JP3440424B2

JP3440424B2 - 建築物

Info

Publication number: JP3440424B2
Application number: JP17780995A
Authority: JP
Inventors: 博大山; 義文高岡; 哲也中辻; 総子斉藤
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 1995-07-13
Filing date: 1995-07-13
Publication date: 2003-08-25
Anticipated expiration: 2015-07-13
Also published as: JPH0932141A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、屋根に太陽熱を利
用した集熱装置が備えられた、例えばゴルフ場のクラブ
ハウス，各種保養施設，住宅等に適用するのに好適な建
築物に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、レストラン，ホール，住
宅等の建築物においては、省エネルギー化を図るため
に、その内部空間の空調や給湯の熱エネルギーに太陽熱
を利用する技術がある。従来、このような技術において
は屋根等に周知のソーラーパネルを設置するのが一般的
であるが、ソーラーパネルは建築物の外観を大幅に損な
うという問題を抱えている。

【０００３】このため、近年では、図５に示すように、
建築物１の屋根２を、例えば金属板からなる外側部材３
と、例えばコンクリート板からなる内側部材４とを間隔
を隔てて設けた二重構造とし、外側部材３と内側部材４
との間に形成された空間５内の空気を太陽熱で加熱し、
これを空調や給湯のエネルギー源として用いる構成の集
熱装置Ａが実用化されつつある。この集熱装置Ａは、屋
根２の軒先に導風口６が形成され、屋根２の上端部には
吸込口７が形成され、この吸込口７に例えば熱交換器等
の集熱機構に連通するダクト（図示なし）が接続された
構成となっている。そして、導風口６から外側部材３と
内側部材４との間の空間５に導入された空気は、この空
間５を通って吸込口７に至る間に太陽熱で加熱され、加
熱された空気は吸込口７からダクト８を介して集熱機構
に送り込まれ、その熱エネルギーを利用して、直接暖房
を行ったり、空調用の冷媒・熱媒の冷却・加熱や給湯用
の湯の加熱等に用いられるようになっている。

【０００４】上記集熱装置Ａの集熱効率をさらに高める
ために、図６に示すように、屋根２の外側部材３の上部
にガラス板９および枠材１０，１０，…によって覆われ
た密閉空間１１が形成された集熱装置Ｂも開発されてい
る。この集熱装置Ｂでは、ガラス板９を透る太陽熱によ
って熱せられた密閉空間１１の空気によって、ここが保
温層として機能して空間５内の空気を保温し、集熱効率
を高める構成となっている。

【０００５】もちろん、このような集熱装置Ｂには、さ
らにその集熱効率を高めるために、屋根２の全体をガラ
ス板９で覆ったものもある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の集熱装置付きの屋根を備えた建築物に
は、以下のような問題が存在する。まず、図５に示した
ような集熱装置Ａでは、屋根２の大きさによっては十分
な集熱を行うことができないことがある。

【０００７】また、図６に示したような集熱装置Ｂで
は、この問題を解決することができるが、ガラス板９が
金属板等からなる外側部材３に比較して高価であるため
に、集熱効率の向上とコスト面との釣り合いをとるのが
難しい。しかも、この構造では、ガラス板９のある部分
と、ガラス板９のない部分とで、空間５内を流れる空気
の流速を変化させることができない。

【０００８】また、集熱装置Ａ，Ｂのいずれにおいて
も、空間５を通る間に加熱される空気の温度は、太陽熱
の照射量や、外気温等によって左右される。したがっ
て、季節や天候等によって、集熱機構（図示なし）で利
用できる熱エネルギーが安定せず、所望の熱エネルギー
が得られるとは限らないという問題があり、しかも、こ
れを安定させるよう制御する方法もないのが実情であ
る。本発明は、以上のような点を考慮してなされたもの
で、低コストで集熱効率を高めることができ、さらには
所望量のエネルギーを安定して供給することのできる集
熱装置を備えた建築物を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
定められた角度で傾斜して設けられ、かつその断面方向
に間隔を隔てて配置された外側部材と内側部材とからな
る二重構造の屋根に、太陽熱を利用する集熱装置が備え
られてなる建築物であって、前記集熱装置が、前記外側
部材と内側部材との間の空間を流路として、前記屋根の
軒先近傍に形成された導風口から前記流路に外気を導入
し、該流路内を通る間に太陽熱で空気を加熱して、これ
を前記内側部材に形成された吸込口から集熱機構に送り
込み、該集熱機構で前記空気の熱エネルギーを利用する
構成とされ、前記流路が、前記軒先から上方に向けて一
定長の部分に配設された第一集熱部と、該第一集熱部の
上方側に配設されて、前記外側部材の上面にガラス板に
よって囲まれた保温層を備えた第二集熱部とに区分さ
れ、前記第二集熱部には、前記吸込口に至るその流路の
断面積が前記第一集熱部の流路断面積よりも小さくなる
よう、仕切材が配設されていることを特徴としている。

【００１０】請求項２に係る発明は、請求項１記載の建
築物において、該建築物の屋根に備えられた前記集熱装
置に、前記流路内の空気を前記集熱機構に導くための送
風機と、前記集熱機構に送り込まれた空気の温度，外気
温度，日照量，外部風速，前記流路内の空気の流速の少
なくとも一つを検出する検出手段と、該検出手段での検
出結果に基づいて前記送風機の作動を制御する制御手段
とが備えられていることを特徴としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図１ないし図３に
示す一例を参照して説明する。図１に示すように、建築
物２０の外周部には、一定間隔毎に外柱２１，２１，…
が立設され、その内方には、これら外柱２１よりも一定
寸法長い内柱２２，２２，…が立設されている。外柱２
１，２１，…上には、建築物２０の長手方向（紙面と直
交する方向）に沿って外周梁２３が架設され、内柱２
２，２２，…上には、外周梁２３と平行に、Ｈ型鋼から
なる支持梁２４，２４が架設されている。そして、これ
ら支持梁２４，２４間には、断面視略三角形のトラス状
に組み立てられたトラス部材２５が架設されている。外
周梁２３と、支持梁２４との間には、大断面の木製の集
成材からなる支持部材２６，２６，…が一定角度傾斜し
て架設されており、これら支持部材２６とトラス部材２
５との間には補強材２７が設けられている。そして、こ
の建築物２０の屋根３０は、上記のトラス部材２５と支
持部材２６とによって支持された構造となっている。

【００１２】屋根３０は、支持部材２６に支持されてい
る外周屋根部３１と、トラス部材２５に支持されて外周
屋根部３１よりも急な所定角度で傾斜して設けられ、屋
根３０の頂部を形成するトップライト部３２とから構成
されている。

【００１３】この屋根３０は、例えばその北側に面した
部分が非集熱部Ｎとされ、南側に面した部分には以下に
示すような集熱装置Ｃが備えられた集熱部Ｓとされてお
り、集熱部Ｓ側は、外周屋根部３１に形成された第一集
熱部Ｃ１と、トップライト部３２に形成された第二集熱
部Ｃ２とに区分されている。

【００１４】図２に示すように、第一集熱部Ｃ１は、支
持部材２６の上面に、水平方向に延在するビーム材３
３，図示しない断熱材，ルーフィング材，内側パネル
（内側部材）３４，垂木３５，外側パネル（外側部材）
３６，瓦パネル等の屋根表皮材３７が順に敷設された構
成となっている。

【００１５】図３に示すように、垂木３５，３５，…
は、外周屋根部３１の流れ方向と直交する方向（棟と平
行な方向）に一定間隔毎に、それぞれ前記流れ方向に沿
って延在するよう設けられている。

【００１６】これら垂木３５によって、第一集熱部Ｃ１
は、内側パネル３４と外側パネル材３６との間に空間３
８が形成された二重構造となっている。そして、空間３
８がこれら垂木３５で仕切られることによって、第一集
熱部Ｃ１には空気の流路Ｒ１，Ｒ１，…が形成されてい
る。

【００１７】外周屋根部３１の庇の下面には、例えばス
テンレス製のネットを備えた導風口３９が形成されてお
り、ここから各流路Ｒ１に外気を導くようになってい
る。

【００１８】前記第二集熱部Ｃ２は、以下のような構成
となっている。図２に示したように、トップライト部３
２の集熱部Ｓ側には、支持梁２４，２４に架け渡された
略Ｖ字状のフレーム４０に、断熱材（図示なし）を介し
て内側パネル（内側部材）４１が取り付けられている。
この内側パネル４１には、図示しないスペーサを介し一
定間隔を隔てて、外側パネル（外側部材）４２が設けら
れ、これら内側パネル４１，外側パネル４２との間に
は、第一集熱部Ｃ１の流路Ｒ１，Ｒ１，…に連通する空
間４３が形成されている。

【００１９】外側パネル４２の外側面には、枠材４４，
４４を介してガラス板４５が設けられ、ガラス板４５と
外側パネル４２との間の空間が密閉された構成となって
おり、この空間は、太陽熱を吸収し余熱を逃がさぬよう
保温する保温層４６として機能するようになっている。

【００２０】図２および図３に示したように、内側パネ
ル４１の所定位置には、吸込口４７が形成されている。

【００２１】図３に示したように、前記内側パネル４１
と外側パネル４２との間の空間４３には仕切材４８，４
９が配設されており、これら仕切材４８，４９によっ
て、第一集熱部Ｃ１の流路Ｒ１，Ｒ１，…から吸込口４
７に至る流路Ｒ２が蛇行して形成されている。このよう
にして仕切材４８，４９によって形成される第二集熱部
Ｃ２の流路Ｒ２は、その断面積Ｓ２が、第一集熱部Ｃ１
の流路Ｒ１，Ｒ１，…の総断面積Ｓ１よりも小さく設定
されている。

【００２２】そして第一集熱部Ｃ１と第二集熱部Ｃ２と
の間には、ガイド板５０，５０，…が設けられている。
これらのガイド板５０の間隔は、流路Ｒ１を流れる図中
符号（イ）、（ロ）、（ハ）で示した風の風量がばらつ
かずにほぼ等しくなるよう、流路Ｒ２から横方向に離れ
るにしたがい、小さくなるように設定されている。

【００２３】図２に示したように、第二集熱部Ｃ２の内
側パネル４１に形成された前記吸込口４７には、連通管
５１を介して、トップライト部３２の内側に配管された
集気ダクト５２が接続されている。この集気ダクト５２
には、送風機５３が備えられており、これによって集気
ダクト５２内の空気を送風するようになっている。

【００２４】そして、この送風機５３には、インバータ
５４を介して、その作動を制御する制御ユニット（制御
手段）５５が備えられている。この制御ユニット５５に
は、例えば風速計（検出手段）５６，外気温度計（検出
手段）５７，日照計（検出手段）５８や、集熱ダクト５
２内での集熱気温を計測する温度計等が接続されてい
る。この制御ユニット５５においては、風速計５６，外
気温度計５７，日照計５８等での測定結果に基づき、第
一集熱部Ｃ１，第二集熱部Ｃ２を通る間に加熱される空
気の温度（これを「集熱温度」と称する）が、予め設定
された温度となるように、流路Ｒ１，Ｒ２における空気
の流速を計算し、送風機５３で発生する風量を自動的に
調節するようになっている。

【００２５】図１に示したように、集気ダクト５２に
は、送風機５３のさらに下流側に熱交換コイル（集熱機
構）５９が備えられており、この熱交換コイル５９を通
過した空気は、建築物２０内の床６０に形成された暖気
通路６１と、トップライト部３２に形成された排気口６
２とに、それぞれダクト管６１ａ，６２ａおよび切替バ
ルブ６１ｂ，６２ｂを介して、適宜選択的に送給される
ようになっている。

【００２６】熱交換コイル５９は、集気ダクト５２内の
空気から回収した熱エネルギーを熱回収ポンプ６３を介
して貯湯槽６４に供給し、これを貯湯槽６４での補給水
加熱時の補助エネルギーとしたり、また、逆に、ボイラ
ー６５で発生させた熱エネルギーを暖房ポンプ６６で熱
交換コイル５９に供給することによって、集気ダクト５
２からの空気をさらに加熱することができるようになっ
ている。

【００２７】次に、上記のような構成からなる集熱装置
Ｃを備えた屋根３０を有してなる建築物２０の作用につ
いて説明する。屋根３０に備えた集熱装置Ｃでは、送風
機５３の作動によって、外気が導風口３９から第一集熱
部Ｃ１の流路Ｒ１，Ｒ１，…内に導かれ、この外気は、
太陽熱によって熱せられた外側パネル３６の熱によって
加熱されて暖気となる。そして、この暖気は、流路Ｒ
１，Ｒ１，…に沿って上昇していき、第二集熱部Ｃ２の
流路Ｒ２に流れ込む。第二集熱部Ｃ２では、流路Ｒ２を
通る間に、太陽熱によって熱せられた保温層４６の熱に
よって、暖気がさらに加熱されるとともに、放熱による
温度低下が防止される。このとき、第二集熱部Ｃ２の流
路Ｒ２の断面積Ｓ２が、第一集熱部Ｃ１の流路Ｒ１，Ｒ
１，…の総断面積Ｓ１よりも小さく設定されているの
で、流路Ｒ２での暖気の流速は、流路Ｒ１内に比較して
速められる。

【００２８】この後、流路Ｒ２を通った暖気は吸込口４
７から集気ダクト５２内に送り込まれ、送風機５３を通
って熱交換コイル５９に導かれるようになっている。熱
交換コイル５９においては、暖房を必要としない季節に
は、暖気から熱エネルギーを回収し、これを貯湯槽６４
に供給して補給水加熱時の補助エネルギーとするように
なっている。そして、熱交換コイル５９を通った暖気
は、ダクト管６２ａを介して排気口６２から排出される
ようになっている。一方、冬季等、暖房を必要とすると
きには、熱交換コイル５９において、ボイラ６５で発生
した熱により、暖気を所定の温度まで加熱する。そして
加熱されたこの暖気を、暖房用のダクト管６１ａを介し
て、床６０の暖気通路６１に送り込むことによって、床
暖房を行うようになっている。

【００２９】ここで、図２に示したように、外気を導風
口３９から集熱装置Ｃ内に導くための送風機５３は、そ
の作動が制御ユニット５５によって制御されており、こ
れによって流路Ｒ１，Ｒ２における流速が調整されて、
流路Ｒ１，Ｒ２を通る間に加熱される空気の集熱温度が
最適となるようになっている。

【００３０】上述した建築物２０では、屋根３０に集熱
装置Ｃが備えられており、この集熱装置Ｃが、第一集熱
部Ｃ１と、保温層４６を備えた第二集熱部Ｃ２とに区分
され、導風口３９から導入された空気は、第一集熱部Ｃ
１の流路Ｒ１と第二集熱部Ｃ２の流路Ｒ２とを通る間に
太陽熱を集熱して加熱され、加熱された暖気は、集気ダ
クト５２に送り込まれ、熱回収ポンプ６３で熱エネルギ
ーが回収されて給湯用の湯の加熱に使用されたり、直接
暖房に利用される構成となっている。

【００３１】このとき、第二集熱部Ｃ２には、仕切材４
８，４９によって、流路Ｒ２の断面積Ｓ２が、第一集熱
部Ｃ１の流路Ｒ１，Ｒ１，…の総断面積Ｓ１よりも小さ
く設定されている。これにより、流路Ｒ２内での空気の
流速は、流路Ｒ１内での流速よりも高められることにな
る。このようにして流速を高めることによって、空気の
流れに乱流を発生させ、外側パネル３６の表面との熱伝
達を活発化させて、集熱効率を高めることができる。ま
た、加熱すべき空気の設定温度があまり高くない場合に
は空気が過度に加熱されるのを防いで最適な温度にする
ことができる。しかも、仕切材４８，４９によって流路
Ｒ２を蛇行させることによって、流路長を長く確保する
ことができるので、高価なガラス板４５の使用を最小限
として、高い集熱効率を有した集熱装置Ｃを低コストで
提供することが可能となる。また、吸込口４７の位置
も、最上部に限定されることがなくなるので、集気ダク
ト５２のレイアウトの自由度を高めることも可能であ
る。

【００３２】さらに、送風機５３には、制御ユニット５
５が備えられて、この制御ユニット５５で風速計５６，
外気温度計５７，日照計５８等での計測結果に基づいて
送風機５３の作動を制御する構成となっている。これに
より、天候，季節等の条件に対応して送風機５３を制御
することによって、集熱装置Ｃの流路Ｒ１，Ｒ２内での
空気の流速を変化させることができ、空気を効率良く加
熱し、その熱エネルギーを安定して供給することができ
る。

【００３３】なお、上記実施例において、集熱装置Ｃの
第二集熱部Ｃ２に配した仕切材４８，４９の配置につい
ては、流路Ｒ２の断面積Ｓ２が第一集熱部Ｃ１の流路Ｒ
１，Ｒ１，…の総断面積Ｓ１よりも小さくなり、かつ流
路Ｒ１の空見の流れが均等になるのであれば、いかなる
配置としてもよい。

【００３４】また、集熱装置Ｃで加熱した暖気の用途に
ついては、何ら限定するものではなく、例えば冷房・暖
房用の冷媒・熱媒との熱交換に用いたりすることも可能
である。さらには、集熱装置Ｃで加熱した暖気を、例え
ば暖房に用いる場合などには、集熱装置Ｃに通す空気を
循環させて、流路Ｒ１およびＲ２に繰り返し通す構成と
してもよく、この場合には、より一層高い集熱効率を得
ることができる。

【００３５】また、集熱装置Ｃ２の送風機５３を制御す
るために制御ユニット５５を用いる構成としたが、その
制御方法については何ら限定するものではなく、要求さ
れる集熱温度の精度やコストなどに応じて、検出条件を
少なくしたり、上記以外の条件を測定したりしてもよ
い。

【００３６】加えて、制御ユニット５５に代えて、図４
に示すように、手動ダンパー７０で送風機５３の作動
を、季節や時間によって手動で調整することも可能であ
る。このような構成とすれば、集熱装置Ｃ’を安価で簡
便なものとすることができ、この結果、建築物２０’の
建築コストを抑さえることができる。

【００３７】さらに、言うまでもないが、建築物２０の
屋根３０の形状，形式については、いかなるものであっ
ても、集熱装置Ｃを適用することによって上記と同様の
効果を奏することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る建
築物によれば、屋根に集熱装置を備えた構成とし、この
集熱装置を第一集熱部と第二集熱部とに区分し、第二集
熱部には、外側部材の上面にガラス板によって囲まれた
保温層を形成するとともに、第二集熱部の流路断面積が
第一集熱部の流路断面積よりも小さくなるように仕切材
を配設する構成とした。これにより、導風口から外側部
材と内側部材との間の流路に導入された空気は、第一集
熱部と第二集熱部とを通って吸込口に送り込まれる間に
太陽熱で加熱され、加熱された暖気を、集熱機構で空調
や給湯等のエネルギー源として利用して、省エネルギー
化を図ることができる。このとき、第二集熱部に配設し
た仕切材によって、第二集熱部の流路断面積が第一集熱
部の流路断面積よりも小さくされているので、第二集熱
部の流路内における空気の流速は、第一集熱部の流路内
に比較して速められることになる。このようにして流速
を高めることによって、空気の流れに乱流を発生させ、
外側部材の表面との熱伝達を活発化させて集熱効率を高
めることができる。また、集熱して加熱すべき空気の設
定温度があまり高くない場合には、空気が過度に加熱さ
れるのを防いで最適な温度にすることができる。しか
も、仕切材によって第二集熱部の流路を蛇行させること
によって、流路長を長く確保することができるので、高
価なガラス板の使用を最小限として、高い集熱効率を有
した集熱装置を低コストで提供することが可能となる。
また、吸込口の位置も、最上部に限定されることがなく
なるので、ダクトのレイアウトの自由度を高めることも
可能である。

【００３９】請求項２に係る建築物によれば、集熱装置
に、送風機を備えるとともに、集熱機構に送り込まれた
空気の温度，外気温度，日照量，外部風速，流路内の空
気の流速の少なくとも一つを検出する検出手段を備え、
該検出手段での検出結果に基づいて送風機の作動を制御
する制御手段を備える構成となっている。これにより、
検出手段で集熱機構に送り込まれた空気の温度，外気温
度，日照量，外部風速，流路内の空気の流速の少なくと
も一つを検出し、これに基づいて制御手段で送風機の作
動を制御することによって、流路内の空気の流速を調整
することができ、流路内で加熱される空気の温度を制御
することができる。したがって、天候，季節等の条件に
対応して送風機を制御することによって、空気を効率良
く加熱し、その熱エネルギーを安定して供給することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る建築物の実施の形態の一例を示す
立断面図である。

【図２】前記建築物の屋根を示す立断面図である。

【図３】前記屋根の斜視断面図である。

【図４】本発明に係る建築物の実施の形態の他の一例を
示す立断面図である。

【図５】従来の建築物の一例を示す立断面図である。

【図６】従来の建築物の他の一例を示す立断面図であ
る。

【符号の説明】

２０，２０’ 建築物３０屋根３４，４１内側パネル（内側部材）３６，４２外側パネル（外側部材）３９導風口４５ガラス板４６保温層４７吸込口４８，４９仕切材５３送風機５５制御ユニット（制御手段）５６風速計（検出手段）５７外気温度計（検出手段）５８日照計（検出手段）５９熱交換コイル（集熱機構）Ｃ，Ｃ’ 集熱装置Ｃ１第一集熱部Ｃ２第二集熱部Ｒ１，Ｒ２流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者斉藤総子東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (56)参考文献特開平７−139817（ＪＰ，Ａ) 特開平５−322320（ＪＰ，Ａ) 特開平７−90949（ＪＰ，Ａ) 特開平６−281263（ＪＰ，Ａ) 登録実用新案3011424（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E04B 1/62 - 1/99

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】定められた角度で傾斜して設けられ、か
つその断面方向に間隔を隔てて配置された外側部材と内
側部材とからなる二重構造の屋根に、太陽熱を利用する
集熱装置が備えられてなる建築物であって、前記集熱装置が、前記外側部材と内側部材との間の空間
を流路として、前記屋根の軒先近傍に形成された導風口
から前記流路に外気を導入し、該流路内を通る間に太陽
熱で空気を加熱して、これを前記内側部材に形成された
吸込口から集熱機構に送り込み、該集熱機構で前記空気
の熱エネルギーを利用する構成とされ、前記流路が、前記軒先から上方に向けて一定長の部分に
配設された第一集熱部と、該第一集熱部の上方側に配設
されて、前記外側部材の上面にガラス板によって囲まれ
た保温層を備えた第二集熱部とに区分され、前記第二集熱部には、前記吸込口に至るその流路の断面
積が前記第一集熱部の流路断面積よりも小さくなるよ
う、仕切材が配設されていることを特徴とする建築物。
【請求項２】請求項１記載の建築物において、該建築
物の屋根に備えられた前記集熱装置に、前記流路内の空
気を前記集熱機構に導くための送風機と、前記集熱機構
に送り込まれた空気の温度，外気温度，日照量，外部風
速，前記流路内の空気の流速の少なくとも一つを検出す
る検出手段と、該検出手段での検出結果に基づいて前記
送風機の作動を制御する制御手段とが備えられているこ
とを特徴とする建築物。