JP4345965B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、エネルギー効率を高める空調システムに関する。

従来、オフィスや講堂、図書館などの比較的広い領域の空調を行う空調システムに、パネルなどにチューブを這わせ、その内部に１５℃程度の温度の冷水や３５℃程度の温度の温水を通水し、パネル表面を所定温度に保ち放射による熱交換を行うことで空調を行う空調設備、水を熱源として冷暖房を行う空調設備（特許文献１参照）、又は、これらの空調設備を複数使用して広範囲の領域に空調を行う空調システムが知られている。

特公平７−１０４０１９号公報

前記空調システムにおいては、比較的広い領域のうち、窓際や壁等で天候などの外的要因を受けやすい外壁部ゾーン（ペリメータゾーン）と、主に人が活動する内部ゾーン（インテリアゾーン）とで温度設定を変えて空調を行う空調設備が備えられており、領域内にて活動する人々が快適な温度となるように空調が行われている。

これらの空調設備は、前記水の熱交換を利用した空調設備で、放射パネルと室内との温度差を必要とするため、例えば、建物の外壁部ゾーン（ペリメータゾーン）は日射や外気温等気候による影響が大きいため空調設備における１日の負荷変動が激しく、また冬期には暖房が必要となるが、内部ゾーン（インテリアゾーン）は照明や事務機器等の発熱や人体の発熱が大半になるため、負荷変動がなく、また年間を通して冷房が必要になる場合が多い。したがって、外壁部ゾーン（ペリメータゾーン）と内部ゾーン（インテリアゾーン）とを区分しないで空調する場合は、外壁部ゾーン（ペリメータゾーン）と内部ゾーン（インテリアゾーン）のどちらかを優先せざるを得ず、他方は犠牲にならざるを得ない。前記放射パネルが適用された冷暖房システムは一般に冷暖房の効果が現れるまでに時間がかかるため、負荷変動に対する応答性に問題があり、また空調の効率を向上させるために、パネル内などに通水される水の温度を低くすると、通水される冷水の温度とゾーン内の空気の温度差によりパネル表面に結露が発生してしまうことがあった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、空間の内部ゾーン（インテリアゾーン）と内部ゾーンの周囲の外壁部ゾーン（ペリメータゾーン）とで異なる温度設定で空調を行い、その際に使用される熱源設備を小規模なものとするとともに、システム全体で使用されるエネルギー量を少なくすることができる空調システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の空調システムは、インテリアゾーンとペリメータゾーンとから構成される空間内を、空調設備により空調を行う空調システムにおいて、
前記インテリアゾーンの天井には、内部に通水用のパイプを有する輻射パネルが多数配置され、前記インテリアゾーンは前記パイプ内部に通水された水の熱交換により放射冷却され、
かつ、前記ペリメータゾーンの天井には、冷気・暖気の吹き出し口が配設され、前記ペリメータゾーンは前記冷気・暖気の吹き出し口から送風を行う強制対流方式の空調機で冷暖房されるようになっており、
加えて、インテリアゾーンとペリメータゾーンの天井には、前記インテリアゾーンとペリメータゾーンとの境界線に沿って長手方向に空気吹き出し口が配設され、前記インテリアゾーンとペリメータゾーンとの空気層を区分するように、前記空気吹き出し口からの空気の吹き出しでエアカーテン層を形成できるようになっていることを特徴としている。
この特徴によれば、屋外の温度影響をペリメータゾーンで完全に遮断できるため、インテリアゾーンの全域に均一の空調を行うことができ、省エネ化された放射冷却が可能となり、インテリアゾーンは静かで柔らかい空調を行うことができるとともに、空調設備の低コスト化が可能になる。
さらに、インテリアゾーンとペリメータゾーンとの境界にエアーカーテンが形成されるため、屋外の温度差による影響をペリメータゾーンで確実に遮断でき、インテリアゾーンの空調に影響を与えないようにすることができる。

本発明の請求項２に記載の空調システムは、前記ペリメータゾーンの空調機は、水熱源ヒートポンプ方式の空調機であることを特徴としている。
この特徴によれば、屋外の温度影響をペリメータゾーンで完全に遮断できるため、インテリアゾーンの全域に均一の空調を行うことができ、省エネ化された放射冷却が可能となり、インテリアゾーンは静かで柔らかい空調を行うことができる。

本発明の請求項３に記載の空調システムは、請求項２に記載の空調システムであって、
前記空調設備には熱源設備が設けられており、該熱源設備により所定温度とされた冷水を、前記輻射パネルに供給し、該輻射パネルにて昇温された前記冷水は、熱源水として前記水熱源ヒートポンプ方式の空調機に供給され、該空調機にて昇温または降温された熱源水は、前記熱源設備に戻され冷却または加熱されて、前記所定温度の冷水として再度前記輻射パネルに供給されることで空調を行うことを特徴としている。
この特徴によれば、輻射パネルにてインテリアゾーンの室温と熱交換された冷水が水熱源ヒートポンプ方式の空調機の熱源水として使用できるために、インテリアゾーンの廃熱をペリメータゾーンの暖房熱源として有効に活用することができ、省エネな空調システムを実現することができる。

本発明の請求項４に記載の空調システムは、請求項２または３に記載の空調システムであって、
前記輻射パネルに供給される冷水の温度を１５℃〜２０℃とし、前記水熱源ヒートポンプ方式の空調機に供給される冷水の温度を１５℃〜２５℃とすることを特徴としている。
この特徴によれば、前記冷水の温度がインテリアゾーンの設定室温に近い温度であるため、輻射パネルにおいて結露が生じるなどの不都合が生じる恐れもなく、比較的高温の冷水を使用するために、冷凍機に過剰な負荷を与えないのでエネルギー効率が良くなり、エネルギーの損失を小さくして空調を行うことができ、容量の小さい熱源設備であっても適用することができ、これによりシステム全体のエネルギー効率が更に向上する。
又、地下水、河川水等の水温も前記冷水の温度に近いため、地下水等の利用も可能になり、季節によっては、冷却塔からの冷却水をそのまま供給水として利用することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

本実施例においては、空調を行う比較的広い領域として、大学等に建設されている図書館を一例として説明する。

まず図１には本発明の実施例としての空調システムが適用された図書館１の略平面図が、図２には図書館１の天井面の略平面図が、また、図３には、図１のＡ−Ａ拡大略断面図が示されている。

本実施例における空調システムは、図書館１の広大な空間の空調を実施するもので、前記図書館１には、周囲を壁部１Ｃに囲まれた空間が存在し、その空間は、中心部分を占めるインテリアゾーン２と、インテリアゾーン２の周辺のペリメータゾーン３とに分かれ、インテリアゾーン２、ペリメータゾーン３のそれぞれには各ゾーン内の空気温度を調節する空調設備が設けられていて、それぞれの各ゾーン内の空調を実施するようになっている。

インテリアゾーン２には、図書館１でいえば閲覧用の机１ａや書棚１ｂなどが配置された閲覧場所等であり、空気温度の設定温度は一般的に人が快適と感じる温度と言われる２６℃、設定湿度は５０％とされている。インテリアゾーン２には利用者や、コンピュータなどから常に室内の空気温度よりも高い温度の熱が放出されているため、室内の空気温度は常に上昇する傾向にあり、インテリアゾーン２は常時冷房を行うようになっている。

一方、ペリメータゾーン３には、図書館でいえば入り口や窓際などの、閲覧場所以外のゾーンとされていて、ここは、外気温、日照、天候、通風など様々な外的要因でペリメータゾーン３の空気の温度が変化しやすい状況となっているために、季節や時刻等により前記した外的要因の変化に合わせて（夏ならばインテリアゾーン２より温度が高くなることが多く、冬ならば逆に温度が低くなることが多い）、ペリメータゾーン３に冷暖房の設定を変えて空調を行うようになっている。

ここで、本実施例の空調システムにおいて適用されている空調設備について説明すると、まず、インテリアゾーン２には、図２に示すように、その天井部分に通水用の配管が配設された複数の輻射パネル５が設けられ、配管内に一定温度（１５℃〜２０℃）の冷水を通水させ、冷水の温度と室内の空気温度とにより、空気が熱交換されてインテリアゾーン２の空気の温度調節がなされるようになっており、ペリメータゾーン３の天井には、複数の吹き出し口４が配置され、図３で示されているように、この吹き出し口４から矢印方向に吹き出される空気１４によってペリメータゾーン３の空気の温度調節がなされている。

本実施例においてインテリアゾーン２の空調設備に適用されている輻射パネル５の構成について図４に基づき説明する。図４（ａ）には、輻射パネル５の一部破断裏面図が示されており、（ｂ）には、図４（ａ）のＢ−Ｂ拡大断面図が示されている。

輻射パネル５は、その上面７と下面１１の間に断熱材８が設けられている。該断熱材８層の下方、すなわち下面１１の直上には平面略Ｕ字形の通水管６がその間隔が均等になるようにして複数配設され、通水管６の一端は、水が入り込む注入口９に、もう一端は水が輻射パネル５から出ていく排出口１０に接続されていて、注入口９から水が通水管６内に通水され、通水された水は通水管６内を、室内の空気と熱交換をしながら通過して、排出口１０から輻射パネル５外へ排出されるようになっている。これらの輻射パネル５が複数枚接続されて、図書館１の天井面に設けられている。

このように、インテリアゾーン２の空調には、内部に通水される水の熱交換により空調を行う輻射パネル５が適用されることで、空調設備から直接冷風が吹き出して、直接人に当たることがないため、空調設備から音が出ることなく、静かで柔らかい空調を行うことができる。

前述のように、インテリアゾーン２の外周にペリメータゾーン３を設け、このペリメータゾーン３を前記吹き出し口４から吹き出される空気１４により冷暖房することで、屋外の温度差による影響をペリメータゾーン３で遮断でき、インテリアゾーン２の空調に極力影響を与えないようになっているため、インテリアゾーン２は、前記した輻射パネル５による静かで柔らかい空調を行うことができる。

例えば、ペリメータゾーン３の空気温度がインテリアゾーン２に設定された空気温度よりも高い場合には冷房を行い、逆にペリメータゾーン３の空気温度がインテリアゾーン２に設定された空気温度よりも低い場合には暖房を行うようになっている。

又、ペリメータゾーン３天井の所定箇所に前記吹き出し口４が設けられているため、冷房時には、天井の前記吹き出し口４から吹き出される冷気（空気１４）の勢いにより、確実にしかも短時間に天井から床面までのペリメータゾーン３を冷房できるとともに、暖房時には、天井の前記吹き出し口４から吹き出される暖気（空気１４）の勢いにより、ペリメータゾーン２の上方空間に滞留し易い暖気を確実に攪拌し、天井から床面までの空間を均一に暖房できるため、上述のように、屋外の温度差による影響をペリメータゾーン３で遮断でき、インテリアゾーン２の空調に極力影響を与えないようになっている。

前記吹き出し口４は、水熱源ヒートポンプ方式の空調機１３（以後ヒートポンプ空調機と称する）に接続されていて、該ヒートポンプ空調機１３は、その内部に通水された水の熱交換により空調を行う空調機である。

このヒートポンプ空調機１３について簡単に説明すると、本実施例のヒートポンプ空調機１３は、水を熱源として空調を行う水熱源ヒートポンプユニットが適用された空調機で、内部に圧縮機を備えており、冷房を行う際には、該圧縮機を運転させて室内から熱を奪い、内部に通水された水に室内から奪った熱を放熱して冷房を実施し、暖房を実施する際には、該圧縮機を運転させて内部に通水された水から熱を奪い、奪った熱を室内へ放熱して暖房を行うようになっている。

前記輻射パネル５と水熱源ヒートポンプユニットとを直列に配管接続することで、循環ポンプの搬送動力を低減できるとともに、水熱源ヒートポンプユニットを使用することで冬期においては、インテリアゾーン２の冷房廃熱をペリメータゾーン３の暖房熱源として利用でき、省エネを計ることができる。

ただし、ヒートポンプ空調機１３内に供給される水の温度が１５℃〜２５℃よりも高い場合に冷房を行うには、空調機に大きな負荷がかかり、逆に、供給される水の温度が１５℃〜２５℃よりも低い場合に暖房を行うには、空調機内において熱交換の効率が悪くなり、従って、空調のエネルギー効率が悪くなってしまう。

そこで、前述のように、前記輻射パネル５と水熱源ヒートポンプユニットとを直列に配管接続することで、ヒートポンプ空調機１３内に供給される水として、一般的に１５℃〜２５℃となる安定した温度の水が供給でき、エネルギー効率の高い空調を行うことができる。

又、前記ヒートポンプ空調機１３内に除湿や加湿の機能を付加するようにしても良く、このようにすれば、新たに除湿装置や加湿装置を設けなくとも空気中の湿度調節を行うことができるため、空気の温度のみならず湿度にまで配慮がなされた空調を行うことができる。

次いで、図５は本実施例における空調システムの配管図が示されている。

本実施例の空調システムには、前記した空調設備に一定温度の水を供給するための熱源設備１２が設けられていて、この熱源設備１２にて水の温度が調整されるようになっている。

また、前記熱源設備１２は、冷凍機や冷却塔から構成されているが、これらの装置を設置せずに、地下水や河川水などの自然エネルギーを熱源として利用することもできる。

インテリアゾーン２、ペリメータゾーン３の各所に設けられている図示しない温度センサによりインテリアゾーン２、ペリメータゾーン３の両ゾーンの空気温度が設定温度よりも変動した場合に、熱源設備１２から供給される所定温度、本実施例では１８℃の冷水が、循環ポンプ１５によって、前記インテリアゾーン２内の輻射パネル５内に供給され、輻射パネル５内に供給された冷水は輻射パネル５内にてインテリアゾーン２内の空気と熱交換された後に前記ヒートポンプ空調機１３内に供給される。

ペリメータゾーン３の空気と、ヒートポンプ空調機１３内に通水された冷水と、が熱交換された後に、冷水は再び前記熱源設備１２内に戻るようになっており、供給される水はこれら熱源設備１２、輻射パネル５、ヒートポンプ空調機１３内を循環するようになっている。

一般的な冷房時の室内の状態である温度２６℃、湿度５０％を前提とした場合、パネル表面の温度は２０℃程度に保つ必要があり、熱源設備１２から供給される冷水の温度については、１５℃〜２０℃が好ましく、この温度よりも低い一般的な冷凍機で製造される７℃の温度の冷水が供給されると、冷凍機に過剰な負荷がかかるばかりか、インテリアゾーン２内の空気との温度差により輻射パネル５の表面に結露が生じてしまうことがあり、逆に１５℃〜２０℃よりも冷水の温度が高いと、放射冷却効果が極めて弱くなることから前述した温度が好ましい。

さらに、冷水の温度が１５℃〜２０℃であれば、比較的温度が安定している地下水等の利用が可能となる。なお、地下水の温度は地域よって多少異なるが、恒温層深度と呼ばれる年間を通じて温度が一定となる深度（１０ｍ〜２６ｍ間に存在する）では、地下水の温度は１４℃〜２０℃の範囲で分布していると言われている。

次に、実際に空調を実施する際について図５に基づき説明する。ここでは、空調を実施する際のインテリアゾーン２の空気温度が２８℃、ペリメータゾーン３の空気温度が３０℃と、前記した温度センサにより計測された場合、すなわち、インテリアゾーン２の空気温度よりもペリメータゾーン３の空気温度が高い場合について説明する。

インテリアゾーン２の空調の設定温度は前記したように２６℃とされており、熱源設備１２では、輻射パネル５に供給される冷水の水温を前記した１５℃〜２０℃、ここでは１８℃にして、輻射パネル５内に供給される。

輻射パネル５内に冷水が供給されると、前記通水管６内を冷水が通り、インテリアゾーン２の空気温度は２８℃であるため、空気温度よりも温度の低い１８℃の輻射パネル５の通水管６内の冷水は、インテリアゾーン２内の空気と熱交換され、空気温度は設定温度の２６℃まで降下し、冷水は水温が２０℃にまで上昇されて輻射パネル５から放出される。

次に、２０℃となった冷水は、前記ペリメータゾーン３の空調を行うヒートポンプ空調機１３内に供給される。

一方、ペリメータゾーン３はゾーン内の空気温度が３０℃であるために、インテリアゾーン２の空気温度に影響を極力与えないように、ペリメータゾーン３内の空気温度を設定温度の２６℃まで下げねばならず、ペリメータゾーン３に冷房を行い、ヒートポンプ空調機１３内に供給された２０℃の水は熱を吸収して２３℃まで水温が上昇し、再び前記熱源設備１２まで戻るようになっている。

熱源設備１２では、２３℃となった水を再び１８℃まで冷却して、再び前記インテリアゾーン２の輻射パネル６に供給するようになっている。

ここでは、インテリアゾーン２においてインテリアゾーン２の空気の熱を吸収して温度が２℃上昇した冷水を、ペリメータゾーン３の空調を行うヒートポンプ空調機１３の熱源水として供給して利用するために、各ゾーン毎に設けられている空調設備（輻射パネル５、ヒートポンプ空調機１３）毎に熱源設備１２を設ける必要はなく、単一の熱源設備を使用するだけで、インテリアゾーン２とペリメータゾーン３の両ゾーンの空調を実施することができるようになっており、空調システム全体のエネルギー効率が向上して、省エネ化を図ることができる。

また、前記ヒートポンプ空調機１３に供給される冷水の温度が２０℃とされていることで、前記したようにヒートポンプ空調機１３におけるエネルギー効率の高い温度の冷水が供給されるようになるため、省エネな空調を行うことができる。

本実施例においては、輻射パネル５には制御弁１７が備えられており、該輻射パネル５に供給する冷水の量をコントロールすることによってインテリアゾーン２を設定室温に保つことができ、また、必要に応じて該輻射パネル５への冷水供給を停止することができる。この場合、冷水はバイパス管１８を介して前記ヒートポンプ空調機１３に供給されるため、該輻射パネル５にて不必要な熱交換を行わず、省エネな空調を行うことができる。

また、前記ヒートポンプ空調機１３には循環ポンプ１６が備えられており、該ヒートポンプ空調機１３の運転に連動して該循環ポンプ１６を運転させているため、必要に応じて該ヒートポンプ空調機１３への熱源水供給を停止することができる。この場合、熱源水はバイパス管１９を介して前記熱源装置１２に戻されるため、該ヒートポンプ空調機１３にて不必要な熱交換を行わず、省エネな空調を行うことができる。

なお、本実施例では、前述したように前記輻射パネル５と前記ヒートポンプ空調機１３に供給循環されている冷水の量をコントロールするようになっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、供給循環する水量を一定としてもよく、この場合には、冷水の量をコントロールする制御弁１７などの設備を省略することができ、設備費用を軽減することができる。

さらに図６に示すように、インテリアゾーン２と、ペリメータゾーン３と、の境界に長手方向に吹き出し口４′を設けることで、この吹き出し口４′から吹き出される空気がエアカーテン１４′を形成し、このエアカーテン１４′の層によって、インテリアゾーン２と、ペリメータゾーン３と、の空気層が区分され、屋外の温度差による影響をペリメータゾーン３で確実に遮断できるために、インテリアゾーン２の空調に影響を与えないようにすることができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、輻射パネル５では、通水管６が輻射パネルの長手方向にＵ字型（図４参照）を繰り返すように多数並列に載置されているが、１本の通水管をＳ字型を繰り返すように載置するなど、確実に放射冷却できる通水管の配管であればよく、また、該輻射パネル５には上面７と下面１１の間に断熱材８が設けられているが、室内への放射冷却に支障がなければ省略してもよい。

例えば、ヒートポンプ空調機１３は、外壁部ゾーン（ペリメータゾーン）を冷房するために配置されているが、該ヒートポンプ空調機１３は、会議室や休憩ロビーなど、場所は内部ゾーン（インテリアゾーン）にありながら、室の使用時間や冷暖房負荷の状況が周囲のインテリアゾーンと大きく異なる室を冷暖房するために配置してもよい。

例えば、本実施例では、ペリメータゾーンを冷暖房するために１５℃〜２５℃の熱源水を利用した水熱源ヒートポンプ方式の空調機（ヒートポンプ空調機）が配置されているが、該ペリメータゾーンの温度設定や空調負荷の状況によっては、熱源水で直接冷暖房してもよく、該ヒートポンプ空調機に代えて、ファンコイルユニット方式等の空調機を使用してもよい。

本実施例において適用された図書館の略平面図である。 本実施例において適用された図書館の天井面の略平面図である。 図１のＡ−Ａ拡大断面図である。 （ａ）は、本実施例において適用された輻射パネルの様子を示す一部破断図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ拡大断面図である。 本実施例の空調システムの配管図である。 図１の別の実施例のＡ−Ａ拡大断面図である

符号の説明

１ 図書館
１ａ 机
１ｂ 書棚
１ｃ 壁部
２ インテリアゾーン
３ ペリメータゾーン
４ 吹き出し口
４′ 吹き出し口
５ 輻射パネル
６ 通水管
７ 上面
８ 断熱材
９ 注入口
１０ 放水口
１１ 下面
１２ 熱源設備
１３ 水熱源ヒートポンプ方式空調機（ヒートポンプ空調機）
１４ 空気
１４′ エアカーテン
１５ 循環ポンプ
１６ 循環ポンプ
１７ 制御弁
１８ バイパス管
１９ バイパス管

Claims (4)

1. インテリアゾーンとペリメータゾーンとから構成される空間内を、空調設備により空調を行う空調システムにおいて、
   前記インテリアゾーンの天井には、内部に通水用のパイプを有する輻射パネルが多数配置され、前記インテリアゾーンは前記パイプ内部に通水された水の熱交換により放射冷却され、
   かつ、前記ペリメータゾーンの天井には、冷気・暖気の吹き出し口が配設され、前記ペリメータゾーンは前記冷気・暖気の吹き出し口から送風を行う強制対流方式の空調機で冷暖房されるようになっており、
   加えて、インテリアゾーンとペリメータゾーンの天井には、前記インテリアゾーンとペリメータゾーンとの境界線に沿って長手方向に空気吹き出し口が配設され、前記インテリアゾーンとペリメータゾーンとの空気層を区分するように、前記空気吹き出し口からの空気の吹き出しでエアカーテン層を形成できるようになっていることを特徴とする空調システム。
2. 前記ペリメータゾーンの空調機は、水熱源ヒートポンプ方式の空調機である請求項１に記載の空調システム。
3. 前記空調設備には熱源設備が設けられており、該熱源設備により所定温度とされた冷水を、前記輻射パネルに供給し、該輻射パネルにて昇温された前記冷水は、熱源水として前記水熱源ヒートポンプ方式の空調機に供給され、該空調機にて昇温または降温された熱源水は、前記熱源設備に戻され冷却または加熱されて、前記所定温度の冷水として再度前記輻射パネルに供給されることで空調を行う請求項２に記載の空調システム。
4. 前記輻射パネルに供給される冷水の温度を1５℃〜２０℃とし、前記水熱源ヒートポンプ方式の空調機に供給される冷水の温度を１５℃〜２５℃とする請求項２または３に記載の空調システム。

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