吹抜け空間を有する住宅における対流・放射空調併用時の温熱環境に関する研究 [ PDF

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吹抜け空間を有する住宅における対流・放射空調併用時の温熱環境に関する研究

平田 紗彩 1. はじめに 近年の戸建て住宅では，開放感や2 階居室との連続 性などを目的とし，1 階居室に吹抜けを設ける空間構成 が多く採用されている。吹き抜けのある住宅に関する 既往研究では，実住宅における実測調査やCFD による 研究が散見されるが，実測調査およびCFD での検討は 長い期間を要し検討コストが高い傾向にある。また， 吹抜け空間のある住宅では，対流式空調機と床暖房の 併用時に良好な温熱環境が形成されている状況を確認 しているものの!)_{，それに対する空調機器の定量的研究} は未だ数が少ないのが現状である。 本研究では，快適な室内環境を保ちつつより低負荷 な空調機器の運転方法を明らかにすることを目的とし ている。まず，既往研究から吹抜け空間の空調時にそ の有用性が見込まれている放射式空調機を対象として， その温度特性の把握およびシミュレーションを行う。 次に，吹抜け空間を有する ZEH 基準相当の高断熱住宅 において，夏期および冬期の実測調査から，吹抜け空 間および居住域の温熱環境を把握する。気流の影響を 考慮した簡易的な ES と CFD 連成解析手法を構築し， 吹抜けのような温度分布が生じやすい空間の数値解析 手法を提案する。そして，対流式空調機および放射式 空調機を併用運転した場合に，居住者の快適性を保ち ながら低負荷となるような空調機器の運転方法を探る。 2. 放射パネルによる室内温度変動調査 2.1 実測対象住宅の概要 実測対象住宅は，静岡県富士市に建てられた延べ床 面積172.87m2_{の鉄骨造3 階建ての住宅である。写真 1} に実験住宅の外観を，写真2 に放射パネルを示す。図 1 に建物平面図と実測調査の測定点，放射パネルの設置 位置を示す。放射パネルはスリット状の立型放射パネ ルを採用しており，1 階のリビング・ダイニング間に 2 枚並べて設置している。実験住宅の熱損失係数（Q 値） は 1.90W/(m2·K) であり，次世代省エネルギー基準に おいて 4 地域に区分される静岡県富士市の基準を満 たす高断熱住宅である。 2.2 計算値と実測値の比較 表1 に，計算条件を示す。計算期間は実測した 2015 年9 月 1 日から 2 日の 2 日間である。建物の熱環境 計算期間 2015 年 9 月 1 日～9 月 2 日 気象条件 一時間毎の測定値 空調条件 室温 26℃ 換気量 なし 給水温度 1 分毎の測定値 供給冷水の流量 表1 計算条件 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 20 22 24 26 28 30 9月1日 9月2日 日射量 [kW/ ㎡ ] 温度 [℃ ] 日射量 外気温（実測） 計算値 実測値 0 0.5 1 1.5 0 5 10 15 20 25 30 9月1日 9月2日 日射量 [kW/ ㎡ ] 温度 [℃ ] 日射量 （1）ダイニング室温 外気温（実測） 計算値 実測値 （2）放射パネル還り管内水温 図2 夏期における実測値と計算値の比較 図1 建物 1,2,3 階平面図 2 階 3 階 1 階

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解析にはTHERB for HAM2) _{を使用し，放射パネルの}

計算に係るアルゴリズムを追加した。外界気象条件は 1 時間毎の測定値，冷水の給水温度と流速は 1 分毎の 測定値を入力している。図2 にダイニングの室温と放 射パネル還り管内水温を示す。ダイニング室温および 放射パネル還り管内水温ともに計算値は精度よく実測 値を捕捉していることから，THERB の高い計算精度 が確認できる。 2.3 設定条件の違いによる温度特性 表2 に計算条件，表 3 と表 4 に放射パネルおよび建 物性能の検討項目を示す。実測建物を対象に，冷水制 御方法，給水温度，パネル面積，建物性能を変更した場 合の温度特性について把握する。図4 に，制御方法お よび冷水温度とパネル枚数を変更した場合のリビング 室温の3 日間の変化および空調時のリビング室温の頻 度分布（7 月 1 日～9 月 30 日）を示す。自然状態（Case 1）は，26.5℃～27.9℃の範囲を推移している。また，終 日運転（Case 6）は放射パネルの冷却能力により自然状 態（Case 1）に比べて約 1.5℃低い温度で同様に変動し ている。室温を26℃に制御した場合では，パネル枚数 （面積）の影響が大きく，空調稼働時のリビング室温 分布は1 枚の場合（Case 5）では 28℃まで出現してい る（図9（2））。冷水温度を比較すると，12℃（Case 3） と7℃（Case 4）の空調稼働時の室温差の最大値は 0.4℃ 程度であり，大きな差は見られなかった。したがって， 放射冷房では面積が確保されれば低質熱源でも十分な 冷却能力を有すると考えられる。 図 5 に，外壁と窓性能の変更および内外ブライン ドによるリビング室温の 3 日間の変化を示す。外壁と 窓性能を低下させた場合（Case 7，Case 8）は，外気負 荷の影響により空調時にも温度が上昇している。また， また，Case 7 と Case 8 の室温の推移は同程度となり， 外壁より窓性能の影響が大きい。ブラインドを設置し た場合（Case 9，Case 10）の空調稼働時の温度変動は小 さく，特に外ブラインド（Case 10）することで，日射 熱を遮蔽し効率よく放射冷房している。図5（2）に， 夏季（7 月～9 月）の積算冷房負荷を示す。外壁と窓性 能による影響は少なく，ブラインドを設置した Case 9 とCase 10 の負荷は Case 3 に比べてそれぞれ 189MJ， 198MJ 低減した。本実験棟はリビングの外壁の約 8 割 が窓であるため，断熱より遮熱の影響が大きくなった と考えられる。 表2 計算条件 表4 建物性能の検討項目 8月7日 8月8日 8月9日 24 25 26 27 28 0 6 1 2 1 8 0 6 1 2 1 8 0 6 1 2 1 8 0 C as e 1 C as e 2 C as e 3 温 度 　 [ ℃ ] C as e 4 C as e 5 C as e 6 0 5 10 15 20 26 26.2 26.4 26.6 26.8 27 27.2 27.4 27.6 27.8 28 頻度 [%] 温度 [℃] Case3 Case4 Case5 Case6 8月7日 8月8日 8月9日 2 5.0 2 5.5 2 6.0 2 6.5 2 7.0 0 6 1 2 1 8 0 6 1 2 1 8 0 6 1 2 1 8 0 C as e 3 C as e 7 C as e 8 温 度 　 [ ℃ ] C as e 9 C as e 1 0 (1) リビング室温 (2) 空調時のリビング室温の頻度分布 図4 放射パネル仕様の影響 (1) リビング室温 0 500 1000 1500

Case 3 Case 7 Case 8 Case 9 Case 10

期間熱負荷 [MJ ] (2) 積算冷房負荷 図5 放射パネル仕様の影響 表3 放射パネル仕様の検討項目 空調制御方法 給水温度 パネル設置枚数 Case 1 なし - - Case 2 終日 12℃ 2 枚 Case 3 室温26℃以 上で 冷水ON Case 4 7℃ 2 枚 Case 5 12℃ 1 枚 Case 6 3 枚 外壁 窓ガラス ブラインド Case 7 GW16K 100mm 複層ガラス なし Case 8 標準仕様 Case 10 標準仕様 内 Case 11 外 計算期間 2015 年 7 月 1 日～9 月 30 日 気象条件 拡張アメダス気象データ （静岡市） 換気量 なし 供給冷水の流量 6 L/min 計算助走期間 5 日間

39-3 3. 吹抜け空間を有する建物の空調環境解析 3.1 実測対象住宅の概要 人工気候室内に建設された，1 階居室に吹抜けを有す る住宅を対象に実測調査を行う。図6(a)(b)に 1，2 階の 平面図および測定点を示す。対象住宅の外皮平均熱貫 流率はUA＝0.58[W/(㎡・K)]であり，これは省エネルギ ー地域区分4~7 地域における ZEH 基準の UA＝0.60 を 満たす高断熱住宅である。図6 に示す各測定点でそれぞ れ温度・表面温度・風速・グローブ温度を測定した。 3.2 計算値と実測値の比較 表 5(a)(b)に数値シミュレーションの計算条件を示す。本 研究では，気流の影響を考慮するため，CFD による解析結 果を踏まえ空調機の全投入熱量を各室へ分配することで， 熱量の拡散を再現する。まず熱量の分配比を算出するため に，THERB および CFD で数値計算を行う。THERB では， 空調機の吹き出し空気によって，空間全体が等温に空調さ れているという仮定のもと，全館を等温で空調した際の各 室の空調負荷を算出する。同時に，境界条件を一定温度で固 定し，対流式空調機による温熱環境解析を，CFD を用いる 定常解析によって行う。この際，吹き出し温度・吹き出し風 量は実測値に基づいて設定している。THERB・CFD のそれ ぞれの計算値から，式(1)，(2)によって各室の空調負荷比(rqi) および熱量拡散比(rti)を算出する。熱量拡散比は，空間平均 温度より高温かつ各室の平均室温よりも高い温度の風速(vi) を，空調機の吹き出し空気の影響によるものと想定し，各室 viの合計を体積平均した値の比としている。その後，式(3)を 用い，空調負荷比に熱量拡散比を重み付けした比率を，各室 への熱量分配比とする。 図 8 に精度検証の結果を示す。計算値は実測値の傾向を 補足しており，シミュレーションの精度が確認できる。 3.3 対流・放射空調併用時の影響解析 3.3.1 計算条件 表6 に検討を行う建物の断熱性能の設定条件を示す。 シミュレーションで検討する建物の断熱性能は，次世 代省エネルギー基準相当（以下次世代基準と表記，UA

値＝0.87），ZEH 基準相当（UA値＝0.58），超 ZEH 基準

相当（UA値＝0.48）とした。なお，前項において実測 調査を行った建物は ZEH 基準相当の断熱性能である。 表 7 に計算条件を，表 8 に検討ケースを示す。本 表5(a) THERB 計算条件 表5(b) CFD 計算条件 0 2 4 6 8 10 20 22 24 26 28 30 0 3 6 9 12 15 18 21 外気温 [℃ ] 室温 [℃ ] 時刻 計算1F 実測1F 計算2F 実測2F 外気温 0 2 4 6 8 10 20 22 24 26 28 30 0 3 6 9 12 15 18 21 外気温 [℃ ] 室温 [℃ ] 時刻 計算1F 実測1F 計算2F 実測2F 外気温 0 2 4 6 8 10 20 22 24 26 28 30 0 3 6 9 12 15 18 21 外気温 [℃ ] 室温 [℃ ] 時刻 計算1F 実測1F 計算2F 実測2F 0 2 4 6 8 10 20 22 24 26 28 30 0 3 6 9 12 15 18 21 外気温 [℃ ] 室温 [℃ ] 時刻 計算1F 実測1F 計算2F 実測2F 外気温 0 2 4 6 8 10 20 22 24 26 28 30 0 3 6 9 12 15 18 21 外気温 [℃ ] 室温 [℃ ] 時刻 計算1F 実測1F 計算2F 実測2F 外気温 22 24 26 28 30 32 34 36 0 3 6 9 12 15 18 21 室温 [℃ ] 時刻 計算1F 実測1F 外気温 計算2F 実測2F 22 24 26 28 30 32 34 36 0 3 6 9 12 15 18 21 室温 [℃ ] 時刻 計算1F 実測1F 外気温 計算2F 実測2F (a) 冬期 1 階空調運転 (b) 夏期 2 階空調運転 図8 リビング室温・計算値と実測値の比較 (a) 1 階 図6 平面図および測定点 (b) 2 階 ② ② 計算期間 1 月 1 日～31 日(冬_期) 8 月 1 日～31 日(夏 期) 気象条件 拡張アメダス気象データ _(府中市) 換気回数 0 回 乱流モデル 低 Re 数型標準 K-ε低モデル 気象条件 拡張アメダス気象データ （府中市） 解析領域 初期温度 空調機設定温度 壁面境界 条件 空調機設定温度 流入・流出 境界 吹き出し口 冬期 夏期 ①1 階空調機運転 ②1,2 階運転 ①2 階空調機運転 ②1,2 階運転 流速：2.52[m/s] 1.42[m/s] 送風温度:40[℃] 25.9[℃] 吸い込み口 流量分配出口 分配比：1.0 CFDコード STAR-CCM+ ③ ３ ④FL+450~ ⑤FL+450~ ⑥ ⑥ ４ ⑦ ⑦ ⑧ ⑧ ４ ⑨ ⑨ ４ 1 階空調機運転 2 階空調機運転 𝑟𝑞𝑖= 𝑞′𝑖 ∑ 𝑞′𝑖 (1) 𝑟𝑡𝑖= 𝑇𝑖− 𝑇𝑐 𝑇̅ − 𝑇𝑐 (2) 𝑟𝑖= 𝑟𝑞𝑖∙𝑟𝑡𝑖 ∑ 𝑟𝑞𝑖∙𝑟𝑡𝑖 (∑ 𝑟𝑖= 1 (3) 𝑞𝑖= 𝑞 ∙ 𝑟𝑖 (∑ 𝑞𝑖= 𝑞 (4)

39-4 検討は計算精度を確認した日射を考慮しない条件下を 想定する。また断熱性能による影響の比較のため，夏 期・冬期ともに投入熱量はZEH 基準相当で算出した各 設定温度の全館空調負荷を統一して用いる。表 9 に夏 期および冬期の熱量分配比の平均値を示す。ゾーンを 表す丸数字は図6 中の数字と対応し，また放射パネル および床暖房の位置も図6 中に示す。 3.3.2 断熱性能による影響 図 9 に主要室の温度分布を示す。夏期では，吹抜け 空間への冷気の流入が見られたが両ケースで室温が設 定温度を下回り併用運転でない場合にも全体を効率的 に空調できている。冬期では床暖房によって全体の室 温は平均して次世代基準で4.61℃，ZEH 基準で 4.78℃， 超ZEH 基準で 5.17℃上昇した。図 10 に 1，2 階で対流 式空調機を18℃設定で運転した Case3 の場合における 各室温度経時変化を示す。2 階居室で次世代は最低で約 13℃であった。図 11 に，期間内における 1 階居室 PMV 値の出現回数と累積率を示す。図10(a)より，Case3 で 次世代はPMV 値-2.5 が，ZEH と超 ZEH は-1.5 が最も 多かった。超ZEH では快適域にあたる-0.5~0.0 の値も 出現している。また，PMV-2.0 を下回る値は次世代で全 体の97%にのぼり ZEH では 39%，超 ZEH で 16%とい う結果を得た。図10(b)から，床暖房の導入により PMV 値-2.5 以下はほぼ見られなくなった。超 ZEH では PMV 値 0 以上の値が散見され Case4 において PMV-0.5~0.5 の快適域を示した割合は次世代 48%，ZEH93%，超 ZEH88%であった。図 12 に床暖房を導入した Case4 の 負荷合計値を対流空調負荷とした場合の 1 階居室の PMV 出現割合を示す。負荷が同程度でも次世代では放 射空調併用時にPMV-1.5 以下が併用時は 10%に対し対 流空調のみでは64%を示した。ZEH・超 ZEH で快適域 -0.5~0.5 を満たす割合は併用時に 90%程度，対流空調の みではともに 64%で，対流空調のみの場合には併用時 に現れなかった-3.0 以下が出現していることから，併 用運転によって快適性の向上を見込むことができる。 4. むすび 本研究の結果を以下に要約する。 (1) 吹抜け空間を有する住宅の特殊な温熱環境を再現 するため，簡易的なES と CFD 連成解析手法を構 築し，その計算精度を確認した。 (2) 吹抜け住宅において，断熱性能の違いによる温熱 環境への影響と，対流・放射併用運転に関して居住 者の快適性向上に有用性が見込めることを示した。 参考文献 1）松本泰輔，野田将樹，松井勇：戸建住宅の吹抜け空間における快適性確保に関する実験的研究 その 1 住まい手の温冷感心理に関する検討，目本建築学会大会学術講演梗概集，pp.431-432，2007 2) 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 17% 5% 40% 3% 3% 42% 3% 3% 24% 27% 27% 35% 49% 6% 14% 31% 31% 12% 36% 47% 2% 26% 26% 1% 7% 34% 7% 7% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 次世代 ZEH 超ZEH 次世代 ZEH 超ZEH C as e4 対流空調＋床暖房 Cas e4 負荷 対流空調のみ -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 1L足元西側 1L足元東側 1階L西側 1階L東側 吹抜け 2階L 温度 [℃ ] 次世代 ZEH 超ZEH 次世代 ZEH 超ZEH 表6 断熱性能 次世代基準 ZEH 基準 超ZEH 基準 外皮平均熱 貫流率(UA値) 0.87 0.58 0.48 表7 計算条件 計算期間 1 月 1 日～31 日(冬期) 8 月 1 日～31 日(夏期) 気象条件 拡張アメダス気象データ (府中市) 換気回数 0 回 計算時間間隔 10 分 表8 検討ケース 対流式空調機 放射式 空調機 1 階 2 階 設定温度[℃] 夏 期 Case1 Case4 ○ ○ 28 Case2 ○ 冬 期 Case3 ₁₈ Case4 ○ 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 1L足元西側 1L足元東側 1階L西側 1階L東側 吹抜け 2階L 温度 [℃ ] 次世代 ZEH 超ZEH 次世代 ZEH 超ZEH 0 2 4 6 8 10 10 12 14 16 18 20 22 24 0 3 6 9 12 15 18 21 温度 [℃ ] 時刻 次世代1F 次世代吹抜け 次世代2F

ZEH1F ZEH吹抜け ZEH2F

超ZEH1F 超ZEH吹抜け 超ZEH2F

外気温度 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0 400 800 1200 1600 2000 2400 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 出現 回数 [回 ]

次世代 ZEH 超ZEH 次世代 ZEH 超ZEH

図10 室温度経時変化 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0 400 800 1200 1600 2000 2400 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 出現 回数 [回 ]

次世代 ZEH 超ZEH 次世代 ZEH 超ZEH

(a) 1,2 階 18℃暖房設定(Case3) (b) 1,2 階 18℃暖房設定＋床暖房(Case4)

図11 PMV 出現回数と累積率

(a) 夏期(Case1,Case2) (b) 冬期(Case3,Case4)

図9 放射空調導入時の主要室温比較 図12 期間内 PMV 出現割合 夏期 冬期 ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ 空調負荷 比 0.001 0.026 0.000 0.000 0.008 0.019 0.045 0.097 0.048 0.039 0.349 0.158 0.226 0.060 0.022 0.098 熱量拡散 比 0.117 0.134 0.121 0.130 0.106 0.130 0.125 0.137 0.050 0.056 0.127 0.123 0.151 0.161 0.166 0.166 熱量分配 比 0.001 0.026 0.000 0.000 0.007 0.020 0.046 0.099 0.018 0.017 0.335 0.148 0.259 0.073 0.028 0.123 表9 熱量分配比平均値 Case1 Case2 Case3 Case4