学校教室におけるシーリングファンを用いた熱環境調整に関する研究（その１）空気攪拌が暖房時の室内温熱環境に及ぼす影響
Control of Temperature Distribution in Classroom using Ceiling Fan
Pert1. Effects of Air agitation on the Thermal Environment under Heating Condition○若松 夏加 ( 大阪大学 )山中 俊夫 ( 大阪大学 )相良 和伸 ( 大阪大学 )甲谷 寿史 ( 大阪大学 )桃井 良尚 ( 大阪大学 )*1Natsuka WAKAMATSU Toshio YAMANAKA*1 Kazunobu SAGARA*1 Hisashi KOTANI*1 Yoshihisa MOMOI*1*1
Osaka University
Recently, the number of schools which installed air-conditioners has been rapidly increasing. Also energy saving attract
attention behind environmental concern. The purpose of this study is to make balance comfort with energy saving byusing ceiling fan, and establish the air conditioning system which combine use of air-conditioner and ceiling fans. This
paper discussed on the indoor thermal environment controlled by air-conditioning and ceiling fan operation under heating
condition.
1. はじめに
近年、ヒートアイランドによる温度上昇や、生徒が自宅で冷房による環境調整に慣れていること、暑さによる学習効率の低下を防ぐことなどから、普通教室にエアコンを導入する学校が増えている 1)。しかし学校教室へのエアコン導入は、温熱環境の向上やそれによる学習効率の改善などの利点があるものの、健康への影響の懸念やエネルギー使用量の増加といった側面もある 2)。また近年は地球環境問題への社会的関心が高まっており、快適な教室環境と環境負荷低減の両立が求められている。
そこで本研究では、エアコン設置が急速に普及する学校教室を対象とし、快適性と省エネルギー性の両立を実現する手法のひとつとしてシーリングファンの利用について検討を行う。具体的には、エアコンとシーリング
ファンを併用することにより、冷房期においてはシーリ
ングファンの空気攪拌効果によるエアコン気流のドラフ
ト改善といった快適性の向上や、気流感利用によりエアコンの設定温度を高めにできるといった省エネ効果が考えられる。中間期においても、気流感利用によりエアコンの使用期間を削減できるといった省エネ効果が考えられる。暖房期については、攪拌効果により上下温度差を解消できることから暖房設定温度を低めに設定できると考えられ、快適性と省エネ性に効果的であると考えられる。ここで冷房期、中間期、暖房期でそれぞれシーリン
グファンを使用する目的が異なるため、最適な設計・運転法もそれぞれの時期で異なると思われる。
またシーリングファンに関する既往研究としては大空間を対象にしたもの 3) がほとんどであり、学校教室を対象とした事例はあまり見られない。シーリングファンと自然換気・機械空調を併用した空調システムについてもオフィスを対象にした事例 4) はあるものの、学校教室とは室形状、室内発熱量、通風性状等といった室特性が異なるため、そのまま適用することは困難であると考えられる。
本研究は学校教室を対象として、全ての時期で快適性と省エネ性を実現できるような、シーリングファンを利用した空調システムの設計・運転法を確立することを最終目的としている。
本研究では第一段階として、暖房時におけるシーリン
グファンの温熱環境改善効果を把握することを目的にア
ンケート調査、物理量実験及び被験者実験を行った。本報では在室者アンケートの結果とシーリングファン回転
数が室内温熱環境改善効果に与える影響を把握するために行った物理量実験の結果について報告する。
2. アンケート調査概要
シーリングファンを実際に教室で使用していく上での問題点等を把握することを目的として、学生を対象に在室者アンケートを行った。大阪大学工学部 S1 棟 7 階の教室に直径 1100mm のシーリングファン（パナソニック
エコシステムズ製、F-M111W) を 4 台取り付け、実際の授業時間（2010 年 2 月 1 日・10:30 ～ 12:00）にエア
シーリングファン

エアコン
吹出し方向

シーリングファンFigure1 Ceiling fans in the classroom

2,250

1,750

1,200

コンと併用して稼動させた ( 図 1)。エアコンの設定条 型熱電対を計 10 箇所（図 2 の a 点～ j 点 ) に設置し、件は、設定温度を 22℃、吹出し方向を下向き固定、風 各位置で床上 100,600,1100,1700,2200,2600mm の 6 点
量 1,000 ㎥ /(h・台 ) とした。シーリングファンは回転 の温度を測定した ( 図 3)。室内気流の風速測定につい数を 4 段階（ソフト、弱、中、強）に変化できるが、今 ては、定温度型熱式風速計 ( 日本 KANOMAX 製、クリモ
回は弱（150rpm）、回転方向を逆回転（上向き）に設定 マスター MODEL-6533) を用いて移動測定を行い、各測した。授業後に学生に対してアンケートを行った。アン 定位置 ( 床上 1100mm) において、測定間隔 1 秒で 10 秒
ケート内容は、 ①個人属性 , ②音環境 , ③光環境 , ④ 間測定し、その平均値を用いて平面の風速分布を得た。
気流感 , ⑤温冷感 , ⑥気になる点 , ⑦自由記述の 7 項
表 2 に実験条件を示す。なお、表中の "AC" はエア目である。
コンを、"CF" はシーリングファンを表す。エアコンの
3. 物理量実験概要
設定温度を 24℃、吹出し方向は下向き、風量 1,000 ㎥
実験はアンケート調査を行った教室にて実施した。 /(h・台 )、シーリングファンの回転方向を逆回転 ( 上
図 2 に教室平面図を示す。室内の大きさは 7000mm × 向き ) を固定条件とし、シーリングファンは動かさずに
8000mm × 2700mm(H) であり、直径 1100mm のシーリン エアコンのみ運転する条件 (Case1) とシーリングファ
グファン（パナソニックエコシステムズ製、F-M111W) ンの回転数を 90,150,200,300rpm の 4 段階に設定するが 4 台と、部屋のほぼ中央に 2 方向吹出し、暖房能 条件 ( それぞれ Case2 ～ 5) の計 5 条件行った。
力 16kW のパッケージエアコン ( 日立製作所製、RCID- 4. アンケート結果
J140K) が設置されている。実験は 2010 年 1 月に行っアンケートには 20 ～ 22 歳の男性 17 名、女性 16 名、た。表 1 に測定項目を示す。外部環境把握のため、小 不明 3 名の計 36 名からの回答を得た。
型温湿度計 (T&D 社製、RTR-53・TR-72S) を室外部ベラ
図 4 に騒音の程度についての申告結果を示す。
「ふつンダの軒下と廊下に設置した。室内の水平面温度は床上 う」が最も多く、半数以上を占めている。また「うるさい」
730mm の机上に小型温湿度計 (T&D 社製、RTR-53・TR- 「非常にうるさい」と回答した人はおらず、回転数 150rpm
72S,ESPEC 製、RS-10) を設置した。鉛直温度分布は T では騒音はそれほど問題にはならないと思われる。
図 5 にシーリングファンによる光のちらつきについて
3,500
3,500
の申告結果を示す。
「ちらつかない」と回答した人が最Outdoorも多いが、「ややちらつく」「ちらつく」を合わせると半数以上となる。光のちらつきについては照明器具とシーリングファンとの位置関係などの配慮が必要である。
abc
図 6 に気流感についての申告結果を示す。
「感じる」
A
A'
もしくは「非常に感じる」と回答した人は約 6 割であり、Table1 Experiment item

8,000

d

e

f

Measurement ItemMark Measuring Instrument
Outdoor Temperature
Thermo Recoder
Corridor Temperature
Indoor Temperature(Occupied Zone)
Indoor Temperature(Vertical Distribution)
Thermocouple
Indoor Wind Velocity
Anemometer

g

B'

B

2,250

AC

unknown

非常に静か

i

h

j

Table2 Experimental condition
CF
Rotational speed
ソフト(90rpm)
24℃ 弱(150rpm)
中(200rpm)
強(300rpm)

静か
やや静か

1,750

Case AC
2,000

1,500

1,500

1
2
3
4
5

2,000

Corridor

600
100
600

2,400

2,400

1,000 600

0

5

15

n=36

20

Figure4 Noisiness非常に感じる

ややちらつく感じる

malefemale unknown

ちらつく

非常にちらつくFigure3 B-B' section and measuring point [mm]

10

うるさい
非常にうるさいNumber of answer [person]

CH=2,700

2,400

1,100

femaleふつう

ちらつかない

1,700

male

ややうるさいFigure2 Floor plan and measuring point [mm]
2,600
2,200

Number
1
1
17
60
13

0

やや感じる

n=36
5
10
15
20
Number of answer [person]

Figure5 Flicker of light

感じない

0

male

female unknown

n=36
5
10
15
20
Number of answer [person]

Figure6 Sense of air ﬂow

暑い

非常に快適

暖かい

快適

unknown

やや暖かい
どちらでもない
やや涼しい

やや快適
どちらでもない

male

femaleやや不快male female

unknown

24

0.1

24
25
25
26

0.2
涼しい
寒い

0

不快

n=36

非常に不快

5
10
15
20
Number of answer [person]

Figure7 Thermal sensation vote

0

n=36

5
10
15
20
Number of answer [person]

26

0.3

26
25

25
0.2

Figure8 Satisfaction

24
24

圧迫感がある
気流が不快(1) Case 1 _AC

紙が飛ぶ(1) Case 1 _AC

目障り
音がうるさいn=23

照明がちらつく05
1015
Number of answer [person]

24

20

Figure9 Problem of ceiling fan

0.1

Figure10 Diagram of airﬂow

0.1

24
26 25
26

多くの人は気流を感じている。気流を感じる場合のみ、
0.3
25
0.2
主にどこからの気流であるかを回答させたところ「エア24コン」が最も多く、次いで「シーリングファン」という
24
回答が多かった。また、自由記述でも「エアコンの直風が非常に気持ち悪い」という回答があり、気流感にはエ(2) Case 2 _AC ＋ CF(90rpm)(2) Case 2 _AC ＋ CF(90rpm)
アコンからの風が大きく影響している。
図 7 に温冷感についての申告結果を示す。
「どちらでもない」が最も多く、また涼しい側の回答よりも暖かい
24
0.2
側の回答の方が多くなっている。図 8 に温熱環境の快適
25
24
0.3
0.4
感の結果を示す。
「やや快適」が最も多く、次いで「ど25
26
ちらでもない」となっている。アンケート実施日はほぼ
0.2 0.3
24
快適な温熱環境であったと考えられる。
24
図 9 にシーリングファンに関して気になる点についての申告結果を示す。
「目障り」という回答が最も多く、次いで「照明がちらつく」、「圧迫感がある」となってい (3) Case 3_AC ＋ CF(150rpm) (3) Case 3_AC ＋ CF(150rpm)
る。
「音がうるさい」「紙が飛ぶ」「気流が不快」という回答は無かった。このことから、視覚的影響が気になり
24
24
0.3 0.3
やすいと考えられる。
25
0.3
5. 物理量実験結果
2526
26
5.1 風速分布
0.4
0.3
0.3
図 11 に水平面の風速分布の結果を示す。シーリング
24
24
ファンの回転数が増すほど平面内の風速も上がるが、回
転数 90rpm の場合 (Case2) はエアコンのみ運転していた Case1 とほぼ変わらない。また Case3 ～ Case5 で、(4) Case 4_AC ＋ CF(200rpm) (4) Case 4_AC ＋ CF(200rpm)
風速分布は部屋の中央付近で高くなっている。これは、シーリングファンにより吸い上げられた気流は天井に沿って広がり、隣接するシーリングファンからの気流と
24
0.3
25
25
衝突し下降する ( 図 10) ため、室中央ではシーリングファ
0.4
0.4
26
26
ン 4 台分の気流が合流・下降し、風速が大きくなること
0.7
27
0.6
0.4
0.4
が考えられる。またシーリングファンの気流の影響によ
0.3
0.5
るエアコンの吹出し気流が原因とも考えられる。
25
24
25
24
5.2 温度分布
グラフは割愛するが、実験時の外気温度は 5 ～ 8℃、(5) Case 5_AC ＋ CF(300rpm) (5) Case 5_AC ＋ CF(300rpm)
廊下温度は約 14℃であった。
水平面の温度分布の結果を図 12 に示す。なお、用い 0
0.2
0.4
0.6
0.8
23
24
25
26
27 [℃][m/s]
た温度は各条件とも 10 秒毎の測定データを 30 分間平均

Figure11 Velocity distribution Figure12 Temperature distribution

ファンの気流によりエアコンの吹出し気流が横に広がらずにそのまま下降するという現象が起きる。また、シー2100
リングファンの回転数 90rpm では床上 100 と 1100mm と
1800
1500
の温度差が 4℃程度、150rpm で 2 ～ 3℃、200rpm で 1
1200～ 2℃、300rpm で 0.5 ～１.5℃と、シーリングファン
900の回転数が上がるほど鉛直面の温度分布が小さくなり、
600
300
上下温度差の解消効果が高くなる。水平位置によるシー
0
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
リングファンの効果の差異を比較すると、窓側と廊下側
Temperature [℃ ]Temperature [℃ ]Temperature [℃ ](1) Window side(2) Middle(3) Corridor side では廊下側の方が上下温度差の解消効果が大きい。これ
Figure13 Vertical distribution of temperature
は窓側ほど外気の影響を受けて足元の温度が低くなるためと考えられる。
26
26
6. まとめ
24
24
24
本報では在室者アンケートの結果と、シーリングファ
22
22
A-A' section
B-B' section
ンの回転数が室内環境に及ぼす影響を把握することを目(1) Case 1 _AC
的として行った実験の結果を報告した。
25
22
29
25
25
27
・シーリングファンの回転数 150rpm では、騒音や気流
25はあまり問題にならず、照明のちらつきや圧迫感などの
24
視覚的影響に対して配慮が必要であると思われる。
A-A' section
B-B' section(2)Case 5_AC ＋ CF(300rpm)
・平面の風速分布は、回転数が増すほど風速も上がる。
Figure14 Temperature distribution
また室中央の風速が最も高くなる。
した値である。エアコンのみを運転している条件（Case1） ・シーリングファンの回転数が上がるほど温度分布が均一
では、エアコンの設置されている中央の列の温度が高く、 になる傾向にある。
25 ～ 27℃であるのに対し、窓際と廊下側は 23 ～ 24℃ ・鉛直温度分布はエアコンのみ運転する場合では床上高程度となっており、平面内での温度差は最大で 4℃近く さ 100mm と 1100mm で 3 ～ 5℃程度の温度差があるが、ある。次に Case1 とシーリングファンを回した Case2 シーリングファンを回すことで 0.5 ～ 4℃程度にまで差～ Case5 とを比較する。回転数 90rpm の Case2 の温度 が小さくなる。また回転数が高いほど上下温度差の解消
分布の傾向は Case1 とほとんど同じであるが、シーリ 効果も大きい。
ングファンの回転数が増すと、室後方の温度が下がり、今後は、被験者実験を行うことでより詳細な居住者の室前方の温度が上がる傾向にある。回転数を最大にし 温冷感評価を把握すると共に、今回の実験では行わな
た Case5 では廊下側や窓側の温度も上昇している。ま かった条件についても実験やシミュレーションを行うこた平面内の温度差は Case2 で 3.6℃、Case3 で 3.4℃、 とで、エアコンの設定温度や風向、シーリングファンのCase4 で 3.2℃と、シーリングファンにより温度の分布 配置や台数の影響等についても検討していく予定である。
が解消されている。
図 13 に窓側、中央、廊下側の鉛直温度分布の結果を、 謝辞
図 14 に A-A' 断面及び B-B' 断面での Case1 と Case5 の 本研究を行うにあたり、パナソニックエコシステムズ株式会社よ温度分布の結果を示す。なお、用いた温度は水平温度と り多大なるご協力を頂きました。ここに記して誠意を表します。
同様、各条件とも 10 秒毎の測定データを 30 分間平均し 本研究の一部は文部科学省平成 21 年度科学研究費補助金 ( 若手研た値であり、図 13 の窓側は図 2 の a ～ c 点、中央は d 究 (B) 21760449 研究代表者：桃井良尚 ) によった。
～ g 点、廊下側は h ～ j 点の値を平均している。エアコ 参考文献
ンのみ運転した Case1 では、床上高さ 100mm と 1100mm 1) 吉野他：公立小学校における冷暖房・換気設備の地域別整備状況
で 3 ～ 5℃程度の温度差がある。図 14(1) からも、室内および使用実態 , 日本建築学会環境系論文集 , 第 74 巻 ,2009に上下温度分布が出来ていることが分かる。特に中央の 2) 藤浪他：公立小学校の冷房化に関するエネルギー予測と環境対策
列で温度差が大きい。これは、エアコンからの温風によシナリオ（その 1 ～ 5 ）, 日本建築学会大会学術講演梗概集
り中央の列の上層部の温度が高くなるためと思われる。
,2008-2009
シーリングファンを運転させると床上 100,600mm の温度 3) 桃井他：天井扇を用いた室内気流の制御手法に関する研究 ( その 1が上がり、1100mm はほぼ変わらず、1700,2200,2600mm～ 4 ）, 日本建築学会近畿支部研究報告集 , 環境系 ,2002-2003の温度が下がることで温度差が解消される。ただし図 4) 水出他：ハイブリット空調を行う環境共生建築の性能解析 第 1 ～
14(B-B' 断面 ) に示すように、中央の列ではシーリング
4 報 , 空気調和衛生工学会学術講演論文集 ,2005

Distance from ﬂoor [mm]2700

Case1(-)
Case2(90rpm)
Case3(150rpm)
Case4(200rpm)
Case5(300rpm)

2400

Case1(-)
Case2(90rpm)
Case3(150rpm)
Case4(200rpm)
Case5(300rpm)

Case1(-)
Case2(90rpm)
Case3(150rpm)
Case4(200rpm)
Case5(300rpm)