窓システムの組合せ性能の評価手法に関する研究
張本 和芳
*1田中 拓也
*1武田 仁
*2Keywords : Window system, Thermal load calculation, Double-skin facade
窓システム，ダブルスキン
1. はじめに
近年、ダブルスキンやエアーフローウィンドなど高 性能な窓システムが採用される建物が増えてきている。 これらの窓システムは屋外気象や窓システム自体の調 整機構により性能が変化する特性がある。特に、ダブ ルスキンは、二重ガラス内のブラインドで日射遮蔽を 行い、自然換気により日射熱を排熱する機構となって いるので、ファン動力が不要で室内エアバランスとの 干渉がないメリットがあるが、排熱の換気量は気象条 件に左右される性質があるため、熱性能の予測が困難 である。またブラインドの光学特性は、天空輝度分布 やスラットの角度・色に対し、変化する点も熱性能の 予測を困難にしている要因のひとつである。 本論文は、気象条件に対して変化する部材特性を考 慮した窓システムの年間熱負荷計算プログラムを構築 し、窓の熱性能の予測評価により、部材の組合せ、及 び制御機構の最適設計を目指すものである。 本報ではまず、実建物において、構成部材の組合せ を変えた仕様の異なるダブルスキンを8種類設置し、熱 性能の実測を行ったのでその結果を報告する。その次 に、仕様の異なる窓システムの年間熱負荷を計算によ り予測し、定量的な評価を行った。本プログラムでは、 ダブルスキン中空層内の自然換気を多数室換気計算に より求め、窓の各部位における日射吸収による温度上 昇を再現した。2. 実測
2.1 概要 対象としたダブルスキンは、ユニット化された薄型 ダブルスキン(ガラス間距離約200mm)であり、窓の両サ イドに配置している縦型の換気スリットに特徴があり、 温度差による上下方向の換気に加え、風圧による左右 方向の風力換気の効果が見込める(図－1)。 本研究では、このダブルスキンが適用された事務所 用途建物を対象として、実測を行った。本ダブルスキ ンは下層と上層の中空層の連通が可能であるが、本検 討では単層区切りのモードとした。測定対象としたダ ブルスキンの標準仕様を表－1 に示す。また、表－2 に 屋外測定概要、図－2 に窓廻り測定概要を示す。冬期、 夏期それぞれ数週間に亘り、測定を行った。窓面方位 は北西である。 1500 200 36 00 換気口 [mm] 1500 200 36 00 換気口 1500 200 36 00 換気口 [mm] 図－1 ダブルスキン外観 Fig.1 Mechanism of Double-Skin 表－1 ダブルスキン概要(標準仕様) Table 1 Specification of Double-Skin (Standard Type)部位 構成 日射 透過率(%) 日射 反射率(%) 日射 吸収率(%) 熱貫流率 W/(m2・K) 室外側ガラス FL12mm 69.3 6.4 24.3 5.7 中空層 幅：200mm 換気口: 夏(開),冬(閉) - - - - ブラインド 幅：25mm 角度：45° カラー：シルバー - 62.2 (スラット単体) - - 室内側ガラス FL8mm 76.5 6.8 16.7 5.8 ※日射透過率、日射反射率は垂直入射時の値 ＊１ 技術センター 建築技術研究所 環境研究室
2.2 実測ケース 表－1 に示す標準仕様のダブルスキンを基準として、 ガラス、ブラインド、フィルムの仕様を変えたものを 8 種類用意し、各窓システムの熱性能について実測を 行った。なお、各窓は図－3 に示すように隣接して配 置されている。各窓システムの仕様を表－3、図－4 に 示す。 表－2 屋外測定概要 Table 2 Outdoor Measurement 場所 対象建物屋上(軒高 16.1m) 測定項目 外気温度、風向、風速、SAT、水平面日射、 鉛直面日射、鉛直面赤外放射 ※垂直面=ガラス面方向(北西) 外部 36 00 ▼4FL C H=2 40 0 内部 ▼RFL 床上2500 床上1600 床上 600 床上1100 各部位 垂直温度分布 日射(垂直) グローブ温度 室内空気温度 ・室外側ガラス中空層側表面温度 ・中空層室外側空気温度 ・ブラインド表面温度 ・中空層室内側空気温度 ・室内側ガラス中空層側表面温度 ・室内側ガラス室内側表面温度 ・室内側ガラス室内側近傍空気温度 室外 室内 室外側 ガラス インドブラ 室内側ガラス 室内測定ポイント 窓各部位測定ポイント(上・中・下) 使用機器 T型熱電対 精密全天日射計MS-802 無指向性風速計6542 測定間隔: 1分 [mm] 図－2 窓廻り測定概要 Fig.2 Indoor Measurement around Window
図－3 実測風景 Fig.3 Measurement Area
外 内 ⑥中空層ブラインドを 白色に変更 外 内 外 内 ⑥中空層ブラインドを 白色に変更 外 内 ⑦中空層ブラインドを グレーに変更 外 内 外 内 ⑦中空層ブラインドを グレーに変更 ⑧室内側ブラインド (白)を取付け 外 内 ⑧室内側ブラインド (白)を取付け 外 内 外 内 外 内 ⑤室外側フィルム (反射タイプ) 外 内 ⑤室外側フィルム (反射タイプ) ①標準 (薄型ダブルスキン) 外 内 ①標準 (薄型ダブルスキン) 外 内 外 内 ②室内側ガラスを Low-Eガラスに変更 外 内 ②室内側ガラスを Low-Eガラスに変更 外 内 外 内 ③室内側フィルム (反射タイプ) 外 内 ③室内側フィルム (反射タイプ) 外 内 外 内 ④室外側フィルム (吸収タイプ) 外 内 ④室外側フィルム (吸収タイプ) 外 内 外 内 図－4 各窓システムの仕様 Fig.4 Variation of Window system 表-3 各窓システムの仕様
Table 3 Specifications of Window system
Case 室外側ガラス 中空層ブラインド 室内側ガラス 室内側ブラインド ①標準(薄型ダブルスキン) FL12 シルバー(反射率 62.2) FL8 なし ②室内側ガラス：Low-E ガラス FL12 シルバー(反射率 62.2) LE5A2FL5(40/29/31) なし ③室内側ガラス：フィルム(反射タイプ)貼付け FL12 シルバー(反射率 62.2) FL8+フィルム (33/30/37) なし ④室外側ガラス：フィルム(吸収タイプ)貼付け FL12+フィルム (37/6/57) シルバー(反射率 62.2) FL8 なし ⑤室外側ガラス：フィルム(反射タイプ)貼付け FL12+フィルム (33/30/37) シルバー(反射率 62.2) FL8 なし ⑥中空層ブラインド：白色 FL12 白色(反射率 68.7) FL8 なし ⑦中空層ブラインド：グレー FL12 グレー(反射率 43.5) FL8 なし ⑧ブラインド位置：室内側(白色) FL12 なし FL8 白色(反射率 68.7) ※()内は日射の透過率/反射率/吸収率(%)
0 5 10 15 20 25 30 35 外気 温 [℃ ] 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 日 射量[ W / ㎡] 外気温 水平日射 北西面垂直日射 0 5 10 15 20 25 30 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 温度 [℃ ] 室外ガラス表面 室外側中空層 ブラインド表面 室内側中空層 室内ガラス表面 室温 欠測 図－5 冬期代表日(2/22)屋外気象と Case①窓廻り温度の推移 Fig.5 Temperature Fluctuation on Winter day
0 5 10 15 20 25 30 35 外気温[ ℃] 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 日射量[ W / ㎡] 外気温 水平日射 北西面垂直日射 20 25 30 35 40 45 50 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 温度[ ℃] 室外ガラス表面 室外側中空層 ブラインド表面 室内側中空層 室内ガラス 室温 図－6 夏期代表日(8/27)屋外気象と Case①窓廻り温度の推移 Fig. 6 Temperature Fluctuation on Summer day
①標準 ②室内ガラス：Low-Eガラス ③室内側フィルム（反射タイプ） ⑤室外側フィルム（反射タイプ） ⑥中空層ブラインド：白色 ⑦中空層ブラインド：グレー 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 -300 -200 -100 0 100 200 [mm] [℃] FL+2500 FL+1600 FL +600 室外 室内 ガラス ブラインド ガラス -300 -200 -100 0 100 200 [mm] 室外 室内 ガラス ブラインド ガラス -300 -200 -100 0 100 200 [mm] 室外 室内 ガラス ブラインド ガラス -300 -200 -100 0 100 200 [mm] 室外 室内 ガラス ブラインド ガラス -[ 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 -300 -200 -100 0 100 200 [mm] [℃] FL+2500 FL+1600 FL +600 室外 室内 ガラス ブラインド ガラス --300 -200 -100 0 100 200 [mm] 室外 室内 ガラス ブラインド ガラス ④室外側フィルム（吸収タイプ） ⑧室内ブラインド(白色) -300 -200 -100 0 100 200 [mm] 室外 室内 ガラス ブラインド ガラス -300 -200 -100 0 100 200 [mm] 室外 室内 ガラス ブラインド ガラス 図-7 冬期(2/22 16:00)窓廻り温度分布 ※垂直面日射量 182W/㎡
Fig.7 Temperature Distribution of Window Section (Winter)
①標準 ②室内 ガラス ：Low-Eガラス ③室内 側フィルム（反 射タイプ） ⑤室外側フィルム（反射タイプ） ⑥中空 層ブラインド：白色 ⑦中空 層ブラインド：グレー 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.5 40.0 42.5 45.0 47.5 50.0 52.5 -300 -200 -100 0 100 200 [mm] [℃] FL+2500 FL+1600 FL +600 室外 室内 ガラス ブライ ンド ガラス -300 -200 -1 00 0 100 20 0 [mm] 室外 室内 ガラス ブラインド ガラス -300 -200 -100 0 100 200 [mm] 室外 室内 ガラス ブラインド ガラス -300 -200 -1 00 0 100 20 0 [mm] 室外 室内 ガラス ブラインド ガラス 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.5 40.0 42.5 45.0 47.5 50.0 52.5 -300 -200 -100 0 100 200 [mm] [℃] FL+2500 FL+1600 FL +600 室外 室内 ガラス ブラインド ガラス -300 -200 -10 0 0 100 200 [mm] 室外 室内 ガラス ブ ライン ド ガラス ④室外 側フィルム（吸収タイプ） ⑧室内ブラインド(白色)※9/1のデータ -300 -20 0 - 100 0 1 00 200 [m m] 室外 室内 ガラス ブライン ド ガラス -300 - 200 -10 0 0 1 00 20 0 [m m] 室外 室内 ガラス ブラインド ガラス 図-8 夏期(8/27 16:00)窓廻り温度分布 ※垂直面日射量 ①～⑦:452W/㎡(8/27)、⑧のみ:366W/㎡(9/1)
2.3 各部位の温度分布 図－5、6 に快晴に近い代表日(冬期：2010/2/22、夏 期：2009/8/27)の屋外気象と Case①の窓廻り温度の推 移を示す。対象面は北西であり、西日により夕方 16 時 頃が窓廻り温度のピークとなる。直達日射が窓面に照 射する時間帯は 14 時～17 時頃であった。また、実測 条件としてブラインドのスラット角を 45°固定として いるため、太陽高度の低い夕方には直達光により室内 側ガラスの温度も上昇している。室内側ガラスの表面 温度に着目すると冬期では、明け方が最も低く 11℃程 度、夕方の西日が差込む時間帯には 23℃程度まで上昇 している。一方、夏期では明け方 25℃程度、夕方には 36℃程度となっている。 図－7、8 には、冬期、夏期それぞれ 16:00 の窓廻り 温度分布 (15:30～16:29 の平均)を示す。冬期は換気 口を閉じたモードとしているため、断熱性が向上し、 ブラインドによる日射吸収の影響もあり室内側ガラス 表面温度が室温に近い値となっている。仕様の違いに よる室内側ガラス表面温度に大きな差異はなく、ダブ ルスキンにすることで日中には十分に外皮負荷が低減 できている。 一方、夏期は換気口を開けて自然換気モードとして おり、仕様の違いにより、室内側ガラス表面温度に差 異が見られる。室内側ガラスを Low-E ガラスにした Case②は室内側ガラスの室内側表面温度が 30℃程度に 抑えられており、中空層からの熱貫流を低減している。 ガラスにフィルムを貼付けた Case③、④、⑤では、室 外側フィルム(反射タイプ)の Case⑤が、中空層温度の 上昇を防ぎ、室内側ガラス表面温度を最も低く抑える ことができている。また、Case①、⑥、⑦のブライン ドの色の違いでは、白色の Case⑥がスラットの反射率 が高いため日射吸収量が小さく、ブラインド表面温度、 室内側ガラス表面温度ともに低い結果となった。 2.4 熱性能値 実測結果をもとに表－4 式(1)～(6)に示す方法で熱 貫流率と日射熱取得率を算出した。熱貫流率について は、夜間の日射がなく温度が安定している時間帯(0:00 ～6:00)のデータを用い、算出した。なお、Case⑧につ いては Case①(標準)の値に室内ブラインドの熱貫流抵 抗 0.045[m2・K/W](カタログ値)を加えた値とした。ま た、室内総合熱伝達率については、別途、裏面に断熱 材を貼付けた面状発熱体を窓面位置に設置して実測を 行い、面状発熱体の発熱量と室内側ガラス表面と室内 の温度差から求めた。その結果、今回の対象空間での 表－4 記号一覧 Table 4 Symbol List
η = ( Iτ + Ic ) / Jo 式(1) Iτ = Ji 式(2) Ic = αi ( θsi - θI ) - Ik 式(3) Ik = K ( θo - θI ) 式(4) K = αi (θsi-θi) / ( θi - θo ) 式(5) αi = q / ( θsi - θi ) 式(6) αo=( Jo - Je ) / ( θSAT - θo ) 式(7) η：日射熱取得率 [-] K：熱貫流率 [W/(m2K)] It：透過成分 [W/ m2] Ic：吸収再放熱成分 [W/ m2] Ik：貫流成分 [W/ m2] Jo：屋外垂直面日射量 [W/ m2] Ji：室内垂直面日射量 [W/ m2] Je：実効放射量 [W/ m2] αo：室外側総合熱伝達率 [W/(m2K)] αi：室内側総合熱伝達率 [W/(m2K)] θo：外気温 [℃] θSAT：SAT 温度 [℃] θsi：室内ガラス表面温度 [℃] θi：室温 [℃] q：面状発熱体発熱量 [W/ m2] 表-5 熱貫流率[W/(m2・K)]
Table5 Heat Transmission Coefficient
換気口 Case ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 開 2.88 1.37 3.42 2.70 2.72 2.63 2.97 2.55 閉 2.22 1.05 1.84 2.15 1.98 2.16 2.07 2.02 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 開 閉 開 閉 開 閉 開 閉 開 閉 開 閉 開 閉 閉 ① 標準 ② Low-E ③ 室内ﾌｨﾙﾑ (反射) ④ 室外ﾌｨﾙﾑ (吸収) ⑤ 室外ﾌｨﾙﾑ (反射) ⑥ ﾌﾞﾗｲﾝﾄﾞ 白色 ⑦ ﾌﾞﾗｲﾝﾄﾞ ｸﾞﾚｰ ⑧ 室内 ﾌﾞﾗｲ ﾝﾄﾞ 日射熱取得率 透過分 吸収再放熱分 換気口 ※測定期間中の冬期 15～16 時の平均値 図－9 日射熱取得率(スラット角 45°) Fig.9 Solar Heat Gain Coefficient 室内総合熱伝達率は平均で 7.4[W/m2 ]であった。Case⑧ の室内ブラインドについては、郡らの研究 1)を参考に した。 表－5 に熱貫流率を、図－9 に各窓のスラット角 45°での日射熱取得率(冬期 15:00～16:00 の平均値)を 示す。熱貫流率については、室内側を Low-E ガラスに した Case②の値が小さく、その他の Case では大きな 差は見られなかった。また、換気口を閉じることで、 熱貫流率が小さくなることが分かった。次に、日射熱 取得率については Low-E ガラスの Case②が最も小さく 良好な結果となった。室内側フィルムの Case③と室外 側フィルムの Case⑤を比較すると、室内側フィルムの
場合、透過分は低減できているが、その分吸収再放熱 分が大きくなっており、結果的には室外側フィルムの 方が日射熱取得率を低く抑えることができる。ブライ ンドの色の違いとして Case①、⑥、⑦を比較すると、 換気口を開けた時には透過分と吸収再放熱分の割合は 変わるもののその和である日射熱取得率に大差はない。 また、室内ブラインドの Case⑧はブラインドで吸熱し た熱が室内に放熱されるため日射熱取得率は高い。 2.5 実測のまとめ 本実測を通して、季節や時刻変動また部材の組合せ による熱性能の違いを把握した。今回対象とした薄型 ダブルスキンでは、標準仕様(換気口：開)で熱貫流率 2.88[W/(m2・K)]、日射熱取得率 0.19 程度の熱性能を 実測値として得た。室内側ガラスを Low-E ガラスとす ることで更なる性能向上も可能であることが分かった。
3. シミュレーション
3.1 概要 前章での実測データをもとに今回開発したプログラ ムの精度検証を行うとともに年間熱負荷を予測するこ とで、年間を通した窓システムの性能評価を定量的に 行う。 ダブルスキンにおける温度差換気と風圧換気を再現 するため、1)開口部の圧力特性実験、2)CFD による開 口部廻りの風圧係数の算出、3)換気回路網を組み込ん だ熱性能計算の手順で計算を行った。 対象としたダブルスキンは、ユニット化された薄型 ダブルスキン(ガラス間距離約 200mm)であり、ユニッ トの両サイドに配置している縦型の換気スリットに特 徴があり、温度差による上下方向の換気に加え、風圧 による左右方向の風力換気の効果が見込める(図－10)。 本研究では、このダブルスキンが適用された事務所用 途建物を対象として、実験、解析を行った。本ダブル スキンは下層と上層の中空層の連通が可能であるが、 本検討では単層区切りのモードを対象とした。 3.2 開口部の圧力損失実験 CFD 解析に先立ち、中空層に対する換気開口部の圧 力損失特性を計測した。本研究では適用建物において 窓ユニットのインナーサッシに加圧ファンを設置し、 風量および中空層内部と外気の圧力差を計測した。外 気に面する開口部の見付け面積に対し流量係数は 0.39 であった。 3.3 CFD による風圧係数の計算 CFD における窓の形状モデル作成において、外気に 面するサッシ形状については、風圧に影響を与えるた め再現する必要があるが、開口部廻りについては、外 気に接する面から中空層内部に至る経路の微細なサッ シ形状を再現するのは現実的ではないため、実験によ る圧力損失特性を再現するように数値にて与えた。 風洞を模擬した解析領域の下流域に、壁面の一部に ダブルスキンユニットを再現した建物形状を再現し、 開口部廻りの圧力を観察した。モデルの概要を表－6、 図－11に示す。適用建物に倣い、ダブルスキン面は北 西とした。 1500 200 36 00 解析対象3ユニット 開口部(左) 開口部(右) 観察対象ユニット 1500 200 36 00 解析対象3ユニット 開口部(左) 開口部(右) 観察対象ユニット 図－10 解析概要 Fig.10 Model of Analysis 表－6 CFD による建物周囲解析概要Table 6 CFD Analysis around Building
解析モデル 標準 k-εモデル 解析領域 D1125×W450×H450 m(風上側 225+風下側 900m) z 方向解析格子間隔 0.3～25 [m] 対象建物 W90.0 ×D12.0×H16.2 m ダブルスキン 1 ユニット W1500×H3600mm 4F(GL+11.75)に 3 ユニットを再現 解析格子間隔 4～50mm 接近風 軒高 16.1m で 3.4m/s (横浜気象台 2009 年平均風速) 粗度区分 III(べき指数 0.20)を設定 450m 450m 1125m 対象建物 設置位置 風洞：風向によって回転 風向 450m 450m 1125m 対象建物 設置位置 風洞：風向によって回転 風向 450m 1125m 対象建物 設置位置 風洞：風向によって回転 風向 ▽4FL 12.0m 16.2m 90.0m 対象ダブルスキン 3ユニット 北西面 ▽4FL 12.0m 16.2m 90.0m 対象ダブルスキン 3ユニット 北西面 図－11 建物周囲解析概要 (左: 解析領域 右: 建物外観) Fig.11 Model of CFD Analysis around Building
北西面 対象ダブルスキン 対象建物 風向：北 北西面 対象ダブルスキン 対象建物 風向：北 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 風速 [m/s] 図－12 建物周辺気流
Fig.12 Airflow around building
0.86 0.82 0.78 0.74 0.70 0.86 0.82 0.78 0.74 0.70 室内側ガラス 室外側ガラス 換気スリット (左側) 換気スリット (右側) 風圧 観察点 換気開口 換気開口 風圧観察点 圧力 [Pa] 0.86 0.82 0.78 0.74 0.70 0.86 0.82 0.78 0.74 0.70 室内側ガラス 室外側ガラス 換気スリット (左側) 換気スリット (右側) 風圧 観察点 換気開口 換気開口 風圧観察点 圧力 [Pa] 0.86 0.82 0.78 0.74 0.70 0.86 0.82 0.78 0.74 0.70 0.86 0.82 0.78 0.74 0.70 0.86 0.82 0.78 0.74 0.70 室内側ガラス 室外側ガラス 換気スリット (左側) 換気スリット (右側) 風圧 観察点 換気開口 換気開口 風圧観察点 圧力 [Pa] 図－13 ダブルスキン 開口部-中空層廻り圧力分布 (ユニット平断面)
Fig.13 Pressure distribution around Ventilation Opening and Cavity
0.40 0.38 0.36 0.34 0.32 0.30 0.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 室内側ガラス 室外側ガラス 換気スリット (左側) 換気スリット (右側) 壁面近傍風速 約2.2m/s 風速 [m/s] 風向：北 0.40 0.38 0.36 0.34 0.32 0.30 0.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 室内側ガラス 室外側ガラス 換気スリット (左側) 換気スリット (右側) 壁面近傍風速 約2.2m/s 風速 [m/s] 0.40 0.38 0.36 0.34 0.32 0.30 0.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0.40 0.38 0.36 0.34 0.32 0.30 0.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 室内側ガラス 室外側ガラス 換気スリット (左側) 換気スリット (右側) 壁面近傍風速 約2.2m/s 風速 [m/s] 風向：北 図－14 ダブルスキン 開口部-中空層廻り風速分布 (ユニット平断面)
Fig.14 Airflow around Ventilation Opening and Cavity
N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW 左開口→右開口 右開口→左開口 0 20 40 60 80 100 対象建物 ダブルスキン ユニット 右 開 口 左 開 口 建物・窓面方位 風量[m3/h] 軒高風速 3.4[m/s] ※左/右=外側から見た ユニットの 換気開口位置 図－15 風向と風量の関係(ダブルスキン 1 ユニットあたり) Fig.15 Relation between Wind direction and Ventilation Air Volume 図－12～14 に北向き風向における建物周辺気流、お よびダブルスキン断面の圧力・風速分布を示す。北西 を向くダブルスキン面は巨視的には同一風圧になるが、 微視的にはユニットの左右の換気開口に、風上/風下の 風圧係数の差が生じ、換気の駆動力となる。1 ユニッ トあたりの風力換気による換気風量を図－15 に示す。 西の風向にて換気開口の左右に 0.05 の風圧係数の差が 生じ、約 70m3 /h の換気量がある。ダブルスキン背面か らの接近風(東北東～南南西)においては換気量が少な いが、正面方向からの接近風において換気量が多くな り、特に斜め 45°(北、西)からの接近風において風量 が増加する傾向が見られた。 3.4 換気回路網を組み込んだ熱性能計算 ベースとした熱負荷計算プログラム LESCOM は、窓 部材の入射角特性の取り扱いが可能であるが、本研究 にて風圧・温度差を考慮した多数室換気回路網を組み 込み、中空層の換気量により窓各部位の温度を求めダ ブルスキン等の空気流通窓の計算を可能とした。 換気計算では、中空層を上中下 3 分割とし、ユニッ ト両サイドの換気口に上中下 3 点の規定節点を設定し、 各点の風圧係数と気象データの風向・風速により求め た風圧を与え、風圧と温度差による換気量を計算した (図－16)。 温度計算では、直達光、拡散光に対する日射特性に より部材への吸収熱量を算出し、ガラス、ブラインド、 中空層を上下 3 分割し、各節点における熱収支計算を 行った(図－17)。中空層はブラインドを挟んで室内側 と室外側に分割されているが、本計算では 1 節点とし て扱った。換気量と温度は 4 回の反復計算で十分な収 束値を得た。 中空層 中 外気 中 外気 中 中空層 上 外気 上 外気 上 中空層 下 外気 下 外気 下 風圧係数 風圧係数 風圧係数 換気開口左側 換気開口右側 ダブルスキン 風圧係数 風圧係数 風圧係数 中空層 中 外気 中 外気 中 中空層 上 外気 上 外気 上 中空層 下 外気 下 外気 下 風圧係数 風圧係数 風圧係数 換気開口左側 換気開口右側 ダブルスキン 風圧係数 風圧係数 風圧係数 図－16 換気計算モデル (1 ユニット) Fig.16 Calculation Model of Ventilation
αo αco αci αi
外気 θi 室外側 ガラス ブラインド 室外側 ガラス 中空層 CpρV/A αｒb αbc 日射 αｒb θo θ1 θｃ θ2 θ3 中空層換気 屋外 熱伝達 室内 熱伝達 中空層内 対流熱伝達 中空層内 放射熱伝達 中空層内 対流熱伝達 中空層内 放射熱伝達 中空層 αbc 日射吸収 日射吸収 日射吸収 室内 αo αco αci αi
外気 θi 室外側 ガラス ブラインド 室外側 ガラス 中空層 CpρV/A αｒb αbc 日射 αｒb θo θ1 θｃ θ2 θ3 中空層換気 屋外 熱伝達 室内 熱伝達 中空層内 対流熱伝達 中空層内 放射熱伝達 中空層内 対流熱伝達 中空層内 放射熱伝達 中空層 αbc 日射吸収 日射吸収 日射吸収 室内 図－17 温度計算モデル (窓断面モデル 3 層の場合) Fig.17 Calculation Model of Ventilation
表－7 ダブルスキン 構成部材の熱性能 Table 7 Thermal Performance of Double skin component
構成 仕様 室外側ガラス FL12mm 透過率 69.3% 反射率 6.4% 吸収率 24.3% 中空層 幅：200mm 換気口:夏期(開),冬期(閉) ブラインド シルバー 幅：25mm 角度：45° 反射率 68.7% 吸収率 31.3% 室内側ガラス FL8m 透過率 76.5% 反射率 6.8% 吸収率 16.7% ※透過率、反射率は垂直入射時の値。 単層で空気流通するモードとした。 表－8 窓廻り条件
Table 8 Calculation Condition of Window
項目 冬期(2/22 16 時) 夏期(8/27 16 時) 日射 W/㎡ 182 410 外気温度 ℃ 11.9 29.3 室内温度 ℃ 22.2 26.2 風速 m/s 0.9 1.3 気 象 条 件 風向 - 東南東 東 室外側総合熱伝達率 W/(㎡･K) 16.36 18.56 室内側総合熱伝達率 W/(㎡･K) 7.41 7.41 ガラス面対流熱伝達率 W/(㎡･K) 2.47※ 5.80※ ブラインド面対流熱伝達率 W/(㎡･K) 2.47※ 5.80※ 物 性 値 中空層放射熱伝達率 W/(㎡･K) 4.85 5.56 ※冬期（自然換気なし）：自然対流 ※夏期（自然換気あり）：強制対流(ユルゲスの式)として算出 注) 上記の各値は実測値(15:30～16:29 の平均) 換気開口左側 ダブルスキン中空層 換気開口右側 上層 中層 下層 40.9℃ 42.4℃ 44.1℃ 33.7m3/h 34.0m3/h 69.0m3/h 2.0m3/h 1.6m3/h 37.0m3/h 73.6m3/h 37.2m3/h 風速：1.3m/s 風向：東 総換気量：74.2m3/h 換気回数：36.7回/h 図－18 換気量と中空層温度
Fig.18 Ventilation Air Volume and Cavity Temperature
10 15 20 25 30 35 [℃] 実測上 実測中 実測下 計算 冬期(2/22 16:00) 室外 室内 ブラインド ガラス ガラス 25 30 35 40 45 50 -300 -200 -100 0 100 200[mm] [℃] 実測上 実測中 実測下 計算上 計算中 計算下 夏期(8/27 16:00) 室外 室内 ブラインド ガラス ガラス 図－19 窓廻り温度の比較(上:冬期, 下:夏期) Fig.19 Temperature Distribution of window
3.5 精度検証 プログラムの精度検証のため、夏期・冬期の実測値 との比較を行った。屋外総合熱伝達率は屋上に設置し た SAT 計から、室内総合熱伝達率は、室内窓面に設置 した面状発熱体の表面温度から求めた。日射量は実測 値を直散分離した値を用いた。各構成要素の熱性能は カタログ値を参照し、光学特性は入射角特性を考慮し た値とした。ダブルスキンの概要、窓廻りの諸条件を 表－7, 8 に示す。 測定対象面は北西面であるので、西日により窓廻り 温度がピークとなる夕方 16 時頃の実測値にて比較した。 図－18 に夏期の各層の換気量と中空層温度の計算結 果を、図－19 に冬期・夏期の温度分布の実測結果との 比較を示す。自然換気なしの冬期では、精度よく再現 できている。夏期においては、強い日射照射により、 外壁近傍の空気温度が外気温度よりも上昇しているこ とを考慮し、入力外気温度を以下の式で設定した注 1)。 日射による中空層温度、室外側ガラス表面温度の温度 上昇の傾向は、実測値と一致する傾向が見られた。 入力外気温度=外壁面温度×β+外気温度×(1－β) β=0.25 3.6 年間熱負荷計算 3.6.1 概要 以上のプログラムを用い、表－9 に示す奥行き 5m の ペリメータを窓幅 1.5m に切り出した空間を対象とし、 表－10 に示す複数の日射遮蔽手法について年間熱負荷 の比較を行った。対象 Case には前報に対応する①～⑦ のダブルスキンの仕様とともに、Low-E 窓ガラスの室 内側にブラインドを設置した仕様(⑧⑨)を付け加えた。 表－9 年間熱負荷計算 対象空間概要など Table9 Condition of Annual Heat Load Calculation ペリメータ (南面) 幅 1.5m×奥行き 5m×高さ 3m 面積:7.5m2、室容積:22.5m3 窓面積 5.4m2 (=幅 1.5m×高さ 3.6m) 人体発熱 70.5W (=47W/人×0.2 人/m2×7.5m2) 導入外気量 45m3/h (=0.2 人/m2*7.5m2*30m3/h 人) 家具熱容量 282.6kJ/K (12.56kJ/Km3(室容積)) 照明・機器発熱 412.5W (=照明 15+共用機器 10+PC30 W/m2) 上下階条件 空調室 気象データ 1990 年代標準気象データ
表－10 窓システムの構成部材の組合せ Table10 Combination of Window system Component
Case 室外側 ガラス 中空層 ブラインド 室内側 ガラス ①標準(ダブルスキン) FL12 シルバー FL8 ②室内側 Low-E ガラス FL12 シルバー LE5 +A2+FL5 ③室内側フィルム貼付(反射型) FL12 シルバー FL8 +フィルム ④室外側フィルム貼付け(吸収型) FL12 +フィルム シルバー FL8 ⑤室外側フィルム貼付け(反射型) FL12 +フィルム シルバー FL8 ⑥中空層ブラインド：白色 FL12 白色 FL8 ⑦中空層ブラインド：グレー FL12 ｸﾞﾚｰ FL8 ⑧LowE 仕様(ｸﾞﾘｰﾝ) +室内ブラインド LE5+A2+FL5 +室内側ブラインド白色 ⑨LowE 仕様(ｸﾘｱ)+室内ブラインド LE8+A6+FL8 +室内側ブラインド白色 各ブラインド反射率: シルバー:62.2, 白色:68.7, ｸﾞﾚｰ:43.5 (%) フィルム反射型: 透過 33.0/反射 30.0/吸収 37.0 (%) フィルム吸収型: 透過 37.0/反射 6.0/吸収 57.0 (%) 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 2,000 ① 標準 ② 室内 Low-e ③ 室内ﾌｨﾙﾑ (反射) ④ 室外ﾌｨﾙﾑ (吸収) ⑤ 室外ﾌｨﾙﾑ (反射) ⑥ ﾌﾞﾗｲﾝﾄﾞ 白色 ⑦ ﾌﾞﾗｲﾝﾄﾞ ｸﾞﾚｰ ⑧ LE(ｸﾞﾘｰﾝ) +室内 ﾌﾞﾗｲﾝﾄﾞ ⑨ LE(ｸﾘｱ) +室内 ﾌﾞﾗｲﾝﾄﾞ 年 間窓面負荷 (冷 房) [ M J ] 吸収再放熱分+貫流分透過分 -50 0 50 100 150 200 ① 標準 ② 室内 Low-e ③ 室内ﾌｨﾙﾑ (反射) ④ 室外ﾌｨﾙﾑ (吸収) ⑤ 室外ﾌｨﾙﾑ (反射) ⑥ ﾌﾞﾗｲﾝﾄﾞ 白色 ⑦ ﾌﾞﾗｲﾝﾄﾞ ｸﾞﾚｰ ⑧ LE(ｸﾞﾘｰﾝ) +室内 ﾌﾞﾗｲﾝﾄﾞ ⑨ LE(ｸﾘｱ) +室内 ﾌﾞﾗｲﾝﾄﾞ 年 間 窓 面負荷 (暖房 ) [ MJ ] 吸収再放熱分+貫流分 透過分 図－20 各窓の熱負荷比較(対象空間あたり) Fig.20 Heat load Comparison among Window variation 3.6.2 計算結果 各 Case の空調運転時における窓面負荷の合計を図－ 20 に示す。Low-E の Case⑧,⑨は空調運転時間帯が長 くなり、ダブルスキンとの差が生じている。室内側 Low-E 仕様のダブルスキン②が冷房負荷を半減させて いる。また室外ガラス側に反射性がある Case⑤は、暖 房は日射による熱利得が減ずるものの、冷房負荷は約 24%減となる効果がみられた。 外部風速と日射熱取得率の関係を図－21 に示す。外 部風速が高いと中空層換気が促進され、日射熱取得率 が低くなる傾向があり、Case①では風速 1～5m/s で約 15%程度変化する。 ブラインド色による熱負荷の時系列変化の比較を図 －22 に示す。ブラインドの反射率が低いと(Case⑦)、 中空層で日射が吸収され、ガラス表面温度が高くなる が、透過日射が低くなるため、合計としての熱負荷に は大きな差がなかった。 0 0.1 0.2 0.3 0 2 4 6 8 10 12 外部風速[m/s] 日射 熱取 得率 [N D ] ①標準 ②室内Low-E ⑤室外ﾌｨﾙﾑ(反射) 日射熱取得率近似式 ① -0.0074×V + 0.194 ② -0.0044×V + 0.107 ⑤ -0.0085×V + 0.155 図－21 外部風速と日射熱取得率の関係 Fig.21 Correlation between Wind velocity and Solar Heat gain
coefficient 0 100 200 300 400 500 600 日 射量[ W / m 2] 法線面直達 水平面天空 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 0 3 6 9 12 15 18 21 24 温度[ ℃] 外気温 空調時間帯 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 0 3 6 9 12 15 18 21 24 温度[℃] ① 窓表面温度 ⑥ 窓表面温度 ⑦ 窓表面温度 ① 中空層温度 ⑥ 中空層温度 ⑦ 中空層温度 0 10 20 30 40 50 60 70 0 3 6 9 12 15 18 21 24 熱負荷[ W / m 2] ① 透過日射分 ⑥ 透過日射分 ⑦ 透過日射分 ① 日射負荷計 ⑥ 日射負荷計 ⑦ 日射負荷計 ※ブラインド反射率：①シルバー:62.2, ⑥白色:68.7, ⑦ｸﾞﾚｰ:43.5 図－22 ブラインド色による温度・熱負荷の比較 Fig.22 Comparison of Temperature and Heat Load on Blind Colors
気象条件 表面温度・ 中空層温度 熱負荷 冷房 暖房
3.7 シミュレーションのまとめ 窓システムの年間熱負荷計算において、開口部の圧 力損失・風圧係数による中空層自然換気と、構成部材 の熱・光学特性を考慮した手法を示し、フィルム、ガ ラス種類、フィルム、ブラインドを組合せたケースに ついて検討を行った。
4. おわりに
本研究では、ブラインドや空気流通層などの複数の 部材の組み合わせによる窓システムについて実測によ る検証を行い、熱負荷低減効果に関する知見を得た。 また、これらの窓システムについて、気象条件の変化 を考慮した年間での熱性能の予測評価を可能にした。 本評価手法により、新築向けの窓システムのみなら ず、既存窓に対して後付け部材が組み合わされるよう な省エネ改修検討にも、定量的な評価を行うことが可 能となった。 注 1) 日射照射による外壁面発熱が建物近傍空気に及ぼす温度の影響 は風向・風速によって大きく変化することが予想され、更なる検討 が必要である。本報における年間熱負荷計算ではこれを考慮しない 設定(β=0)とした。付録
本実測では、屋上に設置した SAT 計の計測値から表 －4 式(7)を用いて屋外総合熱伝達率を算出し、近似式 を求めた(付図)。熱負荷計算プログラムでは、この近 似式による屋外総合熱伝達率を用いる。 y = 4.3672x + 14.408 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 風速[m/s] 総合 熱伝達 率[ W/ (㎡ ･K )] 付図 屋外総合熱伝達率と屋外風速の相関Appended Fig. Correlation of Outdoor Heat transfer coefficient and Wind velocity 謝辞 本論文を作成するにあたり、日本大学の早川眞先生に、多大 なご指導を頂きました。御礼申し上げます。 参考文献 1) 郡,石野,｢熱負荷計算のための窓性能値に関する研究｣,日本 建築学会環境系論文集, 2006.02 2) 武田,吉沢,稲沼,磯崎,｢標準気象データと熱負荷計算プログ ラム LESCOM｣,井上書院, 2005.04 3) 倉渕 隆,大場 正昭 他、局所相似モデルの概念と風洞実験 による検証 : 通風時の換気量予測法に関する研究(第 1 報), 日本建築学会環境系論文集, 2006.09 4) 早川 眞, 高層建築の自然換気のための壁面風圧均等化の 実験: (その 4), 日本建築学会学術講演梗概集, 2008.07 5) 藤村 淳一、他、：高性能薄型ダブルスキンユニットの開 発、空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集、2009.09
