JP4562024B2 - 集熱ダクトを利用した寒暑期両用換気システム - Google Patents

Description

本発明は、集熱ダクトを利用した寒暑期両用の換気システム、特に煙突効果を用いた換気システムに関する。

寒期の換気システムの省エネルギー化のため、集熱部を兼ねた屋根板の下面に沿って、下面開口で下面側を断熱材で遮蔽した空気流路を斜めに設け、該流路上部から縦ダクトを介して床吹出口へ連通させており、上記屋根板で温められた空気を上記空気流路で集めて床吹出口から吹き出すように設けたものが知られている（特許文献１）。

更に暑期の換気に太陽エネルギーを利用するため、建物の一部として、太陽光受光部を兼ねた縦シャフトを縦設し、煙突効果により建物各階から縦シャフトを介して外部へ通風しているものも知られている（特許文献２）。

又、換気システムではないが、透明な外管内に水等の熱媒体流路としての内管を二重筒状に設けるとともに、これら内外両管の間を真空の断熱空間とし、該空間内に、通路方向に長い帯板状であって、その巾方向中間部に凹設した嵌合凹溝内に上記内管を嵌合させてなる集熱板を設けた集熱管が知られている（特許文献３）。
特開2002−235955号 特開2002−194826号 実公昭58−9738号

特許文献１及び特許文献２の換気システムは、それぞれ寒期用又は暑期用のものであるが、これらを別々に構築するとすれば、大きなスペースが必要となり、システムの設計が面倒となる。又特許文献３に示す如く熱集約効果の大きい集熱管の技術を換気システムに応用しようとすると、ダクトの大きさを有する管路をガラスやアクリル樹脂などの透明材料で形成したものは高価であるため、これを寒期用及び暑期用のシステムにそれぞれ設置するのは不経済である。

そこで本発明は、集熱ダクトを寒期用及び暑期用に兼用して集熱効率の高い換気システムを低コスト・省スペースで提供するため、屋外に設けた集熱ダクトから屋内空間へ至る空気路を有する通風システムにおいて、上記空気路は、暑期には、先端開口を上向きにした集熱ダクト内の空気の膨張により建物の内から外へ、又寒期には送風ファン８によって外から内へ通風するように構成することを目的とする。

第１の手段は、屋外に設けた集熱ダクトから屋内空間へ至る空気路を有する通風システムにおいて、上記集熱ダクト32は、先端部側に有する換気用の口部36を上にして配向させ、又上記空気路10は、暑期には上記集熱ダクト32内空気の膨張により建物の内から外へ、又寒期には送風ファン８によって外から内へ通風するように構成し、
上記空気路10は、上記集熱ダクト32の基端部側から二又に分岐52して屋内空間Ａの排気口56及び給気口20へそれぞれ連通する第1換気路30と、集熱ダクト32とは別に設けた第2の換気口74から二又に分岐76して上記排気口56及び給気口20へそれぞれ連通する第2換気路70とを含み、これら両換気路の分岐路部分に設置した流路切替ダンパー58,62,80,84の切替により、両換気路のうち一方を介して建物の内から外へ通風するとき、他方を介して建物の外から内へ通風するように設けている。

「集熱ダクト」は、ダクト全長に亘って、その下壁部側に断熱部（或いは断熱帯）を形成すると良く、又、ダクトの上壁部分を透明部とすると良い。該透明部はガラス乃至透明アクリル樹脂で形成することができる。集熱ダクトは、円筒形乃至四角形などの筒形に形成することができ、又、上記断熱部は、集熱ダクト下半部内面に沿って、例えば半円筒形、断面凹字形乃至平板形に形成すると良い。更に断熱部の内面には、好ましくは潜熱蓄熱材で形成された蓄熱層を形成すると良い。

又、上記集熱ダクトは、水平面に対して一定勾配を付与して設置する。その勾配は、設置場所での冬季の南中時前後の太陽高度に対応して、そのときの光線と集熱板の受光面とが直角になるように設定することが最も望ましく、例えば東京と同程度の緯度の地域では、水平面からの勾配は60度程度となる。もっとも設置箇所の条件に応じてその勾配は適宜変更することができ、例えば設置スペースを十分とれない場合には、建物の外壁に沿ってほぼ鉛直に設置することも可能である。

第２の手段は、上記第１の手段を有し、かつ上記空気路10は、更に屋内空間Ａからの還気を空調機２へ戻し、かつ該空調機から空調空気を屋内空間Ａへ給気する循環型の空調流路12を有し、上記第１、第２換気路30、70の分岐路部分のうち一方を、上記循環換気路の空調機２に接続し、他方を、屋内空間Ａに開口する排気口に接続している。

第３の手段は、上記第１の手段又は第２の手段を有し、かつ上記集熱ダクト32は、上記屋内空間の排気口56よりも高位置に設置している。

第４の手段は、上記第１の手段乃至第３の手段の何れかを有し、かつ上記集熱ダクト32の少なくとも上壁部を透光部38とし、かつ該透光部に対面する受光面46を有する集熱板44を集熱ダクト内に設置している。

「集熱板」は、熱吸収、及び熱放射をし易い鉄その他の金属で形成するとよく、又、集熱板の表面は、吸熱性の高い光選択性塗料（例えば吸収率0.98の黒色クロムめっき）を塗布すると良い。又、集熱板上面と透明ダクトの上壁部下面との間、及び集熱板下面と透明ダクトの下壁部上面との間には、空気流路形成用代を設けると良い。

第５の手段は、上記第１の手段乃至第４の手段の何れかを有し、かつ上記集熱ダクト32は、水平面に対する傾斜角度を調整可能としている。

本発明の第1の手段に係る発明によれば次の効果を奏する。
○集熱ダクト32を暑期の排気用換気路と寒期の外気導入用換気路との共用としたから、一つの集熱ダクトを年間を通して使用することができ、経済的であるとともに、イニシャルコストを低減できる。
○集熱ダクト32は、先端部側に開口する第1換気口36を上向きにして配向させたから、暑期には、集熱ダクト32の内部と集熱ダクトを除く空気路部分の内部との空気の密度差による煙突効果を利用して屋内空間Ａから空気を排気することができ、又寒期には、集熱ダクトを利用して屋外の冷気を加熱して屋内へ送ることができるので、省エネルギーに資する。

また第１の手段に係る発明によれば、相互に建物の内外方向逆向きの送風を可能とする第1換気路30及び第2換気路70を設けたから、集熱ダクト32を介した暑期の排気及び寒期の外気導入と対応して、第2換気口74を介する暑期の外気導入及び寒期の排気を行なうことができ、より快適で効率的な温熱環境を実現できる。

第２の手段に係る発明によれば、第１、第2換気路30、70を、空調機２付きの循環型空調流路12に接続したから、自然換気と機械換気とを組合わせて省エネルギーで高効率の換気システムを構成できる。

第３の手段に係る発明によれば、上記集熱ダクト32は、上記屋内空間の排気口56よりも高位置に設置したから、集熱ダクト32の第1換気口36と排気口56との間の位置エネルギーを利用して、前述の煙突効果を大とし、換気効果を高めることができる。

第４の手段に係る発明によれば、集熱ダクト32に集熱板44を内装したから、所要量の熱と取得するのに必要なダクト長さが小となり、高価なダクト形成用の透明材料を節約できるので、経済的である。

第５の手段に係る発明によれば、上記集熱ダクト32は、水平面に対する傾斜角度を調整可能としたから、冬季には主に太陽高度との関係で好適となる傾斜角度を、夏季には所要の煙突効果との関係で好適となる傾斜角度を、それぞれ選択することができ、季節ごとに集熱状態を最適化することができる。

図１乃至図３は、本発明の第１実施形態に係る換気システムを示している。同図中Ａは、換気・空調対象である建物の屋内空間、Ｂは機械室、Ｃは屋内空間と機械室との仕切り壁、Ｄは屋上である。

本システムは、空調機２と空気路10とで構成されている。

空調機２は、公知のものであり、フィルタ４と、空調コイルなどの加熱冷却器６と、送風ファン８とを内蔵している。

空気路10は、循環型の空調流路12と、第1換気路30と、第2換気路70とで構成されている。

空調流路12は、公知のものであり、上記仕切り壁Ｃの上部に開口する還気口14から吸引した屋内の空気を、還気ダクト16を介して機械室Ｂに設置した空調機２へ送風し、該空調機から給気ダクト18を経て給気口20より屋内空間Ａに給気するように構成している。

上述の第1換気路30は、集熱ダクト32と、接続ダクト50と、第1分岐路部分54と、第２分岐路部分60とで形成している。

上記集熱ダクト32は、建物の屋上Ｄにおいて、上記接続ダクト50の上端部から斜め上方へ突出しており、又集熱ダクト32の下部は図示しない支持手段で保持している。又、図示の集熱ダクト32の先端部（図示例において上端部）は、降雨対策として水平方向に延びる短筒部34とし、該短筒部先端面を第１換気口36としている。もっともこの先端部の構造は適宜変更することができる。先端部を除く集熱ダクト部分は、図３に示す如く四角筒状に形成しており、その上壁部を透明アクリル乃至ガラスで形成する透光部38とし、上壁部を除く筒壁部分は断面凹字形の断熱部40としている。又、断熱部の底壁部分40a上面は蓄熱層42で覆っている。この蓄熱層42は、集熱ダクトを傾斜させたときに断熱部の底壁部分から分離しない程度の保形性を有するものとする。集熱ダクト32の筒壁には、上面に受光面46を有する集熱板44を内装しており、その受光面46は上記透光部38に対面している。又、集熱板44は、図３に示す如く断熱性材料で形成した連結具48を介して上記断熱部の適所に固定しており、集熱板44下面と断熱部底壁部分の上面との間、及び、集熱板44上面と透光部38下面との間には、それぞれ空気流路を介在させている。

上記接続ダクト50は、上記建物屋上の壁部を貫通して機械室Ｂ内へ垂下するとともに、その下端部で二又に分岐しており、該分岐点52を介して第1、第２分岐路部分54,60に連通している。

上記第１分岐路部分54は、上記分岐点52から上記仕切り壁Ｃの上部に開口する排気口56に開通しており、その途中に第1流路切替ダンパー58を設けている。尚、図示例では、第1分岐路部分のうち上記第1流路切替ダンパー58から排気口56へ至る流路部分を、後述の第３分岐路部分との共有流路としている。

上記第２分岐路部分60は、上記分岐点52から上記空調機２へ開通しており、その途中部分に第２流路切替ダンパー62を設けている。尚、図示例では、第２分岐路部分のうち上記第２流路切替ダンパー62から空調機２へ至る流路部分を、後述の第４分岐路部分との共有流路としている。

上述の第２換気路70は、換気ダクト72と、第３分岐路部分78と、第４分岐路部分82とで構成している。

上記換気ダクト72は、第２換気口74を建物外部に開口させて既述機械室Ｂ内へ垂下するとともに、その下端部で二又に分岐しており、該分岐点76を介して第３、第４分岐路部分78,82に連通している。

上記第３分岐路部分78は、上記分岐点76から既述排気口56に開通しており、その途中に第３流路切替ダンパー80を設けている。

上記第４分岐路部分82は、上記分岐点76から上記空調機２へ開通しており、その途中部分に第４流路切替ダンパー84を設けている。

上記構成において、図１乃至図２の如く透光部38を介して太陽光が集熱板44の受光面46に当たると、その太陽エネルギーは、該受光面から主として対流により透光部38側の空気流路部分へ拡散するとともに、集熱板44の裏面から輻射により断熱部40側の空気流路部分へ放出される。

冬等の寒期には、図１に示す如く第1、第４流路切替ダンパー58,84を閉、第２、第３流路切替ダンパー62,80を開として、空調機２の送風ファン８を作動させると、空調流路12内を矢示の如く空気が循環するとともに、第1換気路30において、図１に黒塗り矢印で示す如く外気が第１換気口36から集熱ダクト32内を通って暖められ、次いで接続ダクト50、分岐点52、第２流路切替ダンパー62を経て空調機２に入るので、加熱冷却器６の放熱量を低減できる。又、第２換気路70において、上記給気口20からの給気により、屋内空間Ａ上部内の汚れた空気が排気口56内へ押し込まれ、該排気口から、白抜き矢印で示す如く第3流路切替ダンパー80、分岐点76、換気ダクト72を通って第２換気口74から排出される。

夏等の暑期には、図２に示す如く、第２、第３流路切替ダンパー62,80を閉、第1、第４流路切替ダンパー58,84を開として、上記送風ファン８を作動させると、第２換気路70において、白抜き矢印で示す如く外気が第２換気口74から換気ダクト72、分岐点76、第４流路切替ダンパー84を通って空調機２へ入り、空調流路12内を循環する気流に流入する。又、該空調流路の給気口20からの給気により、屋内空間Ａの上部の熱溜まりが排気口56から、第1流路切替ダンパー58、分岐点52、接続ダクト50、更には集熱ダクト32を通って、第1換気口36から排気される。このとき、集熱ダクト32内の空気は太陽熱により膨張して屋内空間の空気より比重が軽くなっているので、煙突効果を生じて、第1換気路30が空調空間Ａから第1換気口36側へ空気を誘引し、空調機２の送風ファン８の消費エネルギーが低減される。

尚、この図示例では、自然換気と機械換気との組合わせの作用のみを示しているが、必ずしも空調システムは必須ではなく、寒暑の程度が著しい場合を除いて、暑期でも、屋内空間Ａの適所に設置した窓（図示せず）を開けることで、集熱ダクトの煙突効果により上記窓を介して通風を得ることができ、又、寒期でも冷たい空気を集熱ダクトで暖めて屋内空間Ａへ送り込むことができる。

以下、本発明の他の実施形態乃至参考例を説明する。これら実施形態などの構成のうち第1実施形態と同じ事項については同一の符号を付することで説明を省略する。

図４乃至図５は、本発明の参考例を示している。このシステムは、既述空調機を省略するとともに、上記第1、第2換気路に代えて単一の給排気ダクトで給排気を行なう簡易なシステムであり、特に工場・倉庫・体育館などの換気システムとして適しているものである。

この参考例の空気路10は、図４に示す如く、建物屋上の壁部を貫通する接続ダクト50の上端部から集熱ダクト32を斜めに突出するとともに、接続ダクト50の下端部から屋内領域Ａの上部を水平に延びる給排気ダクト22を設けてなる。該給排気ダクト22は、一つの給気口24と２つの排気口25A、25Bとを有している。これら排気口の一方は、送風ファン27を付設した強制排気口25Bであり、他方は、送風ファンを有しない自然排気口25Aとしている。又、給気口24にも送風ファン８が付設されている。又各給排気口24,25の上流側にはそれぞれ流路切替ダンパー26A,26B,26Cが付設されている。尚、給排気ダクト22の設置経路は適宜変更することができ、又、強制排気口及び自然排気口の数は適宜変更することができる。又、屋内空間Ａには給排気用の通風口28を開口している。更に本システムには、図面には示さないが、屋内空間内の二酸化炭素等の汚染物質の濃度を検出するセンサーと、その濃度により、各流路切換ダンパーの向きを変更して強制排気モードと自然換気モードとを切り替える制御装置とを設ける。

上記構成において、暑期には、図４に示す如く給気口24付きの流路切替ダンパー26Aを閉とするとともに、更に二酸化炭素濃度が1000ppm以下のときには強制排気口25B付きの流路切替ダンパー26Ｃを閉、自然排気口25A付きの流路切替ダンパー26Ｂを開としこれによって、外気が通風口28より屋内空間Ａ内へ入るとともに、上記集熱ダクト32の煙突効果によって、該屋内空間から、自然排気口25A、給排気ダクト22、接続ダクト50、及び集熱ダクト32を介して換気口36より外部へ排気される。又、二酸化炭素濃度が1000ppm以上のときには、強制排気口25B付きの流路切替ダンパー26Ｃを開、自然排気口25A付きの流路切替ダンパー26Ｂを閉とするとともに、強制排気口25Ｂ付きの送風ファン27を駆動すると、上記強制排気口25Bを介して屋内空間Ａ内の汚染物質を含んだ空気が外気に強制的に排気される。

又、寒期には、図５に示す如く上記排気口25A,25B付きの流路切替ダンパー26B、26Cを閉、給気口24付きの流路切替ダンパー26Aを開とし、かつ給気口24付きの送風ファン８を駆動させると、外気が換気口36から集熱ダクト32を介して屋内空間Ａ内へ送風され、該上記屋内空間より通風口28を介して排気される。

図６及び図７は、本発明の第２実施形態を示している。本実施形態では、先端部を除く集熱ダクト部分を透明な直筒部64として、その内部に集熱板44を回動自在に設置している。該集熱板の長手方向中間部には図７に示す如く半円筒形の嵌合溝部44ａが形成されており、該嵌合溝部内に、上記直筒部64両端部分内に取り付けた軸受66a,66bの間に架設する透明な回転軸68を嵌合させている。尚、上端部側の軸受66ａは通気可能に形成している。又、上記回転軸68の下端部側は軸受66ｂを貫通して下外方に突出し、この突出棒部に電動モータ88を接続しており、図示しない制御装置により、集熱板の受光面が太陽に追従して向きを変えるように設けている。この実施形態では、上記集熱板両端部間の直筒部内面部分に沿って半円筒形の断熱部40を周方向への摺動自在に嵌挿しており、又、この断熱部設置箇所を除く直筒部分を透光部38としている。

図８は、本発明の第３の実施形態を示したもので、集熱ダクト32の基端部（図示例において下端部）を建物の適所に対して枢着し、季節の変化に応じて集熱ダクト32の勾配を変更することができるようにしたものである。即ち、寒期には実線で示すように太陽高度に対して集熱板44の受光面46が直角に太陽光を受けることができる勾配とし、他方、暑期には、集熱ダクトをほぼ鉛直として集熱ダクトの高さを図示の如く増大させ、煙突効果を高めることが可能となる。この場合、集熱ダクトを鉛直とすることで集熱性能は若干低下することになるが、暑期には集熱ダクト32の内部は非常に高温となるので殆ど問題とならない。本実施形態は、冬場での太陽高度が比較的高い（換言すれば太陽光線と直交させた集熱ダクトの勾配が小さい）地域で有用である。

上記枢着部の構成は、例えば図３の如く四角筒状とした集熱ダクト32の両側面に、屋上Dから立設した一対の支持板90を枢着92すればよい。又、集熱ダクトの下端面と接続ダクト50とは、屈曲自在な管部94で連結すればよい。

本発明の第1実施形態の換気システムの寒期の作用を示す概念図である。 図１のシステムの暑期の作用を示す概念図である。 図１のシステムの要部断面図である。 本発明の参考例の換気システムの暑期の作用を示す概念図である。 図４のシステムの寒期の作用を示す概念図である。 本発明の第２の実施形態のシステムの要部断面図である。 図６の要部の縦断側面図である。 本発明の第３の実施形態のシステムの要部作用図である。

符号の説明

Ａ…屋内空間、Ｂ…機械室、Ｃ…仕切り壁、Ｄ…屋上
２…空調機 ４…フィルタ ６…加熱冷却器 ８…送風ファン
10…空気路 12…空調流路 14…還気口 16…還気ダクト
18…給気ダクト 20…給気口 22…給排気ダクト 24…給気口 25…排気口
26A,26B,26C…流路切替ダンパー 27…送風ファン 28…通風口
30…第1換気路 32…集熱ダクト 34…短筒部 36…第１換気口 38…透光部
40…断熱部40a…同底壁部分 42…蓄熱層 44…集熱板 44ａ…嵌合溝部
46…受光面 48…連結具 50…接続ダクト 52…分岐点 54…第1分岐路部分
56…排気口 58…第1流路切替ダンパー 60…第2分岐路部分
62…第２流路切替ダンパー 64…直筒部 66a,66b…軸受 68…回転軸
70…第２換気路 72…換気ダクト 74…第２換気口 76…分岐点
78…第３分岐路部分 80…第３流路切替ダンパー 82…第４分岐路部分
84…第４流路切替ダンパー 88…電動モータ
90…支持板 92…枢着部 94…屈曲管

Claims (5)

1. 屋外に設けた集熱ダクトから屋内空間へ至る空気路を有する換気システムにおいて、
   上記集熱ダクト(32)は、先端部側に有する換気用の口部(36)を上にして配向させ、又上記空気路(10)は、暑期には上記集熱ダクト(32)内空気の膨張により建物の内から外へ、又寒期には送風ファン(８)によって外から内へ通風するように構成し、
   上記空気路(10)は、上記集熱ダクト(32)の基端部側から二又に分岐(52)して屋内空間Ａの排気口(56)及び給気口(20)へそれぞれ連通する第１換気路(30)と、集熱ダクト(32)とは別に設けた第2の換気口(74)から二又に分岐(76)して上記排気口(56)及び給気口(20)へそれぞれ連通する第２換気路(70)とを含み、これら両換気路の分岐路部分に設置した流路切替ダンパー(58,62,80,84)の切替により、両換気路のうち一方を介して建物の内から外へ通風するとき、他方を介して建物の外から内へ通風するように設けたことを特徴とする、集熱ダクトを利用した寒暑期両用の換気システム。
2. 上記空気路(10)は、更に屋内空間(Ａ)からの還気を空調機(２)へ戻し、かつ該空調機から空調空気を屋内空間(Ａ)へ給気する循環型の空調流路(12)を有し、上記第１、第２換気路(30、70)の分岐路部分のうち一方を、上記循環換気路の空調機(２)に接続し、他方を、屋内空間(Ａ)に開口する排気口(56)に接続したことを特徴とする、請求項１記載の集熱ダクトを利用した寒暑期両用の換気システム。
3. 上記集熱ダクト(32)は、上記屋内空間の排気口(56)よりも高位置に設置したことを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の集熱ダクトを利用した寒暑期両用の換気システム。
4. 上記集熱ダクト(32)の少なくとも上壁部を透光部(38)とし、かつ該透光部に対面する受光面(46)を有する集熱板(44)を集熱ダクト内に設置したことを特徴とする、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の集熱ダクトを利用した寒暑期両用の換気システム。
5. 上記集熱ダクト(32)は、水平面に対する傾斜角度を調整可能としたことを特徴とする、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の集熱ダクトを利用した寒暑期両用の換気システム。

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