JP2007024476A - 置換換気空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】 置換換気空調システムにおいて、コンベクタを使用することなく冬期の外皮負荷を除去する。
【解決手段】
空調空間内１０に低温空気を室内下部から供給し、空調空間内１０に配置されている発熱体近傍によって加熱され上昇した加熱空気を排気することにより換気を行う置換換気システムにおいて、室内１０と室外を隔てる窓部１４を２重ガラス構造とすると共に、室内側窓ガラス２４の上部に開口部２６を設け、室内側窓ガラス２４と室外側窓ガラス２３に挟まれた空間２５に、天井１１側に押し上げられた高温、かつ汚染質濃度が高い空気を開口部２６を介して流入させ、空間２５を流下させた後、室外に排気する。高温、かつ汚染質濃度が高い空気を窓部１４を通過させてから排出することで、冬期おける窓部のコールドドラフトを解消できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、室内の空調システムに関し、特に置換換気空調システムに関する。

一般に、置換換気空調システムは、室内空気の密度差を利用して室内の発熱源の周囲から発生する汚染質（二酸化炭素等）を室内上部から排気するものであり、従来からの混合空調方式に比べ良好な空気質環境が提供でき、省エネルギーの観点からも有効な換気方式であることが知られている。

置換換気空調システムは、室内設計温度より若干低い空調空気を室内下部より供給することで室内に高温層、中温層、低温層といったような温度成層を形成するため、年間を通して冷房負荷が存在するような特殊な環境（例えば、高発熱源が存在する工場など）に対しては特に有効であり、その適用例も多い。

しかしながら、転じてこの置換換気空調システムをオフィスなどの一般環境に導入しようとすると、例えば冬期においては、屋外の冷熱源によって窓面近傍（室内側）では窓面上部から下部にかけて冷気が下降し（コールドドラフト）、これに伴って天井付近の高温、かつ汚染質濃度が高い空気も居住域に降下して居住者に不快感を与え、空気質を悪化させる場合がある。加えて、窓面近傍より下降した冷気と室内に供給される空調空気との温度差により、空調空気が室内下部に行き渡ることなく空調空気の吹出し口より上昇し、そのまま排気されてしまうといったような、所謂“ショートサーキット”の問題もある。

このような問題に対し、例えば下記非特許文献１には、窓部近傍にコンベクタ（熱流器具）を設置し、下降するコールドドラフトをコンベクタからの熱上昇流によって相殺することで冬期の外皮負荷を除去しようとした置換換気空調システムが提案されている。しかしながら、この置換換気空調システムは、ペリメータ（窓際部）へのコンベクタの設置や、設置後のコンベクタへのエネルギ投入など、システムとしてのイニシャルコスト、ランニングコストが大きく、また温度成層を崩さないような熱流の制御が複雑であるといったような多くの問題を含んでいる。

Rehva（リーバ）ガイドブック2002年版No.1, Displacement ventilation (置換換気) Hakon Skistad、その他著

本発明は、このような現状に鑑み、コンベクタを使用することなく冬期の外皮負荷を除去できるような置換換気空調システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、空調空間内に低温空気を室内下部から供給し、空調空間内に配置されている発熱体近傍によって加熱され上昇した加熱空気を排気することにより換気を行う置換換気システムにおいて、室内と室外を隔てる窓部材を２重構造とすると共に、室内側窓部材の上部に開口部を設け、室内側窓部材と室外側窓部材に挟まれた空間に、天井側に押し上げられた高温、かつ汚染質濃度が高い空気を上記開口部を介して流入させ、上記空間を流下させた後、室外に排気されるように構成したことを特徴とする置換換気空調システムを提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、上記空間に流入された高温、かつ汚染質濃度が高い空気の一部は、リターンエアとして戻されることを特徴とする置換換気空調システム。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、上記空間内にはブラインドが設置されることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、上記開口部にはその流路抵抗を可変とする手段が設置されることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、上記流路抵抗可変手段は、可変翼を有するルーバであることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１の発明において、上記室内に存在する空気の一部が上記空間を介することなく、リターンエアとして戻されることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１の発明において、上記室内側窓部材及び室外側窓部材は、窓ガラスからなることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、天井側に押し上げられた高温、かつ汚染質濃度が高い空気を、室内側窓部材と室外側窓部材に挟まれた空間を介して排出させることで、冬期において窓部上部から下方に向かって冷気が下降するようなコールドドラフトを解消することができる。即ち、冬期におけるペリメータレス化を図ることができ、従来システムのようにペリメータにコンベクタを設置する必要もなく、コスト的、エネルギ的にも有効となる。

請求項２の発明によれば、室内側窓部材と室外側窓部材の間の空間に流入された上記高温空気の一部をリターンエアとして再び室内に戻すことで、冬期の空調の負担が低減される。

請求項３の発明によれば、室内側窓部材と室外側窓部材の間の空間内にブラインドを設置することで、夏期などにおける日射負荷（冷房負荷）を軽減することができる。

請求項４の発明によれば、室内側窓部材の上部にある開口部に、その流路抵抗を可変とする手段を設置することで、排気過程で上記空間内に生じる負圧の大きさを調整でき、夏期においては窓部材間の空間内の高温空気が室内に逆流するのを防ぐことができ、室内の温度成層を乱すことはない。

請求項５の発明によれば、流路抵抗可変手段を可変翼を有するルーバとすることで、空間内の負圧を容易に微調整できる。

請求項６の発明によれば、室内に存在する空気の一部を上記空間を介することなくリターンエアとして空調機に戻すことで、夏期においては、空間を介した高温空気の一部をリターンエアとして戻す場合に比較して、そのリターンエアの温度が低くなり、空調の負担が低減される。

請求項７の発明によれば、上記室内側窓部材及び室外側窓部材を共に窓ガラスとしたことにより、置換換気空調システムをビルなどのオフィス、病室等の一般の建物の空調空間に対し広く適用できる。

以下、図面を参照して、本発明に係る置換換気空調システムの実施形態を説明する。図1は、一実施形態にかかる置換換気空調システム１の概略構成図である。

空調空間（室内）１０は，例えば事務室、電算機室、病室等であり，天井１１，床１２及び複数の側壁１３で区画されている。側壁１３の内、室外に面する部分は窓部１４として構成される。空調空間１０の内部には，発熱体として例えばパソコン（ＰＣ）１５やその他の発熱する機器、人間など（不図示）が存在している。空調空間１０の下部であって、窓部１４より離反した側壁１３の下部には、空調空気を室内に供給する吹出口１６が設けられる。空調空気は、室温設計温度よりもやや低い温度に設定され、室外に設けられた空調機（Air Handling unit）１７より給気ダクト１８を経て供給されている。空調機１７は、外気ＯＡを冷却して低温空気を作るための冷却器１９（夏期の場合）やフィルタ（図示せず）を備えており，また，作った低温空気（冬期・夏期とも室温よりも若干低い温度の空調空気）を給気ダクト１８を経て空調空間１０内に供給する給気ファン２０などを備えている。冷却器１９は例えば冷温水熱交換器であり、夏期（冷房時）には冷水（OAより低温）を流し、冬期（暖房時）には温水（OAより高温）を流す。図１において、２１は外気ＯＡを空調機１７へと導く外気導入ダクト、２２は空調機１７に取り込まれる外気ＯＡの量を調整するダンパである。

空調空間１０と室外を隔てる窓部１４には、窓部材として２枚の窓ガラス２３、２４が装着される。図示するように、窓ガラス２３、２４はその間に空間２５を形成するように所定距離をおいて設置され、２重窓ガラス構造となっている。

窓ガラス２３、２４の内、室外側に位置する窓ガラス２３（以下、室外側窓ガラスと呼ぶ）はその上下端が窓部１４の側壁１３に密着される。他方、室内側に位置する窓ガラス２４（以下、室内側窓ガラスと呼ぶ）は、その下端は窓部１４の側壁１３に密着されるのに対し、上端は上方より垂れ下がる側壁１３に対して密着されることなく、窓ガラス上端と側壁１３との間に若干の開口部２６を形成するように設置される。この開口部２６は、窓ガラス幅方向（図面に対して垂直方向）に延びて形成され、本置換換気空調システム１の排気口を構成する。

窓ガラス２３、２４間に形成される空間２５の下方には、窓ガラス幅方向にその一端が閉じられた排気通路２７が設けられ、その他端には排気ダクト２８が接続されている。排気ダクト２８は床１２の内部を通り、最終的には室外に開口する。なお、排気ダクト２８の途中には、窓部１４の空間２５を介して室内の高温空気を吸引するための排気ファン２９と、排気量を調整するためのダンパ３０が設けられる。なお、排気ファン２９より排気上流側において、排気ダクト２８は一部分岐して空調機１７にも接続される。すなわち、本実施形態では、空調空間１０の上部に溜まった空気（空調空間１０に存在している人体やＯＡ機器などの熱負荷によって加熱された空気)が、上記開口部２６を経て窓ガラス２３，２４間の空間２５に流入し、その後、排気ダクト２８を介して一部は空調機１７に戻され、その他は外部に排気ＥＡされるようになっている。

以上のように構成された置換換気空調システム１の作用を、図２を参照しながら説明する。なお、図中の各矢印はシステム１内の空気の流れを示しており、特に、冬期におけるシステム１の作用を説明するものであるが、夏期においても基本的にその空気流れは同じである。

置換換気空調システム１において、空調機１７で作った低温の空調空気（給気）ＳＡ、すなわち室内設計温度よりやや低い空調空気を、給気ファン２０の稼動により、給気ダクト１８及び吹出口１６を経て空調空間１０内に供給する。こうして空調空間１０内に供給された低温空気ＳＡは、温度差により、空調空間１０内の下方に下降するように流れ、空調空間１０内の下方の居住空間を低速で満たしていき，居住空間を快適な環境に保つ。一方，空調空間１０内の例えば居住空間には，発熱体としてのパソコン１５、人間などが存在しているので、空調空間１０内に供給されてこれら発熱体に熱的に接触した低温空気ＳＡは、やがて加熱され緩やかに上昇する。その上昇流により、空調空間１０内においてパソコン１５の周りに生じた塵埃やガスなどの汚染物質を空調空間１０内の上方に搬送することができる。

一方、排気系においても排気ダクト２８に設けられた排気ファン２９が稼動され、ダクト２８内や窓ガラス２３，２４間の空間２５内にある空気は、排気ファン２９と給気ファン２０によって吸引される。この結果、空間２５内には負圧が生じ、空調空間１０との圧力差により天井１１近傍に溜まった空気（加熱された空気）もまた、空調空間１０内に形成された温度成層を乱すことなく、窓部１４上部の開口部（排気口）２６から空間２５内に流入し、排気通路２７に向かってゆっくり下降する。

冬の場合、通常外気に晒され低温になったガラスや外壁等（不図示）により、室内の窓部側（ペリメータ）においてもペリメータ上部から床１２に向けて冷気のダウンフローが生じる（コールドドラフト現象）。しかしながら、本発明の置換換気空調システム１によれば、２重となった窓ガラス２３，２４間の空間２５内を、加熱された空気が下降するため、その流動過程において熱交換が行われ暖房負荷（外皮負荷）は除去され、室内においてはコールドドラフトは発生しない。こうして空調空間１０の上部に溜まった加熱空気は、空間２５を下降する過程で冷却され、その後、排気通路２７、排気ダクト２８を経て、一部は空調機１７にリターンエアＲＡとして導かれ、残りは排気ファン２９に排気ＥＡとして導かれ、最終的には外部に排出される。

このように、本実施形態よる置換換気空調システム１では、室内で発生した熱を利用することで、コンベクタを設置しなくとも冬期におけるペリメータレス（外皮負荷除去）化を図ることができ、システムとしてのイニシャルコスト、ランニングコストが下がり、また省エネルギ化も促進することができる。また本実施形態では、空間２５の下降過程で冷却された空気の一部を再度、空調機１７に供給することで、空調機１７側においても新たな低温空気ＳＡ生成のための負担が軽減され、この点でも省エネルギ化が促進できる。なお、空調機１７側への戻されるリターンエア（還気）ＲＡの流量及び排気ファン２９を介して外部に放出される排気ＥＡの量は、ダンパ３０を調整することで制御可能である。

上述した置換換気空調システム１の作動は、夏期においても同じである。すなわち、置換換気空調では季節を問わず天井付近が高温となるため、夏期においても空調機１７を稼動して室内下部に低温空気ＳＡを供給する一方、排気ファン２９も同様に稼動する。この結果、空調空間１０の上部に溜まった空気は、排気口２６を介して空間２５内に流入し、日射等により室内温度よりも高温に加熱された窓部１４を冷却し、その後、排気ダクト２８を経由して外部に排出される。なお、夏期においては、空間２５を通って排気ダクト２８に流入する排気ＥＡの温度は、壁面温度などの影響により、空調機１７に取り込まれる大気温度よりも高くなる場合も考えられる。この場合、冬期と同様に排気ＥＡの一部を空調機１７にリターンエアＲＡとして戻すと、かえって空調機１７側の負荷を高めてしまう可能性がある。したがって、夏期においては、状況（外気温度など）に応じてダンパ３０や空調機１７側のリターンエア取り込み側を調整して、リターンエアＲＡの流量を調整することが好ましく、場合によっては排気ダクト２８を流れる排気ＥＡの全量をそのまま外部に放出するようにしても良い。

このように、本実施形態による置換換気空調システム１は、夏期においても天井１１の高温空気を空間２５を介して排出することで、窓部１４における冷房負荷を低減し、省エネルギーの観点からも有効となる。

以上，本発明の好ましい実施形態の一例を説明したが，本発明は図示の形態に限定されない。例えば、図３に示すように、窓ガラス２３，２４間の空間２５内に可変翼ブラインド３１を設置して、夏期においては日射を遮るようにして、さらに冷房負荷を軽減するようにしても良い。また、図４に示すように開口部２６に可変翼ルーバ３２を設け、夏期においてはその部分の流路抵抗を増やすようにして排気ファン２９による空間２５内の負圧の値を高め、窓間の高温空気が開口部２６を介して室内に逆流するのを防止するようにしても良い。

また図１に示すシステム１では、排気の一部をリターンエアＲＡとして空調機１７に戻したが、例えば図５に示すように、排気ＥＡは全て排気ファン２９を介して外部に排出し、リターンエアＲＡは窓間を通さず、室内より直接、リターンダクト３３を介して空調機１７に供給されるようにしても良い。このシステム１’は、図１のシステム１に比較してダクト構造が複雑ではあるが、リターンダクト３３の室内側取り付け位置を天井１１から離すことで、夏期においてはよりクリーンで低温な空気を空調機１７に供給できるメリットがある。なお、本システム１’においても図３、図４に示すような機構を組み込むことは、特に夏期において日射による冷房負荷を軽減し、かつ窓間の高温空気の室内側への流入を防止する観点から、さらに有効であることは言うまでもない。

また上述した実施形態では、窓部を２重のガラス構造としてガラス間の空間に天井部の高温空気が流入・下降するように構成したが、窓部材としてはガラス板のみ限定されることはなく、他のいかなる窓部材を使用しても良い。例えば図示しないが、プレート（壁部材）を２重構造にしてその間に排気が流れるようにしても良い。

本発明の利用例として、事務室、電算室の空調以外にも、例えば客室，宴会場，遊技場，印刷室，病室，便所，厨房，機械室，ボイラ室，工場などの空調システムに対しても適用できる。

本発明の一実施形態による置換換気空調システムの概略構成図。 図１の置換換気空調システムの作動時（冬期時）の空気の流れを示す概略図。 図１の変形例としての窓部の部分拡大断面図。 図１の変形例としての排気口の部分拡大断面図。 本発明の別の実施形態による置換換気空調システムの概略構成図。

符号の説明

１，１’：置換換気空調システム、１０：空調空間(室内)、
１１： 天井、１２：床、１３：側壁、１４：窓部、
１５：パソコン、１６：吹出口、１７：空調機、１８：給気ダクト、
１９：冷却器、２０：給気ファン、２１：外気導入ダクト、
２２：ダンパ、２３：窓ガラス（室外側）、２４：窓ガラス（室内側）、
２５：空間、２６：開口部、２７：排気通路、２８：排気ダクト、
２９：排気ファン、３０：ダンパ、３１：可変翼ブラインド、
３２：可変翼ルーバ、ＯＡ：外気、ＥＡ：排気、ＳＡ：給気、
ＲＡ：還気（リターンエア）

Claims (7)

1. 空調空間内に低温空気を室内下部から供給し、空調空間内に配置されている発熱体近傍によって加熱され上昇した加熱空気を排気することにより換気を行う置換換気システムにおいて、
   室内と室外を隔てる窓部材を２重構造とすると共に、室内側窓部材の上部に開口部を設け、室内側窓部材と室外側窓部材に挟まれた空間に、天井側に押し上げられた高温、かつ汚染質濃度が高い空気を上記開口部を介して流入させ、上記空間を流下させた後、室外に排気されるように構成したことを特徴とする置換換気空調システム。
2. 上記空間に流入された高温、かつ汚染質濃度が高い空気の一部は、リターンエアとして戻されることを特徴とする請求項１に記載の置換換気空調システム。
3. 上記空間内にはブラインドが設置されることを特徴とする請求項１に記載の置換換気空調システム。
4. 上記開口部にはその流路抵抗を可変とする手段が設置されることを特徴とする請求項１に記載の置換換気空調システム。
5. 上記流路抵抗可変手段は、可変翼を有するルーバであることを特徴とする請求項４に記載の置換換気空調システム。
6. 上記室内に存在する空気の一部が上記空間を介することなく、リターンエアとして戻されることを特徴とする請求項１に記載の置換換気空調システム。
7. 上記室内側及び室外側窓部材は、窓ガラスからなることを特徴とする請求項１に記載の置換換気空調システム。
   
   

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