フジタ技術研究報告第 48 号 2012 年

ダクト式空調機を利用した放射冷暖房システムの開発

滝澤

概勇輝

*1小野幹治*1要現在、一般的に適用されている放射冷暖房システムについては、天井面に放射パネルを設置し、冷温水を流すことによって金属パネルの表面温度を制御するシステムが主流となっている。放射冷暖房は、対流式空調に比べて、まだまだ適用件数は少ない。その理由の 1 つとして、放射冷暖房は、対流式空調に比べ、金属パネルや熱源等、イニシャルコストがかかることが挙げられる。
本報では、集合住宅、介護老人福祉施設の適用を対象とし、放射冷暖房を一般的な建材、設備機器等を用いて低コストで提供可能な 2 タイプのシステムを提案し、冷房時のシステムの性能の把握を行った。
夏期における非定常熱・水分収支計算により、天井表面温度は、終日を通して室温より低く、提案したシステムの室内は、冷放射の環境となった。放射式冷房の冷房負荷は、集合住宅を対象としたシステムは、対流式冷房に対し、12％程度、介護老人福祉施設を対象としたシステムは、8％程度低い結果となった。

Development of a radiant cooling and heating system using an air-conditioner with a duct.

Abstract
Most current radiant cooling and heating systems work by pouring cold and warm water to control thetemperature of a metal panel. However, radiant cooling and heating system have relatively few installations
compared to air-conditioning systems. One of reason for this is that the initial cost is high.
This paper examines two types of low cost radiant cooling and heating system using common building
materials and equipment, etc. One is a radiant cooling system for multi-family housing, the other is a radiantcooling system for nursing facility for the elderly people. The performance of the system under coolingconditions is understood.
As a result, two types of the system became cold radiant. The cooling load of the radiant cooling system for
multi-family housing is reduced by 12% compared with an air-conditioning system. The cooling load ofradiant cooling system for nursing facility for the elderly people is reduced by 8% compared with anair-conditioning system.

キーワード： 放射冷房、熱回路網法、熱水分同＊１ 建設本部 環境エンジニアリングセンター

時移動、集合住宅、介護老人福祉施設－13－フジタ技術研究報告 第 48 号§１．はじめに

2.2 タイプ B （介護老人福祉施設における放射冷暖房システム）
在宅介護が困難な要介護者に対し、健康管理、入浴、排放射冷暖房は、一般的な対流式空調で問題とされる「上せつ、食事等の介護その他の日常生活上の世話を行なう下温度分布」の解消や「不快気流感」を防ぐことが可能であ

介護老人福祉施設の多床室では、室内の鉛直室温分布やり、快適性に優れている。また、居室内外の空気温度差の空調機噴出噴流による気流感が、入所者の QOL 向上の阻圧縮による空調負荷軽減の効果を持つ空調システムとして害要因として問題視されている。放射冷暖房システムの導期待されている。

入は、これらの課題解決の一助となり、また、臭気対策のた

現在、一般的に適用されている放射冷暖房システムにつめ一般病室レベルの換気量が推奨される当空間においていては、天井面に放射パネルを設置し、冷温水を流すこと

は、内外空気温度差の圧縮による空調負荷軽減効果も期によって金属パネルの表面温度を制御し、適切な室内温熱待されている。

環境にするシステムが主流となっている。放射冷暖房は、

図 2 にタイプ B のシステム図を示す。提案するシステムは、快適性、空調負荷軽減に優れた特徴を持つが、対流式空ダクト式空調機によってロフト内空気を冷却することで天井調に比べて、まだまだ適用件数は少ない。その理由の 1 つ

表面を冷放射面とし、天井面に設置された定風量ファンにとして、放射冷暖房は、金属パネルや熱源等、イニシャルコ

よって居室内空気とロフト内空気を循環させることで、潜熱ストがかかることが挙げられる。

についてもロフト内のダクト式空調機が処理する。外調機が本報は、集合住宅、介護老人福祉施設の適用を対象とし、設置されていない施設においても、１室１台の空調機と一放射冷暖房を一般的な建材、設備機器等を用いて低コスト般的な建築材料のみでシステムが構成される点を特徴としで提供可能な 2 タイプのシステムを提案し、冷房時のシステている。なお、介護老人福祉施設は、集合住宅とは異なり、ムの性能の把握を行った結果を報告するものである。

滞在者は仰臥位の時間が多いため、天井暖房を行っても頭熱足寒の環境になりにくいとし、暖房期においても同シス§２． システムの提案テムの使用を想定している。

2.1 タイプ A （集合住宅における放射冷暖房システム）§３．タイプ A の性能把握

集合住宅のようなスペースに限りのある建物においては、低コストの他、容易な潜熱処理、機器の設置スペースの縮集合住宅の住戸への導入を想定したマクロモデルによる小化が求められる。

夏期の非定常熱・水分収支計算をもとに、「天井表面の放図 1 にタイプ A のシステム図を示す。提案するシステムは、ダクト式空調機によってロフト内空気を冷却することで天井射冷却効果」、及び、「空調負荷の削減効果」について検討した。

表面を冷放射面とする。適度な熱伝導性・透湿性を持つ材質の天井材を用いて、居室内の湿気を吸湿することで、潜3.1 計算概要

熱についてもロフト内のダクト式空調機が処理する。１住戸本システムによる「天井表面の放射冷却効果」、及び、１台の空調機と一般的な建築材料のみでシステムが構成さ「空調負荷の削減効果」を把握するため、放射式冷房と一れる点を特徴としている。なお、頭寒足熱の環境を提供す般的なエアコンを用いた対流式冷房の 2 ケースについて、るため、冬期においては床暖房の使用を想定している。

熱・水分収支計算を行い、両者の比較を行った。
ダクト式空調機
900

300

ダクト式空調機

冷気噴出し口ファン

天井（PB9.5・低温）

2500

2500

天井（PB9.5・低温）

冷気

床（木材12+パーティクルボード20+空気層100）

床スラブ（RC180）

床スラブ（RC200）

吹付ウレタン断熱（30）

図 1 タイプ A システム図

図2－14－タイプ B システム図

遮音間仕切壁（PB12.5+GW100+PB12.5）

ダクト式空調機を利用した放射冷暖房システムの開発

本計算は、熱回路網法を用い、天井材のみハイグロスコ

図 4 に計算モデルの回路図を示す。計算モデルの天井

ピック領域における非定常熱水分同時移動として計算を行材、床材、スラブの空間分割はそれぞれ 10、2、4 分割とし、1)った。松本らによる熱水分同時移動の基礎式 を式(１)、(２)

各部位表面で空気層との対流、対称面との放射、各部位内に、境界条件を式(３)、(４)に示す。

部で、上下の節点との熱伝導を考慮している。

図 3 に対象建物モデルを示す。対象建物モデルは、延天井材の熱・水分収支式

べ床面積 77 ㎡の積層型集合住宅を想定し、熱損失係数を2

1.62 W/m K とした。

空調室 70ｍ2∂X∂T−ν= λ 'x ∇ 2 X∂t∂t（１）− rκ∂X∂T+ (cρ + rν )= λ∇ 2T∂t∂t（２）− λ 'x∂X= α 'x ( X 0 − X )∂n（３）∂T= α (T0 − T )∂n（４）水分(φ0γ '+κ )熱境界条件水分非空調室 7ｍ2

熱

延床面積 77ｍ2
熱損失係数 1.62W/m2K−λＸ：絶対湿度(kg/kgDA)

Ｔ：温度(℃)Φ0 ：空隙率(m3/m3)
γ’ ：空気密度(kgDA/m3)
λ’x ：湿気伝導率(kg/ms(kg/kgDA))λ：熱伝導率(W/mK)

α：熱伝達率(W/m2K)

αx：湿気伝達率(kg/m2s(kg/kgDA))ｒ：相変化熱(J/kg)ｃ：質量比熱(J/kgK)

ρ：密度(kg/m3)

κ ：絶対湿度変化に対する含水率勾配(kg/m3(kg/kgDA))

図３ 建物対象モデル

ν ：温度変化に対する含水率勾配(kg/m3K)

床材

Ｔc , Xc

天井材

QAC(CASE-1)
QAC(CASE-2)
Ｔf

Ｔo , Xo

Ｔi , Xi
スラブQ

Ｔc , Xc

図 4 回路図－15－フジタ技術研究報告 第 48 号3.2 計算結果

以下に計算概要を示す。

図5に各ケースにおける代表日3日間（8月14日～8月16○計算モデル ：放射式冷房・対流式冷房○計算間隔：0.1h (後退差分法)日）の(a)グローブ温度、(b) 室内温度、(c) 床表面温度、(d)○計算期間：5 月～10 月

天井表面温度、(e) 室内相対湿度、7月～9月の3ヶ月間の○換気回数：0.5 回換気(f)室内相対湿度の非超過確率を示す。
図5(b)より、放射式冷房の室内温度は、対流式冷房と比○空調機仕様 ：2.8kW 24 時間運転
○気象データ：東京都標準年拡張アメダス気象データ

2)

べ、終日を通して高い。図5(c)、(d)より、放射式冷房の床、天井表面温度は、対流式冷房と比べ、終日を通して低く、※1 時間未満の分割点を Lagrange 補間法で内挿
22

また、放射式冷房の床・天井表面温度は、日中、常に室内○対流熱伝達率：上向き 4.64 W/m K、下向き 2.32 W/m K【放射式冷房】空調稼動時のロフト空間 10 W/m2K温度より低い。図5(e)、(f)より、室内相対湿度の非超過確率○放射熱伝達率：4.70 W/m2K 3)○空調制御が中央値（50％）の時、放射式冷房の室内相対湿度は80.0％、対流式冷房の室内相対湿度は77.2％となり、約3%：居室作用温度（26℃以下）
４）

○居室負荷

： 家族構成、部屋、在室時間等文献 引用の差が見られ、終日を通しても約3%の差が見られる。また、○その他：バルコニーの影響を加味し、日射、夜間放図5(f)より、室内相対湿度が80％を超える確率は、放射式冷房が約50％、対流式冷房が約30％となった。

射は考慮していない。居室内の家具等は計算対象外とした。

以上より、放射式冷房の室内は冷放射の環境となった。

対流式冷房を放射式冷房の作用温度と同値に制御した。

しかし、室内相対湿度は、常に快適範囲であるとは言えな

空調機の顕熱処理能力と潜熱処理能力の割合 7 : 3 とした。
κ、ν は、文献5)、6)い。これは、室体積に対して室内顕熱負荷が少なく、空調より、石膏ボードの吸湿・放湿の平衡含水率曲線を作成し、それらを平均したものより算出した。

機の除湿が十分にされていないためであると考えられる。

作用温度[℃]

天井表面温度[℃]

27.0

27.0

26.5

26.5

26.0

26.0

25.5

25.5

25.025.0

24.5

24.5

24.0

0

128/140128/15

0128/160 [時]

24.00128/140(a)グローブ温度

128/150128/16

0 [時]0128/160 [時](d)天井表面温度
室内相対湿度[%]

室内温度[℃]
27.01009026.58070

26.06025.5504025.0302024.51024.00128/140128/150128/16

0 [時]00128/140(b)室内温度

128/15(e)室内相対湿度

床表面温度[℃]

非超過確率[%]

27.01009026.5807026.06025.5504025.0302024.5

1024.00128/140128/150128/160 [時]0506065707580

85(f)室内相対湿度の非超過確率(c)床表面温度
図 5 計算結果

55

放射式冷房－16－

対流式冷房

9095

100 [％]

ダクト式空調機を利用した放射冷暖房システムの開発

以下に計算概要を示す。

図 6 に各ケースの 7～9 月の顕熱・潜熱負荷の積算値を示す。図6 より、放射式冷房の顕熱負荷は、換気による負荷○計算モデル ：放射式冷房・対流式冷房が軽減されるため、対流式空調より 12%程少ない。また、本○計算間隔：0.1h (後退差分法)

計算モデルにおいて、潜熱負荷は顕熱負荷に比例するた○計算期間：５月～10 月

め、放射式冷房の潜熱処理量は対流式冷房より減少する。

○居室寸法：B6,000mm×W6,000mm×H2,500mm

この影響は、室内相対湿度の 3％程度の差に表れている。

○換気回数：2.0 回換気○空調機風量 ：10.0 ㎥/min

2500

1914

2000
空調負荷 [MJ/戸]2166○空調稼動時間：24 時間運転
○気象データ：東京都標準年拡張アメダス気象データ [2]※1 時間未満の分割点を Lagrange 補間法で内挿

1500○対流熱伝達率：上向き 4.64 W/m2K、下向き 2.32 W/m2K

顕熱1000【放射式冷房】空調稼動時のロフト空間 10 W/m2K○放射熱伝達率：4.70 W/m2K [3]500
潜熱○空調制御0放射式冷房：居室作用温度（26℃以下）
居室相対湿度（60％以下）

対流式冷房

図 6 各ケースの 7～9 月の顕熱・潜熱負荷 積算値○居室負荷：顕熱負荷 500W、潜熱負荷 0.24kg/h○その他：南面日射、夜間放射を考慮した、§４．タイプ B の性能把握

居室内の家具等は計算対象外とした
4.2 最適循環風量

介護老人福祉施設の４床室への導入を想定したマクロモ
デルによる夏期の非定常熱・水分収支計算をもとに、「居室室温と放射面の温度との差が最も大きく、且つ、結露の内空気とロフト内空気の最適循環風量」、「天井表面の放射発生がない状態が居室空気とロフト内空気の最適な循環風冷却効果」、及び、「空調負荷の削減効果」について検討し量となる。
図 8 に循環風量と計算期間中の最大負荷時の居室の室た。

温、相対湿度60％時の室内露点温度、天井表面温度、ロフト内空気温度の関係を示す。

4.1 計算概要
本システムによる「天井表面の放射冷却効果」、及び、居室の室温と天井表面温度の差は、循環風量が少ない「空調負荷の削減効果」を把握するため、本システムによる程大きい。また、居室の露点温度と空調稼動時、計算対象放射式冷房と一般的なエアコンを用いた対流式冷房の 2 ケ内において最低温度となるロフト内の空気温度との交点は、ースについて、熱・水分収支計算を行い、両者の比較を行

循環風量 7 ㎥/min/室であった。以上より、最適循環風量は、った。

7 ㎥/min/室となる。

図 7 に基準階平面図（放射式冷房）を示す。図中の斜線部を計算対象室とする。なお、計算対象室上下、東西側の30.0境界においては、対象室と同様の室が連続しているものと居室の室温し、また、居室北側の境界は、空調された廊下に面している

スタッフルーム

廊下 （共用部分）

2000

ＷＣＮ25.0

温度 [℃]ものとし、熱移動がないものとして計算を行った。

天井表面温度
ロフト内の空気温度

20.015.0

6000

7 m3/min

空調機（ロフト内）
6000

10.00.0

ファン（居室→ロフトへ）

吹付ウレタン（30・内断熱）

４床室（36m2）

居室の露点温度（60%RH）

送風ダクト（ロフト内）

5.0

10.0
循環風量 [m3/min]

15.0

放射式冷房
図 8 循環風量と各温度との関係

窓（3+A6+3・複層・H1200）

図 7 基準階平面図

－17－

20.0

フジタ技術研究報告 第 48 号

4.3 計算結果

28.0

図 9 に居室空気とロフト内空気の循環風量 7 ㎥/min の時

床表面温度の 6 月 26 日（年最初の真夏日）～9 月 8 日（年最後の真夏27.0

6 月に室温より床・天井表面温度が高い期間が見られる。
これは、作用温度が 26℃以下となるため、空調機は稼動せず、日射により、床・天井表面温度が上昇するため、冷放射

温度 [℃]日）の日平均室温、床・天井表面温度を示す。
26.0

居室の室温
25.0の環境にはならない。一方、7 月、8 月の 2 ヶ月間の天井表面温度は、室温より 1.5℃程度低く、冷放射の環境となる。

24.0

4.4 冷房負荷

23.0

天井表面温度16月

図 10 に居室空気とロフト内空気の循環風量 7 ㎥/min の７月

9月

8月

放射式冷房
図 9 室、床・天井表面温度の日平均値（6/26～9/8）

時の 6 月 26 日～9 月 8 日の冷房負荷を示す。
放射式冷房の冷房負荷は、対流式冷房の冷房負荷に対し、顕熱負荷、潜熱負荷共に 8％程度低い。また、換気、外14000に対し、顕熱分で 10％程度、潜熱分で、60％程度低い。これは、放射式冷房が、対流式冷房に比べ、天井表面温度を低温に、室温を高温にすることによって、換気および外皮熱貫流によるロスが減少したためである。

§５． 結論

空調負荷 [MJ/room]皮熱貫流に起因する負荷については、対流式冷房の負荷

12000

13130
12078
窓の透過日射

10000

顕熱

内部発熱

8000

外皮熱貫流
換気

6000
4000

本報では、集合住宅および介護老人福祉施設の４床室換気
潜熱2000を想定した放射冷暖房システムを提案し、夏期における非内部発湿

定常熱・水分収支計算により、「天井表面の放射冷却効果」、0放射式冷房及び、「空調負荷の削減効果」、「居室内空気とロフト内空対流式冷房

図 10 冷房負荷（6/26～9/8）

気の最適循環風量」について、検討を行った。以下に今回得られた知見を示す。
○タイプ A

参考文献

・8 月の代表日（8 月 14 日～8 月 16 日）の天井表面温度は、[1]松本衛 ：新建築学大系 10 第 3 章，彰国社，1984

終日を通して室温より低く、冷放射の環境となった。

[2]赤坂他 ：拡張アメダス気象データ、日本建築学会、2000

・室内の相対湿度について、対流式冷房との差は軽微であ[3]木村健一：建築設備基礎、国際人間環境研究所、2011.4

った。しかし、室内相対湿度は、常に快適範囲であるとは[4] 財）建築環境・省エネルギー機構：「住宅事業建築主の判言えない。これは、室体積に対して室内顕熱負荷が少な断の基準におけるエネルギー消費方法の解説」第 3 章[5] 日本建築学会：建築材料の熱・空気・湿気物性値，丸善株
式会社，2001[6] 大澤他 ：多孔質建築材料内の局所非平衡性に関する研究 第 7 報，日本建築学会大会梗概講演集（近畿）1996

く、空調機の除湿が十分にされていないためであると考えられる。
・放射式冷房の冷房負荷は、対流式冷房に対し、12％程度低い。
○タイプ B

ひ と こ と・室温と放射面温度の差が最も大きく、且つ、結露の発生

今後は、「上下温度分布」、「不快気がない最適な居室とロフト空間の空気の循環量は 7 ㎥

流感」のない空間がより求められる医/min/室であった。

療施設の多床病室において、低コス・7 月、8 月の 2 ヶ月間の天井表面温度は、室温より 1.5℃程

トで提供可能な放射冷暖房システム度低く、冷放射の環境となった。
・の提案を行いたいと考えています。

放射式冷房の冷房負荷は、対流式冷房に対し、8％程

滝澤 勇輝

度低い。

－18－