JP4397427B2

JP4397427B2 - 換気廃熱を利用した融雪・凍結防止装置

Info

Publication number: JP4397427B2
Application number: JP2009020523A
Authority: JP
Inventors: 清司川本; 弘達本間
Original assignee: ITOGUMI CONSTRUCTION CO., LTD.
Current assignee: ITOGUMI CONSTRUCTION CO., LTD.
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2029-01-30
Also published as: JP2009203796A

Description

本発明は、建物の換気廃熱を利用し、新たな熱源を必要としない融雪・凍結防止装置に関するものである。

従来のロードヒーティングの熱源は、化石燃料、あるいは電気による専用の熱源を利用しており、運転コストが必要なほか、ボイラーなどの熱を発生させるための機器、およびその設置スペースを必要としている。

従来の雪庇対策には、電気ヒーターによる着氷防止措置を行うことが一般的であり、費用が掛かることから、対策を実施しないケースも多い。ルーフドレイン、スノーダクト排水の凍結対策には、電気ヒーターを利用することが多い。

建物の換気廃熱は、建物の全利用熱量に対する割合が小さいため、一般的には、そのまま廃棄されている。

これまでに、実開平６−６５７７２号公報には、暖房用ボイラの換気筒に設けられて熱媒によって温水を生成する熱交換器と、この熱交換器に温水供給管および温水戻し管を介して接続された温水タンクと、前記温水供給管または温水戻し管に設けられ、前記熱交換機内の熱媒が所定温度以上のときにのみ温水タンクと熱交換器との間に温水を循環させる温水循環ポンプと、両端側が前記温水タンクと接続され、途中部分が発熱部になった融雪水循環パイプと、この融雪水循環パイプに設けられ、前記温水タンク内の温水が所定温度にまで上昇したとき温水タンク内の温水を融雪水として融雪水循環パイプ内に循環させる融雪水循環ポンプとから構成してなる排熱利用式ロードヒーティング装置が提案されている（特許文献１）。この特許文献１によれば、排熱を利用して路面を２４時間加温状態に保つことができるとされている。

実開平６−６５７７２号公報

しかしながら、実開平６−６５７７２号公報においては、日中や春先などの温かいときにも暖房用ボイラを稼働させなければならず、必要以上に建物内を暖めて住環境を悪化さるという課題があった。

また、ロードヒーティングを導入する場合に、化石燃料を利用すると専用のボイラーを設置しなければならず、燃料消費や電力消費などのランニングコストがかかるなど、コストが高くなってしまうという課題があった。

雪庇対策や凍結対策として電気ヒーターを導入する場合には、ヒーターを設置するほかに、電源工事費用や電気料金のランニングコストが必要であるなど、コストが高く、導入の妨げとなっている課題があった。

本発明に係る換気廃熱を利用した融雪・凍結防止装置は、建物に設置されている換気用排気ファンと屋外排気口との間のダクト取り付け位置に取り付けられる分岐ダクトと、これらの分岐ダクトの先端に取り付けられる拡張ダクトと、各拡張ダクトに取り付けられる熱交換器と、これら熱交換器で温められた不凍液を熱需要部へ搬送して前記熱交換器へと循環させる熱伝搬配管路とを有している。

また、本考案の一態様として、前記分岐ダクトはＹ字状分岐ダクトであってもよい。

新たな熱源を必要としないため、わずかな搬送電力以外に運転コストを要しない効率的な融雪・凍結防止を実現できる。特にロードヒーティングにおいて、ボイラーなどの設備が不要となってボイラー設置のためのスペースを必要としない。さらに、燃料の消費削減が可能であるため、二酸化炭素発生の抑制効果もある。

本発明に係る融雪・凍結防止装置のシステム構成図である。本発明における実施例１で使用した換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置のシステム構成図である。本実施例１で行った試験期間中のうち厳冬期の１週間における外気温度、舗装の路面温度、室内温度、排気温度、ロードヒーティングに供給される循環不凍液の温度、プレート型熱交換器に戻る循環不凍液の温度、排気温度、および日射量の各計測値の時間変動を表すグラフである。

図１に示すように、建物に設置されている換気用排気ファンと屋外排気口の間のダクト取付部分には、Ｙ字状分岐ダクト２が取り付けられて分岐されているとともに、その先端にはそれぞれ拡張ダクト３とプレート型熱交換器１が付加されており、排空気中の熱エネルギーの一部が熱交換によってエチレングリコール等の循環不凍液中に回収される。この温められた循環不凍液は、熱を伝搬するための塩化ビニール製の往路熱伝搬配管６により熱需要部へラインポンプ５の動力で輸送される。そして、屋外のロードヒーティング１１の下部における放熱部分へ運ばれ、架橋ポリエチレン放熱パイプ８により地表面に放熱し、融雪を行う。この放熱後、温度が低下した循環不凍液は、復路熱伝搬配管７を経て再び熱交換器１へと送られ、循環する。また、図１に示すように、Ｙ字状分岐ダクト２は、基端側のダクト断面積よりも分岐側の総ダクト断面積の方が大きくなっている。

本発明に係る融雪・凍結防止装置では、廃熱回収の効率を向上させするため、Ｙ字状分岐ダクト２によりダクトを複数に分岐し、ダクトの断面積を増大することで内部空気の流速を低下させ、空気と熱交換機１との熱交換接触時間を増大させた。また、熱交換機１の面積を大きくすることで、空気との接触面積を増大させている。図１では、熱交換器１を２台設置しているが、多数でも構わない。また、ダクトを複数に分岐するダクトであれば三叉や四叉に分岐するものでもよく、Ｙ字状分岐ダクト２に限定されない。

なお、循環不凍液の種類は、エチレングリコール以外でも構わず、凍結の恐れが無い場合は、水を採用しても良い。

配管の材質は、塩化ビニール、架橋ポリエチレンでなくとも構わない。

住宅、あるいはビルディングの２４時間換気システムの排気部分に本装置を設置し、ロードヒーティング、屋上笠木の雪庇予防、サッシュ周囲の雪庇予防、ルーフドレイン周囲の凍結防止、スノーダクトの凍結防止に利用する。また、融雪や凍結防止に限定されず、床面を保温するために利用してもよい。

２００７年１２月１日から２００８年３月３１日までの間、北海道札幌市にある建物において本発明に係る換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置をロードヒーティング１１として使用した際の性能試験を行った。図２は本実施例１で使用した換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置のシステム構成図である。

本実施例１の性能試験で用いた建物は、延床面積１３７．６８ｍ^２、換気対象容積３０９．０７ｍ^２の木造２階建て建物である。この建物には、オール電化温水器によるセントラル方式のパネル暖房が全室に設置されている。また、換気用排気ファン４として、日本住環境社製のセントラル換気システム（ルフロ４００ＤＣ）が設置されている。

つぎに、本実施例１で用いた換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置の構成について説明する。

建物に設置された換気用排気ファン４の排気口には、Ｙ字状分岐ダクト２を設けるとともに、さらに各Ｙ字状分岐ダクト２の排気口にＹ字状分岐ダクト２を取り付けて、合計４つに分岐させた。また、この４つに分岐した各排気口には拡張ダクト３を設け、この拡張ダクト３にプレート型熱交換器１を取り付けた。

なお、本実施例１における換気用排気ファン４、Ｙ字状分岐ダクト２、拡張ダクト３およびプレート型熱交換器１は、１階天井裏に設置した。

プレート型熱交換器１は、塩化ビニール製の往路熱伝搬配管６および復路熱伝搬配管７により建物外のロードヒーティング１１における下部の放熱部分に接続され、循環不凍液であるエチレングリコールを循環させるようになっている。循環不凍液を循環させるラインポンプ５には、ＧＲＡＮＤＦＯＳ社製のＵＰＳ２５−６０１８０（消費電力：１００Ｗ）を用いた。なお、往路熱伝搬配管６および復路熱伝搬配管７には結露防止のための保温材を被覆した。

ロードヒーティング１１は、ヒーティング面積が約３６ｍ^２であり、砕石敷込みの上に、スチレン成型断熱材を敷き、その上に放熱部分として架橋ポリエチレン製の放熱パイプ８を１００ｍｍピッチで渦巻き状に敷設した。この架橋ポリエチレン製の放熱パイプ８はワイヤーメッシュにより固定され、その上にアスファルト舗装を施した。

なお、架橋ポリエチレン製の放熱パイプ８は６系統に分配され、各系統に繋がるパイプには循環不凍液の流量を調節する流量調整バルブを備えた。

つぎに、性能試験の試験条件等について説明する。

本実施例１では性能を評価するため、主に、外気温度、ロードヒーティング１１を施した舗装の路面温度、室内温度、換気用排気ファン４からの排気温度、プレート型熱交換器１からロードヒーティング１１に供給される循環不凍液の温度、ロードヒーティング１１で使用された後のプレート型熱交換器１に戻る循環不凍液の温度、およびプレート型熱交換器１により熱回収されて住居外に排気される屋外排気温度の各温度の計測、日射量計測、積雪の目視観測をそれぞれ行った。また、降雪量については気象庁アメダスの観測データを引用した。

各種温度の計測には熱電対を用いた。また、日射計には、横河電子機器製Ｈ−２０５を用いた。熱電対および日射計からのデータは、日置電機製メモリハイロガー８４２２のデータロガーにより１０分間隔で自動計測を行った。

つぎに、計測結果について説明する。

気象庁アメダスの観測データによると、実験期間中の北海道札幌市地区の降雪量は平年並みであったが、２月までの降雪量が多く、３月はほとんど降雪がなく、雪融けが例年に比べて早かった。また、実験期間中には数回ほど雪が多量に降る日があった。

目視によるロードヒーティング１１の上部の積雪状況は、実験期間中の平均降雪量程度の降雪時には完全に融雪するが、多量の降雪時や２日以上連続した降雪時においては、完全に融雪するには降雪終了の翌日まで時間を要した。

ここで、ロードヒーティング実施に当たり最も不利な条件である、外気温度が低く、降雪量が多い厳冬期である、１月２１日から２月１７日の４週間を例に各種温度等の計測結果について説明する。

なお、この４週間中の外気温度は平均で−４．８℃であり、ほぼ平年並みであった。また、平均降雪量は５．８ｃｍ／ｄａｙであり、最大降雪量は１月２４日の約３０ｃｍであった。

図３は、１月２１日から１月２７日迄の１週間の各計測値の時間変動を表している。

日射量および降雪量のデータから、１月２２日から１月２３日は晴天日であり、１月２４日から１月２６日は降雪日であるのがわかる。

図３に示すように、晴天日の１２：００から１８：００においては、ロードヒーティング１１が施されている舗装の路面温度、換気用排気ファン４からの排気温度、プレート型熱交換器１からロードヒーティング１１に供給される循環不凍液の温度、およびロードヒーティング１１に使用された後プレート型熱交換器１に戻る循環不凍液の温度の各温度が、平均より高くなった。

しかし、降雪日においては、上記各種温度の温度変動が小さく、晴天日のような温度上昇は確認できなかった。

一方、外気温度は、１月２２日から１月２３日の晴天日と、１月２４日から１月２６日の降雪日との間で大きな差はなく、上記各種温度への影響は少なかった。

よって、降雪日である２４日から２６日にかけての外気温度の平均値が約−５．９℃であったとしても、ロードヒーティング１１が施されている舗装の路面温度は平均で約２．１℃、最低温度においても約１．５℃を保持することができた。

すなわち、本発明に係る換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置をロードヒーティング１１として使用する場合、外気温度の影響が少なく、室内温度を一定に保つことが可能であれば、確実に路面の凍結を防止することができることが証明された。

つぎに、上記４週間の各データから、この期間中にロードヒーティング１１から放熱された熱量を算出した。

上記４週間におけるプレート型熱交換器１からロードヒーティング１１に供給される循環不凍液の温度は平均で約６．８℃であり、ロードヒーティング１１で使用された後にプレート型熱交換器１に戻る循環不凍液の温度は平均で約４．４℃であった。よって、これらの差は約２．４℃である。

また、ラインポンプ５による、循環不凍液の循環流量は約０．５６ｍ^３／ｈ（９．４Ｌ／ｍｉｎ）であった。

したがって、上記４週間における本実施例１で用いた換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置１の放熱量は平均で約１．５８ｋＷであり、その融雪能力は、氷の融解熱が８０ｃａｌ／ｇとすると、１時間当たり約１７ｋｇ、単位面積１時間当たり約０．４７ｋｇであった。

つぎに、プレート型熱交換器１による排気からの熱回収率について算出した。

上記４週間における、換気用排気ファン４からの排気温度の平均は約２４．５℃であり、
プレート型熱交換器１により熱回収されて建物外に排気される屋外排気温度の平均は約８．４℃であった。また、換気用排気ファン４の換気流量は平均で約２０１．２５ｍ^３／ｈであった。

空気の比熱を０．２４ｋｃａｌ／ｋｇ℃、空気の比重を０．００１２９ｋｇ／ｋｇ、空気の密度を１．２ｋｇ／ｍ^３とすると、プレート型熱交換器１により排気から回収できた熱量は約１．１２ｋＷである。

よって、プレート型熱交換器１による排気からの熱回収率は約５７％であって極めて高い回収率を得ることができた。なお、この熱回収率をさらに増すために、ラインポンプ５による循環不凍液の循環流量を約０．７７ｍ^３／ｈ（１２．９Ｌ／ｍｉｎ）まで増した場合、その熱回収率は約６４％であった。

つぎに、本実施例１における換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置の全体の効率を示す動作係数を算出した。

本実施例１において、動作係数はロードヒーティング１１からの放熱量と、ラインポンプ５の消費電力との比で表される。

よって、動作係数は、上記で説明をしたロードヒーティング１１からの放熱量１．５８ｋＷをラインポンプ５の消費電力１００Ｗで割った値となり、その値は１５．８であった。すなわち、本実施例１における換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置は消費電力に対して約１６倍の熱量を得ることができることになる。

つぎに、本実施例１における換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置と、従来品の灯油ボイラーを用いたロードヒーティングシステムとの比較により、ランニングコストによる経済評価、および二酸化炭素（以下、ＣＯ_２とする）発生量による環境評価を行った。

灯油の発熱量を８２４０ｋｃａｌ／Ｌ、灯油ボイラーの熱効率を９０％とすると、上記４週間で想定される灯油の消費量は、約１２３Ｌ／４Ｗｅｅｋである。灯油価格を９８．８円／Ｌとすると、１カ月の灯油のランニングコストは１３０４７円となる。また、循環不凍液を循環させるためのラインポンプ５のランニングコストは、電気料金単価を２４．１５円／ｋＷｈとすると１カ月当たり１７３９円である。よって、１月当たりのランニングコストは合計で１４７８６円になる。

一方、本実施例１における換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置のランニングコストは、ラインポンプ５のランニングコストだけであり、このコストは上記の通り１カ月当たり１７３９円である。

したがって、本実施例１における換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置は、灯油を使った従来のシステムと比較して１月当たりのランニングコストを約１３０００円安くすることができる。

また、上記条件で灯油を消費した場合の１カ月のＣＯ_２の発生量は、そのＣＯ_２発生率を２．５１ｋｇ／Ｌとすると、約２６５．２ｋｇである。また、ラインポンプ５の電力消費による１カ月のＣＯ_２の発生量は、そのＣＯ_２発生率を０．４７９ｋｇ／ｋＷｈとすると、約３２．２ｋｇとなる。よって、１月当たりのＣＯ_２発生量の合計は２９７．４ｋｇになる。

一方、本実施例１における換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置のＣＯ_２の発生量は、ラインポンプ５の電力消費によるＣＯ_２の発生量のみであるため上記の通り、１カ月当たり３２．２ｋｇである。

したがって、本実施例１における換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置は、灯油を使った従来のシステムと比較して１月当たりのＣＯ_２発生量を約２６５．２ｋｇ削減することができる。

なお、本実施例１における換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置は、灯油を使った従来システムと比べて、上記メリットの他にボイラーの設置スペースや灯油タンクの設置スペースが不要となるなどの空間的なメリットがある。

本発明に係る換気排熱を利用した融雪・凍結防止装置は、ロードヒーティング、屋上笠木の雪庇予防、サッシュ周囲の雪庇予防、ルーフドレイン周囲の凍結防止、スノーダクトの凍結防止等の他、床面の保温等に広く応用が期待され、産業上の利用に寄与できる。特に低コストであるためエンドユーザのニーズが期待される。

また、雪庇、凍結については、ユーザからのクレームが多い箇所であるため、建物供給側も低コストであれば、ニーズが高く、需要が期待される。

１熱交換機
２Ｙ字状分岐ダクト
３拡張ダクト
４換気用排気ファン
５ラインポンプ
６往路熱伝搬配管（往き）
７復路熱伝搬配管（戻り）
８放熱パイプ
９廃棄回収部（室内天井裏）
１０熱伝搬回路（水道配管）
１１放熱部（屋外ロードヒーティング）
１２屋外排気
１３室内空気（排気）

Claims

建物に設置されている換気用排気ファンと屋外排気口との間のダクト取り付け位置に取り付けられているとともに基端側のダクト断面積よりも分岐側の総ダクト断面積が大きくなるように形成されている分岐ダクトと、この分岐ダクトの各先端に取り付けられる拡張ダクトと、各拡張ダクトに取り付けられる熱交換器と、これら熱交換器で温められた不凍液を熱需要部へ搬送して前記熱交換器へと循環させる熱伝搬配管路とを有している換気廃熱を利用した融雪・凍結防止装置。
分岐ダクトはＹ字状分岐ダクトである請求項１に記載の換気廃熱を利用した融雪・凍結防止装置。