太陽熱温水器

太陽熱温水器（SWH）は、太陽熱集熱器を使用して太陽光で水を加熱するものです。さまざまな気候や緯度に対応するソリューションを提供するために、さまざまな構成がさまざまなコストで利用可能です。SWHは住宅や一部の産業用途で広く使用されています。^{[1] [2]}

太陽に面した集熱器は、後で使用するために貯蔵システムに入る作動流体を加熱します。SWH には、アクティブ (ポンプ式) とパッシブ (対流駆動) 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。直接加熱するか、集光ミラーを介して加熱します。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]大規模な設備では、ミラーが太陽光を小さな集熱器に集中させる場合があります。^{[独自の研究? ]}

2017年現在、世界の太陽熱温水器（SHW）の熱容量は472GWで、市場は中国、米国、トルコが独占しています。^[4] 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。^[4]

米国における太陽熱集熱器の記録は1900年以前にまで遡り、^[5]屋根の上に黒く塗られたタンクが設置されていた。1896年、ボルチモアのクラレンス・ケンプが木箱の中にタンクを収め、今日知られている最初の「バッチ式給湯器」を開発した。フランク・シューマンはエジプトのマアディに世界初の太陽熱発電所を建設し、放物面トラフを使用して45～52キロワット（60～70馬力）のエンジンに電力を供給し、ナイル川から隣接する綿花畑に毎分23,000リットル（6,000米ガロン）の水を汲み上げた。

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

太陽光 発電は、オーストラリア、カナダ、中国、ドイツ、インド、イスラエル、日本、ポルトガル、ルーマニア、スペイン、イギリス、アメリカで使用されています。

イスラエル、キプロス、ギリシャは、一人当たりの太陽熱温水システムの使用においてトップクラスであり、住宅の30～40％を支えています。^[6]

平板型ソーラーシステムはイスラエルで完成し、大規模に利用された。1950年代、燃料不足のため政府は午後10時から午前6時までの間、水を温めることを禁止した。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メーカーであるNerYah Companyを設立した。^[7]太陽熱温水器は1967年までに人口の20%に普及した。1970年代のエネルギー危機の後、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タワーを除く）に太陽熱温水器の設置を義務付けた。^[8]その結果、イスラエルは1人当たりの太陽エネルギー利用で世界トップとなり、85%の世帯が太陽熱システム（国内の一次エネルギー消費量の3%）を使用し、^[9]推定では年間200万バレル（32万m ³）の石油を節約している。^{[10] [11]}

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^。[12]

1960年以降、日本でも販売されるようになった。^[5]

オーストラリアには、1997年のMRETに始まる太陽熱に関するさまざまな国や州の規制があります。^{[13] [14] [15]}

太陽熱温水システムは中国で人気があり、基本的なモデルは1,500元（235米ドル）からで、同じサイズの集熱器の場合、西欧諸国よりも約80％安い。少なくとも3,000万の中国世帯がこれを所有している。この人気の理由は、効率的な真空管により、曇り空や氷点下の気温でもヒーターが機能することである。^[16]

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

• 夏と冬の気温と太陽放射の変化
• 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液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、システムの出力と入ってくる水の温度が最も低くなる冬季に必要とされる温水の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、システム内の水が熱くなりすぎないようにする必要性によって決まります。

凍結防止対策は、凍結した移送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、ポンプが停止したときにシステムから移送流体を排出します。多くの間接システムでは、熱伝達流体に 不凍液(例:プロピレン グリコール) を使用します。

一部の直接システムでは、凍結が予想される場合にコレクターを手動で排水できます。この方法は、凍結温度が頻繁に発生しない気候では一般的ですが、オペレーターに依存するため、自動システムよりも信頼性が低くなる可能性があります。

3 つ目の凍結防止方法は、凍結耐性です。シリコン ゴム製の低圧水道管は凍結すると膨張します。現在、このようなコレクターの 1 つは、欧州ソーラー キーマーク認定を受けています。

特に、凍結防止の必要性は従来複雑な要因となっていましたが、真空管コレクターを使用するシステムは、中程度の霜が降りる気候では、ドレンバックや不凍液の必要がなく使用できます。これは、真空管システムでは、真空管自体ではなく、断熱ヘッダーにのみ水があるためです。コントローラーによって追加の保護も提供されます。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オンになり、温かい水をヘッダーに送ります。

1 日か 2 日間お湯が使われていない場合、すべての非「ドレインバック」システムでは、コレクターとストレージ内の液体が高温になることがあります。「ドレインバック」システムのストレージ タンクが目的の温度に達すると、ポンプが停止して加熱プロセスが終了し、ストレージ タンクが過熱するのを防ぎます。

一部のアクティブ システムでは、日光がほとんど当たらないときや夜間に熱を失うときに、コレクターを通して温水を循環させることで、意図的に貯蔵タンク内の水を冷却します。これは、直接配管または蓄熱配管で最も効果的ですが、真空管コレクターを使用するシステムでは、断熱性に優れているため、実質的に効果がありません。コレクターの種類に関係なく、過熱する可能性があります。高圧で密閉された太陽熱システムは、最終的には温度および圧力リリーフ バルブの動作に依存します。低圧で開放型ベント ヒーターには、よりシンプルで信頼性の高い安全制御 (通常は開放型ベント) があります。

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光吸収体を銅製の熱交換器パイプに取り付けたシンプルなガラス張りの断熱ボックス、または真空（ほぼ真空）ガラスシリンダーで囲まれた一組の金属チューブなどがあります。工業用の場合、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^[要説明]、および太陽熱集熱器の最適最終温度^[要説明]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、このタンクの容量を大きくする必要があります。吸収体の熱伝達流体（HTF）には水を使用できますが、より一般的には（少なくともアクティブシステムでは）不凍液と腐食防止剤を含む別のループ状の流体が、熱交換器（通常はタンク内にある銅製の熱交換器チューブのコイル）を介してタンクに熱を伝えます。銅は、その高い熱伝導性、大気および水に対する耐腐食性、はんだ付けによる密封および接合、機械的強度のため、太陽熱暖房および冷房システムの重要な部品です。銅は、受熱器と一次回路（水タンクのパイプと熱交換器）の両方で使用されます。^[17]

「ドレンバック」は、メンテナンスの手間が少ないもうひとつのコンセプトです。^[18]不凍液は必要ありません。代わりに、すべての配管に傾斜を付けて、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、凍結する前にパイプが空になります。

住宅用太陽熱発電設備は、パッシブ（「コンパクト」と呼ばれることもある）システムとアクティブ（「ポンプ式」と呼ばれることもある）システムの 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（電気加熱要素またはガスまたは燃料油セントラル 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バックアップ熱^[19]を組み合わせると、寒冷な気候でも温水システムを 1 年中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、太陽熱はセントラルヒーティングによって加熱されたタンクに供給される予熱タンクに集中するか、太陽熱交換器が下部加熱要素に取って代わり、上部要素は補助熱を供給するために残る。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である。したがって、洗濯や入浴用の太陽熱温水器は、需要と供給がよりよく一致するため、セントラルヒーティングよりも適していることが多い。多くの気候では、太陽熱温水器は家庭用温水エネルギーの最大85％を供給できる。これには、家庭用の非電気式集光型太陽熱システムが含まれる。多くの北欧諸国では、温水と暖房を組み合わせたシステム（ソーラーコンビシステム）が、家庭暖房エネルギーの15〜25％を供給するために使用されている。蓄熱と組み合わせると、大規模な太陽熱暖房は、地域暖房の年間熱消費量の50〜97％を供給できる。^{[20] [21]}

直接ループ システムまたはオープン ループシステムは、飲料水をコレクターを通して循環させます。比較的安価です。欠点は次のとおりです。

• 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。
• コレクターが凍結耐性が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まったくありません。
• イオン交換軟水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 の市場は寒冷な気候にも拡大しました。以前のモデルは、凍結条件では水が氷に変わり、1 つ以上のコンポーネントが破裂して損傷しました。

間接または閉ループシステムでは、熱交換器を使用して「熱伝達流体」(HTF) 流体から飲料水に熱を伝達します。最も一般的な HTF は、通常、非毒性のプロピレン グリコールを使用する不凍液/水の混合物です。パネルで加熱された後、HTF は熱交換器に移動し、そこで熱が飲料水に伝達されます。間接システムは、凍結防止機能と通常は過熱防止機能を提供します。

パッシブシステムは、熱による対流またはヒート 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。

アクティブシステムでは、1 つまたは複数のポンプを使用して水や加熱流体を循環させます。これにより、より幅広いシステム構成が可能になります。

揚水式システムは購入と運用にコストがかかります。ただし、効率が高く、制御も簡単です。

アクティブ システムには、バックアップの電気またはガス駆動の給湯器との相互作用、節約されたエネルギーの計算と記録、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あります。

統合コレクターストレージ(ICS またはバッチヒーター) システムでは、ストレージとコレクター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い直線状のタンクです。プレートおよびチューブコレクターよりもシンプルで安価ですが、屋根に設置する場合は補強が必要になる場合があります (400～700 ポンド (180～320 kg) ポンドの水を支えるため)。また、太陽に面した側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。

対流蓄熱ユニット( CHS) システムは、ICS システムに似ていますが、貯蔵タンクとコレクターが物理的に分離されており、両者間の移動は対流によって行われます。CHS システムでは通常、標準の平板型または真空管コレクターが使用されます。対流が適切に機能するには、貯蔵タンクをコレクターの上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。パネルは貯蔵タンクの下に配置されているため、冷水はシステムの最も低い部分に留まり、熱損失による対流は発生しません。

加圧式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。

凍結による損傷を防ぐのに効果的ですが、不凍液システムには欠点もあります。

• 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 の劣化を防ぐために、貯蔵タンクの温度に関係なく HTF を循環させる必要があります。タンク内の温度が高すぎると、スケールや沈殿物の蓄積が増加し、温度調整バルブ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、貯蔵に使用する場合はサーモスタットが故障す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。
• 一部の管轄区域では、プロピレングリコールの毒性が低いにもかかわらず、より高価な二重壁熱交換器が義務付けられています。
• 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: 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）がポンプによって駆動され、コレクターを循環するアクティブ間接システムです。コレクター配管は加圧されておらず、空調または半空調スペースに含まれるオープンドレンバックリザーバーが含まれています。HTFは、ポンプが作動していない限りドレンバックリザーバーに留まり、ポンプがオフになるとそこに戻ります（コレクターを空にします）。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しないため、効率が向上し、ポンプコストが削減されます。^[22]

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。^[23] 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。^{[24] [25]}

太陽熱集熱器は太陽の熱を捕らえて蓄え、それを使って液体を加熱します。^[27]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。

• 高温の物体は、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。 ^[28]効率（所定の期間に保持される熱エネルギーの割合）は、コレクター表面からの熱損失に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、高温の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」）に従います。
• 高温の物体とその周囲の温度差が大きいほど、熱はより急速に失われます。熱損失は主にコレクター表面と周囲温度の間の熱勾配によって決まります。伝導、対流、放射はすべて、大きな熱勾配でより急速に発生します^[28]（デルタt効果）。

平板型コレクターは、ガラスが太陽に直接面している「オーブン」のような箱の中にコレクターを配置するというアイデアの延長です。 ^[29]ほとんどの平板型コレクターには、ヘッダーと呼ばれる上部と下部の 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小さな垂直パイプがあります。ライザーは、薄い吸収フィンに溶接 (または同様に接続) されています。熱伝達流体 (水または水と不凍液の混合物) は、温水貯蔵タンクまたは熱交換器からコレクターの下部ヘッダーにポンプで送られ、ライザーを上って吸収フィンから熱を集め、上部ヘッダーからコレクターから出ていきます。蛇行平板型コレクターは、この「ハープ」設計とは少し異なり、コレクターを上下に移動する単一のパイプを使用します。ただし、水を適切に排水できないため、蛇行平板型コレクターはドレインバック システムでは使用できません。

平板型集熱器に使用されるガラスの種類は、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ある集熱器の種類であると考えられる理由の 1 つです。

非釉薬または成形コレクターは、平板コレクターに似ていますが、断熱されておらず、ガラスパネルで物理的に保護されていません。したがって、これらのタイプのコレクターは、水温が周囲の空気温度を超えると効率が大幅に低下します。プールの加熱アプリケーションでは、加熱される水が周囲の屋根の温度よりも低い場合が多く、その時点で断熱材がないため、周囲の環境から追加の熱が引き出されます。^[30]

^{真空管コレクター（ETC）は、平板に固有の熱損失[29]}を減らす方法です。対流による熱損失は真空を越えることができないため、コレクターパイプ内の熱を保つための効率的な隔離メカニズムを形成します。^[31] 2枚の平らなガラス板は一般的に真空に耐えるほど強くないため、2つ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。^[32]真空の寿命はコレクターごとに異なり、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に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。これは、揮発性液体で部分的に満たされ、両端が密閉され、管の中央を流れる銅管で構成されています。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まれます。真空管によって吸収された熱により、銅管内の揮発性液体の一部が蒸発し、ヘッダーに流れます。ヘッダーでガスが凝縮して熱を放出し、液体は管内を流れ落ちます。真空管自体には水が含まれていないため、凍結の影響を受けません。水は断熱ヘッダーのみを通過し、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、図のように屋根から持ち上げて設置すると、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ことになる点にも注意してください。

平板型集熱器は、一般に直射日光が当たる状況では ETC よりも効率的です。しかし、曇りや極寒の状況では、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します。^[29]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当たると故障します。緑色の色合いを持つ「コークスガラス」で作られた ETC はより強く、真空状態が失われる可能性は低いですが、透明性が低下するため効率がわずかに低下します。ETC は管状の形状のため、低角度で一日中太陽からエネルギーを集めることができます。^[33]

アクティブ システムに電力を供給する方法の 1 つは、太陽光発電(PV)パネルを使用することです。適切なポンプの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動作しませんが、コントローラは、太陽が出ているがコレクター水が十分に熱くないときにポンプが動作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、送電網に戻したりすることができる。
• 居住空間の除湿が可能^[34]
• 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（間欠泉ポンプとも呼ばれる）は、フラットパネルシステムや真空管システムに適しています。バブルポンプシステムでは、閉じた HTF 回路が減圧されているため、太陽の熱で液体が低温で沸騰します。蒸気の泡が間欠泉を形成し、上向きの流れを引き起こします。泡は熱い液体から分離され、回路の最高点で凝縮し、その後、液体は液体のレベル差によって熱交換器に向かって下向きに流れます。^{[35] [36] [37]} HTF は通常、70 °C で熱交換器に到達し、50 °C で循環ポンプに戻ります。ポンピングは通常、約 50 °C で開始し、太陽が昇るにつれて平衡に達するまで上昇します。

差動コントローラは、ソーラーコレクターから排出される水と、熱交換器付近の貯蔵タンク内の水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 °C 十分に高くなったときにポンプを起動し、温度差が 3 ～ 5 °C に達するとポンプを停止します。これにより、ポンプが作動しているときに貯蔵水が常に熱を持ち、ポンプのオン/オフが過度に繰り返されるのを防ぎます。(直接システムでは、熱交換器がないため、約 4 °C の差でポンプが作動することがあります。)

最も単純な集熱器は、日当たりの良い場所に設置された水を満たした金属タンクです。太陽の光でタンクが熱せられます。これが最初のシステムの仕組みでした。^[5]この設定は平衡効果により非効率的です。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。課題は熱損失を制限することです。

• 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。
• 貯蔵タンクは見え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が使用可能です。

ICSまたはバッチコレクターは、タンクを断熱することで熱損失を減らします。^{[29] [38]}これは、タンクをガラス張りの箱に収め、太陽の熱が水タンクに届くようにすることで実現します。^[39]ボックスの他の壁は断熱されており、対流と放射を減らします。^[40]ボックスの内側に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タンクに向かって反射されます。簡単に言えば、ICSソーラー温水器は、太陽の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。ボックスを使用しても、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、この損失は大幅に軽減されます。

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、表面積と容積の比率が小さいことです。^[41]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、表面のサイズによって太陽によって水が加熱される度合いが決まります。ICS コレクターのタンクのような円筒形の物体は、表面積と容積の比率が本質的に小さいです。コレクターは、水を効率的に温めるために、この比率を上げようとします。この基本設計のバリエーションには、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。^[29]

ETSC は、冬季には他のソーラーコレクターよりも便利です。ETC は、製薬、薬品、製紙、皮革、繊維などの業界での暖房や冷房に使用できるほか、住宅、病院、老人ホーム、ホテル、プールなどでも使用できます。

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。

プールのカバー システムは、固体シートでも浮遊ディスクでも、断熱材として機能し、熱損失を減らします。熱損失の多くは蒸発によって発生するため、カバーを使用すると蒸発が遅くなります。

飲料水以外のプール水に使用するSTCは、多くの場合プラスチック製です。プールの水は、塩素の影響でやや腐食性があります。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。温暖な環境では、素焼きのプラスチック製コレクターの方が直接システムとして効率的です。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。バルブを回すかポンプを操作することで、かなり単純な差温コントローラーを使用して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。^[42]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、近くの屋根に取り付けられるか、傾斜したラックに地面に設置されます。空気と水の温度差が低いため、パネルは成形集熱パネルまたは非釉薬の平板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。^[42]これは、プールが夏季のみ使用されるエリアの場合です。寒冷気候の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ると、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。^[30] 100% カバーするようにサイズ設定すると、ほとんどの太陽熱温水システムは、風にさらされたプールでは最低 4 °C、ソーラープールブランケットで常に覆われた風から保護されたプールでは最大 10 °C まで、プールを加熱できます。^[43]

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。

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の熱量（日射量）によって決まります。熱帯地方の日射量は比較的高く、例えば 7 kWh/m ² /日であるのに対し、温帯地域では 3.2 kWh/m ² /日です。同じ緯度でも、平均日射量は地域によって大きく異なります。これは、地域の気象パターンや曇りの量の違いによるものです。サイトでの日射量を推定するための計算機が利用可能です。 ^{[44] [45] [46]}

以下の表は、コレクターの吸収面積が約 2 m ²の太陽熱温水システムから期待できる仕様とエネルギーを大まかに示したもので、真空管式太陽熱温水システム 2 台と平板式太陽熱温水システム 3 台を示しています。認証情報またはそれらのデータから計算された数値が使用されています。下の 2 行は、熱帯および温帯シナリオでの 1 日あたりのエネルギー生産量 (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 °C 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。^[47]

^{上記のコレクター間の数値はほぼ同様で、2 m 2 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​​は約 4 kWh/日、熱帯気候では約 8 kWh/日になります。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、チューブ間にスペースがあるため、非アクティブなコレクター全体の領域の割合が大幅に大きくなるため、平板コレクターよりもいくらか低くなります。いくつかの比較方法^[48]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。効率は温度が高くなると低下します。

日当たりが良く、凍結防止が不要な暖かい地域では、ICS（バッチ式）太陽熱温水器が費用対効果に優れています。^[40] 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、コストも高くなります。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、初期投資額が大きいことです。^[49]この費用を相殺するには何年もかかることがあります。^[50] 温暖な環境では、投資回収期間が長くなります。^[51] 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、より大型の暖房システムや二重暖房システムが必要になる可能性があります。^[51]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）には次のものがあります。

• 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気
• 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

回収期間は、地域の日照、集熱器の凍結防止の必要性による追加費用、家庭での温水使用などにより大きく異なります。たとえば、フロリダ州中部と南部では、回収期間は米国のグラフに示されている12.6年ではなく、簡単に7年以下になる可能性があります。^[52]

日射量が多いほど、投資回収期間は短くなります。しかし、温暖な地域でも、太陽熱温水器は費用対効果に優れています。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。^[51]補完/バックアップシステムが必要ない場合は、コストと投資回収期間は短くなります。^[50]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。

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制度を運用している。^[56]

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。^[66]

アクティブSWHシステムの電源は、システムが動作中に大気中の炭素にどの程度寄与するかを決定します。主電源を使用してパネルを通して流体をポンプで送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、ポンプによってエネルギー節約が約8％、ソーラーの炭素節約が約20％減少します。^[67]ただし、低電力ポンプは1〜20Wで動作します。^{[68] [69]} 12時間の晴れた日に、ソーラーコレクターパネルが1日あたり4kWhを供給し、ポンプが主電源から合計6時間断続的に稼働すると仮定すると、そ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％にまで減らすことができます。

ただし、PV 駆動のアクティブ太陽熱システムでは、通常、5～30 W の PV パネルと小型の低電力ダイヤフラム 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。

公認の標準規格は、堅牢で定量的なライフサイクル評価(LCA)を行うために使用できます。LCA では、原材料の取得、製造、輸送、機器の使用、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。要素には次のものが含まれます。

• 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^[70]（この場合はサーモサイフォン平板）に使われます。イタリアでは^[71] 、約11ギガジュールの電力がSWH機器の製造に使用され、約35%がタンクに、さらに35%がコレクターに使われます。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（南ヨーロッパの場合）。

対照的に、英国ではエネルギー回収期間はわずか2年と報告されている。この数字は、既存の貯水池に後付けされた直接システム、PVポンプ、凍結耐性、2.8平方メートルの開口部の場合のものである。比較のために、同じ比較研究によると、PV設備ではエネルギー回収までに約5年かかった。^[72]

_{CO 2}排出量に関して言えば、削減される排出量の大部分は、太陽熱を補うためにガスや電気がどの程度使用されているかによって決まります。ギリシャのエコ指標 99 ポイント システムを基準 (つまり、平均的なヨーロッパの住民の年間環境負荷) として使用すると、^[70]完全にガス駆動のシステムは、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温水必要量の約半分を生成すると想定しています。しかし、天然ガス燃料サイクルからのメタン (CH _{4 ) 排出量}^{[73]は CO} ₂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純温室効果排出量(CO ₂ e) は、特に補助電力も炭素フリー発電によるものである場合は、太陽熱ヒーターよりもはるかに大きくなります。^{[引用が必要]}

イタリアのテストシステムでは、製造、使用、廃棄のすべての要素を考慮すると、約700kgのCO2が排出されました_。熱伝達流体（グリコールベース）を交換する際のメンテナンスは、排出コストの高い活動であると特定されました。しかし、排出コストは、機器の使用開始から約2年以内に回収されました。^[71]

オーストラリアではライフサイクル排出量も回収された。試験されたSWHシステムは、電気給湯器の約20％の影響とガス給湯器の半分の影響しか与えなかった。^[50]

Allenら (qv) は、影響の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。

• 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の量は、補充して加熱する必要があります。太陽光のみのシステムでは、貯水池の水の大部分を消費すると、貯水池の温度が大きく変動します。貯水池が大きいほど、毎日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。 ^[70]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、機器の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と、熱損失が大幅に減少します。
• 最も効率的な PV ポンプは、低照度ではゆっくりと始動するため、コレクターが冷たいとき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貯蔵された温水が流れないようにする必要があります。
• 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 度を超えると、屋根に取り付けられた太陽に面したコレクターの方が、壁に取り付けられたコレクターよりもエネルギーを生産する傾向があります。ただし、冬季の使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、壁面に取り付けられた急勾配のコレクターの配列の方が、より有用なエネルギーを生産できる場合があります。

• EN 806: 人間の消費用に水を運ぶ建物内の設備の仕様。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ための装置の一般要件。
• EN 60335: 家庭用電気機器および類似電気機器の安全性に関する仕様。(2–21)
• UNE 94002:2005 家庭用温水製造用太陽熱システム。熱需要の計算方法。

• OG-300: 太陽熱温水器シス​​テムの OG-300 認証。^[74]

• 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（太陽熱集熱器の最低規格）

• 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（電気）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（経過規定）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。^[75]

• 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）
• ソーラーエアコン
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