JP2003232548A - 空調方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空調のための設備コストを低減させ、またラ
ンニングコストを減少させ、かつ省エネルギー化を図る
ことが可能な空調設備を提供する。 【解決手段】 本発明の空調方式は、部屋の左側面部１
の上部に設けられた、外気を取り入れる自然通風流入口
６と、左側面部１に対向した右側面部２の上部に設けら
れた、外気を排出する自然通風流出口７とを具備し、自
然通風流入口６と自然通風流出口７とにより、部屋の上
部に流入する外気の流れの層を形成することを特徴とし
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、建物の空調方式に
関し、ビルや住宅における冷暖房等、特に冷房及び換気
を、省エネルギによって有効に行う空調方式に係わるも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、住宅やビルにおいて、快適な温熱
環境を維持するために、空調設備等を用いて、温度及び
湿度の調整を行なっている。特に、日本のように、高温
多湿となる夏の期間には、空調設備が無くては快適な温
熱環境を維持することが出来ない。このため、ビルだけ
ではなく、一般住宅にも、広く空調設備が用いられるよ
うになっている。

【０００３】そして、ビルの空調方式において、各階毎
或いは各部屋毎に空調機を設置する個別分散方式は、設
備の台数が増加し又各階毎或いは各部屋毎の最大負荷に
対応可能にするため設備コストが増大するという欠点を
有している。そのため、従来の空調方式として、例えば
ビルの屋上に一台の空調機を設置するとともに、ビルの
屋上から１階まで垂直ダクトを設け、空調機で製造され
た冷温風を垂直ダクトに供給し、各階には、垂直ダクト
から風量調整用ダンパの制御により供給するセントラル
方式が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の空調方式は、各階に所望の冷温風を供給するために
は、空調機で製造された冷温風を相当の圧力で垂直ダク
トに供給しなければならず、空気が非常に高い粘性を有
するため大きな送風機動力が必要となり、非常に大量の
エネルギを用いることとなる。また、従来の空調方式
は、送風経路の各所で冷温風がリークしやすく無駄なエ
ネルギーを消費し、効率が非常に悪いという問題を有し
ている。

【０００５】さらに、従来の空調方式は、空調機から送
られる冷温風と、周囲温度との温度差が大きいため、ダ
クトの断熱が不充分であるとその温度差により結露が発
生するという問題を有している。加えて、従来の空調方
式は、人間や装置等の排出する様々なガスにより、部屋
の空気の汚れを清浄にするための換気を行うとき、実質
的な冷房処理に必要なエネルギ以外に、新鮮な空気（外
気）を除湿して送るための余分なエネルギも必要となる
欠点がある。

【０００６】本発明はこのような背景の下になされたも
ので、空調のための設備コストを低減させ、またランニ
ングコストを減少させ、かつ省エネルギー化を図ること
が可能な空調設備を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の空調方式は、部
屋側面部の上部に設けられた、外気を取り入れる自然通
風流入口と、前記部屋側面部に対向した他の部屋側面部
の上部に設けられた、外気を排出する自然通風流出口と
を具備し、上記自然通風流入口と自然通風流出口とによ
り、部屋の上部において、流入する外気の流れる層を形
成することを特徴とする。

【０００８】本発明の空調方式は、前記層における外気
の流れのフラックス・リチャードソン数が、０.２３以
上となる厚さの層とするように、前記自然通風流入口及
び自然通風流出口の開口部の上下幅を制御することを特
徴とする。

【０００９】本発明の空調方式は、前記自然通風流入口
の下部に、外気を流入させるスリットを設け、このスリ
ットから流入する外気が通過する位置に、この外気を冷
却する冷却パイプを設けることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に
よる空調方式の構成例を示す部屋の配置を示す、図前面
の壁を透視した透視図である。この一実施形態において
は、例えば、図のＸ1方向（紙面の横方向）に長さ１０.
８ｍ，図のＸ3方向（紙面に垂直方向）に幅１.８ｍ，図
のＸ2方向（紙面の上下方向）に高さ２.６ｍの大きさの
部屋に対応した空調の構成としている。上記部屋は、Ｘ
1方向において左側面１と右側面２とが対向しており、
Ｘ2方向において上部の面を天井面３とし、下部の面を
床面４としており、Ｘ3方向において奥の面を裏面５と
し、また、Ｘ3方向における前面は、図の記載の都合
上、省略した。

【００１１】この図において、自然通風流入口６は、左
側面１の上部、例えば、天井３及び左側面１の接合部と
一方の辺を共有した、開口部の上下幅（縦幅）０.５ｍ
で、幅（横幅）１.８ｍ（Ｘ3方向の部屋の奥行きいっぱ
い、すなわち左側面部１の幅）の矩形上の開口部とし
て、左側面部１に設けられている。

【００１２】自然通風流出口７は、右側面部２の上部、
例えば、天井３及び上記左側面１に対向する右側面２の
接合部と一方の辺を共有した、開口部の上下幅（縦幅）
０.５ｍで、幅（横幅）１.８ｍ（Ｘ3方向の部屋の奥行
きいっぱい、すなわち右側面２の幅）の矩形上の開口部
として、右側面部２に設けられている。ここで、左側面
部１と右側面部２とは、建物の外部に面した、開放面に
位置している。

【００１３】スリット８は、自然通風流入口６の下部
に、０.１ｍの高さで、幅１.８ｍ（Ｘ3方向の部屋の奥
行きいっぱい、すなわち左側面部１の幅）の矩形上の開
口部として、左側面部１に設けられている。冷却パイプ
９は、フィンが設けられたパイプで構成されており、左
側面部１において、スリット８から流入する外気が通過
して接触する位置に設けられている。また、冷却パイプ
９には、例えば、井戸水などを用いており、外気より低
い水温の水であれば利用可能である。壁面１０は、左側
面部１における床面４から０.８ｍの高さで、幅１.８ｍ
（Ｘ3方向の部屋の奥行きいっぱい、すなわち左側面部
１の幅）の矩形上の建物の壁部分である。

【００１４】窓面１５は、左側面部１において、スリッ
ト８と壁面１０との間にある、０.８ｍの高さで、幅１.
８ｍ（Ｘ3方向の部屋の奥行きいっぱい、すなわち左側
面１の幅）の矩形上の窓部分である。壁面１４は、右側
面部２における床面４から２.１ｍの高さで、幅１.８ｍ
（Ｘ3方向の部屋の奥行きいっぱい、すなわち右側面部
２の幅）の矩形上の建物の壁部分である。裏面５は、紙
面の奥の壁であり、パーティション（放射パネル）１１
が、例えば、井戸水などを用いて、局部的な冷房用とし
て設けられている。上記裏面５に対向する前面の壁は省
略している。

【００１５】次に、図１を用いて、夏季のような外気温
度が高く、湿度も高い環境における、上述した一実施形
態の構成の空調方式の働きについて説明する。外気が自
然通風流入口６から吹き込み、自然通風流出口７から排
出されるとする。このとき、建物は、左側面部１から右
側面部２へ空気の流れがあるように立てられている必要
がある。例えば、図２に示すように建物Ｃは円筒状に建
てられ、この円筒を輪切りにして、階層を形成して、各
階層Ｃを区切ることにより部屋Ｒを構成する。

【００１６】ここで、部屋Ｒは、図１に示す部屋を示し
ており、円筒（建物Ｃ）の外周面が左側面部１に対応
し、円筒の内周面が右側面部２に対応している。このよ
うに、建物を構成することで、風がいずれの方向から吹
いたとしても、上記円筒（建物）内部の空気が、上記風
の空気との粘性で吸い出され、この円筒の内側の圧力
が、円筒の外面部に対して低くなり、円筒外周面と円筒
内周面との間に圧力差が生じる。これにより、風の流れ
は、部屋Ｒの円筒外部から、部屋Ｒの中を通過し円筒内
部へ抜け、すなわち図１にいて、左側面部１の自然通風
流入口６から、部屋内部を通過し、自然通風流出口７へ
抜けて行く。

【００１７】上述した図２のような構成は、オフィスビ
ルや集合住宅に用いられる構成である。一方、通常の一
戸建て住宅の場合、円筒状に建物を建てることが困難で
あり、風の方向が常に一定とは限らないので、外気を導
き入れるファンを自然通風流入口６に設ける必要があ
る。これにより、風速に関係なく、外気を一定の風量，
及び一定の風速において、自然通風流入口６から流入す
ることが可能となる。

【００１８】図１に戻り、自然通風流入口６から自然通
風流出口７へ抜ける空気（以降、外気とする）の流れ
は、部屋内の空気と異なる外気の流れる層を形成する。
このとき、上記外気の層と、部屋内の空気の層との境界
を安定して形成させるためには、室内の空気に対する外
気の層の限界フラックス・リチャードソン数を「０.２
３」以上とする必要がある。このフラックス・リチャー
ドソン数は密度成層した水平流れ場で密度成層により上
下方向の拡散が抑制され上下方向の混合が抑制される条
件である。そして、フラックス・リチャードソン数を大
きな正の値に保つには、自然通風流入口６及び自然通風
流出口７における自然開口の上下幅（上下寸法）を大き
くし、流速を低速にし、かつ上下密度差を（即ち温度
差）を大きくすることが肝要となる。

【００１９】したがって、限界フラックス・リチャード
ソン数が、使用する期間（例えば、春季，夏季，秋季）
において、外気温度及び部屋の気温とにより変化したと
しても、「０.２３」以上となるように、部屋の上部に
流れる外気の作る層の厚さ（自然通風流入口６及び自然
通風流出口７の上下幅（すなわち、各々の開口部の上下
寸法））と、この層の風速（風の流れの速度，すなわち
外気の流れの速度）とを調整しておく。このため、自然
通風流入口６には、図２の建物の場合、可変空気バルブ
等を設け、流入する外気が一定の風量となるように自動
調整できるような構成とする（さらに、すでに述べたよ
うに、図２に示す形状の集合住宅でない場合や一戸建て
の場合、自然通風流入口６にファン（電動）を設けて、
このファンにより定量、低速で外気を流入させる）。

【００２０】上述したように、外気の層が自然通風流入
口６から自然通風流出口７へ流れるため、部屋の上部に
こもる人間や機器（電子機器など）の出す熱が、この外
気（特に、夏季は、外気の温度が高いだけでなく、水蒸
気の割合が１〜２％であり、この湿度が高いため、空気
に浮力があり上部存在しやすくなる）の層の流れにより
外部に排出される。

【００２１】また、室内の冷えた空気は、部屋の自然通
風流入口６の位置より下部に存在し、上記外気の層とは
所定の境界により分離されるため、部屋の中に蓄えられ
る。このとき、人間や機器の発生する熱が部屋の上部に
移動し、外気の層により自然通風流出口７から排出され
ることにより、部屋下部において空気の圧力が下がるた
め、部屋の上部から下部に対して空気を補給しようとす
る空気の流れ、すなわち部屋に空気の対流が起こる。

【００２２】ここで、スリット８から供給される外気が
冷却パイプ９により冷やされ、重くなったこの外気が部
屋の下部に供給され、人間や機器の発生する熱ととも
に、外気の層により自然通風流出口７から排出された空
気の量を補充する。このとき、外気を冷やすことによ
り、外気が除湿される効果もあるので、除湿により冷却
パイプ９に露結する水分を、冷却パイプ９の下部にドレ
インを設け、冷却パイプ９から落ちる水分を部屋の外部
に排出する。これにより、部屋における空気の対流分に
おいて、部屋の上部に移動して部屋の外部に排出される
空気の量に対応し、部屋の外部から外気を流入させ、部
屋の下部に供給することで、部屋の換気（フレッシュな
空気の補給）及び冷房を、効率的に行うことが可能であ
る。

【００２３】ここで、外気を冷却パイプ９で冷やすこと
により、外気の温度が低下して密度が増加し、かつ外気
に含まれる水分の割合が低下するため、この外気は部屋
の下部に移動する。すなわち、Ｈ2Ｏの分子量１８よ
り、Ｎ2の分子量２８及びＯ2の分子量３２が大きいた
め、除湿されることでＮ2の分子量２８，及びＯ2の分子
量３２の割合が増加し、かつ温度が低下することで密度
が高くなることから、外気の比重が大きくなり、冷却パ
イプ９で冷却された外気は部屋の下部に移動することに
なる。

【００２４】また、放射パネル１１は、近傍の空気を冷
やすことにより、部屋の局部的な箇所を冷房することが
可能である。これにより、放射パネル１１は、部屋全体
を膨大なエネルギを用いて冷房する必要が無く、冷房が
必要な限定した領域にのみ快適な環境を作成する。そし
て、放射パネル１１の近傍の空気は冷やされ、部屋の下
部に移動することになるが、冷却パイプ９により冷却さ
れて部屋の下部に移動する空気の流れにより拡散され、
外気の流れの層の下部の部屋の空気を冷やす効果もあ
る。

【００２５】次に、上述した本発明の構成に基づき、夏
季の厳しい外気条件の下での自然通風時に、自然通風と
放射パネル冷房を併用したハイブリットな空調方式を用
いた場合の室内温熱空気環境性状を検討する。この検討
において、図１に示すように、部屋の上部に設けられた
自然通風流入口６に対して、室内側の直下に冷却パイプ
９を付加することで、各機器や人体の内部発熱による室
内上昇流に対応して生じる室上部から下部に向かう（対
流により下降する）空気を、積極的に冷やす効果の検討
を行う。

【００２６】効果の検討における解析に用いた境界条件
及び計算条件は、以下に示す通りである。上記解析は、
標準ｋ−eモデルに基づく、対流・放射・湿気輸送による
連成シミュレーションをＣＦＤ（数値流体力学）解析に
より行っている。 自然通風の自然通風流入口６及び自然通風流出口７
における空気の流れの乱流モデルとして標準ｋ−eモデ
ルを用い、 ｋ＝(3/2)×(Ｕin×0.05)2 e＝Ｃμ・ｋ3/2/Ｉ としている。ここで、Ｉは自然通風流入口６の高さであ
り、Ｕinは自然通風の流入速度であり、Ｃμは経験定数
である。 自然通風流出口７からの空気の流出における力学的
境界条件をfree-slipとする。

【００２７】 裏面５及びこの裏面５に対向する前面
の壁面は一般化代数則を適用し、対称面における力学的
境界条件をfree-slipとする。 各部分における温度αcは固定とする。（例えば、
放射パネル１１：５.５Ｗ／ｍ２k、冷却パイプ９：２
０.０Ｗ／ｍ２k、パソコン（パーソナルコンピュータ）
１２：２０.０Ｗ／ｍ２k、断熱面：４.０Ｗ／ｍ２k） 湿度において、放射パネル１１は表面が露点温度以
下の場合、その飽和水蒸気圧に対する絶対温度を与え、
露点以上の場合、絶対温度の勾配０を与える。 その他の壁面は断湿とする。

【００２８】解析対象空間は、図１の部屋の構成を用い
る。また、図３に熱負荷等条件を示すテーブルを示す。
室内において、部屋の床面４に人体（人体モデル）３，
及び他の内部発熱体が（パソコン１２等）存在し、これ
らの発生する熱により熱上昇流が存在し、これに対応し
た下降流が部屋の上部と下部との圧力差に基づき発生す
る。今回の検討は、この下降流の生ずる位置を成り行き
（ランダムに均衡が崩れる位置）とはせず、予め冷却パ
イプ９を設置して、スリット８からの外気を下降流とす
るように積極的に制御して、室内を効果的に冷却するこ
とを意図している。以下に説明する解析は、室内居住域
に放射パネル１１のみを設置した場合及び、これに加え
て自然通風流入口６の直下に冷却パイプ９を付加した場
合について行った。

【００２９】ここで対流・放射・湿度輸送の解析は、解
析プログラムがインストールされたコンピュータシステ
ムにおいて、ＣＦＤを用いた対流・放射・湿気輸送による
連成シミュレーションを実行することにより行う。ここ
で、連成シミュレーションにおける対流計算は、標準ｋ
-eモデルに基づく３次元解折で行い、湿度解折は湿度輸
送方程式を解くことにより行う。形態係数はモンテカル
ロ法により、壁間相互放射熱伝達解析はGebhart吸収係
数法により行う。境界条件等の詳細は上述した〜で
ある。また、人体温冷感はFanger（P.O Fanger, Therma
l Cmfort, Danish TechnicalPress,1970）による人体の
熱収支モデルに基づくＰＭＶ値により評価する。

【００３０】そして、冷房制御の達成解析としては、計
算対象の中央に直方体状の人体モデル１３を一体設置
し、この人体モデル１３のＰＭＶ値が０．５になるよう
に冷房制御(放射パネル１１及び冷却パイプ９の表面温
度を制御)する。ここで、ＰＭＶ算出に当り、人体モデ
ル１３の代謝量は１.２Met、着衣状態は０．５clo（着
衣の基礎熱抵抗）とした。

【００３１】このとき、図３のテーブルに示すように、
解析ケースとして、自然通風の条件を外気温度３０℃、
湿度７０％、風量１５０ｍ３／h(換気回数３回)を仮定す
る。 また、図３のテーブルに示すように人工空調システムと
して放射パネル１１のみを考慮する場合をCasel(放射パ
ネル高さ１.２[ｍ])とし、Case2(放射パネル高さ2.4
[ｍ])とし、それに対して自然通風流入口６直下に冷却パ
イプ９を付加した場合を、各々Case3(放射パネル高さ
１.２[ｍ])、Case4(放射パネル高さ２.４[ｍ])とする。

【００３２】以下に、室中央の人体モデル１３における
のＰＭＶ値が０.５となるように、冷却パイプ９の表面
温度，及び放射パネル１１の表面温度を制御した場合の
温熱環境及び冷房負荷の解析結果を以下に示す。 以下の図５〜図７においては、分布が等高線で示されて
いる。 （１）各Caseにおける気流分布の結果 以下、図４を参照して各Caseにおける気流分布のシミュ
レーション結果を示す。図４は、図１の部屋を、Ｘ３方
向において人体モデル１３の位置の断面（Ｘ１−Ｘ２平
面）であり、部屋内部の気流分布を示す概念図である。
矢印の向きが気流の流れる方向を示している。図４にお
いて、横方向が図１のＸ１方向に対応し、縦方向が図１
のＸ２方向に対応している。

【００３３】Ａ．Caselにおける気流分布 Caselにおいては、図４（ａ）に示すように、自然通風
流入口６から流入した自然通風(３０℃)が、室内平均温
度(３０.６℃)(図５（ａ）参照)との温度差が小さいた
め、室内低部には落下せず室内気流と混合し、自然通風流
出口７から排出される。 上述したように、放射パネル１１の高さ位置において、
部屋内部の上下の温度勾配が大きくなり、室内全体に時
計回りの循環流（図における矢印の方向に対して）が生
じる。 ここでは示さないが、放射パネル近傍では冷却された空
気が床面近傍に下降しているのが観察されている。

【００３４】Ｂ．Case2における気流分布 Case2においては、図４（ｂ）に示すように、放射パネ
ル１１の高さを２.４[ｍ]とすると、パネル面積の増大
にともない、放射パネル１１の表面温度(１８.４℃)が
高くなる。しかし、居住域（人体モデル１３の近傍）で
の全般的な温度が、パネル高さ１.２[ｍ]の場合(Casel)
に比べて低くなるため、内部発熱として、パソコン１２
からの上昇流が顕著になる。この上昇流は、すでに述べ
たように、室上部から下部に向かって下降する循環流を
形成する。

【００３５】Ｃ．Case3における気流分布 Case3においては、放射パネル１１の高さを１.２[ｍ]と
し、かつ冷却パイプ９を自然通風流入口６直下に付加す
る（設ける）ことにより、図４（ｃ）に示すように、室
上部の空気は冷却パイプ９周辺で下降流を形成し、この
下降流は床面４まで達している。図４（ｃ）に示すよう
に、室内全般において、室中央の人体モデル１３を中心
とし、時計周り、及び時計周りと反時計周りの循環流が
形成されている。

【００３６】Ｄ．Case4における気流分布 Case4においては、放射パネル１１の高さを２.４[ｍ]と
し、かつ冷却パイプ９を自然通風流入口６直下に付加す
る（設ける）。このCase4において、図４（ｄ）に示す
ように、パソコン１２近傍で上昇流が生じ、この上昇流
はCase2と同様である。 冷却パイプ９近傍に下降流が生じるが、冷却パイプ９に
より冷やされた空気と部屋の低部の空気との温度差が小
さいため、下降流は部屋底部まで到達せず、床面４から
高さ約０.８[ｍ]で循環される。

【００３７】（２）各Caseにおける温度分布 以下、図５を参照して各Caseにおける温度分布のシミュ
レーション結果を示す。図５は、図１の部屋を、Ｘ３方
向において人体モデル１３の位置の断面（Ｘ１−Ｘ２平
面）であり、部屋内部の温度分布を示す概念図である。
図５において、横方向が図１のＸ１方向に対応し、縦方
向が図１のＸ２方向に対応している。 Ａ．Case1における流入空気の温度分布 放射パネル１１の高さを１.２［ｍ]とした場合、図５
（ａ）に示すように、室内平均温度は約３０℃である
が、室内全体に大きな温度成層が生じており、人体モデル
１３周辺の温度差は２２〜３２℃となる結果が得られ
た。

【００３８】Ｂ．Case2における温度分布 放射パネル１１の高さを２.４[ｍ]とした場合、図５
（ｂ）に示すように、室内平均温度は２９.４℃であ
り、人体モデル１３周辺の上下温度差が約２℃となり、
室全体に比較的均一な温度分布となる結果が得られた。

【００３９】Ｃ．Case3における温度分布 放射パネル１１の高さを１.２［ｍ]とし、かつ冷却パイ
プ９を自然通風流入口６直下に付加した場合、図５
（ｃ）に示すように、室内平均温度も２８.５℃と低く
なり、室内上下温度差も小さくなる結果が得られる。

【００４０】Ｄ．Case4における温度分布 放射パネル１１の高さを２.４[ｍ]とし、かつ冷却パイ
プ９を自然通風流入口６直下に付加した場合、図５
（ｄ）に示すように、冷却パイプ９周辺の下降流により
空気は良く混合され、室全体に均一な温度分布となって
いる。

【００４１】（３）各Caseにおける相対湿度分布 以下、図６を参照して各Caseにおける相対湿度分布のシ
ミュレーション結果を示す。図６は、図１の部屋を、Ｘ
３方向において人体モデル１３の位置の断面（Ｘ１−Ｘ
２平面）であり、部屋内部の相対湿度分布を示す概念図
である。図６において、横方向が図１のＸ１方向に対応
し、縦方向が図１のＸ２方向に対応している。

【００４２】Ａ．Case1における相対湿度分布 放射パネル１１の高さを１.２［ｍ]とした場合、図６
（ａ）に示すように、室内の相対湿度は約70％となる。
そして、放射パネル１１表面(表面温度４.５℃)では結
露が生じ、床面４近傍には相対湿度100％の領域が現れ
る。また、図５（ａ）に示す温度分布と同様、室内上下
部において、大きな湿度勾配が形成される。

【００４３】Ｂ．Case2における相対湿度分布 放射パネル１１の高さを２.４[ｍ]とした場合、図６
（ｂ）に示すように、室内の相対湿度は約63％となる。
そして、パネル高さ１.２［ｍ]のCase1に比較して放射
パネル１１の表面温度は「１８．４℃」と高くなる。ま
た、Case1に比較して床面４の相対湿度は低くなる。

【００４４】Ｃ．Case3における相対湿度分布 放射パネル１１の高さを１.２［ｍ]とし、かつ冷却パイ
プ９を自然通風流入口６直下に付加した場合、図６
（ｃ）に示すように、外部から流入した外気が冷却パイ
プ９により除湿されており、また、室内空気温が高めで
あるので、相対湿度は室全体に比較的低い分布となる。

【００４５】Ｄ．Case4における相対湿度分布 放射パネル１１の高さを２.４[ｍ]とし、かつ冷却パイ
プ９を自然通風流入口６直下に付加した場合、図６
（ｄ）に示すように、室内の相対湿度は６７％であり、
室内全体にやや高い分布となっている。

【００４６】（４）各Caseにおける流入空気の空気齢
（室内空気の鮮度を示す単位が分の数値、すなわち、新
鮮な外気を取り入れた時を０分とし、家の中を巡って外
に出て行くまでの時間を示している） 以下、図７を参照して各Caseにおける流入空気の空気齢
のシミュレーション結果を示す。図７は、図１の部屋
を、Ｘ３方向において人体モデル１３の位置の断面（Ｘ
１−Ｘ２平面）であり、部屋内部の相対湿度分布を示す
概念図である。図７において、横方向が図１のＸ１方向
に対応し、縦方向が図１のＸ２方向に対応している。こ
こで、図７に示されている数値は、名目換気時間（室容
積を単位時間あたりの換気量で除したもので時間の単位
を持つ。すなわち、室容積分の空気を室内に供給・排出
するのに必要な時間を示している。）で無次元化したも
のである。数字が大きいほど空気齢は高い。

【００４７】Ａ．Case1における相対湿度分布 放射パネル１１の高さを１.２［ｍ]とした場合、図７
（ａ）に示すように、流入した外気は比較的、室の上部
を通過するため、室の上部は相対的に若い空気齢分布と
なる。また、図６（ａ）に示す温度分布と同様に、居住
域より低い高さ(０.７[ｍ]）の机１４近傍では空気齢の
上下勾配が大きく、この高さを境として混合が抑制され
ていることが示された。

【００４８】Ｂ．Case2における流入空気の空気齢 放射パネル１１の高さを２.４[ｍ]とした場合、図７
（ｂ）に示すように、パソコン１２近傍での上昇流の影
響により、若い（空気齢の小さい）外気が室内空気と混
合し、放射パネル１１の高さが１.２[ｍ]としたCase1に
比較して、室内の空気齢は全般に均一になり、大きくな
る。

【００４９】Ｃ．Case3における流入空気の空気齢 放射パネル１１の高さを１.２［ｍ]とし、かつ冷却パイ
プ９を自然通風流入口６直下に付加した場合、図７
（ｃ）に示すように、外部から流入した外気が冷却パイ
プ９により冷却され、この冷却パイプ９周辺の下降流に
より、この冷却された外気は室低部の空気と良く混合す
る。このため、冷却パイプ９の下部及び近傍の空気齢は
若いくなり、一方、反対側（壁面２周辺）の室内では、
外気と室内空気とが余り混合しないため、空気齢は高く
なっている。

【００５０】Ｄ．Case4における流入空気の空気齢 放射パネル１１の高さを２.４[ｍ]とし、かつ冷却パイ
プ９を自然通風流入口６直下に付加した場合、図７
（ｄ）に示す空気齢の分布は、図７（ｃ）に示すCase3
の場合と同様な分布であるが、Case3より全体的に空気
齢は高くなっている。

【００５１】（４）各Caseにおける壁面の表面温度，作
用温度，及びＭＲＴ（壁や天井、窓などの表面温度：平
均輻射温度） 図８は、図１の部屋を、斜め方向から見た透視図であ
り、部屋内部の壁面の表面温度，作用温度，及びＭＲＴ
の温度分布を示す概念図である。図８において、横方向
が図１のＸ１方向に対応し、縦方向が図１のＸ２方向に
対応し、図面の奥方向がＸ３方向に対応している。

【００５２】図８（ｃ）に示すCase3の場合、図８
（ａ）に示すCase1より室内平均温度は低く、作用温度
（気温や放射熱等を考慮した総合指数で体感温度に近い
温度を示す）がやや低くなっている。しかしながら、Ca
se3のＭＲＴは放射パネル１１の表面温度が高いため、C
aselに比較して高くなっている。また、Case２とCase４
とは、各々図８（ｂ），（ｄ）に示すように、表面温
度，作用温度，及びＭＲＴの対応関係が、それぞれCase
1とCase3とほぼ同様な傾向を示している。

【００５３】（５）各Caseにおける冷房負荷の評価 以下に、図９の冷房負荷の比較を示すテーブルに基づ
き、Case毎に各冷房負荷の評価を行う。冷却パイプ９を
設けないCase1，Case2の場合、放射パネル１１の高さが
２倍異なると（Case1からCase2)、外気の導入による潜
熱負荷は、放射パネル１１表面温度の上昇の効果も大き
くなることにより、大変小さな値となる。また、冷却パ
イプ９を設けた（付加した）Case3，Case4の場合、外気
の導入による潜熱負荷は、Case2(放射パネル１１の高さ
２.４[ｍ］)とほぼ同様となる。そして、放射パネル１
１を高さ１.２[ｍ]として、冷却パイプ９を付加したCas
e3の場合、室内温熱環境性状は、Case1に比較して大幅
に改善されることが確認された。

【００５４】したがって、上述したように、夏季のよう
な厳しい外気条件下で、自然通風と放射パネル１１を併
用したハイブリット空調に、冷却パイプ９を設置した場
合の室内温熱空気環境性状及び冷房負荷を検討した。 （１）放射パネル１１の高さを１.２[ｍ]から２倍の２.
４[ｍ］とした場合、室内上下温度差が小さくなり、外
気の導入による潜熱負荷が少なくなる。 （２）放射パネル１１の高さを１.２[ｍ]とし、自然通
風流入口６の直下に冷却パイプ９を付加した場合、冷房
負荷は放射パネル１１が高さ２.４[ｍ]で冷却パイプ９
のない場合と同様となる。 （３）放射パネル１１の高さが２.４[ｍ]の場合、冷却
パイプ９を付加した効果はあまり顕著でない。

【００５５】上述したように、本願発明の空調システム
は、使用する期間（例えば、春季，夏季，秋季）におい
て、室内の空気に対して、外部から流入する外気の層の
限界フラックス・リチャードソン数が、室内の空気と混
ざらない「０.２３」以上となるように、部屋に流れる
外気の作る層の厚さ（自然通風流入口６及び自然通風流
出口７の開口部の上下幅）と、この層の風速（風の流れ
の速度，すなわち外気の流れの速度）とを調整しておく
ことで、外気温度及び部屋の気温とにより変化したとし
ても、室内に不要な対流を起こし、外気と室内の空気と
が混ざらず、室内で発生した熱を外部に排出させること
ができるため、室内の温度上昇を防ぎ、冷房効率の低下
を防止させることが可能である。

【００５６】また、本願発明の空調システムは、冷却パ
イプ９により、外部の空気を冷却及び除湿してそのまま
送風できるため、空調装置から各部屋までへ冷気を送風
するための大型のファンのエネルギも必要とせずに、フ
ァンの回転による振動もなく、静かな冷房及び換気の動
作により、高いエネルギ効率の冷房を可能する。さら
に、本願発明の空調システムは、冷房能力が足らなけれ
ば、水を利用した冷却パネル１１を利用することによ
り、冷房効率を向上させることが可能である。上述して
きた冷却パイプ９及び放射パネル１１に供給する水は、
冷却装置により冷却した冷却水を用いても良いが、地下
水などを用いることにより、特に冷却した水を使用する
必要をなくすことで、エネルギ効率をさらに高めること
も可能である。

【００５７】以上、本発明の一実施形態を図面を参照し
て詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限ら
れるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設
計変更等があっても本発明に含まれる。

【００５８】

【発明の効果】本願発明の空調システム（方式）によれ
ば、使用する期間（例えば、春季，夏季，秋季）におい
て、室内の空気に対して、外部から流入する外気の層の
限界フラックス・リチャードソン数が、室内の空気と混
ざらない「０.２３」以上となるように、部屋に流れる
外気の作る層の厚さ（自然通風流入口及び自然通風流出
口の開口部の上下幅）と、この層の風速（風の流れの速
度，すなわち外気の流れの速度）とを調整しておくこと
で、外気温度及び部屋の気温とにより変化したとして
も、室内に不要な対流を起こし、外気と室内の空気とが
混ざらず、室内で発生した熱を外部に排出させることが
できる。

【００５９】これにより、本願発明の空調システムによ
れば、冷却パイプにより、流入する外気を冷却して、冷
房に用いることにより、部屋の冷房と換気とを同時に行
うことができ、従来のように各部屋に対して空調を行う
ために、膨大なエネルギを使用する空気を供給する空調
機，ダクト及びダンパを設ける必要が無く、省エネルギ
による空調を実現することが可能である。また、本願発
明の空調システムによれば、上記冷却パイプに供給する
水を、外気より低い温度の地下水等を用いることによ
り、ランニングコストを大幅に低下させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態による空調方式の構成例
を示す、図前面の壁を透視した透視図である。

【図２】 集合住宅の一室として、図１の部屋を実現す
るための集合住宅の構造の概念を示す斜視図である。

【図３】 ＣＦＤによる連成シミュレーションに用いる
熱負荷条件を示すテーブルである。

【図４】 部屋内部の空気の流れ、すなわち人体モデル
１３を含むＸ１−Ｘ２平面における気流分布を示す概念
図である。

【図５】 部屋内部の人体モデル１３を含むＸ１−Ｘ２
平面における温度分布を示す概念図である。

【図６】 部屋内部の人体モデル１３を含むＸ１−Ｘ２
平面における相対湿度分布を示す概念図である。

【図７】 部屋内部の空気の新鮮度、すなわち人体モデ
ル１３を含むＸ１−Ｘ２平面における流入外気の空気齢
の分布を示す概念図である。

【図８】 部屋内部の表面温度，作用温度及びＭＲＴの
分布を示す概念図である。

【図９】 上記連成シミュレーションにより得られた冷
房負荷の比較結果を示すテーブルである。

【符号の説明】

１ 左側面部 ２ 右側面部 ３ 天井面 ４ 床面 ５ 裏面 ６ 自然通風流入口 ７ 自然通風流出口 ８ スリット ９ 冷却パイプ １０，１４ 壁面 １１ 放射パネル １２ パソコン １３ 人体モデル １５ 窓面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村上 周三 東京都杉並区本天沼二丁目45番13号 (72)発明者 金 泰延 東京都目黒区駒場四丁目６番１号 東京大 学生産技術研究所内 Ｆターム(参考） 3L056 BA03 3L058 BA04 BB04 3L080 AC01 AD04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 部屋側面部の上部に設けられた、外気を
   取り入れる自然通風流入口と、 前記部屋側面部に対向した他の部屋側面部の上部に設け
   られた、外気を排出する自然通風流出口とを具備し、 上記自然通風流入口と自然通風流出口とにより、部屋の
   上部において、流入する外気の流れる層を形成すること
   を特徴とする空調方式。
2. 【請求項２】 前記層における外気の流れのフラックス
   ・リチャードソン数が、０.２３以上となる厚さの層と
   するように、前記自然通風流入口及び自然通風流出口の
   開口部の上下幅を制御することを特徴とする請求項１記
   載の空調方式。
3. 【請求項３】 前記自然通風流入口の下部に、外気を流
   入させるスリットを設け、このスリットから流入する外
   気が通過する位置に、この外気を冷却する冷却パイプを
   設けることを特徴とする請求項１または請求項２に記載
   の空調方式。