日本の気候風土に適した煉瓦造住宅の熱環境制御システムに関する研究 [ PDF

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(1)日本の気候風土に適した煉瓦造住宅の熱環境制御システムに関する研究永田麻由子 1．はじめに. んで 2 重煉瓦壁からなる乾式組積のフルブッリク構法で. 本研究では、日本の気候風土に適応し、快適性・省エ. ある。外壁断熱に使用した真空断熱材は厚さ 30mm 熱伝導. ネルギー性を持ち合わせた煉瓦造住宅の熱環境制御シス. 率 0.008W/ m2･ K であり薄く断熱性能に優れているので、. テムを開発することを目的としている。同システムとし. 空気の循環経路である循環空気層の厚み確保が可能となった。. て『空気循環式パッシブシステム』を提案する。これま. 前述の通り、本実験棟では煉瓦の熱容量と積極的な空. でに、オーストラリア輸入煉瓦造住宅及び本システムを. 気循環を活かした室内熱環境制御システムを採用し、パ. 採用した試験室において実測調査や数値シミュレーショ. ッシブシステムとしては、クールチューブ、集熱パネル、. ンを行い、システムの特徴を明らかにしてきた。本論文. トロンブウォールを使用している。図-3 に空気循環経路. では、本システムを実規模住宅に適応した例として空気. および換気経路の概念図を示す。空気循環経路は、2 つの. 循環式パッシブ煉瓦造住宅実験棟（以下、実験棟と略す。）. 系統に大別される。パッシブ熱源系経路は、各パッシブ. の建設過程を紹介し、実験棟における実測調査結果を報. システムの集熱熱空気搬送経路、室内循環系経路は、加. 告する。更には、実験棟のシステム性能を把握するため. 熱、冷却された空気が循環空気層を経て室内へと搬送さ. に行った数値シミュレーション結果について述べる。. れる経路である。換気は、上記の空気循環経路とは別経. 2．空気循環式パッシブ煉瓦造住宅の概要. 路を設け、セントラル換気システム（換気回数 0.5 回/h）. 写真-1 に実験棟の外観写真、図-1 に平面図、図-2 に壁. を採用している。屋根外表面には赤外線反射塗料を塗布. 体構成を示す。本実験棟は、熊本県玉名郡菊水町に 2001. し、夏季における小屋裏空気温度及び屋根外表面温度の. 2. 年 6 月に竣工した。総 2 階建て述べ床面積は 193.8 m で. 高温化を抑制する。また、小屋裏には換気装置を設け、. 2,220. あり、その外壁は循環空気層、真空断熱材、通気層を挟 2,520. 玄関浴室. 1,980. 2,280. 物入. 9,000. 9,000. 130. 子供室2. 台所. 居間. 食堂. 物入. 4,500. 4,500. 110. 吹抜. 主寝室. 物入. 子供室1. 900. 写真-1 外観写真（南面）. 書斎. 3,540. 1,920. 1,920. 3,540. （b）2 階平面図. 10,920. 110. （a）1 階平面図. 30. 図-1 空気循環式パッシブ煉瓦造住宅実験棟平面図【単位：mm】煉瓦循環空気層真空断熱材室外通気層側. 室内側. 集熱パネル. トロンブウォールシャッタ−. トロンブウォール. 図-2 壁体構成【単位：mm】. 室内循環系. 給気 24 時間換気. 排気. 周壁煉瓦蓄熱. 補助空調機熱交換器集熱パネルトロンブウォール. パッシブ熱源系クールチューブ. 図-3 空気循環及び換気経路概念図. ダンパー. 補助空調機. 熱交換器クールチューブ. 図-4 夏季システム断面図. 37-1. ダンパー. 補助空調機. 熱交換器. 図-5 冬季システム断面図.

(2) 強制排気を行う。図-4 に夏季システム断面図を示す。夏. ダクトを経て循環空気層へと送られる。その後、室内側. 季夜間に外界からクールチューブに導入され冷却された. 煉瓦に徐々に蓄熱しながら、室内側煉瓦上部の目地部か. 空気は、室内循環経路の戻り空気と熱交換され排気され. ら室内へと滲み出し室内空間を加熱する。室内空気は夏. る。夏季パッシブ熱源（クールチューブ）空気との熱交. 季同様、1 階収納下部及び 2 階各部屋の出入り口付近天井. 換により冷却された室内への供給空気は、住宅中央の室. に設けた排気口より回収され、住宅中央の室内循環空気. 内循環空気搬送用ダクトを通って小屋裏に配管されたダ. 搬送用ダクトを通って再び熱交換器へと送られ、冬季パ. クトへと送られ、外壁上部を 1 周しているループダクト. ッシブ熱源からの空気と熱交換される。なお、パッシブ. を経て循環空気層へと送られる。その後、室内側煉瓦に. 熱源の能力が不足している場合には、室内循環空気搬送. 徐々に蓄冷しながら、室内側煉瓦上部の目地部から室内. 経路内に設けた補助空調機により熱量を補う。. へと滲み出し室内空間を冷却する。1 階室内空気は中央ダ. 3．実測調査による熱環境性状把握. クト下部に設けた通気口より、2 階室内空気は各部屋の出. 3-1．夏季実測調査. 入り口付近天井に設けた通気口より回収され、住宅中央. 図-6∼8 に 2001 年 8 月 19 日、23 日の実測結果を示す。. の室内循環空気搬送用ダクトを通って再び熱交換器へと. 外界気象をみると、いずれの日も外気温度は最高で 34℃. 送られ、夏季パッシブ熱源からの空気と熱交換される。. 付近に達している。室内空気温度をみると、測定状態に. 図-5 に冬季システム断面図を示す。冬季晴天時日中にト. よらず外気温度に対してその温度変動は緩やかである。. ロンブウォールによって暖められた空気はファンにより. これは煉瓦造住宅の特徴であり、煉瓦の熱容量によるも. 屋根南面に設けた集熱パネルへと導入され、更に加熱さ. のである。また、2 階（主寝室）の室内空気温度の方が 1. れ住宅中央のパッシブ熱源空気搬送用ダクトを通って熱. 階（居間）の室内空気温度に比べて高くなっている。こ. 交換器へと送られる。そして、室内循環系の室からの戻. れは、住宅上部に暖かい空気が滞留している事および 2. り空気と熱交換された後、再びトロンブウォールへと送. 階の日射遮蔽が十分になされていなかった事が原因であ. られる。冬季パッシブ熱源（集熱パネル、トロンブウォ. ると考えられる。その温度差は日中 7 時∼20 時冷房運転、. ール）空気との熱交換により加熱された室内への供給空. 夜間 20 時∼7 時クールチューブ使用状態（以下、｢冷房+. 気は、床下に配管されたダクトへと送られ、外壁下部の. クールチューブ状態｣と略す。）で最も小さい値を示した。. 表-1 実験棟の建物仕様（部位構成は単位 mm）. 温度差解消のためには、送風・給気能力を向上させ空気. 1階天井 2階天井. 月 19 日の室内空気温度（図-6）をみると、居間では 27℃ 前後、主寝室では 31℃前後を示している。補助空調機を用いて冷房しているにも関わらず、2 階の室内空気温度は. 石膏ボード 10. 30℃を超え高温域を推移している。これは、室内への吹. 石膏ボード 10､硬質ｳﾚﾀﾝﾌｫｰﾑ 100､ﾛｯｸｳｰﾙ 200. き出し口である目地部分の抵抗が大きいため、循環経路内のファン流量が不足していたものと考えられる。冷房+. 表-2 実験棟の設備仕様（部位構成は単位 mm）パッシブ設備. クールチューブ状態であった 8 月 23 日の室内空気温度を. 2. 集熱パネル（集熱面積：28.6 m 傾斜角：26゜）断熱材 50、集熱空気層 60、鉄板 8、空気層 30、ﾎﾟﾘｶｰﾎﾞﾈｲﾄ 3+A6+3. みると、自然状態（ 8 月 2 日）に比べて昼間の温度上昇が. トロンブウォール（蓄熱壁面積 18 m2）煉瓦 330、空気層 45、ペアガラス 5+A6+5 クールチューブ（埋設深さ：3m 埋設長さ：50m）. ＜居間＞＜主寝室＞. 室内空気温度室内空気温度. PMV PMV. 0 外気温度. 40. 水平面全天日射量. 3 クールチューブ 20:00 ∼7:00. 冷房運転 7:00 ∼20:00. 35. -1 -2. 6 12 18 8月19日（終日冷房状態）. 後と終日冷房状態よりも快適状態であることがわかる。. 30 25. クールチューブ 20:00 ∼7:00. 2 1. PMV 温度 [℃ ]. 温度 [℃ ]. 20 0. 3. 1. 30. また、PMV をみると、居間で 0.7 前後、主寝室で 1.0 前. 西壁室内側煉瓦室内側表面温度. 2. 35. 25. 瓦へ冷熱が蓄えられ、昼間の室温上昇が抑制できている。. 熱交換器：流量 340 m3/h 補助空調機（冷房能力：4.0 kW暖房能力：5.4 kW）. 設備機器. 40. 緩やかである。夜間クールチューブ利用により室内側煉. 0 外気温度. -1 -2. 水平面全天日射量 -3 20 -3 24 0 6 12 18 24 [h] 時間 8月23日（冷房＋クールチューブ状態時）間[h]. 図-6 室内空気温度（8 月 19 日）. 図-7 室内空気温度（8 月 23 日）. 37-2. 40 終日冷房状態冷房+ｸｰﾙﾁｭｰﾌﾞ状態. 30. 1 電力消費量 [kWh]. 合板 10、瓦 0.5. 地盤. 循環を促進させる必要がある。終日冷房状態であった 8. 0. 屋根. 外壁. PMV. 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：7.3 cm2/ m2. 煉瓦 110､循環空気層 50､真空断熱材 30､通気層 20、煉瓦 110 断熱材 30､ｺﾝｸﾘｰﾄ 400､砕石 50､土 100. 水平面全天日射量 [kW/㎡ ]. 換気方式. ・セントラル換気システム居室：自然給気台所､便所､浴室：強制排気・小屋裏：強制排気. 20 10 0. 8月19日. 8月23日. 図-8 電力消費量日積算値比較.

(3) 西壁室内側煉瓦室内側表面温度. 3 暖房運転 17:00 ∼9:00. 冬季パッシブ使用 9:00-17:00. 暖房運転 17:00 ∼9:00. 25. 1. 20. 1. 15. 0. 15. 0. 10. -1 外気温度. 5 0 0. PMV 温度 [℃ ]. 2. 20. 温度 [℃ ]. 25. 水平面全天日射量. 6 12 18 12月2日（終日暖房状態）. -2. 10. 2. -1 外気温度. 5. -2. 水平面全天日射量. -3 0 -3 24 0 6 12 18 24 時間[h] 時 12月11日（暖房+ 冬季パッシブ状態）間[h]. 図-9 室内空気温度（12 月 2 日）. 1 電力消費量[kWh]. 30. 図-10 室内空気温度（12 月 11 日）. 0. 3. PMV. PMV 室内空気温度 PMV 室内空気温度. 水平面全天日射量 [kW/㎡ ]. ＜居間＞. 30 ＜主寝室＞. 60 終日暖房状態. 暖房+冬季パッシブ状態. 50 40 30 20 10 0. 12月2日. 12月11日. 図-11 電力消費量日積算値比較. 居間における室内空気温度と室内側煉瓦室内表面温度. 力消費量の日積算値を比較すると（図-11）、12 月 2 日の. （以下、室内表面温度と略す）を比較すると、室内表面. 電力消費量の日積算値は 51kwh、12 月 11 日の電力消費量. 温度の方が室内空気温度よりも低い値を示している時間. の日積算値は 32kwh であり約 37％の省電力効果が確認さ. 帯がある。これは、冷却された空気の搬送経路である循. れた。. 環空気層に室内側煉瓦が接しているため徐々に室内側煉. 4．数値シミュレーションによる性能評価. 瓦が蓄冷されている効果であり、昼間の室内空気温度の. 4-1．システム仕様の違いによる比較. 上昇を抑制している。また、8 月 19 日と 8 月 23 日におけ. 仕様の異なる 4 つのモデルを想定（表-3）し、冷房運. るシステム全体の電力消費量の日積算値を比較すると. 転を行わず、19 時から 7 時にかけてクールチューブを用. （図-8）、8 月 19 日の電力消費量の日積算値は 30kwh、 8. いた場合の計算を行った。8 月の代表日の計算結果をみる. 月 23 日の電力消費量の日積算値は 20kwh でありクールチ. と（図-12）、6 月に比べてクールチューブ使用・未使用に. ューブを使用することにより約 35％の省電力効果が確認. よる差が縮まってはいるが、 CASE1､ 2 は CASE3､ 4 に比. された。. べると約 3K 程低い値を推移している。また、仕様別の期. 3-2．冬季実測調査. 間積算冷房負荷の算出結果（図-13）を見ると、CASE1. 図-9∼11 に 2001 年 12 月 2 日、11 日の実測結果を示す。. の値が一番低く、最も大きな値を示した CASE4 に比べる. いずれの日も晴天であり、全体的に十分な日射が得られ. と約 3.2GJ（約 19%）削減できている。なお、 CASE4 と. ている。終日暖房状態であった 12 月 2 日の実測結果（図. CASE1 の日積算冷房負荷の差は最大で約 119MJ（約 46%. -9）をみると、1 階測定箇所（居間）と 2 階測定箇所（主. の削減）である。. 寝室）の室内空気温度の間には 1∼ 2K 差が見られる。夏. 暖房運転を行わず、9 時から 7 時にかけて冬季パッシブ. 季測定時と同様に、2 階の室内空気温度の方が高くなって. システム（集熱パネル・トロンブウォール）のみを用い. いる。この日の PMVの値は、1､ 2 階で差が見られるもの. た場合の計算を行った（図-14）。冬季パッシブシステム. の、-0.5∼+0.5 の範囲に収まっており快適環境であると思. を有しない CASE3､ 4 に比べ、 CASE1､ 2 では室温が高い. われる。日中 9 時∼ 17 時冬季パッシブシステムを使用し、. 値を推移している。集熱運転開始直後、 CASE1 では. 夜間 17 時∼9 時に暖房運転を行った状態（以下、｢暖房+. CASE2 程の上昇は見られず、CASE2 に比べて緩やかに変. 冬季パッシブ状態｣と略す。）であった 12 月 11 日の実測. 動している。これは、煉瓦の熱容量の大きさによるもの. 結果（図-10）をみると、 1､2 階間に見られた温度差が縮. であり、夜間の室温低下を抑制している。仕様別の期間. まっていることから、2 日時点では室内側煉瓦が十分に暖. 積算暖房負荷を算出した。結果を図-15 に示す。CASE1. まっておらず、蓄熱過程であった可能性が考えられる。. と CASE3、 CASE2 と CASE4 をそれぞれ比較すると、い. また、この日の PMV の値をみると 2 日に比べて全体的に. ずれも冬季パッシブシステムを有する CASE の方が暖房. 低い値を示しているものの、-0.5∼+0.5 に収まっており冬. 負荷が低くなっており、その差は前者が 7GJ 後者が 2GJ. 季パッシブシステムの使用による快適環境の確保に成功. と煉瓦造の方がその差が大きいことが分かる。冬季の空. している。居間においては、室内空気温度よりも表面温. 気循環式パッシブシステム採用は煉瓦造住宅に適してい. 度の方が高くなっており、夜間の室温低下に対する抑制. ると言える。暖房負荷が最も小さな CASE1 は、暖房負荷. 効果が見られる。空気温度に比べると、室内表面温度の. が最も大きな CASE4 に比べると、約 7GJ（約 13%）削減でき. 方が緩やかな変動を示しており、表面温度は晴天日の短. ている。なお、CASE4 と CASE1 の日積算暖房負荷の差. 期間であれば運転方法切り替え（暖房→暖房+冬季パッシ. は最大で約 117MJ（約 41%の削減）である。. ブ）による影響はほとんど受けていないものと思われる。. 4-1．地域性に関する検討. また、12 月 2 日と 12 月 11 日におけるシステム全体の電. 37-3. 日本全国の地域気候特性の違いについて更に詳しく検.

(4) 表-3 比較対象モデルの仕様. 討するため、次世代省エネルギー基準の地域区分（Ⅰ∼. ＜CASE1＞パッシブ煉瓦造モデル（熱損失係数：1.73W/m2K）建物仕様実験棟の建物仕様部位構成実験棟（表-1）の部位構成. Ⅵ）において代表 7 都市（札幌（Ⅰ）、青森（Ⅱ）、仙台（Ⅲ）、東京（Ⅳ）、福岡（Ⅳ）、鹿児島（Ⅴ）、那覇（Ⅵ））を選出し、同都市の拡張アメダス気象データを用いて計. ＜CASE2＞パッシブ木造モデル（熱損失係数：1.74W/m2K）建物仕様 CASE1 の建物仕様ﾄﾛﾝﾌﾞｳｫｰﾙ部分の煉瓦をコンクリートに変更部位構成表-1の外壁室外側煉瓦を合板 10mm+モルタル 30mm、外壁室内側煉瓦を石膏ボード 10mm、内壁煉瓦を石膏ボード 10mmに変更. 算を行った。地域別（7 都市）、仕様別（CASE1∼ 5）の期間積算暖冷房負荷算出結果を図-15 に示す。いずれの地域も、期間積算暖房負荷、期間積算冷房負荷共にパッシブ煉瓦造モデル（実験棟と同仕様）が最も低い値、標準. ＜CASE3＞煉瓦造モデル（熱損失係数：1.73W/m2K）建物仕様 CASE1 の建物仕様集熱パネル、クールチューブ、熱交換器を除いたもの。ﾄﾛﾝﾌﾞｳｫｰﾙ部分は、外壁に変更部位構成表-1の部位構成. 木造モデルが最も高い値を示している。このままでは地域特性を把握し難いので、パッシブ煉瓦造モデルの標準木造モデルに対する削減率をみると（図-16）、全体（暖. ＜CASE4＞木造モデル（熱損失係数：1.74W/m2K）建物仕様 CASE3 の建物仕様部位構成 CASE2 の部位構成. 房負荷+冷房負荷）の負荷削減率への影響は暖房負荷によるものが比較的大きい。特に、暖房負荷が大きな値を示すⅠ∼Ⅲ地域においては同傾向が顕著に見られる。気候. 用時間帯を 9 時から 17 時の条件で快適時間率（快適域を。全都市において、快適時間率は CASE1 が最も高い -17）値を示している。温暖地域へ向かうほど、煉瓦造 CASE1､. 外気温度水平面全天日射量. 10 0. 6. 12 18 8月2日. CASE1. 30. 0. CASE2. 集熱運転 9:00-17:00. シブ煉瓦造モデルと木造モデルを比較すると、福岡では. 6. 1 0. 12 18 24 8月3日時間[h]. CASE3. CASE4. 集熱運転 9:00-17:00. 20 温度[℃]. 5．おわりに. 2. 図-12 居間室内空気温度. て温暖地域の気候特性に十分適していると言える。パッ. 増加が見られる。. CASE4. ｸｰﾙﾁｭｰﾌﾞ使用 19:00-7:00. 20. 3 の快適時間率は増加しており、煉瓦造住宅は冬季におい. 約 40%鹿児島では約 60%沖縄では約 50%もの快適時間率. CASE3. ｸｰﾙﾁｭｰﾌﾞ使用 19:00-7:00. 30 温度[℃]. 示した時間数を計算総時間数で除した値）を算出した（図. CASE2. ｸｰﾙﾁｭｰﾌﾞ使用 19:00-7:00. 2 10. 実験棟を対象とした実測調査結果より以下のことが明. 外気温度. 水平面全天日射量. 0 0. 6 12 18 12月29日. 0. 1 0. 6 12 18 24 12月30日時間[h]. 図-13 居間室内空気温度. らかとなった。夏季パッシブシステムを使用することで、約 35％の省電力効果が得られた。冬季晴天時には、冬季. 60. パッシブシステムの集熱空気温度は 100℃付近に達し、シ. 40. CASE1. CASE2. CASE3. 20. 期間積算負荷 [GJ]. CASE1. 最後に、暖房運転を行わず、冬季パッシブシステム使. 15 10 5 0. 1 2 3 4 （建物仕様CASE）. 図-13 積算冷房負荷期間積算負荷 [GJ]. 討により、全体の負荷削減率は増加の見込みがある。. 水平面全天日射量 [kW/㎡ ]. 特性に応じた最適な冬季パッシブシステム運用方法の検. 水平面全天日射量 [kW/㎡ ]. ＜CASE5＞標準木造モデル（熱損失係数：2.12W/m2K）建物仕様 CASE3 の建物仕様部位構成 CASE2 の部位構成真空断熱材をｸﾞﾗｽｳｰﾙ 55mmに変更. 15 10 5 0. 1 2 3 4 （建物仕様CASE）. 図-14 積算暖房負荷 CASE4. CASE5. ステム使用時の PMV の値は-0.5∼+0.5 の範囲内であった。 20 また、冬季パッシブシステムを使用することで、約 37％の省電力効果が得られた。. 0 100. 80. 実験棟を対象としたシミュレーション結果より以下の. 60. ことが明らかになった。実験棟の夏季及び冬季パッシブ. 40. システムの省エネルギー性を確認するために、仕様の異. 20. なる 4 つのモデル（パッシブ煉瓦造、パッシブ木造、煉瓦造、木造）に関して期間積算暖冷房負荷を算出すると、. 0. 冷房負荷で約 19％暖房負荷で約 13％の削減結果となった。積算暖冷房負荷を算出した結果、全ての都市においてパッシブ煉瓦造モデルが最も低い値を示した。また、夏季. 30 削減率[%]. 代表 7 都市に関して、 24 時間暖冷房を行った場合の期間. 青森. 仙台. 暖房負荷冷房負荷 100 暖房負荷 +冷房負荷. 80. 20. 東京. 福岡. 鹿児島. 沖縄. CASE1. CASE3. CASE4. 60 40. 10 0. よりも冬季のパッシブシステムによる負荷削減効果が大きい結果となった。. 札幌. 図-15 期間積算冷房負荷（上）期間積算暖房負荷（下）【GJ】. 20 札青仙東福鹿那幌森台京岡児覇島. 0. 札幌青森仙台東京福岡鹿児島沖縄. 図-16 負荷削減率【%】図-17 快適時間率【%】. 37-4.

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