季節熱エネルギー貯蔵

季節蓄熱（STES ）は、季節間蓄熱とも呼ばれ、^[1] 数か月間にわたる熱または冷気の貯蔵です。熱エネルギーは、利用可能なときにいつでも収集でき、反対の季節など、必要なときにいつでも使用できます。たとえば、太陽熱集熱器からの熱や空調機器からの廃熱は、冬季を含む暑い月に必要に応じて暖房用に収集できます。工業プロセスからの廃熱も同様に貯蔵して、ずっと後で使用することもできます^{[2] 。} または、冬の空気の自然な冷気を夏季の空調用に貯蔵することもできます。^{[3] [4]}

STES 貯蔵庫は、地域暖房システムだけでなく、単独の建物や複合施設にも供給できます。暖房に使用される季節貯蔵庫では、設計上の年間最高温度は一般に 27 ～ 80 °C (81 ～ 180 °F) の範囲にあり、貯蔵庫内で年間を通じて発生する温度差は数十度になることがあります。一部のシステムでは、サイクルの一部または全部で貯蔵庫の充電と放電を助けるためにヒート ポンプを使用します。冷却用途では、循環ポンプのみを使用することがよくあります。

吸着蓄熱と熱化学蓄熱は、理論上は充電と放電の間に熱損失がないため、季節蓄熱に最も適していると考えられています。^[5]しかし、研究によると、実際の熱損失は通常かなり大きいことが示されています。^[6]

地域暖房の例としては、ドレイクランディングソーラーコミュニティがあり、ここでは地中蓄熱でヒートポンプなしで年間消費量の97%を賄っています^[7 ] 。また、デンマークの貯水池蓄熱式暖房システムも利用しています^{[8] 。}

STES 技術にはいくつかの種類があり、単一の小規模な建物からコミュニティの地域暖房ネットワークまで、さまざまな用途をカバーしています。一般的に、規模が大きくなるにつれて効率が向上し、具体的な建設コストは減少します。

UTES (地下熱エネルギー貯蔵) では、貯蔵媒体として、土や砂から固い岩盤、帯水層に至るまでの地層が使用されることがあります。UTES
技術には次のものがあります。

• ATES (帯水層蓄熱システム)。ATES 貯蔵庫は、上下の不浸透性地質層に挟まれた深層帯水層に合計 2 つ以上の井戸を掘ったダブレットで構成されています。ダブレットの半分は水の抽出用、もう半分は再注入用であるため、帯水層は水文学的バランスが保たれ、純抽出はありません。熱 (または冷気) 貯蔵媒体は、水とそれが占める基質です。ドイツの国会議事堂は、1999 年以来、異なる深さの 2 つの帯水層にある ATES 貯蔵庫で冷暖房が行われています。^[9]
  オランダには 1,000 を超える ATES システムがあり、現在では標準的な建設オプションとなっています。^{[10] [11]}
  リチャード ストックトン カレッジ (ニュージャージー州) では、数年前から大規模なシステムが稼働しています。^[3] ATES は、掘削する穴の数が少ないため、ボアホール蓄熱システム (BTES) よりも設置コストが低くなりますが、ATES の運用コストは高くなります。また、ATES が実現可能となるには、帯水層の存在など、特定の地下条件が必要です。
• BTES（ボアホール蓄熱システム）。BTES蓄熱システムは、ボアホールを掘削できる場所であればどこでも建設でき、通常直径155 mm（6.1インチ）の1～数百の垂直ボアホールで構成されています。あらゆる規模のシステムが構築されており、非常に大規模なものも数多くあります。^{[12] [13] [14]}
  地層は砂から結晶質の硬岩までさまざまで、工学的要因に応じて深さは50～300メートル（164～984フィート）になります。間隔は3～8メートル（9.8～26.2フィート）です。熱モデルを使用して、地中の季節的な温度変動を予測できます。これには、1年または複数年のサイクルにわたって熱の入力と出力を一致させることによって達成される安定した温度体制の確立が含まれます。ボアホールフィールドを使用して、夏に捕捉された余剰熱を貯蔵する季節的な温熱貯蔵庫を作成することができます。これにより、大規模な土壌蓄熱層の温度を積極的に上昇させ、冬に熱をより簡単に（そしてより安価に）抽出することができます。季節間熱伝達^[15]は、アスファルト太陽熱集熱器に埋め込まれたパイプ内を循環する水を使用して、ボアホールフィールドに作成された蓄熱層[16]に熱を移動^します。地中熱ヒートポンプは、冬に蓄熱層から暖かさを抽出し、床暖房を介して空間暖房を提供するために使用されます。ヒートポンプは、地面からの冷たい10°C（50°F）ではなく、蓄熱層からの暖かい25°C（77°F）で始動するため、高い成績係数が得られます。^[17]リチャード・ストックトン・カレッジで1995年から最高気温が約29℃（84.2℉）で稼働しているBTESは、3.5エーカー（1.4ヘクタール）の駐車場の地下に深さ130メートル（427フィート）のボーリング孔400個を掘ってできている。6か月間で2％の熱損失がある。^{[18] BTES貯蔵庫の温度上限は、} BHEに使用されるPEXパイプの特性により85℃（185℉）であるが、ほとんどはその限界に近づくことはない。ボーリング孔は、地質条件に応じてグラウト充填または水充填が可能で、通常、耐用年数は100年を超える。BTESとそれに関連する地域暖房システムは、ドイツのネッカーズルムのように、稼働開始後に段階的に拡張することができる。^[19] BTES貯蔵庫は一般に土地利用を妨げず、建物、農地、駐車場の下に設置することができる。数種類のSTESのうちの1つの例は、季節間の熱貯蔵の能力をよく表しています。カナダのアルバータ州にあるドレイクランディングソーラーコミュニティの住宅では、
  （2007年から稼働）は、年間の熱の97％を、ガレージの屋根の太陽熱パネルからの太陽熱で供給される地域暖房システムから得ています。この偉業（世界記録）は、中央公園の下にある巨大な天然岩の季節間の熱貯蔵によって可能になりました。熱交換は、地中37メートル（121フィート）まで掘削された144個のボーリング孔のクラスターを介して行われます。各ボーリング孔の直径は155 mm（6.1インチ）で、小径のプラスチックパイプで作られた単純な熱交換器が内蔵されており、水が循環します。ヒートポンプは使用されていません。^{[7] [20]}
• CTES（洞窟または鉱山の熱エネルギー貯蔵）。STES貯蔵は、熱（または冷気）源と市場に十分近い場合、浸水した鉱山、専用に建設された部屋、または放棄された地下石油貯蔵庫（ノルウェーの結晶質硬岩から採掘されたものなど）で可能です。^[21]
• エネルギー杭。大型ビルの建設中、BTES 貯蔵庫で使用されるものとよく似た BHE 熱交換器が杭の補強バーのケージ内に螺旋状に組み入れられ、その場所にコンクリートが流し込まれます。杭と周囲の地層が貯蔵媒体になります。
• GIITS (地中季節断熱蓄熱)。主スラブ床を備えた建物の建設中、暖房する建物のフットプリントとほぼ同じで深さ 1 メートルを超えるエリアの 6 面すべてが、通常HDPEクローズドセル断熱材で断熱されます。パイプを使用して、断熱されたエリアに太陽エネルギーを伝達し、必要に応じて熱を取り出します。内部の地下水の流れが著しい場合は、それを防ぐために対策が必要です。

• ピット貯蔵。貯蔵媒体として砂利と水が詰められた、裏張りされた浅い掘りピットは、多くのデンマークの地域暖房システムでSTESに使用されています。貯蔵ピットは断熱材の層で覆われ、その上に土がかけられ、農業^[要出典]またはその他の目的に使用されます。デンマークのマルスタルのシステムには、太陽熱パネルのフィールドから熱が供給されるピット貯蔵が含まれています。当初は村の年間熱の20％を供給しており、その2倍を供給するために拡張されています。^[22]世界最大のピット貯蔵（200,000 m ³（7,000,000立方フィート））は、2015年にデンマークのヴォイエンスで稼働し、太陽熱で世界最大の太陽光発電地域暖房システムの年間エネルギーの50％を供給しています。^{[8] [23] [24] [25] [26]}これらのデンマークのシステムでは、容量単位あたりの資本支出は0.4〜0.6ユーロ/kWhの範囲で達成できる可能性がある。^[27]
• 大規模な水蓄熱。大規模なSTES貯水タンクは地上に建設され、断熱され、その後土で覆われます。^[28]
• 水平熱交換器。小規模な設備の場合、波形プラスチックパイプの熱交換器を溝に浅く埋めてSTESを作成することができます。^[29]
• 土盛りの建物。周囲の土壌に受動的に熱を蓄えます。
• 塩水和物技術。この技術は、水ベースの蓄熱よりも大幅に高い蓄熱密度を実現します。熱エネルギー貯蔵：塩水和物技術を参照してください。

国際エネルギー機関の エネルギー貯蔵による省エネルギー（ECES）プログラム^{[30] [31]}は、1981年以来、3年ごとに世界エネルギー会議を開催しています。会議は当初STESのみに焦点を当てていましたが、現在ではこれらの技術が成熟しているため、相変化材料（PCM）や電気エネルギー貯蔵などの他のトピックも取り上げられています。1985年以来、各会議の名前の最後には「ストック」（貯蔵）が付いており、たとえばEcoStock、ThermaStockなどです。^[32]会議は世界各地で開催されています。最近では、スペインのリェイダで開催されたInnoStock 2012（第12回国際熱エネルギー貯蔵会議）^[33]と北京で開催されたGreenStock 2015です。^[34] EnerStock 2018は、2018年4月にトルコのアダナで開催されます。 ^[35]

IEA-ECESプログラムは、1978年から1990年まで四半期ごとにニュースレターを発行し、当初は米国エネルギー省が後援していた国際蓄熱評議会の活動を引き継いでいます。このニュースレターは当初ATESニュースレターと呼ばれていましたが、 BTESが実現可能な技術になった後、STESニュースレターに変更されました。^{[36] [37]}

小規模なパッシブ暖房の建物では、通常、建物に隣接する土壌を低温の季節蓄熱材として使用し、年間サイクルで年間平均気温に近い最高温度に達し、寒い月には暖房のために温度が引き下げられます。このようなシステムは、建物の設計上の特徴であり、「従来の」建物との単純だが重要な違いがいくつか必要です。土壌の約20フィート（6メートル）の深さでは、温度の低下が太陽熱の自然回復能力を超えない限り、温度は年間を通じて一定の範囲内で自然に安定しています^[38]。このような蓄熱システムは、年間を通じて狭い範囲の蓄熱温度内で動作しますが、これは、年間で大きな温度差が意図されている上記の他のSTESシステムとは対照的です。

1970 年代から 1980 年代にかけて、米国では2 つの基本的なパッシブ ソーラー建築技術が開発されました。これらは、断熱され湿気から保護された土壌への直接熱伝導を空間暖房の季節貯蔵方法として利用し、直接伝導を熱の戻りメカニズムとして使用します。1 つの方法である「パッシブ年間蓄熱」(PAHS) ^[39]では、建物の窓やその他の外部表面が太陽熱を捕らえ、床、壁、場合によっては屋根を通して伝導により隣接する熱緩衝土壌に伝達されます。内部空間が蓄熱媒体よりも低温の場合、熱は居住空間に戻ります。^{[40] [41]}

もう一つの方法は、「年間地熱太陽熱」（AGS）で、別の太陽熱集熱器を使用して熱を捕らえます。捕らえられた熱は、受動的に熱伝達媒体（空気や水など）の対流によって、または能動的にポンプで送って、貯蔵装置（土壌、砂利床、または水タンク）に送られます。この方法は通常、6か月間の暖房用に設計された容量で実装されます。

太陽熱貯蔵の使用例としては、世界各地で次のような例が挙げられます。イギリスのイースト・アングリアにある大学、サフォーク・ワンでは、バスの旋回エリアに埋設されたパイプの熱収集器を使用して太陽エネルギーを収集し、100メートル（330フィート）の深さの18個のボーリングホールに貯蔵して冬の暖房に使用しています。カナダのドレイク・ランディング・ソーラー・コミュニティでは、52軒の住宅のガレージ屋根に太陽熱収集器を使用しており、35メートル（115フィート）の深さのボーリングホールに貯蔵しています。地面の温度は70℃を超えることもあり、それを利用して住宅を受動的に暖房しています。この計画は 2007 年から順調に実行されています。デンマークのブレッドストルプでは、約 8,000 平方メートル (86,000 平方フィート) の太陽熱集熱器を使用して、同様に 50 メートル (160 フィート) の深さの掘削孔に蓄えられた年間約 4,000,000 kWh の熱を収集しています。

建築家マティアス・グタイ^[42]は、ハンガリーに住宅を建設するためのEU補助金を獲得しました^[43]。この住宅では、地下の蓄熱水タンクを備えた熱収集器と貯留器として、広範囲に水を張った壁パネルを使用しています。この設計では、マイクロプロセッサ制御が使用されています。

多くの住宅や小規模アパートでは、蓄熱用の大型内部水タンクと屋根に取り付けられた太陽熱集熱器を組み合わせている。貯蔵温度90℃（194℉）は、家庭用給湯と暖房の両方に十分である。このような住宅の最初のものは、1939年のMITソーラーハウス1号である。1989年には、スイスのオーバーブルクに8戸のアパートが建設され、3つのタンクに合計118m3（4,167立方フィート）の熱を蓄え^、建物が必要とする以上の熱を蓄えている。2011年以降、この設計は新しい建物で再現されている。^[44]

ベルリンでは、1997年にIEAタスク13低エネルギー住宅実証プロジェクトの一環として「ゼロヒーティングエネルギーハウス」が建設されました。地下にある^20m3（706立方フィート）のタンクに最高90℃（194℉）の水を貯蔵します。^[45]

同様の例が2009年にアイルランドでプロトタイプとして建設されました。太陽熱季節貯蔵庫^[46]は、水で満たされた23m3（812立方フィート）のタンクで構成されており^{[ 47]}、周囲をしっかりと断熱された地中に設置され、年間を通じて真空のソーラーチューブからの熱を蓄えます。このシステムは、アイルランドのゴールウェイにある世界初の標準化されたプレハブパッシブハウス^[48]を暖房するための実験として設置されました。目的は、この熱が、すでに非常に効率的な住宅で冬の間、電気の必要性をなくすのに十分であるかどうかを確認することでした。

ガラスの改良により、季節エネルギー貯蔵なしでゼロ暖房の建物が実現可能になりました。

STESは温室の暖房にも広く使用されています。^{[49] [50] [51]} ATESは、この用途に一般的に使用されているタイプの貯蔵です。夏には、温室は帯水層の「冷井」から汲み上げた地下水で冷却されます。水はその過程で加熱され、帯水層の「温井」に戻されます。栽培シーズンを延長するなど、温室に暖房が必要な場合は、温井から水が引き出され、暖房機能を果たしながら冷却され、冷井に戻されます。これは、循環ポンプのみを使用し、ヒートポンプを使用しない、非常に効率的なフリークーリングシステムです。

年間地熱発電 (AGS)により、寒くて霧の多い北温帯地域でもパッシブ ソーラー暖房が可能になります。建物の下または周囲の地面を熱質量として利用し、建物を暖めたり冷やしたりします。設計上の伝導熱遅延が 6 か月経過すると、熱は建物の居住空間に戻されるか、またはそこから除去されます。暑い気候では、冬にコレクターを極寒の夜空にさらすと、夏に建物を冷やすことができます。

6 か月の熱遅延は、約 3 メートル (10 フィート) の土によって提供されます。建物の周囲に埋め込まれた 6 メートル (20 フィート) 幅の断熱スカートにより、通常は建物の下にある土に雨や雪解け水が入り込むのを防ぎます。土は、床や壁を通して放射加熱および冷却を行います。熱サイフォンにより、土とソーラー コレクターの間で熱が移動します。ソーラー コレクターは、屋根の金属板の区画、または建物の側面や丘の横にある幅広の平らな箱の場合があります。サイフォンはプラスチック パイプで作られ、空気を運びます。空気を使用すると、水漏れや水による腐食を防ぐことができます。プラスチック パイプは、金属ダクトのように湿った土壌で腐食しません。

AGS 暖房システムは通常、次の要素で構成されます。

• 断熱性、エネルギー効率、環境に配慮した居住空間。
• 夏季に太陽熱で暖められた屋根下または屋根裏空間、サンスペースまたは温室、地上設置型、平板型、熱サイフォン型集熱器、またはその他の太陽熱収集装置から収集された熱。
• 熱は収集源から居住空間の下の（通常は）地中へ輸送され（貯蔵のため）、この地中は地下周囲の「ケープ」または「傘」で囲まれており、簡単に熱が外気に戻るのを防ぐ断熱効果と、その蓄熱体を通る湿気の移動を防ぐバリア効果の両方を備えています。
• 高密度の床は、適切な床下断熱材によって制御された時間差の後にのみ、居住空間に熱を放射するように熱特性が設計されています。
• 温暖期の空気が集熱エリア内よりも蓄熱マス内よりも高温であると感知された場合に、ファンとダンパー（多くの場合、PV 駆動）を作動させるか、受動対流によって熱を蓄熱ゾーンに移動させる（多くの場合、太陽熱煙突と熱作動ダンパーを使用）制御方式またはシステム。

通常、貯蔵土塊が、地元の深部土壌温度 (地域や敷地の向きによって大きく異なります) から、冬の間居住空間の暖房要件の 100% を供給できる最適な秋の温度まで完全に予熱されるまでには、数年かかります。この技術は進化を続けており、さまざまなバリエーション (アクティブ リターン デバイスを含む) が研究されています。この革新について最も頻繁に議論されているリストサーブは、Yahoo の「Organic Architecture」です。

このシステムは、ほぼ独占的に北ヨーロッパで導入されています。北米のドレイク ランディングに 1 つのシステムが構築されています。より新しいシステムとしては、イリノイ州コリンズビルで進行中の DIY エネルギー ニュートラル住宅があり、空調には年間太陽光のみを使用します。

• DOE EERE 研究レポート
• 2005年12月、ENERGETIKhaus100に季節限定の蓄熱装置を取り付け中
• 1998年10月 藤田研究報告
• Earth Notes: ヒートポンプを備えたミルクタンカーの蓄熱貯蔵庫
• 太陽エネルギーを集光するために使用されるヘリオスタット（写真）
• 年間熱慣性を備えたWofati Ecoビル