JP4919184B2 - 水分蒸発冷却屋根・壁体構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低地球環境負荷型建築物における水分蒸発冷却屋根・壁体構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、化石燃料や有用天然資源の枯渇、地球環境の保護のため、省エネルギーや新・未利用エネルギーの利用、温室効果ガス・硫化物・窒素酸化物の排出削減、代替フロンの利用などの推進が図られている。
【０００３】
こうした背景のもと、建築分野でも、これらを推進するため、環境と調和し、自然エネルギーをうまく利用して、低負荷・省エネルギーで内部環境を創造・制御し、環境と共生し得る、低地球環境負荷型建築物へのニーズが高まっている。
【０００４】
自然エネルギー、自然環境を利用した低地球環境負荷型建築物として、屋根および外壁面での水分蒸発冷却により、建物への貫流熱取得を低下させて自然冷房を行い、省エネルギーにより、建物内部環境の快適化を図るもののひとつとして、水分の蒸発冷却を利用した冷房方式がある。これには、一般に、屋根や外壁に散水して蒸発冷却を行う方式があるが、この方式は、屋根や壁体外表面に散水し、その水分の蒸発により、屋根や壁体の外表面を潜熱冷却して表面温度を下げ、これにより建物内部への貫流熱取得を低下させて自然冷房を行うか、または、冷房機器にかかる熱負荷の低減を図るものである。
【０００５】
このように水の蒸発潜熱により建築物内部を冷却したり、建築物内部の昇温を防ぐ方法は、散水式の蒸発冷却システムとして、広く検討されている。
【０００６】
この散水方式の蒸発冷却システムは、電力等を利用する冷却システムに比べ消費エネルギーが格段に少なく、また、電気冷房のようにトータルで発熱系のシステムでないので、温暖化防止にも有効である。
【０００７】
この方式では、一般にスプリンクラーなどにより散水を行うが、スプリンクラー等を用いず、屋根頂部より水勾配に沿って流下させる散水方式も考えられる。
【０００８】
なお、同じく蒸発潜熱利用のものでルーフポンドのように屋根に貯水するシステムがあるが、重量が重くなり、建築構造体への荷重負荷が大きく、また、水漏れに対する充分な対策が必要で、コストアップになるので、その採用はあまり現実的でない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
叙上散水方式の蒸発冷却システムにおける散水量は理論的には１．５ｋｇ／ｍ^２ｈ程度で良い。しかしながら、このような少量散水を長いリーチをもって行うに足る適当なスプリンクラーがない（少量散水用のスプリンクラーはあるが、散水半径が小さく、単位面積当りの散水量は結果として少なくならない）。また、風により散水分が当該建物の近隣に飛散することもあり、水分ロスや近隣との問題が生じうる。
【００１０】
また、屋根頂部よりの水勾配に沿っての流下の散水方式では、水道（みずみち）ができ均一に屋根面を濡らすことが難しく、蒸発冷却効果が低下するという欠点がある。
【００１１】
本発明は、叙上の事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、水資源の保存の観点から、水分の飛散ロスの防止や、必要以上の水分消費をなくすこと、さらに、屋根面・壁体面での濡れの不均一化をなくし、少ない水分量にて蒸発冷却効果を上げ得、水資源の保存を図りつつ、蒸発冷却効果を高め得る水分蒸発冷却屋根・壁体構造を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の水分蒸発冷却屋根・壁体構造は、屋上設置の送水可能な雨水槽からの供給若しくは降雨での散水供給の前提のもと、前記屋根・壁体である構造体の外表面に、表面が均一に濡れるように、ハイドロゲルを含む層を積層構成するとしたものである。
【００１３】
また、上記のハイドロゲルを含む層における当該ハイドロゲルを、感温吸排水性ポリマーとしたものである。
【００１５】
【作用】
蒸発面（屋根・壁体である構造体の外表面）にハイドロゲルを含む層を設けることにより、傾斜面においてさえ、水を均一に固定保持することができ、適時散水し、ハイドロゲルに吸収させておけば、頻繁に散水しなくとも、継続的な蒸発冷却が達成される。
【００１６】
また、ハイドロゲルを感温吸排水性ポリマーとしたものにあっては、本発明でいう感温吸排水性ポリマーとは、感温点以下では水を吸収し、感温点以上では水を吸収せず低温で吸収していた水を外部に排出する樹脂をいい、ポリマーの温度が特定の感温点以下の場合、水がゲル中に保持されているため蒸発が抑制され、低温時の無駄な蒸発が抑えられ、ポリマーの温度が感温点以上になるとハイドロゲルから自由水が排出され、ハイドロゲル層の表面に移行するため、散水の場合と同様の蒸発冷却がなされるので、不必要な水分消費が全く無い。
【００１７】
さらに、連続毛管を有する多孔体または繊維成型体中に、上記の感温吸排水性ポリマーのハイドロゲルを分散させた層としたものにあっては、感温吸排水性ポリマーの感温点以下では、水は水分蒸発冷却屋根・壁体構造のゲル中に保持され該構造表面には出てこないので、該構造の温度が感温点以下では、ほとんど蒸発が起こらず、水のロスがなく、散水管理が容易になり、感温点以上では、感温吸排水性ポリマーから排出された水が毛管力で該構造表面に次々に移行するので蒸発率が高くなり、効率的な冷却が実現する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の態様を図１〜１０に基づいて説明する。図１ａ、ｂは、屋根・壁体である構造体１の水平面（陸面）、傾斜面にハイドロゲル（吸水性ポリマー）を含む層２を積層した例を示す。
【００１９】
ここでいうハイドロゲルとは、水溶性ポリマーの網目構造と水とからなるやわらかい構造のもの、具体例として、紙オムツ等に使われる高吸水性ポリマー、食品のゼラチン、寒天等がある。
【００２０】
かかる構造のものとしては、カルボキシメチルセルロース架橋物、でんぷん−アクリロニトルグラフト共重合体、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸塩等を原料としたハイドロゲルが広く知られている。
【００２１】
上述の如く、蒸発面にハイドロゲルを含む層を設けることにより、傾斜面においてさえ、水を固定保持することができ、適時散水しハイドロゲルに吸収させておけば、頻繁に散水しなくとも継続的な蒸発３により屋根、壁体の冷却が達成される。
【００２２】
この方式では、吸水水分を水分として放出せず、直接蒸発させる。
【００２３】
図２は、ハイドロゲルとして感温吸排水性ポリマーを採用する例を示す。
【００２４】
ここで、本発明でいう感温吸排水性ポリマーとは、感温点以下では水を吸収し、感温点以上では水を吸収せず低温で吸収していた水を外部に排出する樹脂をいい、例えば特開平７−２２４１１９号（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド、アクリル酸ナトリウムおよびダイアセトンアクリルアミドを架橋剤存在下、水溶液重合して吸水樹脂を得た）、特開平８−１０００１０号（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド、ダイアセトンアクリルアミド、アクリル酸および酸性白土を水に溶解・分散し、窒素ガス気流下、開始剤を添加し重合し、無機粒子を含有した感温吸排水性ゲルを得た）等に記載のＮ−イソプロピルアクリルアミド等のＮ−アルキルアクリルアミドを主成分モノマーとして重合架橋させた樹脂等を例示することができる。このタイプの感温吸排水性ポリマーは、Ｎ−アルキルアクリルアミドと共重合するモノマーを適当に選択することにより、感温点を任意に設定することができる。本発明においての感温点は、２５℃〜３０℃が好ましい。
【００２５】
叙上の感温吸排水性ポリマーを含む層４を付着のため溝５、…付形の構造体６や折板屋根７の谷部７ａ、…に設置した。
【００２６】
図中、８は雨水槽（図示省略するも、水不足を生じることのないように、給水管の下方からの接続も施される）、９は給水バルブ、１０は該バルブ９から供給の水分を示し、当該バルブ９は外気温センサー１１の指示により開閉制御される。
【００２７】
しかして、
（ａ）ポリマーの温度が特定の温度（以下、感温点という）以下の場合、水がゲル中に保持されているため蒸発が抑制され、低温時の無駄な蒸発が抑えられる。
（ｂ）ポリマーの温度が感温点以上になるとハイドロゲルから自由水が排出され、ハイドロゲル層の表面に移行するため、散水の場合と同様の蒸発冷却がなされる。
【００２８】
図３ａ、ｂは、叙上図２の構造体６が傾斜面である場合の対処例を示し、ａ図は傾斜面に設けた多設孔１７、…に感温吸排水性ポリマーを含む層４を充填したものであり、ｂ図は傾斜面を階段状に構成して形成された段状枡１８、…に感温吸排水性ポリマーを含む層４を充填したものである。
【００２９】
互いに隔離された層４、…は、上位のオーバーフローした水分１０を可能なだけ受止するので、視認観察のもとに給水制御をすれば良い。
【００３０】
図４は、ハイドロゲルを含む層を、連続毛管を有する多孔体または繊維成型体中に感温吸排水性ポリマーのハイドロゲルを分散させた層とした例の１つで、感温吸排水性ポリマーマット１２を用いた蒸発冷却構造を示す。
【００３１】
図５ａ〜ｃは、他の例で、感温吸排水性ポリマーをコンパウンドしたレンガやポーラスコンクリート１３を用いた蒸発冷却構造の各例を示す。表面の凹凸は、伝熱面積を増加させ、効果を大としたものである。
【００３２】
図６は、同じく他の例で、不織布１４に感温吸排水性ポリマーを混入した冷却構造を示す。
【００３３】
図７は、同じく他の例で、構造体６の表面の塗料１５中に感温吸排水性ポリマーを混入した冷却構造を示す。
【００３４】
図８は、同じく他の例で、金属タワシ状材１６を既述の図４に紹介のレンガやポーラスコンクリート１３に打ち込む冷却構造を示す。
【００３５】
金属タワシ状材１６を介して熱伝導を良くし、表面の蒸発冷却効果を室内に伝えやすくしたものである。
【００３６】
叙上図４〜８のものにあっては、感温吸排水性ポリマーの感温点以下では、水は水分蒸発冷却屋根・壁体構造中のゲル中に保持され、該構造表面には出てこないので、該構造の温度が感温点以下ではほとんど蒸発が起こらず、水のロスがなく散水管理が容易になる。感温点以上では、感温吸排水性ポリマーから排出された水が毛管力で該構造表面に次々に移行するので蒸発率が高くなり、効率的な冷却が実現する。なお、冬季等、蒸発冷却を要しない期間は、水抜きをすることで純粋な断熱材としても機能する。なお、多孔体、繊維成型体の具体例としては、上記の如く、発泡ウレタン等の樹脂発泡体、軽量発泡材の成型体、繊維状マット、コンクリート、塗料等が例示されるものである。
【００３８】
本発明による蒸発冷却効果を実験で確認した。
【００３９】
すなわち、図９は、上部に感温吸排水性ポリマーマットを設置した場合のボックス内部の温度（周囲は断熱）と上部に蒸発冷却のない発泡ウレタンマットを設置した場合との蒸発冷却効果の比較である。夏季の実測結果の例から、感温吸排水性ポリマーマットを用いることにより、ボックス内部の温度を約９℃下げることができた。
【００４０】
また、図１０は、軽構造屋根で、感温吸排水性ポリマー層を設置した場合と感温吸排水性ポリマー層がない場合の実測による蒸発冷却効果（千葉・夏季の例）の比較である（感温点３０℃）。
蒸発冷却効果（１３時の例）
外表面温度の低下量 ３９．１℃
内表面温度の低下量 ６．６℃
であった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は以上の如く構成されるので、以下列記の諸効果を奏する。
（イ）常時散水不要のため、ポンプ動力や水資源の節約が可能。
（ロ）表面で均一に濡れるため、効果的に蒸発冷却が発現。
（ハ）多孔質材に吸水性ポリマーを内包すれば、水分を毛細管で吸い上げて、表面での蒸発冷却を誘発。
（ニ）用途は、建築物の屋根・壁体（建種は問わないが、軽構造で特に効果が大きい）。
（ホ）水分ロスが少なく、省水化が図れる。
（ヘ）感温性により、必要時に効果的に蒸発冷却が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ａ、ｂは本発明の蒸発冷却構造の説明図である。
【図２】 本発明の蒸発冷却構造の説明図である。
【図３】 ａ、ｂは本発明の蒸発冷却構造の説明図である。
【図４】 本発明の蒸発冷却構造の説明図である。
【図５】 ａ、ｂ、ｃは本発明の蒸発冷却構造の説明図である。
【図６】 本発明の蒸発冷却構造の説明図である。
【図７】 本発明の蒸発冷却構造の説明図である。
【図８】 本発明の蒸発冷却構造の説明図である。
【図９】 本発明の蒸発冷却効果の実験結果例の説明図である。
【図１０】 本発明の蒸発冷却効果の実験結果例の説明図である。
【符号の説明】
１ ； 構造体
２ ； 層
３ ； 蒸発
４ ； 層
５ ； 溝
６ ； 構造体
７ ； 折板屋根
７ａ ； 谷部
８ ； 雨水槽
９ ； 給水バルブ
１０ ； 水分
１１ ； 外気温センサー
１２ ； 感温吸排性ポリマーマット
１３ ； ポーラスコンクリート
１４ ； 不織布
１５ ； 塗料
１６ ； タワシ状材
１７ ； 多設孔
１８ ； 段状枡

Claims (2)

1. 屋上設置の送水可能な雨水槽からの供給若しくは降雨での散水供給を前提とした水分蒸発冷却屋根・壁体構造において、
   前記屋根・壁体である構造体の外表面に、表面が均一に濡れるように、ハイドロゲルを含む層を積層構成し、ハイドロゲルを含む層における当該ハイドロゲルを、感温吸排水性ポリマーとし、感温吸排水性ポリマーのハイドロゲルを含む層が屋根・壁体である構造体傾斜面に設けた多設孔に充填・積層するとしたことを特徴とする水分蒸発冷却屋根・壁体構造。
2. 屋上設置の送水可能な雨水槽からの供給若しくは降雨での散水供給を前提とした水分蒸発冷却屋根・壁体構造において、
   前記屋根・壁体である構造体の外表面に、表面が均一に濡れるように、ハイドロゲルを含む層を積層構成し、ハイドロゲルを含む層における当該ハイドロゲルを、感温吸排水性ポリマーとし、感温吸排水性ポリマーのハイドロゲルを含む層が屋根・壁体である構造体傾斜面に設けた段状枡に充填・積層するとしたことを特徴とする水分蒸発冷却屋根・壁体構造。

Images