スパンドレル部を有する建物の結露性状と防止対策に関する研究 [ PDF

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42-1 図2 計測点

スパンドレル部を有する建物の結露性状と防止対策に関する研究

藤本啓汰 1. はじめに近年、オフィスビルにおいて、意匠的な要望からスパンドレル(以下 SD)部にもガラスを用いる全面ガラスの建物が多く見られる。SD 部とは、上下階の開口部に挟まれた部分（図1）のことであり、そこで散見される冬季結露の原因として、室内の暖房加湿空気の侵入と、 SD 部の延焼防止のために設置されている耐火ボードからの放湿の2 つが考えられる。既往研究1)_{では、室内} 空気の流入によってどれほどの結露が発生したか定量的に評価できておらず、また、耐火ボード周囲のすき間、耐火ボードの含水率および吸放湿特性、耐火ボード室内側の断熱層の有無といった仕様の違いが結露に及ぼす影響が把握されていない。そこで本研究では、屋外暴露実験を行い、SD 部のガラス面に発生する結露の性状を把握する。その上で、空気や水分の移動を解いた SD 部結露を評価する数値シミュレーション手法を確立し、結露防止に効果的な仕様を検討することを目的とする。 2. 屋外暴露実験による冬季結露性状把握 2.1 実験内容および条件冬季のSD 部結露性状を把握するため、屋外暴露実験を行った。富山県高岡市に12 体の SD 部暴露試験体を作成、設置し、表 1 に示した実験条件で暴露実験を行った。屋外実験棟の平面図は図3 に示す。また、実験は年間を通して行ったが、夏季は結露が見られなかったため、冬季の結露に関して記述する。計測点は図2 に示す。表2 に本実験で比較した 12 仕様をまとめた。ここで記載した結露状況は目視による結露状態を区別したもので、◎をほぼ常に結露状態、○を結露が発生する時間および発生しない時間両方存在している状態、× を全く結露が発生していない状態、と区別する。また、表 2 中耐火ボードはケイ酸カルシウム板であり、耐火パネルはボードの内外表面をスチール板で挟み、ボードからの吸放湿を抑えた特殊パネルである。 2.2 実験結果および考察実測期間のうち、晴天日である2 月 16 日の結果を中心に3 日間の結果を抜粋し、A-2、B-2、B-3、B-4、C-3 の結果を基に考察する。また、結露発生の有無は目視のみならず、結露センサーを用いて行う。図4 に 2 月 3 日～18 日の期間で SD 部内ガラス表面に結露が発生した時間の割合を示す。ただし、結露センサー値が 1 を上回る場合を結露あり、下回る場合を結露なしと判断した。実験で得られたSD 部温度、SD 部絶対湿度・下部結露センサー値をそれぞれ図5、図 6 に示す。 2.2.1 設置方位による違い A-2 と B-2 の結果を比較すると、昼間に B-2 の結露センサー値が下がっているのに対して、A-2 はほぼ下がらず、結露ありの状態を維持していることが確認できけやすく、昼間はSD 部内が高温になるため、SD 部へ図3 屋外実験棟平面図表1 実験条件 C.南中面 B.南東面 A.東面 閉鎖 ↓ ↓ B’ B ↓ ↓_A’ A 開開エアコン、加湿除湿器試験体取付面 N 開口部 SP部 SP部図1 SD 部外観開口部 SD 部 SD 部開口部開口部表2 暴露実験仕様表 ×熱電対 ●温湿度 ▲結露センサー内部外部 740 740 60 60 60 60 ×熱電対 ●温湿度 ▲結露センサー外部内部項目条件実験場所富山県高岡市（三協立山株式会社本社）屋外実験棟実験期間 2017/2/3～室内温湿度 22℃40％（冬季）計測間隔 1min（冬季）外気温湿度日射量スパンドレル部温湿度室内温湿度ガラス上部・中央部・下部　表面温度耐火ボード上部・中央部・下部　表面温度結露センサー値　窓面中央部・下部室内外圧力（上下）風向・風速計測項目方位 ボード種類 ボード裏面断熱処理 ボード周囲気密外気導入孔結露状況 1 耐火ボード無 × 下 ◎ 2 耐火ボード無 ○ 下 ◎ 3 耐火ボードウレタン ○ 下 ○ 4 耐火ボードウレタン ○ 上下 ○ 1 耐火ボード無 × 下 ◎ 2 耐火ボード無 ○ 下 ○ 3 耐火ボードウレタン ○ 下 ○ 4 耐火ボードウレタン ○ 上下 × 1 耐火ボードロックウール ○ 下 ○ 2 耐火パネル無 × 下 ○ 3 耐火パネル無 ○ 下 × 4 耐火パネルウレタン ○ 上下 × 水準東南(東側) 南(中央) A B C

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42-2 る。これは、南面は東面と比較すると、日射の影響を受ボードからの放湿が行われても結露が発生しないと考えられる。 2.2.2 ボード仕様による影響 B-2 と C-3 を比較すると、ボードの仕様による違いを確認することができる。B-2 の仕様では日射を受けた際に、ボードからの放湿が生じ、SD 部内の絶対湿度が大きくなり、結露しているのに対して、ボードからの放湿を抑えたパネルを用いた C-3 では SD 部内絶対湿度が小さい値で推移していることを確認でき、結露も発生していない（図6）。 2.2.3 ボード裏面断熱吹付による影響 B-2 と B-3 を比較すると、B-3 はウレタンが吹付けられているため、室内側への水分の貫流は考えられにくく、SD 部側へ放湿することが多くなる。しかし、室内空気の影響を受けにくいため、B-2 は室内空気の影響、 B-3 はボードからの放湿による影響を大きく受けて、結露が発生していると考えられる。 2.2.4 外気導入孔による影響外気導入孔を上下に設けたB-4 は結露が全く見られなかったのに対し、B-3 は夜間に結露が発生知ることが確認できる。これは、B-4 は SD 部内に放湿された水分を上下の孔による換気によって放出することにで、結露の発生を抑えることができるが、SD 内の換気が生じづらい B-3 は昼間にボードから放湿された水分がそのままSD 部内に留まり、その結果結露が発生していることが考えられる。 3. Hygrabe を用いたスパンドレル部の温湿度解析 3.1 計算内容および条件前項では、屋外暴露実験を行い、SD 部結露に効果的な仕様の検討を行った。その結果に対して表3、図 7 の計算条件、計算モデルで、数値解析の精度を確認するために、実験結果の再現を試みた。本項では、建築外被の非定常伝熱解析ツール Hygrabe2)_{を使用した数値シミュ} レーションにより、SD 部の温湿度解析を行う。 Hygrabe は作成した建築外被の二次元モデルから、壁体の防露評価および自然エネルギーや躯体の蓄熱・調湿性能などを利用した建築物の温湿度環境を予測するソフトである。 3.2 計算結果および考察 SD 部空間温湿度計算結果およびガラス表面温度計算結果を図8 に示す。本報では、屋外実験で行った 12 仕様のうち、一部の仕様の計算結果を抜粋しガラス室 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 -10 0 10 20 30 40 50 2017/2/15 2017/2/16 2017/2/17 日射量 [W/ ㎡ ] 温度 [℃ ] ー外気－A-2 －B-2 －B-3 －B-4 －C-3 東面壁面日射量－南面壁面日射量 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 2017/2/15 2017/2/16 2017/2/17 下部結露センサー値 [V] 絶対湿度 [k g/ k g( D A) ] －外気－A-2 －B-2 －B-3 －B-4 －C-3 --A-2 --B-2 --B-3 --B-4 --C-3 図5 実験結果（SD 部温度）図6 実験結果（SD 部絶対湿度、下部結露センサー値）表3 計算条件図7 Hygrabe モデル図4 結露時間率（2/3～2/18）項目条件計算ソフト Hygrabe 計算対象点ガラス室内側表面中央部温湿度室内条件実測値外気条件実測値計算期間 2/3～2/18 予備計算期間 3日計算時間間隔 1min 耐火ボード透湿係数 5.21e-11[kg/(m s Pa)](H25省エネ基準) 耐火ボード日射吸収率 0.15(文献値)3) 気密性能 JIS規格隙間等級に準ずる 0 20 40 60 80 100

A-1 A-2 A-3 A-4 B-1 B-2 B-3 B-4 C-1 C-2 C-3 C-4

結露時間率 [% ] 中央部下部ガラス 8mm 耐火ボード 35mm 耐火パネル 35mm ウレタン 35mm ロックウール 35mm 空気層 55mm 計算値出力点

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42-3 内側表面温湿度に関して精度検証を行った。図8 では、東面に設置した A-3 の仕様の実測値と計算値、および、南面に設置した B-1 の仕様の実測値と計算値をそれぞれ比較した。まず、A-3 の結果を見てみると、概ね挙動は一致しており、精度を確認することができたが、日射を受けた際のピーク温湿度が実測値よりも小さく計算されていることがわかる。次に、B-1 の結果を見てみると、夜間の絶対湿度がわずかに大きく計算されており、さらにピーク絶対湿度の時間的遅れが発生している。以上のずれは他仕様でも同様に見られ、精度向上には、日射や室内空気の影響をどの程度受けるか、忠実に再現できるよう更なる検討が必要である。また、日射量の大きな2 月 16 日にのみ計算値と実測値に大きな誤差が発生しているため、原因の 1 つとして日射量の測定誤差が考えられる。 4. 数値シミュレーションによる結露防止仕様評価 4.1 計算内容および条件本項では、熱・水分・空気連成解析ソフトTHERB for HAM による数値解析により、既往研究4)_{にて提案され} ているオフィス用標準問題の基準階を基に、SD 部を有する建物モデル（図9）を作成し、様々なパラメータを変更した際の結露への影響を検討した。また、使用した建物モデルの外皮性能Ua 値は 0.5 とし、天井高は 3.6m とした。計算条件および内容は表4、表 5 に示し、実験で得られた知見と乖離がないように検討を進めた。 4.2 計算結果および考察本項では表5 右に記載した標準仕様のボード両面に、それぞれ異なる材料を参考に、透湿係数を入力し、その差が SD 部空間の温湿度環境や結露にどの程度の効果があるかを検討した。その検討ケースを表 6 に示し、結果を考察した。また、Case0 を標準仕様とする。まず、SD 部温度に関しては南北ともに透湿抵抗の値を変更しただけであるため、すべてのCase において変化は見られなかった。次に、冬季のSD 部絶対湿度に関して、南面は図 11 より、透湿抵抗の値が大きくなるほど日射を受ける昼間の SD 部絶対湿度が小さくなっていることが確認できる。これは、ボード表面の透湿抵抗を大きくすることで、日射を受けた際のボードからの放湿が発生しづらくなるためであると考えられる。これに対して、北面の SD 部絶対湿度は全体的に透湿抵抗の値を大きくする 0 0.01 0.02 0.03 0.04 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 2/15 2/16 2/17 絶対湿度 [k g/ k g( D A) ] 温度 [℃ ] ー実測温度 --計算温度ー実測絶対湿度 --計算絶対湿度図8 実測値と計算値の比較（左;A-3 右;B-1） 0 0.01 0.02 0.03 0.04 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 2/15 2/16 2/17 絶対湿度 [k g/ k g( D A) ] 温度 [℃ ] ー実測温度 --計算温度ー実測絶対湿度 --計算絶対湿度 9,000 6,000 6,300 6,000 6,300 33,600 2 4 ,6 00 6 ,0 0 0 6 ,3 0 0 6 ,3 0 0 6 ,0 0 0 図9 SD 部を有する建物モデル基準階平面図表5 計算内容表4 計算条件項目条件

計算ソフト THERB for HAM

出力内容 SD部温湿度、ボード吸放湿量、ガラス面結露量室内条件入力条件外気条件拡張アメダス気象データ標準年(2001～2010年) 計算期間 12/1-(1年間) 予備計算期間 60日計算時間間隔 10min 空調稼働時間平日8時～20時(オフィス空間) 項目 パラメータ 標準ボード裏面断熱材吹付無、ウレタン、ロックウール無ボード表面塗装無、プライマー、透湿シート、ビニルクロスポリエチレンフィルム、防湿シート透湿シートボード日射吸収率 0.2、0.4、0.6、0.8 0.2 外気導入孔下(×2、×4、×8)、上下(×2、×4、×8) 下地域富山、札幌、仙台、東京、大阪、福岡富山室内温湿度 20℃,24℃/40％,60％(冬季） 20℃40％初期室内温湿度 23℃70％、23℃20％ 23℃70％方位南北、東西南北

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42-4 ほど大きくなっていることが読み取れる。これは、ボードの放湿とともに吸湿も抑えられるため、室内側から流入してきた暖房加湿空気が原因であると考えられる。ここで、図12 より、ボードの吸放湿量を確認してみると透湿抵抗を大きくした仕様が吸湿放湿ともに小さくなっていることが確認できる。ただし、ここでは吸湿現象が起こった際を-値、放湿現象が起こった際を+値で示している。最後にガラス面結露量を比較してみると、図10 より、透湿抵抗を大きくすればするほど結露量は抑えられることがわかる。また、日射の影響を受ける南面よりも北面の方が結露量が多いことも確認できた。さらに、今回のケースでは、表面の透湿係数をポリエチレンフィルム（5.78E-14[kg/(m s Pa)]）程度にすれば年間を通して結露が全く発生しないこと、つまり表面塗装をする際に、結露防止な透湿係数を確認することができた。 5. 総括本報では、SD 部で発生する結露に対して、実験、数値シミュレーションというアプローチを試みた。また、 SD 部結露評価に最適な簡易数値シミュレーション手法を検討し、結露防止に効果的な仕様の検討を行った。以下に今回得られた結果を示す。 1) 耐火ボードの吸放湿が SD 部内結露の一因であるため、ボードからの吸放湿をしないよう、耐火ボード表面の透湿抵抗を大きくすると結露防止に効果的である。 2) SD 部内を換気し、空気の流れを作ることで、結露の防止に効果的である。 3) 日射の影響を最も受ける南面が、他方位と比較すると結露しにくい環境にある。 4) 室内側空気の影響を抑えるために、室内側ボード周囲を気密しても、それだけでは特に効果は見られなかった。【参考文献】 1) 権藤尚、三原邦彰、樋口豊、鉾井修一：ガラス面結露の原因と対策に関する検討，ガラスカーテンウォールスパンドレル部の結露防止に関する研究その1，日本建築学会環境系論文集，第76 巻，第 665 号，pp601-607， 2011 年 7 月

2) Ozaki A., Watanabe T. and Takase S.:Simulation Software of the Hygrothermal Environment of Buildings Based on Detailed Thermodynamic Models, eSim 2004 of the Canadian Conference on Building Energy Simulation, pp.45-54,2004 3) 宿谷昌則：数値計算で学ぶ光と熱の建築環境学，丸善， 1993 4) 「標準問題の提案(オフィス用標準問題)」，日本建築学会環境工学委員会熱分科会第 15 回熱シンポジウム， 1985 年図10 南北面ガラス表面結露量（年間）表6 検討ケース

　 Case0 Case1 Case2 Case3

ボード周囲隙間大大大大ボード裏面断熱吹付無無無無ボード表面塗装 (透湿係数) 透湿シート (2.25E-10) ビニルクロス (7.329E-12) ポリエチレンフィルム (5.78E-14) 防湿シート(1E-20) ボード日射吸収率白(20％) 白(20％) 白(20％) 白(20％) 外気導入孔下下下下地域富山富山富山富山室内温湿度冬;20℃40％夏;28℃60％冬;20℃40％夏;28℃60％冬;20℃40％夏;28℃60％冬;20℃40％夏;28℃60％初期室内温湿度 23℃70％ 23℃70％ 23℃70％ 23℃70％方位南北南北南北南北 0 200 400 北面結露量 [g/ ㎡

] Case0 Case2-3 Case2-4 Case2-5

0 0.2 0.4 0.6 南面結露量 [g/ ㎡

] Case0 Case2-3 Case2-4 Case2-5

0 200 400 北面結露量 [g/ ㎡

0 0.2 0.4 0.6 南面結露量 [g/ ㎡

] Case0 Case2-3 Case2-4 Case2-5

0.6

0.4

0.2

0

400

200

0

南面結露量 [g /㎡ ] 北面結露量 [g /㎡ ] [南面] [北面]

0

200

400

北面結露量 [g/ ㎡

]

Case0

Case2-3

Case2-4

Case2-5

0

0.2

0.4

0.6

南面結露量 [g/ ㎡ ]

Case0

Case2-3

Case1

Case2-4

Case2

Case2-5

Case3 Case0 0 5 10 15 20 25 30 -30 -20 -10 0 10 20 30 1 ₉₂ 183 274 365 456 547 638 729 820 911 ₁₀₀₂ ₁₀₉₃ ₁₁₈₄ ₁₂₇₅ ₁₃₆₆ ₁₄₅₇ ₁₅₄₈ ₁₆₃₉ ₁₇₃₀ ₁₈₂₁ ₁₉₁₂ ₂₀₀₃ ₂₀₉₄ ₂₁₈₅ ₂₂₇₆ ₂₃₆₇ ₂₄₅₈ ₂₅₄₉ ₂₆₄₀ ₂₇₃₁ ₂₈₂₂ ₂₉₁₃ ₃₀₀₄ ₃₀₉₅ ₃₁₈₆ ₃₂₇₇ ₃₃₆₈ ₃₄₅₉ ₃₅₅₀ ₃₆₄₁ ₃₇₃₂ ₃₈₂₃ ₃₉₁₄ ₄₀₀₅ ₄₀₉₆ 北面 SD 部絶対湿度 [g /k g (D A )] 南面 SD 部絶対湿度 [g /k g (D A )] 30 20 10 0 15 10 5 0 [南面] [北面] 0 200 400 北面結露量 [g/ ㎡

] Case0 Case2-3 Case2-4 Case2-5 0 0.2 0.4 0.6 南面結露量 [g/ ㎡ ]

Case0 Case2-3Case1 Case2-4Case2 Case2-5Case3 Case0 -1 0 1 ボード吸放湿量 [g /㎡ h]

Case0 Case2-3 Case2-4 Case2-5

-1 0 1 ボード吸放湿量 [g /㎡ h]

Case0 Case2-3 Case2-4 Case2-5

1 0 -1 1 0 -1 南面ボード吸放湿量 [g /㎡ h] 北面ボード吸放湿量 [g /㎡ h] [南面] [北面] -1 -0.5 0 0.5 1 ボード吸放湿量 [g / ㎡ h] -1 -0.5 0 0.5 1 ボード吸放湿量 [g / ㎡ h] 1 0.5 0 -0.5 -1 1 0.5 0 -0.5 -1 南面ボード吸放湿量 [g / ㎡ h] 北面ボード吸放湿量 [g / ㎡ h] 0 200 400 北面結露量 [g/ ㎡

0 0.2 0.4 0.6 南面結露量 [g/ ㎡ ]

Case0 Case2-3Case1 Case2-4Case2 Case2-5Case3 Case0 [南面] [北面] 図11 南北面 SD 部絶対湿度（2 月）図12 南北面耐火ボード吸放湿量（2 月）北面 SD 部絶対湿度 [g/kg( D A )] 南面 SD 部絶対湿度 [g/kg( D A )] 北面ボード吸放湿量 [g/ ㎡ h] 南面ボード吸放湿量 [g/ ㎡ h] 2/1 2/5 2/10 2/15 2/20 2/25 2/28 2/1 2/5 2/10 2/15 2/20 2/25 2/28

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