JP2020056555A - 太陽熱利用機器の運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽熱利用での省エネ性を生かしながら、ダクト設備や施工を軽減することができるソーラーシステムハウスを提供する。【解決手段】ヒートポンプによる屋外ユニット５８、貯湯ユニット５９を備え、また、ハンドリングボックス５に外気と室内空気を熱交換する全熱交換器とヒートポンプの空調熱交を設置し、集熱可能な条件として、集熱空気温が全熱交換器を通して外気と室内空気を熱交換して得られた空気より高いときは、屋根集熱部４０での集熱空気を取り入れ、ハンドリングボックス５からのダクトを介して屋内もしくは床下空間に導く太陽熱集熱暖房を行い、室温が設定温度より低いときは全熱交換器を通した換気空気と室内戻り空気を混合して吸込んでヒートポンプの空調熱交で暖房する暖房運転を行い、冷房室温設定より室温が高いときは、全熱交換器を通した換気空気と室内空気を混合して吸込んでヒートポンプ冷房する冷房運転を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、空気を熱媒として日中の太陽熱の集熱を行い、これを暖房に用いるパッシブソーラー利用のソーラーシステムハウスなどで使用する太陽熱利用機器において、太陽熱、放射冷却とヒートポンプ空調熱交を合体した場合に効率よく運転できる太陽熱利用機器の運転制御方法に関するものである。

住宅の高気密高断熱が整備され、従来の個別エアコンや間欠冷暖房から、住宅業界では全館空調への動きが加速している。

例えば、太陽で温められる空気によって暖房等を行うソーラーシステムハウスとしては下記特許文献にもあるが、図３３に示すようなものがある。
特許第４４８５５３９号公報

これは集熱面であるカラー鉄板の金属製屋根板１の直下に屋根勾配を有する空気流路２を形成し、この空気流路２の一方の端は軒先に空気取入口３として開口し、さらに空気流路２の他方の端は集熱ダクト４に連通させる。屋根板１の一部は太陽電池２３で覆い、太陽熱発電を行う。

内部に逆流防止兼流路切換えダンパー６、ファン７及び流路切換えダンパー８を設けたハンドリングボックス５を屋根裏空間である小屋裏３３に設置し、ハンドリングボックス５の流路切換えダンパー８の流出側の一方は排気ダクト９により屋外に開口する。

また、ハンドリングボックス５の逆流防止兼流路切換えダンパー６の流入側は、前記集熱ダクト４に連通させる接続ダクト３２と室内２０からの循環ダクト１８とに選択的に接続し、流路切換えダンパー８の流出側の他の一方を立下りダクト１０の上端に連結する。

立下りダクト１０の下端は床下蓄熱体としての土間コンクリート１１と床パネル１２との間の空気流通空間１３に開口した。さらに、該空気流通空間１３から室内への床吹出口１４を設けた。

ハンドリングボックス５の内部またはハンドリングボックス５集熱ダクト４との間にお湯とりコイル１５を設け、このお湯とりコイル１５は循環配管１６で貯湯槽１７に連結する。図示は省略するが貯湯槽１７は循環ポンプと有し、また、必要に応じて追焚き用の給湯ボイラーを途中へ設けて、風呂や洗面所、台所へとつながる給湯配管をこの貯湯槽１７に接続する。

このようにして、暖房が必要な冬の昼間は、軒先の空気取入口３から入った冷たい空気は、屋根板１に降り注ぐ太陽の熱によって徐々に暖められる。この温められた空気は屋根勾配に沿って上昇する。そして、この加熱空気は集熱ダクト４に集められてからファン７によりハンドリングボックス５に入り、ハンドリングボックス５から立下りダクト１０内へ流下し、床下に送られる。

空気は床下に広がり、蓄熱土間コンクリート１１に熱を奪われ（蓄えさせ）ながら、床吹出口１４から温風として室内２０へと流れ出る。夕方、外気温が下がり始める頃から、昼間蓄熱土間コンクリート１１に蓄えられた熱が放熱を始め、床を温める。

夏の昼間は暖房の不要な期間であり、太陽熱で温められた空気は、昼間、貯湯槽１７内の水を温めることに利用される。すなわち、流路切換えダンパー８の流出側を排気ダクト９に接続し、お湯とりコイル１５で湯を作るだけで、前記排気ダクト９から戸外へ捨てられる。

お湯とりコイル１５では、ここに循環配管１６を介して貯湯槽１７から送り込まれる熱媒が加熱され、湯として貯湯槽１７へ蓄えられ、さらにここから必要に応じて追焚き用の給湯ボイラーで再加熱されて給湯配管から各所へ給湯される。

快晴の日の雲のない夏の夜は、ファン７を駆動して軒先の空気取入口３から外気を空気流路２に取り込み、放射冷却現象（放射冷却で屋根全体が冷える）を利用して、涼しい外気を室内に取り込む。冷房のようには冷えないが、寝苦しくない夏の夜を演出できる。

前記特許文献１に示す空気集熱式太陽熱床暖房システム(ソーラーシステムハウス)は暖房システムとして省エネ性・快適性ともに極めて優れているが、悪天候のときや冷房に対しては別の暖冷房システムが必要になっていた。

また、集熱しているときは換気システムとしてきわめてたくさんの換気量があり有効だが、夜間や夏期は別換気システムが必要になり、いずれも二重設備が必要だった。

お湯採りシステムも雨天や曇天などのために給湯補助ボイラーなどの別システムが必要になり、空気集熱式太陽熱床暖房システムでも補助システムが必要で二重設備になるのが大きな課題だった。

また、通常の住宅設備では居室分の空調設備（エアコン）が必要で屋外に５台〜６台の室外ユニットや貯湯槽などが必要で室内外の景観を悪化させるだけでなく、狭い敷地では設置スペースが取れないことや隣地との騒音や熱風等のトラブルがあった。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、太陽熱利用での省エネ性を生かしながら、二重設備の課題も解決し、ヒートポンプ空調熱交（空調機）と全熱交換器を一体に構成することでダクト設備や施工を軽減することができる太陽熱利用機器の制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するため請求項１記載の本発明は、ダンパーおよびファンを設けた屋内ユニットとしてのハンドリングボックスを屋根集熱部に直接または間接的に連結し、ハンドリングボックスからのダクトを屋内もしくは床下空間に導くソーラーシムテムハウスにおいて、ヒートポンプによる屋外ユニット、貯湯ユニットを備え、また、ハンドリングボックスに外気と室内空気を熱交換する換気空気と室内戻り空気を混合して全熱交換器とヒートポンプの空調熱交を設置し、
集熱可能な条件として、集熱空気温が全熱交換器を通して外気と室内空気を熱交換して得られた空気より高いときは、屋根集熱部での集熱空気を取り入れ、ハンドリングボックスからのダクトを介して屋内もしくは床下空間に導く太陽熱集熱暖房を行い、室温が設定温度より低いときは、全熱交換器を通した換気空気と室内戻り空気を混合して吸込んでヒートポンプの空調熱交で暖房する暖房運転を行い、もしくは、室温が設定温度より低いときで、前記屋根集熱部からの集熱空気温が、全熱交換器を通ってきた空気温よりも高い場合は、ヒートポンプの空調熱交で暖房すし、前記ハンドリングボックスからのダクトを介して屋内もしくは床下空間に導く太陽熱集熱暖房を行い、冷房室温設定より室温が高いときは、全熱交換器を通した換気空気と室内空気を混合して吸込んでヒートポンプ冷房する冷房運転を行うことを要旨とするものである。

室内ユニットにはヒートポンプ空調熱交が搭載されているので室温を一定にするのはヒートポンプが運転すれば可能である。しかし、それでは年中ヒートポンプが運転して、太陽熱や夜間放射冷却などの自然エネルギーが使用されない。

請求項１記載の本発明によれば、ハンドリングボックスに外気と室内空気を熱交換する全熱交換器を搭載することで、太陽熱集熱暖房を行う時以外に、暖房運転として室温が設定温度より低いとき全熱交換器を通した外気（換気空気）と室内戻り空気を混合して吸込んでヒートポンプ暖房する、冷房運転として、冷房室温設定より室温が高いときに全熱交換器を通した外気（換気空気）と室内空気を混合して吸込んでヒートポンプ冷房することができる。

設定温度に達したら屋根集熱部からの集熱空気だけでヒートポンプを止めて暖房する。また、この条件は冷房のときも同じで、室温に関わらず全熱交換器より屋根集熱部からの空気が低ければ、そちらを吸込みヒートポンプ冷却を追加して室内に吹出す。

このようにして、全熱交換器は太陽熱、夜間放射冷却を利用しながら、ヒートポンプによる冷暖房を行なう全館空調機で、ハンドリングボックスに外気と室内空気を熱交換する全熱交換器とヒートポンプの空調熱交を設置することで、通常のエアコンや全館空調システムと違い、快適な温度範囲の中で外気温や室温を機械が判断して集熱取り込み運転や放射冷却外気取り込み運転を利用しながら、ヒートポンプの運転を最少にする運転を行うことができる。

従って、通常のエアコンや全館空調システムと違い、快適な温度範囲の中で外気温や室温を機械が判断して集熱取り込み運転や放射冷却外気取り込み運転を利用しながら、ヒートポンプの運転を最少にする運転を行うことができる。

さらに、自動的に冷房モードと暖房モードを機械が判断することで、この判断を集熱空気の有効利用や外気取入を活用することができ、また、この判断を冷房排熱をお湯採りに使うために使用でき、このような制御により、２０℃〜２７℃の間で（専ら２２℃〜２５℃）自然エネルギー（ＯＭ集熱と外気取入）を優先に使う制御ができる。

真夏と真冬以外は健康に支障の無い温度範囲で自然なリズムで温度変化を許すことで、有効に自然エネルギーを使える時間帯が増える。年間エネルギー消費で２０００〜２５００ｋＷｈになり、３ｋＷの太陽電池システムだけで、空調給湯エネルギーを賄える。

請求項２記載の本発明は、屋根集熱部は太陽電池を備えるものであり、冷房運転では全熱交換器を通した換気空気と室内空気を混合して吸込んで、屋根集熱部の太陽電池の裏面を通して排気することを要旨とするものである。

請求項２記載の本発明によれば、冷房モードでは1種換気運転（全熱交換器を通した換気空気と室内空気を混合して吸込んでヒートポンプ冷房）を行い、排気空気は太陽電池の裏面を通して排気することで太陽電池を冷却し、太陽電池の効率をアップさせることができる。

請求項３記載の本発明は、季節判断（冷暖判断）として、温度センサーの検知で、外気温１８℃以下で常時暖房設定、外気温２５℃以上で常時冷房設定とし、冷房設定温度−２℃までは暖房運転、それを超えたら冷房運転であり、冷房運転は暖房設定温度＋２℃まで冷房運転を行い、その温度を下回ったら暖房運転になることを要旨とするものである。

請求項３記載の本発明によれば、判断温度を設定することで、適切は制御が可能となる。

以上述べたように本発明のソーラーシステムハウス用太陽熱利用機器の制御方法は、太陽熱利用での省エネ性を生かしながら、二重設備の課題も解決し、ヒートポンプ空調機と全熱交換器を一体に構成することでダクト設備や施工を軽減することができるものである。

また、通常のエアコンや全館空調システムと違い、快適な温度範囲の中で外気温や室温を機械が判断して集熱取り込み運転や放射冷却外気取り込み運転を利用しながら、ヒートポンプの運転を最少にすることができる。

本発明の太陽熱利用機器の運転制御方法を適用するソーラーシステムハウスの概要を示す説明図である。 本発明の太陽熱利用機器の運転制御方法を適用するソーラーシステムハウスの概要を示す斜視図である。 本発明の太陽熱利用機器の運転制御方法を適用するソーラーシステムハウスの概要を示す透視図である。 ハンドリングボックスの正面図である。 ハンドリングボックスの平面図である。 ハンドリングボックスの左側面図である。 ハンドリングボックスの右側面図である。 温度センサー設置の説明図である。 冷暖判定モードの制御フロー図である。 暖房モードの制御フロー図である。 冷房モードの制御フロー図である。 ダンパー・ファン制御の制御フロー図である。 温度リズムイメージを示すグラフである。 おまかせ設定温度を示すグラフである。 スマホでの温度設定の変更を示すグラフである。 リモコンの正面図である。 動作モード（暖房）で、屋根集熱部暖房の説明図である。 動作モード（暖房）で、屋根集熱部暖房＋ヒートポンプ暖房の説明図である。 動作モード（暖房）で、屋根集熱部暖房＋ヒートポンプ貯湯の説明図である。 動作モード（暖房）で、換気＋送風の説明図である。 動作モード（暖房〜冷房）で、換気＋ヒートポンプ暖房の説明図である。 動作モード（暖房〜冷房）で、換気＋ヒートポンプ貯湯の説明図である。 動作モード（暖房〜冷房）で、ＬＩＴＥ（屋根集熱部暖房とは逆運転）＋ヒートポンプ冷房＋ヒートポンプ貯湯の説明図である。 動作モード（暖房〜冷房）で、ＬＩＴＥ（屋根集熱部暖房とは逆運転）＋ヒートポンプ冷房の説明図である。 動作モード（冷房）で、ＬＩＴＥ（屋根集熱部暖房とは逆運転）＋送風＋ヒートポンプ貯湯の説明図である。 動作モード（冷房）で、屋根集熱部からの夜間取入の説明図である。 動作モード（冷房）で、屋根集熱部からの夜間取入＋ヒートポンプ冷房の説明図である。 動作モード（冷房）で、屋根集熱部からの夜間取入＋ヒートポンプ貯湯の説明図である。 本発明の運転概要で、冬（集熱あり）の説明図である。 本発明の運転概要で、冬（集熱なし）の説明図である。 本発明の運転概要で、夏（集熱あり）の説明図である。 本発明の運転概要で、夏（夜間）の説明図である。 従来例としてのソーラーシステムハウスの概要を示す説明図である。

以下、図面について本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の太陽熱利用機器の運転制御方法を適用するソーラーシステムハウスの概要を示す説明図、図２は同上斜視図、図３は同上透視図で、前記図３４に示す太陽エネルギーを利用するものとして、太陽で温められる空気によって暖房等を行うソーラーシステムハウスの従来例と同一構成要素には同一参照符号を付したものである。

集熱面であるカラー鉄板の金属製屋根板１の直下に屋根勾配を有する空気流路２を形成して屋根集熱部４０とし、空気流路２の一方の端は軒先に空気取入口３として開口し、さらに空気流路２の他方の端は集熱ダクト４に連通させる。屋根板１の一部は太陽電池２３で覆い、太陽熱発電を行う。

図中５は流入ダクトと流出ダクトを接続し、ダンパーおよびファンを設けた（空気流通）制御ボックスであるハンドリングボックスで、図５〜図７に示すように、集熱空気接続口５−１、室内還り空気接続口５−２−１、室内還り空気接続口５−２−２、屋外吸込口５−３、冷房口５−４−１、冷房口５−４−２、暖房（床下）口５−５、屋外への排気口５−６、ＬＩＴＥ運転口５−７、ドレン口５−８、冷媒配管口５−９を有する。ここでＬＩＴＥ運転とは、冷房モードのときに後述の全熱交換器５６を通過した排気空気をＬＩＴＥ運転口５−７から太陽電池２３の裏面に逆流させて排気する運転（（屋根集熱部暖房とは逆運転）をいう。

ダンパーにはヒンジで吊り下がり、ファンの動圧で開閉する重力式ダンパー５２と、モータで開閉を制御する比例ダンパー５３とがあり、ファン５４は重力式ダンパー５２を作動させるものとして、前記冷房口５−４−１、冷房口５−４−２、暖房（床下）口５−５、屋外への排気口５−６、ＬＩＴＥ運転口５−７の５箇所の各吹出口に設置され、これに対応して重力式ダンパー５２が設けられる。

比例ダンパー５３は吸込み口である集熱空気接続口５−１、室内還り空気接続口５−２−１、屋外吸込口５−３に設けられ、吸込み風量を混合するために開度を調整する。

図中５５は筒型フィルターで、室内還り空気接続口５−２−１と室内還り空気接続口５−２−２に配設される。

流入ダクトとして、前記屋根集熱部４０に連結する集熱接続ダクト４１および集熱ダクト４２が集熱空気接続口５−１に接続され、外気吸込口４３を端部とする外気吸込ダクト４４が屋外吸込口５−３に接続される。

ハンドリングボックス５に接続する流出ダクトとして、下端が土間コンクリート１１の上の断熱材と床パネル１２の間の空気流通空間１３に床下への送風口２５として開口する立下りダクト１０が暖房（床下）口５−５に接続され、室内２０に吹き出し口４６として開口する送気ダクト４７が冷房口５−４−１、冷房口５−４−２に接続される。

また、端部を排気口４５として屋外に開口する排気ダクト９が排気口５−６に接続される。

なお、送気ダクト４７は分岐管４８や分岐ボックス４９で分岐し複数の吹き出し口４６に導かれる。

また、端部が集熱接続ダクト４１に接続する屋根排気ダクト５０がＬＩＴＥ運転口５−７に接続される。

ハンドリングボックス５の内部中央に、外気と室内空気を熱交換する全熱交換器５６とヒートポンプの空調熱交（空調熱交換器）５７を設置した。

図２中、５８はヒートポンプによる屋外ユニット、５９は貯湯ユニットで、ヒートポンプによる屋外ユニット５８は冷媒配管６０で冷媒配管口５−９を介してヒートポンプの空調熱交（空調熱交換器）５７と連結し、ドレン口５−８に接続するドレン管６１は屋外に導かれる。

貯湯ユニット５９は配管６５でヒートポンプによる屋外ユニット５８と繋がり、また、貯湯ユニット５９からは風呂６７との風呂循環配管６４や給水口６３がある給湯配管６２が接続されて伸びている。図示は省略するが給湯配管６２は風呂の他に洗面所、台所へと繋がる。６６は貯湯ユニット５９への給水配管である。

本発明は温度センサーを設置するものであり、図８に示すように集熱温度センサー７０−１は集熱ダクト４２の接続部に、外気温センサー７０−２は外気吸込ダクト４４の接続部に、室内リターンセンサー７０−３は室内還り空気接続口５−２−１にそれぞれ設けた。

また、熱交換前温湿度センサー７０−４はハンドリングボックス５の外側に設け、室内に設置する図９に示すリモコン７１に内蔵させるリモコン内蔵（室温）センター７０−５を室内に、室外ユニット外気温センサー７０−７をヒートポンプによる屋外ユニット５８の外側に設置する。

なお、貯湯ユニット５９には、貯温槽缶体表面温度センサー７０−６−１（７点）と給水、給湯温度、風呂循環温度を把握する温度センサー７０−６−２が設けられている。

図８に示すように、コンピュータ等による制御装置７２は例えばハンドリングボックス５に搭載され、これにＬＡＮで家庭用ルーター７３を介して計測ユニット７４、パワーコンディショナ７５、分電盤７６が接続される。

図中７９は家庭用ルーター７３に接続するエコナビゲートウェイである。エコナビゲートウェイとは、エコーネットライトを使って、太陽熱利用機器の運転の動作状況などを通信してクラウドに保存するシステムで、スマートホンなどを使って自宅の運転状況や発停もできるなどのサービスの通信をするための通信装置である。

また、７７は台所リモコン、７８は浴槽リモコンで、貯湯ユニット５９のコントローラである。

本発明は前記のようなダンパーおよびファンを設けた屋内ユニットとしてのハンドリングボックス５を屋根集熱部４０に直接または間接的に連結し、ハンドリングボックス５からのダクトを屋内もしくは床下空間に導くソーラーシムテムハウスにおいて実施するものである。

本発明における運転モードの種類としては、１．おまかせ運転、２．温度リズム運転、３．暖房モード運転、４．冷房モード運転がある。
１．おまかせ運転
：システムが自動で冷暖房状態判定を行い最適の運転を行なう。冷房設定：２７℃±１℃、暖房設定：２０℃〜１８℃±１℃
２．温度リズム運転
：初期設定はおまかせモードと同様であるが、ゲートウェイからスマホなどで設定温度を１時間ごとに設定できる。
３．暖房モード運転
：暖房運転を行なう。設定温度は１８℃〜３０℃まで１℃刻みで可能である。
４．冷房モード運転

特におまかせ運転モードでは自動的に冷房モード運転と暖房モード運転を機械が判断できる。本発明の運転システムでは集熱空気の有効利用や外気取入を活用するために自動判断が必須である。また、冷房排熱をお湯採りに使うため、このためにも自動判断が必須である。

前記制御により、２０℃〜２７℃の間で（専ら２２℃〜２５℃）自然エネルギー（ＯＭ集熱と外気取入）を優先に使う制御ができる。

真夏と真冬以外は健康に支障の無い温度範囲で自然なリズムで温度変化を許すことで、有効に自然エネルギーを使える時間帯が増える。年間エネルギー消費で２０００〜２５００ｋＷｈになり、３ｋＷの太陽電池システムだけで、空調給湯エネルギーを賄える。

暖房温度リズム設定により、暖房・給湯が同時に出来ない場合でも貯湯運転タイミングを作ることができる。

次に図２９〜図３２について本発明の運転概要を説明すると、冬（集熱あり）の場合は、図３０に示すように、太陽熱を使って暖房する。集熱温度によっては、ヒートポンプ暖房でバックアップする。暖房が十分な時はお湯採りする。ここで言う暖房が十分なという意味は、冬期や暖房が必要な時期におおむね１２時以降になると集熱により室温が上がることや外気温が上昇することで、暖房負荷が「減る」または「なくなる」時間が１２時から１６時ごろまでに発生するので、その時間帯にヒートポンプ給湯器回路でヒートポンプ貯湯を行なうものである。

冬（集熱なし）の場合は、図３０に示すように、冬、陽射しが少ない日でも、ヒートポンプを使って床暖房でバックアップする。陽射しが少ない時は外気取込み（外気吸込口４３を端部とする外気吸込ダクト４４での取込）を全熱交換器５６で全熱交換して暖房負荷を低減し、ヒートポンプで床暖房する。

集熱可能な条件として、集熱空気温が全熱交換器を通して外気と室内空気を熱交換して得られた空気より高いときは、屋根集熱部での集熱空気を取り入れ、ハンドリングボックスからのダクトを介して屋内もしくは床下空間に導く太陽熱集熱暖房を行い、室温が設定温度より低いときは、全熱交換器を通した換気空気と室内戻り空気を混合して吸込んでヒートポンプの空調熱交で暖房する暖房運転を行い、もしくは、室温が設定温度より低いときで、前記屋根集熱部からの集熱空気温が、全熱交換器を通ってきた空気温よりも高い場合は、ヒートポンプの空調熱交で暖房すし、前記ハンドリングボックスからのダクトを介して屋内もしくは床下空間に導く太陽熱集熱暖房を行うものである。

夏（集熱あり）の場合は、図３１に示すように、夏の日中はヒートポンプを使って冷房し、冷房の排熱からお湯採りもする。外気取込みは室内空気を全熱交換して冷房負荷を低減しつつ熱交換後の空気を太陽電池（集熱面）裏面を通して太陽電池の冷房も行う。

前記お湯採りは、まず、夏の日中というのは、日中が冷房負荷が多く給湯時時間帯にも近いので、冬の時間帯と同じく１２時から１６時に貯湯運転をあてがっている。（条件によって違う時間にも貯湯する。）

ヒートポンプによる屋外ユニット５８には放熱コイル(凝縮熱の放熱熱交)と水−冷媒熱交が内蔵されているので、普通に冷房するときは放熱コイルで排熱を放熱する。冷房貯湯するときは放熱コイルへいく冷媒を水−冷媒熱交側に切り替えて貯湯ユニットからの水を循環して、高温の冷媒ガスを凝縮させてお湯を作り、貯湯ユニットに送る。

夏（夜間）の場合は、図３２に示すように、屋根の放射冷却を利用して外気を冷しながら室内に取込み、必要に応じてヒートポンプ冷房でバックアップする。バックアップの時には残湯に応じてお湯採りもする。

前記のように本発明は季節判断を前提とし、季節判断を２４時間適切に行なえないと太陽熱や夜間放射冷却を十分に利用できない。（人の力では常時判断できない）

この判断は温度センサーにより、計測ユニット７４を介して制御装置７２がプログラムに基づき実施するもので、そのフローを図９に示すと、季節判断（冷暖判断）は外気温１８℃以下で常時暖房設定、外気温２５℃以上で常時冷房設定とする。

外気温１８℃〜２５℃の間は室内温度によって判断する。冷房設定温度−２℃までは暖房運転、それを超えたら冷房運転になる。冷房運転は暖房設定温度＋２℃まで冷房運転を行い、その温度を下回ったら暖房運転になる。

おまかせモードでは自動的に冷房モードと暖房モードを機械が判断できる。本発明システムでは集熱空気の有効利用や外気取入を活用するために自動判断が必須である。また、冷房排熱をお湯採りに使うため、このためにも自動判断が必須である。

前記の制御により、２０℃〜２７℃の間で（専ら２２℃〜２５℃）自然エネルギー（屋根集熱部４０での集熱と、外気吸込口４３を端部とする外気吸込ダクト４４での取外気取入を優先に使う制御ができる。

真夏と真冬以外は健康に支障の無い温度範囲で自然なリズムで温度変化を許すことで、有効に自然エネルギーを使える時間帯が増える。年間エネルギー消費で２０００〜２５００ｋＷｈになり、３ｋＷの太陽電池システムだけで、空調給湯エネルギーを賄える。

暖房温度リズム設定により、暖房・給湯が同時に出来ない本発明システムの貯湯運転タイミングを作ることができる。図１３、図１４におまかせ運転温度リズムイメージを示す。

設定温度は図１５に示すように、モバイルやスマートホン８０でも変更可能であるが、初期設定温度は暖房２０℃、冷房２７℃なので、前記切替温度で冷房になったり暖房になっても直ちにヒートポンプは動かない。

この間は集熱暖房や夜間放射冷却運転で中間期は２２℃〜２５℃を中心に変化し、夏期は２２℃〜２７℃、冬期は２０℃〜２５℃を変化する。

下記表１、表２に太陽熱利用・外気取り込み判断の制御フローを示すと、表１は太陽熱直接暖房の制御を示す表で、表２は放射冷却利用冷房の制御を示す表である。

図１７〜図２０に動作モード（暖房）の場合、図２１〜図２４に動作モード（暖房〜冷房）の場合、図２５〜図２８に動作モード（冷房）を示す。各図とも黒く塗られた箇所が空気の流れを示す。

図１７は動作モード（暖房）で、屋根集熱部暖房の場合、図１８は、屋根集熱部暖房＋ヒートポンプ暖房の場合、図１９は屋根集熱部暖房＋ヒートポンプ貯湯の場合、図２０は換気＋送風の場合である。（屋根集熱部暖房の場合は、集熱接続ダクト４１→集熱ダクト４２→ハンドリングボックス５→立下りダクト１０）

図２１は、換気＋ヒートポンプ暖房の場合、図２２は換気＋ヒートポンプ貯湯の場合、図２３はＬＩＴＥ（屋根集熱部暖房とは逆運転）＋ヒートポンプ冷房＋ヒートポンプ貯湯の場合、図２４はＬＩＴＥ（屋根集熱部暖房とは逆運転）＋ヒートポンプ冷房の場合である。

図２５は、ＬＩＴＥ（屋根集熱部暖房とは逆運転）＋送風＋ヒートポンプ貯湯の場合、図２６は屋根集熱部からの夜間取入の場合、図２７は屋根集熱部からの夜間取入＋ヒートポンプ冷房の場合、図２８は屋根集熱部からの夜間取入＋ヒートポンプ貯湯の場合である。

冷暖房運転としては、暖房運転は室温が設定温度より低いとき全熱交換器５６を通した換気空気と室内戻り空気を混合して吸込んで、ヒートポンプの空調熱交（空調熱交換器）５７によるヒートポンプ暖房する。

集熱可能な条件（集熱空気温が全熱交換器５６を通して外気と室内空気を熱交換して得られた空気より高いとき）のときは太陽熱集熱暖房を行う。

この太陽熱集熱暖房は、屋根集熱部４０での集熱空気を取り入れ、ハンドリングボックス５からのダクトを介して屋内もしくは床下空間に導くものであり、詳しくは、暖房が必要な冬の昼間は、軒先の空気取入口３から入った冷たい空気は、屋根板１に降り注ぐ太陽の熱によって徐々に暖められる。

この温められた空気は屋根勾配に沿って上昇する。そして、この加熱空気は集熱ダクト４に集められてからファンによりハンドリングボックス５に入り、ハンドリングボックス５から立下りダクト１０内へ流下し、床下に送られる。

また、送気ダクト４７により吹き出し口４６から室内２０に吹き出される。

前記床下に送られる空気は床下に広がり、床吹出口１４から温風として室内２０へと流れ出る。

この太陽熱集熱暖房で集熱空気温度が不十分ならヒートポンプの空調熱交（空調熱交換器）５７でバックアップ加熱する。

室温設定以上になったらヒートポンプは運転を止める。ただし、冷房設定温度−２℃（初期設定は２５℃）までは続けて前記太陽熱集熱暖房（ＯＭ集熱）を続ける。

冷房設定温度−２℃を超えた場合は冷房運転に変わる。ただし、冷房設定以下なので冷房モードになるだけである。（前記太陽熱集熱暖房・ＯＭ集熱は止まる）

冷房モードでは１種換気運転を行い排気は屋根集熱部４０の集熱面（太陽電池２３）の裏面を通して排気する（屋根排気）。ここでは１種換気運転とは、交換型換気システムや給気と排気のための換気機械を組み合わせ、同時給排を行う換気設備を言う。両者とも送風機と排風機を併用する方法で、吸気量と排気量の調整により室内の気圧を均一にすることができるほか、外気圧に対して正圧（プラス圧）に、あるいは負圧（マイナス圧）に保つことが出来るなどの利点がある。

図１０に暖房モードの制御フロー、図１１に冷房モードの制御フローを示すが、前記図９のフローと合わせて、外気温が低く次第に室温が下がる場合は暖房設定＋２℃（初期設定は２２℃）までは冷房モードで運転を行い（外気導入しているだけ）、前記温度を下回った場合は再び暖房モードになる。この場合でも設定温度はさらに−２℃のため、暖房モードになるだけで、集熱があれば集熱をする。

冷房運転は冷房室温設定より室温が高いときに全熱交換器５６を通した換気空気と室内戻り空気を混合して吸込んで、ヒートポンプの空調熱交（空調熱交換器）５７によるヒートポンプ冷房をする。

排気空気は外気と全熱交換器５６で熱交換した上で太陽電池２３の裏面を通して排気する。（屋根排気→太陽電池冷却→効率アップ）

冷房モードで夜間になると太陽電池２３の下面を通して取り入れる空気温度と全熱交換器５６を通して取り入れる空気を比較して（全熱交換器５６側は外気温度と室温から全熱交換器５６の熱交換効率から計算）外気取入にメリットがあれば太陽電池２３の下面を通して空気を入れる。

直前まで冷房している場合、室温が設定温度より１℃以上低ければヒートポンプは止まり外気取入のみの運転になる。

低くなるのは専ら夜１２：００以降になる。なお、ヒートポンプが運転しているときは１階、２階の冷房吹出し口４６から冷房し、外気取り込みのみになった場合は床下に空気を取り入れる。（ファンを駆動して軒先の空気取入口３から外気を空気流路２に取り込み、放射冷却現象（放射冷却で屋根全体が冷える）を利用して、涼しい外気を取り込む。

こうして、集熱と外気取り込みで室温を最大２０℃〜２７℃にコントロールする。実際上は冷暖房切替が行なわれるため、冷房設定＋２℃〜冷房設定−２℃（初期設定では２２℃〜２５℃）で制御される。

冷房負荷と貯湯負荷があるときは冷房貯湯モードになる。（冷房した排熱を貯湯に使う）

暖房時温度設定として、おまかせ運転の暖房設定温度は下記表３のように１８℃〜２０℃に設定されている。すなわち０：００〜４：５９まで１８℃、５：００〜５：５９まで１９℃、６：００〜２２：５９まで２０℃、２３：００〜２３：５９まで１９℃である。

これは日中２０℃の快適温度として、就寝に近い時間になって徐々に下げるリズムである。就寝時には布団もかけるので１８℃が適温になる。

ヒートポンプが１台しかないために暖房とお湯採りが同時に出来ない。

そこで、早朝には徐々に室温を上げて起床の環境を整備し、昼間は２０℃設定する。９：００頃には前記太陽熱集熱暖房（ＯＭ集熱）でヒートポンプ負荷がなくなり、１２：００頃には２５℃近くまで温度上昇するので（暖房負荷が無いので）、このタイミングでヒートポンプを湯沸かしモードで運転する。おおむね４時間で貯湯槽が満タンになる。エコキュート（登録商標）と違って昼間に沸かすので外気温が高い（深夜は０℃に対し昼間は１０℃程度あるのでＣＯＰが高い。また、お湯の使用時間までの時間が短いので有利）

また、お湯が不足する予想のときは２３：００から設定温度が下がるために４時間程度暖房負荷がなくなるので、このタイミングに不足分を沸かすことができる。（昼間４時間、夜４時間、合計８時間湯沸しのタイミングがある）

１…屋根板 ２…空気流路
３…空気取入口 ４…集熱ダクト
５…ハンドリングボックス
５−１…集熱空気接続口
５−２−１…室内還り空気接続口
５−２−２…室内還り空気接続口
５−３…屋外吸込口
５−４−１…冷房口
５−４−２…冷房口
５−５…暖房（床下）口
５−６…屋外への排気口
５−７…ＬＩＴＥ運転口
５−８…ドレン口
５−９…冷媒配管口
６…逆流防止兼流路切換えダンパー
７…ファン
８…流路切換えダンパー ９…排気ダクト
１０…立下りダクト １１…土間コンクリート
１２…床パネル １３…空気流通空間
１４…床吹出口 １５…お湯とりコイル
１６…循環配管 １７…貯湯槽
１８…循環ダクト １９…温水ボイラー
２０…室内 ２１…給湯配管
２３…太陽電池 ２４…第２のハンドリングボックス
２５…床下への送風口 ２６…室内への送風口
２７…ダンパー ３２…接続ダクト
３３…小屋裏 ４０…屋根集熱部
４１…集熱接続ダクト ４２…集熱ダクト
４３…外気吸込口 ４４…外気吸込ダクト
４５…排気口 ４６…吹き出し口
４７…送気ダクト ４８…分岐管
４９…分岐ボックス ５０…屋根排気ダクト
５２…重力式ダンパー ５３…比例ダンパー
５４…ファン ５５…筒型フィルター
５６…全熱交換器
５７…ヒートポンプの空調熱交（空調熱交換器）
５８…屋外ユニット ５９…貯湯ユニット
６０…冷媒配管 ６１…ドレン管
６２…給湯配管 ６３…給水口
６４…風呂循環配管 ６５…配管
６６…給水配管 ６７…風呂
７０−１…集熱温度センサー ７０−２…外気温センサー
７０−３…室内リターンセンサー
７０−４…熱交換前温湿度センサー
７０−５…リモコン内蔵（室温）センター
７０−６−１…貯温槽缶体表面温度センサー
７０−６−２…温度センサー
７０−７…室外ユニット外気温センサー
７１…リモコン ７２…制御装置
７３…家庭用ルーター ７４…計測ユニット
７５…パワーコンディショナ ７６…分電盤
７７…台所リモコン ７８…浴槽リモコン
７９…エコナビゲートウェイ

本発明は、空気を熱媒として日中の太陽熱の集熱を行い、これを暖房に用いるパッシブソーラー利用のソーラーシステムハウスなどで使用する太陽熱利用機器において、太陽熱、放射冷却とヒートポンプ空調熱交を合体した場合に効率よく運転できる太陽熱利用機器の運転制御方法に関するものである。

住宅の高気密高断熱が整備され、従来の個別エアコンや間欠冷暖房から、住宅業界では全館空調への動きが加速している。

例えば、太陽で温められる空気によって暖房等を行うソーラーシステムハウスとしては下記特許文献にもあるが、図３３に示すようなものがある。
特許第４４８５５３９号公報

これは集熱面であるカラー鉄板の金属製屋根板１の直下に屋根勾配を有する空気流路２を形成し、この空気流路２の一方の端は軒先に空気取入口３として開口し、さらに空気流路２の他方の端は集熱ダクト４に連通させる。屋根板１の一部は太陽電池２３で覆い、太陽光発電を行う。

内部に逆流防止兼流路切換えダンパー６、ファン７及び流路切換えダンパー８を設けたハンドリングボックス５を屋根裏空間である小屋裏３３に設置し、ハンドリングボックス５の流路切換えダンパー８の流出側の一方は排気ダクト９により屋外に開口する。

また、ハンドリングボックス５の逆流防止兼流路切換えダンパー６の流入側は、前記集熱ダクト４に連通させる接続ダクト３２と室内２０からの循環ダクト１８とに選択的に接続し、流路切換えダンパー８の流出側の他の一方を立下りダクト１０の上端に連結する。

立下りダクト１０の下端は床下蓄熱体としての土間コンクリート１１と床パネル１２との間の空気流通空間１３に開口した。さらに、該空気流通空間１３から室内への床吹出口１４を設けた。

ハンドリングボックス５の内部またはハンドリングボックス５集熱ダクト４との間にお湯とりコイル１５を設け、このお湯とりコイル１５は循環配管１６で貯湯槽１７に連結する。図示は省略するが貯湯槽１７は循環ポンプと有し、また、必要に応じて追焚き用の給湯ボイラーを途中へ設けて、風呂や洗面所、台所へとつながる給湯配管をこの貯湯槽１７に接続する。

このようにして、暖房が必要な冬の昼間は、軒先の空気取入口３から入った冷たい空気は、屋根板１に降り注ぐ太陽の熱によって徐々に暖められる。この温められた空気は屋根勾配に沿って上昇する。そして、この加熱空気は集熱ダクト４に集められてからファン７によりハンドリングボックス５に入り、ハンドリングボックス５から立下りダクト１０内へ流下し、床下に送られる。

空気は床下に広がり、蓄熱土間コンクリート１１に熱を奪われ（蓄えさせ）ながら、床吹出口１４から温風として室内２０へと流れ出る。夕方、外気温が下がり始める頃から、昼間蓄熱土間コンクリート１１に蓄えられた熱が放熱を始め、床を温める。

夏の昼間は暖房の不要な期間であり、太陽熱で温められた空気は、昼間、貯湯槽１７内の水を温めることに利用される。すなわち、流路切換えダンパー８の流出側を排気ダクト９に接続し、お湯とりコイル１５で湯を作るだけで、前記排気ダクト９から戸外へ捨てられる。

お湯とりコイル１５では、ここに循環配管１６を介して貯湯槽１７から送り込まれる熱媒が加熱され、湯として貯湯槽１７へ蓄えられ、さらにここから必要に応じて追焚き用の給湯ボイラーで再加熱されて給湯配管から各所へ給湯される。

快晴の日の雲のない夏の夜は、ファン７を駆動して軒先の空気取入口３から外気を空気流路２に取り込み、放射冷却現象（放射冷却で屋根全体が冷える）を利用して、涼しい外気を室内に取り込む。冷房のようには冷えないが、寝苦しくない夏の夜を演出できる。

前記特許文献１に示す空気集熱式太陽熱床暖房システム(ソーラーシステムハウス)は暖房システムとして省エネ性・快適性ともに極めて優れているが、悪天候のときや冷房に対しては別の暖冷房システムが必要になっていた。

また、集熱しているときは換気システムとしてきわめてたくさんの換気量があり有効だが、夜間や夏期は別換気システムが必要になり、いずれも二重設備が必要だった。

お湯採りシステムも雨天や曇天などのために給湯補助ボイラーなどの別システムが必要になり、空気集熱式太陽熱床暖房システムでも補助システムが必要で二重設備になるのが大きな課題だった。

また、通常の住宅設備では居室分の空調設備（エアコン）が必要で屋外に５台〜６台の室外ユニットや貯湯槽などが必要で室内外の景観を悪化させるだけでなく、狭い敷地では設置スペースが取れないことや隣地との騒音や熱風等のトラブルがあった。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、太陽熱利用での省エネ性を生かしながら、二重設備の課題も解決し、ヒートポンプ空調熱交（空調機）と全熱交換器を一体に構成することでダクト設備や施工を軽減することができる太陽熱利用機器の制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するため請求項１記載の本発明は、ダンパーおよびファンを設けた屋内ユニットとしてのハンドリングボックスを屋根集熱部に直接または間接的に連結し、ハンドリングボックスからのダクトを屋内もしくは床下空間に導くソーラーシステムハウスにおいて、ヒートポンプによる屋外ユニット、貯湯ユニットを備え、また、ハンドリングボックスに外気と室内空気を全熱交換器で熱交換した換気空気と室内戻り空気を混合した空気を温調するヒートポンプの空調熱交を設置し、運転モードの種類としては、おまかせ運転および設定温度があり、おまかせ運転は、システムが自動で冷暖房状態判定を行い最適の運転を行ない、設定温度運転はリモコンによる温度設定の運転でユーザーがリモコン設定温度を決めるもので、おまかせ運転として、集熱可能な条件として、外気と室内の空気を全熱交換器で熱交換した予想温度より集熱温度が高いか低いかで判断し、集熱空気温が全熱交換器を通して外気と室内空気を熱交換して得られた空気より高いときは、屋根集熱部での集熱空気を取り入れ、ハンドリングボックスからのダクトを介して屋内もしくは床下空間に導く太陽熱集熱暖房を行い、設定温度運転として、室温が暖房室温設定温度より低いときは、全熱交換器を通した換気空気と室内戻り空気を混合して吸込んでヒートポンプの空調熱交で暖房する暖房運転を行い、もしくは、室温が暖房室温設定温度より低いときで、前記屋根集熱部からの集熱空気温が、全熱交換器を通ってきた空気温よりも高い場合は、ヒートポンプの空調熱交で暖房し、前記ハンドリングボックスからのダクトを介して屋内もしくは床下空間に導く太陽熱集熱暖房を行い、冷房室温設定より室温が高いときは、全熱交換器を通した換気空気と室内空気を混合して吸込んでヒートポンプで冷房する冷房運転を行うことを要旨とするものである。

室内ユニットにはヒートポンプ空調熱交が搭載されているので室温を一定にするのはヒートポンプが運転すれば可能である。しかし、それでは年中ヒートポンプが運転して、太陽熱や夜間放射冷却などの自然エネルギーが使用されない。

請求項１記載の本発明によれば、ハンドリングボックスに外気と室内空気を熱交換する全熱交換器を搭載することで、太陽熱集熱暖房を行う時以外に、暖房運転として室温が設定温度より低いとき全熱交換器を通した外気（換気空気）と室内戻り空気を混合して吸込んでヒートポンプ暖房する、冷房運転として、冷房室温設定より室温が高いときに全熱交換器を通した外気（換気空気）と室内空気を混合して吸込んでヒートポンプ冷房することができる。

設定温度に達したら屋根集熱部からの集熱空気だけでヒートポンプを止めて暖房する。また、この条件は冷房のときも同じで、室温に関わらず全熱交換器より屋根集熱部からの空気が低ければ、そちらを吸込みヒートポンプ冷却を追加して室内に吹出す。

このようにして、全熱交換器は太陽熱、夜間放射冷却を利用しながら、ヒートポンプによる冷暖房を行なう全館空調機で、ハンドリングボックスに外気と室内空気を熱交換する全熱交換器とヒートポンプの空調熱交を設置することで、通常のエアコンや全館空調システムと違い、快適な温度範囲の中で外気温や室温を機械が判断して集熱取り込み運転や放射冷却外気取り込み運転を利用しながら、ヒートポンプの運転を最少にする運転を行うことができる。

従って、通常のエアコンや全館空調システムと違い、快適な温度範囲の中で外気温や室温を機械が判断して集熱取り込み運転や放射冷却外気取り込み運転を利用しながら、ヒートポンプの運転を最少にする運転を行うことができる。

さらに、自動的に冷房モードと暖房モードを機械が判断することで、この判断を集熱空気の有効利用や外気取入を活用することができ、また、この判断を冷房排熱をお湯採りに使うために使用でき、このような制御により、２０℃〜２７℃の間で（専ら２２℃〜２５℃）自然エネルギー（ＯＭ集熱と外気取入）を優先に使う制御ができる。

真夏と真冬以外は健康に支障の無い温度範囲で自然なリズムで温度変化を許すことで、有効に自然エネルギーを使える時間帯が増える。年間エネルギー消費で２０００〜２５００ｋＷｈになり、３ｋＷの太陽電池システムだけで、空調給湯エネルギーを賄える。

請求項２記載の本発明は、屋根集熱部は太陽電池を備えるものであり、冷房運転では全熱交換器を通した換気空気と室内空気を混合して吸込んで、屋根集熱部の太陽電池の裏面を通して排気することを要旨とするものである。

請求項２記載の本発明によれば、冷房モードでは1種換気運転（全熱交換器を通した換気空気と室内空気を混合して吸込んでヒートポンプ冷房）を行い、排気空気は太陽電池の裏面を通して排気することで太陽電池を冷却し、太陽電池の効率をアップさせることができる。

請求項３記載の本発明は、外気温が一定温度、例えば、２５℃以上は冷房判断、外気温一定温度の範囲内、例えば、２５℃〜１８℃の範囲では室温で判断、外気温度が一定温度、例えば１８℃以下では暖房判断であり、冷房判断の時期は夜から朝までの屋根からの空気も観察して屋根からの放射冷却で冷えた空気が全熱交換器より低い結果になれば屋根から放射冷却空気を導入し、外気温が一定温度例えば２５℃以上になると室温はそれ以上の温度になるとするもので、季節判断（冷暖判断）として、温度センサーの検知で、外気温１８℃以下で常時暖房設定、外気温２５℃以上で常時冷房設定とし、冷房設定温度−２℃までは暖房運転、それを超えたら冷房運転であり、冷房運転は暖房設定温度＋２℃まで冷房運転を行い、その温度を下回ったら暖房運転になることを要旨とするものである。

請求項３記載の本発明によれば、判断温度を設定することで、適切な制御が可能となる。

以上述べたように本発明のソーラーシステムハウス用太陽熱利用機器の制御方法は、太陽熱利用での省エネ性を生かしながら、二重設備の課題も解決し、ヒートポンプ空調機と全熱交換器を一体に構成することでダクト設備や施工を軽減することができるものである。

また、通常のエアコンや全館空調システムと違い、快適な温度範囲の中で外気温や室温を機械が判断して集熱取り込み運転や放射冷却外気取り込み運転を利用しながら、ヒートポンプの運転を最少にすることができる。

本発明の太陽熱利用機器の運転制御方法を適用するソーラーシステムハウスの概要を示す説明図である。 本発明の太陽熱利用機器の運転制御方法を適用するソーラーシステムハウスの概要を示す斜視図である。 本発明の太陽熱利用機器の運転制御方法を適用するソーラーシステムハウスの概要を示す透視図である。 ハンドリングボックスの正面図である。 ハンドリングボックスの平面図である。 ハンドリングボックスの左側面図である。 ハンドリングボックスの右側面図である。 温度センサー設置の説明図である。 冷暖判定モードの制御フロー図である。 暖房モードの制御フロー図である。 冷房モードの制御フロー図である。 ダンパー・ファン制御の制御フロー図である。 温度リズムイメージを示すグラフである。 おまかせ設定温度を示すグラフである。 スマホでの温度設定の変更を示すグラフである。 リモコンの正面図である。 動作モード（暖房）で、屋根集熱部暖房の説明図である。 動作モード（暖房）で、屋根集熱部暖房＋ヒートポンプ暖房の説明図である。 動作モード（暖房）で、屋根集熱部暖房＋ヒートポンプ貯湯の説明図である。 動作モード（暖房）で、換気＋送風の説明図である。 動作モード（暖房〜冷房）で、換気＋ヒートポンプ暖房の説明図である。 動作モード（暖房〜冷房）で、換気＋ヒートポンプ貯湯の説明図である。 動作モード（暖房〜冷房）で、ＬＩＴＥ（屋根集熱部暖房とは逆運転）＋ヒートポンプ冷房＋ヒートポンプ貯湯の説明図である。 動作モード（暖房〜冷房）で、ＬＩＴＥ（屋根集熱部暖房とは逆運転）＋ヒートポンプ冷房の説明図である。 動作モード（冷房）で、ＬＩＴＥ（屋根集熱部暖房とは逆運転）＋送風＋ヒートポンプ貯湯の説明図である。 動作モード（冷房）で、屋根集熱部からの夜間取入の説明図である。 動作モード（冷房）で、屋根集熱部からの夜間取入＋ヒートポンプ冷房の説明図である。 動作モード（冷房）で、屋根集熱部からの夜間取入＋ヒートポンプ貯湯の説明図である。 本発明の運転概要で、冬（集熱あり）の説明図である。 本発明の運転概要で、冬（集熱なし）の説明図である。 本発明の運転概要で、夏（集熱あり）の説明図である。 本発明の運転概要で、夏（夜間）の説明図である。 従来例としてのソーラーシステムハウスの概要を示す説明図である。

以下、図面について本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の太陽熱利用機器の運転制御方法を適用するソーラーシステムハウスの概要を示す説明図、図２は同上斜視図、図３は同上透視図で、前記図３４に示す太陽エネルギーを利用するものとして、太陽で温められる空気によって暖房等を行うソーラーシステムハウスの従来例と同一構成要素には同一参照符号を付したものである。

集熱面であるカラー鉄板の金属製屋根板１の直下に屋根勾配を有する空気流路２を形成して屋根集熱部４０とし、空気流路２の一方の端は軒先に空気取入口３として開口し、さらに空気流路２の他方の端は集熱ダクト４に連通させる。屋根板１の一部は太陽電池２３で覆い、太陽光発電を行う。

図中５は流入ダクトと流出ダクトを接続し、ダンパーおよびファンを設けた（空気流通）制御ボックスであるハンドリングボックスで、図５〜図７に示すように、集熱空気接続口５−１、室内還り空気接続口５−２−１、室内還り空気接続口５−２−２、屋外吸込口５−３、冷房口５−４−１、冷房口５−４−２、暖房（床下）口５−５、屋外への排気口５−６、ＬＩＴＥ運転口５−７、ドレン口５−８、冷媒配管口５−９を有する。ここでＬＩＴＥ運転とは、冷房モードのときに後述の全熱交換器５６を通過した排気空気をＬＩＴＥ運転口５−７から太陽電池２３の裏面に逆流させて排気する運転（（屋根集熱部暖房とは逆運転）をいう。

ダンパーにはヒンジで吊り下がり、ファンの動圧で開閉する重力式ダンパー５２と、モータで開閉を制御する比例ダンパー５３とがあり、ファン５４は重力式ダンパー５２を作動させるものとして、前記冷房口５−４−１、冷房口５−４−２、暖房（床下）口５−５、屋外への排気口５−６、ＬＩＴＥ運転口５−７の５箇所の各吹出口に設置され、これに対応して重力式ダンパー５２が設けられる。

比例ダンパー５３は吸込み口である集熱空気接続口５−１、室内還り空気接続口５−２−１、屋外吸込口５−３に設けられ、吸込み風量を混合するために開度を調整する。

図中５５は筒型フィルターで、室内還り空気接続口５−２−１と室内還り空気接続口５−２−２に配設される。

流入ダクトとして、前記屋根集熱部４０に連結する集熱接続ダクト４１および集熱ダクト４２が集熱空気接続口５−１に接続され、外気吸込口４３を端部とする外気吸込ダクト４４が屋外吸込口５−３に接続される。

ハンドリングボックス５に接続する流出ダクトとして、下端が土間コンクリート１１の上の断熱材と床パネル１２の間の空気流通空間１３に床下への送風口２５として開口する立下りダクト１０が暖房（床下）口５−５に接続され、室内２０に吹き出し口４６として開口する送気ダクト４７が冷房口５−４−１、冷房口５−４−２に接続される。

また、端部を排気口４５として屋外に開口する排気ダクト９が排気口５−６に接続される。

なお、送気ダクト４７は分岐管４８や分岐ボックス４９で分岐し複数の吹き出し口４６に導かれる。

また、端部が集熱接続ダクト４１に接続する屋根排気ダクト５０がＬＩＴＥ運転口５−７に接続される。

ハンドリングボックス５の内部中央に、外気と室内空気を熱交換する全熱交換器５６とヒートポンプの空調熱交（空調熱交換器）５７を設置した。

図２中、５８はヒートポンプによる屋外ユニット、５９は貯湯ユニットで、ヒートポンプによる屋外ユニット５８は冷媒配管６０で冷媒配管口５−９を介してヒートポンプの空調熱交（空調熱交換器）５７と連結し、ドレン口５−８に接続するドレン管６１は屋外に導かれる。

貯湯ユニット５９は配管６５でヒートポンプによる屋外ユニット５８と繋がり、また、貯湯ユニット５９からは風呂６７との風呂循環配管６４や給水口６３がある給湯配管６２が接続されて伸びている。図示は省略するが給湯配管６２は風呂の他に洗面所、台所へと繋がる。６６は貯湯ユニット５９への給水配管である。

本発明は温度センサーを設置するものであり、図８に示すように集熱温度センサー７０−１は集熱ダクト４２の接続部に、外気温センサー７０−２は外気吸込ダクト４４の接続部に、室内リターンセンサー７０−３は室内還り空気接続口５−２−１にそれぞれ設けた。

また、熱交換前温湿度センサー７０−４はハンドリングボックス５の外側に設け、室内に設置する図９に示すリモコン７１に内蔵させるリモコン内蔵（室温）センター７０−５を室内に、室外ユニット外気温センサー７０−７をヒートポンプによる屋外ユニット５８の外側に設置する。

なお、貯湯ユニット５９には、貯温槽缶体表面温度センサー７０−６−１（７点）と給水、給湯温度、風呂循環温度を把握する温度センサー７０−６−２が設けられている。

図８に示すように、コンピュータ等による制御装置７２は例えばハンドリングボックス５に搭載され、これにＬＡＮで家庭用ルーター７３を介して計測ユニット７４、パワーコンディショナ７５、分電盤７６が接続される。

図中７９は家庭用ルーター７３に接続するエコナビゲートウェイである。エコナビゲートウェイとは、エコーネットライトを使って、太陽熱利用機器の運転の動作状況などを通信してクラウドに保存するシステムで、スマートホンなどを使って自宅の運転状況や発停もできるなどのサービスの通信をするための通信装置である。

また、７７は台所リモコン、７８は浴槽リモコンで、貯湯ユニット５９のコントローラである。

本発明は前記のようなダンパーおよびファンを設けた屋内ユニットとしてのハンドリングボックス５を屋根集熱部４０に直接または間接的に連結し、ハンドリングボックス５からのダクトを屋内もしくは床下空間に導くソーラーシステムハウスにおいて実施するものである。

本発明における運転モードの種類としては、１．おまかせ運転、２．温度リズム運転、３．暖房モード運転、４．冷房モード運転がある。
１．おまかせ運転
：システムが自動で冷暖房状態判定を行い最適の運転を行なう。冷房設定：２７℃±１℃、暖房設定：２０℃〜１８℃±１℃
２．温度リズム運転
：初期設定はおまかせモードと同様であるが、ゲートウェイからスマホなどで設定温度を１時間ごとに設定できる。
３．暖房モード運転
：暖房運転を行なう。設定温度は１８℃〜３０℃まで１℃刻みで可能である。
４．冷房モード運転
：冷房運転を行なう。設定温度は１８℃〜３０℃まで１℃刻みで可能である。

特におまかせ運転モードでは自動的に冷房モード運転と暖房モード運転を機械が判断できる。本発明の運転システムでは集熱空気の有効利用や外気取入を活用するために自動判断が必須である。また、冷房排熱をお湯採りに使うため、このためにも自動判断が必須である。

前記制御により、２０℃〜２７℃の間で（専ら２２℃〜２５℃）自然エネルギー（ＯＭ集熱と外気取入）を優先に使う制御ができる。

真夏と真冬以外は健康に支障の無い温度範囲で自然なリズムで温度変化を許すことで、有効に自然エネルギーを使える時間帯が増える。年間エネルギー消費で２０００〜２５００ｋＷｈになり、３ｋＷの太陽電池システムだけで、空調給湯エネルギーを賄える。

暖房温度リズム設定により、暖房・給湯が同時に出来ない場合でも貯湯運転タイミングを作ることができる。

次に図２９〜図３２について本発明の運転概要を説明すると、冬（集熱あり）の場合は、図３０に示すように、太陽熱を使って暖房する。集熱温度によっては、ヒートポンプ暖房でバックアップする。暖房が十分な時はお湯採りする。ここで言う暖房が十分なという意味は、冬期や暖房が必要な時期におおむね１２時以降になると集熱により室温が上がることや外気温が上昇することで、暖房負荷が「減る」または「なくなる」時間が１２時から１６時ごろまでに発生するので、その時間帯にヒートポンプ給湯器回路でヒートポンプ貯湯を行なうものである。

冬（集熱なし）の場合は、図３０に示すように、冬、陽射しが少ない日でも、ヒートポンプを使って床暖房でバックアップする。陽射しが少ない時は外気取込み（外気吸込口４３を端部とする外気吸込ダクト４４での取込）を全熱交換器５６で全熱交換して暖房負荷を低減し、ヒートポンプで床暖房する。

集熱可能な条件として、集熱空気温が全熱交換器を通して外気と室内空気を熱交換して得られた空気より高いときは、屋根集熱部での集熱空気を取り入れ、ハンドリングボックスからのダクトを介して屋内もしくは床下空間に導く太陽熱集熱暖房を行い、室温が設定温度より低いときは、全熱交換器を通した換気空気と室内戻り空気を混合して吸込んでヒートポンプの空調熱交で暖房する暖房運転を行い、もしくは、室温が設定温度より低いときで、前記屋根集熱部からの集熱空気温が、全熱交換器を通ってきた空気温よりも高い場合は、ヒートポンプの空調熱交で暖房すし、前記ハンドリングボックスからのダクトを介して屋内もしくは床下空間に導く太陽熱集熱暖房を行うものである。

夏（集熱あり）の場合は、図３１に示すように、夏の日中はヒートポンプを使って冷房し、冷房の排熱からお湯採りもする。外気取込みは室内空気を全熱交換して冷房負荷を低減しつつ熱交換後の空気を太陽電池（集熱面）裏面を通して太陽電池の冷房も行う。

前記お湯採りは、まず、夏の日中というのは、日中が冷房負荷が多く給湯時時間帯にも近いので、冬の時間帯と同じく１２時から１６時に貯湯運転をあてがっている。（条件によって違う時間にも貯湯する。）

ヒートポンプによる屋外ユニット５８には放熱コイル(凝縮熱の放熱熱交)と水−冷媒熱交が内蔵されているので、普通に冷房するときは放熱コイルで排熱を放熱する。冷房貯湯するときは放熱コイルへいく冷媒を水−冷媒熱交側に切り替えて貯湯ユニットからの水を循環して、高温の冷媒ガスを凝縮させてお湯を作り、貯湯ユニットに送る。

夏（夜間）の場合は、図３２に示すように、屋根の放射冷却を利用して外気を冷しながら室内に取込み、必要に応じてヒートポンプ冷房でバックアップする。バックアップの時には残湯に応じてお湯採りもする。

前記のように本発明は季節判断を前提とし、季節判断を２４時間適切に行なえないと太陽熱や夜間放射冷却を十分に利用できない。（人の力では常時判断できない）

この判断は温度センサーにより、計測ユニット７４を介して制御装置７２がプログラムに基づき実施するもので、そのフローを図９に示すと、季節判断（冷暖判断）は外気温１８℃以下で常時暖房設定、外気温２５℃以上で常時冷房設定とする。

外気温１８℃〜２５℃の間は室内温度によって判断する。冷房設定温度−２℃までは暖房運転、それを超えたら冷房運転になる。冷房運転は暖房設定温度＋２℃まで冷房運転を行い、その温度を下回ったら暖房運転になる。

この暖房運転、冷房運転の判断を前記フローに基づいてさらに説明すると、外気温が一定温度、例えば、２５℃以上は冷房判断、外気温一定温度の範囲内、例えば、２５℃〜１８℃の範囲では室温で判断、外気温度が一定温度、例えば１８℃以下では暖房判断であり、冷房判断の時期は夜から朝までの屋根からの空気も観察して屋根からの放射冷却で冷えた空気が全熱交換器より低い結果になれば屋根から放射冷却空気を導入し、外気温が一定温度２５℃以上になると室温はそれ以上の温度になるとするものである。

おまかせモードでは自動的に冷房モードと暖房モードを機械が判断できる。本発明システムでは集熱空気の有効利用や外気取入を活用するために自動判断が必須である。また、冷房排熱をお湯採りに使うため、このためにも自動判断が必須である。

前記の制御により、２０℃〜２７℃の間で（専ら２２℃〜２５℃）自然エネルギー（屋根集熱部４０での集熱と、外気吸込口４３を端部とする外気吸込ダクト４４での取外気取入を優先に使う制御ができる。

真夏と真冬以外は健康に支障の無い温度範囲で自然なリズムで温度変化を許すことで、有効に自然エネルギーを使える時間帯が増える。年間エネルギー消費で２０００〜２５００ｋＷｈになり、３ｋＷの太陽電池システムだけで、空調給湯エネルギーを賄える。

暖房温度リズム設定により、暖房・給湯が同時に出来ない本発明システムの貯湯運転タイミングを作ることができる。図１３、図１４におまかせ運転温度リズムイメージを示す。

設定温度は図１５に示すように、モバイルやスマートホン８０でも変更可能であるが、初期設定温度は暖房２０℃、冷房２７℃なので、前記切替温度で冷房になったり暖房になっても直ちにヒートポンプは動かない。

この間は集熱暖房や夜間放射冷却運転で中間期は２２℃〜２５℃を中心に変化し、夏期は２２℃〜２７℃、冬期は２０℃〜２５℃を変化する。

下記表１、表２に太陽熱利用・外気取り込み判断の制御フローを示すと、表１は太陽熱直接暖房の制御を示す表で、表２は放射冷却利用冷房の制御を示す表である。

図１７〜図２０に動作モード（暖房）の場合、図２１〜図２４に動作モード（暖房〜冷房）の場合、図２５〜図２８に動作モード（冷房）を示す。各図とも黒く塗られた箇所が空気の流れを示す。

図１７は動作モード（暖房）で、屋根集熱部暖房の場合、図１８は、屋根集熱部暖房＋ヒートポンプ暖房の場合、図１９は屋根集熱部暖房＋ヒートポンプ貯湯の場合、図２０は換気＋送風の場合である。（屋根集熱部暖房の場合は、集熱接続ダクト４１→集熱ダクト４２→ハンドリングボックス５→立下りダクト１０）

図２１は、換気＋ヒートポンプ暖房の場合、図２２は換気＋ヒートポンプ貯湯の場合、図２３はＬＩＴＥ（屋根集熱部暖房とは逆運転）＋ヒートポンプ冷房＋ヒートポンプ貯湯の場合、図２４はＬＩＴＥ（屋根集熱部暖房とは逆運転）＋ヒートポンプ冷房の場合である。

図２５は、ＬＩＴＥ（屋根集熱部暖房とは逆運転）＋送風＋ヒートポンプ貯湯の場合、図２６は屋根集熱部からの夜間取入の場合、図２７は屋根集熱部からの夜間取入＋ヒートポンプ冷房の場合、図２８は屋根集熱部からの夜間取入＋ヒートポンプ貯湯の場合である。

冷暖房運転としては、暖房運転は室温が設定温度より低いとき全熱交換器５６を通した換気空気と室内戻り空気を混合して吸込んで、ヒートポンプの空調熱交（空調熱交換器）５７によるヒートポンプ暖房する。

集熱可能な条件（集熱空気温が全熱交換器５６を通して外気と室内空気を熱交換して得られた空気より高いとき）のときは太陽熱集熱暖房を行う。

この太陽熱集熱暖房は、屋根集熱部４０での集熱空気を取り入れ、ハンドリングボックス５からのダクトを介して屋内もしくは床下空間に導くものであり、詳しくは、暖房が必要な冬の昼間は、軒先の空気取入口３から入った冷たい空気は、屋根板１に降り注ぐ太陽の熱によって徐々に暖められる。

この温められた空気は屋根勾配に沿って上昇する。そして、この加熱空気は集熱ダクト４に集められてからファンによりハンドリングボックス５に入り、ハンドリングボックス５から立下りダクト１０内へ流下し、床下に送られる。

また、送気ダクト４７により吹き出し口４６から室内２０に吹き出される。

前記床下に送られる空気は床下に広がり、床吹出口１４から温風として室内２０へと流れ出る。

この太陽熱集熱暖房で集熱空気温度が不十分ならヒートポンプの空調熱交（空調熱交換器）５７でバックアップ加熱する。

室温設定以上になったらヒートポンプは運転を止める。ただし、冷房設定温度−２℃（初期設定は２５℃）までは続けて前記太陽熱集熱暖房（ＯＭ集熱）を続ける。

冷房設定温度−２℃を超えた場合は冷房運転に変わる。ただし、冷房設定以下なので冷房モードになるだけである。（前記太陽熱集熱暖房・ＯＭ集熱は止まる）

冷房モードでは１種換気運転を行い排気は屋根集熱部４０の集熱面（太陽電池２３）の裏面を通して排気する（屋根排気）。ここでは１種換気運転とは、交換型換気システムや給気と排気のための換気機械を組み合わせ、同時給排を行う換気設備を言う。両者とも送風機と排風機を併用する方法で、吸気量と排気量の調整により室内の気圧を均一にすることができるほか、外気圧に対して正圧（プラス圧）に、あるいは負圧（マイナス圧）に保つことが出来るなどの利点がある。

図１０に暖房モードの制御フロー、図１１に冷房モードの制御フローを示すが、前記図９のフローと合わせて、外気温が低く次第に室温が下がる場合は暖房設定＋２℃（初期設定は２０℃）までは冷房モードで運転を行い（外気導入しているだけ）、前記温度を下回った場合は再び暖房モードになる。この場合でも設定温度はさらに−２℃のため、暖房モードになるだけで、集熱があれば集熱をする。

冷房運転は冷房室温設定より室温が高いときに全熱交換器５６を通した換気空気と室内戻り空気を混合して吸込んで、ヒートポンプの空調熱交（空調熱交換器）５７によるヒートポンプ冷房をする。

排気空気は外気と全熱交換器５６で熱交換した上で太陽電池２３の裏面を通して排気する。（屋根排気→太陽電池冷却→効率アップ）

冷房モードで夜間になると太陽電池２３の下面を通して取り入れる空気温度と全熱交換器５６を通して取り入れる空気を比較して（全熱交換器５６側は外気温度と室温から全熱交換器５６の熱交換効率から計算）外気取入にメリットがあれば太陽電池２３の下面を通して空気を入れる。

直前まで冷房している場合、室温が設定温度より１℃以上低ければヒートポンプは止まり外気取入のみの運転になる。

低くなるのは専ら夜１２：００以降になる。なお、ヒートポンプが運転しているときは１階、２階の冷房吹出し口４６から冷房し、外気取り込みのみになった場合も１階、２階の冷房吹出し口４６から空気を取り入れる。（ファンを駆動して軒先の空気取入口３から外気を空気流路２に取り込み、放射冷却現象（放射冷却で屋根全体が冷える）を利用して、涼しい外気を取り込む。

こうして、集熱と外気取り込みで室温を最大２０℃〜２７℃にコントロールする。実際上は冷暖房切替が行なわれるため、冷房設定＋２℃〜冷房設定−２℃（初期設定では２２℃〜２５℃）で制御される。

冷房負荷と貯湯負荷があるときは冷房貯湯モードになる。（冷房した排熱を貯湯に使う）

暖房時温度設定として、おまかせ運転の暖房設定温度は下記表３のように１８℃〜２０℃に設定されている。すなわち０：００〜４：５９まで１８℃、５：００〜５：５９まで１９℃、６：００〜２２：５９まで２０℃、２３：００〜２３：５９まで１９℃である。

これは日中２０℃の快適温度として、就寝に近い時間になって徐々に下げるリズムである。就寝時には布団もかけるので１８℃が適温になる。

ヒートポンプが１台しかないために暖房とお湯採りが同時に出来ない。

そこで、早朝には徐々に室温を上げて起床の環境を整備し、昼間は２０℃設定する。９：００頃には前記太陽熱集熱暖房（ＯＭ集熱）でヒートポンプ負荷がなくなり、１２：００頃には２５℃近くまで温度上昇するので（暖房負荷が無いので）、このタイミングでヒートポンプを湯沸かしモードで運転する。おおむね４時間で貯湯槽が満タンになる。エコキュート（登録商標）と違って昼間に沸かすので外気温が高い（深夜は０℃に対し昼間は１０℃程度あるのでＣＯＰが高い。また、お湯の使用時間までの時間が短いので有利）

また、お湯が不足する予想のときは２３：００から設定温度が下がるために４時間程度暖房負荷がなくなるので、このタイミングに不足分を沸かすことができる。（昼間４時間、夜４時間、合計８時間湯沸しのタイミングがある）

１…屋根板 ２…空気流路
３…空気取入口 ４…集熱ダクト
５…ハンドリングボックス
５−１…集熱空気接続口
５−２−１…室内還り空気接続口
５−２−２…室内還り空気接続口
５−３…屋外吸込口
５−４−１…冷房口
５−４−２…冷房口
５−５…暖房（床下）口
５−６…屋外への排気口
５−７…ＬＩＴＥ運転口
５−８…ドレン口
５−９…冷媒配管口
６…逆流防止兼流路切換えダンパー
７…ファン
８…流路切換えダンパー ９…排気ダクト
１０…立下りダクト １１…土間コンクリート
１２…床パネル １３…空気流通空間
１４…床吹出口 １５…お湯とりコイル
１６…循環配管 １７…貯湯槽
１８…循環ダクト １９…温水ボイラー
２０…室内 ２１…給湯配管
２３…太陽電池 ２４…第２のハンドリングボックス
２５…床下への送風口 ２６…室内への送風口
２７…ダンパー ３２…接続ダクト
３３…小屋裏 ４０…屋根集熱部
４１…集熱接続ダクト ４２…集熱ダクト
４３…外気吸込口 ４４…外気吸込ダクト
４５…排気口 ４６…吹き出し口
４７…送気ダクト ４８…分岐管
４９…分岐ボックス ５０…屋根排気ダクト
５２…重力式ダンパー ５３…比例ダンパー
５４…ファン ５５…筒型フィルター
５６…全熱交換器
５７…ヒートポンプの空調熱交（空調熱交換器）
５８…屋外ユニット ５９…貯湯ユニット
６０…冷媒配管 ６１…ドレン管
６２…給湯配管 ６３…給水口
６４…風呂循環配管 ６５…配管
６６…給水配管 ６７…風呂
７０−１…集熱温度センサー ７０−２…外気温センサー
７０−３…室内リターンセンサー
７０−４…熱交換前温湿度センサー
７０−５…リモコン内蔵（室温）センター
７０−６−１…貯温槽缶体表面温度センサー
７０−６−２…温度センサー
７０−７…室外ユニット外気温センサー
７１…リモコン ７２…制御装置
７３…家庭用ルーター ７４…計測ユニット
７５…パワーコンディショナ ７６…分電盤
７７…台所リモコン ７８…浴槽リモコン
７９…エコナビゲートウェイ

Claims (3)

1. ダンパーおよびファンを設けた屋内ユニットとしてのハンドリングボックスを屋根集熱部に直接または間接的に連結し、ハンドリングボックスからのダクトを屋内もしくは床下空間に導くソーラーシムテムハウスにおいて、ヒートポンプによる屋外ユニット、貯湯ユニットを備え、また、ハンドリングボックスに外気と室内空気を熱交換する換気空気と室内戻り空気を混合して全熱交換器とヒートポンプの空調熱交を設置し、
   集熱可能な条件として、集熱空気温が全熱交換器を通して外気と室内空気を熱交換して得られた空気より高いときは、屋根集熱部での集熱空気を取り入れ、ハンドリングボックスからのダクトを介して屋内もしくは床下空間に導く太陽熱集熱暖房を行い、
   室温が設定温度より低いときは、全熱交換器を通した換気空気と室内戻り空気を混合して吸込んでヒートポンプの空調熱交で暖房する暖房運転を行い、もしくは、室温が設定温度より低いときで、前記屋根集熱部からの集熱空気温が、全熱交換器を通ってきた空気温よりも高い場合は、ヒートポンプの空調熱交で暖房すし、前記ハンドリングボックスからのダクトを介して屋内もしくは床下空間に導く太陽熱集熱暖房を行い、
   冷房室温設定より室温が高いときは、全熱交換器を通した換気空気と室内空気を混合して吸込んでヒートポンプ冷房する冷房運転を行う
   ことを特徴とした太陽熱利用機器の運転制御方法。
2. 屋根集熱部は太陽電池を備えるものであり、冷房運転では全熱交換器を通した換気空気と室内空気を混合して吸込んで、屋根集熱部の太陽電池の裏面を通して排気する請求項１記載の太陽熱利用機器の運転制御方法。
3. 季節判断（冷暖判断）として、温度センサーの検知で、外気温１８℃以下で常時暖房設定、外気温２５℃以上で常時冷房設定とし、冷房設定温度−２℃までは暖房運転、それを超えたら冷房運転であり、冷房運転は暖房設定温度＋２℃まで冷房運転を行い、その温度を下回ったら暖房運転になる請求項１または請求項２に記載の太陽熱利用機器の運転制御方法。