住宅のパッシブデザインによる空調負荷の削減可能量に関する研究 [ PDF

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(1)住宅のパッシブデザインによる空調負荷の削減可能量に関する研究. 京極光. 3 個々の仕様の検討. 1 はじめに. 3.1 外壁. 我が国の省エネルギー・CO₂削減においては、民生. 充填断熱と外張断熱のそれぞれについて断熱材の厚. 部門の努力が遅れている。家庭部門では新技術によるエネルギー利用の高効率化が広まりつつあるが、建築. 800. 1,000. 500. 500. 3,185. においてはまず極力設備に頼らずに快適環境を実現で. 2,730. 2,730. N N. パッシブデザインの研究はこれまで多くなされてい. 500. るが、近年は基本的な住宅の性能向上と住まい方を総. 500. 台所. 玄関. 7.25m². 13.67m². 居間 20.50m². 風呂. 予備室. 8.28m². 10.14m². 階段子供室2 9.11m². 和室. 主寝室. 13.25m². 20.50m². 3,185. エネルギーの需要を減らすことも重要である。. 11.59m². 子供室1. 4,095. 1,700. きる設計が求められる。同時に居住者の意識を高め、. 11.59m². 合的に調べているものは少ない。そこで本研究では、 1,700. 戸建て住宅での空調負荷シミュレーションによるケー. 1,700. 1,700. 5,005. （a）1 階平面図. ススタディによって、住宅における性能向上と住まい. 3,640. （b）2 階平面図. 10. 手の工夫による空調負荷の削減可能量を示すことを目. 1,820. 5. 2,400 500. 住宅モデルを作成し（図 1）、シミュレーションを行う。. 2,000. 1,000450. 日本建築学会標準住宅モデル（木造）を参考とした. 800 1,200. 400. 2 シミュレーション概要. 2,400. 800 1,200 400. 的としている。. （c）西側立面図. まずモデルを構成する各部位において、断熱方法と断. （d）南側立面図. 図 1 住宅モデル（単位:mm）. 熱材の厚さを変える。この検討部位は外壁、屋根、天井、床、基礎、階間、内壁である（表 1）1)。なお本文. 表 1 部位構成. では、「天井」は 2 階の天井を、「床」は 1 階の床を指し、「階間」は 1 階の天井と 2 階の床を合わせたものを表す。さらに窓の種類と日射遮蔽を検討した後に、負荷が極力小さくなるよう各仕様変更を組み合わせる。この高性能住宅で住まい手の工夫よる負荷削減を考え、最終的な負荷削減の可能量を明らかにする。熱負荷計算には動的熱負荷計算プログラム New HASP2)を用いる。外気条件は福岡市の拡張アメダス気象データ 3)（標準年）を使用し、 6 月から 9 月と 12 月から 3 月を空調期間としている。設定室温湿度は冷房 28℃，60%、暖房 20℃，40%とした。在室状況や照明・機器による発熱は SCHEDULEVer.2.04)により作成した。空調は居間、主寝室、子供室 1、子供室 2 の 4 室で在室時に使用する（表 2）。換気回数は図 1 の各室では 0.5 回/h を基本としており、台所と風呂では一時的に換気. 構成[mm] （内→外）標準住宅石膏板[12]、GW[55] GW[55]、空気層[-]、合板[9]、モルタル[20] GW[55] (充填断熱) ※GW：グラスウール石膏板[12]、GW[55 GW[55～205 GW[55～205] ～205]、合板[9]、空気層[-]、合板[9]、充填断熱モルタル[20] 外石膏板[12]、空気層[-]、合板[9]、GW[55～205] GW[55～205]、空気層[-]、壁 GW[55～205] 外張断熱合板[9]、モルタル[20] 石膏板[12]、GW[205] GW[205]、合板[9]、GW[205] GW[205]、空気層[-]、 GW[205] GW[205] 付加断熱合板[9]、モルタル[20] 断熱石膏板[12]、GW[115～265] GW[115～265] 天井無断熱石膏板[12] 石膏板[12]、GW[115 GW[115～ GW[115～265]、空気層[-]、合板[12]、 265] 屋断熱石綿スレート[12] 根無断熱合板[12]、石綿スレート[12] 断熱軽量木材[10]、合板[12]、GW[70 GW[70～ GW[70～220] 床無断熱軽量木材[10]、合板[12] 内断熱 GW[70～ GW[70～220]、普通コンクリート[120]、モルタル[3] 220] 基外断熱普通コンクリート[120]、GW[70～220] GW[70～220]、モルタル[3] GW[70～220] 礎付加断熱 GW[220]、普通コンクリート[120]、GW[220] GW[220]、モルタル[3] GW[220] GW[220] 無断熱普通コンクリート[120] 接布基礎土壌（粘土質）[500] 地べた基礎普通コンクリート[120]、砂利[120]、土壌（粘土質）[500] 石膏板[12]、GW[50～200]、 GW[50～200]、空気層[-]、合板[12]、 GW[50～200]、階断熱軽量木材[10] 間無断熱石膏板[12]、空気層[-]、合板[12]、軽量木材[10] 内断熱石膏板[12]、GW[50～200] GW[50～200]、石膏板[12] GW[50～200] 壁無断熱石膏板[12]、空気層[-]、石膏板[12] 扉断熱合板[12]、GW[50]、合板[12] 窓ガラス複層ガラス（空気層12mm）. 表 2 空調時間. 量が多くなる時間がある。小屋裏と床下については断. 時 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 居間主寝室子供室1 子供室2. 熱の区画内である場合は 0.5 回/h、区画外である場合は 5 回/h としている。 44-1.

(2) さを変えながら検討する。結果を図 2 に示す。厚さが. はアルゴンガス封入を表す。Low-E ガラスを使用する. 同じならば充填断熱よりも外張断熱が冷房、暖房とも. と暖房負荷が大幅に下がるが、冷房負荷の積算値は遮. 小さな負荷となる。どちらの工法でも断熱材を厚くす. 熱仕様でも削減となっていない。これは断熱性能の向. るほど冷房負荷は増加するが、暖房負荷がより削減さ. 年積算負荷[kWh] 積算負荷. れる。さらに充填断熱の外に外張断熱を付加すること. 0. でより大きな負荷削減が可能である。現実には 205mm の外張断熱はかなりの厚さだが、より高性能な断熱材、高度な技術を用いれば同性能の住宅が実現可能と考えられる。 3.2 天井・屋根図 3 に天井断熱と屋根断熱の比較を示す。標準住宅は天井を断熱材 115mm で断熱しており、これを厚くす. 1000. 2000. 4000. 標準住宅. 646. 1660. 2580. 充填 55mm. 646. 1669. 2544. 外張 55mm. 646. 1669. 充填105mm. 646. 1781. 外張105mm. 646. 1773. 2045. 充填155mm. 646. 1837. 1884. 外張155mm. 646. 1826. 1853. 充填205mm. 646. 1870. 1770. 外張205mm. 646. 1859. 1743. 付加断熱. 646. 1907. 冷房（潜熱）. 5000. 6000. 2472 2086. 1557. ると冷房、暖房とも負荷削減となる。天井が無断熱である屋根断熱においては小屋裏の換気量を 0.5 回/h と. 3000. 冷房（顕熱）. 109（以下すべて同じ）暖房（潜熱）暖房（顕熱）. 図 2 外壁の断熱による空調負荷の違い. している。屋根断熱では天井断熱よりも冷房負荷の削. 年積算負荷[kWh] 積算負荷. 減効果が大きいが、暖房負荷が大きく、年積算負荷は 0. 断熱材を 265mm としても標準住宅を超えてしまう。従. （標準住宅）天井115mm 天井165mm 天井215mm 天井265mm 屋根115mm 屋根165mm 屋根215mm 屋根265mm. って天井断熱が有利と言える。 3.3 床・基礎標準住宅は布基礎で接地する床断熱仕様で、床断熱ではこの断熱材を厚くする検討を行った。一方基礎断熱では、接地面をべた基礎に変更した。基礎断熱では. 1000 646 646 646 646 646 646 646 646. 3000. 1660 1655 1651 1649 1651 1633 1622 1615. 冷房（潜熱）. 床下の防湿上べた基礎である必要があるためである。. 2000. 4000. 5000. 6000. 2580 2495 2447 2415 2841 2782 2747 2723. 冷房（顕熱）. 暖房（潜熱）. 暖房（顕熱）. 図 3 天井・屋根の断熱による空調負荷の違い. また、基礎断熱では内断熱と外断熱の両方を調べた。. 年積算負荷[kWh] 積算負荷. 結果を図 4 に示す。床の断熱材を厚くすると、冷房負荷は増加するが暖房負荷の減少によって年積算では. （標準住宅）床 70mm 床120mm 床170mm 床220mm 基礎内 70mm 基礎外 70mm 基礎内120mm 基礎外120mm 基礎内170mm 基礎外170mm 基礎内220mm 基礎外220mm 基礎付加断熱. 削減となる。基礎断熱でもこの傾向は同じであるが、厚さによる負荷の変化の割合は小さい。断熱材 70mm では基礎断熱が床断熱より明らかに小さな負荷であるが、220mm での暖房負荷はほぼ同じとなっている。なお基礎の内断熱と外断熱の差は小さいが、冷房、暖房とも外断熱がわずかに小さな負荷となる。内と外の両方に 220mm の断熱材を配する付加断熱も効果は大きくない。床断熱に比べ基礎断熱は冷房負荷が大き. 0. 1000 646 646 646 646 646 646 646 646 646 646 646 646 646. 冷房（潜熱）. く下がる。. 2000. 3000. 1660 1697 1717 1719 1554 1552 1557 1555 1559 1557 1560 1558 1561. 4000. 5000. 6000. 2580 2487 2440 2396 2459 2457 2424 2422 2408 2406 2399 2397 2381. 冷房（顕熱）. 暖房（潜熱）. 暖房（顕熱）. 図 4 床・基礎の断熱による空調負荷の違い. 3.4 階間・内壁. 年積算負荷[kWh] 積算負荷. 標準住宅では断熱されていない階間や内壁でも断熱 0. 化を検討した（図 5）。どちらも断熱材を厚くすること標準住宅階間 50mm 階間100mm 階間150mm 階間200mm 内壁 50mm 内壁100mm 内壁150mm 内壁200mm. で冷房負荷増加、暖房負荷減少となる。内壁断熱は階間断熱と比べより負荷が削減できる。階間の断熱化では、主寝室の無空調時における居間の空調の影響が減るため、主寝室で夏冬両方の負荷が増加していた。 3.5 窓ガラス標準住宅の窓は普通複層ガラスである。これを図 6. 1000 646 646 646 646 646 646 646 646 646. 冷房（潜熱）. に示す 4 種の Low-E ガラスに変更した。ここで(Ar)と. 2000. 1660 1715 1728 1731 1735 1702 1709 1711 1713 冷房（顕熱）. 3000. 4000. 5000. 6000. 2580 2441 2416 2401 2395 2420 2374 2351 2337 暖房（潜熱）. 暖房（顕熱）. 図 5 階間・内壁の断熱による空調負荷の違い 44-2.

(3) 上によって日射がなく外気温が低い時間帯の負荷が増. 礎では、床断熱を基礎断熱に変更してから床断熱の追. 加するためであり、遮熱 Low-E と遮熱 Low-E(Ar)にお. 加を検討したが、冷房負荷の増加で年積算負荷が増加. ける日中の冷房負荷は複層より小さかった。年積算負. したため、床は無断熱としている。また、基礎断熱の. 荷は遮熱 Low-E と断熱 Low-E、遮熱 Low-E(Ar) と断熱. 次に階間を断熱化したところ年積算負荷は増加したが、. Low-E(Ar)がそれぞれ近い値となるが、どちらも遮熱仕年積算負荷[kWh] 積算負荷. 様がやや小さかった。（標準住宅）複層遮熱Low-E 遮熱Low-E(Ar) 断熱Low-E 断熱Low-E(Ar). 3.6 日射遮蔽軒および庇は、出を 150mm ずつ 1650mm まで変化させ年積算負荷が最小となるものを求めた。軒の出の計算結果を図 7 に示す。切妻屋根の平側（南・北）の軒. 0. 1000 646 646 646 646 646. 3000. 1660 1667 1724 1799 1884. 冷房（潜熱）. は出を長くするほど冷房負荷減少・暖房負荷増加とな. 2000. 4000. 5000. 6000. 2580 2201 2020 2100 1902. 冷房（顕熱）. 暖房（潜熱）. 暖房（顕熱）. 図 6 窓ガラスの変更による空調負荷の違い. り、年積算では 600mm で最小負荷となった。一方妻側（東・西）では、軒を伸ばすと冷房負荷、暖房負荷と. 年積算負荷[kWh] 積算負荷. もごくわずかずつ減少し続けた。影が落ちる小屋裏に. 0 軒なし平側 300mm 平側 600mm 平側 900mm 平側1200mm 平側1500mm 妻側 600mm 妻側1650mm. は窓がなく、太陽高度も低いため、夜間の放射冷却の減少によって暖房負荷削減となったと考えられる。庇の出は、南と北の 1 階、西と東の 1 階と 2 階をそれぞれ検討した（図 8）。基本的には庇によって冷房負荷減少・暖房負荷増加となるが、北 1 階のみ暖房負荷もわずかに減少する。年積算負荷は、南 1 階では 900mm. 1000 646 646 646 646 646 646 646 646. 2000. 3000. 4000. 1660 1613 1565 1536 1520 1508 1660 1660. 冷房（潜熱）. 5000. 6000. 2580 2588 2615 2659 2702 2737 2580 2580. 冷房（顕熱）. 暖房（潜熱）. 暖房（顕熱）. 図 7 軒の出による空調負荷の違い. が最小となり、他では庇を出すほど減少した。次にルーバーを用いた場合を検討した。南 1 階以外. 年積算負荷[kWh] 積算負荷. の各方位・各階について水平ルーバー、垂直ルーバー. 0. をそれぞれ単独でつけた場合と軒または庇と併用した. 庇なし南1階 300mm 南1階 600mm 南1階 900mm 南1階1200mm 南1階1500mm 北1階 900mm 北1階1650mm 西1階 900mm 西1階1650mm 西2階 900mm 西2階1650mm 東1階 900mm 東1階1650mm 東2階 900mm 東2階1650mm. 場合を計算し、各面で負荷が最小となる日射遮蔽の組み合わせを検討した。軒の出は 600mm、庇の出は 1650mm としている。結果、表 3 に示す組み合わせが庇のみやルーバーのみより小さな負荷となった。表 3 の日射遮蔽を北、西、東および全体に採用した場合の負荷を図 9 に示す。すべての日射遮蔽を採用した場合の負荷削減量は外壁、窓の仕様変更に次いで大きい。暖房負荷は増加するが、他の仕様変更は冷房負荷が増加するものが多いため、住宅のパッシブデザインにお. 1000 646 646 646 646 646 646 646 646 646 646 646 646 646 646 646 646. 3000. 1660 1582 1490 1424 1376 1342 1655 1652 1612 1578 1649 1642 1652 1647 1644 1635. 冷房（潜熱）. いて日射遮蔽は非常に重要であると言える。. 2000. 4000. 5000. 6000. 2580 2595 2627 2677 2730 2787 2579 2579 2591 2602 2581 2583 2581 2582 2582 2585. 冷房（顕熱）. 暖房（潜熱）. 暖房（顕熱）. 図 8 庇の出による空調負荷の違い. なお図には示していないが、この日射遮蔽を追加した状態での Low-E ガラスの比較も行った。結果、断熱. 表 3 各面の日射遮蔽南1階南2階北1階北2階西1階西2階東1階東2階妻側軒・庇[mm] 900 600 1650 600 1650 1650 1650 1650 600 ルーバーなしなし垂直垂直垂直水平水平水平なし. Low-E(Ar)の年積算負荷が遮熱 Low-E(Ar)を下回って最小となった。日射遮蔽によってガラスによる遮熱の優位性が下がったためである。. 年積算負荷[kWh] 積算負荷. 4 住宅のパッシブデザイン. 0. 住宅モデルに 3 章の各比較で負荷が最小となった仕様を採用し、低負荷の高性能住宅を作成した。標準住宅からの仕様変更を表 4 に、負荷の変化を図 10 に示す。外壁と基礎は付加断熱である。天井断熱と屋根断熱. 遮蔽なし北遮蔽西遮蔽東遮蔽各面遮蔽. 1000 646 646 646 646 646. 冷房（潜熱）. は併用によって冷房、暖房とも減少した。一方床と基. 2000. 1660 1565 1512 1611 1069 冷房（顕熱）. 3000. 4000. 5000. 6000. 2580 2619 2629 2594 2821 暖房（潜熱）. 暖房（顕熱）. 図 9 各面の日射遮蔽による空調負荷の違い 44-3.

(4) 内壁を断熱化した後に再び階間を断熱化すると負荷削. 減となる断熱でも単純に組み合わせればよいわけでは. 減となった。窓ガラスは遮熱 Low-E(Ar)である。. ない。パッシブデザインは日射遮蔽も含め住宅全体で. 冷房負荷は断熱強化と窓の変更で増加するが、表 3. 断熱と遮熱を考慮する必要があることがわかる。さら. の日射遮蔽を追加することで標準住宅の場合を下回る。. にこうしてできた高性能住宅においても生活の工夫で. 3.6 節では日射遮蔽によって Low-E ガラスの優劣が逆. 負荷をさらに小さくでき、住まい手の意識を高めるこ. 転したと述べたが、この場合は遮熱 Low-E(Ar)の負荷が. との重要性が確認された。. 最小となることは変わらなかった。これは住宅全体の断熱性がかなり向上したために、遮熱の重要性が高まったためである。そこで、さらなる遮熱として外壁と屋根の仕上げを白色にしたと想定して日射吸収率の数値を下げたところ、年積算負荷はわずかだが減少した。ここまでの高性能化による全熱負荷の削減率は冷房約 14%、暖房約 73%であり、パッシブデザインによる負荷削減は冷房より暖房が容易であることがわかる。年積算では約 46%の削減である。 5 住まい手による負荷削減. 【参考文献】 1) 宇田川光弘：標準問題の提案伝熱解析の現状と課題，日本建築学会環境工学委員会第 15 回熱シンポジウム，1985 年 2) 社団法人建築設備技術者協会動的熱負荷計算・空調システム計算プログラム「HASP」ダウンロードページ： http://www.jabmee.or.jp/hasp/ 3) 赤坂裕, 他 11 名: 拡張アメダス気象データ, 日本建築学会, 2005 年 8 月 4) 空気調和・衛生工学会：シンポジウム「住宅における生活スケジュールとエネルギー消費」テキストと付属プログラム「SCHEDULE Ver.2.0」，2000 年 5) 西澤繁毅，澤地孝男，羽原宏美，細井昭憲，赤嶺嘉彦，鴇田田喜裕：「実測による開口通風量のモデル化に関する検討」，日本建築学会大会学術講演梗概集(関東)，2011 年 8 月. 4 章で年積算負荷が最小となった高性能住宅を基準. 表 4 高性能化のための仕様変更. に、住まい手の工夫によるさらなる負荷削減を考える。ここで検討したのは夏期の空調前換気と夜間外気導入、および夏期と冬期のブラインド操作である（表 5）5)。. （a）各部位の断熱材厚[mm] 外壁天井標準住宅 55 115 高性能化 205+205 265. 屋根 0 265. 床 70 0. 基礎内壁 0 0 220+220 200. 階間 0 200. （b）窓と日射対策. 結果を図 11 に示す。空調前換気は、室内にこもった. 窓ガラス日射遮蔽日射吸収率標準住宅複層なし外壁40%、屋根96% 高性能化遮熱Low-E(Ar) 表3の仕様外壁20%、屋根20%. 熱を逃がし室温を外気温と同程度まで下げてから空調を開始することが目的であるが、外気温に関係なく換気を行う設定のため、負荷が増加する場合もあった。. 年積算負荷[kWh] 積算負荷 0. それでも年積算では削減となっており、現実では室温標準住宅外壁天井屋根基礎内壁階間窓日射遮蔽日射吸収率. と外気温を考慮することでより確実な負荷削減が可能だと考えられる。ただし、外気を多く入れることで潜熱負荷は増加している。夜間外気導入は、深夜から早朝の低温の外気を取り込むことで就寝中に室内を冷やしておくという考えである。顕熱の削減量が大きく、夜間に空調する 3 室での換気量は不変のため潜熱負荷の増加は小さい。. 1000 646 646 646 646 646 646 646 646 646 646. 冷房（潜熱）. 2000. 1660 1907 1906 1888 1810 1866 1943 2085 1377 1342. 3000. 4000. 5000. 6000. 2580 1557 1371 1325 1076 927 826 447 585 605. 冷房（顕熱）. 暖房（潜熱）. 暖房（顕熱）. 図 10 パッシブデザインによる空調負荷の変化. ブラインド操作は、夏期は夜間の断熱性を下げて熱を逃がし、冬期は無人室にも日射熱を取り入れること. 表 5 住まい手による負荷削減対策居間：7時と12時の空調開始前に20回主寝室：23時の空調開始前に20回子供室1：19時の空調開始前に20回夜間外気導入深夜に無空調となる7室で1時-7時に20回/h 夏期：全室で1時-7時にブラインドを開けるブラインド操作冬期：全室で7時-18時にブラインドを開ける. を目指した。冷房負荷の削減効果は小さいが、暖房負. 空調前換気. 荷の削減効果は大きい。以上の全対策を講じた場合の全熱負荷は、高性能住宅で何も対策をしない状態から冷房約 28%、暖房約 18%の削減である。標準住宅からは冷房約 38%、暖房約 78%で年積算約 59%の削減とな. 年積算負荷[kWh] 積算負荷. る。冷房負荷削減における住まい手の役割は大きい。. 0. 6 まとめ. 高性能住宅空調前換気夜間外気導入ブラインド操作全対策. 本研究では、住宅において断熱と日射対策による高性能化を検討し、さらに住まい手に可能な空調負荷削減の効果を明らかにした。断熱の強化は冷房負荷を増. 1000 646 725 667 646 743. 冷房（潜熱）. 加させる場合が多く、個々の検討では年積算負荷が削. 2000. 3000. 4000. 5000. 1342 605 1128 605 761 605 1333 479 697 479 冷房（顕熱）. 暖房（潜熱）. 暖房（顕熱）. 図 11 各対策による空調負荷の変化 44-4. 6000.

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