JP2013024523A - 蓄熱式床冷暖房システム及びそれを用いた床冷暖房方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】床下に設けられた蓄熱層と、蓄熱層を冷却又は加熱する熱源と、蓄熱層の空隙に水分を供給する水分供給手段とを備える、蓄熱式床冷暖房システムとし、当該システムを用いて、水分供給手段から蓄熱層に水分を供給し、蓄熱層中の水分飽和率を増大させ、水分飽和率を増大させた蓄熱層を前記熱源によって冷却又は加熱し、蓄熱層中に熱エネルギーを蓄え、蓄熱層中に蓄えられた熱エネルギーを床まで伝熱させることによって床を冷却又は加熱するものとする。
【選択図】図1
Description
第1の本発明は、床下に設けられるとともに空隙を有する蓄熱層と、蓄熱層を冷却又は加熱する熱源と、蓄熱層の空隙に水分を供給する水分供給手段とを備える、蓄熱式床冷暖房システムである。
水分飽和率(%)=(入水量(mL)/蓄熱層の空隙体積(cm3))×100
例えば、絶乾状態で100Lの空隙を有する蓄熱層に対して、80Lの水分を入水させた場合、水分飽和率は80%となる。水分飽和率を所定以上とすることで、蓄熱層の熱伝導性及び蓄熱性を一層向上させることができる。
本発明に係る蓄熱式床冷暖房システムは、床下に設けられるとともに空隙を有する蓄熱層と、蓄熱層を冷却又は加熱する熱源と、蓄熱層の空隙に水分を供給する水分供給手段とを備えている。
蓄熱層10は、水分供給手段30によって含水される層であり、且つ、熱源20からの熱エネルギーを蓄える層である。図2、3に蓄熱層10(10a、10b)の各層構成を概略的に示す。図1〜3に示した蓄熱層10においては、下層側が砂層11とされ、上層側が砕石層12とされている。蓄熱層10は、砂や砕石間に空隙が存在し、当該空隙に水分供給手段30から水分が供給される。
熱源20は蓄熱層10に熱エネルギーを供給する手段である。熱源20としては公知の熱源を用いることができる。図2、3に蓄熱層10に埋設される熱源20の形態(20a、20b)を概略的に示すが、特に本発明では、図2に示すように、蓄熱層10内に配管20aを埋設し、冷水又は温水を管内に循環させることによって、配管20aを介して冷水又は温水の熱エネルギーを蓄熱層10に供給する形態の熱源を用いることが好ましい。この場合、冷水又は温水はヒートポンプを用いて省エネルギー且つ低コストで得ることができる。配管20aの材質は、管内の冷水又は温水の熱エネルギーを蓄熱層10に供給可能なものであれば特に限定されるものではないが、熱伝導性の良好な材質からなるパイプを用いることが好ましい。例えば、金属管のほか、樹脂管の表面を金属箔で覆ったもの等を用いると良い。配管20aの大きさについては、特に限定されるものではない。例えば、内径10〜15mm程度のものを用いることができる。配管20a内に循環させる水の温度は、蓄熱層10の厚みや冷暖房の設定温度にもよるが、例えば、冷房時は10〜15℃、暖房時は45〜50℃程度で充分である。もちろん、必要に応じて、10℃未満の冷水或いは50℃超の温水を循環させてもよい。従来の蓄熱層とは異なり、本発明では水分供給手段30から蓄熱層10に水を供給可能とし、蓄熱層10の水分飽和率を増大させて熱伝導性及び蓄熱性を飛躍的に向上させることができるので、例えば暖房時、電気ヒータのような高温熱源を用いずとも十分な蓄熱が可能である。また、ヒートポンプを用いることで、電気ヒータを用いた場合に比して、設備コストやエネルギーコストを抑えることもできる。
水分供給手段30は蓄熱層10に水分を供給する手段である。例えば、図2、3に示すように、側面に複数の穴31、31、…が設けられた配管30を蓄熱層10に埋設し、蓄熱層10の外部から配管30内に水を供給することで、配管側面の穴31、31、…から蓄熱層10へと水を散水可能とした形態が好ましい。配管30の材質、大きさは特に限定されるものではない。例えば、内径30〜50mm程度の樹脂管或いは金属管を用いることが可能である。尚、蓄熱層10全体に均一に水分を供給する観点から、蓄熱層10内に配管30を複数埋設してもよい。供給する水源については特に限定されるものではなく、例えば、蓄熱層の外部に雨水を貯水するタンクを設け、当該タンクから配管30へと適宜雨水を流通可能なようにしておくと、資源を有効利用でき、一層環境に優しい床冷暖房システム100とすることができる。
乾燥砂層40は、蓄熱層10の下方に設けられた層である。乾燥砂層40は空隙を有しており、当該空隙が断熱層として機能する。すなわち、蓄熱層10の下方に乾燥砂層40を設けることにより、蓄熱層10からの熱が下方に逃げることを抑制することができ、蓄熱層10に蓄えられた熱を上方へと効率的に伝熱させることができる。
コンクリート層50は、蓄熱層10の上方に設けられた層である。コンクリート層50はコンクリートが密に敷設されてなり、熱伝導性や熱放射性に優れている。すなわち、蓄熱層10に蓄えられた熱エネルギーを、コンクリート層50の表面から効率的に伝熱させることができる。コンクリート層50の層厚については特に限定されるものではない。例えば80〜100mm程度とすることが好ましい。コンクリート層50が薄すぎると蓄熱層10が蓄熱性能に劣る虞があり、一方、コンクリート層50が厚すぎると、コンクリート層50の表面の温度が低くなり過ぎる虞がある。80〜100mm程度の厚さであれば、充分な強度と充分な伝熱・蓄熱性とを両立できる。
コンクリート層50の上方には根太70及び当該根太70に支えられるように床80が設置されている。コンクリート層50と床80との間には、空間60が設けられており、これにより床下の通気性を向上させることができる。また、空間60を床下収納・保管場所としても利用することができる。コンクリート層50上面から床80下面までの高さは、特に限定されるものではなく、一般的な建築条件の床下空間高さを採用できる。例えば、450〜500mm程度とすればよい。
蓄熱式床冷暖房システム100を用いることで、例えば下記のように床80を冷暖房可能である。すなわち、水分供給手段30から蓄熱層10の空隙に水分を供給し、蓄熱層10中の水分飽和率を増大させる工程と、水分飽和率を増大させた蓄熱層10を熱源20によって冷却又は加熱し、蓄熱層10に熱エネルギーを蓄える工程と、蓄熱層10に蓄えられた熱エネルギーを床80まで伝熱させることによって床を冷却又は加熱する工程とによって、床80を冷暖房可能である。特に図1に示した形態では、蓄熱層10にて充分に蓄えられたマイナスの熱エネルギー又はプラスの熱エネルギーがコンクリート層50に伝熱され、コンクリート層50の表面から対流による熱伝達或いは輻射等による熱放射によって空間60を介して床80まで伝熱され、床80が冷却又は加熱される。ここで蓄熱式床冷暖房システム100では、蓄熱層10の水分飽和率を増大させることによって、蓄熱層10の熱伝導性及び蓄熱性を飛躍的に向上させているため、熱源20を少々稼働させるだけで、蓄熱層10に充分な熱エネルギーを蓄えることができ、蓄熱層10から長時間に亘って熱エネルギーを供給することができる。すなわち、蓄熱式床冷暖房システム100によれば、例えば、夜間に熱源20を少々稼働させ、蓄熱層10に熱エネルギーを蓄えておくことで、昼間の間中は熱源20を稼働させずとも、蓄熱層10に蓄えられた熱エネルギーを利用することで、床80の冷暖房が可能となる。
図4に、本発明に係る蓄熱式床冷暖房システム100の施工方法の一例(施工方法S10)を示す。また、図5〜図10に、施工方法の各工程における蓄熱式床暖房システムの施工経過を概略的に示す。図5〜図10では、熱源20として、ヒートポンプからの冷水又は温水を用いる場合について示している。
熱伝導率の測定には図11に示すような測定システムを用いた。すなわち、物質に流れる熱流速や温度などを測定するデータローガー、熱流センサを用い、試料の部分に砂や砕石を設置し、ヒータの熱を逃さないように断熱材で囲み、上方向のみに伝熱させるようにする。ヒータから出た熱流速は試料を通り水に貯められる。この熱流速と温度とを熱流センサで測定し、一定になった値で熱伝導率を算定した。試料中の水分飽和率を変化させ、各水分飽和率における熱伝導率をそれぞれ算定した。
比熱の測定には図13に示すような測定システムを用いた。すなわち、比熱測定においては熱伝導率測定とは異なり、全体の熱を逃がさず、熱量保存の法則を適用可能な条件とする必要がある。そのため、全体を断熱材で覆い、熱の逃げ道を無くし、熱の移動は試料と水の間でのみ行われるものとした。試料と水の温度変化を測定し、温度が一定になった時の値を用いて比熱を算定した。試料中の水分飽和率を変化させ、各水分飽和率における比熱をそれぞれ算定した。
図15に、厚さ20mmの実績率60%の砕石層、厚さ20mmの実績率70%の砕石層それぞれについて、水分飽和率と熱損失との関係を示す。熱損失は、試料の下面の熱流速Q1(W/m2)と、試料の上面の熱流速Q2(W/m2)とを比較し、熱流がどれだけ損失しているのかを示すものであり、熱損失=ΔQ/Q1により算出することができる。
本発明に係る蓄熱式床冷暖房システムの効果を実証するため、図16に示すようなシステムにより実験を行った。図16の紙面左側が本発明方式であり、紙面右側が比較例としての従来方式である。図16においては、図面が煩雑となることを防ぐため一部構成について符号を省略して示している。本発明方式においては、蓄熱層10中に水分供給手段(散水パイプ)30を埋設し、パイプを介して水分を供給することによって蓄熱層10中の水分飽和率を90%程度に増大させたうえで、蓄熱層10の下層側(砂層11)に埋設した熱源20(20a又は20b)により蓄熱層10を加熱し、蓄熱層10の上面側温度(図16の測定点Aにおける温度)及び下面側温度(図16の測定点Bにおける温度)の変化を測定した。水分飽和率については、施工時(乾燥砂・砕石層)の水分飽和率を0%とし、給水量と、砂・砕石層の空隙体積とを用いて算定したものである。
一方、比較例に係るシステムにおいては、蓄熱層10中に水分供給手段30を設けず、蓄熱層10を絶乾状態とした状態で、蓄熱層10の下層側(砂層11)に埋設した熱源20bにより蓄熱層10を加熱し、蓄熱層10の上面側温度(図16の測定点Cにおける温度)及び下面側温度(図16の測定点Dにおける温度)の変化を測定した。
Claims (9)
- 床下に設けられるとともに空隙を有する蓄熱層と、前記蓄熱層を冷却又は加熱する熱源と、前記蓄熱層の前記空隙に水分を供給する水分供給手段とを備える、蓄熱式床冷暖房システム。
- ヒートポンプから循環手段を介して前記蓄熱層内に冷水又は温水を循環させて前記熱源とする、請求項1に記載の蓄熱式床冷暖房システム。
- 前記蓄熱層が砂又は砕石を含む層である、請求項1又は2に記載の蓄熱式床冷暖房システム。
- 前記蓄熱層の下方に断熱層を備え、前記蓄熱層と前記断熱層との間に、前記断熱層への水の浸入を防ぐための防水手段が設けられている、請求項1〜3のいずれかに記載の蓄熱式床冷暖房システム。
- 床板と前記蓄熱層との間にコンクリート層を備える、請求項1〜4のいずれかに記載の蓄熱式床冷暖房システム。
- 前記床板と前記コンクリート層との間に空間が設けられている、請求項5に記載の蓄熱式床冷暖房システム。
- 前記空間に存在する気体を対流させる対流手段をさらに備える、請求項6に記載の蓄熱式床冷暖房システム。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の蓄熱式床冷暖房システムを用いた床冷暖房方法であって、
前記水分供給手段から前記蓄熱層の前記空隙に水分を供給し、前記蓄熱層中の水分飽和率を増大させる工程と、水分飽和率を増大させた前記蓄熱層を前記熱源によって冷却又は加熱し、前記蓄熱層に熱エネルギーを蓄える工程と、前記蓄熱層に蓄えられた熱エネルギーを床まで伝熱させることによって床を冷却又は加熱する工程とを備える、床冷暖房方法。 - 前記蓄熱層の水分飽和率を80%以上とする、請求項8に記載の床冷暖房方法。
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