JP2012211724A - 蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システム - Google Patents

Abstract

【課題】室内の温度ムラの解消を図ると共に、室内の顕熱負荷及び潜熱負荷の処理を深夜電力で賄う蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による放射冷房システムを提供する。
【解決手段】透湿性を有する材料からなる天井材２とその上の蓄冷体としての躯体スラブ１１との間に画成された密閉状の天井裏空間４と、天井裏空間４内の空気を冷却及び除湿する空調機５と、天井裏空間４内の空気中の水蒸気を蓄湿及び放湿可能な調湿材５４からなることを特徴とする。夜間は、空調機５で天井裏空間４内の空気を冷却することによって、躯体スラブ１１を蓄冷すると共に、天井裏空間４内を除湿する。蓄冷された躯体スラブ１１は、昼間、放射及び対流により天井材２を冷却するので、この天井材２により室３内が放射冷房されると共に、室３内の空気中の水蒸気が天井材２を透過して天井裏空間４へ浸入し、調湿材５４で吸湿される。
【選択図】図１

Description

本発明は、天井からの冷熱の放射（輻射）により室内の冷房を行う天井放射冷房システムに関するものである。

従来から、室内の温湿度環境を快適にするための空調システムは、室内に空調空気を噴出する噴流式のものが主流であるが、この種の空調システムでは、室内に気流が発生し、その気流が人体に直接当たることで不快感を生じる。また、温度による空気の比重差に起因して、冷気は下に暖気は上に移動して鉛直温度分布が発生するので、不快な頭熱足寒の環境となりやすい。

そこで近年、不快な気流や室内鉛直温度分布が比較的発生しにくい輻射熱を利用した天井放射冷房システムが注目され、様々な手法が提案されている。この天井放射冷房システムには、冷水を流通させることによるものと、空気を流通させることによるものがあり、このうち、冷水を流通させることによる天井放射冷房システムとしては、躯体のコンクリート内に冷水配管を埋設した構造とするものや、天井パネルの裏に冷水配管を這わせた構造とするものがあり、空気を流通させることによる天井放射冷房システムとしては、天井裏の空間を密閉空間とし、この密閉空間内の空気を空気調和機で冷却する手法が知られている。

ところが、冷水を流通させることによる天井放射冷房システムのうち、躯体のコンクリート内に冷水配管を埋設したものは、コンクリートに一度埋設した配管は取り出すことができないのでメンテナンスが不可能であるといった問題が指摘され、天井パネルの裏に冷水配管を這わせた構造は、メンテナンスは可能であるが、冷えた配管が空気に触れることによる結露が発生するため、結露水を処理するドレンパンやドレン配管が必要であるといった問題がある。また、天井裏に設けた密閉空間の空気を空調機で冷却するものは、空気は容積比熱が小さいため、流路が長くなればなるほど天井裏空間において温度ムラを生じてしまうといった問題がある。

しかも、通常の空気噴出式の空調機は、夏季の湿度が高い時期には除湿を行っているが、上述のような天井放射冷房システムは、湿度制御機能がないため、別途、湿度制御機器が必要になるといった問題も指摘される。

一方、潜熱や蓄熱を利用した天井放射冷房システムとしては、下記の特許文献１，２のようなものが知られている。このうち、特許文献１に記載の天井輻射冷暖房システムは、単位面積あたり熱抵抗が０.０１ｍ^２・Ｋ／Ｗ以上０.４ｍ^２・Ｋ／Ｗ以下の天井材を用い、この天井材の裏側に上部及び側部が適切に断熱された密閉空間を形成して、その空間に空調空気を送り、放熱を天井材のみにすることで天井面の温度ムラを解消させたものであり、特許文献２に記載の屋内環境改善建物は、床下空間と内側通気層と天井裏空間を連通し、空調空気の流路とし、流路内に潜熱蓄熱材を用いることによって、主に深夜電力を利用可能とし、温度ムラを解消させる室６面放射冷房を提供するものである。

特開平５−１４９５８６号公報 特開２００６−１１２２１０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の天井輻射冷暖房システムは、熱放射を天井面のみにすることで温度ムラの解消を図ることができると共に、躯体に奪われる熱が少なくなるので空調立ち上げ時の負荷を抑えることができるものではあるが、室内で発生する熱負荷に対してタイムリーな処理となるため、冷房を特に必要とする夏季の昼間は、深夜の余剰電力ではないエネルギーを消費することになる。また、深夜電力を利用可能とするために他の設備を導入すると、近年、オール電化の普及によって、深夜電力プラン契約者が多数存在する中、昼間の電力料金が高いプランの契約者にはコスト増につながってしまう問題がある。

また、特許文献２に記載の屋内環境改善建物は、潜熱蓄熱材を用いて、深夜電力を利用するシステムであるため、二酸化炭素の排出量の削減に貢献することができるが、高価な潜熱蓄熱材を利用して温度ムラの解消を行っているため、イニシャルコストが高くなってしまう問題がある。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、室内の冷房における温度ムラや気流による不快感の解消を図ると共に、室内の顕熱負荷及び潜熱負荷の処理を深夜の余剰電力で賄うことの可能な蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による放射冷房システムを提供することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システムは、透湿性を有する材料からなる天井材と、その上の蓄冷体としての躯体スラブと、この天井材と躯体スラブの間に画成された密閉状の天井裏空間と、前記天井裏空間内の空気を冷却及び除湿する空調機と、前記天井裏空間内の空気中の水蒸気を蓄湿及び放湿可能な調湿材からなることを特徴とするものである。

請求項１の構成によれば、夜間、例えば深夜電力時間帯に、空調機で天井裏空間内の空気を冷却することによって、躯体スラブを蓄冷すると共に、前記天井裏空間内を除湿する。蓄冷された（冷やされた）躯体スラブは、昼間の空調機の運転停止後、冷熱放射及び天井裏空間内の空気の対流により天井材を冷却するので、この冷却された天井材によって室内が放射冷房され、室内の顕熱負荷が処理される。

一方、天井裏空間内は夜間の空調機による除湿によって乾燥状態となっているので、昼間は、室内の空気中の水蒸気が透湿性を有する天井材を透過して天井裏空間へ浸入し、調湿材に吸収（蓄湿）され、すなわち室内の潜熱負荷が処理される。蓄湿された調湿材は、夜間の空調機の運転によって放湿され除湿される。このため、空調機による冷却・乾燥空気は、調湿材の除湿により潜熱を処理した後に天井裏密閉空間内に拡散して、間接的に蓄冷が行われるため、躯体スラブの表面や天井材の表面の温度ムラが軽減される。

請求項２の発明に係る蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システムは、請求項１の構成において、空調空気の噴き出し通路が調湿材からなることを特徴とするものである。

請求項２の構成によれば、空調空気の噴き出し通路が調湿材からなるため、天井裏空間内に調湿材を別途に配置する必要がなく、しかも気流が調湿材によって阻害されることがないので、天井裏空間内に良好な旋回流が形成され、躯体スラブに温度ムラができにくくなり、効率良く蓄冷することができる。

請求項３の発明に係る蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システムは、請求項１又は２の構成において、天井材が調湿材を兼ねることを特徴とするものである。

請求項３の構成によれば、天井材が調湿材を兼ねることによって、天井材が透湿性ばかりでなく吸湿性による蓄湿機能を有するので、室内の潜熱負荷に対する処理機能を高めることができる。

請求項４の発明に係る蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システムは、請求項１〜３のいずれかの構成において、調湿材が、天井裏空間内に、空調空気の噴き出し口と対向して配置されたことを特徴とするものである。

請求項４の構成によれば、空調機からの空調空気は、噴き出し口から噴き出されて調湿材にぶつかり、蓄湿されたこの調湿材を除湿することにより潜熱を処理しながら天井裏空間内に拡散して躯体スラブへの間接的な蓄冷が行われる。

請求項５の発明に係る蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システムは、請求項１〜４のいずれかの構成において、躯体スラブの上面に断熱材が敷設されたことを特徴とするものである。

請求項５の構成によれば、空調機で天井裏空間内の空気を冷却することによる躯体スラブの蓄冷によって、積層型建築物において、上階の床面に結露が発生するのを防止することができ、しかも躯体スラブから上階への放冷が断熱材によって抑制されるので、十分に蓄冷することができる。

本発明に係る蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システムによれば、夏季において上下温度分布を解消した気流感のない静穏な快適環境を提供することができ、しかも湿度制御機器を別途用いることなく室内の潜熱処理を行うと共に温度ムラの解消を図ることができ、深夜の安価な余剰電力を利用して室内の顕熱負荷、潜熱負荷の処理を賄うことができるので、昼間の電力消費量を低減することができ、昼間と夜間でのエネルギー使用量の平準化及び二酸化炭素排出量の削減にも貢献することができる。

本発明に係る蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システムの好ましい実施の形態を示す概略構成説明図である。 本発明に係る蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システムの好ましい実施の形態による昼間の顕熱及び潜熱の流れを示す作用説明図である。 本発明に係る蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システムの好ましい実施の形態による夜間の顕熱及び潜熱の流れを示す作用説明図である。 空調機のダクトの噴き出し口を調湿材で形成した例を示す説明図である。 空調機のダクトの噴き出し口を調湿材で形成した場合の天井裏空間の気流シミュレーション結果を示す説明図である。

以下、本発明に係る蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システムの好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１はこの実施の形態を示す概略構成説明図、図２及び図３は作用説明図である。

まず図１において、参照符号１は鉄骨・鉄筋コンクリート造りの積層型建築物の躯体であって、１１は躯体スラブ、１２は躯体側壁、１３はバルコニーである。すなわち躯体スラブ１１、躯体側壁１２及びバルコニー１３は鉄骨・鉄筋コンクリートからなる。

躯体スラブ１１の下側には天井材２が設置されており、この天井材２によって、各躯体スラブ１１,１１間の空間は、居住室３と天井裏空間４に仕切られている。天井裏空間４は、躯体スラブ１１と躯体側壁１２と天井材２に包囲されることによって密閉状の空間となっている。また、躯体スラブ１１の上面とその上の不図示の床材との間、及び躯体側壁１２の内面と不図示の壁装材との間には、断熱材１４が介装されている。

参照符号５は空調機で、天井裏空間４に設置された室内機５１と、躯体１の外部に設置された室外機５２を備え、室内機５１と室外機５２の間で、冷媒を、液相−気相の可逆変化を伴いながら循環させることによって、室内機５１において天井裏空間４内の空気から熱を吸収し、吸収した熱を室外機５２において外部へ放出するヒートポンプ機能を奏するものである。

空調機５における室内機５１は、不図示の吸気口から天井裏空間４内の空気を取り入れて、冷媒の吸熱作用により冷却された空気を、ダクト５３を介して天井裏空間４へ噴き出すことにより、密閉状の天井裏空間４内の空気を循環させながら冷却するものである。

天井材２は、水蒸気の通過を許容する透湿性及び水蒸気を吸収する吸湿性に優れた多孔質材料からなるものであって、例えば石膏ボードからなるものが好適に用いられる。

また、天井裏空間４内には、空調機５におけるダクト５３の先端の、上向きに開口した噴き出し口５３ａに対向して板状の調湿材５４が略水平に配置されている。この調湿材５４としては、吸湿性及び放湿性に優れた市販の調湿建材のほか、珪藻土や炭、炭化物セラミックなど、低湿時と高湿時における平衡含水率に差がある材質が好適に使用することができる。

以上のように構成された本発明の実施の形態の天井放射冷房システムによれば、夏季の昼間においては、図２に示すように、居住室３内の高温・多湿の空気は、夜間に空調機５の駆動によって蓄冷された躯体スラブ１１からの冷熱放射及び天井裏空間４内の空気の対流により冷却された天井材２によって放射冷房され、言い換えれば、居住室３内の空気のもつ顕熱ＳＨは適度な熱伝導性を有する天井材２を介して天井裏空間４内へ取り込まれ、さらに躯体スラブ１１に取り込まれて蓄熱される。一方、居住室３内の空気のもつ潜熱ＬＨは、空気中の水蒸気Ｖと共に、透湿性に優れた多孔質の天井材２を通過して天井裏空間４内へ浸入し、調湿材５４に吸収される。また、天井材２は透湿性ばかりでなく吸湿性にも優れた材質からなるため、調湿材の機能も兼ねており、居住室３内の空気のもつ潜熱ＬＨ（水蒸気Ｖ）の一部は、この天井材２にも吸収され、蓄湿される。すなわち、居住室３から天井材２への吸湿量と、天井材２から天井裏空間４内への放湿量の差が、天井材２への蓄湿量となる。そしてこのような蓄熱・蓄湿作用によって、昼間の居住室３内の顕熱負荷及び潜熱負荷が処理される。

また夜間、とくに深夜電力時間帯は、図３に示すように空調機５を駆動させる。先に説明したように、空調機５は、室内機５１と室外機５２の間でのヒートポンプ作用によって、天井裏空間４内の熱（顕熱ＳＨ及び潜熱ＬＨ）を外部へ放出すると共に除湿を行うものである。

詳しくは、天井裏空間４から空調機５の室内機５１に取り込まれた空気がこの室内機５１内で冷却される際には、空気に含まれる水蒸気Ｖが凝縮され、液化してドレン水Ｄとなって躯体１の外部へ排出されるので、ダクト５３を介して噴出する冷却空気Ａは相対湿度が低いものとなっている。このため昼間、調湿材５４の吸湿作用によってこの調湿材５４に蓄湿された水蒸気Ｖは、ダクト５３の噴き出し口５３ａからの乾燥・冷却空気Ａが調湿材５４に噴き付けられることによって天井裏空間４に効率良く放出（放湿）され、その後、室内機５１内に取り込まれて凝縮され、ドレン水Ｄとして除去されることになる。このとき、室内機５１内の熱交換器で水蒸気Ｖが凝縮して液化する際の潜熱ＬＨは、冷媒により室外機５２に運ばれ、室外機５２内の熱交換器から躯体１の外部へ放出される。

また、天井材２に蓄湿された水蒸気Ｖも、上述と同様に、天井裏空間４へ効率良く放出（放湿）され、室内機５１内に取り込まれて凝縮され、ドレン水Ｄとして除去されると共に、凝縮の際の潜熱ＬＨが室外機５２へ運ばれて放出される。そして、このようにして天井裏空間４及び天井材２が除湿されるので、夜間も継続して、居住室３の潜熱ＬＨが空気中の水蒸気Ｖと共に天井材２を通過（居住室３から天井材２への吸湿及び天井材２から天井裏空間４への放湿）して天井裏空間４内へ取り込まれ、空調機５によって上述と同様に処理される。

空調機５の駆動によって密閉状の天井裏空間４の空気が冷却されて行くと、これに伴い、昼間の間に蓄熱されることにより昇温した躯体スラブ１１から天井裏空間４への顕熱ＳＨの放出が行われ、言い換えれば躯体スラブ１１への蓄冷が行われる。一方、居住室３の顕熱ＳＨも天井材２を介して天井裏空間４へ放出され、言い換えれば適度な熱伝導性を有する天井材２を介して居住室３への冷熱放射が行われる。そして、天井裏空間４へ放出された顕熱ＳＨは、空気と共に空調機５の室内機５１に取り込まれ、空調機５のヒートポンプ機能により躯体１の外部へ放出される。

また、空調機５の室内機５１から噴き出される冷却空気Ａは、調湿材５４の潜熱を処理した後に天井裏空間４内に水平に拡散し、放射によって、間接的に躯体スラブ１１への蓄冷が行われるため、躯体スラブ１１の表面の温度ムラや天井材２の表面の温度ムラが軽減される。

ここで、躯体スラブ１１の上面は断熱材１４の敷設によって断熱されているため、躯体スラブ１１の蓄冷によって、上階の床面に結露が発生するのを有効に防止することができる。

そしてコンクリートからなる躯体スラブ１１は熱容量が大きく、しかも躯体スラブ１１の上面が断熱材１４によって断熱されているため、躯体スラブ１１に蓄積される冷熱が、上階の居住室へ容易に放出されてしまうようなこともない。したがって、夜間の空調機５の駆動によって、朝までの間に躯体スラブ１１が十分に蓄冷される（冷やされる）と共に、調湿材５４及び天井材２が十分に除湿されて乾燥状態となる。

したがって、空調機５が停止した後（昼間）は、先に説明したように、居住室３が、蓄冷された躯体スラブ１１からの冷熱放射及び天井裏空間４内の空気の対流により冷却された天井材２によって放射冷房され、顕熱負荷が処理されると共に、居住室３内の水蒸気Ｖが、透湿性を有する天井材２を通過し（一部は天井材２に吸収され）、天井裏空間４内の調湿材５４に吸収され蓄湿されることによって、居住室３内の潜熱負荷が処理されるのである。しかも、室内に空調空気を噴出する噴流式の空調システムと異なり、居住室３内に顕著な気流を発生させないので、気流が人体に直接当たることによる不快感を生じることがなく、天井材２からの冷熱放射によるものなので、温度の異なる空気の比重差による鉛直温度分布を生じにくく、かつ適度に除湿されるので、快適な居住環境を創出することができる。

また、躯体スラブ１１への蓄冷のための空調機５の運転は、上述のように、深夜電力の時間帯に行われる。すなわち、電力使用量の少ない深夜の時間帯は、電力供給量が過剰となっているため安価に提供されており、したがってこのような深夜電力を利用して空調機５を運転することにより、電力料金を節減することができる。しかも、深夜の余剰電力を用いることで昼間の電力消費量を低減することができ、その結果、昼と夜のエネルギー使用量の平準化、ひいては大気中への二酸化炭素排出量の削減に貢献することができる。

なお、上述の説明では、便宜上、空調機５の運転によって躯体スラブ１１に蓄冷されるものとしたが、実際には躯体側壁１２のうち天井裏空間４を取り囲んだ部分１２ａ（図２及び図３参照）にも蓄冷されることになる。

また、市販のダクト式の空調機５を用いた放射冷房システムであるため、躯体のコンクリート内に冷水配管を埋設したものなどとは異なり、例えば開閉可能な点検口（不図示）を天井材２に設けておくことによって、メンテナンスを容易に行うことができる。

また、上述の形態ではダクト５３からの乾燥した低温の空気Ａを板状の調湿材５４にその下側から噴き付けているが、その噴き出し方向や調湿材５４の方向については特に限定しない。また、図４に示すように、空調空気の噴き出し通路であるダクト５３、及び（又は）その先端の噴き出し口５３ａを調湿材５４で形成して、天井裏空間４内へ冷却空気Ａを水平方向へ噴き出すようにすることも好ましい。このように構成することによって、図５に気流シミュレーション結果を示すように、天井裏空間４内で旋回流が形成され、上面の躯体スラブに温度ムラができにくくなり、効率良く蓄冷することができる。

また、上述の形態では、天井材２には湿気伝導率（透湿性）が高く、水分を通しやすい石膏ボードを用いたが、低湿時と高湿時の平衡含水率の差が大きい材質ほど好適である。そして天井材２の熱伝導率は、高すぎると夜間の躯体スラブ１１への蓄冷時に、居住室３内へ冷気が漏れやすくなるため、蓄冷の効率が低下するおそれや、夜間に居住室３内が過冷却になるおそれがあり、逆に低すぎると天井裏空間４の冷熱を居住室３内へ放射する機能が阻害されるため、地域による気候の差などの条件を考慮して、適切な熱伝導率を有する材料が選択される。

１ 躯体
１１ 躯体スラブ
１２ 躯体側壁
１４ 断熱材
２ 天井材
３ 居住室
４ 天井裏空間
５ 空調機
５１ 室内機
５２ 室外機
５３ ダクト（噴き出し通路）
５３ａ 噴き出し口（噴き出し通路）
５４ 調湿材

Claims (5)

1. 透湿性を有する材料からなる天井材と、その上の蓄冷体としての躯体スラブと、この天井材と躯体スラブの間に画成された密閉状の天井裏空間と、前記天井裏空間内の空気を冷却及び除湿する空調機と、前記天井裏空間内の空気中の水蒸気を蓄湿及び放湿可能な調湿材からなることを特徴とする蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システム。
2. 空調空気の噴き出し通路が調湿材からなることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システム。
3. 天井材が調湿材を兼ねることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システム。
4. 調湿材が、天井裏空間内に、空調空気の噴き出し口と対向して配置されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システム。
5. 躯体スラブの上面に断熱材が敷設されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の蓄冷・放冷及び蓄湿・放湿による天井放射冷房システム。

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