2008.02 建築学専攻 修士論文梗概 床暖房パネルの熱効率特性と室内温熱環境に関する研究 指導教官 1. はじめに 近年、快適な室内温熱環境を理由に床暖房の使用が増加 しており、特にヒートポンプ（HP）を熱源とした温水床暖 房システムが普及しつつある。しかしながら、こうしたシ ステムの熱的特性や消費エネルギーについては、まだあま り知られていない。そこで、本研究では、床暖房パネルの 構造の違いによる、放熱特性を実験的に明らかにし、シス テムの熱収支を検討する。さらに、HP から供給される温水 温度の違いによる省エネルギー性の評価を行うと共に、エ アコンによる暖房時のエネルギー消費量と比較・検討する。 2. 研究方法 2.1.研究の構成 研究は大きく 3 つのステップに分かれる。ステップ 1 で は、床暖房パネルの構造の違いによる放熱特性について述 べ、その時の室内温熱環境について考察する。ステップ 2 では、ステップ 1 を本に床暖房システムの熱収支を明らか にする。最終のステップ 3 では、床暖房時のエネルギー消 費量について検討する。 パネル A 配管 ピ ッ チ 75mm パネル B 75mm パネル C -75mm パネル C -50mm 75mm パネルの 下 面 (0.05mm) 仕上げ材 とパネル の 間 (0.08mm) B と同様 50mm B と同様 パネル Cアルミ無 75mm 無 STEP３− エ ネルギ ー 消費量の 検討 STEP２−床暖房シス テ ム の熱収 STE P1− 床暖房パネル実験結果 アルミ箔 (厚さ) 備考 市販品、並みの性能 放熱能力の優れた仕上 げ材導入、HP 専用に開 発された構成のパネル 仕上げ材の選択可能 一般的な床暖房形式 配管ピッチの違いによ る影響評価のための試 作品 アルミ箔の影響評価の ための試作品 パネル A 壁天井に よ る 損失熱量 金 秀耿 坂本雄三教授 パネル B パネル C-75mm パネル C-50mm 換気よ る 損失熱量 パネル C- アルミ無 投入熱量 上面放熱量 消費電力 図 2 横面放熱量 実験対象パネルの構造 下面放熱量 配管ロ ス 図 1 研究の構成 2.2．実験に用いた床暖房パネル 実験に用いた床暖房パネルは計 5 種類である。実験はそ れぞれ一種類当たり 5 枚のパネルを用いた。詳細なパネル の仕様と構造は表 1 と図 1 に示す。パネルの選別では、仕 上げ材の厚さや熱伝導率による上面放熱量向上や立ち上 がり時間の短縮を試みた。また、アルミ箔は床表面温度ム ラを解消する役割で、配管ピッチは投入熱量の向上を試み た。 表 1 実験対象パネルの種類 構造 全 厚 さ ( 仕 仕上げ材の 大きさ 上げ材) 熱伝導率 (mm*mm) パネル A 一 体 12mm 0.124 606*2718 型 (-) [W/m・K] (*5 枚) パネル B 分 離 12mm 0.205 585*3000 型 (3.5mm) [W/m・K] (*5 枚) パネル C 分 離 24mm 0.117 585*3000 -75mm 型 (12mm) [W/m・K] (*5 枚) パネル C 分 離 24mm 0.117 585*3000 -50mm 型 (12mm) [W/m・K] (*5 枚) パネル C- 分 離 24mm 0.117 585*3000 アルミ無 型 (12mm) [W/m・K] (*5 枚) 2.3 実験居室の仕様・実験条件 安定した温水供給を行うために 4 ケースの実験には恒温 の水を一定流量で送る循環装置を用いた。また、計測項目 は表 3 に示すようになる。すべてのデータは 10 秒間隔で 測定した。 表 2 実験居室仕様・実験条件 床面積 11.8m2 天井高 2.0m Q値 2.35[W/m2K] 次世代省エネ基準相当 C値 1.74[cm2/m2] 面積 断熱仕様 外気温 送水温度 送水流量 [L/min･系 統] 換気回数 [回/h] 熱源 実験条件(各パネル同様) D：7℃ W：6℃ 30-40-50℃（各 1 日間） 0.5 0.5 0.3 0.8 成り 行き 50℃ 成り 行き 0.5 0.5 1.5 恒温循環装置 表 3 床 上面 下面 0.5 0.5 0.5 HP 温水熱源 計測項目 熱電対 48 箇所、熱流計 15 箇所 熱電対 24 箇所、熱流計 25 箇所 壁 空間 に位置しているため、床上面の温度が先に上がる挙動を見 せている。 熱電対 内表面 7 箇所+外表面 7 箇所(＊4 壁) 空気温 高さ別 7 点 *9 箇所 グローブ温 高さ別 2 点 *9 箇所 水温 合流部往・還 1 箇所 各系統往・還 1 箇所(*5 系統) 流量 合流部 1 箇所、各系統 1 箇所(*5 系 統) 室中央(750mm) 室内・外 1 箇所 温水 PMV 湿度 3. 床 暖 房 パ ネ ル の 放 熱 特 性 と 室 内 温 熱 環 境 以下の実験結果は換気回数 0.5 回/h,送水流量 0.5L/min の条件におけるものである。また、特に示していない場合 は送水温度 40℃時のデータを用いている。 3.1.床暖房パネルの上下面放熱量 床暖房パネルの上・下面に設置した熱流計の値を用いて、 パネルごとの上下面放熱量を求めた。パネル B は薄型で熱 伝導率の良い仕上げ材を使用しており、上面放熱率が 8 割 程度で実験対象パネルの中で最も優れた結果を見せた。パ ネル A は、厚さは薄いがアルミ箔が配管より床下の方に設 置されており、上面放熱率がアルミ無パネルと同じ程度の 7 割を示している。 上面放熱量 下面放熱量 C-無 C-50 C-75 25 15.3℃ 20 15 10 5 0 25 20 15 10 18.5℃ 5 0 25 20 15 10 15.5℃ 5 0 0:00 1:00 パネル A 床上温度 床下温度 17.3℃ 19.6℃ パネル B 17.0℃ 2:00 パネル C -75mm 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 図 4 立ち上がりの様子 床表面温度ムラは床暖房パネルの差異を表す重要な項 目であり、この実験では放射カメラによる熱画像を比較す ることで床表面温度ムラの分析を行った。パネル A とパネ ル B の熱画像では配管の位置が良く見えるが、パネル C を 用いた各条件では配管が見え難く温度ムラが小さくなっ た。これは仕上げ材の厚さが影響していると思われる。 以上の結果で上面放熱量と床表面温度・室内空間温度は仕 上げ材の厚さや熱伝導率、アルミ箔の位置に強く依存する ことが示された。ただし、床仕上げ材の厚さが薄い場合に は表面温度ムラやそのときの人体への温冷感に留意する 必要があると示唆された。 B A 0% 20% 40% 60% 80% 100%0 20 40 60 放熱量[W/m^2] 80 パネルA 図 3 床暖房パネル別の上下面放熱量 3.2.床表面温度の様相 床暖房パネル別、定常時の床表面や室内空間温度を表 4 に示す。床表面温度は上面放熱量が多くなるほど高くなっ た。パネル B が最も床表面温度や室内温度が高い結果が見 られた。また、配管ピッチが細かくなることによって上面 放熱量の増加は 3％程度であったが、室内温度は 1.3℃の 上昇が見られた。 表 4 床表面温度・室内温度 A B C-75 C-50 C-無 床表面 温度 28.8℃ 31.6℃ 28.2℃ 28.9℃ 21.8℃ 室内温度 23.7℃ 25.8℃ 23.5℃ 24.8℃ 18.5℃ 床表面 最高温度 31.6℃ 35.0℃ 29.2℃ 29.8℃ 23.4℃ パネルB C(75mm) SP01: 34.9 C(50mm) C(アルミ無) 図 5 パネルごとの熱画像 3.3.室内の垂直温度分布 垂直温度分布はパネルの放熱能力により、温度レベルは 異なるものの、垂直方向には均一な温度分布を見せた。実 験室内の床暖房敷設部分は全面積の 75%程度であるが、床 暖房パネルの敷設部と非敷設部の温度差はほぼ無く、非敷 設部では、敷設部に比べ床温度と天井温度のみ低くなって いることがわかる。敷設部の高さ 100mm 部分の温度低下が 見られるが,これは壁や天井面付近の冷気が床まで降下し た影響であると思われる。 床表面 最低温度 26.8℃ 29.2℃ 26.2℃ 26.9℃ 20.5℃ 敷設垂直温度分布 非敷設垂直温度分布 2000 PanelA 立ち上がりの様子を比較してみると、パネル B は立ち上 がりが最も早く、約 30 分程度で床上表面温度 10℃上昇し た。また、パネル A は床上表面温度より床下表面温度が先 に上がる挙動を見せている。これはアルミ箔が配管を基準 に床下の方へ位置していることが原因である。また、初期 温度である 7℃から 10℃を上昇させるのに 2 時間程度がか かり、パネル B に比べて立ち上がりが遅かった。パネル C の 3 種類は同様の傾向を示した。仕上げ材が 12m との厚い 分、立ち上がりにかかる時間も長くなっている。しかし、 アルミ箔の位置はパネル B と同様にパネルと仕上げ材の間 床上高さ[mm] 1500 PanelB 1000 PanelC （無） PanelC( 75） 500 PanelC( 50） 0 10 15 20 25 温度[℃] 30 図 6 2 35 10 15 20 25 温度[℃] 垂直温度分布 30 35 熱源機器から室内に設置されてある床暖房パネルの出入 口までは約 34m の配管がある。配管径は 10A であり、サヤ 管を用いている。 4. 床暖房システムの熱収支の検討 実験により得られた結果からパネルごとの床暖房シス テムの熱収支を検討した。 4.1.実験居室における熱収支 熱源からの温水の往・還温度差と流量から投入熱量を求 めた。そして、床暖房パネルの上下面に設置されている熱 流計の値から上下面放熱量を求める。最後に壁や天井に設 置されている熱流計の値から実験室の外壁を通じて損失 された熱量を求める。また、換気による熱損失は換気回数 と室内外温度差から求める。これらを合わせて、全体的な 熱バランスを比較した。投入熱量と上下面放熱量を比較し て、その値の差を差①と示す。また、上面放熱量として室 内を暖房した熱量とそれぞれ実験室壁面と換気によって 損失された熱量の差を差②と示す。 パネルA 1400 1200 熱量[W] 1000 差① 800 差① 600 差① 400 差② 配管ロス(合流ー各系統)[℃/m] 配管ロス(各系統ー出入り口)[℃] = 配管ロス(合流ー各系統) ＊ L系統 配管ロス[W] 0 40℃ パネルB TB往[℃] T合流往[℃] TC還[℃] TC往[℃] +配管ロス(各系統ー出入り口) 床暖房パネルＣ系統 床暖房パネルＤ系統 L合 流 換気による 熱損失量 [W] 換気による 熱損失量 [W] 下面放熱 量[W] TD還[℃] TD往[℃] L系 床暖房パネルＥ系統 統 TE還[℃] TE往[℃] 図 8 配管ロスの計算パラメータ 4.3.床暖房パネルの横方向の熱損失 横面放熱量の計算には「INSYS 二次元伝熱・結露計算シ ステム」のソフトを用いた。まずは、各種類パネルを 2 パ ターンでモデリングを行った。まずは両サイドの他の床暖 房 に接している中央パネルと片面は非敷設床面と接して いる端パネルの 2 パターンである。結果の計算値を実験値 と比較をしながら検討を行った。中央パネルの値を実験値 と比較したグラフを図 9 に示す。実験値と計算値がよく合 致していることを確認した。 投入熱量 [W] 50℃ T合流還[℃] = 配管ロス(合流ー各系統) 上面放熱量 [W] 200 TB還[℃] 床暖房パネルＢ系統 = (T合流 − T各系統）/L合流 差② 差② 30℃ TA還[℃] TA往[℃] 床暖房パネルＡ系統 パネルC (アルミ無) 1400 180 1200 下面 上面 160 140 1000 熱量[W] 120 800 600 100 80 60 40 400 20 0 200 実験値 計算値 実験値 パネルA 0 30℃ 40℃ 50℃ 30℃ 50℃ 30℃ パネルC(ピッチ75mm） 1400 40℃ 50℃ パネルC(ピッチ50mm） 1000 800 600 400 200 0 40℃ 40℃ 実験値 計算値 パネルC（75mm） 実験値 計算値 パネルC（50mm） 実験値 計算値 パネルC（アルミ無） 図 9 計算値と実験値の比較 4.4.床暖房システムの全体の熱収支 二つの結果をまとめてパネルごとの熱収支を検討した。 ｢その他｣には 4.2 の検討で用いたプログラムのモデル、今 回の実験に用いた計測機器および計測 方法の限界による ものが含まれていると考えられる。まとめた結果によると 放熱率が高いパネルＡとパネルＢの場合に熱収支がよく 合う傾向が見られた。投入熱量から約 4 割から 5.5 割程度 の熱が室内の暖房に有効に使われる。ここで計算値として 表れた横面放熱量にはパネルから放出されて再度室内へ と流入して暖房に有効に使われる分も含む。それに比べて、 配管ロスは投入熱量に対して 2 割、下面放熱率 2.5 割程度 を示しており、このロスを有効に使うことが床暖房の省エ ネルギーな使用に重要となると思われる。 1200 30℃ 計算値 パネルB 50℃ 図 7 各パネルの熱バランス パネルの結果を比較してみると、パネル A とパネル B に おいては差①・差②の値が小さく、熱収支がよく合ってい る結果が見られた。また、パネル C を用いた条件は上面放 熱量より損失された熱量の値が大きい結果が出ている。こ れは、パネルに投入された熱量が上面ではない方向へと流 れて室内に流入された結果であると思われる。実際に、こ の上面放熱量と損失熱量の値が逆転されている場合には 差①の値が大きく出た。差②は±10%以内で治まっている のに比べて、差①は投入熱量の 30%以上の値を見せたケー スもあり、この部分についての検討が要する。差①には配 管の熱損失や床暖房パネルの上面ではない他の方向へと 流れた熱量などが含まれていると予想される。 4.2.配管の熱損失 C-無 上面 C-50 下面 C-75 横面[計 算値] 配管ロ ス その他 B 0 A 0% 50% 100% 0 200 400 600 図 10 各パネルの熱収支 3 5 0 0 800 1000 1 0 0 0 1 5 0 0 5.2.温水 HP 床暖房のエネルギー効率 床暖房時のエネルギー消費量とルームエアコン暖房時 のエネルギー消費量の比較を通じて、床暖房の省エネルギ ー性の検討を行った。実験に用いたルームエアコンは購入 した 2007 年当時のトップランナー商品であった。 表 6 ルームエアコンの仕様 5. 温水HP床暖房システムのエネルギー効率 実験に用いた電気式温水 HP の仕様を以下に示す。ここ で COP は消費電力に対する暖房能力の比で表される。表で 示されている COP はカタログ値であり、温度や流量･部分 負荷特性により変化する。 表 5 電気式温水 HP の仕様 暖房定格能力 6.0[kW] 消費電力 1500/1400[kW] 定格 COP 4.0[-] 定格能力 最大能力 消費電力 定格 COP 外気 7℃,往 40℃,還 22℃,流量 5L/min 時 5.1.送水温度と消費電力 実験対象パネルで温水 HP を動かした COP はカタログ値 より低い値である 2 3 程度であった。今回の実験ではパネ ル B の場合が最も高効率で HP が動いた。パネルの放熱能 力が優れているほど、往・還水温の差が生じるため、COP が良くなる結果を見せる。 また、送水温度別にパネルの挙動を比較してみると、 30℃の送水温度時は COP3 の線に乗って傾きが形成されて いるが、送水温度が高温になるほど、COP の値が低くなっ ている。結果的に、放熱能力の良い床暖房パネルを低温水 で流すことで床暖房を最も省エネで使用が出来る。 800 COP=3 600 400 200 30℃ 0 0 1A 7 0 8 6B 0 4 0 0 2 0 C-75 0 0 0 0 0 C-50 50 0 10 15 20 25 00 000 C-無 1.5 エアコン 1 0.5 0 10 図 13 6. HP式床暖房 6 4 2 0 0 500 1000 1500 2000 2500 投入熱量[W] 1000 1000 8 エアコン HP式床暖房 1次エネルギー量[MJ] COP=2 室内作用温度を 20℃にするために必要とする投入熱量の 値は暖房方式ごとに差はあまり見られない。それに比べて、 投入熱量 1kW を出すために消費される 1 次エネルギー量に は大きな差が生じている。原因としては送水温度を上げた 時の COP の低下が影響していると思われる。また、温水床 暖房は熱交換器や配管熱ロスを持っていることも影響を していると思われる。しかし、送水温度 30℃時は両暖房機 器別、投入熱量あたりの 1 次エネルギー量の差があまり見 られない。つまり、建物が高断熱で暖房負荷が減少するこ とによって、床暖房もエアコン並の省エネで暖房が可能に なる。 投入熱量[kW] 消費電力[W] 1000 2.5[kW] 5.7[kW] 0.41[kW] 6.02[-] 20 OT[℃] 30 40 0 0.5 1 投入熱量[ｋW] 1.5 エアコンと床暖房の消費エネルギー比較 ま と め と 今 後 の 課 題 以上の結果で床暖房パネルの放熱特性をまとめる。 600 600 1.パネルの熱特性については以下のことが分かった。 400 400 ・放熱量は仕上げ材の厚さや熱伝導率・アルミ箔・配管ピ ッチの条件によって影響される。しかし、床暖房パネルを 200 200 より効率的に使うためにはパネルから上面へと放熱する 40℃ 50℃ 0 0 熱量の割合を増やすことが大事である。 0 500 1000 1500 2000 2500 0 500 1000 1500 2000 2500 ･表面温度は上面放熱量が多くなるほど高く達成された。 図 11 パネルによる温水 HP の熱挙動 仕上げ材が厚くなると立ち上がりに所要される時間が長 図 12 は、実空間の床暖房時に消費される電力量の分析を くなるが、仕上げ材はあまり薄くなると安定した床表面温 行った結果である。暖房空間の容積は 23.69m3である。そ 度が保たれなく快適性を損なうことに有念が要する。 の空間を室内中央における作用温度を 20℃まで暖房する ・アルミ箔は床暖房パネルの熱伝導率上昇に寄与する。し のに要した消費電力量であり、パネルBとパネルC-50mm かし、その位置によって、下面へと放熱する熱損失が大き が 0.21kWhで最も少ないエネルギーで暖房が出来た。また、 くなる場合もあるので、注意が要する。 一番放熱率の低かったアルミ無パネルの場合には、2 倍の 2. パネルの熱収支は、かなり良く分析されたが、横方向 値である 0.41kWhの電力量の結果が見られた。 の熱損失などまだ十分に解明できていない部分がある。 1 3. ヒートポンプ温水熱源と組み合わせた場合のエネルギ C-無 ー効率については、温水温度が 30℃程度であれば、エアコ 0.8 ンのそれに比肩しうることがわかった。高断熱の建物であ C-50 0.6 れば、30℃温水でも快適性は損なわないので、ヒートポン プと床暖房を組み合わせた快適・省エネな暖房システムに C-75 0.4 対して明るい見通しが得られた。 B 0.2 今度の研究では床暖房パネルの熱特性や床暖房システム の効率について研究を行った。しかし、まだ床暖房パネル 0 A の熱収支の部分から横方面へと流れる熱量の検討が不足 0 10 20 30 40 OT[℃] な点が見られる。また床暖房システムが建物の断熱状況な どによって変化する影響を明らかにすることが要される。 図 12 室内作用温度と消費電力量の関係 800 消費電力量[kWh] 800 4
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