放射併用パーソナル空調システムの導入事例
㈱竹中工務店 大阪本店 設計部粕 谷 敦
技術研究所 環境・設備部門和 田 一 樹
■キーワード／空調計画・放射空調・パーソナル空調・事務所・リニューアル１．はじめに
近年，オフィスの知的生産性に関する研究が産官学で 広く実施され，その関心が高まってきており，これまで 以上にオフィス空間の居住環境の質を高めることが望ま れている。さらに，環境負荷低減は，社会的な絶対条件 であり，快適なオフィス環境の創出を省エネルギーで達 成することが求められている。このような中で，空調分 野においては，省エネルギー性をより高めながら，室内 温熱環境の質を向上させて知的創造空間を創出する手法 として，タスク・アンビエント空調や放射空調が注目さ れている。また，潜熱と顕熱を別々に処理する潜熱・顕 熱分離空調は，空調に使用する熱媒の温度帯を室内環境 温度に近づけて省エネルギー化をはかることができるた め，その技術への期待が高まっている。この熱媒の温度 帯の利用に適している方式の一つが放射冷房であり，気 流感が少ないことを特徴としていることから，放射冷房 に利用者の状況や好みに応じて気流感を調節できるパー ソナル空調を併用することで，より温熱満足度の高い省 エネルギーなオフィス空間を創出できる。 本稿では，放射併用パーソナル空調システムの導入事 例として，解析・実験による評価および実建物への導入 計画・実測について報告する。２．放射併用パーソナル空調システム
図－１に示すように，一般的な室全体を空調する「対 流全域空調システム」は，大多数が不快ではない温熱環 境を形成する空調方式であり，利用者の好みや状況に対 応できないものである。天井面や机上面にパーソナル気 流ユニットを併用する「対流主体のパーソナル空調シス テム」は，室内設定温度の緩和をはかる際に，利用者の 好みや状況に応じた気流感調整やタスク域の重点的な空 調が可能であり，タスク域の冷却効果を高めたクールビ ズ対応空調も可能である。しかし，これら対流主体の空 調システムは，利用者に対して吹出気流がドラフトによ る不快感につながる可能性があり，パーソナル気流を使 用しない全域空調システムにおいても，冷房時に女性が 気流を嫌う状況が見受けられる。 一方，放射冷房は，冷却された天井面などと人体との 放射熱交換や，冷却面で生じる自然対流により環境制御 が成されることから，一般的に気流感が少ないことを特 徴としており，天井面などを直接冷水配管で冷やす方法 や，図－１に示すように，冷風を利用して天井面などを 冷やす方法がある。冷風を利用した放射冷房は，天井に 設置した通気性のある材料（例えば，金属パンチングパ ネル）を介して冷風を室内に供給することで，天井面を 冷却しながら室温調整を行う。室に投入される熱量が等 しく，最終的に形成される室内温度が同じでも，人体に 対しては冷却面の放射により体感温度が低く感じること になり，設定温度の緩和につなげることが可能である。 これら気流感の少ない放射冷房とパーソナル気流を組 み合わせた「放射併用パーソナル空調システム」は，利 用者の環境選択範囲を広げて，省エネルギーで温熱満足 度が高いオフィス空間を提供できる技術と考える。３．数値流体解析と実験による評価
３－１ 評価概要 放射併用パーソナル空調の温熱環境や人体冷却効果に ついて，数値流体解析と実験による評価を行った。評価 対象システムは，25℃設定の一般的な対流全域空調 （スーツ着用条件），28℃設定の対流主体のパーソナル空 調および放射併用パーソナル空調（軽装条件）とした。評 価対象空間は，図－２に示す室内に，照明発熱や機器発 熱，人体発熱を与え，室内平均温度が設定温度になるよ う表－１の空調吹出温度や風量を設定している。 ３－２ 数値流体解析結果 人体熱モデルJOSと数値流体解析を連成させた各方式 の解析結果を図－３に示す。 25℃設定の対流全域空調は，人体周辺の気流速度が遅 く，対流主体のパーソナル空調の条件では，パーソナル 放射パネル （金属パンチングパネル，空気式） 対流全域空調 放射併用パーソナル空調 風量 可変 パーソナル領域外 （アンビエント領域） Web 操作 パーソナル吹出ユニット 図－１ 放射併用パーソナル空調の考え方気流ユニットから人体の胸部に向けて気流を与えている ため，人体胸部付近の気流速度が速い状況である。放射 併用パーソナル空調では，対流主体のパーソナル空調に 比べて，パーソナル気流に誘引される天井面付近の空気 温度が低く，人体へ到達する気流の温度も低くなる。こ の気流と天井放射の効果により，人体を効率的に冷却で きる予測結果が得られた。 ３－３ サーマルマネキンを用いた実験結果 サーマルマネキン各部位の顕熱損失量を図－４に示 す。28℃設定で軽装条件の対流全域空調に対し，対流主 体のパーソナル空調は，パーソナル気流の影響を受ける 顔や胸部，下腕，手の部位での顕熱損失量が増加してい る。 放射併用パーソナル空調は，さらに顕熱損失量が大き く，特に胸部，大腿，下腕，手の部位において冷却効果 が大きい。前述したように，放射併用パーソナル空調 は，人体に到達するパーソナル気流の空気温度が低くな る効果があり，天井設置のパーソナル気流ユニットと冷 風を利用した放射冷房は親和性が高いと考えられる。 全身の顕熱損失量と等価温度を図－５に示す。放射併 用パーソナル空調は，28℃設定でも軽装であれば，25℃ 設定でスーツを着用している対流全域空調よりも低い等 価温度が得られることを示している。 4,9 30 5,250 CH：2,700 天井照明発熱 （45W×8） レタン吸込口 人体熱モデル パーソナル吹出口 机上面機器発熱 （25W×4） 人体等発熱 （80W×4） 放射冷房に 利用する 天井部分 3,600 825 825 3,6 00 66 5 66 5 机（1,400W×700D×700H） パーティション （1,400W×1,140H） 温度コンター 速度ベクトル図断面 アネモ吹出口 図－２ 評価対象空間 ※スーツ条件：スーツジャケット，ネクタイ，長袖Yシャツ，半袖Tシャツ，スラックス，下着，靴下，革靴 軽 装 条 件：半袖Yシャツ，半袖Tシャツ，スラックス，下着，靴下，革靴 空 調 方 式 対 流 全 域 空 調 対 流 主 体 の パ ー ソ ナ ル 空 調 放射冷房を併用したパーソナル空調 設定 温度 25℃ 28℃ 28℃ 着衣※ 境 界 条 件 アネモおよびパーソナル吹出口 放射冷房に利用する天井部分 スーツ 軽装 軽装 吹出 温度 （℃） 吹出 温度 （℃） アネモ 吹出風量 （m3/h） 吹出 風量 （m3/h） パーソナル 吹出風量 （m3/h個） 17.4 20.4 20.4 370 310 30 30 表面 温度 （℃） 22.8 310 23.5 表－１ 評価条件 25℃設定の対流全域空調（スーツ着用条件） 28℃設定の対流主体のパーソナル空調（軽装条件） 28℃設定の放射冷房を併用したパーソナル空調（軽装条件） 23 26.0 26.0 26.0 26.026.026.0 26.026.026.0 26.0 26.0 26.0 26.0 26.0 26.0 26.0 26.0 26.0 26.0 26.0 26.0 25.5 25.5 25.5 25.025.025.0 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 27.5 27.5 27.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.528.028.028.0 28.5 28.5 28.5 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.0 28.0 28.0 28.5 28.5 28.5 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 29.0 26.0 26.0 26.0 25.5 25.5 25.5 25.525.525.5 26.0 26.0 26.0 25.0 25.0 25.0 25.5 25.5 25.5 25.0 25.0 25.0 33（℃） 25 27 29 31 ：1m/s 図－３ 数値流体解析結果
４．導入計画と評価
４－１ 建築・設備概要 建 物 名 称 京都幸ビル 所 在 地 京都市中京区壬生賀陽御所町 主 用 途 事務所 延 床 面 積 8,216.74㎡ 構造・規模 RC造，地下２階・地上８階・塔屋２階 完 成 新築時：1985年11月，空調改修：2009年８月 空 調 既 設：マルチ型空冷パッケージエアコン， 各階全熱交換器 727kW 改 修：マルチ型空冷パッケージエアコン （高顕熱型） 1,148kW ヒートポンプ式デシカント（外気 処理） 空気式放射空調，パーソナル空調 0 10 20 30 40 50 60 70 80 （W/m2） 顕 熱 損 失 量 対流全域空調 （25℃設定，スーツ着用） （28℃設定，対流全域空調軽装） 対流主体のパーソナル空調 （28℃設定，軽装） （28℃設定，放射を併用したパーソナル空調軽装） 左 足 右足 左下 右下 左大 大右 腹 顔 頭 左手 右手 左前 腕 右 前 腕 左 上 腕 右 上 腕 胸 背 中 全身 図－４ サーマルマネキン各部位の顕熱損失量 32.2 29.7 32.0 35.5 27.4 28.1 27.5 26.5 10 15 20 25 30 35 40 45 （W/m2） （℃） 対 流 全 域 空 調 ︵ 25℃ 設 定 ，ス ー ツ 着 用 ︶ 対 流 全 域 空 調 ︵ 28℃ 設 定 ，軽 装 ︶ 対 流 主 体 の パ ー ソ ナ ル 空 調 ︵ 28℃ 設 定 ，軽 装 ︶ 放 射 を 併 用 し た パ ー ソ ナ ル 空 調 ︵ 28℃ 設 定 ，軽 装 ︶ 熱 損 失 量 ・ 等 価 温 度 人体の顕熱損失量 全身の等価温度 図－５ 人体の顕熱損失量と等価温度 写真－１ 建物外観４－２ 計画概要 放射併用パーソナル空調システムは，1985年に完成し た地上８階建ての中小規模オフィスビルの空調リニュー アルとして導入された（写真－１）。既存は，冷暖房切替 型のマルチ型パッケージエアコン（以降，ビル用マルチ と略す）と各階設置の全熱交換器を組み合わせた空調シ ステムであった。空調リニューアルにあたり，快適性の 向上と環境負荷の低減をめざして快適なクールビズ空調 を実現するために，ビル用マルチを利用した放射併用 パーソナル空調システムを計画した。 ⑴ 空調ゾーニング リニューアル後の空調システム概念図を図－６に示 す。空調は，冷暖房切替型のビル用マルチ方式とし て，冷媒系統はインテリアとペリメータゾーンに分け ており，各ゾーンに室内機を設置している。インテリ アゾーンは放射併用パーソナル空調とし，ペリメータ ゾーンはスキンロード処理として天井ライン吹出口に て対応する計画としている。特に暖房負荷の主部位で ある窓廻りは，一般と同様に気流到達性能を確保した 対応としている。 ⑵ ビル用マルチを利用した空気式放射空調 放射空調は，ビル用マルチの冷温風を利用して，天 井放射パネルを冷却・加熱する簡易な方式としてい る。空気式放射空調は，ビル用マルチを天井給気チャ ンバとダクト還気方式として，冷温風を給気ダクトに て分配し，天井給気チャンバ内の温度分布を抑える計 画としている。天井放射パネルは，グリッドシステム 天井に対応して，開口率20％の金属製パンチングパネ ルを天井布設率71％で設置している（写真－２）。ま た，ビル用マルチは，放射などによる顕熱処理を主と 考えて冷媒蒸発温度を通常の６℃から11℃まで上げ て，省エネルギー性を高めている。 ⑶ パーソナル気流ユニット パーソナル気流ユニットは，少ない搬送動力で気流 感を高めることをめざして，小風量で指向性の高い吹 出口を開発した。気流ユニットを座席配置に合わせて 天井面に設置して風向調整し，天井給気チャンバの冷 温風を利用者の好みに合わせて供給する。 吹出風量30㎥/hにおける等温吹出時の速度分布図 を図－７に示す。垂直吹出時に吹出口から2,100㎜の 垂直距離で気流0.56m/s，斜め吹出時に吹出口から 1,700㎜の垂直距離で気流0.47m/sが得られ，利用者に 対して高い気流到達性能を確保できる。 ⑷ 換気・除湿・加湿システム 換気・除湿・加湿計画は，ヒートポンプ式デシカン トを採用している。ヒートポンプ式デシカントの除湿 EA T ヒートポンプ式デシカント HUB ペリメータ ペリメータ室内ユニット インテリア室内ユニット ・高顕熱処理 ・体感温度制御 体感温度 （気温・気流・放射） パーソナル吹出口 ・風量切替（強・弱） ・個人による操作 放射パネル インテリア ・快適性の向上 （放射効果・ドラフト低減） 図－６ リニューアル後の空調システム概念図 写真－２ リニューアル後の内観 500 700 900 1,100 1,300 1,500 1,700 1,900 2,100 2,300 400 200 0 600 吹出口からの水平距離 吹 出 口 か ら の 垂 直 距 離 （30m3/h） 500 700 900 1,100 1,300 1,500 1,700 1,900 2,100 2,300 700 500 300 900 吹出口からの水平距離 吹 出 口 か ら の 垂 直 距 離 （垂直吹出時） （斜め吹出時） （mm） （mm） （mm） （mm） 0.50 0.25 0.50 0.25 （30m3/h） 図－７ パーソナル気流ユニットの気流特性
処理効果により，ビル用マルチの冷媒蒸発温度を上げ て顕熱処理比を高めることで，省エネルギー性を向上 している。 ⑸ 空調制御 アンビエント環境は，室温，放射，気流より体感温 度を演算してビル用マルチの制御を行っている。放射 冷房の効果が大きい時には，室内温度に対して体感温 度が低くなり，快適性を損なわずに室内温度の緩和を より促進させて，省エネルギー性を高めている。タス ク環境は，１人１台のパーソナル気流ユニットを座席 PCからWeb操作により，気流の強・弱・停止の切り 替えを行う。 ４－３ 実測評価 ⑴ 熱画像写真 室内の熱画像写真を写真－３に示す。天井放射パネ ル表面温度は，若干の分布がみられるが，22℃程度ま で冷却されており，放射による効果が高いと考えられ る。 ⑵ 室内空気温度と等価温度 夏期における室内空気温度と等価温度（体感温度）の 比較を図－８に示す。室内空気温度に対して等価温度 が１℃程度低い値となっており，クールビズ環境で あっても快適性が高められていると考えられる。 ⑶ ビル用マルチの運転状況 室温設定28℃と26℃でのビル用マルチの運転状況を 図－９に示す。冷媒蒸発温度は，空調立ち上がり時に 若干変動しているが，全体的に11℃程度で推移してい る。COPは，冷媒蒸発温度を６℃から11℃に上げる ことで大幅に向上しており，室温設定28℃で平均シス テムCOP3.9，室温設定26℃で平均システムCOP3.4で あった。
