住宅の熱負荷解析ツール BEST-H による冬期住宅内温熱環境の 安全性の評価

44th _{Symposium on Human-Environment System} HES44 in Nara, 5–6 Dec., 2020

1

住宅の熱負荷解析ツール

BEST-H による冬期住宅内温熱環境の

安全性の評価

吉田 伸治

1

1

_{奈良女子大学}

Evaluation of safety of thermal environment in residential houses of winter season

by using the BEST-H, a computational tool for analyzing thermal load in residential houses

Shinji Yoshida

1) 1)_{Nara Women’s University}

Abstract: In this paper, the relationship between safety of thermal environment in residential houses in winter season and insulation

performance considering the climate conditions were evaluated by using the BEST-H program, a computation tool for analyzing the thermal load in residential houses. In this analysis, the climate conditions for 12 cities in Japan were imposed to the input conditions for the thermal load computations. We also evaluated the thermal environment in the residential houses with the following two types of the insulation performances: (1) the houses with the insulation performance based on the Japanese energy saving standard (so-called “H25 Standard”), and (2) the houses without insulation. Through the investigations, the following three-knowledges were clarified: (1) The safety of the thermal environment in residential houses in the winter season are affected by both the insulation performance and the climate conditions, (2) The evaluation scores fluctuate widely in the turn of the seasons, and (3) It is suitable to maintain the warmth score for the residential houses up to 14 points in order to reduce the risk of both the cardiac and the brain diseases.

Key words: BEST-H, Residential houses, Thermal environment, Safety, Insulation performances

要旨 : 本論文では、住宅の熱負荷解析ツール BEST-H を用いて、都市毎の冬季住宅内の温熱環境・安全性の確保と断熱 性能・気候条件の関わりを分析した。解析は国内の主要な12 都市を対象に行われた。住宅の断熱性能については①省エ ネルギー基準の地域区分に対応する断熱性能を実装する場合、②無断熱の場合の2 条件を設定した。分析の結果、住宅 の断熱性能、季節が評価値に大きく作用すること、季節の変わり目の時期の評価値のバラツキが大きいこと、脳・心疾 患の発症リスクを回避するためには暖かさ得点が最低14 点以上を担保する住宅をつくることが望ましいこと、が明らか となった。今後の課題は地域毎の安全性の評価、住宅性能、居住者の生活行動の改善努力の評価が挙げられる。 キーワード： BEST-H 戸建住宅 温熱環境 安全性 断熱性能

１.はじめに

近年、住宅内の温熱環境と健康の関係が注目されて いる。特に住宅の断熱性能と居住者に対する種々の疾 患の発症に関して、医学、建築学の双方の分野の協力 の下、全国規模の詳細な分析が進められている（伊香 賀ら、国土交通省）。筆者は、既報（吉田）において、 住宅の熱負荷解析ツールBEST-H（IBEC）を用いて、 奈良県の冬期気候に配慮した健康・安全な住宅に必要 な断熱性能を評価した。この評価では、筆者が提案す る独自の尺度（HSDH、HSH、HSD）が用いられた。 しかし、これらの尺度には、①住宅内の１室の室温の みに着目した評価であり、家全体の温熱環境を総合評 価できないこと、②住宅の居住者の空間滞在・移動に 伴う曝露環境の推移の影響が未考慮なこと、の課題が あった。本稿では、これらの課題に対する評価指標の 改良、並びに他の研究者らの提案する尺度の BEST-H の解析結果への適用効果を分析した内容を報告する。

２. 解析概要

2.1 解析対象

図1 に解析対象の平面図を示す。これは IBEC（2009） に示された自立循環型住宅モデル（木造住宅）であり、 芹川らの検討対象と同じである。

2.2 対象地域・気象条件・住宅の断熱性能

表1 に示す国内の主要な 12 都市を対象に解析した。 本解析では、都市毎に、①省エネルギー基準の地域区

F-3

分に対応する断熱性能を実装する場合、②無断熱の場 合の2 ケースの解析を行ったため、総計 24 ケースの解 析を行った。外壁等に課された断熱性能（U 値等）は 既報（吉田）を参照されたい。

2.3 取り扱う評価尺度

(1) 居住者の空間移動を考慮した評価尺度 既報（吉田）で提案した評価尺度を改良したもの （Dynamic (Dy) -HSDH、-HSH、-HSD）を用いた。表 2 に尺度の定義式を、またこの評価に用いる基準温度 を表 3 に纏める。各々が表す意味は、Dy-HSDH は 1 日あたりの着目する課題のリスク強度 [°C h/Day]を、 Dy-HSH が課題の発症頻度 [h/Day]を、Dy-HSD が基準 温度と曝露環境の平均温度差[°C/Day]である点は、既 報（吉田）と同様である。本稿での改良点は、①住宅 内の温熱環境を代表するqtに居住者の空間移動を反映 したこと、②1 日毎の評価値を得ることにより月内の 評価値の推移（平均、偏差等）の評価を可能としたこ と、が挙げられる。なお、これらの評価では、外出時 表1 解析対象都市 地域区分 対象都市名

V, VI 東京 (VI)、新潟 (V)、名古屋 (VI)、大阪 (VI)、奈良

(V)、広島 (VI)、松山 (VI)、福岡 (VI)、鹿児島 (VI)

IV 以下 仙台 (IV)、長野 (III)、札幌 (II)

（括弧内の数字は省エネルギー基準の地域区分を表す）

表

2

Dynamic-HSDH, -HSH, -HSD の定義式

DynamicHSDH** (以下、DyHSDH**, **は基準温度(表 2)を表す) (1) DynamicHSH** (以下、DyHSH**) (2) DynamicHSD** (以下、DyHSH**) (3) qc:評価の基準温度[ °C]、qt: 居住者の曝露される作用温度[ °C]、 T: 1 日に相当する時間（dt と同じ単位系に基づく）[h]

表

3

HSDH, HSH, HSD を用いた評価の基準温度

No 温度qc 着目するリスク・基準 C1 18 英国の許容温度との比較 C2 16 呼吸器疾患の発症リスク C3 10 脳・心疾患の発症リスク

(1) 1F

(2) 2F

図

1 対象住宅（平面図）

表

4 暖かさ得点の算出基準

指標 項目 作用温度to [°C] 床面温度tf [°C] Dto [°C] 1. LD の寒さ (+1.5 点) 0 点 満点 12 23 17 25 点数配分 0.5 点 1.0 点 参照時刻 6:00 20:45 2. 寝室の寒さ 0 点 満点 0 18 17 25 点数配分 1.5 点 1.5 点 参照時刻 23:30 3. 寝室の乾燥 (+1.5 点) 4. 脱衣所の寒さ 0 点 満点 8 15 17 25 14 6*1 点数配分 1.5 点 1.0 点 0.5 点 参照時刻 20:45 5. 浴室の寒さ 0 点 満点 8 15 17 25 14 6*2 点数配分 1.5 点 1.0 点 0.5 点 参照時刻 20:45 6. トイレの寒さ 0 点 満点 8 15 17 25 14 6*3 点数配分 1.5 点 1.0 点 0.5 点 参照時刻 2:30 7. 廊下の寒さ 0 点 満点 8 15 17 25 14 6*4 点数配分 1.5 点 1.0 点 0.5 点 参照時刻 2:30

*1: to,l – to,u, *2: to,l – to,b, *3: to,s – to,t, 4: to,s – to,c

(to,l: LD の作用温度, to,u: 脱衣所の作用温度, to,b: 浴室の作用温度, to,s: 主寝室の作用温度, to,b: 廊下の作用温度)

DyHSDH **= ₀ max

(

θc−θt, 0

)

dt T

∫

DyHSH **= ₀ max sign

(

(

θc−θt

)

, 0

)

dt T

∫

3

（図2 参照）については対象から除外した。 (2) 暖かさ得点に基づく評価 本稿では他の研究者らが提案する評価尺度の有用性 にも着目した評価も行った。具体的には、芹川らが提 案する CASBEE 健康チェックリストの設問を活用し た評価尺度「暖かさ得点」の評価を導入した。表4 に 暖かさ得点の算出基準を纏める。「暖かさ得点」では、 ①LD の寒さ、②寝室の寒さ、③寝室の乾燥、④脱衣 所の寒さ、⑤浴室の寒さ、⑥トイレの寒さ、⑦廊下の 寒さの7 項目の指標に対して各々3 点満点、家全体 21 点満点で評価しており、本研究でも同様の評価を行っ た。ただし、既往研究（芹川ら、若林ら）では、東京 の最寒日に相当する2 月 2 日を代表日とする評価が行 われているのに対し、本研究では通年に渡り日毎の暖 かさ得点を算出し、これをDy-HSDH、HSH、HSD と 関連づけた分析を行うことにより、複眼的な評価を行 うことを試みた。

2.3 居住者の行動日程

図2 に Dy-HSDH、HSH、HSD の算出時に参照する居 住者の行動日程を示す。本解析では宇梶らの研究を参 考に70 歳以上の高齢男性を想定した日程を設定した。 各行動の時間単位は5 分とした。この条件に従う場合、 居住者は外出する約5.5 時間を除く 18.5 時間に渡り住 宅内に滞在することを想定する。上記以外の解析条件 等については既報（吉田）を参照されたい。

３. 解析結果

3.1 評価尺度の通年推移

本稿では、まず都市毎の評価尺度の通年に渡る推移 を比較した。結果の一例として、東京（VI 地域、海岸 部）、札幌（II 地域）、奈良（V 地域、内陸都市）にお ける基準温度18°C（英国基準における許容温度に相当） を用いたDy-HSDH18、Dy-HSH18、暖かさ得点の中央 値、第一、第三四分位数の通年に渡る推移を各々図 3 〜図5 に示す。 3 都市共に、無断熱から地域区分相当の断熱を実装す る事により評価値の大幅な改善が見られる。例えば、 厳冬期（1, 2 月頃）における無断熱の Dy-HSDH18 の 東京、札幌、奈良の値は各々約100 °C h、約 174 °C h、

図

2 居住者（70 歳以上男性）の行動日程

(1) 東京 (VI 地域) (2) 札幌 (II 地域) (3) 奈良 (V 地域)

図

3 Dy-HSDH18 の通年に渡る推移

（第一四分位数、中央値、第三四分位数を示す） (1) 東京 (VI 地域) (2) 札幌 (II 地域) (3) 奈良 (V 地域)

図

4 Dy-HSH18 の通年に渡る推移

（第一四分位数、中央値、第三四分位数を示す） (1) 東京 (VI 地域) (2) 札幌 (II 地域) (3) 奈良 (V 地域)

図

5 暖かさ得点の通年に渡る推移

（第一四分位数、中央値、第三四分位数を示す） ( 6:10) A (5m) (22:00 ) LD LD 2.5h ( 3h) LD L D 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 A, A (15m) A (5m) A (5m) A (15m) A (5m) A (5m) (15m) A, A (15m) 0 50 100 150 200 0 3 6 9 12 H S D H 18 /D ay [d eg C H /D ay] 0 50 100 150 200 0 3 6 9 12 H S D H 18 /D ay [d eg C H /D ay] 月 無断熱 地域区分相当 0 50 100 150 200 0 3 6 9 12 H S D H 18 /D ay [d eg C H /D ay] 月 無断熱 地域区分相当 0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 3 6 9 12 HS H18/D ay [H/D ay] 0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 3 6 9 12 HS H18/D ay [H/D ay] ⽉ 無断熱 地域区分相当 0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 3 6 9 12 HS H18/D ay [H/D ay] ⽉ 無断熱 地域区分相当 0 3 6 9 12 15 18 21 0 3 6 9 12 W ar m th Sc or e [P t./ D ay ] 0 3 6 9 12 15 18 21 0 3 6 9 12 W ar m th Sc or e [P t./ D ay ] ⽉ 無断熱 地域区分相当 0 3 6 9 12 15 18 21 0 3 6 9 12 W ar m th Sc or e [P t./ D ay ] ⽉ 無断熱 地域区分相当

約120 °C h 程度の値を示し、気候条件の過酷さの影響 が強く現れた結果を示すのに対し、地域区分相当の断 熱を施した場合の値は各々約40 °C h、約 65 °C h、約 66 °C h 程度と都市間の差が大きく減少した結果とな った（図3）。また、無断熱の暖かさ得点が地域区分相 当の断熱を施した住宅の厳冬期における得点程度を確 保できる時期に着目すると、東京、奈良で4 月頃、札 幌で5 月中旬頃となる点を考えると、無断熱住宅の冬 期の熱環境の劣悪さ、低い安全性が確認できる。また、 都市毎に程度の差異があるものの暖房終了/開始時期 に相当する春（4〜5 月） / 秋（10〜11 月）の値のば らつきが大きく、特にDy-HSH18 の結果で顕著に見ら れる。Dy-HSDH18 の値のばらつきは Dy-HSH18 程大 きくない点を考慮すると、寒さの強度は小さいものの 朝夕の寒暖の大きさによりやや寒さを感じる日々が多 いことを表すものと考えられる。

3.2

Dy-HSDH と暖かさ得点の関係

指 標 間 の 結 果 の 差 異 を 確 認 す る た め 、 横 軸 に Dy-HSDH を縦軸に暖か得点を配した散布図を図 6 と して作成した。この図は対象都市全ての結果を反映さ せたものである。無断熱、地域区分相当の各々の結果 は同一の近似線に乗る傾向を示す。HSDH が 0 となる 暖かさ得点を、リスク回避のための最低得点（住宅性 能）と考えるならば、①英国の住宅基準を最低限満足 する住宅の暖かさ得点は約19 点に相当すること、②呼 吸器疾患並びに脳・心疾患の発症リスクの回避のため には各々最低約16 点、約 14 点以上を担保する住宅が 望ましいこと、が明らかとなった。

４.

まとめ

(1) 住宅の熱負荷シミュレーションツール BEST-H を 用いて、都市毎の冬季住宅内の温熱環境・安全性 の確保と断熱性能・気候条件の関わりを分析した。 (2) 住宅の断熱性能、季節が評価値に大きく作用する こと、季節の変わり目の時期の評価値のバラツキ が大きいこと、脳・心疾患の発症リスクを回避す るためには暖かさ得点が最低14 点以上を担保する 住宅をつくることが望ましいこと、が明らかとな った。 (3) 地域毎の安全性の評価、住宅性能、居住者の生活 行動の改善努力の評価が今後の課題である。

参考文献

IBEC: The BEST Program (Building Energy Simulation Tool) URL: http://www.ibec.or.jp/best/index.html . IBEC (2009): 自立循環型住宅への設計ガイドライン. 伊香賀俊治, 江口里佳, 村上周三, 岩前篤, 星旦二, 水 石仁, 川久保俊, 奥村公美 (2011): 健康維持がもた らす間接的便益（NEB）を考慮した住宅断熱投資 評価, 日本建築学会環境系論文集, 666, 735-740. 宇梶 他 (2004): 自立循環型住宅の開発にともなう実 証実験に関する研究 (第六報) 生活行動に伴うエ ネルギー消費検証用基本スケジュール, 空気調 和・衛生工学会学術講演会講演論文集,209-212. 国土交通省 (2019): 平成 30 年度 国土交通省補助事 業: スマートウェルネス住宅等推進調査事業 報 告書. 芹川真緒, 佐藤誠, 長井達夫, 秋元孝之 (2017): 熱負 荷シミュレーションを使用した戸建て住宅の高断 熱・高気密化に関する検討, 日本建築学会環境系論 文集, 733, 227-235. 吉田伸治 (2019): 冬期の住宅内の温熱環境と安全性に 関する研究（その1）BEST-H を用いた奈良県内の 気候条件に相応な断熱性能を持つ新築住宅の検討, 空 気 調 和 ・ 衛 生 工 学 会 大 会 学 術 講 演 論 文 集, 225-228. 若林航也, 渡邉陽介, 田辺新一 (2019): 冬季の住宅に おける健康性を考慮した断熱改修評価方法の検 討, 空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集, 233-236. ＜連絡先＞ 吉田 伸治 〒630-8506 奈良市北魚屋西町 奈良女子大学 研究院生活環境科学系 住環境学領域 y-shinji＠cc.nara-wu.ac.jp

(1) Dy-HSDH18 vs 暖かさ得点 (2) Dy-HSDH16 vs 暖かさ得点 (3) Dy-HSDH10 vs 暖かさ得点

図

5

Dy-HSDH と暖かさ得点の関係

（解析対象全都市の月毎の中央値の分布） 0 3 6 9 12 15 18 21 0 50 100 150 200 W ar m th S co re [P t./ D ay] HSDH18/Day [degCH/Day] 0 3 6 9 12 15 18 21 0 50 100 150 200 W ar m th S co re [P t./ D ay] HSDH16/Day [degCH/Day] 0 3 6 9 12 15 18 21 0 50 100 150 200 W ar m th S co re [P t./ D ay] HSDH10/Day [degCH/Day]