまたは温室内で使用できます。 通常、太陽熱温水器は、最も暖かい空気と最適な日光を利用するために、温室の屋根の頂上近くに隠されています (ギャラリーの図を参照)。 寒冷地での最大限の効率と凍結防止のためには、断熱されたガラス張りのボックスが望ましい場合があります。 夜にサンスペースが寒くなる場合は、パイプを断熱してください。

建物に組み込まれたバッチヒーターは屋根裏部屋または南向きの壁に組み込まれており、タンクを凍結からより簡単に保護できます。 パイプは加熱された空間内を走行できます。 葺き替えの際、ヒーターを取り外して交換する必要はありません。 (これは、たとえまだ機能していても、多くの太陽光発電システムが廃棄されるときです。) ガラスの天窓を備えた断熱ボックスが屋根裏部屋に作成されます。 漏れのリスクを最小限に抑えるために、ドレンパンを使用することをお勧めします。 必要に応じて、修理や交換のためにヒーターに簡単にアクセスできることを確認してください。

ヒーターの仕様と設置がこれらの 6 つの戒めに従っている場合、どの特定の設計を選択しても、ヒーターは見事に機能し、安価な太陽熱温水が供給されます。

1. 太陽の光が最大限に当たるようにヒーターを配置します。日当たりの良い南向きの場所を見つけてください。配管距離を最小限に抑えるために、バックアップ ヒーターの近くが望ましいです。 お湯が必要なときにソーラーコレクターが太陽にさらされることを確認するためにいくつかの計算を行う必要があるかもしれませんが、配置と、1 日の太陽または月の向きの高度と方位が最も重要な考慮事項です。 太陽は夏には高く、冬には低いことに注意してください。

次に、ヒーターを設置する場所 (屋根、プラットフォーム、壁、地面) を決定します。ただし、3 タンク 90 ガロンのシステムは、満水時の重量が 800 ポンドを超える可能性があることに留意してください。 ほとんどの用途では、大型の太陽熱ヒーターを地上または特別に構築されたプラットフォーム上に設置するのが最善です。 屋上設置は、耐力壁または屋根の補強部分の上に設置される場合があります。 地上設置が最も簡単で、重量の問題も解消されます。

2. コレクターと貯蔵タンクをできる限り効率的にします。まず、ヒーターに使用するタンクのタイプを決定します。 タンクにはさまざまな形やサイズがありますが、長くて薄いシリンダーが最も効率的です (水の体積に対する表面積の比率が最も大きい)。 これらの中で最も安価で入手しやすいのは、中古の電気温水器コアです。 「犠牲陽極」という、耐食性の低い金属でできた棒をタンクの上部から挿入して、水中の腐食性元素を引き付けるものを調べます。 著しい腐食や消耗が明らかな場合は交換してください。 新しいものは数ドルしかかからず、システムの寿命が大幅に延びます。 漏れがないかよく確認し、疑いのあるタンクは絶対に使用しないでください。 ワイヤーブラシで磨き、錆びにくいフラットブラックペイントで塗装するか、余裕があれば選択的な表面コーティングを施します。

新しいタンクをご希望の場合は、発熱体、外側の断熱材、板金カバーを除いた、ガラス張りの電気温水器コアを注文できます。 地域によってはステンレスタンクも利用できる場合があります。 (以下の「太陽光発電」を参照してください。)

3. システムが熱を保持していることを確認してください。ユニットの上部と南向きの壁をガラス張りにするためのオプションは数多くあります。これには、太陽光に長時間さらされるように設計された一重ガラスや二重ガラス、グラスファイバーやプラスチックなどが含まれます。 ほとんどの場合、最大限の保温性を実現するには、選択したグレージング素材を 2 層使用し、間に空気層を設ける必要があります。 ひどい雹が降らない限り、ガラスは通常、自作のヒーターに適した窓ガラスです。 ツインウォール ポリカーボネートは有力な代替品です。 漏れを防ぐためにガラスを慎重にフラッシュし、エネルギーの捕捉を制限する可能性がある結露を避けるために窓ガラスをコーキングして密閉してください。

4. ヒーターのサイズを適切に調整します。必要な量を決定するには、家族の 1 人あたり 30 ガロンのお湯を許容します (節約志向の家族は 1 人あたり 10 ガロンだけで済むかもしれません)。 環境と窓ガラスに応じて、適切な暖房のための一般的な比率として、窓ガラス 1 平方フィートあたり 1 ～ 2.5 ガロンの水を計画する必要があります。 水対ガラスの比率が小さいと、熱の増加が大幅に速くなりますが、凍結のリスクが高まる可能性があります。 理想を達成できなくても、落ち込まないでください。 より小型のシステムでも、経済的な太陽熱温水器の事前温めを提供し、非再生可能エネルギーと現金を節約します。 比較的小さなタンクと単純な筐体を備えたバッチ システムが一般的であり、その多くは、より複雑なシステムのほとんどが消滅してから 30 年が経った今でも良好に機能しています。

5. バックアップ システムへの効率的かつ耐凍結性の高い接続を確立します。パイプの配管を最小限に抑え、アルミニウムのジャケットを備えたフォームまたはグラスファイバー断熱材を使用してパイプを慎重に断熱します。 長持ちするように構築します。フォームだけを使用すると、数年以内に壊れてしまいます。 露出した給湯器タンクが凍結するまでには 12 度で最大 72 時間かかることがありますが、パイプははるかに脆弱です。 短時間の凍結の場合は、配管の凍結を防ぐためにお湯を少し出しておくことができます。 非常に寒い冬の気候では、秋にコレクタータンクとパイプの水を抜きます。

バックアップヒーターをオフにして、太陽熱温水をユーザーに直接供給できるようにシステムを設定します。そうすれば、冬に排水して停止したい場合は、太陽熱温水システムをバイパスできます。 接続が建築基準法で承認されていることを確認してください。 配管システムが完了したら、システムが水で満たされるまで、タンク上部のネジプラグからタンクから空気を抜きます。

6. 長持ちするシステムを構築します。入手可能な最高の材料を使用し、ユニットの構築には適切な注意を払ってください。 20～30年は使えるはずなので、きちんとやる価値はあります。 安全を確保する: タンク サポートが耐えられる荷重に耐えられる十分な強度があることを確認し、タンクを安全に移動するために助けを求めてください。 高性能ヒーターを構築する場合は、シャワーで火傷をしないように、バックアップ ヒーターの近くに温度調整バルブを追加することを検討してください。

亜鉛メッキのタンクと銅管の継手を使用する場合は、腐食の促進を防ぐために、2 つの金属が適切な非導電性誘電継手によって分離されていることを確認してください。 私はタンクに銅管、プラスチック誘電体接続、亜鉛メッキ継手を使用して幸運に恵まれました。

バッチ式ヒーターの唯一の欠点は、夜間の熱損失により早朝の気温が低下することです。就寝前にシャワーを浴びるのが好きな人にとっては問題ではありませんが、早朝にシャワーを浴びる人にとっては「目覚め」の要因が大きくなります。 。

最近の研究では、いくつかの方法で夜間のクールダウンを短縮できることが示されています。 最も効果的な戦略は、夜間は閉じ、日中は持ち上げる一連の断熱蓋を使用し、裏面が反射材で追加の太陽エネルギーを捕らえてタンクに誘導することです。 ただし、システムが地上に設置されていない限り、これを操作するのは難しい場合があります。 自動蓋は、温室の換気に一般的に使用されるサーマルリフターを使用して作成することもできます。 蓋が可能であれば、それが良い考えです。断熱されたヒンジ付き蓋を昼間の位置まで上げたときに反射板としても機能させるのは簡単で、効率が向上します。 リフレクターを使用すると、シーズンを秋まで延長し、春の早い時期に開始できるようになります。

熱損失を最小限に抑えるより簡単な方法は、サーマロックス ペイントなどの最新の特別な選択的表面コーティングに依存します。 50 平方フィートを塗装するのに十分なスプレー ペイントの缶のコストは 20 ドル未満です。

従来のバックアップヒーターを無視すると、太陽熱ヒーターにもかかわらず、不必要に高い給湯費がかかる可能性があります。 無視の 4 つの一般的な形態は、従来の給湯器が設置されている部屋の断熱が不十分であることです。 タンクを十分に断熱できていない（安価で取り付けが簡単な「サーマルブランケット」を数分で追加できます）。 不必要に高い温度設定を維持する（サーモスタットの不良が原因の場合もあります）。 タンクの底に沈殿物が蓄積し、水を熱源から遮断します（年に一度タンクから沈殿物を排出します）。

太陽熱ヒーターを設置するときは、バックアップヒーターを確認してください。 実際、たとえソーラーユニットが現時点では夢にすぎないとしても、今すぐ従来型の給湯器を調整することはエネルギー的に合理的です。 寿命が近づいている場合は、必要なときだけ水を加熱するフラッシュ給湯器または「オンデマンド」給湯器に交換することを検討してください。 ヨーロッパ諸国の消費者は、誰も必要としない時間帯に 30 ガロンや 60 ガロンの水を温めておくのは意味がないとずっと前に気づいていました。

パッシブ太陽熱温水器は、幅広い気候で費用対効果が高くなりますが、暖かい気候での建設と運用が最も簡単です。 この技術は、エネルギーを重視するDIY愛好家に、高価なお湯や従来のエネルギー依存に代わる魅力的な代替手段を提供します。

始めるための最良の方法の 1 つは、友達のグループと一緒に始めることです。 一連の給湯器を一緒に組み立てて、労力と専門知識を共有して楽しいプロジェクトにしましょう。 誰かが配管の道具と技術を持っているでしょう。 誰か他の人、大工仕事のスキルと道具。 グループの良識が結集すれば、仕事は迅速かつ安全に完了します。

DIY が苦手な方でも、世界中のほぼすべての場所で利用できる効果的な商用太陽熱温水システムが多数あります。 寒い地域では、多くの場合、サーモサイフォン システムが適しています。 凍結防止には、凍結による損傷を避けるために、熱交換器、ドレンバック、またはその他のシステムを備えた液体不凍液を使用することができます。 現在、多くの製品は水を加熱するために真空管コレクターを使用しており、その水は十分に断熱された貯蔵タンクに上昇します。

もちろん、私の言葉をそのまま信じる必要はありません。 周りを見て、読んで、買い物をして、そして最も重要なことですが、自分で構築してください。 あなたも、一体型パッシブ太陽熱温水器は太陽の下で水を温める最も経済的で効率的で現実的な方法を提供するという、私が何年も前に出したのと同じ結論に達すると思います。

最新のバッチヒーターで使用されている原理は、100 年以上前に太陽熱温水器に初めて適用されたものと同じです。 ユタ州にあるブッチ・キャシディの1880年代の隠れ家であるロバーズ・ルーストには、受動的太陽熱温水器の残骸が今でも残っていると伝えられている。それは、水を満たして太陽の当たる場所に置かれた大きな黒い缶である。 1891 年にクラレンス ケンプが特許を取得した最初の商用太陽熱温水器は、単板ガラスで覆われた松材の箱に収納された 4 つの円筒形の水タンクを使用していました。 1900 年までに、これらのユニットのうち 1,600 台以上が米国で使用されていました。 1898年、カリフォルニア州パサデナのフランク・ウォーカーは、改良されたデザインに関する特許を申請した。 ウォーカーのモデルは、ケンプのヒーターのように屋根の上に露出するのではなく、屋根の中に埋め込まれていました。 ウォーカー ユニットには、バックアップ暖房用の水加熱タンクを備えた薪ストーブへの接続も組み込まれています。これは、今日最も一般的なバッチ ヒーター アプリケーションの直接の先駆けであり、家の標準的な給湯器に電力を供給する太陽予熱器です。

これらの初期のヒーターは成功しましたが、石油、電気、天然ガスが利用可能になるにつれて徐々に姿を消しました。 これらの新しい、一見安価なエネルギー源は、環境破壊、人間の健康、地球温暖化、生息地破壊などの高いコストをもたらしましたが、これらのコストは無視され、今でも無視されています。

幸いなことに、これらの新しいエネルギーの開発は、太陽熱温水器の研究を完全に停止させることはありませんでした。 1936 年にカリフォルニア大学デービス校で、FA ブルックスはいくつかのヒーター設計をテストし、タンク型太陽熱ヒーターが 120 度を超える水温を生成できることを実証しました。 彼はまた、傾斜面に設置された直立タンクの方が、水平タンクよりも高温の水を供給できることも発見しました。 ブルックス氏は、バッチ式ヒーターは平板型太陽光発電システムよりも一貫して低いコストで温水を生成できると結論付けた。

太陽熱源材料

David A. Bainbridge は、2004 年に米国太陽エネルギー協会の名誉あるパッシブ ソーラー パイオニア賞を受賞しました。彼は、サンディエゴのアライアント国際大学の准教授です。