戸建住宅の通風利用による省エネルギー効果 [ PDF

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戸建住宅の通風利用による省エネルギー効果

中野 誠司 1. はじめに 古来より、日本の住宅では通風が室内環境の改善に 有効な手法と考えられてきた。だが、現在多く利用さ れている空調機器による冷房は、自然風利用による涼 房とは対になるものである。そのため、室内熱環境を 考えるに当たり開口部は弱点として考えられ、現代で は高気密･高断熱住宅が多くなり、開口部の断熱性能に のみ着目した研究･開発が進められている。しかし、高 気密･高断熱の建物はピーク時の負荷削減に効果があ るものの室内に熱がこもりやすく、夏季の空調開始時 に立ち上がり負荷が多くなるという欠点も持ち合わせ ている。今後の持続可能な社会形成には、建築のパッ シブ手法･アクティブ手法による省エネルギー対策だ けでなく、住まい手の自然エネルギーを有効利用しよ うとする意識が重要になってくると考えられる。 本稿では、自然風を利用する場合と、しない場合の 空調負荷を算出し、自然風の利用が室内の熱環境やエ ネルギー消費にどのような影響を及ぼすのか、シミュ レーションにより検討を行う。 2. シミュレーション概要 2.1 負荷計算プログラム概要 本研究では、動的熱負荷計算プログラム THERB1)_を 用いて室内熱環境のシミュレーションを行う。既往の 研究 2)_{で用いていたプログラムは、設定温湿度を与え} 顕熱・潜熱負荷の算出を行っていた。しかし、この方 法は冷房時の空調機による除湿が成り行きにより行わ れず、潜熱負荷を過剰に算出する問題点があった。本 研究では既存のプログラムに空調機のモデルを組み込 み、より実態に近い状況を想定したシミュレーション を行う。図 1 に冷房期間の熱負荷算出フローチャート を示す。PMV[-]が設定値+1.0 以下の場合は空調せず次 の計算に進み、PMV が設定値より高い場合は、設定値 を満足するまで冷房を行い、負荷を算出する。冷房時 の室内空気の状態推移を図 22）_{に示す。算出した負荷} L[W]、室内空気温度 Tr[o C]、室内機風量 Mr[m3/min]か ら、一定の割合（BF[-] : バイパスファクタ）の空気が 熱交換器に触れず、残りの割合の空気が熱交換器と接 触し熱平衡状態になるとの仮定のもと、（式 1）より熱 交換器表面空気温度Tevp[o C]を求める。 除湿が行われる場合、熱交換器表面空気の相対湿度 は 100%となり、絶対湿度の差から潜熱負荷を算出す る。算出した顕熱負荷･潜熱負荷から空調後の室内空気 温湿度を算出する。熱交換器を素通りした空気①と、 接触した空気②の混合空気③が吹出し空気となる。空 調 機 の 最 大 処 理 能 力 は 3.3[kW] 、 室 内 機 風 量 は 12.1[m3/min]、バイパスファクタは 0.2[-]で一定とする。 2.2 通風量･室内通風速度算出法 通風量 Q[m3 /s]は（式 2）3)より算出する。流量係数 α[-]は 0.66、干渉係数 m[-]は 0.82 と設定する。風圧係 数差ΔC[-]は風向が窓面に対して 0 度から 45 度の場合 0.5、45 度から 90 度の場合 0.2 と設定する。室内通風 速度v[m/s]は（式 3）より算出する。（式 2）より求め た通風量を対象建物の断面 A[m2 ]で除した値を室内通 風速度の算出値とする。 2.3 設定条件 検討モデルは単純住宅モデル（図 3）を使用し、各 部位構成は熱損失係数 Q 値の次世代省エネルギー基準 値を満たすものとする。検討地域は福岡市、気象条件 は拡張アメダス気象データ 4)_{（標準年）を使用する。} 検討モデルの開口部は、福岡市の夏季における卓越風 向（北）を考慮し南北に設ける。平均外気温度が 20[o C] を上回る 6 月から 9 月を空調期間とし、24 時間 PMV による空調制御を行う。建物内部に大人 1 人がいるこ とを想定し、内部発熱は 58[W]、内部発湿量は 10[g/h] で一定とした。立地条件は、日照障害がなく自然風利 用が容易な郊外型立地を想定した。自然風利用の効果 を 検 討 す る に 当 た り 、 自 然 風 を 利 用 し な い 場 合 を L Tevp=Tr −

(

(

1 BF

) )

1.2･ Mr･ − （式 1）

A

Q

v

=

_{（式 3）} （式 2）

( )

( )

θ α cos 1 2 1 V A m C Q w ･ = ∆ ･

52-2 Case_1 とし、室内空気と外気の入れ替えはないものと し、換気回数は隙間風を想定し常に 0.1[回/h]とする。 自然風利用による通風で PMV が設定値を満足する際、 空調を止め自然風利用を行う場合を Case_2 とする。こ の場合、空調を行う際の換気回数は 0.1[回/h]とする。 夜間（0 時から 5 時）のみ自然風を利用し外気を室内 に取り込み、それ以外の時間帯は Case_1 同様に外気を 室内に取り入れない場合を Case_3 とする。この場合、 夜間以外の換気回数は 0.1[回/h]とする。 3. 結果･考察 3.1 月積算負荷比較 各ケースの月積算冷房負荷比較を図 4 に示す。比較 的気温の低い期間では通風による冷房負荷削減効果は 期待でき、Case_2 は Case_1 に対して、6 月･9 月では 約 20％冷房負荷が削減される。しかし、外気温湿度が 高くなる 7 月･8 月では約 10%冷房負荷が増加、特に潜 熱負荷が多く発生し冷房負荷削減効果は期待できない。 6 月から 9 月まで Case_2 を採用した場合、Case_1 と比 較して約 5%冷房負荷が増加する。Case_1 と Case_3 の 比較から、夜間換気の効果は各月とも期待ができ、6 月･9 月では約 10%、7 月･8 月では約 5%冷房負荷が削 減される。6 月から 9 月まで Case_3 を採用した場合、 Case_1 と比較して約 5%冷房負荷が削減される。 3.2 通風利用の効果 6 月の代表日（6 月 18 日）における外気条件、Case_1、 Case_2 の室内熱環境、熱負荷を図 5 に示す。Case_2 では外気温度が低く、湿気も少ないため通風により室 内空気温湿度、PMV ともに Case_1 より低くなる。ま た、通風による体感温度低下から、Case_2 は空調を行 わずに PMV が設定値+1.0 を満足する時間が日中にあ り、冷房負荷は Case_1 と比較して大幅に削減される。 しかし、Case_1 と異なり空調機による除湿を行ったと しても、通風の際外気の湿気を室内に取り込むため、 空 調 時 再 び 除 湿 が 行 わ れ 潜 熱 負 荷 の 発 生 頻 度 は Case_2 より多くなる。 8 月の代表日（8 月 14 日）における外気条件、Case_1、 Case_2 の室内熱環境、熱負荷を図 6 に示す。非空調時 は通風による体感温度の低下から Case_2 の PMV は Case_1 より低い値となる。しかし、6 月に比べて外気 が 高 温 多 湿 な た め 、 通 風 利 用 後 の 室 内 空 気 湿 度 は Case_1 と比較して高くなる。そのため、空調時の潜熱 負荷も Case_1 と比較して高くなる。また、空調後の通 風によって外気の湿気を室内に取り込むため再び湿度 が上昇し、次の空調時の潜熱負荷が増加する。この影 響から、Case_2 は 7 月･8 月において自然風利用による 7 月 6 月

Case_1 Case_2 Case_3 Case_1 Case_2 Case_3 Case_1 Case_2 Case_3 Case_1 Case_2 Case_3

8 月 9 月 400 300 200 100 0 月積算冷房負荷 [kWh] 顕熱負荷 潜熱負荷 図 4 月積算冷房負荷比較 空調判断 ループ END 除湿判断 ループ END 負荷＞処理能力 START 室温湿度算出 顕熱負荷算出 END 全熱負荷算出 負荷 = 最大処理能力 室温湿度算出 吹出し空気温度算出 Yes Yes Yes Yes No No No No No 図 1 負荷計算フローチャート （a）非除湿時 図 2 空調機モデル （b）除湿時 絶対湿度 [g/kg(DA)] 乾球温度 [oC] 飽和水蒸気圧曲線 比エ ンタ ルピ ー[k J/kg (DA )] Tr Tout Tevp Xr BF 1-BF ① ② ③ 絶対湿度 [g/kg(DA)] 乾球温度 [oC] 飽和水蒸気圧曲線 比エ ンタ ルピ ー[k J/kg (DA )] Tr Tout Tevp Xr Xevp Xout BF 1-BF ① ② ③ 図 3 単純住宅モデル[mm] （a）立面図 250 3,000 2,500 250 （b）平面図 4,000 2,000 1,000 1,000

52-3 通風を行った際、負荷が増大していると考えられる。 以上より、比較的気温が低く、湿気の少ない 6 月･9 月においては、自然風利用による通風は有効な冷房負 荷削減手法といえ、日中においても通風効果で空調を 行わずに涼しい環境を作ることが出来る。しかし、外 気が高温多湿となる 7 月･8 月においては、空調時に潜 熱負荷が増加するため、有効な手法とはいえない。図 7 に Case_1 と Case_2 の各月における積算空調時間を 示す。Case_2 は Case_1 と比較して、6 月･9 月では約 30%空調時間が削減される。一方、7 月･8 月では空調 時間に差は殆ど現れない。 3.3 夜間換気の効果 6 月の代表日（6 月 18 日）における外気条件、Case_1、 Case_3 の室内熱環境、熱負荷を図 8 に示す。夜間の外 気温度が低いため、換気を行うことで Case_3 の午前中 の室内空気温度は Case_1 より低くなる。そのため Case_3 の空調開始時の立ち上がり負荷は Case_1 と比 較して低い値となる。また、Case_2 と異なり空調機に よる除湿後、外気を室内に取り込まないため室内湿度 は低い値となり、PMV も Case_1 と比較して低くなる。 8 月の代表日（8 月 14 日）における外気条件、Case_1、 Case_3 の室内熱環境、熱負荷を図 9 に示す。非空調時 は夜間冷気を室内に取り込むため、室内空気温度、 PMV ともに Case_1 より低い値となる。そのため、6 月同様に空調開始時に立ち上がり負荷は Case_1 と比 較して低くなる。また、空調後の換気を行わないため Case_2 の際、問題となっていた湿度の上昇が抑えられ、 潜熱負荷の増加が抑制され、Case_1 と比べて熱負荷は 低い値となる。 以上より、自然風を利用した夜間のみの換気は、外 気温湿度が低い時期だけでなく、外気が高温多湿な時 期においても有効な手法であり、空調開始時の立ち上 がり負荷の削減に効果がある。 1:00 12:00 24:00 28 26 24 22 90 80 70 60 0.018 0.016 0.014 0.012 温度 [ oC] 相 対湿度 [% ] 絶対湿度 [g/kg(DA)] P M V [-] +1.0 -1.0

Case_1 Case_2 Outside

0 1:00 12:00 24:00 顕 熱負荷 [k W h ] _1.2 0.9 0.6 0.3 潜 熱負荷 [k W h ] _1.2 0.9 0.6 0.3 Case_1 Case_2 1:00 12:00 24:00 28 26 24 22 90 80 70 60 0.018 0.016 0.014 0.012 温度 [ oC] 相 対湿度 [% ] 絶対湿度 [g/ kg(D A )] P M V [-] +1.0 -1.0

Case_1 Case_2 Outside

0 1:00 12:00 24:00 顕 熱負荷 [kW h ] 1.2 0.9 0.6 0.3 潜 熱負荷 [kW h ] _1.2 0.9 0.6 0.3 Case_1 Case_2 （a）室内熱環境 （b）冷房負荷 図 6 Case_1 と Case_2 比較（8 月） （a）室内熱環境 （b）冷房負荷 図 5 Case_1 と Case_2 の比較（6 月） 図 7 積算空調時間（6 月･9 月） 7 月 6 月

Case_1 Case_2 Case_1 Case_2 Case_1 Case_2 Case_1 Case_2

8 月 9 月 200 150 100 50 0 月積 算 空調 時 間 [hour]

52-4 4. おわりに 本稿では、PMV による空調制御を行った際の空調負 荷を算出し、自然風の利用が室内の熱環境やエネルギ ー消費にどのような影響を及ぼすのか、シミュレーシ ョンにより明らかにした。自然風を利用し通風を行っ た場合、外気温湿度の低い期間では空調時間の削減か ら冷房負荷の削減が見込まれる。一方、外気が高温多 湿な時期では、通風の際、外気の湿気を室内に取り入 れるため潜熱負荷の増加をまねき、負荷削減効果は見 込めず、逆に負荷の増加をまねく可能性がある。しか し、夜間のみ自然風による換気を行う場合、外気温湿 度が低い時期だけでなく、外気が高温多湿な時期にお いても冷房負荷削減効果は期待でき、自然風を利用し ない場合と比較して約 5%冷房負荷が削減される。 6 月･9 月では自然風利用による通風を行い、7 月･8 月 で は 自 然 風 利 用 に よ る 夜 間 換 気 を 行 う 場 合 を Case_4 とする。Case_1 と Case_4 の月積算冷房負荷比 較を図 10 に示す。Case_1 と比較して Case_4 の冷房負 荷は年間で約 10%削減される。今後は、建物内部の吸 湿性能や、地域による気候の違いが自然風利用にどの ように影響するか検討を行う。

【参考文献】

1) Ozaki A, Watanabe T and Takase S: Simulation Software of the Hydrothermal Environment of Buildings Based on Detailed Thermodynamic Models, eSim 2004 of the Canadian Conference on Building Energy Simulation, pp.45-54,2004

2) 中野誠司, 尾崎明仁, 渡辺俊行, 赤司泰義, 松田千怜: 自然エ ネルギーを使用した戸建住宅の暖冷房負荷削減手法の評価 （その 2）自然風利用による冷房負荷削減効果について,日本 建築学会大会学術講演論文集, pp.59-60, 2010 3) 上野剛, 北原博幸, 宮永俊之, 占部亘: 住宅用エアコンの冷房 時熱源特性モデルの開発（第 1 報）冷房時熱源特性のモデル 化, 空気調和･衛生工学会大会学術講演論文集, pp.85-88, 2010 4) 石原正雄: 建築換気設計, 朝倉書店, 1969 5) 赤坂裕, 他 11 名: 拡張アメダス気象データ, 日本建築学会, 2005 7 月 6 月

Case_1 Case_4 Case_1 Case_4 Case_1 Case_4 Case_1 Case_4

8 月 9 月 400 300 200 100 0 月積 算 冷房負 荷 [kWh] 顕熱負荷 潜熱負荷 図 10 積算冷房負荷 1:00 12:00 24:00 28 26 24 22 90 80 70 60 0.020 0.015 0.010 0.005 温度 [ oC] 相対 湿度 [% ] 絶対 湿度 [g/kg(D A )] P M V [-] +1.0 -1.0

Case_1 Case_3 Outside

0 1:00 12:00 24:00 顕 熱負荷 [kW h ] _1.2 0.9 0.6 0.3 潜熱 負荷 [kW h ] _1.2 0.9 0.6 0.3 Case_1 Case_3 1:00 12:00 24:00 28 26 24 22 90 80 70 60 0.020 0.015 0.010 0.005 温度 [ oC] 相対 湿度 [% ] 絶対 湿度 [g/kg(D A )] P M V [-] +1.0 -1.0

Case_1 Case_3 Outside

0 1:00 12:00 24:00 顕 熱負荷 [kW h ] _1.2 0.9 0.6 0.3 潜熱 負荷 [kW h ] _1.2 0.9 0.6 0.3 Case_1 Case_3 （a）室内熱環境 （b）冷房負荷 （a）室内熱環境 （b）冷房負荷 図 9 Case_1 と Case_3 比較（8 月） 図 8 Case_1 と Case_3 の比較（6 月）