環境共生型空気循環式煉瓦造住宅の開発 [ PDF

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(1)環境共生型空気循環式煉瓦造住宅の開発. 大里 1. はじめに. 雅子. 図 -4 に夏季システム概念図を示す。クールチューブ. 本研究の目的は煉瓦造住宅の快適性と省エネルギ. により冷却された外気（冷房熱源系空気）は床下の熱. ー性を両立させるため、煉瓦の熱容量と自然エネルギ. 交換器において室内循環系空気と熱交換し排気される。. ーを利用した環境共生型空気循環式煉瓦造住宅を開発. 冷熱を得た室内循環系空気は小屋裏を経て外壁の循環. することである。我々はこれまでに輸入煉瓦造住宅に. 空気層へと送られ、内側煉瓦を徐々に冷却しながら煉. おける室内熱環境調査や数値シミュレーションを行い、瓦目地部分より室内へと吹き出す。それらの結果をもとに自然エネルギーを利用した空気. 図 -5 に冬季システム概念図を示す。トロンブウォー. 循環式パッシブシステムを考案した。更にこのシステ. ル、空気集熱パネルによって暖められた空気（暖房熱. ムを採用した試験室を試作し、室内熱環境の実測調査. 源系空気）は床下の熱交換器において室内循環系空気. や数値シミュレーションからシステムの特性や問題点. と熱交換し、再びトロンブウォールへと送られる。熱. を把握した。本論文では、これらの結果をもとに計画. 交換により加熱された室内循環系空気は床下を経て循. し建設した空気循環式煉瓦造住宅実験棟の概要、実測. 環空気層へと送られ、内側煉瓦に徐々に徐々に蓄熱し. 調査と数値シミュレーションについて述べる。. ながら、煉瓦目地部分より室内へと吹き出す。 2,220. 2. 空気循環式煉瓦造住宅実験棟の概要. 玄関浴室. 収納. 台所. 2,280. 実験棟は熊本県玉名郡菊水町に 2001 年 7 月に竣工. 4,500. は通気層と真空断熱材、循環空気層を挟む煉瓦二重構造となっている（図 -2）。真空断熱材は熱伝導率が. DS. 収納. 9,000. した。図 -1 に平面図、写真-1 に外観写真を示す。外壁. 居間. 食堂. 写真-1. 900. トロンブウォール. 0.008W/m・ K と非常に小さく、十分に施工することで. N. 断熱気密性を高める。表 -1 に実験棟の仕様を示す。. 3,540. 1,920 1,920 10,920. 3,540. 給気暖房熱源系. 2,520. 書斎. 9,000 1,980. 空気集熱パネル、トロンブウォールによる暖房熱源系、. 4,500. 念図を示す。実験棟における空気経路は、室内循環系、クールチューブによる冷房熱源系、換気系に分かれている。室内循環系は床下の熱交換器において暖房系、冷房系の二つの熱源系と交差し、熱源を得る。熱源系. 表 -1 実験棟の仕様規模. 総 2 階建て建築面積：100.2m2 述べ床面積：193.8 m2. 構造工法. 煉瓦二重構造（フルブリック） SRB- DUP 工法. 断熱仕様. 外壁：真空断熱材 30mm 天井：ロックウール 200mm 硬質ウレタンフォーム 100mm 床下：硬質ウレタンフォーム 30mm. 集熱パネル. 排気. トロンブウォール. DS. クールチューブ. 収納. 主寝室. 図-3. 収納. システム概念図. 子供室1. トロンブウォール. 図-1. （b）2 階平面図実験棟平面図（単位：mm ） 110 2030 50 110. 室外側. 煉瓦通気層室真空断熱材内循環空気層側煉瓦. 補助熱源室内循環系冷房熱源系排熱系. 熱交換器クールチューブ. 図 -2 壁体構成（単位：mm）図-4 夏季システム概念図日射. パッシブ設備. トロンブウォール：面積 20 m2 空気集熱パネル：面積 28.65m2 クールチューブ：埋設深さ 3m、長さ 50m. 基本性能値. 熱損失係数：1.73W/ m2K 夏季日射取得係数：0.045 相当隙間面積：7.3cm2/ m2. 換気方式. 給気熱交換器. 給気. 収納. 経路で熱量が十分に得られない場合は室内循環系経路内に設置した補助熱源により熱量を補う。換気系は単. 補助熱源給気. 吹抜子供室2. パッシブシステムを採用している。図-3 にシステム概. 給気周壁煉瓦蓄熱. 冷房熱源系. と煉瓦壁の蓄熱による放射効果を利用した空気循環式. 独の経路で、計画換気回数は 0.5 回/h である。. 排気（換気扇）. 室内循環系. （a）1 階平面図. 実験棟では、太陽熱や地中熱などの自然エネルギー. 実験棟外観（南西）. 換気系（第 3種換気）. 空気集熱パネル. トロンブウォール補助熱源室内循環系暖房熱源系. セントラル換気システム（居室：自然給気. 30-1. 便所等：強制排気）. 図-5. 熱交換器. 冬季システム概念図.

(2) 3. 実験棟における実測調査 3-1.. 次に通風を行った場合の効果の検証を行った（図-10、. 夏季実測調査. 11）。通風を行うと、外気温度の低下とともに室温も. 夏季実測調査は 2001 年 8 月、2002 年 7 月∼ 9 月に行. 徐々に低下するが、周壁煉瓦の熱容量により、急激な. った。夏季システムは室内循環系空気を小屋裏ダクト. 温度低下はなく緩やかに変動する。夜間通風を行った. から循環空気層へと送る経路を予定していたが、2001. 後空気循環を行なうことで、1、2 階の空気温度差は小. 年の予備実測調査においては、ファンの能力不足によ. さくなっている。また、夜間通風により周壁煉瓦表面. り床下ダクトから循環空気層へ送る経路に変更して実. から室内へ熱は流出し（蓄冷）、昼間は、窓面等からの. 測を行った。2002 年の実測では能力の高いファンに取. 熱を周壁煉瓦が吸熱していることが分かった。. り替え、小屋裏経路で実測を行った。そこで両経路の. 3-2.. 冬季実測調査. 比較を行った（図-6、 7）。床下経路では、1 階と 2 階. 冬季実測調査は 2001 年 11 月∼ 2002 年 3 月、 2002. に約 2∼ 3K の温度差が見られるが、小屋裏経路では 1K. 年 11 月∼ 12 月に行った。まずパッシブシステムの基. 前後の温度差となっている。また、両パターンの各箇. 本性能を把握した（図 -12、13）。図-12 の 13 時を見る. 所の熱画像により、床下経路では冷やされた空気は循. と、約 23℃で集熱パネルに入った空気がパネル中央部. 環空気層の下部に滞留し、 2 階まで達しておらず、小. で約 50℃、パネル上部で約 73℃まで上昇している。集. 屋裏経路では冷やされた空気が 1 階まで行き渡ってい. 熱量の日積算値（ 6 時間）は約 34kWh/day、集熱時の. るのが分かった。この結果から、夏季の小屋裏経路の. 集熱効率は約 50％であり、一般的な集熱器の集熱効率. 有効性が実証された。次にクールチューブの省電力効. と同等であった。図-13 の 1 月 6 日、7 日の朝方を見る. 果の検証を行った（図-7、 8）。夜間、補助熱源の変わ. と、僅かな差ではあるがトロンブウォール煉瓦表面温. りにクールチューブを使用することによる熱環境の差. 度は室内空気温度よりも高い値を示し、熱流量を見て. はほとんど見られなかった。クールチューブ使用時、. も、夜間にトロンブから室内側への放熱が行われてい. システム全体の消費電力量は 0.27kW となるため、日. ることが分かる。しかし、その放熱量は小さく仕様の. 積算電力消費量は終日補助熱源使用の 35.2kWh に対し. 再検討が必要である。次にパッシブシステムによる省. て 22.4kWh であり、36.4％の省電力効果が見られた。9. 電力効果の検証を行った（図-14、 15）。 12 月 11 日の. 月下旬になると、外気温度は徐々に下がり始め、昼間. 外気温度は 12 月 2 日に比べ一日を通して約 3∼ 5K 高. のクールチューブ使用による効果が期待できるように. い値となっているが、居室空気温度は両日ともに 20℃. なる。そこで、 9 月下旬に昼間にクールチューブを使. 前後で推移しており、昼間はパッシブシステムによっ. 用した実測を行った（図-9）。昼間クールチューブを使. て補助熱源と同様の暖房効果が得られた。システム全. 用することによって、ピーク時における室内空気温度. 体を考慮した電力消費量は、12 月 2 日は日積算値にし. の上昇が緩和された。1 日を通して室温は 25℃前後で. て 51kWh/day、 12 月 11 日は 32 kWh/day となり、パッ. 水平面全天日射量. 6. 12. -3 24 時間[h]. 18. 2001年8月19日. [居間 ] [主寝室 ]. 室内空気温度室内空気温度. 温度 [℃]. 20. 0 -1. 15. 水平面全天日射量外気温度. 図-9. 外気温度. 12 2002年9月30日. 18. 水平面全天日射量. 6. -2. -3 24 時間[h]. 1 0. 12. 18. 2002年8月15日. -3 24 時間[h]. 1 0. 通風. 19:00 24:00. 8:00. 補助熱源通風室内空気補助熱源循環のみ. 20 15 10 0. 図-10. 0. -2 水平面全天日射量. 20 0. 2. -1. 電力消費量. 25. PMV. 温度[℃ ]. 1 外気温度. 30. 6. 12. 18. 2002年7月24日. 室内側煉瓦表面温度循環空気層内空気温度通風. 1 0. 通風による効果の検証①. 30-2. 2. 35. 19:00. 3 2 1 0 -1 水平面全天日射量 -2 -3 6 12 18 24 6 12 18 24 時間[h] 9月21日 9月22日. 3. 補助熱源冷房. -3 24 時間[h]. 1 0. 図-8 昼間補助熱源、夜間クールチューブによる冷房運転. 外気温度. 25. クールチューブファン作動. PMV PMV. 室内空気温度室内空気温度. 8:00. 30. 昼間クールチューブによる冷房運転. 2. 終日補助熱源による冷房運転（小屋裏経路） 35. 1. 6. 20 0. -2. 空気循環のみ. 25. 10 0. 25. 3 2. 0. -1. [居間 ] [主寝室 ]. PMV PMV. ｸｰﾙﾁｭｰﾌﾞﾌｧﾝ作動空気循環のみ. 電力消費量. 図-7. 終日補助熱源による冷房運転（床下経路）. 水平面全天日射量[ｋ W/㎡ ]. 図-6. 0. 1. 30. 温度［℃］. 20 0. 1. -2. 35. PMV PMV. 室内空気温度室内空気温度. 水平面全天日射量[ｋ W/㎡ ] 電力消費量[ｋ W]. 外気温度. 25. 2. [居間 ] [主寝室 ]. 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 0. 8:00 通風. 循環空気層側煉瓦表面温度. 19:00 24:00 補助熱源. 8:00. 19:00通風. 室内空気. 通風循環のみ補助熱源. 居間空気温度循環空気層側煉瓦表面熱流量. 室内側煉瓦表面熱流量. 6. 12 18 9月21日. 24. 6. 12 18 9月22日. 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 24. 熱流量[W/m2 ] 煉瓦への流入量を正とする. -1. 40. 3. 温度［℃］. 0. シブシステムを使用することで約 37％の省電力効果. PMV PMV. 水平面全天日射量[ｋW/㎡]. 30. PMV. 温度 [℃ ]. 1. 温度 [℃ ]. 2. 35. 30. 40. 室内空気温度室内空気温度. PMV. 3. [居間 ] [主寝室 ]. PMV. PMV PMV. 水平面全天日射量[kW/㎡]. 室内空気温度室内空気温度. PMV. 40. [居間 ] [主寝室 ]. 水平面全天日射量[ｋ W/㎡ ] 電力消費量[ｋ W]. 安定し、PMV は常に快適域の -0.5∼ +0.5 に入っている。. 図 -11 通風による効果の検証②.

(3) 2FL+1.2m 中央上部. 集熱運転[11:00 ∼17:00]. 温水パネル. 20. 温水パネル. 2. 外気温度. 0 0. 1. 水平面全天日射量. 6. 12. 18. 2001 年12 月11 日. ついての暖房効果の比較実測を行った（図 -16、 17）。図 -16 を見ると、室内空気温度は温水パネル暖房を行った夜間は約 18℃で安定している。温水パネル暖房は室内空気を直接暖めるので室内空気温度は周壁煉瓦よりも常に高い値を示す。暖房を停止している昼間に室内空気温度は周壁煉瓦表面温度に近づくように徐々に低下している。図-17 を見ると、夜間空気循環暖房を行っているので循環空気層内空気温度が最も高く、室. 30. 内空気温度が最も低い。暖房を停止している昼間の室. 20. 4 2. 0 24 時間[h]. 0. 温度 [℃]. 電力消費量[kW]. 15 10 5. 110[mm]. -5 0. 6. 12. 18. 24 時間[h]. 2002 年11 月20日. 220[mm]. 330[mm]. 20. 温度 [℃ ]. 15 10 5. 1. 外気温度. 0. 快適な室内熱環境を維持することが分かった。また、. -5 0. 空気循環暖房に比べると温水パネル暖房は、暖房開始. 水平面全天日射量. 6. 12. 18. 12 月29日. 0 24 時間[h]. 後の室温上昇が速やかである。. 【煉瓦内表面温度】【主寝室空気温度】. 30. トロンブウォールの設計仕様の検討. 夜間断熱なし夜間断熱なし. 温度 [℃ ]. 20 15 10 5. こなわず、トロンブウォール内の空気を滞留させた状. -5 0. 態で計算を行った。表-2 に計算条件を示す。まず、図. 水平面全天日射量. 6. 図-19. -18 より朝方の室温の低下は煉瓦厚さによって大差が 30. 無く、昼間においては厚さ 110mm の場合に煉瓦表面. 1. 外気温度. 0. CASE1 CASE4. 12 12月29 日. 18. 0 24 [h] 時間. 夜間断熱の検討 CASE2 CASE5. 220[mm]. 330[mm]. 15 10 5 外気温度. 1. 0 -5 0. 水平面全天日射量. 6. 12 12月29 日. 18. 0 24 時間[h]. 夜間断熱あり夜間断熱あり. 25. こで設計仕様の再検討を行った。なお、空気循環をお. 110[mm]. （b）主寝室空気温度煉瓦厚さ検討. （a）煉瓦内表面温度図-18. る放熱が確認されたが、その効果は僅かであった。そ. 外気温度. 0. 25. 間空気循環暖房を行い、煉瓦に蓄熱したほうが長時間. 前述のように実測調査によりトロンブウォールによ. 補助熱源ON. 室内空気循環. 図-17 空気循環暖房表-2 計算条件計算期間 12∼3 月、6∼9 月気象データアメダス気象データ（熊本県鹿本郡鹿北町）助走期間 10 日間計算時間間隔 1 時間《暖房の運転スケジュール》《着衣量、代謝量》期間【7:00∼23:00】 12∼3 月、6∼9 月時間終日暖冷房運転 1.2clo、1.2met 設定温度暖房：18℃ 冷房：27℃ 【23:00∼7:00】対象室全室 2.0clo、1.0met. が得られた。最後に空気循環暖房と温水パネル暖房に. 4. 実験棟を対象とした数値シミュレーション. 補助熱源 ON. 20. 図 -15 昼間パッシブシステム、夜間補助熱源による暖房運転. 内空気温度を見ると、16 時まで上昇を続けている。夜. 夜間温水パネル暖房. 水平面全天日射量 [kW/㎡ ]. トロンブウォール煉瓦表面温度. 25. 電力消費量. 5. 24 時間[h]. 表-3 解析パラメータ（トロンブウォール面積）面積（m 2） CASE1 10.35 CASE2 14.66 CASE3 19.84 CASE4 25.01 CASE5 31.05. CASE3. 0. CASE1 CASE4. CASE2 CASE5. CASE3. 25. 温度、室温ともに上昇し効果が大きいことが分かる。下が抑えられ昼間においても高い温度を維持している. 温度 [℃ ]. 次に図 -19 より夜間断熱を行うことで煉瓦表面温度低. 20 15 10 5. 1. 外気温度. 0. ことがわかる。最後に表-3 に示す面積で検討を行ったところトロンブウォールは面積を大きくするほど効果. -5 0. 水平面全天日射量. 6. 12 12 月29日. 18. 0 24 時間[h]. -1. -2. -3 0. 1. 6. 12 12 月29 日. 18. （a）主寝室空気温度（b）主寝室 PMV 図-20 トロンブウォール面積の検討. が大きいことが分かった（図-20）。 30-3. 水平面全天日射量[kW/㎡ ]. 24. 集熱運転 [11:00 ∼17:00]. 15. 18. 室内空気温度循環空気層内空気温度室内側煉瓦表面温度空気層側煉瓦表面温度. 20. 10. 図-16. 主寝室空気温度. 補助熱源暖房 [17:00∼ 9:00]. 12 2002 年12 月1日. 終日補助熱源による暖房運転. 居間空気温度. 6. 温度 [℃ ]. 12 18 1月6日. -5 6 12 18 24 1 月7日時間[h]. 25. -5 0. 温度[℃ ]. 2. 10. 30. 0. 0. PMV. 図-13. 15. 0 6. 0 24 時間[h]. 18. 外気温度. 5. 水平面全天日射量[kW/㎡ ]. 図-14. 5. 12. 2. 10. 水平面全天日射量[kW/㎡ ]. 集熱パネル各点温度熱流 [W/m ] （煉瓦への流入を正方向とする）. 5 0. 6. 2001 年12 月2日. トロンブ壁煉瓦表面温度. 6. 1 水平面全天日射量. 0 0. 0 24 時間[h]. 南壁煉瓦表面温度トロンブ壁煉瓦表面熱流南壁煉瓦表面熱流. 外気温度. 水平面全天日射量[kW/㎡ ]. 18. 温度[℃ ]. 12 13 2002 年2月4日. 電力消費量. 10. 15 4. 電力消費量[kW]. 水平面全天日射量. 6. 15. 5. 室内空気温度. 4-1.. 室内空気温度循環空気層内空気温度室内側煉瓦表面温度空気層側煉瓦表面温度. 25. 水平面全天日射量[kW/m2]. 温度[℃ ]. 温度[℃ ]. 1. 9 温度 [℃ ]. 主寝室空気温度. 25. 外気温度. 10. 7. 居間空気温度. 20. 図-12. 8. 30. 水平面全天日射量[kW/m ]. 【トロンブウォール内空気温度】【集熱パネル内空気温度】下部. 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 0. 0 24 時間[h].

(4) CASE3. CASE4. CASE5. CASE3. 25 外気温度. 20. 1 水平面全天日射量. 15 0. グラスウール 200 硬質ウレタン 160 石膏ボード 10. 6. 12 8月 14日. 18. 基準. CASE1. CASE2 CASE3 CASE4. 4-2.. 手法内容（条件・仕様）《無対策》断熱仕様天井：ポリウレタン 60mm 外壁：ポリウレタン 40mm 床：ポリウレタン 60mm 《高断熱高気密》断熱仕様天井：硬質ウレタンフォーム 160mm 、グラスウール 200mm 外壁：真空断熱材 30 床：真空断熱材 80 《集熱パネル》壁体内空気循環方式《トロンブウォール》煉瓦 110mm 冬季夜間･夏季断熱《内壁煉瓦》内壁煉瓦 110mm. CASE3. 5 外気温度. 0. 0 24 時間 [h]. -5 0. 1. 水平面全天日射量. 6. 12 12月 7日. 18. 0 24 時間[h]. 100. 20. 15. 10. 5. 0. CASE1 CASE2 CASE3 CASE4 CASE5. 80 60 40 20 0. CASE1 CASE2 CASE3 CASE4 CASE5. （ b）暖房負荷. （ a）冷房負荷図-22. CASE. CASE2 CASE5. （a）夏季（b）冬季図-21 室内空気温度（自然状態）. グラスウール 85 石膏ボード 10 表-5. CASE1 CASE4. 10 温度 [℃ ]. 30. 水平面全天日射量[kW/㎡ ]. 15. 水平面全天日射量[kW/㎡ ]. CASE2 CASE5. 期間積算暖房負荷［GJ］. CASE2. 天井温度 [℃]. CASE1. 外壁《フルブリック》煉瓦 110、空気層、真空断熱材 30、通気層、煉瓦 110 《木造−内装煉瓦組積》煉瓦 110、空気層、真空断熱材 30、合板 10、通気層、サイディング 10 《ブリックベニア》石膏ボード 12 、真空断熱材 30、空気層、合板 10、通気層、煉瓦 110 《木造−高断熱》石膏ボード 12 、真空断熱材 30、空気層、合板 10、通気層、サイディング 10 《木造−標準》石膏ボード 12、グラスウール 55、空気層、合板 10、通気層、サイディング 10. CASE1 CASE4. 35. 比較対象の仕様（単位：mm ）. 期間積算冷房負荷［GJ］. 表-4. 期間積算暖冷房負荷. パッシブ手法の検討. 期間積算負荷（ GJ）. 暖房. 冷房. 77.3. 12.8. CASE5 CASE6 CASE7 CASE8. 61.3. 10.6. CASE9 CASE10 CASE11. 67.4. −. 74.6. 14.2. 76.9. 12.6. CASE12 CASE13. 壁体構成の違いによる検証. 《蓄熱床》床：タイル 5mm 、モルタル 50mm 、合板 5mm 《南面窓面積拡大》南面窓合計 12.48m 2→21.93 m 2 《開口部夜間断熱》 18:00∼6:00 《付設温室》南側 11.34 《クールチューブ》壁体内空気循環方式《庇》南面奥行き 0.75m 《日射吸収率の小さい外装材》日射吸収率外壁 0.8 →0.4 屋根 0.9 →0.5 《日射遮蔽》夏季昼間（ 6:00∼18:00）開口部《夜間通風》夏季夜間（18:00∼6:00）. 76.1. 10.7. 80.4. 19.0. 71.0. −. 69.1. 17.3. −. 8.0. 77.0. 12.1. 78.7. 11.2. −. 7.1. −. 10.6. より、集熱パネル、クールチューブを利用した空気循. 壁体構成の違いのみによる比較を行った。計算は実. 環方式による効果が大きいことが分かる。CASE6 では. 験棟を対象モデルプランとし、表-4 に示す CASE1∼ 5. 開口部面積を拡大することで夜間の熱損失が大きくな. の壁体構成を想定し計算を行った。なお、計算条件は. り暖房負荷が増加している。CASE7 との併用が必要と. 表 -2 を用いた。図-21、 22 に計算結果を示す。冬季夏. なる。それぞれの手法の組み合わせと、最適な設計条. 季ともに CASE1 の場合の室温変動が最も緩やかで、. 件の検討が必要であることが分かった。. 木造が最も変動が大きい。 CASE1 は CASE5 に比べて. 5. おわりに. 暖房負荷が約 12％、冷房負荷が約 7.3％削減された。 4-3.. 本研究では煉瓦造住宅の快適性と省エネルギー性. 各パッシブ手法の検討. を両立させるため、煉瓦の熱容量と自然エネルギーを. 省エネルギーな煉瓦造住宅を実現するための手法. 利用した空気循環式煉瓦造住宅を提案し、実測調査と. として、様々なパッシブ手法を取り入れた場合の効果. 数値シミュレーションからその有効性の検証と、更に. の検証を行った。表-5 に各手法とそれぞれの期間積算. 省エネルギーな煉瓦造住宅を実現するための検討を行. 暖冷房負荷を示す。CASE1 では基準モデルに比べて暖. った。煉瓦の熱容量と煉瓦組積の特徴である通気層を. 房負荷約 20.7％、冷房負荷 17.2％の削減率となった。. 利用した空気循環方式を有効利用し、自然エネルギー. また、室内に蓄熱部位をもたせる CASE4、 5 では冬季. を取り入れることで、省エネルギーで快適な住宅を実. 夏季ともに効果があることが分かる。CASE2、CASE9. 現できることが分かった。 30-4.

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