JP7026122B2 - 居住空間内の空気を調整するためのシステム - Google Patents

Description

本発明は、居住空間に提供すべき空気を調整するための、例えば居住空間内の快適な温度を達成するために必要に応じて空気を加熱または冷却するためのシステムに関する。いくつかの実施形態において、本発明は追加的に、太陽熱集熱によって空調のために空気を加熱しかつ／または飲料水を加熱することに関する。

太陽熱集熱システムは、熱集熱器を介して太陽光スペクトルから太陽エネルギーを熱として集熱する。例えば、太陽熱集熱システムは、水または建物内の環境を加熱するために使用される太陽エネルギーを集熱するために建物の屋根に設置されてもよい。図１を参照すると、太陽熱集熱システム１が示されている。太陽熱集熱システム１は、建物構造の下地支持材１２と共に空洞８を形成する外側被覆材または外部膜２（例えば、１つまたは複数の屋根瓦）からなる太陽集熱器を含み得る。システムは、被覆材が受ける太陽放射によって加熱された空洞から空気を抽出することによって太陽エネルギーから熱を集熱するように構成される。熱集熱ユニット４（例えば、温熱箱）は、空洞から空気流れを収集して導くために、外部膜の真下に装着されて空洞に接続されてもよい。システムはまた、居住空間にもしくは例えば建物の通気孔付き棟６における開口部１４を介して周囲環境への通気孔に、または別の媒体を加熱するための、例えば飲料水を加熱するための熱交換器に太陽熱集熱システム内の空気の流れを導くためのダクト（すなわち、ダクトシステム）を含み得る。国際公開第２０１５／１３２７５６号パンフレットにおいて集熱システムが説明されている。

集熱システムによって提供される熱エネルギーは、居住空間を暖房しかつ／または水を加熱するのに十分な熱を提供するのに十分ではない場合がある。２次エネルギー源または追加のエネルギー源から追加の暖房能力が必要となる場合がある。ヒートポンプは、水加熱および居住空間冷房を提供するために使用されてもよい。しかしながら、そのようなシステムは、温水加熱も必要である場合に冷気を提供するためにのみ使用することができ、その逆も然りである。

特許明細書、他の外部文書、または他の情報源が参照されている本明細書では、これは、概して、本発明の特徴を述べるための背景を提供することを目的とする。特段の記載がない限り、そのような外部文書の参照は、そのような文書、もしくはそのような情報源が、いかなる管轄においても、先行技術であること、または当技術分野における共通の一般知識の一部を形成することを承認するものと解釈されるべきではない。

本発明の目的は、居住空間のために空気を調整するための改良されたシステムを提供すること、または、空気の調整および水加熱のための改良されたシステムを提供すること、または、太陽熱エネルギーと更なるエネルギー源の両方を使用して空気を調整するための改良されたシステムを提供すること、または、少なくとも有用な選択肢を公に提供することである。

一態様において、本発明は広義には、居住空間に空調を提供しかつ飲料水を加熱するためのシステムであって、
ヒートポンプ回路の周囲に冷媒を循環させるための圧縮機と、第１の凝縮器と、第２の凝縮器と、蒸発器とを備えるヒートポンプ回路と、
第１の空気流れから冷媒に熱を伝達するために空気入口から第１の空気流れを受け取るようになされた蒸発器と、
冷媒から水に熱を伝達するために水の流れを受け取るようになされた第１の凝縮器と、
冷媒から第２の空気流れに熱を伝達するために第２の空気流れを受け取るようになされた第２の凝縮器と、
蒸発器から居住空間に第１の空気流れを提供するための空気出口と
を備えるシステムに存する。

いくつかの実施形態では、第１の空気流れは、加熱空気流れである。

いくつかの実施形態では、システムは、第１の空気流れを提供するための太陽熱集熱システムから加熱空気を収集するための熱集熱ユニットを更に備える。

いくつかの実施形態では、システムは、第１の空気流れを提供するための太陽熱集熱システムを更に備える。

いくつかの実施形態では、システムは、ｉ）太陽熱集熱システムからの熱集熱ユニットからの加熱空気、ならびにｉｉ）第１の空気流れがシステムおよび居住空間を通って再循環するような居住空間からの空気の流れを第１の空気流れとして選択的に提供するための弁を更に備える。

いくつかの実施形態では、システムは、蒸発器をバイパスして周囲環境に第１の空気流れを放出するための通気路を更に備える。

いくつかの実施形態では、システムは、蒸発器を通って居住空間に至る第１の空気流れを駆動するためのファンを更に備える。

いくつかの実施形態では、システムは、通気路を通る第１の空気流れを駆動するためのファンを更に備える。

いくつかの実施形態では、第２の空気流れは、周囲空気流れである。

いくつかの実施形態では、第２の凝縮器を通る第２の空気流れを駆動するためのファンを更に備える。

いくつかの実施形態では、第２の空気流れは、第２の凝縮器を通過した後に周囲に放出される。

いくつかの実施形態では、システムは、蒸発器からｉ）居住空間に、およびｉｉ）周囲への通気孔に第１の空気流れを選択的に提供するための弁を備える。

いくつかの実施形態では、（家庭用）水タンクに接続されるようになされた水回路と、タンクから第１の凝縮器を通してタンクに戻されるように水を圧送するためのポンプとを更に備える。

いくつかの実施形態では、ヒートポンプ回路は、
蒸発器または第２の凝縮器として構成可能な第１の熱交換器と、第２の凝縮器または蒸発器として構成可能な第２の熱交換器と、第１の熱交換器および第２の熱交換器を通るヒートポンプ回路内の冷媒の流れ方向を選択するための弁であって、第１の凝縮器がヒートポンプ回路内において圧縮機と弁との間に位置する、弁とを備え、
弁が第１の位置にある状態で、
第１の熱交換器が、第１の空気流れを受け取って空気から冷媒に熱を伝達するための蒸発器として構成され、
第２の熱交換器が、第２の空気流れを受け取って冷媒から空気に熱を伝達するための第２の凝縮器として構成され、かつ
弁が第２の位置にある状態で、
第１の熱交換器が、第１の空気流れを受け取って冷媒から第１の空気流れに熱を伝達するための第２の凝縮器として構成され、
第２の熱交換器が、第２の空気流れを受け取って空気から冷媒に熱を伝達するための蒸発器として構成され、
システムが、居住空間内の空気を調整するために第１の熱交換器から居住空間に第１の空気流れを提供するようになされ、ならびに
第１の凝縮器は、弁が第１の位置にあるときおよび第２の位置にあるときに冷媒から水に熱を伝達するために水の流れを受け取るようになされる。

いくつかの実施形態では、システムは、水回路からの水と第１の空気流れとを受け取って水と第１の空気流れとの間で熱を伝達するための熱交換器（受動熱交換器）を更に備える。

いくつかの実施形態では、水回路は、熱交換器を選択的にバイパスするための弁を備える。

いくつかの実施形態では、水熱交換器および第１の凝縮器は、水回路内に直列に配置される。

いくつかの実施形態では、水回路熱交換器およびヒートポンプ回路の蒸発器または第１の熱交換器は、第１の空気流れ中に直列に配置される。

いくつかの実施形態では、熱集熱ユニットは、箱またはダクトである。

いくつかの実施形態では、集熱ユニットは、２つの出口、すなわち、蒸発器または第１の熱交換器に第１の空気流れを提供するための第１の出口と、システムから通気孔に空気流れを提供するための第２の出口とを備える。

いくつかの実施形態では、熱集熱ユニットは、通気出口または蒸発器もしくは第１の熱交換器への出口に至る空気の流れを駆動するためのファンを備える。

いくつかの実施形態では、システムは、モジュール式ユニットを備える。

いくつかの実施形態では、ユニットは、設置の際の融通性を与えるためにダクトと連通配管とを相互接続することによって一緒にまたは別個に構成されるようになされる。

いくつかの実施形態では、システムは、集熱ユニットと、熱交換器ユニットと、ヒートポンプユニットとを備える。

いくつかの実施形態では、熱集熱ユニット、熱交換器ユニット、およびヒートポンプユニットは、集熱ユニットが熱交換器ユニットの上部に装着されかつコンパクトな高さ構成を達成するためにヒートポンプユニットが熱交換器ユニットに対して隣り合う配置で位置する状態で配置される。

いくつかの実施形態では、熱交換器ユニットは、ヒートポンプ回路の蒸発器または第１の熱交換器を備える。

いくつかの実施形態では、熱交換器ユニットは、ユニットを通る第１の空気流れを駆動するためのファンを備える。

いくつかの実施形態では、熱交換器ユニットは、２つの異なる源から、例えば、熱集熱ユニットからおよび周囲空気供給源から受け取るべき空気の流れを選択するための入口弁を備える。

いくつかの実施形態では、熱交換器ユニットは、ユニットから２つの異なる目的地に、例えば、居住空間にまたは建物から通気孔に空気の流れを選択的に送出するための出口弁を備える。

いくつかの実施形態では、熱交換器ユニットは、受動熱交換器を備える。

いくつかの実施形態では、ヒートポンプユニットは、圧縮機および／または第１の凝縮器および／または第２の凝縮器もしくは第２の熱交換器を備える。

いくつかの実施形態では、ヒートポンプユニットは、冷媒逆転弁を備える。

いくつかの実施形態では、ヒートポンプユニットは、第２の凝縮器／第２の熱交換器を通してヒートポンプユニットを通る空気流れを提供するためのファンを備える。

いくつかの実施形態では、ヒートポンプユニットは、第１の凝縮器を含む水回路を通して水を圧送するための水ポンプを備える。

いくつかの実施形態では、ヒートポンプユニットは、受動熱交換器との連通のための熱交換器ユニット内の対応する水配管と連通するように選択的にユニットへおよびユニットから水を導くための弁を備える。

いくつかの実施形態では、制御装置と、制御装置と通信する１つまたは複数のセンサとを更に備え、１つまたは複数のセンサが、
居住空間に提供される空気の温度を表示するための、ヒートポンプサイクルの第１の熱交換器（例えば、蒸発器）の下流側の温度センサと、
太陽熱集熱システムから受け取られる空気の温度を表示する、第１の熱交換器または受動熱交換器の上流側の温度センサと、
居住空間から戻されるかまたは周囲から提供される空気の温度を表示する、第１の熱交換器または受動熱交換器の上流側の温度センサと、
第２の凝縮器もしくは第２の熱交換器に提供される周囲空気の温度および／または第２の凝縮器もしくは第２の熱交換器から排出される空気の流れの温度を表示するための、第２の空気流れ中に配置された１つまたは複数の温度センサと、
水筒におよび水筒から提供される水の温度を表示するための、水回路内の１つまたは複数の温度センサと、
水回路内の水の流量を表示するための流量センサと、
のうちのいずれか１つまたは複数を備える。

いくつかの実施形態では、システムは、水回路内に少なくとも２つの温度センサを備え、ならびに制御装置は、各前記温度センサから信号を受信し、かつシステムによって水に伝達される熱エネルギーの表示を決定し、かつ前記熱エネルギーを表示する出力を提供する。

いくつかの実施形態では、制御装置は、水加熱についてのエネルギー単位当たりのコストを入力として受け取って、システムによって水に伝達された熱エネルギーから、システムによって提供されるコスト削減効果を決定し、かつ制御装置は、前記コスト削減効果を表示する出力を提供する。

別の態様では、本発明は広義には、居住空間に空調を提供しかつ飲料水を加熱するためのシステムであって、
ヒートポンプサイクルから、居住空間に提供すべき第１の空気流れに熱を伝達するための蒸発器と、
２つの凝縮器、すなわち、ヒートポンプサイクルから飲料水に熱を伝達するための第１の凝縮器、およびヒートポンプサイクルから第２の空気流れに熱を伝達するための第２の凝縮器と
を備えるヒートポンプサイクル
を備えるシステムに存する。

別の態様では、本発明は広義には、居住空間に加熱空気を提供するためのシステムであって、
空気入口から空気流を受け取るようになされた熱交換器と、
家庭用温水タンクに接続されるようになされた水回路と、
タンクから熱交換器を通してタンクに戻されるように水回路の周囲に水を圧送するためのポンプであって、熱交換器が水から空気の流れに熱を伝達する、ポンプと、
熱交換器を通過することによって加熱された空気の流れを居住空間に提供するための空気出口と、
を備えるシステムに存する。

別の態様では、本発明は広義には、居住空間に空調を提供しかつ飲料水を加熱するためのシステムであって、
ヒートポンプ回路の周囲に冷媒を循環させるための圧縮機と、第１の熱交換器と、第２の熱交換器と、第１の凝縮器とを備えるヒートポンプ回路と、
蒸発器または第２の凝縮器として構成可能な第１の熱交換器と、
第２の凝縮器または蒸発器として構成可能な第２の熱交換器と、
第１の熱交換器および第２の熱交換器を通るヒートポンプ回路内の冷媒の流れ方向を選択するための弁であって、第１の凝縮器がヒートポンプ回路内において圧縮機と弁との間に位置する、弁と、
を備え、
弁が第１の位置にある状態で、
第１の熱交換器が、第１の空気流れを受け取って空気から冷媒に熱を伝達するための蒸発器として構成され、
第２の熱交換器が、第２の空気流れを受け取って冷媒から空気に熱を伝達するための第２の凝縮器として構成され、かつ
弁が第２の位置にある状態で、
第１の熱交換器が、第１の空気流れを受け取って冷媒から第１の空気流れに熱を伝達するための第２の凝縮器として構成され、
第２の熱交換器が、第２の空気流れを受け取って空気から冷媒に熱を伝達するための蒸発器として構成され、
システムが、居住空間内の空気を調整するために第１の熱交換器から居住空間に第１の空気流れを提供し、ならびに
第１の凝縮器は、弁が第１の位置および第２の位置にあるときに冷媒から水に熱を伝達するために水の流れを受け取る、
システムに存する。

いくつかの実施形態では、システムは、ヒートポンプ回路に冷媒を追加するようにまたはヒートポンプ回路から冷媒を除去するように構成された液受けまたは液溜めを更に備える。

いくつかの実施形態では、液受けまたは液溜めは、ヒートポンプ回路への追加のためのある体積の冷媒の追加の源を提供し、かつヒートポンプ回路から除去された冷媒の貯蔵を行う。

いくつかの実施形態では、液受けまたは液溜めは、システムに対する暖房需要が増加したときに、所定の動作条件と比較して高いときにまたは閾値を上回ったときにヒートポンプ回路に冷媒を追加するように構成される（任意選択的に、液受けまたは液溜めは、第１の凝縮器が前記水を加熱するように構成される場合にヒートポンプ回路に冷媒を追加するように構成される）。

いくつかの実施形態では、液受けまたは液溜めは、システムへの熱負荷が減少したときに、所定の動作条件と比較して低いときにまたは閾値を下回ったときにヒートポンプ回路に冷媒を追加するように構成される。

いくつかの実施形態では、液受けまたは液溜めは、システムに対する暖房需要が減少したときに、所定の動作条件と比較して低いときにまたは閾値を下回ったときにヒートポンプ回路から冷媒を除去するように構成される（任意選択的に、液受けまたは液溜めは、第１の凝縮器が前記水を加熱するように構成されていない場合にヒートポンプ回路から冷媒を除去するように構成される）。

いくつかの実施形態では、液受けまたは液溜めは、システムへの熱負荷が増加したときに、所定の動作条件と比較して高いときにまたは閾値を上回ったときにヒートポンプ回路から冷媒を除去するように構成される。

いくつかの実施形態では、液受けまたは液溜めは、ヒートポンプ回路内の略一定の圧力を維持するように構成される。

いくつかの実施形態では、熱負荷の減少または熱需要の増加に起因して、冷媒の圧力が任意選択的に低下した場合に、液受けは、前記略一定の圧力を維持するためにヒートポンプ回路に冷媒を追加するように構成される。

いくつかの実施形態では、熱負荷の増加または熱需要の減少に起因して、冷媒の圧力が任意選択的に上昇した場合に、液受けは、前記略一定の圧力を維持するためにヒートポンプ回路から冷媒を除去するように構成される。

いくつかの実施形態では、液受けまたは液溜めは、第１の凝縮器および第２の凝縮器よりも後ろに、かつ蒸発器よりも前に位置する。

いくつかの実施形態では、液受けまたは液溜めは、（任意選択的に弁が第１の位置にあるときと第２の位置にあるときの両方において）ヒートポンプ回路内において第１の熱交換器と第２の熱交換器との間に位置する。

いくつかの実施形態では、液受けまたは液溜めは、ヒートポンプ回路内において膨張弁よりも前に位置する。

第２の態様、第３の態様、および第４の態様は、第１の態様に関連して上で説明した特徴のいずれか１つまたは複数を含み得る。

本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、「から少なくとも部分的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ａｔ ｌｅａｓｔ ｉｎ ｐａｒｔ ｏｆ）」を意味する。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語を含む本明細書および特許請求の範囲における各記載を解釈するときに、その用語によって前置きされる単数または複数の特徴以外の特徴も存在し得る。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」などの関連用語も同じように解釈されるべきである。

本明細書に開示する数の範囲（例えば、１～１０）への言及はまた、その範囲内の全ての有理数（例えば、１、１．１、２、３、３．９、４、５、６、６．５、７、８、９および１０）への言及、ならびにその範囲内の任意の範囲の有理数（例えば、２～８、１．５～５．５および３．１～４．７）も包含し、それゆえ、本明細書に明示的に開示する全ての範囲の全ての部分範囲が本明細書によって明示的に開示されることが意図されている。これらは、具体的に意図されるものの例に過ぎず、列挙された最低値と最高値との間の数値の全ての可能な組み合わせが本出願において同様に明示的に記載されたものと見なされるべきである。

本明細書で使用される場合、「および／または」という用語は、「および」もしくは「または」、またはそれらの両方を意味する。

本明細書で使用される場合、名詞の後の「（ｓ）」は、名詞の複数形および／または単数形を意味する。

本発明はまた、個々にまたは集合的に、本出願の明細書で言及されまたは表される部分、要素および特徴、ならびに任意の２つ以上の前記部分、要素または特徴の任意または全ての組み合わせに存すると広義に言うことができ、本発明が関係する技術分野において既知の同等物を有する特定の整数が本明細書で言及される場合、そのような既知の同等物は、個々に記載されているかのように本明細書に組み込まれているものと見なされる。

本発明は、前述の内容に存するとともに、以下が単に例を示す構造を想定する。

本発明の好ましい実施形態について、ほんの一例として図面を参照しながら説明する。

図１は、太陽熱集熱システムおよび集熱ユニットの概略図である。 図２は、居住空間に空調を提供しかつ飲料水を加熱するためのシステムの概略図である。 図３は、居住空間に空調を提供しかつ飲料水を加熱するための別のシステムの概略図である。 図３Ａは、空気の加熱および冷却を提供しかつ飲料水を加熱するシステムのヒートポンプ回路の概略図である。 図３Ｂは、空気の加熱および冷却を提供しかつ飲料水を加熱するシステムのヒートポンプ回路の概略図である。 図３Ｃは、空気の加熱および冷却を提供しかつ飲料水を加熱するシステムのヒートポンプ回路の概略図である。 図４は、居住空間に空調を提供しかつ飲料水を加熱するための別のシステムの概略図である。 図４Ｂは、図４のシステムの概略図であるが、融雪モードではシステムを通る空気の流れ方向を逆転させるように動作する。 図５は、家庭用温水筒と居住空間に空調を提供するためのシステムとを含む屋根裏空間または屋根空間の図である。 図６Ａは、居住空間に空調を提供するためのモジュール式システムを示す。 図６Ｂは、居住空間に空調を提供するためのモジュール式システムを示す。 図６Ｃは、居住空間に空調を提供するためのモジュール式システムを示す。 図６Ｄは、居住空間に空調を提供するためのモジュール式システムを示す。 図６Ｅは、居住空間に空調を提供するためのモジュール式システムを示す。 図７は、図４のシステムの概略図であるが、破線境界線で表すシステムのモジュールの概略図である。 図８は、居住空間に加熱空気の流れを提供するためのシステムの概略図である。空気は、家庭用温水タンクからの温水によって加熱される。 図９は、受動的水加熱モードでの給気温度と水温とを図示する図表である。 図１０は、能動的水加熱モードでの給気温度と水温とを図示する図表である。 図１１は、冬期居住空間空気加熱モードでの空気温度を図示する図表である。 図１２は、周囲空気温度と太陽熱集熱システムによって送出される空気の温度とを示す図表を提示する。図１２は、冬日のデータを提示する。 図１３は、周囲空気温度と太陽熱集熱システムによって送出される空気の温度とを示す図表を提示する。図１３は、冬日のデータを提示する。 図１４は、周囲空気温度と太陽熱集熱システムによって送出される空気の温度とを示す図表を提示する。図１４は、夏日のデータを提示する。 図１５は、２５０Ｌの水を受動的に加熱するための試験用太陽熱集熱システムからのデータを図示する図表を提示する。

種々の実施形態について図を参照して説明する。図および明細書の全体を通して、同じまたは同様の構成要素を示すために同じ参照番号が使用されることがあり、それらの重複する説明が省略されることがある。

図２～図４は、飲料水を加熱しかつ建物内の居住空間に空調（選択的に暖房および冷房）を提供するための１つまたは複数のシステム１００の概略図を提供する。いくつかの実施形態では、図示のように、システムは、太陽熱エネルギーの集熱によって提供される暖房である「受動的」暖房と、電気供給源（例えば、家庭用電気供給源）によって電力が供給されるヒートポンプなどの更なる熱源によって提供される暖房である「能動的」暖房との両方を含む。いくつかの実施形態では、システムは、能動的暖房のみを含み得るが、好ましいシステムは、受動的暖房と能動的暖房との両方を含む。

本発明によるシステムは、蒸発器１１１と、第１の凝縮器１１２と、第２の凝縮器１１３と、圧縮機１１４とを備える冷凍サイクルもしくは回路またはヒートポンプサイクルもしくは回路１１０を備える。蒸発器１１１は、受動熱源によって加熱された空気などの、空気の流れ１２１（第１の空気流れ）、例えば、図１を参照して説明した太陽エネルギーによって加熱された屋根空洞から受け取った空気の流れを受け取る。空気の流れ１２１は、ファンＦ１によって、またはいくつかの実施形態では、広い太陽集熱領域に対して提供される場合および必要に応じて追加的にファンＦ３によって生成される。蒸発器１１１は、冷媒が蒸発するときに空気からヒートポンプサイクル１１０内の冷媒に熱を伝達する。蒸発器１１１によって提供された冷媒ガスは、圧縮機１１４に、次いで第１の凝縮器１１２によって受け取られる。第１の凝縮器１１２は、圧縮された高温冷媒ガスと飲料水回路１３０内の飲料水とを受け取って、飲料水を加熱するために冷媒から飲料水に熱を伝達する。飲料水回路１３０は、凝縮器を通して回路の周囲にかつ家庭用水システムの貯水タンクもしくは貯水槽１３２にかつ貯水タンクもしくは貯水槽１３２から水を循環させるためのポンプ１３１を備える。

冷媒は、第１の凝縮器１１２から第２の凝縮器１１３へ通過する。第２の凝縮器１１３は、空気の流れ１２２（第２の空気流れ）、例えば建物の外部から周囲空気の流れを受け取って、冷媒から空気の流れ１２２に熱を伝達する。周囲空気の流れ１２２は、ファンＦ２によって駆動される。加熱された周囲空気は、例えば建物の屋根から通気開口部を介して、第２の凝縮器１１３から周囲環境に排出される。

冷媒は、第２の凝縮器１１３から蒸発器１１１へ通過してヒートポンプサイクルを完成させる。

図２を参照して上で説明したように、本発明のいくつかの実施形態によるシステム１００は、２つの凝縮器、すなわち、ヒートポンプサイクルから飲料水に熱を伝達するための第１の凝縮器１１２、およびヒートポンプサイクルから空気に熱を伝達するための第２の凝縮器１１３を備える。このシステムは、ヒートポンプサイクル１１０および／または太陽熱エネルギー集熱システム１から提供される「自由」エネルギーが家庭で使用される飲料水を加熱するために、以下で説明するいくつかの実施形態では、空調（空気加熱）のために居住空間に提供すべき空気を加熱するために使用される、利益をもたらす。しかしながら、第２の凝縮器１１３によって提供されるヒートポンプサイクル１１０内の冷媒の冷却および凝縮のための追加の能力は、飲料水の温度が最大温度に達したときでさえ提供すべき冷気調整を可能にする。飲料水が最大温度に達した時点で、ヒートポンプサイクル１１０は、第２の空気流れに第２の凝縮器１１３内の熱を伝達することによって稼働し続けてもよい。

蒸発器１１１によって冷却された空気は、居住空間内の空気温度を冷却するために居住空間に提供されてもよく、または代替的に、例えば、屋根棟における通気開口部を介して、周囲に選択的に放出されてもよい。飲料水が十分に加熱されたときでさえ、システムは空調機能を提供し続けることができる。水が十分に加熱された時点で、水回路１３０内の水ポンプ１３１は、水筒内に保持された水にもはや熱が提供されないように第１の凝縮器１１２を通って循環する水を停止するためにオフにされる。水回路内の弁（図示せず）はまた、水が対流によって水回路内で循環するのを防止するために閉鎖されてもよい。更なる冷房が、居住空間から蒸発器１１１を通して空気を循環させることによって提供されてもよい。システム１００は、太陽熱暖房システムからの空気ではなく、蒸発器１１１を通して居住空間の空気を導くための弁１２３を備え得る。太陽熱暖房システム１からの空気は、蒸発器１１１をバイパスするように弁（図には図示せず）によって選択的に迂回させ、例えば、先に説明したような通気孔付き屋根棟における、通気開口部を介して周囲に放出されてもよい。バイパス１２５は、選択的に屋根空洞および集熱ユニットからの太陽熱加熱空気を、弁（図示せず）を介して周囲への通気孔に直接送るために提供されてもよい。ファンＦ３は、バイパスを通る空気流れを駆動するために設けられてもよい。バイパスは、ファンを含み得（例えば、バイパス１２５内にファンＦ３を位置決めし）、ならびにバイパスは、バイパスファンに通電しかつ／または弁を動作させることによって作動させてもよい。

暖気または加熱空気を居住空間に提供する必要がある場合、ヒートポンプ圧縮機１１４は、太陽熱加熱空気が居住空間への冷房なしに提供され得るように蒸発器を通って循環する冷媒を停止するためにオフにされてもよい。この構成では、太陽熱加熱空気は、太陽熱加熱空気からの十分な熱伝達なしに蒸発器１１１に通される。

いくつかの実施形態では、図３に示すように、システム１００は、ヒートポンプ回路内に逆転弁を備え得る。第１の凝縮器１１２は、ヒートポンプ回路１１０内において圧縮機１１１と逆転弁１１５との間に設けられる。逆転弁１１５は、冷媒／空気熱交換器１１１、１１３の機能が蒸発器から凝縮器におよび凝縮器から蒸発器に切り換えられるように、冷媒の循環方向を変更する。図２に示すように、太陽熱暖房システムから空気を受け取る熱交換器１１１（第１の熱交換器）は蒸発器であり、かつ周囲空気の流れを受け取る熱交換器１１３（第２の熱交換器）は第２の凝縮器である。しかしながら、図３に示すように、冷媒の循環方向を変更するように逆転弁１１５を切り換えることによって、太陽熱暖房システムから空気を受け取る第１の熱交換器１１１は第２の凝縮器として構成され、かつ周囲空気の流れを受け取る第２の熱交換器１１３はヒートポンプ回路の蒸発器として構成される。ヒートポンプ回路１１０内において圧縮機１１４よりも後ろにかつ逆転弁１１５よりも前に第１の凝縮器１１２を位置付けることによって、逆転弁１１５の位置にかかわらず、システムが、第１の凝縮器１１２を介して飲料水を加熱するように構成されたままとなるように、冷媒が第１の凝縮器１１２を通って循環する方向が変わらないことを意味する。第１の熱交換器１１１、第２の熱交換器１１３（蒸発器／第２の凝縮器）は、ヒートポンプ回路１１０内において直列である。

図３に示す構成では、ソーラーシステムによって提供される受動的暖房によって居住空間に暖房が提供されてもよく、かつ更なる熱が必要である場合、熱交換器１が凝縮器として動作するように冷凍弁１１５が切り換えられたときに太陽熱暖房がヒートポンプ回路によって補完されてもよい。水加熱も必要である場合、ヒートポンプは、受動的暖房によって提供される熱エネルギーの有無にかかわらず稼働してもよい。本明細書では、文脈が別様に示唆しない限り、受動的暖房とは、ヒートポンプ圧縮機を稼働させずに熱を提供することを意味する。他のシステム構成要素は、例えば、ファンＦ１および水ポンプ１３１、受動的暖房において能動的であってもよい。

図３Ａ～図３Ｃは、ヒートポンプ回路１１０、および水回路１３０の種々の実施形態を示している。水ポンプを作動させたときには、第１の凝縮器１１２は、水回路１３０から水の流れを受け取って、冷媒から水に熱を伝達する。水ポンプ非作動であるときには、水の流れが第１の凝縮器１１２に提供されず、そのため、水が加熱されない。第１の熱交換器１１１は、第１の空気流１２１を受け取り可能であり、かつ弁１１５の状態に応じて蒸発器または第２の凝縮器として構成可能であってもよい。第２の熱交換器１１３は、第２の空気流１２２を受け取り可能であり、かつ弁１１５の状態に応じて蒸発器または第２の凝縮器として構成可能であってもよい。

弁１１５の第１の状態または第１の位置では、冷媒がヒートポンプ回路１１０を通って第２の熱交換器１１３から第１の熱交換器１１１の方向に循環し、かつ第２の熱交換器１１３が、冷媒から第２の空気流れ１２２に熱を伝達するための第２の凝縮器としての機能を果たすように構成され、その一方で、第１の熱交換器１１１が、第１の空気流れ１２１から冷媒に熱を伝達するための蒸発器としての機能を果たすように構成される。

弁１１５の第２の状態または第２の位置では、冷媒がヒートポンプ回路１１０内を第１の熱交換器１１１から第２の熱交換器１１３の方向に循環し、かつ第１の熱交換器１１１が、冷媒から第１の空気流れ１２１に熱を伝達するための第２の凝縮器としての機能を果たすように構成され、その一方で、第２の熱交換器１１３が、第２の空気流れ１２２から冷媒に熱を伝達するための蒸発器としての機能を果たすように構成される。

第１の凝縮器１１２は、弁１１５の第１の状態または第１の位置と弁１１５の第２の状態または第２の位置の両方の構成におけるヒートポンプ回路の一部である。

ヒートポンプ回路１１０はまた、１つまたは複数の逆止弁１４０を備え得る。逆止弁は、ヒートポンプ回路１１０を通る誤った方向への冷媒の流れを防止するためにヒートポンプ回路１１０の周囲に位置する。ヒートポンプ回路はまた、フィルタドライヤ１４１を備え得る。フィルタドライヤ１４１は、水分、異物粒子もしくは異物または空気をヒートポンプ回路１１０から除去するように構成される。フィルタドライヤ１４１は、弁１１５の両方の状態または位置においてフィルタドライヤが正しく機能し得るように（図３Ａ～図３Ｃに示すように）両方向において働いてもよい。

ヒートポンプ回路１１０はまた、１つまたは複数の膨張弁１４２を備え得る。膨張弁１４２は、第１の熱交換器１１１および第２の熱交換器１１３の各々に隣接して位置してもよい。

逆止弁１４０は、膨張弁がバイパスされることを可能にするために各膨張弁１４２と並列に設けられてもよい。例えば、図３Ｂおよび図３Ｃのヒートポンプ回路１００は、逆止弁１４０に対して各々並列に設けられた２つの膨張弁１４２を有する。逆止弁１４２と並列に設けられた膨張弁１４２は、弁の各状態または冷媒流れの各方向において膨張弁１４２の各々が利用されることを可能にする。

いくつかの実施形態では、ヒートポンプ回路１１０は、例えば、図３Ｂおよび図３Ｃの構成に示すように、液受けまたは液溜め１４３を備え得る。液受けまたは液溜め１４３は、ヒートポンプ回路１１０への追加のためのある体積の冷媒の追加の源を提供し、かつ／またはヒートポンプ回路１１０から除去された冷媒の貯蔵を行ってもよい。液受けまたは液溜め１４３は、冷媒が第１の凝縮器および第２の凝縮器を通過した後に凝縮されないガス状の過剰な冷媒を保持してもよい。

液受けまたは液溜め１４３は、ヒートポンプ回路１１０に冷媒を追加するようにおよび／またはヒートポンプ回路１１０から冷媒を除去するように構成されてもよい。液受けまたは液溜め１４３は、システムに対する暖房需要、またはシステムの熱負荷もしくは他の条件に基づいて、ヒートポンプ回路１１０に冷媒を追加するようにおよび／またはヒートポンプ回路１１０から冷媒を除去するように構成されてもよい。

システムに対する暖房需要は、システムによって提供する必要のある熱量に基づいてもよい。これは、空気加熱において提供すべき熱、および／または加熱すべき水の温度、および／または例えば第１の凝縮器１１２が水を加熱するように構成される場合の、すなわち、第１の凝縮器と第２の凝縮器の両方が二重凝縮回路内で作動する場合のシステムの構成もしくはモードを含み得る。

暖房需要は、空気加熱において提供する必要のある熱量が比較的高い場合に比較的高いと見なされることがあり、加熱すべき水の温度は、システムが特定のモードにある場合、および／またはシステムが水を加熱するように構成される場合に、比較的低いかまたは閾値を下回る。暖房需要は、空気冷却が必要である場合に比較的低いと見なされることがあり、加熱すべき水の温度は、システムが特定のモードにある場合、および／またはシステムが水加熱を必要としないように構成される場合に、比較的高いかまたは閾値を上回る。

システムへの熱負荷は、システムの周囲条件に基づいてもよい。熱負荷は、周囲空気の温度に基づいてもよい。システムへの熱負荷は、周囲空気温度が比較的高いかまたは閾値を上回った場合に比較的高くなることがある。システムへの熱負荷は、周囲空気温度が比較的低いかまたは閾値を下回った場合に比較的低いと見なされることがある。

液受けまたは液溜め１４３は、ヒートポンプ回路１１０内の略一定の圧力を維持するように構成されてもよい。熱負荷の減少または熱需要の増加に起因して冷媒の圧力が低下した場合に、液受けは、前記一定の圧力を維持するためにヒートポンプ回路１１０に冷媒を追加するように構成されてもよい。逆に、熱負荷の増加または熱需要の減少に起因して冷媒の圧力が上昇した場合に、液受けは、一定の圧力を維持するためにヒートポンプ回路１１０から冷媒を除去するように構成されてもよい。

液受けまたは液溜め１４３は、システムに対する暖房需要が減少したときに、（任意選択的に所定の動作条件と比較して）低いときにまたは閾値を下回ったときにヒートポンプ回路１１０から過剰な冷媒を除去するように構成されてもよい。代替的または追加的に、液受けまたは液溜め１４３は、システムへの熱負荷が増加したときに、（任意選択的に所定の動作条件と比較して）高いときにまたは閾値を上回ったときに過剰な冷媒を除去するように構成されてもよい。

追加的または代替的に、液受けまたは液溜め１４３は、システムに対する暖房需要が増加したときに、（任意選択的に所定の動作条件と比較して）高いときにまたは閾値を上回ったときにヒートポンプ回路１１０に冷媒を追加するように構成されてもよい。代替的または追加的に、液受けまたは液溜め１４３は、システムへの熱負荷が減少したときに、（任意選択的に所定の動作条件と比較して）低いときにまたは閾値を下回ったときにヒートポンプ回路１１０に冷媒を追加するように構成されてもよい。

所定の動作条件は、ヒートポンプ回路１１０もしくはシステムがデフォルト設定としての動作のために構成される１つまたは複数の条件であってもよく、または動作効率が高くなるかもしくは内部でより通常の状態で動作するようにヒートポンプ回路またはシステムが構成される動作条件の初期設定であってもよい。冷媒がヒートポンプ回路もしくはシステムに追加される場合、または冷媒がヒートポンプ回路もしくはシステムから除去される場合、そのような決定が、回路またはシステムにかかる負荷の評価のために回路またはシステムの特定のパラメータを検知または検出するために使用される制御装置によってなされてもよい。

図３Ｂおよび図３Ｃに示すように、液受けまたは液溜めは、第１の凝縮器および第２の凝縮器よりも後ろに、すなわち、二重凝縮回路の端部に位置する。液受けまたは液溜め１４３は、ヒートポンプ回路１１０に冷媒を追加するかまたはヒートポンプ回路１１０から冷媒を除去するために第１の熱交換器１１１と第２の熱交換器１１３の間に位置する。第１の熱交換器１１１と第２の熱交換器１１３の間に液受けまたは液溜め１４３を位置付ける構成は、逆転弁１１５の状態（ならびに蒸発器または第２の凝縮器のいずれかとしての第１の熱交換器および第２の熱交換器の特定の構成）にかかわらず、液受けまたは液溜め１４３が第１の凝縮器および第２の凝縮器よりも後に位置するので有用である。ヒートポンプ回路１１０内における第１の凝縮器および第２の凝縮器よりも後の任意の過剰な冷媒を除去することができ、かつ更にヒートポンプ回路１１０内により多くの冷媒が必要である場合に、より多くの冷媒を追加することができる。液受けまたは液溜め１４３はまた、ヒートポンプ回路１１０内において膨張弁１４２よりも前に位置してもよい。例えば、２つの膨張弁１４２が図３Ｂおよび図３Ｃに示されている。

いくつかの実施形態では、液受けまたは液溜め１４３は、当技術分野で公知であるように、内部から冷媒を除去するかまたは内部に冷媒を追加するように構成される。代替的または追加的に、制御装置（例えば、上で説明したもの、または別個の制御装置）は、システムのモードまたは条件に応じて冷媒の追加または除去を制御するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、システム１００は、図４に示すように、居住空間に提供されるように水回路１３０と空気流れ１２１との間で熱を伝達するための熱交換器１３４を備える。飲料水貯水タンク１３２は、加熱源、例えば電気要素を備え得るか、またはガス、例えばＬＰＧもしくは天然ガスなどの燃料によって加熱されてもよい。タンク１３２内の水を加熱するために加熱源に通電がなされてもよい。飲料水回路１３０は、熱交換器１３４（参照を容易にするために、「受動」熱交換器）を水回路１３０の内外に切り換えるための弁１３３を備え得る。一構成では、弁１３３は、タンク１３２からヒートポンプ回路１１０の第１の圧縮機１１２を通ってタンク１３２に戻るように飲料水が圧送されるように熱交換器１３４をバイパスするように切り換えられる。別の構成では、弁１３３は、熱交換器１３４が回路１３０内に位置するように切り換えられてもよい。水は、タンク１３２から、熱交換器１３４、ヒートポンプ回路１１０の第１の圧縮機１１２を通って、タンク１３２に戻るように圧送される。

居住空間を暖房する目的で、温水から空気に熱を伝達するために、加熱源（例えば電気要素）を使用してタンク１３２内の水を加熱して、熱交換器１３４を通して水および空気を圧送することによって、追加の熱が、居住空間に提供すべき空気１２１に与えられてもよい。いくつかの実施形態では、水回路は、図８に図示するように、居住空間に提供すべき空気流れに単に熱を与えるように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、太陽熱集熱システムから提供される空気の流れ１２１の温度が十分に高い場合には、空気１２１から水に熱を伝達して水タンク１３０内の水を加熱するために、受動熱交換器１３４が使用されてもよい。いくつかの構成では、受動熱交換器１３４は、ヒートポンプ回路１１０の第１の凝縮器１１２によって提供される「能動的」加熱に加えて空気から水の「促進」加熱に熱を伝達するために使用されてもよい。

いくつかの実施形態では、熱交換器１３４および第１の凝縮器１１２は、飲料水回路１３０内に直列に配置される。水回路熱交換器１３４およびヒートポンプ回路１１０の第１の熱交換器１１１は、第１の空気流れ１２１中に直列に配置されてもよく、第１の空気流れ１２１は水回路熱交換器１３４およびヒートポンプ回路の第１の熱交換器１１１を通過する。いくつかの実施形態では、受動熱交換器１３４は、太陽集熱システムからの温風がまず受動熱交換器を通過して空気から受動熱交換器への最大熱勾配をもたらすように、ヒートポンプ熱交換器１１１の上流側の空気流れ１２１の中に位置する。熱交換器が第１の空気流れ１２１にまたは第１の空気流れ１２１から熱を伝達するかどうかは、水または冷媒がそれぞれの熱交換器を通して循環されるかどうかによって決まる。逆転弁１１５は、居住空間に提供すべき第１のガス流れ１２１に関連してヒートポンプ回路または冷凍サイクルのいずれかとしてヒートポンプサイクル１１０を構成する。

好ましい実施形態では、システム１００は、制御装置または制御システム、およびいくつかの実施形態では、使用者が制御システムに入力を与えることを可能にするためのヒューマンインターフェースを備える。このシステムは、多数のセンサ、例えば、温度センサおよび流量センサを備え得る。

いくつかの実施形態では、システムは、第１の空気流れ中に配置された１つまたは複数の温度センサを備える。例えば、図４に示すように、システムは、居住空間に提供される空気の温度を表示するための、ヒートポンプサイクルの第１の熱交換器１１１の下流側の温度センサＴ１、および／または太陽熱集熱システムから受け取られる空気の温度を表示する温度センサＴ２、Ｔ３、および／または居住空間から戻される空気の温度を表示する温度センサＴ４を備え得る。いくつかの実施形態では、システムはまた、第１の空気流れ（図４には図示せず）として選択可能となるように周囲空気の更なる供給源を備え、かつ流入する周囲空気の温度を表示する温度センサを含み得る。目標とする居住空間温度（例えば、使用者が選択可能な温度）に応じて、システムは、１つまたは複数の太陽熱集熱システムから流れを受け取って居住空間からの空気または周囲空気を第１の熱交換器１１１に戻すために弁を動作させてもよい。例えば、太陽熱集熱システムからの空気が居住空間内の所望の冷温を達成するのにあまりに高温である場合、システムは、太陽熱集熱システム１からの空気流れを停止して周囲空気または居住空間から戻された空気を第１の熱交換器１１１に提供するために弁を動作させてもよい。太陽熱集熱システム１から提供される空気があまりに高温である場合には、システムは、屋根通気出口を介してその空気を放出してもよい。流量センサは、第１の空気流れ中に設けられてもよい（図４には図示せず）。システムは、ヒートポンプ回路の第１の熱交換器１１１の下流側の第１の空気流れ１２１の温度が十分に低いまたは高い場合に、空気の所望の流量を達成するように、例えば、空気の流れを増加させて所望の居住空間温度を迅速に達成するようにファンＦ１を制御してもよい。

いくつかの実施形態では、システム１００は、第２の空気流れ１２２中に配置された１つまたは複数の温度センサ、例えば、システムに提供される周囲空気の温度を表示するためのセンサＴ５と、ヒートポンプ回路の第２の熱交換器から排出される空気の流れを表示するためのセンサＴ６とを備え得る。センサからの出力は、空気と冷媒との間の所望の熱伝達率を達成するために所望の流れを達成するようにファンＦ２の速度を制御するために使用されてもよい。システムは、例えば、ファン速度制御のためのフィードバック制御ループにおいて使用される、第２の空気流れ中に配置された流量センサを備え得る。

水回路は、１つまたは複数の温度センサを備え得る。水回路は、１つまたは複数の流量センサを備え得る。例えば、システムは、水タンク内に貯蔵された水の温度を表示するための温度センサ、例えば、水タンクの上部における温度を表示するためのセンサＴ７、水タンクの底部における温度を表示するためのセンサＴ８、バイパス弁１３３に供給される水の温度を表示するためのセンサＴ９、および／または受動熱交換器から流出する水の温度を表示するためのセンサＴ１０、および／またはヒートポンプ回路の第１の凝縮器１１２から流出する水の温度を表示するためのセンサＴ１１を備え得る。ポンプ１３１は、例えば、ヒートポンプ回路から水への熱伝達率を表示する、ヒートポンプ回路の第１の凝縮器からの温度に応じて、流量センサＦおよび／または１つもしくは複数の温度センサに基づいて制御されてもよい。温度センサおよび流量センサからのデータが、温水に変換されたエネルギーを算出するのに有用な情報を決定するために使用されてもよい。例えば、システム１００によって水筒におよび水筒から提供される水の温度ならびに水回路１３０内の水の流量が、システムによって水タンク１３２に提供される熱エネルギーを算出するために使用されてもよい。このデータはまた、システム１００によってもたらされる電力コスト削減効果を算出するために使用することができる。この情報は、例えば、住宅所有者がシステム１００を所有していない場合に、エネルギー費請求目的に有用である場合がある。先に説明したように、水タンク１３２は、熱源、例えば電気要素を含み得る。システムは、例えば、受動熱交換器を介して第１の空気流れを加熱するために水を使用するモードにあるときに、センサからのデータに基づいて、要素を制御するようになされてもよい。

いくつかの実施形態では、システムは、多数の使用者選択可能モードを備え得る。以下の表は、多数の例示的なモードを提供する。表中の各モードを以下で説明する。

屋根冷却モードでは、システムは、太陽熱集熱システムの屋根空洞からの温風を除去するように構成される。空洞から温風を除去することによって、屋根が受け取った熱エネルギーが屋根空間におよび／または屋根よりも下の居住空間に放射されるのではなく周囲へと除去されるので、建物に冷却効果を及ぼすことができる。屋根冷却のみのモードでは、入口弁１２３は、システムを通して屋根空洞から空気を導くように設定され、かつ出口弁１２４は、周囲への通気孔を介して、例えば、屋根通気開口部を介して第１の空気流れを排出するように設定される。第１の空気流れファンＦ１はオンであり、ならびに圧縮機１１４、水ポンプ１３１および第２の空気流れファンＦ２はオフにされる。水弁１３３および冷凍弁１１５の位置は無関係であり、そのため、前の状態から切り換える必要はない。代替的に、例えば、周囲に屋根空洞の空気を放出するためにバイパス１２５内のファンＦ３を動作させることによって、システム熱交換器をバイパスすることができる。

受動的水加熱（ＰＷＨ）のみのモードでは、水回路１３０の周囲に水を送出するように水ポンプ１３１に通電がなされる。水バイパス弁１３３は、受動熱交換器１３４を通して水を迂回させるように設定される（表中に「１」で表される）。太陽熱集熱システムからの加熱空気は、水を加熱するために第１の空気流れファンＦ１によって受動熱交換器１３４を通して提供され、次いで、出口弁１２４を介して周囲に放出される。圧縮機１１４および第２の空気流れファンＦ２はオフである。冷凍弁１１５の位置は無関係である。

受動熱交換器１３４に提供される摂氏５０度の空気を使用して水を受動的に加熱するシステムの性能を検証するために本発明によるシステムを試験した。受動熱交換器は、各層内のジグザグ状の管の間に取り付けられたフィンを含む、約１２インチ×１８インチの領域を覆うようにジグザグパターンで配置された２分の１インチの長さの銅管を各々備える、４層または４列の積層体を備えていた。１２００ｍ^３／ｈの気流と６Ｌ／分の水流に対して、受動熱交換器は、約４ｋＷの熱容量を有していた。試験では、受動熱交換器が水に１ｋＷの熱電力を提供し、システム１００がファンＦ１を動作させて（約２５０ｍ^３／ｈの空気流量で）空気の流れを駆動するために約０．１５ｋＷの電力を消費し、かつ水ポンプ１３１が、水回路１３０を通して家庭用水筒におよび家庭用水筒から（約２．５Ｌ／分の水流量で）水を循環させた。

受動熱交換器１３４のみを使用した水タンク１３２内の水の加熱についての温度対時間の図表が図９に示されている。ライン５１は、熱交換器１３４に提供される空気の温度を表示し、かつライン５２は、水筒内の水温を表示する。水筒は２００Ｌの水を収容しており、約３５０ｍ^３／ｈの空気流量を使用して水筒を約３時間で摂氏約２４度から４０度に加熱した。

図１５は、２５０Ｌの水を受動的に加熱するための更なる試験用太陽熱集熱システムからのデータを図示している。ソーラーシステムによって提供された空気が（垂直ライン７０において）摂氏約４５度の温度に達した時点で、水回路１３０の周囲に受動熱交換器１３４を通して水を圧送するために水ポンプ（６Ｌ／分）をオンにした。図１５の図表から分かるように、受動熱交換器（ライン５３）に提供される水の温度と、受動熱交換器（ライン５１）によって提供される水の温度との間に温度差が得られる。垂直ライン７１においてポンプの電源をオフにした。空気温度が閾値、例えば摂氏４５度よりも下がった時点で、または空気温度と受動熱交換器入口の水温度との差が閾値よりも下がったときに（例えば１０度の差）、ポンプの電源がオフにされてもよい。

図１５の図表に提示したデータについて利用可能な（合計）熱エネルギーおよび使用可能な熱エネルギーの数値を算出した。総熱エネルギーは、空気質量流量に空気の熱容量を乗じたものに、ソーラーシステムによって提供される加熱空気温度と周囲空気温度との温度差を乗じたものとして算出される。使用可能な熱エネルギーは、水の質量流量に水の熱容量を乗じたものに、受動熱交換器１３４の水出口温度と受動熱交換器１３４の水入口温度との温度差を乗じたものとして算出される。総エネルギーを１５．５ｋＷｈ／日として算出し、使用可能なエネルギーを５．４６ｋＷｈ／日として算出した。水ポンプおよびファンＦ１を稼働するために消費された電力は、０．２８ｋＷｈ／日であり、受動的水加熱に対する１９．５のＣＯＰが得られた。

受動的水加熱および受動的空気加熱モードでは、種々のシステム構成要素の状態は、居住空間（部屋）に第１の空気流れ１２１を提供するように設定される第１の空気流れ出口弁１２４の位置を別にすれば、受動的水加熱のみのモードにおける種々のシステム構成要素の状態と同じである。

節約暖房モードでは、種々のシステム構成要素の状態は、居住空間からシステム熱交換器１３４、１１１に空気を提供するように設定される、例えば、室内空気がシステムを通して再循環される、第１の空気流れ入口弁１２３の位置を別にすれば、受動的水および空気加熱モードにおける種々のシステム構成要素の状態と同じである。このモードでは、水および室内空気が加熱される。

受動的空気加熱または冷却モードでは、種々のシステム構成要素の状態は、居住空間（部屋）に第１の空気流れ１２１を提供するように設定される第１の空気流れ出口弁１２４の位置を別にすれば、屋根冷却のみのモードにおける種々のシステム構成要素の状態と同じである。加熱または冷却は、周囲空気温度に依存する。例えば、夜間には、外気温度は、部屋に冷却空気を提供するために冷えている場合がある。日中には、外の周囲温度は、部屋に暖気を提供するために暖まっている場合がある。

試験用の熱集熱システムから収集されたデータは、図１２～図１４に提示されており、太陽熱集熱システム１に提供される周囲温度（ライン６１）および空気温度（ライン６２）を示している。図１２および図１３は、冬日のデータを提示している。図１４は、太陽熱集熱システムによって加熱された空気と夏季日中の周囲空気との間の達成可能な温度勾配を示すデータを提示している。摂氏約３０度のピーク空気温度に対して、７０度もの太陽熱加熱空気温度を達成した。図１２～図１４に提示したデータは、１６ｍ^２の太陽熱表面積を有する試験用太陽熱集熱システムからのデータである。

図１２において、一番上の図表は、長期間にわたって収集されたデータを提示している。図１２の中央の図表と一番下の図表は、一番上の図表に提示した期間の一部分である。中央の図表は、低い周囲温度、例えば、摂氏１０度未満の期間を提示している。一番下の図表は、より高い周囲温度、例えば、摂氏１０度～２０度の範囲の期間を提示している。図表は、摂氏２５度の温度を超える空気流れの一部分である、部屋を受動的に暖房するための加熱空気６２の「使用可能な」エネルギー部分を図示している。

図１３は、図１２と同様のデータを提示する図表であり、太陽熱集熱システム１によって加熱された空気の使用可能なエネルギー部分を表示している。試験用システムを５００ｍ^３／ｈおよび２５０ｍ^３／ｈの空気流量で動作させた。２つの異なる流量によって、加熱空気と周囲空気との間にほぼ同じ温度勾配が生じた。各流量について、利用可能な熱エネルギーおよび使用可能な熱エネルギーの数値を算出した。利用可能な熱エネルギーは、質量流量に空気の熱容量を乗じたものに、ソーラーシステムによって提供される加熱空気温度と周囲空気温度との温度差を乗じたものとして算出される。使用可能な熱エネルギーは、質量流量に空気の熱容量を乗じたものに、加熱空気６２と摂氏２５度または周囲温度６１との間の図表の塗りつぶされた領域で示す、ソーラーシステムによって提供される加熱空気温度と２５度または（摂氏２５度超の場合には）周囲空気温度との温度差を乗じたものとして算出される。２つの異なる空気流れについての温度勾配が基本的に同じであったので、５００ｍ^３／ｈの流れの算出されたエネルギーは、２５０ｍ^３／ｈの流れの算出されたエネルギーの２倍である。

算出した使用可能な熱エネルギーに基づいて、２つの空気流れについて性能係数（ＣＯＰ）を算出した。ファンＦ１によって消費される電力が２５０ｍ^３／ｈのより低い流量では実質的に低くなるので、２５０ｍ^３／ｈの流量に対するＣＯＰは、５００ｍ^３／ｈの流量に対するＣＯＰよりも大幅に高い。各流量について算出されたエネルギーおよびＣＯＰは、以下の表に提示されている。

上記のデータは、居住空間を暖房するための太陽熱集熱システムによって達成できる非常に高いＣＯＰを示している。

能動的空気冷却モードでは、ヒートポンプ回路１１０の周囲に冷媒を循環させるために、ヒートポンプ回路の圧縮機１１４がオンにされる。冷凍弁１１５は、ヒートポンプ回路の第１の熱交換器１１１が蒸発器として動作可能であり、かつ第２の熱交換器１１３が第２の凝縮器として動作可能であり、その結果、ヒートポンプ回路が、蒸発器１１１を通過する第１の空気流れ１２１を冷却するように設定される（表１中に「０」で表される）。第１の空気流れファンＦ１はオンにされ、かつ第１の空気流入口および出口弁１２３、１２４は、システムを通して室内空気を再循環させるように設定される。水ポンプ１３１はオフにされる。

能動的空気加熱モードでは、種々のシステム構成要素の状態は、ヒートポンプ回路の第１の熱交換器１１１が第２の凝縮器として動作可能であり、かつ第２の熱交換器１１３が蒸発器として動作可能であり、その結果、ヒートポンプ回路が、第２の凝縮器１１１を通過する第１の空気流れ１２１を加熱するように設定される（表１中に「１」で表される）冷凍弁１１５の位置を別にすれば、能動的空気冷却モードにおける種々のシステム構成要素の状態と同じである。

能動的水および空気加熱モードでは、種々のシステム構成要素の状態は、水ポンプ１３１をオンにして受動熱交換器１３４をバイパスするように水バイパス弁１３３（表１中に「０」で表される）を設定することによる水回路の作動を別にすれば、能動的空気加熱モードにおける種々のシステム構成要素の状態と同じである。室内空気は、ヒートポンプの第２の凝縮器１１１によって加熱され、かつ水は、ヒートポンプの第１の凝縮器１１２によって加熱される。

空調優先モードでの能動的水加熱および空気冷却では、種々のシステム構成要素の状態は、ヒートポンプ回路の第１の熱交換器１１１が蒸発器として動作可能であり、かつ第２の熱交換器１１３が第２の凝縮器として動作可能であり、その結果、ヒートポンプ回路が、蒸発器１１１を通過する第１の空気流れ１２１を冷却するように構成されるように設定される冷凍弁１１５の位置を別にすれば、能動的水および空気加熱モードにおける種々のシステム構成要素の状態と同じである。

水加熱（ＷＨ）優先モードでの能動的水加熱および空気冷却では、種々のシステム構成要素の状態は、太陽熱集熱システム１から空気を受け取るように設定される第１の空気流れ入口弁１２３の位置と、第２の空気流れ１２２中のファンＦ２がオフにされることとを別にすれば、空調優先モードでの能動的水加熱および空気冷却における種々のシステム構成要素の状態と同じである。この構成は、第１の空気流れ１２１が蒸発器１１１を介して冷媒に熱を与えるので、水に与えられる熱量を最大化し、かつ第２の凝縮器１１３を通る空気流れが存在しないので、最大の熱が冷媒から水に伝達される。

空気冷却モードでの水加熱促進では、種々のシステム構成要素の状態は、受動熱交換器１３４を通して水を迂回させるように設定される水バイパス弁１３３の位置を別にすれば、水加熱（ＷＨ）優先モードでの能動的水加熱および空気冷却における種々のシステム構成要素の状態と同じである。このモードは、太陽熱集熱システムから受け取った空気の温度が水の温度よりも高いときに水の加熱を促進する。第１の空気流れ１２１が蒸発器１１１を通過する前に受動熱交換器１３４を介して第１の空気流れ１２１から水に熱が伝達される。水はまた、第１の凝縮器１１２によって加熱される。

水加熱促進モードでは、種々のシステム構成要素の状態は、居住空間に第１の空気流れを提供するのではなく周囲に第１の空気流れ１２１を放出するように設定される第１の空気流れ出口弁１２４の位置を別にすれば、空気冷却モードでの水加熱促進における種々のシステム構成要素の状態と同じである。

能動的水加熱のみのモードでは、種々のシステム構成要素の状態は、居住空間に第１の空気流れを提供するのではなく周囲に第１の空気流れを放出するように設定される第１の空気流れ出口弁１２４の位置を別にすれば、水加熱（ＷＨ）優先モードでの能動的水加熱および空気冷却における種々のシステム構成要素の状態と同じである。水バイパス弁１３３は受動熱交換器１３４をバイパスするように設定されるので、第１の凝縮器１１２からの熱のみが水に与えられる。したがって、能動的暖房のみのモードは、受動熱交換器１３４が水回路内でバイパスされることを別にすれば、水加熱促進モードと同じである。

以下の表は、能動的水加熱モードでの本発明による試験用のシステムから収集されたデータを示している。居住空間を空調するための第１の空気流れを冷却するために２ｋＷの電力を提供するようにヒートポンプ回路を構成したが、他の容量の、例えば、５ｋＷ以上の、ヒートポンプユニットが指定されてもよい。表中に示すように、ヒートポンプ回路の蒸発器１１１に提供される摂氏１０度の空気温度について、ヒートポンプは、第１の凝縮器１１２から水に１．９ｋＷの熱電力を提供した。システム１００は、圧縮機１１４、水ポンプ、およびファンＦ１を起動するために、０．８ｋＷを消費した。これによって、水加熱に対して２．３７の性能係数が得られた。太陽熱集熱システムによって提供される摂氏２２度および４０度の空気温度を使用して水を加熱するためにヒートポンプを使用するための性能係数もまた、表中にそれぞれ２．５５および２．８として提示されている。空気温度が上昇するにつれて、水に伝達される熱電力の増加は、圧縮機の電力消費量の増加よりも比例的に大きくなり、空気温度を上昇させるＣＯＰの増加をもたらす。加熱空気の流れをヒートポンプの蒸発器に提供することによって、周囲空気が提供された場合に達成されるＣＯＰよりもヒートポンプのＣＯＰが向上する。摂氏２２度の温度では、試験で使用される２ｋＷのヒートポンプは、（例えば、システムが、上で説明した水加熱優先モードでの能動的水加熱および空気冷却中であるときに）冷房のために居住空間に提供され得る第１の空気流れを冷却するために約２ｋＷの電力を供給することができた。それゆえ、２２度の空気温度では、空気冷却の性能係数は約２．２２であり、その結果、能動的に水を加熱しかつ居住空間を冷房するように動作するシステム１００が約４．７７の複合性能係数を有する。

能動的暖房のみを使用した水タンク１３２内の水の加熱についての温度対時間の図表が図１０に示されている。蒸発器１１１に提供される摂氏約１０度の空気温度（図１０のライン５１）については、水筒内の２００Ｌの水を約５時間で摂氏約２０度から摂氏約５５度に加熱した（図１０のライン５２）。

周囲モードからの水加熱では、第１の空気流れ１２１を駆動するためのファンＦ１がオフにされ、その結果、ヒートポンプの第１の熱交換器１１１を通って流れる空気が存在しない。水ポンプ１３１はオンであり、かつ水バイパス弁１３３は、受動熱交換器１１１をバイパスするように設定される。第２の空気流れ１２２のためのファンＦ２はオンであり、かつ冷凍弁１１５は、第２の空気流れ１２２から冷媒に熱が伝達されるようにヒートポンプ回路の第２の熱交換器１１３が蒸発器として構成されるように設定される。圧縮機１１４がオンである状態で、第１の凝縮器１１２において冷媒から水に熱が伝達される。

いくつかの実施形態で利用可能な更なるモードは、システム１００を使用して屋根表面から雪を溶かすことである。受動熱交換器および／または能動熱交換器１１１によって加熱が第１の空気流れに提供されてもよい。水筒は温水を貯蔵する。水筒内の水は、雪が降っていない時間帯に、例えば、太陽熱集熱システム１によって加熱された空気からの受動的暖房によって、および／またはヒートポンプによっておよび／または水筒内の電気要素によって日中に、加熱される場合がある。水筒内に貯蔵された温水は、水ポンプ１３１によって受動熱交換器を通して圧送されてもよい。熱交換器１３４を通って流れる空気１２１は、加熱されて太陽熱集熱システム１の空洞に提供される。温風または暖気を空洞にまたは摂氏０℃を上回る温度の空気に提供してもよい。いくつかの実施形態では、図４Ｂに示すように、システムの出口からシステムの入口に流れるように、システムを通る空気の流れを逆転させる。システムの出口に提供される空気は、居住空間からまたは周囲から、例えば、屋根棟における通気開口部からのものであってもよい。空気の流れを逆転させるためにファンＦ１の方向が変更される。それゆえ、空気の流れは、システム１００の入口の外へと熱集熱ユニット４から屋根空洞８に導かれる。確保された空気の流れは、建物から排出されるように（例えば、屋根棟線におけるまたは屋根棟線付近の）空洞の上部から（例えば、建物の軒におけるまたは軒付近の）空洞の底部に空洞を通して導かれる。空洞を通って流れる空気は、外部屋根表面を暖めて、屋根表面に載っている雪を溶かす。屋根の雪を溶かすことは、安全のために、および太陽熱集熱表面から雪を除去することによってソーラーシステムの効率を向上させるために望ましい。屋根表面を加熱することによって、雪が溶けて雪から水になり、屋根表面から屋根表面の底部における建物の雨樋内に流れ落ちる。いくつかの実施形態では、典型的には太陽熱集熱システムの入口であるものから流れる空気は、入口を通って樋内にまたは樋に向けて導かれる。この配置は、水が再凍結せずに屋根表面から樋内に確実に流れ続けるのを補助し得、また、氷もしくは氷堤が樋内に形成されるのを防止もしくは低減するために、水が樋内で再凍結するのを低減もしくは防止し得る。

上で説明したモードは、システム１００の構成可能性の例として提供され、網羅的なものではない。他の有用な動作モードおよび／または構成は、周囲空気温度、太陽熱集熱システムから受け取った空気の温度、ならびに水および居住空間の温度要件などの種々のシステム動作パラメータに応じて、有用であり得る。例えば、第２の空気流れは、建物から通気孔にまたは居住空間に選択的に提供されてもよい。

追加的に、異なるモードは、システムの全体の効率を向上させるために互いに順序付けされてもよい。例えば、冬期居住空間空気加熱モードでは、システム１００は、外気がより冷えている夜間に、ヒートポンプ回路が居住空間への第１の空気流れを加熱するように動作する能動的空気加熱モードで動作してもよい。日中にまたは第１の空気流れ１２１の温度が温度閾値に達したときに、システムは、能動的空気加熱モードから受動的空気加熱モードに切り換わってもよい。このような配置は、図１１の図表によって図示されている。図１１では、外気温度（図１１のライン６１）は、夜間には約５～１０度であり、太陽熱集熱システムが、その約５～１０度の外気温度を約１２～３０度の第１の空気流れ１２１の温度（図１１のライン６２）に変換し、かつ日中には約１０～２５度の外気温度であり、太陽熱集熱システムが、その約１０～２５度の外気温度を約２５～４５度の第１の空気流れ１２１の温度に変換する。システムは、夜間には約３０～４０度および日中には約２５～４５度の温度（図１１のライン６３）の空気の流れ１２１を居住空間に提供する。

同様に、システムは受動的水加熱モードで稼働させてもよく、そして、受動的太陽エネルギーがもはや十分でない場合、システムは、能動的水加熱モードに切り換わってもよい。例えば、受動的水加熱について上で述べた図１５を参照すると、垂直ライン７１における水ポンプをオフにする代わりに、ポンプは稼働したままとすることができ、かつ第１の凝縮器１１２を介しての能動的水加熱となるようにヒートポンプ圧縮機をオンにすることができる。能動的暖房は、常に利用可能であり、その一方で、受動的暖房は、一部の時間で、例えば日照時間の一部の時間帯でのみ利用可能である。使用者は、最大加熱効率を達成するようにシステム１００を動作させてもよい。代替的に、使用者は、できるだけ迅速に水を加熱するかまたは部屋を暖房するために最大暖房でシステム１００を動作させてもよい。

ヒートポンプ回路を使用してシステムが能動的暖房モードまたは能動的冷房モードで動作しているときでさえ、太陽熱集熱システム１によって加熱された空気をヒートポンプの第１の熱交換器１１１に提供することによって、ヒートポンプの効率が高められる。ヒートポンプは、低い流入空気温度では、例えば約５度未満では良好に働かない。屋根設置型太陽熱暖房システムから提供される空気は、周囲温度よりも大幅に高い温度で熱交換器１１１に空気温度を提供することによってヒートポンプの効率を高める。例えば、２～３度の周囲空気温度に対して、ソーラーシステムは、ヒートポンプの性能係数を増加させる、熱交換器１１１への約１０～１５℃の空気温度を生成してもよい。寒冷地の住宅は、ヒートポンプが低い周囲温度では良好に働かないので、空調（冷房）用のヒートポンプと、暖房用のガス加熱システムとを有し得る。温められた空気の流れをヒートポンプ回路に提供するために太陽熱集熱システムを提供することによって、追加のガス加熱システムの必要性をなくすことができる。

いくつかの実施形態では、システムは、設置の際の融通性を実現するモジュール式システムとして提供される。いくつかの実施形態では、システム１００は、図５および図６Ａ～図６Ｅに示すように、集熱ユニット２００と、熱交換器ユニット３００と、５ｋＷのヒートポンプユニット４００とを備える。図５および図６では、３つのモジュールは、熱集熱ユニット２００が組立体の上部に装着されかつヒートポンプモジュール４００が組立体の底部に装着された、垂直組立構成で配置される。３つのモジュールは、例えばボルト締めによって一緒に固定されてもよい。図５および図６Ａの垂直配置は、１．７ｍよりも高い開放した屋根裏空間に好適であり得る。

図６Ｂでは、モジュール２００、３００、４００は、集熱ユニット２００が熱交換器ユニット３００の上部に装着され、かつヒートポンプユニット４００が熱交換器ユニット３００に対して隣り合う配置で位置する、コンパクトな水平組立構成で配置される。コンパクトな水平配置は、１．７ｍ未満の高さを有する開放した屋根裏空間に好適である。熱交換器ユニットおよびヒートポンプユニットは各々、図７に関して以下に説明するように、水配管と冷凍配管とを接続するためのコネクタを有する。いくつかの実施形態では、水入口／出口接続部および冷凍入口／出口接続部は、熱交換器およびヒートポンプユニットの対応する端部に設けられる。例えば、図６Ｂでは、熱交換器ユニットは、ユニットの端部３０２に接続部３０１を有し、かつヒートポンプユニットは、ヒートポンプユニットの対応する端部４０２に接続部４０１を有する。

図６Ｃでは、太陽熱集熱ユニット２００は、熱交換器ユニット３００の上部に装着される。ヒートポンプユニット４００は、例えば、図６Ｂに示すような密に隣り合う配置で位置するのではなく、集熱ユニット２００および熱交換器ユニット３００から離れて位置し、図６Ｃでは、ヒートポンプユニット４００は、熱交換器ユニットから例えば０．５ｍ～２０ｍ程度の距離をおいて位置してもよい。図６Ｃの構成は、例えば、屋根トラスがアクセス性の低下をもたらす場合に、アクセス性が低下したまたは空間が低減された天井空間に好適である。

図６Ｄでは、３つのモジュールが分離された状態で示されている。３つのモジュール２００、３００、４００は、ダクト接続、ある長さの水導管および冷凍導管、ならびに電気ケーブルによって互いに接続される。ヒートポンプモジュール４００は、正しく向きを定める必要があり得る圧縮機をユニットが含むので、好ましくは、単一の向き（すなわち、一側面が常にユニットの上面側である）で配置される。しかしながら、いくつかの実施形態では、熱交換器ユニット３００は、２つ以上の方向に向きが定められてもよい。例えば、図６Ｄは、熱交換器ユニット３００を垂直構成および水平構成で図示している。図６Ｄに示す完全に分割される組立構成は、アクセス性が大きく低下した天井空間に最も好適である。熱集熱器２００のみは屋根に取り付けられる。熱交換器ユニット３００は、集熱ユニットにダクトで接続することができ、かつ簡単にアクセスできる空間内に、例えば、地下室もしくはガレージ内、または家庭用温水筒が位置する位置に、設置することができる。ヒープポンプユニット４００は、簡単にアクセスできる別の空間内に位置してもよく、または、必要であれば天井空間の外に設置することができる。

図６Ｅは、図６Ａの垂直組立構成であるが、熱集熱ユニット２００を１８０度回転させた、３つのモジュール２００、３００、４００を示している。熱集熱ユニット２００および熱交換器ユニット３００は、第１の向き（例えば、図６Ａ）と第２の向き（例えば、図６Ｅ）の両方で熱ユニットを熱交換器ユニットに取り付けることができるようになされ、第１の向きは第２の向きに対して（垂直軸線を中心に）１８０度をなす。この構成可能性は、限られた空間内での設置の際の更なる融通性を加える。

図７は、図４の概略図であるが、熱集熱ユニット２００、熱交換器ユニット３００およびヒートポンプユニット４００の囲み線を表す破線境界線を伴う概略図である。いくつかの実施形態では、熱集熱ユニット２００は、外部膜と建物構造の下地支持材との間の空洞と連通するように外部屋根葺き膜の下に装着するためのダクトまたはフードである。ユニットは、箱または温熱箱を備え得る。この箱は、ある範囲の異なる屋根ピッチと整合するようになされてもよい。例えば、箱は、ある範囲にわたって枢動してある範囲の屋根ピッチと一致するように、上部分が底部分に対して枢動可能である、２つの部分で構成されてもよい。いくつかの実施形態では、集熱ユニットは、屋根空洞から集熱ユニット内にならびに／または集熱ユニットから熱交換器モジュールにおよび／もしくは建物からの通気孔に流れを導くためのファンＦ３を備え得る。ユニットはまた、ユニットが受け取るまたはユニットから送出される空気の温度の表示を提供するための、１つまたは複数のセンサ、例えば、温度センサを含み得る。

いくつかの実施形態では、熱交換器ユニット３００は、ヒートポンプ回路１１０の第１の熱交換器１１１を備え得る。いくつかの実施形態では、第１の熱交換器１１１は、（ヒートポンプユニットから）熱交換器を通して循環させる冷媒の方向に応じて蒸発器および凝縮器として動作可能である。熱交換器ユニット３００はまた、ユニットを通る空気流れ１２１を駆動するためのファンＦ１を備え得る。ユニット３００は、２つの異なる源から、例えば、熱集熱ユニットからおよび周囲空気供給源から受け取るべき空気の流れを選択するための入口弁１２３を含み得る。ユニットは、ユニットから２つの異なる目的地に、例えば、居住空間にまたは建物から通気孔に空気の流れを選択的に送出するための出口弁を含み得る。熱交換器モジュール３００はまた、ヒートポンプユニットまたは家庭用水筒（図８）から水を受け取るためにユニットを通る空気流れ中に受動熱交換器１３４を備え得る。熱交換器ユニットはまた、図４に関して先に説明したように、センサを備え得る。

いくつかの実施形態では、ヒートポンプモジュール４００は、ヒートポンプ回路の圧縮機１１４と、第１の凝縮器１１２と、第２の凝縮器１１３とを備え得る。いくつかの実施形態では、モジュールはまた冷媒逆転弁１１５を備え、その場合、第２の凝縮器１１３が蒸発器として動作可能である。いくつかの実施形態では、モジュール４００はまた、第２の凝縮器／蒸発器１１３を通してモジュール４００を通る空気の流れ１２２を提供するためのファンＦ２を備える。冷媒配管に加えて、ヒートポンプモジュール４００はまた、第１の凝縮器１１２を通して水を導くための水ポンプ１３１および水配管を備え得る。いくつかの実施形態では、モジュールはまた、受動熱交換器１３４３との連通のために熱交換器ユニット２００内の対応する水配管と連通するように選択的にユニットへおよびユニットから水を導くための、水配管および弁１３３を備える。ヒートポンプモジュール４００はまた、図４に関して先に説明したようにセンサを含み得る。

３つのモジュール２００、３００、４００を互いに接続するとともに、システムを太陽熱エネルギー集熱システム１に、家庭用水タンク１３２に、居住空間へのおよび居住空間からの空気ダクトに、ならびに周囲環境へのおよび周囲環境からの空気ダクトに接続するために、各モジュールは、以下にリスト表示した接続部（図７に提供した参照符号）を含み得る。

熱集熱ユニット２００
空気入口２１１（太陽熱集熱システムから空気を受け取るための）
空気出口２１２（建物から通気孔への）
空気出口２１３（熱交換器ユニットへの）
電力コネクタ（ファン用、センサ用）

交換器ユニット
空気入口３１１（熱集熱ユニットからの）
空気入口３１２（部屋からの）
空気出口３１３（建物から通気孔への）
空気出口３１４（部屋への）
冷媒入口／出口３１５（ヒートポンプモジュールからの）
冷媒出口／入口３１６（ヒートポンプモジュールへの）
水入口３１７（ヒートポンプモジュールからの）
水出口３１８（ヒートポンプモジュールへの）
電力コネクタ（ファン用、センサ用、弁用）

ヒートポンプモジュール
空気入口４１１（周囲環境からの）
空気出口４１２（建物から通気孔への）
空気出口４１３（部屋への）
冷媒入口／出口４１４（熱交換器モジュールからの）
冷媒出口／入口４１５（熱交換器モジュールへの）
水入口４１６（貯水タンクからの）
水出口４１７（貯水タンクへの）
水入口４１８（熱交換器モジュールからの）
水出口４１９（熱交換器モジュールへの）
電力コネクタ（圧縮機用、水ポンプ用、ファン用、センサ用、弁用）

上で説明したようにシステムをモジュールまたはユニット２００、３００、４００に分割することによって、多数の利益がもたらされる。説明したように、ユニットは、設置の際の融通性を与えるために異なる方法で一緒にまたは別個に構成されてもよい。更に、各ユニット内の種々のシステム構成要素の特定の配置によって構成可能性が提供される。図７を参照して説明したようにシステム構成要素をユニット内に配置することによって、各ユニット２００、３００、４００は、他のユニットから独立して使用されるようになされる。例えば、集熱ユニットはファンを備えるので、集熱ユニットは、「ファンのみ」の設置で居住空間に加熱空気を提供するために太陽熱集熱システム１と共に独立型のユニットとして使用されてもよい。

住宅所有者は、熱交換器モジュール３００またはヒートポンプモジュール３００を設置せずに太陽熱集熱システムおよび集熱ユニット２００のみを設置することを望む場合がある。その後、住宅所有者は、集熱ユニット２００と一緒に使用される、熱交換器ユニット３００（「受動のみ」のシステム）またはヒートポンプユニット４００（「能動のみ」のシステム）を設置することによって、「ファンのみ」のシステムを更新することを後日決定してもよい。または、所有者は、「受動および能動」システムを達成するために、集熱ユニット２００と一緒に使用される、熱交換器ユニット３００とヒートポンプユニット４００の両方を追加することを決定してもよい。

受動的水加熱を提供するために熱交換器ユニットがヒートポンプユニットなしに使用される場合には、冷凍ラインが外され、かつヒートポンプ回路の熱交換器１１１は不必要である。能動的水加熱を提供するためにヒートポンプユニットが熱交換器ユニットなしに使用される場合には、熱交換器ユニットへの入口および出口水接続部が外され、かつ冷凍配管接続部が、ヒートポンプ回路を完成させるために互いに結合される。この構成では、水弁１３３および冷凍弁１１５は不必要である。熱集熱ユニットからの出口は、ＣＯＰを向上させるために蒸発器１１３に加熱空気が提供されるように、ヒートポンプユニットの空気入口にダクトで接続されてもよい。ヒートポンプユニットを集熱ユニット２００と熱交換器ユニット３００の両方から独立して使用できるが、ＣＯＰが低減される。同様に、水回路１３０によって居住空間への空気の流れ１２１に加熱を与えるために、熱交換器ユニット３００を集熱ユニットとヒートポンプユニットの両方から独立して使用することができる。居住空間からの空気流れは、熱交換器ユニットを通して再循環させることができる。

本発明の前述の説明は、本発明の好ましい形態を含む。添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、それらに対して修正が加えられ得る。

Claims (20)

1. 居住空間に空調を提供しかつ飲料水を加熱するためのシステムであって、
   ヒートポンプ回路と、水回路とを備え、
   前記ヒートポンプ回路は、圧縮機と、第１の凝縮器と、第２の凝縮器と、蒸発器と、前記蒸発器から前記居住空間に第１の空気流れを提供するための空気出口と、
   を備え、
   前記圧縮機は、前記ヒートポンプ回路の周囲に冷媒を循環させるように構成され、
   前記蒸発器は、前記第１の空気流れから前記冷媒に熱を伝達するために空気入口から前記第１の空気流れを受け取るように構成され、
   前記第１の凝縮器は、前記冷媒から前記水に熱を伝達するために前記水の流れを受け取るように構成され、
   前記第２の凝縮器は、前記冷媒から第２の空気流れに熱を伝達するために前記第２の空気流れを受け取るように構成され、
   前記ヒートポンプ回路が、前記蒸発器または前記第２の凝縮器として構成可能な第１の熱交換器と、前記第２の凝縮器または前記蒸発器として構成可能な第２の熱交換器と、前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器を通る前記ヒートポンプ回路内の冷媒の流れ方向を選択するための弁であって、前記第１の凝縮器が前記ヒートポンプ回路内において前記圧縮機と前記弁との間に位置する、弁とを備え、
   前記水回路は、水タンクと、前記タンクから前記第１の凝縮器を通して前記タンクに戻されるように水を圧送するためのポンプと、を備え、
   前記システムは、前記水回路からの前記水と前記第１の空気流れとを受け取って前記水と前記第１の空気流れとの間で熱を伝達するための水回路熱交換器をさらに備え、
   前記水回路熱交換器および前記蒸発器、または前記ヒートポンプ回路の第１の熱交換器が、前記第１の空気流れ内に直列に配置されるように前記水回路が配置され、
   前記水回路熱交換器は、前記蒸発器の上流側の第１の空気流れ内に配置された受動熱交換器、または前記ヒートポンプ回路の第１の熱交換器である、システム。
2. 前記第１の空気流れが加熱空気流れである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の空気流れを提供するための太陽熱集熱システムから加熱空気を収集するための熱集熱ユニットを更に備える、請求項２に記載のシステム。
4. ｉ）太陽熱集熱システムから加熱空気を収集するための熱集熱ユニットからの加熱空気と、ｉｉ）前記第１の空気流れが前記システムおよび前記居住空間を通って再循環するような前記居住空間からの空気の流れと、を前記第１の空気流れとして選択的に提供するための弁を更に備える、請求項１～３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記蒸発器をバイパスして周囲環境に前記第１の空気流れを放出するための通気路を備える、請求項１～４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記蒸発器を通って前記居住空間に至る前記第１の空気流れを駆動するためのファンを備える、請求項１～５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記通気路を通る前記第１の空気流れを駆動するためのファンを備える、請求項５に記載のシステム。
8. 前記第２の空気流れが周囲空気流れである、請求項１～７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記第２の空気流れが、前記第２の凝縮器を通過した後に周囲に放出される、または、前記システムが、前記第２の凝縮器を通る前記第２の空気流れを駆動するためのファンを備える、請求項８に記載のシステム。
10. 前記蒸発器から、ｉ）前記居住空間に、およびｉｉ）周囲への通気孔に、前記第１の空気流れを選択的に提供するための弁を備える、請求項１～９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記弁が第１の位置にある状態で、
    前記第１の熱交換器が、前記第１の空気流れを受け取って前記第１の空気流れから前記冷媒に熱を伝達するための前記蒸発器として構成され、
    前記第２の熱交換器が、前記第２の空気流れを受け取って前記冷媒から前記第２の空気流れに熱を伝達するための前記第２の凝縮器として構成され、かつ
    前記弁が第２の位置にある状態で、
    前記第１の熱交換器が、前記第１の空気流れを受け取って前記冷媒から前記第１の空気流れに熱を伝達するための前記第２の凝縮器として構成され、
    前記第２の熱交換器が、前記第２の空気流れを受け取って前記第２の空気流れから前記冷媒に熱を伝達するための前記蒸発器として構成され、
    前記システムが、前記居住空間内の空気を調整するために前記第１の熱交換器から前記居住空間に前記第１の空気流れを提供し、ならびに
    前記第１の凝縮器は、前記弁が前記第１の位置および前記第２の位置にあるときに前記冷媒から前記水に熱を伝達するために水の流れを受け取る、請求項１～１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記システムの前記水回路が、前記熱交換器を選択的にバイパスするための弁を備えること、
    および、前記システムの前記水回路が、前記熱交換器を選択的にバイパスするための弁を備え、且つ、前記水回路熱交換器および前記蒸発器、または前記ヒートポンプ回路の第１の熱交換器が、前記第１の空気流れ中に直列に配置されること、
    のいずれか一つを前記システムが含むように、前記水回路が構成されている、請求項１～１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記熱集熱ユニットが、
    箱またはダクト、
    前記蒸発器または第１の熱交換器に空気の流れを提供するための第１の出口と、前記システムから通気孔に空気の流れを提供するための第２の出口との２つの出口を備える、熱集熱ユニット、
    通気出口、または、前記蒸発器もしくは第１の熱交換器への出口に至る空気の流れを駆動するためのファンを備える、熱集熱ユニット、
    のいずれか一つである、請求項３に記載のシステム。
14. 前記システムが、設置の際の融通性を与えるためにダクトと連通配管とを相互接続することによって一緒にまたは別個に構成されるモジュール式ユニットを備える、請求項１～１３のいずれか一項に記載のシステム。
15. 前記システムが、熱集熱ユニット、熱交換器ユニット、およびヒートポンプユニットを備え、
    前記熱交換器ユニットが、
    前記ヒートポンプ回路の前記蒸発器または第１の熱交換器、
    前記熱交換器ユニットを通る前記第１の空気流れを駆動するためのファン、
    ２つの異なる源から受け取るべき空気の流れを選択するための入口弁、
    前記熱交換器ユニットから２つの異なる目的地に空気の流れを選択的に送出するための出口弁、および
    受動熱交換器、
    のいずれか１つまたは複数を備える、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記システムが、熱集熱ユニット、熱交換器ユニット、およびヒートポンプユニットを備え、
    前記ヒートポンプユニットが、
    前記圧縮機、
    前記第１の凝縮器、
    前記第２の凝縮器、
    前記第２の熱交換器、
    冷媒逆転弁、
    前記第２の凝縮器／第２の熱交換器を通して前記ヒートポンプユニットを通る空気の流れを提供するためのファン、
    前記第１の凝縮器を含む前記水回路を通して水を圧送するための水ポンプ、および
    前記受動熱交換器との連通のための前記熱交換器ユニット内の対応する水配管と連通するように選択的に前記ヒートポンプユニットへおよび前記ヒートポンプユニットから水を導くための弁、
    のいずれか１つまたは複数を備える、請求項１４に記載のシステム。
17. 制御装置と、前記制御装置と通信する１つまたは複数のセンサとを備え、前記１つまたは複数のセンサが、
    居住空間に提供される空気の温度を表示するための、ヒートポンプサイクルの第１の熱交換器の下流側の温度センサと、
    太陽熱集熱システムから受け取られる空気の温度を表示する、第１の熱交換器または受動熱交換器の上流側の温度センサと、
    居住空間から戻されるかまたは周囲から提供される空気の温度を表示する、前記第１の熱交換器または受動熱交換器の上流側の温度センサと、
    前記第２の凝縮器もしくは第２の熱交換器に提供される周囲空気の温度および／または前記第２の凝縮器もしくは前記第２の熱交換器から排出される空気の流れの温度を表示するための、前記第２の空気流れ中に配置された１つまたは複数の温度センサと、
    水筒におよび水筒から提供される水の温度を表示するための、水回路内の１つまたは複数の温度センサと、
    前記水回路内の前記水の流量を表示するための流量センサと、
    のうちのいずれか１つまたは複数を含む、請求項１～１６のいずれか一項に記載のシステム。
18. 前記システムが、前記水回路内に少なくとも２つの温度センサを備え、ならびに前記制御装置が、各前記温度センサから信号を受信し、かつ前記システムによって前記水に伝達される熱エネルギーの表示を決定し、かつ前記熱エネルギーを表示する出力を提供し、
    前記制御装置が、水加熱についてのエネルギー単位当たりのコストを入力として受け取って、前記システムによって前記水に伝達された前記熱エネルギーから、前記システムによって提供されるコスト削減効果を決定し、かつ前記制御装置が、前記コスト削減効果を表示する出力を提供する、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記システムは、前記ヒートポンプ回路に冷媒を追加するようにまたは前記ヒートポンプ回路から冷媒を除去するように構成された液受けまたは液溜めを更に備え、
    前記液受けまたは液溜めは、前記ヒートポンプ回路への追加のための所定体積の冷媒の追加の源を提供し、かつ前記ヒートポンプ回路から除去された冷媒の貯蔵を行う、請求項１～１８のいずれか一項に記載のシステム。
20. 前記液受けまたは液溜めは、
    前記第１の凝縮器および前記第２の凝縮器よりも後に、かつ前記蒸発器よりも前に、および／または、
    前記液受けまたは液溜めは、前記ヒートポンプ回路内において前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に、および／または、
    前記ヒートポンプ回路内において膨張弁よりも前に、
    位置する、請求項１９に記載のシステム。

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