輻射暖房と冷房

内部冷暖房コンクリートスラブ天井を備えた部屋の断面図

放射暖房と冷房はHVAC技術のカテゴリーで、対流と放射の両方によって、暖房または冷房の対象となる環境と熱交換を行います。放射暖房と冷房には、「放射天井パネル」、 ^「埋め込み表面システム」、「熱活性建築システム」、^{[1 ]}、赤外線ヒーターなど、多くのサブカテゴリーがあります。一部の定義によると、環境との熱交換の 50% 以上が放射である場合にのみ、このカテゴリーに含まれます。^{[2]そのため、}ラジエーターやチルドビームなどの技術(放射熱伝達を伴う場合もあります) は、通常、放射暖房または冷房とは見なされません。このカテゴリー内では、高温放射暖房 (放射源温度が >≈300 °F の装置) と、より中程度の放射源温度の放射暖房または冷房を区別することが実用的です。この記事では、主に屋内環境の暖房または冷房に使用される、中程度の放射源温度の放射暖房と冷房について説明します。中温放射暖房および冷房は、通常、水力または電気源を使用して内部で加熱または冷却される比較的大きな表面で構成されます。高温の屋内または屋外放射暖房については、「赤外線ヒーター」を参照してください。融雪用途については、「融雪システム」を参照してください。

放射暖房と放射冷房は、もともとは別々のシステムでしたが、現在では似たような形になっています。放射暖房はアジアとヨーロッパで長い歴史があります。最も古いシステムは紀元前5000年ごろのもので、中国北部と韓国で発見されています。考古学的発見により、古代中国の家屋にはカンとディカン、つまり暖房付きのベッドと床があったことがわかっています。カンは紀元前11世紀に「乾かす」という意味で始まり、後に暖房付きのベッドに進化し、ディカンはこの概念を暖房付きの床にまで拡大しました。韓国では、 「温かい石」を意味するオンドルシステムが床下の煙道を使用してキッチンストーブからの煙を導き、平らな石を加熱して上の部屋に熱を放射していました。時が経つにつれ、オンドルシステムは石炭を使用するようになり、後に20世紀に水ベースのシステムに移行しましたが、韓国の建物では一般的な暖房システムのままです。^[3]

ヨーロッパでは、紀元前3世紀頃に開発されたローマのハイポコーストシステムは、公衆浴場や別荘で床下や壁の煙道に接続された炉を使用して温風を循環させる初期の放射暖房方法でした。この技術はローマ帝国中に広まりましたが、帝国の崩壊後に衰退し、中世にはより単純な暖炉に取って代わられました。この時期、オーストリアとドイツのカヘロフェンなどのシステムは、効率的な熱の貯蔵と分配のために蓄熱体を使用していました。18世紀には、効率的な熱分配のための加熱された煙道などの蓄熱技術の進歩と、材料がどのように熱を保持および伝達するかについての理解が深まったことに牽引されて、放射暖房はヨーロッパで再び使用されるようになりました。19世紀初頭には、温水パイプを埋め込んだ水ベースのシステムが開発され、熱伝達によって室内の快適さを提供する現代の放射暖房への道が開かれました。^[4]

放射冷房にも古代のルーツがあります。8 世紀、メソポタミアの建築家は雪を積もらせた壁を使って屋内を冷やしました。この概念は 20 世紀にヨーロッパで水冷システムとして再浮上し、冷水パイプを構造物に埋め込んで熱を吸収・放散し、冷房負荷に対応しました。^{[4] [5]}放射冷房は 1990 年代に床冷房が導入され、より広く採用されるようになりました。^[6]今日、現代の放射冷房システムでは、効率的な熱伝達のために熱媒体として水を使用するのが一般的で、住宅、商業、産業の建物で広く採用されています。エネルギー効率、静かな動作、温熱快適性を高める可能性が高く評価されていますが、^[7]その性能は設計や用途によって異なるため、継続的な議論が続いています。^[8]

放射暖房は、屋内と屋外の暖房技術です。放射エネルギーによる暖房は毎日観察されており、最も一般的に観察される例は太陽の暖かさです。技術としての放射暖房は、より狭く定義されています。放射暖房は、放射熱の原理を意図的に使用して、放射熱源から物体に放射エネルギーを伝達する方法です。放射暖房を備えた設計は、従来の対流暖房の代替として、また限られた屋外の暖房を供給する方法 として見なされています。

熱エネルギーは、床、壁、頭上のパネルなどの暖かい要素から放射され、空気を直接加熱するのではなく、室内の人やその他の物体を暖めます。放射暖房の建物の内部の空気温度は、体感温度が実際に同じになるように調整すると、従来の暖房の建物よりも低くても、同じレベルの身体の快適さを実現できます。放射暖房システムの主な利点の 1 つは、室内の空気の循環が大幅に減少し、それに応じて空気中の粒子が拡散しなくなることです。

放射暖房システムは次のように分けられます。

• 床暖房システム-電気式または温水暖房式
• 壁暖房システム
• 輻射天井パネル

床暖房システムと壁暖房システムは、低温システムと呼ばれることがよくあります。他のシステムよりも加熱面がはるかに大きいため、同じレベルの熱伝達を達成するには、はるかに低い温度が必要です。これにより、室内の環境が改善され、湿度レベルも改善されます。床暖房システムは、温度が低く表面積が大きいため、空気熱源ヒートポンプの理想的な熱放射源となり、システムからの熱エネルギーを家の中の部屋に均等かつ効果的に放射します。

暖房面の最高温度は、部屋のタイプに応じて 29～35 °C (84～95 °F) の範囲で変化します。輻射オーバーヘッドパネルは主に生産施設や倉庫施設、スポーツセンターで使用され、床から数メートルの高さに吊り下げられ、表面温度がはるかに高くなります。

屋外エリアを暖房する場合、周囲の空気は常に動いています。対流加熱に頼ることはほとんどの場合非現実的です。その理由は、外気を暖めると、空気の動きで吹き飛ばされてしまうからです。無風の状態でも、浮力効果で熱い空気は運び去られます。屋外放射ヒーターを使用すると、屋外エリア内の特定のスペースをターゲットにすることができ、その経路にある人や物だけを暖めることができます。放射暖房システムは、ガス燃焼式か、電気赤外線加熱要素を使用します。頭上放射ヒーターの例として、屋外でよく使用されるパティオヒーターがあります。上部の金属ディスクが放射熱を小さな領域に反射します。

放射冷房は、冷却された表面を使用して、主に熱放射によって顕熱を除去し、対流などの他の方法は二次的にのみ使用します。放射面を冷却するために水を使用する放射システムは、ハイドロニックシステムの例です。冷却された空気のみを循環させる「全空気」空調システムとは異なり、ハイドロニック放射システムは、建物の床または天井に特別に取り付けられたパネルを通じてパイプ内の冷却水を循環させ、快適な温度を提供します。換気、除湿、および場合によっては追加の冷却のために空気を供給する別のシステムがあります。^[9]放射システムは、冷却用の全空気システムほど一般的ではありませんが、一部の用途では全空気システムに比べて利点があります。^{[10] [11] [12]}

冷却プロセスの大部分は、空気ではなく人や物体との放射交換による顕熱の除去によるものであるため、空気ベースの冷却システムよりも暖かい室内空気温度で居住者の温熱的快適性を実現できます。放射冷却システムは、冷却エネルギー消費の削減につながる可能性があります。^[10]居住者、浸入、プロセスからの潜熱負荷（湿度）は、通常、独立したシステムで管理する必要があります。放射冷却は、望ましい室内空気温度と冷却される表面との間の温度差が小さいことを必要とするため、夜間のフラッシング、間接蒸発冷却、地中熱ヒートポンプなどの他のエネルギー効率の高い戦略と統合することもできます。^[13]

受動的な昼間の放射冷却は、赤外線大気窓（大気が異常に透明な周波数範囲）で蛍光を発する材料を使用し、エネルギーが直接宇宙に放出されるようにします。これにより、直射日光下でも熱蛍光物体を周囲の空気温度より低く冷却できます。^{[14] [15] [16]}

ローレンス・バークレー国立研究所が実施した調査によると、放射冷房システムは従来の冷房システムよりもエネルギー消費が少ない。放射冷房によるエネルギー節約は気候に左右されるが、米国全体の平均では従来のシステムに比べて30%程度節約できる。涼しく湿気の多い地域では17%、暑く乾燥した地域では42%の節約になる可能性がある。^[10]暑く乾燥した気候では、顕熱を除去することによる冷却の割合が最も高いため、放射冷房に最も有利である。この調査は参考になるが、シミュレーションツールや統合システムアプローチの限界を考慮するには、さらに調査を行う必要がある。エネルギー節約の大部分は、ファンで空気を分配するのに比べて、水を汲み上げるのに必要なエネルギー量が少ないことにも起因している。システムを建物の質量と結合させることで、放射冷房は一部の冷房を夜間のオフピーク時間帯に移行できる。放射冷房は、従来のシステムと比較して初期コスト^[17]とライフサイクルコストが低いと思われる。初期コストの低減は主に構造と設計要素の統合によるものであり、ライフサイクルコストの低減はメンテナンスの減少によるものです。しかし、VAV再加熱とアクティブチルドビームおよびDOASの比較に関する最近の研究では、配管の追加コストによる初期コストの低減の主張に疑問が投げかけられています^[18]

放射冷却システムは、冷たい放射表面に結露が発生する可能性があるため（水害やカビなどの原因となる）、広くは適用されていません。湿度による結露は、放射冷却システムの冷却能力を制限する要因です。表面温度は、空間の露点温度以下であってはなりません。一部の規格では、空間の相対湿度を60%または70%に制限することを推奨しています。気温が26°C（79°F）の場合、露点は17〜20°C（63〜68°F）になります。^[13]ただし、表面温度を短時間で露点温度以下に下げても、結露が発生しない可能性があることを示唆する証拠があります。^{[17]また、}除湿器やDOASなどの追加システムを使用すると、湿度を制限し、冷却能力を高めることができます。

暖房と冷房の両方を網羅する放射システムは、強制空気システムに頼るのではなく、床、天井、壁などの表面を通して熱や冷気を直接伝達します。これらのシステムは、^[19]熱活性化建築システム（TABS）、^[20]埋め込み表面システム、および放射天井パネルの3つのタイプに大別されます。

スラブからの放射冷却は、床または天井から空間に供給できます。放射暖房システムは床に設置されることが多いため、当然の選択は、冷却水に同じ循環システムを使用することです。これは場合によっては理にかなっていますが、天井から冷却を供給することにはいくつかの利点があります。

まず、天井は床よりも部屋に露出したままにしておく方が簡単なので、熱質量の有効性が向上します。床には、システムの有効性を低下させるカバーや家具があるという欠点があります。

第二に、暖かい空気が上昇すると、冷却された天井を通じて対流熱交換が増加し、冷却された表面と接触する空気が増えます。

床を通して冷房を行うのは、太陽光の浸透による太陽熱の取得量が多い場合に最も効果的です。なぜなら、冷たい床は天井よりも簡単に太陽熱負荷を取り除くことができるからです。^[13]

チルド スラブはパネルに比べて熱容量が大きいため、屋外の日中の気温変動をより有効に活用できます。チルド スラブは単位面積あたりのコストが低く、構造とより一体化しています。

チルドビームは、放射熱伝達と対流熱伝達を組み合わせたハイブリッドシステムです。純粋な放射熱伝達ではありませんが、熱負荷が変化する空間に適しており、天井とうまく統合して柔軟な配置と換気が可能です。^[9]

動作温度は、対流と放射の両方の影響を考慮した温熱快適性の指標です。動作温度は、実際の不均一な環境と同様に、放射と対流によって居住者が同じ量の熱を交換する、放射黒色の囲いの均一な温度として定義されます。

放射システムでは、冷房シナリオでは全空気システムよりも高い室内温度で、暖房シナリオでは全空気システムよりも低い温度で、温熱的快適性が達成されます。^[21] このように、放射システムは、望ましい快適レベルを維持しながら、建物の運用におけるエネルギー節約を達成するのに役立ちます。

建築環境センターの室内環境品質（IEQ）居住者調査を使用して、放射空調の建物と全空調の建物の居住者の満足度を比較した大規模な研究に基づくと、両方のシステムは音響満足度を含む同等の室内環境条件を作り出し、放射空調の建物では温度満足度が向上する傾向がある。^[22]

放射温度非対称性は、小さな平面要素の反対側の 2 つの面の放射温度の差として定義されます。建物内の居住者に関しては、表面の熱や冷たさ、直射日光により、身体の周囲の熱放射場が不均一になり、局所的に不快感を感じることがあります。ISO 7730 規格と ASHRAE 55 規格では、放射温度非対称性の関数として、不満足な居住者の予測パーセンテージ (PPD) を示し、許容限度を規定しています。一般に、人々は垂直面の熱や冷たさによって引き起こされる非対称放射よりも、暖かい天井によって引き起こされる非対称放射に敏感です。放射温度非対称性による不満足率の詳細な計算方法は、ISO 7730 に記載されています。

具体的な設計要件は放射システムのタイプによって異なりますが、ほとんどの放射システムに共通する問題がいくつかあります。

• 冷却用途の場合、放射システムは結露の問題を引き起こす可能性があります。設計では地域の気候を評価して考慮する必要があります。湿度の高い気候では空気の除湿が必要になる場合があります。
• 多くのタイプの放射システムには、大規模な建築要素が組み込まれています。関連する熱質量は、システムの熱応答に影響を及ぼします。空間の運用スケジュールと放射システムの制御戦略は、システムが適切に機能する上で重要な役割を果たします。
• 多くの種類の放射システムには、室内の音響に影響を与える硬い表面が組み込まれています。追加の音響ソリューションを検討する必要があるかもしれません。
• 放射システムの音響的影響を軽減する設計戦略として、自由に垂れ下がった音響雲を使用する方法があります。オフィスルームの自由に垂れ下がった音響雲の冷却実験では、天井面積の 47% が雲で覆われている場合、冷却能力が雲の覆いによって 11% 低下することが示されました。冷却能力をわずかに低下させるだけで、良好な音響品質を実現できます。^[23]音響雲と天井ファンを組み合わせると、雲の存在によって引き起こされる放射冷却天井の冷却能力のわずかな低下を相殺し、冷却能力を高めることができます。^{[23] [24]}

暖房、換気、空調（HVAC）システムには、空間に暖房や冷房を供給するための制御システムが必要です。適用される制御戦略は、使用するHVACシステムの種類によって異なり、これらの戦略によって最終的にシステムのエネルギー消費が決まります。 ^{[25]放射システムは、}熱伝達メカニズムと結露の潜在的なリスクの点で他のHVACシステムとは異なり、これらの独自の特性に対処するためにカスタマイズされた制御戦略が必要です。

放射システムは、熱い空気や冷たい空気を直接送るのではなく、コンクリートスラブや天井などの構造要素を加熱または冷却することによって熱を伝達します。これらの要素は主に放射によって熱を放出します。応答時間（システムが設定温度に達するまでにかかる時間）は、材料の熱質量によって異なります。金属パネルなどの熱質量の低い材料はすばやく応答しますが、コンクリートスラブなどの熱質量の高い材料はよりゆっくりと調整されます。
熱質量の高い要素と統合された場合、放射システムは温度調整の遅延による課題に直面します。この遅延により調整が過剰になり、エネルギー消費が増加し、熱的快適性が低下する可能性があります。^[26]
この問題に対処するために、モデル予測制御（MPC）がよく使用され、将来の熱需要を予測し、熱供給を積極的に調整します。たとえば、MPCは、必要になる前にオフピーク時に熱を蓄えることにより、放射システムの熱質量を活用します。これにより、電気料金と都市の電力網負荷が低い夜間に操作を開始できます。さらに、夜間の空気が冷えると、空気源ヒートポンプなどの冷却装置の効率が向上し、エネルギー使用がさらに最適化されます。これらの戦略を採用することで、放射システムは熱質量の課題を効果的に克服し、日中の電力需要を減らし、グリッドの安定性を高め、運用コストを削減します。^[27]

放射冷却システムでは、表面温度が周囲の空気の露点以下に下がると結露が発生することがあります。これにより、居住者に不快感を与え、カビの繁殖を促進し、放射面を損傷する可能性があります。^{[28]このリスクは、暖かく}湿った空気が開いた窓から入り、冷たい放射冷却面と接触する湿度の高い気候で特に高くなります。これを防ぐには、放射冷却システムを効果的な換気戦略と組み合わせて、室内の湿度レベルを制御する必要があります。

放射冷却システムは通常、表面と熱接触するパイプ内を流れる循環水を使用して冷却するハイドロニックシステムです。通常、循環水は、望ましい室内空気温度より2～4℃低くするだけで十分です。 ^[13]積極的に冷却された表面によって吸収された熱は、ハイドロニック回路を流れる水によって除去され、温められた水はより冷たい水に置き換えられます。

建物構造内の配管の位置に応じて、温水暖房システムは主に 4 つのカテゴリに分類できます。

• 埋め込み表面システム: 表面層内に埋め込まれたパイプ (構造物内ではない)
• 熱アクティブ建築システム（TABS）：建物構造（スラブ、壁）に熱的に結合され埋め込まれたパイプ^[29]
• 毛細管表面システム：内部の天井/壁面の層に埋め込まれたパイプ
• 放射パネル：パネルに統合された金属パイプ（構造物内ではない）；表面に近い熱媒体

ISO 11855-2規格^[30]は 、埋め込み式水冷表面暖房システムとTABSに焦点を当てています。構造の詳細に応じて、この規格では7つの異なるタイプのシステム（タイプAからG）を区別しています。

• タイプA：スクリードまたはコンクリートにパイプを埋め込んだタイプ（「ウェット」システム）
• タイプB：スクリードの外側にパイプを埋め込んだタイプ（断熱層内、「ドライ」システム）
• タイプCは、整地層にパイプが埋め込まれ、その上に2番目のスクリード層が配置されます。
• タイプDには平面セクションシステム（押し出しプラスチック/毛細管グリッドのグループ）が含まれます。
• 巨大なコンクリート層にパイプを埋め込んだタイプE
• タイプFは、毛細管が天井の内側の層に埋め込まれているか、石膏の別の層として埋め込まれている。
• 木製床構造にパイプを埋め込んだタイプG

放射システムは低エクセルギーシステムと関連している。低エクセルギーとは、「低品質エネルギー」（つまり、有用な仕事をする能力がほとんどない分散エネルギー）を利用できる可能性を指す。暖房と冷房は、原則として、周囲環境に近い温度レベルで得られる。温度差が低いためには、例えば天井や床暖房システムに適用されるような比較的大きな表面で熱伝達が行われる必要がある。^[31] 低温暖房と高温冷房を使用する放射システムは、低エクセルギーシステムの典型的な例である。地熱（直接冷却/地熱ヒートポンプ暖房）や太陽熱温水などのエネルギー源は、放射システムと互換性がある。これらのエネルギー源は、建物の一次エネルギー使用の点で大幅な節約につながる可能性がある。

放射冷却を採用している有名な建物としては、バンコクのスワンナプーム国際空港^[32]、ハイデラバードのインフォシスソフトウェア開発ビル1、インド工科大学ハイデラバード校[ ^33]、サンフランシスコエクスプロラトリアム^[34]などがあります。放射冷却は、多くのゼロネットエネルギービルでも使用されています。^{[35] [36]}

熱放射は、固体、液体、または気体の温度の結果として放出される電磁波の形のエネルギーです。 ^[37] 建物では、2つの内部表面（または表面と人）間の放射熱の流れは、熱を放出する表面の放射率と、この表面と室内の受容表面（物体または人）との間の視野係数の影響を受けます。 ^[38] 熱（長波）放射は光速で直線的に進みます。^[9]反射される可能性があります。建物内の人、機器、表面は熱放射を吸収すると温まりますが、放射が通過する空気を著しく加熱することはありません。^[9]つまり、物体、居住者、機器、照明の温度が冷却表面よりも高く、冷却表面の直接または間接の視線内にある限り、熱は空間内の物体、居住者、機器、照明から冷却表面に流れます。空気が冷却表面と接触すると空気の温度が下がるため、対流によって熱がいくらか除去されます。

放射による熱伝達は絶対表面温度の 4 乗に比例します。

物質の放射率（通常はεまたはeと表記される）は、その表面が放射によってエネルギーを放出する相対的な能力である。黒体の放射率は1で、完全反射体の放射率は0である。[ 37 ^]

放射熱伝達において、形態係数は、周囲の他の物体を考慮して、物体（人または表面）から出て別の物体に当たる放射の相対的な重要性を定量化する。囲まれた空間では、表面から出る放射は保存されるため、特定の物体に関連するすべての形態係数の合計は 1 に等しい。部屋の場合、放射面と人の形態係数は、それらの相対的な位置に依存する。人は頻繁に位置を変え、部屋には同時に多くの人がいる可能性があるため、全方向の人に対する図を使用することができる。^[39]

応答時間（τ95）、別名時定数は、放射システムの動的熱性能を分析するために使用されます。放射システムの応答時間は、システムの制御のステップ変更が入力として適用されたときに、放射システムの表面温度が最終値と初期値の差の95%に達するのにかかる時間として定義されます。^[40]これは主にコンクリートの厚さ、配管間隔、そしてそれほどではないがコンクリートの種類によって影響を受けます。配管径、室内の動作温度、給水温度、および水流状況による影響は受けません。応答時間を使用して、放射システムを高速応答（τ95< 10分、RCPなど）、中程度の応答（1時間<τ95<9時間、タイプA、B、D、Gなど）、および低速応答（9時間<τ95<19時間、タイプEおよびタイプFなど）に分類できます。^[40]さらに、床輻射システムと天井輻射システムは、室内の熱環境や配管の埋め込み位置によって熱伝達係数が異なるため、応答時間が異なります。

暖炉と薪ストーブ

• HVAC 用語集

• ASHRAE ハンドブック。HVAC システムおよび機器 2012。第 13 章。ハイドロニック暖房および冷房。
• Kessling, W.、Holst, S.、Schuler, M. 新バンコク国際空港の革新的な設計コンセプト、NBIA。
• Olesen、BW 水ベースシステムによる放射暖房と冷房。デンマーク工科大学、国際室内環境エネルギーセンター。

• 建築環境センターにおける放射冷却研究
• 建築環境センターの居住者室内環境品質（IEQ）調査
• 米国エネルギー省の放射暖房ガイド
• 赤外線ヒーター安全協議会
• 放射パネル協会
• 水暖房式放射冷暖房システムを採用した建物の地図