(57)【要約】  有界システム内で、プロセスサイクル管理、システムデザインの新規の技術の組み合わせによる人工環境の操作を適用し、構造的に連結された外部環境を利用することにより、エネルギーと物質のシステムエントロピーの増加を緩和させることが可能である。実施形態の一例として、熱管理、大気の最適化、放射線管理、水理学的システム、エネルギーシステム、マテリアルフロー、システム管理、およびビルドシステムの８つの一次システムを調節する設計された生態系が形成され、物質とエネルギーのカスケードフローの恒常性制御を提供する。理想的に、システムの共生プロセスは、資源の使用バランス、輸送要件の削減、水、鉱物、および残留の流れのサイクル短縮、余剰と埋蔵量のストレージを提供するシステムの統一を形成するために、相反性や成立した自治を介し動作する。本システムは、有界入力および出力を考慮し、出力が入力を超えないという安定な受動的デザインの実現を可能にする。【選択図】図１０１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
散逸構造内でエクセルギーを最適化するための方法であって、
エクセルギーキャリアを調節し、熱流束および熱貯臓器を含む熱管理システムを提供し、
ガス処理と、ガス配給と、ガス濃度と、活性剤を通過するエクセルギーキャリアの操作と、濾過工程と、分子、微粒子、揮発性有機化合物の群からの物質の変換・濃縮とを含む大気管理システムを提供し、
直接光および集中光と、太陽光および人工放射線の使用の最適化とを含む、放射工程を制御し、
時間周期とイベントと、活用と浄化と、構造的エクセルギーとを含む水理学的循環を管理し、
同化作用および異化作用処理と、藻類フォトバイオリアクタ（ＡＰＢＲ）と、アクアポニックスと、生化学的、触媒性および熱化学処理と、窒素および炭素循環と、資源分離とを含むマテリアルサイクルの操作を活用し、
差圧の生成と、システムを介した熱流束熱エネルギーとを含むエネルギーシステム原動機を提供し、
エクセルギーフローの管理のために、拡散および情報処理によって物質とエネルギーの経時的交換を管理することを含む監視管理システムを提供し、
物質輸送と、物質保管と、太陽エネルギーの集光と、微気候と、単純な拡散と、物質とエネルギーの経時的交換管理と、物質とエネルギーのカスケードフローの恒常性制御とを含む建築システムを活用する、
散逸構造内でエクセルギーを最適化するための方法。
【請求項２】
熱貯蔵器は、その温度勾配が熱源とヒートシンクに関連付けられている熱エクセルギーを保存するための指定温度範囲をそれぞれ持つ、複数の貯蔵器を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
熱貯蔵器は、顕熱、潜熱群からなる蓄熱材料を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
ゼオライト、活性炭群からの材料を持つ分子ふるいを含むガス処理は、窒素と、酸素と、二酸化硫黄と、二酸化炭素との群からのガスの気流からの分離、富化、吸収の工程を提供することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
光触媒および触媒性親水性表面を含むガス処理は、金属と、有機物と、二酸化チタン（ＴｉＯ２）から成る群から選択された有機材料を分解することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
活性剤を通過するエクセルギーキャリアの操作は、独立栄養生物と、微生物と、細菌と、触媒との群からの活性剤を通過して前記エクセルギーキャリアを流す対流流体ループを備えることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
濾過工程は、前記監視管理システムにより管理され、熱サイフォン効果と対流効果を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
物質の変換は、二酸化硫黄と、窒素酸化物との群からの物質を、酸素と、硫黄と、窒素の群を含む前記物質の元素成分に変換する、微生物と、独立栄養生物と、細菌と、触媒との群からの触媒を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記直接光および集中光の構造が、塔状建造物と、階段と、太陽煙突と、固定型追跡反射面と、ビームステアリング調整可能な焦点と、六角形建物から成る群からの前記構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
放射使用の最適化は、六角形建物の設計を使用する第一段階と、シャッタと、ルーバーと、フォトクロミック、熱変色性、エレクトロクロミックおよびフォトエレクトロクロミック技術と、リトラクタブルシェードネッティングの群からの光制御技術を使用する第二段階とを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
水理学的循環の管理は、構造的エクセルギーと時間的イベントと、時間とイベントレジスタと、水の流入と、および前記水を貯蔵器と流体処理に分離することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
特定のイベントでの水の流入は、前記水が分離されることができるように水質を決定する第一段階とその後前記水を他の水と組み合わせる任意的な第二段階と直接ユーザ介入と、農薬散布の産業イベントと、汚染指数との群からのデータを利用し、前記水をリアルタイムあるいはほぼリアルタイムにテストと分析を行う第三段階とを備えることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記テストと分析は、前記データの予測分析を利用することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
水理学的循環管理は、降水量の構造的エクセルギーを吸収および保管する機能を備えることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１５】
除湿は、ゼオライトの群からの乾燥剤の利用を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１６】
乾燥剤の再充填は、蓄熱システムの温度勾配を用いて乾燥剤の温度を増加させる第一段階と含まれる水を蒸気相に変換する第二段階と前記蒸気を放出し、複数の熱交換を介して水に凝縮する第三段階と熱エネルギーを再吸収する第四段階からなることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
分離資源は、石油化学製品とフッ化から成る群からの一般的な汚染物質と尿の分離のための複数の排水を含有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
複数の排水は、歯磨き粉と、化粧品と、ローションとの群からの特定の汚染物質のために最適化された個別の処理システムを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
藻類フォトバイオリアクタ（ＡＰＢＲ）は、人工放射と太陽の群からの放射線を利用し、バイオマス生産とマテリアルサイクルの酸化作用を提供する光合成を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
藻類フォトバイオリアクタ（ＡＰＢＲ）は、菌糸体から採取した富化ＣＯ２を利用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
菌糸体の生産は、滅菌培地上での培養を含み、前記滅菌培地の生産は、好ましくは嫌気性消化によるサイレージを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
滅菌媒体の生産は、藻類フォトバイオリアクタ（ＡＰＢＲ）からの酸素の入力制御を介して熱的に調節される低温殺菌処理を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
熱化学的処理は、バイオ炭と、熱分解オイルと、合成ガスの群の生産と、解重合と、熱分解と、ガス化とを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
触媒処理は、バイオマスの群からの合成ガスを生成する解重合と熱分解を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
ディーゼルシステムと、カルノーと、ランキンと、熱音響原動機と、熱電発電装置の群からの前記原動機は、熱流束熱エネルギーによって稼働することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
差圧は、液体が相変化によってガスを膨張させ、またはその逆過程が発生して前記原動機を駆動した時の相変化における熱エネルギー束の活用を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
監視管理システムは、エクセルギーと、資源環境と、情報処理管理とを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
物質とエネルギーのカスケードフローの恒常性制御のための前記建築システムは、物質輸送と、物質保管と、太陽エネルギーと、微気候と、単純拡散の群からの建物内の物質とエネルギー交換管理をする第一段階であって、ここで、直接光および集中光の構造と、塔状建造物と、階段と、太陽煙突と、固定型追跡反射面と、ビームステアリング調整可能な焦点と、六角形建物の設計の群からの建物構造を利用する前記第一段階と、シャッタと、ルーバーと、フォトクロミック、熱変色性、エレクトロクロミックおよびフォトエレクトロクロミック技術と、リトラクタブルシェードネッティングの群からの光制御技術を活用する第二段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
散逸構造でのエクセルギーを最適化にするシステムであって、
エクセルギーキャリアと連通した熱流束貯蔵器を含む熱管理システムと、
揮発性有機化合物と、微粒子と、分子との群からの物質の変換器と濃縮器を備えるフィルタと、活性剤と、エクセルギーキャリアムーバー（ポンプ）と、ガス濃縮器とガス分配器と、ガス処理装置と、を備える大気管理システムと、
直接光と集中光とを使用する人工放射と太陽を最適化する放射工程コントローラと、
時間周期とイベントコントローラと、固定ハンドラと、液体と、ガスを含む水理学的循環管理システムと、
マテリアルサイクルが、同化作用および異化作用処理と、藻類フォトバイオリアクタ（ＡＰＢＲ）と、アクアポニックスシステムと、生化学的処理および熱化学的処理と、触媒処理と、窒素循環および炭素循環と、資源分離と、を含むマテリアルサイクルオペレータと、
差圧の生成と、システムを介した熱流束熱エネルギーを含むエネルギーシステム原動機と；
エクセルギーフロー管理のために拡散および情報処理によって、物質とエネルギーの経時的交換を管理することを含む監視管理システムと、
物質とエネルギーのカスケードフローの恒常性制御と、エネルギーと物質の経時的交換の管理者と、単純拡散プロセッサと、微気候域と、太陽エネルギー集光器と、物質ストレージと、物質輸送を含む建築システムと、
を備えている散逸構造でのエクセルギーを最適化にするシステム。
【請求項３０】
熱貯蔵器は、その温度勾配が熱源とシンクと連絡する熱エクセルギーを保存するための、温度がそれぞれ指定された複数の貯蔵器を含むことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
熱貯蔵器は、顕熱・潜熱群からの蓄熱材料の種類を含むことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３２】
ガス処理装置は、窒素と、酸素と、二酸化硫黄と、二酸化炭素のガスの分離、富化、および吸収の段階を処理するゼオライトや活性炭群からの材料を持つ分子ふるいを含むことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３３】
ガス処理装置は、金属と、有機物と、二酸化チタン（ＴｉＯ２）から成る触媒群から選択された触媒性親水性表面と光触媒とを含むことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３４】
エクセルギーキャリアムーバー（ポンプ）は、独立栄養生物と、微生物と、細菌と、触媒の群からの活性剤を通過する前記エクセルギーキャリアを流す対流流体ループを備えることを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３５】
フィルタは、前記活性剤を通過する前記エクセルギーキャリアを流す対流流体ループを含むことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３６】
物質の変換装置および濃縮装置は、二酸化硫黄と窒素酸化物の群からの前記変換装置と濃縮装置の物質を、酸素と、硫黄と、窒素の群を含む前記元素成分に変換する、微生物と、独立栄養生物と、細菌と、触媒の群からの触媒を含む、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３７】
直接光と集中光の構造は、塔状建造物と、階段と、太陽煙突と、固定型追跡反射面と、ビームステアリング調整可能な焦点と、六角形建物の設計の群からなる構造を備えることを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３８】
放射利用の最適化は、六角形建物と、ルーバーと、シャッタと、フォトクロミック、熱変色性、エレクトロクロミックおよびフォトエレクトロクロミック技術と、リトラクタブルシェードネッティングの群による光制御技術とつながっていることを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３９】
水理学的循環の管理は、水の貯蔵器への分離と、流体処理と、水の流入、構造的エクセルギー、時間的、および時間とイベントのレジスタからなるイベントの管理とを含むことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項４０】
特定のイベントでの水の流入は、直接的なユーザ介入と、農薬散布の産業イベントと、汚染指数の群からのデータを用いてリアルタイムあるいはほぼリアルタイムに水をテストおよび分析する管理者によって、前記水の分離、前記水を他の同じ水質の水との組み合わせ、水質の決定を含むことを特徴とする請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
テストと分析とは、前記データの予測分析を含むことを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
水理学的循環の管理は、降水量の構造的エクセルギーの採取および保管を含むことを特徴とする請求項２９記載のシステム。
【請求項４３】
除湿は、ゼオライト群からの乾燥剤を含むことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項４４】
乾燥剤は再充填され、当該乾燥剤は温度によって複数の熱貯蔵器システムから選択された蓄熱システムと連通し、前記乾燥剤は、選択された熱貯蔵器システムの温度まで増加的にもたらされ、含まれる水は相変化によって蒸気に変換し、前記蒸気は、複数の熱交換を介して放出された後に水に凝縮されて熱エネルギーの再採取工程を含むことを特徴とする請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
資源分離は、フッ化物や石油化学製品の群からの一般的な汚染物質と尿の分離に用いられる複数の排水を備えることを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項４６】
複数の排水は、歯磨き粉、化粧品、ローションの群からの特定の汚染物質のために最適化された個別の処理システムを含むことを特徴とする請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
藻類フォトバイオリアクタ（ＡＰＢＲ）は、前記藻類フォトバイオリアクタ（ＡＰＢＲ）内に太陽と人工の群からの放射とつながる光合成を含み、前記光合成は、バイオマス生産とマテリアルサイクルのための酸化過程を提供することを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項４８】
藻類フォトバイオリアクタ（ＡＰＢＲ）は、菌糸体から得られた富化されたＣＯ２材料を受け取ることを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項４９】
菌糸体の栽培は、好気性消化培地と滅菌培地を備えており、前記滅菌培地の生産に第二好気性消化培地を適用することを特徴とする請求項４８に記載のシステム。
【請求項５０】
滅菌培地の生産は、前記藻類フォトバイオリアクタ（ＡＰＢＲ）からのＯ２の流入の制御を通して、熱的に調節された低温殺菌プロセスを含むことを特徴とする請求項４９に記載のシステム。
【請求項５１】
熱化学的処理は、バイオ炭と熱分解オイルの群からの合成ガスの生産と、解重合と、熱分解と、ガス化とを含むことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項５２】
触媒処理は、バイオマスの群からの合成ガスの生産、解重合、熱分解を含むことを特徴とする請求項２９のシステム。
【請求項５３】
前記原動機は、ディーゼルと、カルノーと、ランキンと、熱音響原動機と、熱電発電装置の群から選択され、熱流束熱エネルギーと連絡していることを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項５４】
差圧は、相変化システムにおける熱エネルギーの束を利用することを含み、前記相変化は、液体をガスに膨張させ、またはその逆過程によって前記原動機を動作させることを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項５５】
監視管理システムは、情報処理管理と、資源環境と、エクセルギー用管理システムとを含むことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項５６】
物質とエネルギーのカスケードフローの恒常性制御は、物質輸送と、物質保管と、太陽エネルギーと、微気候と、単純拡散の群からの建物内の物質とエネルギー交換を含み、直接光と集中光の構造と、塔状建造物と、階段と、太陽煙突と、固定型追跡反射面と、ビームステアリング調整可能な焦点と、六角形建物の設計で構成される群からの建物構造と連絡しており、ルーバーと、シャッタと、フォトクロミック、熱変色性、エレクトロクロミックおよびフォトエレクトロクロミック技術と、リトラクタブルシェードネッティングとの群から光制御技術との連絡をそなえていることを特徴とする請求項２９に記載のシステム
【請求項５７】
散逸構造からのエクセルギーの抽出方法であって、
熱流束および貯蔵器を提供し、エクセルギーキャリアを調節し、
その温度勾配が熱源とヒートシンクに関連付けられている熱エクセルギーを保存するための指定温度範囲をそれぞれ持つ複数の貯蔵器を含むエクセルギー資源を提供し、
前記熱源とヒートシンクとが熱と圧力と蒸気とガスとを提供することを特徴とする散逸構造からのエクセルギーの抽出方法。
【請求項５８】
ヒートシンクは、前記熱流束熱エネルギーと連通し、カルノーと、ランキンと、熱電発電装置の群からの原動機を備えることを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
熱貯蔵器は、顕熱と潜熱の群からなる蓄熱材料を備えることを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【請求項６０】
乾燥剤の温度が前記熱貯蔵器システムの温度勾配を用いて増加的に上昇させる第一段階と、含まれる水が相変化によって蒸気に変換する第二段階と、前記蒸気が前記熱流束熱エネルギーを放出することによって前記原動機を駆動させる第三段階を用いて熱源とヒートシンクは前記蒸気を供給することを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【請求項６１】
差圧は、液体が相変化によってガスに膨張し、または、その逆過程が発生することによってブレイトンサイクルシステムとタービンと熱音響原動機の群からの前記原動機を駆動させた時の相変化における前記熱流束の利用を含むことを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【請求項６２】
エクセルギー資源は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）に出力を与え、前記圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システムは、ガスを分離および濃縮することを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【請求項６３】
散逸構造からエクセルギーを抽出するためのシステムであって、
熱流束と貯蔵器と、エクセルギーキャリアの調節と、
その温度勾配が熱源とヒートシンクに関連付けられている熱エクセルギー貯蔵のための指定温度範囲をそれぞれ持つ複数の貯蔵器からなるエクセルギー源と、
を備えており、
前記熱源とヒートシンクとが、ガスと蒸気と圧力と熱とを供給することを特徴とする散逸構造からエクセルギーを抽出するためのシステム。
【請求項６４】
ヒートシンクは、前記熱流束熱エネルギーと連通し、カルノー、ランキン、熱電発電装置の群からの原動機を備えることを特徴とする請求項６３に記載のシステム。
【請求項６５】
熱貯蔵器は、潜熱、顕熱の群からの蓄熱材料を備えることを特徴とする請求項６３に記載のシステム。
【請求項６６】
熱源とヒートシンクとは、熱貯蔵器の温度勾配を用いて乾燥剤の温度を段階的に上昇させ、含まれる水が相変化によって蒸気になり、前記蒸気が前記熱流束熱エネルギーを放出することによって前記原動機を動作させた時の前記蒸気を供給することを特徴とする請求項６３に記載のシステム。
【請求項６７】
差圧は、液体が相変化によってガスに膨張し、またはその逆過程が発生して、ブレイトンサイクルシステムと、タービンと、熱音響原動機の群からの前記原動機を駆動した時の前記相変化における熱エネルギー束の活用を含むことを特徴とする請求項６３に記載のシステム。
【請求項６８】
エクセルギー資源は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）に出力を与え、前記圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システムは、前記ガスを分離および濃縮することを特徴とする請求項６３に記載のシステム。
【請求項６９】
散逸構造からのエクセルギーの抽出方法であって、
エクセルギーキャリアを調節し、熱流束および貯蔵器を提供し、
その温度勾配が熱源とヒートシンクに関連付けられている熱エクセルギーを保存するための指定温度範囲をそれぞれ持つ複数の貯蔵器で構成されるエクセルギー資源を提供し、
前期熱源とヒートシンクとが熱と圧力と蒸気とガスとを提供することを特徴とする散逸構造からのエクセルギーの抽出方法。
【請求項７０】
流体流を駆動して熱エネルギーを輸送する方法であって、  
流体導管を提供し、
前記流体中に浮力を提供し、
前記導管内の差動加熱を提供し、
前記浮力は、前記差動加熱に影響されることを特徴とし、
駆動流体と熱サイフォンを含む熱エネルギーの輸送を提供する、
流体流を駆動して熱エネルギーを輸送してする方法。
【請求項７１】
熱エネルギーを輸送して流体流を駆動するシステムであって、
流体導管と、  
浮力流体と、
前記導管内の差動加熱と、
浮力流体フローと、
熱サイフォンとを備える熱エネルギーを輸送して流体流を駆動するシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
技術分野
本出願は、気候や環境管理システムに関し、具体的にはエクセルギーフロー、システムのエントロピーレベル、および資源活用を向上させることを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
初期の歴史から、人類は、周囲からの入力を活用し、より好適な環境を提供するために、環境を変えてきた。生け垣等を植え付け、風を遮断した。湿地は、植物のために水を保持した。チナンパは、農業生産用の最適な環境を作成した。霧フェンスと空気井戸は、空気を除湿して水を供給した。建物は、太陽放射を緩和させるために配向させた。高熱質量壁は、昼間の太陽熱を吸収し、夜時に放出した。補助熱を提供するために、火を管理した。風車は、風力エネルギーを得て、それに対する水車は、水流からエネルギーを採った。半透明窓ガラスの出現により、温室は、さらに気候を管理するために太陽放射を利用する新方法を発見した。化石燃料の発見と産業革命の始まりにより、気候、デバイス、プロセス制御の新方法が発明されると同時に現在の空気調和産業（ＨＶＡＣ）が現れた。
【０００３】
多くの近代気候管理方法は、大きなエネルギー入力を利用して提供するサービス（一般的に加熱、冷却、換気、および湿度制御）に対して規模的に制限される。これらシステムへの改善は増加的に起こり続け、気候制御のこれらの分野にのみ対処し続ける。
【０００４】
上記で参照された先行技術は、気候制御の改善のためのこれらの種類の解決が多い。殆ど全てのデザイン（設計）は、単一の設計目標に集点を当てる。すなわち、省エネルギー。閉生態システムのための水理学的システムのための米国特許第５，３２２，０３５号（Ｈａｗｅｓら、１９９４年）、米国特許第５，００５，７８７号（Ｃｕｌｌｉｎｇｆｏｒｄ）、米国特許第５，６１４，３７８号（Ｙａｎｇ）の、「閉生態系生命維持システム（ＣＥＬＳＳ）］等のような設計は、研究と空間の用途に関連し、気候管理の他の面を述べる。これらの特許は、密閉された環境内での条件に対処し、栄養、炭素、および水循環を通じて利用可能な資源の管理といった、気候管理には通常関連しない追加の保存パラメータを含む。効率的な資源利用に、省エネルギーの単一設計目標を超えて集点を拡大することにより、環境管理への新しいアプローチが可能となる。
【０００５】
この一部の環境管理への新しいアプローチは、ジョントッド（博士）と彼のチームによって、ニューイングランドのニューアルケミー研究所で開発された。その後、ウィリアム・アーウィン・トンプソン、エイモリー・ロビンス、およびバックミンスター・フラーからの支援があった。彼らは、１９７０年代初頭での実験的な自給自足の構造、「箱舟」で先駆的な研究を行った。このチームは、自己自足なホームデザインで水産養殖を強調する先駆者であった。その後、ジョントッド（博士）は、「リビングマシン」という廃水を修正する生物学的プロセスを開発してきた。
【０００６】
最もよく知られている密閉環境プロジェクトは、１９９１年から２年間８人を完全に密封したアリゾナ州の大規模なバイオスフェアＩＩの構造があった。これは、ガラス下で約３エーカーを囲い、そのうち約０．５エーカーの領域に、食糧生産のために１５６食用植物種を使用した。この構造を構築するためのコストは、約１５０，０００，０００ドルであって１平方フィート当たりのコストは１，１００ドルとなり、非常に高い科学研究費であった。この実験は、当時に制限されたスペースで効率的な食料自給に関する最も徹底的な文書を生み出した。バイオスフェアＩＩは山、サバンナ、熱帯雨林、砂漠、海等のような多くの異なる気候域を一つの巨大なガラス構造に含んでいた。この気候は、空気調節および気流が必要であり、その結果、外部から非常に大きなエネルギー資源の使用が必要という報告があった。また、この構造に長時間で電力なしの場合には、温度が急激に上昇し、建物内にある動植物が殺される可能性が高い。
【０００７】
自給自足と回復力に焦点を当てた他種の環境気候制御システムは、付属の温室やエンベロープハウスとしてアメリカで開発されていた。温室家の中で最も広く知られている一つは、建築家マイク・レイノルズが開発した「アースシップ」であった。本低入力源家は、主に自動車タイヤのようなリサイクル材から受動的な気候制御のための熱質量を提供する版築で構築された。このシステムは多数の水・エネルギー保存技術を適用し、多くの場合、重要な食料生産能力で構築されている。
【０００８】
オランダにあるグリーンハウスウィレッジは、あまり知られていない環境気候システムの一例である。グリーンハウスヴィレッジ（オランダ語でＺｏｎｎｅｔｅｒｐ）のデザインは、エネルギー生産温室に基づいて構成されている。化石燃料の使用を完全に排除しながら、このエネルギー生産温室は、野菜の収穫を２０％を増加させる。グリーンハウスヴィレッジは、エネルギー、栄養素のリサイクルおよび廃棄物・排水処理を提供する完全分散型ソリューションを可能にする最初のシステムの１つである。
【０００９】
垂直農場のアイデアは、混雑都市部で食料生産の可能性を提供するとして、近年知られるようになった。構築されたものはないため、実際の機能や実用は、比較的に証明されていない。付近の建物により、スカイスクレパー農業は一日の大半で日陰を経験し得るという問題点がある。また、太陽から光合成用のエネルギーを収穫する場合、本システムは、土地の単位面積あたりによりわずかな太陽光しか吸収できず、垂直スタックは、それを変更しない。
【００１０】
本明細書で記述した実施形態に可能な機能において最も近いものは、ジョージ・チャンが提案したドリーム・ファームの概念である（それでも、現地気候条件に依存・制限される）。メイ・ワンホーにより、ドリームファーム概念をドリームファーム概念2に更新された。本概念は、「ゼロ・エミッション」、「無廃棄物」、高生産性農場、再生可能エネルギー利用の最大化、化石燃料を使用せずに廃棄物を食品・エネルギー資源に変換するモデルを提案した。
【００１１】
既存の特許を再検討すると、植物生育環境の管理問題における従来技術による問題と解決について述べた米国特許出願公開第２００８／００００１５１号が初めの文献として好適である。外部と内部の大気との間の空気流交換を含む温度レベル管理の対策が記述される。その対策は、熱を吸収し、周囲環境を冷却する水熱貯臓器を補助機としてファンやガス供給型暖房のようなアクティブ制御（動的制御）を利用することにより実現される。その後、必要に応じて熱を放出する。温室温度が目標温度に達成すると空気がシステム内に再循環される。
【００１２】
そのような気候制御システムには、問題や不利益が多く存在する。最初には、内部成長プロセスに悪影響を与え得る害虫や大気汚染物質のような不快物質を含み得る外気の交換によるものである。さらに、独立栄養生体（植物）が呼吸中にすべてのＣＯ２を吸収するため、大気ガス比の再循環工程は、内部の空気循環による悪影響を受ける可能性がある。その他の問題は、外部環境条件の変化である。寒い期間にガスヒーターで装備される場合では、結合された外部環境が継続的に暖かい時に蓄熱貯蔵器は冷却の役にほとんど立たない。また、これらのシステムが機能するために、化石燃料と電力が必要となる。
【００１３】
これらの問題の一部に対処する特許は米国特許第４，０７７，１５８号である。その特許は、生育環境の環境制御の提供における複雑な問題を反映している。
この特許は、蓄熱貯蔵器と蓄冷貯蔵器との熱交換を実施するための可逆熱サイフォンの利用方法を提供する。蓄熱器は、太陽放射を吸収するためにも利用できる。また、蓄熱貯蔵器の温度レベルに影響する雨水の収穫も組み込む。育成システムは、害虫を排除するために内部大気の分離と濾過などのようないくつかの機能を提供する。貯蔵器は、多機能であり、システム内の成長させた植物を輸送するための堀として作用することができる。また、水産養殖のサポートとして利用することもできる。この特許は、蒸発冷却と除熱を提供するための植物への直接灌漑によって、蓄熱貯蔵器による可能な冷却の提供を補足する。さらに、必要な場合に根に空気を混入して水や栄養を供給することで環境を管理することにまで及ぶ。
【００１４】
この同様な問題およびその解決は、次に述べたエクセルギーと資源環境管理システムに関する議論で記述する。その前に、まずは、これらの問題に解決するために必要な技術を調査することが有用である。
【００１５】
その最初の技術は、米国特許出願公開第２００７／０２９５４８９号に記述した水体を熱貯蔵器として用いた技術である。この特許の主要なイノベーションは、空調費を削減するために、プールや消火用の貯水池などのいままで未使用の蓄熱器（熱貯蔵器）を利用することである。続けて、貯蔵器内の流体がその貯蔵器と混合しないための熱交換方法を議論する。また、基本的には、非ピーク時に電力を使用し、所望のパラメータ内に収まるように蓄熱器温度を調整する方法を議論する。その設計における問題は、アクティブプロセスによって貯蔵器の熱状態を継続的に調整する必要があることである。また、アクティブなエネルギー入力が存在しないと所望の目標温度に水体（プールなど）の維持対策を提供しない。この問題に関する解決を説明する。
【００１６】
顕熱蓄熱貯蔵器（ｓｅｎｓｉｂｌｅ  ｈｅａｔ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ．）内の温度勾配を利用する、環境制御用の関連技術に関する米国特許第７，９９７，０７９号の特許も興味深い。温度勾配が非常に有用であるが、媒体の混合の潜在的な問題がある。また、熱エネルギーキャリア流体は、アクティブセンサーの利用を介して貯蔵器からクライアントに移動することしかしない。その他の問題は、それがの熱・冷だまりしか提供しないことである。この制限に対処する代替的な設計は、次に提案される。
国際公開ＷＯ２０１３／０７０３９６Ａ１では、別の興味深い技術が紹介されている。その国際出願は、カスケード配列内の蓄熱の利点を議論する最初に公開された特許である。この技術は、主に集中型ソーラーアレイの熱エネルギーを貯蔵する問題に対処するために提案された。環境管理への興味深い技術は、熱の貯蔵のために利用される相変化材料である。また、カスケード内の補充された一つの相変化材料が次の材料に補充する方法を提案した。この技術は、多くの利点を有するが、潜熱等温バケットに加えて、実用的なストレージ技術の使用には対処していない。
その他の参考文献
含まず
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第５，３２２，０３５号
【特許文献２】米国特許第５，００５，７８７号
【特許文献３】米国特許第５，６１４，３７８号
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８／００００１５１号
【特許文献５】米国特許第４，０７７，１５８号
【特許文献６】米国特許出願公開第２００７／０２９５４８９号
【特許文献７】米国特許第７，９９７，０７９号
【特許文献８】国際公開ＷＯ２０１３／０７０３９６Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
エクセルギーと資源環境管理システムは、従来のＨＶＡＣシステムにおける省エネルギーの単一目標に対する効率的な資源の利用に焦点を当てる。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
装置の一実施形態は、熱制御、大気の最適化、放射線管理、水と材料の使用、エネルギーシステム、システム管理インターフェース、および総合的な構築されたシステムを含む重要な改善を提供する。これらの改善は、デバイス、プロセス、スペースコンディショニングにおいて使用可能な資源のより良い活用を提供する。これらの目的および利点、ならびにさらなる目的および利点は、以下の説明および図面の考察から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図1は大気ガスを分離、濃縮するために使用される圧力スイング吸着法のサイクルを示す。（ウィキペディアの特別許可による）
【図１０Ａ】図１０Ａは、熱貯蔵器のカスケード的（連鎖的）な性質を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、異なる温度勾配に対する複数の熱交換器を利用した蓄熱を示す。
【図１１】図１１は、空気浄化のための根を通過する空気流路を通して成長するアクアポニックス（ａｑｕａｐｏｎｉｃｓ）を示す。
【図１２】図１２は、最終的に食品を作成するために、異化作用と同化作用の処理を備える尿や糞の廃棄物を表示する。
【図１３】図１３は、バイオディーゼルリアクタ、菌糸体の酵素加水分解、好気性と嫌気性消化、藻類のフォトバイオリアクタ（ｐｈｏｔｏ−ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ）を利用して統合されたバイオマスの生化学的処理システムを示す。
【図１４】図１４は、監視管理システムと熱貯蔵器と併せて合成ガスとバイオオイルを生産する熱化学的処理を示す。
【図１５】図１５は、熱貯蔵器システムでの熱消費器や熱生産器間の関係を示す。
【図１０１】図１０１は、異なる性質の入力のための貯蔵システムの可能なレイアウトを示し、特に、保存された１３の勾配を備え比較的高温から比較的低温の範囲である蓄熱システムである。
【図２０１】図２０１は、ハウジングユニットに統合されたエクセルギーと資源環境管理システムの潜在的な実施形態を示す。
【図２０２】図２０２は、建物の背面に水道魚槽を示すハウジングユニットに統合された潜在的な実施形態の側面形状を示す。
【図２０３】図２０３は、付加質量とエネルギーポテンシャルを提供する大規模なネットワークに結合された、３つの太陽煙突共通階段と経路を示すハウジングユニットに統合されたエクセルギーと資源環境管理システムの潜在的な実施形態の側面形状を表示する。
【図２０４】図２０４は、図１０１を一部の実施形態でより大きなネットワークに延長され付加質量とエネルギーポテンシャルを提供する相互接続された構築環境への変換を示す。
【図２０５】図２０５は、集光太陽パネルと庭内に植える収穫農業食品森林のための接続ラインに示すようにより大きな相互接続された構築環境へ個々のユニットを接続する階段を強化させることができる方法を表示する。
【図２０６】図２０６は、バイクと個人用高速輸送のための斜道・鉄道システムを介した人々を移動させるより大きな相互接続された構築環境を示す。また、雨水の侵入から地熱地上ストレージを遮蔽することができるテンションファブリックタイプの温室構造が示されている。
【図２０７】図２０７は、構造的に結合された外部環境へのより大きな相互接続建築環境のレイアウトを示す。六角形の間に引かれた線は質量やエネルギー転送のための高められた輸送システムである。このような構成から形成された中庭は、特定のマイクロ気候の形成と質量およびエネルギー勾配の分離をするために設計することができる。この図は２次元であるが、バルーンハーベスタや放射システムの配置・配向（通信ネットワーク）のような追加オプションを提供する、システム要素に結び付けた水素または他の浮力媒体により３次元で表すこともできる。
【図２０８】図２０８は、チナンパへの湿地の統合を示す。また、太陽追跡パネルを反射するための高太陽焦点が示される。
【図２０９】図２０９は、熱交換要素を介した対流空気を接続する階段を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
発明の詳細な説明
利点、効果
熱管理、大気の最適化、放射管理、水理学的システム、エネルギーシステム、マテリアルフロー、システム・インタフェース、および構築された構造の８つの一次システムの制御により、設計した最適生態系の実現が可能となる。本システムは、物質とエネルギーのカスケードフロー（ｃａｓｃａｄｉｎｇ  ｆｌｏｗ、連鎖的な流れ、直列的、段階的な流れ）の恒常性制御を提供する。具体化処理は、余剰と埋蔵量のストレージを提供しながら、水、鉱物、および残留の流れのサイクル短縮、輸送要件の削減、資源の使用バランスを介してシステムの回復力を向上させる。
【００２２】
従って、一つまたは多くの側面の利点は、資源保護の提供、より安全または健康的な環境の実現、汚染の低減および／または除去、信頼性・耐久性の向上、ライフサイクル・生態系・社会的便益の強化である。エクセルギーと資源環境管理システムは、物質とエネルギーのカスケードフローの効率的な分散型処理を経てアップグレード性、利便性、使いやすさ、純粋な研究体制に対する手頃な価格、品質の選択肢を提供することができる。システム統合化により、中間品および最終品を製造するために生産地付近または生産地でバイオマスの利用と処理を可能にする。これによって水・鉱物・残留のサイクルフローが短くなる。その結果、保管および輸送フロー要件を低減し、高付加価値製品の生産を可能にする。また、そのような活動に関与した典型的な季節労働に対する継続的労働に広げるべき労働力を可能にする。
【００２３】
１つ以上の態様のその他の利点は、以下の説明および添付図面の検討から明らかとなるであろう。
【００２４】
熱エネルギー緩和の利点
蓄熱や流通設備がない場合、緩和させた熱源から発生した過剰な熱は無効になる。蓄熱は、プロセスと空間冷却および加熱用の熱緩衝を可能にする。複数の熱貯蔵器を使用する場合、個々の温度は、所望の消費プロセス（すなわち、冷凍用の氷、暖房用の温水、蒸気生産、低温殺菌、中温性および好熱性のプロセス等）に適合させることができる。ストレージ容量は、日周（２４時間）、中間期（数日から数週間）、および季節（冬、春、夏、秋）のようなサイクル時にわたるシステム需要による適切なサイズにすることができる。これによって、無効になるエネルギーの使用を可能にする。
【００２５】
補助熱産生源（Ａｕｘｉｌｉａｒｙ  ｈｅａｔ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ、すなわち、ボイラー、核分裂、太陽集熱器、地熱、電気抵抗、燃焼、プロセス生成される熱、堆肥、雨水、コジェネレーション等）は、環境調整のために直接利用を伴って密着に統合する必要がある。また、その過剰な熱エネルギーは、残留エクセルギーと効率を最大化するための最適熱階調を含む蓄熱媒体に保存できる。
【００２６】
定義されるように、熱システムのエクセルギーは、システムを熱貯蔵器との平衡状態にもたらすプロセスの間に可能な最大有用作業である。周囲が貯蔵器である場合、エクセルギーは、その環境との平衡を達成するように変化を引き起こすシステムのポテンシャルである。エクセルギーは、利用できる使用可能なエネルギーである。それに対して、熱力学第一法則により、エネルギーは、プロセス中に破壊できず、別の形に変化することしかできない。熱力学第二法則に記載されているように、エクセルギーは、エントロピーの増加によるプロセスの不可逆性の原因である。システムとその周囲環境が平衡状態になった場合、エクセルギーはゼロになる。
【００２７】
潜在的な用途としては、補助加熱または冷却の恩恵を受けるデバイス、プロセス、および/または用途のすべてが含まれる。このシステムは、エンジン、圧縮機ベースの装置、蒸発器、バイオマス乾燥器、中温性または好熱性モードで動作する生物消化のような化学的および生物学プロセスを含む広範囲の実用的な適用のための所望な熱平衡を維持するのに簡単かつ効果的な手段を提供する。
【００２８】
熱管理の用途は、重度なストレスや生産性のロスにつながり得る高温または低温への長期被曝を制限する、最適なバイオマス成長のための温度節度を含む。多くの植物において冬期での温度緩和は、芽の成長を停止し、開花を促進する低い夜間温度が必要である。開花時間の温度緩和は、最適開花を確実にするために、所望のパラメータを範囲内で設定することができる。
【００２９】
本システムの温度緩和サイクルは、熱調節に関連した典型的なエネルギーコストを実質的に節約するだけでなく、成長のサイクルを短縮し、季節にわたり成長させることが可能なバイオマスの量を増加させることができる。植物やキノコ生産のためのそのような実施形態は、このような節度の恩恵を大きく受ける。そのようなシステムが、以前達成できなかった効率レベルで熱調節を有利的に提供するのは、記載される熱管理プロセスを介してである。
【００３０】
適切なサイズで、記述した蓄熱と組み合わせた熱ポンプは、最適な状態で実行することができ、高比率の調節の目標条件を可能にし、熱ポンプサイズと関連するエネルギー要件を低減する。これは、ハイブリッドシステムを形成するための吸収サイクルのようなプロセスと、廃熱回収を組み合わせる簡単な方法であり、空間の加熱・冷却のための従来方法との交換または補助を提案する。他の実施形態は、作動液のための動力エクセルギーキャリアムーバー（ポンプ）や送風機の必要性を減らすか、または交換するために熱サイフォンを用いて改善することができる。
【００３１】
大気の最適化の利点
換気システムは、一般的に、過剰な熱の除去、フィルタ処理、汚染物質と不要な水分を排出することにより、施設や建物の室内環境基準を維持するために使用される。空調空気が実質的な費用で加熱されたり冷却されたりして、そしてしばしば加湿されるため、多くの場合、経済的な考慮は、健康・快適な環境を維持しようとするのに反している。また、寒冷期のエネルギー目標を達成するには、大幅に空気交換を低減する建物外面（ｂｕｉｌｄｉｎｇ  ｅｎｖｅｌｏｐ）の気密工事が必要である。従来の空気処理システムは、しばしば、空気質問題に対処するために熱回収する機械的な換気を利用する。
【００３２】
現在のＨＶＡＣ（暖房、換気、および空調）システムは、多くの場合、屋外の良好な空気質の仮定に基づく。世界中の多くの環境では、外部から供給される空気を利用する能力を妨げる有害空気質の対象となっている。この状況では、空気質は、大気浄化のための付加作業に依存するようになっている。
【００３３】
多くの施設では、室内の低空気質は、「シックハウス症候群」と呼ばれるものにつながる伝染病レベルに達した。低空気質により、多くの人々が不快を感じ、職場での生産性が低下し、また、教育施設で不健康な学習環境になる。多くの人が、施設内で時間を過ごすため、花粉、カビ、掃除や建物の製品からの毒素、車の排気ガス、煙および院内感染（結核、水痘、風疹等）などのような大気汚染物質やアレルゲンに対処するための解決が不可欠となっている。大気の適合性を改善するための既存の解決法は、主にエネルギーの大入力に依存し、多数の制限がある。
【００３４】
放射線管理の利点
適切な設計は、最適なレベルを提供するのに必要な太陽光または人工放射線の導入される量を配慮する。例えば、光合成が所望される場合、システムは、理想的に、光合成装置に損害をもたらし、細胞プロセスを調節解除する光電気生理学信号（ＰＥＰＳ）を引き起こす過剰光による光阻害を誘発することなく、最適な成長を提供する太陽光を調整する。また、経時的に放射線のレベルを調節することは、多くの栄養補助食品の製造のために重要である。化学物質の合成変換とは対照的に、植物材料の天然酵素と二次代謝産物（アルカロイド、テルペノイド、配糖体、ポリケチド、およびペプチドなど）は、放射、温度、水、大気中のガス比、および栄養素を正確に管理して製造することができる。これらの環境変化は二次代謝産物、天然酵素、および優柔不断細胞のポケットの形質変換を通じて所望の栄養補助食品を作成することができる。
【００３５】
そして、電磁放射線が生物に与える影響も重要である。様々な科学研究は、電力線下に住んでいる子どもたちのがんリスクが増加するというリンク（例えば、ガーディアン、２００５年６月３日にＣａｒｖｅｌによって取り上げられたもの等）を示している。他の人（人口３％−８％の間）は、電気感度と診断されている。http://www.bioinitiative.org/conclusions/  で公開された最近の研究では体重１ｋｇ当たり０．００１  Ｗのレベルにおける無線通信装置の放射線レベルは、毒素が血液脳関門を侵入することができ（脳腫瘍リスクの増加）、体重１ｋｇ当たり０．０４  Ｗのレベルでは、精子の数を減少させ、そして体重１ｋｇ当たり０．０９  Ｗのレベルでは、ＤＮＡおよびＤＮＡ修復能力を損傷する。これらの情報により、予防原則に基づいて、放射線被曝を緩和することが有利である。
【００３６】
様々な構造における他問題は、室内照明質の改善に所望されるグレージング材の選択であるが、多くの場合には、従来建築材料よりもグレージング材を通る熱流束が比較的大量に発生する。その結果、建物内の所望環境を維持するためのコストが劇的に増加する。複数の外面の設計（ｅｎｖｅｌｏｐ  ｅ  ｄｅｓｉｇｎ）は、潜在的に環境制御の必要性を変えて複数のゾーンを作成することによって、熱流束を低減させる。様々なデザインを通じて、光合成増殖や空調空間内の熱流束の低下といった目標を達成するために、複数のゾーンへの放射線の緩和を可能にする。
【００３７】
水理学的循環（水文学的循環、Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｃｙｃｌｅｓ）の利点
最近、建築物は国中の水質汚染の最大発生源と水の最大消費者の一つとなっている。高水質が廃棄物の輸送のために非効率的に利用される。廃棄物を過剰希釈することによって水の回収・処理を妨げる。
【００３８】
特定の状況では、水の使用量は、95％まで減少させることができる。農業生産を管理された環境中に移動することで、水資源の使用量を穏やかにし、外部環境に入る可能性のある殺虫剤や除草剤等の汚染物質を低下、含有および／または除去することが可能になる。
【００３９】
廃水の再利用で１つの主要な問題としては、毒素の発生である。未知の資源から廃水を配給された場合、システムのプロセスに有害な生成物が存在する可能性がある。以上に記述した水流は、多くの場合、潜在的栄養素のロスや追加費用が含まれた追加処理を必要とする。地方レベル（個々の家庭、農場、肥育場、工場など）で廃水が利用された場合、廃水流は、最小限の廃水流希釈を受け,病原体、特定の夾雑物、および栄養素を分離することができるためより経済的な水処理を可能にする。
【００４０】
廃水流から回収した栄養を、その製品が直接システムのユーザによって摂取される食品や水産養殖生産システムと組み合わせた際、自己強化廃棄流処理システムを作成することができる。
【００４１】
廃水処理に重要な技術は、同時に複数問題を解決できる藻類技術である。藻類ベースシステムは、光合成を実行することで、酸素を連続的に供給することにより、エネルギー集約型曝気工程（廃水処理工場の総合エネルギーコストの４５％〜７５％を通常占める）を含まないで、栄養を効率的に除去することができる。このシステムは、従来の汚泥処理に利用される化学物質の使用を避け、生成された汚泥量を削減し、多く病原体を除去し、総溶解固形分（ＴＤＳ）・生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）・化学的酸素要求量ＣＯＤ）を低減し、処理プロセスを簡素化する。藻類ベースシステムは、無駄な栄養を、バイオ燃料あるいは肥料や栄養補助食品などの他の価値のある製品を作るためにさらに処理できる高エネルギーの藻類バイオマスに変化する。また、生物学的酸化処理は二酸化炭素を生成するため、藻類は、この炭素を光合成中に隔離して追加バイオマスを生成することができる。これにより、従来の廃水管理に典型的な温室効果ガスの生産を減少させる。
【００４２】
マテリアルサイクル（原料サイクル、Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｃｙｃｌｅｓ）の利点
技術は、既存の廃棄物流から、人類の使用のための価値、豊富、エネルギーおよび資源の実現に注力するようにシフトしている。マテリアルサイクルシステムは、主にバイオマス作物や残渣を用いて、化石燃料の使用の最小化または除去、温室効果ガスの排出量の低減、無駄になる栄養と資源の回収を行う。マテリアルサイクルは、好ましくは、可能な限りの回数での資源の使用を実現する。
【００４３】
一つの潜在的な実施形態は、使用可能な資源やエネルギーを用いて必要な製品を生成できる統合されたバイオリアクタまたはバイオリファイナリーを提供する。過剰炭素は、独立栄養生物によって利用することができる。従属栄養生物は、過剰酸素を二酸化炭素に変化させることができる。尿素および動物廃棄物からの栄養素は、アクアポニックスといったプロセスを通じて、食品や他の製品の生産のために植物を成長させるために利用できる。
【００４４】
削除
【００４５】
別の実施形態では、有機廃棄物は、生物圏から炭素やエネルギーの双方を除去できる木炭のような炭素を生成し、廃棄物中の細菌、有害物質や薬物を破壊するために熱分解される。この木炭は、さらに、付加価値土壌改正を作成する微生物群集を確立するために堆肥化などのプロセスで処理することができる。一部の実施形態では、この再生可能なエネルギー源は、バイオガスシステムや太陽集光器から得られる。
【００４６】
統合エネルギーシステム（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）の利点
自然空気流は、様々な有用な機能を達成するために何世紀にも活用されている。一般的に、風が高圧領域から低圧領域への空気の移動によって引き起こされ、多くの場合、コリオリ効果による円形の流れで発生する。従来の定位置風力活用デバイスは、自然に起こる環境圧の変化によって発生した風の流れに頼っている。有界システム内の熱変化を利用することで、環境状況の管理は、より一定で予測可能な動作状況を実現することができる
【００４７】
また、熱を音にしてから電気に変換するデバイスの可能性のある使用は、可動部品を減らし、保全や必要な許容範囲を低減しながら、耐久性を向上させることができる。熱を人間が聞くことができない超音波周波数レベルに変換し、騒音公害を生成しない小型デバイスの開発ができるようになる。また、エネルギーを電気に変えるため、音量の削減が可能になる。
【００４８】
管理システムインターフェースの利点
物質・エネルギーのシステムリソースの流れは、管理システムとインターフェースを取る。本管理システムは、理想的に環境意識を高め、システムリソースの可視性を可能とする。
その結果、問題の予期と管理をすることができ、情報の収集と分析およびシステムコンポーネントに選択の適用が可能になる。制御周期の規制は、流量、時間、品質、数量等のような複数変数を持つ。本システムは、恒常性（強い、弱い、および、構造上の恒常性を包含する）、回復力、自己修復、グレースフルデグラデーション、多様性、および臨界故障ポイントの最小化または除去を可能にする。
【００４９】
建築システム（ｔｈｅ  Ｂｕｉｌｄｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）の利点
経済的および生態学的な生態系の抽象的原則は、アイデアが有形となり、資源やエネルギーの使用が、空間と建設費と共に計算することができるバイオーム、エコ地区、エコ村のような小規模システムで実現することができる。
【００５０】
次の目標を達成するために、建築システムはシステム全体として設計することができる。
【００５１】
すなわち、資源やエネルギーの消費量の低減、資源使用のバランス、空気中の有害排出物と排水と固形廃棄物と建築材料の削減、水と鉱物と残留サイクルの輸送要件の削減、余剰と埋蔵量のストレージおよび分配、耐久性と長寿命と保全と性能と共にプロセスニーズの変化に対する構造の柔軟性、室内空気質のような快適性の向上、熱的快適性、採光、音声保護、ビルオートメーション、火災やＥＭＦからの保護のような安全性と保安性、外部費用とライフサイクルと操作と建設に関する経済的なコスト。
【００５２】
発明の詳細な説明
本出願は、「環境適用型少エクセルギーと少資源の気候管理システム」と題する２０１２年８月２２日に出願された仮特許出願第６１／６９２，２２４号の優先権の利益を主張する。
【００５３】
分散化、統合化、および自立を推進するプロセスの適切な対応を通じ、経済規模は物質とエネルギーのカスケードフローの効率的な分散型プロセスに導く。最適化フロースルーおよび地球に拡散した再生可能なエネルギー入力の利用のタスクはシステムエントロピーの増加を管理することにより達成される。
【００５４】
好ましい実施形態においては、生産地付近または生産地での統合化が生産段階におけるバイオマス処理による中間産物と最終産物の生産を可能にする。季節や収穫日は年間にわたって分布されているため、理想的には、年間を通して水と鉱物と残留物の流れの短いサイクル、ストレージ（保管）と輸送要件の削減、より高価値の製品生産と１年の分散処理作業負荷を実現する。
【００５５】
最先端技術の組み合わせにより、システム機能は、お互いに整列し連結され、システムエントロピーの増加を緩和させる。最適統一システムは、システムそのものを生成する。総合的なシステム設計と全サイクルの管理を通じて、拡散エネルギーの収集面、規制面、および品質面の多くの側面は、かつてないほど経済的に実行可能となる。
【００５６】
一次システムとそれらの組み合わせはシステムプラットフォームを有効にする。そのシステムプラットフォームは、化学的方法および生物学的方法を含む処理強化のための使用可能な資源の改善された利用を提供する。理想的には、一つの特定の集積実施形態が、オートポイエティック生態系（ａｕｔｏｐｏｉｅｔｉｃ  ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ）を創成する。
【００５７】
本件では、オートポイエシスまたは「Ｃｉｒｃｕｌａｒ  ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ―円形組織」の概念は生命系内の組織の自律的な性質を示すように定義されている。この用語は、生物学者ウンベルト・マトゥラーナとフランシスコ・バレラによって１９７２年に導入された。オートポイエティックは、システム内で動作するプロセスの自律し、機能上閉じた集合として定義されている。本システムは、その周辺の環境と「構造的に連結」され、気象パターン、日変化・季節的変化などの動的エネルギーと物質移動交換に埋め込まれ、成分の製造工程（変換と破壊）のネットワークを有効にする。理想的には、当該成分は、（ｉ）成分の変形および相互作用を通じて、その成分を作り出したネットワークプロセス（結びつき）を継続的に再生・実現し、（ｉｉ）環境内に、成分が存在するシステムドメインを構成する。
【００５８】
理想的なオートポイエティックの生態系を実現するために必要な連結された8つの一次システムは以下のようになっている。
熱管理（Thermal Management）
大気の最適化（Atmosphere Optimization）
放射線管理（Radiation Controls）
水理学的システム（Hydrological Systems）
マテリアルフロー（原料のフローMaterial Flows）
エネルギーシステム（Energy Systems）
インターフェース管理システム（Management System Interface）
建築システム（建設されたシステム、Built Systems）
【００５９】
「構造的に連結された」周囲の環境は、砂漠地帯、北極地帯、沿岸地帯等の領域が含まれている。当該環境はオートポイエティック生態系を有効にするために連結された８つの一次システムと構造的に連結することができる。
【００６０】
連結された環境には、太陽光と風力のエネルギー交換、気象パターン、日変化・季節的変化、降水量、侵食、移住種等の自然に起こる動的エネルギーおよび物質移動交換が存在し得る。
【００６１】
このすべての交換は、システム内の発生プロセスを経て、たとえ減衰のみであっても、緩和される。強化されたオートポイエティック生態系は、そのシステムの連結された８つの一次システムによって同様な交換を緩和することができる。
【００６２】
個々のシステムを理解するための、それぞれの詳細な説明は、以下の通りとである。
【００６３】
熱管理：熱力学有界システム内の熱伝達およびシステムの熱エネルギーレベルを適度するために環境資源が管理される。環境制御のための保全・回収・利用・蓄熱および蓄冷と化学処理・生物学処理の強化を通じて熱制御設計がシステムエントロピーを適度にし、エクセルギーを保全する。
【００６４】
保全のための重要な要素は、対流（多くの場合、空気漏れを含む）、伝導（一般的に絶縁の使用によって対処）、および放射損失（一般的に物理的構造、反射コーティングと材料によって対処）による熱損失の低減である。
【００６５】
蓄熱のための重要な要素は、媒体の熱伝導率、熱容量（保存できる熱量を表す）、および蓄熱の温度が挙げられる。熱輸送の場合は対流熱と、伝導熱と放射熱手段とによるエネルギーの流れが含まれる。これらは、おそらく、材料含有量の変更によって補充される（例えば、凝縮物、雨水、またはシステムを介して物理的に操作される相変化材料である）。
【００６６】
本システムは、エネルギー発生装置および消費装置から直接、および／または熱貯蔵器を利用して熱流を変換し、周囲環境の温度状況を調節する。典型的には、これらのエネルギーの流れ（熱流束）の速度は、温度差によって制御される。可能な一実施形態は、回路を介して熱を輸送する媒体を駆動するのに十分な差圧を生成するために流体熱あるいは流体冷却（ｃｏｏｌｔｈ）（ｃｏｏｌｔｈは、熱エネルギーを除去することで用いている、エネルギーを増加させる加熱の反対の意味である）の輸送媒体を用いて温度流束を利用する。熱平衡状態が達成されるまで、熱交換器の間隙の流れは、ループ熱サイフォン型効果（ｌｏｏｐ  ｔｈｅｒｍｏｓｉｐｈｏｎ  ｔｙｐｅ  ｅｆｆｅｃｔ）に基づき、対流を最適に誘導することで生成される。この効果は、熱伝達を可能にする下降・上昇温度勾配における複数の熱交換を介し、媒体を循環させることによって強化され得る。発生された対流の流れは、作動液を移送するための動力エクセルギーキャリアムーバーの必要性と取り替えることができる。
【００６７】
他の実施形態では、渦電流を誘導することにより、伝導性キャリアを用いてキャリアの所望の相対運動を強化することができる。
【００６８】
加熱または冷却の入力モードにおける一つの可能な実施形態の動作は各熱交換段を通じて流体熱を輸送する媒体を利用し、熱質量貯蔵器内で温度勾配を最適に並行にする。複数の温度勾配が蓄熱をカプセル化し（層状化および／または複数の異種貯蔵器）、熱流が各温度レベルを連続的に介して蓄熱媒体に熱エネルギーあるいは冷却エネルギーを加える。これを達成するために、周知の連続法は、上部に暖温度と下部に低温度の条件下で対向流熱交換器を適用する。
【００６９】
加熱（または冷却)の抽出モードでは、その関係が保存されている。その結果、熱交換に達成した最高温度（あるいは最低温度）は熱貯蔵器レベルに平行する。そのカスケードステージは有利に熱発生装置または熱消費装置と熱を搬送する各蓄熱装置との間で通信する複数の相互接続されたチャンネルから構成される。
【００７０】
蓄熱システムの実施形態は、垂直に変化する温度の単一の大貯蔵容器あるいは熱貯蔵器と一緒の形態で存在し得る。また、これらは、好ましくは、熱発生装置と熱消費装置と連結して、温度の降順または昇順に配置される。
【００７１】
結合蓄熱（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｓｔｏｒａｇｅ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）は、熱交換器の選択（例えば、空気対空気、空気対水、スパイラル型、コンデンサーマイクロチャンネル、細線熱交換器、ヒートパイプ式等）により向上させることができる。一般に、より大きな熱交換器を利用することによって熱源とプロセス流体との温度差が小さくなり、結合システムの効率が上昇するが、それにかかる設備コストが高くなる。
【００７２】
垂直に変化する温度の貯蔵容器と複数の熱交換ポイントを連動することにより、システムが貯蔵器内の固有温度勾配にアクセスすることができる。エクセルギーの節約と熱貯蔵器内の温度勾配を適切に利用するために異種の温度成層を管理することが不可欠である。この理由で、均一温度での複数の蓄熱貯蔵器が好まれ得る。
【００７３】
特定の実施形態において、本システムは蓄熱ユニットと熱発生装置または熱消費装置との間の独立熱交換メカニズムを可能にする(時間周期やイベントコントローラを問わずに)。蓄熱貯蔵器は、使用されるスペース、プロセス、またはデバイスの所望する動作温度に基づいて設計することができる。
【００７４】
蓄熱で使用可能温度が、所望の調節工程温度と異なる場合に、熱貯蔵器は熱フライホイールまたはバッファーとして機能するヒートポンプと組み合わせることができる。全ヒートポンプにおいて、パフォーマンス係数［ＣＯＰ］（入力作業における単位あたりの熱移動量）は温度差が増加するにつれて減少する。温度差が大きくなると流体の圧縮（蒸気圧縮サイクル内）に必要なエネルギーが大きくなり、その結果、ＣＯＰが低くなる。複数の温度勾配を提供することにより、蓄熱はヒートポンプ、吸収冷凍機、暖房システム、ランキンサイクルエンジン、スターリングサイクルエンジン、殺菌プロセス、低温殺菌プロセス、食品加工等の多くのデバイス性能や処理能力を向上させることができる。
【００７５】
システムの熱貯蔵器は、熱発生器と熱消費器を通じて環境との連絡を行う。熱消費器は、多数の装置、処理、空調空間等の多くの機器が含まれ得る。熱発生器には、従来のエネルギー源（燃焼器など）、廃熱処理のような再生可能エネルギー入力、熱環境入力（風、降水量、海、湖、地熱等）、パッシブ・アクティブソーラー等が含まれ得る。効率的な有効エネルギーの利用と装置の経済価値を考慮し、要求負荷を満たすためにこれら入力装置をシステムに接続する。熱消費装置と熱発生装置との一定の組み合わせにより、熱電併給システム（ＣＨＰ−コジェネレーション）、冷熱電併給（ＣＣＨＰ−トリジェネレーション）による発電機あるいはポリジェネレーションを優先的に実現する。
【００７６】
多くの場合には、本統合システムには複数の熱源が含まれ、ポンプやファン等の一定のエネルギー源が必要な機器に依存し得る。最適な実施形態では、設計通りのシステムは熱貯蔵システムと環境との間の熱輸送流体の対流フローを利用することにより、サーマルパッシブサバイバビリティ（構造体が持っているアクティブなエネルギー入力がない状態で動作し続ける能力である）を可能にする。
【００７７】
制御は、熱入力源に関わらず、調整される空間と蓄熱間の最適な熱交換を提供する。それによって、適度な温度で保存された低品質のエネルギーを利用することができるため、効率を向上させる。
【００７８】
熱エネルギー管理貯蔵技術は以下の１つ以上を含む。すなわち、
・  特定（顕熱）な蓄熱装置（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  （ｓｅｎｓｉｂｌｅ）  ｈｅａｔ  ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）  
・  潜熱蓄熱（相変化材料）（Ｌａｔｅｎｔ  ｈｅａｔ  ｓｔｏｒａｇｅ  （ｐｈａｓｅ  ｃｈａｎｇｅ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ））    
・  熱化学的蓄熱（Ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｈｅａｔ  ｓｔｏｒａｇｅ）  
【００７９】
太陽熱や産業廃熱の有効利用は、熱エネルギーの貯蔵を介して達成することができる。顕熱蓄熱は容器から熱（または冷）が装入（または放出）されることによって貯蔵体積内の温度差を生成する。成層型蓄熱の場合には、混合工程の発生や全体の温度が貯蔵内の平均温度に近づく際、有効貯蔵量が低減する。これにより、成層型蓄熱媒体は、例えば上部に暖水と底部に冷水のように構造化層を維持することが重要である。多数の熱交換器を適用することで成層型蓄熱の温度層化の高い使用率を達成することができる。
【００８０】
従来の顕熱蓄熱技術は、実質的な熱損失や比較的に低エネルギー貯蔵密度等の欠点がある。顕熱蓄熱に利用される液体は、一般的に１１０ＭＪ／ｍ３  （３１ｋＷｈ／ｍ３）の貯蔵密度を持っている。水を貯蔵流体として利用することは、有益なことに、非常に安価である。特定の（顕熱）蓄熱を利用する主要な熱エネルギー貯蔵技術は、地中蓄熱（ＵＴＥＳ）、貯水槽、コンクリートのようなシステムマス、石埋め貯蔵媒体を介した空気循環を含む。
【００８１】
本質的に広温度範囲にわたり均一のエネルギーを吸収・放出する顕熱蓄熱材料に対して、潜熱蓄熱の相変化材料（ＰＣＭ）は、材料の融点・凝固点・気化点に大量なエネルギーを吸収・放出する。相変化材料は、貯蔵密度が２５０ＭＪ／ｍ３（７０ｋＷｈ／ｍ３）で、数桁（ｏｒｄｅｒ−ｏｆ−ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）大きい熱容量の増加を提供する。これらの相変化における主な等温放出は、特定の処理温度の要件に適合することを可能にする。相変化材料は熱緩衝を形成し、温度に敏感なシステムを熱エネルギー貯蔵システムに統合させることを可能にする。これによって、加熱と冷却の過剰処理貯蔵とプロセスへの熱入力の管理が可能となる。理想的には、この熱管理は蓄熱装置内の補助熱交換器と一緒に行われる。
【００８２】
例としては、加速された発熱好気分解処理である。当該加速された発熱好気分解処理は、結合された環境または蓄熱との熱流束（熱束）の交換を管理する微生物の生命に最適な最高動作温度で作動しながら低温殺菌を提供する。他の例では、中温消化の処理温度を管理することが低温度で動作する低温消化よりも単位時間当たりに多くのバイオガスを生成する、嫌気性消化である。
【００８３】
他の相変化材料のサブグループは、化学結合（反応のエンタルピー）、物理的原理（密着性）に基づいた化学熱、収着熱等を含む熱化学的反応を利用する。収着蓄熱は吸着と吸収という二つの分子の密着力から構成されている。吸着はシリカゲルとゼオライト等の多孔質媒体との表面効果に依存している。吸着技術は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）、温度スイング吸着（ＴＳＡ）、真空スイング吸着（ＶＳＡ）が挙げられる。吸収は、ＮＨ３、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ等のような液体混合の効果に依存し、吸収熱ポンプに比較することができる。
【００８４】
熱化学貯蔵は、独立で長期的および熱損失のない成分（コンポーネント、ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の貯蔵を可能にする。成分が追加されると［Ａ＋Ｂ＜−＞ＡＢ＋熱］、熱が放出される。これらの媒体は、１００  Ｃ以上の温度で再充填することができ、５００−３０００ＭＪ／ｍ３（１４０−８３０ｋＷｈ／ｍ３）の最高の貯蔵密度を提供する。
【００８５】
これらの様々な蓄熱技術は、利用可能なエネルギーとマテリアルフロー、経済、処理制御要件、建築基準、および空間可用性等の潜在的な要因に依存する。
【００８６】
上記の貯蔵方法の組み合わせにより、ハイブリッドシステムを形成することが可能となる。
熱調整を提供するためのハイブリッドシステムの実施形態の一例は潜熱冷却負荷を補助するためのゼオライトの吸着除湿と雪氷倉システムとの結合を太陽集熱器として駐車場に取り付けられた地熱帯水層熱貯蔵器（ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ  ａｑｕｉｆｅｒ  ｈｅａｔ  ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）（または冷却貯蔵器）と組み合わせたものである。他のハイブリッドシステムでは、温度レベルの安定化、コスト削減、低熱伝導率の相変化材料の克服を目的とし、適切な感性処理流体が相変化材料と共に利用される。さらに別のハイブリッドシステムでは、異なる相変化温度の潜熱貯蔵器内に制限された特定熱（顕熱）貯蔵器を利用する。顕熱貯蔵器は、低コストで異なる相材料の転移温度の温度ギャップを架橋することができる。また、急速装入・放出に対応できるような高熱伝導率材料を提供することも可能である。これは、相変化材料と接触する金属メッシュのような熱複合材料と併用できる。（例えばパラフィンの伝導率を増加させるのに有用）
【００８７】
これらの材料は蓄熱を用いて廃熱を淡水化のために応用し得る実施形態を可能にする。また、当該実施形態は、オゾン層に有害な流体を除去するために好ましくは水を作動液として使用し熱駆動型吸着冷凍機を介して冷却を提供することも可能である。
【００８８】
大気の最適化：特定の実施形態では、外部の大気環境と最少交換が望まれる。これは、構築された環境内で分離された雰囲気を維持することによって達成される。おそらく相変化材料に関連して、内部熱変動は、内部空気の膨張・収縮を引き起こす。また、発熱および吸熱反応を用いた熱化学的処理は、大気体積に影響し、圧力変化を及ぼし得る。この体積変化は、おそらく、建物の構造に過剰負荷を引き起こす可能性がある。大気の膨張および収縮に対処するためには、結合され、分離された大気構造と連通している体積可変領域を作成することが可能である。この大気構造は、「肺」として機能する大きなダイアフラムを形成する。外部環境変化による大気圧変化は、回収可能なエネルギーが低くても大規模の場合で生産動作を含む他のシステムプロセスを有効にするために利用されることができる。
【００８９】
内部生物およびプロセスの大気の最適化は、所望する組成と濃度の種々のガス比（最適環境を提供するために調整されるＯ２，ＣＯ２、窒素、メタン等）に依存する。本手法は、利用可能なエネルギー、材料入力、緩和された生物学処理（すなわち、生物選抜：独立栄養生物と従属栄養生物）と化学処理（触媒と試薬の選択といった）に基づいている。
【００９０】
大気は、一般的に約７８％の窒素と２０％酸素で構成されている。多くの工業プロセスのために、濃度の異なるガス比が望まれる。例えば、濃縮酸素は、廃水処理、水産養殖および流体処理、パルプ漂白、ガラス製造、鋼の製造等の用途があり、装置の必要なサイズをしばしば減少させる。酸素の典型的な輸送は、圧縮または液化（航空パイロットで使用される）のような付加処理が必要になる。システム内の酸素を利用して、これらの処理は最少化または排除することができる。
【００９１】
ガスを分離する一つの方法は、ゼオライトのような圧縮気流から選択的に特定のガスを吸収する分子ふるい特性を持つ材料の適用である。ゼオライトは、窒素との混合により飽和し、圧縮空気は、プロセスが繰り返される二次ゼオライト室に迂回される。これは、第一ゼオライト室から窒素が放出されることを可能にする。両方室の圧力を交互することにより、ゼオライトは、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）を介して連続的に再生し、富化酸素と富化窒素が一定の供給で生成される（図１参照）。このプロセスからの窒素気流にも高レベルのＣＯ２および他の微量ガスが含まれる。ゼオライトガスの分離および濃縮の分子ふるいの態様は、藻類フォトバイオリアクタ（ＰＢＲ）プロセス（ガス品質の改善を提供することについて後述で説明する）と共に利用することができる。
【００９２】
大気質の他の態様は、微粒子および空気からのホルムアルデヒドおよびベンゼン、窒素酸化物（ＮＯＸ）、硫黄酸化物（ＳＯＸ）等の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を除去することを含む。これらの有機化合物（例えば、硫黄二酸化硫黄（ＳＯ２）などの硫黄酸化物（ＳＯＸ）、窒素酸化物（ＮＯＸ））は、酸性雨の前駆体である一方で、ＮＯ２はオゾンの前駆体である。除去処理は、環境に比較的に良性な影響を与え、さらに一部の形態は、栄養源として利用できる窒素および硫黄の元素成分にＮＯ２やＳＯ２のような物質を変換するために、触媒、細菌、および微生物などの活性剤を通過させる対流式流体ループを利用して実行することができる。空気流の要素は、植物、植物根、土地、および有利に大気組成を変化させることが示される他の濾過装置などが含まれる。
【００９３】
光触媒は、多くの有機物質を分解するために使用できる。影響を受けた有機化合物は微粒子（すす、泥、および炭化水素など）、生物（カビ、藻類、細菌、およびアレルゲン）、空気中の汚染生物（ＶＯＣなど）、さらに臭気を引き起こす化学物質が含まれる。大気汚染を低減することに加え、触媒性親水性表面は、水の浄化、細菌の殺菌、およびエチレンガスの濃度を減少させることで、果実の貯蔵寿命を増加させることができる。
【００９４】
放射線管理：エクセルギーや資源環境マナジメントシステムが統合された大規模環境を考慮し、主要な力学的エネルギー入力は、典型的に、太陽放射からの大量のエネルギーの流れに由来する。内部環境の安定性は、システムの目標としてエントロピーの増加率を最小化にすること考慮し、システム内のエネルギー流れに依存する。安定した定常状態の環境をもたらすために、効率的に使用可能なエントロピーを利用することが不可欠である。
【００９５】
太陽エネルギー流の適用の中心は、生物的と非生物的の双方の変換技術である。光合成は、太陽放射から生物体が燃料として利用できる化学エネルギーへの変換に適用される主要の生物的手法で、約１３０テラワットまたは、人間の現消費電力の６倍であり、多くの生命にエネルギーを提供する。光合成の機能を持つ独立栄養生物の生成は、システム全体の設計に非常に重要である。太陽エネルギーの広大な部分を吸収および使用できる機能的な生物の生態系を生成するために様々な技術が適用される。３つの主要な独立栄養生物の生産システムは、アクアポニックス（水耕栽培と水産養殖の組み合わせ）、藻類生産、複作あるいはパーマカルチャーである。
【００９６】
植物における光合成の効率は、光の強度、変換した光の周波数、温度、および大気中のＣＯ２の割合によって０．１％〜８％に変化する。光合成を高効率で動作するには、システム内の光合成独立栄養の最適なレベルを提供するために、放射線レベルが理想的に制御される。これは、前述したように光合成装置に損害を与え、細胞プロセスを調節解除する光電気生理学信号（ＰＥＰＳ）を避けるために非常に重要である。光合成効率を最大化し、独立栄養生物に使用された太陽放射および人工放射の利用を最適化することに加え、特定の構造的エクセルギー（構造的エクセルギーは、材料の構造体に格納されている情報およびエクセルギー）を作成するために、酵素および二次代謝産物の生産に影響を与える放射レベルの調節を行うことも有益である。
【００９７】
さらに、放射の使用を増加させるための最適な環境制御を提供することにより、独立栄養生物内の光合成の効率を向上させることに加え、全環境内にある使用可能な太陽放射を効率的に使用するという概念は、非常に重要である。これは、主に、複作/パーマカルチャーを用いて生物的システム内で達成される。伝統的な農業では、植物は、同じ高さで生長させ、付近の植物に日陰を与える。この森林のような自然界での複作では、異なる高さで生長する植物が様々な使用可能な光レベルを吸収する。各植物は、異なる光合成要件に適合し、一部は完全な日陰を必要とし、他の一部は部分的の光を利用し、その他は、適切に生長するために十分な太陽光を必要とする。適切な植物の選択により、地面に到達し、放散される前の全て利用可能な太陽光を適用するパーマカルチャー成長システムの作成が可能になる。さらに、より有利なシステムは、従来の農業における土壌の準備（耕うん）および継続的植栽を必要としない多年草を使用する。パーマカルチャーフードフォレストシステムは、年間ベースシステムに比べて、バイオマスの収量が大幅に改善されており、システムが確立したら、少量入力あるいは無入力で動作できる。太陽放射の吸収における強化した能力の副産物として、年間ベース農業に比べ、ＣＯ２からバイオマに変換する能力はもう一つの本システムの重要な利点である。光合成生物は、年間、約１０００億トンから１１５０億トンの炭素をバイオマスに変換する。その数は、現在、従来の年間農業と共に減少した。
【００９８】
生物的方法による太陽光フローの吸収および利用に加えて、非生物的システムは、太陽放射からシステムプロセスに有用な電気などのような形態に変換することができる。これは、太陽光発電（ＰＶ）パネル、アトキンソンサイクル、ブレイトンサイクル、カルノーサイクル、ディーゼルサイクル、エリクソンサイクル、レノアサイクルとランキンサイクルのようなサイクルを用いてエンジンを加熱するために結合された太陽集光器のような従来の手段によって達成することができる。
【００９９】
エクセルギーと資源環境管理システムの他の有用な態様は、電離放射線と非電離放射線の双方の管理レベルを含む。望ましくない放射線レベルを減少させることから、所望の種類の放射線を導入することまで、このレベルの管理は、新たなプロセス管理を実現することができる。例としては、 電磁周波数の緩和レベルや無線周波数（ＥＭＦ／ＲＦ／ｅｌｅｃｔｒｏｓｍｏｇ）とＵＶＡ・ＵＶＢ線を含む。あるいは、病原体の排除のためにＵＶＡとＵＶＢを中心し、使用する。さらに、磁界を変化させ（例えば、反発サメなどの生物に影響を与えるもの）、触媒または試薬の活性化、シューマン共振周波数および／または生物刺激する照射の導入、殺菌、病原体の排除、電子ビーム処理、そして、種子と食品加工が含まれる。
【０１００】
水理学的循環：このシステムは、品質レベルと所望な流体を適度にし、具現化エネルギーを捕捉するための日周や季節サイクルのような様々なサイクルの品質を保持（保存・吸収・交換）する。システム内の水は、資源使用の最大化しながら、所望の目的を実現するための水処理システムを通じて、循環させる。
【０１０１】
汚染物質は、多くの場合、排水中に廃棄されていることを受けて、1つの汚染物質を含まないソースと汚染物質が含まれている1つ以上廃棄水流用のソースからなる2つ以上の可能な排水を有することが有益である。資源分離のために、一部の実施形態では、汚染物質の種類ごとに特別排水を持ち、他の実施形態では、サイズや品質などの属性によって選択することができるイベント・ベース・システム（事象に基づくシステム）である。さらに、他の実施形態は、イベントコントローラや時間的サイクルに基づいて廃棄物の流れを分離することができる。この概念は、後述される操作部で説明される。
【０１０２】
都市廃水中の栄養素を除去する従来の方法は、通常、エネルギー集約型曝気工程を経て酸素の一定の供給を用いた処理に関する。このプロセスは、細菌などの微生物を利用した生物酸化プロセスを介してより小さな分子（ＣＯ２、ＮＨ３、ＰＯ４など）に有機物を生分解する。
【０１０３】
藻類を用いたシステムを利用した可能性のある実施形態は、効率的に栄養を回収し、酸素の連続供給を解放するために光合成を行うことにより、従来のプロセスのエネルギーの集約型曝気を最小化することができる。この生物酸化は、追加バイオマスを生成する光合成中に藻類が隔離できる二酸化炭素を生成する。
【０１０４】
後述の操作部で説明する本システムの特定の実施形態は、蒸発、蒸発散、凝縮のプロセスを介して利用可能な精製水の回収を可能にする藻類のための最適な生育環境を提供するために、以前に使用できなかった選択やメリットを実現できる。適切な従来プロセスの後、凝縮水を洗浄してから飲料水に加工することができる。
【０１０５】
空気の除湿処理のシステム管理は、空気流が温度勾配を通過した凝縮過程を経て潜在的な実施形態で達成することができる。（熱交換器を介するか、または直接熱質量と結合するかの一つ）。これは、ヒートポンプ（冷媒除湿など）を利用した除湿で補充したり、吸着剤システム（吸着剤・吸収剤）を用いて、水分を除去したりすることができる。あるいは、単に乾燥空気を湿り空気と混合させること、すなわち空気サイクル除湿も可能である。乾燥剤除湿システムを用いる実施形態では、エネルギーの節約方法により再生される低エネルギー消費の代替を提供する。
【０１０６】
空気が除湿された後、蒸発冷却を実行する能力が向上する。特定の実施形態では、吸着時に発生した熱を吸収し、蒸発冷却器のような機器を利用して、空気中に水分を再導入することで、冷却効果を強化することができる。
【０１０７】
マテリアルサイクル（原料サイクル、物質サイクル）：物質とエネルギー入力は、システム内での使用可能な選択を増やす。理想的に、共生サイクルは、希釈や汚染によってリサイクルに適用できなくなるまで、および、廃水流が外部の廃棄物処理システムにパージされるまで、リン等といった材料をリサイクルする。主要な関心があるのは、炭素、水素、窒素、酸素、および生物の1パーセントを除く全てを構成するそれらの様々な組み合わせである（Ｄｅｓｉｇｎ  ｗｉｔｈ  Ｎａｔｕｒｅ，  Ｉａｎ  Ｌ．  ＭｃＨａｒｇ，  １９７１，「Ｔｈｅ  Ｆａｌｃｏｎ  Ｐｒｅｓｓ」）。植物に格納されている炭素のような要素は、熱化学的および生化学的処理（燃焼、熱分解、発酵、堆肥化、または真菌による分解などの好気性および嫌気性消化）によって回収される。
【０１０８】
バイオマス生産サイクルは、通常、成長、収穫、輸送、加工、使用、リサイクルで構成されている。バイオマスを利用する場合は、バイオマスの変換工程に入る前にエクセルギー破壊の概念を考慮し、物質品質に目を向け、始めに、医薬物質のような高付加価値製品、プラスチック用ポリマー、生体用の食品を抽出および使用することが好ましい。秩序の長分子がガス状粒子（例えば、バイオガス）に変換されることにより、構造エクセルギーは減衰し、可能な場合、エネルギー製品への可接変換に対して延期されるべきである。そのため可能な限り、次の理論的な手順としては、一般的に輸送燃料およびバイオプラスチックの利用のための化学原料へのガス化、嫌気性消化、好気性消化を介して変換する前に、木材、澱粉、およびセルロースなどの材料を直接利用する。可能な場合、これらのプロセスから放出されるエネルギーと熱はプロセスや環境調節のために使用するか、あるいは可能であればストレージとして利用するかによって仕事（電気など）に変換することにより、すぐに利用される。最後の手順は、継続的で持続可能な将来のバイオマスの供給を保証するために開放した化合物や鉱物を再利用してサイクルを閉鎖することである。
【０１０９】
現在の大規模な藻類バイオマス生産／バイオリアクタシステムは、開放システムまたは閉鎖システムのいずれかに分けることができる。商業規模の池からなる開放システムは、藻類ブルームが光を遮断するため、大きな作付面積が必要となり、土地利用が非効率である。これらが、特に冬期には、相異の環境状況により管理することが困難である。また、藻類は水と希釈されているため、回収が高価となる。さらに、大自然の池は、多くの場合、食品生産や医薬品グレードの藻類に必要な純度レベル範囲に入らない。閉鎖システムは、高付加価値分子の抽出やＣＯ２の利用および隔離の最大化のための非汚染バイオマスを得るための重要な利点を提供する。これは、商業藻類の生産で購入したＣＯ２は、典型的に原料費の４０％であるため、重要な利点である。（Ｍｏｌｉｎａ  Ｇｒｉｍａら、２００３）
【０１１０】
この理由で、新たな閉鎖系藻類フォトバイオリアクタが設計され、最適に特定の実施形態の特徴から有益を得る。システム内での熱の生産および消費は、藻類フォトバイオリアクタ生育システムが熱調節にアクセスすることを可能にし、材料入力は廃棄流処理のために光照射を利用する。
【０１１１】
都市環境では、尿は、栄養分の最大量を含有する廃棄物画分であるが、廃棄流れ中に含まれている尿は比較的に少ない。全家庭廃棄物と廃水画分に含まれる尿は約７０％の窒素と５０％のリンとカリウムが含まれている。そのように、尿は、藻類のための優秀な成長栄養を提供する。潜在的な実施形態に尿あるいは発酵や嫌気性消化流出物などの他のプロセスから十分な栄養類が提供され、適切なＣＯ２レベルと温度の組み合わせると、藻類の成長速度の指数関数的な増加が実現できる。
【０１１２】
ＣＯ２は、藻類生産の多大なコストを表しているように、その生成のための新規なアプローチがキノコ菌糸体の生産システムを用いて作成されている。キノコの菌糸体は、菌糸体の崩壊有機材料として温室のための富化ＣＯ２を補足するために過去に使用されてきた環境で、一貫性のあるＣＯ２を３０００■５０００  ＰＰＭＳの間で生成する。また、新規の気流調整は菌糸体の生存率に影響を与えずに、過剰なＣＯ２産生を抽出することができるとすることができる。これは、追加の利点を提供するＣＯ２の調節可能な供給を可能にする．
【０１１３】
研究は、真菌の選択品種に含まれる酵素がセルロース材料を分解することが示されている。このプロセスは、エタノールを生成するために、または嫌気性消化におけるバイオガスの生産を増加させるために発散・蒸留することができる単糖に複雑なセルロースを分解するのに必要な初期の酵素加水分解を提供する。菌糸体バイオマスは、動物飼料、絶縁などの建物の製造、コンクリート型枠、スクリーンフィルタ、エベンバイエルのエコクレードル製品によって開拓された梱包材など様々な用途に利用することができる。さらに、キノコは、様々な栄養素や汚染物質（重金属等）を濃縮させることができバイオレメディエーション形態の一つの初期基材である菌類レメディエーションを可能にする。また、菌糸体マットは、大腸菌のような物質を減少または排除する、生物学的フィルタとして作用することもできる。
【０１１４】
菌糸体の生産中心は、初期有機原料の堆肥化である。この原料は、多くの場合、微生物集団と原料の窒素含有量を増加させるためのタンパク質が豊富な植物材料および肥料のような他の材料が補充される。曝気やこの材料における適切な物理的の準備を提供した後、堆肥化期間は、１２０から１５０°Ｆ（４９から６６℃）の温度範囲内で実行される。典型的に、これは外部の制御されない環境で実行されるため、制限された曝気の領域と不均一の温度という結果を得る。温度と曝気の均一性はキノコ生長媒体の適切な準備に重要であるが、それは従来の方法を利用して達成することは極めて困難である。
【０１１５】
一つの可能性のある実施形態は、生長媒体を介してこれらの温度を均等に分配する（放射面・ＰＥＸ管・適切な混合などの使用）環境を提供し、病害や多くのキノコの病害虫が含まれないで、適切に低温殺菌を適用された媒体を確保するための酸素化フロー（藻類フォトバイオリアクタの出力からであってよい）を提供する。加えて、プロセスからの放出は、生物学的に、臭気の低減のために処理されることができる。典型的には、従来の堆肥製造に伴い、追加の栄養素として再利用するために処理することができる。
【０１１６】
さらなるバイオマス処理は熱調整の異なるシステムが含まれる。熱化学的処理は、酸素の非存在下での熱の適用に起因するすべての化学変化を含み、熱分解に基づく。熱化学的処理の結果として得られる最終生成物は、炭素質固体、油、またはタール、一酸化炭素、しばしば二酸化炭素、水素を含む合成ガスである。一般的に、熱分解は、入力材料に応じて速度が変化する。多量の材料は、目標温度に達成するには、時間がかかる。４５０℃未満の温度での処理は、主にバイオ炭を生成する一方で、温度８００Ｃを超える処理は主に合成ガスを生成する。また、図１４示すように、中間温度の処理は、熱分解オイル（バイオオイルともいわれる）を生成する。バイオオイルは、不完全な分解から形成され、また、急冷が続く低酸素量の存在下で製造することができる。バイオオイルは、従来のプラスチックと同様の直鎖アルカン、メタノールやスチレンのような化学物質などの燃料を製造するために処理することができる。無水熱分解は、プラスチック廃棄物からのディーゼルと同様の液体燃料の製造のために使用できる。これらのガス化処理システムでは、熱処理と蓄熱を用いた熱調節を適用できる。
【０１１７】
まだバイオマス処理の他の方法は、ミネソタ大学のラン  Ｄ．シュミット博士によって開発された、オートサーミック反応を生成するために、リアクター内で大気圧で動作する金属触媒といった触媒を使用することを含む。その結果、触媒上で固体炭素（チャー）を蓄積することなく数十ミリ秒で合成ガスを生成するための触媒部分酸化が得られる。
【０１１８】
エネルギーシステム：資源は、主に発酵、ガス化、バイオガスの生産、熱エネルギー変換、太陽光発電の過程、運動の利用、圧力の変化、および光合成の過程を経てエネルギー製品に変換される。
【０１１９】
総合エネルギーシステムを設計するのに考慮する必要のある主要因は、経時的および最終用途の面からの変動に関してサイトの需要パターンのバランスを取ることが含まれ、日、週、月の時間間隔内のピークは多数平均であり得る。再生可能なエネルギー資源の技術により、殆どのシステムの操作弾性度が低い。ピーク需要を満たす個別の技術は、典型的に大規模のストレージシステムおよび／または特大の設備が必要となる。エンドユースポイントとエネルギー資源の統合により、エネルギーの需要と供給のバランスが最適化される。正しいデザインには、入力と様々なユーザに関する同時行動の考慮が必要となる。関連するエネルギー量の利用可能性を考えると、特別なモデルが利用可能なエネルギー源を考慮しながらプロセスの最適な組み合わせを決定するために、エネルギーシステムの動作をシミュレートすることができる。
【０１２０】
拡散環境エネルギー（Ｄｉｆｆｕｓｅ  ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  ｅｎｅｒｇｙ）は、回収、利用、処理調節のために管理システムにより保存されることができる。熱交換器が、ヒートポンプの必要性を低減あるいは除去する。熱エネルギーは、熱源から機械的な作業や電気的な形式に変化することができる。これは、熱電発電装置、エネルギーシステム原動機、または電力用ブレイトンサイクルやランキンサイクルによって適用されるようなプロセスを用いた多くの様式で達成することができる。
【０１２１】
削除
【０１２２】
ヒートポンプとカルノーサイクル（Ｃａｒｎｏｔ−ｃｙｃｌｅ）操作は、本質的に従来のものであり、エントロピー勾配温度ストレージシステムによって可能な機能を拡張することができる。熱音響原動機の熱機関は、熱を音波に変換することによって動作する。音波などの圧力に応じて圧迫し、その圧力を電流に変える圧電材料を用い、その音波を電力に変換できる。これらの圧電材料は、通常、円筒状の共振器内に配置されており、理想的には、音波の反射が存在しない状態で共振器内の空気の圧力と速度が同期状態で維持されるように、環構造を形成する。共振器のサイズは、好ましくは、共振器の長シリンダが低トーンに応答し、短シリンダが高トーンに応答するという組み合わせで圧電配列と同期するために音の周波数に合わせて決められる。人間の可聴範囲外にあるため、高トーンが好ましい。音圧により圧電デバイスが縮み、電圧が生成される。可動部品がないため、最小限メンテナンスと長寿命という利点を持つ。一般的に、熱が電気に変換されると同時に音量が低下し、共振器内の空気圧を増加させることで、共振器内の対流熱サイフォンフローを生成する熱交換器の間の温度差を減少させることができる。適当な熱調整を注入することと音響共振器の形状及び絶縁体を最適化することにより、熱から音への変換効率を向上させることができる。
【０１２３】
熱エネルギー束を利用するための別の潜在的な実施形態では、液体が位相を変化させ、ガスに膨張する時のようにポテンシャルエネルギーを捕捉するために、相変化の差圧を使用する。これは、一般に、タービンを回して電気を生成するために水からの蒸気の生成で実施される。変態温度が異なる相変化材料を利用することによって、温度勾配に基づき、それらを配置することが可能となり、システムを介した熱エネルギー束を仕事やエネルギー生成のために利用できる差圧の生成のために使える。
【０１２４】
管理システム：管理システムは、温度レベル、pHレベル、大気条件、ガス濃度、水位、および放射線レベル等の資質を得るために、システム内のエネルギーと質量の流れの相互交換に関する情報の分析を提供する。これは、より効率的な廃熱プロセス、制御およびエクセルギーフローの方向変換を可能にする。
【０１２５】
エクセルギーの概念を考慮し、散逸構造を維持するための情報の重要性が明らかになる。理想的に、管理システムは、基本的な原理としてバイオ模倣を使用し、自然界にあるモデルに基づいて適用される。生態系は、生体模倣プロセスの究極の表現である。自然生態系は、生物のコミュニティであり、システムとして相互作用し、非生物的および生物的要素と組み合わせて、一般的に定義された境界内で動作する。生態系は生物の中で、および生物とその環境との相互作用のネットワークとして定義されている。これらは、利用可能なエントロピーレベルとリソースを利用するすべての生物の、相互関係・共生関係を最大化するためにお互いに繋がっている。生態系は、物質とエネルギーのカスケードフローの恒常性制御を提供する最適化された環境を作成する。
【０１２６】
これらのアイデアを拡大し、クロード・ベルナールは、フランス語の「ｍｉｌｉｅｕ  ｉｎｔｅｒｉｅｕｒ（内環境）」から、「Ｍｉｌｉｅｕ  ｉｎｔｅｒｉｅｕｒ」、または「室内環境」という概念を考案した。バーナードは、次のように考えをまとめた。すなわち、
「環境の定着性は、外部変化が各瞬間に補償され、平衡化されるように、生物の完成度を推定する。・・・しかし、すべての重要なメカニズムは、いかに変動し得ようと、内部環境の生活条件の均一性を維持するために、常に、一つの目標を持つ。・・・内部環境の安定性は、自由で独立した生活のための状態である。」
【０１２７】
自己組織化生物学的システムをテンプレートとして考えると、それらは、秩序のより高いレベルに進化することができる熱力学的平衡から遠く離れている状態で、散逸構造として見ることができる。効率的に使用可能なエネルギーを放散・利用しながらこの要件を満たすためには、エントロピー生成を最小限にすることが必要であり、または、言い換えると、エントロピーの増加率を最小にすることが必要である。
【０１２８】
自己組織システムは、情報を使用することでエントロピーの生成を最小限に抑える。この情報は、変分自由エネルギーを最小化するように模様形コヒーレントシステムを作成するために使用することができる（ここで、変分自由エネルギーは、結果と原因のそれらの確率密度の関数である）。変分自由エネルギーを最小化するために、システムは、エントロピー生成に制限を設定する。システムは、システムプロセスへのアクティブ干渉によってその動作を行う。理想的に、このアクティブ干渉は、最小作用の原理に基づいている。自己組織システムをモデル化するためにエルゴード仮定内のマルコフブランケットを適用することの正当性を問わず、エントロピー生成制限の設定と最小作用の原理は、管理システムの注目すべき目標である。
【０１２９】
このように、システムの内部状態の機能は、情報に依存している。情報は、秩序が出現する整理システムを構造化する。この秩序は、自己スケーリングの安定性、弾力性、自律性、持続可能性、そして最終的に、安定した散逸構造のような属性を可能にする。散逸構造は変化と安定性の共存を強調する。エクセルギーと資源環境管理システムは、大量のエネルギーがシステムを介して流れるため、安定した状態を作成するために、パターン化されたフォームをもたらす。エントロピー生成制限は管理システムを介して自立円形流フィードバックループと共にリンクすることによって実現される。
【０１３０】
これは管理システムがオートポイエティック生態系を実現するのに熱管理、大気の最適化、放射線管理、水理学的システム、マテリアルフロー、エネルギーシステム、および構築されたシステムの属性を変更するために決定を行う情報である。また、これは他のシステムによって行われたエネルギーあるいは物質処理に対する情報を処理する管理システムである。
【０１３１】
オートポイエティック生態系を形成するための管理システムの適切な動作は、生態系、散逸構造、自律システムに互換するモデルを参考にする。システムを正常に動作させるための二つの関連するモデルは、ジェームズ・グリアーミラーによるリビングシステム理論とアーサー・ケストラーによるホロン哲学がある。哲学には逸れないが、より関連のあるアイデアのいくつかは、次のとおりである。
【０１３２】
リビングシステムは、情報とエネルギーまたは物質の動的なフラックスを伴う本質的にオープンシステムである。与えられた状況では、情報は、シンボル、信号、およびメッセージを選択する既存の自由度を指す。これらのシステムの内部では、システムの階層が存在し、より進んだ、または高レベルのシステムはそれぞれ、低レベルのシステムにより構築されている。情報、エネルギーまたは物質の様々な形の出力・スループット・入力を処理するのはサブシステムというものである。各サブシステムは、達成必要のある通常単数である簡単なタスクを持ち、情報が双方に流れる集中制御・管理システムに関連する比較的単純な制御メカニズムのみが必要である。最後に、各プロセスの平衡状態は、定常状態またはフラックスの平衡状態として認識され、動的である。
【０１３３】
本概念を用いて、一部の実施形態では、システムの統一性は、システムの共生サイクルが互恵を介して動作し、全体的なアプローチを通じて委譲された自治が動作し、そのシステム自体によって生成され得る。すなわち、特定の生産活動の「廃棄物」の自然パターンを複製したら、その複製したものは他のシステムのリソースとなる。全体的な生産サイクルは、最適に入力およびシステムの廃棄物を低減し、環境に失われる栄養を回収する。それによって、例えば揮発性窒素の削減および、メタンと二酸化炭素のシステム捕捉を通じて温室ガスの排出を削減することを可能にする。有機的成長は、付加サイクルおよび処理の関与を介してバランスを保つことにより達成できる。
【０１３４】
建築システム：建築システムは、外部環境と熱管理、大気の最適化、放射線の管理、水理学的循環、物質サイクル、エネルギーシステム、システム管理インターフェースの一次システムと構造的に結合するように作用し、それによって、物質とエネルギーのカスケードフローの恒常性制御の最適な因子を提供する最適化設計環境を可能にする。
【０１３５】
オートポイエティックシステムの機能を有効にする建築システムは、アロポイエーシス要素（ａｌｌｏｐｏｉｅｔｉｃ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）から構成されてもよい。生成した製品はそれらを造ったシステム要素やプロセスと異なる機械的システム（例えば、製品は、それらが製造した組み立てラインと異なる）である。
【０１３６】
構築されたシステムは、大気とエネルギー内部の項で前述した圧力変化を含み、内部プロセスのエネルギーを回収する内部処理を可能にする。バイオマス源付近での現地生産は、集中生産に比べて輸送コストを削減することができる。
【０１３７】
構造的に結合されたシステムは、複数の機能を提供し得る。グレージングは、雨水の収穫のコレクターとして二重構造であり得、傾斜面の部分は、太陽集中・収集ために機能し得る；太陽集熱塔として、生活空間の塔は、二重構造であり得る；日よけによる日陰は、バイオマスの成長空間を提供し得る；接続された経路は、材料輸送、ユーティリティ、人間の交通ネットワークとして利用することができる。本概念は、後述した操作項に展開される。
【０１３８】
操作
説明と利点の節で記述したように、 オートポイエティック生態系を実現するために必要な、連結された8つの一次システムを、その動作モードの節で説明する。
【０１３９】
熱管理操作
熱管理を利用する実施形態は、図１５に示すように、熱貯蔵器で、エネルギー発生装置と消費装置を結合することによって動作する。  図１０を参照すると、８つの可能な熱交換レベルがあり、図１０１では、１３の可能な熱交換レベルがある。カスケードレベルの熱交換動作を簡単に理解するには、温度差でなく、差圧で動作する他のカスケードシステムの例を参考にすることは便利である。加圧の空気をスクーバタンクに充填するには、カスケードストレージシステムの複数の圧縮空気タンクを利用することは、一般的である。より大きな圧縮空気リザーバ（圧縮空気貯蔵器）には、異なる圧力が存在する。
【０１４０】
例として、空気圧が１５０ｐｓｉ，５００ｐｓｉ，１０００ｐｓｉ，２０００ｐｓｉ，３５００ｐｓｉの大型空気タンクがある。スクーバタンクを補充する必要がある。このタンクは、初期開始圧をもつこととなる。それが空きタンクの場合、最初にそのタンクを１５０ｐｓｉの空気タンクリザーバに接続し、空気が低圧のタンクに、双方の初期圧力の間にある平衡状態を達成するまで流れる。その後、平衡状態になるまで補充される、５００ｐｓｉタンクに接続する。それと同様に、１０００ｐｓｉ，２０００ｐｓｉ，および最後に、調整弁が３０００ｐｓｉでタンクを切断する３５００ｐｓｉのタンクに接続する。このように、各空気リザーバ内に含まれるポテンシャルエネルギーは、３５００ｐｓｉタンクのような最高のポテンシャルエネルギーでなくても、有用な仕事を行うことができる。これは、所与の空気体積で行われる有用な作業を拡張する。この圧力システムに関する利用可能なエネルギーの拡張は、カスケードの熱貯蔵器システムのエクセルジー保存性質に類似している。
【０１４１】
次に、現空気圧が７００ｐｓｉのスクーバタンクに空気を補充することを考える。１５０ｐｓｉと５００  ｐｓｉのタンクをバイパスし、１０００ｐｓｉの空気タンク、２０００ｐｓｉの空気タンクにつづいて３５００ｐｓｉの空気タンクに接続する。他の空気リザーバのそれぞれで使用可能な圧力を利用しながら、より低い圧力の貯蔵器内のエネルギーを保持しているだろう。（例えば、直接３５００ｐｓｉのタンクから吸収することに対する）。このカスケードシステム（縦続接続システム）は多くの利点を提供し、商用の圧縮空気充填システムの標準である。
【０１４２】
動作時には、熱貯蔵器システムは、同様なカスケード方法を持っている。異なる温度の複数貯蔵器を利用し、温度の増加・低下に従い、整列することで、特定の熱貯蔵器に最も密接に対応する加熱あるいは冷却を受け入れることが可能である。同様に、エクセルギーの最大化、システムエントロピー増加の最小化、および環境温度を増加的に調整をするために低グレードの熱貯蔵器または冷熱貯蔵器（ｃｏｏｌｔｈ  ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）のカスケード段を利用することが可能である。
【０１４３】
この温度カスケードシステムの一例としては、液体（空気）と単一の顕熱質量との結合である。この結合は、細線熱交換器によって促進される（以下の水文の節で詳しく説明する）。この熱交換器は、単一パスの後に結合された媒体との間に、単一の摂氏温度差を持つ典型的な周囲環境温度での熱伝達が非常に効率的である。この熱交換器を用いて、８℃の空気を３０℃の熱貯蔵器と結合することにより、熱交換器の出力として２９℃の空気が得られる。別の顕熱蓄熱貯蔵器を２０℃で添加し、管路内部のシリアルカスケード温度装置に接続すると、第一の熱交換器から放出された空気の温度は、１９℃で、第二の熱交換器に入り、再度放出された空気の温度は２９℃となっている。この交換では、温度差が小さいため、熱交換後の最終の貯蔵器による温度低下は、少ない（初期温度の８℃に対する加熱空気の温度は１９℃である）。このようにして、エクセルギーは、スクーバタンクの補充の例と同様に保存されている。
【０１４４】
次に、熱エネルギーを輸送する目的で、浮力駆動流を確立するために差動加熱（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｈｅａｔｉｎｇ、差熱、選択加熱）に基づいて流体システムを循環させる熱サイフォンを考慮する。これは、資源から熱を除去し、パスを介して熱と質量を輸送し、さらに所定のヒートシンクに熱あるいは質量を排除する動作によって実行される。
【０１４５】
前の例を拡張し、１０℃の追加した第三の熱貯蔵器を有する導管を介して流れる初期温度が８℃の空気を考慮する。最初の交換後、空気温度は９℃で、第二の交換後の空気温度は、１９℃となり、最終の交換後の空気温度は、２９℃となった。１０℃の貯蔵器による最初の交換直前と直後のエクセルギー変化レベルは小さく、双方が生成した熱サイフォンも小さくなる。実際には、熱サイフォンは、交換を容易にするための十分な浮力を有することができないであろう。導管内の熱交換のカスケード温度の直列配置を通じて、最大加熱差が、熱サイフォンを駆動する。導管内の８℃と３０℃貯蔵器のより間の大きな温度勾配で動作することにより、追加の熱交換が有効になり、システムを介した熱エクセルギーフローを強化される。これは、多くのシステム機能で使用できる新規の有用な特徴である。
【０１４６】
次の例では、カスケード温度の熱交換熱貯蔵器システムを利用する他の利点が検討される。図１０１に示すように、１３個の冷貯蔵器と熱貯蔵器がある。左側には、ｃｏｌｄ  ６と表示がなされた貯蔵器がある。これは、最も冷たい貯蔵器であり、温度上昇の他の６つの貯蔵器（第５号から第０号）に囲まれている。右側にはｈｅａｔ  ６と表示された貯蔵器がある。これは、最も熱い貯蔵器であり、他の６つの貯蔵器（第５号から第０号）に囲まれている。第０号の貯蔵器は、熱い貯蔵器と冷たい貯蔵器の間の中間点である。これらの貯蔵器は、Ｃ６（Ｃｏｌｄ  ６），Ｃ５，Ｃ４，Ｃ３，Ｃ２，Ｃｌ，０，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，  Ｈ５，Ｈ６と標識され、特定の温度に割り当てられる。これらの温度は、通常、システムが経験した最大極端な温度に関連付けられる。太陽集光器を持ち、寒い冬季を経験したシステムは、Ｃ６を−１５°Ｆ（−２６℃）とＨ６を５００°Ｆ（２６０℃）とすることが可能である。説明のために、以下の温度は、各貯蔵器に割り当てることができる。Ｃ５＝０°Ｆ．（−１８℃），Ｃ４＝１５°Ｆ．（−９℃），Ｃ３＝３２°Ｆ．（０℃），Ｃ２＝４５°Ｆ．（℃），Ｃ１＝６０°Ｆ．（１６℃．）。第０号の貯蔵器の温度は、Ｃ１とＨ１の間の可変温度である。Ｈ１＝８０°Ｆ．（２７℃．），Ｈ２＝１１５°Ｆ．（４６℃．），Ｈ３＝１５０°Ｆ．（６６℃．），Ｈ４＝２２５°Ｆ．，（１０７℃．），Ｈ５＝４００°Ｆ．（２０４℃．），  Ｈ６＝５７２°Ｆ．（３００℃．）が割り当てられている。
【０１４７】
これらの貯蔵器の使用例としては−２０°Ｆ（−２９℃）の寒い冬日での使用が含まれる。貯蔵器が充填されるまで（好ましくは、相変化処理による）、空気がシステムに流れ込み、Ｃ６と熱交換処理を行い、Ｃ６を冷却する。次いで、その後に他の冷貯蔵器、Ｃ５，Ｃ４，Ｃ３，Ｃ２，Ｃｌを充填し始め、次に、貯蔵器０を充填してもよい。これら貯蔵器の相変化材料は、それぞれの等温レベルで充填される。第０号の貯蔵器は、典型的に、顕熱蓄熱を有するため、システムニーズに適合させることができる。他の顕熱蓄熱は、潜熱等温相変化材料に囲まれることができる。別の冬の日には、気温が２５°Ｆ（−４℃）であり得、空気がシステムを介して導かれ、Ｃ３が充填されるまで熱交換処理を行い、その後Ｃ２およびＣ１を補充し、必要に応じて第０号の貯蔵器を充填する。同じ冬の日に雪が設備を被服する。気温が３２°Ｆ（０℃）の雪の熱エクセルギーは、雪を溶かしながら、Ｃ２の貯蔵器を充填する放射表面との結合を介して、その貯蔵器Ｃ２の再充填に利用されることができる。その結果、雪を除去し、水が生成されている。その後、水は、屋根構造の全体を通して好ましくは重力によって流れることができ（好ましくは、最も熱い貯蔵器が最高位置に最も冷たいものが最低位置に設置するように貯蔵器が高さによって配置される）、Ｃ３貯蔵器（必要に応じて、Ｃ３に等化のローカル二次熱貯蔵器を含む）に流れ込み、挿入する前に、２５°Ｆ（−４℃）の空気と熱交換し、意図された貯蔵器（Ｃ２，  ３２°Ｆ．／０℃）に関して適切な温度に冷却される。
【０１４８】
９０°Ｆ（３２℃）の暑い夏の日に、空気がシステムに流れ込み、Ｈ１と必要に応じて貯蔵器０と熱交換を行う。蓄冷の低下を妨げるために、低温貯蔵器との接触を回避する。最適な太陽光レベルが最大温度の達成を可能にするときの太陽集光器は、雲のない日にＨ６を充填することになる。Ｈ６の貯蔵器を充填した後、Ｈ５，Ｈ４，Ｈ３，Ｈ２，Ｈ１の順序で、および必要に応じて貯蔵器０を充填する。曇りの日には、太陽集光器は低温度レベルの貯蔵器のみを充電することが可能である。
【０１４９】
内部システムプロセスは、特定の貯蔵器を利用することになる。木材の熱分解は、動作温度を維持するため、ナトリウム−硫黄電池（好ましくは、Ｈ６と共存）のようなＨ６を利用することになる。ゼオライトの吸着冷凍除湿システムは、Ｈ４を利用して媒体を脱水した後、後続の熱交換器を介して得られた蒸気の輸送を行う。好ましくは、Ｈ３，Ｈ２，Ｈ１がシリアルカスケード温度勾配配列を形成し、導管内の内部熱サイフォンを使用する。Ｈ３，Ｈ２，Ｈ１の熱交換器が、プロセスの熱を回収し、水を凝縮する。堆肥化システムプロセスは、最初にＨ２に結合することによって開始することができ、発熱プロセスが、Ｈ３を充填してから、次に熱的に安定化し得る。嫌気性消化槽は、中温動作のためにＨ３またはＨ２に連結することにより、好熱性モードで動作する。処理が必要な低音殺菌は、Ｈ３に連結することができ、または直接Ｈ３によって熱的緩衝された発熱堆肥処理を行う。Ｈ３に連結した低温殺菌は、全体構造を滅菌するために、全内部放射面積に達成することができる（細菌やトコジラミなどの望ましくない成分を除去するために有用であることを証明する）。菌糸体接種は、Ｈ１によって安定化される基板温度で生じる。家庭用温水は、最初にＨ１で、その後、Ｈ２によって加熱されてもよい。内部の居住空間の調節は、Ｈ１、第０号の貯蔵器、およびＣ１を利用することができる。冷凍は、Ｃ５に接続した冷凍庫と一緒にＣ２に連結することも可能である。アイススケーティングリンクは、Ｃ３の貯蔵器を形成することができる。
【０１５０】
本システムは、最も近いおよび最低ポテンシャルエネルギーを持つ可能な貯蔵器あるいは発生装置を有するシステムプロセスを提供することができる。簡略化のため、上記の例題は、大きな温度範囲を持つ。理想的に、エクセルギーを保存するために、各消費装置と発生装置は、その動作温度の直上または直下の熱貯蔵器によって境界される。幸いなことに、等温相変化材料が多くある。単一度動作温度増分を提供する実用的な相変化材料は、ＰｕｒｅＴｅｍｐ  (www.puretemp.com)によって開発された。非毒性の植物油であるため、システムの生物成分と非常に互換性がある。これらの植物油は、エクセルギーと資源環境管理システムのシステムプロセスにより生成されることができる−別のアロポイエティックシステムコンポーネントを作製し得る。
【０１５１】
熱貯蔵器の設計は、配置が熱交換器に関連して温度勾配を形成する複数の貯蔵器を含む多くの要素を持つ。典型的に、これらの要素は、カスケード配列を形成するために、直列配置で整理される。さらに、これらの要素が、局所プロセスまたは、相変化材料を過熱するようなプロセスを可能にする並列配置で動作するように配置されることも有用である。この過熱は、通常潜熱である貯蔵器が、カスケード配列を介して熱流束の流れ（ｔｈｅ  ｆｌｏｗ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｆｌｕｘ）を増加させる貯蔵器の間で顕熱交換と共に動作することを可能にする。安定化して温度勾配の境界を提供するためにより大きな貯蔵器と結合することができ、または、代替的に、貯蔵器は、貯蔵器の温度変化を考慮し、管理システムにより温度勾配の増加・低下を維持する熱交換器の結合との関係で能動的に切替えることができる。このように、顕熱貯蔵器の統合は、カスケード接続された配列の性質を劣化させることなく、対応することができる。
【０１５２】
図２０４とその補助部品を示す図２０１、２０２、２０３のように、これらの貯蔵器の温度は、人間中心のオートポイエティック生態系を実現するために構成要素を介して生成される。１３台の貯蔵器を見ると、これらは、受動的対流を可能にするためにＨ６を最高位置、Ｃ６を最低位置になるように理想的に構成されることになる。
【０１５３】
示されたシステムは、複数の貯蔵器を有する。この図では、相変化貯蔵器は、構造内に配置される。図２０２に示すような水槽などの追加貯蔵器は、内部処理のニーズにサービスを提供する。構造間の中庭を優先的に地熱で熱交換器システムと結合し、追加熱貯蔵器として動作する。さらに、海、ラグーン、湖、池、河川、水流、および小川（単に水路と呼ばれる）に接続され、初期霜害を低減し、各構造や中庭に特異な微気候を作成し得る熱緩衝を形成するために追加熱貯蔵器として動作することもできる。
【０１５４】
地球表面の典型的な夜間冷却が地面に隣接する冷たい高密度の空気を生成する。建物は中庭を分離し（構造によってすべての両側に囲まれている）、中庭を囲む大気に躍層または反転層を生成し、最も寒く最も高密度の空気が地面に落ちる。囲まれた中庭内の水路を持つことは、空気を用いて温度差を生成することが可能である。その結果、躍層を混乱させる対流空気サイクルが発生する。水路の蓄熱貯蔵器の温度調節により、システム内の気温を変更し、対流に影響を与えることが可能になる。熱発生装置、消費装置、および他の熱貯蔵器に接続した場合、これらの水路は、植物のための気候制御の便利な形態を提供する。
【０１５５】
中庭内の水路のレイアウトは、様々な機能を達成するために、最適化されることができる。単純な円形の湖を持つことは、与えられた面積における水と土壌の遷移エッジを最少量にする。形状を変更するによって、水の端周りにより多くの植物を植え付け、いくつかの利点を体験することが可能である。一つの実施形態では、水の端周りに植物があり、前後にジグザグの蛇行状を有する。（図２０８に示す）。このレイアウトは、周囲の植生が水路に日陰を提供し、太陽放射線被曝を低減することにより、藻類の成長と蒸発損失を減少させるという潜在的な利点を提供する。この水路は、補助貯水の提供、生息地の増加（例えば、水鳥や水産養殖）、灌漑の提供および再構築された湿地の使用を介して廃水の処理等のような多くの利点を提供することができる。
【０１５６】
適切なシステム工学は、中庭内または、中庭間の標高の変化を考慮する。中庭間の８の通路と組み合わせた対流エクセルギー的なフローの設計は、冷たい空気が低い標高に流れる中庭間の空気の流れを可能にする。図２０５と図２０６は、上部に配置された温室を持つ北／南の構築と角度のついた温室ユニットとの交差点にある通路を表示す。これらの通路は、システムアクチュエータとして考えることができ、負帰還に応じて制限するバルブとして作用し、正帰還に応じてフローを増加させるファンとして作用する、ゲートのような機能を提供する。また、これらの通路は、熱貯蔵器とこれらのフローを熱的に結合するように多種の熱交換器を提供することができる。
【０１５７】
特徴を持つ中庭の他の態様は、地球内の地熱ストレージが含まれる。浅い地熱貯蔵器は、高地の温度を取り除き、地下水面に導くことができる降雨の影響を非常に受けやすい。図１０１に関連する最高温度の中庭がＨ６である図２０１および２０４に示される、水の侵入に対処する一つの特定方法は、温室で覆われている。水の侵入を防ぐ他の方法としては、地熱地域から離れる方向に水を導水するための植物構造を構成することができる。生態工学を通じ、様々な微気候は、季節的成長を拡張し、現地の気候要件に適していない植物の生産を可能にするこれらの中庭で確立することができる。
【０１５８】
エクセルギーは、補助エネルギーを介して改善されることができる。熱レベルに関する例は、熱入力により構造的エクセルギーが改善される低温殺菌や鉱石の精錬を含む。低温殺菌は、６５℃（１４９°Ｆ）以上の加熱により、細菌、ウイルスおよび寄生虫を殺すという伝統的な考えである。しかし、凍結は、実行可能な選択肢である。熱システムの管理は、適切な処理を確保するための時間に関してこれらの交換を緩和させることができる。たとえば、寿司で使用される魚の場合、これは、７日間（合計時間）で−４°Ｆ（−２０℃）以下の周囲温度で凍結されて、または、固体になるまで−３１°Ｆ（−３５°Ｃ）以下の周囲温度で凍結し、その後１５時間で同様の温度条件下で保存して、寄生虫を死滅させるのに十分で適切な低温殺菌を確保し得る。
【０１５９】
蓄熱システムは、その操作を以下で詳細に説明される水産養殖や水耕栽培（アクアポニックス）のための様々な利点を提供する。
【０１６０】
大気の最適化の操作
大気システムを管理する実施形態は、理想的に、生物的方法と非生物的方法の両方を用いて動作する。ゼオライトを乾燥剤として利用する除湿の非生物的方法は、以下の水文の節で議論する。Ｈ２Ｏの吸収に加えて、ゼオライトのような材料は、空気流からＣＯ２、ＳＯ２、酸素、窒素ガスを吸収と富化と分離とをするために利用されることができる。
【０１６１】
窒素で飽和されているゼオライトを回復するために、圧縮空気（エネルギー節で説明したように潜在的に相変化から供給される）を処理が繰り返すゼオライトの二次室に流用される。これによって、ゼオライトの一次室から窒素が放出されることを可能にする。両室の圧力を交互することで、ゼオライトは継続的に自身を再生成しながら、富化酸素や窒素の一定の供給が生成される。この窒素気流にも、高レベルのＣＯ２や他の微量ガスが含まれる。ゼオライトガスの分離および濃縮プロセスの分子ふるいの態様は、藻類フォトバイオリアクタ（ＰＢＲ）プロセス（ガス品質の改善を提供することについて後述で説明する）と共に利用することができる。
【０１６２】
前述のように、大気の最適化における他の非生物的な方法は、水および／または空気の特性を変更するための触媒の使用を含む（例えば、バイオガスの生産時に生成したＶＯＣ、ＮＯｘ、ＳＯｘを低減あるいは除去する）。光触媒を利用する新規な方法は、二酸化チタンなどの光触媒を含む表面上に熱サイフォン効果による空気が流れるものである。以上に説明した熱貯蔵器に接続した場合、空中が暖かい（貯蔵器を充填する）あるいは寒い（熱が貯蔵器から放出）時に気流が流れ続ける。本手法では、熱流束は、光触媒表面を通過する流体の駆動を可能にする。
【０１６３】
大気システムを管理する実施形態は、ＶＯＣ、ＮＯｘ、およびＳＯＸを低減または除去し、酸素を生成してＣＯ２を隔離する藻類フォトバイオリアクタを用いた生物的方法に基づいて動作する。前述のように、ＣＯ２の富化は、菌糸体によって提供することができる。水産養殖では、ＡＰＢＲからの出力が、溶存酸素（ＤＯ）を高めることができる。これらのシステムの動作は、以下の節で説明する。
【０１６４】
大気システムの別の実施形態は、空気を濾過するための植物根に対する既知の微生物増殖効果を利用する（米国特許第５，８５３，４６０号）。図１１に示す実施形態では、空気は、水耕配列（好ましくは、アクアポニックスを利用）で成長する植物の根を介して輸送される。好ましくは、この空気流は、熱貯蔵器システムにおける温度勾配で発生した対流サイクルによって流れる。この空気流は、最適に所望の植物の生産のために適切な温度を提供する。空気流が根を通過すると、様々な空中毒素、揮発性有機化合物、ラドン等が除去され、植物が環境から削除する無害な物質に自然的に変換される。
【０１６５】
汚染物質と空気品質の問題に対処することに加え、大気の制御は、所望のガス濃度レベルについての増加のオプションを可能にする。これは、特に植物の属性を変更するために有用である。例えば、植物にＣＯ２を制限することで、成長する能力が低下するが、より高い栄養濃度を生成するという効果がある。システムの生産者と消費者からの入出力を組み合わせば、  植物の酵素とアルカロイド、テルペノイド、配糖体、ポリケチド、およびペプチドのような二次代謝に影響を与える共生の組み合わせを作成することができる。生体内変換の有効化を通じて、マネジメントシステムは、新たなレベルの処理制御を提供する。
【０１６６】
これらのすべての大気のプロセスは、優先的に隔離された大気環境の内部で利用されている。これは、外部工業プロセスのような要因によって影響され得る外部空気質から独立する処理動作を可能にする。図２０９には、対流ループは、図２０１に示す構造内の階段を利用している。これは、再循環モードのために利用される。新鮮な空気入力を求める時は、図２０３に示す階段は、（温室通気孔と共に）冷気を吸い込む、または、熱風を排気するために利用することができる。この新鮮な空気入力は、さらに、前述した技術を使用して調整することができる。
【０１６７】
放射線管理の操作
システム内の様々な放射線管理、特に藻類フォトバイオリアクタ、パーマカルチャー、チナンパ、アクアポニックスを用いた独立栄養生物生産システムや水路上をカバーする植物のような生物的制御が前節で説明されている。
【０１６８】
放射線管理の新規な非生物的構成要素とその補助部品を、図２０４と図２０１，図２０２，および図２０３に示される。図２０４において、高さ９階建の２０棟の塔がある。これは、図２０６で最も良く示される。図２０６には、視点は、太陽に面した向きからである。これらの９階建の塔の背面は、反射面の終点のための太陽光集塔として機能することができる。これらの反射面は、上部の３段階に配置されている、図２０３の太陽煙突である。トップデックの手すりや他の構造部材は、一つの潜在的な実施形態で太陽集光器として作用する塔の背面に日光を追跡（または固定）して、導く反射器として利用することができる。別の実施形態では、図２０８に示す三脚を形成する３塔の頂部にケーブルを介して接続される調節可能な焦点を利用する。これは、米国特許第３，２７３，１５６号のアレシボ電波アンテナの給電のためのビームステアリング機構と同様な設計を持つ。予算の節約と機器数の削減のため、傾斜面を塔の方向または他の中庭内に含まれる調整可能な浮焦点に調整することができる。
【０１６９】
図２０４に示す六角形の建物のデザインは、その建物の構造の一部として南北に移動する温室と南の太陽（南半球にある北の太陽）から３０度外れる他の構造部品ある。このパターンは、最適な光放射パターンを提供する。得られた太陽光の全量は、真の南太陽に対して、各角度の構造上でそれぞれ十パーセントのみ減少したが、固定型反射点を使用した場合、双方の組み合わせによって太陽光の利得のためにより長く利用されることが可能になる。建物の連結された設計は、通信用の光学的ネットワークのための光路の形成を可能にする。他の実施形態は、放射工程コントローラとヘリオグラフとの組み合わせにより通信のための受信光の特性を調節することができる。
【０１７０】
不要な放射線を最小限にするために、無線周波数（ＲＦ）の慎重かつ賢明な使用よって達成できる。理想的に、全システムは、ＲＦ放射の制限と予防原則を適用する。光学的光ネットワークを介した通信を用いて、クラス３（１ｍＷ）またはクラス２（２．５ｍＷ）で動作するブルートゥース（登録商標）デバイスのような低電力ＲＦデバイスを利用することに加えて、ＲＦ放射被曝を大幅に低減させることができる。しかし、接続された構造外の通信の場合、電波は非常に便利である。これを実行するための新規な方法は、無線通信装置が搭載される場所に空気より軽いプラットフォームを作成することである。本装置は、ラインオブサイトによって遠くの通信点まで動作し、必要な電力を低減し、また、距離の逆二乗法則の適用を介して構造物の排出量を大幅に低減することができる。浮動無線局を用いた地上通信は、テザーケーブル、光の変調（ＬｉＦｉなど）、建物から離れる場所（中庭の中心など）に配置され、ＲＦ被曝を制限するための光通信（光ファイバなど）を用いて接続された短波（マイクロ波など）無線通信リンクを利用することで達成できる。配電ネットワークによるＥＭＦなどのような他の放射形態は、好ましくは、直流送電のような静磁場システム、または、交流電力システムの遮断（例えば、導管システム）のような適切なシステム工学を利用することにより対処できる。
【０１７１】
削除
【０１７２】
構造設計に由来する放射線の他の潜在的な利点は、インテリア照明として機能するように中央区分の植生を照明することができる、統合された温室住宅ユニットが示されている、図２０１で示している。
さらに、図２０１と図２０２に示すように、水槽がその構造の背面に配置される。このデザインは、通常、温室内にある植物栽培床で利用されるアンモニアが魚の廃棄物に含まれ、それを消費する不要な藻類の成長を促進することを防ぐために、水槽に光入力を最小にするために重要かつ有益である。
【０１７３】
上記の参照図面にも示されるのは、住居の二重外壁の側面である。初期の二重外壁の設計は、文字通り箱の中に箱を作成し、構造周囲に熱緩衝領域を提供することによって熱損失を低減した。しかし、これによって偉大な追加費用が発生した。この設計が提供する主な機能は、一般的に唯一の熱貯蔵器を用いて、時には温室領域のプールで補充して、地球とエネルギーを交換する熱サイフォンの対流空気ループであった。これは、特に空調空間と外部環境との間の大きな温度勾配のために、システムへの熱的安定度を提供し、空調空間内の熱流束を低下させた。
【０１７４】
この設計では、二重緩衝領域が、建物の温室部に保存されている。この設計は、熱貯蔵器を通過した対流空気のフローを移動するために階段を利用する点で従来設計の機能を改善した。また、この階段は、オープンモード（外部環境との空気交換を可能にする）で使用する場合、太陽煙突として利用され、他の階段につなぐ。この設計は、従来の「箱の中に箱を作成」の設計とそれに関連するコストを排除しながら、同様な性質を提供する。これは、個別の熱貯蔵器となり得、また、好ましくは、エクセルギーキャリア（空気）と熱エクセルギー（温度）を保存して熱交換を強化することができる導管の内にある直列のカスケード配列であり得る。さらに、図１１に示す植物の根および／または物理媒体の濾過や光触媒表面のような可能な補充プロセスを含めて、湿気が再充填可能な乾燥剤によって凝縮され、かつ／または吸収されるようにエネルギーキャリアの構造的エクセルギーを変更することができる。
【０１７５】
放射線管理の他の側面は、導入された太陽光、または、ルーバー、直接光（直射日光）と集中光（濃縮光、絞った光）の構造、熱変色性、フォトクロミック（ｐｈｏｔｏｃｈｒｏｍｉｃ），  、エレクトロクロミック（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｒｏｍｉｃ）およびフォトエレクトロクロミック（ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｒｏｍｉｃ）技術、リトラクタブルシェードネッティング（ｒｅｔｒａｃｔａｂｌｅ  ｓｈａｄｅ  ｎｅｔｔｉｎｇ）のような人工放射線を制限する建物要素との相互作用が含まれる。さらに、内部処理や植物に関して過剰放射線被曝に対する調節を実行するために放射線センサーまたは管理システム入力と共に動作する。夜間の太陽放射線損失は、絶縁されたマイラー・サーマルブランケットブラインド（Ｍｙｌａｒ−ｔｈｅｒｍａｌ  ｂｌａｎｋｅｔ  ｂｌｉｎｄｓ）および／または潜在的な嵐や脅威から保護する圧延金属のストームシャッタ（ｒｏｌｌｉｎｇ  ｍｅｔａｌ  ｓｔｏｒｍ  ｓｈｕｔｔｅｒｓ）により管理される。放射プロセスニーズを補足するには、植物育成灯、反射器、導光管のようなものを介して達成される。
【０１７６】
他の潜在的な実施形態は、通信のためにシステム内の放射線の変調を利用する。これは、ＬｉＦｉアドホックネットワークを形成するために、潜在的に電波帯域幅の一万倍をもっている非干渉性（ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ）な光源（ＬＥＤのような）を用いて自由空間のポイントツーポイントの光通信が含まれる。別の実施形態は、通信用の入射光の特性を調節するヘリオグラフを利用する。適切なシステム工学は、大気の吸収、雨、霧、雪、干渉、シンチレーション、シャドウイング、風中の安定性、光学的透明度（スモッグの削減による）を管理することによって、そのようなシステムの既存の制限を対処することができる。同様な設計は、電波、赤外線、可視光、紫外線、Ｘ線、およびガンマ線を含む全電磁スペクトルに対処することができる。
【０１７７】
放射を緩和する他の実施形態は、好ましくは熱サイフォンの流体循環からの放射粒子を除去する材料フィルタとしてゼオライトを利用する。それによって動力エクセルギーキャリアムーバーの必要性を除去することができる。
【０１７８】
水理学的循環の操作
図２０１−２０６に示すシステムは、システム内の水のエセルギーの利用と水理学的循環に関する新規な機能を有する。水を考慮した場合、入出力を考えるのが便利である。水は、貯水池や降水量から供給されている水道システム、河川および小川などのような様々なメカニズムを介してシステムに入り込む。
【０１７９】
システムの一つの新規な側面は、降水量内の実施エネルギーを吸収および蓄積する能力である。夏の降水量温度は、冬に取得した雨の温度よりもはるかに異なっている。水質のような水の側面に関係することなく、蓄熱システムの温度勾配の側面と接することによって、これらの特性を捕捉・保存することができる。
【０１８０】
雨水の貯留は、システム内の貯蔵によって補完されている。貯水池は、熱貯蔵器の二倍であり、カスケード熱貯蔵器配列と結合することができる。システム内に水を利用することによって、多数の新規な態様はシステム設計に基づき可能になる。
【０１８１】
水は、様々なプロセスに使用されるが、図示の実施形態では、主に生産、保守、および分子の分解を含む生物的なプロセスに使用されている。図２０１に示すこれらの一つのプロセスは、アクアポニックスと呼ばれる水産養殖から栄養素を使用する水耕育成床で作物の生産である。アクアポニックスは、窒素サイクルを補充するために、特にニトロソモナスやニトロバクター細菌を利用することによってアンモニアを亜硝酸塩にする。２ＮＨ３＋３Ｏ２  を、２ＮＯ２−＋ ２Ｈ２Ｏ ＋２Ｈ＋とする。続いて、硝酸塩とする。  ２ＮＯ２―＋１Ｏ２  は２ＮＯ３−になる。
【０１８２】
この特定の成長システムに関する新規な態様は、蒸発、蒸発散、および潜在的に発汗による損失を捕捉するために、水槽を熱貯蔵器として利用する熱システムの管理である。これは、実施形態で熱サイフォンループの空気が流れる導管として階段を利用することによって達成することできる。流体が導管内の複数の温度勾配を通過することで、この熱サイフォンループは、熱貯蔵器との熱交換を強化する。空気温度が熱貯蔵器との熱交換を介して低下することによって、露点に達し、水が凝縮して、補助システムプロセスのために利用できる。この方法では、実用的である新たな再循環水の農業システムを構成するのに失われた水を再利用することが可能となる。同様なプロセスは、サイレージ、食品保存等のための乾燥システムを構成するために利用することができる。
【０１８３】
熱交換器の適切な設計は、システムが正常に機能するために重要である。多くの平坦型熱交換器は、２０  Ｗ／ｍ２Ｋの熱伝達率を提供し、空気との熱伝達に劣る。この問題は、プレートフィン型熱交換器のような他のタイプの熱交換器で対処することができる。しかし、プレートフィン型熱交換器において、プレート間の隙間が狭過ぎた場合、水が凝縮し、プレート間に付着したため、熱伝達特性を復元させるためにそれを除去する必要がある（多くの場合、圧縮空気を使用）。幸いなことに、ゼロ接触角であっても、表面張力は、超微細な液滴のみを生成する凝縮を可能にし、凝縮に応じてスタントン数が変更しない細線熱交換器と呼ばれる別の設計がある。この交換器は、３００  Ｗ／ｍ２Ｋ（ｗｗｗ．ｆｉｗｉｈｅｘ．ｎｌに従って）を達成できることが実証されており、米国特許第５，８３２，９９２号に記載されている。適切に設計したシステムでは、これは、結合された媒体との唯一の摂氏温度差で熱伝達を可能にする。
【０１８４】
湿度を細線熱交換器の湿度レベル範囲以下に減少させるために、ゼオライトのような乾燥剤を利用する他の新たな除湿方法が可能となる。この乾燥剤は、従来のホイール構成で利用することができ、他の乾燥剤が低湿度環境との結合や高温での再充填で利用される際、乾燥剤室の再充填を可能にする。除湿の新規な方法は、飽和乾燥剤内の水が相変化し、蒸気になって放出され、その後、熱エネルギーを取り戻すのにも役立つ種々の熱交換により水に凝縮されるまで、温度上昇の複数貯蔵器との熱交換を介して温度を上昇させる熱エクセルギーフローを生成することにより、飽和乾燥剤を再充填するのに、熱貯蔵器を利用することである。
【０１８５】
エクセルギーと資源環境管理システムの他の側面は、時間やイベントに基づいて分離工程を用いて水の構造的エクセルギーを維持することが含まれる。十分な隔離した貯水池により、水は、増加的に保存することができ、時間やイベントが登録され、品質を確認するためにテストされることができる。管理システムは、追加の分離オプションを提供することができる。流体貯蔵量を制限することができるため、単一の貯蔵器に複数のイベントを組み合わせることが可能である。予測分析は、特定のイベントに水質を決定するために有用であり、それによって、品質の同様な他の水と分離し、組み合わせることができる。さらに、予測は、季節入力による貯水池の保存や予測置換に関連して流体レベルの適切な使用を決定するのに有用である。
【０１８６】
このような資源分離の一般的な例は、し尿と雑排水である。分離処理は、直接のユーザ介入、物理的品質の分析、リアルタイムまたはほぼリアルタイムの分析テスト、データ分析（農薬散布のようなイベントを含む産業イベントや汚染指数など）、物理的な分離プロセスのような様々な方法で達成することができる。雑排水とし尿を考慮して、この分離は、シンクが雑排水槽に流し、トイレがし尿槽に排出する固定具で物理的な分離プロセスを介して行われる。これは、排水を分離することにより、浄化条件を削減し、重要なプロセスのための空間を収納するRVの一般的な方法である。
【０１８７】
雑排水とし尿への排水の分離はいくつかの利点を有するが、エクセルギの破壊も発生する。つまり、高品質の水を低品質の水と混合した場合、全体的に水質が劣化する。この一般的な例は、水温を所望のレベルに達成するまでの間に捨てられていた水を含む。この水は、他の目的で再利用することができるが、多くの場合、水が汚染物資と混合し、その結果、再利用することが許可されなくなる。他の例としては、一般的に滅菌媒体で栄養素が多くふくまれていると考えられる尿が糞と混合した場合である。分離の利点は、尿の分離と小便器を備えた便座を使用することによって実現される。液体部分は、糞便の好気性処理に有害であることため、糞便からの尿の分離は、バイオトイレで非常に有益であることが見出される。
【０１８８】
各付加と入力がユニックな品質特性を持つエクセルギーキャリアとして廃水を考慮した場合、新たな方法と処理を作成することが可能となる。廃水流のための時間とイベントベースの資源分離の原則を利用することにより、システムエントロピーの増加を軽減することを介して、品質を向上し、処理要件を低減することができる。再び、暖かくなるまでの蛇口から流れる水の例を考えると、水が暖かくなって利用され始めると同時に汚染物質（例えば、界面活性剤や石鹸等）と混合されるというサブイベントを区別するために、水を用いるというイベントは、経時的に分割される。この情報は、利用者の介入または自動処理から廃水流を適切な貯水池あるいは二次使用に導くために利用される。この方法は、複数の排水または他の分離方法を操作することで達成することができる。これらのプロセスは、特定の汚染物質のために最適化された個別の処理システムを有効にする。それによって、混合廃水流の対処にますます複雑になる追加の下流工程を最小化あるいは排除する。
【０１８９】
イベントとサブイベントに基づく分離を考慮した場合、廃水流を利用者や異なる処理による区別を実現することが可能となる。前述のトイレから離れた尿の例を参照すると、さらに、廃水流を分離することが有利であり得る。これは、尿が食品システムに入る栄養物として利用することができる際に利点をもつ。石油化学ベースの医薬品や抗生物質を服用している家庭内の特定の人物を考えてみる。その廃水流を、健康的な薬を服用しない人々の廃水とは異なる分離処理にすることが有利である。時間とイベントの分離は、最終的に排水中に巻き込まれる、歯磨きのフッ化物、医薬、抗生物質、化粧品、ローションのような石油化学ベースの製品、重金属、人工有機化合物、コロイド物質、および懸濁固形物のような他の一般的な汚染物質を分離する機能を提供している。管理システムは、各イベントを分離し、下流処理（例えば、同じ汚染物質を修復するなど）のために同様で関連しているイベントを組み合わせるために、これらの原則を使用することができる。一つの興味深い例は、個人の食事に基づいて廃水流を管理するものである。尿や糞は、個人の食品選択に基づいて分別することができる−おそらく高残留栄養をもたらす。これは日々に変化し、その結果、廃棄物のエクセルギーレベルに変化が生じる。このデータを取得し、廃水流を分離することにより、エクセルギーフローの変化に応じて下流に適切な処理を実行することが可能である。
【０１９０】
汚染物質に基づいた廃水の分離に加え、熱エクセルギーは、雨水のために適用したのと同様の方法で保存することができる。この方法を実行するためには、温度にもとづいて素材を分離する複数の排水を利用し、エクセルギーキャリアと各排水レベルの熱貯蔵器との間の熱交換の必要性を軽減する。
【０１９１】
廃水の浄化は、多くの状況から、人工湿地に供給するための十分な水質、設計したリビングマシンによる処理を必要とする水、従来処理が必要な廃水（地下排水フィールドを持つ嫌気性の沈降槽など）の3つのカテゴリに分割することができる。これらの技術は、組み合わせることもできる（例えば、沈殿槽における懸濁粒子、沈殿、水の濁度を低減するための固体分離、リビングマシンによる液体処理、そして湿地との最終処理）。廃棄物の浄化は、好ましくは、バイオレメディエーション、ファイトレメディエーション、真菌改善、真菌濾過などの技術に加えて、好気性、嫌気性、および触媒処理のような異化作用を通じて達成される。管理システムに利用される情報は、システムを介して最適なエクセルギーフローを維持するために廃棄物処理を利用する適切な反応を決定することができる。
【０１９２】
マテリアルサイクルの操作
マテリアルサイクルは、同化作用処理（生産）と異化作用処理（分解と散逸）が含まれる。これらの処理は、内部構造であるか、または、中庭とその周囲の管理区域で外部であるかに関連して分割することができる。
【０１９３】
中庭では、植物の根が確立されたら、湿地によって処理される廃水の流れによって供給される蛇行水路は、自己灌漑システムを作成する。地球が湿っており、蒸発によって水が上方に引っ張れられる毛細管現象のために、水溶性の栄養素は懸濁したまま、植物の根に利用可能である−完璧なルートゾーンの環境を作成する。この方法は、これまでに作成された最も生産性の高い農業システムで、メキシコのマヤ人によって作成されたチナンパと同様な機能を持っている。熱管理の新規な改善により、湿地は、冬季でも機能し続けることができ、有益な働きをするバイオフィルム細菌と微生物のために拡張表面積を提供する固定膜の生態系は支援されて、さらに、外部生長システムのために適合性をもつ生物種の追加選択肢が実現されることも可能である。中庭内の他の成長システムは、好ましくは、生態系のように機能する食品林などの食品システムを生成するパーマカルチャーの原則と生態工学に基づく。中庭を越えて外部環境は、人間と提携して生態学的に設計された自然生態系を開拓する在来種に開放される。
【０１９４】
内部の同化作用は、魚と植物の両方を生成するために、エクセルギーと資源環境管理システムの多くの側面を利用するアクアポニックスを含む。以前に記載されたアクアポニックスの熱面と大気面に加えて、他の重要な要素は、魚餌の補充を含む。この食材供給は、魚の種類に依存しているが、最適な健康のための独立栄養生物と従属栄養生物の適切なバランスを取れた食糧で構成される必要がある。この食糧は、藻類、他の魚、蠕虫、昆虫を含むことができる。
【０１９５】
同化生産のための別の新規な実施形態は、藻類の生産である。これは、藻類フォトバイオリアクタ（ＡＰＢＲ）で内部的に、または周囲の水路で外部的に実行することができる。外部プロセスは、寒い期間中に生産を拡張するために熱貯蔵器の熱が提供した新規の熱調整から利点を享受することができる。内部プロセスの例は、藻類フォトバイオリアクタの二つ傾斜面を表示した図２０１に示す。藻類フォトバイオリアクタ（ＡＰＢＲ）は、光合成のための放射線（太陽および／または人工）を活用し、バイオマスを増加しながら、他のサイクルに酸化を提供する。このシステムは、分離資源と共に上述の尿分離オプションと統合し、特定のイベント（排尿）に依存する２つのバイオリアクタのどちらかを選択することができる。前述したように、これは、エタノールとバイオディーゼル燃料への可能な変換のために炭水化物や藻類を分離するさらなる処理、またはバイオガスを生産する嫌気性消化過程を経てエネルギー製品の生産に利用された方が良い潜在的な汚染物質からフードストリーム（栄養補助食品や魚餌の生産など）にリサイクルしようとする栄養素を分離することができる。
【０１９６】
同化作用に加えて、マテリアルサイクルは、異化作用を含む。これらのプロセスは、多くの場合、自然で共生である。魚餌の生産工程を例とする。魚餌の生産は、異化消化プロセスに依存し得る。魚餌を補充する良く知られる方法の一つは、腐食動物である蠕虫の生産と有機系材料から豊かな土壌を形成するミミズ堆肥を介して行われる。他の魚餌の補給方法は、糞を含む動物や植物からの有機物質をタンパク質に変換できるアメリカミズアブ（Ｈｅｒｍｅｔｉａ  Ｉｌｌｕｃｅｎｓ）幼虫を利用することである。これらのハエは、腐食動物と糞食動物の両方で肥料管理に使用することができる。有利なことに、アメリカミズアブは、寄生虫の中間キャリアであることが知られていなく、大幅に大腸菌（０１５７：Ｈ７）や腸内サルモネラ菌を減らす。蠕虫や昆虫は、増加した質量の同化生産を形成するために、異化消化過程を介して作用する。この生体内変化を経て、これらは、エクセルギー変換器として動作する−廃棄材料のエクセルギーを栄養素に転移し、アメリカミズアブの場合、従属栄養生物が消化できるタンパク質、カルシウム、およびアミノ酸に転移される。
【０１９７】
廃棄物流におけるそれらの使用の例示は、図１２に示される。エクセルギーと資源環境管理システムの新規な環境制御面を通じて、最適化された環境を、変換プロセスのために形成することが可能である。熱システムの管理は、アメリカミズアブの適切な成長を促進するための２７．５℃から３７．５℃（８１．５°Ｆから９９．５°Ｆ．）の適切な環境温度を推進する。ハエの幼虫が収穫された後、残りの培地は、さらに最適な変換プロセスのために、１５−２５℃（５９−７７°Ｆ）の低温を必要とする蠕虫によって処理することができる。図１２に示すように、糞は、蓄熱に結合されている好気性消化装置との連結を通じて低温殺菌を行うことができる。この低温殺菌処理は、寄生虫や大腸菌が食糧システムに入ることを防ぐための蠕虫と幼虫の処理を含む、任意のステージで起こり得る。破線は、ＡＰＢＲからバイオマスに変えることができるメタンと二酸化炭素を生成する、廃棄物の嫌気性消化などの任意の経路である。これらの可能なサイクルは、廃棄物から食品に変換できる処理を実証する。
【０１９８】
別の共生異化作用は、菌糸体による好気性消化である。菌糸体は、有機物を腐敗するため、３０００−５０００ｐｐｍｓのＣＯ２の大気環境を形成して維持する。先行技術は、多くの場合、温室でＣＯ２のレベルを高めるためにキノコ菌糸体生産システムを使用した。さらに、ＣＯ２は、藻類の適切な成長のために不可欠である。３０００−５０００  ｐｐｍｓのＣＯ２の濃度レベルは、１００％よりはるかに下にあるが、このレベルは、藻類の所望の指数増殖期を促進するのに十分である。したがって、藻類と菌糸体の生産は、双方がマテリアルサイクルオペレータとして共生プロセスを形成する。新規な空気流量調整を通じて、上昇ＣＯ２レベルの抽出は、菌糸体の生存能力に影響を与えることなく行うことができる。従来のＣＯ２の入力は、一般的に藻類の生産に多大なコストであるが、この方法は、新しい低コストの代替手段を提供する。
【０１９９】
菌糸体は、リグノセルロース材料のセルロース複合体を単糖に変換するために酵素加水分解を行う重要な異化プロセスである。これらの糖は、さらに、菌糸体培養用培地として利用することができるサイレージの生産を作成する嫌気性消化の他の異化作用によってさらに処理されることができ、さらに別の共生のプロセスを形成する。菌糸体は、多種の培地上で培養することができ、好ましくは滅菌培地である。滅菌培地製造は、前述のように熱貯蔵器の温度勾配を利用して熱的に調節された低温殺菌プロセスに結合することによって作成することができる。
【０２００】
キノコ菌糸体の消化系のための培地の滅菌は、別の新規な方法で達成することができる。適切な温度調節によって、堆肥が、菌糸体接種用の滅菌培地になることができる。堆肥プロセスの最終段階に、管理システムは、堆肥培地の温度を菌糸体接種のために最適な８０°Ｆ（２７℃）まで低下させ、サーマルレギュレーションを調整する。十分な菌糸体の発達の後、ケーシング層が適用され、その後にキノコが出現し収穫される、産卵のために成長培地の温度は、約６０°Ｆ（１６℃）まで低下させることができる。
【０２０１】
典型的な堆肥プロセスは、それらの基板の完全な低温殺菌にいくつかの制限がある。ＡＰＢＲと熱貯蔵器を利用する新規な堆肥方法には、好ましくは、定期的に回転、および、好ましくはＡＰＢＲから出力されるＯ２で曝気され得る、適切に設計された温度管理密閉環境内にある培地の分離で構成されている。炭素が酸化される発熱堆肥プロセスからの熱は、熱貯蔵器との熱交換を行うことで調節することができる。熱貯蔵器は、好気性細菌に有害である処理温度の制約（一般的に１６０°Ｆまたは７０℃以上）を超えないことを保証しながら過剰熱を保存することができる。通気、酸素濃度、水、炭素材料および窒素の制御入力と結合された時、堆肥プロセスは、制御されていない高温での典型的な損失なしに加速することができる。放出されたガス、主に二酸化炭素とアンモニアは、ＡＰＢＲに転送することができ、酸化処理を継続するための酸素と追加バイオマスを生成するために利用される。このように、ガス、液体、固体の扱者（ｈａｎｄｌｅｒ）はそれぞれ、機能するために必要な他処理を可能にし、さらに強化する循環処理の一部分を形成する。好気性消化システムにおいて、出発材料の主なエネルギーは、水と二酸化炭素に酸化されることにより、熱として放出される。それに対して、嫌気性消化工程では、出発材料中に含まれる化学的エネルギーの大部分は、メタン生成菌によってメタンとして放出される。また、工程段階によって、嫌気性消化は、アルコールや他の多くの最終生成物を生成する（図１３を参照）。メタン生成の最終生成物のバイオガスには、以下のようなものが含まれる：ＣＨ４（５０−７５％），ＣＯ２（２５−５０％），Ｎ２（０−１０％），Ｈ２（０−１％），Ｈ２Ｓ（０−３％），シラン、シロキサン（多くの場合、石鹸や洗剤由来）。バイオガスは、調理のためのエネルギーを供給するのに非常に有用であり得る。バイオガス中のメタン（ＣＨ４）は、様々なエネルギー用途に有用であるが、燃焼を遅らせる二酸化炭素（ＣＯ２）、腐食性である硫化水素（Ｈ２Ｓ）、鉱床を形成するシランとシロキサンを含む他の要素は、機器を簡単に破壊することができる。このため、バイオガスをアップグレードするのが有用である。これは、藻類がそれらの成分を除去し、ＣＯ２とＨ２Ｓを栄養素として消費し、オメガ−３や他の長鎖炭素化合物に処理するＡＰＢＲの使用を含む多数の方法で実行することができる。藻類バイオマス成長に加えて、このプロセスは、主にＣＨ４とＯ２を残して、より高エネルギー含量をもたらして初期バイオガスからの構造的エクセルギーを増加させる。アップグレードプロセスに必要なエネルギーは、太陽光かつ／または人工放射線から回収する。嫌気性消化から生成された廃棄物（サイレージ・消化物・廃水を含む）の異化作用と同化作用ＡＰＢＲ処理との共生組み合わせによって実現される他の利点は、外部環境に放出されたら、一般的に低酸素状態になる富栄養化／過栄養化の典型的な危険性を大幅に削減、または除去することである。
【０２０２】
同化作用と異化作用の両方は、材料処理の共生性質を実現するために不可欠である。プロセスの慎重な設計と使用は、システム内のエクセルギー破壊を管理することができる。
【０２０３】
エネルギーシステム操作
エクセルギーと資源環境管理システムは、生物処理（光合成および嫌気性消化/発酵/バイオガス生産など）と非生物処理（ガス化、光起電プロセス、内部処理の運動の活用、圧力変化などを含むエネルギー変換など）を経て、多くの資源のエネルギー製品への変換を可能にする。
【０２０４】
議論されたように、エクセルギー保存の新規な方法は、熱消費者・熱発生者・蓄熱貯蔵器に接続された熱交換器のシリアルカスケード温度アレイを通過する導管路内で熱サイフォンを利用することによって達成できる。本システムは、ポンプの必要性を削減または除去することができる。
【０２０５】
本システムは米国特許第４，３６６，８５７号に記載された技術を使用することによってさらなる改善を実行することができ、ここで、熱サイフォン効果は、「作動液として磁気感受性液体を含み、重力場に類似するが、実質的により大きい人工的な体積力の場を生成するために磁気感受性液体と相互作用する傾斜磁場を生成する電磁石または、永久磁石によって囲まれる」顕熱エクセルギーキャリアによって強化される。
【０２０６】
このようにして、システム内の熱エネルギー束と、関連する熱交換を高めるために熱サイフォンのスループットを向上させることができる。
【０２０７】
電力を生成する別の方法は、既に説明したように稼働する熱音響原動機（ｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃ  ｐｒｉｍｅ  ｍｏｖｅｒ）の熱機関を利用することにより実現できる。熱音響原動機の熱機関を駆動する新たな方法は、共振器内に複数の熱交換器を構成し、共振器内の熱サイフォンフローを生成するために熱交換器を配置することによって作成される。熱貯蔵器の温度勾配を介した熱流束は、熱入力および抽出モードの双方で共振器内の対流電流を駆動することができる。
【０２０８】
熱貯蔵器の新規な構成は、図１０１に示される。このレイアウトは、環境制御に対する発電用に最適化されている。この図では、中央の導管または構造は、共振器を形成し、温度差で音声を生成する熱音響原動機に接続されている。可能な内部経路は、円形または、円形経路間にブリッジを構成する共振器を示す図８の構造を形成することができる。図８の設計では、最高温の熱貯蔵器と最低温の熱貯蔵器は、中央の構造あるいは導管の反対側に配置されている。電力は、共振器チャンバー内の増加した気圧を通じて低温レベルで生成することができる。これは、カスケード熱貯蔵器に連結されている。
【０２０９】
工学技術を通じて、この設計は、機械的振動を電力に変換することによって環境エネルギーを音声に拡散し、最終的に電力に変換することができる。
【０２１０】
電力生成の他の方法は、過去に根ざしている−家畜の仕事による運動エネルギーの利用。電力を生成する他のプロセスは、前述したように生化学的、熱化学的、およびバイオマスの触媒反応に基づいている。バイオマスを直接的にエネルギーに変換すると、長鎖炭素化合物のような有用化合物のエクセルギー破壊が起こるため、異化作用エネルギー生産処理は、汚染物質が含まれている低価値バイオマスを利用することを提案する。
【０２１１】
同様に、熱エネルギー束を利用するための新しい潜在的な別の実施形態は、液体が相を変化させ、ガスに膨張する時のようなポテンシャルエネルギーを採取するために相変化の差圧を利用する。例えば、水の相が１００℃に蒸気に変化した時、その体積が初期体積の１７００倍に拡大する。同様に、蒸気が水に凝縮した時、その体積が逆方法に変化する。体積変化は、一般的にタービンを回転させ、電力を生成するために利用されている。この体積変化を利用するための他の可能な変換装置は、空気圧モーターを含む。
【０２１２】
変換温度が異なる相変化材料を用いて、ガス濃縮装置、ガス処理装置、ガス分配器および仕事とエネルギーの生成を可能にするのに利用され得る差圧を生成するために、システムを介して熱エネルギー束を利用できるように、それらを温度勾配に配置することが可能である。典型的には、相変化を生成するために、大量の消費エネルギーが必要である。しかし、等温温度点が上下に密接に境界された場合、熱管理操作の最初の2つの例に示すように、エクセルギーシステム内の変化は最小限に抑えられる。システム全体のエネルギーの流れを分析するエクセルギーの概念に基づいて、再生可能な拡散エネルギーフローから離れて機能する、定常状態であり、平衡状態ではない散逸構造を実現することが可能となる。
【０２１３】
管理システムの操作
エクセルギーを資源環境管理システムの内部プロセスを調査したところ、主な利点は、温度レベルや大気等および材料処理（分離を含む）ならびに放射線レベルといった特性の管理から取得される。変化する外部環境状況に境界された単一システム内のこれらすべての要素を管理することによって、生物や化学的工程が有効的に機能するための恒常的な規制因子を提供するために物質とエネルギーの交換を経時的に管理することが可能となる。
【０２１４】
情報の流れにより、情報処理管理システムは、エクセルギーに基づいて材料を分類、分離、調節することができる。内部処理は、最適化された方法で操作することができる（例えば、堆肥、発酵、およびバイオ炭の理想的な手法の作成、あるいは好気性プロセスからＣＯ２の入力を採取するＡＰＢＲによる酸素異化作用好気性消化のような共生プロセスの操作）。情報は、構造、窒素、炭素、糖、脂肪、たんぱく質、アミノ酸等の属性に関連して、バイオマスの分類を可能にする。生物システムにおける情報処理に関する研究であるバイオインフォマティクスを、計算生物学を介して、大量のデータから有用な結果を抽出するために利用することができる。反応束、細胞信号伝達、変化する代謝産物濃度レベル、構造（すなわち、ペプチド、タンパク質、核酸、リグナンド等）などのような情報を、後続のバイオマス処理で利用することができる。システムの生体エネルギー、すなわち吸エルゴン反応および発エルゴン反応の研究を通じて、生物的プロセス内のエネルギーの役割を理解することが可能となる。
【０２１５】
物理とエネルギーの可用性、数量、および品質を示す情報により、システムに流れるエクセルギーフローの性質をモデル化することが可能となる。統合生物システムのバイオインフォマティクス解析は、状況による目標を考慮して資源とエネルギーの最適な組み合わせを決定するために適用することができる。エネルギーと資源環境の変動性は、環境要件を満たすことと同時に、全体システムを操作することによって対応することができる。生物システムにおいて、順化生物は、システムの環境に適応することに対して、レギュレータ生物は、適切な環境規制を介してシステムに収容される必要がある。恒常性制御により、生物や化学的プロセスは、広範囲の環境要件の変化で効果的に機能する。恒常性制御は、物質またはエネルギーの経時的な管理された交換あるいは単に拡散を通じて達成される。
【０２１６】
制御機構は、システムパラメータを調節し、正または負のフィードバック信号のいずれかをアクチュエータに送信する適切な応答を決定するコントロールセンターへ変化を伝え、状況を監視する受信機あるいはセンサーである、調整される変数のための少なくとも三つの要素でフィードバックプロセスを利用することによってこれらの典型的な交換を管理する。
【０２１７】
環境規制を維持するために考慮すべき一面として、温度、圧力、品質、数量、および以下の項目に示すエンタルピーに関連するものを含むことができる。すなわち、
過去のデータ、微気候データ、気象データ、気候データ、大気科学データ、水文データ、比較データ、プロファイル・データベース、システム・イベント、タスク、プロセス、間隔、操作手口、スケジュール、管理およびユーザ入力、示差熱量分析を含むことができる。
【０２１８】
考慮する設備は以下のようなものを含み得る。すなわち、
空気調和機、ヒートポンプ、補助ヒータ、炉、ボイラー、吸収器、凝縮器、吸収式冷凍機、ダクト、ルーバー、送風機、ポンプ、バルブ、モーター、フィルタ、発電機/脱着器、蒸発器、冷却塔、コレクター、熱電対、バイオチップ/バイオセンサ、トランスデューサ、デシケーター、比例弁/3ウェイ/4ウェイなど、アクチュエータ、流量計、チェックバルブ、レギュレータ、サーモスタット、赤外線高温計、メタン生成器、アラーム、および貯蔵器を含みうる。
【０２１９】
考慮されるセンサーは、次の項目を測定することができる。すなわち、
内部/外部温度、圧力、流量、外部入力、速度、ルーバー開口部、輻射熱、加湿、材料濃度とレベル、品質、生化学的反応、電圧、放射線レベルなどを測定することができる。
【０２２０】
システム内の資源使用の決定を行うために測定・表示・分析し得る環境変数は、次のようなものが含まれる。
【０２２１】
外部環境として、
温度、風、雨、放射線、エネルギー、圧力、質量、地理空間データ。
【０２２２】
出力システムとして、
暖房、冷房、大気質、水質、流出物、バイオマス、電気、ガス：Ｏ２／ＣＯ２／ＮＯＸ／ＳＯＸ／Ｈ／Ｃ／ＣＨ４、データ。
【０２２３】
エネルギー源として、
アクティブ・パッシブソーラー  （Ａｃｔｉｖｅ  ａｎｄ  ｐａｓｓｉｖｅ  ｓｏｌａｒ），、温度差／圧力差の外部ソース（空気／風力、地熱、水）、バイオマス、バイオガス／メタン、Ｈ２、化石燃料の埋蔵、核、グリッド電力のようなソースを含むエネルギーの結合流れ。
【０２２４】
一つの実施形態では、グラフィカルユーザインターフェースは、ユーザがアクセス、対話、管理およびカスタマイズすることができるシステム環境要素に関する情報を提示する。インターフェースは、環境と通信して空間、設備、およびプロセスの要約情報を含み得、それらを二次元、三次元、あるいは四次元（X, Y, Z, 時間）のモデルを用いて管理されたシステムを表示し得る。このインターフェースは、管理されたユーザおよび処理と共に、検索可能あるいはナビゲート可能リストの形を適用し得る。視覚的表示は、上部の出入り口、経路、および公共空間のようにシステム構造に統合されてもよい。さらに、それらは、システム処理に応じて色、サイズ、健康などが変化する生物あるいはバイオマスのような生物学的インジケータからなることができる。
【０２２５】
別の潜在的な実施形態において、正のフィードバック機構は、多くの場合、追加のカスケード処理を用いて標準範囲外のレベルを調整するために環境条件の変化に応じて出力あるいは動作を調節する。負のフィードバック機構は、制限を介してセットおよび狭い範囲内の機能で出力あるいは動作を調節することが可能である。両方のフィードバックはシステムを適切に機能するために、等しく重要である。
【０２２６】
フィードバックの重要性の例は、加熱/冷却需要変化にゆっくり反応する大きな建物の質量から構成された熱慣性を持つ実施形態である。局地的気象予測情報および環境モニタリングデータを利用することで、反応制御でなく、プロアクティブ管理システムにより効率とシステム出力を最適化することができる。これは、調節のために予測−補正アルゴリズムを使用してもよい。
【０２２７】
システム制御に適用される予測−補正アルゴリズムの別の例は、広範囲で放牧することが許可される乳牛群が含まれる。各乳牛に、それらの放牧路を捕捉するために、GPS追跡装置を装備することができる。その牛乳を採取した時、牛乳品質をそれぞれの牛が通過した地理空間経路と比較することができる。牛はしばしば、劇的に牛乳の味と匂いに影響を与える野生の玉ねぎやにんにくのように自分の環境で多くのものを摂取する。異なる領域で放牧する種々動物からのデータを用いて比較分析を行うと、特定の環境的側面を明らかにすることができる。このデータ発見プロセスを介して、好ましくない放牧領域からの牛を除くために、環境への変化を適用することができる（例えば、フェンシング（囲い）など）。
【０２２８】
イベントと、時間と、構造的エクセルギーとを考慮した監視管理システムの別の実施例は、特定の排尿・排便イベントの構造的エクセルギーを決定するために、個々（人間、動物等）の食（潜在的な毒素や栄養素の記録）のプロファイルを取得することである。次いで、これを鉱物濃度（ナトリウム、カリウム、鉄、マグネシウム等）、溶存塩素、窒素系化学物質、糖、タンパク質、ホルモン等のような物理的側面の異なるレベルの分析を介して実際のイベントと比較することができる。本概念の継続は、個々のユニークなサイクル（睡眠、月経、妊性、妊娠）の追跡、時間に関連してイベントの追跡、データおよび物理的分析、ならびに、排卵または妊娠の時期、生成された乳がいつ摂取に適し得ず、あるいは特定な利益（初乳など）をもたらすか、糖尿病のリスク、腎臓病、血併のリスク、脳機能の低下リスクなどに関するフォードバック情報の供給によって例示される。
【０２２９】
分散管理や集中管理システムの独立性も可能である。大気管理システム、水理学的循環管理システム、エネルギーと物質の経時的交換の管理者、さらに、単純拡散プロセッサの機能を実行する委譲自律プロセスは、適切なシステムデザインによって実現することができる。
【０２３０】
図２０１と図２０２に取り上げた個々の実施形態は、小規模の材料処理サイクルを有効にする。これらのサイクルからの構造的エクセルギー製品は、自己強化ループを生成するシステムユーザによる判断に依存することができる。このようなループの例は、ユーザが、医薬品などの混入物を含む尿のような廃棄物流を分離しないという決定した時に発生する。これらの混入物は、個人の食料供給に混入し、ユーザの行動に応じて直接的な結果を形成する。特定の医薬品や栄養補助食品を用いてこれは好ましく、そのような物質の生物体蓄積性と生物学的利用能を向上させることができる。他の新規な態様での結果に影響を与えるマテリアルサイクルは、同化作用処理への入力を供給する廃棄物流の資源分離を利用することによって、物質をバイオ希釈（ｂｉｏｄｉｌｕｔｅ）と同様に、生物濃縮（ｂｉｏｍａｇｎｉｆｙ）、バイオ濃縮（ｂｉｏｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ）することができる。
【０２３１】
もう一つの新しい潜在的な実施形態は、サイレージの低温殺菌を提供し、菌糸体の成長と結実のための最適な状況を提供するための堆肥温度サイクルの管理のように、前述のシステムプロセスの間のガスで温度交換を管理することを含む。同様に、管理システムは、水の汲み上げ（おそらくエアーリフト方式による）と圧力スイング吸着を利用したガス比の濃縮のような仕事をするために、相変化材料で作成された差圧の利用を管理することができる。前述したように、これらの動作は、調節のために利用された予測−補正制御アルゴリズムと連合し得る正−負フィードバック機構を介して達成される。
【０２３２】
管理システムアルゴリズムの別の新規な応用は、植物および魚のための空気と水の温度を調節できることが挙げられる。一つの実施形態では、水槽内の水温は、同様な水に供給される植物根にさらされるのと異なるレベルで管理されている。このシステムは、従来のアクアポニックスシステムが欠けている重要な機能を提供する。水槽の温度は、魚の種類に大きく依存し、その多くは、低温レベルで冬眠に入る。不幸なことに、多くの植物は、所望の結果を得るために、低温水を必要とする。例えば、花と種子を形成するレタスボルトは、高温に晒された時、苦味を植物に付与する。管理システムは、エクセルギーを最大化する加熱あるいは除熱のカスケード処理を介してプロセスを調節することができる。同じように、管理システムは最適な熱状況を提供するために、植物の根の構造を介して気流の温度を管理することができる。
【０２３３】
さらに、新たな視覚的フィードバック技術は、オートポイエティック生態系により、実現することができる。生物学的指標は、すべて監視対象システムに応じて、視覚的に生物の健康あるいは不健康の兆候を表示する、かつ/または化学的プロセスの変化を通して可視フィードバックを生成する、かつ/またはフィードバックのための特定の嗅覚香り（硫黄など）を配布する、かつ/または物理的な構造や性質（色、体積、高度など）を変更することができる。これらの指標は、システムのエントロピーの増加を管理しやすくし、入力品質および内容に基づいて材料の流れを分離することができる。
【０２３４】
管理システムの新規性を提示する実施形態は、ライダースキャナ、フィールドセンサー付自動無人機、カメラ、湿度センサーのような多数のセンサーを利用し、ＬｉＦｉネットワークにおける光の変調を用いて通信する。通信システムは、システムパラメータを調節し、適切な応答を決定して、アクチュエータまたはエフェクタにフィードバック信号を送信する制御センターに監視状況の情報を伝達するフローティングメタンストーレジバルーンを使用し得る。
【０２３５】
建物構造内の輸送面を制御する管理システムの他の実施形態は、材料輸送（銀行のＡＴＭで利用されるものと同様）のための真空気の配信サービスを指向すること、大量輸送のためのナビゲーションコントロールの操作、および敏感な部分やプロセスを分離する扉あるいはポータルが含まれる。管理システムの頻繁な使用は、建築システムの動作を見ることによって、明らかになる。
【０２３６】
適切なシステム管理によって、同化作用（生産）は、異化作用（分解と散逸）を超えることができ、エントロピーの減衰、バイオマスの増加、種の増殖、複雑性の増加、および利用可能なエネルギーと物質の数量の増加のような結果が得られる。
【０２３７】
建築システムの操作
すべての自然は連続体である。生命の無限の複雑さは、システムの各レベルで繰り返すパターン−テーマとバリエーション−に編成される。このように、建物は、並列に動作する複数のサブグループを持ち、多様性の機会を提供しながら、システム障害がシステムの定常状態の操作を不安定化にしないことを保証する。このシステムの例は、個々のユニットを示す、図２０１と図２０２に示される実施形態である。このユニットは、２つのＡＰＢＲ、アクアポニックスセットアップ、複数の熱貯蔵器（水槽を含む）、対流空気の流れ用の階段からなる管路を備えている。前述したように、ＡＰＢＲは、尿、サイレージ、および他の廃水のような栄養源と共に好気性と嫌気性の消化および菌糸体からのＣＯ２を供給されることができる。この個々のユニットで成長した菌糸体は、生物学的フィルタ（バイオフィルタ）として機能し、体腸菌などの物質を削減・除去して廃棄物修復のための追加オプションを提供する、マット状菌糸体を作成するようにも働き得る。
【０２３８】
共に考慮すると、個々のプロセスは、各ユーザにあわせて調整することができる冗長システムを形成する。これらの微小生態系から流れるエクセルギーフローは、生物地域の生態系が自然にお互いに併合するのと同じように、周囲のマクロ生態系と統合することができる。
【０２３９】
多くの構造体の動作態様は、以前に記載してきた。これは、複数の機能が提供されているシステムの構造的な結合を介して行われる。グレージングは、雨水の収穫のコレクターとして二重構造となり得、傾斜面の部分は、太陽集中・収集のために機能し得る；太陽集熱塔のように、生活空間の塔は、二重構造であり得る
。日陰のための日よけは、バイオマスの成長空間を提供し得る。すなわち、接続された経路は、材料輸送、ユーティリティ、人間の交通ネットワークとして利用することができる。
【０２４０】
まだ詳しく議論されていない一つの重要な側面は、構造内および周囲環境との多種の輸送モードである。システムが正常に機能するために、多くの輸送モードは不可欠である。生態系が正常に機能するために、データ伝送は最も重要である。構築されたシステムにこの原則を適用した場合、データは、エネルギーや物質の転送のような様々な方法で送信することができる。また、データは、従来の電子通信ネットワークを介して送信することができる。無線周波数の生物学的プロセスへの影響と議論は、RF被曝の最小化に抑える設計の提案と共に上記の放射線の節で議論されている。構築設計の接続性を通して、データ転送のために導光管を作成および調節することが可能である。六角形建物の設計は、直線路と設定角度を持つ導光管を利用することを容易にし、方向変更用ミラーの使用を可能にする。
【０２４１】
さらに、建物設計の接続性は、材料輸送経路を可能にする。図２０３に示すように、これらの経路は、経路の形成のために、地下室と屋根構造の両方を利用することができる。図２０３は４つのレベルの内装を示す。底の地下は、鉄道輸送のために利用することができる、または、ゴルフカートのようなゼロ・エミッション電気自動車のために利用することができる車道を示す。一階と二階は、温室生産あるいは住戸ユニットで構成されている。温室構造の背面には、購入と消費の領域への熟成果物を持つ植物のような材料送達のための接続された水路としても利用され得る熱貯蔵器である。これらの同様の水路は、同じ植物を維持するために利用され得る栄養素のフローを輸送することもできる。
【０２４２】
図２０３に示す地上から三階の領域は、セグウェイ、電動スクーター、バイクなどの軽車両の利用や歩行のサービスを提供することができる内部経路接続である。また、屋根は、これらの輸送モードのための別の経路を形成する。複数のレベルを有することで、スループットの向上および交通流方向の分離を実行することが可能になる。三階レベルを占めるバイオマスの販売活動／現地生産と組み合わせた時、交通流のために床面を効率的に利用することは、有用であり得る。経路と共に食料生産を含有することにより、居住者は、何があるかを分かり、道に沿って食品の買い物もできるようになる。
【０２４３】
設計のもう一つの要素は、六角形の設計の頂点での接続点である。これは、図２０６に見ることができる。これらのランプウェーイは、理想的にＡＤＡハンディキャップに準拠し、レベル間の容易な遷移を可能にするである。これは、老人や障害者が必要であるハンディキャップアクセシビリティーが可能となる。さらに、ランプウェーイは、エレベータのような機械的設備に頼りすることなく、建物を介して交通を簡単かつ迅速にルーティングすることが可能になる。図２０３に示す別の交通要素は、太陽煙突としても機能する三階段／タワー組立体を含む。この構造により、Ｓｈｗｅｅｂ小型モノレールシステムのような個人高速輸送システムを接続することが可能である。また、図２０５  に示すようなテザーを接続することも可能である。これによって、はしごの必要性を削減または除去するための食品森林を備えた中庭から果物などのバイオマスの収穫を可能にする。これら同一のラインは、日陰の提供、または鳥の場外のためにネットを掛けるために利用することもできる。
【０２４４】
輸送のための別の重要な要素は、ドライブアップバンキング（ｄｒｉｖｅ−ｕｐ  ｂａｎｋｉｎｇ）のために使用されるものと同様の気送管搬送システムの使用である。建物の接続性は、これらのシステムが様々なユニットとつなぐことを容易にし、システムを通した材料輸送のための便利およびエネルギー効率の高い方法を提供する。本システムは、サブエベント/イベント/時間材料移送システムと共に動作する時に特定の有益をもたらし得る。これは、その後の処理、解析、保存、および活用のためにシステムを介して「パケット」材料を配信することを可能にする。接続された構造の他の利点は、構造内を介してユーティリティ操作が容易である。ユーティリティは、典型的に、配光用のライン（光管/光ファイバー）、有線電源や通信、バイオガス、水素、メタン（すなわち、アップグレードされたバイオガス）、水、および他のガスと液体の供給ラインを含む。
【０２４５】
交通手段は、旅の距離に応じてゾーン内で考えることができる。すなわち、
歩行、セグウェイＰＴ（パーソナル・トランスポート）、乗馬、サイクリング、スクーター、個人高速輸送、電動ゴルフカート、自動車、バス、列車、真空管輸送、空中旅行、宇宙旅行。
この原則に基づく輸送決定基準は、ユーザのエネルギーの使用量を減少させることができる。
【０２４６】
他の設計要素は、北／南コネクタ建物上部の温室を含む。この温室は、構造の下部と共に熱緩衝地帯として機能する。これらの北／南の建物は、通常、生産と修理設備、店、教室、実験室、オフィスとして利用される。屋根上の温室デザインは、構造で太陽エネルギーの使用を最大化にする目標の一部である。理想的には、植物を備えてない屋根はない。温室デザインは、種子が、一方の側に植えられて他方の側で成熟するリニアアクアポニックスの生産システムを提供しながら、光が下の建物の中にフィルタリングすることを可能にする。これは、食品処理工程（洗浄、ダンクタンク、および冷凍等）を最終生産工程に配置することが可能となり、必要な労働を削減する。これは、フレンドリーアクアポニックスが設計したものと同様である（ｗｗｗ．ｆｒｉｅｎｄｌｙａｑｕａｐｏｎｉｃｓ．ｃｏｍ）。
【０２４７】
北／南コネクタの建物の反対側に配置するものはタワー構造である。理想的には、中庭に不利になるような日陰を与えないために、この中層の建物は最も高い木と同高である。このタイプの建物は、同化作用と異化作用システムを維持することができない老人や肢体不自由者のために構築されており、十分時間または興味をもっていない人もこのタイプの建物を選ぶことができる。他の設計要素は、一人あたりの中庭の空間面積である。本設計では、一人あたりの空間面積は、１／１０エーカーである。この空間面積は、使用可能時間に応じて両方を上下に調整することができる。示された内部気候制御生産プロセスと組み合わせた場合、一人当たりたった1/20エーカーの空間面積で、糧のために十分な食料を生産することができる。生産プロセスが両方の居住者とより大きなコミュニティのために余剰な食糧を提供するというのが運用目標であり、そのために、一人あたりの空間面積は１／１０エーカーであることを提案する。この領域を適切に管理するために、サイズは、主に、利用可能な労働力によって制限されている。
【０２４８】
考慮すべきもう一つ側面は、既存の生態系にこの構造を適切に配置することである。理想的には、これらは、自然の水文の流れの付近にあり、および移行性生態系の縁（森林／草原といった、１種類の生態系が別の生態系に会う場所）に沿って中程度の標高変化領域（好ましくは、完全な平坦ではない）に配置される。図２０７は、図２０４に示された設計の拡張を表示し、このシステムの潜在的な配置を示す。これは１０所の中庭を囲む５つの他の構造に完全に囲まれている２つの拡張した中庭（左右に）を持つ好適な実施形態である。これらの構造の中の４棟は「Ｃ」形状に配置される。Ｃ構造の共用体の間に形成された開放型中庭には、牛、ヤギ、羊等の家畜用の柵囲いを備えることができる。これらの動物は、構造間の廊下を通して外部環境に追い込まれることができる。この柵囲いの別用途として、閉じ込めずに野生動物のための追加的な生息地を提供することがある。これらの構造に加え、中心部に直接配置された二つの中庭で構成される最小の複合建物がある。Ｃ形状中庭で適切に管理される在来生態系と組み合わせた場合、これは、緑の回路として機能する非常に狭い廊下によって隣接されている。これは、内部的に管理されたシステムと野生動物の観察のためのより大きな環境との間のインターフェースを提供する。全構造を結ぶ線（六角形の中庭を通って示される）は、個人的な交通システムを表す。
【０２４９】
これらの構造の建設は、理想的に、局所的に利用可能資源を使用する。好適な材料は、長寿命のために設計される。８０％以上の湿度レベルでしばしば動作し得る内部生物プロセスを考慮した場合、有機材料の使用は推奨されない。コンクリートを見ると、それは、典型的に１５０年未満の寿命を持つポルトランドセメントに基づいている。ポルトランドセメントの生産は、製造工程において、大量のＣＯ２  を放出する（このシステムを介して、廃熱の利用および貯蔵やバイオマスの生成のために隔離されることができる）。従来の鉄筋コンクリートは、鉄筋を利用する。ゆっくりと時間のかかる水の浸入は、鋼を錆びさせて鉄筋コンクリートを膨張および損壊させる。鉄筋の代わりに、玄武岩の鉄筋が、錆びの問題が生じないため、提案されている。ポルトランドセメントの使用に関して多くの問題が発生したため、石灰（約３００年の寿命後に再生・再利用することができる）やリン酸マグネシウムセメント等のような建設用資材を利用することが進められる。石灰コンクリートの準備は、廃熱の利用やＣＯ２の隔離に対応するために、このシステムに結合されることによっても達成され得る。理想的に、モルタルを作るために、石灰は、おそらくガラスのリサイクルからのバグハウス（ｂａｇ−ｈｏｕｓｅ）を含むポゾラン（ｐｏｚｚｏｌａｎ）と混合される。
【０２５０】
石灰モルタル以外に、他の材料を使用することができる。最適な材料は、長寿命のためのリン酸マグネシウムセメントである。ローマのパンテオンは、この材料を使用しており、ほぼ２０００年の歴史を持つ。しかし、このセメントの値段は、ポルトランドセメントに比べて約５倍以上の値段で販売されている。依存として経済的に完成した構造を提供しながら、この問題に対処するために、材料の慎重な使用が提案されている。リン酸マグネシウムセメントの有機材料に付着する親和性との組み合わせた高強度の品質を考慮して、この材料を最小で使用するのに、薄型シェル・コンクリート技術と心布緊張の構造設計との組み合わせた方法を利用する。キャンヴァスやバーラップのような材料を用いて、これらの膜上にこのセメントの超薄コーティングを適用して、コーティングが硬化したら（一時間以内で）、次に、その基板は、半インチ（１．３センチ）以上の玄武岩鉄筋に十分なカバレッジ（０．５インチ／１．３センチ）を提供するために、好適には１．５インチ（３．８センチ）の厚さを持つ薄いシェルを生成することができる。鉄筋のカバレッジの深さの減少は、腐食やその後の膨張が発生することなく、水の浸入を処理する能力のためである。この薄いシェル構造は、Ａｉｒｋｒｅｔｅ（登録商標）と同様に、曝気セメントによって絶縁されることが好ましい。コンクリート組績造ユニット（ＣＭＵ）の形状で石灰モルタルを使用して構造体を作成する場合、絶縁は、適切な混合物によるオートクレーブ養生気泡コンクリートを使用することによって実現できる。これらの材料を選択する追加的な理由は、超高温での処理準備を行うため、ポルトランドセメントは、常に環境から電子を求めているためである。石灰とリン酸マグネシウムの両方は、その問題を起こさないで、生物に好適であると実証された（例えば、牛は、ポルトランドセメントを含むコンクリートに比べて、石灰とリン酸マグネシウムセメント上で立つことが好きである）。さらに、マグネシウム系セメントは、生体適合性であり、医科や医療（骨セメントなど）分野で利用されている。
【０２５１】
その他の材料選択は、自然的に非常に従来のものであり、有毒物質の使用を回避するために、Ｌｉｖｉｎｇ  Ｆｕｔｕｒｅ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  （ｗｗｗ．ｌｉｖｉｎｇ−ｆｕｔｕｒｅ．ｏｒｇ）  が発行したＲＥＤリストに参考することが好ましい。記述されていない非伝統的な構築製品は、版築タイヤ（アースシップ構造で利用されるもののような）、アースバッグ、および日干しレンガを含み得る。
【０２５２】
建物の建築技術は、セメント材料の輪郭クラフト（３Ｄ印刷）、ドライスタックコンクリート組績造ユニット（ＣＭＵ）、瓦礫溝基板（地下が望まれていない場合）、およびアースオーガベース基礎を適用することができる。可能な場合は、建築現場から木を別の場所に移動するというような現地資源の利用は、できる限り再利用されるべきである（例えばコンクリート枠を形成するために）。
【０２５３】
オートポイエティック概念は、自己生成を含む。システムによる生成される追加のエネルギー製品を用いて、エクセルギーと資源環境管理システムの実際の構造を形成するためのエクセルギー保全を生成・処理することが可能になる。さらに、多くの材料生産要件は、環境管理から恩恵を享受する（例えば、同化作用やセメント生産用蓄熱）。開示された全体のシステムを通して、結合された自然環境からのみ供給されたエネルギーの流れを利用して、環境制御の全側面が可能な散逸構造の生成が、初めて可能になる。
【０２５４】
代替的な実施形態ＰＰＡの説明と操作
代替の実施形態は、次の通りである。
過熱を防止するために管理システムと熱的に結合され、太陽放射を集中させるAPBR。
【０２５５】
家畜生産−健康な動物から病気にかかった動物を検疫するという概念を使用して、分離された構造内に同様な機能を実行する環境を造る。
【０２５６】
ガス分離のために例えば熱音響冷凍を使用する極低温蒸留技術。
【０２５７】
ウェルネスセンター、すなわち、
病院/スパ/ジム/出産センター/栄養センター/薬剤師/ジュースバー/酸素バー
娯楽/食べ物/宿泊/エコツーリズム/アグラ観光（ａｇｒａ−ｔｏｕｒｉｓｍ）
家族、若者、休暇、高級、ホステル、多家族、および/または農場労働者用の団地
ローカル農業インターフェース/食物網/フードプロセッサー/ファーマーズマーケット/CSAデポ
養殖/水族館
教育/研究施設/生態学研究/会議場
宗教の修道院
研究所/バイオリファイナリー/醸造所
生産者：エネルギー/バイオリファイナリー/化粧品/栄養補助食品/健康・パーソナルケア製品/バイオマス/バイオガス/合成ガス/バイオプラスチック/化学物質
廃水処理施設
キノコ生産施設
【０２５８】
結論、分岐、および範囲
このように、読み手は、少なくとも一つの実施形態では、物質とエネルギーのカスケードフローの効率的な分散型プロセスを経た品質の選択肢を提供しながら、資源保護、より安全/健康的な環境、使いやすさ、信頼性の向上、耐久性、そして回復力、増加したライフサイクル、アップグレード性、利便性、社会的強化、生態学的な利点、手頃な価格、汚染削減、純粋な研究体制に対する拡大市場を提供していることが分かる。統合は、生産地により近いバイオマス処理と消費を可能にする。これは、より短いサイクル（水、鉱物、および残留の流れ）、保存および輸送の流れ要件の低減、より価値の高い製品の生産、年間を通した労働の分配を配布をもたらす。
【０２５９】
上記の説明は、多くの具体性を含んでいるが、これは、範囲を限定するものではなく、むしろその状況的に最適化された実施形態の例示として解釈されるべきである。他の多くの変形が可能である。例として、圧力、温度、放射線、あるいは本システムが可能にする別の相互作用の使用を介して有利的に緩和される非生物化学処理である。したがって、範囲は、図示された実施形態に決定されるべきでなく、添付の特許請求およびそれらの法上の均等のものによって決定されるべきである。
【図１】
2017516969.tif 000003
【図１０Ａ】
2017516969.tif 000004
【図１０Ｂ】
2017516969.tif 000005
【図１１】
2017516969.tif 000006
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１０１】
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【図２０１】
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【図２０２】
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【図２０３】
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【図２０４】
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【図２０５】
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【図２０６】
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【図２０７】
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【図２０８】
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【図２０９】
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【国際調査報告】
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