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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システムです。さまざまな気候や緯度に対応できるよう、さまざまな構成とコストのシステムが用意されています。SWHは住宅用や一部の産業用途で広く使用されています。[ 1 ] [ 2 ]
太陽光集熱器は作動流体を加熱し、その流体は貯蔵システムに送られて後で使用されます。太陽熱温水器には、能動型（ポンプ駆動）と受動型（対流駆動）があります。水のみを使用する場合と、水と作動流体の両方を使用する場合があります。直接加熱するか、集光ミラーを介して加熱します。単独で動作する場合と、電気ヒーターやガスヒーターとハイブリッドで動作する場合があります。[ 3 ]大規模な設備では、ミラーが太陽光をより小さな集熱器に集光する場合があります。
2023年末時点で、世界の太陽熱温水器の熱容量は560 GW thで、2022年から3%増加しました。[ 4 ]市場は中国、米国、トルコが支配的です。[ 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、1億2200万台の太陽熱温水器が稼働していました。[ 4 ]
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 ]、屋根に取り付けられた黒く塗られたタンクが使われていた。1896年、ボルチモアのクラレンス・ケンプはタンクを木箱で囲み、今日知られている最初の「バッチ式給湯器」を作った。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ーディに世界初の太陽熱発電所を建設し、放物線状のトラフを使って45～52キロワット（60～70馬力）のエンジンを駆動させ、ナイル川から毎分23,000リットル（6,000米ガロン）の水を隣接する綿畑に汲み上げた。[ 7 ]
平板型太陽熱集熱器を用いた温水器は、1920年代にフロリダ州と南カリフォルニアで使用されていた。北米では1960年以降、特に1973年の石油危機以降、関心が高まった。
イスラエル、キプロス、ギリシャは、太陽熱温水器の使用率が人口比でトップであり、住宅の30～40％を支えている。 [ 8 ]
平板型太陽熱システムはイスラエルで完成され、大規模に利用されるようになった。1950年代、燃料不足により政府は 午後10時から午前6時までの給湯を禁止した 。レヴィ・イッサールはイスラエル初の太陽熱温水器の試作機を製作し、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ネルヤ社を設立した。[ 9 ] 1967年までに人口の20%が太陽熱温水器を使用するようになった。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タワーを除く）に太陽熱温水器の設置を義務付けた。[ 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で世界をリードし、世帯の85%が太陽熱システムを使用している（一次エネルギー消費量の3%）[ 11 ] 。これにより、年間200万バレル（32万立方メートル）の石油を節約できると推定されている。[ 12 ] [ 13 ]
2005年、スペインは新築建物への太陽光発電設備の設置を義務付けた世界初の国となり、2006年には（イスラエルに次いで）太陽熱温水器の設置を義務付けた2番目の国となった。 [ 14 ]
1960年以降、システムは日本で販売された。[ 6 ]
オーストラリアには、1997年のMRETを皮切りに、太陽熱に関するさまざまな国および州の規制がある。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
中国では太陽熱温水器が人気で、基本モデルは1,500元（235米ドル）前後から購入でき、同じサイズの集熱器であれば欧米諸国よりも約80%も安い。少なくとも3,000万世帯の中国家庭が太陽熱温水器を所有している。人気の理由は、曇天や氷点下をはるかに下回る気温でもヒーターが機能する効率的な真空管にある。[ 18 ]
太陽熱温水器の種類、複雑さ、規模は主に以下の要因によって決まります。
システムの最小要件は、通常、冬季に必要な温水の量または温度によって決まります。冬季は、システムの出力と給水温度が一般的に最も低くなる時期です。システムの最大出力は、システム内の水が過熱するのを防ぐ必要性によって決まります。
凍結防止対策は、熱伝達流体の凍結膨張によるシステムへの損傷を防ぎます。ドレンバックシステムは、ポンプが停止した際にシステムから熱伝達流体を排出します。多くの間接式システムでは、熱伝達流体に不凍液（例：プロピレングリコール）を使用しています。
直接排水システムの中には、凍結が予想される場合に集水器を手動で排水できるものもあります。この方法は、氷点下になる頻度が低い地域では一般的ですが、オペレーターによる操作が必要となるため、自動システムに比べて信頼性に劣る場合があります。
3つ目の凍結防止方法は耐凍結性で、シリコーンゴム製の低圧水道管が凍結時に膨張する仕組みです。このような集熱器の一つが、欧州のソーラーキーマーク認証を取得しています。
特筆すべきは、従来は凍結防止対策が複雑な要因であったのに対し、真空管式集熱器を使用するシステムは、適度な霜が発生する気候であれば、排水や不凍液を必要とせずに使用できる点です。これは、真空管式システムでは、断熱されたヘッダー内にのみ水があり、真空管自体には水がないためです。さらに、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。ヘッダーの温度が設定値（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、より暖かい水をヘッダーに送ります。
1～2日間お湯を使用していない場合、非ドレインバック方式のシステムでは、集熱器や貯湯槽内の液体が高温になることがあります。ドレインバック方式のシステムでは、貯湯槽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するため、貯湯槽の過熱を防ぎます。
一部のアクティブシステムは、日照が少ない時間帯や夜間に熱が失われる際に、集熱器に温水を循環させることで、貯湯タンク内の水を意図的に冷却します。これは、直接配管または蓄熱配管で最も効果的ですが、真空管式集熱器を使用するシステムでは、その優れた断熱性のため、ほとんど効果がありません。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、最終的には温度および圧力安全弁の動作に依存します。低圧開放型ヒーターは、よりシンプルで信頼性の高い安全制御を備えており、通常は開放型ベントです。
シンプルな設計としては、銅製の熱交換器パイプに取り付けられた、暗色の板金で作られた平らな太陽光吸収体を備えた、シンプルなガラス蓋付き断熱ボックス、または真空（ほぼ真空）ガラスシリンダーで囲まれた一連の金属管などがあります。工業用の場合、放物面鏡で太陽光を管に集光することができます。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、また太陽集熱器の最適な最終温度が一般的な浸漬式または燃焼式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）は水である場合もありますが、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流体ループが熱交換器（通常はタンク内の銅製熱交換器チューブのコイル）を介してタンクに熱を供給します。銅は、高い熱伝導率、大気および水腐食に対する耐性、はんだ付けによる密閉と接合、および機械的強度のため、太陽熱暖房および冷房システムにおいて重要な構成要素です。銅は受水器と一次回路（水タンクのパイプや熱交換器）の両方に使用されます。[ 19 ]
「ドレインバック」は、メンテナンスの手間が少ないもう一つのコンセプトです。[ 20 ]不凍液は不要で、代わりにすべての配管が傾斜しており、水がタンクに戻るようになっています。タンクは加圧されておらず、大気圧で動作します。ポンプが停止するとすぐに流れが逆転し、凍結する前に配管が空になります。
住宅用太陽熱設備は、受動型（「コンパクト」とも呼ばれる）と能動型（「ポンプ式」とも呼ばれる）の2つのグループに分類されます。どちらのシステムも通常、タンク内の水が最低温度設定を下回ると作動する補助エネルギー源（電気ヒーター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、常に温水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補助熱[ 21 ]を組み合わせることで、太陽熱温水器の補助熱を化石燃料や電気で賄うことなく、涼しい気候でも温水システムを一年中稼働させることができます。
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で加熱されるタンクに供給される予熱タンクに集熱されるか、太陽熱交換器が下部ヒーターに取って代わり、上部ヒーターは補助熱を供給するために残ります。しかし、セントラルヒーティングの主なニーズは、太陽熱取得量が少ない夜間と冬期です。そのため、洗濯や入浴には、供給と需要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太陽熱温水器の方が適している場合が多くあります。多くの気候では、太陽熱温水システムは家庭用温水エネルギーの最大 85% を提供できます。これには、家庭用非電気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、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、家庭の暖房エネルギーの 15 ～ 25% を供給するために使用されています。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% を提供できます。[ 22 ] [ 23 ]
直接循環式または開放循環式システムは、飲料水を集熱器を通して循環させる。比較的安価である。欠点としては以下のようなものがある。
耐凍性設計の登場により、太陽熱温水器の市場はより寒冷な地域へと拡大した。以前のモデルは、氷点下の環境では水が凍結し、部品が破損するなどの損傷を受けていた。
間接式または密閉ループ式システムでは、熱交換器を使用して「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、無毒性のプロピレングリコールを主成分とする不凍液と水の混合液です。パネルで加熱されたHTFは熱交換器に送られ、そこで飲料水に熱が伝達されます。間接式システムは凍結防止機能を備えており、通常は過熱防止機能も備えています。
パッシブシステムは、熱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る。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不要だが、効率は劣る。過熱と凍結が大きな懸念事項となる。
アクティブシステムは、1台以上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。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、バックアップ用の電気式またはガス式給湯器との連携、省エネ効果の計算と記録、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。
一体型集熱貯蔵（ICSまたはバッチヒーター）システムは、貯蔵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持つ薄い長方形のタンクです。プレート式およびチューブ式集熱器よりもシンプルでコストも低いですが、屋根に設置する場合は（ 180 ～320kgの水を支えるために）補強が必要になる場合があり、太陽に面する面はほとんど断熱されていないため夜間には大きな熱損失が発生し、温暖な気候でのみ適しています。
対流式蓄熱ユニット（CHS）システムは、蓄熱タンクと集熱器が物理的に分離されており、両者間の熱伝達が対流によって行われる点を除けば、ICSシステムに似ています。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、蓄熱タンクは集熱器よりも高い位置に設置する必要があります。CHSシステムのICSシステムに対する主な利点は、蓄熱タンクを完全に断熱できるため、熱損失が大幅に抑制されることです。パネルは蓄熱タンクよりも低い位置にあるため、冷水が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。
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）と水の混合液を熱媒体として使用します。
凍結による損傷を防ぐには効果的だが、不凍液システムには欠点もある。
ドレインバックシステムは、ポンプによって駆動される熱媒体（通常は純水）が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、空調された空間または半空調された空間内に設置された開放型のドレインバック貯水槽を備えています。ポンプが作動していない限り、熱媒体はドレインバック貯水槽内に留まり、ポンプが停止すると（コレクターを空にして）そこに戻ります。配管を含むコレクターシステムは、重力によってドレインバックタンクに排水されなければなりません。ドレイ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、熱媒体を保護するために作動するわけではないため、効率が向上し、ポンプのコストが削減されます。[ 24 ]
太陽熱温水システムの設計図はインターネットで入手可能です。[ 25 ] DIY太陽熱温水システムは通常、市販のものより安価で、先進国と発展途上国の両方で使用されています。[ 26 ]
太陽熱集熱器は太陽からの熱を捕捉・保持し、それを利用して液体を加熱します。[ 28 ]太陽熱集熱器の技術は、2つの重要な物理原理に基づいています。
平板型集熱器は、集熱器をガラスで太陽に直接向けた「オーブン」のような箱に入れるというアイデアの延長線上にあるものです。 [ 30 ]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本の水平パイプがあり、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（または同様の方法で接続）されています。熱伝達流体（水または水/不凍液混合物）は、温水貯蔵タンクまたは熱交換器から集熱器の下部ヘッダーにポンプで送られ、ライザーを上昇して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。蛇行平板型集熱器は、この「ハープ」設計とは少し異なり、集熱器を上下に走る1本のパイプを使用します。ただし、適切に水を排出できないため、蛇行平板型集熱器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は、ほぼ例外なく低鉄強化ガラスです。このようなガラスは、かなりの量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される理由の一つです。
無釉または成形された集熱器は、平板集熱器に似ていますが、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。そのため、これらのタイプの集熱器は、水温が周囲の気温を超えると効率が著しく低下します。プールの暖房用途では、加熱する水は周囲の屋根の温度よりも低いことが多く、その場合、断熱がないため、周囲の環境からさらに熱が奪われます。[ 31 ]
真空管式集熱器（ETC）は、平板に固有の熱損失を低減する方法です。[ 30 ]真空を利用して対流による熱損失を防ぎます。[ 32 ] 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、真空は魔法瓶のように2本の同心円状の管の間に作られます。内側の管には熱吸収材がコーティングされています。[ 33 ]真空寿命は集熱器によって異なり、保証期間は5年から15年です。
真空管は、熱を水に伝えるためにさまざまな方法を使用できます。内側のパイプ内の水を通過させる方法や、より高度なヒートパイプ設計を使用する方法などがあります。ヒートパイプ設計では、銅管に揮発性液体が部分的に充填され、両端が密封され、管の中心を通っています。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。真空管が吸収した熱により、銅管内の揮発性液体の一部が蒸発してヘッダーに移動します。ヘッダーでは、ガスが凝縮して熱を放出し、液体は管（ヒートパイプ）内を流れ戻ります。真空管自体には水が含まれていないため、ヒートパイプETCは凍結の影響を受けません。[ 30 ] 水は断熱されたヘッダーのみを通過するため、適度な霜が発生する気候では、排水システムは必要ありません。
ETCは管状の形状のため、低い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。[ 34 ] ETCは下面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、下面の周囲の屋根から放射される熱も捕捉します。
平板型集熱器は、晴天時には一般的にETCよりも効率が良い。これは、管間の隙間が無駄な面積となるためである。[ 35 ] 曇天や極寒の条件下では、ETCの優れた断熱性により、平板型集熱器よりも効率が良くなる。[ 30 ]
古いETCは焼きなましガラスで作られており、雹に弱く、ゴルフボール大の粒子が当たると破損する。緑色を帯びた「コークスガラス」で作られた現代のETCは強度が高く、真空が失われる可能性は低いが、透明度が低いため効率がわずかに低下する。ホウケイ酸ガラスで作られたモデルは強度と効率を兼ね備えている。[ 30 ]
アクティブシステムに電力を供給する方法の一つとして、太陽光発電（PV）パネルが挙げられます。ポンプの適切な性能と長寿命を確保するためには、（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駆動ポンプは夜間は作動しませんが、コントローラーは、太陽が出ていても集熱器の水温が十分に高くない場合はポンプが作動しないように制御する必要があります。
太陽光発電ポンプには、次のような利点があります。
バブルポンプ（ガイザーポンプとも呼ばれる）は、フラットパネルシステムと真空管システムの両方に適しています。バブルポンプシステムでは、閉じたHTF回路は減圧されており、太陽が加熱すると液体が低温で沸騰します。蒸気の泡が間欠泉を形成し、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、その後、流体レベルの違いによって流体は熱交換器に向かって下降します。[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] HTFは通常、70 °Cで熱交換器に到着し、50 °Cで循環ポンプに戻ります 。ポンプは通常、約 50 °Cで開始され 、太陽が昇るにつれて平衡に達するまで増加します。
差動コントローラーは、太陽熱集熱器から出る水と熱交換器付近の貯湯タンク内の水との温度差を感知します。集熱器内の水が タンク内の水よりも約8～10℃高くなるとポンプが作動し、温度差が3～5℃になると停止します。これにより、ポンプ作動中は貯湯タンク内の水が常に加熱され、ポンプの過剰なオンオフサイクルが防止されます（直接式システムでは熱交換器がないため、約4℃ の温度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置かれた水で満たされた金属製のタンクです。太陽がタンクを温めます。これが最初のシステムの仕組みでした。[ 6 ]この構成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れが続きます。課題は熱損失を制限することです。
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低減します。[ 30 ] [ 40 ]これは、太陽からの熱が水タンクに届くように、タンクをガラス製の蓋付きの箱で覆うことで実現されます。[ 41 ]箱の他の壁は断熱されており、対流と放射を低減します。[ 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タンクに反射されます。簡単に言うと、ICS 太陽熱温水器は、太陽からの熱とタンク内の水の熱を保持する一種の「オーブン」で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は完全にはなくなりませんが、この損失を大幅に低減します。
標準的なICS集熱器には、集熱器の効率を大きく制限する特性があります。それは、表面積対体積比が小さいことです。[ 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、太陽によって水が加熱される度合いを決定します。ICS集熱器のタンクのような円筒形の物体は、本質的に表面積対体積比が小さいです。集熱器は、水を効率的に温めるためにこの比率を大きくしようとします。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集熱器があり、真空管バッチ（ETB）集熱器として知られるICSシステムの一種です。[ 30 ]
ETCは、冬季には他の太陽熱集熱器よりも有用です。ETCは、製薬、製紙、皮革、繊維などの産業における暖房・冷房用途に加え、住宅、病院、老人ホーム、ホテル、プールなどでも利用できます。
ETCは、太陽熱温水器、プール、エアコン、ソーラークッカーなど、中温から高温までの幅広い温度範囲で動作可能です。
ETCは動作温度範囲が広く（最高200 ℃（392 °F））、蒸気発生、熱機関、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、浮遊式プールカバーシステムと独立したSTC（断熱材）が使用されます。
プールカバーシステムは、シート状のものも浮遊式のものも、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起こりますが、カバーを使用することで蒸発速度を遅らせることができます。
プール水は塩素のためわずかに腐食性があります。非飲料用プール水用のSTCは、腐食を防ぐためにプラスチックで作られていることがよくあります。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を通して循環されます。温暖な環境では、直接システムとして無釉プラスチックコレクターの方が効率的です。寒冷または風の強い環境では、間接構成の真空管または平板が熱交換器と組み合わせて使用されます。これにより腐食が軽減されます。比較的単純な差動温度コントローラーを使用して、バルブを回すかポンプを操作して、水をパネルまたは熱交換器に送ります。プール水が必要な温度に達すると、ダイバーターバルブを使用して、加熱せずに水を直接プールに戻します。[ 44 ]多くのシステムは、ウォーターポンプが停止したときに水がプールに排水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、傾斜した架台に地上に取り付けられます。空気と水の温度差が小さいため、パネルは成形集熱器または無釉平板集熱器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。寒冷地の従来の屋外プールに太陽熱集熱器を追加すると、断熱プールカバーを使用すれば、プールの快適な使用期間を数ヶ月以上延長できます。[ 31 ] 100%カバーのサイズの場合、ほとんどの太陽熱温水システムは、風にさらされるプールの場合は最低 4 °C、ソーラープールブランケットで常に覆われている風よけのあるプールの場合は最高 10 °C までプールを加熱できます。 [ 45 ]
太陽熱プール暖房システムを建設する前に、能動的な太陽エネルギーシステム解析プログラムを使用して最適化することができます。
太陽熱温水器が供給する熱量は、主に特定の場所で太陽から供給される熱量（日射量）に依存します。熱帯地域では日射量が比較的高く、例えば 7 kWh/m 2 /日であるのに対し、温帯地域では例えば 3.2 kWh/m 2 /日です。同じ緯度でも、地域の気象パターンや曇りの量の違いにより、平均日射量は場所によって大きく異なる場合があります。ある場所での日射量を推定するための計算ツールが利用可能です。 [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]
下記は、集熱器の吸収面積が約2m²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の概算を示す表です。この表では、真空管式太陽熱温水システム2種類と平板式太陽熱温水システム3種類を取り上げています。認証情報、またはこ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、熱帯地域と温帯地域における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℃高い温度まで加熱する場合のものです。
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ます。[ 49 ]
上記の集熱器の数値はほぼ同じで、 2 m 2 の吸収体を備えた集熱器を使用した場合、 温帯気候では約 4 kWh/日、熱帯気候では約 8 kWh/日が得られます。温帯シナリオでは、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。真空管集熱器の効率は、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、非活性な集熱器全体の面積の割合がかなり大きくなるため、平板集熱器よりもやや低くなります。比較方法のいくつか[ 50 ]では、上記の表で行われたように占有スペースではなく、実際の吸収体面積に基づいて真空管集熱器の効率を計算しています。効率は高温で低下します。
日当たりが良く温暖な地域では、凍結防止が不要なため、ICS（バッチ式）太陽熱温水器は費用対効果が高い場合があります。[ 42 ] 高緯度地域では、寒冷地向けの設計要件により、システムの複雑さとコストが増加します。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、最大の考慮事項は、太陽熱温水器システムの多額の初期投資です。[ 51 ]この費用を相殺するには数年かかる場合があります。[ 52 ] 温帯環境では、回収期間が長くなります。[ 53 ] 太陽エネルギーは無料であるため、運用コストは小さくなります。高緯度地域では、日射量が少ないため、太陽熱温水器の効率が低下し、より大型のシステムや二重加熱システムが必要になる場合があります。[ 53 ]一部の国では、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（プラス要因とマイナス要因）には以下が含まれます。
投資回収期間は、地域の日照量、集熱器の凍結防止に必要な追加費用、家庭での温水使用量などによって大きく異なる場合があります。たとえば、フロリダ州中部および南部では、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十分にあります。[ 54 ]
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、これまでずっと長くなっていました。[ 53 ]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が短くなるため、[ 52 ]このようなシステムの投資回収期間が長くなります。
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た再生可能エネルギークレジット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する補助金を提供しています。[ 68 ]
アクティブ太陽熱温水器システムの電力源は、システムが運転中に大気中の炭素に寄与する程度を決定します。主電源を使用して流体をパネルに通すアクティブ太陽熱システムは、「低炭素太陽熱」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%、太陽熱の炭素削減が約 20% 減少します。[ 69 ]ただし、低電力ポンプは 1～20W で動作します。[ 70 ] [ 71 ] 1 日あたり4 kWh を供給する太陽集熱パネル と、12 時間の晴天日中に合計 6 時間主電源から断続的に稼働するポンプを想定した場合、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% にまで減らすことができます。
しかし、太陽光発電を利用したアクティブ型太陽熱システムでは、通常、5～30Wの太陽光発電パネルと、小型で低出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、運用時の二酸化炭素排出量とエネルギー消費量を削減できます。
電気を使用しない代替ポンプシステムとしては、液体や気体の熱膨張や相変化を利用するものもある。
認知された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。要素には以下が含まれます。
エネルギー消費に関しては、約60%がタンクに、30%がコレクター（この場合はサーモサイフォン平板）に送られます[ 72]。イタリアでは、SWH機器の製造に約11ギガジュールの電力が使用され、約35%がタンクに、さらに35%がコレクターに送られます。エネルギー関連の主な影響は排出量です。製造に使用されるエネルギーは、使用開始後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、英国におけるエネルギー回収期間はわずか2年と報告されている。この数値は、既存の貯水槽に後付けされた直接システム、PVポンプ、耐凍性、開口面積2.8平方メートルの場合である。比較のために、同じ比較研究によると、PV設備のエネルギー回収には約5年かかった。[ 74 ]
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、太陽を補うためにガスや電気がどの程度使用されるかに依存します。ギリシャでエコ指標 99 ポイント システム (つまり、平均的なヨーロッパ人の年間環境負荷) を基準として使用すると、[ 72 ]純粋にガス駆動のシステムは、太陽熱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、太陽熱システムが家庭の温水需要の約半分を生産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[ 75 ]は CO 2の温室効果をはるかに上回るため、ガス駆動システムの正味温室効果排出量(CO 2 e) は、特に補助電力も炭素フリーの発電によるものである場合、太陽熱ヒーターよりもはるかに大きくなります。
イタリアの試験システムでは、製造、使用、廃棄のすべての要素を考慮すると、約 700 kg の CO 2が発生しました。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、排出量の多い活動として特定されました。しかし、排出コストは装置の使用開始から約 2 年以内に回収されました。[ 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。テストされた太陽熱温水器システムは、電気温水器の約20％、ガス温水器の半分の環境負荷でした。[ 52 ]
Allenら（qv）は、環境負荷の低い耐凍性太陽熱温水器の改修を分析し、生産時のCO2排出量が337kgであると報告した。これは、Ardenteら （qv）の研究で報告された環境負荷の約半分である。
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計画のすべての関係者は、上記の法律を遵守しなければならない。[ 77 ]
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