(57)【要約】      （修正有）【課題】空間、特に建造物の内部を換気するために太陽エネルギーを使用するシステムであり、作物貯蔵所、淡水化プラント、グラスハウスおよび発電所などの他の構造も換気されてもよい。システムは、太陽エネルギーが、必要に応じて空間を加熱または冷却するために使用されるように、異なるモードで作動できる。【解決手段】システムの一部は太陽熱集熱装置であり、太陽熱集熱装置は利用可能な太陽エネルギーを吸収する。太陽熱集熱装置は、異なる源から空気を受領し逆流して通ることができる、２つの分離チャネルを含む。チャネルは、システムが空間を過熱または冷却するために、異なるモードで作動できる効率的な乱流誘導構造を使用して、チャネル間の熱を伝達する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建造物のための太陽空気加熱／冷却システム（８００）であって、前記システム（８００）は、
太陽熱集熱装置（１００；８０２）であって、
入射太陽エネルギーを受領するように位置付けられた１つ以上の上部空気チャネル（１１０；８０６）と、
前記上部空気チャネル（１１０；８０６）の底面に位置付けられ、それと熱的連通する１つ以上の下部空気チャネル（１１５；８０７）と熱エネルギーを交換する手段と、
を備える、太陽熱集熱装置と、
前記上部空気チャネル（１１０；８０６）の上端を外気に流体連結させる第１の空気排出路（８１０）と、
前記上部空気チャネル（１１０；８０６）の上端および建造物内部（８０４）を流体連結させる第１の内部空気路と、
前記上部空気チャネル（１１０；８０６）の下端および前記外気を流体連結させる空気導入路（８１６）と、
前記第１の内部空気路（８１１）を通って前記建造物内部（８０４）に向かって空気を駆動するための手段（８１５）と、
前記第１の空気排出路（８１０）を選択的に遮断するように構成された第１の流れ制御手段（８１９）と、
前記第１の内部空気路（８１１）を選択的に遮断するように構成された第２の流れ制御手段（８２０）であって、前記第１の流れ制御手段（８１９）は、前記第２の流れ制御手段（８２０）が開いているときに閉じており、前記第２の流れ制御手段（８２０）は、前記第１の流れ制御手段（８１９）が開いているときに閉じている、第２の流れ制御手段と、
を備える、システム。
【請求項２】
前記システム（８００）は、
前記上部空気チャネル（１１０；８０６）の下端および前記建造物内部（８０４）を流体連結させる第３の内部空気路（８１７）と、
前記空気導入路（８１６）を選択的に遮断するように構成された第３の流れ制御手段（８２４）と、
前記第３の内部空気路（８１７）を選択的に遮断するように構成された第４の流れ制御手段（８２３）であって、前記第３の流れ制御手段（８２４）は、前記第４の流れ制御手段（８２３）が開いているときに閉じており、前記第４の流れ制御手段（８２３）は、前記第３の流れ制御手段（８２４）が開いているときに閉じている、第４の流れ制御手段と、
をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記流れ制御手段は、それぞれの空気路を選択的に遮断するように前記流れ制御手段を制御するように構成された１つ以上のダンパーを備え、前記システムは、前記建造物内部の１つ以上の臨界温度に達するときに、前記１つ以上のダンパーを作動するように構成された１つ以上の温度センサを備える、請求項１〜２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項４】
前記システムは、前記１つ以上のダンパーが前記路内および／または前記建造物内部の１つ以上の検出された圧力に基づいて前記システムを作動するように、前記１つ以上のダンパーと連通するように構成された１つ以上の圧力センサを備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記システムは、前記太陽熱集熱装置に熱的連通して位置付けられた１つ以上の太陽電池をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記熱エネルギーを交換する手段は、太陽熱エネルギーを保存する手段を備える、請求
項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記システム（８００）は、前記第１の空気排出路（８１０）内に位置付けられた風力発電機を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
建造物（８０１）を換気するための太陽光発電の換気システム（８００）であって、前記システム（８００）は、
空気チャネル（１１０；８０６）を備える太陽熱集熱装置（１００；８０２）であって、前記空気チャネルは、太陽エネルギーを受領し、前記空気チャネルを通って流れる空気を加熱するように構成された下端および上端を有する、太陽熱集熱装置と、
前記太陽熱集熱装置の空気チャネル（１１０；８０６）の上端に流体連結された空気排出路（８１０）と、
前記太陽熱集熱装置の空気チャネル（１１０；８０６）の下端および建造物内部（８０４）を流体連結させる第１の空気導入路（８１７）と、
前記太陽熱集熱装置の空気チャネル（１１０；８０６）の下端を外気に流体連結させる第２の空気導入路（８１６）と、
前記第１の空気導入路（８１７）および前記第２の空気導入路（８１６）の、前記太陽熱集熱装置の空気チャネル（１１０；８０６）への流体連結を選択的に遮断するように構成された流れ制御手段（８２３、８２４）と、
を備える、システム。
【請求項９】
前記換気システム（８００）は、前記建造物内部（８０４）の１つ以上の臨界温度に達するときに、前記流れ制御手段（８２３、８２４）と連通し、前記流れ制御手段（８２３、８２４）に前記第１の空気導入路（８１７）を遮断させるように構成された温度センサを備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記システム（８００）は、前記路（８１０、８１６、８１７）内および／または前記建造物内部（８０４）の１つ以上の検出された圧力に基づいて前記流れ制御手段（８２３、８２４）を制御するために前記流れ制御手段（８２３、８２４）と連通するように構成された１つ以上の圧力センサを備える、請求項８〜９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記太陽光発電の換気システムは、前記太陽熱集熱装置の空気チャネル（１１０；８０６）に熱的連通して位置付けられた１つ以上の太陽電池をさらに備える、請求項８〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記システム（８００）は、前記空気排出路（８１０）内に位置付けられた風力発電機を備える、請求項８〜１１のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽空気加熱／冷却／換気システム、および／またはこのようなシステムに使用するための太陽熱集熱装置／熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間のニーズのためのエネルギー源としての太陽エネルギーの使用は増加している。しかし、凝集された生活領域において太陽に向いた表面は限定されていることにより、太陽エネルギー、例えば加熱または冷却された換気のために使用されるエネルギー、水もしくは太陽光（ＰＶ）または風力エネルギー発電を使用するシステムの効率および空間経済を増加させることが必要とされる。
【０００３】
太陽空気加熱および冷却システムは、建造物を換気するために使用されているが、商業的環境、例えば農産物を乾燥するためにも使用されている。カナダ製のＳｏｌａｒＷａｌｌシステムは、無釉の太陽に向いた有孔アルミニウム壁を通って空気を商業用、工業用または共同住宅に引き入れる。このタイプの太陽空気加熱装置は、発散式太陽熱集熱装置の部類に入り、高い換気要求、成層天井加熱、また建造物内に負圧があることが多い、作物の乾燥、製造および組立工場などの広い用途がある。混合版には太陽空気加熱装置の前での太陽光能力の使用が含まれ、これは過熱を低減することによりＰＶの性能を高めることがわかった。
【０００４】
一部のシステムは、Ｇｒａｍｍｅｒ  Ｓｏｌａｒ（これもカナダを本拠地とする）の施釉された絶縁平板の単一パスパネルのように、より多くの居住環境に使用され、より大きな領域およびより長い空気チャネルを形成するために連結できる様々な矩形の大きさが提供されている。これらのシステムは、外気および／または再循環の淀んだ暖気のいずれも取り込むことができる。
【０００５】
太陽加熱／冷却システムの他の例には、例えば、端から端まで一列に並べて配置された飲料缶、または壁、屋根および場合によっては窓に装着された、施釉された絶縁フレーム内の蛇管を使用する、ドゥーイットユアセルフシステムが含まれる。
【０００６】
別の例は、ファンを作動させるために内部のＰＶ性能を有するパネルの背面上の何百もの小さい穴を通って空気をパネルに供給する、ＳｏｌａｒＶｅｎｔｉ（ニュージーランド製）のような施釉された非絶縁タイプである。
【０００７】
欧州特許公開公報第２３１０７６０号は、前壁に垂直に走るチャネル分離に沿って、逆流空気を有する熱回収システムと組み合わされた太陽空気加熱装置を説明している。システムは、外気、建造物から回収された空気、または建造物の下を通る空気からの蓄熱を使用する。このシステムにおける非効率性は、気流が制限される場所、また空気が、洗浄するのが困難であるシステムの部分と直接接触する場所から生じる。
【０００８】
経済的利益は、太陽エネルギーの使用を組み合わせることができるとき、特に一方が他方の性能を高めることができるときに生じる。例えば、相変化材料（ＰＣＭ）の形の蓄熱は、太陽空気加熱／換気システム内の加熱されたまたは冷却された空気をより均等に分散させることができる。これにより、通常より多く必要とされるその日の遅くに太陽に加熱された空気を供給する役に立つ。またこれは、システム内に存在するあらゆるＰＶパネルの過熱を防止する役にも立つ。これをすべて考慮すると、あらゆる太陽空気加熱／換気システムが、他の太陽エネルギー使用と組み合わせた使用に適合するように空気を導くことが望ましい。
【０００９】
例えば、ＰＣＭの形の熱エネルギー貯蔵装置を備えた二重パス太陽空気加熱装置で行われ、ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｋｉｎｇ  Ｓａｉｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓに発表された実験研究では、ＰＣＭが熱エネルギーを午後４時から３時間の間に確実に上昇させることがわかった。
【００１０】
国際特許公開第８５／００２１２号は、ＰＣＭを保管するように設計された平板の一方向太陽空気加熱装置を説明している。しかしこのシステムは、冬期に加熱し夏期に冷却するためなどの多数のモードに使用できる柔軟性を提供しない。
【００１１】
カナダ特許第１０８２５４４号は、熱効率を向上させるために太陽熱集熱板と透明壁との間の熱を捕捉する有効な手段として、ハニカム構造の使用を説明している。放熱を吸収要素に向け、気流が透明の前壁に向けられることを防ぐために、ハニカム状構造を透明壁の底面に接着する有効性についての試験が行われた。この発明では、気流は、多孔不透明材料を備える吸収性集熱要素を通過し、多くの場合、空気はハニカム構造と接触する。集熱装置の内部構成要素は、気流から汚染される傾向があり、これは透明性、ひいては効率に影響を与え、設計のために集熱装置の洗浄が困難である。
【００１２】
太陽エネルギーは、太陽煙突発電所の形で大規模に利用される。煙突の底部に配置された大型温室の屋根付き集熱装置は、場合によって数百メートルの高さであり、上昇または対流（煙突効果）の手段によって発電する。この気流は、煙突の内部または底部の風力タービンを駆動する。例えば、集熱面積は２００ヘクタールを網羅するように意図される中国内モンゴルＪｉｎｓｈａｗａｎの塔は、ガラスカバーの下の熱砂から熱を吸収する。温室効果を使用して、熱気は煙突に上方に流れ、煙突内部のタービンを回転させることによって発電する。国際特許公開第ＷＯ２００８／０２２３７２号は、太陽煙突効果を使用して太陽光から発電するための類似装置を説明している。米国特許出願公開第２０１１／０２１１３３号は、加熱、冷却および換気手段として太陽煙突効果を使用して、トロンブ壁を介してタービンに流れる空気を説明している。
【００１３】
すべてのタイプの太陽空気加熱装置における共通点は、太陽空気加熱装置が吸収媒体を介して日射を捕捉し、次いで空気を加熱することである。太陽空気加熱装置は、作物の乾燥、温室、淡水化プラント、商業用、工業用、居住環境などに広く使用する可能性を有する。挑戦は短期間および長期間の両方に対して効率を増加させるべきである。太陽空気加熱装置は、短期間に良好な効率を測定することがあるが、あまり長期でない期間で太陽空気加熱装置に効率を悪くする気流の連続が動きを妨げることがある。例えば吸収体の上の領域は、吸収体の下の領域より高温になることがある（熱エネルギー貯蔵装置を備えた二重パス太陽空気加熱装置の実験研究、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｋｉｎｇ  Ｓａｉｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）。したがって、透明の前壁と吸収板との間を通る空気は、短期間に熱の取込みを最大にするはずであるが、施釉の底面の汚れを通して熱の伝達、ひいては効率を急速に減少させることがある。
【００１４】
また太陽空気加熱装置の集熱効率は、ファン流量にも依存する。気流の低減により、気温の上昇が出口で最大になるが、これは太陽空気加熱システム効率の消費である。望ましい気流は、外気の温度差、吸収体から熱を抽出するための太陽空気加熱装置の効率、太陽空気加熱装置内で妨げられた気流、熱回収などにより空気の侵入時に予熱／予冷のための他の手段などの要因に依存する。ほとんどの太陽空気加熱装置は、４０〜７０％の範囲内の効率に収まる。
【００１５】
同じ空気源を使用して単一パス配置と二重パス配置との効率の関係についての実験が、ＯｍｏｊａｒｏおよびＡｌｄａｂｂａｇｈによって行われた。効率は空気流量とともに増加することがわかった。また効率は二重パスシステムであるときにも増加する。単一パス空気加熱装置と二重パス空気加熱装置との最大効率の差は、空気流量．０３８ｋｇ／ｓに対してそれぞれが５９．６２％および６３．７４％であった。これらの因数は、改良された太陽空気加熱技法を設計する際に考慮されることが可能である。
【００１６】
カナダ特許第２３９３２７３号は、管内部のチャネル内に乱流を生成するフィンを形成するために、内方に屈曲した管の断片部片を使用して効率を最大にするよう努める、１つの太陽空気加熱システムを説明している。しかしこのシステムは、結果として管の内部の流れを遮断し加圧する。流れの遮断は、管を通過する空気の量、ひいては加熱できる空気の量を制限する。またこれらのフィンは洗浄することが非常に困難であることがある。
【００１７】
経済効果は、屋根一体型太陽空気加熱システムによって達成されることが可能である。経済分析は、Ｓｒｅｅｋｕｍａｒによって行われ、屋根一体型システムは有効であり経済的に実行可能であることがわかり、これはパイナップルを乾燥させる実験によって裏付けられた。したがって太陽空気加熱システムが、屋根一体型または建造物の任意の部分に一体化が可能な手法で設計されることが望ましい。
【００１８】
太陽エネルギーおよび電気エネルギーから熱の貯蔵を同時に管理するための相変化材料を使用する、混合熱エネルギー貯蔵システムについての研究が、ＨａｍｍｏｕおよびＬａｃｒｏｉｘによって行われた。結果は、空間加熱に対する電気消費が３２％低減した。貯蔵された熱は電気の９０％が消費されるピーク期間に放出されたことを考えると、これは重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
改良された太陽空気加熱／冷却／換気システムを提供することが本発明の目的である。
【００２０】
別法として、改良された太陽熱集熱装置または熱交換器を提供することが目的である。
【００２１】
別法として、先行技術に関連した１つまたは複数の前述の問題に対処することが本発明の目的である。
【００２２】
別法として、有益な選択の公開を少なくとも提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の第１の態様によれば、換気システムで使用するための太陽熱集熱装置が提供され、集熱装置は、
隣接して配置された複数の上部空気チャネルと、
トップパネルと上部空気チャネルとの間に太陽エネルギー吸収空間を画定するために、上部空気チャネルの上に位置付けられたトップパネルであって、上部空気チャネルは、太陽エネルギー吸収空間と熱的連通する、トップパネルと、
熱エネルギーを上部空気チャネルの底面に位置付けられ、それと熱的連通する複数の上部空気チャネルと交換する手段とを備え、
上部および下部空気チャネルは、異なる源から空気を受領するように構成され、流体連結されない。
【００２４】
好ましくは、熱エネルギーを交換する手段は、少なくとも１つの下部空気チャネルを備える。
【００２５】
好ましくは、上部および下部空気チャネルは、空気を反対方向に導くように構成される。
【００２６】
好ましくは、太陽熱集熱装置は、その中に上部空気チャネルおよび下部空気チャネルが含まれる封止されたハウジングを備え、ハウジングの上面はトップパネルを備える。
【００２７】
より好ましくは、トップパネル、ハウジングの１つまたは複数の側壁、および上部空気チャネルの上面は、太陽エネルギー吸収空間を画定する。
【００２８】
好ましくは、太陽エネルギー吸収空間は密封される。より好ましくは、ハウジングは、ハウジングのトップパネルとハウジングの側壁の１つとの間に１つまたは複数の封止を備え、封止（複数可）は、ハウジングのトップパネルを開くことができるように構成される。
【００２９】
太陽エネルギー吸収空間は、好ましくは熱吸収媒体、例えば空気を含む。
【００３０】
好ましくは、ハウジングは、熱をハウジング内に捕捉するように構成された絶縁手段を備える。
【００３１】
好ましくは、上部空気チャネルは、チャネル内部に気流の乱流を生成する手段を備える。より好ましくは、乱流を生成する手段は、それぞれのチャネルに沿って長手軸方向に延在する螺旋状フィンを備える。より好ましくは、螺旋状フィンは、チャネル内部に取外し可能な手法で装着される。別法として、または追加として、乱流を生成する手段は、１つまたは複数の突起をチャネルの内側表面上に備えてもよい。
【００３２】
好ましくは、熱エネルギーを交換する手段は、太陽熱エネルギーを保存する手段を備える。より好ましくは、太陽熱エネルギーを保存する手段は相変化材料を備える。より好ましくは、太陽熱エネルギーを保存する手段は、１つまたは複数の下部空気チャネルと熱的連通して位置付けられる。
【００３３】
好ましくは、太陽熱集熱装置は、１つまたは複数の管を備え、各管は上部空気チャネルの１つを画定する。より好ましくは、１つまたは複数の管は、隣接した管を一緒に連結する連結手段を備える。連結手段は連動機構を備えてもよい。
【００３４】
本発明の第２の態様によれば、換気システムで使用するための太陽熱集熱装置が提供され、集熱装置は、
複数の空気チャネルと、
太陽エネルギー吸収空間を画定するために、空気チャネルの上に位置付けられたトップパネルであって、空気チャネルは、太陽エネルギー吸収空間と熱的連通する、トップパネルと、
空気チャネルに沿った空気の流れを実質的に妨げることなく、気流の乱流を空気チャネルの内部に生成する手段とを備える。
【００３５】
好ましくは、乱流を生成する手段は、それぞれのチャネルに沿って長手軸方向に延在する螺旋状フィンを備える。より好ましくは、螺旋状フィンは、チャネル内部に取外し可能な手法で装着される。
【００３６】
別法として、または追加として、乱流を生成する手段は、１つまたは複数の突起をチャネルの内側表面上に備えてもよい。
【００３７】
好ましくは、複数の空気チャネルは、隣接配置に配置された複数の上部空気チャネルを備え、太陽エネルギー吸収空間は、トップパネルと上部空気チャネルとの間にある。
【００３８】
好ましくは、集熱装置は、熱エネルギーを上部空気チャネルの底面に位置付けられ、それと熱的連通する複数の上部空気チャネルと交換する手段を備える。
【００３９】
より好ましくは、熱エネルギーを交換する手段は、少なくとも１つの下部空気チャネルを備え、上部および下部空気チャネルは、異なる源から空気を受領するように構成され、流体連結されない。
【００４０】
好ましくは、上部および下部空気チャネルは、空気を反対方向に導くように構成される。
【００４１】
好ましくは、太陽熱集熱装置は、その中に上部空気チャネルおよび下部空気チャネルが含まれる封止されたハウジングを備え、ハウジングの上面はトップパネルを備える。
【００４２】
より好ましくは、トップパネル、ハウジングの１つまたは複数の側壁、および上部空気チャネルの上面は、太陽エネルギー吸収空間を画定する。
【００４３】
好ましくは、太陽エネルギー吸収空間は密封される。より好ましくは、ハウジングは、ハウジングのトップパネルとハウジングの側壁の１つとの間に１つまたは複数の封止を備え、封止（複数可）は、ハウジングのトップパネルを開くことができるように構成される。
【００４４】
太陽エネルギー吸収空間は、好ましくは熱吸収媒体、例えば空気を含む。
【００４５】
好ましくは、ハウジングは、熱をハウジング内に捕捉するように構成された絶縁手段を備える。
【００４６】
好ましくは、熱エネルギーを交換する手段は、太陽熱エネルギーを保存する手段を備える。より好ましくは、太陽熱エネルギーを保存する手段は相変化材料を備える。より好ましくは、太陽熱エネルギーを保存する手段は、１つまたは複数の下部空気チャネルと熱的連通して位置付けられる。
【００４７】
好ましくは、太陽熱集熱装置は、１つまたは複数の管を備え、各管は上部空気チャネルの１つを画定する。より好ましくは、１つまたは複数の管は、隣接した管を一緒に連結する連結手段を備える。連結手段は連動機構を備えてもよい。
【００４８】
本発明の第３の態様によれば、建造物のための太陽空気加熱／冷却システムが提供され、システムは、
入射太陽エネルギーを受領するように位置付けられた１つまたは複数の上部空気チャネルと、
熱エネルギーを上部空気チャネルの底面に位置付けられ、それと熱的連通する複数の上部空気チャネルと交換する手段とを備える太陽熱エネルギー集熱装置と、
上部空気チャネルの上端を外気に流体連結させる第１の空気排出路と、
上部空気チャネルの上端および建造物内部を流体連結させる第１の内部空気路と、
上部空気チャネルの下端および外気を流体連結させる空気導入路と、
空気を、第１の内部空気路を通って建造物内部に向かって駆動する手段と、
第１の空気排出路を選択的に遮断するように構成された第１の流れ制御手段と、
第１の内部空気路を選択的に遮断するように構成された第２の流れ制御手段とを備え、
第１の流れ制御手段は、第２の流れ制御手段が開いているときに閉じており、逆も同様である。
【００４９】
異なる導管に関連して使用される標識は、異なる導管を区別する目的に使用され、導管の位置または機能を限定するものではないことが理解されよう。例えば「内部導管」は、建造物内部に流体連結された導管を指し、この用語は導管自体が内部に配置される必要はない。
【００５０】
用語「建造物」は、屋根および壁を有し、内部空間を含むあらゆる構造を意味する。本発明に関して、この用語は広く解釈されることが意図され、建造物として一般に公知である構造だけでなく、換気が可能なあらゆる他の構造を包含してもよい。本明細書に使用されたような「建造物」の意味の範囲内に含まれる構造の非限定的な例は、グラスハウス、温室、作物貯蔵所、納屋、工場、倉庫、およびプラントなどである。
【００５１】
好ましくは、熱エネルギーを交換する手段は、建造物から熱エネルギーを回収する熱回収手段を備える。
【００５２】
より好ましくは、熱回収手段は、１つまたは複数の下部空気チャネルを備え、上部および下部空気チャネルは流体連結されず、システムは、
下部空気チャネルの上端および建造物内部を流体連結させる第２の内部空気路と、
下部空気チャネルの下端および外気を流体連結させる第２の空気排出路と、
空気を建造物内部から離れて第２の内部空気路を通って駆動する手段とをさらに備える。
【００５３】
好ましくは、システムは、
上部空気チャネルの下端および建造物内部を流体連結させる第３の内部空気路と、
空気導入路を選択的に遮断するように構成された第３の流れ制御手段と、
第３の内部空気路を選択的に遮断するように構成された第４の流れ制御手段とを備え、
第３の流れ制御手段は、第４の流れ制御手段が開いているときに閉じており、逆も同様である。
【００５４】
好ましくは、第１および第３の内部空気路は、分離した開口を介して建造物内部に流体連結される。より好ましくは、システムは、第１および第３の内部空気路を流体連結させる連結管を備える。
【００５５】
好ましくは、上部および下部空気チャネルは、空気が上部チャネル内で下部チャネルと反対方向に流れるように配置される。
【００５６】
好ましい実施形態では、集熱装置は建造物の屋根の中または上に位置付けられる。より好ましくは、第１、第２および第３の内部空気路は屋根の下に位置付けられる。しかしこれは限定ではなく、集熱装置は壁上などの他の場所に位置付けられてもよいことが理解されよう。
【００５７】
好ましくは、空気を駆動する手段は１つまたは複数のファンを備える。
【００５８】
好ましくは、流れ制御手段は１つまたは複数のダンパーを備える。
【００５９】
より好ましくは、システムは、それぞれの空気路を選択的に遮断するために流れ制御手段を制御するように構成された、１つまたは複数の制御装置を備える。より好ましくは、１つまたは複数の制御装置は、空気を駆動する手段の作動を制御するように構成される。
【００６０】
好ましくは、システムは、建造物内部の１つまたは複数の臨界温度に達すると、１つまたは複数の制御装置を作動するように構成された、１つまたは複数の温度センサを備える。
【００６１】
好ましくは、システムは、制御装置が導管内および／または建造物内部の１つまたは複数の検出された圧力に基づいて、システムを作動するように、１つまたは複数の制御装置と連通するように構成された、１つまたは複数の圧力センサを備える。
【００６２】
好ましくは、システムは、集熱装置に熱的連通して位置付けられた、１つまたは複数の太陽電池をさらに備える。例えば、太陽電池は太陽エネルギー集熱装置の頂部上に位置付けられてもよい。
【００６３】
好ましくは、熱エネルギーを交換する手段は、太陽熱エネルギーを保存する手段を備える。より好ましくは、太陽熱エネルギーを保存する手段は相変化材料を備える。より好ましくは、太陽熱エネルギーを保存する手段は、１つまたは複数の下部空気チャネルと熱的連通して位置付けられる。
【００６４】
好ましくは、システムは、第１の空気排出路内に位置付けられた風力発電機を備える。
【００６５】
本発明の第４の態様によれば、
下端および上端を有する空気チャネルを備える太陽エネルギー集熱装置であって、太陽エネルギー集熱装置は、太陽エネルギーを受領し、空気チャネルを通って流れる空気を加熱するように構成される、太陽エネルギー集熱装置と、
集熱装置空気チャネルの上端に流体連結された空気排出路と、
集熱装置空気チャネルの下端および建造物内部を流体連結させる第１の空気導入路と、
集熱装置空気チャネルの下端を外気に流体連結させる第２の空気導入路と、
第１および第２の導入路の集熱装置空気チャネルへの流体連結を選択的に遮断するように構成された流れ制御手段とを備える、建造物を換気するための太陽光発電の換気システムが提供される。
【００６６】
好ましくは、集熱装置空気チャネルの下端は、複数の開口を介して建造物内部に流体連結される。例えば、開口は複数の室内に位置付けられてもよい。
【００６７】
好ましくは、流れ制御手段は、第１および第２の空気導入路と集熱装置空気チャネルとの間の導管接合部に位置付けられたダンパーを備える。
【００６８】
より好ましくは、換気システムは、第１および第２の空気導入路の１つの集熱装置空気チャネルへの流体連結を選択するために、流れ制御手段を制御するように構成されたスイッチング手段を備える。
【００６９】
好ましくは、換気システムは、建造物内部の１つまたは複数の臨界温度に達すると、スイッチング手段を作動するように構成された温度センサを備える。より好ましくは、スイッチング手段は、建造物内部の温度が臨界温度より下がると、第１の空気導入路を遮断するように構成される。
【００７０】
好ましくは、システムは、導管内および／または建造物内部の１つまたは複数の検出された圧力に基づいて、流れ制御手段を制御するためにスイッチング手段と連通するように構成された１つまたは複数の圧力センサを備える。
【００７１】
好ましくは、太陽光発電の換気システムは、集熱装置空気チャネルに熱的連通して位置付けられた１つまたは複数の太陽電池をさらに備える。例えば太陽電池は、太陽エネルギー集熱装置の頂部上に位置付けられてもよい。
【００７２】
好ましくは、システムは、空気排出路内に位置付けられた風力発電機を備える。
【００７３】
本発明のさらなる態様は、すべてのその新規の態様において考慮されるべきであり、本発明の実際の適用の少なくとも一例を提供する以下の説明を読むと、当業者には明らかになろう。
【００７４】
本発明の１つまたは複数の実施形態は、例示のみを目的とし、限定を意図することなく、以下の図を参照に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施形態による、太陽熱集熱装置または熱交換器の平面図である。
【図２】図１の太陽熱集熱装置の底面図である。
【図３】図１の太陽熱集熱装置の空気チャネルを横切る横断面図である。
【図４】図１の太陽熱集熱装置の空気チャネルの方向における長手軸断面図である。
【図５】Ｃと示された図４の太陽熱集熱装置の領域の拡大図である。
【図６】Ｄと示された図４の太陽熱集熱装置の領域の拡大図である。
【図７】図１の太陽熱集熱装置の等角断面図である。
【図８】図１の集熱装置内の気流の断面切断図である。
【図９】本発明の一実施形態による、建造物のための太陽空気加熱および冷却システムの概略図である。
【図１０】「冬期太陽加熱」モードで作動している図９のシステムを示す図である。
【図１１】「冬期再生加熱」モードで作動している図９のシステムを示す図である。
【図１２】「夏期太陽冷却」モードで作動している図９のシステムを示す図である。
【図１３】「夏期加熱装置冷却」モードで作動している図９のシステムを示す図である。
【図１４】「夏期非太陽冷却」モードで作動している図９のシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７６】
本発明は、概して、空間、特に建造物の内部を換気するために太陽エネルギーを使用するシステムに関するが、作物貯蔵所、淡水化プラント、グラスハウスおよび発電所などの他の構造も換気されてもよい。システムは、太陽エネルギーが、必要に応じて空間を加熱または冷却するために使用されるように、異なるモードで作動できる。システムの一部は太陽熱集熱装置であり、太陽熱集熱装置は利用可能な太陽エネルギーを吸収する。
【００７７】
太陽熱集熱装置
図１〜７は、本発明の一実施形態による、太陽熱集熱装置または熱交換器１００を示す。図１および２は、それぞれ平面図および底面図である。図３は、空気チャネルを横切る横断面図であり、図４は、空気チャネルの方向における長手軸断面図である。図５および６は、それぞれＣおよびＤと示された図４の領域の拡大図である。図７は等角断面図である。同じ参照は、図１〜７を通して同じ部分を指すために使用される。
【００７８】
太陽熱集熱装置１００は、その中に他の構成要素が収納される外部ハウジング１０１を備える。外部ハウジング１０１は、一連の相互連結した側壁１０２、基部１０３およびトップパネル１０４を備える。側壁は、好ましくは壁を通る伝熱を最小にするように設計される。例えば、側壁１０２は、空隙１０６およびその中で断熱が保持されてもよい領域１０５を画定する、材料の突出部から形成される。絶縁領域は、伝熱を低減するために少なくとも２０ｍｍの厚さであってもよい。一部の実施形態では、ハウジング１０１の外側部分はアルミニウムから形成され、内側部分は熱絶縁材料から形成されて、集熱装置の内側からアルミニウム枠への熱損失を最小にする。
【００７９】
トップパネル１０４は、太陽放射がトップパネル１０４を通過し下の空間を加熱することができるために透明である。太陽エネルギー利得は、低鉄、超透明プリズムガラスなどのガラスの選択によって可能であってもよい。パネル１０４上のあらゆる汚れがパネルの透明性に影響を及ぼす可能性があり、したがって太陽エネルギーの量が集熱装置によって吸収されることが可能であるので、パネル１０４を開くことができ、そのためパネル１０４は、必要であれば定期的に洗浄されることが可能である。封止１０７は側壁１０２とトップパネル１０４との間に提供されて、ハウジング１０１の内側が確実に密封される。封止は、ＥＰＤＭゴムなどの熱絶縁材料で作成されてもよい。ハウジング１０１は、チャネルの内部への容易なアクセスが可能であるように、本発明の他の実施形態では他の方法、例えばハウジングの端部の１つを開くことによって、開けられることが可能であってもよい。集熱装置が建築構造に一体がされた本発明の実施形態では、ハウジングは、アクセスを容易にするために建造物の内部から開かれることが可能であってもよい。例えば屋根に一体化された集熱装置は、屋根中空層の内側からアクセスし修理されることが可能であってもよい。
【００８０】
ハウジング１０１の内側に、それを通って空気が流れることができるチャネルを画定する複数の管１１０が存在する。管１１０は別の管に隣接して配置され、示された実施形態では、平行に平面内に存在する。管は他の実施形態では、建造物上の設置位置に適するように必要とされるように、例えば湾曲またはファンがある配置を画定するために異なって配置されてもよい。空間１１１は管１１０とトップパネル１０４との間にある。空間１１１内の空気は、パネル１０４を通過する太陽エネルギーを吸収し加熱される。
【００８１】
管は、（高い伝送能力を有する）アルミニウムなどの熱伝導性材料から作成され、その結果、管１１０を通って流れる空気は空間１１１内の空気と熱的連通し、熱エネルギーはそれらの間で伝達されることが可能である。例えば太陽によって加熱された空間１１１内の空気の熱は、管材料を通って伝導されて管内の空気を加熱することができる。またチャネル壁の厚さも、チャネル内の媒体へ／からの熱伝達の効率に関与する。壁の厚さは、製造過程、材料のタイプおよび構造強度によって規定された必要な妥協案の範囲内で、最小に、理想的には１．６ｍｍ未満に留められてもよい。
【００８２】
管１１０は、適切な連結機構によって、例えば管の内側に部材を咬み合わせることによって、一緒に連結されてもよい。本発明の一実施形態では、隣接した管は、１つの管の側面上の雄部材を隣接した管の側面内の雌部材に長手軸に摺動させることによって、一緒に接合するように構成される。別法として、管は、一緒にフックで留められてもよく、または接着剤で接着されてもよい。これは管の配列を増強し位置合わせする役に立つ。一実施形態では、管列の低価格のバージョンは、２枚の波形鉄板を一緒に締結または接着することによって形成されることが可能であり、チャネルは谷部を対向させることによって形成される。
【００８３】
管列の上面は、管１１０の湾曲した上部形状の恩恵により波形にされる。これは管に大きい上面領域を提供し、管により直接吸収された太陽エネルギーの量を増加させ、したがって管を通って流れる空気の加熱量が増加する。管１１０の湾曲した上面により、太陽熱集熱装置は位置合わせされて、太陽エネルギーが管に垂直に入射する時間を最大にすることができる。また太陽エネルギーの吸収は、管１１０が暗色であり艶消しの粗面仕上げを有する場合に増加され得る。
【００８４】
管１１０の下に、熱エネルギーを上部空気チャネル１１０と交換する手段が位置付けられる。一実施形態では、熱交換手段は、集熱装置１００が設置された建造物から熱を回収する手段を備える。図１〜７の実施形態では、ハウジングは別の空間１１５を画定する。また空間１１５は、管１１０の熱伝導性の恩恵により管１１０の内側でチャネル内の空気と熱的連通する。したがって熱は、空間１１５とチャネルとの間で伝達されることが可能である。本発明の他の実施形態では、空間１１５は第２の列のチャネルを備えてもよく、それぞれは管１１０内で１つまたは複数のチャネルと熱的連通する。
【００８５】
斜め材１１４は、空間１１５を画定するために、ハウジングの基部の上の位置で管１１０を受領し支持する。
【００８６】
ハウジング１０１の基部は、多数の開口またはダクト１１２、１１３、１１６および１１７を備え、２つの開口は集熱装置の一端に近接し、２つの開口は他端に近接する。各端部において１つの開口は、開口１１２および１１３を示された実施形態では、管１１０に流体連結され、空気がハウジングに（流れの方向に依存して）入るまたは出ることができ、管１１０を通過することができる。各端部において１つの開口は、開口１１６および１１７を示された実施形態では、管１１０の下の空間１１５に流体連結され、空気がハウジングに（流れの方向に依存して）入るまたは出ることができ、空間１１５を概して集熱装置１００の長手軸方向に（すなわち管１１０の方向に平行に）通過することができる。また開口１１６および１１７を互いに斜めに横切って位置付けることにより、気流の構成要素を垂直方向に生成し、これはさらに集熱装置の上部領域と下部領域との間の熱伝達を支援してもよい。図８は、集熱装置１００の断面切断図において気流の方向を示す。
【００８７】
斜め材１１４を使用して、管１１０および空間１１５が熱的連通する一方で流体連結されないように、ハウジングの内部を流体した分離部分に分離する。斜め材１１４は、集熱装置の各端部で開口の間を通るように位置付けられる、すなわち１つの斜め材は開口１１２と開口１１６との間を通り、別の斜め材は開口１１３と開口１１７との間を通る。例えば開口１１２に入る空気は、斜め材１１４により空間１１５に入ることが遮断され、代わりに管１１０の開口端の中に上方に流れ、その中のチャネルを通る。開口１１６に入る空気は、斜め材１１４により上方に移動して管１１０に入ることを遮断され、代わりに空間１１５に沿って流れ、開口１１７から出る。斜め材１１４は、集熱装置の外部への不要な熱損失を低減するために、好ましくは低い熱伝導率の材料から構成される（例えばプラスチック、ガラスまたはラテックス）。
【００８８】
開口１１６および１１７は、集熱装置の全幅を横切る空気の流れを促進するために、互いに斜めに横切って位置付けられてもよく、したがって管１１０と空間１１５との間の熱伝達量を増加させる。一部の実施形態では、集熱装置の幅を横切る空気の供給を促進するために、バッフルが空間１１５を横切って置かれる。
【００８９】
一部の実施形態では、空間１１５の下面、すなわち空間１１５に接合する基部１０３の上面は波形であってもよい。その波形は、管１１０の底面の波形と垂直に位置合わせされてもよい。Ｇａｏらによる研究（Ｇａｏ  Ｗ、Ｌｉｎ  Ｗ、Ｌｉｕ  Ｔ、Ｘｉａ  Ｃ。Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  ａｎｄ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｓｔｕｄｉｅｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｃｒｏｓｓ−ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ  ａｎｄ  ｆｌａｔ−ｐｌａｔｅ  ｓｏｌａｒ  ａｉｒ  ｈｅａｔｅｒ。Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  ２００７：８４：４２５−４１）は、この設置を用いて優れた熱性能を示した。しかし空間１１５の下面上の波形も、管１１０の底面の波形に位置合わせされてもよい。このような実施形態では、気流は両方の波形を交差するはずであり、熱は効率的に伝達されるはずである。またこの配置は、集熱装置の内部の洗浄をより容易にすることができる。
【００９０】
この研究および他の研究は、太陽加熱装置の波形頂部が熱性能を１１％まで増加させることを示した。一部の実施形態では、頂部板１０４の上面は、したがって透明材料またはそれ以外の材料のいずれからも波形をつけられてもよい。
【００９１】
集熱装置およびその中の流体流れチャネルの長さは、本発明の異なる実施形態では異なってもよいが、一部の実施形態は、より高い効率が、チャネル長さ１．５〜２．５ｍまたは３ｍ未満を有する太陽空気加熱装置内で獲得することができるという、一部の最近の研究の発見を利用する。
【００９２】
集熱装置１００の基部１０３は絶縁領域１１８を備えてもよい。基部１０３の底面上の装着手段１１９により、集熱装置１００が所望の場所、例えば建造物の屋根上に設置されることが可能になる。別法として、集熱装置は壁上に垂直に装着されることが可能であってもよい。
【００９３】
乱流構造
管１１０は、管１１０の内側の気流の乱流を増加させるような形状または構成を有し、または管１１０はこの効果を有する構造を備える。図１〜７に示された本発明の実施形態では、２つの機構がここで説明されるように乱流を増加させる。他の実施形態では、このような機構の１つのみが使用されてもよく、さらに他の実施形態では、乱流を生成する他の手段が存在してもよい。
【００９４】
管１１０の内側に、チャネルの長手軸方向に沿って延在する螺旋状フィン１２０が位置付けられる。乱流流れは、内部チャネル壁から突起するフィンによって誘導されて、乱流流れがチャネルの壁の内側を螺旋状に回ると、熱を吸収または放出する一方向の流れを生成する。コルクスクリュー型羽根はチャネルほど長くなくてもよく、より短いフィンがなお空気内の回転を誘発するはずである。チャネルおよびフィンの円対称性により、管１１０の上下へ／からの熱の等しい電卓を促進する手法で空気を混合する乱流を生成する。
【００９５】
フィン１２０は、パイプ１１０に挿入され、パイプ１１０から取外しができる分離構成要素であってもよい。これにより、フィン１２０は必要に応じて容易に洗浄されることが可能になる。一部の実施形態では、集熱装置のハウジングの一端は、螺旋状フィンが洗浄目的で容易に取り出すことができ、チャネルも同様に容易に洗浄できるように、開くことができてもよい。また分離構成要素は、管および螺旋状フィンが個別に作成されることが可能であるように、容易な製造が可能であってもよい。
【００９６】
管１１０の内面上に、管１１０の長さに沿って長手軸に走る小さい突起１２１が存在する。これらは管内の空気の乱流をさらに促進する。歯状突起などの他の構造、またはチャネルの内側の表面を粗くするためのあらゆる他の方法も使用されてもよい。螺旋状フィン１２０とともに、これらの突起は管内の流体の乱流を増加させる。
【００９７】
乱流が増加されると、流体媒体に、または流体媒体からの熱伝達の量が増加することは公知である。したがって管１１０内部の乱流を促進する構造は、管１１０と空間１１１との間、また管１１０と空間１１５との間の熱伝達を増加させる。熱伝達が増加することにより、システムが換気を加熱もしくは冷却する、熱を再生または捕捉するいずれのために使用されても、システムの効率が増加する。また前面パネルから再放射を通すような、集熱装置から外側に出る熱損失は、集熱装置内の熱の急速な伝達によって低減される。
【００９８】
本発明による集熱装置の気流チャネル内の気流の乱流を増加させる手段が、実質的にチャネルを通る空気の流れを妨げない手法でそのように行うことが好ましい場合がある。空気の流れを妨げることを最小にすることにより、管１１０を通る気流の量は最大になり、所与の期間に加熱または冷却できる空気の量が増加する。
【００９９】
流体機構理論は、熱伝達を増加するためにチャネルの大きさおよび数を決定するように適用されてもよい。例えばレイノルズ数の計算を使用して、有効な乱流の熱伝達のためにチャネルの好ましい直径および数を決定してもよい。このような計算の１つでは、それぞれの直径が６５ｍｍで流量が７００ｍ３／ｈの１１個のチャネルは、レイノルズ数が２２，０８３になる。レイノルズ数４０００は、乱流流れの下限であるとみなされるので、この数を超えるレイノルズ数の流れを含む管が望ましい場合がある。
【０１００】
屋根一体型集熱装置
本発明の一実施形態では、集熱装置は建築構造に一体化される。例えば集熱装置を屋根の上に装着する代わりに、集熱装置は屋根自体に一体化される。例えば波形鉄板または鋼の屋根を備えた家屋の上に、集熱装置のトップパネルが、屋根に一体化された波形材料の透明パネルから形成されてもよい。これは審美的により魅力的であり、太陽熱集熱装置の空間的影響を最小にする場合がある。
【０１０１】
別の実施形態では、集熱装置は、集熱装置内の気流チャネルの上部を画定するために、波形屋根の一部を使用することにより建造物に一体化されることが可能であり、下に固定された屋根の別の部分は気流チャネルの下部を形成する。表面実装型の透明トップパネルは、チャネルの上の封止された空間を画定するために使用されて熱吸収空間を画定し、先に説明された実施形態におけるように熱吸収および効率を増加させてもよい。このような実施形態におけるチャネル配列を風雨から守るために、透明トップパネルが上端で隆起リッジ構造に詰め込まれ、支持され、側面上に波形裏甲および他の裏甲で縁部の周囲を封止されてもよい。別法として、透明構造を屋根リッジの上に上げて装着されてもよい。
【０１０２】
別の実施形態では、集熱装置は、頂部に通気孔を付けられた屋根窓の下に位置付けられることができる場合がある。既存の建造物の特徴のこのような使用は、設置費用の低減ならびに空間の節約に役立つことがある。
【０１０３】
太陽空気加熱および冷却システム
図９は、本発明の一実施形態による、建造物８０１のための太陽空気加熱および冷却システム８００の概略図である。建造物８０１は、屋根空間８０５を画定する内部８０４および屋根８０３を有する。
【０１０４】
システム８００は、集熱装置の一端が他方より高いように、太陽の位置に概ね向かう角度位置で屋根８０３の頂部上に装着された集熱装置８０２を備える。集熱装置８０２は、互いに流体連結しない１つまたは複数の上部空気チャネル８０６および１つまたは複数の下部空気チャネル８０７を備える。上部および下部空気チャネルは、好ましくは互いに平行であり、チャネルの一端が他端より高いように配向される。上部空気チャネル８０７は太陽エネルギーを受領し、太陽エネルギーはその中の空気を加熱する。下部空気チャネル８０７は上部空気チャネル８０６の下に位置付けられ、それ故上部空気チャネルにより太陽放射から遮断される。集熱装置８０２は、下部空気チャネル８０７が上部空気チャネル８０６と熱的連通する、すなわち熱エネルギーは２つのチャネルまたはチャネルのセットを通過する空気の間で伝達することが可能であるように構成される。
【０１０５】
上部および下部空気チャネルの両方の上端および下端は、それを通って空気が流れてチャネルに入出し得る開口に連結する。
【０１０６】
集熱装置８０２は、図１〜７を参照して上に説明されたタイプの集熱装置であってもよい。本発明の別の実施形態では、集熱装置は屋根に一体化されるか、または埋め込まれてもよい。
【０１０７】
上部および下部チャネルの端部内の開口は、図９に示されたシステム８００を生成する一連の導管に連結される。次に例示的システム８００の導管連結について説明されるが、導管連結の他の構成が、連結の場所が実施形態によって異なる場合であっても、導管間の流体連結を維持する本発明の他の実施形態において使用されてもよいことが当業者には明らかになろう。
【０１０８】
空気排出路８１０および内部空気路８１１は、上部空気チャネル８０６の上部開口に連結される。図９に示された実施形態では、排出路８１０および内部空気路８１１はどちらも導管接合部を介して中間路８１２に流体連結されるが、他の実施形態では、中間路が存在しなくてもよい。排出路８１０は、例えば排出路８１０に下がる逆流を低減するために使用されてもよい換気帽８１３を通って、外気または大気に開かれる。内部空気路８１１の他端は、開口８１４を介して建造物内部に流体連結される。ファン８１５または流体を駆動するあらゆる他の手段は、空気を空気路８１１に沿って建造物内部の方向に駆動するように位置付けられる。ダンパー８１９および８２０の形の流れ制御手段は、それぞれが空気排出路８１０および内部空気路８１１を選択的に遮断するように作動可能である。ダンパーの作動は、以下にさらに説明される。導管を通る流体の流れを遮断または制御できる他の装置を別法として使用してもよい。
【０１０９】
空気導入路８１６、および好ましくは別の内部空気路８１７は、上部空気チャネル８０６の下部開口に連結される。空気導入路８１６および内部空気路８１７は、どちらも図９に示されたように導管接合部を介して中間路８１８に流体連結されてもよい。導入路８１６は、外気に、例えば建造物８０１の下端内の開口８２１を介して流体連結される。内部空気路８１７は開口８２２を介して建造物内部８０４に流体連結されてもよい。開口８２２および８１４は、建造物８０１の異なる部分、例えば異なる部屋に配置されてもよい。代替的実施形態では、開口８２２および８１４は同じ開口であってもよい。流れ制御手段は、やはり好ましくはダンパー８２３および８２４の形で、それぞれが内部空気路８１７および導入路８１６に沿って空気の流れを選択的に遮断するように作動可能である。
【０１１０】
集熱装置８０２の下部空気チャネル（複数可）８０７の上端は、開口８２５および内部空気路８２６を介して建造物内部８０４に流体連結される。ファン８２７または他の空気駆動手段は、空気を空気路８２６に沿って集熱装置８０２の方向に駆動することができる。下部空気チャネル（複数可）８０７の下端は空気排出路８２８に流体連結され、空気排出路８２８は外気に連結される。図９に示された実施形態では、排出路８２８は集熱装置８０２の底面内に開口を備える。
【０１１１】
空気路８２９は、内部空気路８１１および内部空気路８１７を流体連結してもよい。
【０１１２】
太陽空気加熱および冷却システムの作動
次に図９の太陽空気加熱および冷却システム８００の作動について、本発明の一実施形態に従って説明される。作動のいくつかのモードについて説明される。本発明の他の実施形態の太陽空気加熱および冷却システムは、あらゆる１つまたは複数の説明されたモードで作動可能であってもよく、本発明は必ずしもすべてのモードで作動できるシステムに限定されないことが理解されよう。
【０１１３】
図１０は、「冬期太陽加熱」モードで作動しているシステムを示す図である。システムのモードは、便宜上この手法に名付けられるに過ぎない。それらの名前は使用される発明または手法に限定するものではない。「冬期太陽加熱」モードでは、ファン８１５は作動しているが、ファン８２７は停止している。ダンパー８２０および８２４は開いている（すなわちダンパー８２０および８２４は空気を通すことができる）が、ダンパー８１９および８２３は閉じている。ファン８１５は、外気を引き入れて導入路８１６を通り、集熱装置８０２の上部チャネル８０６を通るように作用する。集熱装置８０２上の太陽放射入射により、空気は集熱装置を通過する間に加熱される。次いでファンは空気路８１１および８２９ならびにそれぞれの開口を通って建造物内部８０４の中に空気を駆動する。
【０１１４】
このモードでは、システム８００は、正圧加熱／換気（ＰＰＶ）システムとして作用し、太陽で加熱された空気を建造物内部の中に駆動する。これは、システムは屋根空間内の燃焼による煙が内部に駆動される危険性を被るので、屋根空間内の淀んだ暖気が建造物内部に駆動される多くの既存のＰＰＶシステムの利点を有する。このシステムでは、新鮮な外気のみが内部に駆動される。
【０１１５】
図１１は、「冬期再生加熱」モードで作動しているシステムを示す図である。このモードでは、ファン８１５および８２７の両方が作動している。ダンパー８２０および８２４は開いているが、ダンパー８１９および８２３は閉じている。ファン８１５は新鮮な空気を外部から集熱装置８０２を通って引き入れ、集熱装置８０２内で空気は、太陽によって加熱され（太陽エネルギーが利用可能であり）、図１０に示された「冬期太陽加熱」モードと同じ手法で内部に駆動される。加えて建造物内部８０４から予熱された空気は、ファン８２７により内部空気路８２６の中に引き入れられる。この空気は、集熱装置の下部チャネル８０７を通って駆動され、集熱装置内ではその熱は集熱装置の上部チャネル８０６を通過する新鮮な空気に伝達される。
【０１１６】
このモードでは、システム８００は、平衡圧力の換気システムとして作用する。集熱装置を通過する予熱された空気の熱は、集熱装置の上部チャネル内の新鮮な空気の加熱に加えられ、したがって建造物内部８０４からの熱エネルギー損失を低減する。このモードで作動して、システムは建造物内の熱を保存することができる一方で、太陽が輝いていない場合であっても新鮮な空気の換気を依然として提供する。
【０１１７】
図１２は、「夏期太陽冷却」モードで作動しているシステム８００を示す図である。このモードでは、ファン８１５および８２７のどちらも停止している。ダンパー８１９および８２３は開いているが、ダンパー８２０および８２４は閉じている。太陽は、集熱装置８０２の上部チャネル８０６内の空気を加熱する。これにより空気が暖まり上昇し、システムを通って空気を上方に引き入れる。建造物内部８０４内の空気は、空気路８１１および８１７を通って上昇し、集熱装置の上部チャネル８０６を通り、排出路８１０および換気帽８１３を通って外気に引き出される。このモードは、建造物内部から暖気を引き出すために太陽煙突の手法でパッシブ太陽加熱の利点を利用し、負圧を生成する。これにより新鮮な冷気が建造物の中に（例えば窓および扉を通って）引き入れられ、建造物が冷却され、換気される。
【０１１８】
しかし本発明は、建造物内から放出する水滴に依存しない。現代の建造物はますます良好に断熱されてきており、閉じているときは外気が侵入できない。この場合には、ダンパー８２４は開くことができ、太陽空気加熱装置を外の新鮮な空気で冷却することができる。空気は、例えば換気帽８１３、屋根窓の頂部でダクトに組み込まれた通気孔、または一部のタイプの屋根リッジカバーの下のいずれかを介して、システムから逃れるはずである。別の源から空気を引き入れる選択肢は、住居内からの空気が不足しているときに、太陽熱集熱装置を冷却する助けとなり得るだけでなく、継続して建造物内を冷却する（例えばヒートポンプ）他の手段も可能である。
【０１１９】
図１３は、「夏期加熱装置冷却」モードで作動しているシステム８００を示す図である。このモードでは、ファン８１５および８２７のどちらも停止している。ダンパー８１９および８２４は開いているが、ダンパー８２０および８２３は閉じている。太陽は集熱装置８０２の上部チャネル８０６内の空気を加熱する。これにより空気が暖まり上昇し、空気はシステムを通って上方に引き出される。新鮮な外気は、上に引き入れられて導入路８１６を通り、集熱装置の上部チャネル８０６を通り、排出路８１０および換気帽８１３を通って外気に引き出される。このモードもやはり、太陽煙突の手法でパッシブ太陽加熱の利点を利用するが、この場合は集熱装置を通って新鮮な冷気を引き入れる。このモードは、特に家屋が空き家になっており、システムが完全に作動していない場合に、太陽空気加熱装置を冷却する助けとなる。太陽空気加熱装置の冷却は、他の構成要素、例えば太陽電池が太陽空気加熱システムと連動して使用され、これらの構成要素の過熱を防止する必要がある場合に望ましいことがある。
【０１２０】
図１４は、「夏期非太陽冷却」モードで作動しているシステム８００を示す図である。このモードでは、ファン８１５および８２７のどちらも作動している。ダンパー８２０および８２４は開いているが、ダンパー８１９および８２３は閉じている。ファン８１５は、新鮮な冷気を外部から導入路８１６および集熱装置８０２の上部チャネル８０６を通り、空気路８１１および８２９を通って建造物内部８０４の中に引き入れる。同時に、ファン８２７は、建造物内部８０４内の予冷された淀んだ空気を空気路８２６の中に引き入れ、集熱装置８０２の下部チャネル８０７を通す。外気の熱は、集熱装置８０２（集熱装置８０２は加熱交換器としても作用する）内で下部チャネル内の予冷された空気に伝達され、したがって建造物内部に押し入れられた外気を冷却する。このモードにおけるシステムの効果は、流出する予冷された空気と異なる熱を使用して、流入する新鮮な冷気を冷却することにより建造物内部を冷却することである。
【０１２１】
システム８００は、１つまたは複数の上述のモード間であらゆる適切な手段によって切り替えてもよい。好ましい実施形態では、システムは、所望された加熱または冷却効果を達成させるために、検知された条件に基づいてモード間を自動的に切り替えるように作動可能である。このことが温度センサ、１つまたは複数の所望の建造物内部の温度を設定するためにユーザによってプログラム可能な制御装置、ならびにファンおよびダンパー制御装置を使用して達成され得る手法は、上の説明を読むと当業者には明らかになろう。
【０１２２】
本発明の一実施形態では、システムは以下のように作動し、建造物の内部および外部ならびに１つまたは複数の導管内に位置付けられた温度センサ、および温度センサから温度読取りを受信する制御装置を備え、所望の温度設定はそれに応じてシステムを制御するためにプログラミングされる。ファン８２７は、内部温度が外部温度より低く、冷却が必要である際、または内部温度が太陽熱で加熱された温度より高い際を除いて、常に停止される。ファン８１５は、外部温度が既定レベルを超える際を除いて、常に作動している。このことが生じたときは、ファン８１５が停止しダンパー８１９が開くことにより、空気は排出路８１０を通って逃れることができる。
【０１２３】
またシステムは、導管内および／または建造物内部および／または建造物外部に配置された１つまたは複数の圧力センサを含んでもよい。圧力センサは、システム制御装置によりシステムがシステム内またはシステム付近で検知された圧力に基づいて、例えば圧力が圧力閾値に達したまたは圧力閾値を超えた場合、モード間の切り替えをできるように、システム制御装置と連通してもよい。圧力閾値は、絶対閾値よりむしろシステム内の他の圧力に関連してもよい。
【０１２４】
一部の実施形態では、制御装置は、時刻に基づいてモード間で切り替えるようにシステムを作動できる時計またはタイマーを備えてもよい。一部の実施形態では、システムは、太陽熱集熱装置上の太陽光入射量を検知する手段を備えてもよく、その結果システムはそれに応じてモード間で切り替えることができる。
【０１２５】
ダンパーはあらゆる適切な機構を使用して作動してもよい。一実施形態では、空気が扉および窓（または他の空洞）を通って建造物内部８０４に吸入されて、集熱装置８０２において熱源まで上昇する際にダンパー８２３が開くように、ダンパー８２３は圧力センサに連結される。ダンパー８２３は、ダンパー８２３上に上昇する空気圧がないときに（例えば家屋の窓および扉が閉じている場合に）閉じてもよい。ダンパー８２３が開いているときは、ダンパー８２４は閉じており、逆も同様である。ダンパー８２３および８２４は、電動式二重迂回枝部に連結されてもよい。
【０１２６】
ファン８１５が作動しているとき、ダンパー８１９は閉じ、ダンパー８２３も閉じてもよい。したがってシステムは、ファンの状況に基づいてダンパーを作動するように構成されてもよい。
【０１２７】
建造物に入出する流れの均衡を達成するために、ダンパーは部分的に開閉するように作動可能であってもよい。またシステムは、建造物から厨房および浴室などの換気ファンを通る空気損失を考慮されてもよい。適切な気流センサは、気流量を検出し、制御装置と通信するために導管内に位置付けられてもよく、制御装置はそれに応じてシステムの作動を制御できる。加えて、ファンがそれぞれの導管を通る空気を駆動する量も、建造物に入出する気流の均衡を達成するために制御装置によって制御されてもよい。
【０１２８】
システムは、システムを通過する空気から埃および他の粒子を除去するためにフィルタを備えてもよい。一実施形態では、１つのフィルタは、流入空気を濾過するために導入路８１６内に位置付けられ、別のフィルタは、建造物内部から流入する淀んだ空気を濾過するために内部路８２６内に位置付けられる。またフィルタは夏期モードで集熱装置８０２への空気の受動的上昇流を濾過するために存在してもよい。好ましくはフィルタは、実質的に空気の流れを制限しないが、集熱装置８０２を清浄に保つように機能する。例えばフィルタは、天井ダクト８１４および８２２内に位置付けられてもよい。
【０１２９】
本発明によるシステムの一実施形態は、図９〜１４に概略的に示されている。このレイアウトおよび構成の変形形態が他の実施形態に使用されてもよいことが理解されよう。例えば、追加のファン、ダンパーおよび集熱装置が使用されてもよいように、追加の進入路、排出路および内部路が使用されてもよい。別法として、図９〜１４に説明された実施形態の一部の導管、ファンまたはダンパーは、一部のシステムには存在しなくてもよい。
【０１３０】
図１〜７を参照して説明された実施形態などにおける太陽熱集熱装置／加熱交換器８０２の設計は、図９〜１４の太陽空気加熱および冷却システムの有効性および効率を増加させることが理解されよう。
【０１３１】
本発明の代替的実施形態
本発明の１つの代替的実施形態では、カナダ特許第１０８２５４４号に説明されたようなハニカム構造を使用して、集熱装置の上部チャネルとトップパネルとの間の熱を捕捉してもよい。しかし再放射および自然対流の問題を緩和するためにハニカム構造を使用することは、一部の設置には有益であり得るが、トップパネルおよび集熱装置の他の構成要素の余分な汚れは他の設置に望ましくないことがある。
【０１３２】
本発明の一実施形態では、太陽熱空気冷却システムは、システムが上述された「夏期太陽冷却」モードまたは「太陽煙突」モードのみで作動するために充分な構成要素で構成される。これは、建造物を冷却するためにパッシブ換気および自然熱対流を使用する熱帯地方には有益であることがある。対流気流の上昇圧力に影響を受けやすい一方向ダンパーが使用されてもよく、対流気流の上昇圧力が存在するとダンパーは開く。システムが閉鎖しているときは、別のダンパーが開くことにより集熱装置を新鮮な外気で冷却することができるはずである。
【０１３３】
本発明の一部の実施形態では、熱エネルギーを上部チャネルと交換する手段は、太陽熱エネルギーを保存する手段を備える。好ましい実施形態では、熱エネルギーを保存する手段は、集熱装置の下部空気チャネルと熱的連通して位置付けられる。一実施形態では、相変化材料（ＰＣＭ）の層は、下部空気チャネルの下の集熱装置内に位置付けられる。ＰＣＭは熱エネルギーを保存してもよく、熱エネルギーは後に必要なときに放出されることが可能である。
【０１３４】
一研究では、ＰＣＭは、熱エネルギーを午後４時から３時間の間に確実に上昇させることがわかった。国際特許出願第ＷＯ８５／００２１２号は、ＰＣＭを保管するように設計された平板の一方向太陽空気加熱装置を説明している。本発明におけるＰＣＭは、太陽のエネルギーからだけではなく、再生された空気によって上昇された熱を保存し放出する。例えば熱エネルギーを上昇させるために夕方／夜に熱を凝集し放出するために、ＰＣＭが冷却される必要があるときがある。この場合、タイマーは再生された熱のためにファン８２７を停止させるはずであり、ＰＣＭは完全に凝集され、それによってＰＣＭの熱エネルギーを放出することができるはずである。また本発明の範囲内のＰＣＭの貯蔵能力は、太陽煙突機能に非常に有益である。太陽空気加熱装置が夜冷却すると、太陽空気加熱装置は熱エネルギーを放出するはずであり、熱エネルギーは建造物内の上方吸引を、またそれによって太陽煙突機能の冷却時間を延長する。これにより建造物を夜完全に冷却することが可能になるはずである。
【０１３５】
場合によっては、表面実装型の太陽熱空気集熱装置の高さに垂直制限があることがある。このような場合に、下部空気チャネルおよびＰＣＭ層のどちらにも余裕がないことがある。代わりに下層は、熱回収のために使用される（したがって下部空気チャネルを収納する）か、またはＰＣＭを介して熱を保存するはずである。また高さ制限以外の他の理由も、集熱装置の層の異なる構成を駆動してもよい。後者の場合、２つの入口開口および出口開口は閉じられて絶縁されてもよく、または開口は存在しなくてもよい。これらの様々な連続した配置が可能である。例えば高さ２５／３０ｍｍｍ、９５０ｍｍｘ１８００ｍｍのチャネルでは、ＰＣＭの約１２ｍｍｘ４５０ｍｍｘ３００ｍｍのＣＳＭパネルを保存できるはずであり、最大保存エネルギー容量は約１２００Ｗｈである。これは冬期の夕方／夜にＰＣＭが凝集を開始するときに有利に加熱を提供するか、または夏期の夜に「太陽煙突」作動の場合に冷却を提供するはずである。
【０１３６】
本発明の他の実施形態では、システムは、太陽エネルギーを利用できる他のシステムと組み合わせられてもよい。例えば太陽（ＰＶ）電池のアレイまたはモジュールは、本発明による太陽加熱／冷却システムの一部として、または太陽加熱／冷却システムと組み合わせて設置されてもよい。例えば集熱装置のトップパネル上にＰＶ電池のアレイが装着されてもよい。新しい透明ＰＶ電池は、特に有利に使用されてもよい。本発明の建造物に一体化された型では、集熱装置はＰＶ電池の底面に直接位置付けられてもよい。ＰＶ能力を加えることは、維持費およびシステムの温室のフットプリントを補ってもよい（例えばファンに電力を供給する）。またこの方法で太陽空気加熱装置をＰＶ電池と組み合わせることにより、建造物上の太陽エネルギー装置の物理的フットプリントが低減する。
【０１３７】
気流の十分な電流が太陽空気加熱／冷却システムを介して排出路に排出される場合、風力発電機を使用して発電するために、この気流のエネルギーを使用する可能性がある。当然のことながら透明壁の下の好ましいチャネル行列は、例えば発電のために「煙突効果」に風力エネルギーの利用に加えて換気のような、商業用建造物に有用である、（傾斜したまたは垂直な）大面積を形成するために拡大されることが可能である。
【０１３８】
文脈が明確にそうでないと求めない限り、説明および特許請求の範囲全体を通して、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」などは、排他的または網羅的意味とは反対に包括的な意味、すなわち、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）がこれに限定されない」という意味に解釈されるべきである。
【０１３９】
上記および下記に引用されたすべての特許出願、特許、および公報のすべての開示は、あるとすれば、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４０】
本明細書におけるあらゆる先行技術への参照は、該先行技術が世界のあらゆる国で努力傾注分野における共通一般知識の一部を形成する、承認またはあらゆる形の提案ではなく、かつ承認またはあらゆる形の提案と解釈されるべきではない。
【０１４１】
また本発明は、本出願の明細書で言及された、または示された複数の部分、要素もしくは特徴の任意またはすべての組合せにおいて、個別にあるいは集合的に、該部分、要素および特徴であると概して言ってもよい。
【０１４２】
前述の説明においてその公知の等価物を有する完全体または構成要素を参照した場合、このような完全体は個別に説明されたかのように本明細書に組み込まれる。
【０１４３】
本明細書に説明された本発明の好ましい実施形態の様々な変更および修正は、当業者には明らかになることを留意されたい。このような変更および修正は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、またその付随する利点を減少することなく行われてもよい。したがってこのような変更および修正は、本発明の範囲内に含まれることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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