(57)【要約】【課題】本発明は、床下チャンバに冷風を導入して建物の躯体に冷熱を蓄熱させるにあたり、その冷熱が室内空気へ伝導することを抑制可能な躯体蓄熱空調システムの運転方法及びその躯体蓄熱空調システムを提供する。【解決手段】本発明に係る空調システム１０の運転方法は、床パネル７０とスラブ９０との間に形成された床下チャンバ８０に、空調機２０から室温よりも低い温度に冷却された冷却空気を導入することにより冷熱をスラブ９０に蓄熱し、室内３０を冷房する際にスラブ９０に蓄熱した冷熱を利用するものであって、スラブ９０への蓄熱時に空調機２０により床下チャンバ８０に導入される冷却空気の風量を、空調機２０の設計最大風量よりも小さく設定する。【選択図】図１
2008298380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
床パネルと床スラブとの間に形成された床下チャンバに、空調機から室温よりも低い温度に冷却された冷却空気を導入することにより冷熱を床スラブに蓄熱し、室内を冷房する際に前記床スラブに蓄熱した冷熱を利用する躯体蓄熱空調システムの運転方法であって、
前記床スラブへの蓄熱時に前記空調機により前記床下チャンバに導入される前記冷却空気の風量を、前記空調機の設計最大風量よりも小さく設定することを特徴とする躯体蓄熱空調システムの運転方法。
【請求項２】
前記蓄熱時に前記空調機により前記床下チャンバに導入される前記冷却空気の風量を、前記蓄熱を行う所定時間内に、前記床スラブに所定熱量を蓄熱させることができる程度に調節することを特徴とする請求項１に記載の躯体蓄熱空調システムの運転方法。
【請求項３】
前記蓄熱運転は、夜間電力適用時になされることを特徴とする請求項１又は２に記載の空調機の運転方法。
【請求項４】
前記空調機として、インバータ制御方式のファンを具備する空調機を用いることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の躯体蓄熱空調システムの運転方法。
【請求項５】
床パネルと床スラブとの間に形成された床下チャンバに、空調機から室温よりも低い温度に冷却された冷却空気を導入することにより冷熱を床スラブに蓄熱する蓄熱運転を行う機能を有し、室内を冷房する際に前記蓄熱運転により前記床スラブに蓄熱させた冷熱を利用する躯体蓄熱空調システムであって、
前記蓄熱運転時に前記空調機により前記床下チャンバに導入される前記冷却空気の風量が、前記空調機の設計最大風量よりも小さく設定されたことを特徴とする躯体蓄熱空調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、室内の冷房に躯体蓄熱を利用する躯体蓄熱空調システムの運転方法及びその躯体蓄熱空調システムに係り、蓄熱終了時に室温が下がり過ぎないようにする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力の負荷平準化の要請が高まっている。この要請に答える有効な対策の一つとして、建物の躯体である床スラブ等に夜間電力を利用して冷熱を蓄え、日中にその冷熱を冷房に利用する躯体蓄熱が注目されており、従来より、例えば特許文献１に開示されるような躯体蓄熱技術が提案されている。
【０００３】
特許文献１には、床吹出し空調において、夜間に床スラブと床パネルとの間の床下チャンバに冷却した空気を導入してその冷熱を床スラブに蓄熱させておき、日中の空調負荷のピーク時までは床スラブの温度よりも低い温度の空気を空調に用いることにより床スラブからの放熱を抑え、その後空調負荷がピークになった時に空調空気の温度を床スラブの温度以上に変更して、床スラブに蓄熱された冷熱を放熱させて室内の空調を行うことにより、空調機の消費電力の上限を抑えることが可能な空調機の運転方法が開示されている。
【特許文献１】特許３７４８４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に開示される空調機の運転方法では、夜間に床下チャンバに冷風を導入して床スラブに冷熱を蓄熱する際に、冷熱が床スラブのみならず床パネルにも伝導する。このため、床パネルに伝導した冷熱により室内空気が冷却され、蓄熱終了時における室内空気の温度が居住環境としての適正な温度よりも冷え過ぎてしまうことがある。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、床下チャンバに冷却した空気を導入して建物の躯体に冷熱を蓄熱させるにあたり、その冷熱が室内空気へ伝導することを抑制可能な躯体蓄熱空調システムの運転方法及びその躯体蓄熱空調システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明は、床パネルと床スラブとの間に形成された床下チャンバに、空調機から室温よりも低い温度に冷却された冷却空気を導入することにより冷熱を床スラブに蓄熱し、室内を冷房する際に前記床スラブに蓄熱した冷熱を利用する躯体蓄熱空調システムの運転方法であって、
前記床スラブへの蓄熱時に前記空調機により前記床下チャンバに導入される前記冷却空気の風量を、前記空調機の設計最大風量よりも小さく設定することを特徴とする（第１の発明）。
【０００７】
本発明者が行った実験によると、床下チャンバに冷却空気を導入した場合に、床下チャンバ内に導入された冷却空気が導入口から遠ざかり、風速が低下するにつれて、床下チャンバ内の上層よりも下層の方の風速が相対的に速くなるという測定結果が得られている。したがって、空調機から床下チャンバに導入される冷却空気の風量を小さく設定すれば、床下チャンバ内を流通する風速が減速し、下層の方の風速が相対的に速くなる。
【０００８】
すなわち、本発明の躯体蓄熱空調システムの運転方法によれば、空調機の風量を設計最大風量よりも小さく設定することにより、床下チャンバ内に流通する冷却空気の速度は上層よりも下層の方が相対的に速くなり、効果的に床スラブに冷却空気の冷熱を蓄熱できるとともに、床パネルへの冷熱の伝導量も小さくなることにより、蓄熱運転終了時における室内空気の冷え過ぎを緩和できる。なお、設計最大風量とは、空調対象の室内の最大冷房負荷を処理するために必要な風量を示す。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記蓄熱時に前記空調機により前記床下チャンバに導入される前記冷却空気の風量を、前記蓄熱を行う所定時間内に、前記床スラブに所定熱量を蓄熱させることができる程度に調節することを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記蓄熱運転は、夜間電力適用時になされることを特徴とする。  
本発明の躯体蓄熱空調システムの運転方法によれば、夜間電力適用時に躯体蓄熱を行い、日中にその熱を取り出して冷房に利用することにより、日中における空調熱源機及び空調機の消費電力を低減することができ、電力の負荷平準化に寄与できる。
【００１１】
第４の発明は、第１〜３の何れかの発明において、前記空調機として、インバータ制御方式のファンを具備する空調機を用いることを特徴とする。  
本発明の躯体蓄熱空調システムの運転方法によれば、風量を小さくするにともなって、日中も含めた１日積算の空調機の電力消費量も低減できる。
【００１２】
第５の発明は、床パネルと床スラブとの間に形成された床下チャンバに、空調機から室温よりも低い温度に冷却された冷却空気を導入することにより冷熱を床スラブに蓄熱する蓄熱運転を行う機能を有し、室内を冷房する際に前記蓄熱運転により前記床スラブに蓄熱させた冷熱を利用する躯体蓄熱空調システムであって、
前記蓄熱運転時に前記空調機により前記床下チャンバに導入される前記冷却空気の風量が、前記空調機の設計最大風量よりも小さく設定されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、床下チャンバに冷風を導入して建物の躯体に冷熱を蓄熱させるにあたり、その冷熱が室内空気へ伝導することを抑制可能な躯体蓄熱空調システムの運転方法及びその躯体蓄熱空調システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい一実施形態について図面に基づき詳細に説明する。  
図１は、本実施形態に係る躯体蓄熱を実施するための床吹出し空調システム１０の概要図である。
【００１５】
図１には、本実施形態に係る躯体蓄熱を実施するための構造に空調機２０を設置した室内３０が示されている。室内３０は、建物のコンクリート躯体であるスラブ４０及び９０によって囲まれている。
【００１６】
下側のスラブ９０の上方には、床パネル７０が設けられており、床パネル７０とスラブ９０との間に床下チャンバ８０が形成されている。床パネル７０には、床下チャンバ８０の空気を室内３０へ吹出すための複数の床吹出口７２が設けられている。
【００１７】
上側のスラブ４０には、その下方に天井パネル６０が設けられており、天井パネル６０とスラブ４０との間に天井裏チャンバ５０が形成されている。天井パネル６０には、室内３０の空気を天井裏チャンバ５０へ吸込むための複数の吸込口６２が設けられている。
【００１８】
空調機２０は、インバータ制御方式のファン２２及び熱交換器２４を備え、空調した空気を給気ダクト２６を通じて導入口２８から床下チャンバ８０に導入するようになっている。
【００１９】
床下チャンバ８０と天井裏チャンバ５０には、吸込ダクト１００、１１０が夫々連通しており、これら吸込ダクト１００、１１０を通じて天井裏チャンバ５０、床下チャンバ８０から吸込まれた空気は還気ダクト１２０により集合されて、空調機２０に還流するようになっている。
【００２０】
各吸込ダクト１００、１１０には、切替ダンパ１０２、１１２が設けられており、夜間における躯体蓄熱時又は日中の空調運転時に応じて、吸込ダクト１００、１１０内を流通する空気の流路を開閉できるようになっている。
【００２１】
次に、これら設備による夜間及び日中における空調制御について説明する。なお、本空調制御において室内３０の適正な温度は２６℃とし、空調機２０の給気可能な最大風量は２０ｍ３／（ｈ・ｍ２）（床面積当たり風量）とする。
【００２２】
夜間時に建物の躯体であるスラブ９０に蓄熱を行う場合には、吸込ダクト１００の切替ダンパ１０２を閉鎖し、吸込ダクト１１０の切替ダンパ１１２を開放し、空調機２０から床下チャンバ８０に冷却した空気を導入する。
【００２３】
これにより冷却した空気は、空調機２０から床下チャンバ８０、吸込ダクト１１０、及び還気ダクト１２０内を通って空調機２０に戻るように循環し、かかる冷却空気の循環によりスラブ９０に冷熱が蓄熱される。なお、蓄熱は夜間電力適用時になされることが好ましい。
【００２４】
ここで空調機２０により給気される空気の温度は、蓄熱開始時の室温（例えば、２６℃）よりも低い温度（例えば、１６℃）に設定し、その風量は、空調対象の室内３０に供給するために必要な風量よりも小さい風量（例えば、空調機の設計最大風量２０ｍ３／（ｈ・ｍ２）の３０％の風量である６ｍ３／（ｈ・ｍ２））に設定する。
【００２５】
図２は、床下チャンバ内に冷風又は温風を導入したときの、導入口からの距離が異なる２つの測定位置の風速を測定した実験結果を示すグラフである。本実験では、床下チャンバの高さを１５０ｍｍに設定した実物大の二重床模型を作製して通風し、導入口からの距離が１６００ｍｍの位置Ａｂと、５２００ｍｍの位置Ａｄの床下チャンバ内における上層から下層までの風速を測定した。なお、詳細な測定方法及び測定条件については文献１（藤田他、「床吹出し空調システムに関する研究  その３  床下チャンバ―まわりの熱移動のモデル化」、日本建築学会計画系論文集  第５３７号、２０００年１１月、ｐｐ．６３〜７０）を参照。
【００２６】
図２に示すように、本グラフの横軸は風速、縦軸はスラブ９０の上面からの距離を示し、導入時の床下チャンバ８０内の温度と導入される空気の温度との組み合わせを１２通り実験した結果をプロットしている（冷風は実線、温風は破線で示す）。
【００２７】
同図のグラフの分布をみると、導入口から近くに位置する測定位置Ａｂでは、床下チャンバ内の上層から下層までの分布が冷風給気時と温風給気時とで、ほぼ同じ分布を示す。一方、導入口から遠くに位置する測定位置Ａｄでは、冷風と温風とによってその風速の分布に違いが現れ、冷風給気時には上層より下層の方が、温風給気時には下層より上層の方が、風速は大きくなる。
【００２８】
このように、冷風給気時には、導入口から遠ざかり、風速が減速するにつれて、床下チャンバ８０内の上層よりも下層の方の風速が相対的に速くなる。したがって、空調機２０から床下チャンバ８０に導入される冷却空気の風量を小さく設定することにより、床下チャンバ８０内を流通する風速が減速し、下層の方の風速が相対的に速くなる。
【００２９】
一方、日中の室内冷房を行う場合には、吸込ダクト１００の切替ダンパ１０２を開放し、吸込ダクト１１０の切替ダンパ１１２を閉鎖し、床パネル７０の床吹出口７２を開放した状態で、空調機２０から床下チャンバ８０に冷却空気を導入する。ここで給気される冷却空気の温度は、蓄熱開始時に給気される空気よりも高い温度（例えば、１９℃）に設定し、室内温度が適正な温度（２６℃）になるように風量を制御する。
【００３０】
このようにすることで、床下チャンバ８０に導入された冷却空気が、スラブ９０に蓄熱された冷熱により冷却されて、床吹出口７２から室内３０に空調空気として吹出す。そして、室内３０に吹出された空気は、吸込口６２、天井裏チャンバ５０、吸込ダクト１００、及び還気ダクト１２０を通じて空調機２０に戻ることになる。
【００３１】
以上説明した本実施形態によれば、蓄熱時に床下チャンバ８０に導入される空気の風量を、空調機２０が給気可能な最大風量よりも小さく設定することにより、床下チャンバ８０内に流通する冷却空気の速度が上層よりも下層の方が相対的に速くなり、効果的にスラブ９０に冷却空気の冷熱を蓄熱できるとともに、床パネル７０への冷熱の伝導量も小さくなることにより、蓄熱運転終了時における室内空気の冷え過ぎを緩和できる。
【００３２】
また、本実施形態によれば、夜間電力適用時に躯体蓄熱を行い、日中にその熱を取り出して冷房に利用することにより、日中における空調機２０の消費電力を低減することができ、電力の負荷平準化に寄与できる。
【００３３】
また、本実施形態によれば、空調機２０にインバータ制御方式のファン２２を具備するものを用いることにより、風量を小さくするにともなって、日中も含めた１日積算の空調機２０の電力消費量も低減できる。
【００３４】
次に、本実施形態による効果を検討するためのシミュレーションを実施したので、その結果について説明する。  
図３は、本実施形態に係る空調システム１０の運転方法による効果を検討するためのシミュレーションモデルである。
【００３５】
図３に示すように、シミュレーションモデルは、室内３０、床パネル７０、床下チャンバ８０、スラブ９０、及び天井裏チャンバ５０をモデル化したものである。本シミュレーションでは、このモデルを用いて床下チャンバ８０周辺の鉛直方向の熱移動を計算した。
【００３６】
具体的には、上記各層の中央位置の温度（図３中のＴｒ、Ｔｐ、Ｔｖ、Ｔｃ、Ｔｂ）及び各層間の境界位置の温度（同図中のＴｐｔ、Ｔｐ０、Ｔｃｔ、Ｔｃ０）を代表温度とし、各時刻におけるこれら各代表温度を計算した。図４に、図３のシミュレーションモデルに用いた符号及びその物性値の詳細を示す。
【００３７】
なお、本シミュレーションでは、各層の中央位置の温度（図３中のＴｒ、Ｔｐ、Ｔｖ、Ｔｃ、Ｔｂ）を、各層の水平方向の温度分布を平均したものとして計算している。また、スラブ９０内については、スラブ９０をさらに鉛直方向に３層に分割してその層毎の熱移動の考慮し、これら３層の各中央位置の温度（Ｔｃ１〜Ｔｃ３）を計算している。
【００３８】
また、床下チャンバ８０における、空調機２０から給気される空気の温度と、床パネル７０及びスラブ９０との熱交換量を算出するための空気の温度と、床吹出口７２から室内３０に吹出す空気の温度との３つを、図５に示すような水平方向の１次元的な流れとして算出し、実際の流れ性状における熱伝達量と適合させるために補正係数を対流熱伝達率に乗じている。なお、詳細な計算方法及び条件については、前述の文献１を参照。図６は、シミュレーションに用いた風速と対流熱伝達率との関係を示すグラフである。図６に示すように、熱流の上向きと下向きとで異なる値を与えている。
【００３９】
また、本シミュレーションでは、インバータ制御方式のファンを具備する空調機を空調に用いたことを想定した場合に、所定期間におけるファンの電力消費量を計算できるようになっている。
【００４０】
以上のようなシミュレーションモデルを用いて、次のような３つのケースについてシミュレーションを行った。
【００４１】
先ず、比較例１として、従来から実施される床吹出し空調に躯体蓄熱を想定し、空調機から床下チャンバ８０に、１６℃の空気を、最大である２０ｍ３／（ｈ・ｍ２）の風量で、夜間における午前３時から午前８時までの５時間給気した場合を基準設定とした。また、比較例２として、比較例１の温度を３℃上昇させた１９℃の空気を給気した場合を設定した。これに対して、本実施形態の運転方法を想定した実施例として、比較例１の風量を３０％に低減した６ｍ３／（ｈ・ｍ２）に設定し、温度は比較例１と同じ１６℃とした。
【００４２】
なお、比較例１にてシミュレーションを行った場合に、スラブ９０に蓄熱される熱量（５６７ｋＪ／ｍ２）と同程度の躯体蓄熱量となるように、比較例２及び実施例の躯体蓄熱の運転時間を夫々設定した。具体的には、比較例２では７．８時間（午前０時１２分〜午前８時、その時の躯体蓄熱量は５６８ｋＪ／ｍ２）、実施例では１１．４時間（午後８時３６分〜午前８時、その時の躯体蓄熱量は５６５ｋＪ／ｍ２）に設定した。
【００４３】
一方、日中（午前８時〜午後８時）における室内３０の冷房を行うための空調は、比較例１〜２及び実施例で同様の制御とし、空調機から床下チャンバ８０に導入される空気の温度を１９℃に固定し、室温が２６℃（Ｔｒｓｅｔ）を維持するように、空調機から導入される風量を次式（１）で調節した。ただし、床下チャンバ８０に導入される風量Ｖ（ｎ）は、最小６ｍ３／（ｈ・ｍ２）〜最大（Ｖｍａｘ）２０ｍ３／（ｈ・ｍ２）の範囲とし、係数η＝５とした。  
Ｖ（ｎ）＝Ｖ（ｎ−１）＋η・Δｔ・Ｖｍａｘ・｛Ｔｒｓｅｔ−（２・Ｔｒ（ｎ−１）−Ｔｒ（ｎ−２））｝
・・・  （１）
シミュレーションでは、計算刻み幅Δｔを０．２［ｈ］として、午前０時から翌日の午前０時までの２４時間について、午前０時と翌日の午前０時との温度が一致するまで繰り返し計算し、周期定常状態になった時の結果を記録した。
【００４４】
図７は、シミュレーション結果による各層における温度の日変化を示すグラフである。同図には、各ケースにおける、天井裏チャンバ５０内の温度（Ｔｂ）、床下チャンバ８０への導入空気の温度（Ｔｓ）、床吹出口７２の空気の温度（Ｔａ）、室温（Ｔｒ）、及びスラブ中央部の温度（Ｔｃ２）の時間変化をグラフに示している。
【００４５】
図７に示すように、比較例１の空調制御の場合、躯体蓄熱終了時（８時：空調開始時）における室温（Ｔｒ）は２３．９℃となり、居住環境としての適正な温度（２６℃）に対して冷え過ぎてしまっている。これに対して、比較例２の空調制御の場合では、同時刻における室温（Ｔｒ）は２４．１℃となり、比較例１の場合と比較して０．２℃しか上昇しておらず、室温低下があまり改善されていない。一方、実施例の空調制御の場合では、同時刻における室温（Ｔｒ）は２４．７℃となって、比較例１の場合と比較して０．８℃上昇し、室温低下が緩和されている。
【００４６】
一方、日中（午前８時〜午後８時）における室温（Ｔｒ）の変化は、比較例１、比較例２、及び実施例の何れもほぼ同等である。
【００４７】
図８（ａ）は、シミュレーション結果に基づく空調機のファンの１日積算の電力消費量の計算結果を示す表であり、同図（ｂ）は同図（ａ）の計算結果を棒グラフに示したものである。なお、同図（ｂ）の各棒において、上部斜線部は躯体蓄熱時における電力消費量、下部斜線部は日中の空調時における電力消費量であり、１日の合計電力消費量は両電力消費量を棒グラフの全長で示している。
【００４８】
図８に示すように、比較例１〜２及び実施例の何れの場合も日中の空調時における電力消費量は、２６．６８〜２７．８１［Ｗｈ／ｍ２］とほぼ同程度である。一方、躯体蓄熱時の電力消費量は、比較例１の場合が２４．３３［Ｗｈ／ｍ２］であるのに対し、比較例２の場合は３６．４９［Ｗｈ／ｍ２］と大幅に増加する。一方、実施例の場合は、４．０３［Ｗｈ／ｍ２］と大幅に減少する。
【００４９】
以上説明したようにシミュレーションによって、躯体蓄熱時に空調機から給気する風量を低下させる本実施形態の運転方法により、躯体蓄熱終了時（８時：空調開始時）における室温の冷え過ぎを緩和できるとともに、躯体蓄熱時及び１日積算においても空調機のファンの電力消費量を大幅に低減できる結果が得られ、本実施形態の運転方法の有効性を確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本実施形態に係る躯体蓄熱を実施可能な床吹出し空調システム１０の概要図である。
【図２】床下チャンバ内に冷風又は温風を導入したときの、導入口からの距離が異なる２つの測定位置の風速を測定した実験結果を示すグラフである。
【図３】本実施形態に係る空調システム１０の運転方法による効果を検討するためのシミュレーションモデルである。
【図４】シミュレーションに用いた物性値の詳細を示す表である。
【図５】シミュレーションに用いた床下チャンバ内の空気の水平方向の１次元的流れを示す図である。
【図６】シミュレーションに用いた風速と対流熱伝達率との関係を示すグラフである。
【図７】シミュレーション結果による各層における温度の日変化を示すグラフである。
【図８】シミュレーション結果に基づいて計算された空調機のファンの１日積算の電力消費量である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  空調システム
２０  空調機
２２  ファン
２４  熱交換器
２６  給気ダクト
２８  導入口
３０  室内
４０、９０  スラブ
５０  天井裏チャンバ
６０  天井パネル
６２  吸込口
７０  床パネル
７２  床吹出口
８０  床下チャンバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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