博 士 （ 工 学 ） 武 田 清 香
学 位 論 文 題 名
粒状潜熱蓄熱材を適用した
床吹出し空調システムに関する研究 学位論文内容の要旨
電力 負荷需要 の昼夜 の極端な アンバラ ンスは 、機器容 量の大 型化や効率低下だけでなく、
新た なインフラ投資にっながる。この原因のひとっに事業系建物の空調用エネルギーがあり、
蓄熟 による負 荷平準化 は有望 な改善策 である といえる 。蓄熱 方法としては、現在一般的であ る氷や水による蓄熱の他、潜熱蓄熱材(Phase Change Materials，PCM)の固液問の相変化熱を利 用し た潜熱蓄 熱などが あげら れる。潜 熱蓄熱 は、利用 温度近 くで高密度に蓄熱できる点や熱 利用 時に相変 化温度付 近にお いてほぼ 一定温 度が得ら れるな どの特徴を持つ。従来の潜熱蓄 熱シ ステムで はPCMを 容器等 に封入し て用い てきたが 、この 場合、容 器壁面近 傍の固 化層が 熱抵 抗となり 熱交換性 能が低 下する点 が問題 であり、 このた め大規模なタンクを用いた蓄熱 装置 が必要で あった。 一方、 近年採用 例が増 加してい る深夜 電カを用いた躯体蓄熱は、建物 躯体 のコンク リートを 蓄熱体 として利 用する ものであ り、非 蓄熱型の空調システムから容易 に変 更できる 利点を持 っが、 躯体の蓄 熱容量 のみでは ピーク 負荷に対応する蓄熱量を確保で きず 、付帯的 に氷や水 蓄熱の 併用が必 要とな っている 。また 、躯体蓄熱時の床吹出し空調に お いて は 、 始 業時 の 床 温低 下に伴う 室内温 熱環境の 悪化が 改善すべ き問題と なって いる。
本 論 文 で は粒 径2‑5 mmの 粒 状PCM充 填層 と 熱 媒で あ る空気 との直接 接触型 の熱交換 方式 を提 案してい る。この 方式の 特徴は熱 交換面 積が大き く、薄 い充填層においても相変化中の 高い 熱交換性 能が持続 的に得 られる点 にある 。本論文 の目的 は、この 粒状PCMと空気 の直接 接触 による熱 交換方式 におけ る基礎的 な熱交 換特性を 明らか にし、躯体蓄熱床吹出し空調シ ステ ムヘ適用 したとき の蓄熱 量増加と 始業時 の室内温 熱環境 改善の効果を定量的に評価する こ と で あ り 、 こ れ に よ り 、 適 正 な 計 画 ・ 設 計 方 法 を 提 供 し よ う と す る も の で あ る 。 本論文の構成および各章の内容は以下の通りである。
第1章 は 、 序 論 で あ り 、 空 調 分 野 に お け る 負 荷 平 準 化 の 意 義 に つ い て 述 べ た 。 第2章 で は 、 過 去 の研 究 に つい て 述 べ、 本 研 究 の目 的 お よび そ の 位置 づ け を示 し た 。 第3章では 、粒状PCMと空 気の直接 接触型 熱交換方 式にお ける基礎的特性を明らかにした。
空 調へ の 適 用 を想 定 し 、相 変化温度 約25°Cの粒状PCMを 円筒カラ ム中に充 填して 通風実験 を行 い、PCMの相変化 中には ほぼ一定 の熱交 換量が得 られる こと、ま たその持 続時間 は面風 速と 温度の違 いによら ず、無 次元滞留 時間にステファン数を乗じた無次元数t*'で予測できる ことを示し、本実験では（2．0土0．5)xl03となることを明らかにした。一方、今回用いた粒状PCM の場 合、面風速3．0〜5．5 cm/sの範囲では粒状PCMと空気の温度を等しいとした計算方法が適 用できることを実験と計算の結果から示した。
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第4章では、潜熱蓄熱を活用した床 吹出し空調システムの小型実験装置を用いた蓄放熱特性に 関する実験結果を示した。ここでは、粒径3 mm程度の発泡ガラスビーズにパラフインを真空吸引に て保持させ、表面にはパラフインの漏出・昇華防止のための樹脂コーティング勘缶した自作品を用い た。まず、送風温度をステッブ変化させた実験により、粒状PCMを敷設した場合には通常の躯体蓄 熱と比較して、室温変化の時定数が2倍前後になることを確認した。次に、オフイス窄調を模擬した 門単位の 蓄放熱実験を〒rい、本粒状PCMを使州する場合に径問の卆調機負荷は人きく削減され、
空調機負荷の夜間移行率佛は89%に向Lすることを示した。
第5章では、蓄熱型床吹出し空調システム解析のための数値解析プログラムを構築し、その中で 必要となる種々の熱移動係数を小型実験システムの結果により同定した。システムの熱特性に最も 影響を与 えるパラメー夕‥は多孔OAフ口アーボード亅二表面の熱 移動係数であり、この値は8 W/m‑/Kと同 定さ れ た。第4章の実験で用いた粒状PCMの潜熱量を仮想的に増減させた計算に よ り、rlsを100％に向上するための条件と、躯体蓄熱のみの場合と比較して始業時の室温低下の改善 効果が得られる範囲を定量的に明らかにした。
第6章では、数値計算により本シス テムの室内温熱環境の予測と評価を行った。ここでは、
粒 径 数umの マ イ ク ロ カ プ セ ル 中 にPCMを 保 持 さ せ 、 ペ レ ッ ト 状 に 成 形 し た 粒 状 PCM(FMC‑PCM)に つ い て3種 類 の 試 作 品 の 適 用を 検討 した 。こ れら の試 作品 はい ずれ も130 kj/kg以上の高い潜熱量を示すことを 確認した。標準的な中規模オフイスビルを対象として、
第5章で 作成 した 数値 解析 ブロ グラ ムに 室内 の 放射熱授受を考慮に加え、室内温熱環境評 価 を 行っ た。 相変 化 温度 が20．0‑22．9°CのFMC‑PCMを12.5 kg/m‑敷設した場合には仏が100%
となるこ とに加え、設定室温を28°Cとしても、床面からの冷放射の効果により空調時間中の 作用温度 は設定室温より1．5°C程度 低く保たれた。特に、始業時のグローブ温度は、躯体蓄熱 のみの場 合には、高さ0．3m地点でも23．1°C程度であり夏期の快適温度域を下回る温度とな っ たの に対 し、 上 記PCMを 敷設 した 場合 には 、PCMの一 定温 度で の蓄 冷効 果により高さ0．l m地点においてもグローブ温度は24．5°Cとなり、始業時の温熱環境の改善効果が示された。
第7章は、床面積9．2 IT12の実規模の環境試験室を用いた実証実験について述べた。標準的 な 内部 発熱 と外 界 条件 を与 えた 場合 、躯 体蓄 熱のみで行う運 転方式では夜間移行率俵は50%
程度であ ったが、相変化温度が18．2〜21．4°CであるFMC‑PCMを12．5kg/m2敷設し、蓄熱時の 床 下空 間へ の送 風 温度 を120C、 昼間 の設 定室 温を28°Cとして運転した場合には、研は92％ と なり ほぼ 全て の 冷房負荷を夜間 の蓄熱により賄うことができた。ニのとき、始業時の室 温 は24°C以上を維持しており、被験者 の温冷感申告実験では「涼しい」との回答は見られなか っ た。 これ らの 結 果から、本提案 システムにおいて全蓄熱運転を可能とする適正な運転方 法 を 提示 し、 その 場 合執 務時 間帯 には 快適 な室 内温 熱環 境を 維持 でき るこ とが実証された 。 第8章 では 、外 気導 入に よる 省エ ネル ギー 効 果の 予測 を行 った 。ま ず、PCM充填層を住 宅 の給気シ ステムに導入した場合について検討し、換気負荷の肖l亅減効果は外気温の日較差の大 きい都市 ほど高くなり、京都では最大で63％の換気負荷が削減されるとの結果を得た。また、
東 北以 北の 都市 に おいては、換気 負荷に加えて冷房負荷も大幅に削減できることを示した 。 こ れら の結 果を 踏 まえ 、粒 状PCMを 適用 した 床 吹出し空調システムにおける外気導入によ る 自然冷熱 利用効果を予測した結果、札幌では冷房期間を通じた空 調機負荷を370。まで低減で き るこ と、 東京 に おいても中間期 には空調機負荷を半分程度に削減できるニとが明らかと な った。
第9章 で は 、 本 研 究 で 得 ら れ た 結 諭 を 総 括 し 、 今 後 の 研 究 の 展 望 に つ い て 記 し た 。
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本研究では、粒状PCMを用いた床吹出し空調システムについて、実験と数値計算により蓄 放熱特性と室内温熱環境を定量的に評価し、適正な計画・設計方法を示した。以上より、本 システムが省エネルギーと室内温熱環境の面から非常に有用であることを結論づけた。
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学位論文審査の要旨 主査 助教授 長野克則 副査 教授 横山真太郎 副査 教授 窪田英樹 副査 教授 繪内正道 副査 助教授 羽山広文
学 位 論 文 題 名
粒状潜熱蓄熱材を適用した
床吹出し空調システムに関する研究
電力 負 荷需 要の昼夜の極端なアンバランスは、機器 容量の大型化や効率低下だけでな＜、
新 たな イ ンフ ラ投資にっながる。この大きな原因が事 業系建物の空調用消費エネルギーであ り 、蓄 熱 によ る負荷平準化は効果的な改善策である。 蓄熱方法としては、水や氷蓄熱の他、
固 液間 の 相変 化を利用する潜熱蓄熱などがある。潜熱 蓄熱は、利用温度近くで高密度に蓄熱 で きる 点 や熱 利用時に相変化温度付近においてほぼ一 定温度が得られるなどの特徴を持つ。
従来 の潜熱蓄熱システムでは相変化材料(Phase Change Material. PCM）を球状容器等に封入 し て用 い てき たが、この場合、容器壁面近傍の固化層 が熱抵抗となり熱交換性能が低下する 点 が問 題 であ り、このため大規模なタンクを用いた蓄 熱装置が必要であった。一方、近年採 用 例が 増 加し ている深夜電カを用いた躯体蓄熱は、建 物躯体のコンクリートを蓄熱体として 利 用す る もの で非蓄熱型の空調システムから容易に変 更できる利点を持っが、躯体の蓄熱容 量 のみ で はピ ーク負荷に対応する蓄熱量を確保できず 、付帯的に氷や水蓄熱の併用が必要と な る。 ま た、 始業時の床温低下に伴う室内温熱環境の 悪化が改善すべき問題となっている。
本論 文 では 粒径2〜5 mmの粒 状PCM充填 層と 熱媒 であ る空 気と の 直接接触型の熱交換方式 を 提案 し てい る。この方式の特徴は熱交換面積が大き く、薄い充填層においても相変化中の 高 い熱 交 換性 能が 持続 的に 得ら れる 点に ある。本論文の目的は、この粒状PCMと空気の直接 接 触に よ る熱 交換方式における基礎的な熱交換特性を 明らかにし、躯体蓄熱床吹出し空調シ ス テム ヘ 適用 したときの蓄熱量増加と始業時の室内温 熱環境改善の効果を定量的に評価する こ と で あ り 、 こ れ に よ り 、 適 正 な 計画 方 法と 運転 方法 を提 供し よう とす るも ので ある 。 本 論文の構成および各章の内容は以下の通りである。
第1章 は 、 序 論 で あ り 、 空 調 分 野 に お け る 負 荷 平 準 化 の 意 義 に つ い て 述 べ て い る 。 第2章 では 、過 去の 研究 につ いて 述 ベ、本研究の目 的およびその位置づけを示している。
第3章 では 、粒 状PCM充填 層と 熱媒 とし ての 空気 との 直接 接触 型 熱交換における基礎的熱 特 性を 解 明し てい る。 空調 への 適用 を想 定し 、相 変化 温度 約25°Cの粒状PCMを円筒カラム 中 に充 填 して 通風 実験 を行 い、PCMの 相変化中にはほ ぼ一定の熱交換量が得られること、ま た その 持 続時 間は面風速と温度の違いによらず、無次 元滞留時間にステフんン数を乗じた無 次元 数f゛ で予測できることを示し、本実験では(2.0土0.5)x103となることを明らかにしてい ― 98 ‑
る 。 一 方 、 今 回 用い た粒 状PCMの 場合 に は、 面風 速3.0〜5.5 cm/sの 範囲 では 粒状PCMと空 気 の温 度を 等し いと した 計 算方 法が 適用 でき るこ とを 実験 と計 算の 結果 から示 している。
第4章では、潜熱蓄熱を活用した床吹出し空調システムの蓄放熱特性に関して小型実験装置を 用いた実験から検討している。ここでは、粒径3 mm程度の発泡ガラスビー→ズにパラフインを真空吸 引にて保持させ、表面にはパラフインの漏出・昇華防止のための樹脂コーティングを施した自作品を 用いて、まず、送風温度をステッブ変化させた実験により、粒状PCMを敷設した場合tこは通常の躯 体蓄熱と比較して、室温変化の時定数が2倍前後になることを確認している。次に、オフイス窄調を 模擬した日単 位の蓄放熱実験を行い、本粒状PCMを使用する場合に昼間の窄調機負荷は大きく 削 減 さ れ 、 空 調 機 負 荷 の 夜 間 移 行 率 仏 は89％ に 向 上 す る こ と を 明 ら か に し て い る 。 第5章では、蓄熱型床吹出し空調システム解析のための数値解析ブログラムを構築し、その中で 必要となる種々の熱移動係数を小型実験システムの結果により同定している。システムの熱特性に 最も影響を与えるパラメーターは多孔OAフロアーボード上表面の熱移動係数であることを示し、こ の値が約8 W/m2/Kとなることを同定している。第4章の実験で用いた粒状PCMの潜熱量を仮想的 に増減させた計算を行い、岬，を100％に向上するための条件と、躯体蓄熱のみの場合と比較して始 業 時 の 室 温 低 下 の 改 善 効 果 が 得 ら れ る 範 囲 を 定 量 的 に 明 ら か に し て い る 。 第6章 では 、数 値計 算に より 本シ ステ ムの 室内 温熱環境の予測と評価を述べて いる。ここ で は 、 粒 径 数umの マ イ ク ロ カ プ セ ル 中 にPCMを 保持 させ 、ベ レッ ト 状に 成形 したFMC‑PCM の3種 類 の 試 作 品の 適用 を検 討し てい る 。こ れら のFMC‑PCMの 潜熱 量 はい ずれ も130 kj/kg 以上と高い値 を示すことが実測されている。標準的な中規模オフイス ビルを対象として、第5 章 で作 成し た数 値解 析ブ ログラムに室内の放射熱授受を加味した室内温熱環境評 価を行って いる。相変化 温度が20.0〜22.90CのPCMを12．5kg/m2敷設した場合には班が 100％となること に加え、設定 室温を28°Cとしても床面か らの冷放射の効果により、空調時間中の作用温度は 設 定室 温よ り約1.5°C低 く保てることを示している。特に、始業時のグローブ温 度が、躯体 蓄 熱の みの 場合 には 高さ0.3m地 点で23.1°Cと夏 期の 快 適温 度域 を下 回っ ているが、PCMを 敷 設 し た 場 合 に は、PCMの一 定温 度で の 蓄冷 作用 によ り高 さ0.1m地 点に おい ても グロ ーブ 温度が24.50Cとなっており、始業時の温熱環境の改善に効果があることを明らかにしている。
第7章 は、 床面 積9.2 m2の実 規模 の環 境試 験室 を用いた実証実験について述べ ている。標 準 的な 内部 発熱 と外 界条 件を与えた場合、躯体蓄熱のみを行う運転方式では夜間 移行率班は 500/0程度となるが、相変化温度が18.2〜21.4°CであるFMC‑PCMを12.5 kg/m2敷設し、蓄熱時 の 床 下 空 間 へ の 送風 温度 を120C、 昼間 の設 定室 温を280Cとし て運 転 した 場合 には 班は92%
ま で上 昇し 、ほ ぼ全 ての 冷房負荷を夜間の蓄熱により賄うことができることを示 している。
こ のと き始 業時 の室 温は240C以上を維持しており、被験者の温冷感申告に「涼し い」との回 答 は見 られ なか った 。こ れらの結果から、本システムにおいて全蓄熱運転を可能 とする運転 方法を示し、 その場合執務時間帯には快適な室内温熱環境が維持できることを実証している。
第8章 では 、外 気導 入に よる 省エ ネル ギー 効果 の予 測 を行 って いる 。ま ず、PCM充填層を 住 宅の 給気 シス テム に導 入した場合について検討を行い、換気負荷の削減効果は 外気温の日 較 差の 大き い都 市ほ ど高 くなり、例えば京都では最大で63％の換気負荷が削減さ れること、
一 方で 東北 以北 の都 市に おいては、換気負荷に加えて冷房負荷も大幅に削減でき ることを示 し てい る。 これ らの 結果 を 踏ま え、 粒状PCMを床 吹出し空調システムに適用した 場合の外気 導 入に よる 自然 冷熱 利用 効 果を 予測 した とこ ろ、 札幌 では 冷房 期間 を通 じた空 調機負荷を 37％ま で低 減で きる こと 、東京においても中間期には空調機負荷を半分程度に削 減できるこ とを明らかにしている。
第9章 で は 、 本研 窰で 得ら れた 結諭 を 総括 し、 今後 の研 究の 展望 につ いて 記し てい る。
これ を要 する に、 著者 は 粒状PCM充填 層と 空気 の直接接触による熱交換方式を 提案し、こ の 熱交 換特 性を 明ら かに す ると 共に 、こ の応 用例の ーっとして粒状PCMを用いた 新しい潜熱 蓄 熱利 用床 吹出 し空 調シ ステムを考案して、実験と数値解析から本システムの適 正な計画方
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法と運転方法を示し、それによる省エネルギー効果と室内温熱環境の改善効果を実証してお り、人間環境計画学および空気調整工学の進展に寄与するところ、大なるものがある。
よって著者は、北海道大学博士（工学）の学位を授与される資格があるものと認める。
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