(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
屋根の上面側に、上方を開口した貯水部を構成すると共に、貯水部の開口部にルーバーを設け、ルーバーには、裏面に吸水層を構成すると共に、開操作時に下側となる端部に、導水材を貯水部方向に垂下させたことを特徴とする建物の屋根における熱環境調整装置。
【請求項２】
屋根の上面側に、上方を開口した貯水部を構成し、貯水部の開口部にルーバーを設けると共に、ルーバーの上方に覆い板体を設置して、覆い板体と貯水部間に空気を流通可能に構成し、ルーバーには、裏面に吸水層を構成すると共に、開操作時に下側となる端部に、導水材を貯水部方向に垂下させたことを特徴とする建物の屋根における熱環境調整装置。
【請求項３】
給水系統と余剰水排水系統を介して貯水部と接続した貯水槽に、上水に至る補充水系統を構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の建物の屋根における熱環境調整装置。
【請求項４】
屋根及びルーバーを透明材料又は不透明材料により構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の建物の屋根における熱環境調整装置。
【請求項５】
覆い板体を透明材料又は不透明材料により構成したことを特徴とする請求項２に記載の建物の屋根における熱環境調整装置。
【請求項６】
貯水部の底壁が屋根であることを特徴とする請求項４又は５に記載の建物の屋根における熱環境調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建物の屋根における熱環境調整装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばアトリウム等における採光を目的としたガラス屋根では、ガラス屋根を通過する日射熱により、屋根下方空間の上層部に熱気溜まりが生じる。そして、上方からの熱放射で屋内空間の空気温度が上昇するため、温熱的快適性が損なわれ、空調用エネルギー消費量も増大する。
【０００３】
一般に屋根は、壁よりも年間の日射受熱積算量が多いので、屋内の温熱的快適性の向上や空調用エネルギー消費量の削減を図るためには、屋根における日射の遮蔽や断熱等の対策を施すことが重要になる。
【０００４】
このような対策の従来の具体例としては、次のようなものがある。
１．アトリウムのガラス屋根の場合：ガラス屋根にオーニング等の覆いを設けて日射を遮蔽する。
２．一般住宅の屋根の場合：屋根の内部に断熱材を敷設して断熱する。
【０００５】
従来の具体例を文献につき説明すると次のようなものがある。
例えば特許文献１には、表面側に耐候性を有する表面部材を、裏面側に反射機能を有する表面部材を配設し、中間に断熱材を配したルーバーを、表裏側が反転可能となるようにガラス屋根の上方に設置し、夏期は表面側を外方に向けて日射を遮断し、冬期は裏面側を外方に向けて日射を取り入れるようにした覆い装置が記載されている。
【０００６】
また特許文献２には、所定の勾配をもって施工されるコンクリートスラブ屋根の上側に、勾配方向に沿って断面アーチ形の日除け瓦を列設した構造のコンクリート屋根が記載されている。
【０００７】
また特許文献３には、建物の屋根に散水手段を設け、屋根面の温度が設定温度を超えた時に散水を行って、屋根面の温度を外気温度以下に下げることにより、屋根面における水の蒸発による冷却効果によって建物内外の熱環境を維持するシステムが記載されている。
【特許文献１】特開平６−１０５７１号公報
【特許文献２】特開平１０−２３８００５号公報
【特許文献３】特開２０００−２９７５０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したとおり、建物の屋根への日射による屋内空間の熱環境の悪化を防止する等の熱環境の調整を行うために、日射を遮断したり、水の蒸発熱を利用して冷却する等の方策が従来から行われているが、これらは個別に行われており、有機的に組み合わせて熱環境を多様に調整することは行われていない。
本発明は、以上の課題を解決することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明では、屋根の上面側に、上方を開口した貯水部を構成すると共に、貯水部の開口部にルーバーを設け、ルーバーには、裏面に吸水層を構成すると共に、開操作時に下側となる端部に、導水材を貯水部方向に垂下させた構成の建物の屋根における熱環境調整装置を提案する。
【００１０】
また本発明では、屋根の上面側に、上方を開口した貯水部を構成し、貯水部の開口部にルーバーを設けると共に、ルーバーの上方に覆い板体を設置して、覆い板体と貯水部間に空気を流通可能に構成し、ルーバーには、裏面に吸水層を構成すると共に、開操作時に下側となる端部に、導水材を貯水部方向に垂下させた構成の建物の屋根における熱環境調整装置を提案する。
【００１１】
また本発明では、以上の熱環境調整装置において、給水系統と余剰水排水系統を介して貯水部と接続した貯水槽に、上水に至る補充水系統を構成することを提案する。
【００１２】
また本発明では、以上の熱環境調整装置において、屋根とルーバー及び覆い板体を透明材料又は不透明材料により構成することや、貯水部の底壁を屋根とすることを提案する。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に示す本発明の熱環境調整装置は、まず夏期の昼間においては、ルーバーを適宜傾斜させて屋根への直達日射を遮蔽することができる。この際、貯水部に貯留されている水は導水材に導かれてルーバーの裏面に構成した吸水層に至る。このように貯水部に貯留された水は、貯水部の表面、導水材の表面及び吸水層の表面において蒸発し、その蒸発潜熱により熱を奪って雰囲気空気を冷却し、貯留水の温度上昇を抑制するので、屋根の加熱を防止することができる。
【００１４】
また夏期の夜間においては、ルーバーを全開とすれば、放射冷却作用により、貯留水が冷却され、以て、夜間における屋根の冷却と共に、翌日の昼間の屋根の加熱の防止に寄与する。
【００１５】
次に冬期においてはルーバーは昼間も夜間も全閉とすると、昼間は日射熱で貯留水が暖められ、また夜間は放射冷却を抑制し、昼間に日射で暖められた貯留水により、屋根を介して、屋内空間の暖房に寄与することができる。ルーバーを全閉した際には、導水材の下端が貯留水の水位よりも上方に位置するように設定することにより、貯留水が導水材を経て吸水層に移動するのを防止することができ、以て、蒸発による冷却を抑制することができる。
【００１６】
請求項２に示す本発明の熱環境調整装置では、以上に加えて覆い板体により、飛来物が貯水部内に落下して蓄積するのを防止することができる。この際、換気用ファンを設けることにより、覆い板体と貯水部間の空気の流通を良好に行って、貯留水の蒸発を効果的に行うことができる。
【００１７】
貯水部に貯留する水としては、基本的には雨水を利用することができるが、雨水枯渇時には上水を利用することができる。例えば、給水系統と余剰水排水系統を介して貯水部と接続した貯水槽に、上水に至る補充水系統を構成し、これらの給水系統、余剰水排水系統、補充水系統を適宜に制御することにより、貯水部の水位を一定水位に維持することができる。
【００１８】
屋根、ルーバー又は覆い板体に加えて吸水層を透明材料により構成することにより、屋根を等しての採光を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に本発明の最良の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
まず、図１〜図４は本発明の熱環境調整装置の第１の実施の形態を示すものである。
図において符号１は屋根を示すもので、この屋根は、採光を行う場合には、ガラス板等の透明（半透明を含む）材料により構成するが、採光を必要としない場合には、金属板等の不透明材料により構成することができる。
【００２０】
屋根１の上面側には、上方を開口した貯水部２を構成しており、貯水部２の開口部にルーバー３を設けている。ルーバー３には、裏面に吸水層４を構成すると共に、開操作時に下側となる端部に、導水材５を貯水部２方向に垂下させた構成としている。図４に示すように、吸水層４はルーバー３の裏面の全面に構成しており、また導水材５は上述した端部に沿って、複数構成している。ここで、導水材５は、毛細管現象により貯水部２に貯留されている貯留水６を吸水して、吸水層４の端部に至らせ、そして吸水層４は、導水材５により端部に至った水を、毛細管現象により、全面に拡散させることができる材料であれば、繊維状等の適宜のものを利用することができるが、ガラス繊維や透明合成樹脂繊維を用いることにより透明に構成することができる。また、ルーバー３や吸水層４及び導水材５の材料、更に屋根１の材料に光触媒を担持させることにより、日射と水で自掃が可能となるために、清浄作業の手間を低減することができる。
【００２１】
またルーバー３は貯水部２を構成する構造体に対して着脱可能に構成することができ、この場合には、屋根１の上面やルーバー３の定期清掃を容易に行うことができる。
【００２２】
尚、図１〜図４に示す構成において、符号７は屋根１を支持する屋根額縁、８は貯水部２の貯留堰で、９は雨樋機能部、１０は底板で、定期清掃時に着脱可能に構成している。
【００２３】
以上の構成において、図１、図２は夏期の昼間の動作状態を示すもので、ルーバー３を適宜傾斜させて屋根１への直達日射を遮蔽することができる。この際、貯水部２に貯留されている水６は導水材５に導かれてルーバー３の裏面に構成した吸水層４に至る。このように貯水部２に貯留された水６は、貯水部２の表面、導水材５の表面及び吸水層４の表面において蒸発し、その蒸発潜熱により熱を奪って雰囲気空気を冷却し、貯留水６の温度上昇を抑制するので、屋根１の加熱を防止することができる。
【００２４】
図２に示すように、ルーバー３は周知の機構により開閉可能に構成されており、図中実線の状態から反時計回りに回転させることにより、ルーバー３が起立して全開状態となり、逆に時計回りに回転させて全閉状態とした場合には、導水材５の下端は貯水部２の水６から離れた位置に上昇する。従って、後者の場合には、貯留水６が導水材５を経て吸水層４に移動するのを防止することができ、以て、蒸発による冷却を防止することができる。
【００２５】
貯水部２に貯留する水６としては、基本的には雨水を利用することができるが、後述するように、雨水枯渇時には上水を利用する構成とすることができる。
【００２６】
次に、図５〜図９は本発明の熱環境調整装置の第２の実施の形態を示すもので、この第２の実施の形態では、貯水部２の底壁は、複数、この場合、２つの屋根１を額縁により支持して構成している。これに伴い、中間部の額縁７の上方には固定遮蔽板１７を設けている。その他の構成は、上述した第１の実施の形態と同様であるので、対応する構成要素に同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００２７】
図５に示すように、給水系統１２と余剰水排水系統１３を介して貯水部２と接続した貯水槽１１に、上水に至る補充水系統１４を構成し、これらの給水系統１２、余剰水排水系統１３、補充水系統１４を適宜に制御することにより、貯水部２の水位を一定水位又は一定範囲内の水位に維持することができる構成としている。
【００２８】
図５は図１、図２と同様に、夏期の昼間の動作状態を示すものであるが、その動作は同様であるので説明は省略する。
【００２９】
次に図６、図７は、夏期の夜間の動作状態を示すもので、これらの図に示すように、ルーバー３は図５の状態から図中反時計回りの回転により起立させ、全開状態とする。この状態では、放射冷却作用によって貯留水が冷却され、以て、夜間における屋根１の冷却と共に、翌日の昼間の屋根１の加熱の防止に寄与する。
【００３０】
次に図８、図９は、冬期の昼間及び夜間の動作状態を示すもので、これらの図に示すように、ルーバー３は、図５の状態から図中時計回りの回転により水平状態とし、隣接のものを重ならせて全閉状態とする。この状態においては図８、図９に示すように、導水材５の下端は貯水部２の水６から離れた位置に上昇する。従って、貯留水６が導水材５を経て吸水層４に移動するのを防止することができ、蒸発による冷却を防止することができる。
【００３１】
このため昼間においては日射熱で貯留水６が暖められ、そして夜間は放射冷却が抑制されて、昼間に日射で暖められた貯留水６により、屋根１を介して、屋内空間の暖房に寄与することができる。
【００３２】
図１０は、以上の動作におけるルーバーの制御フローの一例を示すものである。
まずステップＳ１の処理では、環境データ等のデータを収集する。このデータには、温度、風速、太陽高度等の測定データの他、季節を判定するための時計データ等を含む。
【００３３】
次にステップＳ２の処理では、上記時計データ等により、現在が夏期か否かを判断する。判断の結果、夏期の場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ３の処理に移行し、夏期でない場合（Ｎｏ）にはステップＳ８の処理に移行する。
【００３４】
ステップＳ３の処理では、風速が５ｍ／ｓ以下であるか否かを判断し、５ｍ／ｓ以下の場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ４に移行し、そうでない場合（Ｎｏ）にはステップＳ８の処理に移行する。
【００３５】
ステップＳ４の処理では、屋根下方空間の温度が２５℃以上か否かを判断し、２５℃以上の場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ５に移行し、そうでない場合（Ｎｏ）にはステップＳ８の処理に移行する。
【００３６】
ステップＳ５の処理では、太陽高度が０°以上、即ち、夜が明けたか否かを判断し、０°以上の場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ６の処理に移行し、夜が明けていない場合にはステップＳ７の処理に移行する。
【００３７】
そしてステップＳ６においては、太陽高度に応じてルーバー３の開度を調整する制御を行い、またステップＳ７ではルーバー３を全開とする制御を行い、またステップＳ８ではルーバー３を全閉とする制御を行う。
【００３８】
以上に説明した制御フローでは、ステップＳ２において、夏期と、夏期以外に分けた制御区分において、夏期以外はルーバー３を全閉とする制御を行うが、制御区分を３つ以上に分けて、更に木目の細かい制御を行うことができる。このように制御区分を多くすることは、ステップＳ３〜ステップＳ５においても同様である。
【００３９】
ここでルーバー３の開度を調整する制御は手動及び自動のいずれで行っても良く、自動で行う場合には、その動力源として、上記換気ファンと同様に、太陽光発電や熱電発電により発生させた電力を利用することにより、本発明の熱環境調整装置の省エネルギー性を阻害しない。また、自動調整においては、気象観測のデータから天候変化を予測して調整する制御方法や、タイマーによる制御方法等を利用することができる。
【００４０】
次に、図１１は本発明の熱環境調整装置の第３の実施の形態を示すもので、この実施の形態では、第２の実施の形態の熱環境調整装置において、ルーバー３の上方に覆い板体１８を設置して、覆い板体１８と貯水部２間に空気を流通可能に構成したもので、覆い板体１８は、複数のものを額縁１９により連接して支持する構成としている。そして側方には、外気取り入れ用の外気ファン２０と排気ファン２１を設けて、空気の流通を良好にしている。その他の構成は、第２の実施の形態と同様であるから、同一の構成要素に同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００４１】
この第３の実施の形態においては、覆い板体１８により、飛来物が貯水部２内に落下して蓄積するのを防止することができる。この際、外気ファン２０と排気ファン２１とから成る換気用ファンを設けることにより、覆い板体１８と貯水部２間の空気の流通を良好に行って、貯留水６の蒸発を効果的に行うことができる。
【００４２】
この第３の実施の形態において、換気用ファンの動力源としては、例えば太陽光発電や熱電発電により得られる電力を利用すれば、本発明の熱環境調整装置の省エネルギー性を阻害しない。
【００４３】
次にルーバー３の設計方法の一例を図１２を参照して説明する。
図１２は夏期正午の太陽位置を模式的に示すもので、符号３は上述したとおりルーバーであり、このルーバー３は傾斜角がθであり、図中矢印実線の直達日射の入射角はｉとする。
この状態において、下式（１）で示されるＹの値が、ルーバー３の縦断面の長さＬと等しくなるようにルーバー３の傾斜角度と、隣接のルーバー３間の間隔に調整することにより、直達日射がルーバー３の隙間から屋根１に入射しないようなルーバー３の設計が可能となる。
【００４４】
Ｙ＝（L/2）cosθ＋Lsinθtan(θ-ｉ)＋（L/2）cosθ        （１）
即ち、式（１）において、上述した正午の太陽位置に対して、
（１）Y=Lの場合：直達日射の遮蔽を適切に調整することができる。
（２）Y≧Lの場合：必要以上に直達日射を遮蔽するため過剰設計となる。
（３）Y≦Lの場合：直達日射の遮蔽が不十分である。
【００４５】
次に、東京における８月上旬の正午に対応したルーバーの設計例を示す。
例１  ルーバー（傾斜角  ３０°，方位角０°）
直達日射の入射角  １３．１°
ルーバーの最適な間隔：（２／３〜３／４）Ｌ
例２  ルーバー（傾斜角  ３０°，方位角３０°）
直達日射の入射角  １７．３°
ルーバーの最適な間隔：（３／４）Ｌ
例３  ルーバー（傾斜角  ２０°，方位角０°）
直達日射の入射角  ３．１°
ルーバーの最適な間隔：（４／５〜９／１０）Ｌ
但し、Ｌ：ルーバーの縦断面長さ
【００４６】
次に、貯水部２における貯留水量は、貯留水の補充を行う頻度、即ち計画日数等に応じて適宜に設定することができるが、例えば典型的な夏期晴天日１日分の水分蒸発量を約５ｍｍ／日とすれば、降雨がなく晴天日が連続する一週間の水分蒸発量は３５ｍｍとなる。
従って、計画日数を一週間と設定した場合には、貯留水の水深が約３５ｍｍになるように貯留堰の高さを設定すれば良いことになる。また、計画日数を５日間と設定した場合には、貯留水の水深が２５ｍｍになるように貯留堰の高さを設定すれば良いことになり、後者の方が、貯留水の重量の軽減化を図ることができる。
【００４７】
次に本発明の熱環境調整装置による屋根通過熱量の削減効果を算出した例を説明する。
即ち、日射による屋根の下方空間への侵入熱量を、（１）ガラス屋根のみの条件、（２）ガラス屋根の上側に貯留水が存在する条件、（３）ガラス屋根の上側に貯留水が存在し、その上方にガラス製ルーバーが存在する条件（本発明）に付き計算した結果は以下の通りである。
条件（１）：約７００Ｗ／ｍ2
条件（２）：約５０Ｗ／ｍ2
条件（３）：約−１５０Ｗ／ｍ2
即ち、本発明の熱環境調整装置に対応する条件（３）では、屋根の下方空間への侵入熱量が負の値であり、従って、本発明の熱環境調整装置により、屋根の下方空間の空気を冷却することができることが分かる。
【００４８】
尚、以上の計算に適用した条件は以下の通りである。
８月上旬の晴天日の正午。外気温３３℃、室温２８℃。水分蒸発量５ｍｍ／日。
法線面直達日射量８００Ｗ／ｍ2、水平面天空日射量１５０Ｗ／ｍ2。
ガラス：熱伝導率０．８Ｗ／ｍ・ｋ、厚さ６．８ｍｍ、日射透過率０．７（直達）０．６（拡散）
水：熱伝導率０．６Ｗ／ｍ・ｋ、水深３ｃｍ、日射透過率０．７（直達）０．６（拡散）
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は上述したような数々の効果を奏するものであり、貯留された水の気化熱と熱容量及びルーバーによる日射の遮蔽効果を有機的に結合して利用することにより、非常に効果的に熱環境を調整して温熱的快適性を向上させるという大きな特徴がある。
【００５０】
従って本発明は、アトリウム、アーケード、屋外休憩所等の屋根に適用して利用可能性が極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す断面説明図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の手前側を切り欠いた斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の構成要素を示す拡散図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す系統図的断面説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態を他の局面で示す断面説明図である。
【図７】図６の拡大図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態を更に他の局面で示す断面説明図である。
【図９】図８の拡大図である。
【図１０】本発明の制御フローの一例を示すフロー図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態を示す系統図的断面説明図である。
【図１２】本発明におけるルーバーの設計方法の一例を概念的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
１屋根
２貯水部
３ルーバー
４吸水層
５導水材
６貯留水
７屋根額縁
８貯留堰
９雨樋機能部
１０底板
１１貯水槽
１２給水系統
１３余剰水配水系等
１４補充推計等
１５太陽電池パネル
１６ポンプ
１７固定遮蔽板
１８額縁
１９覆い板体
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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