JP2018185119A - 蓄熱建材、蓄冷建材 - Google Patents

Abstract

【課題】 昼間だけでなく夜間にも暖房の補助として利用できる蓄熱建材の提供。【解決手段】 枠１と、枠１の室外側に設けた透光パネル２と、透光パネル２の室内側に設けた集熱材３と、集熱材３の室内側に設けた蓄熱材４と、透光パネル２の室外側に設けた遮蔽材５とを備え、透光パネル２と集熱材３、集熱材３と蓄熱材４、蓄熱材４と外壁１２の間を通って外気を室内に導入する外気導入経路６と、透光パネル２と集熱材３との間の空間に外気を取り入れる外気導入口８と、蓄熱材４と外壁１２との間の空間から外気を室内に取り入れる換気口１５が設けてあり、昼間は遮蔽材５を開けた状態で外気導入口８から外気が取り込まれ、外気導入経路６を通じて外気が室内に導入され、夜間は遮蔽材５を閉じて外部に熱が逃げるのを抑制した状態で外気導入口８から外気が取り込まれ、外気導入経路６を通じて外気が室内に導入されることにより、蓄熱材４に蓄熱した熱で暖められた外気が室内に導入される。【選択図】 図１

Description

本発明は、暖房補助として利用できる蓄熱建材と、冷房補助として利用できる蓄冷建材に関する。

従来より、太陽熱集熱パネルが組み込まれ、外気を太陽熱集熱パネルで暖めて室内に導入する太陽熱利用建材が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この建材は、冬期の昼間に暖房の補助として利用できるのみで、夜間には暖房補助の効果はなかった。
また従来は、上述のように暖房の補助として利用できるものしかなく、冷房の補助として利用できるものはなかった。

特許第４８２９１６０号公報

本発明は以上に述べた実情に鑑み、昼間だけでなく夜間にも暖房の補助として利用できる蓄熱建材と、冷房の補助として利用できる蓄冷建材の提供を目的とする。

上記の課題を達成するために請求項１記載の発明による蓄熱建材は、枠と、枠の室外側に設けた透光パネルと、透光パネルの室内側に設けた集熱材と、集熱材の室内側に設けた蓄熱材と、透光パネルの室外側に設けた遮蔽材とを備え、透光パネルと集熱材、集熱材と蓄熱材、蓄熱材と外壁の間を通って外気を室内に導入する外気導入経路と、透光パネルと集熱材との間の空間に外気を取り入れる外気導入口と、蓄熱材と外壁との間の空間から外気を室内に取り入れる換気口が設けてあり、昼間は遮蔽材を開けた状態で外気導入口から外気が取り込まれ、外気導入経路を通じて外気が室内に導入され、夜間は遮蔽材を閉じて外部に熱が逃げるのを抑制した状態で外気導入口から外気が取り込まれ、外気導入経路を通じて外気が室内に導入されることにより、蓄熱材に蓄熱した熱で暖められた外気が室内に導入されることを特徴とする。

請求項２記載の発明による蓄冷建材は、枠と、枠の室外側に設けた透光パネルと、透光パネルの室内側に設けた集熱材と、集熱材の室内側に設けた蓄熱材と、透光パネルの室外側に設けた遮蔽材とを備え、透光パネルと集熱材、集熱材と蓄熱材、蓄熱材と外壁の間を通って外気を室内に導入する外気導入経路と、外気導入経路に外気を取り込むための外気導入口と、蓄熱材と外壁の間の空間から外気を室内に取り入れる換気口が設けてあり、夜間は遮蔽材を開けた状態で外気導入口から外気が取り込まれ、外気導入経路を通じて外気が室内に導入され、昼間は遮蔽材を閉じて外部からの熱の侵入を抑制した状態で外気導入口から外気が取り込まれ、外気導入経路を通じて外気が室内に導入されることにより、蓄熱材に蓄冷した冷熱により冷やされた外気が室内に導入されることを特徴とする。

請求項１記載の発明による蓄熱建材は、集熱材の室内側に蓄熱材を備えると共に、透光パネルの室外側に遮蔽材を備えており、昼間は遮蔽材を開けた状態で外気導入口から外気が取り込まれ、外気導入経路を通じて外気が室内に導入されることで、太陽熱を集熱材で効率よく集熱し外気を暖めて室内に導入すると共に蓄熱材に蓄熱し、夜間は遮蔽材を閉じて外部に熱が逃げるのを抑制した状態で外気導入口から外気が取り込まれ、外気導入経路を通じて外気が室内に導入されることにより、蓄熱材に蓄熱した熱で暖められた外気が室内に導入されるので、昼間だけでなく夜間も暖房の補助として利用できる。

請求項２記載の発明による蓄冷建材は、集熱材の室内側に蓄熱材を備えると共に、透光パネルの室外側に遮蔽材を備えており、夜間は遮蔽材を開けた状態で外気導入口から外気が取り込まれ、外気導入経路を通じて外気が室内に導入されることで、夜間の涼しい外気を室内に導入しつつ蓄熱材に蓄冷し、昼間は遮蔽材を閉じて外部からの熱の侵入を抑制した状態で外気導入口から外気が取り込まれ、外気導入経路を通じて外気が室内に導入されることにより、蓄熱材に蓄冷した冷熱により冷やされた外気が室内に導入されるので、夏期に冷房の補助として利用できる。蓄熱材の室外側に集熱材を有することで、夜間に集熱材の放射冷却により蓄熱材への蓄冷を促進できる。

本発明の蓄熱・蓄冷建材の一実施形態を示す縦断面図であって、冬期の夜間及び夏期の昼間の使用状態を示す。 同蓄熱・蓄冷建材の室外側正面図である。 同蓄熱・蓄冷建材の横断面図である。 同蓄熱・蓄冷建材の縦断面図であって、夏期の夜間の使用状態を示す。 図４の使用状態における同蓄熱・蓄冷建材の室内側正面図である。 本発明の蓄熱・蓄冷建材の使用状態を模式的に示す図であって、（ａ）は冬期の昼間の状態、（ｂ）は冬期の夜間の状態を示す。 本発明の蓄熱・蓄冷建材の使用状態を模式的に示す図であって、（ｃ）は夏期の夜間の使用状態、（ｄ）は夏期の昼間の使用状態を示す。 実際の蓄熱・蓄冷建材を用いて行った実験結果を示すグラフであって、冬期における日射量、外気温度、ＰＣＭ温度、流入空気温度の時間推移を示す。 実際の蓄熱・蓄冷建材を用いて行った実験結果を示すグラフであって、夏期における日射量、外気温度、ＰＣＭ温度、流入空気温度の時間推移を示す。 図１０に示す標準住宅に蓄熱・蓄冷建材を５箇所に設置した場合に、国内の様々な地点において、暖房負荷と冷房負荷がどれだけ削減されるか計算した結果を示す表である。 図９の表の計算に用いた標準住宅の平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１〜３は、本発明の蓄熱・蓄冷建材の一実施形態を示している。本蓄熱・蓄冷建材は、冬期に暖房補助として利用できる蓄熱建材と、夏期に冷房補助として利用できる蓄冷建材を兼ねるものであって、図１，３に示すように、上枠１０と下枠７と左右の縦枠１１，１１を枠組みしてなる枠１が外壁１２に取付けられ、枠１内には室外側から順に透光パネル２、集熱材３、蓄熱材４が見込み方向に間隔をおいて設置してある。透光パネル２は、透明な板ガラスを用いている。集熱材３は、アルミ製のパネルで構成され、表面を黒く塗装して集熱効率を高めてある。このような集熱材３は、蓄熱建材として機能させる際には、昼間に日射熱を効率よく集めて蓄熱材４への蓄熱を促進し、蓄冷建材として機能させる際には、夜間に放射冷却により蓄熱材４への蓄冷を促進する。蓄熱材４は、パラフィン系の潜熱蓄熱材（ＰＣＭ）を用いている。この蓄熱材４は、加熱・冷却のエネルギーが固体から液体、液体から固体への相変化に使われ、相変化の間、温度が一定で推移する特徴を有する。蓄熱材４の融点は、１℃刻みで変更することが可能である。

透光パネル２と下枠７との間には、図１，２に示すように、透光パネル２と集熱材３との間の空間に外気を取り入れる外気導入口８が設けてある。集熱材３と上枠１０との間には、通気孔１３が設けてある。蓄熱材４と下枠７との間にも、通気孔１４が設けてある。外壁１２には、蓄熱材４と外壁１２の間の空間から外気を室内に取り入れる換気口１５が設けてある。これにより、透光パネル２と集熱材３、集熱材３と蓄熱材４、蓄熱材４と外壁１２の間を通って外気を室内に導入する外気導入経路６が構成されている。よって、図示しない換気扇によって室内を負圧にすると、この外気導入経路６を通じて外気が室内に導入される。
なお、透光パネル２と集熱材３との間の空間に外気を取り入れる外気導入口８は、図１，２に示す実施形態では、蓄熱・蓄冷建材の下部に設けているが、蓄熱・蓄冷建材の上部（例えば、透光パネル２と上枠１０との間）や側部（例えば、透光パネル２と縦枠１１との間）に設けることもできる。もっとも、実施形態のように下部に外気導入口８を設けた場合には、蓄熱建材として働かせる際に、外気導入口８から入った外気が透光パネル２と集熱材３の間の空間を上昇し、次いで集熱材３と蓄熱材４の間の空間を下降し、集熱材３のまわりの外気の通り道が長くなることで、外気を集熱材３により十分暖めることができるので、暖房効果が高くなる。

図１に示すように、下枠７は矩形断面の中空形材よりなり、下枠７の室外側面にも外気導入口９が設けてあり、下枠７の内周側面の集熱材３と蓄熱材４の間の位置と、蓄熱材４と外壁１２の間の位置とに、通気孔１６ａ，１６ｂが設けてある。下枠７室外側面の外気導入口９は常時開いており、下枠７内周側面の通気孔１６ａ，１６ｂは、図示しない蓋を室内からスライド操作するなどして、開閉できるようになっている。図１に示す冬期の夜間及び夏期の昼間の使用状態では、下枠７内周側面の通気孔１６ａ，１６ｂは閉じられている。図４に示す夏期の夜間の使用状態では、下枠７内周側面の通気孔１６ａ，１６ｂは開けられ、下枠７室外側面の外気導入口９から流入した外気が、下枠７内周側面の通気孔１６ａ，１６ｂより集熱材３と蓄熱材４の間と、蓄熱材４と外壁１２との間に導入される。
上枠１０も矩形断面の中空形材よりなり、上枠１０の室外側面と、上枠１０の内周側面の集熱材３と蓄熱材４の間の位置とに、通気孔１７，１８が設けてある。上枠１０室外側面の通気孔１７は常時開いており、上枠１０内周側面の通気孔１８は、下枠７内周側面の通気孔１６ａ，１６ｂと同様に、開閉できるようになっている。図１に示す冬期の夜間及び夏期の昼間の使用状態では、上枠１０内周側面の通気孔１８は閉じられている。図４に示す夏の夜間の使用状態では、上枠１０内周側面の通気孔１８は開けられ、透光パネル２と集熱材３の間と、集熱材３と蓄熱材４の間を通って上昇してきた空気が、上枠１０の通気孔１７，１８を通じて屋外に排出される。

本蓄熱・蓄冷建材は、図１〜３に示すように、枠１を室外側からすっぽり囲むようにシャッター５を設置してある。シャッター５は、室内に設置したボタンを操作することで、電動で開閉できるようになっている。

次に、本蓄冷・蓄熱建材の使用状態とその働きについて説明する。図６−１は、冬期における蓄熱建材としての使用状態を示している。図６−１（ａ）は、冬期の昼間の使用状態を示しており、このときは、シャッター５は開けた状態にし、下枠７及び上枠１０の通気孔１６ａ，１６ｂ，１８は閉じられている。図示しない換気扇により室内を負圧にすると、外気導入口８より外気が流入し、透光パネル２と集熱材３、集熱材３と蓄熱材４、蓄熱材４と外壁１２の間を通って外気を室内に導入する外気導入経路６を通じて外気が室内に導入される。このとき、集熱材３が日射熱で高温（最高６０〜７０℃）に熱せられ、外気導入口８より流入した外気は、集熱材３のまわりを通過する間に暖められて室内に入る。同時に、集熱材３で集めた熱が蓄熱材４に蓄熱される。
図６−１（ｂ）は、冬期の夜間の使用状態を示している。このときは、シャッター５は閉じた状態とし、下枠７及び上枠１０の通気孔１６ａ，１６ｂ，１８は閉じられている。図示しない換気扇により室内を負圧にすると、外気導入口８より外気が流入し、透光パネル２と集熱材３、集熱材３と蓄熱材４、蓄熱材４と外壁１２の間を通って外気を室内に導入する外気導入経路６を通じて外気が室内に導入される。このとき、昼間の間に蓄熱材４に蓄熱した熱により冷たい外気が暖められて室内に入る。室外側に設けた透光パネル２とシャッター５の断熱効果により、集熱材３及び蓄熱材４が冷えるのを防ぐことができ、蓄熱効果が長時間持続する。このように本蓄熱建材は、昼間だけでなく夜間も暖房補助として用いることができる。
図６−２は、夏期における蓄冷建材としての使用状態を示している。図６−２（ｃ）は、夏期の夜間の使用状態を示しており、このときは、シャッター５は開けた状態とし、下枠７及び上枠１０の通気孔１６ａ，１６ｂ，１８は開けておく。図示しない換気扇により室内を負圧にすると、外気導入口８より冷たい外気が流入し、透光パネル２と集熱材３、集熱材３と蓄熱材４、蓄熱材４と外壁１２の間を通って外気を室内に導入する外気導入経路６を通じて外気が室内に導入される。シャッター５が開いていること、集熱材３を備えていることで、蓄冷建材からの放射冷却が活発となり、蓄熱材４への蓄冷が促進される。
さらに、本実施形態の蓄冷建材は、図４に示すように、下枠７の外気導入口９より外気が流入し、下枠７内周側面に設けた通気孔１６ａ，１６ｂより集熱材３と蓄熱材４の間と、蓄熱材４と外壁１２の間とに流れ、外壁１２に設けた換気口１５を通じて冷たい外気をそのまま室内に導入することができ、これによりより一層の冷房負荷軽減につながる。集熱材３と蓄熱材４の間に流れ込んだ外気は、上枠１０内周側面に設けた通気孔１８より上枠１０内に入り、上枠１０室外側面に設けた通気孔１７より屋外に排出される。また、透光パネル２と下枠７の間の外気導入口８からも外気が流入し、透光パネル２と集熱材３の間を通り、上枠１０の通気孔１７，１８を通じて屋外に排出される。このように本蓄冷建材は、夏期に夜間の冷たい外気を室内にそのまま導入することができ、同時に蓄熱材４に蓄冷することができる。集熱材３と蓄熱材４の間と、透光パネル２と集熱材３の間に冷たい外気を導入し、その後に上枠１０の通気孔１７，１８を通じて屋外に排出することで、集熱材３と蓄熱材４の放熱、蓄冷をより一層促進することができる。
図６−２（ｄ）は、夏期の昼間の使用状態を示している。このときは、シャッター５は閉じた状態とし、下枠７及び上枠１０の通気孔１６ａ，１６ｂ，１８は閉じられている。図示しない換気扇により室内を負圧にすると、外気導入口８より外気が流入し、透光パネル２と集熱材３、集熱材３と蓄熱材４、蓄熱材４と外壁１２の間を通って外気を室内に導入する外気導入経路６を通じて外気が室内に導入される。このとき、夜間に蓄熱材４に蓄冷した冷熱で外気を冷やして室内に導入できる。シャッター５により日射を遮断することで、集熱材３の温度上昇が最高でも３０〜５０℃に抑えられるので、蓄冷効果を持続させられる。このように本蓄冷建材は、夏期に冷房補助として用いることができる。

本蓄熱・蓄冷建材を実際に建物に設置し、日射量、外気温度、ＰＣＭ（蓄熱材）温度、流入空気温度の時間推移を測定する実験を行った。実験は冬季と夏期とに富山県高岡市で行った。冬期の実験のときには、ＰＣＭの融点を２０℃とした。夏期の実験のときには、ＰＣＭの融点を２７℃とした。

図７は、冬期の実験結果を示している。このグラフより明らかなように、１８時から０時近くまでＰＣＭの温度が相変化により融点の２０℃付近に維持され、それにつられて流入空気温度も高い温度で推移している。晴天の日であれば、朝方まで蓄熱効果が得られる。
図８は、夏期の実験結果を示している。このグラフより明らかなように、深夜から午前１１頃までＰＣＭの温度が融点の２７℃付近に維持され、流入空気温度はＰＣＭの温度とほぼ同じ温度で推移している。午前８時頃から１２時頃までは、流入空気温度が外気温度よりも低くなり、冷房の補助として機能することが分かる。

次に、図１０に示すような標準住宅に本蓄熱・蓄冷建材を１階に２箇所、２階に３箇所の計５箇所に設置した場合に、国内の様々な地点において、暖房負荷と冷房負荷がどれだけ削減されるかを計算によって求めた。比較のために、シャッターが無い場合の暖房負荷と冷房負荷の削減効果も計算した。計算結果を図９に示す。

図９の表より明らかなように、本蓄熱・蓄冷建材は、シャッター無しの場合と比較して、暖房負荷削減効果が全ての地点において大きくなり、特に前橋、東京都千代田区、宮崎市においては、５０％以上も暖房負荷を削減できることが分かった。冷房負荷は、シャッター無しの場合は削減効果がほぼゼロでむしろ増加するのに対し、本蓄熱・蓄冷建材によれば冷房負荷も削減できる。冷房負荷の削減効果は、内陸部で標高が高い地点ほど大きくなり、青森県の酸ケ湯、長野県の軽井沢、栃木県の日光では、５〜８％冷房負荷を削減できることを確認した。また、群馬県前橋市、東京都千代田区、大分県の湯布院、宮崎市では、冷房負荷の削減効果は、割合としては１．７〜４．２％と比較的小さいが、年間の冷房負荷自体が大きいので、金額としては割合の大きい青森県の酸ケ湯等よりも大きくなる。

以上に述べたように本蓄熱建材は、集熱材３の室内側に蓄熱材４を備えると共に、透光パネル２の室外側にシャッター５を備えており、昼間はシャッター５を開けた状態で外気導入口８から外気が取り込まれ、外気導入経路６を通じて外気が室内に導入されることで、太陽熱を集熱材３で効率よく集熱し外気を暖めて室内に導入すると共に蓄熱材４に蓄熱し、夜間はシャッター５を閉じて外部に熱が逃げるのを抑制した状態で外気導入口８から外気が取り込まれ、外気導入経路６を通じて外気が室内に導入されることにより、蓄熱材４に蓄熱した熱で暖められた外気が室内に導入されるので、昼間だけでなく夜間も暖房の補助として利用できる。
また本蓄冷建材は、集熱材３の室内側に蓄熱材４を備えると共に、透光パネル２の室外側にシャッター５を備えており、夜間はシャッター５を開けた状態で外気導入口８，９から外気が取り込まれ、外気導入経路６を通じて外気が室内に導入されることで、夜間の涼しい外気を室内に導入しつつ蓄熱材４に蓄冷し、昼間はシャッター５を閉じて外部からの熱の侵入を抑制した状態で外気導入口８から外気が取り込まれ、外気導入経路６を通じて外気が室内に導入されることにより、蓄熱材４に蓄冷した冷熱により冷やされた外気が室内に導入されるので、夏期に冷房の補助として利用できる。蓄熱材４の室外側に集熱材３を有することで、夜間にシャッター５を開けることとあいまって集熱材３の放射冷却により蓄熱材４への蓄冷を促進できる。

本発明は以上に述べた実施形態に限定されない。集熱材、蓄熱材、遮蔽材等の具体的な構成は問わない。冬期の夜間と夏期の昼間において、遮蔽材は完全に閉め切ってもよいし、図１，２に示すように、少し開けてあってもよい。実施形態は、蓄熱建材と蓄冷建材を兼ねるものであったが、蓄熱建材としてのみ用いるもの、蓄冷建材としてのみ用いるものであってもよい。

１ 枠
２ 透光パネル
３ 集熱材
４ 蓄熱材
５ シャッター（遮蔽材）
６ 外気導入経路
７ 下枠
８，９ 外気導入口
１２ 外壁

Claims (2)

1. 枠と、枠の室外側に設けた透光パネルと、透光パネルの室内側に設けた集熱材と、集熱材の室内側に設けた蓄熱材と、透光パネルの室外側に設けた遮蔽材とを備え、透光パネルと集熱材、集熱材と蓄熱材、蓄熱材と外壁の間を通って外気を室内に導入する外気導入経路と、透光パネルと集熱材との間の空間に外気を取り入れる外気導入口と、蓄熱材と外壁との間の空間から外気を室内に取り入れる換気口が設けてあり、昼間は遮蔽材を開けた状態で外気導入口から外気が取り込まれ、外気導入経路を通じて外気が室内に導入され、夜間は遮蔽材を閉じて外部に熱が逃げるのを抑制した状態で外気導入口から外気が取り込まれ、外気導入経路を通じて外気が室内に導入されることにより、蓄熱材に蓄熱した熱で暖められた外気が室内に導入されることを特徴とする蓄熱建材。
2. 枠と、枠の室外側に設けた透光パネルと、透光パネルの室内側に設けた集熱材と、集熱材の室内側に設けた蓄熱材と、透光パネルの室外側に設けた遮蔽材とを備え、透光パネルと集熱材、集熱材と蓄熱材、蓄熱材と外壁の間を通って外気を室内に導入する外気導入経路と、外気導入経路に外気を取り込むための外気導入口と、蓄熱材と外壁の間の空間から外気を室内に取り入れる換気口が設けてあり、夜間は遮蔽材を開けた状態で外気導入口から外気が取り込まれ、外気導入経路を通じて外気が室内に導入され、昼間は遮蔽材を閉じて外部からの熱の侵入を抑制した状態で外気導入口から外気が取り込まれ、外気導入経路を通じて外気が室内に導入されることにより、蓄熱材に蓄冷した冷熱により冷やされた外気が室内に導入されることを特徴とする蓄冷建材。