放射 ( 輻射 ) 冷暖房の 消費エネルギー計算 東京理科大学長井達夫
はじめに
放射冷暖房の位置付け 放射 建築一体化 水式 TABS 天井パネル 床下配管 + 床下給気 チャンバー給気 + 有孔パネル 空気式 水 空気式 チルドビーム パッシブ アクティブ 自立型 自立パネル ( 水 電気 ) 対流 空調機 FCU
放射冷暖房の位置付け 建築一体化 天井パネル 自立型 放射 水式 TABS 天井パネル 床下配管 + 床下給気 チャンバー給気 + 有孔パネル 空気式 水 空気式 チルドビーム パッシブ アクティブ 自立パネル ( 水 電気 ) 対流 有孔板 空調機 FCU
放射冷暖房方式は省エネか? Reduce HP energy Utilize free cooling, well water, etc. Reduce water T? Increase pump energy? Reduce fan energy Outdoor air unit, dehumidifier Room humidity Reduce peak load? Raise water temp. Radiant panel Need to avoid condensation Thermal comfort Slower set-up Heat to ceiling chamber Lower MRT Raise room temp. Air distribution Heat loss Reduce cooling load
放射パネル計算
モデルアプローチ 演繹的モデリング 配管 フィン パネル形状等から熱コンダクタンスを算出 放射パネルの設計に利用可 入力データが複雑 メーカー品の場合入手困難 帰納的モデリング メーカーの試験特性から水 ~ 室温間のコンダクタンスを読み取り 水 ~ パネル間の熱コンダクタンス ( 固定値とみなす ) を算出 BEST のモデルを紹介 パネル能力 [W/m2] 160 140 120 100 80 60 40 20 0 4 6 8 10 12 室温 - 冷水平均温度 [K] 室温 - 冷水間の温度差 [K]
放射パネルモジュールの概要 t a,1 AST p,1 熱源等の機器モジュール 1/h cs,1 R w-p 1/h rs,1 t s,1 ゾーン 1 R f,1 ( 付加抵抗 ) 還り水温熱流 送水温度流量 配管 パネル t p R f,0 ( 付加抵抗 ) 放射パネル 1/h cs,0 t a,0 t s,0 1/h rs,0 ゾーン 0 対流 放射熱流 室温放射温度 AST p,0 室計算 ( 熱回路網 ) ( 他モジュールとの関係 )
計算の概要 ( 前処理 ) ゾーン 1 環境温度 ot p,1 t a,1 AST p,1 R w-p R 0 ( 可変 ) 1/h cs,1 R w-p t s,1 t p 1/h rs,1 ゾーン 1 R f,1 ( 付加抵抗 ) 配管 ( 固定 ) R 1 ( 可変 ) 配管 1/h cs,0 t s,0 パネル R f,0 ( 付加抵抗 ) 1/h rs,0 ゾーン 0 ( 合成後 ) ot p,0 ゾーン 0 環境温度 t a,0 AST p,0 hcs: 対流熱伝達率 hrs: 放射熱伝達率 ( 合成前 ) R w p K 1 w otp, t 1 R0, t 1 R 1, t K w-otp,t : 試験結果から得られるコンダクタンス 1
計算の概要 ( 時間ループ処理 ) ゾーン 1 環境温度 ( 固定 ) ot p,1 t a,1 1/h cs,1 AST p,1 1/h rs,1 R w-p R 0 ( 可変 ) R w-p t s,1 t p ゾーン 1 R f,1 ( 付加抵抗 ) 配管 R 1 ( 可変 ) 配管 1/h cs,0 t a,0 t s,0 パネル R f,0 ( 付加抵抗 ) 1/h rs,0 AST p,0 ゾーン 0 hcs: 対流熱伝達率 hrs: 放射熱伝達率 ( 合成前 ) ( 固定 ) R w p K ( 合成後 ) 1 w otp ot p,0 ゾーン 0 環境温度 1 R ( 変化 ) 0 1 K w-otp : シミュレーション時のコンダクタンス 1 R 1
計算の概要 ( 時間ループ処理 ) 1 直列系統あたりの放熱量 q p q p K w otp N s A p c w tw, i tw, o t w otp N s t w,o : 出口水温 t w otp ln t ot t ot w, i t w, i p,2 t w, o w, o p,2 A p : パネル面積 t w,i : 入口水温
放射パネルモジュールのパラメータ 入出力 パラメータ : A p : パネル1 枚あたり面積 [m 2 ] パラメータ N p : パネル並列系統数 N s : パネル直列接続数入力モジュール c pw : 水の比熱 [J/(g K)] 出力 R f,0, R f,1 : 固定付加熱抵抗値 [m 2 K/W] 0, 1 : パネル両面の長波放射率 [-] h c,s : パネル面の熱伝達率 [W/(m 2 K)] ( 冷却 加熱に対する 上向面 下向面 垂直面の計 6つの値 ) face,0, face,1 : 両面の向き ('up': 上向き 'down': 下向き 'vertical': 垂直 ) K w-otp,t : 試験時の熱コンダクタンス ( パネル単位面積あたり )[W/(m 2 K)] inc _r, 0, inc _r,1 : 両側の温度が 性能線図の横軸 ( 室温 - 水温 ) の 室温 に 含まれるか否かのフラグ mode, t : 試験時の冷暖モード
放射パネルモジュールの入出力 入力 : t w,i : パネル系統全体の入口水温 [ ] m w : パネル系統全体の入口流量 [g/s] t a,0, t a,1 : 室内空気温度 ( ゾーン0, 1)[ ] AST p,0, AST p,1 : パネル用平均表面温度 ( ゾーン0, 1)[ ] mode : 運転時の冷暖モード ('cooling': 冷房 'heating': 暖房 ) 出力 : t w, o : パネル系統全体の出口水温 [ ] m w : パネル系統全体の出口流量 [g/s] q cs,0, q cs,1 : パネル系統全体からの対流放熱量 ( ゾーン0, 1)[W] q rs,0,q rs,1 : パネル系統全体からの放射量 ( ゾーン0, 1)[W] t s,0, t s,1 : パネル表面温度
モジュール単体によるテスト計算例 温度 [ ] 30 25 20 15 10 5 0 パネル温度両室環境温度出口水温入口水温吸熱量 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 流量 [g/s](1 直列系統あたり ) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 パネル吸熱量 [W/m2]
対流式と放射式の建物負荷比較
対流式と放射式の建物負荷比較 TRNSYS17による定常計算 外界条件 :33 55% 日射なし 窓単板 窓面積率 :0.71 内部発熱 : 照明 + 機器 20W/m 2 10,000 放射パネル : 冷却能力 83W/m 2 敷設率 100% 冷水入口温度 20 外気処理 : 別系統給気 26, 0.01kg/kg(DA), 5m 3 /m 2 h PMV 評価 :1.2Met, 0.3clo, 0.1m/s, 室中央座位 2,800
室顕熱収支 ( 対流式 ) 換気 : 1W/m 2 窓 : 3W/m 2 (8W/m 2 ) 外壁 : 1W/m 2 (0W/m 2 ) 30.5 27.5 天井 : 7W/m 2 (0W/m 2 ) 室温 :24.0 湿度 :63% MRT:27.3 PMV:0 27.1 27.0 床 : 9W/m 2 (0W/m 2 ) 27.3 内壁 : 2W/m 2 (1W/m 2 ) 除去熱量 : 35W/m 2 発熱 ( 対流 ): 13W/m 2 (26W/m 2 ) 対流 対流 + 放射 ( 対流式 )
室顕熱収支 ( 放射式 ) 換気 : 1W/m 2 窓 : 1W/m 2 (10W/m 2 ) 外壁 : 0W/m 2 (0W/m 2 ) 29.9 25.9 天井 : 12W/m 2 (34W/m 2 ) 室温 :26.5 湿度 :55% MRT:24.8 PMV:0 パネル除去 :38W/m 2 23.3 24.9 床 : 2W/m 2 (4W/m 2 ) ( 放射式 ) 換気 : 1W/m 2 窓 : 3W/m 2 (8W/m 2 ) 外壁 : 1W/m 2 (0W/m 2 ) 25.9 30.5 27.5 天井 : 7W/m 2 (0W/m 2 ) 室温 :24.0 湿度 :63% MRT:27.3 PMV:0 27.1 27.0 床 : 9W/m 2 (0W/m 2 ) 内壁 : 0W/m 2 (1W/m 2 ) 除去熱量 : 1W/m 2 ( 外気処理 ) 発熱 ( 対流 ): 13W/m 2 (26W/m 2 ) 27.3 ( 対流式 ) 内壁 : 2W/m 2 (1W/m 2 ) 除去熱量 : 35W/m 2 発熱 : 13W/m 2 (26W/m 2 )
各部位の放射による作用温度の変化 表面温度 - 室温 [ ] 10 8 6 4 2 0 2 4 8 窓 6 COT=2K COT=2K 外壁天井 4 内壁床全体窓 1K 1K 2 0.5K 0.5K 0.1K 0.1K 0-0.1K -0.5K 内壁床 -0.5K 2 全体 -1K 外壁天井 -1K 4 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 形態係数 [ ] 形態係数 [ ] 表面温度 - 室温 [ ] 10 ( 対流式 ) ( 放射式 )
対流式と比較した放射式の負荷特性 室温とMRTの関係が逆転 パネル面のみでなく室内表面全体の放射環境を調整 外皮の断熱が弱いと熱損失に繋がる 室温の緩和により ( 外気 非空調隣接空間との ) 換気が多い条件では負荷的に有利
おわりに
放射冷暖房のエネルギー計算の今後 関連機器 制御等の評価体系の整備 省エネルギー基準への対応 パネル性能試験およびその表示方法の統一 設計へのフィードバックが可能なツール開発