JP2006336915A - 冷房設備および快適空間設備 - Google Patents

Abstract

【課題】 床の表面温度調整機能のある室内環境設備において、皮膚温を測定し、その測定した皮膚温に基づく快適な空間を提供することが可能な技術を提供する。
【解決手段】 空気調和機および床冷房装置のある冷房室のユーザに対して快適な冷房を提供する冷房設備である。その冷房室における室温を測定する室温計と、冷房室の床材の上面の温度を冷却可能な床冷房装置に対して冷却温度の制御が可能な床冷房制御装置と、床冷房装置によって調整される床面温度を測定可能な床面温度計と、ユーザの皮膚温度を測定可能な皮膚温度計とを備える。前記の床冷房制御装置は、床温度、皮膚温および室温を用いて床材の上面温度の冷却制御を実行する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、床温度の調整技術（特に床冷房装置）と空気調和機の制御技術とによって、快適な空間を提供する技術に関する。

床暖房設備については普及しているが、床冷房に関してはいまだに研究段階であり、効果の検証や普及のための広報活動さえ行われていない。

本願に関連する先行技術として、特開２０００−１３０８２３号を抽出した。この文献には、以下のような技術が記載されている。
すなわち、空気調和機の設定温度と床暖房装置の設定温度とによって決定される暖房目標温度を用いて空気調和機および床暖房装置の運転を制御する技術である。このため、空気調和機と床暖房との併用による快適な暖房が実現できるという効果がある。

特開２０００−１３０８２３号公報

前述したように、空気調和機と床暖房との併用による快適な暖房技術については、特許文献１に記載されたような技術が提供されている。しかし、快適な床冷房の運転に関してはいまだに研究段階である。
なお、床暖房、床冷房とも、皮膚温を測定して制御に生かし、快適な運転状態をユーザ提供する先行技術は発見されなかった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、床の表面温度調整機能のある室内環境設備において、皮膚温を測定し、その測定した皮膚温に基づく快適な空間を提供することが可能な技術を提供することにある。
ここで、請求項１から請求項５に記載の発明の目的は、床冷房技術と皮膚温の測定とにおいて快適な空間を提供可能な冷房設備を提供することにある。
また、請求項６に記載の発明の目的は、床の表面温度調整機能のある室内環境設備において、皮膚温を測定し、その測定した皮膚温に基づく快適空間設備を提供することにある。

本発明者は、上記した課題を解決するため、身体の表面に接することで快適さを提供するための手段として、皮膚温との関係を用いることで、以下のような発明を提供することとした。

（請求項１）
請求項１記載の発明は、空気調和機および床冷房装置のある冷房室のユーザに対して快適な冷房を提供する冷房設備に係る。
その冷房室における室温を測定する室温計と、 冷房室の床材の上面の温度を冷却可能な床冷房装置に対して冷却温度の制御が可能な床冷房制御装置と、 床冷房装置によって調整される床面温度を測定可能な床面温度計と、 ユーザの皮膚温度を測定可能な皮膚温度計と、を備え、 前記の床冷房制御装置は、床温度、皮膚温および室温を用いて床材の上面温度の冷却制御を実行することとした冷房設備である。

（用語説明）
「皮膚温度計」とは、皮膚の表面温度を測定可能な温度計である。たとえば、0.32mmφT型熱電対、サーモグラフなどである。
「床面温度計」とは、床の表面温度を測定可能な温度計であって、たとえば、0.32mmφT型熱電対である。

（作用）
空気調和機が作動して冷房室の空気を調整し、床冷房装置が作動して冷房室の床面温度を冷却する。
また、室温計が冷房室の室温を測定し、床面温度計が床冷房装置によって調整された床面温度を測定する。更に、当該冷房室のユーザの皮膚温度を皮膚温時計が測定する。そして、床冷房制御装置が、床温度、皮膚温および室温を用いて床材の上面温度の冷却制御を実行する。
皮膚温が床の冷却制御に反映されるので、身体の表面に接する床冷房による快適さの提供に寄与する。

（請求項２）
請求項２記載の発明は、請求項１記載の床冷房設備を限定したものである。
すなわち、前記の床冷房制御装置は、床温度と皮膚温との温度差が室温との関係で一定範囲となるように床材の上面温度の冷却制御を実行する。

（用語説明）
「床温度と皮膚温との温度差が室温との関係で一定範囲」であるとは、被験者からのデータなどを用いて予め記憶しておいたり、ユーザの好みで変更したりする。被験者からのデータによれば、たとえば、床温度と皮膚温との温度差がほぼゼロである場合には、室温は摂氏２５．５〜２７．０度付近であると快適である。床温度と皮膚温との温度差が−０．２度である場合には摂氏２５．８〜３１．０度付近であると快適である。床温度と皮膚温との温度差が−０．４度である場合には摂氏２７．０〜３１．２度付近であると快適である。

（作用）
床冷房制御装置は、床温度、皮膚温および室温のデータを入力し、床温度と皮膚温との温度差が室温との関係で一定範囲となっているか否かを演算する。一定範囲に入っていない場合には、一定範囲に入るように床冷房装置を作動させる。

（請求項３）
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の冷房設備を限定したものであり、
前記の空気調和機は、室温が床温度と皮膚温との温度差との関係で一定範囲となるように室温の調整を実行することとした冷房設備に係る。

（作用）
空気調和機は、床温度、皮膚温および室温のデータを入力し、床温度と皮膚温との温度差が室温との関係で一定範囲となっているか否かを演算する。一定範囲に入っていない場合には、一定範囲に入るように空気調和機を作動させる。
なお、請求項２を限定した請求項３に記載の発明であれば、空気調和機と床冷房装置とを同時に作動させることによって、床温度と皮膚温との温度差が室温との関係で一定範囲となるように調整することができる。

（請求項４）
請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷房設備を限定したものである。
すなわち、ユーザが床面に座したか否かを検知するユーザ姿勢検知手段を備え、 そのユーザ姿勢検知手段によってユーザが座したことを検知した場合に床冷房制御装置を作動させることとした冷房設備に係る。
床冷房は、立っている状態または椅子に座っている状態では効果を実感しにくいので、ユーザが座した場合に効果的な運転を行わせようというものである。

（用語説明）
「ユーザ姿勢検知手段」とは、たとえば、床面全般に設置した圧力センサー、壁に埋め込まれた赤外線などによる高さ検知センサーと人感センサーとの組み合わせ、天井あるいは天井に近い位置に設置されたカメラを用いた画像データによる処理手段などがある。
「床冷房制御装置」は、ユーザが座したときにのみ床冷房設備が運転するという単純な制御のほか、ユーザの姿勢にかかわらず運転しているものの、ユーザが座したときには運転を強めるなどの制御をすることとしても良い。

（作用）
ユーザ姿勢検知手段がユーザが座したか否かを検知する。座した場合には床冷房制御装置を作動させ、床冷房設備を運転開始させたり、運転の強弱を制御する。ユーザが座した場合に効果的な運転を行わせる。

（請求項５）
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の床冷設備を限定したものである。
すなわち、床冷房装置は、ヒートポンプを用いて床暖房も可能な設備であるとともに、 冷房室における床材は、床暖房が可能な床材とした冷房設備に係る。

（作用）
床冷房装置は床暖房も可能であるので、季節に応じて床暖房、床冷房を切り替えて使用できる。

（請求項６）
請求項６記載の発明は、空気調和機および床温度調整設備のある部屋のユーザに対して快適な室内を提供する快適空間設備に係る。
その快適空間設備は、当該部屋における室温を測定する室温計と、 測定用空間に位置する床材の上面の温度を変更可能な床温度調整設備に対して床正面温度の制御が可能な床温度制御装置と、 床温度調整設備によって調整された床面温度を測定可能な床面温度計と、 ユーザの皮膚温度を測定可能な皮膚温度計と、を備え、 前記の床温度制御装置は、床温度、皮膚温および室温を用いて床材の上面温度の制御を実行することとしたことを特徴とする。
請求項１に記載の発明が冷房設備に限定したところ、本請求項に記載の発明は、床冷房に代わって床温度調整設備とし、空気調和機が冷房のみでなく暖房も行えるものとしたのである。

請求項１から請求項５に記載の発明によれば、床冷房技術と皮膚温の測定とにおいて快適な空間を提供可能な冷房設備を提供することができた。
また、請求項６に記載の発明によれば、床の表面温度調整機能のある室内環境設備において、皮膚温を測定し、その測定した皮膚温に基づく快適空間設備を提供することができた。

以下、本発明を実施の形態及び図面に基づいて、更に詳しく説明する。ここで使用する図面は、図１乃至図４である。図１は、実験をした設備の外観を示した図である。図２および図３は、それぞれデータ取得の場所を概念的に示したものであり、図４は床冷房の効果に関する知見データを示すグラフである。

（図１）
図１は、本発明の実施形態を示す測定用部屋１０を示す斜視図である。
すなわち、床材、壁材および天井材によって六方を囲むとともに出入り口１１を閉塞可能な測定用部屋１０と、その測定用部屋１０の内部に設けられた測定用空間２１と、 前記測定用部屋１０の全体の気温を調整する空気調和機１２と、 その空気調和機１２が吹き出す調整後の空気が測定用空間２１の内部にて静穏気流となるように抑制するとともに測定用空間２１の内部気温が前記空気調和機１２によって調整した気温になることを妨げない気流抑制体１３と、 測定用空間２１に位置する床材２０の上面の温度を調整する床面温度調整機とを備えた床冷房調整の効果測定設備である。

「気流抑制体１３」とは、空気調和機１２から発生する気流を遮ることができることができる一方、空気調和機１２が調整した空気の流入を妨げない布である。空気調和機１２が吸い込む調整前の空気が測定用空間２１から流出することも妨げない。被験者が気流による涼感を感じてしまうと、床冷房の効果検証には不都合だからである。
「静穏気流」とは、素肌でも体感できないほど静かな気流のことであり、具体的には、０．２ｍ／ｓ以下である。空気調和機が最高風速で駆動した場合には、気流抑制体１３たる布では静穏気流とすることができないので、空調がある程度のレベルになってから実験することとなる。

「床面温度調整機」とは、床下に敷設したパイプに冷媒を循環させるものである。ヒートポンプを用いており、床暖房へ切り替えることもできる。

床材２０は、リノリウムにて形成した。被験者の皮膚に接することを考慮したものである。「リノリウム」は、亜麻仁油・松脂・顔料(鉱物からとれる色粉)・木紛・コルク・麻布を原料とした天然素材によるシート床材である。製造工程において化学物質などを使っていない。
なお、床材２０の上面には薄い布を敷くこととしている。汗が溜まったり、熱が籠もったりすることを防止し、定常状態を保つためである。

図示は省略するが、前記皮膚温時計が測定した皮膚温度と、前記床面温度計が測定した床面温度とを入力することで床面温度調整機による床面温度を制御する制御装置とを備える。制御装置は、前記皮膚温時計が測定した皮膚温度と、前記床面温度計が測定した床面温度とを入力し、適正な床面温度を算出し、床面温度調整機に対して制御信号を出力し、床面温度を制御する。

またも図示を省略するが、ユーザが床面に座したか否かを検知するユーザ姿勢検知手段を備えている。そして、そのユーザ姿勢検知手段によってユーザが座したことを検知した場合に床冷房制御装置を作動させることとしている。床冷房は、立っている状態または椅子に座っている状態では効果を実感しにくいので、ユーザが座した場合に効果的な運転を行わせることができる。
ここで「ユーザ姿勢検知手段」とは、たとえば、床面全般に設置した圧力センサーを用いることとした。狭い範囲に大きな圧力が掛かっている場合には立位であり、広い範囲に小さな圧力が掛かっていれば座位であるとする。
「床冷房制御装置」は、ユーザが座したときにのみ床冷房設備が運転するという単純な制御のほか、ユーザの姿勢にかかわらず運転しているものの、ユーザが座したときには運転を強めるなどの制御をすることとしても良い。

以下では、投げ足位姿勢のように人体と床面との接触面からの熱伝導の影響を無視できない姿勢を取りあげ、床表面温と気温とを組み合わせた温熱環境を設定する。そして熱伝導と熱放射の影響を含めた温熱環境条件の人体影響を被験者実験により明らかにし、夏季の床冷房時の至適範囲を検討した。
なお、至適条件を評価するための評価尺度として、温冷感申告値と快適感申告値を基に検討した。
ここで、「温冷感申告値」とは、寒いという感覚の場合に「１００」、暑いという感覚の場合に「０」とした申告値である。
また、「快適感申告値」とは、快と不快との値を１００として申告してもらう値であり、「５０」以上の申告値を「快適」として扱うこととしている。

気温は、0.32mmφT型熱電対にて測定した。なお、壁表面温を気温と同一とするために薄手の布で覆った。
また、湿度は、おんどとり(T&D製, TR-72S)にて測定し、相対湿度が60%となるように空気調和機によって調整した。実験を通しての相対湿度は、設定値60%に対して平均値で5%程度の差の範囲であった。標準偏差は6%以下となった。

測定用空間２１内の風速は、Tr式微風速計(リオン製, AM-09T, 精度±0.05m/s)、にて測定した。風速については、実験を通じて0.13m/s以下であった。

室内構成各面の表面温度、人体と床面との接触部に該当するリノリウムの底面温度とは0.32mmφT型熱電対をそれぞれ用いた。
被験者は、健康な成人女性6名とした。Rohrer indexからみた被験者の体型はいずれも標準型であり、2002年の国民栄養調査の被験者の年齢に対応した全国平均値(厚生労働省保健医療局, 2004)19)との比較では、身長・体重ともほぼ標準偏差内の数値である。すなわち、特異な体格の被験者ではないと考えられる。
なお、被験者には事前に実験内容を十分に説明し、実験に参加することの同意を得た。

測定箇所としては、図２に示す。すなわち、頭部と躯幹部、腕部、手部、大腿部、下腿部、足部の7部位の皮膚温と床面との接触部の臀部と大腿部、下腿部、足部の4部位の皮膚温の11点である。そして、各皮膚温を、サーミスタ(日機装ワイエスアイ製, ITP082-14, ITP010-13, 精度±0.1℃)で測定間隔1分にて測定した。

被験者の服装は、人体影響をより明確にとらえる必要性とパラメーターをできるだけ少なくする必要性より、被験者の着衣条件はTシャツと短パン、パンティ、ブラジャーのみの軽装とした。
作業状態は安静とした。被験者の実験中の姿勢は投げ足位とした。（図３参照）

臀部と大腿部、下腿部、足部の4部位の床面との接触部の4点については、各伝導熱流量を熱流量計(京都電子工業製, EM1-L, 感度465W/(m2・mV))で測定間隔1分にて測定した。人体の体表区分の全体表面積重みと人体と床面などとの接触面積重みとによる平均皮膚温算出法により求めた値を「伝導修正平均皮膚温」として用いるなどのためである。

気温条件が高いほど伝導修正平均皮膚温は高くなる結果が得られた。気温条件が29℃の場合には曝露開始後より50分程度まで上昇を続け、その後は床表面温の条件差を示している。気温条件が27℃の場合には曝露開始60分程度までには変動の収束傾向が示されている。気温条件が25℃の場合には曝露開始後より下降を続け、気温と床表面温が等しい条件時には曝露開始70分程度以降は収束傾向が認められる。一方、床表面温が気温よりも低い条件は曝露時間に比例して降下する傾向を示している。
気温条件別に伝導修正平均皮膚温をみると、曝露90分後には気温と床表面温とが等しい条件時よりも床表面温が気温よりも低い条件時の方が伝導修正平均皮膚温が低い傾向が認められる。床表面温度と気温との差が小さいにも関わらず、床からの熱伝導と熱放射条件の違いが伝導修正平均皮膚温に示されている。

床温と気温の組み合わせに条件ごとにみると、床表面温度が気温よりも2℃低い条件の場合には温冷感申告値が52、床表面温度が気温よりも1℃低い条件の場合には温冷感申告値が55、床表面温度と気温と等しい条件の場合には温冷感申告値が64で最も快適感申告値が高くなっている。
冷房実験では、快適性が高くなるのは熱的中立よりも少し寒い側に現れた結果とは異なることが得られた。本研究の姿勢が投げ足位であり、床面との接触による熱伝導の局所冷却が影響し、全身の温冷感申告値が高い傾向を好んだものと推察される。

床表面温度が気温よりも２℃低い条件の場合には温冷感申告値が35〜70、床表面温度が気温よりも１℃低い条件の場合には温冷感申告値が30〜76、床表面温度と気温と等しい条件の場合には温冷感申告値が36〜88、全実験データからは温冷感申告値が35〜76を得た。
伝導修正作用温度と温冷感申告値との関係から至適な伝導修正作用温度の範囲を求めると、床表面温度が気温よりも2℃低い条件の場合には温冷感申告値が26.1~29.5℃、床表面温度が気温よりも1℃低い条件の場合には伝導修正作用温度が25.0~29.8℃、床表面温度と気温と等しい条件の場合には伝導修正作用温度が24.6~32.9℃、全実験データからは伝導修正作用温度が 25.3~30.5℃を得た。

前述の温冷感申告値と快適感申告値との関係では、快適感申告値が50以上で温冷感申告値が35〜76の範囲と伝導修正作用温度が25.3〜30.5℃の範囲を満足する温熱環境条件を至適床冷房条件とした。
図４における略平行四辺形で囲んだ実験値が、至適条件に該当している。冷却効果側の快適範囲は包絡線から求めたものを至適範囲とした。また、気温側の至適範囲は快適伝導修正作用温度の範囲とし、その伝導修正作用温度は25.3℃と30.5℃となる。この範囲は、床冷房なしの空調のみの場合の快適範囲と比べて、低温側で1℃程度、高温側で4.5℃程度高い側となっている。すなわち、床冷房を併用すれば、室温がやや高くても快適に感じるのである。

本願発明は、住宅設備の提供、住宅設備のメンテナンス、床冷房システムの広報告知、などに利用される可能性がある。

実験をした設備の外観を示した図である。 それぞれデータ取得の場所を概念的に示したものである。 それぞれデータ取得の場所を概念的に示したものである。 床冷房の効果に関する知見データを示すグラフである。

符号の説明

１０：測定用部屋
１１：出入り口
１２：空気調和機
１３：気流抑制体
２０：床材
２１：測定用空間

Claims (6)

1. 空気調和機および床冷房装置のある冷房室のユーザに対して快適な冷房を提供する冷房設備であって、
   その冷房室における室温を測定する室温計と、
   冷房室の床材の上面の温度を冷却可能な床冷房装置に対して冷却温度の制御が可能な床冷房制御装置と、
   床冷房装置によって調整される床面温度を測定可能な床面温度計と、
   ユーザの皮膚温度を測定可能な皮膚温度計と、を備え、
   前記の床冷房制御装置は、床温度、皮膚温および室温を用いて床材の上面温度の冷却制御を実行することとした冷房設備。
2. 前記の床冷房制御装置は、床温度と皮膚温との温度差が室温との関係で一定範囲となるように床材の上面温度の冷却制御を実行することとした請求項１に記載の冷房設備。
3. 前記の空気調和機は、室温が床温度と皮膚温との温度差との関係で一定範囲となるように室温の調整を実行することとした請求項１または請求項２のいずれかに記載の冷房設備。
4. ユーザが床面に座したか否かを検知するユーザ姿勢検知手段を備え、
   そのユーザ姿勢検知手段によってユーザが座したことを検知した場合に床冷房制御装置を作動させることとした請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷房設備。
5. 床冷房装置は、ヒートポンプを用いて床暖房も可能な設備であるとともに、
   冷房室における床材は、床暖房が可能な床材とした請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷房設備。
6. 空気調和機および床温度調整設備のある部屋のユーザに対して快適な室内を提供する快適空間設備であって、
   その部屋における室温を測定する室温計と、
   測定用空間に位置する床材の上面の温度を変更可能な床温度調整設備に対して床正面温度の制御が可能な床温度制御装置と、
   床温度調整設備によって調整された床面温度を測定可能な床面温度計と、
   ユーザの皮膚温度を測定可能な皮膚温度計と、を備え、
   前記の床温度制御装置は、床温度、皮膚温および室温を用いて床材の上面温度の制御を実行することとした快適空間設備。
   

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