JP2018179411A - 空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】風量及び風速を抑えつつ、空調空気を室内に広く到達させることができる空調システムを提供する。【解決手段】空調システム１０は、天井面Ｃから下方に突出し、天井面Ｃに沿う一方向に延び、平行配置された複数の突出部１と、隣り合う突出部１の間に設けられ、一方向を向き、空調空気が吹き出される吹出口３と、を備え、突出部１の高さＨ１は、吹出口３の高さＨ３と略同一であり、隣り合う突出部１の離間距離Ｗ１は、吹出し口３の幅Ｗ３と略同一である。【選択図】図２

Description

本発明は、空調システムに関するものである。

従来から、低階高の学校教室等では、躯体と天井仕上材との間に形成された空間（天井裏空間）に冷暖房機器やダクト等を設置すると、天井高さが低くなってしまう。このため、廊下の天井裏空間等に機器やダクトを設置し、教室内の廊下側の壁にノズル等の吹出口を設けて、壁から教室内に向かって吹出す空調方式が多く採用されてきた。また、大空間の空調としても、ノズル型吹出口を採用し、大風量の吹出し空気（空調空気）を室内へ送風する方式が一般的であった。

しかしながら、上記の方式では、吹出し空気と室内空気との温度差により、ノズルからの気流が室内の床に向かって下方に吹き下ろされることで、室内を均等に空調できなかったり、上下温度分布に差が生じたり、ドラフト感を引き起こしてしまったり等の問題が生じる懸念があった。また、ノズル型吹出口が壁に設置されるため、意匠性の点で自由度が低かった。

そこで、コアンダ効果を利用した空調方式が提案されている（下記の特許文献１〜３参照）。コアンダ効果とは、粘性流体が近くの壁に引き寄せられる現象である。空調において、吹出口から空気を天井面に沿わせて吹き出すことで、天井面に沿って流れる気流が形成されることが知られている。したがって、この現象に関わる諸条件を適切に整えることができれば、冷風は室端部まで天井面に沿って流れ、より効率的で快適な空調が期待できる。

特開２０１１−２２６７３９号公報 特開２００３−２１４６５７号公報 特開２０１４−１３０９７号公報

しかしながら、夏期には、冷房により、室温よりも温度の低い空気が吹き出される。よって、室内空気よりも温度が低く密度が大きい吹出し空気に対して、コアンダ効果による天井方向への誘因力よりも、重力による床方向への力が大きい場合には、吹出し空気が天井面から剥離（離間）し、ノズル方式と同様にドラフト感を引き起こす可能性がある。このため、従来は、コアンダ効果を利用した空調においても、天井面からの冷風の剥離を抑止するために、風量を多くし及び風速を速くして吹き出す必要があり、室温にむらが生じる等の問題点がある。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、風量及び風速を抑えつつ、空調空気を室内に広く到達させることができる空調システムを提供する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る空調システムは、天井面から下方に突出し、前記天井面に沿う一方向に延び、平行配置された複数の突出部と、隣り合う前記突出部の間に設けられ、前記一方向を向き、空調空気が吹き出される吹出口と、を備えることを特徴とする。

このように構成された空調システムでは、天井面には複数の突出部が設けられ、複数の突出部の間に設けられた吹出口から空調空気が吹出される。一般的に、吹出口から吹き出された空調空気では、周囲の空気を巻き込む面が小さい方が、風速をより維持できる。よって、天井面及び隣り合う突出部で形成された凹溝に対し、空調空気が吹き出されることで、通常のフラットな天井よりもコアンダ効果が有効に発現し、気流到達距離が延長される。したがって、風量及び風速を抑えつつ、空調空気を室内に広く到達させることができる。

また、本発明に係る空調システムは、前記突出部の高さは、前記吹出口の高さと略同一であり、隣り合う前記突出部の離間距離は、前記吹出口の幅と略同一であることが好ましい。

このように構成された空調システムでは、突出部の高さは吹出口の高さと略同一であり、突出部間の離間距離は吹出口の幅と略同一である。よって、吹出口から吹き出された空調空気は、天井面と突出部とで形成される角部に沿って流れ、コアンダ効果がより有効に発現する。

また、本発明に係る空調システムは、前記天井面及び前記突出部が設けられた天井板を備えていてもよい。

このように構成された空調システムでは、天井面及び突出部が設けられた天井板を天井に設置すれば凹溝が形成されるため、施工性が良い。

また、本発明に係る空調システムは、前記一方向は、インテリア側からペリメーター側を向く方向であってもよい。

このように構成された空調システムでは、吹出口はインテリア側からペリメーター側を向いているため、室内における外気との温度が大きい窓側に空調空気を供給することができる。

本発明に係る空調システムによれば、風量及び風速を抑えつつ、空調空気を室内に広く到達させることができる空調システムを提供する。

本発明の一実施形態に係る空調システムを示す図である。 本発明の一実施形態に係る空調システムの要部を示す図である。 数値流体解析によるシミュレーション検討において、（ａ）一般的なノズル案のモデルを示す図であり、（ｂ）本発明の一実施形態に係るリブ利用案のモデルを示す図である。 室中心における温度のシミュレーション結果を示し、（ａ）ノズル案を示す図であり、（ｂ）リブ利用案を示す図である。 室中心における風速のシミュレーション結果を示し、（ａ）ノズル案を示す図であり、（ｂ）リブ利用案を示す図である。 実大モックアップによる性能検証におけるモックアップの概要を示す図である。 図６のＡ−Ａ線断面図である。 図６のＢ−Ｂ線断面図である。 実大モックアップによる性能検証における溝の断面に対する測定点の位置関係を示す図である。 吹き出し風速２ｍ／ｓにおいて、吹出し口からの距離と、天井の溝断面中心における風速との関係を示す図である。 吹き出し風速３ｍ／ｓにおいて、吹出し口からの距離と、天井の溝断面中心における風速との関係を示す図である。 数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルを示す図である。 数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルにおいて、天井直下平面の風速分布を示し、（ａ）条件１の結果を示す図であり、（ｂ）条件２の結果を示す図であり、（ｃ）条件３の結果を示す図であり、（ｄ）条件４の結果を示す図である。 数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルにおいて、天井直下平面の風速分布を示し、（ａ）条件５の結果を示す図であり、（ｂ）条件６の結果を示す図である。 数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルにおいて、室中央断面の風速分布を示し、（ａ）条件１でｘ＝３５００の断面図であり、（ｂ）条件２でｘ＝５０００の断面図であり、（ｃ）条件２でｘ＝４４００の断面図であり、（ｄ）条件３でｘ＝１５００の断面図である。 数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルにおいて、室中央断面の風速分布を示し、（ａ）条件４でｘ＝３０００の断面図であり、（ｂ）条件４でｘ＝３９００の断面図であり、（ｃ）条件５でｘ＝３０００の断面図であり、（ｄ）条件６でｘ＝２５００の断面図である。

本発明の一実施形態に係る空調システムについて、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る空調システムを示す図である。図２は、本発明の一実施形態に係る空調システムの要部を示す図である。
図１及び図２に示すように、空調システム１０は、大学の講義室等の低階高の学校教室の室内に設置されている。空調システム１０は、天井面Ｃに沿って設けられた複数のリブ（突出部）１と、天井面Ｃに沿って設けられた空調チャンバー２と、空調チャンバー２に設けられた吹出口３と、を備えている。

各リブ１は、天井面Ｃに沿って設けられている。リブ１は天井面Ｃから下方に突出している。リブ１は、天井面Ｃに沿う一方向に延びている。本実施形態では、リブ１は、窓Ｗ側を向く方向（インテリア側からペリメータ側）に延びている。複数のリブ１は、平行配置されている。隣り合うリブ１の対向する面１１及び天井面Ｃにより、凹溝１２が形成されている。

空調チャンバー２は、壁Ｖの上端に、天井面Ｃに沿って設けられている。空調チャンバー２にはダクト４が接続されている。

空調チャンバー２には、天井面Ｃに沿って吹出口３が設けられている。リブ１を延在方向から正面視して、吹出口３は、隣り合うリブ１の間に配置されている。吹出口３は、窓Ｗ側を向いている。なお、本実施形態では、吹出口３から窓Ｗまでの距離は８ｍ程度である。

具体的には、吹出口３は、リブ１を延在方向から正面視して、長方形状をなしている。吹出口３の高さＨ３とリブ１の高さＨ１とは、同一である。また、吹出口３の幅Ｗ３と隣り合うリブ１の離間距離Ｗ１は、略同一である。なお、吹出口３の高さと幅とをかけあわせた面積を、開口断面積と称することがある。

このように構成された空調システム１０では、天井面Ｃには複数のリブ１が設けられ、複数のリブ１の間に設けられた吹出口３から空調空気が吹出される。一般的に吹出口３から吹き出された空調空気では、周囲の空気を巻き込む面が小さい方が、風速をより維持できる。よって、天井面Ｃ及び隣り合うリブ１で形成された凹溝１２に対し、空調空気が吹き出されることで、通常のフラットな天井よりもコアンダ効果が有効に発現し、気流到達距離が延長される。したがって、風量及び風速を抑えつつ、空調空気を室内に広く到達させることができる。
従来のノズルを用いた方法であると３〜５ｍ／ｓ程度の風速で吹き出す必要がある。しかしながら、本発明では、上述のとおり有効にコアンダ効果が発現し、より小さい風速及び風量で気流を室奥に到達させることが可能となる。

また、リブ１の高さＨ１は吹出口３の高さＨ３と略同一であり、リブ１間の離間距離Ｗ１は吹出口３の幅Ｗ３と略同一である。よって、吹出口３から吹き出された空調空気は、天井面Ｃとリブ１とで形成される角部に沿って流れ、コアンダ効果がより有効に発現する。

また、吹出口３はインテリア側からペリメーター側を向いているため、室内における外気との温度が大きい窓Ｗ側に空調空気を供給することができる。

次に、１．数値流体解析によるシミュレーション検討を行った。汎用熱流体解析ソフトウェアであるＳＴＲＥＡＭを用いて、本発明の効果を検証した。

図３は、数値流体解析によるシミュレーション検討において、（ａ）一般的なノズル案のモデルを示す図であり、（ｂ）本発明の一実施形態に係るリブ利用案のモデルを示す図である。
図３に示すように、モデルは、一般的なノズル案と、本発明の一実施形態に係るリブ利用案との２種とした。

リブを有する天井に合わせて建築施工で製作したＳＡとＳＯＡとを混合させて供給するものを想定し、ここではリブ利用案とする。吹出し風速は，ノズル案が３．３６ｍ／ｓ、リブ利用案が１．６１ｍ／ｓである。開口断面積はノズル案が２４０φとし０．０４４１ｍ^２、リブ利用案がｗ３００×ｈ１２５ｍｍ＝０．０３７５ｍ^２である。したがって、各条件における吹出し口１つからの風量は、ノズル案が５３３ｍ^３／ｈ、リブ利用案が２１７ｍ^３／ｈとなる。吹出し温度はノズル案が１６．８℃、リブ利用案が１９．７℃であり、室温を２６℃に制御するものとしている。その他の条件として、窓面は北西面を向いていると仮定し、日射負荷については夏期に負荷の大きい１７時の値を採用している。室内の負荷は人体と照明を考慮しており、５０人が在室する想定である。乱流モデルはｋ−εモデルとした。

図４は、室中心における温度のシミュレーション結果を示し、（ａ）ノズル案を示す図であり、（ｂ）リブ利用案を示す図である。図５は、室中心における風速のシミュレーション結果を示し、（ａ）ノズル案を示す図であり、リブ利用案を示す図である。
図４及び図５に示すように、ノズル案に比べて吹出し風速が遅く風量が半分以下であるリブ利用案においても、窓面まで気流が届いている様子が確認でき、期待した性能を満足する結果を得ることができた。

次に、２．実大モックアップによる性能検証を行った。本発明の実寸大モックアップを製作し、その性能を検証した。

図６は、実大モックアップによる性能検証におけるモックアップの概要を示す図である。図７は、図６のＡ−Ａ線断面図である。図８は、図６のＢ−Ｂ線断面図である。
図６から図８に示すように、実験スペース全体は、大きな執務空間を壁面Ｕで区画することで形成される約９５００×６４００×３０００ｍｍの室である。天井面は，フラットな平面に対しｗ２００×ｈ１００ｍｍのリブが３本、その両外側にｗ１００×ｈ１００ｍｍのリブが１本ずつ並んで取り付けられている。したがって、このリブ間にはｗ３００×ｈ１００ｍｍの溝（凹溝）が４つ形成されるが、端部に吹出し口を有し実際に気流が流れるのは、内側の溝１及び溝２である。

空調設備は、冷却水循環装置（東京理化器械：ＣＡ−４１１０）、ファンコイルユニット（新晃工業：ＳＣＲ−ＰＢ−８００）、ダクト接続チャンバー、吹出しチャンバーから構成される。吹出し口から窓面までの距離は７６００ｍｍであった。

本検証では、天井の溝内で風速を測定するとともに、スモークによって気流を可視化し、その振舞いを観察した。

表１に検討した実験条件を示す。

パラメータとして、吹出し温度及び吹出し風速（風量）を設定した。また、リブ設置の効果を検証すべく、パターン２〜４の吹出し条件ではリブのないフラットな天井での検証も併せて実施し、冷風の挙動を比較した。室温は成行きで変化していたが、風速測定時や可視化時には２６℃程度であった。

１ｍ／ｓ吹出しでは窓面まで気流が到達しない一方で、２ｍ／ｓ吹出しでは吹出し口から６ｍ付近の位置でも天井直下を冷風が流れており、３ｍ／ｓ吹出しでは十分な風速を維持したまま窓面まで気流が到達する様子が確認された。

さらに，天井面がフラットな条件では、２ｍ／ｓ吹出しでは吹出し後すぐに冷風が天井面を剥離し，床方向へ吹き下りる挙動が観察された。また、３ｍ／ｓ吹出しであっても吹出し温度が１５℃と低い場合には、気流が吹出し口から２〜３ｍ付近で剥離してしまう結果となった。さらに、３ｍ／ｓ、１９．５℃吹出しでは、吹出し口から６m付近で冷風が天井直下を流れている様子が観察されたものの、その挙動は非常に乱れており、窓面近傍に執務者がいた場合にはドラフト感を与えることが懸念された。

次に、吹出し口から所定の距離だけ離れた天井の溝１内にて風速を測定した。
図９は、実大モックアップによる性能検証における溝の断面に対する測定点の位置関係を示す図である。図１０は、吹き出し風速２ｍ／ｓにおいて、吹出し口からの距離と、天井の溝断面中心における風速との関係を示す図である。図１１は、吹き出し風速３ｍ／ｓにおいて、吹出し口からの距離と、天井の溝断面中心における風速との関係を示す図である。
図１０及び図１１に示すように、天井がフラットな条件に比べ、本発明ではどの吹出しパターンにおいても、より速い風速で天井近傍を気流が流れていた。以上より，本発明はペリメーターへ冷風を効率的に供給できることを確認できた。

次に、３．数値流体解析による本発明適用可能性の検討を行った。
上記の１．数値流体解析によるシミュレーション検討及び２．実大モックアップによる性能検証では、ｗ３００×ｈ１２５ｍｍ（解析）、ｗ３００×ｈ１００ｍｍ（実験）の開口が同じ高さのリブに挟まれた溝を有する天井を対象としており、それらの寸法が異なる場合における本発明の適用可能な範囲が明確でない。そこで、適用条件をある程度絞り込むため簡易な室形状のモデルを作成し、開口幅及びリブ間隔やリブ高さを変更して解析することで、各条件下における冷風の挙動を検討した。

表２に各解析条件を示す。

図１２は、数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルを示す図であり、解析モデルの一例である。
解析にはＦｌｏｗ Ｄｅｓｉｇｎｅｒを使用した。吹出し条件は温度１５℃、風速３．０ｍ／ｓとした。また、室温は２６℃となるように窓面と室内に負荷を与えた。したがって、吹出し気流と室温との温度差は１１℃である。モックアップと同寸法の開口を持つ条件１を基準とし、まず開口幅を５００ｍｍに変更してリブ間隔をそれに追従させた条件２の検討を行った。

図１３は、数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルにおいて、天井直下平面の風速分布を示し、（ａ）条件１の結果を示す図であり、（ｂ）条件２の結果を示す図であり、（ｃ）条件３の結果を示す図であり、（ｄ）条件４の結果を示す図である。図１４は、数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルにおいて、天井直下平面の風速分布を示し、（ａ）条件５の結果を示す図であり、（ｂ）条件６の結果を示す図である。図１５は、数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルにおいて、室中央断面の風速分布を示し、（ａ）条件１でｘ＝３５００の断面図であり、（ｂ）条件２でｘ＝５０００の断面図であり、（ｃ）条件２でｘ＝４４００の断面図であり、（ｄ）条件３でｘ＝１５００の断面図である。図１６は、数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルにおいて、室中央断面の風速分布を示し、（ａ）条件４でｘ＝３０００の断面図であり、（ｂ）条件４でｘ＝３９００の断面図であり、（ｃ）条件５でｘ＝３０００の断面図であり、（ｄ）条件６でｘ＝２５００の断面図である。
条件１，２の結果を図１３（ａ），（ｂ）及び図１５（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。開口幅３００ｍｍで窓面まで届いていた気流が５００ｍｍでは到達しない結果となった。ｚ＝２９５０断面の結果から、条件２では天井面付近で逆流が生じているが、この逆流に溝内の気流の軌道が乱され、溝から気流が離脱し、床面方向へ流れていくものと考えられた（図１５（ｂ），（ｃ））。

したがって、リブの高さを大きくし、逆流の影響を弱めるとともに溝からの気流の離脱を防ぐことで、開口幅５００ｍｍで同じ吹出し条件であっても気流が窓面まで到達し得ると考えられた。条件２のリブ高さを１５０ｍｍにしたものを条件３として解析した結果を図１３（ｃ）及び図１５（ｄ）に示す。リブの高さを大きくしたことで逆流による干渉が減り、気流が溝からあふれることなく窓面に到達する様子が確認された。

また、開口幅を１０００ｍｍに、リブ高さを１５０ｍｍにした条件４の結果を図１３（ｄ）及び図１６（ａ），（ｂ）に示すが、この条件では条件２と同様、溝からの気流の離脱がみられた。

条件４のリブ高さを２００ｍｍに変更した条件５の結果を図１４（ａ）及び図１６（ｃ）に示す。図１３（ｄ）に比べ気流の偏りが減り、窓面までの到達距離が伸びている。

以上より、開口幅は狭い方が気流は溝内を流れやすいが、リブの高さを調整することで、１ｍ程度の開口幅まで対応できることが確認された。

また、比較として、条件１のリブを排除した条件６でも解析を行った。結果を図１４（ｂ）及び図１６（ｄ）に示す。リブを排除することで窓面からの逆流によって吹出し口から３ｍ程度までしか気流が到達しなくなり、本解析条件においてもリブが存在する意義を裏付ける結果が得られた。

なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、天井面及び突出部が設けられた天井板を備えていてもよい。つまり、チャンネル型の断面を有するＦＣ板等の天井板に対し、その形状に合わせて吹出しチャンバーを製作し本発明を適用することで、ＦＣ板の凹溝が上記の凹溝と同じ役割を果たし、同様の効果が得られる。この場合には、天井面に対するリブの施工が不要となり、天井面及び突出部が設けられた天井板を天井に設置すれば凹溝が形成されるため、施工性が良い。

また、上記に示す実施形態では、吹出口の高さとリブの高さとは同一であり、吹出口の幅と隣り合うリブの離間距離は略同一であるが、本発明はこれに限られない。吹出口は、隣り合う突出部の間に設けられていればよく、吹出口の高さがリブの高さよりも小さくてもよく、吹出口の幅が隣り合うリブの離間距離よりも短くてもよい。

１…リブ（突出部）
２…空調チャンバー
３…吹出口
４…ダクト
１０…空調システム
１２…凹溝
Ｃ…天井面
Ｖ…壁
Ｗ…窓（ペリメーター）

Claims (4)

1. 天井面から下方に突出し、前記天井面に沿う一方向に延び、平行配置された複数の突出部と、
   隣り合う前記突出部の間に設けられ、前記一方向を向き、空調空気が吹き出される吹出口と、を備えることを特徴とする空調システム。
2. 前記突出部の高さは、前記吹出口の高さと略同一であり、
   隣り合う前記突出部の離間距離は、前記吹出口の幅と略同一であることを特徴とする請求項１に記載の空調システム。
3. 前記天井面及び前記突出部が設けられた天井板を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の空調システム。
4. 前記一方向は、インテリア側からペリメーター側を向く方向であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の空調システム。