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太陽熱利用・空気循環型外被システムによる建築環境制御に関する研究
岩山 遼太郎 1. 研究背景 住宅・建築物分野は，従来から，我が国の最終エネル ギー消費の 3 割以上を占め，エネルギー消費や CO2排 出の過去からの増加が顕著であるなど，低炭素社会の 実現に向けて大きな役割を担っており，省エネルギー 対策のより一層強化が求められている1)。 本研究では，屋根通気層の空気循環による太陽熱の 排熱・集熱，セルロースファイバー（以下，CF）を用 いた外壁による防露・調湿を組み合わせた外被システ ムを提案する。建物に元からある通気層を利用するこ とで安価で高効率なシステムが期待できる。実証住宅 における温熱環境測定と数値解析に基づき，建築環境 制御が可能な外被システムの開発を目的する。 2. 実証住宅と数値解析 2.1 実証住宅概要 図 1，2 に実証住宅外観と実証住宅平面図，表 1 から 表 3 に実証住宅概要と壁体構成，外壁の種類を示す。 実証住宅は，空気循環式全館空調システム2）を導入し た木造建築物である。断熱材には CF を使用し，屋根通 気層に空気循環させ，太陽熱の排熱・集熱を行う。2015 年 8 月 1 日より，各主要室の温湿度と屋根通気層内の 温度，各壁体構成の断熱材の両側（Wall 1 と Wall 2 は 外側のみ）の温湿度，外界気象を測定している。 2.2 実測値と計算精度の比較 本研究では，熱・水分・空気連成解析ソフト THERB for HAM3）と建築外被の非定常伝熱解析ツール Hygrabe4）による数値解析により検討した。図 3 から図 6 に，実 測値と数値解析の比較を示す。Wall 1，2 は北側，Wall 3，4 は南側の壁体である。通気層への放湿により，Wall 1 の方が Wall 2 よりも，壁内湿度は 5％程低い。Wall 3 は室内から吸湿しているため内側測定点は室内空気に 近く，Wall 4 はビニルクロスで防湿しているため内側 測定点は外側測定点に近い。実測値と数値解析は，高 い精度で一致しており，計算精度の高さを確認した。 図 4. 屋根内部温度の実測と数値解析の比較 （上から通気層空気，通気層内側，断熱材内側） 図 3. 室内温度の実測と数値解析の比較 （上から寝室 2，廊下，小屋裏） 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 8 10 12 14 16 18 20 22 24 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 10月13日 10月14日 10月15日 10月16日 10月17日 10月18日 10月19日 実測値 温 度 [ ℃ ] 温 度 [ ℃ ] 温 度 [ ℃ ] 0 6 12 18 0 6 12 18 計算値 外気 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 実測値 温 度 [ ℃ ] 計算値 外気 温 度 [ ℃ ] 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 11/7 11/8 11/9 11/10 11/11 11/12 11/13 11/14 11/15 11/16 11/17 11/18 11/19 11/20 温 度 [ ℃ ] 0 12 0 12 0 12 0 12 室温 和室 寝室1 寝室2 寝室3 寝室4 空調室 W.C. W.C. 廊下 LDK Bath Bath 玄関 図 1. 実証住宅外観 表 1. 実証住宅概要 図 2. 実証住宅平面図 1F 2F 表 2. 壁体構成 表 3. 外壁の種類 所在地 大分県由布市 延床面積 235.61m2 地域区分 5地域 日射量地域区分 A3，H2 外皮平均熱貫流率 0.34W/(m2∙K) Wall 1（廊下） 基本構成 Wall 2（玄関） 通気層なし Wall 3（和室） 基本構成 Wall 4（寝室1） ビニルクロス仕上 外壁基本構成 屋根構成 外装材 ガルバリウム鋼板 通気層 ルーフィング 透湿防水シート 耐水合板 木質繊維板 通気層 透湿防水シート 透湿気密シート 下地材 木質繊維板 CF（ｾﾙﾛｰｽﾌｧｲﾊﾞｰ） 合板 透湿気密シート CF（ｾﾙﾛｰｽﾌｧｲﾊﾞｰ） PB 空気層 左官 下地材 PB
34-2 3. 屋根通気層の空気循環による排熱・集熱効果 3.1 計算内容および条件 表 4，5 に計算条件と計算地域を示す。Hygrabe によ り，屋根通気層の空気循環による集熱量と貫流熱量に 関するパラメータ感度解析を行った。更に，THERB を 使用し，建築全体の熱負荷削減効果を評価した。 3.2 排熱・集熱効果 図 7 から図 11 に夏季・冬季それぞれの計算結果と顕 熱負荷削減効果を示す。パラメータ以外の計算条件は， 標準条件とした。貫流熱量は，正の数が熱取得，負の数 が熱損失を表す。 まず夏季，通気層への空気循環により，全地域で，CF 厚みが基準値の 0.6 倍の条件と同等以下の貫流熱量と なった。しかし，十分断熱された状態では，夏季顕熱負 荷削減効果は，空気循環と比較し，1%程度である。 また，冬季では，屋根材の日射吸収率が高い程，貫流 熱負荷が減少し，集熱量は多くなった。しかし，流速が 速い程，通気層内の温度が低下し，集熱温度に達する 時間が減少するため，集熱量が低下した。冬季顕熱負 荷削減効果は，空気循環と比較して，10～15%であった。 図 5. 北側壁体の実測と数値解析の比較 (a) Wall 1（断熱材外側） (b) Wall 2（断熱材外側） (a) Wall 3 (b) Wall 4 図 6. 南側壁体の実測と数値解析の比較 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 2830 32 30 40 50 60 70 80 90 温 度 [ ℃ ] 相 対 湿 度 [% ] 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 012 0 120 12 0 12 0 11/7 11/8 11/9 11/10 11/11 11/12 11/13 11/14 11/15 11/16 11/17 11/18 11/19 11/20 実測値 計算値 外気 室内 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 2830 32 30 40 50 60 70 80 90 実測値 温 度 [ ℃ ] 計算値 外気 相 対 湿 度 [% ] 室内 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 012 0 120 12 0 12 0 11/7 11/8 11/9 11/10 11/11 11/12 11/13 11/14 11/15 11/16 11/17 11/18 11/19 11/20 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 20 30 40 50 60 70 80 90 断熱材内側（実測値） 温 度 [ ℃ ] 断熱材内側（計算値） 外気 相 対 湿 度 [% ] 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 012 0 120 12 0 12 0 11/7 11/8 11/9 11/10 11/11 11/12 11/13 11/14 11/15 11/16 11/17 11/18 11/19 11/20 室内 断熱材外側（実測値） 断熱材外側（計算値） 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 20 30 40 50 60 70 80 90 室内 断熱材外側（実測値） 断熱材外側（計算値） 断熱材内側（実測値） 温 度 [ ℃ ] 断熱材内側（計算値） 外気 相 対 湿 度 [% ] 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 012 0 120 12 0 12 0 11/7 11/8 11/9 11/10 11/11 11/12 11/13 11/14 11/15 11/16 11/17 11/18 11/19 11/20 表 5. 計算地域 表 4. 計算条件 地域区分 1地域 2地域 3地域 4地域 5地域 6地域 地域名 北海道 釧路市 北海道 函館市 長野県 白馬村 宮城県 気仙沼市 神奈川県 相模原市 東京都 山形県 戸沢村 長野県 上田市 日射量 地域区分 A1，H1 A5，H5 3地域 A3，H3 パラメータ 標準条件 夏季 省エネ仕様基準×1.0～×0.6（0.1刻み） 冬季 省エネ仕様基準×1.0～×1.8（0.2刻み） 0～1.2（0，0.3，0.6，0.9，1.2）m/s 0.3m/s 0.60～0.90（0.60，0.70，0.80，0.90） 0.90 0.60～0.90（0.60，0.70，0.80，0.90） 0.60 計算条件 夏季 冬季 室内温度 夏季/冬季 寝室2，3，4（53.15m2） 計算期間 夏季/冬季 7月1日～9月30日/11月1日～3月31日 計算間隔 10分 項目 室内湿度 60% 空調範囲 気象データ 拡張アメダス気象データ（標準年） 計算ソフト Hygrabe，THERB for HAM 循環経路 外気→屋根通気層→外気（23℃以上で排熱） 室内→屋根通気層→室内（空調設定以上で集熱） 27℃/20℃ 外装材長波放射率 項目 断熱材厚み 基準×1.0 屋根通気層流速 外装材日射吸収率 (a) 断熱材厚み別 (b) 通気層流速別 図 8. 夏季顕熱負荷削減効果 図 7. 夏季貫流熱量 0 2 4 6 8 10 1地域 2地域 3地域 4地域 5地域 6地域 顕 熱 負 荷 [G J /p e ri o d ] 各室空調 空気循環 屋根通気層込みの空気循環 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 1地域 2地域 3地域 4地域 5地域 6地域 基準値 ×0.9倍 ×0.8倍 ×0.7倍 ×0.6倍 貫 流 熱 量 [M J /m 2・ p e ri o d ] -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 1地域 2地域 3地域 4地域 5地域 6地域 0m/s 0.3m/s 0.6m/s 0.9m/s 1.2m/s 貫 流 熱 量 [M J /m 2・ p e ri o d ]
34-3 4. CF を使用した外壁の防露・調湿性能評価 計算地域は，前章と同様とし，計算ソフトには， Hygrabe を使用した。 4.1 防露性能評価 平成 11 年防露性能評価法5）に準拠し，本システム 壁体の防露性能を確認した。壁体構成は，結露が発生 しやすい北側にある Wall 1，2 を対象とし，木質繊維 板の有無（Wall 1-0，2-0 とする）についても検討し た。なお，防露性能評価法の判断基準は，年間を通し て，相対湿度が 98%以下にあることである。 図 12 に各壁体構成における断熱材外側湿度時間累 積率を示す。Wall 1 では，4 から 6 地域で，Wall 1-0， 2 では 5，6 地域で基準を満たした。Wall 2-0 では，全 ての地域で基準を満たさなかった。 4.2 調湿性能評価 Wall 3 の吸放湿量に関して，パラメータ感度解析を 行った。図 13 に，室内条件のステップ変化を示す。1 年を通して，室内温湿度を夏季，中間期，冬季と変化 させ検討した。パラメータは，3 章の冬季の条件（表 4 を参照，ただし屋根通気層流速を除く）と同様とし た。吸放湿量は壁体と室内空気とのやり取りとし，正 (a) 通気層流速別 (b) 外装材日射吸収率別 図 9. 冬季貫流熱量 (a) 通気層流速別 (b) 外装材日射吸収率別 図 10. 冬季集熱量 図 11. 冬季顕熱負荷削減効果 (a) 地域区分別 (b) 日射量地域区分別 0 5 10 15 20 25 1地域 2地域 3地域 4地域 5地域 6地域 顕 熱 負 荷 [G J /p e ri o d ] 各室空調 空気循環 屋根通気層込みの空気循環 0 5 10 15 20 25 A1かつH1 A3かつH3 A5かつH5 顕 熱 負 荷 [G J /p e ri o d ] 各室空調 空気循環 屋根通気層込みの空気循環 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 1地域 2地域 3地域 4地域 5地域 6地域 0m/s 0.3m/s 0.6m/s 0.9m/s 1.2m/s 貫 流 熱 量 [M J /m 2・ p e ri o d ] -20 -10 0 10 20 30 40 50 1地域 2地域 3地域 4地域 5地域 6地域 0.6 0.7 0.8 0.9 貫 流 熱 量 [M J /m 2・ p e ri o d ] 0 500 1000 1500 2000 2500 1地域 2地域 3地域 4地域 5地域 6地域 集 熱 量 [M J /m 2・ p e ri o d ] 0m/s 0.3m/s 0.6m/s 0.9m/s 1.2m/s 0 500 1000 1500 2000 2500 1地域 2地域 3地域 4地域 5地域 6地域 集 熱 量[M J /m 2・ p e ri o d ] 0.6 0.7 0.8 0.9 (a) Wall 1 (b) Wall 1-0 (c) Wall 2 (d) Wall 2-0 図 12. 各壁体構成の断熱材外側湿度の時間累積率 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 時 間 累 積 率 [% ] 時 間 累 積 率[% ] 相対湿度[%] 相対湿度[%] 1地域 2地域 3地域 4地域 5地域 6地域 A1かつH1 A3かつH3 A5かつH5 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 時 間 累 積 率 [% ] 時 間 累 積 率 [% ] 相対湿度[%] 相対湿度[%] 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 時 間 累 積 率 [% ] 時 間 累 積 率 [% ] 相対湿度[%] 相対湿度[%] 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 時 間 累 積 率 [% ] 時 間 累 積 率 [% ] 相対湿度[%] 相対湿度[%]
34-4 の数が吸湿量，負の数が放湿量を表す。 図 14，15 に，標準条件での地域区分毎の月積算吸 放湿量と，代表として 3 地域の月積算吸放湿量を示 す。温暖気候で日射量が多い地域程，CF の温度が上 昇するため，放湿量が増加した。日射吸収率に関して も，同様の理由で，値が大きい程，放湿量が増加し た。逆に，断熱材を分厚くする程，CF の温度変化が 小さくなるため，放湿量は低下した。 5. 総括 本研究では，屋根通気層に空気循環させることによ る太陽熱の排熱・集熱，セルロースファイバー断熱材 を使用した外壁による防露・調湿を組み合わせた外被 システムの建築環境制御に関して検討した。
実証住宅での温熱環境測定と THERB for HAM およ び Hygrabe を使用した数値解析は，概ね一致しており 計算精度の高さを確認した。数値解析では，平成 25 年省エネルギー基準による地域区分の 1 から 6 地域を 対象に，パラメータ感度解析と防露性能評価を行っ た。得られた知見を以下に示す。 1. 屋根通気層の空気循環により，断熱材を省エネル ギー基準値の 0.6 倍の厚みで，基準値と同等以下の 夏季貫流熱量に抑制できる。 2. 屋根通気層の空気循環による集熱量は，屋根材の 日射吸収率が高い程大きい。ただし，流速が大き いと通気層内温度が低下し，集熱量は減少する。 3. 屋根通気層の空気循環により，各室終日空調と比 較して，冬季顕熱負荷を 15～25%程削減できる。 4. セルロースファイバーを使用した外被は，通気層 と木質繊維板を用いれば，4 から 6 地域で防露性能 評価法の判断基準を満たせる。 5. 外装材の日射吸収率が高い程，放湿量は増加し， 断熱材が分厚い程，吸放湿量は低下する。 現状では，夏季の顕熱負荷削減効果が小さく，冬季 においても日中のオーバーヒートが懸念される。その ため，夏季の放射冷却の利用や冬季蓄熱材の導入など 更なるシステムの拡張が必要である。また，調湿効果 については，一定の室内条件における吸放湿量でしか 検討を行えておらず，内部発湿など室内条件の考慮と 吸放湿による室内湿度への影響の検討が課題である。 参考文献 1) 経済産業省，国土交通省，環境省：「低炭素社会に向け た住まいと住まい方」の推進方策について 中間とりま とめ，平成 24 年 7 月 2) 前田実可子，尾崎 明仁：個別送風ファンを使用した空 気循環式全館空調システム住宅の太陽熱利用に関する 研究，日本建築学会大会学術講演梗概集，pp.645-646， 2014 3) 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
4) Ozaki A., Watanabe T. and Takasae S.: Simulation Software
of the Hygrothermal Environment of Buildings Based on Detailed Thermodynamic Models, eSim 2004 of the Canadian Conference on Building Energy Simulation, pp.45-54, 2004
5) 財団法人建築環境・省エネルギー機構：平成 11 年省エ ネルギー基準に基づく住宅断熱の設計施工ガイド 図 13. 室内条件のステップ変化 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 吸 放 湿 量 [k g /m 2・ M o n th ] 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1地域 2地域 3地域 4地域 5地域 6地域 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 吸 放 湿 量 [k g /m 2・ M o n th ] 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 A1かつH1 A3かつH3 A5かつH5 (a) 地域区分別 (b) 日射量地域区分別 図 14. 月積算吸放湿量 (a) 断熱材厚み別 (b) 外装材の日射吸収率別 図 15. 3 地域の月積算吸放湿量 15 20 25 30 35 0 20 40 60 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 5 10 15 温 度 [ ℃ ] 相 対 湿 度 [ % ] 絶 対 湿 度 [ k g / k g ,] 月 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 吸 放 湿 量 [k g /m 2・ M o n th ] 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 基準値 1.2倍 1.4倍 1.6倍 1.8倍 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 吸 放 湿 量 [k g /m 2・ M o n th ] 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 0.60 0.70 0.80 0.90
