JP4985018B2 - 放射冷暖房システム - Google Patents

Description

本発明は、熱放射を行う天井パネルにより室内空間の温熱環境を制御する放射冷暖房システムに関するものである。

従来、この種の放射冷暖房システムは、天井パネル空間の入口から出口方向へ向けて一方向に熱交換された冷暖房空気を流すものが考案されている（特許文献１参照）。

図８は特許文献１に記載された放射冷暖房システムの斜視図を示すものである。図８に示すように放射冷暖房システム１は熱源２によって熱交換された冷暖房空気を送風機（図示せず）によって吹出ダクト３へ吹き出し、天井パネル空間４の入口に設けられて断面積が大きい入口ヘッダー部５へ導入される。入口ヘッダー部５は天井パネル空間４と比べて断面積が大きいため圧損が小さく、冷暖房空気の流速は均一となる。そして流速が均一化された冷暖房空気は天井パネル空間４を通過して出口ヘッダー部６へ導入され、吸込ダクト７により熱源２に戻り循環する。

このような放射冷暖房システムで天井暖房を行った性能を示す実験データを図９に示す。図９からわかるように入口天井表面の温度と出口天井表面温度では５℃以上の差があることがわかる。
特開平５−１４９５８６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、入口ヘッダー部を設けることにより、天井パネル入口面の冷暖房空気温度はある程度均一化されてくるが、図９から明らかなように冷暖房空気が天井パネル空間を通過する間に入口天井表面と出口天井表面で必ず温度差が発生し、その温度差は熱源からの送風方向が一定である限り常に一方が高く他方が低くなるものである。そのため、居住者の姿勢によっては十分な快適感を得られないことがある。

例えば暖房時に寝室などで使用し居住者が仰臥姿勢の場合、入口天井表面の側に頭部があれば頭部側の天井表面温度が高く、逆に足部側の天井表面温度が低いということになり、頭寒足熱とは逆の状態で天井放射が行われ、寝具がベッドなどで固定されていれば容易に姿勢も変更できず居住者は次第に不快になってくる。また例えば居住者がテレビ視聴などで長時間椅子に座って動かない場合、出口天井表面の側にいれば入口天井表面側の高温部は無駄に損失することになり、消費電力を余分に要する、という課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、任意の場所の天井面温度設定に基づいて正逆回転方向を決定した送風機によって冷暖房空気を天井パネル内部に送り、熱損失の少ない放射冷暖房システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の放射冷暖房システムは、天井パネルと、天井パネル内部に形成され適切に断熱された閉空間と、前記閉空間内に冷気或いは暖気を循環させる熱源および正逆回転する送風機から成る放射冷暖房を行うシステムであって、任意の天井面温度を検知する温度検知手段と、前記任意の天井面温度を設定可能なコントローラと、前記温度検知手段とコントローラの設定に基づき、前記送風機の回転方向を決定する制御手段を備え、前記温度検知手段は前記天井パネルに複数配置され、前記温度検知手段のうち、居住者がいる位置に近い場所に配置された前記温度検知手段を前記コントローラで選択して設定し、前記制御手段で居住者空間を温度制御するものである。

これによって任意の天井パネル表面の温度を熱源に近い最適な送風経路によって設定可能であり、熱損失を少なくすることができる。

また本発明の放射冷暖房システムは、温度検知手段とコントローラの設定に基づき、送風機の回転方向と回転数を決定する制御手段を備えるもので、これによって、天井面温度の高低差を制御することが可能であり、熱損失を少なくすることができる。

また本発明の放射冷暖房システムは、居住者の姿勢を検知する姿勢検知手段を備えるもので、これによって居住者の生活様式に最適な天井面温度分布とすることができる。

本発明の空気調和システムは、任意の場所の天井面温度設定に基づいて正逆回転方向を決定した送風機によって冷暖房空気を天井パネル内部に送ることにより、無駄な熱損失を抑え、効率良く天井パネルの温度制御を行うことができ、省エネルギーであるとともに居住者に快適感の向上をもたらすことができる。

第１の発明は、天井パネルと、天井パネル内部に形成され適切に断熱された閉空間と、前記閉空間内に冷気或いは暖気を循環させる熱源および正逆回転する送風機から成る放射冷暖房を行うシステムであって、任意の天井面温度を検知する温度検知手段と、前記任意の天井面温度を設定可能なコントローラと、前記温度検知手段とコントローラの設定に基づき、前記送風機の回転方向を決定する制御手段を備え、前記温度検知手段は前記天井パネルに複数配置され、前記温度検知手段のうち、居住者がいる位置に近い場所に配置された前記温度検知手段を前記コントローラで選択して設定し、前記制御手段で居住者空間を温度制御する放射冷暖房システムであって、任意の天井パネル表面の温度を熱源に近い最適な送風経路によって設定可能である。すなわち居住者に近い天井面温度を最短距離で制御するように送風方向を決定するため効率的であり、逆に居住者から遠い天井面は熱源からみて吸込み方向となるため居住者がいない部分での余分な放射を抑え、熱損失が少ない省エネルギーなシステムであるとともに、ダンパ切替などで送風方向を切り替えるシステムと比較して構成が簡単で安価に提供することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の放射冷暖房システムの温度検知手段とコントローラの設定に基づき、送風機の回転方向と回転数を決定するもので、これによって、複雑な構成をとることなく入口天井表面温度と出口天井表面温度の差を調整することができ、不要な場所での天井面放射を抑えることでより一層省エネルギーなシステムとしたり、あるいは居住者の生活様式に合わせて天井面温度差を少なくして均一化を図ったり、居住者の位置や姿勢によっては好み温度差の設定が可能であり、より快適性の向上を図ることができる。

第3の発明は、特に、第１の発明の放射冷暖房システムが居住者の姿勢を検知する姿勢検知手段を備えるもので、これによって居住者が仰臥姿勢をとった場合には適宜吹出し方向を変更して頭寒足熱に即した天井面温度分布とすることで居住者の寝冷え、のぼせなどを防ぐことができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における放射冷暖房システムが設置された部屋の垂直断面図を示すものである。居室９の天井パネル１０の外部には熱交換器１１と正逆反転モータ１２と軸流型送風機１３を有する空気調和機２が設置されており、空気調和機２によって熱交換された冷暖房空気はダクト３ａを経由して天井パネル１０の内部の天井パネル空間４に吹出され、ダクト３ｂを経由して空気調和機２に戻るという循環、あるいはモータ１２の回転方向が逆の場合には空気調和機２によって熱交換された冷暖房空気はダク
ト３ｂを経由して天井パネル１０の内部の天井パネル空間４に吹出され、ダクト３ａを経由して空気調和機２に戻るという循環を行う。天井パネル１０のダクト３ａ近傍の天井面８には天井面温度を検知するサーミスタセンサ１４ａ、ダクト３ｂ近傍の天井面８には同様に天井面温度を検知するサーミスタセンサ１４ｂが設けられている。

また居室９のサーミスタセンサ１４ａの近傍には居住者１５がいて、任意の温度設定が可能なコントローラ１６を所持している。図２にはコントローラ１６の一例を表す図を示す。図２で１７は設定温度表示、１８は設定温度変更スイッチ、１９は設定天井面選択表示、２０は設定天井面選択スイッチ、２１はシステムの冷房または暖房運転をＯＮ−ＯＦＦするための電源スイッチである。

以上のように構成された放射冷暖房システムについて、以下その動作、作用を説明する。居住者１５がコントローラ１６の電源スイッチ２１をＯＮにすることで放射冷暖房システムの運転が開始される。この時居住者１５はコントローラ１６の設定天井面選択スイッチ２０を自分のいる位置に近いＡに設定し、設定温度変更スイッチ１８により天井面８の温度を設定する。例えば冷房時であれば、天井面温度を２２℃と設定する。このように設定されたコントローラ１６の情報は空気調和機２本体のマイコン（図示せず）に転送され、マイコンはサーミスタセンサ１４ａ側の温度を２２℃にすべくモータ１２の回転方向を正転させてダクト３ａ側に冷暖房空気を吹き出す（図１の矢印方向）。そして冷暖房空気は天井パネル空間４を通過して天井面８を冷却した後、ダクト３ｂ側に吸い込まれ空気調和機２に戻るという循環を行う。このように運転が行われると一定時間後にはサーミスタセンサ１４ａ近傍の天井面温度は２２℃となり、サーミスタセンサ１４ｂ近傍の天井面温度はそれより数℃高くなる。しかしサーミスタセンサ１４ｂの近傍には居住者はいないため若干温度が高くても不快とはならない。これを仮に逆経路で運転すれば、居住者近傍の天井面の温度を設定温度に到達させようとすると居住者のいない側の天井面を数℃低く冷却しなければならなくなる。このように本実施の形態における放射冷暖房システムは無駄に天井面８を冷やし過ぎることがなく省エネルギーである。また、例えばダンパ開閉操作による流路変更によって同様の運転を行うことも可能であるが、部品点数が増えてコストがかかる上、ダクト経路も複雑となりその分圧損も増えてエネルギーロスにつながる。本実施の形態によれば送風方向を正逆転するのみの簡単な構成となっており圧損は少なくて済む。

また居住者１５がサーミスタセンサ１４ｂ近傍に移動した場合はコントローラ１６の設定天井面スイッチ２０をＢに設定する。マイコンはモータ１２の回転方向を逆転させてダクト３ｂ側に冷暖房空気を吹き出す。この時、もともと天井面の温度差は数℃程度であるため居住者の要求に早く対応することが可能である。

尚本実施の形態では居住者１５がコントローラ１６により設定天井面を決定しているが、天井面８に人感センサを設置して自動的に居住者位置を検出し、居住者位置に合わせて送風方向を決定しても同様の効果が得られる。
（実施の形態２）
図３は本発明の第２の実施の形態における放射冷暖房システムが設置された部屋の垂直断面図を示すものである。図１と同じ構成要素に関しては同じ符号を記して説明を省略する。ここで居住者１５が天井面温度設定を負荷が大きくなる方へ変更した場合を想定する。例えば冷房時に天井面温度設定を２２℃から２０℃に変更したとする。空気調和機２は圧縮機（図示せず）回転数を上昇させることで設定温度に近づけることもできるが、その場合余分に入力を必要とする。そこで本実施の形態では送風機１３の回転数を減少させる。送風機１３の回転数を減少させると天井パネル空間４の抵抗により送風機１３の圧力、風量とも減少し、熱交換器１１によって冷暖房された空気は吹き出し側のダクト３ａ近傍に停滞して吹き出し側ダクト３ａ近傍の天井面８の温度がより一層冷やされやすくなる。
その分、吸込み側ダクト３ｂ近傍の天井面温度は上昇するが、居住者１５が吸込み側ダクト３ｂ近傍にいない場合には冷却の必要性が少ないので不快にはならない。このような制御を行うことで負荷の大きい場合にも省エネ運転が可能となる。

図４には送風機１３の回転数を変更したときの吸い込み側サーミスタセンサ１４ｂ値と吹き出し側サーミスタセンサ１４ａ値の挙動を示す。図４から明らかなように送風機１３の回転数を減少させると天井面の温度差は大きくなり、逆に回転数を増加させると天井面の温度差は小さくなることがわかる。すなわち多人数が居室にいる場合など居室の天井面全体の温度を均一化したい場合には送風機１３の回転数を増加させると風量が増加して吹き出し側ダクト３ａ近傍の天井面と吸い込み側ダクト３ｂの近傍の天井面の温度差は少なくなる。

尚一定時間内に送風機１３の正逆回転を交互に行うことで天井面８の温度の均一化を図ることも可能である。
（実施の形態３）
図５は、本発明の第３の実施の形態における放射冷暖房システムが設置された部屋の垂直断面図を示すものである。図１と構成要素に関しては同じ符号を記して説明を省略する。

図６は、本発明の第３の実施の形態におけるコントローラの一例を表す図を示す。図２と同じ構成要素に関しては同じ符号を記して説明を省略する。ここで２２は居住者１５の姿勢選択スイッチであり、２３は姿勢選択表示である。居住者１５はサーミスタセンサ１４ａ近傍を頭部方向として仰臥姿勢をとっていると想定する。居住者１５は姿勢選択スイッチ２２により頭部位置と仰臥姿勢を選択する。例えば暖房時の挙動を説明すると空気調和機２のマイコンは送風方向がダクト３ｂに吹き出すようにモータ１２を逆転させて、足部近傍のサーミスタセンサ１４ｂを設定温度になるように制御する。このように制御することで暖房時に頭寒足熱状態を保つことができ、頭部側の天井面温度の方が高い場合に発生しやすいのぼせやほてりが起きるのを防ぐことができる。

また一定時間コントローラ１６の設定変更がない場合には、マイコンは居住者１５が就寝したものと判断して送風機１３の回転数および圧縮機回転数を減少させる。このように制御すると居住者１５の足部近傍の天井面温度はやや上昇し、本発明の第２の実施の形態でも説明したように居住者１５の頭部近傍の天井面温度はやや低くなるため、居住者の寝冷えを防ぐことができる。

冷房時には空気調和機２のマイコンは送風機１３の送風方向がダクト３ａへ吹き出すようにモータ１２を正転させて頭部近傍のサーミスタセンサ１４ａを設定温度になるように制御する。このようにすることで居住者１５は頭寒足熱状態を保つことができ、快適感が増すことになる。

図７にはコントローラ１６の設定による運転制御のフローチャートを示す。マイコンがこのように制御することで居住者１５がより快適にすごせるようにきめ細かな制御をすることが可能である。

以上のように、本発明にかかる放射冷暖房システムは、居室において効率の良い熱放射を行って快適な温熱環境を形成するので、住宅のリビングや寝室、あるいは病院の病室やホテルの部屋などの放射冷暖房システムの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における放射冷暖房システムが設置された部屋の垂直断面図 本発明の実施の形態１におけるコントローラの一例を表す図 本発明の実施の形態２における放射冷暖房システムが設置された部屋の垂直断面図 本発明の実施の形態２における天井面温度の挙動の一例を表す図 本発明の実施の形態２における放射冷暖房システムが設置された部屋の垂直断面図 本発明の実施の形態３におけるコントローラの一例を表す図 本発明の実施の形態３におけるモータ回転制御フローチャート 従来の放射冷暖房システムと冷暖房空気の流れを示す斜視図 従来の放射冷暖房システムの性能を示す実験データの特性図

符号の説明

２ 空気調和機（熱源）
２４ 冷媒配管
２５ 室外機

Claims (3)

1. 天井パネルと、天井パネル内部に形成され適切に断熱された閉空間と、前記閉空間内に冷気或いは暖気を循環させる熱源および正逆回転する送風機から成る放射冷暖房を行うシステムであって、任意の天井面温度を検知する温度検知手段と、前記任意の天井面温度を設定可能なコントローラと、前記温度検知手段とコントローラの設定に基づき、前記送風機の回転方向を決定する制御手段を備え、前記温度検知手段は前記天井パネルに複数配置され、前記温度検知手段のうち、居住者がいる位置に近い場所に配置された前記温度検知手段を前記コントローラで選択して設定し、前記制御手段で居住者空間を温度制御することを特徴とする放射冷暖房システム。
2. 温度検知手段とコントローラの設定に基づき、送風機の回転方向と回転数を決定する制御手段を備えることを特徴とする請求項１記載の放射冷暖房システム。
3. 居住者の姿勢を検知する姿勢検知手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の放射冷暖房システム。

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