JP6353219B2 - 蓄熱構造体及びそれを用いた住宅 - Google Patents

Description

本発明は、蓄熱構造体及びそれを用いた住宅に関し、詳しくは、効率的な蓄熱が可能な技術に関する。

従来から、空気の熱を蓄え、必要に応じてそれを放出する蓄熱構造体が種々提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

一般に、蓄熱構造体は、断熱材で覆われた蓄熱材を具えており、この蓄熱材に、熱媒としての空気が供給される。蓄熱材は、空気と熱交換することにより、自らに熱を蓄える。

蓄熱材が、例えば、レンガやコンクリートブロック等の顕熱型の蓄熱固体である場合、熱交換面を通して、空気の熱が蓄熱固体に伝達される。伝達された熱は、蓄熱固体の熱交換面の温度を上昇させる。蓄熱固体の熱交換面の熱は、時々刻々と内部へと伝えられ、時間の経過ととともに、蓄熱固体の温度が均一化する方向へと向かう。

特開２０１２−２１５３４６号公報

しかしながら、蓄熱固体の温度が均一化するまでの間、蓄熱固体は、熱交換面の温度が局所的に高くなる。このため、蓄熱固体の熱交換面と熱媒との温度差が小さくなり、熱交換面での熱交換効率が低下するという問題があった。

本発明は、以上のような問題点に鑑み、案出なされたもので、効率的な熱交換が可能な蓄熱構造体及びそれを用いた住宅を提供することを主たる目的としている。

第１発明は、熱を蓄える蓄熱構造体であって、内部に断熱された空間を区画するケースと、前記空間内に配された蓄熱部と、前記ケースの内部に形成されかつ熱媒である空気を前記蓄熱部と熱交換させるための空気流路とを含み、前記蓄熱部は、蓄熱流体と、前記蓄熱流体を収容するタンクとを含み、前記タンクは、その上面側が前記ケースの前記断熱材で覆われ、かつ、前記空気が進入できないように構成されており、前記空気流路は、前記タンクの下面側を通る第１流路を含んでいることを特徴とする。

本発明にかかる前記蓄熱構造体において、前記空気流路は、さらに、前記タンクの側面側を通る第２流路を含むことができる。

本発明にかかる前記蓄熱構造体において、前記蓄熱部は、複数個の前記タンクを含むことができる。

第２発明は、前記蓄熱構造体が床下空間に配置されていることを特徴とする住宅である。

第３発明は、前記蓄熱構造体が、住宅の敷地内の土中に埋設されていることを特徴とする住宅である。

請求項１にかかる発明によれば、内部に断熱された空間を区画するケースと、ケースの空間内に配された蓄熱部と、蓄熱部と熱交換可能な空気が通る空気流路とが設けられた蓄熱構造体が提供される。蓄熱部は、蓄熱流体と、この蓄熱流体を収容するタンクとを含んでいる。タンクの上面側は、熱媒である空気と断熱されている。一方、空気流路は、タンクの下面側を通る第１流路を含んでいる。

このような蓄熱構造体は、タンク内の蓄熱流体の下面側に熱交換面を有する。従って、熱交換により温められた熱交換面付近の蓄熱流体は、対流によってタンク上部側に移動する一方、タンク上部側の相対的に温度の低い蓄熱流体が熱交換面付近へと移動する。このような対流を利用することにより、本発明の蓄熱構造体は、熱交換面での蓄熱流体の局所的な温度上昇が防止される。従って、蓄熱流体の熱交換面と空気との温度差が大きく確保され、高い熱交換効率を得ながら蓄熱流体の温度の均一化が図られる。

本発明の一実施形態の蓄熱構造体の全体斜視図である。 図１の平面図である。 図２のＸ−Ｘ断面図です。 図３の要部拡大図である。 蓄熱部の部分拡大斜視図である。 空気流路を説明するための蓄熱構造体の概略平面図である。 本実施形態の住宅の断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、実施例及び比較例の蓄熱構造体の温度分布図である。

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１には、本発明の一実施形態にかかる蓄熱構造体１の全体斜視図が示されている。本実施形態の蓄熱構造体１は、空気から熱を奪って蓄えることができる。蓄熱構造体１に蓄えられた熱は、必要なときに取り出され、例えば、住宅やビル等の暖房に利用される。

本実施形態の蓄熱構造体１は、内部に空間２を区画するケース３と、ケース３の空間２内に配された蓄熱部４と、ケース３の内部に形成されかつ熱媒である空気を蓄熱部４と熱交換させるための空気流路５とを含んでいる。

本実施形態のケース３は、例えば、直方体状であり、底壁部３ａ、上壁部３ｂ、及び、これらの間を囲む４つの側壁部３ｃを含んでいる。各壁部３ａ乃至３ｃは、例えば、発泡樹脂等の断熱材で形成されている。これにより、ケース３の内部には、外部から断熱された略直方体状の空間２が提供される。ケース３の形状や材料等は、本実施形態に限定されるわけではない。

ケース３には、温められた空気が供給される給気口Ａと、空間２を通って蓄熱部４と熱交換した空気が排出される排気口Ｂとが接続されている。これらの給気口Ａ及び排気口Ｂは、空間２と連通している。

図２は、図１の蓄熱構造体１の平面図、図３は、図２のＸ−Ｘ断面図、図４は、図３の要部拡大図である。蓄熱部４は、例えば、少なくとも一つの蓄熱ユニット６を含んでいる。

図３又は図４に示されるように、蓄熱ユニット６は、蓄熱流体７と、蓄熱流体７を収容するタンク８とを含んで構成されている。本実施形態の蓄熱部４は、複数の蓄熱ユニット６で構成されているが、一つで構成されても良い。

蓄熱流体７は、温度変化による顕熱を利用しうるもので、かつ、対流を生じる程度の粘度を有するものであれば、種々の流体が採用できる。本実施形態では、蓄熱流体７として、水が用いられている。

図２に示されるように、各タンク８は、入口を有する容器状のタンク本体８ａと、入口を閉じるキャップ８ｂとを具えている。従って、タンク８内の蓄熱流体は、外気との接触が遮断され、熱媒である空気とは、タンク本体８ａを介して熱交換する。タンク本体８ａは、例えば、上下方向に長い縦長の略直方体状で構成されている。タンク本体８ａは、その外側の空気と、内部の蓄熱流体７との熱交換が可能な材料で構成されている。このような材料としては、例えば、金属材料又は樹脂材料が望ましい。金属材料としては、例えば、アルミニウムやステンレスなど、樹脂材料としては、ポリエチレン等が、それぞれ好適に用いられる。いずれも、これらの具体的な材料に限定されるわけではない。

図２の平面図から明らかなように、本実施形態の蓄熱部４は、複数の蓄熱ユニット６…が互いに接触して並べられた蓄熱ユニット列１０を含んでいる。各蓄熱ユニット列１０は、例えば、７個の蓄熱ユニット６で構成されたものが示されており、この蓄熱ユニット列１０が９列（図２では６列しか見えない）設けられている。各蓄熱ユニット列１０の両端と、側壁部３ｃとの間には、例えば、突っ張り治具１１が配されている。突っ張り治具１１は、蓄熱ユニット列１０の各タンク８を互いに密に接触させる力を与える。このような構成によれば、例えば、タンク８の熱膨張等による蓄熱ユニット６の位置ずれ等が防止される。

図４は、図３の要部を拡大して示している。図４に示されるように、蓄熱部４のタンク８は、その上面側が空気と断熱されている。本実施形態では、断熱性能を有するケース３の上壁部３ｂがタンク８の上面を覆うことで、タンク８の上面が断熱されている。好適には、上壁部３ｂと、タンク８の上面との間に、これらの隙間を埋める別の断熱材が配されても良い。

ケース３内には、空気流路５が設けられている。本発明では、空気流路５は、タンク８の下面側を通る第１流路５Ａを含んでいる。第１流路５Ａは、給気口Ａからタンク８の下面を通って排気口Ｂへと繋がる空気の流れを提供する。

このような蓄熱構造体１は、図４に示されるように、タンク８の下面に熱交換面を有する。従って、第１流路５Ａの空気で温められた熱交換面付近の蓄熱流体７は、対流によってタンク８の上部側に上昇する。一方、タンク８の上部側の相対的に温度の低い蓄熱流体７は、熱交換面付近へと移動する。本発明の蓄熱構造体１は、このような蓄熱流体７の対流を利用することにより、熱交換面での蓄熱流体７の局所的な温度上昇が防止される。従って、蓄熱流体７の熱交換面と空気との温度差が大きく確保され、高い熱交換効率を得ることができる。

本実施形態では、タンク８の下面と、ケース３（底壁部３ａ）との間に第１スペーサ１３が配置されている。第１スペーサ１３は、タンク８の下面の少なくとも一部を、ケース３の底壁部３ａから浮かせることができる。これにより、タンク８の下面と、ケース３（底壁部３ａ）との間に、空気が流れる第１流路５Ａが形成される。

第１流路５Ａは、タンク８の下面に空気を通すことができるものであれば、第１スペーサ１３を用いることなく種々の方法で形成されても良い。例えば、第１流路５Ａは、底壁部３ａの表面に空気が通過可能な溝として形成されても良い。また、第１スペーサ１３に代えて、タンク８に、その下面を浮かすことができる脚部などが一体に設けられていても良い。

さらに好ましい態様では、空気流路５は、タンク８の側面側を通る第２流路５Ｂを含むことができる。第２流路５Ｂは、給気口Ａからタンク８の側面を通って排気口Ｂへと繋がる空気の流れを提供する。第２流路５Ｂは、上述の蓄熱流体６の対流を損ねることなく、熱交換面積をさらに増加させ、ひいては蓄熱構造体１での蓄熱量を増加させることができる。

図５には、蓄熱部４の要部斜視図が示されている。図４及び図５に示されるように、本実施形態の蓄熱構造体１は、蓄熱ユニット列１０、１０（蓄熱ユニット６、６）間に、第２スペーサ１４が配されている。第２スペーサ１４は、隣接する蓄熱ユニット６、６の側面間に、上下方向にのびる隙間を提供する。この隙間は、第２流路５Ｂの一部を構成する。

第２スペーサ１４は、例えば、下方に位置する下側第２スペーサ１４Ａと、上方に位置する上側第２スペーサ１４Ｂとを含むことができる。

下側第２スペーサ１４Ａは、底壁部３ａよりも上方であるが、タンク８、８間の相対的に低い位置に配置されている。下側第２スペーサ１４Ａには、例えば、ピース材であっても良いし、蓄熱ユニット列１０の全長さに亘ってのびる長尺なもののいずれでも良い。

上側第２スペーサ１４Ｂは、下側第２スペーサ１４Ａよりも上方で、タンク８、８間の相対的に高い位置に配置されている。上側第２スペーサ１４Ｂには、好ましくは、蓄熱ユニット列１０の全長さに亘ってのびる長尺なものが採用される。このような長尺の上側第２スペーサ１４Ｂは、隣り合うタンク８，８間の隙間（第２流路５Ｂ）の上限位置を定めることができる。即ち、第２流路５Ｂを流れる空気が、タンク８の上面側へと進入するのを防止することができる。

さらに好ましい態様では、図５に示されるように、上側第２スペーサ１４Ｂを上から覆うように、断熱性能を有するテープ等の被覆材１６が配されるのが望ましい。この被覆材１６は、上側第２スペーサ１４Ｂを介して隣り合うタンク８、８間に跨って配されている。このような被覆材１６は、第２流路５Ｂを流れる空気が、タンク８の上面側へと回り込むのをさらに確実に防止することができる。

図６には、本実施形態の蓄熱構造体１において、ケース３の内部の空間２の空気の流れの一例が示されている。ケース３の一つの側壁部３ｃには、一端側に給気口Ａが、他端側に排気口Ｂがそれぞれ設けられている。

空間２の給気口Ａ側の端部には、給気口Ａから供給された空気の流れ方向に沿ってのびる供給主流路１８が設けられている。空間２の排気口Ｂ側の端部には、排気口Ｂに向かってのびる排気主流路２０が設けられている。供給主流路１８と排気主流路２０との間を繋ぐように、タンク８の下面側を通る第１流路５Ａが設けられている。同様に、供給主流路１８と排気主流路２０との間を繋ぐように、蓄熱ユニット列１０、１０間において、タンク８、８の側面を通る第２流路５Ｂが設けられている。

上記実施形態の空気流路のレイアウトは、給気口Ａから供給された熱媒である空気を、蓄熱部４の各タンク８と広範囲にかつ満遍なく接触させるのに役立つ。空気の流れの偏りを防止するために、蓄熱ユニット列１０の長手方向に沿った仕切り材４０等を設けることも望ましい。

図７には、本発明の蓄熱構造体１が住宅に利用された実施形態が示されている。この実施形態の住宅３０は、基礎３１と１階の床３２とで囲まれた床下空間３３を具えている。基礎３１は、例えば、断熱されている。蓄熱構造体１は、住宅３０の床下空間３３に配置されている。このような蓄熱構造体１は、居住スペースを占有しないため、スペースの有効利用が図られる。

蓄熱構造体１の給気口Ａには、住宅３０の集熱装置で暖められた空気が供給される。この実施形態の集熱装置は、例えば、外壁に設けられた二重サッシ窓３５である。二重サッシ窓３５は、隙間を隔てて配された室内側サッシ３５ａと、屋外側サッシ３５ｂとを具えている。二重サッシ窓３５は、室内側サッシ３５ａと屋外側サッシ３５ｂとの隙間の空気が日射によって暖められる。従って、二重サッシ窓３５は、集熱装置として機能し、蓄熱構造体１へ供給するための好適な熱媒を提供する。

本実施形態では、二重サッシ窓３５の前記隙間と、蓄熱構造体１の給気口Ａとが、給気ダクト３６で接続されている。好ましい態様では、ファン３７が設けられ、強制的に、二重サッシ窓３５の隙間の空気が蓄熱構造体１へと給気される。供給された空気の熱は、蓄熱部４に蓄えられる。

蓄熱構造体１の排気口Ｂには、例えば、排気ダクト３８が接続されている。排気ダクト３８は、蓄熱構造体１で熱交換を終えた空気を、例えば、床下空間３３又は居室３９に選択的に供給することができる。

蓄熱構造体１の給気口Ａには、種々の空気が供給可能である。例えば、集熱装置は、屋根上に置かれたものでも良い。この集熱装置は、太陽熱によって、暖められた空気を生成することができる。

集熱装置に代えて、エアコンの排熱などが、蓄熱構造体１の給気口Ａに供給されても良い。さらには、床下空間３３は、冬季でも外気に比べて比較的暖かい温度の空気で満たされているので、この床下空気が蓄熱構造体１の給気口Ａに供給されても良い。

上記実施形態では、蓄熱構造体１は、床下空間３３に設けられているが、例えば、地中に埋設されても良い。好ましくは、住宅の敷地内の土中に埋設され得る。

以上、本発明の実施形態が詳細に説明されたが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施され得る。

本発明の効果を確認するために、蓄熱構造体の蓄熱性能を評価するためのコンピュータシミュレーションが行われた。シミュレーションで設定された蓄熱構造体のスペックは次の通りである。

＜実施例＞
蓄熱構造体のケースの空間は、３０２０mm×２７５０mm×２３３mmの略直方体とされた。蓄熱部として、水と合計１５４個のタンクが使用された。各タンクは、容量１０．５リットルのポリエチレン製に相当する条件が与えられた。各タンクの下面とケースとの間に１０mm高さの第１流路が形成された。また、タンク上面は、断熱されており、タンク側面間には、幅２０mmの第２流路が形成された。

＜比較例＞
比較例は、実施例のような第１流路を具えていない。即ち、蓄熱部の各タンクの下面は、ケースの底壁部に直接置かれている。その代わり、タンクの上面側に、高さが１０mmの空気流路が形成された。

上記実施例、比較例の蓄熱構造体をそれぞれ使用し、３５℃で２時間、３０℃で３．５時間、及び、２５℃で２．８時間、熱媒を供給する温度シミュレーションが行われた。共通変数等は、下記の通りである。
水の密度：１０００kg/m³
水の比熱：４２００J/(kg・K)
水の合計容積：１．６１５m³
水の初期温度：１８℃

テストの結果、実施例の蓄熱流体である水の平均温度は、２０．２５５℃であったのに対し、比較例では１９．６６１℃であった。実施例の蓄熱構造体の蓄熱量は約１５２９５Ｊ、比較例は約１１２６５Ｊであった。実施例は、比較例に比べて、蓄熱量が約３６％向上していることが確認できた。

図８（Ａ）には、シミュレーションによって得られた実施例の蓄熱構造体１の平面視の温度分布図が、図８（Ｂ）には同比較例の温度分布図が、それぞれ示されている。各温度分布図は、より濃い色は、より高い温度を示している。図８の結果からも明らかなように、実施例の蓄熱構造体は、比較例に比べて、色の濃い面積が多く、しかも、その部分が蓄熱部全体に満遍なく広がっていることが確認できた。

１ 蓄熱構造体
２ 空間
３ ケース
４ 蓄熱部
５ 空気流路
５Ａ 第１流路
５Ｂ 第２流路
６ 蓄熱ユニット
７ 蓄熱流体
８ タンク

Claims (5)

1. 熱を蓄える蓄熱構造体であって、
   内部に断熱された空間を区画するケースと、前記空間内に配された蓄熱部と、前記ケースの内部に形成されかつ熱媒である空気を前記蓄熱部と熱交換させるための空気流路とを含み、
   前記蓄熱部は、蓄熱流体と、前記蓄熱流体を収容するタンクとを含み、
   前記タンクは、その上面側が前記ケースの前記断熱材で覆われ、かつ、前記空気が進入できないように構成されており、
   前記空気流路は、前記タンクの下面側を通る第１流路を含んでいることを特徴とする蓄熱構造体。
   
2. 前記空気流路は、さらに、前記タンクの側面側を通る第２流路を含んでいる請求項１記載の蓄熱構造体。
3. 前記蓄熱部は、複数個の前記タンクを含む請求項１又は２記載の蓄熱構造体。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載された蓄熱構造体が床下空間に配置されていることを特徴とする住宅。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載された蓄熱構造体が、住宅の敷地内の土中に埋設されていることを特徴とする住宅。