JP6945700B2 - 放射冷暖房システム - Google Patents

Description

本発明は、放射によって居室空間の冷暖房を行う放射冷暖房システムに関するものである。

空調空気を居室空間に噴き出して対流させる汎用の空調機は、居室空間の空気の温度を測定してＯＮ／ＯＦＦ制御しているものが一般的である。具体的には、空調機の吸い込み口に設けられた温度センサで空調機への吸い込み空気の温度を測定するか、あるいは壁付リモコンに内蔵されたセンサで室内壁周辺の空気の温度を測定することによって、空調機をＯＮ／ＯＦＦ制御している。

また近年、対流式の空調機による不快な気流感や、居室空間の上下温度分布が発生しにくい放射冷暖房システム（例えば、下記の特許文献１参照）が注目されているが、このような放射冷暖房システムに使用されている空調機も、制御方法は同様であり、すなわち居室空間の空気の温度に基づいて制御されるようになっている。

特開平５−１４９５８６号公報

しかしながら、放射冷暖房システムは、人体の周囲の空気の温度だけでなく、周囲の物体との赤外線授受による体感温度を利用したものであり、すなわち例えば放射冷房の場合、天井等に設置した放射パネルを空調機で冷却することによって、この放射パネルの表面からの熱（赤外線）の放射強度が、ヒトの体表面からの赤外線放射強度に比較して著しく低くなるので、ヒトの体表面からの赤外線が放射パネルの表面で反射せずに吸収されることによって冷涼感を得ることができるものである。したがって、空気の温度の測定値のみに基づいて空調機の出力を制御しても、実際にヒトの体感温度を適切に保つことは困難である。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、放射冷暖房による快適な体感温度を得ることにある。

放射冷暖房システムの一態様は、冷却または加温された空調空気が空調機から供給される放射パネルからの放射により居室空間の冷暖房を行う放射冷暖房システムにおいて、前記居室空間で人が仰臥する位置に放射方向を向けて配置された前記放射パネルによって前記居室空間と区画され、前記空調機から噴き出される空調空気を水平方向に通過させて側周端に位置する開放端部から吹き抜けさせるチャンバーと、前記居室空間に設置され、かつ、温度計測値を計測するプローブと、前記プローブの一側からの熱を遮断する断熱層と、前記プローブの他側の空間を覆う半球状に形成され、赤外線を吸収可能にする表面処理が外表面に施されたケースと、を備える体感温度センサと、を備え、前記放射パネルが有する前記居室空間との区画をなす面は、通気性を有する布によって形成されており、前記体感温度センサは、前記居室空間で人が仰臥する位置の近傍に配置され、前記半球状のケースは前記放射パネルの側を向き、かつ、前記断熱層は前記放射パネルに対して前記半球状のケースの反対側に構成され、前記プローブは、前記半球状のケースによって画成された内部空間の温度を前記温度計測値として計測し、前記空調機は前記温度計測値に基づいて制御される。

放射冷暖房システムの他の態様は、空調機からの空調空気により冷却または加温された放射パネルからの放射により居室空間の冷暖房を行う放射冷暖房システムにおいて、前記居室空間における寝具の設置位置に放射方向を向けて配置された前記放射パネルによって前記居室空間と区画され、前記空調機から噴き出される空調空気を水平方向に通過させて側周端に位置する開放端部から吹き抜けさせるチャンバーと、前記居室空間に設置され、かつ、温度計測値を計測するプローブと、前記プローブの一側からの熱を遮断する断熱層と、前記プローブの他側の空間を覆う半球状に形成され、赤外線を吸収可能にする表面処理が外表面に施されたケースと、を備える体感温度センサと、を備え、前記放射パネルが有する前記居室空間との区画をなす面は、通気性を有する布によって形成されており、前記体感温度センサは、前記居室空間における寝具の設置位置の高さと前記放射パネルの設置位置の高さとの間の高さに配置され、前記半球状のケースは前記放射パネルの側を向き、かつ、前記断熱層は前記放射パネルに対して前記半球状のケースの反対側を向くように構成され、前記プローブは、前記半球状のケースによって画成された内部空間の温度を前記温度計測値として計測し、前記空調機は前記温度計測値に基づいて制御される。

放射冷暖房による快適な体感温度を得ることができる。

放射冷暖房システムの第一の実施の形態を概略的に示す縦断面図である。 放射冷暖房システムの第二の実施の形態を概略的に示す縦断面図である。 放射冷暖房システムの第三の実施の形態を概略的に示す縦断面図である。 放射冷暖房システムの第四の実施の形態を概略的に示す縦断面図である。

以下、放射冷暖房システムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

まず図１は、第一の実施の形態を示すもので、参照符号１００は建物であり、１０１は天井材、１０２は壁面、１０３は床面で、天井材１０１によって、居室空間Ｓ１と、その上側の天井裏空間Ｓ２が区画されている。なお、居室空間Ｓ１は、例えばリビングルームである。

放射冷暖房システムの第一の実施の形態は、居室空間Ｓ１の上部に配置された空調機（室内機）１と、この空調機１の噴き出し口１ｂから天井材１０１の下側に沿って延びて居室空間Ｓ１へ開放されたチャンバー２とを備え、例えば天井材１０１に取り付けられている。

このうち、空調機１は、建物１００の外部に設置された室外機１１との間で流体を液相−気相の可逆変化を伴いながら配管１２を介して循環させることにより熱の搬送を行い、これによって、吸気口１ａから取り込んだ空気を流体が液相から気相へ変化する際の潜熱吸収作用により冷却し、あるいは流体が気相から液相へ変化する際の潜熱放出作用により加温して、噴き出し口１ｂから噴き出すものである。そしてこの空調機１は、吸気口１ａが居室空間Ｓ１に開口されると共に、噴き出し口１ｂがチャンバー２の内部空間の一端に開口されており、すなわち空調機１の噴き出し口１ｂから噴き出される空調空気（冷却空気又は加温空気）は、チャンバー２の内部空間を介して居室空間Ｓ１へ供給されるようになっている。

チャンバー２は、平面形状が略長方形で水平方向に扁平な箱型をなすものであって、天井材１０１の下面と対向する上側壁面が、例えば熱抵抗値で0.2m^２/WK以上となる厚みを有する発泡樹脂保温材等からなる断熱パネル２１で形成され、下側壁面が、例えば熱抵抗値が0.1m^２/WK以下で、透湿抵抗値が3000m^２sPa/ng以下、すなわち熱伝導性が良く透湿性の良い薄肉の硬質繊維板又は通気性を有する織物等からなる放射パネル２２で形成され、取付時に断熱パネル２１と放射パネル２２及びその他の板材や金具等で組み立てるものや、予め箱型に組み立てられたものや、あるいは空調機１と一体化されたものなど、種々の仕様とすることが可能である。

また、チャンバー２の内部空間の上下方向の幅（断熱パネル２１と放射パネル２２との間隔）は10〜100mm程度であり、チャンバー２の平面サイズ（放射パネル２２の放射面積）は、天井材１０１の面積よりも適宜小さいものとなっている。

参照符号３は、全方位型の体感温度センサであって、少なくとも外表面が赤外線を吸収可能にする表面処理を施された中空のケース３１を有する。具体的には、赤外線放射率（長波長放射率）の高い物質（放射率≒０．８以上）、いわゆる完全黒体に近い材料で塗装（以下、黒体塗装という）され熱容量の小さい例えば薄肉の銅板からなる球状の中空のケース３１と、このケース３１の内部空間３ａにケース３１の曲率中心となる位置に配置されて空気の温度を一定の周期（例えば１〜３min）で検出するサーミスタ等からなるプローブ３２と、を備え、すなわちグローブ温度センサとしての構造を有するものであって、不図示の送信手段によって、プローブ３２からの検出データを空調機１へ送信可能となっている。

この実施の形態では、体感温度センサ３は、居室空間Ｓ１内でヒトが非横臥状態で長時間滞在するエリアと対応する高さに設けられ、すなわち床面１０３上に設置した支柱３３を介して、居室空間Ｓ１における高さ方向中間位置、好ましくは、床面１０３から40ｃｍ以上200ｃｍ以下の高さに配置され、移動自在となっている。

また、空調機１は、コントローラ１３を備えている。このコントローラ１３は例えば空調機１に内蔵されており、体感温度センサ３のプローブ３２による温度計測データを取り込んで、予め設定された温度設定値との差を解消させるように、空調機１のＯＮ／ＯＦＦ又は出力の増減を制御するものである。

以上の構成において、ユーザーが例えばリモコン装置４の操作によって空調機１を冷房運転又は暖房運転させると、まず空調機１で冷却又は加温された空気が噴き出し口１ｂからチャンバー２内へ送られる。そしてこの冷却又は加温空気がチャンバー２内を通過する過程で、熱抵抗の小さい放射パネル２２の裏面（上面）を擦過することによって放射パネル２２が冷却又は加温され、下面（放射面）からその温度に応じた強度で赤外線を放射することによって、居室空間Ｓ１への放射冷房又は放射暖房が行われる。

また、チャンバー２内を通過した冷却又は加温空気は、チャンバー２の開放端部から居室空間Ｓ１へ流出することによって、居室空間Ｓ１の空気が直接冷却又は加温されると共に、この空気に接する天井材１０１、壁面１０２、床面１０３、ベッドや、その他の物体も加温され、その表面温度に応じた強度で赤外線を放射する。

ここで、体感温度センサ３において、ケース３１が黒体塗装されている場合、このケース３１は、反射率が０に近いものであり、すなわち理論上、あらゆる波長の電磁波を吸収する。しかもこのケース３１は薄肉で熱容量が小さいことから、周囲からの熱（赤外線）の放射と、周囲の空気からの熱伝導によって、ケース３１の内部空間３ａの温度が応答よく変化する。そして、ヒトの体感温度は、居室空間Ｓ１内の気流速度、空気温度及び放射温度から導出される温度に近いものであることから、プローブ３２で計測されるケース３１の内部空間３ａの温度は、気流が無視できる程度に静穏である場合のヒトの体感温度に近似するものである。すなわち、体感温度センサ３は、温度センサによって空気の温度のみを計測する場合に比較して、ヒトが体感温度として感じる温度環境をより正確に計測することができる。

また、この体感温度センサ３は、ケース３１が球体であるため全方位からの放射を吸収することができ、すなわち放射パネル２２からの放射ばかりでなく、天井材１０１、壁面１０２、床面１０３など、周囲のあらゆる物体の表面からの放射による体感温度の影響を反映して全方位で計測することができ、しかも、居室空間Ｓ１における高さ方向中間位置に設置されているので、居室空間Ｓ１におけるヒトの、例えば就寝時以外（非横臥状態）の生活行動領域での体感温度に近い温度を計測することができる。

したがって、コントローラ１３が、この体感温度センサ３によって一定の周期で検出される温度データを取り込んで、予め設定された温度設定値との差を解消させるように空調機１のＯＮ／ＯＦＦ又は出力の増減を制御することによって、居室空間Ｓ１内で生活行動する非横臥時のヒトの体感温度を最適なものとすることができる。

次に図２は、放射冷暖房システムの第二の実施の形態を示すものである。この第二の実施の形態において、上述した第一の実施の形態と異なるところは、体感温度センサ３が、プローブ３２の一側からの放射熱や熱伝導を遮断する断熱層３４を備え、ケース３１が半球状であってプローブ３２の他側の空間を覆う半球ドーム状に形成され、空調機１の電源や冷暖房運転切換、タイマー設定、温度設定などを行うためのリモコン装置４に取り付けられるか、あるいはこのリモコン装置４の設置位置に取り付け可能となっている点にある。その他の構成は、第一の実施の形態と同様である。なお、参照符号１０４は床面１０３上に設置されたベッドであり、すなわちこの実施の形態において、居室空間Ｓ１は寝室、あるいは病院の病室などに相当するものである。

上記構成において、体感温度センサ３は、断熱層３４が設けられた側からの放射熱や熱伝導が遮断されるため、プローブ３２は、実質的に断熱層３４と反対側で半球状のケース３１へ入射される赤外線による放射温度及び室内空気からの伝熱によるケース３１の内部空間３ａの温度を検出するものとなっている。したがって、ベッド１０４上で仰臥位にあるヒトの近傍で温度環境を計測することができ、しかもケース３１の向きによって、ヒトの体感温度に近似した温度を検出する方位を任意に設定することができる。

ここで、ベッド１０４上で仰臥位にあるヒトの体感温度は、放射パネル２２から床面１０３へ向けて赤外線放射されることによる熱とヒトの周囲の空気温度を考慮すればよい。これは、ベッド１０４上に仰臥しているヒトは、ベッド１０４や布団などによって、下からの放射熱をほとんど感じないからである。したがって、先に説明した第一の実施の形態のような全方位型の体感温度センサ３を用いた場合は、球状のケース３１の内部空間３ａのうち、上半球内と下半球内の空気温度が極端に異なることがあり、その場合は平均化された空気温度がプローブ３２で検出されるため、平均化された空気温度は仰臥位でのヒトの体感温度と異なった値となってしまい、正確な体感温度を把握できないことになる。

これに対し、第二の実施の形態によれば、図示の例のように、例えばチャンバー２の放射パネル２２の真下に位置するベッド１０４へのリモコン装置４の固定方向によって、ケース３１が上向きとなるように体感温度センサ３の向きを設定することで、体感温度センサ３により検出される温度は、ベッド１０４の上で横臥しているヒトが、放射パネル２２からの放射と周囲の気温とにより感じる体感温度の近似値となり、したがって、横臥（就寝）時のヒトの体感温度が最適なものとなるように空調機１の駆動を制御することができる。

次に図３は、放射冷暖房システムの第三の実施の形態を示すものである。この第三の実施の形態において、先に説明した第一の実施の形態と異なるところは、体感温度センサ３が、プローブ３２の一側からの放射熱や熱伝導を遮断する断熱層３４を備え、ケース３１が半球状であってプローブ３２の他側の空間を覆う半球ドーム状に形成され、ベッド１０４の設置位置に取り付けられている点にある。その他の構成は、第一の実施の形態と同様である。

上記構成において、体感温度センサ３は、第二の実施の形態と同様、断熱層３４が設けられた側からの放射熱や熱伝導が遮断されるため、プローブ３２は、実質的に断熱層３４と反対側で半球状のケース３１へ入射される赤外線による放射温度及び室内空気からの伝熱によるケース３１の内部空間３ａの温度を検出するものとなっている。したがって、図示の例のように、例えばチャンバー２の放射パネル２２の真下に位置するベッド１０４に、ケース３１が上向きとなるように体感温度センサ３を取り付けた場合は、体感温度センサ３により検出される温度は、ベッド１０４の上で横臥しているヒトが、放射パネル２２からの放射と周囲の気温とにより感じる体感温度の近似値となり、したがって、横臥（就寝）時のヒトの体感温度が最適なものとなるように空調機１の駆動を制御することができる。

なお、上述した各実施の形態は、いずれも空調機１と、この空調機１の噴き出し口１ｂに接続され下側が放射パネル２２からなるチャンバー２を備えるものとしたが、第四の実施の形態として図４に示すように、空調機１（室内機）を天井裏空間Ｓ２に設置し、天井材１０１を放射パネルとして利用する放射冷暖房システムにも実施することができる。

すなわち図４に示す第四の実施の形態では、天井裏空間Ｓ２から吸入した空気を空調機１で冷却又は加温して天井裏空間Ｓ２へ噴き出し、これによって、透湿性及び吸湿性に優れた石膏ボードなどの多孔質材料からなる放射パネルとしての天井材１０１を冷却又は加温し、天井材１０１の下面からの放射により居室空間Ｓ１の冷暖房を行うようにしている。また、天井材１０１の冷却又は加温を効率よく行う目的で、天井裏空間Ｓ２を取り囲む面のうち天井材１０１以外の面は、断熱材１０５で覆われている。なお、天井材１０１の居室空間Ｓ１側表面をクロスなどで仕上げる場合は、透湿性を有する素材を用いることが好ましい。これによって冷房運転時に天井材１０１の居室空間Ｓ１側表面が結露することを防ぐことが可能である。

そして居室空間Ｓ１が例えばリビングルームのように、ヒトが非横臥状態で生活行動する部屋である場合は、体感温度センサ３は、第一の実施の形態と同様、例えば移動自在な支柱３３を介して、居室空間Ｓ１における高さ方向中間位置、好ましくは、床面１０３から40ｃｍ以上200ｃｍ以下の高さに配置し（図４における３Ａ）、また、居室空間Ｓ１が例えば寝室や病室である場合は、体感温度センサ３は、第二の実施の形態と同様、例えばベッド１０４上に取り付け可能なリモコン装置４に一体に設け（図４における３Ｂ）、あるいはリモコン装置４とは別体でベッド１０４に取り付け可能とすること（図４における３Ｃ）などができる。

１ 空調機
１３ コントローラ
２ チャンバー
２２ 放射パネル
３ 体感温度センサ
３１ ケース
３２ プローブ
３３ 支柱
３４ 断熱層
４ リモコン装置
１００ 建物
１０１ 天井材
Ｓ１ 居室空間
Ｓ２ 天井裏空間

Claims (11)

1. 冷却または加温された空調空気が空調機から供給される放射パネルからの放射により居室空間の冷暖房を行う放射冷暖房システムにおいて、
   前記居室空間で人が仰臥する位置に放射方向を向けて配置された前記放射パネルによって前記居室空間と区画され、前記空調機から噴き出される空調空気を水平方向に通過させて側周端に位置する開放端部から吹き抜けさせるチャンバーと、
   前記居室空間に設置され、かつ、温度計測値を計測するプローブと、前記プローブの一側からの熱を遮断する断熱層と、前記プローブの他側の空間を覆う半球状に形成され、赤外線を吸収可能にする表面処理が外表面に施されたケースと、を備える体感温度センサと、
   を備え、
   前記放射パネルが有する前記居室空間との区画をなす面は、通気性を有する布によって形成されており、
   前記体感温度センサは、前記居室空間で人が仰臥する位置の近傍に配置され、
   前記半球状のケースは前記放射パネルの側を向き、かつ、前記断熱層は前記放射パネルに対して前記半球状のケースの反対側に構成され、
   前記プローブは、前記半球状のケースによって画成された内部空間の温度を前記温度計測値として計測し、
   前記空調機は前記温度計測値に基づいて制御される、
   ことを特徴とする放射冷暖房システム。
2. 前記空調機は、鉛直方向において前記放射パネルと同程度の高さに設けられ、かつ設置位置近辺の空気を吸気口で取り込む、
   請求項１に記載の放射冷暖房システム。
3. 前記断熱層は前記プローブに対して前記居室空間の床側を覆うように構成される、請求項１または請求項２に記載の放射冷暖房システム。
4. 前記人が仰臥する位置はベッドの設置位置である、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の放射冷暖房システム。
5. 前記空調空気は前記放射パネルの上面と前記居室空間の天井との間において前記放射パネルに擦過するように供給され、
   前記放射パネルは前記放射パネルの下面から前記居室空間の床面に向かって赤外線を放射する、
   請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の放射冷暖房システム。
6. 空調機からの空調空気により冷却または加温された放射パネルからの放射により居室空間の冷暖房を行う放射冷暖房システムにおいて、
   前記居室空間における寝具の設置位置に放射方向を向けて配置された前記放射パネルによって前記居室空間と区画され、前記空調機から噴き出される空調空気を水平方向に通過させて側周端に位置する開放端部から吹き抜けさせるチャンバーと、
   前記居室空間に設置され、かつ、温度計測値を計測するプローブと、前記プローブの一側からの熱を遮断する断熱層と、前記プローブの他側の空間を覆う半球状に形成され、赤外線を吸収可能にする表面処理が外表面に施されたケースと、を備える体感温度センサと、
   を備え、
   前記放射パネルが有する前記居室空間との区画をなす面は、通気性を有する布によって形成されており、
   前記体感温度センサは、前記居室空間における寝具の設置位置の高さと前記放射パネルの設置位置の高さとの間の高さに配置され、
   前記半球状のケースは前記放射パネルの側を向き、かつ、前記断熱層は前記放射パネルに対して前記半球状のケースの反対側を向くように構成され、
   前記プローブは、前記半球状のケースによって画成された内部空間の温度を前記温度計測値として計測し、
   前記空調機は前記温度計測値に基づいて制御される、
   ことを特徴とする放射冷暖房システム。
7. 前記空調機は、鉛直方向において前記放射パネルと同程度の高さに設けられ、かつ設置位置近辺の空気を吸気口で取り込む、
   請求項６に記載の放射冷暖房システム。
8. 前記寝具はベッドである、請求項６または請求項７に記載の放射冷暖房システム。
9. 前記体感温度センサは前記寝具の設置位置の高さと前記放射パネルの設置位置の高さとの間のうち前記放射パネルよりも前記寝具の設置位置に近い高さに配置される、請求項６乃至請求項８のいずれか一項に記載の放射冷暖房システム。
10. 前記体感温度センサが配置される高さは前記寝具の寝床面の高さ以上である、請求項６乃至請求項９のいずれか一項に記載の放射冷暖房システム。
11. 前記空調空気は前記放射パネルの上面と前記居室空間の天井との間において前記放射パネルに擦過するように供給され、
    前記放射パネルは前記放射パネルの下面から前記居室空間の床面に向かって赤外線を放射する、
    請求項６乃至請求項１０のいずれか一項に記載の放射冷暖房システム。

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