JP2011021417A

JP2011021417A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2011021417A
Application number: JP2009168657A
Authority: JP
Inventors: Tatsu Takahashi; 達高橋
Original assignee: TEAMNET KK
Current assignee: TEAMNET KK
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2011-02-03

Abstract

【課題】建物内の空気を冷却するのに好適な冷却装置を提供する。
【解決手段】本発明の冷却装置は、冷媒流路１５を内部に有する冷媒流通部材１７と、冷媒流路１５に井水を供給する冷媒供給手段１９と、冷媒流路１５に供給される井水を、室内の空気の露点温度として予め設定された温度より高く、且つ室温として予め設定された温度より低い温度になるように加熱する冷媒加熱手段２１と、冷媒流通部材１７と室内との間に設けられた蓄冷部材２３と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、建物内の冷却装置に関する。

住宅等の建物の室内を冷房する方法として、壁の内部に水を流して壁面の温度を室温より低くし、この壁面と室内の空気とを熱交換させることにより、対流伝熱を利用して室温を下げたり、かかる壁面からの輻射伝熱により、室内に存在する人の体感温度や他の壁や床の表面温度を低くすることが考えられる。

例えば、下記特許文献１には、ビルの屋上等に設置したタンクに雨水を貯め、その雨水をビルの壁の内部に配管したパイプ内に循環させ、壁とパイプ内の水との間で熱交換させるという技術が開示されている。

特開２００７−０５１５２８号公報

上記のように壁とパイプ内の水との間で熱交換を行うことによって室温を下げようとする場合、パイプ内に流す水の温度が低いほど、より効率的に室温や周壁温度を下げることができる。

しかしながら、水温が室内の空気の露点温度より低い場合には、熱交換の際にパイプや壁などに結露が発生し、木材の腐食、鋼材の錆びつき、又はコンクリートの劣化など、建物を構成する部材に様々な問題を引き起こす。

そこで、本発明は、建物内部空間を冷却するのに好適な冷却装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による冷却装置は、冷媒流路を内部に有する冷媒流通部材と、前記冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、前記冷媒流路に供給される冷媒を、室内の空気の露点温度として予め設定された温度より高く、且つ室温として予め設定された温度より低い温度になるように加熱する冷媒加熱手段と、前記冷媒流通部材と室内との間に設けられた蓄冷部材と、を備えることを特徴とする
本発明の実施態様では、前記冷媒加熱手段は、前記冷媒と外気との間で熱交換が行われるように構成されていてもよい。この場合、前記熱交換が行われた外気が前記建物内に排出されるように構成されていると好適である。

別の実施態様では、さらに、前記蓄冷部材と室内との間に設けられた石膏ボードを備え、前記冷媒流通部材、前記蓄冷部材、及び前記石膏ボードは、室内に面して設けられる建物構成部材を形成していてもよい。この場合、前記石膏ボードは、前記蓄冷部材側の面に金属層が設けられていると好適である。

また別の実施態様では、前記冷媒は井水であってもよい。

さらにまた別の実施態様では、前記冷媒供給手段は、前記冷媒流路を通過した冷媒を、前記室温として予め設定された温度より低い温度に冷却し、前記冷媒流路へ再供給するように構成されていてもよい。

本発明の建物によれば、冷媒流通部材に供給される冷媒の温度が、室内の空気の露点温度として予め設定された温度より高く、且つ室温として予め設定された温度より低い温度になるように調節されるため、冷媒流通部材等に結露が生ずることがなく、輻射伝熱によって室内を冷却することができるとともに、冷媒流通部材及び蓄冷部材等を含む壁と熱交換して冷やされた空気が室内を対流することによっても室内を冷却することができる。また、蓄冷部材も備えているため、冷媒によって蓄冷部材に熱（冷気）が蓄えられると、冷媒を供給し続けなくても冷却効果を持続的に得ることができる。また、消極的結露の回避に留まらず、冷媒との熱交換によって冷却除湿された外気を室内に供給することができる。

冷却装置を備える建物の模式図。冷却装置の一部によって構成される壁を模式的に示す図。壁を構成する冷却装置の部材を分離して模式的に示す図。冷却装置を備える建物の別の例を示す模式図。

以下、本発明の冷却装置１の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、冷却装置１を備える２階建ての建物３を模式的に示す。

建物３は、壁５及び屋根７を備え、外観上は一般的な建物と同様に構成されている。また、建物３の基礎近辺には、床下空間と屋外とを連通するように開口９が設けられているとともに、屋根７の最頂部付近には、建物内の空気を屋外へ排出するために、排気口１１が設けられている。なお、開口９には、外気を建物内に取り込むためのファンを設けてもよい。

冷却装置１は、屋外から供給される冷媒としての井水が、建物３の室内に面して設けられた建物構成部材（例えば、壁、床、天井など）の内部に流れるように、また、屋外から取り込んだ外気が、井水と熱交換することによって冷却及び除湿され、室内に供給されるように構成されている。本実施形態では、壁５の一部として、冷却装置１が組み込まれている。以下、冷却装置１の詳細な構成について説明する。

図２は、冷却装置１の一部を組み込んだ壁５を模式的に示し、図３は、かかる壁５の各部材を分離して示す。

冷却装置１は、冷媒流路１５を内部に有する冷媒流通部材１７と、冷媒流路１５に井水を供給する冷媒供給手段１９と、冷媒流路１５に供給される井水を、室内の空気の露点温度として予め設定された温度より高く、且つ室温として予め設定された温度より低い温度になるように加熱する冷媒加熱手段２１と、冷媒流通部材１７と室内との間に設けられた蓄冷部材２３と、を含んで構成される。

また、本実施形態では、図２及び図３に示すように、冷却装置１は、蓄冷部材２３と室内との間に設けられた石膏ボード２５と、冷媒流通部材１７と屋外との間に設けられた断熱材２８とを備えている。さらに、石膏ボード２５の蓄冷部材２３側の面には金属層（例えば、鉛をシート状に形成した部材など）２７が設けられ（例えば、貼り付けられ）ている。これにより、冷却装置１における冷媒流通部材１７、蓄冷部材２３、石膏ボード２５、金属層２７、及び断熱材２８は、室内に面して設けられる壁として機能する。

冷媒流通部材１７は、内部に冷媒流路１５が設けられ、平板状に作られた部材であり、例えば内部に流路を有する床暖房パネルを用いることができる。冷媒流路１５は、例えば、熱伝導率の高い金属（例えば銅など）で作られたパイプを蛇行して配置することにより形成されている。

冷媒供給手段１９は、例えば井水を汲み上げて供給可能なポンプである。この冷媒供給手段１９によって供給される井水は、適宜配置される樹脂製又は金属製のパイプ３１を通って冷媒加熱手段２１及び冷媒流通部材１７の順に供給され、屋外へと排出される。なお、屋外へ排出された井水は、小川や池の水（いわゆる景観水）として利用したり、植物へ散水するのに用いることが考えられる。

冷媒加熱手段２１は、井水と外気との間で熱交換を行わせることにより、井水を加熱する熱交換器であり、例えば、通気用ファンを備えるファンコイルユニットを用いることが考えられる。この冷媒加熱手段２１は、建物３内に設けられた所定の空間２２に配置されており、ダクト２４を適宜接続するなどして、建物３に設けた開口９を介して床下空間に流入した外気を取り込むとともに、熱交換後の外気が室内に供給されるように構成されている。なお、冷媒加熱手段２１は、かかる外気を、井水と熱交換することによって冷却するとともに、井水との熱交換によって冷媒加熱手段２１内で結露を生じさせることで除湿するという機能を有する。

より具体的には、冷媒加熱手段２１は、熱交換後の井水が冷媒流通部材１７内を通過する際に結露を生じさせないような性能（伝熱面積及び単位時間あたりの流量など）を有する。このような性能を有する冷媒加熱手段２１は、例えば、次の方法で構成することができる。

まず、予め建物３の建設地又は建設予定地の夏季（例えば７月と８月）において、既存の建物を利用して、室温の最高値（例えば、３３℃）及びその時の湿度（例えば、５０％）を測定した値に基づいて第１の露点温度（例えば、２１℃）を算出する。また、室温の最低値（例えば、２６℃）及びその時の湿度（例えば、４０％）を測定した値に基づいて第２の露点温度（例えば、１１℃）を算出する。そして、例えば、第１の露点温度を、冷媒加熱手段２１の性能設計用露点温度に設定し、前記測定した室温最低値を、冷媒加熱手段２１の性能設計用室温に設定する。

そして、冷媒供給手段１９によって供給される井水（例えば、１５〜１８℃）を性能設計用露点温度から性能設計用室温までの範囲内の温度に加熱できるように冷媒加熱手段の性能（伝熱面積や単位時間あたりの流量など）を決定し、該性能に基づいて冷媒加熱手段２１を構成する。なお、井水の温度については、井水の一般的な温度でもよいし、建物３の建設地又は建設予定地における実際の井水の温度を用いてもよい。
このように冷媒加熱手段２１を構成することで、測定した範囲（例えば、２６℃〜３３℃）で室温が変動する場合でも、冷媒加熱手段２１により加熱された冷媒の温度を、露点温度の最大値（例えば、２１℃）よりも高くし、かつ、室温の最小値（例えば、２６℃）よりも低くすることができる。これにより、井水を冷却装置１の冷媒流通部材１７の内部に流した場合に、冷媒流通部材１７等の表面に結露が生ずる防止するとともに、室内を冷却することができる。

なお、冷媒加熱手段２１は、図１では建物３の中央付近に設けた空間２２内に配置されているが、建物内の適宜の位置に設置可能であり、例えば１階の床下に配置してもよい。なお、空間２２は、板状の部材等によって室内と区画されているものとする。また、冷媒加熱手段２１には、熱交換時に結露した水を下水管又は屋外へ排出するためのドレンパイプを接続しておくと有用である。

蓄冷部材２３は、例えば樹脂で作られた２０ｍｍ厚程度の矩形平板状の中空部材と、その内部に充填された蓄冷剤（例えば、塩化カルシウムなどの潜熱蓄熱材）とを含んで構成されている。このように、冷媒流通部材１７と室内との間に蓄冷部材２３を設けることにより、冷媒から放出される冷気を蓄えることができるため、冷媒を供給し続けなくても、室内を冷却し続けることができるという効果が得られる。

石膏ボード２５は、例えば１５ｍｍ厚程度の一般的なものを用いることができる。また、保冷部材２３と石膏ボード２５との間に金属層２７を設けることにより、金属層２７を有しない石膏ボードに比べて、保冷部材２３から石膏ボード２５への熱伝導率を各段に向上させることができる。なお、保冷部材２３と金属層２７との間に隙間がある場合でも、該金属層２７が設けられていることで、金属層が設けられていない場合に比べて、各段に高い熱伝導率を維持することができる。

断熱材２８は、グラスウールなどの一般的なものを用いることができる。また、冷媒流通部材１７と屋外との間に断熱材２８を設けるこで、外壁を介して屋外の熱が伝達されるのを防ぐとともに、冷媒流通部材１７の内部を流れる冷媒の熱（冷気）を室内側にのみ供給することができる。

次に、冷却装置１による室内の冷却方法について説明する。

ここで、冷媒加熱手段２１は、性能設計用露点温度が２１℃、性能設計用室温が２８℃に設定され、構成されているものとする。また、対象地点の井水の温度は例えば１６℃であるとする。

まず、冷却装置１を作動させるには、例えば、井水を供給する冷媒供給手段１９を駆動し、冷媒加熱手段２１に内蔵されたファンを駆動させる。これにより、冷媒供給手段１９によって井水が冷媒加熱手段２１に供給されるとともに、外気も冷媒加熱手段２１に供給される。そして、井水は、冷媒加熱手段２１内で外気と熱交換され、設定済みの性能設計用露点温度（例えば２１℃）より高く、且つ性能設計用室温（例えば２８℃）より低い温度（例えば、２２℃）に加熱される。このように、冷媒加熱手段２１によって井水の温度を、性能設計用露点温度以上に上昇させておくことで、壁の内部で結露が生ずるのを防ぐことができる。また、かかる熱交換によって、外気は、室温より低い温度に冷却できる可能性があり、更に除湿することもできる。

上記加熱された井水は、冷媒流通部材１７の冷媒流路１５へ供給され、上記冷却及び除湿された外気は室内へ供給される。

冷媒加熱手段２１から冷媒流通部材１７に供給された井水は、冷媒流通部材１７内の冷媒流路１５を通る際に、冷媒流通部材１７に沿って設けられた蓄冷部材２３との間で間接的に熱交換が行われ、冷媒流路１５を通過した後、屋外へ排出される。

蓄冷部材２３（詳細には蓄冷剤）は、冷却装置１を作動する前の状態では、室内の空気との間で間接的に熱交換が行われる（詳細には、石膏ボード２５等のその他の部材を介して熱交換が行われる）ことにより、室温とほぼ同じ温度（例えば２８℃）になっている。一方、蓄冷部材２３は、冷却装置１が作動すると、冷媒流通部材１７の内部を流れる井水との間で間接的に熱交換が行われることにより、かかる井水の温度（例えば２２℃）に近づいていく（例えば２２〜２４℃となる）。

そして、蓄冷部材２３と金属層２７との間で、また金属層２７と石膏ボード２５との間で熱交換が行われ、石膏ボード２５が壁紙を介して室内の空気との間で熱交換を行う。これにより、壁から空気へと熱（冷気）が伝導し、かかる壁付近の空気が冷却され、さらに該空気が室内を対流することで、室内全体の空気が冷却される。また、井水との熱交換によって冷却された外気が該室内に供給されるため、室内の空気をさらに冷却することができる。

さらに、室温より低い温度に冷却された石膏ボード２５から、その熱エネルギーが壁紙を介して電磁波として室内に放出される。これにより、室内に存在する人に対し、輻射伝熱の影響によって、実際の室温（２８℃）よりも冷涼感を与えることができる。

このように、冷却装置１では、冷媒としての井水を、室内の空気の露点温度として予め設定した温度より高く、且つ室温として予め設定した温度より低い温度に調節したうえで壁の内部に供給するため、輻射及び対流伝熱によって建物３内を効率的に冷却できるだけでなく、壁の内部に結露が生ずるのを防止することができる。

また、冷却装置１は、冷媒加熱手段２１を介して外気を建物３内に供給するように構成されており、建物３は、室内の空気が屋根７の最頂部付近に設けた排気口１１から屋外に排出されるように構成されているため、建物３内の換気が促され、建物３の居住者がシックハウス症候群を患うのを予防することもできる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。

［変形例］
実施形態では、冷却装置１の冷媒流通部材１７等は、建物３の建物構成部材（具体的には、ひとつの居室の一面を成す壁）として設けられているが、建物３内にある別の壁５又は全ての壁５として設けてもよいし、床や天井の一部又は全部として設けてもよい。

また、実施形態では、石膏ボード２５の屋外側の面に沿って金属層２７を設けているが、蓄冷部材２３と冷媒流通部材１７との間にも金属層を設けるようにしてもよい。これにより、冷媒流通部材１７と蓄冷部材２３との間の熱伝導率が向上し、より効率的に建物３内の空気を冷却することができる。なお、金属層を設けずに壁５を構成してもよい。

さらに、実施形態では、蓄冷部材２３として、蓄冷剤を内包する部材を用いる例を示したが、コンクリートで作られた平板状部材を用いることも可能である。この場合、石膏ボード、壁紙、又は床材等の仕上げ材は必ずしも設ける必要はない。

さらにまた、実施形態では、冷媒流通部材１７等によって構成される壁の一方の面に居室が面する場合について説明したが、かかる壁の両面側にそれぞれ居室が面していてもよい。この場合、冷媒流通部材１７の両面側に、蓄冷部材２３及び石膏ボード２５を設ければよく、断熱材２８は必ずしも設ける必要はない。

また、実施形態では、冷媒加熱手段２１を介して外気を室内に供給しているが、建物３の１階の床下の空間に供給するようにしてもよい。或いは、冷却装置１は、冷媒加熱手段２１によって冷却された外気の温度が実際の室温より高い場合に、かかる冷却後の外気を屋外へ排出するように構成してもよい。例えば、冷媒加熱手段２１による冷却後の外気の温度を測定する温度センサと、室温を測定する室温センサと、外気温センサから取得した温度が室温センサから取得した温度より高い場合に、冷媒加熱手段２１から室内へ延びるダクト２４を閉じるとともに、取り入れた外気を屋外へ排出させる手段とを設けることが考えられる。

前述の実施形態では、予め設定した性能設計用露点温度及び室温に基づいて構成した冷媒加熱手段２１を用いることで、井水を性能設計用露点温度から性能設計用室温までの範囲内の温度に加熱する例を説明したが、実際の室温、湿度、及び外気温を測定し、加熱後の井水の温度が実際の露点温度以上になるように制御してもよい。例えば、測定した室温及び湿度に基づき露点温度を算出し、冷媒加熱手段２１において井水の温度や外気温に応じて井水や外気の流量を制御することで、井水の温度を前記算出した露点温度以上且つ前記測定した室温以下に調節する。これにより、より確実に結露を防ぎ、かつ室内を冷却することができる。なお、室温と室内の湿度に加えて／代えて、壁内の温度と湿度を測定し、室内の空気の露点温度に加えて／代えて壁内の露点温度（例えば、冷媒流通部材１７の表面付近の雰囲気の露点温度）を求め、熱交換後の井水が前記求めた露点温度（例えば、いずれか高いほうの露点温度）より高温になるように制御を行ってもよい。

また、上記制御において、露点温度は、予め室温及び湿度との対応関係を示すテーブルを用意しておき、該テーブルから取得するように構成してもよい。さらに、井水や外気の流量についても、予め露点温度、井水の温度、及び外気温との対応関係を示すテーブルを用意しておき、該テーブルから取得するように構成してもよい。

また、実施形態では、室温の最高値及びその時の湿度の測定値に基づいて算出した第１の露点温度を冷媒加熱手段２１の性能設計用露点温度に設定し、測定した室温最低値を冷媒加熱手段２１の性能設計用室温に設定しているが、性能設計用露点温度及び性能設計用室温の設定方法は、この例に限られない。例えば、室温の最高値及びその時の湿度の測定値に基づいて算出した第１の露点温度を冷媒加熱手段２１の性能設計用露点温度に設定し、かかる室温最高値を冷媒加熱手段２１の性能設計用室温に設定してもよい。或いは、室温の最低値及びその時の湿度の測定値に基づいて算出した第２の露点温度を冷媒加熱手段２１の性能設計用露点温度に設定し、かかる室温最低値を冷媒加熱手段２１の性能設計用室温に設定してもよい。さらに、対象地点（建物３の建設地又は建設予定地）における外気の温度（最高値、最低値、若しくは平均値）及び露点温度（最高値、最低値、若しくは平均値）を、性能設計用露点温度及び性能設計用室温としてもよい。

また、実施形態では、冷媒供給手段１９は、井水を供給する手段として説明しているが、図４に示すように、冷媒流路１５を通過した冷媒を、室温として予め設定された温度（性能設計用室温）より低い温度に冷却し、冷媒流路１５へ再供給するように構成してもよい。このような冷媒供給手段１９としては、例えば、エアコンなどに用いられるヒートポンプや地中熱ヒートポンプや吸収式冷凍機などを用いることができる。具体的には、冷媒流路１５を通過した井水を、冷媒加熱手段２１の設計時（構成時）に想定した冷媒加熱手段２１への流入冷媒の温度となるように冷却することが考えられる。なお、この場合においても、性能設計用室温ではなく、室内の空気の露点温度や壁内の露点温度を用いてもよい。

１…冷却装置、３…建物、５…壁、７…屋根、９…開口、１１…排気口、１５…冷媒流路、１７…冷媒流通部材、１９…冷媒供給手段、２１…冷媒加熱手段、２２…空間、２３…蓄冷部材、２５…石膏ボード、２７…金属層、２８…断熱材、３１…パイプ

Claims

冷媒流路を内部に有する冷媒流通部材と、
前記冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記冷媒流路に供給される冷媒を、室内の空気の露点温度として予め設定された温度より高く、且つ室温として予め設定された温度より低い温度になるように加熱する冷媒加熱手段と、
前記冷媒流通部材と室内との間に設けられた蓄冷部材と、
を備えることを特徴とする冷却装置。
前記冷媒加熱手段は、前記冷媒と外気との間で熱交換が行われるように構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記熱交換が行われた外気が前記建物内に排出されるように構成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
さらに、前記蓄冷部材と室内との間に設けられた石膏ボードを備え、
前記冷媒流通部材、前記蓄冷部材、及び前記石膏ボードは、室内に面して設けられる建物構成部材を形成している、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却装置。
前記石膏ボードは、前記蓄冷部材側の面に金属層が設けられている、ことを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
前記冷媒は井水である、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の冷却装置。
前記冷媒供給手段は、前記冷媒流路を通過した冷媒を、前記室温として予め設定された温度より低い温度に冷却し、前記冷媒流路へ再供給するように構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の冷却装置。