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空気循環式全館空調システム住宅における
太陽熱利用による省エネルギー効果に関する研究
原口 紘一 1. はじめに 近年,省エネルギー化による低炭素社会の実現に向 けての社会全体の取り組みから,様々な省エネルギー 化に 関 する 基 準 が見 直 さ れて い る .住宅に関しても 2013 年 10 月から新たな省エネルギー基準が定められ るなど,住宅性能のさらなる向上が求められるように なった.断熱気密住宅の普及が推し進められる社会背 景の下で,換気と冷暖房が一体となった全館空調シス テムが注目されており,さらなる高効率化への期待が 高まっている1). また,家庭用エネルギー消費量の約 1/2 を占める暖 房・給湯エネルギー2)を削減する有効手段として,太陽 熱利用が再び注目されている.太陽熱温水・暖房システ ムは,80 年代には導入が推し進められたが,近年は他の 設備機器のエネルギー効率が向上したこともあり導入 が減少している.今後の普及に向けては,従来の温水供 給型に加え,住宅の断熱性向上を活かした新たな太陽 熱利用システムの研究・開発が必要である3). 本研究では,空気循環式全館空調システムとパッシ ブヒーティング手法を組み合わせた太陽熱の集熱・排 熱システムを提案する.数値計算を基に建設された実 測対象住宅 6 棟にて行った実測実験結果と数値計算か ら、本システムによる省エネルギー効果や室内温熱環 境評価，また，それぞれの集熱手法の最適な運用方法 を明らかにする．数値計算は，実測値との精度検証を 行い，妥当性を予め確認する．将来的な高断熱住宅の 普及に適した太陽熱利用方法を提案し，今後の日本で の住宅 ZEH 化に寄与することを目的とする． 2. 空気循環式全館空調システム住宅の太陽光利用 2.1 空気循環式全館空調システムの概要 図 1 に,全館空調システムの構成を示す.本システム は,家庭用エアコンで空調ユニットを冷暖房し,ダクト を介して各室と空調ユニットを空気循環させる.外被 が高く断熱された室内空間は移流によって室温が均一 化され,安定した室内環境が維持される. 2.2 パッシブ手法による太陽熱利用 図 2 に,本システムで用いるパッシブ手法の概要を 示す.ダブルスキンやトロンブウォールは外被（外壁・ 窓）の外側にガラスで空間を設けて集熱空間とする手 法で,そこで暖められた空気を空気循環させることで 空調ユニットを介して各室に配熱が可能となる.この ように,パッシブ手法を空気循環式全館空調システム に導入することで,冬季には集熱空間から空調ユニッ トを通じて多数の室に配熱でき,オーバーヒートの抑 制,建物各部位への蓄熱,温度の均一化が期待できる. 図 2 パッシブヒーティング手法 (b) ダブルスキン (c) トロンブウォール (a) ダイレクトゲイン 図 1 空気循環式全館空調システムの概要38-2 2.3 太陽熱給湯システムと FCU 余剰熱利用 本システムにはアクティブ手法の 1 つで，屋根上に 設置した太陽熱集熱パネルで集熱を行う太陽熱給湯シ ステムを導入しており，貯湯タンク内に太陽熱をお湯 として蓄熱する．また，余ったお湯を空調ユニットの FCU(ファンコイルユニット)の熱源として暖房利用す る，空調と給湯の連成システムも本システムに導入い ており，太陽熱の夜間へのピークシフトが期待できる． 3. 建築熱環境の実測調査 熱・水分・空気連成を考慮した建築全体の温湿度予 測ツール THERB for HAM4)を使用し,実測対象住宅に
おける実測結果を解析し，本システムの省エネルギー 効果や温熱環境改善効果を明らかにする． 3.1 実測対象住宅の概要と実測結果 表 1 に実測対象住宅 6 棟の建築概要一覧を，図 3 に 6 棟の代表として北海道旭川市の実測対象住宅平面図 を，図 4 にその外観と集熱空間内観の写真を示す.平面 の共通点として南面の開口(ダイレクトゲイン)が大き く取られ,2 階にダブルスキン空間と空調ユニットを持 つ.空調ユニットは熱損失を最小限に抑える必要があ るため,機器が収まる必要最低限のスペースを確保し, 住宅外被の断熱とは別に断熱を施している.トロンブ ウォールは⑴旭川,⑶岩手,⑷福井の３地域に設置され ており,床下からトロンブウォール内へ空気が送風さ れ,そこで暖められた空気は隣室もしくは床下や壁体 内部を介したダクトによって空調ユニットに送られる. 図 5 に旭川の実測対象住宅での実測結果を示す．ま ず各居室温度が一様な温熱環境を形成できているのが 分かる．また，日射量が多い日は集熱空間の温度が高 くなり，ダンパーが開き集熱できている．FCU は設 計意図通りにお湯を熱源に放熱出来ているが，貯湯と 同時に放熱しているため，制御を検討して夜間稼働に すればさらに機器効率が上がると考えられる．日積算 熱量を見ると，日射量ある日は大きく集熱できている ことが分かる． 0 20 40 60 80 100 -20 -10 0 10 20 30 40 50 相対湿度（％） 日射量（ × 10 W /m 2） 温度（ ℃ ） 温度 湿度 日射量 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 -20 -10 0 10 20 30 40 50 消費電力（ kW ） 温度（ ℃ ） 外気 空調ユニット LDK ダブルスキン トロンブウォール 洗面脱衣所 消費電力 0 4 8 12 16 20 -20 -10 0 10 20 30 40 50 ダ ブ ルス キ ン 集 熱量 [MJ ] ハッ チ ン グ ：D S ダ ンパ ー 開 温度（ ℃ ） 外気 室内 ダブルスキン ダンパー開閉 DS送風ファン消費電力 ダブルスキン集熱量 0 4 8 12 16 20 -20 -10 0 10 20 30 40 50 FC U 放熱量 [MJ ] ハッ チ ン グ ：F CU 熱源 ポ ン プ ON 温度（ ℃ ）
外気 貯湯タンク FCU吹出 空調ユニット FCU熱源ポンプ FCU放熱量
0 40 80 120 160 200 0 20 40 60 80 100 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 貯湯量 (MJ ) 温度（ ℃ ） 外気 貯湯タンク上部 貯湯タンク下部 貯湯量 (a) 南東面外観 (b) ダブルスキン内観 図 4 実測対象住宅(北海道旭川市) 表 1 実測対象住宅の建築概要一覧 0 100 200 300 400 500 600 700 -20 -10 0 10 20 30 40 50 1/20 1/21 1/22 1/23 1/24 1/25 1/26 日積算日射量（ × 10W /m 2・d ay ） 集熱量・ AC 空調負 荷（ MJ /d ay ） 温度（ ℃ ） ダイレクトゲイン ダブルスキン トロンブウォール FCU 暖房負荷 日別平均外気温 日別平均LDK室温 日積算日射量 図 5 実測結果（北海道旭川市） 1/20 1/21 1/22 1/23 1/24 1/25 1/26 (a) 1 階 (b) 2 階 図 3 平面図(北海道旭川市)
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3.2 本システム導入による負荷削減効果
既往の報告5)より THERB for HAM は高い計算精度
を有し，実測値と計算値は概ね一致することが分かっ ている．これを踏まえ，本システムを導入している負 荷を実測値から，導入しなかった場合の負荷を数値計 算より算出することで，本システムによる太陽熱利用 の省エネルギー効果を算出する． 図 7 に，代表として旭川の各実測対象住宅における 本システム導入による空調・給湯負荷削減効果の年間 積算比較を示す．3 種類の積算値のうち，「標準システ ム」とは本システムを導入しなかった場合を THERB for HAM にて計算したもの，「計算値」は本システムを 導入した場合の数値計算値，「実測値」は実測対象住宅 における実測結果の積算値である．暖房・給湯負荷削 減効果は 46%とおおよそ負荷を半減できることが明ら かになった．他の 5 地域でも削減効果は札幌：50%， 岩手：48%，福井：42%，愛知：64%，宮崎：63%であ り，気候条件の差に関わらず，本システムは負荷削減 に有効であることが明らかになった． 4. 最適運用方法と省エネルギー効果解析 本章では，パラメータ感度解析により各要素と省エ ネルギー効果の相関を，期間暖房負荷積算量の比較に て解析する．実際の実測対象住宅の南面開口部はダイ レクトゲイン(以下 DG)とダブルスキン(以下 DS)を併 用しているが，本章の検討では南側全面を DG に統一 したモデルと DS に統一したモデルの 2 種類を設定し， 開口部の手法別に解析を行う． 表 2 に計算条件を，表 3 に計算時のガラスの構成と 物性値を，表 3 に各躯体モデルの断熱性能値を示す． 住宅の断熱性能をパラメータとする際は，次世代省エ ネ基準基準値に準じた「H11 基準」, 改正省エネ基準 基準値に準じた「H25 基準」，政府が示す ZEH が満た すべき断熱性である「ZEH 基準」の，3 種類のモデル を比較する。また，各地域の住宅が形体や延床規模が 異なるため，南面集熱開口面積は，南側壁面のうち， どれほどを開口が占めているかを示した集熱開口面積 率をパラメータとした． 4.1 ダイレクトゲインのパラメータ感度解析 空気循環式全館空調システムと組み合わせた DG の 日射取得による負荷削減効果についてパラメータ感度 解析を行う．表 5 に，DG 解析の計算パターンを示す． 計算する住宅モデルは， DG 計算モデルで行う． 図 7(a)(b)に，計算結果を示す．(a)より，断熱性能が 高いほど集熱開口を大きく取った際の取得熱量が増え ることが分かる．また，(b)より，複層 LE ガラスが 建物モデル ダイレクトゲインモデル 対象地 それぞれの建設地 気象データ 拡張アメダス気象データ（標準年） 生活条件 なし 計算期間 暖房期間(10月1日～3月31日) 予備計算期間 31日 計算間隔 10分 空調方式 空気循環式（空調室22℃、標準ファン風量150m3/h・台） 空調エリア 1階、2階、床下、小屋裏空間 空調時間 終日 換気量 0.5回/h(熱交換効率75%) 種類 熱貫流率 [W/m2・K] 複層 2.9 複層LE 1.9 トリプルLE 0.9 真空LE 1.4 構成（外気側-室内側） FL3+A12+FL3 FL3+A12+Low-E膜+FL3 FL3+Low-E膜+A9+FL3+A9+Low-E膜+FL3 FL3+真空層+Low-E膜+FL3 旭川 札幌 岩手 福井 愛知 宮崎 H11基準 0.57 0.57 0.64 0.90 0.88 0.95 H25基準 0.46 0.46 0.56 0.84 0.87 0.87 ZEH基準 0.40 0.40 0.50 0.60 0.60 0.60 検討項目 Case 断熱仕様 集熱開口 面積比率 ガラス仕様 DG1-1 0.2 DG1-2 0.4 DG1-3 0.6 DG1-4 0.8 DG1-5 0.2 DG1-6 0.4 DG1-7 0.6 DG1-8 0.8 DG1-9 0.2 DG1-10 0.4 DG1-11 0.6 DG1-12 0.8 DG2-1 複層 DG2-2 複層Low-E DG2-3 トリプルLow-E DG2-4 真空Low-E DG2-5 複層 DG2-6 複層Low-E DG2-7 トリプルLow-E DG2-8 真空Low-E DG2-9 複層 DG2-10 複層Low-E DG2-11 トリプルLow-E DG2-12 真空Low-E 断熱仕様 と 集熱開口面積 の相関 H11年基準 複層Low-E H25年基準 ZEH基準 ガラス仕様 と 集熱開口面積 の相関 ZEH基準 0.4 0.6 0.8 0 20 40 60 80 標準システム 目標値 実測値 負荷 (G J/ 年 ) 給湯負荷 冷房負荷 暖房負荷 標準システム 目標値 実測値 総合負荷 75.3 34.3 37.5 暖房負荷 46.8 24.5 31.1 冷房負荷 1.4 1.4 1.4 給湯負荷 27.1 8.4 7.7 空気循環 - - -用途別負荷[GJ/年] 熱負荷 総合 冷房 暖房 給湯 標準→目標 54% 0% 48% 69% 標準→実測 46% 3% 34% 72% 目標・実測の用途別負荷削減率[%] 図 6 負荷削減効果（北海道旭川市） 表 2 計算条件 表 3 ガラスの構成 表 4 各躯体モデルの断熱性能[W/m2・K] 表 5 ダイレクトゲイン解析の計算パターン
38-4 最も効果が大きく，躯体が十分な断熱性能を有してい れば，特に日射量が期待できる地域では，多くの流入 熱が期待できるガラスを採用することが DG の効果を より高めることが分かる． 4.2 ダイレクトゲインのパラメータ感度解析 DS に関して，パラメータ解析を行う．計算する住宅 モデルは， DS 計算モデルで行う．DS の奥行は 1m， 循環風量は 300[m3/h]とする． 表 6 に ， DS 解 析 の 計 算 パ タ ー ン を 示 す ． 図 7(c)(d)(e)(f)に，計算結果を示す．集熱効果は断熱性能 と日射吸収率に比例することが分かる．(e)(f)より，日 射量が期待できる西日本や太平洋側の地域では循環量 300[m3/h]では集熱した太陽熱を室内に取り込み切れ ないので，集熱方法として DG を採用するか，DS の室 内側壁体にガラスを設置し，透過によって熱を取り込 むようにしたほうが，負荷削減効果が大きいことが明 らかになった． 5. むすび 本研究では，空気循環式全館空調システム住宅にお ける太陽熱利用による空調・暖房負荷の削減効果を解 析にした．数値計算と実測結果よりシステムの有効性 を明らかにした．また，パラメータ解析より各パッシ ブ手法の躯体性能や開口設計との相関を解析した．住 宅の ZEH 化には，現状の設備機器導入に依存せず，躯 体性能や太陽熱等の自然エネルギーの取り込み・活用 を，地域性を考慮して設計することの重要性を示した． 参考文献 1) 豊島 正樹,佐藤 務,原 千晶：住宅用ダクト式全館空調システムのエネルギー 評価,空気調和・衛生工学会大会学術講 演論文集,pp.1907-1910,2008 2) 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構：NEDO 再生可能エネルギー 技術白書 3) 三島 潤也,葛 隆生：温暖地域におけるパッシブ型省エネルギー住宅に関する 研究,日本建築学会九州支部研究報告,pp413-416,2011 4) 尾崎 明仁：熱・水分・空気連成を考慮した建築の温湿度・熱負荷計 算,Technical Papers of Annual Meeting of IBPSA-Japan,pp.19-26,2005 5) 原口 紘一,尾崎 明仁,ほか：空気循環式全館空調システム住宅における空調負 荷削減に関する研究 その 4 冬期実測結果と暖房負荷削減効果の検証,日本建築 学会大会学術講演梗概集,pp13-16,2016 Case 断熱仕様 集熱開口 面積比率 日射吸収率 外側ガラス仕様 内側ガラス面積 空気循環条件 設定値 DS1-1 0.2 DS1-2 0.4 DS1-3 0.6 DS1-4 0.8 DS1-5 0.2 DS1-6 0.4 DS1-7 0.6 DS1-8 0.8 DS1-9 0.2 DS1-10 0.4 DS1-11 0.6 DS1-12 0.8 DS2-1 0.2 DS2-2 0.4 DS2-3 0.6 DS2-4 0.8 DS3-1 内壁側ガラスなし(0%) DS3-2 内壁の50% DS3-3 内壁の100%(全面) DS3-4 内壁側ガラスなし(0%) DS3-5 内壁の50% DS3-6 内壁の100%(全面) DS3-7 内壁側ガラスなし(0%) DS3-8 内壁の50% DS3-9 内壁の100%(全面) DS3-10 内壁側ガラスなし(0%) DS3-11 内壁の50% DS3-12 内壁の100%(全面) DS4-1 22℃ DS4-2 24℃ DS4-3 26℃ DS4-4 28℃ DS4-5 22℃ DS4-6 24℃ DS4-7 26℃ DS4-8 28℃ DS4-9 22℃ DS4-10 24℃ DS4-11 26℃ DS4-12 28℃ DS4-13 22℃ DS4-14 24℃ DS4-15 26℃ DS4-16 28℃ 内壁の50% 複層Low-E トリプルLow-E 真空Low-E 複層Low-E トリプルLow-E 真空Low-E ZEH基準 0.4 0.8 複層 ZEH基準 0.4 複層Low-E 内壁の50% 24℃ ZEH基準 0.4 0.8 複層 24℃ H11年基準 0.8 複層Low-E 内壁の50% 24℃ H25年基準 ZEH基準 0 50 100 150 200 250 300 350 単位面積当た り の 期間暖房負荷 [MJ/m 2 ・pe rio d] 旭川 札幌 岩手 福井 愛知 宮崎 集熱開口面積率 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 H11年基準 H25年基準 ZEH基準 0 50 100 150 200 250 300 350 単位面積当た り の 期間暖房負荷 [MJ/m 2 ・pe rio d] 旭川 札幌 岩手 福井 愛知 宮崎 集熱開口面積率 0.4 0.6 0.8 0.4 0.6 0.8 0.4 0.6 0.8 0.4 0.6 0.8 複層 複層LE トリプルLE 真空LE 0 50 100 150 200 250 300 350 単位面積当た り の 期間暖房負荷 [MJ/m 2 ・pe rio d] 旭川 札幌 岩手 福井 愛知 宮崎 集熱開口面積率 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 H11年基準 H25年基準 ZEH基準 (a)[DG]断熱仕様と集熱開口面積の相関 (b)[DG]ガラス仕様と集熱開口面積の相関 (c)[DS]断熱仕様と集熱開口面積の相関 0 50 100 150 200 250 300 350 単位面積当た り の 期間暖房負荷 [MJ/m 2 ・pe rio d] 旭川 札幌 岩手 福井 愛知 宮崎 DS内日射吸収率 0.6 0.7 0.8 0.9 0 50 100 150 200 250 300 350 単位面積当た り の 期間暖房負荷 [MJ/m 2 ・pe rio d] 旭川 札幌 岩手 福井 愛知 宮崎 室内側ガラス 面積率 0% 50% 100% 0% 50% 100% 0% 50% 100% 0% 50% 100% 複層 複層LE トリプルLE 真空LE 外気側ガラス 仕様 0 50 100 150 200 250 300 350 単位面積当た り の 期間暖房負荷 [MJ/m 2 ・pe rio d] 旭川 札幌 岩手 福井 愛知 宮崎 空気循環 条件設定値[℃] 22 24 26 28 22 24 26 28 22 24 26 28 22 24 26 28 外気側ガラス仕様 複層 複層LE トリプルLE 真空LE (d)[DS]集熱空間の日射吸収率 (e)[DS]ガラス仕様と室内側ガラス面積の相関 (f)[DS]ガラス仕様と空気循環設定値の相関 図 7 パラメータ感度解析結果 表 6 ダブルスキン解析の計算パターン
