2. 実建物における熱性能の検証薄型ダブルスキンの開発段階では, 数値解析や実大温熱実験装置による熱性能の検討を行い, 窓の基本性能を検証した さらに, 実大試験装置によって, 気密 水密 耐風圧性能や層間変位追従性能などのサッシ基本性能の検証を行った その上で, 味の素株式会社食品グローバル開発セ

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1 薄型ダブルスキンによる熱負荷低減手法の研究 実建物における熱性能検証及び CFD 解析による検討 藤井浩史 *1 樋渡潔 *1 *1 張本和芳御器谷良一 *2 横井睦己 *3 熊谷智夫 *2 *2 藤村淳一 Keywords : double-skin facade, window systems, heat load, field measurement, CFD analysis ダブルスキン, 窓システム, 熱負荷, 実測,CFD 解析 1. はじめに 1.1 薄型ダブルスキンの開発背景事務所ビルの空調負荷のうち, 外壁負荷は全体の 2 ~3 割を占めると言われ, 建物の省エネルギー化を図る上で, 建物外皮での熱負荷低減は重要である オイルショックを迎えた 1970 年代には, 窓面積の縮小による省エネルギー化もみられたが, オフィスに付加価値が求められる現在は, 全面ガラスの開放感や快適性を担保しつつ, 熱負荷を低減する技術が求められている その技術の一つに, ダブルスキンが挙げられる 図 -1に示す通り, ダブルスキンは, 二重ガラスとその内部に設置されたブラインドによって構成される しかし, 中空層内の換気性能確保やメンテナンスのため, 中空層の厚みを 60cm 程度とするのが一般的であった この厚みが室内床面積の減少, 施工の長期間化, 設置コスト高などの課題につながっていた そこで, ダブルスキンの普及促進を目指し, 従来の課題を解決するため, 中空層を 20cm に薄くし, 全体を一つのサッシユニットで構成した 薄型ダブルスキン を開発した 本報では, 実建物における薄型ダブルスキンの実測結果, 及び CFD 解析結果について報告する 1.2 薄型ダブルスキンの特長中空層の厚さを 20cm と薄型化しつつも, 内部の換気性能を十分に確保するために, 薄型ダブルスキンでは次の工夫を行った (1) サッシ縦方立を利用した外気との換気外気との換気開口は, サッシの縦方立に設け, 窓面積あたりの換気面積を大きく取る工夫を行った *1 技術センター建築技術研究所環境研究室 *2 設計本部設備グループ *3 設計本部設備計画グループ (2) 中空層連通層数の可変制御上下階間の連通部分には, 層間ダンパを設けている 層間ダンパを開くと, 中空層内部の高低差を大きくし, 温度差換気効果を上げることが出来る また, 窓際環境の熱的快適性の両立を目標として, ダンパの開閉制御を行うことができる [ 従来型の課題 ] 中空層 = 約 60cm( 厚い ) 施工期間 = 長い 設置コスト = 高い 薄型化 [ 薄型の特長 ] 中空層 = 約 20cm ( 室内床面積拡大 ) 施工性向上 設置コスト低減 厚さ 60cm 従来型ダブルスキン 厚さ 20cm 薄型ダブルスキン 図 -1 従来型ダブルスキンと薄型ダブルスキン Fig.1 Comparison of conventional and narrow double-skin facades 換気経路 層間ダンパ 上下階間の中空層の空気流通 温度差換気の促進 換気開口 外気 中空層の空気流通 屋外への換気による放熱 層間ダンパ 図 -2 薄型ダブルスキンの外観 Fig.2 View of narrow double-skin facade 図 -3 換気開口 Fig.3 Plan of ventilation opening 中空層 換気経路 図 -4 層間ダンパ Fig.4 Section of isolation damper 3-1

2 2. 実建物における熱性能の検証薄型ダブルスキンの開発段階では, 数値解析や実大温熱実験装置による熱性能の検討を行い, 窓の基本性能を検証した さらに, 実大試験装置によって, 気密 水密 耐風圧性能や層間変位追従性能などのサッシ基本性能の検証を行った その上で, 味の素株式会社食品グローバル開発センター ( 新築 ), 当社技術センター本館 ( リニューアル ) への実施適用に至った 本節に, 味の素株式会社食品グローバル開発センターにおいて建物運用後に実施した, 熱性能の実証実測の結果について記す 2.1 実測概要 (1) 建物概要実測建物の概要を図 -5に示す 建物は 3 棟が東西方向に連結した平面構成であり, 各棟の南面ファサードは全面ガラス仕様で, 明るく開放的な居室環境が提供されている 薄型ダブルスキンは, そのうち 2 棟の南面 1~5 階に, 合計 1,400m 2 適用された 薄型ダブルスキン 1 ユニットの高さは, 階高に相当する 4.2m, 幅は 1.65m である 2~3 階間,4~5 階間の層間部分は, ダンパにより連通させることができる 各階の代表ユニットに温度センサーを設置し, 換気開口の開閉制御に利用している (2) 測定期間実測は, 建物竣工後の 2006 年 7 月より 2007 年 1 月にかけて通年連続測定を行った さらに, 詳細な温度分布や室内温熱環境を把握するため, 夏期, 中間期, 冬期において短期集中測定を行った (3) 測定概要表 -2, 図 -6に実測の測定項目を示す センサーの一部は, 建物設備として本工事にて設置されており, 薄型ダブルスキンの換気開口及び層間ダンパの制御に使用されている 通年連続測定では, これらのセンサーの測定結果を使用した また, 短期集中測定では, より詳細に薄型ダブルスキンの温熱性状を把握し, 熱貫流率や日射熱取得率などの熱性能値を算出するために, 追加の測定点を設置した 薄型ダブルスキン周りでは, 中空層内部, 室内窓表面に 1 階あたり高さ 4 点 (FL+0.5/1.5/2.5/3.5m) に熱電対を設置し,1 分間隔で測定を行った 室内では, ペリメータゾーン代表点 ( 窓から 1m からの距離 ), インテリアゾーン代表点 ( 室中央, 窓から 4m からの距離 ) において上下温度分布やグローブ温度の測定を行った 測定対象 薄型ダブルスキン 所在地 神奈川県川崎市 建物用途 研究施設 建物階数 地上 5 階 延床面積 16,900m 2 窓面方位 南面 窓面積 1,400m 2 ( 薄型ダブルスキン ) 図 -5 実測建物概要 Fig.5 Specification of the building 表 -1 測定期間 Table.1 Measurement term 期間 測定 2006 年 7 月 ~2007 年 1 月 通年連続測定 2006 年 8/21~8/25 夏期測定 2006 年 10/16~10/20 中間期測定 2007 年 1/22~1/26 冬期測定 表 -2 測定項目 Table.2 Measurement items 測定項目 外気温 (1 点 ), 風向風速 (1 点 ), 屋外環境水平面全天日射量 (1 点 ), 南面鉛直面全天日射量 (1 点 ) 薄型タ フ ルスキン中空層温度 ( 各階 4 点 ) 窓表面温度 ( 各階 4 点 ), 室内鉛直面日射量 ( 各階 1 点 ), 室内環境ヘ リメータ空気温度 ( 各階 7 点 ), ク ローフ 温度 ( 各階 1 点 ) PAC 吹出温度 ( 各階 1 点 ), インテリア空気温度 ( 各階 6 点 ) 図 -6 センサー設置箇所 Fig.6 Location of measurement sensors 3-2

3 2.2 実測結果 薄型ダブルスキンの温度性状冷房期は, 室内への日射負荷を低減するため, ブラインドで日射熱を受け, その熱を中空層から外気へ換気で排出する この換気の駆動力は, 排熱の温度差や外部風の影響等の自然現象に拠るため, その性状は一定ではない したがって, その結果形成される薄型ダブルスキン内部の温度性状の予測はとても難しく, 本節では各季節における温度性状の実態を把握することとした 図 -7~9に各季節代表日の温度性状を示す 代表日は, 快晴で十分な日射が得られた日を選定した 薄型ダブルスキンの運用状態は, 換気モード ( 換気開口 = 開 )( ただし冬期は 10:30~15:00 のみ開 ), 連通層数 =2 層, ブラインド= 水平とした (1) 中空層温度の性状中空層温度は, 夜間は外気温とほぼ等しく, 日中は日射量に応じて変化した 夏期の 10:00~11:00 に日射量が 200/m 2 程低下したが, 中空層温度も同時に 2~ 3 低下しており, 蓄熱の影響はなく, 日射量に対する相関がかなり高いと考えられる また, 季節による違いでは, 冬期になるにつれ, 外気温に対する中空層温度の温度差が大きくなる傾向があった これも, 窓面 ( 南方位 ) への入射日射量が太陽高度の低い冬期ほど多くなることが影響していると考えられる (2) 窓表面温度の性状室内の窓表面温度は, 中空層温度と同様に日射によって上昇するものの, 室内の冷房が起動すると, その冷気の影響により, 温度上昇が抑制されていた その結果, 窓からの放射熱を加味するグローブ温度は, 窓から 1m の距離でも, 室温 +1~2 に抑えられた 通常, 全面ガラス窓では窓近傍の温熱環境が悪化し易く, 対策として高性能ガラスなどが用いられるが, 薄型ダブルスキンは,2 枚のガラスが透明フロートガラスであるにもかかわらず 適正な温熱環境となっていた (3) 実測対象建物は, 立地 方位 用途などの条件により, 年間を通して冷房運転が主体的であった 冷房に対するは, 日射熱と貫流熱の 2 つが影響するが, 貫流熱は外気温が室温よりも低下する中間期や冬期には冷房に対する負荷ではなく, 利得として働く 実測結果では, 日射熱は冬期になるに従い増加するものの, 貫流熱による利得が効いており, ( 日射熱負荷 + 貫流熱負荷 ) は, 冬期になるに従い低下した 冬期のピーク負荷 ( 冷房 ) の削減率は 91% に達し より省エネルギー効果が高くなる結果が得られた 熱量 (/ m2 ) 熱量 (/ m2 ) 熱量 (/ m2 ) (a) 日射量と熱負荷 負荷 74% 削減 (b) 温度外気温 +9.1 室温 +7.9 換気モード ( 換気開口 = 開 ) ピーク値窓面日射量 534/ m2 141/ m2 中空層温度外気温窓表面温度 ペリメータグローブ温度ペリメータ空気温度冷房 26 運転 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 図 -7 夏期の温熱性状 (2006/8/22) Fig.7 Temperatures in double-skin facade (Summer) (a) 日射量と熱負荷 (b) 温度 負荷 84% 削減 外気温 室温 +6.8 換気モード ( 換気開口 = 開 ) 冷房 24 運転 ピーク値窓面日射量 742/ m2 116/ m2 中空層温度窓表面温度 ペリメータグローブ温度外気温ペリメータ空気温度 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 図 -8 中間期の温熱性状 (2006/10/19) Fig.8 Temperatures in double-skin facade (Autumn) (a) 日射量と熱負荷 (b) 温度 負荷 91% 削減 窓表面温度中空層温度外気温 ピーク値窓面日射量 868/ m2 81/ m2 断熱モード換気モード断熱モード 外気温 ペリメータグローブ温度ペリメータ空気温度 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 図 -9 冬期の温熱性状 (2007/1/23) Fig.7 Temperatures in double-skin facade (inter) 3-3

4 2.2.2 薄型ダブルスキンの熱性能窓の熱性能は, その指標として, 一般に日射熱取得率 [ND] と貫流率 [/m 2 K] が用いられる 日射熱取得率とは, 日射熱の侵入を防ぐ遮熱性能を示すもので, 窓面入射日射量に対する室内流入熱量の割合で表される 値が小さいほど, 遮熱性能に優れると言える 空調負荷 ( 冷房 ) のうち日射負荷の割合が高い夏場に重要な指標である 一方, 熱貫流率とは, 断熱性能を示すもので, 窓の表裏の温度差に対する貫流移動熱量で表される 値が小さいほど, 断熱性能が高いと言える 空調負荷 ( 暖房 ) のうち貫流負荷の割合が高い冬場に重要な指標である (1) 日射熱取得率日射熱取得率の算出には, 夏期快晴日の日中データを用い, 解析日時を 8/22 9:00~15:00 とした 換気開口を開け, 換気モードにて測定を行った 表 -3に示す通り, 日射熱取得率には, 窓面を通した量が含まれるため, ブラインドの角度によって, その性能値が変化する 測定時にはブラインドは水平とし, スラットの隙間を通した日射の透過量が多く, 最も安全の検討を行った 図 -10に算出結果を示す 太陽高度の影響を受け, 値は変化するものの, 平均して 0.27 という結果が得られた ブラインドの角度を閉めていくと, 透過成分を減少させることができ, ブラインドを全閉状態にすると, 透過成分を 9 程度に下げられることが確認されている したがって, ブラインドを閉じた場合は, 日射熱取得率を 0.21 程度に下げることができると考えられる 既往の文献 1) によると, 日射遮蔽効果のあるガラスとして普及し始めている Low-e ペアガラス ( 内ブラインド ) は, 日射熱取得率 0.29 であり, それと比較しても, 薄型ダブルスキンの方が性能が高いと評価できる (2) 熱貫流率熱貫流率の算出には, 日射の影響がない夜間データを用い, 解析日時を 1/25 0:00~0:30 とした 換気開口を閉じ, 断熱モードとして測定を行った 測定結果を表 -4に示す 熱貫流率は平均で 2.75/m 2 K となった 開発段階の実験結果では, 熱貫流率は 3.0/m 2 K 前後であったが, 実施適用にあたって, 換気開口の気密性を高めたため, より高い断熱性を達成できた 一般にダブルスキンは, 中空層が対流現象の生じる厚さ以上であるため, ペアガラスよりも断熱に対して不利である しかし, 既往文献 1) の Low-e ペアガラス ( 内ブラインド ) の熱貫流率 2.2/m 2 K と比較して, それに近い結果を得ることが出来た 表 -3 窓の熱性能指標 Table.3 Thermal performance indices of window system 日射熱取得率 [ND] 熱貫流率 [/m 2 K] 日射遮熱性の指標 窓面への入射日射のうち, 室内へ流入する熱量を示す 値が小さいほど遮熱性が高い [ 屋外 ] [ 屋内 ] 日射 日射熱取得率 (ND) 日射熱取得 = + 吸収 再放射 断熱性の指標 表裏の温度差に応じて, 窓面を貫流する熱量を示す 値が小さいほど断熱性が高い [ 屋外 ] [ 屋内 ] 熱貫流率 K(/ m2k) 外気温 日射熱取得率平均 0.27 透過成分成分 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 図 -10 日射熱取得率 ( ブラインド水平, 実測結果 ) Fig.10 valuation of solar heat gain coefficient (slat angle = 0 o ) 日射熱取得率 (ND) 日射熱取得率平均 0.21 透過成分成分 室温 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 図 -11 日射熱取得率 ( 透過成分には, ブラインド全閉を想定した推定値を使用 ) Fig.11 valuation of solar heat gain coefficient (slat angle = 70 o ) 表 -4 熱貫流率 Table.4 Coefficient of heat transmission 外気温 (To) 6.7 測定点 測定点備考 窓表面温度 (Ts) 室温 (Ti) 室内表面熱伝達率 /m 2 K Ts Ti To Ti 熱貫流率 /m 2 K 熱貫流率 ( 平均 ) /m 2 K

5 3. 外部風を考慮した建物全体モデルの解析 N 3.1 解析の目的薄型ダブルスキンは, 換気開口や層間ダンパを最適に制御する必要がある 今後の計画毎に最適な制御を行うためには, 気象条件や周辺建物状況を考慮して, 事前に中空層の温度や換気性状を予測する必要がある そこで,CFD 解析技術を用い, 屋外風を考慮した検討を行った まず, 実測結果を用いて中空層温度の解析結果の検証を行い, その後パラメータスタディにより季節, 連通層数が異なる場合の熱負荷の比較を行った 3.2 解析モデル (1) 広域解析図 -12に広域解析モデルを示す まず比較的広域 (700m 700m 200mH) を対象とし, 周辺建物のうち影響が大きいと思われる建物についてモデル化を行った風環境解析を行った (2) 詳細解析広域解析で得られた境界条件を引き継ぎ, より小さな領域 (188m 60m 60mH) で対象建物付近及び薄型ダブルスキンをより詳細に再現したモデルを用いて温熱気流解析を行った 図 -13に詳細解析モデルを示す なお, 詳細解析モデルにおいては換気開口部の形状が複雑であるため, 計算負荷を低減するために, 実験結果に基づき形状の簡易化を図った 3.3 計算条件表 -5に検証及びパラメータスタディに用いる気象条件, 計算条件及び境界条件を示す 表 -6に計算ケースを示す Case1 にて実測との検証を行う その後, 季節と連通層数を変えて熱負荷の比較を行った 700m 対象薄型ダブルスキン面 ショッピングセンタ 1 対象薄型ダブルスキン面 S 700m (a) 平面図 ショッピングセンタ 2 南風詳細解析領域 N (b) 鳥瞰図図 -12 広域解析モデル Fig.12 Town block model (a:plan, b: overhead view) 表 -5 計算諸条件 Table.5 xamination terms and conditions 日時 :00~14:00( 夏期 ) :00~13:00( 中間期 ) 風向 南 ( 夏期, 中間期 ) 軒高風速 3.4m/s( 夏期 ),2.8m/s( 中間期 ) 気温 31.4 ( 夏期 ),23.8m/s( 中間期 ) ダブルスキン面鉛直面日射量 370/m 2 ( 夏期 ),581/m 2 ( 中間期 ) 解析領域 700m 700m 200mH セル数 ( 広域 ) 188m 60m 60mH セル数 ( 詳細 ) 乱流モデル 標準 k-ε 解析法 SIMPL 法に基づく有限体積法 差分スキーム 移流項 MARS 法 流入境界境界条件 U(Z)=Us(Z/Zs) α α=0.25( 広域 ) 上空面 左右面 :Free Slip( 広域 ) その他 : 対数則 熱貫流率 外ガラス :4.5/ m2k, 内ガラス :4.5/ m2k 室内温度 室温 26.0 外ガラス 147.6/m 2 ( 夏期 )231.9/m 2 ( 中間期 ) 発熱条件 ブラインド 126.2/m 2 ( 夏期 )198.2/m 2 ( 中間期 ) 内ガラス上部 1.9/m 2 ( 夏期 ) 1.9/m 2 ( 中間期 ) 内ガラス下部 2.9/m 2 ( 夏期 ) 1.9/m 2 ( 中間期 ) 薄型ダブルスキン詳細解析部位 図 -13 詳細解析モデル Fig.13 Building model 表 -6 計算ケース Table.6 xamination cases 季節 連通層数 備考 Case1 夏期 2 層 実測との検証 Case2 夏期 4 層 Case3 中間期 2 層 Case4 中間期 4 層 3-5

6 3.4 解析結果 (1) 実測との検証 (Case1) 図 -14に対象建物付近の風速分布を示す 建物付近の屋外風は, 風上の 2 棟のショッピングセンターの影響で薄型ダブルスキン面にほぼ沿って流れる 図 -15にガラス表面近傍の風速分布を示す 対象薄型ダブルスキン面のガラス表面近傍では, 西から東に吹き降ろす気流を生じる 図 -16に換気開口部の風速分布を示す 換気開口部では複雑な気流性状を示し,5 階換気開口部は全体的に, 図 -15の屋外風とは反対に流れる傾向を示す これは, ガラス近傍を流れる屋外風が中空層内の空気を誘引するためである 図 -17に中空層内部の温度分布を示す また, 図 -18に解析結果と実測結果の比較を示す 中空層内の温度分布を実測結果と比較すると, 解析結果の方が実測結果よりも上下温度分布を生じやすい傾向がみられた 実際には常に風向, 風速に変動があり中空層内部の空気が攪拌されていると考えられるが, 解析では常に風向一方位, 風速一定で, 定常的な流れを形成しているため, 上下温度分布を生じやすいと思われる 特に,1 階上部及び 3 階上部の層間区画に近い部位は換気開口部がないため空気流通が少なく, 解析結果はその影響を強く受け, 実測結果よりも温度が上昇したと考えられる また, サッシ形状の簡略化による熱特性の相違も影響していると考えられる しかし それ以外の中空層内の温度は 実測結果と概ね同様の傾向を示し, 本解析の妥当性が確認された (2) 季節, 連通層数の違いによるの比較表 -7に,Case1~4 のを示す 夏期, 中間期の解析結果はいずれの場合も 4 層連通の場合に熱負荷が小さい値であることを示す 但し, 連通層数が多くなると上部階の熱溜りの範囲が広がるため, 室内の温熱環境が悪化する可能性がある 表 -7 各ケースのの比較 Table.7 Comparison of facade heat load Case1 夏期 2 層 Case2 夏期 4 層 熱負荷 /m 比率 % Case3 中間期 2 層 Case4 中間期 4 層 熱負荷 /m 比率 % 比率は 2 層の熱負荷を基準としたときの 4 層の相対比を示す 階数 (F) 外部風の流れ 対象薄型ダブルスキン面 図 -14 対象建物付近の風速分布 (Case1) Fig.14 Airflow around the building (Case1) ガラス表面近傍を吹き降ろす風 図 -15 ガラス表面近傍の風速分布 (Case1) Fig.15 Airflow near facade surface (Case1) 図 -16 換気開口部の風速分布 (Case1) Fig.16 Airflow at ventilation openings (Case1) A B 図 -17 中空層内部の温度分布 (Case1) Fig.17 Temperature in intermediate space (Case1) 解析 A 点 実測 A 点 解析 B 点 実測 B 点 風速 (m/s) 風速 (m/s) (m/s) 中空層と外気の温度差 ( ) 図 -18 実測結果との比較 (Case1) Fig.18 Comparison between measurement result and CFD (Case1) 3-6

7 4. まとめダブルスキンの高い省エネルギー性を確保しつつ, 従来の課題を解決した薄型ダブルスキンを開発した 本報では, 実施適用された薄型ダブルスキンについての実測結果, 及び CFD 解析による検討結果について報告した (1) 薄型ダブルスキンの温度性状では, 各季節の中空層温度は, 窓面への入射日射量との相関が高く, 日射量 100/m 2 に対して 1~2 の割合で増加していた しかし 室内の窓表面温度については, 空調の影響により, 温度上昇が抑制されている現象が確認された (2) 熱性能では, 日射熱取得率と熱貫流率を求めた 日射遮熱性の指標である日射熱取得率 ( 換気モード ) は, ブラインド水平時に 0.27, ブラインド全閉時に 0.21 という結果が得られた 断熱性の指標である熱貫流率 ( 断熱モード ) は,2.75/m 2 K という結果が得られた 薄型ダブルスキンの高い省エネルギー性が確認された (3) 薄型ダブルスキンの中空層温度, 換気性状の予測を,CFD 解析を用いて検討を行った 実測結果と概ね一致し, 解析精度が確認された 今後は, これらの手法を用いて, 個別の物件毎に, 換気開口や連通層数の制御に本手法を活用する予定である 謝辞 実測対象建物は, 味の素株式会社食品グローバル開発センター殿のご により, ご提供頂きました 記して感謝申し上げます 本研究の一部は, 平成 18 年度環境省地球温暖化対策技術開発事業 ( 建物外壁における薄型化ダブルスキンの実用化に関する技術開発 ) により実施したものである 参考文献 1) 空気調和 衛生工学便覧第 13 版第 3 巻空気調和設備設計篇, 空気調和 衛生工学会, ) 藤井浩史, 樋渡潔, 横井睦己 : 薄型ダブルスキンによる熱負荷低減に関する研究 ( 第 1 報 ) 薄型ダブルスキン概要および実測結果, 空気調和 衛生工学会学術講演論文集, ) 樋渡潔, 藤井浩史, 横井睦己 : 薄型ダブルスキンによる熱負荷低減に関する研究 ( 第 2 報 ) 重回帰分析及び CFD 解析による検討, 空気調和 衛生工学会学術講演論文集,

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