地域性と年代でギャップのある話ですが、今家づくりを考えている方にとっての「太陽光」の利用は、ほとんどの場合は太陽光を利用した「発電」になると思います。
一方で、「熱利用」になるのは日当たりの良い地域に住まれる「1980年台」の家に住んでいた方。この頃、太陽熱を利用した温水器の導入がピークとなり、以後、年々下がっており、政府が太陽光発電に補助を出したこともあり、一気に廃れました。
ですが、太陽光は「電気」に変換するよりも「熱」エネルギーのまま利用した方が効率がいいんです。しかも、給湯・暖房だけではなく冷房への利用もできるようになると考えると、家庭でのエネルギー消費が大きく削減できる、かもしれません。
このページでは、「太陽光と間違えてうっかり太陽熱温水器の情報を見てしまった」という方でも「あれ、もしかしたら結構いいんじゃないか」と思うくらいの情報をまとめて提供しております。
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これから家づくりの話をする前に、少しだけお話ししておきます。
家づくりは情報戦。知っていると知らないとで、数百万円も損するなんてことがあるのが住宅購入の怖いところ。
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では、本編に戻ります。
お邪魔しました。
太陽熱利用システムって、一体なんだ？
まずは、太陽光発電ではなく、「太陽熱」を利用するってどういうことなんだ、という疑問に答えていきます。
太陽熱利用システムとは
太陽熱利用システムとは、太陽の熱エネルギーを給湯や冷暖房へ活用する仕組みのことである。広義にはビニールハウスや太陽炉なども含まれるが、より効率よく熱を回収・変換して生活に役立てるようにしたものを今回は取り上げます。
太陽エネルギーとは
太陽エネルギー（たいようえねるぎー、英: Solar energy）は、太陽から太陽光として地球に到達するエネルギーを指す。ソーラーエネルギー[1]、ソーラーパワー[2]などとも呼ばれる。地球上の大気や水の流れや温度に影響し、多くの再生可能エネルギーや生物の生命活動の源となっている。また、古くから照明や暖房、農業などで利用されてきた。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%AA%E9%99%BD%E3%82%A8%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%82%AE%E3%83%BC
まず、太陽エネルギーは人類の長い歴史の中でも古来より利用してきたエネルギーです。
太陽エネルギー用途
- 照明
- 農業
- 熱エネルギー
- 発電
他の再生可能エネルギーとの相性は
京都議定書の目標となっていた2020年が終わり、2021年からは2030年のパリ協定で掲げられた「脱炭素社会」に向かって本格的に動き出すことになります。新しいエネルギーについては別記事でも紹介しています。
また、家づくりに関してのエネルギーの考え方についてもまとめてみました。
再生可能エネルギーという言葉の認知度は高まりましたが、「実際、何なの？」と聞かれて答えられる人は少ない。最低限、家づくりに関するエネルギーの話だけは知っておくと「未来で損することはない」ということで、簡単に情報をまとめておきました。
家庭用燃料電池
家庭用燃料電池としてエネファームの利用が進んでいますが、水素を使った家庭での発電には注目したいところです。
地熱発電
地熱発電に関する情報はこちらにまとめました。
地中熱利用
地中熱と地熱がややこしいですが、地面の中は温度変化が少なく、地上との温度差を利用して冷暖房や給湯などの省エネに貢献することができます。
地中熱を家づくりに役立てる情報についてはこちらにまとめてあります。
小型風力発電
自宅に風力発電は実現可能性は低いですが、我々新潟県民は「冬場の日射量は期待できない」ため、太陽光発電と太陽熱利用が難しい地域と言えます。少しでも発電の助けにならないかと、風力発電についても調べてみました。
太陽熱を集める方法
パッシブ利用として、ビニールハウスや温室などの利用の場合は太陽光を利用して空間を温めるために使用しますが、より効率よく熱源として利用する場合は、比熱の良い素材で熱を集めて、かつ利用しやすい形に変換する必要があります。
集熱機の種類
集熱機の構造としては、まず太陽熱を受け止めるプレートのようなものが必要です。ここで熱エネルギーを効率よく「熱媒」に伝えます。
熱媒となるものは、「水」か「空気」です。
- 水式集熱器
- 平板型
- 真空管型
- 空気式集熱器
平板型集熱器
- 既存の設備に接続が可能
- 比較的安価
- 傾斜角度が必要
- 水漏れ、凍結リスク
真空管型集熱器
- 既存の設備に接続が可能
- 集熱効率が良い
- 集熱面積が少ない
- 水平設置が可能
- 高温集熱に有利
- 水漏れ、凍結の心配がある
空気式集熱器
- 水漏れ、凍結の心配がない
- ダクトが大きく施工スペースが必要
- 基本は暖房利用
熱の利用方法
集めた熱をどうするか、という話。
給湯
一番分かりやすくベーシックな形なのが「給湯利用」です。
基本的には不凍液を循環させて「太陽熱で暖まった湯」を熱源として利用しながら別途水を温めます。沸騰したお湯になるわけではなく、「常温以上」の水を準備しておき、給湯時に必要なエネルギー良を減らす、というイメージです。
暖房
給湯から利用方法を広げると、まず考えられるのが暖房としての利用です。
寒い冬に暖房を使うのに、太陽熱はないんじゃないの？
根本的に、「なぜ、冬は寒いのか」という蛇足になってしまいますが、個人のブログなので好き勝手に書いておきます。
太陽が出ていても寒い冬の話
まず、「日照時間」の違いがあります。つまり、太陽が出ている時間が夏と冬では違うということ。太陽が出ている時間が長い方が空気はあったまりやすい。
次に「太陽光が差し込む角度」が関係します。角度が垂直（真上）から太陽が差しているときの方が暖まりやすいので、日本などの中緯度に位置する陸地は冬場は温まりにくいのです。
緯度によって気温が異なるのは、北極と赤道の関係を考えると分かりやすいですね。日本のような中緯度に位置する国は、季節の影響を受けやすく、夏は暑くて冬が寒いという四季が生まれます。
話を戻すと、冬場でも太陽熱は地面に届いています。ただ、太陽熱が夏場のように十分に空気を温めるほど力がなく、かつ時間が短いということです。
比熱の話
モノには温まりやすさ（比熱）があります。空気の中でも、二酸化炭素濃度が高いと温まりやすい＝温暖化というのはこういうこと。
| 物質 | 比熱 |
| 水 | 4186 |
| 空気 （湿度100%） | 1030 |
| 空気 （乾燥） | 1005 |
| アルミニウム | 900 |
| ガラス | 677 |
| 鉄 | 444 |
| 銅 | 385 |
| 金 | 129 |
空気よりも圧倒的に金属の方が「温めるときに必要なエネルギーが少ない」ため、冬場でも効率よくエネルギーを受け取ることができます。
中学生くらいの理科で「南中時刻と最高気温は違う」ということを習いますが、これは太陽熱で先に「地面」が温められて、この地面から熱が伝導して空気を温めるため時間差が生じるわけです。
暖房利用とヒートアイランドの話
ちなみに、ヒートアイランドで夏でも冬でも暑くなりやすい東京などの都市。ヒートアイランドの原因は「人工排熱の増加」「都市形態の高密度化」「地表面皮膜の人工化」などがあげられます。
つまり、太陽熱を集めやすい構造をとれば、気温すらあげられる熱量になる、ということです。夏場にも入浴などのために給湯は必要ですが、太陽熱を空気中に放出するよりも、給湯に利用する熱エネルギーとして活用する方が理にかなっている、と言えます。
ヒートアイランド現象は他の要素もたくさん絡んでいるので、「太陽熱利用」がヒートアイランドを解決する方法、というわけではないのですが、無駄なエネルギーを使用しないことは微々たる効果であったとしても無駄ではありません。
説明が長くなりましたが、冬場にも「太陽熱」を利用することで、暖房に必要な熱量を効果的に減らすことができます、というお話でした。
冷房
ヒートアイランド現象の話も出ましたが、熱は上手に逃すことで「冷房」の効果を高めることもできます。
そもそも、なぜ冷たくできるのか
また少し勉強の話になりますが、「冷房はなぜ室温を下げることができるのか」について解説します。
冷房の基本的な仕組みは「液体」と「気体」の変化時の熱の移動を利用しています。液体が機体に変わる蒸発時、熱が吸収されます。気体が液体に変わる凝縮時には熱は放出されます。
この「気体」や「液体」に変える際に、圧力をかけます。この効率を高めたものが「ヒートポンプ」などと呼ばれています。この液体や気体に変化させるものが「冷媒」であり「冷却ガス」がエアコンの室外機と室内機を移動することで、冷たい空気を作っています。
エアコンの電気代がなぜ高いかと言えば、この冷却ガスを圧縮するためのコンプレッサーの稼働にエネルギーが必要だからです。
では、コンプレッサーを極力使わなければ、冷房に関してもエネルギーを抑えることができる、と考えられます。液体が蒸発するときには気化熱として熱が吸収されます。高圧化であれば、僅かの温度差であっても冷媒を気化させることができます。
この温度差を作るための熱源として、太陽熱を利用します。結構ややこしいので、東京ガスの取り組みがわかりやすいと思うので引用しておきます。
大規模な太陽熱集熱装置と熱交換器が必要にはなりますが、つまりこれをコンパクトにすれば家庭用としても利用可能ではある、と考えられます。
流石に、夏場に関してはガス冷房なども併用するようですが、少しでも排熱量を減らすことはヒートポンプ現象の対策にもつながりますし、新しい技術ってのは読んでいるだけでワクワクするので、家庭レベルにも普及できると良いですね。
太陽光発電と何が違うの？
ここからは、太陽光発電との違いを説明していきます。
太陽熱の方がエネルギーを無駄なく利用できる
太陽光発電は、太陽光を「電気」に変えます。一方で、太陽熱はそのまま「熱」として使います。太陽光発電は電気に変換するためにエネルギーのロスが生じますが、太陽熱の場合は利用しやすい「温水」や「暖かい空気」に変えるくらいで、熱エネルギーとしてそのまま利用していると言い換えられます。
エネルギー効率
- 太陽熱：40%〜60%
- 太陽光発電：7%〜18%
供給エネルギー
太陽熱利用システム
600kWh/㎡
太陽光発電
130kWh/㎡
利用方法が限定的になる
太陽光発電は、電気に変えているので電気をエネルギーとするすべてのものに利用可能です。
一方で、太陽熱に関しては「給湯」「暖房」がほとんどで、かろうじて「冷房」利用が検討されているくらい。用途が決まっているので、利用する施設も限られてしまいます。
つまり、家庭用で考える場合は「給湯」「暖房」のエネルギーがどれくらい必要かって話で考えないといけない。場合によっては「太陽光発電」と「太陽熱利用」のハイブリッドで家庭に必要なぶんをどれくらい賄うか、を計算しないといけない未来がありそう。
こうなってくると、屋根の形状は「パネルを載せる」ことが前提になるのと、家の耐久性も「屋根には重たいものが乗る」ように高めていく必要がありそうですね。
コスパがいいのはどっち？
太陽光発電と太陽熱利用システムのコスパについて考えていきます。
設置価格
太陽熱利用システム
- 住宅用：3〜6㎡
- 約30〜90万円
- 非住宅用： 60 ㎡
- 1200〜1500万円
太陽光発電
- 住宅用：3kW
- 150〜180万円
- 非住宅用：60kW
- 3600〜4200万円
補助金
太陽熱利用システム
- 住宅用：なし
- 業務用：あり
太陽光発電
- 住宅用：あり
- 業務用：一部あり（学校など）
結局、太陽光発電と熱利用、どっちらがいいか
結論と言えば、圧倒的に太陽熱の方がエネルギーコスパはいいです。ただ、この熱エネルギーを利用する方法が限定的なのと、普及率のことを考えると「何も考えないなら太陽光発電」の方が使い勝手は良いと考えられます。
ただ、「給湯」と「暖房」は必ず利用するわけで、ここのエネルギー削減策を取り入れておくということは重要だと思います。
給湯・暖房に関しては「エネファーム」などの燃料電池系の施策が取り入れやすいので、こことの比較も必要だとは思います。水素利用で給湯も賄うなら、エネファームの方が使い勝手は格段に上がります。
あとは、熱移動により効率を高めるなら、地中熱利用という手もあります。いずれにせよ、地域の気候に合わせて選択肢があった方がいいので、「自分の地域だとどういう再生可能エネルギーが利用可能だろうか」という視点を持っておくと、家づくりにも役立つと思います。
PVTパネルというハイブリッドな選択
PVT（Photovolataic Thermal）とは、太陽熱利用と太陽光発電を同時に行うことができるパネル。ZEHなどの採用基準にもエネルギー源として選択肢がある。
OMソーラーのPVTパネルは、OMソーラー製品「OMX」や「OMクワトロソーラー」に組み合わせることで、この熱を冬の暖房や給湯※1にも利用できます。発電によるエネルギー変換効率は19.9％ですが、熱利用の18.0％を合わせると37.9％※2ものエネルギー変換効率になります。また、発電時にパネルの温度が上昇すると発電効率が下がってしまう問題点※3を、パネルの下面に空気を通して熱利用することで低減しています。
https://omsolar.jp/product/quatro_dm.html
太陽熱を実際に利用できる製品について
2021年5月現在、販売されている熱利用システム関連の製品などを紹介していきます。
給湯システムに関する製品
まず、既存の給湯システムとは相性がいいです。簡単に言えば、太陽熱で温めたお湯を給湯に回せばいいので、給水→太陽熱貯湯ユニット→給湯器という接続が（だいたい）可能です。
唯一、相性が悪いとすれば、水素発電の排熱を利用するエネファームくらいでしょうか。エコジョーズ・エコキュートに関しては、専用の接続機器が必要な可能性はありますが、併用することでさらに熱効率はよくエネルギーを無駄にしません。
- ガス給湯
- 石油給湯
- 電気温水器
調布製作所
CHOFUは、既存の給湯システムにほぼ対応できます。ただ、内蔵モデルなどでの対応になるので、結局のところは給湯総入れ替えにはなりそう。
PURPOSE
ちょっと、普段の商品紹介と違って、「どのようにスペックを評価したらいいか」が全くわからんですね。リモコンのデザインとか？
結局、ガスか電気は利用するとして、そうなるとエコキュートやエコジョーズの性能に左右されるし、太陽熱の評価も、まず太陽が出てこないことには各家庭の省エネ体感も違いますしね。
NORITZ（ノーリツ）
PVT製品
簡単に説明しましたが、発電も熱利用も両方こなす太陽光ハイブリッドシステムがPVTです。
OMソーラー
PVT認証を受けているパネルは私が確認したところではOMソーラーのクワトロDMだけでした。クワトロDM410Wが2021年4月に発売しております。
PVT認証を受けているので、ZEH支援事業で「先進的再エネ熱等導入支援事業」の対象になります。
クワトロDMでは太陽光発電パネルで太陽エネルギーの19.9％を電気として18.0％を熱として、利用することで太陽エネルギーの37.9％を利用できます。
https://omsolar.jp/product/pdf/quatrodm_202104.pdf
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