オフィスにおける放射天井パネルを用いた空調システムに関する研究

その 1 定常冷房実験による基本性能の検証

Study on Air-conditioning System using Ceiling Radiant Panel for an Office

(Part 1) The Basic Performance based on Steady Cooling Experiment

正 会 員 ○塚見 史郎（日建設計） 正 会 員 小森 俊祐（クボタシーアイ）

学生会員 金丸 優太（北九州市立大学） 正 会 員 白石 靖幸（北九州市立大学）

Shiro TSUKAMI*1 Shunsuke KOMORI *

2

Yuta KANEMARU*3 Yasuyuki SHIRAISHI*

3

*1 Nikken Sekkei Ltd. *

2 Kubota-C.I. Co. Ltd. *

3 The University of Kitakyushu

The purpose of this study is to verify the performance of ceiling radiant air-conditioning system for an office,

which adopted cooling and heating system using ceiling radiant panel, and under floor outdoor air supply system

together, by experiments using HVAC System Performance Testing Apparatus. In this paper, outline of laboratory

experiments and results of steady state cooling experiments for rated cooling capacity and under the conditions of

uneven internal heat load distribution, were shown. In all cases, it was confirmed that almost good indoor thermal

environment was formed by this system and this system had enough cooling capacity according to rating.

はじめに

近年、オフィス空間における快適性や省エネ性に関す

る社会的要求から、放射冷暖房空調システムが注目され、

特に天井放射冷暖房システムを採用する事例が増えてい

る 1)。同システムを採用する場合、上下温度差が解消でき、

熱的快適性は高いものの、対流式の空調と比較して、冷

却能力の不足や熱負荷偏在時における温熱環境の不均一

性等の問題も懸念される。

そこで、本研究では、北九州市立大学国際環境工学部

の空調性能試験室 2)を用い、同実験室内に放射天井パネル

を用いた冷暖房設備（以下、天井放射システム）を新た

に設置すると共に、外気供給を床吹出により行う空調シ

ステムを構築し、オフィス空間を対象とした場合の同シ

ステムの各種条件下における性能検証を行うことを目的

とする。本報その１では、オフィスの用途を想定した定

常冷房実験により、①天井パネルの定格能力時の性能検

証、②熱負荷偏在時の性能検証を行い、本システムの冷

房能力及び室内温熱環境の把握を行う。

1. 実験室及び測定概要

1.1. 実験室概要

実験は北九州市立大学国際環境工学部内の空調性能試

験室 2)にて行った（図1,図2）。空調性能試験室は、6面を

ガードルーム（以下、GR）と称する任意の温度調整が可

能な空間とそれらに囲まれた実験室から構成される。実

験室は、一般的なオフィス空間の1スパン分（6m×10m）

を切り取った空間を想定し、床から天井までの高さは

2,700mm である。壁の一面（南側）にはガラス窓を設置

し、その外側の GR を制御することで、様々な外気条件

が再現可能となっている。既存設備として、床吹き・天

井吹き（給気）、床吸込み・天井吸込み（還気）の切替が

(a) 実験室の平面図及び天井伏図

（640×640の天井グリッドも合わせて表示）

(b) 天井放射システム

図1 実験室及び天井放射システムの概要

995

6000

1000

1735 10000 2500

710

470

[mm]

GR

GR

GR

GR

710

470

パネル設置箇所（78枚） 照明 吹出口 吸込口

温度センサー

計測ロガー

室外ユニット

露点温度 天井面温度

制御盤

流量計

温度センサー

往ヘッダー

還ヘッダー

熱交換ユニット

ポンプ

サーモR

空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集｛2015.9.16 〜 18（大阪）｝ -25-

第3巻

F-6

可能であり、本実験では、床からの外気導入を想定し、

床吹き・天井吸込みに設定して実験を行った。今回、天

井放射システムの実験を行うに当たり既設の天井パネル

98枚（図1(a)）のうち、78枚を放射用のパネルに交換・

施工した上で、実験を行う。その他の 20 枚のパネルは、

照明、吹出口、吸込口等である。また、放射パネルは、

概ね南北方向に 3列、東西方向に 3列の計 9系統に分け

てゾーニングを行っている。

1.2. 天井放射システム

今回、放射パネルとしてメタルパネル（グリッドシス

テム天井設置）を使用する。図 2(b)、表 1 にパネルの写

真及び仕様をそれぞれ示す。

本システムでは循環ポンプを定流量、送水温度を定温

とし、熱源の ON-OFF により制御を行う。一次側の熱

源には空冷式のヒートポンプチラーを使用した。室外ユ

ニットと熱交換ユニットから成り、熱交換ユニットで冷

媒と水の熱交換により冷水を生成する。熱交換ユニット

内に定流量ポンプ及び送水温度サーモが内蔵されており、

送水温度が設定値になるように室外ユニットの能力制御

を行う注1)（図 1(b)）。

1.3. 測定概要

表 2に測定項目、図 3に実験室における上下温度分布

及びPMV（温度、湿度、気流、グローブ温度）の測定位

置をそれぞれ示す。尚、平面的な測定位置に関しては、

図 4 にまとめて示す。上下温度分布は室中央の南北軸上

の 3 箇所にて、垂直方向として床面と床から 100mm，

300mm，500mm，700mm，1,200mm，1,700mm，2,200mm，

2,600mm 及び天井面で測定した。放射パネルによる処理

熱量の把握のため、放射パネルへの送水温度と還水温度

及び送水流量を（図1-b）、空調機の処理熱量把握のため、

床吹出口と還気口の空気温度及び給気風量の測定を行っ

た。尚、本実験では外調機による床からの外気供給（必

要換気量）を想定した風量を空調機により供給している。

1.4. 実験条件

今回の実験は、冷房時の定常状態を想定する。天井放

射冷房の運転条件は、平均水温 18℃、送水流量 21.7ℓ/min

とし、室温はケース毎に 24、26、28℃を想定している。

空調機の給気風量は 240m3/h 注2)にて運転を行っている。

実験室に隣接する GR 及び天井側の GR は各ケース毎の

想定室温、床下側の GR は吹出温度とし、室外からの熱

的影響を排除した条件下とした。尚、本システムは主に

インテリア空間を対象としているため、ペリメータ負荷

は考慮していない。

1.5. 実験ケース

表3に実験条件及び実験ケースをそれぞれ示す。Case1

では本システムの定格能力時の性能検証として、Case1-1

は基準負荷時の基本性能、Case1-2 では低負荷時の基本

性能、Case1-3 では高負荷時の基本性能の把握を目的と

して、ケース設定を行った。

Case2-1~2-3 では、内部発熱が偏在する場合の本シス

(a) 実験室内 (b) 天井放射パネル

図2 実験室内及び天井放射パネルの写真

表1 放射パネルの仕様

(a)南北断面図(Case1,Case2-1,2-3) (b)東西断面図(Case2-2)

図3 温熱環境の測定位置

種類 材質

サイズ 600×600

寸法（縦×横×厚み） [mm] 595×595×40.5

輻射面の表面積 [m2/枚] 0.36

重量[kg] 1.9

m2当り重量（水含む） [kg] 5.6

発砲ポリスチレン密度 [kg/m2] 30

内臓パイプ寸法 [mm] 外径6×厚さ1

内臓パイプ長さ [mm] 8

表2 測定項目

場所 測定項目 測定機器 測定間隔 目的

温度分布 室中央,北側中央,南側中央の計3カ所の上下温度分布の測定

表面温度 四方の壁表面・天井・床面の表面温度の測定

温度 床吹出口、給気口・還気口の温度測定

給気風量 流量計 給気風量の測定

PMV アメニティメータ 室中央の温湿度、グローブ温度、風速の測定

表面温度分布 サーモカメラ 天井パネルの表面温度分布の測定

水温度小型温度計＋

フッ素樹脂被覆センサー天井パネルへの送水温度と還水温度の測定

瞬時流量 天井パネルへの送水瞬時流量の測定

積算熱量 天井パネルへの送水積算熱量の測定

設備機器

実験室内5min

熱電対

1min

小型積算熱量計

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テムの性能検証として、基本条件は Case1-1 と同じとし

（表 3）、模擬発熱体の設置位置のみ図 4に示すように各

ケースで異なっている。対応する内部負荷のレイアウト

図に関しては、図4に示す。Case2-1では対象システムの

短辺寄り、Case2-2 では長辺寄り、Case2-3 では千鳥格子

状に内部負荷が偏在した場合を想定してケース設定を行

った。尚、表3のOA機器発熱②とは、空調機(外調機に

対応)による処理を想定した負荷として、他の負荷(放射パ

ネルによる処理を想定した負荷)とは分けて表記している。

2. 実験結果

以下の結果では、冷水流量及び放射パネルへの送水・

還水温度、室内空気温度等の測定データは定常状態に達

したと想定される時間帯1時間の平均値を用いた。

2.1. 全身温冷感及び局所不快感

各ケースの作用温度注3)の結果を図 5、図 6 に示す。快

適範囲はASHRAE55-20103)の算定式注4)より算出した。全

ケース共に概ね快適範囲に収まっていた。図 5 では、全

てのケースで、南側中央の値が他の 2 つと比較して低い

値となった。これは、南側のみガラス窓が設置されてお

り、この面からの放射の影響によりMRTが低くなったた

めと推察される。図 6 では、全てのケースにおいて負荷

が集中している箇所の値が大きくなっている。

各ケースの測定点における上下温度分布を図 7、図 8

に示す。全ケースにおいて、放射パネル表面温度が室温

に比べ3℃程低くなっていた。また、床吹出の影響により

床面近傍の温度は低くなっているものの、居住域（高さ

100mm-1,700mm）の上下温度差は 3℃以下（最大温度差

1.6℃）に収まっていた。図 7では、各ケース、全測定点

においてほぼ同様の上下温度分布の傾向が確認され、居

住域の温度は概ね想定室温(24,26,28℃)となっていた。ま

た、図 8では、各ケースにおいて測定点 3箇所の結果に

大きなバラツキは見られないが、内部負荷が偏在する測

定箇所の上下温度分布が約 0.5～1.0℃程高くなる傾向に

あった。

2.2. 冷房能力

表3 実験条件及び実験ケース

照明発熱

[W/m2]

人体発熱

[W/m2]

OA機器

発熱①

[W/m2]

OA機器

発熱②

[W/m2]

Case1-152.8

(64.1)

42.0

(51.0)19.0 9.0 26 26 22

Case1-239.0

(44.6)

31.0

(35.5)8.0 4.5 24 24 22

Case1-366.9

(83.8)53.2

(66.7)30.2 13.5 28 28 22

平均水温[℃]

想定冷房

能力※1

[W/m2]

室内総計

[W/m2]

GR1～4

（隣室）[℃]

GR5

（天井）[℃]

空調機の運転条件

吹出温度[℃]

吹出風量

[m3/h]

内訳

室内発熱負荷※2

24022

項目ケースの説明

ガードルーム条件

GR6

（床）[℃]

※1:パネル面積28.1m2あたり,※2:試験室床面積35.3㎡あたり,( )内の数値はOA機器発熱②を含む値。

基準

12.2 10.8 18低負荷

高負荷

(a) Case2-1（短辺寄り） (b) Case2-2（長辺寄り）

(c) Case2-3 （千鳥格子）

図4 実験室の平面図及び内部荷偏のレイアウト

(Case 2-1,Case 2-2,Case 2-3)

図5 作用温度(Case1-1,Case1-2,Case1-3)

図6 作用温度(Case2-1,Case2-2,Case2-3)

5,9

00

9,900

GR2

GR3

GR4

GR1

5,9

00

9,900

GR2

GR3

GR4

GR1

5,9

00

9,900

GR2

GR3

GR4

GR1

※放射パネル設置箇所

[mm]

熱負荷発生箇所

上下温度及び天井・床表面温度

PMV

壁表面温度

23

24

25

26

27

28

作用温度[℃]

Case1-1 Case1-2 Case1-3

27.4

【快適域】 23.4≦作用温度≦27.4

23.4

23

24

25

26

27

28

作用温度[℃]

Case2-1 Case2-2 Case2-3

27.4

23.4

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本実験における代表温度差 4)及び放射パネルの冷房能

力注5)の関係を図 9にまとめて示す。図中には定格能力も

あわせて示す。ここで横軸の代表温度差は室の設定温度

と送還水の平均温度との差と定義している 4)。Case1シリ

ーズの結果から、床からの外気（冷気）供給の影響によ

り、⊿θが若干大きくなるものの、本システムは定格冷

房能力と概ね同様の冷房能力となることを確認した。ま

た、負荷偏在時は、Case2-3, Case2-2, Case2-1の順に冷房

能力が高いことが確認できた。これは主に内部負荷を発

生させたゾーンに設置される放射パネルの枚数による影

響と推察される。負荷偏在時において定格能力よりも5%

～15%程度、能力が低下する可能性が示唆された。

3. まとめ

本報では、オフィス空間を想定した空調性能試験室に

おいて、新たに放射天井パネルを導入した上で、定常冷

房実験により、放射パネルの定格能力時の性能検証及び

内部負荷が偏在する場合の冷房能力及び室内温熱環境の

把握を行った。

1) 定格能力時の検討(Case1-1~1-3)では、室温が概ね設定

室温に達し、作用温度は快適域内に収まっていた。放射

パネルの冷房能力は定格時のものと概ね同等となること

を確認した。

2) 負荷偏在時の検討(Case2-1~2-3)では、内部負荷が偏在

することで内部負荷を発生させたゾーンの温熱環境及び

冷房能力の若干の低下が確認されたものの、運用面では

問題の無い範囲の均一な温熱環境及び十分な冷房能力が

得られることを確認した。

その 2 では同室を対象とした非定常実験による検討結

果を示す。

注釈

1)放射パネルの表面温度が一定値となるような冷水の

ON/OFF制御も可能ではあるが、今回の実験ではそのよう

な制御は行っていない。

2)最低外気導入量は、想定在室人数8人として、240 m3/h（=8

人×30m3/h）と算出した。

3)作用温度(OT: Operative temperature)は室温に熱放射の影響

を加味した仮想の室温として、空気温度と平均放射温度の

熱伝達率を用いた重み付け平均値として定義される。本実

験条件下では静穏気流下(v≦0.2m/s)なので以下に示す近

似式にて算出した。

2

MRT +θOT

……[1]

θ: 空気温度[℃], MRT : 平均放射温度[℃]

4)以下の式にて算定される作用温度の快適域の中央値を用

いた 3)。

Tmin,Icl=[( Icl-0.5) Tmin,1.0clo+(1.0- Icl) Tmin,0.5clo]/0.5 …[2]

Tmax,Icl=[( Icl-0.5) Tmax,1.0clo+(1.0-Icl) Tmax,0.5clo]/0.5 …[3]

Tmax ：Iclでの作用温度の上限[℃] ,

Tmin：Iclでの作用温度の下限[℃], Icl：着衣量[clo]

5)放射パネルによる処理熱量は、放射パネルへの送水温度と

還水温度及び送水流量により算出した。

参考文献

1)ZEB を目指した超高層オフィスビルの天井放射空調シス

テムの冷却能力検証,清水建設研究報告,No91,2014.1

2)相楽ら：北九州市立大学の空調性能試験装置の概要,日本建

築学会大会学術講演論文集,2002年 08月.

3)ASHRAE : Thermal environmental condition for

human occupancy, ANSI/ASHRAE Standard

55-2010(1992)

4)CEN.BS EN14240:2004 Ventilation for Buildings -

Chilled Ceilings - Testing and rating offers a testing

method for chilled ceilings CEN (2004)

a) 南側中央 b) 室中央 c) 北側中央

図7 Case1の上下温度分布(Case1-1,1-2,1-3)

a) Case 2-1 b) Case 2-2 c) Case 2-3

図8 負荷偏在時の上下温度分布

(Case2-1,Case2-2,Case2-3)

図9 各ケースの放射パネルの冷房能力

0

0.5

1

1.5

2

2.5

20 21 22 23 24 25 26 27 28

床からの高さ[m

]

温度[℃ ]

20 21 22 23 24 25 26 27 28

温度[℃ ]

20 21 22 23 24 25 26 27 28

温度[℃ ]

天井面(2.7m)

Case1-2（低負荷）Case1-1（基準） Case1-3（高負荷）

2.7

0

0.5

1

1.5

2

2.5

20 21 22 23 24 25 26 27 28

床からの高さ[m

]

温度[℃ ]

20 21 22 23 24 25 26 27 28

温度[℃ ]

20 21 22 23 24 25 26 27 28

温度[℃ ]

天井面(2.7m)2.7

(a)Case A (b)Case B (c)Case C

北側南側 中央 西側 東側

35

40

45

50

55

60

65

70

5 6 7 8 9 10 11

輻射能力

[W/㎡

]

Δｔ[℃ ]

Case1-1

Case1-2

Case1-3

⊿θ：実測室温と平均水温の差（℃）

冷房能力

[W/㎡

]

本システムの定格能力

:Case1 :Case2-1 :Case2-2 :Case2-3

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