JP5334097B2 - 換気併用型の輻射空調システム - Google Patents
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Description
またシーリングファン装置において、各運転モードの冷房効果を快適さを表すPMV値で評価し、この値が理想値から外れたときに理想値に戻すために目標温度を逆算することも行われている(特許文献5の段落0144〜0150参照)。
特許文献2〜4の輻射冷却は、特許文献1のシステムの運転モードにはない別個の冷却方式である。しかしながら、特許文献2のものは熱源の回りを輻射冷却パネルで遮蔽するという局部的な用い方である。同様に特許文献3はコンピュータなどの熱源の周囲を輻射冷却パネルで処理し、全体的な空調は自然換気によって行っている。特許文献4のものは、空調領域のインテリアゾーンを天井型の輻射冷却パネルで冷却し、ペリメータゾーンを水熱源ヒートポンプ方式の空調機で冷却している。何れの場合にも輻射冷却のモードを他のモードとともに使用するときには、空調領域の全体と一部とで使い分けたり、ゾーン別に使い分けているに過ぎない。ある一つのエリア全体に対して時間的に輻射冷却のモードを他の運転モードに切り替えるということは出願人の知る限り一般的ではない。
切り替え可能な運転モードの一つとして輻射冷却を使いにくい理由は他の運転モードとの特性の相違にあると思われる。自然換気、外気冷却、及び循環空調の三つは、対象とするエリアの気温を下げることを直接の作用としている。従って3つのモードを切り替えるときには、気温が一定の基準値まであがったら現在のモードを冷却効果の強い他のモードへ切り替えれば足りる。しかし輻射冷却の方式は物(人体を含む)の表面の温度を下げることを直接の作用としている。外部からの熱貫流により室温が上昇していても、トータルとしての冷却効果が弱まっているかと言えば必ずしもそうではない。つまり従来と同じ指針では自然換気、外気冷却、循環空調などと同様に輻射冷却の冷房効果を的確に評価しにくいのである。
そこで出願人が室温の代わりに着目したのが、居住空間の快適さを表すPMV値である。PMV値を冷房効果の評価に使用した例として前述の特許文献5があるが、これは単にPMV値を用いて各モードの目標値を最適化しているだけである。
発明の第1の目的は、相互に切り替え可能な運転モードとして、外部との通気状態における輻射冷房モードを導入し、これにより密閉状態での一般空調モードに頼る割合を低減させ、エネルギーの節減を図ることである。
本発明の第2の目的は、輻射冷房モードと他の運転モードとの切り換えの基準として、PMV値を採用することで切り替えがスムーズに行くようにすることである。
本発明の第3の目的は、外部との通気状態で露点温度以上の表面温度での輻射冷房モードを可能とし、空調領域全体から“広く浅く”熱を除去することを可能とすることである。なお、“浅く”とは、程度が軽い、単位面積当たりの排熱量が少ないという程度の意味である。
空調領域を含み、空調手段を備えた空気循環路と、
空調領域を通過しかつ入口及び出口にそれぞれ換気用ダンパーを備えた通風路と、
空気循環路ないし通風路内の空気を運搬するための送風手段とを有し、
送風手段又は自然風を用いて外の冷気を通風路から空調領域内に導く換気モードと、
通風路が閉じた状態で空気循環路内の空気を巡回させ、空調手段を作動させる空調モードとを切り替え可能な空調システムにおいて、
空調領域の内部のほぼ全体を冷却するための輻射冷却手段を設け、
上記換気モードと空調モードとの間に、通風路を開いた状態で輻射冷却手段を作動させる輻射冷却モードを設定し、
外部温度の上昇に伴い、換気モードから輻射冷却モードを経て空調モードへの順番で運転モードを移行するとともに、各モードの切り替えを制御する制御部を設け、
さらに少なくとも空調領域内の気温・湿度を測定する測定手段を設け、
制御部は、測定された空調領域内の気温及び湿分に応じて、冷温感指標であるPMV値を決定し、このPMV値が上側基準値に達したときに現在の運転モードから一つ上の順番の運転モードに移行するように構成している。
「輻射冷却手段」は、空調領域の全体を対象として配置される。「空調領域のほぼ全体を冷却する」とは、従来の局所冷却型の輻射冷却手段とは反対に、少なくとも空調領域のほぼ全部を冷却する能力を有するという意味である。具体的には、空調領域の内面(天井面や壁面)に配置する一又は複数の輻射冷却パネルとすることができる。輻射冷却手段は、複数あってもよいが、相互に連携して空調領域全体を冷却することができる機能を備えていることが望まれる。
「PMV値」は、快適さを表す指標であり、温度t、湿度r、輻射温度tx、気流速度v、代謝量AL、及び着衣量CLを用いて次式で与えられる。これらの複数のパラメータを反映したPMV値を用いることで、空気の温度・湿度を制御する方式(自然換気・外部冷却・一般空調)と、物体の表面温度を制御する方式との間の切り替えをスムーズに行うことができる。なお、PMV値の計算に必要な6つのパラメータの全てを測定する必要はない。気流速度、代謝量、着衣量について過去のデータを集計してデータベース化し、各月毎の平均値を入力してPMV値を推定することは従来から行われている(特許文献5の段落0180〜0183)。
[数式1] PMV値=f(t、r、tx、v、AL、CL)
「制御部」は、順番の定めた一連の運転モードを切り替えることを可能としている。もっとも後述のように外気条件に応じて下位の幾つかの運転モードを省略することは可能であるとする。
「運転モード」は、換気モード、輻射冷却モード、空調モードの順番で実行するように設定してある。これらの順位は、おおよそ通常の運転状態でエネルギー消費が少ない順番と一致する。換気モードとして自然換気及び強制換気を採用するときには、自然換気→強制換気→輻射冷却→空調の順序で運転すればよい。本明細書で、「上の順番」というときには、上記の順番で後の方の、即ち空調よりのものを、また「下の順番」というときには、前の方の、すなわち換気寄りのものを指すものとする。
「空調モード」は、通風路を閉じ、空気を循環させた状態で空調手段を作動する方式である。密閉性の高い空気循環路内に空気を循環させるので、消費エネルギーは大きい。
「輻射冷却モード」は、換気モードと空調モードとの中間のモードである。このモードを実行するときには、換気モードと同様に通風路を開いて行う方法と、空調モードと同様に通風路を閉じて行う方法とが考えられるが、本発明では前者を採用している。一般に輻射冷却では結露防止が課題であり、従って湿度を管理し易い密閉性の高い隔離された空間内で行われることが多いのであるが、本発明では常に新鮮な空気が空調領域内に入る点では外部と連通した開放空間の方が快適であることを考慮した。
さらに上記制御部は、外気温の下降に伴い、
PMV値が下側基準値に達したときに現在の運転モードから一つ下の順番の運転モードに移行させることが可能に構成している。
本手段では、外気温が下降していく過程に追随して運転モードを上位のモードから下位のモードに下げるための動作を示している。温度が上昇していく過程と逆の動作を採用すればよい。即ち、外気温の低下に連動して空調領域内の気温が低下し、それによりPMV値が許容範囲の下限値(下方基準値)まで下がったら、冷房効果の弱い下位のモードに切り替えればよい。
上記輻射冷却手段を、表面温度を露点より高く制御した輻射冷却パネルと冷却エレメントとで形成し、この輻射冷却パネルを、空調領域の天井面に対して、空調領域のほぼ全体をカバーするように設置している。
「輻射冷却パネル」は、輻射冷却パネルを冷媒用配管やペルチェ素子などの冷却エレメントで冷却するように構成したものである。冷媒用配管を使用するときには、後述の実施形態の如く、配管スペースを空気循環路の一部(好ましくは復路)と共有とするとエネルギーのロスが少ない。輻射冷却パネルは、空調対象の天井面全部に設置してもよいが、対象空間を冷却するのに十分な能力があれば普通のパネルと輻射冷却パネルとを天井面に一列置きに設置してもよい。
第4の手段は、第2の手段から第3の手段のいずれかを有し、かつ
上記3つの運転モードのうち、換気モードを省略して、冷房効果の高い輻射冷却モードから始動することが可能としている。
○快適さの指標であるPMV値を用いて運転モードの切り替えを行うから、輻射冷却モードを含めた複数のモードを適正に切り替え、少ないエネルギーで快適な空調を行うことができる。
○第1のモードと第3のモードとの間に輻射冷却モードを導入したから、エネルギー消費量が比較的多い循環空調に依存する比率を低下することができ、省エネルギーに資する。
第4の手段に係る発明によれば、自然換気モード及び外気冷房モードを省略して、通気状態での輻射冷房モードから始動することで快適な環境を早く実現することができる。
上記コントローラ26は、室温を目標温度に近づける主コントローラ26aと、輻射冷却パネル20の表面温度を露点温度以上に保つ副コントローラ26bとからなり、カスケード制御を行っている。コントローラには輻射冷却パネルの近くに設置した湿度センサーを接続し、パネル面状での露点温度を副コントローラが算出するようにしてもよい。図1では、輻射冷却パネルを一枚の部材として描いているが、複数のパネルを適当な間隔を存して、天井板の下面に敷設してもよい。
PMV値が0.5から−0.5(より好ましくは0.5から0)の範囲を許容範囲とし、0.5を上方基準値,−0.5(より好ましくは0)を下方基準値とする。朝方から日中へかけて外気温度が上昇するときには、図5に示すように、換気用ダンパーを開として自然換気を行う(M1)。自然風により空調領域内の熱が排出され、PMV値が下がる。
PMV値が0.5に達したときには、送風ファン14aを起動させて外気冷却を行う(M2)。外気の強制導入により気温を低下させる。
再びPMV値が0.5になったときには、換気用ダンパーを開いたまま、送風ファン14aを停止させるとともに輻射冷却手段16を作動させる(M3)。もっとも温度センサー44で測定される外気温が設定温度より高いときには、換気用ダンパーを閉じるとよい。また、本発明の一形態として、送風ファン16を作動させたままで輻射冷却手段16を作動させることも可能であるが、消費エネルギーが多くなる。
さらにPMV値が0.5になったときには、換気用ダンパーを閉じて、輻射冷却手段16を停止するとともに空調手段32を作動させる。
また輻射温度、即ち周囲の表面温度は、後述のように面積加重平均周壁温度で代用してもよい。
〔実施例1〕
本発明の実施例(1)〜(3)を外気条件毎に説明する。なお、図7は、各実施例での温度、MRT平均輻射温度、湿度、風速、作業量、着衣量、PMV値をそれぞれ示したものである。
(1)中間期(図1参照)
中間期の実施条件及び制御目標を次に掲げる。
(イ)外気温度15℃〜20℃、制御目標のPMV値を冷房0.5、暖房0
(ロ)外気温度を20℃〜26℃、制御目標のPMV値冷房0
空調領域への日射の熱取得は、外ルーバ(図示せず)によって約90%削減する。また、窓際の輝度比を抑えて、視環境を維持する。日中の外気温度が15℃〜26℃の時は、空調機は、自動停止し、自然換気ダンバーを自動的に開放(または、窓を開放)し、自然換気を行う。自然換気のみでPMV0.5以上となる場合は、(a)空調機にて外気冷房を開始し、また(b)輻射冷却パネルの運転を自動的に開始する。天井面温度を21℃程度(平均22℃)とし、PMV値を0.5以内に維持する。輻射冷却パネルの最も低い表面温度は約19.3℃である。従って19度の露点温度以下の外気については、積極的に自然換気を行う。他方、19℃の露点を越える多湿な外気は、シャットアウトする必要がある。
夜間は、外気温16℃〜24℃、0.0124kg/kg以下の外気条件で、窓上部の自然換気ダンバーを開放し、屋内の熱を自然換気にて除去する。
(2)夏季
夏季の実施条件及び制御目標として、外気温度26℃以上、制御目標PMV値 冷房0.5とする。
外ルーバによって日射の熱取得を約90%削減すること、窓際の輝度比を抑えて視環境を維持することは、先の(1)のケースと同じである。日中の外気温度は、高温多湿(輻射パネル露点19℃0.0138kg/kg)のため、27℃55%の湿度(0.0124kg/kg)まで空調機で除湿する。天井面湿度21℃(平均22℃)とすることで、室内温度を27℃とすることとクールビズによる軽装とにより、PMV=0.5の快適性を維持する。夜間は、24℃、0.0124kg/kg以下の外気条件で、窓上部の自然換気し、換気用ダンパーを開放し、屋内の熱を自然換気にて除去する。
(3)冬季(晴天・低温・低湿)
本発明のシステムの実施形態として冬季にも対応できることが望ましい。冬季の実施条件及び制御目標は、外気温度15℃以下、制御目標PMV値 冷房0.5 暖房0である。冬季でも室内において冷房が要求されることがある。そのようなときには、輻射冷却パネルを停止したままで外気冷房を行う。自然の冷気を有効利用するためである。室内で暖房が要求されるときには、天井面の輻射パネル表面温度を25℃とすることで、寒さ感をなくし、PMV=0を維持する。さらに空調機にてPMV=0となるように送風する。
〔実施例2〕
MRT(平均輻射温度)を、面積加重平均周壁温度(θwm)で代用する例を示す。これらの計算は演算セクションで行う。
MRT(℃)≒θwm
空調領域の内面の面積を、室内壁面及び輻射冷却パネル以外の天井面の面積S1、輻射パネルの面積S2、及び、床面の面積S3に分ける。輻射冷却パネルの表面温度(θ2)をTpとし、室内壁面及び輻射冷却パネルの温度(θ1)を室内温度Trと等しいものとし、さらに床面の温度(θ3)を室温よりも1℃低いものとする。また壁面の面積をs1、天井面の面積をs2、床面の面積をs3とする。そうすると、次式のようになる。
θwm =Σ(θi×Si)/Σsi ={Tr×S1+Tp×S2+(Tr−1)×S3}/Σsi
空調機が複数あるときには、MRTは空調機受け持ちエリア毎に算出する。例えばTr=27.5℃、Tp=22℃の場合、床面表面温度は、(Tr−1)℃として、
MRT(℃)≒θwm=Σ(27.5℃×860m2+26.5℃×925m2+22℃×415m2)/(天井925m2+壁350m2+床面925m2=2200m2)=26℃となる。
図10は、空調手段32に開閉ダンパー付きの補助換気路35を付設した例を示している。通風路6が閉鎖された状態でも外部から補助換気路35を介して外気を取りいれ、循環空気と混合することで空気の質を一定に保っている。
12…換気用ダンパー 14…送風手段 14a…送風ファン
14b…内蔵ファン16…輻射冷却手段
18…輻射冷却パネル 20…輻射冷却パネル 22…冷却エレメント
24…表面温度測定手段 26…コントローラ 28…湿度センサ
30…空調設備 32…空調手段 33…コイル 34…空気循環路
35…補助換気路 36…往路 38…復路
40…計測手段 42…居住エリア用温湿度センサー 44…外部用温度センサー
50…制御部 52…記憶セクション 54…演算セクション
56…コマンド形成セクション
100…空調領域 102…外壁 103…窓 104…天井板
Claims (4)
- 空調領域を含み、空調手段を備えた空気循環路と、
空調領域を通過しかつ入口及び出口にそれぞれ換気用ダンパーを備えた通風路と、
空気循環路ないし通風路内の空気を運搬するための送風手段とを有し、
送風手段又は自然風を用いて外の冷気を通風路から空調領域内に導く換気モードと、
通風路が閉じた状態で空気循環路内の空気を巡回させ、空調手段を作動させる空調モードとを切り替え可能な空調システムにおいて、
空調領域の内部のほぼ全体を冷却するための輻射冷却手段を設け、
上記換気モードと空調モードとの間に、通風路を開いた状態で輻射冷却手段を作動させる輻射冷却モードを設定し、
外部温度の上昇に伴い、換気モードから輻射冷却モードを経て空調モードへの順番で運転モードを移行するとともに、各モードの切り替えを制御する制御部を設け、
さらに少なくとも空調領域内の気温・湿度を測定する測定手段を設け、
制御部は、測定された空調領域内の気温及び湿分に応じて、冷温感指標であるPMV値を決定し、このPMV値が上側基準値に達したときに現在の運転モードから一つ上の順番の運転モードに移行するように構成したことを特徴とする、
換気併用型の輻射空調システム。 - さらに上記制御部は、外気温の下降に伴い、
PMV値が下側基準値に達したときに現在の運転モードから一つ下の順番の運転モードに移行させることが可能に構成したことを特徴とする、請求項1記載の換気併用型の輻射空調システム。 - 上記輻射冷却手段を、表面温度を露点より高く制御した輻射冷却パネルと冷却エレメントとで形成し、この輻射冷却パネルを、空調領域の天井面に対して、空調領域のほぼ全体をカバーするように設置したことを特徴とする請求項2記載の換気併用型の輻射空調システム。
- 上記3つの運転モードのうち、換気モードを省略して、冷房効果の高い輻射冷却モードから始動することが可能とした請求項2から請求項3のいずれかに記載の輻射空調システム。
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