太陽熱温水器

Use of sunlight for water heating with a solar thermal collector

スペインに設置された太陽熱集水器

太陽熱温水器（SWH）は、太陽熱集熱器を用いて太陽光で水を加熱するシステムです。様々な気候や緯度に対応できるよう、様々な構成が様々なコストで提供されています。SWHは住宅用途や一部の産業用途で広く利用されています。^{[1] [2]}

太陽に面した集熱器は、作動流体を加熱し、蓄熱システムで利用します。SWHには、能動型（ポンプ駆動型）と受動型（対流駆動型）があります。水のみ、または水と作動流体の両方を使用します。集熱器は直接加熱するか、集光鏡を介して加熱します。集光鏡は独立して動作することも、電気ヒーターやガスヒーターとのハイブリッドとして動作することもできます。^[3]大規模な施設では、鏡を用いて太陽光をより小さな集熱器に集光することもあります。^{[独自の研究？ ]}

2023年末時点で、世界の太陽熱温水器の熱容量は560GWで、₂₀₂₂年から3％増加しました。^{[4]この市場は}中国、米国、トルコが支配しています。^[5] バルバドス、オーストリア、キプロス、イスラエル、ギリシャは、一人当たりの容量で上位の国です。^[5] 2022年末時点で、1億2,200万の太陽熱温水システムが稼働していました。^[4]

歴史

1902年に遡る太陽熱温水器の広告

ヒューゴ・ガーンズバックの 『電気実験者』 1916年3月の表紙に載ったフランク・シューマンの太陽エンジン

アメリカ合衆国における太陽熱集熱器の記録は1900年以前に遡り^[6]、屋根に設置された黒く塗られたタンクが用いられていた。1896年、ボルチモアのクラレンス・ケンプはタンクを木箱に収め、今日知られている「バッチ式給湯器」の最初の発明となった。フランク・シューマンは1912年から1913年にかけて、エジプトのマアディに世界初の太陽熱発電所を建設した。放物面トラフを用いて45～52キロワット（60～70馬力）のエンジンを駆動し、毎分23,000リットル（6,000米ガロン）の水をナイル川から隣接する綿花畑に汲み上げた。^[7]

太陽熱温水器用の平板型集熱器は、1920年代にフロリダ州と南カリフォルニアで使用されました。北米では1960年代以降、特に1973年の石油危機以降、関心が高まりました。^[要出典]

地中海

エルサレムの屋上にあるパッシブ（サーモサイフォン）太陽熱温水器

イスラエル、キプロス、ギリシャは、太陽熱温水システムの使用率が一人当たりで30～40%の世帯を支えている。 ^[8]

イスラエルでは、平板型太陽光発電システムが完成し、大規模に利用されました。1950年代、燃料不足のため、政府は午後10時から午前6時までの給湯を禁止しました。レヴィ・イッサールはイスラエル初の太陽熱温水器のプロトタイプを製作し、1953年にイスラエル初の太陽熱温水器の商業製造会社であるNerYah社を設立しました。^[9]太陽熱温水器は1967年までに人口の20%に普及しました。1970年代のエネルギー危機を受けて、1980年にイスラエルはすべての新築住宅（屋根面積が不十分な高層住宅を除く）に太陽熱温水器の設置を義務付けました。^[10]その結果、イスラエルは一人当たりの太陽エネルギー利用において世界トップとなり、世帯の85%が太陽熱システム（国内の一次エネルギー消費量の3%）を使用し、^{[11]年間200万バレル（ 32}万立方メートル）の石油を節約したと推定されています。^{[12] [13]}

2005年、スペインは新築の建物に太陽光発電の設置を義務付けた世界初の国となり、2006年には太陽熱温水システムの設置を義務付けた（イスラエルに次いで）2番目の国となった^。[14]

アジア

2009年における全世界の新規太陽熱温水器設置数

1960年以降、システムは日本でも販売されました。^[6]

オーストラリアには、1997年のMRETを皮切りに、太陽熱に関する様々な国や州の規制があります。^{[15] [16] [17]}

中国では太陽熱温水システムは人気が高く、基本モデルの価格は約1,500元（235米ドル）からで、同じ集熱器サイズであれば欧米諸国よりも約80%安価です。少なくとも3,000万世帯の中国で太陽熱温水システムが普及しています。その人気の理由は、効率的な真空管によって曇り空や氷点下でもヒーターが作動することを可能にするためです。^[18]

設計要件

太陽熱温水システムの種類、複雑さ、サイズは主に以下の要素によって決まります。

• 夏と冬の気温と日射量の変化
• 昼夜サイクル中の周囲温度の変化
• 飲料水またはコレクター流体が過熱または凍結する可能性

システムの最小要件は通常、冬季（システムの出力と入水温度が最も低くなる時期）に必要な温水量または温度によって決まります。システムの最大出力は、システム内の水が過熱しないようにする必要があるかどうかによって決まります。

凍結防止

凍結防止対策は、凍結した伝熱流体の膨張によるシステムの損傷を防ぎます。ドレインバックシステムは、ポンプ停止時にシステムから伝熱流体を排出します。多くの間接システムでは、伝熱流体に不凍液（例：プロピレングリコール）が使用されています。

一部の直接給水システムでは、凍結が予想される場合にコレクターから手動で排水することができます。この方法は、凍結温度があまり発生しない気候では一般的ですが、オペレーターの作業が必要となるため、自動給水システムよりも信頼性が低くなる場合があります。

3つ目の凍結防止策は耐凍結性で、シリコンゴム製の低圧水道管は凍結時に膨張します。このような集熱器の1つは、現在、欧州ソーラーキーマークの認定を受けています。

凍結防止の必要性は従来、システムを複雑化させる要因となってきましたが、真空管式集水器を用いたシステムは、中程度の霜が降りる気候下でも、ドレンバックや不凍液の添加を必要とせずに使用できます。これは、真空管式集水器では断熱ヘッダー内にのみ水が貯まり、真空管自体には水が貯まらないためです。コントローラーによって追加の保護機能が提供されます。ヘッダー温度が設定値（通常2～4℃）を下回ると、循環ポンプが自動的に短時間作動し、温かい水をヘッダーに送ります。

過熱保護

1～2日間お湯が使用されていない場合、非ドレインバック方式のシステムでは、集熱器と貯湯タンク内の流体が高温になる可能性があります。ドレインバック方式のシステムでは、貯湯タンクが設定温度に達するとポンプが停止し、加熱プロセスが終了して貯湯タンクの過熱を防ぎます。

一部のアクティブシステムでは、日照時間が少ない時間帯や夜間に、集熱器を通して温水を循環させ、熱を逃がすことで貯水タンク内の水を意図的に冷却します。この方法は、直管式または蓄熱式配管で最も効果的ですが、真空管式集熱器は断熱性に優れているため、実質的に効果がありません。どのタイプの集熱器でも過熱する可能性があります。高圧密閉型太陽熱システムは、最終的には温度・圧力リリーフバルブの動作に依存しています。低圧開放型ベントヒーターは、よりシンプルで信頼性の高い安全装置を備えており、通常は開放型ベントが用いられます。

構造と動作

シンプルな設計には、暗い色の金属板でできた平らな太陽熱吸収体を取り付けたシンプルなガラス蓋付きの断熱ボックス、または真空（ほぼ真空）にされたガラスシリンダーで囲まれた一組の金属チューブが含まれます。工業用のケースでは、放物面鏡でチューブに太陽光を集中させることができます。熱は温水貯蔵タンクに蓄えられます。太陽熱暖房システムでは、悪天候を補うため^{[説明が必要]}、また太陽熱集熱器の最適最終温度^{[説明が必要]}が一般的な浸漬ヒーターや燃焼ヒーターよりも低いため、このタンクの容積を大きくする必要があります。吸収体の熱伝達流体（HTF）には水が使用される場合もありますが、より一般的には（少なくとも能動システムでは）、不凍液と腐食防止剤を含む別の流体ループが、熱交換器（通常はタンク内にある銅製の熱交換チューブのコイル）を通じてタンクに熱を伝えます。銅は、高い熱伝導率、大気および水に対する耐腐食性、はんだ付けによる密封・接合性、そして機械的強度といった特性から、太陽熱暖房・冷房システムにおいて重要な部品です。銅は、受熱器と一次回路（配管や貯水槽の熱交換器）の両方に使用されています。^[19]

「ドレインバック」は、メンテナンスの手間を軽減するもう一つのコンセプトです。^[20]不凍液は不要で、代わりに配管全体に傾斜を付け、水をタンクに逆流させます。タンクは加圧されておらず、大気圧で作動します。ポンプが停止するとすぐに流れが逆転し、凍結する前に配管内の水が排出されます。^[要出典]

太陽熱温水システムの仕組み

住宅用太陽熱温水設備は、パッシブ型（「コンパクト型」と呼ばれることもある）とアクティブ型（「揚水型」と呼ばれることもある）の2つのグループに分けられます。どちらも通常、補助エネルギー源（電気加熱素子、またはガスや燃料油のセントラルヒーティングシステムへの接続）を備えており、タンク内の水が最低設定温度を下回ると作動し、常にお湯が利用できるようになっています。太陽熱温水器と薪ストーブの煙突からの予備熱^[21]を組み合わせることで、寒冷な気候でも温水システムを年間を通して稼働させることができ、太陽熱温水器の補助熱を化石燃料や電気で賄う必要がなくなります。

太陽熱温水器と温水セントラルヒーティングシステムを併用する場合、太陽熱は予熱タンクに集熱され、セントラルヒーティングで加熱されたタンクに供給されるか、太陽熱交換器が下部の加熱要素に取って代わり、上部の要素は補助的な熱供給のために残されます。しかし、セントラルヒーティングが主に必要とされるのは、太陽光の取得量が少ない夜間と冬季です。そのため、洗濯や入浴に太陽熱温水器を使用する方が、需要と供給のバランスが取れているため、セントラルヒーティングよりも適した用途となることがよくあります。多くの気候では、太陽熱温水器は家庭用給湯エネルギーの最大85%を供給できます。これには、家庭用の非電気式集光型太陽熱システムも含まれます。多くの北欧諸国では、給湯暖房複合システム（ソーラーコンビシステム）が家庭暖房エネルギーの15～25%を供給しています。蓄熱システムと組み合わせることで、大規模な太陽熱暖房は地域暖房の年間熱消費量の50～97%を供給できます。^{[22] [23]}

熱伝達

直接

直接システム：（A）コレクターの上にタンクがあるパッシブCHSシステム。（B）太陽光パネルで駆動されるポンプとコントローラーを備えたアクティブシステム。

直接循環式またはオープンループ式システムは、集水器を通して飲料水を循環させます。比較的安価ですが、次のような欠点があります。

• 熱排出ポンプがない限り、過熱保護はほとんどまたはまったくありません。
• コレクターが耐凍結性であるか真空管タイプでない限り、凍結防止効果はほとんどまたは全くありません。
• イオン交換軟化装置を使用しない限り、硬水地域ではコレクターにスケールが蓄積します。

耐凍結設計の登場により、SWH市場は寒冷地にも拡大しました。凍結条件下では、以前のモデルは水が氷化し、1つまたは複数の部品が破裂するなど、損傷を受けることがありました。^[要出典]

間接的

間接型または閉ループ型システムでは、熱交換器を用いて「熱伝達流体」（HTF）から飲料水へ熱を伝達します。最も一般的なHTFは、通常、無毒のプロピレングリコールを使用した不凍液と水の混合液です。パネルで加熱されたHTFは熱交換器へと流れ、そこで熱が飲料水に伝達されます。間接型システムは、凍結防止機能と、通常は過熱防止機能も備えています。^[要出典]

推進

受け身

パッシブシステムは、熱駆動対流またはヒートパイプを利用して作動流体を循環させます。パッシブシステムはコストが低く、メンテナンスもほとんどまたは全く必要ありませんが、効率は低くなります。過熱と凍結が大きな懸念事項です。^[要出典]

アクティブ

アクティブシステムは、1つまたは複数のポンプを用いて水や加熱流体を循環させます。これにより、システム構成の選択肢が大幅に広がります。ポンプ式システムは購入費用と運用コストが高くなりますが、効率が高く、制御も容易です。アクティブシステムには、予備の電気式またはガス式給湯器との連携、省エネ量の計算と記録、安全機能、リモートアクセス、情報表示などの機能を備えたコントローラーが搭載されています。^[要出典]

受動直接システム

統合コレクターストレージ（ICS）システム

一体型集熱蓄熱システム（ICSまたはバッチヒーター）は、蓄熱と集熱の両方の役割を果たすタンクを使用します。バッチヒーターは、正午に太陽に面するガラス面を備えた薄型の直線型タンクです。プレート式やチューブ式集熱器よりもシンプルで安価ですが、屋根に設置する場合は支柱が必要になる場合があり（400～700ポンド（180～320kg）の水を支えるため）、太陽に面する面は断熱されていないため夜間に大幅な熱損失が発生し、温暖な気候にのみ適しています。

対流式蓄熱ユニット（CHS）システムはICSシステムに類似していますが、貯蔵タンクと集熱器が物理的に分離されており、両者間の熱伝達は対流によって駆動されます。CHSシステムでは通常、標準的な平板型または真空管型の集熱器が使用されます。対流が適切に機能するためには、貯蔵タンクを集熱器の上部に配置する必要があります。ICSシステムと比較したCHSシステムの主な利点は、貯蔵タンクを完全に断熱できるため、熱損失を大幅に回避できることです。パネルが貯蔵タンクの下部に配置されているため、冷水はシステムの最下部に留まり、熱損失による対流は発生しません。^[要出典]

能動的間接システム

加圧不凍液システムでは、凍結による損傷を防ぐために、不凍液（ほとんどの場合、低毒性のプロピレングリコール）と HTF 用の水の混合物を使用します。

凍結防止システムは凍結による損傷を防ぐのに効果的ですが、欠点もあります。

• HTF が熱くなりすぎると、グリコールが酸に分解され、凍結防止効果がなくなり、ソーラーループのコンポーネントが溶解し始めます。
• ドレンバックタンクのないシステムでは、HTFの劣化を防ぐため、貯蔵タンクの温度に関わらず、HTFを循環させる必要があります。タンク内の温度が過度に高くなると、スケールや沈殿物の蓄積が促進され、温度調節弁が設置されていない場合は重度の火傷を負う可能性があり、貯蔵用として使用する場合はサーモスタットの故障につながる可能性があります。
• グリコール/水 HTF は、経験した温度に応じて 3 ～ 8 年ごとに交換する必要があります。
• プロピレングリコールは毒性が低いにもかかわらず、一部の管轄区域ではより高価な二重壁熱交換器が要求されます。
• HTF には凍結防止用のグリコールが含まれていますが、低温（例えば 40 °F (4 °C) 未満）で貯湯タンクからコレクターに温水を循環させるため、かなりの熱損失が発生します。

ドレンバックシステムは、HTF（通常は純水）がポンプの駆動によってコレクター内を循環する能動的な間接システムです。コレクター配管は加圧されておらず、空調または半空調空間に収容された開放型のドレンバックタンクを備えています。HTFはポンプが作動していない限りドレンバックタンクに留まり、ポンプを停止するとそこに戻ります（コレクターは空になります）。配管を含むコレクターシステムは、重力によってドレンバックタンクに排水する必要があります。ドレンバックシステムは凍結や過熱の影響を受けません。ポンプは熱収集に適した場合にのみ作動し、HTFを保護するために作動することはありません。これにより、効率が向上し、ポンプコストが削減されます。^[24]

自分でやる（DIY）

太陽熱温水システムの設計図はインターネットで入手できます。^[25] DIYのSWHシステムは通常、市販のものよりも安価で、先進国と発展途上国の両方で使用されています。^{[26] [27]}

比較

特性	ICS（バッチ）	サーモサイフォン	アクティブダイレクト	能動的間接	ドレインバック	バブルポンプ
目立たない薄型			Y	Y	Y	Y
軽量コレクター			Y	Y	Y	Y
凍えるような天候でも耐える			Y	Y	Y	Y
メンテナンスの手間がかからない	Y	Y	Y		Y	Y
シンプル：補助的な制御なし	Y	Y				Y
既存店舗への改修の可能性			Y	Y	Y	Y
省スペース：追加の貯蔵タンクは不要	Y	Y
SWHシステムの比較。出典：太陽熱温水器の基礎—homepower.com [28]

コンポーネント

コレクタ

太陽熱集熱器は太陽の熱を捕らえて蓄え、それを利用して液体を加熱します。^[29]太陽熱集熱器の技術には、2つの重要な物理的原理が支配的です。

• 高温物体は、伝導、対流、放射による熱損失により、最終的には周囲の環境と熱平衡状態に戻ります。 ^[30]効率（一定時間内に保持される熱エネルギーの割合）は、集熱器表面からの熱損失と直接関係しています。対流と放射は、熱損失の最も重要な原因です。断熱材は、高温物体からの熱損失を遅らせるために使用されます。これは熱力学の第二法則（「平衡効果」）に従っています。
• 高温物体とその周囲温度との温度差が大きいほど、熱損失は速くなります。熱損失は主にコレクター表面と周囲温度との間の温度勾配によって決まります。伝導、対流、放射はいずれも、温度勾配が大きいほど速く発生します^[30]（デルタt効果）。

屋根から見た平板型太陽熱集熱器

平板型太陽光発電

平板型集熱器は、太陽に面したガラス板を備えた「オーブン」のような箱の中に集熱器を設置するというアイデアの発展形です。^[31]ほとんどの平板型集熱器は、上部と下部にヘッダーと呼ばれる2本の水平パイプと、それらを接続するライザーと呼ばれる多数の細い垂直パイプを備えています。ライザーは薄い吸収フィンに溶接（または同様の方法で接続）されています。熱伝達流体（水または水と不凍液の混合液）は、温水タンクまたは熱交換器から集熱器の下部ヘッダーに送り込まれ、ライザーを上昇しながら吸収フィンから熱を集め、上部ヘッダーから集熱器から排出されます。サーペンタイン型平板型集熱器はこの「ハープ」型とは若干異なり、集熱器を上下に走る1本のパイプを使用します。しかし、サーペンタイン型平板型集熱器は水を適切に排出できないため、ドレインバックシステムには使用できません。

平板型集熱器に使用されるガラスは、ほとんどの場合、低鉄強化ガラスです。このようなガラスは、かなりの雹にも割れることなく耐えることができ、これが平板型集熱器が最も耐久性の高い集熱器と考えられている理由の一つです。

非釉薬型集熱器または成形型集熱器は平板型集熱器に似ていますが、断熱されておらず、ガラスパネルによって物理的に保護されていません。そのため、水温が周囲温度を超えると、これらのタイプの集熱器の効率は大幅に低下します。プール暖房用途では、加熱する水温が周囲の屋根温度よりも低い場合が多く、その場合、断熱材がないため、周囲の環境から余分な熱が奪われてしまいます。^[32]

真空管

屋根に設置された真空管式太陽熱温水器

真空管集熱器（ETC）は、平板に固有の熱損失^[31]を低減する方法です。対流による熱損失は真空を通過できないため、集熱管内の熱を効率的に遮断する機構を形成します。 ^[33] 2枚の平板ガラスは一般的に真空に耐えるほどの強度がないため、2本の同心円管の間に真空を作ります。内管は熱吸収材でコーティングされています。^[34]真空寿命は集熱器によって異なり、5年から15年です。

さらに、真空管には、管からアレイ上部のヘッダー内の水へ熱を伝達する非常に効率的な内部システムが含まれています。このシステムは、両端が密閉された揮発性液体で部分的に満たされた銅管で構成され、管の中央を流れています。この管の上端は、（水で満たされた）ヘッダーのソケットに差し込みます。真空管によって吸収された熱によって、銅管内の揮発性液体の一部が蒸発し、ヘッダーへと流れます。ヘッダーでは、ガスが凝結して熱を放出し、液体は管内を流れ落ちます。真空管自体は水を含んでいないことから、凍結の影響を受けません。水は断熱されたヘッダーのみを通過するため、中程度の霜が降りる気候では、排水システムは必要ありません。

また、ETC は下側も露出しているため、屋根から持ち上げて設置されている場合 (図のように)、上からの直接の熱だけでなく、下側の周囲の屋根から放射される熱も捕捉する点にも注意してください。

平板型集熱器は、直射日光が十分に当たる条件下では、一般的にETCよりも効率が高い。しかし、曇りや極寒の条件下では、平板型集熱器のエネルギー出力はETCよりもわずかに低下する。^[31]ほとんどのETCは焼きなましガラスで作られており、雹の影響を受けやすく、ゴルフボール大の粒子が付着すると故障する。緑色の色合いを持つ「コークスガラス」で作られたETCは強度が高く、真空状態が失われにくいが、透明性が低下するため効率はわずかに低下する。ETCは管状の形状のため、低い角度でも一日中太陽エネルギーを集めることができる。^[35]

ポンプ

PVポンプ

アクティブシステムに電力を供給する方法の一つは、太陽光発電（PV）パネルを使用することです。ポンプの適切な性能と寿命を確保するには、（DC）ポンプとPVパネルを適切に組み合わせる必要があります。PV駆動ポンプは夜間には作動しませんが、コントローラは、太陽が出ているにもかかわらず集水器の水温が十分でない場合にポンプが作動しないようにする必要があります。

PV ポンプには次のような利点があります。

• よりシンプルで安価な設置とメンテナンス
• 余剰の太陽光発電出力は家庭用電力として使用したり、電力網に再投入したりすることができる。
• 居住空間の除湿が可能^[36]
• 停電時でも作動可能
• 電力網から供給されるポンプの使用による炭素消費を回避

バブルポンプ

バブルポンプシステムのバブルセパレーター

バブルポンプ（間欠泉ポンプとも呼ばれる）は、フラットパネルシステムだけでなく真空管システムにも適しています。バブルポンプシステムでは、閉回路のHTF回路が減圧状態にあるため、太陽熱で液体が低温で沸騰します。蒸気泡は間欠泉を形成し、上昇流を引き起こします。泡は高温の流体から分離され、回路の最高点で凝縮します。その後、流体は液面差によって熱交換器に向かって下降します。^{[37] [38] [39]} HTFは通常、70℃で熱交換器に到達し、50℃で循環ポンプに戻ります。ポンプは通常約50℃で開始され、日の出とともに平衡に達するまで上昇します。^[要出典]

コントローラ

差動制御器は、ソーラーコレクターから排出される水と、熱交換器付近の貯水タンク内の水との温度差を感知します。コントローラは、コレクター内の水がタンク内の水よりも約8～10℃十分に高くなった時点でポンプを起動し、温度差が3～5℃に達するとポンプを停止します。これにより、ポンプ作動時に貯水水が常に加熱され、ポンプの過度なオンオフサイクルが防止されます。（直接システムでは熱交換器がないため、約4℃の差でもポンプが起動することがあります。）^[要出典]

タンク

最もシンプルな集熱器は、日当たりの良い場所に水を満たした金属製のタンクを設置するものです。太陽熱がタンクを温めます。これが初期のシステムの仕組みでした。^[6]この構成は、平衡効果によって非効率です。タンクと水の加熱が始まるとすぐに、得られた熱は環境に失われ、タンク内の水が周囲温度に達するまでこの状態が続きます。課題は、熱損失を抑えることです。

• 貯蔵タンクをコレクターよりも低い位置に配置できるため、システム設計の自由度が高まり、既存の貯蔵タンクを利用できるようになります。
• 貯蔵タンクは目立たないように隠すことができます。
• 貯蔵タンクは空調された空間または半空調された空間に設置できるため、熱損失が低減します。
• ドレインバックタンクを使用することができる。^[要出典]

断熱タンク

ICS またはバッチ式集熱器は、タンクを断熱することで熱損失を減らします。^{[31] [40]}これは、タンクをガラス蓋付きの箱に収め、太陽熱が水タンクに届くようにすることで実現します。^[41]箱の他の壁は断熱されており、対流と放射を減らします。^[42]箱の内側には反射面を設けることもできます。これにより、タンクから失われた熱が反射してタンクに戻ります。簡単に言えば、ICS 太陽熱温水器は、太陽熱とタンク内の水の熱を保持する一種の「オーブン」に囲まれた水タンクと考えることができます。箱を使用しても、タンクから環境への熱損失がなくなるわけではありませんが、この損失は大幅に減ります。

標準的なICSコレクターには、コレクターの効率を大きく制限する特性があります。それは、表面積と体積の比率が小さいことです。^[43]タンクが太陽から吸収できる熱量は、太陽に直接さらされるタンクの表面積に大きく依存するため、表面積の大きさが太陽によって水を加熱できる程度を決定します。ICSコレクターのタンクのような円筒形の物体は、本質的に表面積と体積の比率が小さいです。コレクターは、水を効率的に温めるために、この比率を高めようとします。この基本設計のバリエーションとして、より小さな水容器と真空ガラス管技術を組み合わせたコレクターがあります。これは、真空管バッチ（ETB）コレクターと呼ばれるICSシステムの一種です。^[31]

アプリケーション

真空管

ETSCは冬季において、他のソーラーコレクターよりも有効です。ETSCは、製薬、製紙、皮革、繊維などの産業における冷暖房用途に加え、住宅、病院、老人ホーム、ホテル、プールなどにも使用できます。

ETC は、太陽熱温水器、スイミングプール、エアコン、ソーラークッカー向けに、中温から高温までの範囲の温度で動作できます。

ETC は動作温度範囲が広く (最大 200 °C (392 °F))、蒸気発生、熱エンジン、太陽熱乾燥などの産業用途に適しています。

プール

プールの加熱には、フローティング プール カバー システムと独立した STC が使用されます。

プールカバーシステムは、シート状でもフローティングディスク状でも、断熱材として機能し、熱損失を軽減します。熱損失の多くは蒸発によって発生するため、カバーを使用することで蒸発を遅らせることができます。

飲料水以外のプール水用のSTCは、多くの場合プラスチック製です。プールの水は塩素のために軽度の腐食性があります。水は、既存のプールフィルターまたは補助ポンプを使用してパネル内を循環します。穏やかな環境では、素焼きのプラスチック製コレクターが直接システムとしてより効率的です。寒冷または風の強い環境では、間接構成の真空チューブまたは平板を熱交換器と組み合わせて使用​​します。これにより腐食が軽減されます。かなり単純な差温コントローラを使用して、バルブを回すかポンプを操作することにより、水をパネルまたは熱交換器に導きます。プール水が必要な温度に達すると、切換バルブを使用して水を加熱せずに直接プールに戻します。^[44]多くのシステムは、水ポンプのスイッチがオフになっているときに水がプールに排出されるドレインバックシステムとして構成されています。

集熱パネルは通常、近くの屋根に設置されるか、傾斜したラックに地上に設置されます。空気と水の温度差が小さいため、パネルは成形集熱パネルまたは非釉薬の平板型集熱パネルであることが多いです。必要なパネル面積の簡単な目安は、プールの表面積の50%です。^[44]これは、プールが夏季のみ使用される地域の場合です。寒冷地では、従来の屋外プールにソーラーコレクターを追加すると、断熱プールカバーを使用すれば、通常、プールの快適な使用期間を数か月以上延長できます。^{[32] 100%}カバーするサイズであれば、ほとんどの太陽熱温水システムは、風の当たるプールでは最低4℃、風よけプールではソーラープールブランケットで常に覆われた最高10℃まで、プールを加熱できます。^[45]

アクティブな太陽エネルギー システム分析プログラムを使用すると、太陽熱プール暖房システムを構築する前に最適化することができます。

エネルギー生産

屋根に温水を供給するパネルを備えたカリフォルニアのコインランドリー

太陽熱温水システムによって供給される熱量は、主に特定の場所における太陽からの熱量（日射量）に依存します。熱帯地方では日射量が比較的高く、例えば1日あたり7 kWh/m ^{2であるのに対し、}温帯地域では1日あたり3.2 kWh/m ²となります。同じ緯度であっても、地域ごとの気象パターンや曇りの程度の違いにより、平均日射量は場所によって大きく異なります。設置場所における日射量を推定するための計算機が利用可能です。 ^{[46] [47] [48]}

以下の表は、集熱器の吸収面積が約2m²の太陽熱温水器シス​​テム（真空管式太陽熱温水器2台と平板式太陽熱温水器3台）の仕様と期待される発電量を概算で^{示したものです。認証情報、またはそれらのデータから算出された数値を使用しています。下2行は、熱帯および}温帯のシナリオにおける1日あたりの発電量（kWh/日）の推定値を示しています。これらの推定値は、水を周囲温度より50℃高い温度に加熱した場合のものです。

ほとんどの太陽熱温水システムでは、エネルギー出力は集熱器の表面積に比例して増加します。^[49]

5つの太陽熱発電システムの1日あたりのエネルギー生産量（kW _{/時）。以下で使用されている真空管システムはどちらも20本の真空管で構成されています。}

テクノロジー	平板	平板	平板	等	等
構成	直接アクティブ	サーモサイフォン	間接的に能動的	間接的に能動的	直接アクティブ
全体の大きさ（m 2）	2.49	1.98	1.87	2.85	2.97
吸収体サイズ（m 2）	2.21	1.98	1.72	2.85	2.96
最大限の効率	0.68	0.74	0.61	0.57	0.46
エネルギー生産量（kWh/日）: – 日射量 3.2 kWh/m 2 /日（温帯） –例：チューリッヒ（スイス）	5.3	3.9	3.3	4.8	4.0
– 日射量 6.5 kWh/m 2 /日（熱帯） –例：米国フェニックス	11.2	8.8	7.1	9.9	8.4

上記のコレクター間の数値はほぼ同様で、2m2の^吸収体を備えたコレクターを使用した場合、温帯気候で​​約4kWh/日、熱帯気候で約8kWh/日を生成します。温帯のシナリオでは、これは200リットルの水を約17°C加熱するのに十分です。熱帯のシナリオでは、同等の加熱は約33°Cになります。多くのサーモサイフォンシステムは、同等のアクティブシステムと同等のエネルギー出力を持っています。真空管コレクターの効率は、吸収体がチューブよりも狭く、チューブとチューブの間にスペースがあるため、平板コレクターよりもいくらか低くなります。その結果、コレクター全体の非アクティブな領域の割合が大幅に大きくなります。いくつかの比較方法^[50]では、上記の表のように占有スペースではなく、実際の吸収体の領域に基づいて真空管コレクターの効率を計算します。効率は高温では低下します。

費用

日当たりが良く、温暖な地域で凍結防止が不要な場合は、ICS（バッチ式）太陽熱温水器が費用対効果に優れています。^[42]高緯度地域では、寒冷気候に対応した設計要件により、システムが複雑になり、コストも増加します。これにより初期費用は増加しますが、ライフサイクルコストは増加しません。したがって、太陽熱温水器の最大の考慮事項は、初期費用が大きいことです。^[51]この費用を相殺するには何年もかかる場合があります。^[52]温暖な環境では投資回収期間が長くなります。^[53]太陽エネルギーは無料なので、運用コストは小さくて済みます。高緯度地域では、日射量が少ないため太陽熱温水器の効果が低く、より大型のシステムや二重の暖房システムが必要になる可能性があります。^[53]国によっては、政府のインセンティブがかなり大きい場合があります。

コスト要因 (プラスとマイナス) には次のものが含まれます。

• 太陽熱温水器の価格（システムが複雑になればなるほど高価になります）
• 効率
• 設置費用
• ポンプに使用される電力
• 1kWhあたりの給湯燃料（ガスや電気など）の節約価格
• 使用した給湯燃料の量
• 政府による初期補助金および/または継続的な補助金
• メンテナンス費用（例：不凍液やポンプの交換）
• 従来の（電気/ガス/石油）給湯システムのメンテナンス費用の節約

投資回収期間は、地域の日照状況、集熱器の凍結防止のための追加費用、家庭用給湯器の使用などによって大きく異なります。例えば、フロリダ州中部と南部では、投資回収期間は米国のチャートに示されている12.6年ではなく、7年以下になる可能性があります。^[54]

住宅用SWHシステムのコストと回収期間（2010年のデータを使用、月200kWhの節約、メンテナンス費用、補助金、設置費用を除く）

国	通貨	システムコスト	補助金（％）	実効コスト	電気代/kWh	月間電気代節約額	回収期間(年)
ブラジル	ブラジルレアル	2500 [55]	0	2500	0.25	50	4.2
南アフリカ	南アフリカランド	14000	15 [56]	11900	0.9	180	5.5
オーストラリア	豪ドル	5000 [57]	40 [58]	3000	0.18 [59]	36	6.9
ベルギー	ユーロ	4000 [60]	50 [61]	2000	0.1 [62]	20	8.3
アメリカ合衆国	米ドル	5000 [63]	30 [64]	3500	0.1158 [65]	23.16	12.6
イギリス	英ポンド	4800 [66]	0	4800	0.11 [67]	22	18.2

日射量が多いほど、投資回収期間は短くなります。しかし、温帯地域でも太陽熱温水器は費用対効果が高いです。太陽光発電システムの投資回収期間は、歴史的に見てはるかに長くなっています。^[53]補完システムやバックアップシステムが必要ない場合、コストと投資回収期間は短くなります。^[52]そのため、このようなシステムの投資回収期間は長くなります。

補助金

オーストラリアは、国の再生可能エネルギー目標に基づいて、再生可能エネルギークレジットの制度を運用している。^[58]

トロントソーラーネイバーフッドイニシアチブは、太陽熱温水器の購入に対して補助金を提供しています。^[68]

エネルギーフットプリントとライフサイクルアセスメント

エネルギーフットプリント

アクティブSWHシステムの電源は、システムが稼働中に大気中の炭素にどの程度寄与するかを決定します。商用電源を使用してパネルを通して流体をポンプするアクティブ太陽熱システムは、「低炭素ソーラー」と呼ばれます。ほとんどのシステムでは、ポンプの使用によりエネルギー節約が約8％、太陽光発電による炭素節約が約20％減少します。^[69]しかし、低電力ポンプは1～20Wで動作します。^{[70] [71]} 12時間の晴天時に、太陽光コレクターパネルが1日あたり4kWhを供給し、ポンプが商用電源から断続的に合計6時間稼働すると仮定すると、このようなポンプの潜在的な悪影響は、生成される熱の約3％にまで低減できます。

しかし、太陽光発電を利用したアクティブ太陽熱システムでは、通常、5～30WのPVパネルと、小型で低消費電力のダイヤフラムポンプまたは遠心ポンプを使用して水を循環させます。これにより、運用時の炭素排出量とエネルギーフットプリントが削減されます。

代替の非電気式ポンプシステムでは、液体と気体の熱膨張と相変化を利用する場合があります。

ライフサイクルエネルギー評価

公認規格を用いることで、堅牢かつ定量的なライフサイクルアセスメント（LCA）を実施できます。LCAでは、原材料の調達、製造、輸送、使用、保守、廃棄にかかる財務コストと環境コストを考慮します。LCAの要素には以下が含まれます。

• 財務コストと利益
• エネルギー消費
• CO2およびその他の排出_物

エネルギー消費量に関しては、約60%がタンクに、30%がコレクター^[72]（この場合はサーモサイフォン平板）に消費されます。イタリア^[73]では、SWH機器の製造に約11ギガジュールの電力が消費され、そのうち約35%がタンクに、残りの35%がコレクターに消費されます。エネルギー関連の主な影響は排出です。製造に使用されたエネルギーは、使用開始から2～3年以内に回収されます（南欧）。

対照的に、英国ではエネルギー回収期間はわずか2年と報告されています。これは、既存の貯水槽に後付けで設置し、PVポンプ式で凍結耐性があり、開口部面積が2.8平方メートルの直接システムの場合の数値です。ちなみに、同じ比較調査によると、PV設備の場合、エネルギー回収期間は約5年でした。^[74]

_CO2排出量に関して言えば、削減される排出量の大部分は、太陽熱を補助するためにガスや電気がどの程度利用されるかに左右されます。エコインディケーター99ポイントシステムを基準（つまり、平均的なヨーロッパ人住民の年間環境負荷）としてギリシャで用いると、^[72]純粋にガスを動力源とするシステムは、太陽光発電システムよりも排出量が少ない可能性があります。この計算では、太陽光発電システムが家庭の給湯必要量の約半分を生産すると仮定しています。しかし、天然ガス燃料サイクルからのメタン（CH4）排出量_[ ^75]は_CO2の温室効果をはるかに上回るため、ガス駆動システムからの正味温室効果ガス排出量（CO2e _）は、特に補助電力も炭素排出ゼロの発電によるものである場合、太陽熱温水器よりもはるかに大きくなります。^[要出典]

イタリアの試験システムでは、製造、使用、廃棄の全要素を考慮すると、約700kgのCO2が排出されました_。熱媒体（グリコール系）の交換時に、メンテナンスが排出コストの高い活動として特定されました。しかし、排出コストは機器の使用開始から約2年で回収されました。^[73]

オーストラリアでは、ライフサイクル排出量も回収されました。試験されたSWHシステムの環境負荷は、電気給湯器の約20%、ガス給湯器の半分でした。^[52]

Allenら(qv) は、環境への影響が少ない改良型の凍結耐性太陽熱温水システムを分析した結果、生産時の_{CO2影響は 337 kg であると報告しました。これは、Ardente}ら(qv) の研究で報告された環境影響の約半分です。

システムの仕様とインストール

• ほとんどの SWH 設備ではバックアップ暖房が必要です。
• 毎日消費される温水は、補充と加熱が必要です。太陽光発電のみのシステムでは、貯水池の水の大部分を消費するため、貯水池の温度が大きく変動します。貯水池が大きいほど、日々の温度変動は小さくなります。
• SWHシステムは、コレクターとタンクのコストにおいて大幅な規模の経済性を提供します。 ^[72]したがって、最も経済的に効率的な規模は、アプリケーションの加熱ニーズを100％満たします。
• 直接システム（および熱交換器を使用する一部の間接システム）は、既存の店舗に後付けできます。
• システムのメリットを最大限に引き出すには、機器コンポーネントを断熱する必要があります。効率的な断熱材を設置することで、熱損失を大幅に削減できます。
• 最も効率的なPVポンプは、低照度時にはゆっくりと始動するため、集熱器が冷えている間に少量の不要な循環を引き起こす可能性があります。コントローラは、この冷却効果によって蓄熱された温水が循環するのを防ぐ必要があります。
• 真空管コレクターアレイは、チューブまたはそのヒートパイプを削除/追加することで調整でき、設置中または設置後にカスタマイズできます。
• 緯度45度以上の地域では、屋根に設置された太陽に面した集熱器の方が壁設置型集熱器よりも発電量が多い傾向があります。しかし、壁に設置された急勾配の集熱器を複数設置することで、冬季の利用エネルギーの増加が夏季の未使用（余剰）エネルギーの損失を相殺できるため、より有用なエネルギーを生産できる場合があります。

標準

ヨーロッパ

• EN 806: 建物内の飲料水供給設備に関する仕様。一般事項。
• EN 1717: 給水設備における飲料水の汚染に対する保護および逆流による汚染を防止する装置の一般要件。
• EN 60335: 家庭用および類似の電気機器の安全性に関する仕様。(2–21)
• UNE 94002:2005 家庭用給湯器用太陽熱発電システム 熱需要計算方法

アメリカ合衆国

• OG-300: 太陽熱温水器シス​​テムの OG-300 認証。^[76]

カナダ

• CAN/CSA-F378 シリーズ 11 (ソーラーコレクター)
• CAN/CSA-F379 シリーズ 09 (パッケージ型太陽熱温水システム)
• SRCC規格600（太陽熱集光器の最低規格）

オーストラリア

• 再生可能エネルギー（電力）法2000
• 再生可能エネルギー（電力）（大規模発電不足料金）法2000
• 再生可能エネルギー（電力）（小規模技術不足料金）法2010
• 再生可能エネルギー（電力）規制2001
• 再生可能エネルギー（電力）規制2001 - 太陽熱温水器および空気熱源ヒートポンプ温水器のSTC計算方法
• 再生可能エネルギー（電力）改正（経過措置）規則2010
• 再生可能エネルギー（電力）改正（経過規定）規則2009

大規模再生可能エネルギー目標および小規模再生可能エネルギー制度の関係者は、上記の法律を遵守しなければならない。^[77]

世界中で使用

南アフリカのコウガ地方自治体の低価格住宅に設置された太陽熱温水システム

太陽熱発電利用上位国（GW_数）^{[14] [78] [79] [80] [81] [82] [83]}

#	国	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013年[84]	2014	2015	2016	2017	2018	2019年[85]	2020年[86]	2021年[87]	2022年[4]
1	中国	55.5	67.9	84.0	105.0	101.5	117.6	-	-	262.3	289.5	309.5	324.5	334.5	337.6	346.5	364.0	381.6	396.4
–	欧州連合	11.2	13.5	15.5	20.0	22.8	23.5	25.6	29.7	31.4	47.5	49.2	51.8	54.3	56.8	58.9	59.5	62.2	63.2
2	七面鳥	5.7	6.6	7.1	7.5	8.4	9.3	-	-	11.0	12.7	13.6	14.9	16.3	17.6	18.1	18.4	19.0	19.2
3	アメリカ合衆国	1.6	1.8	1.7	2.0	14.4	15.3	-	-	16.8	17.1	17.4	17.7	17.9	18.0	18.2	18.2	18.3	18.4
4	ドイツ	–	–	–	7.8	8.9	9.8	10.5	11.4	12.1	12.8	13.2	13.5	13.7	13.9	13.9	14.0	15.6	15.8
5	ブラジル	1.6	2.2	2.5	2.4	3.7	4.3	-	-	6.7	7.7	8.7	9.6	10.4	11.3	12.2	13.1	14.3	15.5
6	インド	1.1	1.2	1.5	1.7	2.2	2.8	3.4	4.5	4.4	5.2	6.2	6.7	8.0	9.5	10.4	11.5	12.8	13.5
7	オーストラリア	1.2	1.3	1.2	1.3	5.0	5.8	-	-	5.8	6.1	6.2	6.4	6.6	6.7	6.8	6.8	6.9	6.7
8	メキシコ	–	–	–	-	-	-	1.2	1.4	1.8	2.0	2.8	2.4	2.7	3.0	3.3	3.6	3.9	4.2
9	ギリシャ	–	–	–	2.7	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9	3.0	3.1	3.1	3.2	3.3	3.4	3.5	3.6	3.8
10	イスラエル	3.3	3.8	3.5	2.6	2.8	2.9	-	-	2.9	3.2	3.2	3.2	3.3	3.3	3.4	3.4	3.5	3.6
	世界	88	105	126	149	172	196	-	-	374.7	410.2	435.9	457	473.5	483	479	500	524	542.7

欧州連合

欧州連合における太陽熱暖房（MW _th）^{[88] [89] [90]}

#	国	2008	2009	2010年[80]	2011	2012	2013
1	ドイツ	7,766	9,036	9,831	10,496	11,416	12,055
2	オーストリア	2,268	3,031	3,227	2,792	3,448	3,538
3	ギリシャ	2,708	2,853	2,855	2,861	2,885	2,915
4	イタリア	1,124	1,410	1,753	2,152	2,380	2,590
5	スペイン	988	1,306	1,543	1,659	2,075	2,238
6	フランス	1,137	1,287	1,470	1,277	1,691	1,802
7	ポーランド	254	357	459	637	848	1,040
8	ポルトガル	223	395	526	547	677	717
9	チェコ共和国	116	148	216	265	625	681
10	スイス	416	538	627	-	-	-
11	オランダ	254	285	313	332	605	616
12	デンマーク	293	339	379	409	499	550
13	キプロス	485	490	491	499	486	476
14	英国	270	333	374	460	455	475
15	ベルギー	188	204	230	226	334	374
16	スウェーデン	202	217	227	236	337	342
17	アイルランド	52	85	106	111	177	196
18	スロベニア	96	111	116	123	142	148
19	ハンガリー	18	59	105	120	125	137
20	スロバキア	67	73	84	100	108	113
21	ルーマニア *	66	80	73	74	93	110
22	ブルガリア *	22	56	74	81	58	59
23	マルタ*	25	29	32	36	34	35
24	フィンランド *	18	20	23	23	30	33
25	ルクセンブルク *	16	19	22	25	23	27
26	エストニア*	1	1	1	3	10	12
27	ラトビア *	1	1	1	3	10	12
28	リトアニア *	1	2	2	3	6	8
合計	EU27+Sw (GW th )	19,08	21,60	23.49	25.55	29.66	31.39
* = 推定、F = フランス全体

参照

• 再生可能エネルギーポータル
• エネルギーポータル

• 集光型太陽光発電
• パッシブソーラー
• 再生可能エネルギーの商業化
• 再生可能熱
• 再生可能エネルギー証明書（米国）
• 太陽光エアコン
• 太陽熱暖房
• ソーラーコンビシステム
• 太陽エネルギー
• オーストラリアの太陽熱温水器
• 太陽熱集熱器
• 太陽熱エネルギー
• 太陽光による水の消毒
• 持続可能なデザイン

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外部リンク

• 太陽熱暖房システムの部品

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