放射冷暖房システム
理論：表面温度で冷暖房する
概要
床暖房や天井冷房は、エアコンと比べて何が違うんですか？
エアコンは空気の温度を変えて人を暖めたり冷やしたりするが、放射冷暖房は床や天井の表面温度を変えて、主に放射で人と熱をやりとりする。表面と部屋の間の熱伝達率は10 W/m²K程度と小さいので、能力は表面温度でほぼ決まる。床は熱すぎると足が不快で、天井は冷やしすぎると結露するので、使える温度の幅は狭い。そのかわり、人が感じる温度は空気と周りの表面の温度の平均で決まるので、暖房では空気を少し低く保てる。床・天井の能力と、快適さの指標である作用温度を計算してみよう。
能力の特性式
ΔT は表面と室温の差。床暖房と天井冷房は、暖かい面が下・冷たい面が上で対流が起きやすく、熱伝達率が大きい。逆の組み合わせ（床冷房・天井暖房）は空気が層になって動きにくく、能力が小さい。
作用温度
ローマの床暖房
放射暖房の歴史は古い。古代ローマの浴場や邸宅には、床下や壁の中に炉の熱いガスを通すハイポコーストという仕組みがあった。朝鮮半島のオンドルも、かまどの煙を床下に通して床を温める伝統的な床暖房だ。20世紀には温水配管を床やコンクリートに埋める方式が広まり、現代では、建物の構造体そのものを温水で冷暖房する方法も使われている。
計算例
例1：表面温度と能力
| 方式 | 条件 | 能力 |
|---|---|---|
| 床暖房 | 表面29℃・室温20℃ | 100 W/m² |
| 床暖房 | 表面27℃・室温20℃ | 76 W/m² |
| 天井冷房 | 表面17℃・室温26℃ | 100 W/m² |
| 床冷房 | 表面19℃・室温26℃ | 49 W/m² |
| 天井暖房 | 表面30℃・室温20℃ | 60 W/m² |
放射による熱伝達率は、放射率0.9・20℃で約5.1 W/m²K。
例2：作用温度21℃に必要な室温（5×4×2.6 mの部屋）
| 暖房方式 | 表面温度（床・天井・壁） | 平均放射温度 | 必要な室温 |
|---|---|---|---|
| ラジエーター | 19 / 19 / 18 °C | 18.5 °C | 23.5 °C |
| 床暖房 | 26 / 19 / 18 °C | 20.1 °C | 21.9 °C |
床を26℃にするだけで、室温を1.6 K下げても同じくらい暖かく感じるんですね。
人の体は、空気との対流と、周りの表面との放射で熱を失う。床が暖かいと、放射で失う熱が減るので、空気が少し冷たくても同じように感じる。その分、窓のすきまや換気で逃げる熱も小さくなる。この部屋では換気（毎時0.5回、外気0℃）の熱損失が205 Wから191 Wへと約7%減る。ただ、効果の大きさは表面の面積と温度で決まり、床の温度には足の快適さの上限があるので、能力には限りがある。断熱の悪い建物では床暖房だけでは足りず、補助の暖房が必要になることも多い。
設計のポイント
- 必要な熱負荷を、表面温度の上限・下限で出せる能力と比べる。
- 冷房では室内の露点を管理し、表面を露点より高く保つ（除湿と組み合わせる）。
- 家具や敷物で覆われる面積を差し引く。
- 快適性は空気温度ではなく作用温度やPMVで評価する。
- コンクリートに埋める方式は応答が遅いので、制御は先読みで行う。
「天井が汗をかいた」
ある事務所の天井冷房で、梅雨の朝に天井の表面に結露が起き、水滴が落ちた。前の晩に換気が止まっていて、朝に人が出勤すると室内の湿度が上がり、露点が天井の表面温度を超えたのだ。対策として、室内の露点を測って天井の冷水温度を露点より高く保つ制御と、出勤前に除湿を始める運転が加えられた。放射冷房では、温度だけでなく湿度の管理が欠かせない。
よくある間違い
間違いと対策
| 間違い | 起きること | 対策 |
|---|---|---|
| 表面温度の制約を無視 | 能力を過大評価 | 上限・露点で確認 |
| 床冷房に床暖房の係数 | 能力を約2倍に | 方式別の式 |
| 空気温度だけで快適性 | 過剰な暖房 | 作用温度で評価 |
| 湿度管理なし | 結露 | 露点制御 |
| 覆われる面積を無視 | 能力不足 | 有効面積で計算 |
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