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P.L.A.M. PLAM プラム | 照明設計サポート設計知識とツール 照明設計資料

照明設計資料

照明による発生熱の計算法

1.照明による発生熱の課題と対策

 室内居住者の視的条件を改善するため、照明設備は日進月歩の発展をたどり、光源の発達と経済力の向上、作業内容の精密化に伴って、作業場は高照度になってきています。
 このように高照度になってきますと、照明による発生熱が増え、居住者の快適さや冷房負荷の増大等に問題が生じますので、空調照明器具の活用など、照明発生熱をうまく処理して居住性を損なわないと同時に、省エネルギーに有効活用しなければなりません。そのためにまず、照明による発生熱量を求め、次にその発生熱による器具内温度の上昇と、器具内温度を一定に保つための所要換気量を求め、さらに照明によって照らされている被照射物の温度上昇や人体の受ける温熱感について求めてみます。

2.照明による発生熱量

1 白熱灯による発生熱量

 発生熱量は、1W当り0.86kcal/hですから、たとえば白熱電球100Wを1個、1時間点灯したとしますと、
   100W×1h×0.86kcal/W・h=86kcal
の発生熱量があることになります。

2 蛍光灯やHID光源の照明による発生熱量

 蛍光灯やHID光源では、ランプによる発生熱量の他に、ランプを安定に点灯維持させる安定器で消費される熱量も加わります。たとえば、蛍光灯40W2灯(100Vグロー式PS型低力率安定器使用)を1時間使用しますと、ランプと安定器の両方による使用電力は90Wとなり、
   90W×1h×0.86kcal/W・h=77.4kcal
の照明熱量が発生することになります。

3 LEDによる発生熱量

 LEDによる発生熱量の他に、LEDを点灯させる電源装置で消費される熱量も加わります。たとえば、LED250形(HID35形相当)照射角30°のスポットライトを1時間使用しますと、ランプと電源装置の両方による使用電力は35.3Wとなり、
   35.3W×1h×0.86kcal/W・h=30.4kcal
の照明熱量が発生することになります。(※2013年の値)

3.発生熱量による温度上昇

1 熱計算に使用する公式

(a) Q=A×K×?冲  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・〔公式1〕
    Q   :発生熱量 (kcal/h)
    A   :表面積 (m2
    K   :熱貫流率 (kcal/m2・h・℃)
    ⊿t:温度差 (℃)
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    K   :熱貫流率(kcal/m2・h・℃)
    λ  :熱伝導率(kcal/m・h・℃)
    t    :厚さ(m)
    αo:外壁の熱伝達率(kcal/m2・h・℃)
    αi :内壁の熱伝達率(kcal/m2・h・℃)
    C   :空隙の熱伝導率(kcal/m2・h・℃)
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2 熱伝導率〔αoi〕(kcal/m2・h・℃)

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 外壁の熱伝達率(αo)は通常風速3m/secの場合の値、20を使用。また、内壁の熱伝達率(αi)は無風の場合の値8を使用する。

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例 コンクリート壁でv=5m/secの場合μv=208
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 屋上コンクリートスラブ(天井)の表面における上向熱流の場合
  α=25×1.25≒31とします。

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〔例〕水銀灯400W一般高力率安定器(100V)32台を、屋外の鋼板製ボックス内に設置した場合、ボックス内の温度上昇を求めます。

(条件)
●鋼板製ボックス
 0.8mm鋼板で換気口はない
 鋼板の熱伝導率(λ)
 λ=46(kcal/m・h・℃)
●安定器の電力損40W/1台
●外気温度 30(℃)
●内部発生熱(Q)
  Q=40(W)×32(台)×0.86(kcal/W・h)=1,100(kcal/h)
●表面積(A)
  A=(2.4×0.9×2)+(2.4×1.8×2)+(1.8×0.9×2)=16.2(m2
●熱貫流率(K)は〔公式2〕より
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ここで外壁の熱伝達率(αo)は風速3m/sec の値20を使用し、内壁の熱伝達率(αi)は無風ですが、表面状態から考えて10を使用します。
●ボックス内部の温度上昇(⊿t)は〔公式1〕より
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 温度上昇が10.2℃では、外気温が30℃の場合、内部温度は30+10.2=40.2℃となります。この場合、外気温だけを考えており、ボックスが日射を受けると表面温度は夏期では45℃〜50℃に達します。また、日陰においても、実際には輻射熱の影響で外気温より高い値となることに注意してください。

4.発生熱量による温度上昇を防ぐための必要換気量

〔例〕 幅180cm、高さ90cm、奥行50cmの3mm厚のガラス製ショーケース内に40W蛍光灯2灯を使用した場合、ショーケース内部の温度上昇は何度か、また、ショーケース内の空気を換気して一定温度上昇(1℃以内)に維持するために必要とする換気量を求めます。
  ●40W1灯用安定器の電力損は10Wとする
  ●ガラスの熱伝導率・・・・・・ 0.68(kcal/m・h・℃)
  ●外部熱伝導率 ・・・・・・・・  10(kcal/m2・h・℃)
  ●内部熱伝導率 ・・・・・・・・  8(kcal/m2・h・℃)
●内部発生熱(Q)
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●表面積(A)
  A=〔(1.8+0.5)×0.9×2〕+(1.8×0.5×2)= 5.94(m2
●熱貫流率(K)は〔公式2〕より
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●温度上昇(⊿t)は〔公式1〕より
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●換気風量(V)は、〔公式1〕と〔公式3〕より
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以上、ショーケース内部では、約3℃の温度上昇となります。また内部の温度上昇を1℃に維持するためには、毎時200m3の換気が必要です。

5.照明発生熱量を利用した暖房

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 次に照明による発生熱量だけで、室内を暖房する時の必要照明電力を求めてみますと、
〔例〕コンクリートブロックのポンプ室内を照明熱で凍結を防ぐためには何Wのランプが必要か? ただし、扉およびガラスからの熱損失はないものとする。
(条件)
●外気温度      −10℃
●ポンプ室内温度   0℃
●コンクリートの厚さは20cmとし熱伝導率
  λ=1.4(kcal/m・h・℃)
●外壁の熱伝導率
  αo=20(kcal/m2・h・℃)
●内壁の熱伝導率
  αi=8(kcal/m2・h・℃)
●表面積(A)
  A=2m×2m×6=24(m2
●熱貫流率(K)は、〔公式2〕より
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●室内を0℃(温度差10℃)に維持するための熱量(Q)は〔公式1〕より
  Q=A×K×?冲=24×3.15×10=756.0(kcal/h)
 照明のW数は
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 となります。

6.照明による被照射物の温度上昇

1 温度上昇の計算方法

(1) 放射照度と放射強度
 放射照度とは、明るさの感じ方とは関係なく、被照射物の単位面積あたりに入射する放射エネルギー量を表わすもので、単位はW/m2
 また、ランプの放射強度を表現する場合は、1(lx)当りの放射照度(単位はmW/m2・ lx)で表わします。
(2) 放射照度と温度上昇
 放射エネルギーを受けている物体の温度上昇は、放射照度、物体表面の吸収率、放射率、物体の比率、質量、全表面積、周囲温度、風速など多くの要因によって決まりますので、理論的な計算で求めるのは困難です。したがって、放射照度と温度上昇の関係は実験的に求めるのが最も一般的な方法です。
表3に示すものは、室内で無風条件のもとで100mm×100mmの大きさの試料を床から20cmはなして水平に保持し、真上方向から白熱電球で照射したときの表面の温度上昇を実測した結果をもとに、各種光源の場合の温度上昇を計算したものです。
(3) 温度上昇の計算方法
 光源Aの放射強度をαA(mW/m2・lx)とし、
  物体Χに光源Aで照射したときの
   物体Χの表面の照度   EAX (lx)
   物体Χの表面の温度上昇 TAX (℃)
としますと、以上3つの値より物体Χを1℃上昇させる放射照度β(mW/m2・℃)を求めますと、
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となります。
 次に、光源Bを物体ΧにEBX(lx)で照明したときの物体Χの表面の温度上昇TBX(℃)を計算しますと、
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となります。

2 温度上昇の計算例

image (※1) 太陽光直射は、約10万lx。
(※2) 蛍光灯はランプ単体の場合の照度。
(※3) 一般白熱電球はランプ単体の場合の照度。
(※4) ハイビーム電球は集光形(ビーム角12°)。
(※5) マルチレイア・ミニハロゲン電球は、ビーム角20°の場合の照度。
(※6) ダイクールミラーは、ビーム角10°の場合の照度。

(1) メラミン樹脂化粧板の場合
表3より、ハイビーム電球(B S 100V 80W)で、メラミン樹脂化粧板黒に1,000 lxで照明した場合の温度上昇が2.6℃となるとき、同様の条件でダイクールミラーとミニハロゲン電球(JD 110V 85W・N/E)を用いて1,000 lxで照明したときの温度上昇を計算します。
 ハイビームの放射強度 39(mW/m2・lx)
 ダイクールの放射強度 11(mW/m2・lx)となっていますので、
メラミン樹脂化粧板黒が1℃上昇する放射照度は
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 ダイクールミラー1,000 lxで照明したときの温度上昇は
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(2) 油絵の絵具面の場合
 一般に絵画などの美術品では、最適保存条件として気温20℃前後、相対湿度40〜60%がよいとされています。
 いま、20℃、60%の表面温度の条件のものが10℃の温度上昇を受ければ、30℃、34%となり、適正保存条件からはずれます。10℃の温度上昇をもたらす放射照度は、黒色の絵具面で約170W/m2となりますので、黒色の絵具面の温度上昇が10℃となる照度を計算しますと、表4のとおりとなります。

7.放射エネルギーと人体の温熱感

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 赤外線が人体に及ぼす作用としては、放射エネルギーを熱として与え、一定量以上の放射エネルギーを皮膚表面が受けると、皮膚表面において温熱感として知覚されます。
●照明の場における放射照度の限界
 放射エネルギーによって人体に温熱感を生じますが、実際には、放射エネルギーを受ける人体のおかれた気温や風速によって温熱効果が異なります。
 照明施設として不快にならない範囲は、室温12〜20℃の範囲で実験したデータ(表6)によりますと、50〜70W/m2となります。しかし、空調の行われている室内では70W/m2でも、それほど大きな問題を生じないと思われます。

〔参考文献〕
1) 日本建築学会編 : 建築設計資料集1、丸善
2) 井上宇市:空気調和ハンドブック、丸善
3) 森田政明、山田修 :照明による温度上昇についての二・三の考察 National Technical Report Vol.23 No.4(1977).

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