JP2006083689A - 緩勾配折半屋根の散水熱交換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 屋根凹凸面に対する熱媒体の斜め方向への散布では尾根が遮蔽物になって濡れムラができやすく、また粒子が外気中を飛翔するため大気への放熱ロスが大きい。
【解決手段】 緩勾配の折半屋根の尾根を形成する凸所（１）に囲みを設け、散水手段（２０）より供給される熱媒体の溜る貯水区域を形成し、囲みに設けたオリフィス（２ａ）より周囲の傾斜側面（３）に熱媒体を流出させ、傾斜側面を覆う吸液材に保水させて拡散させながら流す熱媒体の流下区域を形成し、流下してきた熱媒体を谷部の排水区域に集めて排水する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、折半形式をした緩勾配屋根の散水熱交換方法、より具体的には緩勾配折半屋根の散水融雪方法および／または散水冷却方法に係る。豪雪地では、冬期に融雪目的のために利用し夏期には屋根冷却に用いることができる。
本明細書中では、説明の便宜上、融雪を事例とした説明がされている。

１０分の１から１００分の１といった緩勾配の凹凸折半屋根は屋根構造が簡単で耐圧性に優れているため、規模の大きな建物に多く見られる屋根形式である。積雪量が２．５ｍ程度までの耐雪屋根構造体として豪雪地域では汎用されている。
こうした大型の緩勾配折半屋根の融雪には地下水の散水方式が一般的であり、散水にはスプリンクラや噴射ノズル等の散布器を使用する事例が多く見られる。スプレイ水は広範囲に拡散させることができるので、散布器を点在させておけば大規模な屋根面であっても想定される平均的積雪量の範囲内であればこれに対処することができる。

しかし、長時間わたり多量の雪が降り続くと融雪が追いつかず、また風雪が強くてスプレイ水が飛ばされてしまうときには消えムラができやすい。このような状況下では雪溜りが拡大し残雪がつながって屋根表面を広範囲に雪が被り、下側にトンネルが形成され、やがては屋根全面が雪で覆われ積雪が拡大していく。降雪量は軽微な年と甚だしい年の差が大きく、また記録的な大豪雪に見舞われる可能性もあって予測困難なのが実態である。

設備能力に余力を持たせるために、散布器の設置間隔を狭めたり散水量を多くするなど熱の投入量を増やす方法にも限界がある。豪雪地帯での散水量として１平米あたり０．５リットル程度なら多いとは言えないが、この水量でも４千〜５千平米の屋根では毎分２トン以上が消費される。１物件あたりの消費量としては時間あたり１２０トン以上、日量では約３０００トンにもなり、これが数日も続けばその水量は尋常ではなく、大型屋根での地下水利用は恒常的な設備にはなりにくい。

豪雪地に大型工場を誘致する場合、この課題は大きな障害である。新たに井戸を掘削するには規制があって許可がされないこともあり、ボイラー加熱方式を採用するには大型ボイラーの導入と高額の燃費を覚悟しなければならない。

この解決策として、凹凸屋根に平板を設置して平坦面を形成し、表面に流下規正シート（特開平８−１８４２１６号）を敷いて融雪する方法につき評価してきた。この方法は、平坦面であるから融雪性能には優れていはいるものの、事実上、屋根の葺きなおしに相当し工事費の嵩む難点がある。
特開２０００−２２０３２１

解決しようとする問題点は、屋根凹凸面に対する熱媒体の斜め方向への散布では尾根が遮蔽物になって濡れムラができやすく、また粒子が外気中を飛翔するため大気への放熱ロスが大きい点である。

本発明は、熱媒体を屋根面に広く均一に分布させるために、多く雪を被る尾根の凸部に投入初期の熱媒体を滞留させながら、尾根頂上部の融雪と周辺への散水を同時に行ない屋根全面を融雪することを主要な特徴とする。

屋根の尾根の表面積は小さいので供給される熱媒体の水量が少なくても尾根の凸部には熱媒体の溜りを確実に形成でき、頂上部に積もった雪を溶かしながら熱媒体を尾根の縁に沿って細かく分散して裾野の傾斜側面に落とし、傾斜側面の吸液材に保水拡散させ保水材に付着した雪層を留めた状態のまま溶かすことができる。
勾配に沿って縦に伸び間隔をおいて並列する長細い尾根を用いるため、結果的に１つの広い融雪面を規則性を持たせて配置した少ない散水量に見合う面積に小分けしたことに相当し、これら融雪面から周辺の裾野の傾斜側面に均等に熱媒体を分配するため散水は凹凸全面にわたり均一であり、効率よく短時間で融雪を行える。けじめよく散水をきりあげられるから熱媒体を無駄に流さなくてすむ。限られた量の熱媒体を有効に利用できる利点がある。

熱媒体をムラなく散布するのが困難な凹凸屋根面に熱媒体を広く拡散させて確実に融雪するという目的を、屋根の様式を変更せずそのままの形態で行なう手順の下で実現した。

図１は、本発明の散水熱交換方法を示す簡略説明図である。
図示の貯水区域は緩勾配の折半屋根の尾根の頂上部または凸所１を占め、屋根勾配に沿って伸び横方向に間隔をおいて並列して位置している。屋根の凸所１の形態は折半様式により異なっているので、必ずしも尾根の最高所というわけではない。
貯水区域は、図２に示すように、尾根を形成する凸所１に囲み２を設けて形成されている。そのため、囲みの内側領域は尾根の凸所とほぼ同じ勾配を備えている。囲み２を構成するものとして、縁取り２ａが使用されている。図３と図４に示す縁取り２ａは、足で踏み付けても損傷しにくいゴム製のものを示している。図６の縁取り２ａはアングル板から構成され、また図７の囲み２は幅狭の凸所にあって必要な容積確保のために嵩高なトレイの形態をしている。
囲み２にはオリフィス２ｂが間隔をおいて形成されている。オリフィス２ｂの形態は様々である。

貯水区域から下がる尾根の傾斜側面３には吸液材３ａが装着され流下区域を形作っている。吸液材には、例えば、黒板塗料のような吸水性塗料、吹付けモルタル、繊維質の布を使用することができる。繊維布を使用する場合、裏面に塗布した粘着剤により傾斜側面に貼りつけて設置すれば安定的である。繊維素材には耐候性の観点から、例えば、スパン１０番手双糸から製作した平織織布が試用された（図３）。
囲み２のオリフィス２ｃから流出した熱媒体は吸液材３ａに沿って拡散しながら流下していく。吸液材は熱媒体を保水し、吸液材の表面に付着した雪は吸液材側から熱媒体を自吸して融けていく。吸液材がスパン糸の織布であれば雪の滑止めの性質は強く発揮され、吸液材に付着した雪をできるだけ止めたまま融かす働きをする。傾斜側面に降り積もった雪が斜面を滑り落ちて谷部を埋めてしまい、融雪の妨げとなることがない。

図４は、流下区域の上方に横に伸びるうね状突起３ｂを設けた吸液材３ａを示している（特開平８−１７７１７５号）。吸液材の流下経路に沿い、液体の流下方向と交差する向きに液体吸収性のある並列するうね状突起３ｂが設けてあり、オリフィス２ｂから放出された後の熱媒体はこのうね状突起を通過する過程で横方向に広がりうね状突起を越えて流下するので、うね状突起を設けていないものに比べて熱媒体の分布はより均一である。
流下区域を流れ落ちた熱媒体は排水区域の谷部５に集まり屋根の勾配に沿って流下していく。

囲み２内には散水手段２０より熱媒体が供給される。図５に示すように、散水手段２０は勾配をもたせた囲みの上流側にあって囲み内に熱媒体を供給するのに用いられる。囲み内に供給された熱媒体は尾根の勾配に沿って下流側に移動しつつ囲み内に充満し、貯水されながらオリフィス２ｂより流下区域の傾斜側面３の吸液材３ａに流出していく。
囲み２は下流側に止水壁２ｃを備え（図５）、勾配に沿った下段の囲みを仕切っている。１つの囲みの縦方向長さは投入される熱媒体の温度にもよるが、投入される熱媒体が３０度Ｃの温水２リットルとすれば約３．８メートル程である。囲みの止水壁２ｃに近接して排水孔２ｄが設置され、散水手段２０からの給水を停止すれば、囲み末端の残水はこの排水孔を通じて排出され、囲み内に熱媒体が残留しないようにしている。

図８の折半屋根の例では、尾根には縦ハゼ１ａが突出し凸所は左右に仕切られている。この縦ハゼ１ａを一方の側の縁取りとして使い反対側の側縁に縁取りを設けて左右両側に囲みを形作ることもできるが、この例では縦ハゼ１ａの側面に感圧接着材１ｃを介して棚部材１ｂを接合固定して作られる上向きの平坦面を凸所１と見なすことができる。この平坦面の両側には縁取り２ａが接着され貯水区域を構成している。貯水区域には左右両側の流下区域から吸液材３ａが延長され、棚部材１ｂと縦ハゼ１ａの平坦面は吸液材３ａからの延長部の一部を接着固定して下支えしている。
こうして形成された囲み２は底表面を吸液材３ａが形成し、囲み内に流入した熱媒体が均一に移動拡散しやすくしている。

図７の囲みはトレイからなり、両側のスカート２ｅを凸所１に被せて位置決めされている。吸液材３ａは排水区域から流下区域にかけて配置され、吸液材の上縁３ｃは前記スカート２ｅに貼りつけられトレイを固定保持するようにしている。

吸液材３ａの設置の仕方として、図９に示すように、谷部５の表面との間に排水のための通路空間５ａを形成するように設置してもよい。この場合、吸液材の底部３ｄは吸液材を流下してきた熱媒体の受け底として機能し、移動中の熱媒体は囲みの末端付近に設けた開口３ｅより谷部５に落下し（図１０）、谷部５を流下していく。このようにすれば、谷部を外気から遮断でき通路空間５ａへの雪の侵入を遮れるので凍結のない安全な排水を確保できる。

図１１と図１２は、複数の散水手段２０の設置形態と操作手順を説明している。
図１１は、屋根の斜視図である。融雪のための散水区域は複数のブロックに分割して扱われる。説明に用いる１２００平米の屋根は横に５列、縦に６分割された合計３０の融雪のためのブロック１０を形成している。これらブロック１０の各々に散水手段２０が設置されている。散水手段２０は、図示の例では散水ヘッダである。散水ヘッダの上下の間隔は約４メートル、長さは約１０メートル、口径は４０φ、これに連絡する給水管３の口径は２５φである。
各ブロック１０の面積は４０平米、それぞれの散水手段２０からは他から独立して１つの散水手段ごとに散水が行われる。１つの散水手段による散水量は１平米あたり約８００ｃｃ、１ブロックあたり約３２リットル／毎分である。

個々の散水手段２０に至る給水管３０の途中位置には電動式の開閉弁４が配置されている。給水管３０は主配管５０に連結されている。主配管５０は井戸もしくはボイラーに接続されている。ボイラーからの温水を使用する場合、処理時間を短縮するために摂氏３０度から５０度の高温水を使用することができる。ボイラーの能力は６万キロ級のものが使用された。

開閉弁４０を開閉操作して順次に散水手段２０に通水しブロック毎の散水操作が行なわれる。散水手段２０と給水管３０の相対的な位置関係から、給水管の凍結対策のために開閉弁４０は３方弁が使われている。この３方弁は閉鎖状態で排水管４０ａから下流側の給水管３０の排水を行なう。

図１２は開閉弁用の操作制御器により動作を管理されている。開閉弁４０の各々は作動出力を発する出力時間可変のタイマーにより個々に開放時間をセットされている。図示の例では、開閉弁４０への出力時間は２０分である。最初のタイマーＡが起動して開閉弁４０を２０分開放する。図２のタイマーＡの管理する開閉弁４０は、図１１の屋根左端の最下段の散水手段２０に至る給水管３０の開閉を行なう。２０分経過してタイマーＡはタイムアップし開閉弁４０を閉じる。数分の時間差をおいて後続のタイマーＢが起動して開閉弁を２０分開放し屋根左端の下から２段目の散水手段への温水の供給を開始する。２０分経過してタイマーＢはタイムアップし開閉弁を閉じる。同様に、タイマーＣ、Ｄ、Ｅ、Ｆの順に作動とタイムアップを順番に繰り返し、それぞれが分担する開閉弁を順番に開閉してより上段の散水手段に移行しながら散水を行なう。
タイマーＧは屋根の左から２番目の列の最下段の散水手段２０に至る給水管３０の開閉を行なう。２０分経過してタイマーＧはタイムアップし開閉弁４０を閉じる。数分の時間差をおいて後続のタイマー（図示せず）が起動して開閉弁（図示せず）を２０分開放し、屋根の左から２番目の列の下から２段目の散水手段２０への温水の供給を開始する。２０分経過してこのタイマーはタイムアップし開閉弁を閉じる。同様に、後続のタイマーは順に作動とタイムアップを繰り返し、それぞれが分担する開閉弁を順番に開閉してより上段の散水手段に移行しながら散水を行なう。

前記タイマーのすべてがタイムアップした後、必要とあらば、これらのタイマーのすべてをリセットして再び最初のタイマーから順次に動作させる目的で、リセット手段Ｘ１を設置して置くことができる。リセット手段にはオン／オフ動作するリセットタイマーを使用できる。例えば、一連のタイマーがタイムアップしたままの状態でこれらタイマーの電源をオフにし、所定時間が経過してオン出力を発してタイマーの時系列動作を再開させることができる。
雪が降り続いている場合、または残雪状況に応じて、前記リセット手段Ｘ１の働きによりタイマーＡ〜の出力機能を回復させ、散水手段から散水を繰り返して行なえるようにできる。
Ｘ２は押しボタン式の手動のリセット手段を表している。目視により残雪が認められるときには、この押しボタンを押して一連のタイマーをリセットして散水を再開することもできる。

Ｙはリセット手段Ｘ１の作動時間を予め決めておく時限タイマーである。この時限タイマーにより、リセット手段の繰返し動作を意図的に停止させるのを忘れても安全装置として機能し、不必要に散水を繰返すのをなくせる。
操作者が留守をするような場合、２４時間のオン／オフタイマーＺを作動させてリセット手段Ｘ１の動作開始時刻と終了時刻を予めセットしておくことができる。

散水手段の段数に関わりなく長尺の積雪面を処理できるため、小規模の井戸施設またはボイラー設備を使用して、工場、駅舎、公共施設のような数千平米から数万平米の長尺屋根はもとより数キロに及ぶ鉄道路床や路面にも応用できる。

本発明の散水熱交換方法を示す簡略説明図である。 散水熱交換方法を実施する装備を施した折半屋根を示す。 貯水区域から流下区域への熱媒体の受渡し箇所を示す。 流下区域の吸液材の変更例を示す。 融雪装備を施した折半屋根の平面図である。 貯水区域の囲みを形作る縁取りの変更例を示す。 トレイ形式の囲みを示す斜視図である。 形態の異なる貯水区域と流下区域を示す斜視図である。 吸液材の異なる貼付けの形態を示す説明図である。 図９のＸ−Ｘに沿った縦断面図である。 ブロックに分けて散水手段を配列した屋根の斜視図である。 散水制御手段の説明図である。

符合の説明

１ 折半屋根の凸所
２ 囲み
２ａ 縁取り
２ｂ オリフィス
３ 傾斜側面
３ａ 吸液材
５ 谷部
２０ 散水手段

Claims (3)

1. 緩勾配の折半屋根の尾根を形成する凸所に囲みを設け、散水手段より供給される熱媒体の溜る貯水区域を形成し、囲みに設けたオリフィスより周囲の傾斜側面に熱媒体を流出させ、傾斜側面を覆う吸液材に保水させて拡散させながら流す熱媒体の流下区域を形成し、流下してきた熱媒体を谷部の排水区域に集めて流下させ排水する緩勾配折半屋根の散水熱交換方法。
2. 請求項１に記載された緩勾配折半屋根の散水熱交換方法において、前記傾斜側面の吸液材は貯水区域と排水区域まで延長している緩勾配折半屋根の散水熱交換方法。
3. 請求項２に記載された緩勾配折半屋根の散水熱交換方法において、前記排水区域の吸液材は、屋根の谷部の表面との間に排水のための通路空間を形成している緩勾配折半屋根の散水熱交換方法。

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