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パブリック・スペースにおける放射冷暖房の快適性および省エネルギー性に関する研究
藤井 孝行 1 はじめに 放射空調方式は、冷媒の温度を夏季は高く、冬季に は低く設定できることから省エネルギー性の高い空調 方式と言われている。また、空間内の温度むらが少な く、気流による不快感が少ないため快適性の高い空調 方式として注目されている。しかし、放射空調パネル は、オフィスや医療施設等の活動量が少なく、利用者 の温熱状態がほとんど一定である静的な環境で使用さ れることが多く、大空間や、多様な温熱状態の利用者 が存在する動的空間での有効性は十分に検討が行われ ていないのが現状である。 そこで本研究では、大空間かつ動的空間である公共 施設のエントランス部分（パブリック・スペース）を対 象として、冬季における実測調査およびアンケート調 査を行い、実際の温熱環境を定量的に評価するととも に、施設利用者の温冷感覚を把握する。また、夏季、冬 季の実測値を基に数値シミュレーションを行いその計 算精度を確認した後に、算出した表面温度を用いてエ ントランス内の任意の点における PMV の時間変化を 算出することによって、放射冷暖房が室内温熱環境に 及ぼす影響についてより詳細に解析・評価する。 2 実測調査による温熱環境実態把握 2.1 対象施設概要 放射パネルを有する公共施設で実際の温熱環境を把 握するために実測調査を行った。実測対象は福岡県福 岡市にある、図書室、市民センター、音楽・演劇練習場 などの多機能を持つ複合施設である。図1 に本研究で 対象とする南西側エントランスの平面図および計測点 を示す。エントランスは床面積532 ㎡、天井高 11.7 m であり、4 箇所に放射パネルが設置されている。パネル は天井面まで施工されているが、高さ6 m で上下に分 割されており、下部のみ空調能力を有する。パネルの 仕様は、W1,230×D250×H5,500 mm、2 列×6 枚のフィ ンで構成される多板型パネルで、冷房能力1.9 kW、暖 房能力2.2 kW、冷媒流量 3.9 L/min であり、冷房時には 表面に積極的に結露させることで除湿を行う。共用部 にある空調設備は放射パネルのみだが、各個室はビル マルチ空調を行っており、その空調空気を共用部に吹 き出すことで空調負荷の低減を図っている。図1 の上 部の階段下には吹出し流量1,200 ㎥/h の地下ピット吹 出口があり、換気はこの地下ピットを通して行われる。 2.2 実測調査概要 計測点は、対象エントランスと屋外、隣室を含めた 空気温湿度6 点、放射パネル 4 枚（内 2 枚はパネル出 入口も計測）、壁面を含めた表面温度14 点を計測した。 また、PMV 計を用いてグローブ温度および PMV を計 測している。なお、PMV 計測の際の設定として、着衣 量は1.5 clo、代謝量は 1.2 met を用いている。今回の実 測期間中は、放射パネルを開館時間常に稼働させた日 や、一度も稼働させない日など、様々な運転方法が確 認された。 2.3 実測調査結果 実測調査の分析には、外気温が5℃程度と低く、放射 パネルを開館時間常に稼働させた2 月 11 日～13 日（以 下、終日運転期間）と、外気温が比較的高く、日中15℃ を超えるような時間帯もあり、昼間に放射パネルの稼 働を数時間停止した2 月 18 日～20 日（以下、間欠運 転期間）を用いる。 図2 に空気温度および PMV、図 3 に相対湿度および 絶対湿度の結果を示す。終日運転期間において、対象 エントランスの空気温度は約17～18℃、相対湿度 50～ 55%で推移し、PMV は 0 付近を推移しているため、快 適な環境を形成できていると言える。また、地下ピッ ト吹出し口と外気の空気温度差が最高で約7～8℃程度 あるため外気顕熱負荷削減効果が高く、2 月 12 日では 昼間には本来室内で処理すべき外気顕熱負荷の約60% を削減できていることを確認した。間欠運転期間にお いては、対象エントランス空気温度は約18～20℃、相 対湿度55～60%で推移しており、PMV は 0.0～0.5 であ ることから快適な温熱環境であることが確認できた。 パネル④ パネル③ ：放射パネル ：蓄熱壁 ：空気温湿度 ：PMV計設置場所 パネル② パネル① ：対象エントランス ：表面温度 図書室 外気 地下ピット 交流ロビー ガラス ガラス ガラス 蓄熱壁 蓄熱壁 図1 対象エントランス平面図および計測点43-2 昼間に外気温が地下ピット吹出口温度を超える時間帯 が存在したが、一日を通してみると外気負荷を削減で きており、平均して約30%程度の削減率となった。 両期間ともエントランスと 2F 市民ロビーの空気温 度差が約2～3℃あり、上下温度差が生じていることが 懸念される。また、夜間には放射パネルを停止してい るが、その期間にエントランスの空気温度が急激に低 下することはなく、建物のコンクリート躯体による蓄 熱の影響が大きいことが分かる。間欠運転期間では、 昼間にも放射パネルを停止させているが、空気温度お よびPMV に大きく変化はないため、昼間の外気温が高 い日には放射パネルを一時的に停止させることで消費 エネルギー削減に有効であると推察される。 図4 に実測調査期間全体の放射パネル処理熱量を示 す。終日運転期間は約400 MJ/day、間欠運転期間は約 200～300 MJ/day であり、運転時間の違いで処理熱量が 30～50%程度低減している。 図5 に 2 月 12 日および 20 日のエントランス内の高 さ1.5 m の平面上における平均放射温度（MRT）分布 を示す。12 日はパネル稼働開始後 2～3 時間で 4 枚の 放射パネルに囲まれた中央部のMRT は約 19℃に達し、 その後は一日を通してほとんど同様の分布となった。 20 日は 13 時にパネルを停止し、17 時に稼働を再開さ せているが停止前から大きく変化することはなかった ため、上述したように、昼間に放射パネルを停止させ ることで温熱環境を悪化させることなく消費エネルギ ーの削減が可能であると推察される。 ■：パネル運転期間 図2 空気温度および PMV -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 0 5 10 15 20 25 30 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 P M V [-] 空気温度 [℃ ] 外気 対象エントランス 1F中央エントランス 図書室 2F市民ロビー 地下ピット吹出 PMV 2月11日 2月12日 2月13日 [時刻] (a) 終日運転期間 (b) 間欠運転期間 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 0 5 10 15 20 25 30 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 P M V [-] 空気温度 [℃ ] 外気 対象エントランス 1F中央エントランス 図書室 2F市民ロビー 地下ピット吹出 PMV 2月18日 2月19日 2月20日 [時刻] ■：パネル運転期間 2月11日 2月12日 2月13日 [時刻] 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 絶対湿度 [g /k g( DA )] 相対湿度 [% ] 外気相対湿度 エントランス相対湿度 地下ピット吹出相対湿度 外気絶対湿度 エントランス絶対湿度 地下ピット吹出絶対湿度 (a) 終日運転期間 2月18日 2月19日 2月20日 [時刻] 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 絶対湿度 [g /k g( DA )] 相対湿度 [% ] 外気相対湿度 エントランス相対湿度 地下ピット吹出相対湿度 外気絶対湿度 エントランス絶対湿度 地下ピット吹出絶対湿度 (b) 間欠運転期間 図3 相対湿度および絶対湿度 0 4 8 12 16 20 24 0 100 200 300 400 500 600 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 温度 [℃ ] 日 積 算 処 理 熱 量 [MJ /d a y] 日付[日] パネル処理熱量(4枚合計) 外気温(最高値) 外気温(最低値) エントランス温度(平均値) 図4 放射パネル処理熱量 [℃] a-(i) 2 月 12 日 9 時 室温:17.7℃ a-(iii) 2 月 12 日 17 時 室温:18.4℃ a. 終日運転期間 a-(ii) 2 月 12 日 13 時 室温:18.1℃
b-(i) 2 月 20 日 9 時 室温:19.0℃ b-(ii) 2 月 20 日 13 時 室温:19.9℃ b-(iii) 2 月 20 日 17 時 室温:19.7℃
b. 間欠運転期間
43-3 3 アンケート調査による施設利用者の温冷感把握 3.1 アンケート調査概要 実測調査に加えて、施設利用者に対して熱的快適性 に関するアンケート調査を行った。期間は実測調査期 間中の9～17 時に実施した。アンケート内容は、性別、 年齢、回答のタイミング（入館直後／滞在中／退館前） に加えて、温冷感・乾湿感・快適感に関する10 項目と、 服装・交通手段・来館目的に関する7 項目である。得 られた回答数は男性213、女性 190 であった。なお、回 答のタイミングにおける「滞在中」と「退館前」は、温 冷の感じ方が同等であると考え、集計の際には「退館 前」の回答は「滞在中」のものとして集計した。 3.2 アンケート調査結果および考察 図6 にエントランス空気温度と利用者の温冷感の関 係を示す。エントランスの温度が高くなるほど「涼し い」と感じる割合が増加し、「暖かい」と感じる割合が 減少しており、人間の感覚として想定される温冷の感 じ方と逆の傾向を示した。 図7 にエントランス相対湿度と利用者の乾湿感の関 係を示す。相対湿度が高くなるにつれて「乾燥」側の回 答割合が減少する傾向が見られるが、どの湿度帯にお いても乾燥感を訴える人が2 割程度存在した。「湿潤」 側の回答は相対湿度の上昇につれて増加傾向を示すこ とはないが、相対湿度60%を超えると割合が増加した。 図8 にエントランスの空気温度と利用者の快適感の 関係を示す。「快適」の割合はどの温度帯でも大きな変 化はないが、室温が低いほど「やや快適」の回答割合が 増加し、「どちらでもない」および「不快」側の回答割 合が減少する傾向が確認できた。また、「どちらでもな い」の回答を含めると、どの温度帯でも9 割以上の人 がエントランスの温熱環境を不快に感じていないこと が分かる。 図9 にエントランス相対湿度と利用者の快適感の関 係を示す。室内の相対湿度が低下するほど「快適」側の 割合が増加する傾向にある。しかし、45～50%と 50～ 55%では「快適」の割合は増加しているものの「快適」 側の割合はほとんど変化していないため、相対湿度は 45～55%が適正値であると推察される。 また、実測調査では得られたそれぞれの指標（温湿 度およびPMV など）に対して一般的に快適と言われる 範囲と比して温熱環境の評価を行ったが、その快適範 囲が必ずしも利用者にとって適切なものであるとは限 らない。そこでアンケート調査の快適感に関する回答 を得点化（非常に快適：3 点～非常に不快：-3 点）し、 空気温湿度毎に平均することで快適感得点率を算出し た。不快者率は、快適感に関する回答で「不快」側に回 答した人の全回答に対する割合である。 表1 に空気温湿度別に算出した快適感得点率を、表 2 に空気温湿度別の不快者率を示す。快適感得点率が 高いのは室温17～19℃、相対湿度 45～60%の範囲に多 い。不快者率では室温19～20℃、相対湿度 45～55%で の不快者率が高く、室温18～19℃、相対湿度 55～60% でもわずかに高くなっている。そのため、アンケート 調査の回答から算出した利用者の快適範囲は、室温17 ～19℃、相対湿度 45～55%であると言える。 1.6 4.5 3.8 3.1 2.8 3.8 11.8 19.1 18.8 48.0 42.7 50.0 16.5 18.5 16.3 18.9 12.4 7.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 17～18 (n=127) 18～19 (n=178) 19～20 (n=80) 割合[%] 室内温度 [℃ ] 寒い 涼しい やや涼しい どちらでもない やや暖かい 暖かい 暑い 図6 エントランス空気温度と利用者の温冷感 7.1 7.9 2.5 43.3 41.0 47.5 35.4 33.7 22.5 12.6 14.6 18.8 1.6 2.2 6.3 0.6 2.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 17～18 (n=127) 18～19 (n=178) 19～20 (n=80) 割合[%] 室内温度 [℃ ] 非常に快適 快適 やや快適 どちらでもない やや不快 不快 非常に不快 図8 エントランス空気温度と利用者の快適感 6.2 6.2 6.9 2.4 48.0 41.2 36.2 36.6 29.4 36.1 36.2 26.8 13.0 12.4 17.2 24.4 2.3 3.1 3.4 9.8 1.1 1.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 45～50 (n=177) 50～55 (n=97) 55～60 (n=58) 60～65 (n=41) 割合[%] 相対湿度 [% ] 非常に快適 快適 やや快適 どちらでもない やや不快 不快 非常に不快 図9 エントランス相対湿度と利用者の快適感 図7 エントランス相対湿度と利用者の乾湿感 0.6 4.5 1.0 6.9 24.3 24.7 15.5 22.0 69.5 70.1 75.9 63.4 1.1 4.1 1.7 14.6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 45～50 (n=177) 50～55 (n=97) 55～60 (n=58) 60～65 (n=41) 割合[%] 相対湿度 [% ] 非常に乾燥 乾燥 やや乾燥 どちらでもない やや湿潤 湿潤 非常に湿潤 表1 エントランス温湿度と快適感得点率 45～50 50～55 55～60 60～65 65～70 70～75 17～18 1.4 1.5 1.4 1.1 - -18～19 1.6 1.3 1.1 0.9 - -19～20 1.0 1.1 1.3 - - -20～21 1.4 - - - - -エントランス相対湿度[％] エントランス 空気温度 [℃] 45～50 50～55 55～60 60～65 65～70 70～75 17～18 0% 3% 0% 6% - -18～19 1% 0% 6% 13% - -19～20 13% 12% 4% - - -20～21 9% - - - - -エントランス 空気温度 [℃] エントランス相対湿度[％] 表2 エントランス温湿度と不快者率
43-4 4 数値シミュレーションによるPMV 分布解析 4.1 数値シミュレーションの計算精度 表3 に計算条件を示す。放射パネルの冷媒入口温度 は、本研究での冬季の実測値および2017 年夏季の実測 値を入力値として計算を行った。また、エントランス と隣接ゾーンの移流量は数値流体解析により算出した。 建築の熱環境解析には、熱・水分・空気連成を考慮した 数値シミュレーションソフトTHERB for HAM を使用 し、放射パネルの計算に係るアルゴリズムを追加して いる。図10 にエントランス空気温度と放射パネル冷媒 出口側表面温度の実測値との比較を示す。計算値はよ く実測値を捕捉しており、計算精度の高さを確認した。 このモデルを使用し、THERB によりエントランス内 の、より細分化した表面温度と空気温度を算出した。 その後、それらの値を基にエントランス内の任意の点 における形態係数、PMV を算出するツールを作成し、 エントランス内1 m 毎の PMV 分布を算出した。また、 夏季・冬季のパネル稼働時間が類似している 3 日間に おいて1 時間毎に分布を算出し、時間変化による温熱 環境の変化を分析した。 4.2 PMV 分布の時間変化 図11 に 2017 年 8 月 27 日（終日運転期間）、2018 年 2 月 20 日（間欠運転期間）それぞれの 9 時、13 時、17 時のPMV 分布を示す。エントランスは動的空間のため 様々な代謝量の状態が考えられるが、歩行時の人は空 調対象外と考え、1.0 met（座位安静）、1.2 met（座位軽 作業）、1.4 met（立位）の 3 つについて検討を行い、図 11 には安全側を検討するために夏季 1.4 met、冬季 1.0 met の結果を示している。夏季に関して、施設開館時間 の9 時はエントランス全体で一様に 0.5 前後であり、 快適な範囲に収まっている。しかし、17 時になると日 射の影響でPMV は悪化するが 0.7 程度であり許容範囲 内であると言える。。冬期に関して、13 時にパネルを停 止して4 時間が経過しても PMV は 0.1～0.2 程度の変 化であったため、昼間にパネルを停止する運転方法に よって温熱環境を大きく悪化させることなく消費エネ ルギーの削減が可能であることが明らかとなった。 5 むすび 本研究では大空間かつ動的な空間である公共施設の エントランスにおいて放射冷暖房が室内温熱環境に及 ぼす影響を解析した。以下に得られた知見を示す。 1）実測調査により温熱環境の実態を把握し、放射パネ ルにより快適な空間が形成されていることを確認した。 2）アンケート調査により利用者の温冷感を把握すると ともに利用者の快適温湿度範囲を明らかにした。 3）数値計算モデルの精度を確認し、作成したツールを 用いてPMV 分布を算出したことで、運転方法によって 更なる省エネルギー化が可能であることを示した。 [参考文献] 1. 尾崎明仁：熱・水分・空気連成を考慮した建築の温湿度・熱負荷計
算，Technical Papers of Annual Meeting of IBPSA-Japan，pp19-26，2005
2. 尾崎明仁，渡邊俊行，他：建築外表面の熱・水分伝達に関する実験的 研究－風洞実験による水平試料上面の熱・水分移動について，日本建 築学会計画系論文報告集 第407 号，pp.11-25，1990.1 2017年8月17日～9月11日 2018年2月4日～2月28日 換気量[㎥/h] 1,200 パネル冷媒入口温度[℃] 実測値 隣接ゾーン間移流量[㎥/h] CFDにより算出 計算期間 表3 計算条件 0 10 20 30 40 50 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 2月11日 2月12日 2月13日 温度 [℃ ] 外気 エントランス空気（実測値） エントランス空気（計算値） パネル出口表面（実測値） パネル出口表面（計算値） 2月11日 2月12日 2月13日 [時刻] 図10 精度検証結果 a-(ii) 8 月 27 日 13 時 a-(i) 8 月 27 日 9 時 a. 夏季終日運転期間（代謝量 1.4met） a-(iii) 8 月 27 日 17 時 b-(ii) 2 月 20 日 13 時 b-(i) 2 月 20 日 9 時 b. 冬季間欠運転期間（代謝量 1.0met） b-(iii) 2 月 20 日 17 時 図11 時間毎の PMV 分布 [-] ■：パネル運転期間
