(a) 太陽高度及びハニカム径と日射遮蔽性の関係 (b) 中空層の細分化及び厚さと断熱性の関係 図 -2 ハニカムガラスの特徴 Fig.2 Characteristic of the double glass including honeycomb 表 -1 各種ファサード構成部材の性能比較 Tab

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1 透光断熱材を用いたカーテン ウォールの開発 シミュレーションによる光学特性 熱特性及び年間熱負荷の検討 樋渡潔 *1 齋藤正文 *1 張本和芳 *2 Keywords : translucent thermal insulation, honeycomb, facade of building, curtain wall, energy saving, simulation 透光断熱材, ハニカム, ファサード, カーテン ウォール, 省エネルギー, シミュレーション 1. はじめに 建物の窓面は 熱的に弱いという課題を抱えるため 省エネルギーを図る上で計画を適切に行う必要がある 一方 近年は様々な用途の建物において採光性 視認性 デザイン性等の観点から 窓面は拡大する傾向にあり ファサードが全面ガラスで構成される建物も多く見受けられる この様な窓には 様々な窓システムが検討され 前述の課題の解決を図るよう試みられている この様な状況において著者らは 断熱性 日射遮蔽性 採光性 視認性のバランスの良い構成が期待される部材として 透光断熱材 特に図 -1に示す様なハニカム入り複層ガラス ( 以下ハニカムガラス ) に着目し 窓面 ( 厚さ1224mm) へ適用した場合の検討を行ってきた 1) 2) しかしながら 窓面としてのハニカムガラスの断熱性能は 透明複層ガラスに比べ優れているものの Low -E ガラスや真空ペアガラスと比べてさほど大きな差は見られず その対流抑制効果を最大に活用できなかった また 窓の視認性の低下についても指摘があった 本研究では ハニカムガラスを断熱性 採光性 視認性の面でより効果的に活用するため 外壁としてのハニカムガラス ( 厚さ mm) と窓とを組合せてファサードに用いる場合 ( カーテン ウォールとして組立 ) について検討する 検討では まずハニカムガラスの部材としての光学特性及び熱特性を日射解析 CFD(Computational Fluid Dynamics) 解析により評価する 次に ファサード構成にハニカムガラスを適用したモデル建物を対象に 多数室年間熱負荷解析を行う 2. ハニカムガラスの特徴 効果 ハニカム材は透光性をもつ ハニカム構造が中空層を細分化するため対流が抑制される ハニカム材 透明 FL ガラス 図 -1 ハニカム入り複層ガラスの概要 Fig.1 Outline of the double glass including honeycomb 図を示す (1) 採光性能と日射遮蔽性能不透明な外壁とは異なり 透光性がある壁面を構成できるため 広い採光面積を確保でき 昼光利用の促進 照明負荷削減を図ることができる 図 -2(a) に太陽高度及びハニカム径と日射遮蔽性の関係を示す ハニカムを構成するセルは 夏期の高い太陽高度の日射を遮蔽する そして冬期の低い太陽高度の日射を屋内へ透過させ暖房負荷の低減に寄与する また いずれの季節もハニカム径が小さいほど日射の遮蔽性能は高くなる (2) 断熱性能図 -2(b) に中空層の細分化及び厚さと断熱性の関係を示す ハニカムで中空層を細分化し対流を抑制することで断熱性が向上する また厚さに応じて断熱性が向上する その結果 一般的な断熱材をもつコンクリート壁面と同等以上の性能が期待できる 表 -1 に各種ファサード構成部材の性能比較を示す 3. 部材としての光学特性及び熱特性の検討 ハニカムガラスは その構成から以下に示す様な効果が期待される 図 -2 にハニカムガラスの特徴の模式 *1 技術センター建築技術研究所環境研究室 *2 技術センター技術企画部企画室 解析概要ハニカムガラスの光学特性 ( 日射透過率 日射吸収率 日射反射率 ) 及び熱特性 ( 熱貫流率 日射熱取得率 ) について評価を行う

2 (a) 太陽高度及びハニカム径と日射遮蔽性の関係 (b) 中空層の細分化及び厚さと断熱性の関係 図 -2 ハニカムガラスの特徴 Fig.2 Characteristic of the double glass including honeycomb 表 -1 各種ファサード構成部材の性能比較 Table 1 Performance comparison of building facade material 部材 厚さ [ mm ] 断熱性 視認性 採光 日射遮蔽 ハニカムガラス ( 壁面 ) コンクリート + 断熱材 ガラスブロック ハニカムガラス ( 窓面 ) 1224 普通透明ガラス 表 -2 ハニカムサイズの検討ケース Table 2 Analysis case of honeycomb size 因子 ハニカム径ハニカム厚さ D( mm ) L( mm ) 基準ケース ハニカム厚さ ハニカム径 光学特性は入射角 30,60 について検討 表 -3 日射解析条件 Table 3 Solar analysis condition 入射角日付法線面日射量天候場所 月 18 日正午 546 W/m 2 快晴兵庫県明石市 月 22 日正午 852 W/m 2 雲量 0 東経 134 度 52.6, 北緯 34 度 41.2 ガラスの物性値は6mmFLガラスを使用 ガラス面は南向き ハニカム素材の日射透過率 80% 吸収率 10% 反射率 10% に設定 日射は直達 天空成分 反射は相互拡散を考慮 直達日射はASHRAEの式 相互拡散反射にラジオシティ法を使用 表 -4 CFD 解析条件 Table 4 CFD analysis condition ハニカムセル1ヶ所を対象 非構造格子 ( テトラメッシュ ) 解析メッシュ 固体との境界層はプリズム要素 熱貫流率 : 節点数約 2 万 -23 万要素数約 7 万 -76 万 日射熱取得率 : 節点数約 2 万 -19 万 要素数約 6 万 -66 万 解析方法 SIMPLEC 法に基づく有限体積法層流計算 差分スキーム移流項二次精度 MUSCL 境界条件 いずれの面もNo Slip 表面熱伝達率室外側 α o :20.4W/(m 2 K) 室内側 α i :8.6W/(m 2 K) 熱伝導率 透明 FLガラスλ FL :0.79W/(m K) ハニカム材 λ h : 断熱 放射率 透明 FLガラスε FL :0.84 ( 長波 ) ハニカム材 λ h :0.84 設定温度 熱貫流率算出室内 T i :20 外気 T o :0 日射熱取得率算出室内 T i :20 外気 T o :0 発熱量 日射熱取得率算出時の発熱量は 日射解析結果を 引き継ぐ 各面毎に発熱を合計平均化した後各面に設定 15 列 13 段 FL ガラス FL ガラス ハニカムセル (a) 日射解析モデル ( 南向き ) (b)cfd 解析モデル図 -3 解析モデルの一例 Fig.3 One example of analysis model 表 -2 に検討するハニカムサイズの検討ケースを示す 検討は ハニカムの径 ( 正六角形の相対する面の距離 ) を 10 50mm 厚さを mm に変えて行う なお 各ケースとも 夏期と冬期を想定した入射角約 60 ( 以下夏期 ) と 30 ( 以下冬期 ) の場合について検討を行う また 基準ケースにおける光学特性と日射熱取得率については 日射入射角を 0 90 の範囲で 10 毎に算出し検討を行う 3.2 解析モデル及び解析条件図 -3 に日射及び CFD 解析に用いる解析モデルの一例を示す 表 -3 に日射解析条件を示す 日射解析では

3 80% 反射 80% 反射 60% 60% 40% 20% 透過 吸収 40% 20% 透過 吸収 0% 厚さ 夏 冬 夏 冬 夏 冬 夏 冬 夏 冬 (mm) 図 -4 ハニカム厚さと光学特性との関係 Fig.4 Relationship between honeycomb thickness and optical characteristic 熱貫流率 (W/(m 2 K)) ( 径 10mm) ハニカム厚さ (mm) 図 -6 ハニカム厚さと熱貫流率との関係 Fig.6 Relationship between honeycomb thickness and u -value 日射熱取得率 (ND) ( 径 10mm) 次世代省エネルギ基準 熱貫流率平均風速 夏期冬期 ハニカム厚さ (mm) 図 -8 ハニカム厚さと日射熱取得率との関係 Fig.8 Relationship between honeycomb thickness and solar heat gain coefficient 直達日射に ASHRAE の式を 相互拡散反射にラジオシティ法を用いる 表 -4 に CFD 解析の条件を示す CFD 解析は 熱貫流率及び日射熱取得率の算出に用いる 日射熱取得率の算出には 日射解析で得た各素材の日射熱吸収量を発熱条件として与える 3.3 ハニカムガラスの形状と光学 熱特性の関係 光学特性図 -4 にハニカム厚さと光学特性との関係を示す 透過率は 夏期 冬期いずれもハニカムが厚くなるにつれ低下する 夏期と冬期を比較すると 冬期の方が高い値を示すが 厚くなるにつれその差は小さくなる 図 -5 にハニカム径と光学特性との関係を示す 透過率は 夏期 冬期いずれもハニカム径が大きくなるに従い大きくなる 夏期と冬期の差は径 20 mmのときに最大となる 平均風速 (cm/s) 0% 径 夏 冬 夏 冬 夏 冬 夏 冬 夏 冬 (mm) 図 -5 ハニカム径と光学特性との関係 Fig.5 Relationship between honeycomb diameter and optical characteristic 熱貫流率 (W/(m 2 K)) 次世代省エネルギ基準 ( 厚さ100mm) ハニカム径 (mm) 図 -7 ハニカム径と熱貫流率との関係 Fig.7 Relationship between honeycomb diameter and u - value 日射熱取得率 (ND) ( 厚さ 100mm) 熱貫流率平均風速 夏期冬期 ハニカム径 (mm) 図 -9 ハニカム径と日射熱取得率との関係 Fig.9 Relationship between honeycomb diameter and solar heat gain coefficient 熱貫流率図 -6 にハニカム厚さと熱貫流率との関係 ( 径 :10mm) を示す 熱貫流率は ハニカムが厚くなると中空層の対流の抑制により低下する 175mm で 0.53W/(m 2 K)(Ⅰ 地域 ( 北海道 ) を除く地域での次世代省エネルギー基準 ) を示す 図 -7 にハニカム径と熱貫流率との関係 ( 厚さ :100mm) を示す ハニカム径が大きくなると対流が増し熱貫流率は増大する 日射熱取得率図 -8 にハニカム厚さと日射熱取得率との関係 ( 径 :10 mm) を示す 日射熱取得率は 夏期にはハニカム厚さが変化してもさほど変化せず の値を示す 冬期は厚くなるに従い 0.31 から 0.23 へと低下する 図 -9 にハニカム径と日射熱取得率との関係 ( 厚さ : 平均風速 (cm/s) -3

4 光学性能 (%) 80% 60% 40% 20% 0% 0 日射吸収率 日射透過率 日射反射率 80% 80 60% 60 40% 40 20% 20 日射透過率 日射反射率 日射吸収率 0% 0 (a) 透明 FLガラス (b) ハニカムガラス図 -10 日射入射角と光学特性との関係 Fig.10 Relationship between solar incidence angle and optical characteristic 日射熱取得率 (-) mm) を示す 日射熱取得率は ハニカムの径が大きくなると夏期 冬期ともに値は上昇し 夏期の冷房負荷の増大 冬期の暖房負荷の軽減 ( 但し 冬期に冷房運転にならない場合 ) に作用する 3.4 入射角と光学特性 日射熱取得率との関係 光学特性図 -10 に入射角と光学特性の関係 ( 径 :10mm 厚さ : 100mmm) を示す 比較のために透明 FL ガラス (3mm) の特性を併せて示す 透明 FL ガラスの場合 日射透過率は 光学性能 (%) 日射熱取得率 (-) (a) 透明 FLガラス (b) ハニカムガラス図 -11 日射入射角と日射熱取得率との関係 Fig.11 Relationship between solar incidence angle and solar heat gain coefficient 一般的コンクリート外壁 (85%)+ 透明 FL ガラス (15%) 一般的コンクリート外壁 () 共用部 インテリアファサード面ペリメータ 28.4 (a) 平面 10F 9F 8F 7F 6F 5F 4F 3F 2F (b) 断面 図 -12 建物モデル ( 建設地 : 東京 ) Fig.12 Building model (location: Tokyo) リメータ1F ファサード面インテリア部ペ共用 ( 単位 :m) 表 -5 検討するファサード構成 Table 5 Facade composition of building model 構成 1 FL ガラス 30% コンクリート + 断熱材 70% 構成 2 LOW-E ガラス - - 構成 3 FL ガラス 30% ハニカム入り複層ガラス 70% 表 -6 建物構成部材の光学及び熱特性 Table 6 Optinal and heat properties of building component 部位 断面構成透過率吸収率反射率日射熱取得率熱貫流率 ( mm ) (%) (%) (%) () (W/( m2 K)) 透明 FLガラス ガラス Low-E 複層ガラス ハニカム入り複層ガラス一般的コンクリート外壁 ガラス3.0+ 空気層 ガラス2.5 ガラス5.0+ ハニカム100+ ガラス5.0 ファサード面構成 ( 比率はファサード面 ( 一面 ) のみの構成比率 ) コンクリート 発泡ウレタン 空気層 + 石膏ボード 屋根 アスファルト防水 20+ コンクリート80+ ロックウール50+ 空気層 + ロックウール吸音板 中間床 カーペット20+OAフロア37+ 空気層 + コンクリート145+ 空気層 + ロックウール吸音板 内壁 プラスターボード20+ 空気層 + プラスターボード * 各ガラス部材は入射角特性を考慮 表中の値は入射角 0 60 の範囲の値 入射角が約 0 50 の範囲でほぼ一定の値を示し 60 以上で大きく減少する それに対してハニカムガラスの場合は FL ガラスとは異なり 入射角が 0 のとき 59% と高い値を示すが 約 0 20 の範囲で急激に低下し 以降は徐々に減少する 入射角 50 以上では 5% 以下の値を示す 日射熱取得率図 -11 に入射角と日射熱取得率との関係 ( 径 :10mm 厚さ :100mmm) を示す やはり比較のために透明 FL ガラス (3mm) の特性を併せて示す 日射熱取得率も ハニカムガラスの特性は 透明 FL ガラス (3mm) とは異なり 日射透過率とほぼ同様の傾向を示す 4. 建物に適用した場合の年間熱負荷の検討 4.1 年間熱負荷計算の概要ファサード構成にハニカムガラスを適用したモデル建物を対象に多数室年間熱負荷解析を行う 検討は ファサード構成部材 方位 建設地等の条件を変えて行う 4.2 建物モデル及び計算条件図 -12 に建物モデル ( 建設地 : 東京 ) を示す モデル建物では 10 階のオフィスを想定する 対象ゾーン数は 各階をペリメータ インテリア 共用部分の 3 ゾーンに分割し 合計 30 ゾーンとする 表 -5 に検討するファサード構成のケースを示す 構成 1 では コンクリート + 断熱材 (70%) と透明 FL ガラス (30%) で構成された一般的なファサードを想定する 構成 2 では Low-E ガラスによる全面ガラスを想定する 構成 3 ではハニカムガラス ( 厚さ 100mm 70%) と透明 FL ガラス

5 表 -7 空調運転及び内部負荷の条件 Table 7 Operation condition of air conditioning and internal load condition 1)820 時 8:00-20:00 350W/m 2 以上の時 80% 遮蔽運転時間帯ブラインド ( 土日 祝日は休日 ) 制御 350W/m 2 以下の時 20% 遮蔽 2)208 時冷房 26.0 夏期 30% 遮蔽暖房 24.0 人 9.3W/m 2 空調設定温度冷房 24.0 内部発熱機器 24.0W/m 冬期 2 暖房 22.0 照明 17.0W/m 2 人員密度 7.5m 2 / 人機械換気量 30.0m 3 /h 人 * 検討は 顕熱を対象とする * 内部発熱及び機械換気量は共用部以外に設定 * ペリメータ-インテリア間の空気移動は温度差 1 の温度差換気を想定 構成 1- 南 - 東京 構成 2- 南 - 東京 138% 28% 構成 3- 南 - 東京 128% 10% 暖房負荷 冷房負荷 単位床面積当り年間熱負荷 (MJ/m 2 年) 図 -13 ファサード構成が異なる場合 Fig.13 Analysis cases with different facade component 表 -8 年間熱負荷の検討ケース Table 8 Anayisis cases of annual air-conditioning load 検討パラメータファサード方位構成 構成 1 構成 2 構成 3 地域 1. ファサード構成検討 検討ケース 2. 方位検討 3. 寒冷地検討 南面 北面 東京東面 西面 南面 札幌 南面 東京 南面 札幌 南面 北面 東京東面 西面 南面 札幌 (30%) で構成された場合を想定する 表 -6 に構成部材の熱 光学特性を示す なお ハニカムガラスは 3.4 節の入射角特性を考慮して検討を行う また 表 -7 に空調運転及び内部負荷の設定条件を示す 4.3 検討ケース表 -8 に年間熱負荷の検討ケースを示す 検討には 表 -5 に示すファサード構成を用い ファサードの構成が異なる場合 ( 検討ケース 1) ファサード面の方位が異なる場合 ( 検討ケース 2) 建設地が寒冷地 ( 札幌 ) の場合 ( 検討ケース 3) について行う 但し 検討ケース 3 の建物モデルの仕様は 寒冷地ではあるがそのままの仕様である 比較は 単位床面積当りの年間熱負荷により行い 構成 1 の南面 東京のケースを基準とする 4.4 ファサード構成が異なる場合の検討図 -13 にファサード構成が異なる場合の検討結果を示す 構成 1( 一般的ファサード ) と構成 3( ハニカムガラス ) を比較すると 構成 3 の負荷の方が 28% 大きい値を示すものの 構成 2( 全面 Low-E ガラス ) と比較すると 構成 3( ハニカムガラス ) の方が 10% 小さい値を示す 4.5 ファサード面の方位が異なる場合の検討図 -14 にファサード面の方位が異なる場合の検討結果を示す 構成 1( 一般的ファサード ) では 方位による年間熱負荷への差はさほど見られない 構成 3 ( ハニカムガラス ) は 構成 1( 一般的ファサード ) に比べて方位による差が大きく 南面で最大 (128%) 北 4-5 構成 1- 南 - 東京 構成 1- 北 - 東京 構成 1- 東 - 東京 構成 1- 西 - 東京 構成 3- 南 - 東京 構成 3- 北 - 東京 構成 3- 東 - 東京 構成 3- 西 - 東京 構成 1- 南 - 東京 構成 1- 南 - 札幌 構成 2- 南 - 東京 構成 2- 南 - 札幌 構成 3- 南 - 東京 構成 3- 南 - 札幌 95% 98% 128% 104% 113% 119% 暖房負荷冷房負荷単位床面積当り年間熱負荷 (MJ/m 2 年) 図 -14 ファサード面の方位が異なる場合 Fig.14 Anayisis cases of different facade direction 88% 138% 128% 98% 図 -15 建設地が寒冷地 ( 札幌 ) の場合 Fig.15 Anayisis cases in cold region (Sapporo) 面で最小 (104%) となり その差は 24% である 構成 1 ( 一般的ファサード ) との差も北面の場合が最も小さい よってハニカムガラスを用いたファサードは 熱負荷の観点からは 北面に用いるのが望ましい 4.6 建設地が寒冷地の場合の検討図 -15 に建設地が寒冷地 ( 札幌 ) の場合の検討結果を示す 寒冷地において 年間熱負荷はいずれの構成においても東京の場合に比べて低い値を示す 構成 1 ( 一般的ファサード ) の年間熱負荷の低下率 (12%) と比べると構成 2( 全面 Low -E ガラス )(38%) 及び構成 3 ( ハニカムガラス )(30%) の方が低下率が大きい 12% 24% 30% 38% 暖房負荷冷房負荷単位床面積当り年間熱負荷 (MJ/m 2 年)

6 次に寒冷地での各構成の年間熱負荷を比較する 構成 3( ハニカムガラス ) は 構成 1( 一般的ファサード ) に比べて暖房負荷は小さくなるものの年間熱負荷は大きい値を示す 構成 2( 全面 Low-E ガラス ) と比べると暖房負荷は大きい値を示すものの 年間熱負荷は若干小さい値を示す 以上のことから ハニカムガラスを用いたファサードは 寒冷な地域の方が適していると考えられる 5. まとめ 本研究では ハニカム入り複層ガラスを断熱性 採光性 視認性の面でより効果的に活用するため 外壁としてのハニカム入り複層ガラス ( 厚さ mm) と窓とを組合せてファサードに用いる場合 ( カーテン ウォールとして組立 ) について検討した 検討では まず ハニカム入り複層ガラスの部材としての光学特性及び熱特性を日射解析 CFD 解析により評価した 次に ファサード構成にハニカム入り複層ガラスを適用したモデル建物を対象に 多数室年間熱負荷解析を行った 検討は ファサード構成部材 方位 建設地を変えて行った 得られた結論を以下に示す (1) 熱貫流率は 厚さ 175mm で 0.53kW/(m 2 K)(I 地域 ( 北海道 ) を除く地域での次世代省エネルギー基準 ) を示す (2) ハニカム入り複層ガラスの日射入射角特性は 透明 FL ガラスと異なる特性を示し 夏期冷房時に日射を遮蔽し 冬期暖房時に熱を取得する制御の可能性を示す (3) モデル建物での年間熱負荷解析の結果 年間熱負荷は ハニカム入り複層ガラスを用いた場合 コンクリート + 断熱材の一般的仕様の場合 ( いずれの場合もファサード面の窓比率 30%) よりも 28% 大きい値を示すものの 同様に採光性が得られる全面 Low-E ガラスの場合よりも 10% 小さい値を示す (4) ハニカム入り複層ガラスは 北面及び寒冷地に適用することで より効果的に年間熱負荷を抑えることが可能である 今後 さらに解析により光学性能 熱性能等の向上の検討を行う予定である さらに視認性の検討等を行い 実証実験を行う予定である また 防災面の検討及びカーテン ウォール化の検討も併せて行う予定である 謝辞 本研究の一部は 横浜国立大学の連携講座との共同で実施した 大野茂氏 深尾仁氏 森川泰成氏 ( 以上大成建設 ( 株 ) 技術センター ) 山本哲也氏 ( 当時横浜国立大学大学院生 ) に多大なご協力を頂きました ここに記して謝意を表します 参考文献 1) 張本和芳, 山本哲也, 深尾仁, 齋藤正文 : 透光断熱ハニカム材を利用した日射制御窓の開発 研究その 1 概要と日射熱取試験, 日本建築学会大会学術講演梗概集, D-2, pp , ) 山本哲也, 張本和芳, 深尾仁, 大野茂, 森川泰成 : 透光断熱ハニカム材を利用した日射制御窓の開発 研究その 2 シミュレーションによる日射制御性能評価, 日本建築学会大会学術講演梗概集, D-2, pp ,

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5 商品特長 基本性能 商品特長 施工例 ハイレベルな断熱性能 快適な生活を頼もしくバックアップします アルミと樹脂の複合構造を採用し 高い断熱クオリティをもつ エピソード エピソード Type S 引違い系 単体 面格子付 断熱性と日射熱取得率 シャッター付 平成25年省エネルギー基準 雨戸付 室外側 ア ルミ 室内側 樹 脂 建具とガラスの組合せによる熱貫流率および日射熱取得率 設計施工指針 別表第7

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