JP2019200020A - 躯体蓄熱空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムの施工性、メンテナンス性を確保しつつ、躯体蓄熱空調システムを設置する居室の状況に合わせて熱エネルギーの躯体側及び居室側への配分を柔軟に変更することができる躯体蓄熱空調システムを提供する。【解決手段】建築物１の天井面１１ａを構成する上スラブ１１に蓄熱した熱エネルギーを放熱することにより空調を行う躯体蓄熱空調システム２であって、冷温水が流れ方向に沿って流れる冷温水パイプ２０と、冷温水パイプ２０を流れ方向に沿って保持した状態で天井面１１ａに取り付けられたヒートシンク２３と、ヒートシンク２３が取り付けられた天井面１１ａの下方に流れ方向に沿って配置された状態でフィン取付部２３２又は吊り金具２９を介してヒートシンク２３に取り付けられた放射フィン２７とを備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、建築物の天井面を構成する躯体に蓄熱した熱エネルギーを放熱することにより空調を行う躯体蓄熱空調システムに関する。

従来、蓄熱空調システムの１つとして、熱容量の大きなコンクリートの床、壁、柱等の躯体を蓄熱材として利用した躯体蓄熱空調システムが知られている。躯体蓄熱空調システムでは、新たに蓄熱槽を設ける必要がないため、省スペース化、省コスト化を図ることができる。

例えば、特許文献１には、温水を循環するパイプを躯体の内部に埋め込み、パイプを介して躯体に蓄熱する躯体蓄熱構造が開示されている。また、特許文献２には、躯体の天井面に、熱交換パイプと、輻射パネルとを取り付け、熱交換パイプを流れる冷温水による熱交換と、輻射パネルからの輻射熱とによって躯体に蓄熱する躯体蓄熱構造が開示されている。

特開２０００−２７４７１１号公報 特許第５６９２６０３号公報

しかし、特許文献１に記載された躯体蓄熱構造は、パイプを躯体の内部に埋め込む必要があるため、配管のメンテナンス性が悪く、施工時に配管を変形、破損させてしまう恐れもあった。

また、特許文献２に記載された躯体蓄熱構造は、熱交換パイプだけでなく、熱交換パイプを天井面に取り付けるための保持部材や熱交換部材についても輻射パネルに囲まれた状態で取り付けられており、熱交換パイプを流れる冷温水の熱エネルギーを躯体に蓄熱するか、それとも、居室に放熱するかの配分を考慮したものでないため、躯体蓄熱空調システムを設置する居室の状況に合わせて熱エネルギーの躯体側及び居室側への配分を柔軟に変更することができないという問題があった。

本発明は、上記の問題点を解決するために、システムの施工性、メンテナンス性を確保しつつ、躯体蓄熱空調システムを設置する居室の状況に合わせて熱エネルギーの躯体側及び居室側への配分を柔軟に変更することができる躯体蓄熱空調システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するものであって、本発明に係る躯体蓄熱空調システムは、建築物の天井面を構成する躯体に蓄熱した熱エネルギーを放熱することにより空調を行う躯体蓄熱空調システムであって、前記熱エネルギーの媒体となる熱媒体が流れ方向に沿って流れる熱媒体配管と、前記熱媒体配管を前記流れ方向に沿って保持した状態で前記天井面に取り付けられた熱交換部材と、前記熱交換部材が取り付けられた前記天井面の下方に前記流れ方向に沿って配置された状態で取付部を介して前記熱交換部材に取り付けられた放射部材と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係るパーソナル空調システムは、前記放射部材は、前記天井面の下方の居室内を流れる気流が前記熱交換部材と前記放射部材との間を通過可能な空隙部を形成した状態で前記取付部を介して前記熱交換部材に取り付けられたことを特徴とする。

また、本発明に係るパーソナル空調システムは、前記放射部材は、板状部材で構成されるとともに、前記板状部材の長手方向が前記流れ方向に沿って配置された状態で前記取付部を介して前記熱交換部材に取り付けられ、前記取付部は、前記板状部材の長手方向に沿って所定の取付幅を有する板状取付部、又は、前記板状部材の長手方向に沿って所定の間隔幅で配置された複数の棒状取付部であることを特徴とする。

また、本発明に係るパーソナル空調システムは、前記熱交換部材と前記天井面との間に、前記躯体よりも熱伝導率が大きな弾性部材を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るパーソナル空調システムは、前記天井面に形成された凹部に、前記躯体よりも比熱容量が大きな潜熱蓄熱材を備え、前記熱交換部材は、前記凹部が形成された部分の前記天井面に取り付けられたことを特徴とする。

本発明に係る躯体蓄熱空調システムによれば、熱交換部材が、熱媒体配管を流れ方向に沿って保持した状態で天井面に取り付けられ、放射部材が、熱交換部材が取り付けられた天井面の下方に流れ方向に沿って配置された状態で取付部を介して熱交換部材に取り付けられているので、躯体蓄熱空調システムが備える各部を躯体の内部に埋め込む必要がないため、システムの施工性、メンテナンス性を確保することができる。

また、本発明に係る躯体蓄熱空調システムによれば、放射部材が、熱交換部材が取り付けられた天井面の下方に流れ方向に沿って配置された状態で取付部を介して熱交換部材に取り付けられているので、放射部材が、例えば、放射部材と熱交換部材との間の接触面積が大きな取付部を介して、熱交換部材に取り付けられている場合には、居室に放熱する配分を増やす一方で躯体に蓄熱する配分を減らすことができ、放射部材が、例えば、放射部材と熱交換部材との間の接触面積が小さい取付部を介して、熱交換部材に取り付けられている場合には、躯体に蓄熱する配分を増やす一方で居室に放熱する配分を減らすことができるため、躯体蓄熱空調システムを設置する居室の状況に合わせて熱エネルギーの躯体側及び居室側への配分を柔軟に変更することができる。

本発明の実施の形態に係る空調システム１００の全体構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る躯体蓄熱空調システム２の一例を示し、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は天井面における配置図である。 本発明の実施の形態に係る躯体蓄熱空調システム２の第１の設置例を示し、（ａ）は、天井面１１ａに対する冷温水パイプ２０、ヒートシンク２３Ａ及び放射フィン２７Ａの設置例、（ｂ）はＡ−Ａ線の拡大断面図を示す図である。 本発明の実施の形態に係る躯体蓄熱空調システム２の第２の設置例を示し、（ａ）は、天井面１１ａに対する冷温水パイプ２０、ヒートシンク２３Ｂ及び放射フィン２７Ｂの設置例、（ｂ）はＢ−Ｂ線の拡大断面図を示す図である。 放射フィン２７の解析条件を示し、（ａ）は放射フィン２７の形状、（ｂ）は解析モデル、（ｃ）は境界条件を示す図である。 解析結果を示し、（ａ）は熱流の移動方向、（ｂ）は気流無しでの熱流、（ｃ）は気流有りでの熱流を示す図である。 放射フィン２７の周囲の気流分布を示す図である。 伝熱方式の差異による蓄熱時の熱流の推移を示す図である。 伝熱方式の差異による蓄熱率の推移を示す図である。 伝熱方式の差異による躯体内温度分布の推移を示す図である。 蓄熱時及び放熱時における躯体蓄熱量と冷水の積算冷熱量との推移を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について添付図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る空調システム１００の全体構成の一例を示す図である。建築物１は、上スラブ１１及び下スラブ１２等のコンクリートの躯体により構成されるとともに、下スラブ１２の上方に床材１３が敷設されている。

建築物１は、二重床の構造を有し、下スラブ１２と床材１３とに間には、床下チャンバ１４が形成されている。上スラブ１１の下面である天井面１１ａと床材１３との間には、居室１０が形成されている。天井面１１ａには、複数の梁１１ｂがワッフル状に形成されている。

空調システム１００は、躯体蓄熱空調システム２と、床吹出し空調システム３とを組み合わせて居室１０の空調を行うシステムである。躯体蓄熱空調システム２は、天井面１１ａを構成する上スラブ１１に熱エネルギーを蓄熱し、その蓄熱した熱エネルギーを放熱することにより空調を行うシステムである。床吹出し空調システム３は、床材１３に形成され複数の給気口（図示省略）から空調空気を吹き出することにより空調を行うシステムである。なお、空調システム１００は、躯体蓄熱空調システム２の単独のシステムでもよいし、躯体蓄熱空調システム２に、床吹出し空調システム３以外の他の空調システムを組み合わせてもよい。

躯体蓄熱空調システム２は、熱エネルギーの媒体となる冷温水（熱媒体）が流れる冷温水パイプ２０と、冷熱又は温熱を熱エネルギーとして供給する熱源２２と、熱源２２から供給された熱エネルギーを、熱交換によって冷温水パイプ２０を流れる冷温水に伝える熱交換器２１とを備える。熱源２２は、例えば、地中熱や、電気料金が安くなる夜間や深夜の電力を利用したものである。

床吹出し空調システム３は、空調機能を有する空調部３０と、床下チャンバ１４及び複数の給気口を介して居室１０に連通する給気配管３１と、還気口（図示省略）を介して居室１０に連通する還気配管３２とを備える。空調部３０は、外気ＯＡを導入し、導入した外気ＯＡを温度調整し、給気配管３１により給気ＳＡとして床下チャンバ１４及び複数の給気口を介して居室１０に供給する。また、空調部３０は、居室１０内の空気を還気口を介して還気ＲＡとして還気配管３２により吸入し、排気ＥＡとして外部に排出する。

図２は、本発明の実施の形態に係る躯体蓄熱空調システム２の一例を示し、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は天井面における配置図である。躯体蓄熱空調システム２は、冷温水が流れ方向（図２（ａ）の紙面の表裏方向）に沿って流れる冷温水パイプ２０（熱媒体配管）と、冷温水パイプ２０を流れ方向に沿って保持した状態で天井面１１ａに取り付けられたヒートシンク２３（熱交換部材）と、天井面１１ａの下方に流れ方向に沿って配置された状態で取付部（例えば、後述のフィン取付部２３２又は吊り金具２９）を介してヒートシンク２３に取り付けられた放射フィン２７（放射部材）と、冷温水パイプ２０に設けられたポンプの稼働状態等を制御する制御装置（図示省略）とを備える。

ヒートシンク２３は、熱伝導率が高い、例えば、アルミニウム等の金属を用いて、押出成形により長尺の部材として作製されている。ヒートシンク２３は、冷温水パイプ２０を流れる冷温水の熱エネルギーを、熱伝導により上スラブ１１及び放射フィン２７に伝える熱交換部材である。

放射フィン２７は、ヒートシンク２３と同様に、熱伝導率が高い、例えば、アルミニウム等の金属を用いて、押出成形により長尺の部材として作製されている。また、放射フィン２７は、天井面１１ａの下方の居室１０内を流れる気流がヒートシンク２３に到達可能な状態でヒートシンク２３に取り付けられているため、ヒートシンク２３は、冷温水の熱エネルギーで冷却又は加熱されるとともに、放射フィン２７は、ヒートシンク２３を介した熱伝導により冷温水の熱エネルギーで冷却又は加熱されることにより、ヒートシンク２３及び放射フィン２７による熱放射により居室１０内の空気の冷暖房を行うとともに、冷却又は加熱されたヒートシンク２３及び放射フィン２７の表面に気流が生じることで対流が促進される。なお、天井面１１ａの下方の居室１０内を流れる気流には、自然対流により生じた気流だけでなく、他の空調システムの強制対流により生じた気流についても含まれる。

図２（ｂ）に示すように、ワッフル状に形成された梁１１ｂで囲まれた天井面１１ａには、矩形状の梁１１ｂの内周に沿って、冷温水パイプ２０ａ〜２０ｃ、ヒートシンク２３及び放射フィン２７が配置されている。

冷温水パイプ２０は、冷温水を循環するものであり、上流部分の冷温水パイプ２０ａは、天井面１１ａから突設し、下流部分の冷温水パイプ２０ｃは、天井面１１ａに埋設するように配置されている。そして、中流部分の冷温水パイプ２０ｂは、矩形状の梁１１ｂの内周の４方向のそれぞれにおいて、ジグザグ状に交互に折り返した状態で天井面１１ａに配置されている。

ヒートシンク２３及び放射フィン２７は、ジグザグ状に配置された中流部分の冷温水パイプ２０ｂの直線部分の流れ方向を長手方向として、冷温水パイプ２０ｂの流れ方向に沿って配置されている。

（躯体蓄熱空調システム２の第１の設置例）
図３は、本発明の実施の形態に係る躯体蓄熱空調システム２の第１の設置例を示し、（ａ）は、天井面１１ａに対する冷温水パイプ２０、ヒートシンク２３Ａ及び放射フィン２７Ａの設置例、（ｂ）はＡ−Ａ線の拡大断面図を示す図である。第１の設置例において、ヒートシンク２３Ａは、冷温水パイプ２０の両側を挟み込むように保持する保持部２３０と、固定ボルト２８Ａにより天井面１１ａに固定される天井固定部２３１と、固定ボルト２８Ｂにより放射フィン２７Ａが取り付けられるフィン取付部２３２（板状取付部）とを備える。

図３（ｂ）に示すように、保持部２３０は、Ｃ字状の断面形状を有し、天井固定部２３１及びフィン取付部２３２は、Ｌ字状の断面形状を有する。また、天井面１１ａには、天井固定部２３１が固定される位置に、天井固定部２３１を固定するためのインサートやアンカーが設置されている。

図３（ａ）に示すように、フィン取付部２３２は、放射フィン２７Ａの長手方向に沿って所定の取付幅Ｗ１を有するとともに、長手方向に沿って所定の間隔幅Ｗ２で配置されており、隣接するフィン取付部２３２の間には、空隙部２３４が形成されている。また、フィン取付部２３２は、冷温水パイプ２０の流れ方向に対して冷温水パイプ２０の一方の側（図３（ｂ）では冷温水パイプ２０の左側）に配置されている。

空隙部２３４は、天井面１１ａの下方を流れる横向きの気流が自由に通過することを可能とする空間である。したがって、天井面１１ａの下方の居室１０内を流れる横向きの気流が、ヒートシンク２３Ａ及び放射フィン２７Ａに到達すると、空隙部２３４は、その気流がヒートシンク２３Ａと放射フィン２７Ａとの間を通過可能とする空間として機能する。

なお、フィン取付部２３２の取付幅Ｗ１を適宜変更してもよいし、隣接するフィン取付部２３２の間隔幅Ｗ２を適宜変更することにより、空隙部２３４の大きさを適宜変更してもよい。また、フィン取付部２３２は、長手方向に沿って連続的に配置されることにより、空隙部２３４を形成しない状態で放射フィン２７Ａが取り付けられるようにしてもよい。

放射フィン２７Ａは、ヒートシンク２３Ａが取り付けられた部分の天井面１１ａの下方に配置された波板部２７０と、波板部２７０が天井面１１ａの下方に配置された状態でヒートシンク２３Ａのフィン取付部２３２に取り付けられる接続部２７１とを備える。

波板部２７０は、板状部材であり、図３（ｂ）に示すように、長手方向に直交する断面形状として、カーブを描いた波状の断面形状を有する。

波板部２７０の長手方向は、冷温水パイプ２０の流れ方向に沿って配置されるとともに、波板部２７０の短手方向は、天井面１１ａとの間の距離が両端部で異なるように配置されている。図３（ｂ）に示すように、波板部２７０の長手方向は、冷温水パイプ２０の流れ方向に沿って配置されるとともに、波板部２７０の短手方向は、横向きの気流と交差する方向に配置されるとともに、横向きの気流の上流側から下流側に向かって（図３（ｂ）の紙面右側から左側に向かって）、波板部２７０と天井面１１ａとの間の距離が小さくなるように配置されている。

このように、放射フィン２７Ａの波板部２７０が、横向きの気流に対して波板部２７０と天井面１１ａとの間の距離が徐々に小さくなるように配置されていることにより、横向きの気流の速度が、上流側から下流側に向かって徐々に速くなるため、天井面１１ａ及びヒートシンク２３の近傍に気流が生じ、上スラブ１１からの放熱を効率的に促進することができる。

接続部２７１は、固定ボルト２８Ｂによりヒートシンク２３Ａのフィン取付部２３２に固定される部分であり、放射フィン２７Ａの長手方向に沿って複数の個所に設けられている。そして、接続部２７１とフィン取付部２３２とが、固定ボルト２８Ｂにより固定されることにより、放射フィン２７Ａは、フィン取付部２３２により空隙部２３４を形成した状態でヒートシンク２３Ａに取り付けられている。

さらに、躯体蓄熱空調システム２は、ヒートシンク２３Ａと天井面１１ａとの間に配置された弾性部材２５を備える。弾性部材２５は、上スラブ１１よりも熱伝導率が大きく、弾性を有する材料で形成されており、シート状の形状を有する。弾性部材２５は、例えば、シリコンを材料とするシリコンゴムである。

天井面１１ａに不陸がある場合には、躯体とヒートシンク２３との間の空気層が生じ、躯体への熱伝導量が低下することになるが、弾性部材２５が、ヒートシンク２３Ａと天井面１１ａとの間に挟まれることにより、弾性部材２５が弾性を有することでヒートシンク２３Ａと天井面１１ａとの間の隙間（空気層）を小さくするとともに、弾性部材２５が上スラブ１１よりも熱伝導率が大きな材料で形成されていることでヒートシンク２３Ａと天井面１１ａとの間の熱伝導を促進することから、天井面１１ａの不陸による熱伝導量の低下を抑制することができる。

（躯体蓄熱空調システム２の第２の設置例）
図４は、本発明の実施の形態に係る躯体蓄熱空調システム２の第２の設置例を示し、（ａ）は、天井面１１ａに対する冷温水パイプ２０、ヒートシンク２３Ｂ及び放射フィン２７Ｂの設置例、（ｂ）はＢ−Ｂ線の拡大断面図を示す図である。第２の設置例において、ヒートシンク２３Ｂは、第１の設置例におけるヒートシンク２３Ａと同様の保持部２３０及び天井固定部２３１と、吊り金具２９（棒状取付部）により放射フィン２７Ｂが取り付けられる金具取付部２３３とを備える。

吊り金具２９は、例えば、吊りボルト等の金具であり、図４（ａ）に示すように、放射フィン２７Ｂの長手方向に沿って所定の間隔幅Ｗ３で配置されており、隣接する吊り金具２９の間には、空隙部２３４が形成されている。また、吊り金具２９は、冷温水パイプ２０の流れ方向に対して冷温水パイプ２０の一方の側（図４（ｂ）では冷温水パイプ２０の左側）に配置されている。

なお、隣接する吊り金具２９の間隔幅Ｗ３を適宜変更してもよく、一定の間隔幅Ｗ３で並べるだけでなく、異なる間隔幅Ｗ３で並べてもよい。また、金具取付部２３３は、例えば、貫通孔とすることにより、吊り金具２９が、貫通孔を介して天井面１１ａにヒートシンク２３Ｂを固定するようにしてもよく、その場合には固定ボルト２８Ａをさらに省略してもよい。

放射フィン２７Ｂは、第１の設置例における放射フィン２７Ａと同様の波板部２７０と、波板部２７０が天井面１１ａの下方に配置された状態で吊り金具２９に取り付けられる接続部２７１とを備える。

接続部２７１は、固定ボルト２８Ｃにより吊り金具２９に固定される部分であり、放射フィン２７Ｂの長手方向に沿って複数の個所に設けられている。そして、接続部２７１と吊り金具２９とが、固定ボルト２８Ｃにより固定されることにより、放射フィン２７Ｂは、吊り金具２９により空隙部２３４を形成した状態でヒートシンク２３Ｂに取り付けられている。

さらに、躯体蓄熱空調システム２は、ヒートシンク２３Ｂが取り付けられた部分の天井面１１ａに配置された潜熱蓄熱材２６を備える。潜熱蓄熱材２６は、例えば、ＰＣＭ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）と呼ばれる、上スラブ１１、すなわち、コンクリートよりも比熱容量が大きな材料で形成され、天井面１１ａに形成された凹部１１ｃに嵌め込まれている。

潜熱蓄熱材２６は、上スラブ１１よりも比熱容量が大きな材料で形成されているため、上スラブ１１に熱エネルギーを蓄熱する際に、熱エネルギーの放熱先である居室１０に近い場所により大きな熱エネルギーを蓄熱することができるので、上スラブ１１から熱エネルギーを放熱する際の放熱性能を向上させることができる。

（変形例）
第１の設置例と、第２の設置例とを組み合わせることにより、例えば、天井面１１ａに、第１の設置例におけるヒートシンク２３Ａ及び放射フィン２７Ａと、第２の設置例におけるヒートシンク２３Ｂ及び放射フィン２７Ｂとを設置してもよいし、躯体蓄熱空調システム２が、第１の設置例における弾性部材２５と、第２の設置例における潜熱蓄熱材２６とを備えてもよい。

天井面１１ａに対する冷温水パイプ２０、ヒートシンク２３及び放射フィン２７の配置は、図２（ｂ）に示す配置に限られず、適宜変更してもよい。また、ヒートシンク２３及び放射フィン２７の大きさや形状は適宜変更してもよく、例えば、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示す放射フィン２７Ａ、２７Ｂの波板部２７０の断面形状は、カーブを描いた波状としたが、直線状や屈曲状にしてもよいし、図３（ｂ）に示すヒートシンク２３Ａの断面形状は、天井固定部２３１とフィン取付部２３２とがなす角度を直角にして、Ｌ字状としたが、鋭角や鈍角にしてもよい。また、ヒートシンク２３に放射フィン２７を取り付ける取付部の大きさや形状を適宜してもよいし、ヒートシンク２３に放射フィン２７を取り付ける際の取付手段として、固定ボルト２８Ｂ、２８Ｃを用いたが、他の取付手段を用いてもよい。さらに、２つの部材として、ヒートシンク２３と、放射フィン２７とを用いたが、１つの部材として作製してもよいし、３つ以上の部材を組み合わせるように作製してもよい。また、ヒートシンク２３及び放射フィン２７は、長手方向に複数に分割したものを並べてもよく、その際、長手方向の長さが異なるものを並べてもよい。

（躯体蓄熱空調システム２の熱的性能を検証するための解析について）
次に、本発明の躯体蓄熱空調システム２における放射フィン２７の熱的性能を検証するために解析を行った。以下、解析条件及び解析結果について説明する。

（解析条件）
図５は、放射フィン２７の解析条件を示し、（ａ）は放射フィン２７の形状、（ｂ）は解析モデル、（ｃ）は境界条件を示す図である。図５（ａ）に示すように、放射フィン２７が取り付けられていない場合（比較例）と、放射フィン２７が取り付けられた場合の放射フィン２７の４種類の形状Ａ〜Ｄとに対して、横向きの気流の有無による条件をそれぞれ設定し、計１０ケースの２次元ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）解析を行った。

形状Ａ、Ｂの放射フィン２７は、第１の設置例におけるフィン取付部２３２が長手方向に沿って連続的に配置されることにより、空隙部２３４を形成しない状態でヒートシンク２３に取り付けられている。形状Ｃ、Ｄの放射フィン２７は、第２の設置例におけるに吊り金具２９により空隙部２３４を形成した状態、すなわち、横向きの気流が放射フィン２７とヒートシンク２３の間を通過可能な状態でヒートシンク２３に取り付けられている。また、形状Ａ、Ｃ、Ｄの放射フィン２７は、断面積が同等となるように調整しており、形状Ｂの放射フィン２７は、断面積が形状Ａ、Ｃ、Ｄの放射フィン２７よりも大きくなっている。

図５（ｂ）に示す解析モデルは、１スパンを模擬した解析モデルであり、ヒートシンク２３から躯体への熱伝導を考慮するため、天井面１１ａ、梁１１ｂを構成する上スラブ１１を含むように、解析領域を設定した。解析領域の中央上部には、天井面１１ａの下方の居室１０内を流れる気流を発生させるスポットファンを模擬した箱を設定し、フィン配置位置に３つの放射フィン２７を等間隔に設定した。なお、放射フィン２７の形状の影響を検証するため、ヒートシンク２３、冷温水パイプ２０及び放射フィン２７を詳細にモデル化し、解析格子は粘性底層内に第一格子が納まるように配慮した。

解析ソフトは、Ｆｌｕｅｎｔ Ｖ１８．２を使用した。解析手法は定常解析、乱流モデルにＲｅａｌｉｚａｂｌｅ ｋ−εモデル、壁関数にＥｎｈａｎｃｅｄ Ｗａｌｌ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔを設定し、解析項目は運動量、温度、輻射とした。浮力の効果はブジネスク近似（体膨張率０．００３５［１／Ｋ］）により考慮した。上スラブ１１には、コンクリートの物性値を設定し、冷温水パイプ２０、ヒートシンク２３及び放射フィン２７には、アルミニウムの物性値を設定した。

（解析結果）
図６は、解析結果を示し、（ａ）は熱流の移動方向、（ｂ）は気流無しでの熱流、（ｃ）は気流有りでの熱流を示す図である。図６（ｂ）、（ｃ）は、奥行１ｍ当たりの熱流の値であり、正負は図６（ａ）の矢印の向きに一致する。また、図７は、放射フィン２７の周囲の気流分布を示す図である。

図６（ｂ）に示すように、気流無しの条件において、形状Ａ、Ｂの放射フィン２７では、「冷水」からの熱流が、比較例及び形状Ｃ、Ｄの放射フィン２７と比べて大きくなった。これは、形状Ａ、Ｂの放射フィン２７が、フィン取付部２３２が長手方向に沿って連続的に配置された状態でヒートシンク２３に取り付けられていることで、ヒートシンク２３と放射フィン２７との間の接触面積が大きくなり、冷温水パイプ２０から放射フィン２７へのヒートシンク２３を介した熱伝導が促進された結果、系全体に投入できる熱流の総量が大きくなったと考えられる。

また、形状Ｃ、Ｄの放射フィン２７では、「ヒートシンク→躯体」の熱流が、形状Ａ、Ｂの放射フィン２７と比べて大きくなる傾向があり、同時に「躯体天井面」からの熱流も大きくなった。これは、形状Ｃ、Ｄの放射フィン２７は、吊り金具２９によりヒートシンク２３に取り付けられているのに対し、形状Ａ、Ｂの放射フィン２７は、長手方向に沿って連続的に配置されたフィン取付部２３２によりヒートシンク２３に取り付けられているため、形状Ｃ、Ｄの放射フィン２７は、放射フィン２７とヒートシンク２３との間の接触面積が、形状Ａ、Ｂの放射フィン２７と比べて小さくなるため、「冷水」からの熱流が躯体側へ偏り、形状Ａ、Ｂの放射フィン２７よりも天井面１１ａが冷却されたためと考えられる。

したがって、放射フィン２７とヒートシンク２３との間の接触面積、すなわち、放射フィン２７をヒートシンク２３に取り付ける際の取付部の形状によって、躯体への蓄熱性能と、居室への放熱性能とがトレードオフ関係となることが分かった。具体的には、放射フィン２７が、放射フィン２７とヒートシンク２３との間の接触面積が大きな取付部（例えば、フィン取付部２３２）を介して、ヒートシンク２３に取り付けられている場合には、居室に放熱する配分を増やす一方で躯体に蓄熱する配分を減らすことができ、放射フィン２７が、放射フィン２７とヒートシンク２３との間の接触面積が小さな取付部（例えば、吊り金具２９）を介して、ヒートシンク２３に取り付けられている場合には、躯体に蓄熱する配分を増やす一方で居室に放熱する配分を減らすことができるので、躯体蓄熱空調システム２を設置する居室１０の状況に合わせて熱エネルギーの躯体側及び居室側への配分を柔軟に変更することができることが分かった。

図６（ｃ）に示すように、気流有りの条件において、「ヒートシンク→室内」と「躯体天井面」との熱流の合計値（空調能力）は、冷水からの熱流との間に相関があること、すなわち、冷水からの熱流が大きいほど、「ヒートシンク→室内」と「躯体天井面」との熱流の合計値（空調能力）が大きくなることが確認できた。

形状Ｄの放射フィン２７では、「冷水」からの熱流が、比較例及び形状Ａ〜Ｄの中で最も大きくなっており、空調能力が最も大きい結果となった。また、形状Ｄの放射フィン２７は、図７に示す気流分布を見ると、天井面１１ａの近傍に這うような気流が形成されていることが分かった。これは、形状Ｄの放射フィン２７が、吊り金具２９により空隙部２３４を形成した状態、すなわち、横向きの気流が放射フィン２７とヒートシンク２３の間を通過可能な状態でヒートシンク２３に取り付けられているとともに、形状Ｄが、横向きの気流が流れる方向に対して上流側を広く、下流側を狭くした形状となっていることで、横向きの気流の速度が徐々に速くなることにより、天井面１１ａ及びヒートシンク２３の近傍に気流が生じ、上スラブ１１からの放熱を効率的に促進することができたと考えられる。

形状Ｂの放射フィン２７では、「冷水」からの熱流が、比較例及び形状Ａ〜Ｄの中で２番目に大きくなった。これは、形状Ｂの放射フィン２７は、気流なし条件においても、熱流が大きく、形状Ａ、Ｃ、Ｄの放射フィン２７と比べて熱的に有利な結果であったが、フィン断面積が大きいためと考えらえる。

「冷水」からの熱流に対する「ヒートシンク→躯体」の割合と、「冷水」からの熱流に対する「ヒートシンク→室内」との割合について、気流無しの条件と、気流有りの条件との間で比較すると、気流有りの条件では、「ヒートシンク→躯体」の割合が、気流無しの条件と比べて低くなり、「ヒートシンク→室内」の割合が、気流無しの条件と比べて高くなった。これは、気流有りの条件では、横向きの気流がヒートシンク２３に到達することで、ヒートシンク２３の表面近傍における対流が促進される結果、ヒートシンク２３から室内側への放熱が促進されるため、「冷水」からの熱流が室内側に偏ったと考えられる。

したがって、冷温水パイプ２０を保持したヒートシンク２３が天井面１１ａに取り付けられた場合、「冷水」からの熱流は、ヒートシンク２３により躯体側と室内側とで配分されることになるが、気流の有無に応じて、「冷水」からの熱流の配分を調節することができることが分かった。

（躯体蓄熱空調システム２の熱的性能を検証するための実験について）
次に、本発明の躯体蓄熱空調システム２の熱的性能を検証するために実験を行った。以下、実験装置、実験条件及び実験結果について説明する。

（実験装置及び実験条件）
実験装置は、発泡ポリスチレン板（１００ｍｍ厚、０．０２８Ｗ／ｍ／Ｋ）で作成したボックス内部に、上スラブ１１を模擬したコンクリート製の試験体Ａ（１４００×１１８０×２５０ｍｍ）又は試験体Ｂ（１４００×１１８０×１５０ｍｍ）を配置し、試験体Ａ、Ｂの下側（居室１０を模擬）と、試験体Ａ、Ｂの上側（ＯＡフロア＋上階の居室１０を模擬）の空間に分割した。内部空間の温度を調整するために、試験体Ａ、Ｂの上側と下側にヒーターをそれぞれ設置した。

試験体Ａ、Ｂの上側には、床吹出し空調システム３を模擬した送風ファンを設置し、試験体Ａ、Ｂの下側には、試験体Ａ、Ｂの表面に上向きの気流を吹き付けるスポットファンを、試験体Ａ、Ｂから０．３ｍ離れた位置に設置した。

試験体Ａは、スラブ（１５０ｍｍ）の下に増コン部（１００ｍｍ）を設けたものであり、試験体Ａの増コン部に冷温水パイプ２０を埋め込んだものを「第１の伝熱方式」とする。試験体Ｂの下側に、ヒートシンク２３及び弾性部材２５（厚さ３ｍｍ、熱伝導率２．１Ｗ／ｍ・Ｋ）を介して冷温水パイプ２０を設置したものを「第２の伝熱方式」とする。さらに、試験体Ｂの下側に設置したヒートシンク２３に放射フィン２７を取り付けたものを「第３の伝熱方式」とする。なお、放射フィン２７の形状としては、図５（ａ）における形状Ａを採用した。

蓄熱時の条件は、冷水温度２１℃、流量１．５Ｌ／ｍｉｎの冷水を冷温水パイプ２０に供給し、蓄熱時間は１０時間とした。また、蓄熱時には、上下の空間温度が２６℃になるようにヒーターを制御した。

放熱時の条件は、３つの放熱条件を採用し、「第１の放熱条件」は自然放熱とし、「第２の放熱条件」は送風ファンを稼働させ、「第３の放熱条件」は送風ファン及びスポットファンを稼働させた。送風ファンは、ＯＡフロア内の気流が送風温度２６℃、風量は１０ｍ³／ｈとなるように送風し、スポットファンは、吹出し風速３ｍ／ｓで試験体Ａ、Ｂの表面に上向きの気流を吹き付けた。また、放熱時には、蓄熱時と同様に、上下の空間温度が２６℃になるようにヒーターを制御した。

（実験結果）
図８は、伝熱方式の差異による蓄熱時の熱流の推移を示す図である。図８では、３０分ごとの熱流の平均値をプロットした結果を示している。「躯体への熱流」は、３０分ごとの蓄熱量の差分を時間で除した値である。「空気への熱流＋躯体からの空気への再放熱」は、３０分間の冷水の平均熱流（以下、冷水熱流）から「躯体への熱流」を減じた値（式（１））である。試験体Ａ、Ｂは、断熱性を確保するようにしているが、実験系の外に熱流が生じている場合は、「空気への熱流＋躯体から空気への再放熱」にその値が含まれることとなる。

「第１の伝熱方式」では、冷水熱流が、「第２の伝熱方式」及び「第３の伝熱方式」と比べて大きくなることが分かった。これは、空気へ対流で伝わる熱伝達率よりも、躯体内へ熱伝導で伝わる熱伝達率の方が高いことを示している。

一方、「第２の伝熱方式」及び「第３の伝熱方式」では、冷水熱流が、「第１の伝熱方式」の６割〜８割程度を推移しており、実験開始直後では差が大きく、時間経過と共にその差が小さくなる傾向になった。空気温度が一定に制御されているため、このような傾向になったものと推察される。また、「第２の伝熱方式」及び「第３の伝熱方式」で実験開始直後の空気への熱流が大きくなっているのは、実験開始直後に躯体近傍の空気温度が低くなることに起因しており、実験開始直後の冷水熱流が過大評価されていることも推察される。

冷水熱流について、「第２の伝熱方式」と「第３の伝熱方式」の間で比較すると、「第３の伝熱方式」では、冷水熱流が、「第２の伝熱方式」と比べて１割程度大きくなった。これは、「第３の伝熱方式」では、放射フィン２７がヒートシンク２３に取り付けられており、冷温水パイプ２０から放射フィン２７へのヒートシンク２３を介した熱伝導が行われた結果、系全体に投入できる熱流の総量が大きくなったと考えられる。

また、「第２の伝熱方式」と「第３の伝熱方式」の間で、冷水熱流に対する「躯体への熱流」の割合と、冷水熱流に対する「空気への熱流＋躯体からの空気への再放熱」の割合とを比較すると、「第３の伝熱方式」では、「躯体への熱流」の割合が、「第２の伝熱方式」と比べて低くなり、「空気への熱流＋躯体からの空気への再放熱」の割合が、「第２の伝熱方式」と比べて高くなった。これは、「第３の伝熱方式」では、放射フィン２７がヒートシンク２３に取り付けられており、冷温水パイプ２０から放射フィン２７へのヒートシンク２３を介した熱伝導が行われた結果、放射フィン２７が冷却されて、熱放射による室内側への冷却効果が促進されるとともに、冷却された放射フィン２７の表面に気流が生じることで対流が促進されることにより、放射フィン２７から空気への熱流が増加するため、冷水熱流が室内側に偏ったと考えられる。

したがって、冷温水パイプ２０を保持したヒートシンク２３が天井面１１ａに取り付けられた場合、冷水熱流は、ヒートシンク２３により躯体側と室内側とで配分されることになるが、ヒートシンク２３に放射フィン２７を取り付けることで、室内側への配分を増やすことができることが分かった。

弾性部材２５（厚み３ｍｍ、熱伝導率２．１Ｗ／ｍ・Ｋ）の有無について、弾性部材２５が有る場合では、冷水熱流や躯体への熱流が、弾性部材２５が無い場合と比べて大きくなった。これは、躯体表面に不陸がある場合には、躯体表面の不陸によって躯体とヒートシンク２３との間の空気層が生じ、躯体への熱伝導量が低下することになるが、弾性部材２５が有ることで、躯体とヒートシンク２３との間の空気層の影響を小さくすることができ、躯体表面の不陸による熱伝導量の低下を抑制することができることを示している。

図９は、伝熱方式の差異による蓄熱率の推移を示す図である。図９では、冷水熱流が躯体の温度変化に使われた割合を示している。１０時間の蓄熱時間で、「第１の伝熱方式」は、９５〜５０％、「第２の伝熱方式」は、８０〜２５％、「第３の伝熱方式」は、７５〜１５％程度の蓄熱率の推移を示す結果となった。

「第３の伝熱方式」では、躯体への蓄熱に寄与する躯体側への熱流が小さくなるため、蓄熱率が低下したと考えられるが、その一方で、放射フィン２７から室内側への熱流が増加することから、空調能力を向上させることができることを示している。

図１０は、伝熱方式の差異による躯体内温度分布の推移を示す図である。図１０では、試験体Ａ、Ｂの中央部鉛直方向断面における躯体内温度分布の推移を示している。図の黒丸は、温度計測点を示しており、計測点間の空間は、通常型Ｋｒｉｇｉｎｇにより補間した。

蓄熱時について、「第１の伝熱方式」では、冷温水パイプ２０の埋設部分近傍（試験体Ａの下側面から距離５０ｍｍの高さ）から躯体が冷却され、躯体深部に最も低い温度部分が生じた。これに対して、「第２の伝熱方式」及び「第３の伝熱方式」では、下側の躯体表面に最も低い温度部分が生じた。

放熱時について、「第１の伝熱方式」では、送水停止から５時間経過した状況でも躯体内に冷熱だまりが残っており、躯体の厚みが大きく、冷温水パイプ２０が躯体深部にあるほど、熱エネルギーを効率よく取り出すことが難しくなることが分かった。これに対して、「第２の伝熱方式」及び「第３の伝熱方式」では、下側の躯体表面に最も低い温度部分が生じていることから、天井面１１ａの下方の居室１０内を流れる気流が躯体に到達することで、躯体から熱エネルギーを放熱する際の放熱性能を向上させることができることが推察される。

図１１は、蓄熱時及び放熱時における躯体蓄熱量と冷水の積算冷熱量との推移を示す図である。図１１において、冷水の送水を停止した時（１０時間蓄熱時）の冷水の積算冷熱量と、躯体蓄熱量との差が、上下空間に放熱された冷熱量を表しており、この差が小さいほど、躯体に蓄熱された冷熱量の割合が大きいことを示す。いずれの伝熱方式においても、実験開始直後の段階では、躯体に蓄熱された冷熱量の割合が高く、時間の経過と共に、躯体に蓄熱されることなく空気に放熱される割合が増加した。

また、１０時間蓄熱時の冷水の積算冷熱量に対する躯体蓄熱量としては、「第１の伝熱方式」で約７０％、「第２の伝熱方式」で約５０％、「第３の伝熱方式」で約４０％となった。「第３の伝熱方式」では、冷温水パイプ２０から放射フィン２７へのヒートシンク２３を介した熱伝導により放射フィン２７が冷却されて、熱放射による室内側への冷却効果が増幅されるため、熱流が室内側に偏っているが、冷水による積算冷熱量が、「第２の伝熱方式」と比べて大きくなった。

冷水の送水を停止した後の躯体蓄熱量の推移としては、「第２の放熱条件」では、「第１の放熱条件」と比べてほとんど差異がなかった。床吹出しの風量は、放熱に与える影響が小さかったものと考えられる。一方、「第３の放熱条件」では、躯体からの放熱量が、「第１の放熱条件」と比べて、１．２倍〜１．４倍程大きく、天井面１１ａの下方の居室１０内を流れる気流が躯体に到達することで、躯体の表面近傍における対流が促進され、躯体から熱エネルギーを放熱する際の放熱性能を向上させることができることが推察される。

以上のように、本発明の実施の形態に係る躯体蓄熱空調システム２によれば、ヒートシンク２３が、冷温水パイプ２０を流れ方向に沿って保持した状態で天井面１１ａに取り付けられ、放射フィン２７が、ヒートシンク２３が取り付けられた天井面１１ａの下方に流れ方向に沿って配置された状態でフィン取付部２３２又は吊り金具２９を介してヒートシンク２３に取り付けられているので、躯体蓄熱空調システム２が備える各部を上スラブ１１に埋め込む必要がないため、システムの施工性、メンテナンス性を確保することができる。

また、本発明の実施の形態に係る躯体蓄熱空調システム２によれば、放射フィン２７が、ヒートシンク２３が取り付けられた天井面１１ａの下方に流れ方向に沿って配置された状態でフィン取付部２３２又は吊り金具２９を介してヒートシンク２３に取り付けられているので、放射フィン２７が、放射フィン２７とヒートシンク２３との間の接触面積が大きなフィン取付部２３２を介して、ヒートシンク２３に取り付けられている場合には、居室１０に放熱する配分を増やす一方で上スラブ１１に蓄熱する配分を減らすことができ、放射フィン２７が、放射フィン２７とヒートシンク２３との間の接触面積が小さい吊り金具２９を介して、ヒートシンク２３に取り付けられている場合には、を上スラブ１１に蓄熱する配分を増やす一方で居室１０に放熱する配分を減らすことができるため、躯体蓄熱空調システム２を設置する居室１０の状況に合わせて熱エネルギーの躯体側及び居室側への配分を柔軟に変更することができる。

１・・・建築物
２・・・躯体蓄熱空調システム
３・・・床吹出し空調システム
１０・・・居室
１１・・・上スラブ
１１ａ・・・天井面
１１ｂ・・・梁
１１ｃ・・・凹部
１２・・・下スラブ
１３・・・床材
１４・・・床下チャンバ
２０、２０ａ〜２０ｃ・・・冷温水パイプ
２１・・・熱交換器
２２・・・熱源
２３、２３Ａ、２３Ｂ・・・ヒートシンク
２５・・・弾性部材
２６・・・潜熱蓄熱材
２７、２７Ａ、２７Ｂ・・・放射フィン
２８Ａ〜２８Ｃ・・・固定ボルト
２９・・・吊り金具
３０・・・空調部
３１・・・給気配管
３２・・・還気配管
１００・・・空調システム
２３０・・・保持部
２３１・・・天井固定部
２３２・・・フィン取付部
２３３・・・金具取付部
２３４・・・空隙部
２７０・・・波板部
２７１・・・接続部

Claims (5)

1. 建築物の天井面を構成する躯体に蓄熱した熱エネルギーを放熱することにより空調を行う躯体蓄熱空調システムであって、
   前記熱エネルギーの媒体となる熱媒体が流れ方向に沿って流れる熱媒体配管と、
   前記熱媒体配管を前記流れ方向に沿って保持した状態で前記天井面に取り付けられた熱交換部材と、
   前記熱交換部材が取り付けられた前記天井面の下方に前記流れ方向に沿って配置された状態で取付部を介して前記熱交換部材に取り付けられた放射部材と、
   を備えたことを特徴とする躯体蓄熱空調システム。
2. 前記放射部材は、前記天井面の下方の居室内を流れる気流が前記熱交換部材と前記放射部材との間を通過可能な空隙部を形成した状態で前記取付部を介して前記熱交換部材に取り付けられた
   ことを特徴とする請求項１に記載の躯体蓄熱空調システム。
3. 前記放射部材は、板状部材で構成されるとともに、前記板状部材の長手方向が前記流れ方向に沿って配置された状態で前記取付部を介して前記熱交換部材に取り付けられ、
   前記取付部は、前記板状部材の長手方向に沿って所定の取付幅を有する板状取付部、又は、前記板状部材の長手方向に沿って所定の間隔幅で配置された複数の棒状取付部である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の躯体蓄熱空調システム。
4. 前記熱交換部材と前記天井面との間に、前記躯体よりも熱伝導率が大きな弾性部材を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の躯体蓄熱空調システム。
5. 前記天井面に形成された凹部に、前記躯体よりも比熱容量が大きな潜熱蓄熱材を備え、
   前記熱交換部材は、前記凹部が形成された部分の前記天井面に取り付けられた
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の躯体蓄熱空調システム。