太陽熱空気熱

太陽熱空気暖房は、太陽からのエネルギー、日射を吸収媒体で捉え、空気を加熱するために使用される太陽熱技術です。 ^[1]太陽熱空気暖房は、建物やプロセス熱用途の空気を加熱または調整するために使用される再生可能エネルギー暖房技術です。これは通常、すべての太陽技術の中で最も費用対効果が高く、特に商業および産業用途で、暖房気候における建物エネルギーの最大の使用、つまり空間暖房と産業プロセス暖房に対応しています。

太陽熱集熱器は2つのカテゴリーに分けられます: ^[2]

• 非釉薬式空気集熱器または蒸散型太陽熱集熱器（主に商業、工業、農業、プロセス用途で周囲の空気を加熱するために使用される）
• ガラス張りの太陽熱集熱器（通常は空間暖房に使用される循環型）

空気熱用の太陽熱集熱器は、空気分配経路や、ガラス張りか非ガラス張りかなどの材質によって分類できます。例:

• スルーパスコレクター
• フロントパス
• バックパス
• フロントパスコレクターとバックパスコレクターの組み合わせ
• 素焼きの
• 艶をかけられた

「非ガラス製集熱器」という用語は、ガラスや窓ガラスのない吸収体からなる太陽熱空気加熱システムを指します。市販されている非ガラス製集熱器で最も一般的なタイプは、蒸散型太陽熱集熱器です。^[3]この技術は、1990年代にコンサーバルエンジニアリング社 のカナダ人エンジニア、ジョン・ホリック氏によって発明され、特許を取得しました。 ^[4]ホリック氏は、米国エネルギー省 ( NREL ) およびカナダ天然資源省と協力して、世界中でこの技術の商業化に取り組みました。^[5]この技術はこれらの政府機関によって広範囲に監視されており、カナダ天然資源省は蒸散型太陽熱集熱器によるエネルギー節約をモデル化するための実現可能性ツール RETScreen ^[6]を開発しました。ジョン・ホリックと蒸散型太陽熱集熱器は、2014年にアメリカ機械学会（ASME）から、トーマス・エジソン、ヘンリー・フォード、蒸気機関、パナマ運河と並んで、産業化時代の最高の発明の一つとして表彰されました。これは、過去2世紀の最高の発明、発明家、工学上の偉業を表彰するニューヨークの展示会で行われました。

数千の蒸散型太陽熱集熱器システムが、世界35か国以上で、商業、工業、公共施設、農業、プロセス用途など、さまざまな用途に設置されています。^{[7] [8]}この技術はもともと、換気要件が高く、天井の熱が層状になり、建物が負圧になることが多い製造工場や組立工場などの工業用途で主に使用されていました。世界初の非ガラス蒸散型集熱器は、フォードモーターカンパニーがカナダのオークビルにある組立工場に設置しました。^[9]

建物に再生可能エネルギーシステムを導入する動きが強まる中、太陽光発電や太陽熱温水器に比べて、エネルギー生産量（最大500～600ピーク熱ワット/平方メートル）、太陽光変換率（最大90％）が高く、資本コストが低いことから、蒸散型太陽熱集熱器が建物全体に導入されるようになりました。^[10]

非ガラス製空気コレクターは、建物内の空気を再循環させる代わりに、周囲の（外の）空気を加熱します。蒸散型太陽熱コレクターは通常、冬の暖房期間に低い太陽角度を捉え、また雪からの太陽の反射を捉えるために壁に取り付けられ、コレクター面積の 1 平方フィートあたり 4 ～ 8 CFM（72 ～ 144 m3/h.m2）の流量で動作しているときに、最適なパフォーマンスと投資収益率を実現します。

蒸散型太陽熱集熱器の外面には、熱の境界層を捕らえて外面パネルの後ろの空気空洞に均一に引き込むことができる、何千もの微細な穴があいています。この太陽熱で温められた換気空気は、集熱器の上部にある空気出口から建物の換気システムに引き込まれ、その後、従来の方法または太陽熱ダクト システムを使用して建物内に空気が分配されます。

カナダ天然資源省とNRELによる広範囲なモニタリングでは、蒸散型太陽熱集熱器システムが従来の暖房負荷の10～50%を削減し、RETScreenがシステム性能の正確な予測ツールであることが示されています。^[11]

蒸散型太陽熱集熱器は雨よけとして機能し、建物の外壁から逃げる熱損失を捕らえて集熱器の空気キャビティに集め、換気システムに戻します。太陽熱空気暖房システムはメンテナンスの必要がなく、予想寿命は30年以上です。^[12]

南向きの壁が適切でない場合や、その他の建築上の考慮事項がある場合には、非ガラス製の蒸散コレクターを屋根に取り付けることもできます。多くの企業が、傾斜した金属屋根に直接取り付けるか、ダクトに取り付けられて近くのファンや HVAC ユニットに接続されたモジュールとして屋根に取り付けるのに適した蒸散コレクターを提供しています。

蒸散コレクターを使用すると、空気を 2 度加熱して温度上昇を高めるように設定できるため、より大きな建物の暖房に適しています。2 段階システムでは、第 1 段階は一般的なガラスなし蒸散コレクターで、第 2 段階はガラスで覆われた蒸散コレクターです。ガラスにより、第 1 段階からの加熱された空気はすべて、第 2 段階の太陽熱暖房用の第 2 段階の蒸散コレクター セットに送られます。

もう 1 つのイノベーションは、太陽光発電 (PV) モジュールをソーラー エア システムに取り付けることで、PV モジュールから熱を回収することです (PV モジュールによって生成される電気エネルギーの 4 倍になることがよくあります)。暖房が必要な場合、ソーラー エア コンポーネントを PV システムに組み込むと、2 つの技術的な利点が得られます。PV 熱を除去して、PV システムを定格効率 (25 ℃) に近い状態で動作させることができます。また、熱エネルギーを捕捉して従来の暖房を相殺するために使用するため、複合システムに関連する総エネルギー回収期間が短縮されます。

従来の強制空気炉と同様に機能するこのシステムは、太陽熱集熱器を通して調整された建物の空気を再循環させることで熱を提供します。太陽の熱エネルギーを吸収するエネルギー収集面を使用し、空気をダクトで導いてこれに接触させることで、さまざまな空調およびプロセス用途向けのシンプルで効果的な集熱器を作成できます。

シンプルな太陽熱空気集熱器は、吸収材（選択表面を持つ場合もある）で構成され、太陽からの放射を捕らえ、この熱エネルギーを伝導熱伝達によって空気に伝達します。この加熱された空気は、建物の空間またはプロセス領域にダクトで送られ、空間暖房またはプロセス暖房のニーズに使用されます。

このタイプのシステムの先駆者はジョージ・レフで、1945年にコロラド州ボルダーの住宅に太陽熱暖房システムを構築しました。彼は後に、蓄熱用の砂利床も取り入れました。^[13]

スルーパス構成では、吸収器の片側にダクトで送られた空気が、穴あきまたは繊維状の素材を通過し、素材の伝導特性と移動する空気の対流特性によって加熱されます。スルーパス吸収器は表面積が最も大きく、比較的高い伝導熱伝達率を実現しますが、圧力降下が大きいため、より大きなファン電力が必要になる場合があります。また、長年太陽放射にさらされた後の吸収器素材の劣化により、空気の品質と性能にさらに問題が生じる可能性があります。

バックパス、フロントパス、および組み合わせタイプの構成では、空気は吸収器の背面、前面、または両側に向けられ、戻りから供給ダクト ヘッダーまで加熱されます。吸収器の両側に空気を通すと伝導熱伝達の表面積が広くなりますが、吸収器の前面に空気を通すことでほこり (汚れ) の問題が発生する可能性があり、太陽光の吸収量が制限されて吸収器の効率が低下します。寒冷な気候では、ガラスの横を通過する空気によってさらに熱損失が大きくなり、コレクターの全体的なパフォーマンスが低下します。

さまざまな用途で太陽熱空気熱技術を利用して、化石燃料などの従来の熱源の使用による二酸化炭素排出量を削減し、熱エネルギーを生成する持続可能な手段を作り出すことができます。空間暖房、温室シーズンの延長、換気補給空気の予熱、プロセス熱などの用途は、太陽熱空気熱装置で対応できます。^[14] 「ソーラーコジェネレーション」の分野では、太陽熱技術は太陽光発電（PV）と組み合わせて、PVパネルを冷却して電気性能を向上させると同時に、空間暖房のために空気を温めることでシステムの効率を高めます。^[要出典]

住宅や商業施設の空間暖房は、太陽熱空気加熱パネルを使用して行うことができます。この構成は、建物の外壁または屋外環境から空気を吸い込み、それをコレクターに通すことで機能します。そこで空気は吸収体からの伝導によって暖められ、その後、受動的な手段またはファンの助けを借りて、居住空間または作業空間に供給されます。

太陽熱空気は、洗濯物、農作物（茶、トウモロコシ、コーヒーなど）の乾燥、その他の乾燥用途などのプロセス用途にも使用できます。太陽熱集熱器で加熱された空気を乾燥対象媒体に通すと、材料の水分含有量を効率的に減らすことができます。

夜空への放射冷却は、暖かい表面（屋根）からより低温の別の物体（空）への長波放射による熱損失の原理に基づいています。晴れた夜には、典型的な空に面した表面は約 75 W/m2（25 BTU/hr/ft2）の割合で冷却されます。つまり、空に面した金属屋根は周囲の空気温度よりも低くなります。コレクターは、この冷却現象を利用できます。暖かい夜の空気が蒸散コレクターのより冷たい表面に触れると、熱が金属に伝達され、空に放射され、冷却された空気が穴あき表面から引き込まれます。その後、冷たい空気が HVAC ユニットに引き込まれます。^{[9] [15] [16]も参照してください。}

適切に設計された空気コレクターまたは空気ヒーターを通して空気を引き込むことで、太陽熱で温められた新鮮な空気は、晴天時の運転中に暖房負荷を軽減できます。用途としては、熱回収換気装置に入る新鮮な空気を予熱する蒸散コレクターや、他の太陽熱煙突から熱せられた空気を排出することで生じる吸引などがあります。

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