床下蓄熱式暖房システム
【課題】ベタ基礎下部や基礎立ち上がり部分からの放熱を考慮した熱量投入が可能な床下蓄熱式暖房システムを提供する。
【解決手段】住宅１の土間コンクリート１３内に温水管２１を布設し、熱源であるヒートポンプユニット２２から温水管２１に熱媒体を循環させて土間コンクリート１３を蓄熱させることにより住宅１の室内を暖房するに際し、温水管２１は、土間コンクリート１３の下面からの高さが、当該土間コンクリート１３の厚みに対して０．３〜０．５の範囲内で、且つ、埋設体積が土間コンクリート１３の体積の０．３０〜０．４０％で布設する。
【解決手段】住宅１の土間コンクリート１３内に温水管２１を布設し、熱源であるヒートポンプユニット２２から温水管２１に熱媒体を循環させて土間コンクリート１３を蓄熱させることにより住宅１の室内を暖房するに際し、温水管２１は、土間コンクリート１３の下面からの高さが、当該土間コンクリート１３の厚みに対して０．３〜０．５の範囲内で、且つ、埋設体積が土間コンクリート１３の体積の０．３０〜０．４０％で布設する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプなどの熱交換器によって生成された温水などの熱媒体を住宅等の建造物の基礎内に布設した配管に導いて室内を暖房する床下蓄熱式暖房システムに関し、特に、住宅等の建造物の基礎内に布設する配管の配置を最適化することにより蓄熱効果を高めた床下蓄熱式暖房システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
室内を暖房する場合、最も簡単な方法はストーブ等の暖房器具を利用することであるが、このような器具を使用した場合、ユーザは定期的な換気や火災防止に気を配る必要がある。例えば、長時間締め切った室内でストーブを使用すると酸欠の危険がある。しかしながら、換気のために窓やドアを開けることは折角暖まっている空気を室内から追い出すことになるので暖房効率の点から見れば好ましくない。また、ストーブ等は燃焼を行うことから誤ってカーテンや洗濯物などに引火することがないよう周囲に配慮する必要がある。このような必要性を無くし、安全に使用できるものとしてシーズヒータ式床下蓄熱暖房システムや、ヒートポンプ式床暖房システムが知られている。
【０００３】
その他、関連するシステムとしては、室内の天井に空調ユニットを設置すると共に、床下に配置した蓄熱材としてのコンクリート内に埋め込んだ配管を介して天井と床の両方から空調を行うことにより室内の温度むらを低減した空気調和機（特許文献１）、床下の土間コンクリートを蓄熱体とし、土間コンクリート内に設置した配管にヒートポンプで昇温／冷却した冷温水を通過させて室内の床暖房／冷房を行う冷暖房装置（特許文献２）、床に設置したバイプにヒートポンプチラーから冷水／温水を供給して室内の空調を行うに際し、屋外及び床の蓄熱体内のそれぞれに温度センサを設置し、目標蓄熱量に適した蓄熱体内部を流通する熱媒体の温度と熱媒体を蓄熱体内部に流通させる蓄熱時間を決定し、ヒートポンプチラーを複数のマイコンによって制御するようにした蓄熱空調システム（特許文献３）等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−２１１４３号公報
【特許文献２】特開平９−３２４９３３号公報
【特許文献３】特開２００１−２６３７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したシーズヒータ式床下蓄熱暖房システムの場合は、夜間の安価な電力を使用することにより電気料金を安く押さえることは可能であるが、消費電力量が多いので省エネではない。また、上述したヒートポンプ式床暖房システムは省エネではあるが、蓄熱式ではないので昼間の電力を使用することになるため電気料金はあまり安くならない。さらに、上述した従来の床下蓄熱式の各種の装置及びシステムでは、各機器及び熱媒体の経路を含むシステムの構築に関する技術は進展しているが、住宅等の建造物の躯体側の問題点についてはあまり検討されておらず改良の余地がある。例えば、住宅のコンクリート製の基礎を蓄熱材として利用する場合、できるだけコンクリート全体に熱が行き渡るようにすればコンクリート製の基礎全体を蓄熱材として効率よく利用することができる。また、コンクリート製の基礎と熱媒体を流通させるための配管の関係などコンクリートの基礎を蓄熱材として効率的に利用するためにはさらに検討すべき課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、住宅等の建造物のコンクリート製の基礎を蓄熱媒体とする際に、コンクリート製の基礎全体を蓄熱材として効率良く利用することが可能な床下蓄熱式暖房システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、暖房対象となる室内空間を有する建造物の室内空間の床下に施工された土間コンクリート内に配管を布設し、配管を介して熱源によって加温した熱媒体を循環させて土間コンクリートを加温して蓄熱させることにより建造物の室内空間を暖房する床下蓄熱式暖房システムにおいて、配管は、土間コンクリートの下面からの高さが、当該土間コンクリートの厚みに対して０．３〜０．５の範囲内で、且つ、埋設体積が土間コンクリートの体積の０．３０〜０．４０％で布設されていることを特徴とする。
【０００８】
上記課題を解決するために請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の床下蓄熱式暖房システムにおいて、配管は内径が１０ｍｍ〜２０ｍｍで、並列される配管の間隔を１００ｍｍ〜２００ｍｍピッチで配設したことを特徴とする。
【０００９】
上記課題を解決するために請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の床下蓄熱式暖房システムにおいて、土間コンクリートの厚みは、１５０〜２５０ｍｍであることを特徴とする。
【００１０】
上記課題を解決するために請求項４に記載の本発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の床下蓄熱式暖房システムにおいて、熱源は、ヒートポンプであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る床下蓄熱式暖房システムによれば、住宅等の建造物の基礎を構成する土間コンクリート内に熱媒体を流通させる配管を最適に配置したことによって、土間コンクリートの全体を蓄熱材として有効利用することが可能な床下蓄熱式暖房システムを提供することができ、効率的な床暖房を提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る床下蓄熱式暖房システムの一実施形態が設置された住宅を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る床下蓄熱式暖房システムの各部の接続を示す系統図である。
【図３】土間コンクリートの厚みと温水管の高さ位置の関係を示す断面図である。
【図４】土間コンクリートの温度分布を示す特性図である。
【図５】温水管のピッチの違いによる影響を示すグラフである。
【図６】配管の高さ位置を示す土間コンクリートの断面図である。
【図７】フィールド試験場所（飯豊）における室温、運転時間、電力の関係を示すグラフである。
【図８】ヒートポンプ式基礎蓄熱暖房、蓄熱式電気暖房器及び電熱式基礎蓄熱暖房についての年間消費電力量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る床下蓄熱式暖房システムについて、好ましい一実施形態に基づいて図面を参照しつつ詳細に説明する。
［住宅及び床下蓄熱式暖房システムの構成］
図１は、本発明に係る床下蓄熱式暖房システムの一実施形態が設置された住宅を示す斜視図（一部を断面図で示す）である。図示された住宅１は、木造の一戸建てであり、概略として、鉄筋コンクリート製のいわゆるベタ基礎１１を備えている。ベタ基礎１１は、その平面部の上面側に敷設された断熱材１２を挟んで所定の厚みを有して打設された土間コンクリート１３を備え、その端縁部は平面部よりもやや高く形成されており、断熱材１２はこの高く形成された端縁部の内側に沿って垂直に敷設されている。
【００１４】
土間コンクリート１３上の所定の位置には所要数の床束（ゆかつか）１４が立設され、複数の床束１４上に直交させるようにして水平に配設された所要数の大引（おおびき）１５と、複数の大引１５上にこの大引１５に直交させて水平に配設された所要数の根太（ねだ）１６と、根太１６上に床下地１７を介して設置されたフローリング材１８とを備えて構成されている。従って、土間コンクリート１３と床下地１７との間には床下空間が存在している。尚、フローリング材１８の壁際には床下換気口となるガラリ２８が設けられている。また、必要に応じてエアコン室内機２７が室内の壁に取り付けられている。
【００１５】
［床下蓄熱式暖房システムの構成］
図２は、床下蓄熱式暖房システムの各部の接続を示す系統図である。住宅１に設置された床下蓄熱式暖房システム２は、図１及び図２に示すように、概略として、土間コンクリート１３内に所定のパターンで蛇行させるようにして布設された温水管２１と、温水管２１に温水を循環させる熱源としてのヒートポンプユニット２２と、このヒートポンプユニット２２に接続されると共に室内の壁面に設置されてヒートポンプユニット２２を制御するコントローラ２３と、温水管２１の一端とヒートポンプユニット２２の温水戻り口との間に必要に応じて介在させた放熱器２４と、複数の配管（ヒートポンプユニット２２の温水供給口と温水管２１の一端とを接続する配管２５ａ、ヒートポンプユニット２２の温水戻り口と放熱器２４とを接続する配管２５ｂ、温水管２１の他端と放熱器２４とを接続する配管２５ｃ）と、土間コンクリート１３内に設置されて土間コンクリート１３内の温度を検知する温度センサ２６（図１では図示を省略）と、必要に応じてヒートポンプユニット２２に接続されると共に、図１に示したように室内の壁に取り付けられ、室内を床暖房と共に室内側から暖房するエアコン室内機２７とを備えている。尚、放熱器２４は戻り温水の温度を下げることでヒートポンプ２２を効率よく動作させるため利用するものであり、特に設けない構成とすることも可能である。
【００１６】
温水管２１は、ヒートポンプユニット２２の温水出口及び戻り口の径に合わせた直径（例えば、１０〜２０ｍｍφ）のパイプである。本実施形態における温水管２１の材質は、架橋ポリエチレンパイプであり、土間コンクリート１３の流し込み前に布設される。尚、温水管２１の材質は架橋ポリエチレンに限るものではないが、架橋ポリエチレンは錆びの心配がなく、耐寒性や耐熱性に優れると共に、軽くて柔軟性があるので配管施工にも適しているという利点がある。配管ピッチＰ（隣り合う温水管２１の間隔、図３参照）は、例えば、１００ｍｍ〜２００ｍｍとするのが好ましい。配管ピッチＰがあまり狭いと温水管２１の折り曲げ部の変形や熱効率が悪くなり、逆にあまり広いと土間コンクリート１３に十分に蓄熱することができないからである。コントローラ２３は、マイクロコンピュータ及びプログラムによってヒートポンプユニット２２を制御するもので、電源スイッチ、各種の設定ボタン、液晶表示器等を備えて構成されている。
【００１７】
ヒートポンプユニット２２は一般の市販品を用いることができる。本実施形態で用いたヒートポンプユニット２２は、単相２００Ｖの電源で動作すると共に、空調装置の室外機としても使用可能な仕様になっている。このヒートポンプユニット２２は、大気から採熱する空気熱交換器（蒸発器）と、この空気熱交換機に直列に接続された圧縮機（コンプレッサ）と、水熱交換器（凝縮器）及び膨張弁等を備えて構成されており、空気熱交換機、圧縮機及び水熱交換器に媒体（温水）を循環させ、水熱交換器で生成された温水を温水管２１に循環させるようになっている。
【００１８】
ここで、図４は土間コンクリートの温度分布を示す特性図であり、図６は配管の高さ位置を示す土間コンクリートの断面図である。ピッチＰが１００ｍｍの温水管２１は断熱材１２の表面から８５ｍｍの位置に配置し、ピッチＰが２００ｍｍの温水管２１は断熱材１２の表面から１５０ｍｍの位置に配置しており、温度レベル（温度測定位置）については図６に示す１２箇所（Ｌ１〜Ｌ１２）を設定し、これを図４の横軸とした。それぞれの位置は以下の通りである。
Ｌ１(０ｍｍ）：断熱材表面
Ｌ２(３０ｍｍ)：ピッチ１００（ｍｍ）配管２１と断熱材との中間
Ｌ３(８５ｍｍ)：ピッチ１００（ｍｍ）配管２１の表面
Ｌ４(１２０ｍｍ)：ピッチ１００（ｍｍ）配管２１と２００（ｍｍ）配管２１との中間
Ｌ５(１５０ｍｍ)：ピッチ２００（ｍｍ）配管２１の表面
Ｌ６(１９０ｍｍ)：ピッチ２００（ｍｍ）配管２１とコンクリート表面との中間
Ｌ７(２３０ｍｍ)：土間コンクリート表面
Ｌ８：床下空気層
Ｌ９：フローリング材裏面
Ｌ１０：ガラリ内部
Ｌ１１：フローリング材表面
Ｌ１２：室温
【００１９】
図４に示すように、温水管２１の配管ピッチＰが１００ｍｍの場合では断熱材１２の表面に近いレベル（図５におけるＬ１）の温度上昇が大きく、ピッチＰが２００ｍｍの場合では土間表面に近いレベル（図５におけるＬ６乃至Ｌ７）で温度上昇が大きくなっている。しかしながら、図４に示された温度分布の違いは、ピッチＰの差によるものというより、温水管２１の埋設位置（高さ）の違いによるものと考えられる。なぜなら、図５に示すように、ピッチＰの差は温度分布に影響を与えないと考えられるからである。すなわち、図５は、土間コンクリート１３の厚みを２１０ｍｍとし、温水管２１を断熱材１２の表面から６１．５ｍｍの位置に、ピッチＰを１００ｍｍと２００ｍｍでそれぞれ埋設し、土間コンクリート１３の厚みの中央位置（土間コンクリート１３の下面から１０５ｍｍの高さ）の温度を測定してその比較を行った結果を示すグラフであるが、図示されているように、ピッチＰが１００ｍｍの場合と２００ｍｍの場合とでは時間の経過に対する温度上昇は殆ど差がないことがわかる。
【００２０】
図４に示すように、ピッチＰが２００ｍｍの場合ではＬ４（土間コンクリート１３の下面から１２０ｍｍの高さ）の温度よりもＬ１（断熱材表面）の温度が低くなっていおり土間コンクリート１３の下側が蓄熱材として十分に活用されていない。これに対して、ピッチＰが１００ｍｍの場合ではＬ１（断熱材表面）の温度がピッチＰが２００ｍｍの場合よりも高くなっており土間コンクリート１３の下側までが蓄熱材として十分に活用されていることがわかる。このように、土間コンクリート１３の上面に近い位置に温水管２１を埋設すると土間コンクリート１３の表面からの放熱が多くなり、土間コンクリート１３の下側が十分に加温されないので土間コンクリート１３全体を蓄熱材として活用できないことから、温水管２１を埋設する高さ位置は、少なくとも土間コンクリート１３の厚みの中央部よりも断熱材表面に近い側（中央部よりも下側）に埋設することが好ましい。具体的には、後述する実施例（表１）に示すように、温水管２１を埋設する高さ位置は、土間コンクリート１３の表面から当該土間コンクリート１３の厚みに対して０．３０８〜０．４６５の高さとなる範囲内で埋設することが好ましい。これにより、土間コンクリート１３全体を蓄熱材として有効利用することが可能となる。尚、一般住宅のベタ基礎の多くは土間コンクリート１３の厚みは１５０ｍｍ〜２５０ｍｍが一般的である。
【００２１】
尚、温水管２１は、内径のあまり大きなものを使用すると土間コンクリート１３の強度低下のおそれのみならず、流通させる温水の量が増えると共に、土間コンクリート１３との熱交換の効率が悪くなることから内径が１０ｍｍ〜２０ｍｍのものを使用することが好ましい。
【００２２】
［床下蓄熱式暖房システムの動作］
次に、上述した床下蓄熱式暖房システムの動作について説明する。床下蓄熱式暖房システム２は、住宅１の新築時やリフォーム時に図１に示すように設置される。図１及び図２において床暖房を行いたい場合、ユーザはコントローラ２３を操作してヒートポンプユニット２２の運転を開始する。ヒートポンプユニット２２は、内蔵の空気熱交換器によって大気の熱を吸収して空気熱交換器を流れる冷媒の温度を上げ（例えば−３℃程度から２℃程度に上げ）、次に、この冷媒を圧縮器で圧縮して１０５℃程度に加温して水熱交換器に送り、温水管２１に流れる温水の温度を例えば４５〜５５℃にする。更に、水熱交換器から排出される冷媒（５５℃程度）を膨張弁に供給して２℃程度に下げ、これを空気熱交換器に供給する。ヒートポンプユニット２２は以上の動作を繰り返し実行する。これにより、温水管２１を循環する温水によって土間コンクリート１３及びその上方の空間が温められ、更にフローリング材１８に伝熱されることにより住宅１の室内は一定の温度（例えば、２０℃前後、２５℃前後等）で暖房される。そして、ヒートポンプユニット２２の運転を低料金の夜間電力を利用して行うことにより電力料金を低減（節約）することができる。
【００２３】
［実施形態の効果］
本実施形態に係る床下蓄熱式暖房システムによれば、温水管２１の埋設位置及び土間コンクリート１３の体積に対する温水管２１の埋設体積比に基づいて温水管２１を最適に配置することができるので、土間コンクリート１３全体を蓄熱材として効率良く利用することが可能になり、床暖房を効率良く行えるようになるという効果がある。
尚、ヒートポンプユニット２２に室内機ユニットを接続することにより、室温が低下した場合でも、土間コンクリート１３によって２０℃前後のベース暖房を確保しながら室内機ユニットの運転により室内機ユニット無しの場合よりも室温を上げることで快適な温度環境を維持することができるという効果がある。
【実施例】
【００２４】
本発明者らは、実際に４棟の住宅において異なる場所及び異なる床面積によるフィールド試験を実施した。その実施データを表１に示す。尚、表１における試験場所とは住宅を建設した場所である。また、温水管２１の埋設高さは土間の下面から６１．５ｍｍ（飯豊は９３．０ｍｍ）の位置に埋設すると共に、ピッチＰは全て１００ｍｍとした。
【００２５】
【表１】
【００２６】
表１には、各住宅における温水管２１の長さ、温水管２１の体積、土間コンクリート１３の体積、温水管２１の埋設高さと高さ比、及び、温水管２１の体積と土間コンクリート１３の体積の比が示されている。尚、用いた温水管２１の径は全て１０ｍｍφ（その断面積は、０．００００７８．５ｍ２）である。表１の配管埋設高さ比は、温水管２１の埋設高さと土間コンクリート１３の厚みとの比率である。また、体積比は、温水管２１の長さに温水管２１の断面積を掛けた体積(例えば、フィールド試験場所が「鳴子」ならば、２０４ｍ×０．００００７８．５ｍｍ２＝０．０１６０ｍ３が温水管２１の体積)と、土間コンクリート１３の体積（６．４ｍ３(［温水管２１の布設面積］３０．６ｍ２×［土間コンクリート１３の厚み］２１０ｍｍ)）との比率であり、「鳴子」における温水管２１の体積比は０．００２５（＝０．２５％）となる。
【００２７】
表１に示す各住宅における平均外気温、平均室温、平均土間コンクリート温度についての結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】
【００２９】
鳴子を除く他のフィールド試験場所では平均約２０℃を超える室温を確保することができた。ここで、鳴子における温水管２１の埋設高さは土間コンクリート１３の下面から６１．５ｍｍの位置で、ピッチＰは１００ｍｍであり、他のフィールド試験場所の場合とほぼ変わらないが、温水管２１の体積と土間コンクリート１３の体積の体積比は０．２５％であり、他のフィールド試験場所よりも温水管２１の埋設体積が少ないために平均室温が他のフィールド試験場所では２０℃前後であるのに対して１６℃前後と下回る結果になったものと考えられる。従って、表１及び表２から、温水管２１の埋設高さは、土間コンクリート１３の厚みに対する高さ比が０．３〜０．５の範囲内で配設することが好ましい。また、温水管２１の体積比は０．３０〜０．４０％であることが好ましい。尚、図７に飯豊におけるフィールド試験についての室温、運転時間、電力の関係を示すグラフを示すと共に、図８に飯豊におけるヒートポンプ式基礎蓄熱暖房、蓄熱式電気暖房器及び電熱式基礎蓄熱暖房についての年間消費電力量の比較について示す。尚、図７における電力１、電力２の違いは、ヒートポンプの機種の違いによるものである。図７に示されているように、外気温が低下しても室温の変動は小さく、しかも、室温は、２４時間２０〜２３℃程度で安定し保持されていることがわかる。また、図８に示すように、ヒートポンプ基礎蓄熱暖房方式は、蓄熱式電気暖房器や電熱式基礎蓄熱暖房に比べて年間消費電力量も少なく、より省エネである。
【００３０】
このように、本発明に係る床下蓄熱式暖房システムによれば、温水管２１の埋設高さと、土間コンクリート１３と温水管２１の体積比を最適にすることによって土間コンクリート１３の全体を蓄熱材として効率の良く暖房することができるという効果がある。
【００３１】
以上のように、好ましい各実施形態について説明したが、本発明に係る床下蓄熱式暖房システムは、住宅以外の建造物、例えば、事務所、店舗等の建造物に採用される床下蓄熱式暖房システム、更には、野菜栽培等の温室、動物園の飼育場等の暖房システムにも採用可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１ 住宅
２ 床下蓄熱式暖房システム
１０ 床
１１ ベタ基礎
１２ 断熱材
１２ 温水管
１３ 土間コンクリート
１４ 床束
１５ 大引
１６ 根太
１７ 床下地
１８ フローリング材
２１ 温水管
２２ ヒートポンプユニット
２３ コントローラ
２４ 放熱器
２５ａ 配管
２５ｂ 配管
２５ｃ 配管
２６ 温度センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプなどの熱交換器によって生成された温水などの熱媒体を住宅等の建造物の基礎内に布設した配管に導いて室内を暖房する床下蓄熱式暖房システムに関し、特に、住宅等の建造物の基礎内に布設する配管の配置を最適化することにより蓄熱効果を高めた床下蓄熱式暖房システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
室内を暖房する場合、最も簡単な方法はストーブ等の暖房器具を利用することであるが、このような器具を使用した場合、ユーザは定期的な換気や火災防止に気を配る必要がある。例えば、長時間締め切った室内でストーブを使用すると酸欠の危険がある。しかしながら、換気のために窓やドアを開けることは折角暖まっている空気を室内から追い出すことになるので暖房効率の点から見れば好ましくない。また、ストーブ等は燃焼を行うことから誤ってカーテンや洗濯物などに引火することがないよう周囲に配慮する必要がある。このような必要性を無くし、安全に使用できるものとしてシーズヒータ式床下蓄熱暖房システムや、ヒートポンプ式床暖房システムが知られている。
【０００３】
その他、関連するシステムとしては、室内の天井に空調ユニットを設置すると共に、床下に配置した蓄熱材としてのコンクリート内に埋め込んだ配管を介して天井と床の両方から空調を行うことにより室内の温度むらを低減した空気調和機（特許文献１）、床下の土間コンクリートを蓄熱体とし、土間コンクリート内に設置した配管にヒートポンプで昇温／冷却した冷温水を通過させて室内の床暖房／冷房を行う冷暖房装置（特許文献２）、床に設置したバイプにヒートポンプチラーから冷水／温水を供給して室内の空調を行うに際し、屋外及び床の蓄熱体内のそれぞれに温度センサを設置し、目標蓄熱量に適した蓄熱体内部を流通する熱媒体の温度と熱媒体を蓄熱体内部に流通させる蓄熱時間を決定し、ヒートポンプチラーを複数のマイコンによって制御するようにした蓄熱空調システム（特許文献３）等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−２１１４３号公報
【特許文献２】特開平９−３２４９３３号公報
【特許文献３】特開２００１−２６３７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したシーズヒータ式床下蓄熱暖房システムの場合は、夜間の安価な電力を使用することにより電気料金を安く押さえることは可能であるが、消費電力量が多いので省エネではない。また、上述したヒートポンプ式床暖房システムは省エネではあるが、蓄熱式ではないので昼間の電力を使用することになるため電気料金はあまり安くならない。さらに、上述した従来の床下蓄熱式の各種の装置及びシステムでは、各機器及び熱媒体の経路を含むシステムの構築に関する技術は進展しているが、住宅等の建造物の躯体側の問題点についてはあまり検討されておらず改良の余地がある。例えば、住宅のコンクリート製の基礎を蓄熱材として利用する場合、できるだけコンクリート全体に熱が行き渡るようにすればコンクリート製の基礎全体を蓄熱材として効率よく利用することができる。また、コンクリート製の基礎と熱媒体を流通させるための配管の関係などコンクリートの基礎を蓄熱材として効率的に利用するためにはさらに検討すべき課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、住宅等の建造物のコンクリート製の基礎を蓄熱媒体とする際に、コンクリート製の基礎全体を蓄熱材として効率良く利用することが可能な床下蓄熱式暖房システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、暖房対象となる室内空間を有する建造物の室内空間の床下に施工された土間コンクリート内に配管を布設し、配管を介して熱源によって加温した熱媒体を循環させて土間コンクリートを加温して蓄熱させることにより建造物の室内空間を暖房する床下蓄熱式暖房システムにおいて、配管は、土間コンクリートの下面からの高さが、当該土間コンクリートの厚みに対して０．３〜０．５の範囲内で、且つ、埋設体積が土間コンクリートの体積の０．３０〜０．４０％で布設されていることを特徴とする。
【０００８】
上記課題を解決するために請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の床下蓄熱式暖房システムにおいて、配管は内径が１０ｍｍ〜２０ｍｍで、並列される配管の間隔を１００ｍｍ〜２００ｍｍピッチで配設したことを特徴とする。
【０００９】
上記課題を解決するために請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の床下蓄熱式暖房システムにおいて、土間コンクリートの厚みは、１５０〜２５０ｍｍであることを特徴とする。
【００１０】
上記課題を解決するために請求項４に記載の本発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の床下蓄熱式暖房システムにおいて、熱源は、ヒートポンプであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る床下蓄熱式暖房システムによれば、住宅等の建造物の基礎を構成する土間コンクリート内に熱媒体を流通させる配管を最適に配置したことによって、土間コンクリートの全体を蓄熱材として有効利用することが可能な床下蓄熱式暖房システムを提供することができ、効率的な床暖房を提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る床下蓄熱式暖房システムの一実施形態が設置された住宅を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る床下蓄熱式暖房システムの各部の接続を示す系統図である。
【図３】土間コンクリートの厚みと温水管の高さ位置の関係を示す断面図である。
【図４】土間コンクリートの温度分布を示す特性図である。
【図５】温水管のピッチの違いによる影響を示すグラフである。
【図６】配管の高さ位置を示す土間コンクリートの断面図である。
【図７】フィールド試験場所（飯豊）における室温、運転時間、電力の関係を示すグラフである。
【図８】ヒートポンプ式基礎蓄熱暖房、蓄熱式電気暖房器及び電熱式基礎蓄熱暖房についての年間消費電力量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る床下蓄熱式暖房システムについて、好ましい一実施形態に基づいて図面を参照しつつ詳細に説明する。
［住宅及び床下蓄熱式暖房システムの構成］
図１は、本発明に係る床下蓄熱式暖房システムの一実施形態が設置された住宅を示す斜視図（一部を断面図で示す）である。図示された住宅１は、木造の一戸建てであり、概略として、鉄筋コンクリート製のいわゆるベタ基礎１１を備えている。ベタ基礎１１は、その平面部の上面側に敷設された断熱材１２を挟んで所定の厚みを有して打設された土間コンクリート１３を備え、その端縁部は平面部よりもやや高く形成されており、断熱材１２はこの高く形成された端縁部の内側に沿って垂直に敷設されている。
【００１４】
土間コンクリート１３上の所定の位置には所要数の床束（ゆかつか）１４が立設され、複数の床束１４上に直交させるようにして水平に配設された所要数の大引（おおびき）１５と、複数の大引１５上にこの大引１５に直交させて水平に配設された所要数の根太（ねだ）１６と、根太１６上に床下地１７を介して設置されたフローリング材１８とを備えて構成されている。従って、土間コンクリート１３と床下地１７との間には床下空間が存在している。尚、フローリング材１８の壁際には床下換気口となるガラリ２８が設けられている。また、必要に応じてエアコン室内機２７が室内の壁に取り付けられている。
【００１５】
［床下蓄熱式暖房システムの構成］
図２は、床下蓄熱式暖房システムの各部の接続を示す系統図である。住宅１に設置された床下蓄熱式暖房システム２は、図１及び図２に示すように、概略として、土間コンクリート１３内に所定のパターンで蛇行させるようにして布設された温水管２１と、温水管２１に温水を循環させる熱源としてのヒートポンプユニット２２と、このヒートポンプユニット２２に接続されると共に室内の壁面に設置されてヒートポンプユニット２２を制御するコントローラ２３と、温水管２１の一端とヒートポンプユニット２２の温水戻り口との間に必要に応じて介在させた放熱器２４と、複数の配管（ヒートポンプユニット２２の温水供給口と温水管２１の一端とを接続する配管２５ａ、ヒートポンプユニット２２の温水戻り口と放熱器２４とを接続する配管２５ｂ、温水管２１の他端と放熱器２４とを接続する配管２５ｃ）と、土間コンクリート１３内に設置されて土間コンクリート１３内の温度を検知する温度センサ２６（図１では図示を省略）と、必要に応じてヒートポンプユニット２２に接続されると共に、図１に示したように室内の壁に取り付けられ、室内を床暖房と共に室内側から暖房するエアコン室内機２７とを備えている。尚、放熱器２４は戻り温水の温度を下げることでヒートポンプ２２を効率よく動作させるため利用するものであり、特に設けない構成とすることも可能である。
【００１６】
温水管２１は、ヒートポンプユニット２２の温水出口及び戻り口の径に合わせた直径（例えば、１０〜２０ｍｍφ）のパイプである。本実施形態における温水管２１の材質は、架橋ポリエチレンパイプであり、土間コンクリート１３の流し込み前に布設される。尚、温水管２１の材質は架橋ポリエチレンに限るものではないが、架橋ポリエチレンは錆びの心配がなく、耐寒性や耐熱性に優れると共に、軽くて柔軟性があるので配管施工にも適しているという利点がある。配管ピッチＰ（隣り合う温水管２１の間隔、図３参照）は、例えば、１００ｍｍ〜２００ｍｍとするのが好ましい。配管ピッチＰがあまり狭いと温水管２１の折り曲げ部の変形や熱効率が悪くなり、逆にあまり広いと土間コンクリート１３に十分に蓄熱することができないからである。コントローラ２３は、マイクロコンピュータ及びプログラムによってヒートポンプユニット２２を制御するもので、電源スイッチ、各種の設定ボタン、液晶表示器等を備えて構成されている。
【００１７】
ヒートポンプユニット２２は一般の市販品を用いることができる。本実施形態で用いたヒートポンプユニット２２は、単相２００Ｖの電源で動作すると共に、空調装置の室外機としても使用可能な仕様になっている。このヒートポンプユニット２２は、大気から採熱する空気熱交換器（蒸発器）と、この空気熱交換機に直列に接続された圧縮機（コンプレッサ）と、水熱交換器（凝縮器）及び膨張弁等を備えて構成されており、空気熱交換機、圧縮機及び水熱交換器に媒体（温水）を循環させ、水熱交換器で生成された温水を温水管２１に循環させるようになっている。
【００１８】
ここで、図４は土間コンクリートの温度分布を示す特性図であり、図６は配管の高さ位置を示す土間コンクリートの断面図である。ピッチＰが１００ｍｍの温水管２１は断熱材１２の表面から８５ｍｍの位置に配置し、ピッチＰが２００ｍｍの温水管２１は断熱材１２の表面から１５０ｍｍの位置に配置しており、温度レベル（温度測定位置）については図６に示す１２箇所（Ｌ１〜Ｌ１２）を設定し、これを図４の横軸とした。それぞれの位置は以下の通りである。
Ｌ１(０ｍｍ）：断熱材表面
Ｌ２(３０ｍｍ)：ピッチ１００（ｍｍ）配管２１と断熱材との中間
Ｌ３(８５ｍｍ)：ピッチ１００（ｍｍ）配管２１の表面
Ｌ４(１２０ｍｍ)：ピッチ１００（ｍｍ）配管２１と２００（ｍｍ）配管２１との中間
Ｌ５(１５０ｍｍ)：ピッチ２００（ｍｍ）配管２１の表面
Ｌ６(１９０ｍｍ)：ピッチ２００（ｍｍ）配管２１とコンクリート表面との中間
Ｌ７(２３０ｍｍ)：土間コンクリート表面
Ｌ８：床下空気層
Ｌ９：フローリング材裏面
Ｌ１０：ガラリ内部
Ｌ１１：フローリング材表面
Ｌ１２：室温
【００１９】
図４に示すように、温水管２１の配管ピッチＰが１００ｍｍの場合では断熱材１２の表面に近いレベル（図５におけるＬ１）の温度上昇が大きく、ピッチＰが２００ｍｍの場合では土間表面に近いレベル（図５におけるＬ６乃至Ｌ７）で温度上昇が大きくなっている。しかしながら、図４に示された温度分布の違いは、ピッチＰの差によるものというより、温水管２１の埋設位置（高さ）の違いによるものと考えられる。なぜなら、図５に示すように、ピッチＰの差は温度分布に影響を与えないと考えられるからである。すなわち、図５は、土間コンクリート１３の厚みを２１０ｍｍとし、温水管２１を断熱材１２の表面から６１．５ｍｍの位置に、ピッチＰを１００ｍｍと２００ｍｍでそれぞれ埋設し、土間コンクリート１３の厚みの中央位置（土間コンクリート１３の下面から１０５ｍｍの高さ）の温度を測定してその比較を行った結果を示すグラフであるが、図示されているように、ピッチＰが１００ｍｍの場合と２００ｍｍの場合とでは時間の経過に対する温度上昇は殆ど差がないことがわかる。
【００２０】
図４に示すように、ピッチＰが２００ｍｍの場合ではＬ４（土間コンクリート１３の下面から１２０ｍｍの高さ）の温度よりもＬ１（断熱材表面）の温度が低くなっていおり土間コンクリート１３の下側が蓄熱材として十分に活用されていない。これに対して、ピッチＰが１００ｍｍの場合ではＬ１（断熱材表面）の温度がピッチＰが２００ｍｍの場合よりも高くなっており土間コンクリート１３の下側までが蓄熱材として十分に活用されていることがわかる。このように、土間コンクリート１３の上面に近い位置に温水管２１を埋設すると土間コンクリート１３の表面からの放熱が多くなり、土間コンクリート１３の下側が十分に加温されないので土間コンクリート１３全体を蓄熱材として活用できないことから、温水管２１を埋設する高さ位置は、少なくとも土間コンクリート１３の厚みの中央部よりも断熱材表面に近い側（中央部よりも下側）に埋設することが好ましい。具体的には、後述する実施例（表１）に示すように、温水管２１を埋設する高さ位置は、土間コンクリート１３の表面から当該土間コンクリート１３の厚みに対して０．３０８〜０．４６５の高さとなる範囲内で埋設することが好ましい。これにより、土間コンクリート１３全体を蓄熱材として有効利用することが可能となる。尚、一般住宅のベタ基礎の多くは土間コンクリート１３の厚みは１５０ｍｍ〜２５０ｍｍが一般的である。
【００２１】
尚、温水管２１は、内径のあまり大きなものを使用すると土間コンクリート１３の強度低下のおそれのみならず、流通させる温水の量が増えると共に、土間コンクリート１３との熱交換の効率が悪くなることから内径が１０ｍｍ〜２０ｍｍのものを使用することが好ましい。
【００２２】
［床下蓄熱式暖房システムの動作］
次に、上述した床下蓄熱式暖房システムの動作について説明する。床下蓄熱式暖房システム２は、住宅１の新築時やリフォーム時に図１に示すように設置される。図１及び図２において床暖房を行いたい場合、ユーザはコントローラ２３を操作してヒートポンプユニット２２の運転を開始する。ヒートポンプユニット２２は、内蔵の空気熱交換器によって大気の熱を吸収して空気熱交換器を流れる冷媒の温度を上げ（例えば−３℃程度から２℃程度に上げ）、次に、この冷媒を圧縮器で圧縮して１０５℃程度に加温して水熱交換器に送り、温水管２１に流れる温水の温度を例えば４５〜５５℃にする。更に、水熱交換器から排出される冷媒（５５℃程度）を膨張弁に供給して２℃程度に下げ、これを空気熱交換器に供給する。ヒートポンプユニット２２は以上の動作を繰り返し実行する。これにより、温水管２１を循環する温水によって土間コンクリート１３及びその上方の空間が温められ、更にフローリング材１８に伝熱されることにより住宅１の室内は一定の温度（例えば、２０℃前後、２５℃前後等）で暖房される。そして、ヒートポンプユニット２２の運転を低料金の夜間電力を利用して行うことにより電力料金を低減（節約）することができる。
【００２３】
［実施形態の効果］
本実施形態に係る床下蓄熱式暖房システムによれば、温水管２１の埋設位置及び土間コンクリート１３の体積に対する温水管２１の埋設体積比に基づいて温水管２１を最適に配置することができるので、土間コンクリート１３全体を蓄熱材として効率良く利用することが可能になり、床暖房を効率良く行えるようになるという効果がある。
尚、ヒートポンプユニット２２に室内機ユニットを接続することにより、室温が低下した場合でも、土間コンクリート１３によって２０℃前後のベース暖房を確保しながら室内機ユニットの運転により室内機ユニット無しの場合よりも室温を上げることで快適な温度環境を維持することができるという効果がある。
【実施例】
【００２４】
本発明者らは、実際に４棟の住宅において異なる場所及び異なる床面積によるフィールド試験を実施した。その実施データを表１に示す。尚、表１における試験場所とは住宅を建設した場所である。また、温水管２１の埋設高さは土間の下面から６１．５ｍｍ（飯豊は９３．０ｍｍ）の位置に埋設すると共に、ピッチＰは全て１００ｍｍとした。
【００２５】
【表１】
【００２６】
表１には、各住宅における温水管２１の長さ、温水管２１の体積、土間コンクリート１３の体積、温水管２１の埋設高さと高さ比、及び、温水管２１の体積と土間コンクリート１３の体積の比が示されている。尚、用いた温水管２１の径は全て１０ｍｍφ（その断面積は、０．００００７８．５ｍ２）である。表１の配管埋設高さ比は、温水管２１の埋設高さと土間コンクリート１３の厚みとの比率である。また、体積比は、温水管２１の長さに温水管２１の断面積を掛けた体積(例えば、フィールド試験場所が「鳴子」ならば、２０４ｍ×０．００００７８．５ｍｍ２＝０．０１６０ｍ３が温水管２１の体積)と、土間コンクリート１３の体積（６．４ｍ３(［温水管２１の布設面積］３０．６ｍ２×［土間コンクリート１３の厚み］２１０ｍｍ)）との比率であり、「鳴子」における温水管２１の体積比は０．００２５（＝０．２５％）となる。
【００２７】
表１に示す各住宅における平均外気温、平均室温、平均土間コンクリート温度についての結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】
【００２９】
鳴子を除く他のフィールド試験場所では平均約２０℃を超える室温を確保することができた。ここで、鳴子における温水管２１の埋設高さは土間コンクリート１３の下面から６１．５ｍｍの位置で、ピッチＰは１００ｍｍであり、他のフィールド試験場所の場合とほぼ変わらないが、温水管２１の体積と土間コンクリート１３の体積の体積比は０．２５％であり、他のフィールド試験場所よりも温水管２１の埋設体積が少ないために平均室温が他のフィールド試験場所では２０℃前後であるのに対して１６℃前後と下回る結果になったものと考えられる。従って、表１及び表２から、温水管２１の埋設高さは、土間コンクリート１３の厚みに対する高さ比が０．３〜０．５の範囲内で配設することが好ましい。また、温水管２１の体積比は０．３０〜０．４０％であることが好ましい。尚、図７に飯豊におけるフィールド試験についての室温、運転時間、電力の関係を示すグラフを示すと共に、図８に飯豊におけるヒートポンプ式基礎蓄熱暖房、蓄熱式電気暖房器及び電熱式基礎蓄熱暖房についての年間消費電力量の比較について示す。尚、図７における電力１、電力２の違いは、ヒートポンプの機種の違いによるものである。図７に示されているように、外気温が低下しても室温の変動は小さく、しかも、室温は、２４時間２０〜２３℃程度で安定し保持されていることがわかる。また、図８に示すように、ヒートポンプ基礎蓄熱暖房方式は、蓄熱式電気暖房器や電熱式基礎蓄熱暖房に比べて年間消費電力量も少なく、より省エネである。
【００３０】
このように、本発明に係る床下蓄熱式暖房システムによれば、温水管２１の埋設高さと、土間コンクリート１３と温水管２１の体積比を最適にすることによって土間コンクリート１３の全体を蓄熱材として効率の良く暖房することができるという効果がある。
【００３１】
以上のように、好ましい各実施形態について説明したが、本発明に係る床下蓄熱式暖房システムは、住宅以外の建造物、例えば、事務所、店舗等の建造物に採用される床下蓄熱式暖房システム、更には、野菜栽培等の温室、動物園の飼育場等の暖房システムにも採用可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１ 住宅
２ 床下蓄熱式暖房システム
１０ 床
１１ ベタ基礎
１２ 断熱材
１２ 温水管
１３ 土間コンクリート
１４ 床束
１５ 大引
１６ 根太
１７ 床下地
１８ フローリング材
２１ 温水管
２２ ヒートポンプユニット
２３ コントローラ
２４ 放熱器
２５ａ 配管
２５ｂ 配管
２５ｃ 配管
２６ 温度センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
暖房対象となる室内空間を有する建造物の前記室内空間の床下に施工された土間コンクリート内に配管を布設し、前記配管を介して熱源によって加温した熱媒体を循環させて前記土間コンクリートを加温して蓄熱させることにより前記建造物の室内空間を暖房する床下蓄熱式暖房システムにおいて、
前記配管は、前記土間コンクリートの下面からの高さが、当該土間コンクリートの厚みに対して０．３〜０．５の範囲内で、且つ、埋設体積が前記土間コンクリートの体積の０．３０〜０．４０％で布設されていることを特徴とする床下蓄熱式暖房システム。
【請求項２】
請求項１に記載の床下蓄熱式暖房システムにおいて、
前記配管は内径が１０ｍｍ〜２０ｍｍで、並列される配管の間隔を１００ｍｍ〜２００ｍｍピッチで配設したことを特徴とする床下蓄熱式暖房システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の床下蓄熱式暖房システムにおいて、
前記土間コンクリートの厚みは、１５０〜２５０ｍｍであることを特徴とする床下蓄熱式暖房システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の床下蓄熱式暖房システムにおいて、
前記熱源は、ヒートポンプであることを特徴とする床下蓄熱式暖房システム。
【請求項１】
暖房対象となる室内空間を有する建造物の前記室内空間の床下に施工された土間コンクリート内に配管を布設し、前記配管を介して熱源によって加温した熱媒体を循環させて前記土間コンクリートを加温して蓄熱させることにより前記建造物の室内空間を暖房する床下蓄熱式暖房システムにおいて、
前記配管は、前記土間コンクリートの下面からの高さが、当該土間コンクリートの厚みに対して０．３〜０．５の範囲内で、且つ、埋設体積が前記土間コンクリートの体積の０．３０〜０．４０％で布設されていることを特徴とする床下蓄熱式暖房システム。
【請求項２】
請求項１に記載の床下蓄熱式暖房システムにおいて、
前記配管は内径が１０ｍｍ〜２０ｍｍで、並列される配管の間隔を１００ｍｍ〜２００ｍｍピッチで配設したことを特徴とする床下蓄熱式暖房システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の床下蓄熱式暖房システムにおいて、
前記土間コンクリートの厚みは、１５０〜２５０ｍｍであることを特徴とする床下蓄熱式暖房システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の床下蓄熱式暖房システムにおいて、
前記熱源は、ヒートポンプであることを特徴とする床下蓄熱式暖房システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１３２４０（Ｐ２０１２−１３２４０Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４７１３１（Ｐ２０１０−１４７１３１）
【出願日】平成２２年６月２９日（２０１０．６．２９）
【出願人】（５９１１６０２６８）北日本電線株式会社 (41)
【出願人】（０００２２２０３７）東北電力株式会社 (228)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２９日（２０１０．６．２９）
【出願人】（５９１１６０２６８）北日本電線株式会社 (41)
【出願人】（０００２２２０３７）東北電力株式会社 (228)
【Ｆターム（参考）】
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