(57)【要約】【課題】高発熱の発熱源や作業者が点在する大空間の作業域に対し、低コストで少ないエネルギによる効率的な冷房を行う空調システムを提供する。【解決手段】床面から天井面までの高さが比較的大きい空間で床面上に発熱源が点在する空間を、作業者の頭部高さよりもやや上方に仮定する仮想水平面で上下に分割し、下側を空調域、上側を非空調域として設定する。外調機，ＰＡＣ型空調機，排気ファン、吸込口，排気ダクトと、発熱源の上方に配置される排気フードと、仮想水平面に下向きに配置される第１及び第２の吹出チャンバーと第１及び第２の給気ダクトとを備える。各吹出チャンバーの下端に鉛直方向に第１又は第２のソックダクトが連結配置され、各ソックダクトの側面及び下端から置換空調を可能とする低速気流が吹き出されるように風量が調整されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
床面（１０）から天井面（１２）までの高さが比較的大きい生産工場等の空間で床面上に発熱源（１４）が点在する空間を、作業者の頭部高さよりもやや上方に仮定する仮想水平面（１５）で上下に分割し、仮想水平面より下側を空調域（１６）、仮想水平面より上側を非空調域（１７）として設定し、発熱源が作業者に及ぼす熱量を軽減するための空調を行う空調システムであって、
天井面より上の空間（１８）に配置される外調機（２０），室内循環式パッケージ型空調機（２２）及び排気ファン（２４）と、
前記天井面に取り付けられる吸込口（２６）とこの吸込口から前記排気ファンへと通じる排気ダクト（２８）と、
前記発熱源の上方に配置される排気フード（３０）及びこの排気フードから前記排気ファンへと通じる排気ダクト（３２）と、
前記仮想水平面に下向きに配置される第１の吹出チャンバー（４０）とこの吹出チャンバーから前記外調機の給気側へと通じる第１の給気ダクト（４２）と、
前記仮想水平面に下向きに配置される第２の吹出チャンバー（４４）とこの吹出チャンバーから前記室内循環式パッケージ型空調機の給気側へと通じる第２の給気ダクト（４６）とを備え、
前記第１の吹出チャンバーの下端に鉛直方向に第１のソックダクト（５０）が連結配置され、前記第２の吹出チャンバーの下端に鉛直方向に第２のソックダクト（５２）が連結配置され、各ソックダクトの側面及び下端から置換空調を可能とする低速気流が吹き出されるように風量が調整されていることを特徴とする床放射冷房を併用した置換空調システム。
【請求項２】
前記低速気流は風速０．５ｍ／ｓ以下のにじみ出し気流である請求項１記載の置換空調システム。
【請求項３】
さらに、前記仮想水平面に下向きに配置される吸込口（６０）とこの吸込口から前記室内循環式パッケージ型空調機の還気側へと通じる還気ダクト（６２）とを有する請求項１又は２記載の置換空調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、床面から天井面までの高さが比較的大きく、電気炉などの高発熱の発熱源を有し、製品を生産する都合上、気流の影響を嫌うために、作業者が発熱源から高い熱量を浴びるおそれのある生産工場等において、発熱源が作業者に及ぼす熱量を軽減できるような低コストで少ないエネルギによる効率的な冷房を行う空調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
床面から天井面までの高さが比較的大きく、電気炉などの高発熱の発熱源を有する大空間用の空調システムの例として、図７に従来の空調システムを例示する。図７において、天井面１２から上階スラブ１９までの空間１８に外調機（外気用空調機）２０と排気ファン２４とが配置され、ダクトを介して、天井面に取り付けられたアネモ型吹出口２５から空調空気が作業空間内へと吹き出され、天井面に取り付けられたＨＳ（横羽根とシャッター付き）吸込口２６から汚染された還気が排気されていく。発熱源である電気炉などの炉１４の上方には排気フード３０が設置されて暑熱を吸い込み、ダクト３２を通じて排気ファンから排気されていく。このように床面１０から天井面１２までの高さが大きい作業空間では、作業者の頭部よりやや上の仮想水平面１５から下側が空調域１６、上側が非空調域１７と考えられ、炉１４が少ない場合は作業者は炉からの熱による影響を受けずに済んでいる。
【０００３】
しかしながら、炉１４が増設されるにつれて、作業者が被る熱量が急増していくことは明らかであり、有効な冷房対策が求められていた。簡便な対策として、電気炉の周囲を遮蔽カバーで覆う方法、電気炉の周囲を水冷式の断熱ジャケットで覆う方法、排気ダクトを断熱材で覆う方法、給排気用の送風機を増設する方法、アネモ吹出口をＶＨＳ（縦羽根・横羽根とシャッター付き）吹出口に変更する方法、作業衣を特殊仕様の耐熱服に変更する方法などが提案されたが、炉の表面状態が外から見えなくなること、炉に近づいての作業が困難になること、送風量が大きくなりすぎると気流速度が増加し炉の表面を冷却するため、炉の運転制御が困難になって炉内で製造される製品の品質低下を招くなどの欠点が判明した。
図７から理解されるように、従来のシステムは作業域・居住域以外の上部空間や平面的な非空調域を含む大空間を全体的に冷房する方式であり、経済性に劣り、多くのエネルギを無駄に費やしていた。
【０００４】
一方、床面に吸込口を設置できる空間では、高天井空間の空調は天井吹出し・床吸い込み方式による空間全域均一空調が一般的であったが、天井付近などを無駄に冷却することを避けるために、床から２ｍ程度の人間が活動する領域だけを快適な温度とする置換空調方式が採用されるようになった。置換空調方式は、所定温度の空調空気を低速で押し出すように供給して室内の空気との混合を抑制するもので、床や壁から微速で空調空気を吹き出し、高天井空間において人体の発熱から生じる上昇気流を利用して換気を行う方式である。
【０００５】
また、天然繊維や合成繊維で作られるソックダクトを用いた空調や換気設備は、工場やクリーンルームなど多くの用途で使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２６７７０２「置換換気空調システム及び置換換気空調方法」には、室内下側の空調領域に２つの吹出口を設け、上側の吹出口から低温空気を吹出し、下側の吹出口から高温空気を吹出し、室内上側の非空調領域に汚染空気を排出するための排気口を設けた置換空調システムが記載されている。
【０００７】
【特許文献２】特開２００５−２４１１０５「置換空調システム」には、二重床の内部空間からタイルカーペットを介して微風速の空調空気を室内に供給する置換空調システムが記載されている。
【０００８】
【特許文献３】特開２０００−２３０７４７「冷却装置」には、作業室の天井部に冷却ユニットと静音箱体と布地製ソックダクトとを水平方向に連結して取り付け、送風機から吐出される冷気を静音箱体を介してソックダクトの周囲から冷却空気を吐出し、作業室内を冷却する装置が記載されている。
【０００９】
【特許文献４】特開２００４−１０１０２７「クリーンストッカー」には、外壁と棚の背面の整流板との間に天然繊維又は合成繊維製のソックダクトを垂直方向に配置し、送風チャンバを形成して棚部分のクリーンエアの流れを均一・均等かつ静流・整流・低速化して層流となし、ソックダクトのもつフィルター効果を付加させて塵埃や温度調節の精度を向上させたクリーンストッカーが記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、各種生産工場など発熱源が高発熱で、製品を生産する都合上、気流の影響を嫌う場合で、しかも天井高さが高く、発熱源や作業者が点在する大空間の作業域（居住域）に対し、低コストで少ないエネルギによる効率的な冷房を行う空調システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明はその基本的態様として、床面から天井面までの高さが比較的大きい生産工場等の空間で床面上に発熱源が点在する空間を、作業者の頭部高さよりもやや上方に仮定する仮想水平面で上下に分割し、仮想水平面より下側を空調域、仮想水平面より上側を非空調域として設定し、発熱源が作業者に及ぼす熱量を軽減するための空調を行う空調システムである。
その具体的態様として、本発明の空調システムは、天井面より上の空間に配置される外調機（外気用空調機），室内循環式パッケージ型（ＰＡＣ）空調機及び排気ファンと、前記天井面に取り付けられる吸込口とこの吸込口から前記排気ファンへと通じる排気ダクトと、前記発熱源の上方に配置される排気フード及びこの排気フードから前記排気ファンへと通じる排気ダクトと、前記仮想水平面に下向きに配置される第１の吹出チャンバーとこの吹出チャンバーから前記外調機の給気側へと通じる第１の給気ダクトと、前記仮想水平面に下向きに配置される第２の吹出チャンバーとこの吹出チャンバーから前記室内循環式パッケージ型空調機の給気側へと通じる第２の給気ダクトとを備える。
さらに、前記第１の吹出チャンバーの下端に鉛直方向に第１のソックダクトが連結配置され、前記第２の吹出チャンバーの下端に鉛直方向に第２のソックダクトが連結配置され、各ソックダクトの側面及び下端から置換空調を可能とする低速気流が吹き出されるように風量が調整されていることを特徴とする床放射冷房を併用した置換空調システムである。
【００１２】
かかる構成に基づき、この空調システムによれば、
（１）空調機からの吹き出し気流は、ソックダクトを介して作業者の頭部高さ以内で水平方向から微風速で吹き出し、還気吸込口は仮想水平面に設置することにより、空調域内で冷気が循環する仕組みを構築し、空調域と非空調域を空間的に分離することで、より少ないエネルギにより限定した最小限の作業域を局所的かつ効率的に冷房することができる。
（２）吹出口に布製のソックダクトを用いて水平方向に吹き出すことで、水平面吹出風速が０．５ｍ／ｓ程度の『にじみ出し』気流を発生させ、吹き出し冷気流と周囲空気を混合させずに作業域を冷気の『塊』で覆うことにより、効率的な局所冷房が可能となる。
【００１３】
（３）水平方向に吹き出された冷風は密度差により降下し、コアンダ効果により床面に付着した流れを形成して床スラブ温度を低下させ、床から人体への冷放射効果により作業域の温度設定を高くすることが可能になる。
（４）ソックダクトを使用することにより吹き出し気流速度が０．５ｍ／ｓ程度と低いため、作業者に対するコールドドラフトや生産機械への気流の影響を少なくすることができる。
（５）本方式の構成機器・機材は汎用品を使用できる利点があり、新設のみならず既存のシステムにも容易に導入することができる。
【００１４】
ソックダクトは３６０°又は１８０°あるいは任意の角度での吹き出しが可能であり、ソックダクトからの吹き出し気流は、冷気流によるコアンダ効果で到達距離が延びたとしても、距離の２乗に反比例して減衰することになる。従って、今回のシステムによる冷却効果は、発熱源である炉の近傍で作業を行う作業者をターゲットにしているが、吹き出し口から水平距離で７〜８ｍ程度を冷房の限界として設定することができる。
【００１５】
本発明では、非空調域に吹出口を設けない場合は、天井面の吸込口から排気ファンへと排気されるだけなので、天井直下で熱が対流しないようになっている。非空調域に吹出口を設けた場合は、天井近くから吹き出される外気冷房による吹き出し気流は、コアンダ効果により天井面に沿って流れるので、吹出口から遠くまで拡散させることができて天井面への熱溜まりを解消させることができる。
【００１６】
本発明の特徴点をまとめると、必要な作業域のみを局所的、効率的に冷房を行う空調システムであり、特長としては、
Ａ）空調域・非空調域を空間分離し、局所的に冷房を行う方式である。
Ｂ）置換空調吹出口に布製のソックダクトを立型に設置し、『にじみ出し』気流を形成させて省エネルギを図っている。
Ｃ）床放射冷房を併用できるため、作業域温度を高くすることが可能である。ＳＥＴ＊（体感温度指標：Standard Effective Temperature）による評価で、体感温度を低く感じさせることができるためである。
Ｄ）吹出口はソックダクトを作業域床上で縦型に設置できるので、設計の自由度が高く、レイアウト変更の多い工場などに適用しやすい。
【００１７】
Ｅ）空調機からの給気吹き出し位置は、作業者の頭部高さ以内で水平方向から微風速で吹き出し、還気吸込口は作業域高さの上端に設置することにより、対象空間域を非空調域と空間分離することが可能になり、より少ないエネルギで最小限の作業空間を効率的に冷房することができる。
Ｆ）従来型の全体空調と比較すると、冷房必要エリアは、床面から頭上までの高さで約１．８ｍ〜２．０ｍとなり、天井高に比例してランニングコストの削減が可能となる。
Ｇ）さらに床からの冷気放射効果を併用するため、作業域の温度設定を高くすることが可能になり、省エネルギ効果が大きい。
Ｈ）ＳＥＴ＊３０℃で従来方式と比較して、少なくとも２０％以上の省エネルギとなる。
【００１８】
Ｉ）冷房シーズンオフにＰＡＣ型空調機を使用しない場合、ソックダクトを簡単に吹き出しチャンバー内に収納することができるため、ソックダクト周辺の作業空間が広く使用できる。さら作業域・居住域に吊り下げたソックダクトは吹き出し状態でも自立しているので、固定する必要がなく、容易に作業者の手により歩行動線（移動することが可能な通路）を確保できる。
Ｊ）水平方向に吹き出された冷風は密度差により降下し、コアンダ効果により床面に付着した流れを形成して床スラブ温度を低下させ、床から人体への冷気放射効果により体感温度が低下できるため、作業域の温度設定を高くすることが可能になる。
Ｋ）工場などでは１スパン毎にコンパクト化・モジュール化が図れるので、負荷の変更に合わせて対応できる利点がある。
Ｌ）汎用品の組み合わせによるシステム構成のため、専用吹出口と比較してコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による置換空調システムの１区画を表す縦断面図。
【図２】本発明による置換空調システムの５区画を表す平面図。
【図３】体感温度をＳＥＴ＊３０℃に設定した場合の本発明による空調の温度分布を表すグラフ。
【図４】体感温度をＳＥＴ＊３０℃に設定した場合の従来技術による空調の温度分布を表すグラフ。
【図５】従来技術による運転時の空調機の冷房能力の計算を表す概略図。
【図６】本発明による運転時の空調機の冷房能力の計算を表す概略図。
【図７】従来技術による高天井空間の空調システムを表す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は本発明による高天井空間の置換空調システムの１区画を表している。図１に示すように、床面１０から天井面１２までの高さが比較的大きい生産工場等の空間で床面上に電気炉などの発熱源１４が点在する空間を、作業者の頭部高さよりもやや上方に仮定する仮想水平面１５（鉛直高さ１．８〜２．０ｍ）で上下に分割し、仮想水平面より下側を空調域１６、仮想水平面より上側を非空調域１７として設定し、発熱源が作業者に及ぼす熱量を軽減し、熱中症の発生を防止するための空調を行う空調システムである。このシステムは、従来型の外調機２０を風力源とする外気冷房系統と、排気ファン２４を風力源とする排気系統と、本発明により追加される室内循環式ＰＡＣ（パッケージ型）空調機２２を風力源とする室内冷房系統とが複合的に組み合わされて構成されている。
【００２１】
図１において、天井面より上の空間１８には、外調機２０と、ＰＡＣ型空調機２２と、排気ファン２４とが設置されている。天井面１２には、ＨＳ型吸込口２６と、この吸込口２６から排気ファン２４へと通じる排気ダクト２８と、ＶＨＳ型給気口６８と、この給気口６８から外調機２０の給気側へと通じる排気ダクト７０とが設けられている。発熱源１４の上方には従来と同様の排気フード３０とこの排気フード３０から排気ファン２４へと通じる排気ダクト３２が設けられている。
【００２２】
本発明に基づき、外気冷房系統には、仮想水平面１５に下向きに配置される第１の吹出チャンバー４０と、この吹出チャンバー４０から外調機２０の給気側へと通じる第１の給気ダクト４２が設けられている。
【００２３】
さらに、本発明に基づき、室内冷房系統には、仮想水平面１５に下向きに配置される第２の吹出チャンバー４４と、この吹出チャンバー４４からＰＡＣ型空調機の給気側へと通じる第２の給気ダクト４６とが設けられている。
【００２４】
図１に示すように、第１の吹出チャンバー４０の下端に鉛直方向に第１のソックダクト５０が連結配置され、第２の吹出チャンバー４４の下端に鉛直方向に第２のソックダクト５２が連結配置され、各ソックダクトの側面及び下端から置換空調を可能とする低速気流が吹き出されるように風量が調整されている。この低速気流は約０．５ｍ／ｓ以下でソックダクトからにじみ出るような『にじみ出し気流』であり、周囲の空気を攪乱することなく押し出すようにして流れ、置換空調を実現する。にじみ出し気流は図示のような釣鐘型の冷気となり、その下端は床スラブ上の冷気の塊５６となって冷気を放射熱として放出し、作業者に向けて冷温放射を及ぼす結果、ＳＥＴ＊（体感温度）の評価を行うことにより作業域（居住域）温度を低下させる効果を発揮する。
【００２５】
本発明はさらに好適な態様として、仮想水平面１５に下向きに配置される吸込口６０と、この吸込口６０からＰＡＣ型空調機２２の還気側へと通じる還気ダクト６２とで構成される還気系統を作業者の近傍に設けることが望ましい。これにより、にじみ出し気流による冷気が作業者の周囲を通過してＰＡＣ型空調機へと流れる通路が形成されることにり、空調の効果を最大限に発揮させることができる。
【００２６】
本発明で利用するソックダクトは、冷房を必要としない時期には、チャンバー６４に示すように、チャンバー内に収納することができる。
【００２７】
かくして、図１に示す好適な空調システムでは、仮想水平面１５より下の空調域１６の一部である冷気放射エリア６６（ソックダクトの周囲）だけが冷気空調空間となり、炉１４の周囲の空間とソックダクトから離れた空間とは非空調域となるため、従来のように大空間全体を空調する場合に比べて経済的で省エネルギの空調システムが実現されることになる。
【００２８】
図２は本発明による置換空調システムが５区画にわたって並列されている実施例の平面配置を表しており、区画８１〜８５のそれぞれに１つ又は複数の炉１４ａ〜１４ｄが配置され、各区画内に外調機系統のソックダクト５０及びＰＡＣ系統のソックダクト５２と、ＨＳ型吸込口２６と、ＶＨＳ型吹出口６８とが配置されて、それぞれの区画内で置換空調が実現されるようになっている。ソックダクト５０，５２の周囲の円形又は半円形は吹き出し角度を表しており、円形は３６０°吹き出し、半円形は１８０°吹き出しを表している。一例として、ソックダクト５０は外形３５０φ、長さＬ＝２０００ｍｍ、風量２０００ｍ3 ／ｈ、ソックダクト５２は外形３００φ、長さＬ＝１４５０ｍｍ、風量２４００ｍ3 ／ｈに設定することができる。
【００２９】
図３，図４は本発明と従来技術とを比較するために上下方向の温度分布を測定した結果を表しており、図３は体感温度ＳＥＴ＊を３０℃に設定した場合の本発明による空調の上下方向の温度分布を表すグラフ、図４は体感温度ＳＥＴ＊を３０℃に設定した場合の従来技術による空調の上下方向の温度分布を表すグラフである。本発明によるにじみ出し気流は釣鐘型の冷気となり、その下端は床スラブ上の冷気の塊となって冷気を放射熱として放出し、作業者に向けて冷温放射を及ぼす結果、ＳＥＴ＊（体感温度）を低下させる効果があることが実験結果によって裏付けられた。
【００３０】
図５，図６は本発明と従来技術とを比較するために空調機の冷房能力を計算をした結果を表しており、図５は従来技術による運転時の空調機の冷房能力の計算を表す計算式、図６は本発明による運転時の空調機の冷房能力の計算を表す計算式を表している。本発明によれば、室内循環式ＰＡＣ型空調機が追加されるため必要な電力は増加するが、従来の暑熱環境に比べて室温が約１０℃低下し、作業者の労働環境が改善され、熱中症が予防できるなどの効果があることが予測できた。
【００３１】
また、本発明による省エネルギ効果についても算定した。
（１）既存設備の冷熱源と運転時の室内環境と
（２）改善設備の冷熱源と運転時の室内環境とを考慮し、
（３）改善設備の省エネルギ効果を算定すると、
既存設備運転時と改善設備運転時の室温差Δｔは
Δｔ＝３７．５−２５．０＝１２．５℃
既存設備で改善設備と同等に冷房で室温を下げるための外調機の能力上昇分は
Ｑｓ＝０．２９×１１５，６００×１２．５
＝４１９，０５０ｋｃａｌ／ｈ
＝４１９，０５０÷８６０＝４８７ｋｗ
既存設備の必要冷房負荷（顕熱）は
＝５３９＋４８７＝１，０２６ｋｗ
改善後の省エネルギ率は
＝７７５÷１，０２６×１００＝約７５％
よって、改善設備により、２５％程度の省エネルギ効果を期待できることが推定できた。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上詳細に説明した如く、本発明による置換空調システムによれば、天井高さが高く、発熱源や作業者が点在する大空間の作業域（居住域）に対し、低コストで少ないエネルギによる効率的な冷房を行うことができ、作業者が熱中症におちいるのを防止できるなど、その技術的効果には極めて顕著なものがある。
【符号の説明】
【００３３】
１０  床面                        １２  天井面
１４  発熱源                      １５  仮想水平面
１６  空調域                      １７  非空調域
２０  外調機                      ２２  ＰＡＣ型空調機
２４  排気ファン
２６  ＨＳ型吸込口                ２８  ダクト
３０  排気フード                  ３２  ダクト
４０，４４  吹出チャンバー        ４２，４６  ダクト
５０，５２  ソックダクト
６０  吸込チャンバー              ６２  ダクト
６４  吹出チャンバー              ６６  ダクト
６８  ＶＨＳ型吹出口              ７０  ダクト
【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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