JP5912440B2 - 蓄熱システム - Google Patents

Description

建築構造物の外皮が発する輻射熱エネルギーを遮熱材により効率良く回収し、それらを屋内蓄熱空間に蓄熱し、適時に居住空間へ移送するシステムと、その蓄熱空間に設置した暖房器具による温風セントラルヒーティングとの複合システムである。

従来、日射により建築構造物の外皮である屋根や屋上、外壁で発生する輻射熱は、外部へ再放出するか、建築構造物内部へ熱移動し蓄熱されていた。この蓄熱された熱エネルギーは、更に建築構造物内部または外部へ自然放出し自然消費されていた。

特に夏期間の炎天下には、屋根材や屋上材、外壁材が高温とる為、空気通気層工法を用いて高温となる事を抑制する工法を行っていた。また近年、屋根材や屋上材、外壁材の製造メーカーは、それらが高温となる事を抑制する為、より遮熱効果の高い製品を開発し、製造販売している。

建築構造物内部へ熱移動し蓄熱された熱エネルギーが、更に内部へ影響する事を抑制する為、繊維系や発泡系の断熱材を施して、伝導熱移動や対流熱移動を抑制していた。これらの建築構造物外皮や断熱材は、自らが輻射熱を発生し蓄熱していた。

次に、数ミリ厚程度の薄型遮熱材を用いて建築構造物の保冷保温効果を期待した工法は、その薄い形状により蓄熱する容量が断熱材と比べると少なかった。その為、冷暖房の設備を停止した際は、蓄熱効果の有る断熱材と違い早期の温度変化が確認されている。

これらは、断熱材の熱エネルギーを吸収するという性質と違い、その遮熱効果により日中太陽から得られる温暖な熱エネルギーは、反射され室内側に吸収されなかった。これらは、秋、冬、春の特に太陽の温暖な熱エネルギーが必要とされる季節においてもこのような現象となっていた。

次に、従来建築構造物が発する輻射熱を利用した建築工法は、透湿防水シートと共に、空気通気層工法を利用し、外気を積極的に内部に流入させていた。またこれらの工法は、保温保冷効果を得る為熱エネルギーを吸収する断熱材を利用していた。床下は、基礎断熱工法を行っており、床下と土間との間は空気を流通させ、土間表面に対流熱移動させた熱エネルギーを蓄熱している。

それらの工法の屋内熱伝達方法は、床下と貫通した通気層による対流熱移動と、床材から得られる伝導熱移動による。夏期間は、建築構造物が発する輻射熱を給湯として利用が可能となる。

次に、従来のセントラル暖房システムは、特定の居室に暖房器具を設置し、各居室に温暖な空気が移動しやすくなるように、居室間の空気流通口や開口部が有る。それらを利用し、通路や居室間の空気流通を行い各所に温暖な空気を流通させている。

特開２０１０−００７９８９。

日射により建築構造物の外皮である屋根や屋上、外壁で発生する輻射熱は、外部へ再放出され、エネルギー利用されずに浪費されていた。特に高温地域の大都市ではそれらがヒートアイランド現象を発生させる一つの原因とされていた。

またそれらが内部へ熱移動し蓄熱された熱エネルギーは、特に高温である熱エネルギーを必要としない夏期間に建築構造物を高温とし、熱帯夜の一つの原因とされていた。また熱中症等の人体に悪影響を及ぼし、それを緩和する為に冷房エネルギーを消費し、更には電力供給問題も引起していた。

また多くの家屋や建築物で冷房器具を一斉に作動させる事で、高温が屋外に排出され、更に高温となる悪循環を引起していた。これらの対策方法として空気通気層工法を用いて高温となる事を抑制する工法を行っていたが、湿気を含む空気を流入させ断熱材等の壁体内結露の原因となっていた。

またそれらの工法は、天井や壁の各々の構造に一つの層を設ける事となる為、それらの厚みが増し、部材の増加や手間の増加による工事金額の増大となっていた。更に透湿防水シートを利用した場合は、本来壁体内結露を抑制する役割が有るにも関わらず、断熱材中での結露発生や気密効果の減少となっていた。

建築構造物の外皮の輻射熱抑制の為、屋根材や屋上材、外壁材の製造メーカーの遮熱タイプが販売されているが、抑制効果は微々たる物であった。また伝導熱移動や対流熱移動を抑制していた繊維系や発泡系の断熱材は、輻射熱移動を防ぐ事が出来なかった。

またこれらの断熱材は、自らが輻射熱を発生し蓄熱する為、本来の目的である保冷保温効果を満足する事が出来なかった。その為、特に夏期間は構造物内部に熱移動したり、構造物外部へ放熱する事によるヒートアイランド現象の原因の一つとされていた。ヒートアイランド現象は、涼しさを求める冷房設備の稼動により、外気へ更に高温を排出するという悪循環を引起す事となっていた。

次に、蓄熱容量が少ない薄型遮熱材で保冷保温効果を期待した工法は、冷暖房の設備を停止した際に温度変化が早い時間で起るという欠点がある。その為、断熱材と比べ内部で冷暖房の設備が稼動していない場合には、外気温度の影響を受け易い。

またこれらは、断熱材の熱エネルギーを吸収するという性質と違い、その遮熱効果により日中太陽から得られる温暖な熱エネルギーは、反射され室内側に吸収されない。その為、特に秋、冬、春の特に太陽の温暖な熱エネルギーが必要とされる季節において太陽のエネルギーを得る事が出来なかった。

その為これらの薄型遮熱材を用いた工法では、遮熱材の外側の空間は、反射された熱エネルギーにより高温となるが、この熱エネルギーを利用する事無く自然放熱されていた。

次に、従来建築構造物が発する輻射熱を利用した建築工法は、透湿防水シートと共に、空気通気層工法を利用し、外気を積極的に内部に流入させていた事により、断熱性と機密性を低下させていた。また寒暖の境界である壁体内に、空気が流入する為結露の原因となっていた。

またまたこれらの工法では断熱材を利用していた為、吸収された湿気が乾燥時に蒸発し難く、更に結露の原因となっていた。結露は、躯体の劣化や白蟻による侵食、アレルギー等の人的被害も誘発させていた。床下は、基礎断熱工法を行っているが、特に冬などは遮熱材の熱エネルギー反射と違い、熱エネルギーが吸収されていた。

次に、従来のセントラル暖房システムの各居室に温暖な空気が移動しやすくなるように設置された居室間の空気流通口や開口部は、各居室からの音が居室以外に洩れやすく、プライバシーが確保されていなかった。

以上の課題を解決するために、第一発明は、建築構造物の外皮が発する輻射熱エネルギーを遮熱材により効率良く回収し、それらを屋内蓄熱空間に蓄熱し、適時に居住空間へ移送するシステムと、その蓄熱空間に設置した暖房器具による温風セントラルヒーティングとの複合システムである。

第二発明は、請求項１の輻射熱エネルギーの空気移送方法であるパイプファンを用いたパイプダクトによるものであるが、そのパイプファンは、居住空間、蓄熱空間、輻射熱エネルギー回収部分に配置した温度センサーによって制御される連結したシステムである。

第三発明は、請求項１の蓄熱空間が蓄熱体を設置し遮熱材を施した蓄熱空間であり、ベタ基礎もしくは、捨てコンを施した上に、スペーサー、遮熱材、スペーサー、蓄熱体を順に設置し、蓄熱体や蓄熱空間の熱エネルギーを遮熱材により遮蔽する工法である。

第四発明は、請求項３の蓄熱体内にダクトを設置し、外皮で得られた輻射熱エネルギーや蓄熱空間に設置した暖房器具による熱エネルギーを貫通する事による蓄熱効率を高めた蓄熱体である。

第五発明は、建築構造物の外皮が発する輻射熱エネルギーを必要としない夏期間等には、高温となった空気を屋外に放出するパイプファンを用いたシステムであり、それらは外皮輻射熱の温度差発電装置を用いた自然エネルギー利用も可能としたシステムである。

第一発明によれば、外部へ再放出されていた輻射熱エネルギーを遮熱材により効率よく回収し、更に蓄熱、適時に屋内に移送する事で、浪費されていたエネルギーの再利用が可能となる。

また、それらと第五発明によれば、夏期間の建築構造物内部への熱移動や建築構造物が高温となる事での熱帯夜の原因やヒートアイランド現象、また熱中症等の人的被害、更には電力供給問題を軽減する事が可能となる。また家屋や建築構造物が高温となる事を抑制する空気通気層工法による壁体内結露は、外気の高温高湿度空気を排出する為事により結露を抑制する事が出来る。

更に空気通気層工法による壁厚、部材、工程、工事金額の増加を抑制する事となる。また透湿防水シートを用いる事が不要である為、部材、工程、工事金額の増加を抑制する事と結露防止や気密を保つ事が可能となる。また遮熱タイプの透湿防水シートの本来の目的をも兼ね備える事となる。

また既存工法の断熱材を用いる工法と比べ、輻射熱エネルギーの遮蔽が可能となる。また断熱材の最大の欠点である蓄熱効果が無い為、熱を溜める事による更なる建築構造物の高温やそれらによるヒートアイランド現象を抑制する事が可能である。

また第三発明によれば、薄型遮熱材の欠点である非蓄熱性をカバーし更に大きな蓄熱効果が得られる。それらは屋内に輻射熱エネルギーを溜める事により外部温度の影響を受け難い。また薄型遮熱材の特徴である秋、冬、春にも太陽エネルギーの取得が可能となる。この事は自然放熱されていた熱エネルギーを有効利用する事となる。

第一発明によれば、断熱材を利用した既存工法の欠点である寒暖の境界線に外気が流入しない為、結露を抑止する事が可能である。これらの結露は躯体の劣化や白蟻による侵食、アレルギー等の人的被害も誘発させていたが、それらも抑止する事が可能となる。

第三発明によれば、既存工法である基礎断熱工法による地中への熱損失を軽減出来る為、建築構造物全体の熱損失を軽減する事が可能である。これは床下に有る蓄熱体の熱エネルギーを遮熱材が反射する為であり、地中からの湿気も遮蔽する事が可能である。

また質量の重い蓄熱体を床下一面に施す事と、遮熱材による輻射熱エネルギーの反射により、熱エネルギーは上層にしか移動しない為、より長い間蓄熱が可能な事と、効果的な熱エネルギー移動により大きな熱エネルギーを長い間屋内に供給する事が可能となる。

第二発明によれば、各居室の音漏れによるプライバシーが確保される。これは、屋内全体温度を均一にする為の各居室の空気流入口や開口部が開放されている既存工法との相違によるものであるが、本工法によるパイプダクトを設置する事で解消される。

この発明の一実施形態を、図１に示す。
太陽Ａからの電磁波Ｂにより、建築構造物の外皮であるＣは、輻射熱が発生し、外気温と比べ異常なほどの高温となる。この高温となった熱エネルギーは、遮熱材Ｄにより建築構造物内部に移動しようとする熱エネルギーを反射する事で、更に高温空気Ｅが高温となる。

このように遮熱材Ｄにより、更に高温となった高温空気Ｅは、ダクト入口Ｅ１に吸収され、効率良い熱エネルギー回収がなされる。これらはダクトファンＥ３の稼動により、床下である蓄熱空間Ｅ５に送られる。蓄熱空間Ｅ５には、蓄熱体Ｆであるコンクリートやタイル、ブロック、レンガ、石等の蓄熱効果が大きく、設置コストが安価な物質を用いる。

この蓄熱体Ｆを用いる事により、蓄熱空間Ｅ５全体の蓄熱効果が増大する。また暖房機具Ｇも蓄熱空間Ｅ５に設置する事により、外皮Ｃの輻射熱エネルギーの微弱な夜間や悪天候時等の際も蓄熱が可能となる。

これらは特にエネルギーコストの安価な深夜電力を利用した電気暖房設備が、省エネ対策として有効である。また電力需要の少ない深夜に稼動する事で、夏冬の電力需要の高まる時間帯を避ける事が可能な為、電力供給減による電力需要問題の対策としても応用できる。

この蓄熱空間Ｅ５の熱エネルギーは、ＨのスリットとダクトＥ１−１へ吸収され各所に熱エネルギーを移送する。Ｈのスリットは主に蓄熱空間Ｅ５と隣接された居住空間に送られる。ダクト入口Ｅ１−１は、ダクトファンＥ３−３の稼動により、ダクトＥ２−２を通過し、主に二階の居住空間であるＥ４−１へ送られる。

このダクトによる移送システムは、従来の開口部を構築した居住空間を流通させる暖房システムとは違い、各居室の音漏れによるプライバシーを守る事も想定されている。

Ｅ３やＥ３−３のパイプファンは、温度センサーと連動する事で自動制御が可能となる。温度センサーは、Ｅ１のパイプ入口付近とＥ５の蓄熱空間と居住空間Ｉに設置する。各所の温度を感知して、必要な時に必要な熱エネルギーを効率良く回収し、居住空間に快適なエネルギーを供給する。

各々のパイプファンは、それぞれシャッター方式を採用し、稼動しない時はシャッターが閉鎖され、空気の流通を阻止する。センサーの設定は、居住空間であるＩ内のＪ−１やＪ−２のコントロールパネルで行い、それぞれの地域や季節に応じた設定が可能となる。

センサーの設定は、例えば冬期間の場合、内部居住空間Ｉの温度が20℃を下回り、更に蓄熱空間Ｅ５の温度が20℃を上回っている時に、ダクトファンＥ３−３が作動するように設定する。また屋根や屋上の輻射熱エネルギーを取り込む場合は、蓄熱空間Ｅ５の温度が20℃を下回り、更にダクト入口Ｅ１付近の温度が20℃を上回っている時に、ダクトファンＥ３が作動するように設定する。

このように各所に設置した温度センサーデータをコントロールパネルＪで管理設定し、制御できるシステムとする。また必要に応じて暖房器具Ｇも稼動させる事が可能で、暖房器具Ｇの温度設定も可能とする。

これらのシステムは、屋内に温暖な熱源を取り入れる目的の際に用いる為、屋内の冷熱を保ちたい夏期間の場合は、逆にコントロールパネルＪで稼動停止も可能とする。

更に高温空気Ｅの排熱を行う事で屋内温度上昇を抑制する効果が有る為、パイプファンＥ３−４を稼動させ、夏期間特定の設定をコントロールパネルで行う事を可能とする。

この発明の全体的な形を示す図であり、太陽Ａより発せられた電磁波が屋根Ｃで輻射熱を発生し、その輻射熱を遮熱材Ｄで効率良く回収し屋内蓄熱体Ｆへ蓄熱され、更に居住空間へ移送される様子を示す。 輻射熱エネルギー回収部分を示す詳細図であり、屋根Ｃの輻射熱が建築構造物内部へ移動しようとする事を遮熱材Ｄにより遮蔽し、熱エネルギーとして効率良く回収され、蓄熱空間への移送の為移送ダクト入口Ｅ１に移動する様子を示す。 外皮で得られた輻射熱エネルギーと暖房器具Ｇの熱エネルギーを蓄熱体や蓄熱空間に蓄熱し、その熱エネルギーをコントロールパネルＪで制御され、その指令に基づき各居住空間へ移送する様子を示す。また蓄熱空間の構成を示す。 この発明の更に効果的な蓄熱効果が得られる形態であり、蓄熱体Ｆにダクトを埋設し、外皮で得られた輻射熱エネルギーと暖房器具Ｇの熱エネルギーを直接貫通する事による蓄熱効率を高めた蓄熱体を示す。 屋内の冷熱を保ちたい夏期間の場合の様子であり、高温空気Ｅの排熱をパイプファンＥ3-4で行う事で、外皮で得られた輻射熱エネルギーを屋外に排出する様子を示す。

Ａ：太陽。
Ｂ：太陽から発せられる電磁波。
Ｃ：建築構造物の上部である屋根や屋上。
Ｄ：遮熱材。
Ｅ：屋根や屋上の輻射熱による高温空気。
Ｅ１：輻射熱を回収するダクト入口。
Ｅ２：輻射熱を移送するダクト。
Ｅ３：輻射熱を移送するダクトファン。
Ｅ４：輻射熱を排出するダクト出口。
Ｅ５：輻射熱や暖房熱を蓄熱する空間。
Ｅ１−１：蓄熱された熱エネルギーを回収するダクト入口。
Ｅ２−２：蓄熱された熱エネルギーを移送するダクト。
Ｅ３−３：蓄熱された熱エネルギーを移送するダクトファン。
Ｅ３−４：輻射熱を屋外へ排出するダクトファン。
Ｅ４−１：蓄熱された熱エネルギーを排出するダクト出口。
Ｅ４−２：蓄熱された熱エネルギーを排出するダクト入口。
Ｆ：輻射熱や暖房熱を蓄熱する蓄熱体。
Ｇ：暖房機具。
Ｈ：蓄熱する空間から直接熱エネルギーを排出する室内スリット。
Ｉ：構造体の内部居住空間。
Ｊ：各所の温度を管理や制御するコントロールパネル。
Ｊ−１：一階に有るコントロールパネル。
Ｊ−２：二階に有るコントロールパネル。
Ｋ：遮熱材Ｄの上下に施すスペーサー。

Claims (6)

1. 遮熱材によって内部空間が囲まれた建築構造物における蓄熱システムであって、前記建築構造物の外皮の内側かつ前記遮熱材の外側の空間である遮熱材外側空間と、前記建築構造物の前記遮熱材に囲まれた前記内部空間に配置された蓄熱空間と、前記遮熱材外側空間から前記蓄熱空間へと空気を移送する空気移送手段とを備え、
   太陽からの電磁波により前記建築構造物の外皮において発生する輻射熱によって前記遮熱材外側空間内で温められた空気を、前記空気移送手段により前記蓄熱空間へと移送することを特徴とする蓄熱システム。
2. 前記蓄熱空間から前記内部空間における各居住空間へと空気を供給する空気供給手段を更に備えていることを特徴とする、請求項１に記載の蓄熱システム。
3. 前記空気移送手段を温度センサーによって制御することを特徴とする、請求項１又は２に記載の蓄熱システム。
4. 前記蓄熱空間が前記建築構造物の床下に配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱システム。
5. 前記蓄熱空間が蓄熱体を備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄熱システム。
6. 前記空気移送手段がダクトであって、前記遮熱材外側空間において暖められた空気が、前記ダクトを介して前記蓄熱空間へと移送されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の蓄熱システム。