JP2010223522A - 床暖房システムおよび蓄熱ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱効率と放熱効率の向上が可能であり、また耐久性と施工性を向上させることが可能な床暖房システム及び蓄熱ユニットを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明にかかる床暖房システムは、相変化温度の異なる複数種類の潜熱蓄熱材１３２と、潜熱蓄熱材１３２を加熱しうる温水パイプ１３４とを備え、複数種類の潜熱蓄熱材１３２には、日射熱で融解する相変化温度を有する潜熱蓄熱材１３２ａが含まれることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱効率と放熱効率が向上した床暖房システムおよび蓄熱ユニットに関するものである。

近年、暖房装置において、床材の室内側を２５〜３０℃程度に加温する床暖房が普及しつつある。従来のエアコンや石油ファンヒーターなどの空気調節による暖房装置は、温風を噴出することで室内の空気を暖めている。しかし、温度の上昇に伴い空気は膨張し軽くなるため、暖かい空気が天井付近に停滞しやすく、利用者が位置する床近傍には壁や床からの冷気が停滞しやすいという問題があった。

一方、床暖房装置は空気を加温するのではなく、利用者と直接ふれあう室内の床部を加温する。このため、室内で靴を脱ぎ、椅子等を用いずに床に座る習慣のある日本では、空気調節を行うよりも利用者は体感的な暖かさを得やすい。また、燃焼による暖房装置と比べて室内の空気組成に影響が少ないため、安全性の面でも有益であるとされている。

さらに、この床暖房と従来のエアコン等を併用することで、冷えた床等からの冷気がエアコン等による空気調節の抵抗となっていたという欠点を解消し、少ないエネルギー量で効率的に快適な室内環境を整えることができるという利点も存在する。

この床暖房には、主に、電気を床材の下に配置した電熱器に通電させて加温する方法と、温水等を熱媒体として配管により床材に導いて加温する方法が存在する。熱媒体を利用する場合には、ガスボイラなどの燃料を用いるものと、ヒートポンプによって空気熱を利用するものがある。ヒートポンプを利用する場合には、床下に設置されている蓄熱材を組み合わせることで、深夜の電気料金の安い時間帯に蓄熱し、日中にその蓄熱を利用して床暖房を行うという蓄熱式の床暖房が存在している。

またさらに、上記の蓄熱材には電気を熱源とした熱量を蓄熱するだけでなく、太陽光により暖められた外気により熱量を蓄熱する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。この記載によれば、太陽光の放射熱で暖められた熱吸収部を外気が通過することにより、かかる外気は熱吸収部の温度と熱交換されて温度が上昇し、この外気を建物の室内に噴出すことにより、室内の温度を上昇させることができるとされている。同様に特許文献２には、床組を板状コンクリートで構成して蓄熱材とし、太陽光で直接暖めて蓄熱させて、夜間などに放熱させる暖房システムが記載されている。

また、特許文献１の記載によると、蓄熱材は蓄熱層（蓄熱レンガ等）と蓄熱シート（潜熱蓄熱材）により構成するとしている。この構造を用いることにより夜間であっても日中に蓄熱した熱量を利用して通過する外気を暖めることができるとしている。なお蓄熱シートには潜熱蓄熱材を使用可能であるとされている。ここで潜熱とは物質が固体から液体へ変化するとき等における、物質の相変化に伴って吸収、または放出される熱のことである。潜熱は物質が相変化している間は温度が変化しないため、顕熱（通常の温度変化を伴う熱）を利用するよりも一定の温度を供給できる時間を長く保つことができる。

特開２００７−１４７１５０号公報 特開平０５−３２２３１８号公報

しかし、上記特許文献１のように潜熱蓄熱材を利用しているとしても、相変化する１つの温度でしか潜熱を利用することができない。このことは、一定の温度で継続的に熱が得られるという利点がある反面、特定の温度範囲でしか蓄熱できないという問題がある。したがって例えば、熱源が加熱器である場合には所望の高温を得ることができるが、太陽光を利用しようとする場合にさほどの温度が得られず、思うように蓄熱できないおそれがある。一方、太陽光による温度帯に相変化する蓄熱材を用いると、暖房としては温度が若干不足するおそれがある。

また、潜熱蓄熱材は融解すると液状になるため、漏洩防止に注意する必要がある。蓄熱材が配置される位置は床下や壁の内側が主であるが、蓄熱材の外装がシート状や袋状であると、床材や壁材に用いた釘などにより損傷し、蓄熱材料が漏洩してしまう恐れがある。かかる場合、床下や壁の内側等は利用者にとって視認し得ない場所であるため、蓄熱材料の漏洩に気づかないまま家屋の木材等が侵食されてしまうおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑み、蓄熱効率と放熱効率の向上が可能であり、また耐久性と施工性を向上させることが可能な床暖房システム及び蓄熱ユニットを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかる床暖房システムの代表的な構成は、相変化温度の異なる複数種類の潜熱蓄熱材と、潜熱蓄熱材を加熱しうる温水パイプとを備え、複数種類の潜熱蓄熱材には、日射熱で融解する相変化温度を有する潜熱蓄熱材が含まれることを特徴とする。

上記構成によれば、潜熱を利用することによって温度変化を一定に保ったままの放熱ができ、また複数種類の相変化温度の潜熱蓄熱材を使用することで蓄放熱する温度範囲と、利用可能な時間範囲を拡大することができる。特に潜熱蓄熱材に日射熱で融解するものを含むことにより、日射熱と温水からの熱とを効率的に蓄積することができる。これにより、蓄熱効率と放熱効率が向上した床暖房の提供が可能となる。

当該床暖房システムは、金属製下地材の上に床材が積層された床部をさらに備え、複数種類の潜熱蓄熱材と温水パイプは、床部の下に設置されてもよい。このように熱抵抗の小さい金属製下地材を用いた床部と潜熱蓄熱材を合わせて使用することで、放熱効率だけでなく蓄熱効率の向上も可能となる。例えば、昼間は室内を透過した日射熱を蓄熱させ利用することが可能となる。これにより、環境エネルギーを有効に利用した環境負荷の低い床暖房を効率的に行うことができる。また、潜熱蓄熱材は金属製下地材に防護されているため、床材に釘等を使用したとしても潜熱蓄熱材の損傷を防ぐことができる。

温水パイプは略水平方向に並列して設置され、温水パイプと潜熱蓄熱材との間に金属製の熱伝導板を備えてもよい。このように熱抵抗の少ない熱伝導板を介することで、温水の熱量を逃さず潜熱蓄熱材に伝えることができ、エネルギーのロスを抑えた効率的な蓄熱が可能となる。

当該床暖房システムは、温水パイプの上側に相変化温度が低く日射熱で融解する潜熱蓄熱材が配置され、温水パイプの下側に相変化温度が高く温水で融解する潜熱蓄熱材が配置されてもよい。

上記構成によれば、床部に近い上側に相変化温度が低く日射熱で融解する潜熱蓄熱材を配置することで、昼間の室内を透過した日射熱を蓄熱し、日没後の室温低下を抑えることができる。また、温水パイプの下側に相変化温度が高く温水で融解する潜熱蓄熱材を配置することで、温水の熱量を蓄熱し、温水の循環停止後も床暖房として機能することができる。これにより効率的な自然エネルギーの利用と良好な室内環境の形成が可能となる。

当該床暖房システムは複数種類の潜熱蓄熱材および温水パイプよりも下方に断熱材を有してもよい。これにより、室内以外への熱量の漏出を防ぐことができ、床暖房システムの温度維持効率を向上させ、室内環境の維持が可能となる。

温水は温水ヒートポンプによって供給してもよい。これにより、火力を熱源とした場合よりもエネルギー効率を向上させ、また二酸化炭素の排出を抑えることができる。したがって、上記の床暖房システムと温水ヒートポンプを組み合わせることでより環境負荷の小さい床暖房を行うことが可能となる。

上記課題を解決するために本発明にかかる蓄熱ユニットの代表的な構成は、少なくとも相変化温度の異なる複数種類の潜熱蓄熱材と、潜熱蓄熱材を加熱しうる温水パイプとを備え、前記複数種類の潜熱蓄熱材には、日射熱で融解する相変化温度を有する潜熱蓄熱材が含まれることを特徴とする。このように複数種類の潜熱蓄熱材と温水パイプをユニットとすることで、現場施工による設置よりも品質管理が行いやすく、また運搬容易な大きさ等に設計することで施工性を向上させることができる。

当該蓄熱ユニットは、金属製の外装部材をさらに備え、この外装部材に潜熱蓄熱材と温水パイプを収納してもよい。このように熱抵抗の少ない金属製の外装部材を用いることで、床部との間の熱量の伝導効率を高めることができ、また、潜熱蓄熱材を荷重等による劣化から防護することができる。これにより、蓄熱効率と放熱効率の向上および性能維持が可能となる。

本発明によれば、蓄熱効率と放熱効率が向上した床暖房の提供が可能となる。

第１実施形態に係る床暖房システムの全体図である。 第１実施形態に係る潜熱蓄熱材の斜視図である。 第２実施形態に係る蓄熱ユニットの外観を示す３面図である。 第２実施形態に係る蓄熱ユニットの内部構成の説明図である。 第２実施形態に係る蓄熱ユニットの使用態様図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

(第１実施形態)
本発明にかかる床暖房システムの第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る床暖房システム１００の構成を説明するための図である。なお、図１（ａ）は床暖房システム１００の全体を説明する図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の床構造１０２のＡ−Ａ断面図である。

本実施形態に係る床暖房システム１００は、建物の床構造１０２と加熱器１１０を含んで構成される。

加熱器１１０は床構造１０２を加温するための熱源となる温水を供給するものである。加熱器１１０にはヒートポンプやガス熱源機を用いることができる。特にヒートポンプは、物質間の熱移動（熱伝導）により熱（エネルギー）を取得する熱交換サイクルを利用している。このため、かかるヒートポンプを用いた加熱装置（温水ヒートポンプ）は、化石燃料等を燃焼する従来の加熱装置と比較し、省エネルギーおよび二酸化炭素排出量の削減が可能である。このため、当該床暖房システム１００に温水ヒートポンプを組み合わせることで、さらに省エネ効果と快適性を向上させた暖房を行うことができる。なお、本実施形態では床暖房として記載しているが、壁の内部に設置された暖房装置として用いることも可能である。

床構造１０２は、図１（ｂ）に示すように、床部１２０と床下部１３０を含んで構成される。

床部１２０は、金属製下地材１２２の上に床材１２４を積層して構成されている。床材１２４には薄手のフローリング（仕上げ材）を用いることが好適である。薄手のフローリングと金属製下地材１２２を組み合わせることで床部１２０の熱抵抗をより小さいものとすることができ、この床部１２０によって後述する蓄熱材１３２の蓄熱効率と放熱効率を向上させることができる。また、金属製下地材１２２によって床部１２０の強度を向上させることができるため、その下に配置される蓄熱材１３２を防護することができる。これにより、床材１２４に釘等を使用したとしても蓄熱材１３２の損傷を防ぐことが可能になる。

床下部１３０は、複数種類の潜熱蓄熱材（以下、単に「蓄熱材１３２」という。）と温水パイプ１３４、熱伝導板１３６、断熱材１４０を含んで構成されている。

温水パイプ１３４は、加熱器１１０により供給された温水を床下部１３０へ導くためのものである。温水パイプ１３４は複数配置され、略水平方向に並列して配置されている。通常、床暖房用の温水には４０℃程度のものが用いられ、その熱量が床部１２０に伝達されることで床暖房として機能している。また、温水パイプ１３４は隣接する蓄熱材１３２を加熱することができる。これにより、温水の熱量は蓄熱材１３２に蓄熱され、この蓄熱材１３２が存在することで、温水の循環の停止後も床暖房としての機能を発揮することが可能になる。

図２は蓄熱材１３２を説明する図である。蓄熱材１３２は物質の相変化に伴う潜熱を利用した蓄熱を行う蓄熱材であり、樹脂製のタンク内に蓄熱を行う蓄熱材料が充填された構造をしている。その蓄熱材料には、例えば塩化カルシウムや硫酸ナトリウムなどの単位質量あたりの潜熱が大きく、相変化温度が安定な物質を用いることが好適である。なお潜熱蓄熱材用の材料は相変化する際に少なからず体積の膨張または収縮があるため、金属製などの剛体の容器に入れることは難しい。また隙間（空間）があると伝熱性が落ちるため、タンク内への充填率を高める必要がある。したがって上記のように、蓄熱材１３２は柔軟性のある樹脂製のタンク内に充填させて構成することが好ましい。

また、床下に配置する蓄熱材１３２には、相変化温度の異なる種類のものを複数用いることが望ましい（図１（ｂ）中に蓄熱材１３２a、１３２ｂとして図示）。これらによると、潜熱を利用することで温度変化を一定に保ったままの放熱が可能になり、さらに複数種類の相変化温度の蓄熱材１３２ａ、１３２ｂを使用することで蓄放熱する温度範囲と、利用可能な時間範囲を拡大することが可能になる。

ここで、本実施形態においては、蓄熱材１３２として相変化温度が低く日射熱で融解する蓄熱材１３２ａと相変化温度が高く温水で融解する蓄熱材１３２ｂとを用いることとし、温水パイプ１３４の上側に蓄熱材１３２ａを配置し、温水パイプ１３４の下側に蓄熱材１３２を配置している。

蓄熱材１３２ａとしては、例えば相変化温度が２０℃程度の蓄熱材１３２ａを用いることができる。２０℃程度という温度は、その放熱を床暖房として利用するには若干温度が不足するおそれがあるが、冬季の昼間に室内にこもった日射熱を蓄熱するためには適した温度である。この蓄熱材１３２ａを温水パイプ１３４の上側、つまり上述した熱抵抗の小さい床部１２０の近傍に配置することで、室内にこもった日射熱の蓄熱効率と放熱効率を向上させることが可能になる。

蓄熱材１３２ｂとしては、例えば相変化温度が３０℃程度の蓄熱材１３２ｂを用いることができる。温水パイプ１３４には４０℃程度の温水が流れることを考慮すれば、相変化温度が３０℃程度もあれば十分に蓄熱でき、放熱する際も、３０℃程度というのは床暖房用として不足なく活用できる温度である。これにより、温水の循環停止後も床暖房として十分機能することが可能になる。

このように、相変化温度が２０℃程度と３０℃程度という少なくとも２種類の蓄熱材１３２を用いることで、床暖房に用いるエネルギー効率を向上させることができる。例えば、昼間に室内にこもった日射熱を２０℃程度の蓄熱材１３２ａに蓄熱させることで、日没後からは放熱が始まり、夕刻の室温の低下を抑えることが可能となる。また、深夜の電気料金が定額な時間帯に加熱器１１０を作動させて３０℃程度の蓄熱材１３２に蓄熱しておき、翌朝からは蓄熱材１３２の放熱により床暖房を行うという使用方法も可能となる。このような自然エネルギーの利用と経済的な電力の使用を伴った室内環境の形成が可能となる。

熱伝導板１３６は、温水パイプ１３４と蓄熱材１３２との間に配置された金属製の板である。熱伝導板１３６が備えられていることで、熱量を温水パイプ１３４のみから蓄熱材１３２等に伝達する場合よりも、その伝達範囲を拡大することが可能になる。熱伝導板１３６の材質にはアルミニウム等の熱抵抗の少ない金属を用いることが好適であり、複数の温水パイプ１３４を上下方向から挟むように配置するのが望ましい。このように配置されることで、エネルギーロスを抑えた効率的な床暖房と蓄熱が可能となる。

断熱材１４０は、複数種類の蓄熱材１３２および温水パイプ１３４よりも下方に配置されている。これにより、蓄熱材１３２および温水パイプ１３４からの熱が室内以外（例えば階下や地面）に逃げることを防ぐことができ、当該床暖房システム１００の温度維持効率を向上させることが可能となる。

（第２実施形態）
本発明にかかる床暖房システムおよび蓄熱ユニット２００の第２実施形態について説明する。図３は本実施形態に係る蓄熱ユニット２００の外観を示す３面図、図４は蓄熱ユニット２００の内部構成を説明した断面図、図５は蓄熱ユニット２００の使用態様図である。上記第１実施形態と説明の重複する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

上記第１実施形態において、床暖房システムを構成する蓄熱材１３２や温水パイプ１３４などの部材は、建物の床下に直接施工するよう説明した。これに対し本実施形態は、これらの部材をユニット化したものである。

図３に示したように、蓄熱ユニット２００は、金属製の外装部材２５０を備えている。外装部材２５０の材質には熱抵抗の少ない金属製の鋼板を用いることで、蓄熱ユニット２００と隣接する箇所への熱量の伝導効率を高めることが可能である。また外装部材２５０は内包する蓄熱材１３２等を保護する役割を有している。外装部材２５０にはパイプ孔２５４が配置されており、このパイプ孔２５４を介して、加熱器１１０からの温水を外装部材２５０内の集中パイプ２４０に供給することができる。これによって、蓄熱ユニット２００は床暖房装置として機能することが可能になる。

図４（ａ）は図３のＢ−Ｂ断面図であり、図４（ｂ）は図３のＣ−Ｃ断面図であり、図４（ｃ）は図４のＤ−Ｄ断面図である。図４（ａ）に示すように、本実施形態に係る蓄熱ユニット２００は、少なくとも複数種類の蓄熱材１３２（蓄熱材１３２ａ、１３２ｂとして図示）と、温水パイプ２３４、熱伝導板２３６を含んで構成される。

温水パイプ２３４は、当該蓄熱ユニット２００の長手方向に温水を導くことが可能である(図４（ｃ）参照)。また温水パイプ２３４は略水平方向に並列して複数配置されており、その各温水パイプ２３４の両端は集中パイプ２４０に接続している（図４（ｂ）参照）。集中パイプ２４０は、外装部材２５０に設けられたパイプ孔２５４を通って加熱器１１０からの配管２５２に接続することができる。

熱伝導板２３６は、温水パイプ２３４の上下を挟むように、温水パイプ２３４と蓄熱材１３２との間に配置された金属製の板である。熱伝導板２３６はアルミニウム等の熱抵抗の少ない金属製であることが望ましく、この熱伝導板２３６によって、温水パイプ２３４により伝達される熱量を逃すことなく蓄熱材１３２等へ伝えることが可能となる。

図４（ａ）と図４（ｂ）に示すように、外装部材２５０の下方には断熱材２６０が備えられている。これにより、蓄熱材１３２および温水パイプ２３４からの熱が室内以外（例えば階下や地面）に逃げることを防ぐことができる。断熱材２６０としては、例えば発泡スチロールや発泡ポリウレタンなどの発泡樹脂、グラスウールなどの既知の断熱材を用いることができる。

また本実施形態においても、蓄熱ユニット２００内の蓄熱材１３２の配置は、温水パイプ２３４の上側に相変化温度が低く日射熱で融解する蓄熱材１３２ａを配置し、温水パイプ２３４の下側に相変化温度が高く温水で融解する蓄熱材１３２ｂを配置している。これにより、第１実施形態で詳述したように、日射熱と温水の熱を効率的に蓄積して、効率的な自然エネルギーの利用と良好な室内環境の形成が可能となる。

図５は蓄熱ユニット２００の使用態様図である。蓄熱ユニット２００は室内の床下部１３０に配置されることで床暖房として機能することが可能となる。具体的には加熱器１１０からの配管２５２を、外装部材２５０に設けられたパイプ孔２５４を介して集中パイプ２４０に接続することで、加熱器１１０により供給される温水が集中パイプ２４０を通り温水パイプ２３４へと導かれる(図４（ｃ）参照)。各蓄熱ユニット２００同士は、隣り合う蓄熱ユニット２００同士のパイプ孔２５４間を連絡パイプ等で連絡することで、各蓄熱ユニット２００は１つの配管系を形成し、広範囲の床の加温が可能になる。この温水パイプ２３４を介した温水の熱量により床暖房としての機能が発揮され、また、当該熱量が蓄熱材１３２に蓄熱されることで、温水の循環の停止後も床暖房としての機能を発揮することが可能になる。

上述したように、複数種類の蓄熱材１３２と温水パイプ２３４をユニットとすることで、現場施工による設置よりも蓄熱材１３２の品質管理を行いやすくすることができる、また、蓄熱ユニット２００を運搬容易な大きさに設計することで施工性の向上した床暖房装置を提供することが可能になる。またさらに、床暖房以外にも、壁の内部等に配置することで暖房を行うことも可能になる。

なお、第１実施形態および第２実施形態では、簡素な説明を行うために２種類の蓄熱材１３２ａと１３２ｂを例示したが、さらに複数種類の蓄熱材を備えることで利用可能な温度と時間の設定を変更することも可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、蓄熱効率と放熱効率が向上した床暖房システムおよび蓄熱ユニットに利用することができる。

１００…床暖房システム
１０２…床構造
１１０…加熱器
１２０…床部
１２２…金属製下地材
１２４…床材
１３０…床下部
１３２…蓄熱材
１３２ａ…蓄熱材
１３２ｂ…蓄熱材
１３４…温水パイプ
１３６…熱伝導板
１３６ａ…熱伝導板
１３６ｂ…熱伝導板
２００…蓄熱ユニット
２３４…温水パイプ
２３６…熱伝導板
２３６ａ…熱伝導板
２３６ｂ…熱伝導板
２４０…集中パイプ
２５０…外装部材
２５２…配管
２５４…パイプ孔
２６０…断熱材

Claims (8)

1. 相変化温度の異なる複数種類の潜熱蓄熱材と、
   前記潜熱蓄熱材を加熱しうる温水パイプとを備え、
   前記複数種類の潜熱蓄熱材には、日射熱で融解する相変化温度を有する潜熱蓄熱材が含まれることを特徴とする床暖房システム。
2. 金属製下地材の上に床材が積層された床部をさらに備え、
   前記複数種類の潜熱蓄熱材と前記温水パイプは、前記床部の下に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の床暖房システム。
3. 前記温水パイプは略水平方向に並列して設置され、該温水パイプと前記潜熱蓄熱材との間に金属製の熱伝導板を備えたことを特徴とする請求項１に記載の床暖房システム。
4. 前記温水パイプの上側に相変化温度が低く日射熱で融解する潜熱蓄熱材が配置され、
   前記温水パイプの下側に相変化温度が高く温水で融解する潜熱蓄熱材が配置されたことを特徴とする請求項３に記載の床暖房システム。
5. 前記複数種類の潜熱蓄熱材および温水パイプよりも下方に断熱材を有することを特徴とする請求項１に記載の床暖房システム。
6. 前記温水は温水ヒートポンプによって供給されることを特徴とする請求項１に記載の床暖房システム。
7. 少なくとも相変化温度の異なる複数種類の潜熱蓄熱材と、
   前記潜熱蓄熱材を加熱しうる温水パイプとを備え、
   前記複数種類の潜熱蓄熱材には、日射熱で融解する相変化温度を有する潜熱蓄熱材が含まれることを特徴とする蓄熱ユニット。
8. 金属製の外装部材をさらに備え、
   前記外装部材は、前記潜熱蓄熱材と前記温水パイプを収納することを特徴とする請求項６に記載の蓄熱ユニット。

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