JP3495288B2 - 躯体蓄熱空調システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、空調システムに係
り、特に、構造躯体に熱を蓄積し、この蓄熱した熱を利
用して室内空間を空調する躯体蓄熱空調システムに関す
る。 【０００２】 【従来の技術】従来、室内空間の空調が不要な夜間に空
調機からの空調空気（冷房空気，暖房空気）を利用して
建物の構造躯体（コンクリートスラブ等）に熱を蓄積
し、この蓄積した熱を実際の空調時間帯（昼間）に利用
して室内空間を空調する、躯体蓄熱空調システムが知ら
れている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
躯体蓄熱空調システムの場合は、昼間の空調負荷を夜間
に移行できるものの、昼夜にわたって冷暖房機器を作動
させる必要があることから、熱源機やファン等の運転時
間が長くなり、また夜間の屋外への熱損失等もあって、
結果的にトータルのエネルギー消費量が増大する虞れが
あった。 【０００４】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、その目的とするところは、昼間の空調負荷
を夜間に移行することと、エネルギー消費量を低減する
ことの２点を同時に実現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にある。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明に係る躯体蓄熱空
調システムでは、建物の各階で構造躯体が露出する所定
の空間に冷房空気を供給して前記構造躯体に冷熱を蓄積
させる第１の蓄熱手段と、前記建物の各階で前記所定の
空間への外気の取り込みを制御するための第１のダンパ
ーと、前記建物の各階を竪方向に貫通して下方から上方
に流れる気流を生じさせる貫通スペースと、前記貫通ス
ペースと前記各階の前記所定の空間との間で空気の流れ
を制御するための第２のダンパーとを有し、前記第１，
第２のダンパーの駆動により前記所定の空間を自然換気
して前記構造躯体に冷熱を蓄積させる第２の蓄熱手段
と、前記第１，第２の蓄熱手段を所定の条件で駆動制御
する制御手段とを備え、前記構造躯体に蓄積された冷熱
を利用して室内空間を空調するシステム構成を採用して
いる。 【０００６】この躯体蓄熱空調システムにおいては、冷
凍機等を使用して生成される冷房空気を所定の空間に供
給して構造躯体に冷熱を蓄積させる第１の蓄熱手段と、
所定の空間を自然換気して構造躯体に冷熱を蓄積させる
第２の蓄熱手段とを併せ持っているため、室内空間の空
調が不要な夜間に、これら第１，第２の蓄熱手段を制御
手段により適宜駆動制御して構造躯体への冷熱の蓄積を
行うことにより、構造躯体に蓄積された冷熱利用で昼間
の冷房負荷を軽減し、かつ冷凍機等による構造躯体への
蓄熱負荷を軽減することが可能となる。 【０００７】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ詳細に説明する。 【０００８】図１は本発明の実施形態に係る躯体蓄熱空
調システムの概略構成図である。図１において、建物の
各階では、空調の対象となる室内空間１が、床面２と天
井面３により所定の高さに区画形成されている。各階の
天井内空間４には、建物の構造躯体となるコンクリート
スラブ５が露出している。また、天井内空間４には、適
宜数の空気調和機（以下、空調機と略称）６が取り付け
られている。 【０００９】各々の空調機６は、空気を移動させる送風
機、冷風を作る冷水コイル（クーリングコイル）、空気
を清浄にするためのエアフィルタ等を一体に備えてい
る。また、各々の空調機６の給気ダクト７は天井内空間
４で２系統に分岐されている。このうち、一方の分岐ダ
クトの終端は室内空間１に臨む状態で開口し、他方の分
岐ダクトの終端は天井内空間４に臨む状態で開口してい
る。また、一方の分岐ダクトの途中にはダンパー８が設
けられ、他方の分岐ダクトの途中にもダンパー９が設け
られている。これらのダンパー８，９は、空調機６から
送り出された空調空気（冷房空気）の吹き出し先を、天
井内空間４と室内空間１との間で切り替えるためのもの
である。 【００１０】 一方、各階の窓上の天井部分には、外気
の取り入れを調整制御するためのダンパー１０が設けら
れ、さらにその反対側の天井部分には、天井内空間４と
エコシャフト１１との間で空気の流れを調整制御するた
めのダンパー１２が設けられている。エコシャフト１１
は、建物の各階にわたって竪方向に貫通するスペースで
あり、その最上部にはルーバー式の排気口１３が設けら
れている。 【００１１】さらに、排気口１３の開口している建物の
屋上には、冷熱源となる冷凍機１４が設置されている。
この冷凍機１４は、各階の天井内空間４に取り付けられ
た空調機６（冷水コイル）に冷水を供給するためのもの
で、例えば圧縮式冷凍機や吸収式冷凍機などが用いられ
る。 【００１２】上記冷凍機１４からは配管１５が導出さ
れ、さらにこの配管１５途中にはポンプ１６が取り付け
られている。配管１５は、建物の各階を貫通するかたち
で竪方向に設置されるとともに、各階の天井部分で分岐
されて各々の空調機６に接続されている。ポンプ１６
は、冷凍機１４で生成された冷水を配管１５を介して各
階の空調機６に圧送するとともに、そのときの冷水の供
給量（水量）を調整制御するものである。 【００１３】図２は本発明の実施形態に係る躯体蓄熱空
調システムの制御系のブロック構成図である。図２にお
いて、コントローラ１７は、本空調システム全体の動作
をトータルに制御するもので、例えばパーソナルコンピ
ュータ等によって構成される。コントローラ１７には、
システム制御用のデータを収集するための各種のセンサ
１８が接続されている。 【００１４】これら各種のセンサ１８は、例えば、外気
の温湿度（エンタルピー）、天井内空間４および室内空
間１における温湿度や風向風速、屋外での降雨量、室内
外（エコシャフト１１と屋外）差圧などを検出すべく、
建物の適所に取り付けられている。そして、それぞれの
検出項目に応じたセンサ信号（検出信号）が、各種のセ
ンサ１８からコントローラ１７へと個別に入力される構
成となっている。さらに、コントローラ１７には、その
制御対象として、前述の冷凍機１４、ポンプ１６、空調
機６、ダンパー８，９，１０，１２等が接続されてい
る。 【００１５】続いて、上記構成からなる躯体蓄熱空調シ
ステムの動作機能について説明する。先ず、上記躯体蓄
熱空調システムによる構造躯体（本形態ではコンクリー
トスラブ５）への蓄熱は、冷凍機１４を使用して構造躯
体に冷熱を蓄積する、言わばアクティブな躯体蓄熱（以
下、アクティブ躯体蓄熱と称す）と、低温の外気を利用
して構造躯体に冷熱を蓄積する、言わばパッシブな躯体
蓄熱（以下、パッシブ躯体蓄熱と称す）のいずれかによ
って行われる。 【００１６】先ず、空調が不要な夜間にアクティブ躯体
蓄熱を行う場合は、コントローラ１７からの制御信号に
従って冷凍機１４が駆動される。これにより、冷凍機１
４で冷水が生成されるとともに、そこで生成された冷水
がポンプ１６にてインバータ式に水量制御され圧送され
る。こうして圧送された冷水は配管１５を通して各階６
の空調機６に供給される。そうすると、各々の空調機６
では冷水コイルにより低温の空気（冷房空気）が生成さ
れ、これが送風機（不図示）によって送り出される。 【００１７】このとき、各空調機６の給気ダクト（分岐
ダクト）７に設けられている２つのダンパー８，９のう
ち、一方のダンパー８はクローズ（閉）状態、他方のダ
ンパー９はオープン（開）状態に駆動制御される。これ
により、図３に示すように空調機６から送り出された冷
房空気（冷風）ＣＡがダンパー９を経由して天井内空間
４に吹き出される。そうすると、天井内空間４が冷房空
気ＣＡの吹き出しで冷やされるため、その冷熱がコンク
リートスラブ５に蓄積される。 【００１８】一方、空調が不要な夜間にパッシブ躯体蓄
熱を行う場合は、コントローラ１７からの制御信号に従
ってダンパー１０，１２がオープン（開）状態に駆動制
御される。これにより、一方のダンパー１０を経由して
外気ＯＡが天井内空間４に取り込まれる。こうして取り
込まれた外気ＯＡは、天井内空間４を一方のダンパー１
０から他方のダンパー１２に向けて流れる。これによ
り、天井内空間４が自然換気（ナイトパージ）される。
このとき、天井内空間４の温度よりも低温の外気ＯＡを
取り込むことで、天井内空間４が外気ＯＡにより冷やさ
れるため、その冷熱がコンクリートスラブ５に蓄積され
る。 【００１９】また、天井内空間４を流れた空気ＩＡは、
他方のダンパー１２からエコシャフト１１に排出され
る。このエコシャフト１１では、屋内外の差圧や上下層
の温度差等により、下方から上方に流れる気流（上昇気
流）ＵＡが生じている。よって、上述の如くエコシャフ
ト１１に排出された空気ＩＡは、そのエコシャフト１１
内に生じる上昇気流ＵＡに乗って上方に移動し、最終的
には最上部の排気口１３から屋外に排出される。 【００２０】このようなアクティブ躯体蓄熱（夜間電力
利用）とパッシブ躯体蓄熱（自然換気）の両機能を併せ
持つ、言わばハイブリッドな躯体蓄熱空調システムにお
いて、非空調時間帯（夜間）に躯体蓄熱を行うかどうか
の判断と、躯体蓄熱を行う場合にどちらの機能を使うか
の判断は、各種のセンサ１８から得られるデータをコン
トローラ１７で収集し、その収集データに基づいてコン
トローラ１７により行われる。 【００２１】なお、躯体蓄熱を行うかどうかの判断につ
いては、その都度、コントローラ１７でデータ収集を行
って判断させなくても、時期的な管理で実行可否を判断
させるようにしてもよい。具体的には、冷房が必要とな
る期間（例えば、６月〜９月）で自動的に躯体蓄熱を行
うよう、その旨の管理データを予めコントーラ１７に入
力（設定）しておいてもよい。ただし、自然換気による
躯体蓄熱は、春秋の中間期だけでなく、冬期に行う場合
もある。 【００２２】一方、アクティブ躯体蓄熱とパッシブ躯体
蓄熱のいずれの機能を選択して使用するかの判断につい
ては、各種センサ１８からの収集データに基づいて行わ
れる。すなわち、具体的な判断フローとして、例えば、
天井内空間４の温度に対して外気の温度がどの程度低い
かどうかの判断ステップ、雨の吹き込みを回避するため
に降雨量が所定量を越えていないかどうかの判断ステッ
プ、室内に一定以上の気流が発生しないように室内の風
速が所定風速を越えていないかどうかの判断ステップ、
自然換気の効果の有無を確認するために翌日の冷房負荷
予測に基づき、利得となるかどうかの判断ステップ、自
然換気を行う時間を最適化するために室内外差圧による
自然換気の適正時間かどうかの判断ステップなどを経
て、パッシブ躯体蓄熱を行うかどうかの判断がコントロ
ーラ１７でなされる。 【００２３】そして、各々の判断ステップを経た結果、
パッシブ躯体蓄熱を実行すると判断した場合は、それに
対応する制御信号がコントローラ１７からダンパー１
０，１２に送られ、その制御信号に従ってダンパー１
０，１２がオープン状態に駆動される。これにより、低
温外気を利用した自然換気（ナイトパージ）による躯体
蓄熱（構造躯体への冷熱の蓄積）が行われる。 【００２４】これに対して、パッシブ躯体蓄熱を中止す
ると判断した場合は、それに対応する制御信号がコント
ローラ１７からダンパー１０，１２に送られ、その制御
信号に従ってダンパー１０，１２がクローズ状態に駆動
される。そして、パッシブ躯体蓄熱に替わってアクティ
ブ躯体蓄熱を実行する旨の制御信号が冷凍機１４、ポン
プ１６、空調機６、ダンパー８，９に送られる。これに
より、夜間電力を利用した冷凍機１４による躯体蓄熱
（構造躯体への冷熱の蓄積）が行われる。 【００２５】ちなみに、コントローラ１７によるアクテ
ィブ躯体蓄熱とパッシブ躯体蓄熱の切り替え制御は、そ
の時々の状況を各種センサ１８によって得た収集データ
を基に判断して適宜行われるものである。よって、同じ
日の夜間に複数回にわたってアクティブ躯体蓄熱／パッ
シブ躯体蓄熱の切り替えが行われる事もあり得る。 【００２６】こうして構造躯体（コンクリートスラブ
５）に蓄積された冷熱は、空調時間帯となる昼間の冷房
運転時に利用される。具体的な利用形態としては、ダン
パー８をオープン状態に駆動する一方、ダンパー９をク
ローズ状態に駆動して、各階の空調機６から送り出され
た冷房空気を天井から室内空間１に吹き出させる。この
とき、室内空間１からのレタン空気を、天井面３に設け
たレタン開口（不図示）を通して天井内空間４に取り込
む。こうして取り込まれたレタン空気は、天井内空間４
でコンクリートスラブ５に触れることである程度冷やさ
れ、この冷やされた空気が新鮮空気（外気等）と一緒に
空調機６に取り込まれる。これにより、コンクリートス
ラブ５に蓄積された冷熱を利用して、昼間の冷房負荷を
軽減することができる。 【００２７】このように本実施形態に係る躯体蓄熱空調
システムにおいては、冷凍機１４を用いたアクティブ躯
体蓄熱の他に、自然換気を利用したパッシブ躯体蓄熱の
機能を併せ持つ、ハイブリッドな躯体蓄熱機能を備えて
いるため、低温の外気を利用できる中間期（春，秋）や
冬期などに自然換気による躯体蓄熱を併用することによ
り、冷凍機１４や空調機６等の夜間運転時間を短縮でき
るとともに、冷凍機１４によるコンクリートスラブ５へ
の蓄熱負荷を軽減して冷水の供給量やファンの送風量を
ミニマム制御し、アクティブ躯体蓄熱に消費されるトー
タル（年間）のエネルギー使用量を削減することができ
る。 【００２８】ちなみに、６月〜９月の期間で、夜間に躯
体蓄熱を行わなかったケース（以下、「躯体蓄熱無し」
と記す）、夜間に冷凍機を使用して７時間の躯体蓄熱を
行ったケース（以下、「躯体蓄熱７Ｈ」と記す）、夜間
に冷凍機を使用して３時間の躯体蓄熱を行ったケース
（以下、「躯体蓄熱３Ｈ」と記す）、夜間に自然換気
（ナイトパージ）を行ったケース（以下、「ナイトパー
ジ」と記す）、夜間に冷凍機による躯体蓄熱と自然換気
による躯体蓄熱を併用して行ったケース（以下、「ハイ
ブリッド」と記す）のそれぞれにつき、昼間の冷房負荷
と夜間の冷房負荷をそれぞれ調べてみたところ、以下の
ような結果が得られた。 【００２９】先ず、「躯体蓄熱無し」の昼間の冷房負荷
を「１００」とした場合、「躯体蓄熱７Ｈ」では昼間の
冷房負荷が「７３」、「躯体蓄熱３Ｈ」では昼間の冷房
負荷が「７８」と小さくなっていたが、昼夜を合わせた
日積算負荷でみると、「躯体蓄熱７Ｈ」では「１０
７」、「躯体蓄熱３Ｈ」では「１０５」といずれも大き
くなっていた。つまり、エネルギー消費量としては、
「躯体蓄熱無し」よりも「躯体蓄熱７Ｈ」「躯体蓄熱３
Ｈ」が増大する結果となった。 【００３０】一方、「ナイトパージ」では、昼間の冷房
負荷が「８４」と小さくなっていたものの、上記の「躯
体蓄熱７Ｈ」「躯体蓄熱３Ｈ」に比較すると、負荷軽減
効果としては小さい結果となった。これに対して、「ハ
イブリッド」では、昼間の冷房負荷が「７０」と最も小
さく、日積算負荷でみても「９４」と小さくなってい
た。こうした結果からも、自然換気による躯体蓄熱機能
を併せ持つ躯体蓄熱空調システムを採用することで、昼
間負荷の夜間移行とエネルギー消費量の低減を同時に実
現できることが立証された。 【００３１】なお、上記実施形態においては、建物の天
井内空間４に冷房空気を供給したり、そこを自然換気し
てコンクリートスラブ５に冷熱を蓄積させるシステム構
成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、建
物の床下空間に露出する構造躯体に上記同様の蓄熱手段
で冷熱を蓄積させるシステム構成を採用することも可能
である。また、本発明は天井吹き出し方式の空調システ
ムだけでなく、床吹き出し方式の空調システムへの適用
も可能である。 【００３２】 【発明の効果】以上説明したように本発明の躯体蓄熱空
調システムによれば、冷凍機等を使用して生成される冷
房空気を利用して構造躯体に冷熱を蓄積させる第１の蓄
熱手段と、自然換気を利用して構造躯体に冷熱を蓄積さ
せる第２の蓄熱手段とを制御手段で駆動制御し、これに
よって自然換気を併用した躯体蓄熱を行うことにより、
構造躯体に蓄積された冷熱利用で昼間の冷房負荷を軽減
し、かつ冷凍機等による構造躯体への蓄熱負荷を軽減す
ることができる。その結果、昼間の冷房負荷の夜間移行
とエネルギー消費量の低減を同時に実現することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施形態に係る躯体蓄熱空調システム
の概略構成図である。 【図２】本発明の実施形態に係る躯体蓄熱空調システム
の制御系のブロック構成図である。 【図３】アクティブ躯体蓄熱の動作状態を説明する図で
ある。 【図４】パッシブ躯体蓄熱の動作状態を説明する図であ
る。 【符号の説明】 １…室内空間、４…天井内空間、５…コンクリートスラ
ブ、６…空調機、８，９，１０，１２…ダンパー、１１
…エコシャフト、１３…排気口、１４…冷凍機、１５…
配管、１６…ポンプ、１７…コントローラ

フロントページの続き (72)発明者 滝村 徹 東京都港区元赤坂一丁目２番７号 鹿島 建設株式会社内 (72)発明者 戸河里 敏 東京都調布市飛田給二丁目19番１号 鹿 島建設株式会社 技術研究所内 (72)発明者 相楽 典泰 東京都調布市飛田給二丁目19番１号 鹿 島建設株式会社 技術研究所内 (56)参考文献 特開 平５−98718（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−220842（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−6431（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−241254（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F24F 5/00 102

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 建物の各階で構造躯体が露出する所定の
   空間に冷房空気を供給して前記構造躯体に冷熱を蓄積さ
   せる第１の蓄熱手段と、前記建物の各階で前記所定の空間への外気の取り込みを
   制御するための第１のダンパーと、前記建物の各階を竪
   方向に貫通して下方から上方に流れる気流を生じさせる
   貫通スペースと、前記貫通スペースと前記各階の前記所
   定の空間との間で空気の流れを制御するための第２のダ
   ンパーとを有し、前記第１，第２のダンパーの駆動によ
   り 前記所定の空間を自然換気して前記構造躯体に冷熱を
   蓄積させる第２の蓄熱手段と、 前記第１，第２の蓄熱手段を所定の条件で駆動制御する
   制御手段とを備え、 前記構造躯体に蓄積された冷熱を利用して室内空間を空
   調することを特徴とする躯体蓄熱空調システム。