大 成 建 設 技 術 センター 報 第 43 号 (21) 窓 システムの 組 合 せ 性 能 の 評 価 手 法 に 関 する 研 究 *1 張 本 和 芳 *1 田 中 拓 也 *2 武 田 仁 Keywords : Window system, Thermal load calculation, Double-skin facade 窓 システム,ダブルスキン 1. はじめに 近 年 ダブルスキンやエアーフローウィンドなど 高 性 能 な 窓 システムが 採 用 される 建 物 が 増 えてきている これらの 窓 システムは 屋 気 象 や 窓 システム 自 体 の 調 整 機 構 により 性 能 が 変 化 する 特 性 がある 特 に ダブ ルスキンは 二 重 ので 日 射 遮 蔽 を 行 い 自 然 換 気 により 日 射 熱 を 排 熱 する 機 構 となって いるので ファン 動 力 が 不 要 で エアバランスとの 干 渉 がないメリットがあるが 排 熱 の 換 気 量 は 気 象 条 件 に 左 右 される 性 質 があるため 熱 性 能 の 予 測 が 困 難 である またの 光 学 特 性 は 天 空 輝 度 分 布 やスラットの 角 度 色 に 対 し 変 化 する 点 も 熱 性 能 の 予 測 を 困 難 にしている 要 因 のひとつである 本 論 文 は 気 象 条 件 に 対 して 変 化 する 部 材 特 性 を 考 慮 した 窓 システムの 年 間 熱 負 荷 計 算 プログラムを 構 築 し 窓 の 熱 性 能 の 予 測 評 価 により 部 材 の 組 合 せ 及 び 制 御 機 構 の 最 適 設 計 を 目 指 すものである 本 報 ではまず 実 建 物 において 構 成 部 材 の 組 合 せ を 変 えた 仕 様 の 異 なるダブルスキンを8 種 類 設 置 し 熱 性 能 の 実 測 を 行 ったのでその 結 果 を 報 告 する その 次 に 仕 様 の 異 なる 窓 システムの 年 間 熱 負 荷 を 計 算 によ り 予 測 し 定 量 的 な 評 価 を 行 った 本 プログラムでは ダブルスキン の 自 然 換 気 を 多 数 室 換 気 計 算 に より 求 め 窓 の 各 部 位 における 日 射 吸 収 による 温 度 上 昇 を 再 現 した 2. 実 測 2.1 概 要 対 象 としたダブルスキンは ユニット 化 された 薄 型 ダブルスキン( 間 距 離 約 2mm)であり 窓 の 両 サ イドに 配 置 している 縦 型 の 換 気 スリットに 特 徴 があり 温 度 差 による 上 下 方 向 の 換 気 に 加 え 風 圧 による 左 右 方 向 の 風 力 換 気 の 効 果 が 見 込 める( 図 -1) *1 技 術 センター 建 築 技 術 研 究 所 環 境 研 究 室 本 研 究 では このダブルスキンが 適 用 された 事 務 所 用 途 建 物 を 対 象 として 実 測 を 行 った 本 ダブルスキ ンは 下 層 と 上 層 の の 連 通 が 可 能 であるが 本 検 討 では 単 層 区 切 りのモードとした 測 定 対 象 としたダ ブルスキンの 標 準 仕 様 を 表 -1 に 示 す また 表 -2 に 屋 測 定 概 要 図 -2 に 窓 廻 り 測 定 概 要 を 示 す 冬 期 夏 期 それぞれ 数 週 間 に 亘 り 測 定 を 行 った 窓 面 方 位 は 北 西 である 36 1 図 -1 ダブルスキン 観 Fig.1 Mechanism of Double-Skin 換 気 口 2 [mm] 表 -1 ダブルスキン 概 要 ( 標 準 仕 様 ) Table 1 Specification of Double-Skin (Standard Type) 日 射 日 射 日 射 熱 貫 流 率 部 位 構 成 透 過 率 (%) 反 射 率 (%) 吸 収 率 (%) W/(m 2 K) 側 FL12mm 69.3 6.4 24.3.7 幅 :2mm 換 気 口 : 夏 ( 開 ), 冬 ( 閉 ) 幅 :2mm 角 度 :4 カラー:シルバー - - - - - 62.2 (スラット 単 体 ) - - 側 FL8mm 76. 6.8 16.7.8 日 射 透 過 率 日 射 反 射 率 は 垂 直 入 射 時 の 値 49-1
大 成 建 設 技 術 センター 報 第 43 号 (21) 2.2 実 測 ケース 表 -1 に 示 す 標 準 仕 様 のダブルスキンを 基 準 として フィルムの 仕 様 を 変 えたものを 8 種 類 用 意 し 各 窓 システムの 熱 性 能 について 実 測 を 行 った なお 各 窓 は 図 -3 に 示 すように 隣 接 して 配 置 されている 各 窓 システムの 仕 様 を 表 -3 図 -4 に 示 す 場 所 表 -2 屋 測 定 概 要 Table 2 Outdoor Measurement 対 象 建 物 屋 上 ( 軒 高 16.1m) 測 定 項 目 気 温 度 風 向 風 速 SAT 水 平 面 日 射 鉛 直 面 日 射 鉛 直 面 赤 放 射 垂 直 面 = 面 方 向 ( 北 西 ) 図 -3 実 測 風 景 Fig.3 Measurement Area 測 定 ポイント 窓 各 部 位 測 定 ポイント( 上 中 下 ) RFL 1 標 準 ( 薄 型 ダブルスキン) 2 側 を Low-Eに 変 更 3 側 フィルム ( 反 射 タイプ) 4 側 フィルム ( 吸 収 タイプ) 各 部 位 垂 直 温 度 分 布 床 上 2 36 4FL CH=24 床 上 16 床 上 6 部 日 射 ( 垂 直 ) グローブ 温 度 空 気 温 度 部 床 上 11 使 用 機 器 T 型 熱 電 対 精 密 全 天 日 射 計 MS-82 無 指 向 性 風 速 計 642 測 定 間 隔 : 1 分 [mm] 側 ブラ インド 側 側 側 表 面 温 度 側 空 気 温 度 表 面 温 度 側 空 気 温 度 側 側 表 面 温 度 側 側 表 面 温 度 側 側 近 傍 空 気 温 度 図 -2 窓 廻 り 測 定 概 要 Fig.2 Indoor Measurement around Window 側 フィルム ( 反 射 タイプ) 6 を 白 色 に 変 更 7 を グレーに 変 更 図 -4 各 窓 システムの 仕 様 Fig.4 Variation of Window system 8 側 ( 白 )を 取 付 け 表 -3 各 窓 システムの 仕 様 Table 3 Specifications of Window system Case 側 側 側 1 標 準 ( 薄 型 ダブルスキン) FL12 シルバー( 反 射 率 62.2) FL8 なし 2 側 :Low-E FL12 シルバー( 反 射 率 62.2) LEA2FL(4/29/31) なし 3 側 :フィルム( 反 射 タイプ) 貼 付 け FL12 シルバー( 反 射 率 62.2) 4 側 :フィルム( 吸 収 タイプ) 貼 付 け 側 :フィルム( 反 射 タイプ) 貼 付 け FL12+フィルム (37/6/7) FL12+フィルム (33/3/37) FL8+フィルム (33/3/37) なし シルバー( 反 射 率 62.2) FL8 なし シルバー( 反 射 率 62.2) FL8 なし 6 : 白 色 FL12 白 色 ( 反 射 率 68.7) FL8 なし 7 :グレー FL12 グレー( 反 射 率 43.) FL8 なし 8 位 置 : 側 ( 白 色 ) FL12 なし FL8 白 色 ( 反 射 率 68.7) () は 日 射 の 透 過 率 / 反 射 率 / 吸 収 率 (%) 49-2
大 成 建 設 技 術 センター 報 第 43 号 (21) 気 温 [ ] 3 3 2 2 1 1 気 温 水 平 日 射 北 西 面 垂 直 日 射 14 12 1 8 6 4 2 日 射 量 [W/m2] 気 温 [ ] 3 3 2 2 1 1 気 温 水 平 日 射 北 西 面 垂 直 日 射 14 12 1 8 6 4 2 日 射 量 [W/m2] 温 度 [ ] 3 2 2 1 1 表 面 側 表 面 側 表 面 室 温 欠 測 : 3: 6: 9: 12: 1: 18: 21: : 温 度 [ ] 4 4 3 3 2 表 面 側 表 面 側 室 温 2 : 3: 6: 9: 12: 1: 18: 21: : 図 - 冬 期 代 表 日 (2/22) 屋 気 象 と Case1 窓 廻 り 温 度 の 推 移 Fig. Temperature Fluctuation on Winter day [ ] 27. 2. 22. 2. 17. 1. 12. 1. 1 標 準 2 :Low-E 3 側 フィルム( 反 射 タイプ) 7. FL+2. FL+16 2. FL +6. -3 [mm] -2-1 1 2-3 [mm] -2-1 1 2 図 -6 夏 期 代 表 日 (8/27) 屋 気 象 と Case1 窓 廻 り 温 度 の 推 移 Fig. 6 Temperature Fluctuation on Summer day -3 [mm] -2-1 1 2-4 側 フィルム( 吸 収 タイプ) -3 [mm] -2-1 1 2 側 フィルム( 反 射 タイプ) 6 : 白 色 7 :グレー [ ] 27. 2. 22. 2. 17. 1. 12. 1. 7. FL+2. FL+16 2. FL +6. [mm] -3-2 -1 1 2-3 [mm] -2-1 1 2-3 [mm] -2-1 1 2 -[ 8 ( 白 色 ) -3 [mm] -2-1 1 2 図 -7 冬 期 (2/22 16:) 窓 廻 り 温 度 分 布 垂 直 面 日 射 量 182W/m2 Fig.7 Temperature Distribution of Window Section (Winter) [ ] 2.. 47. 4. 42. 4. 37. 3. 32. 3. 1 標 準 2 :Low-E 3 側 フィルム( 反 射 タイプ) ブライ ンド FL+2 FL+16 FL +6 27. 2. [mm] -3-2 -1 1 2 [ ] 2.. 47. 4. 42. 4. 37. 3. 32. 3. -3 [mm] -2-1 1 2 側 フィルム( 反 射 タイプ) 6 : 白 色 7 :グレー FL+2 FL+16 FL +6 27. 2. [mm] -3-2 -1 1 2-3 [mm] -2-1 1 2-3 [mm] -2-1 1 2-3 [mm] -2-1 1 2 4 側 フィルム( 吸 収 タイプ) -3 [m m] -2-1 1 2 8 ( 白 色 ) 9/1のデータ ブライン ド -3 [m m] - 2-1 1 2 図 -8 夏 期 (8/27 16:) 窓 廻 り 温 度 分 布 垂 直 面 日 射 量 1~7:42W/m2(8/27) 8のみ:366W/m2(9/1) Fig.8 Temperature Distribution of Window Section (Summer) 49-3
大 成 建 設 技 術 センター 報 第 43 号 (21) 2.3 各 部 位 の 温 度 分 布 図 - 6 に 快 晴 に 近 い 代 表 日 ( 冬 期 :21/2/22 夏 期 :29/8/27)の 屋 気 象 と Case1の 窓 廻 り 温 度 の 推 移 を 示 す 対 象 面 は 北 西 であり 西 日 により 夕 方 16 時 頃 が 窓 廻 り 温 度 のピークとなる 直 達 日 射 が 窓 面 に 照 射 する 時 間 帯 は 14 時 ~17 時 頃 であった また 実 測 条 件 としてのスラット 角 を 4 固 定 として いるため 太 陽 高 度 の 低 い 夕 方 には 直 達 光 により 側 の 温 度 も 上 昇 している 側 の 表 面 温 度 に 着 目 すると 冬 期 では 明 け 方 が 最 も 低 く 11 程 度 夕 方 の 西 日 が 差 込 む 時 間 帯 には 23 程 度 まで 上 昇 している 一 方 夏 期 では 明 け 方 2 程 度 夕 方 には 36 程 度 となっている 図 -7 8 には 冬 期 夏 期 それぞれ 16: の 窓 廻 り 温 度 分 布 (1:3~16:29 の 平 均 )を 示 す 冬 期 は 換 気 口 を 閉 じたモードとしているため 断 熱 性 が 向 上 し による 日 射 吸 収 の 影 響 もあり 側 表 面 温 度 が 室 温 に 近 い 値 となっている 仕 様 の 違 いに よる 側 表 面 温 度 に 大 きな 差 異 はなく ダブ ルスキンにすることで 日 中 には 十 分 に 皮 負 荷 が 低 減 できている 一 方 夏 期 は 換 気 口 を 開 けて 自 然 換 気 モードとして おり 仕 様 の 違 いにより 側 表 面 温 度 に 差 異 が 見 られる 側 を Low-E にした Case2は 側 の 側 表 面 温 度 が 3 程 度 に 抑 えられており からの 熱 貫 流 を 低 減 している にフィルムを 貼 付 けた Case3 4 では 室 側 フィルム( 反 射 タイプ)の Caseが 温 度 の 上 昇 を 防 ぎ 側 表 面 温 度 を 最 も 低 く 抑 える ことができている また Case1 6 7のブライン ドの 色 の 違 いでは 白 色 の Case6がスラットの 反 射 率 が 高 いため 日 射 吸 収 量 が 小 さく 表 面 温 度 側 表 面 温 度 ともに 低 い 結 果 となった 2.4 熱 性 能 値 実 測 結 果 をもとに 表 -4 式 (1)~(6)に 示 す 方 法 で 熱 貫 流 率 と 日 射 熱 取 得 率 を 算 出 した 熱 貫 流 率 について は 夜 間 の 日 射 がなく 温 度 が 安 定 している 時 間 帯 (: ~6:)のデータを 用 い 算 出 した なお Case8につ いては Case1( 標 準 )の 値 に の 熱 貫 流 抵 抗.4[m 2 K/W](カタログ 値 )を 加 えた 値 とした ま た 総 合 熱 伝 達 率 については 別 途 裏 面 に 断 熱 材 を 貼 付 けた 面 状 発 熱 体 を 窓 面 位 置 に 設 置 して 実 測 を 行 い 面 状 発 熱 体 の 発 熱 量 と 側 表 面 と の 温 度 差 から 求 めた その 結 果 今 回 の 対 象 空 間 での 表 -4 記 号 一 覧 Table 4 Symbol List η = ( I τ + I c ) / J o 式 (1) I τ = J i 式 (2) I c = α i ( θ si - θ I ) - I k 式 (3) I k = K ( θ o - θ I ) 式 (4) K = α i (θ si -θ i ) / ( θ i - θ o ) 式 () α i = q / ( θ si - θ i ) 式 (6) α o =( J o - J e ) / ( θ SAT - θ o ) 式 (7) η: 日 射 熱 取 得 率 [-] K: 熱 貫 流 率 [W/(m 2 K)] I t : 透 過 成 分 [W/ m 2 ] I c : 吸 収 再 放 熱 成 分 [W/ m 2 ] I k : 貫 流 成 分 [W/ m 2 ] J o : 屋 垂 直 面 日 射 量 [W/ m 2 ] J i : 垂 直 面 日 射 量 [W/ m 2 ] J e : 実 効 放 射 量 [W/ m 2 ] 日 射 熱 取 得 率.4.4.3.3.2.2.1.1. 換 気 口 α o : 側 総 合 熱 伝 達 率 α i : 側 総 合 熱 伝 達 率 θ o : 気 温 [ ] θ SAT :SAT 温 度 [ ] θ si : 表 面 温 度 [ ] θ i : 室 温 [ ] q: 面 状 発 熱 体 発 熱 量 [W/ m 2 ] 表 - 熱 貫 流 率 [W/(m 2 K)] Table Heat Transmission Coefficient 換 気 口 Case 1 2 3 4 6 7 8 開 2.88 1.37 3.42 2.7 2.72 2.63 2.97 2. 閉 2.22 1. 1.84 2.1 1.98 2.16 2.7 2.2 透 過 分 [W/(m 2 K)] [W/(m 2 K)] 開 閉 開 閉 開 閉 開 閉 開 閉 開 閉 開 閉 閉 1 標 準 吸 収 再 放 熱 分 2 Low-E 3 フィルム 4 フィルム ( 吸 収 ) フィルム 6 白 色 7 ク レー 8 フ ライ ント 測 定 期 間 中 の 冬 期 1~16 時 の 平 均 値 図 -9 日 射 熱 取 得 率 (スラット 角 4 ) Fig.9 Solar Heat Gain Coefficient 総 合 熱 伝 達 率 は 平 均 で 7.4[W/m 2 ]であった Case8 の については 郡 らの 研 究 1) を 参 考 に した 表 - に 熱 貫 流 率 を 図 -9 に 各 窓 のスラット 角 4 での 日 射 熱 取 得 率 ( 冬 期 1:~16: の 平 均 値 )を 示 す 熱 貫 流 率 については 側 を Low-E に した Case2の 値 が 小 さく その 他 の Case では 大 きな 差 は 見 られなかった また 換 気 口 を 閉 じることで 熱 貫 流 率 が 小 さくなることが 分 かった 次 に 日 射 熱 取 得 率 については Low-E の Case2が 最 も 小 さく 良 好 な 結 果 となった 側 フィルムの Case3と 側 フィルムの Caseを 比 較 すると 側 フィルムの 49-4
大 成 建 設 技 術 センター 報 第 43 号 (21) 場 合 透 過 分 は 低 減 できているが その 分 吸 収 再 放 熱 分 が 大 きくなっており 結 果 的 には 側 フィルムの 方 が 日 射 熱 取 得 率 を 低 く 抑 えることができる ブライ ンドの 色 の 違 いとして Case1 6 7を 比 較 すると 換 気 口 を 開 けた 時 には 透 過 分 と 吸 収 再 放 熱 分 の 割 合 は 変 わるもののその 和 である 日 射 熱 取 得 率 に 大 差 はない また の Case8はで 吸 熱 し た 熱 が に 放 熱 されるため 日 射 熱 取 得 率 は 高 い 2. 実 測 のまとめ 本 実 測 を 通 して 季 節 や 時 刻 変 動 また 部 材 の 組 合 せ による 熱 性 能 の 違 いを 把 握 した 今 回 対 象 とした 薄 型 ダブルスキンでは 標 準 仕 様 ( 換 気 口 : 開 )で 熱 貫 流 率 2.88[W/(m 2 K)] 日 射 熱 取 得 率.19 程 度 の 熱 性 能 を 実 測 値 として 得 た 側 を Low-E とす ることで 更 なる 性 能 向 上 も 可 能 であることが 分 かった 3. シミュレーション 3.3 CFD による の 計 算 CFD における 窓 の 形 状 モデル 作 成 において 気 に 面 するサッシ 形 状 については 風 圧 に 影 響 を 与 えるた め 再 現 する 必 要 があるが 開 口 部 廻 りについては 気 に 接 する 面 から 部 に 至 る 経 路 の 微 細 なサッ シ 形 状 を 再 現 するのは 現 実 的 ではないため 実 験 によ る 圧 力 損 失 特 性 を 再 現 するように 数 値 にて 与 えた 風 洞 を 模 擬 した 解 析 領 域 の 下 流 域 に 壁 面 の 一 部 に ダブルスキンユニットを 再 現 した 建 物 形 状 を 再 現 し 開 口 部 廻 りの 圧 力 を 観 察 した モデルの 概 要 を 表 -6 図 -11に 示 す 適 用 建 物 に 倣 い ダブルスキン 面 は 北 西 とした 36 開 口 部 ( 左 ) 観 察 対 象 ユニット 1 開 口 部 ( 右 ) 2 3.1 概 要 前 章 での 実 測 データをもとに 今 回 開 発 したプログラ ムの 精 度 検 証 を 行 うとともに 年 間 熱 負 荷 を 予 測 するこ とで 年 間 を 通 した 窓 システムの 性 能 評 価 を 定 量 的 に 行 う ダブルスキンにおける 温 度 差 換 気 と 風 圧 換 気 を 再 現 するため 1) 開 口 部 の 圧 力 特 性 実 験 2)CFD による 開 口 部 廻 りの の 算 出 3) 換 気 回 路 網 を 組 み 込 ん だ 熱 性 能 計 算 の 手 順 で 計 算 を 行 った 対 象 としたダブルスキンは ユニット 化 された 薄 型 ダブルスキン( 間 距 離 約 2mm)であり ユニッ トの 両 サイドに 配 置 している 縦 型 の 換 気 スリットに 特 徴 があり 温 度 差 による 上 下 方 向 の 換 気 に 加 え 風 圧 による 左 右 方 向 の 風 力 換 気 の 効 果 が 見 込 める( 図 -1) 本 研 究 では このダブルスキンが 適 用 された 事 務 所 用 途 建 物 を 対 象 として 実 験 解 析 を 行 った 本 ダブル スキンは 下 層 と 上 層 の の 連 通 が 可 能 であるが 本 検 討 では 単 層 区 切 りのモードを 対 象 とした 3.2 開 口 部 の 圧 力 損 失 実 験 CFD 解 析 に 先 立 ち に 対 する 換 気 開 口 部 の 圧 力 損 失 特 性 を 計 測 した 本 研 究 では 適 用 建 物 において 窓 ユニットのインナーサッシに 加 圧 ファンを 設 置 し 風 量 および 部 と 気 の 圧 力 差 を 計 測 した 気 に 面 する 開 口 部 の 見 付 け 面 積 に 対 し 流 量 係 数 は.39 であった 解 析 モデル 解 析 対 象 3ユニット 図 -1 解 析 概 要 Fig.1 Model of Analysis 表 -6 CFD による 建 物 周 囲 解 析 概 要 Table 6 CFD Analysis around Building 標 準 k-εモデル 解 析 領 域 D112 W4 H4 m( 風 上 側 22+ 風 下 側 9m) z 方 向 解 析 格 子 間 隔.3~2 [m] 対 象 建 物 ダブルスキン W9. D12. H16.2 m 1 ユニット W1 H36mm 4F(GL+11.7)に 3 ユニットを 再 現 解 析 格 子 間 隔 4~mm 接 近 風 軒 高 16.1m で 3.4m/s ( 横 浜 気 象 台 29 年 平 均 風 速 ) 粗 度 区 分 III(べき 指 数.2)を 設 定 風 向 対 象 建 物 4m 設 置 位 置 4m 風 洞 : 風 向 によって 回 転 112m 16.2m 12.m 9.m 北 西 面 対 象 ダブルスキン 3ユニット 4FL 図 -11 建 物 周 囲 解 析 概 要 ( 左 : 解 析 領 域 右 : 建 物 観 ) Fig.11 Model of CFD Analysis around Building 49-
大 成 建 設 技 術 センター 報 第 43 号 (21) 風 向 : 北 風 圧 観 察 点 換 気 スリット ( 左 側 ) 北 西 面 対 象 建 物 対 象 ダブルスキン 図 -12 建 物 周 辺 気 流 Fig.12 Airflow around building 換 気 開 口 側 側 換 気 開 口 4. 3.8 3.6 3.4 3.2 3. 2.8 2.6 2.4 2.2 2. 1.8 1.6 1.4 1.2 1..8.6.4.2. 風 速 [m/s] 風 圧 観 察 点 換 気 スリット ( 右 側 ) 圧 力 [Pa] 図 -13 ダブルスキン 開 口 部 - 廻 り 圧 力 分 布 (ユニット 平 断 面 ) Fig.13 Pressure distribution around Ventilation Opening and Cavity 換 気 スリット ( 左 側 ) 風 向 : 北 側 側 壁 面 近 傍 風 速 約 2.2m/s 換 気 スリット ( 右 側 ) 風 速 [m/s] 図 -14 ダブルスキン 開 口 部 - 廻 り 風 速 分 布 (ユニット 平 断 面 ) Fig.14 Airflow around Ventilation Opening and Cavity.86.82.78.74.7.4.38.36.34.32.3.28.26.24.22.2.18.16.14.12.1.8.6.4.2. トあたりの 風 力 換 気 による 換 気 風 量 を 図 -1 に 示 す 西 の 風 向 にて 換 気 開 口 の 左 右 に. の の 差 が 生 じ 約 7m 3 /h の 換 気 量 がある ダブルスキン 背 面 か らの 接 近 風 ( 東 北 東 ~ 南 南 西 )においては 換 気 量 が 少 な いが 正 面 方 向 からの 接 近 風 において 換 気 量 が 多 くな り 特 に 斜 め 4 ( 北 西 )からの 接 近 風 において 風 量 が 増 加 する 傾 向 が 見 られた 3.4 換 気 回 路 網 を 組 み 込 んだ 熱 性 能 計 算 ベースとした 熱 負 荷 計 算 プログラム LESCOM は 窓 部 材 の 入 射 角 特 性 の 取 り 扱 いが 可 能 であるが 本 研 究 にて 風 圧 温 度 差 を 考 慮 した 多 数 室 換 気 回 路 網 を 組 み 込 み の 換 気 量 により 窓 各 部 位 の 温 度 を 求 めダ ブルスキン 等 の 空 気 流 通 窓 の 計 算 を 可 能 とした 換 気 計 算 では を 上 中 下 3 分 割 とし ユニッ ト 両 サイドの 換 気 口 に 上 中 下 3 点 の 規 定 節 点 を 設 定 し 各 点 の と 気 象 データの 風 向 風 速 により 求 め た 風 圧 を 与 え 風 圧 と 温 度 差 による 換 気 量 を 計 算 した ( 図 -16) 温 度 計 算 では 直 達 光 拡 散 光 に 対 する 日 射 特 性 に より 部 材 への 吸 収 熱 量 を 算 出 し を 上 下 3 分 割 し 各 節 点 における 熱 収 支 計 算 を 行 った( 図 -17) はを 挟 んで 側 と 側 に 分 割 されているが 本 計 算 では 1 節 点 とし て 扱 った 換 気 量 と 温 度 は 4 回 の 反 復 計 算 で 十 分 な 収 束 値 を 得 た 換 気 開 口 左 側 換 気 開 口 右 側 ダブルスキン 気 上 上 気 上 NW NNW N NNE NE 軒 高 風 速 3.4[m/s] 気 中 中 気 中 WNW W WSW SW 風 量 [m3/h] SSW 2 4 6 8 1 S SSE SE ENE E ESE 右 開 口 左 開 口 左 開 口 右 開 口 右 開 口 左 開 口 対 象 建 物 ダブルスキン ユニット 建 物 窓 面 方 位 左 / 右 = 側 から 見 た ユニットの 換 気 開 口 位 置 図 -1 風 向 と 風 量 の 関 係 (ダブルスキン 1 ユニットあたり) Fig.1 Relation between Wind direction and Ventilation Air Volume 気 下 下 気 下 図 -16 換 気 計 算 モデル (1 ユニット) Fig.16 Calculation Model of Ventilation 日 射 日 射 吸 収 日 射 吸 収 日 射 吸 収 放 射 熱 伝 達 αrb 放 射 熱 伝 達 αrb 屋 熱 伝 達 対 流 熱 伝 達 対 流 熱 伝 達 熱 伝 達 αo αco αbc αbc αci αi 図 -12~14 に 北 向 き 風 向 における 建 物 周 辺 気 流 お よびダブルスキン 断 面 の 圧 力 風 速 分 布 を 示 す 北 西 を 向 くダブルスキン 面 は 巨 視 的 には 同 一 風 圧 になるが 微 視 的 にはユニットの 左 右 の 換 気 開 口 に 風 上 / 風 下 の の 差 が 生 じ 換 気 の 駆 動 力 となる 1 ユニッ θo θ1 θc θ2 θ3 CpρV/A 換 気 気 側 側 θi 図 -17 温 度 計 算 モデル ( 窓 断 面 モデル 3 層 の 場 合 ) Fig.17 Calculation Model of Ventilation 49-6
大 成 建 設 技 術 センター 報 第 43 号 (21) 表 -7 ダブルスキン 構 成 部 材 の 熱 性 能 Table 7 Thermal Performance of Double skin component 構 成 仕 様 側 FL12mm 透 過 率 69.3% 反 射 率 6.4% 吸 収 率 24.3% 幅 :2mm 換 気 口 : 夏 期 ( 開 ), 冬 期 ( 閉 ) シルバー 幅 :2mm 角 度 :4 反 射 率 68.7% 吸 収 率 31.3% 側 FL8m 透 過 率 76.% 反 射 率 6.8% 吸 収 率 16.7% 透 過 率 反 射 率 は 垂 直 入 射 時 の 値 単 層 で 空 気 流 通 するモードとした 気 象 条 件 表 -8 窓 廻 り 条 件 Table 8 Calculation Condition of Window 冬 期 (2/22 項 目 16 時 ) 夏 期 (8/27 16 時 ) 日 射 W/m2 182 41 気 温 度 11.9 29.3 温 度 22.2 26.2 風 速 m/s.9 1.3 風 向 - 東 南 東 東 側 総 合 熱 伝 達 率 W/(m2 K) 16.36 18.6 物 側 総 合 熱 伝 達 率 W/(m2 K) 7.41 7.41 性 面 対 流 熱 伝 達 率 W/(m2 K) 2.47.8 値 面 対 流 熱 伝 達 率 W/(m2 K) 2.47.8 放 射 熱 伝 達 率 W/(m2 K) 4.8.6 冬 期 ( 自 然 換 気 なし): 自 然 対 流 夏 期 ( 自 然 換 気 あり): 強 制 対 流 (ユルゲスの 式 )として 算 出 注 ) 上 記 の 各 値 は 実 測 値 (1:3~16:29 の 平 均 ) 換 気 開 口 左 側 37.2m 3 /h ダブルスキン 44.1 37.m 3 /h 換 気 開 口 右 側 3. 精 度 検 証 プログラムの 精 度 検 証 のため 夏 期 冬 期 の 実 測 値 との 比 較 を 行 った 屋 総 合 熱 伝 達 率 は 屋 上 に 設 置 し た SAT 計 から 総 合 熱 伝 達 率 は 窓 面 に 設 置 した 面 状 発 熱 体 の 表 面 温 度 から 求 めた 日 射 量 は 実 測 値 を 直 散 分 離 した 値 を 用 いた 各 構 成 要 素 の 熱 性 能 は カタログ 値 を 参 照 し 光 学 特 性 は 入 射 角 特 性 を 考 慮 し た 値 とした ダブルスキンの 概 要 窓 廻 りの 諸 条 件 を 表 -7, 8 に 示 す 測 定 対 象 面 は 北 西 面 であるので 西 日 により 窓 廻 り 温 度 がピークとなる 夕 方 16 時 頃 の 実 測 値 にて 比 較 した 図 -18 に 夏 期 の 各 層 の 換 気 量 と 温 度 の 計 算 結 果 を 図 -19 に 冬 期 夏 期 の 温 度 分 布 の 実 測 結 果 との 比 較 を 示 す 自 然 換 気 なしの 冬 期 では 精 度 よく 再 現 できている 夏 期 においては 強 い 日 射 照 射 により 壁 近 傍 の 空 気 温 度 が 気 温 度 よりも 上 昇 しているこ 注 とを 考 慮 し 入 力 気 温 度 を 以 下 の 式 で 設 定 した 1) 日 射 による 温 度 側 表 面 温 度 の 温 度 上 昇 の 傾 向 は 実 測 値 と 一 致 する 傾 向 が 見 られた 入 力 気 温 度 = 壁 面 温 度 β+ 気 温 度 (1-β) β=.2 1.6m 3 /h 上 層 73.6m 3 /h 42.4 中 層 69.m 3 /h 2.m 3 /h 33.7m 3 /h 34.m 3 /h 4.9 下 層 風 速 :1.3m/s 風 向 : 東 総 換 気 量 :74.2m 3 /h 換 気 回 数 :36.7 回 /h 図 -18 換 気 量 と 温 度 Fig.18 Ventilation Air Volume and Cavity Temperature 3.6 年 間 熱 負 荷 計 算 3.6.1 概 要 以 上 のプログラムを 用 い 表 -9 に 示 す 奥 行 き m の ペリメータを 窓 幅 1.m に 切 り 出 した 空 間 を 対 象 とし 表 -1 に 示 す 複 数 の 日 射 遮 蔽 手 法 について 年 間 熱 負 荷 の 比 較 を 行 った 対 象 Case には 前 報 に 対 応 する1~7 のダブルスキンの 仕 様 とともに Low-E 窓 の 室 側 にを 設 置 した 仕 様 (89)を 付 け 加 えた [ ] 3 3 2 2 1 1 4 4 3 冬 期 (2/22 16:) [ ] 夏 期 (8/27 16:) 実 測 上 実 測 中 実 測 下 計 算 実 測 上 実 測 中 実 測 下 計 算 上 計 算 中 計 算 下 ペリメータ ( 南 面 ) 窓 面 積 表 -9 年 間 熱 負 荷 計 算 対 象 空 間 概 要 など Table9 Condition of Annual Heat Load Calculation 幅 1.m 奥 行 き m 高 さ 3m 面 積 :7.m2 室 容 積 :22.m 3.4m 2 (= 幅 1.m 高 さ 3.6m) 人 体 発 熱 7.W (=47W/ 人.2 人 /m2 7.m 2 ) 導 入 気 量 4m 3 /h (=.2 人 /m 2 *7.m 2 *3m 3 /h 人 ) 家 具 熱 容 量 282.6kJ/K (12.6kJ/Km 3 ( 室 容 積 )) 照 明 機 器 発 熱 412.W (= 照 明 1+ 共 用 機 器 1+PC3 W/m 2 ) 上 下 階 条 件 空 調 室 気 象 データ 199 年 代 標 準 気 象 データ 3 2-3 -2-1 1 2 [mm] 図 -19 窓 廻 り 温 度 の 比 較 ( 上 : 冬 期, 下 : 夏 期 ) Fig.19 Temperature Distribution of window 49-7
大 成 建 設 技 術 センター 報 第 43 号 (21) 表 -1 窓 システムの 構 成 部 材 の 組 合 せ Table1 Combination of Window system Component Case 側 側 1 標 準 (ダブルスキン) FL12 シルバー FL8 2 側 Low-E FL12 シルバー LE +A2+FL 3 側 フィルム 貼 付 ( 反 射 型 ) FL12 シルバー FL8 +フィルム 4 側 フィルム 貼 付 け( 吸 収 型 ) FL12 +フィルム シルバー FL8 側 フィルム 貼 付 け( 反 射 型 ) FL12 +フィルム シルバー FL8 6 : 白 色 FL12 白 色 FL8 7 :グレー FL12 ク レー FL8 LE+A2+FL 8LowE 仕 様 (ク リーン) + + 側 白 色 LE8+A6+FL8 9LowE 仕 様 (クリア)+ + 側 白 色 各 反 射 率 : シルバー:62.2, 白 色 :68.7, ク レー:43. (%) フィルム 反 射 型 : 透 過 33./ 反 射 3./ 吸 収 37. (%) フィルム 吸 収 型 : 透 過 37./ 反 射 6./ 吸 収 7. (%) 年 間 窓 面 負 荷 ( 冷 房 ) [MJ] 年 間 窓 面 負 荷 ( 暖 房 ) [MJ] 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1, 8 6 4 2 2 1 1-1 標 準 1 標 準 吸 収 再 放 熱 分 + 貫 流 分 透 過 分 2 Low-e 2 Low-e 3 フィルム 吸 収 再 放 熱 分 + 貫 流 分 透 過 分 3 フィルム 4 フィルム ( 吸 収 ) 4 フィルム ( 吸 収 ) フィルム フィルム 6 白 色 6 白 色 7 ク レー 7 ク レー 冷 房 8 LE(ク リーン) + 暖 房 8 LE(ク リーン) + 図 -2 各 窓 の 熱 負 荷 比 較 ( 対 象 空 間 あたり) Fig.2 Heat load Comparison among Window variation 9 LE(クリア) + 9 LE(クリア) + 3.6.2 計 算 結 果 各 Case の 空 調 運 転 時 における 窓 面 負 荷 の 合 計 を 図 - 2 に 示 す Low-E の Case8,9は 空 調 運 転 時 間 帯 が 長 くなり ダブルスキンとの 差 が 生 じている 側 Low-E 仕 様 のダブルスキン2が 冷 房 負 荷 を 半 減 させて いる また 側 に 反 射 性 がある Caseは 暖 房 は 日 射 による 熱 利 得 が 減 ずるものの 冷 房 負 荷 は 約 24% 減 となる 効 果 がみられた 部 風 速 と 日 射 熱 取 得 率 の 関 係 を 図 -21 に 示 す 部 風 速 が 高 いと 換 気 が 促 進 され 日 射 熱 取 得 率 が 低 くなる 傾 向 があり Case1では 風 速 1~m/s で 約 1% 程 度 変 化 する 色 による 熱 負 荷 の 時 系 列 変 化 の 比 較 を 図 -22 に 示 す の 反 射 率 が 低 いと(Case7) で 日 射 が 吸 収 され 表 面 温 度 が 高 くなる が 透 過 日 射 が 低 くなるため 合 計 としての 熱 負 荷 に は 大 きな 差 がなかった 日 射 熱 取 得 率 [ND].3.2.1 1 標 準 2 Low-E フィルム 日 射 熱 取 得 率 近 似 式 1 -.74 V +.194 2 -.44 V +.17 -.8 V +.1 2 4 6 8 1 12 部 風 速 [m/s] 図 -21 部 風 速 と 日 射 熱 取 得 率 の 関 係 Fig.21 Correlation between Wind velocity and Solar Heat gain coefficient 日 射 量 [W/m 2 ] 温 度 [ ] 温 度 [ ] 熱 負 荷 [W/m 2 ] 6 4 3 2 1 38 36 34 32 3 28 26 24 22 2 42 4 38 36 34 32 3 28 26 24 22 7 6 4 3 2 1 気 象 条 件 空 調 時 間 帯 法 線 面 直 達 水 平 面 天 空 気 温 3 6 9 12 1 18 21 24 1 窓 表 面 温 度 6 窓 表 面 温 度 7 窓 表 面 温 度 1 温 度 6 温 度 7 温 度 表 面 温 度 温 度 3 6 9 12 1 18 21 24 1 透 過 日 射 分 6 透 過 日 射 分 7 透 過 日 射 分 1 日 射 負 荷 計 6 日 射 負 荷 計 7 日 射 負 荷 計 熱 負 荷 3 6 9 12 1 18 21 24 反 射 率 :1シルバー:62.2, 6 白 色 :68.7, 7ク レー:43. 図 -22 色 による 温 度 熱 負 荷 の 比 較 Fig.22 Comparison of Temperature and Heat Load on Blind Colors 49-8
大 成 建 設 技 術 センター 報 第 43 号 (21) 3.7 シミュレーションのまとめ 窓 システムの 年 間 熱 負 荷 計 算 において 開 口 部 の 圧 力 損 失 による 自 然 換 気 と 構 成 部 材 の 熱 光 学 特 性 を 考 慮 した 手 法 を 示 し フィルム ガ ラス 種 類 フィルム を 組 合 せたケースに ついて 検 討 を 行 った 4. おわりに 本 研 究 では や 空 気 流 通 層 などの 複 数 の 部 材 の 組 み 合 わせによる 窓 システムについて 実 測 によ る 検 証 を 行 い 熱 負 荷 低 減 効 果 に 関 する 知 見 を 得 た また これらの 窓 システムについて 気 象 条 件 の 変 化 を 考 慮 した 年 間 での 熱 性 能 の 予 測 評 価 を 可 能 にした 本 評 価 手 法 により 新 築 向 けの 窓 システムのみなら ず 既 存 窓 に 対 して 後 付 け 部 材 が 組 み 合 わされるよう な 省 エネ 改 修 検 討 にも 定 量 的 な 評 価 を 行 うことが 可 能 となった 注 1) 日 射 照 射 による 壁 面 発 熱 が 建 物 近 傍 空 気 に 及 ぼす 温 度 の 影 響 は 風 向 風 速 によって 大 きく 変 化 することが 予 想 され 更 なる 検 討 が 必 要 である 本 報 における 年 間 熱 負 荷 計 算 ではこれを 考 慮 しない 設 定 (β=)とした 付 録 本 実 測 では 屋 上 に 設 置 した SAT 計 の 計 測 値 から 表 -4 式 (7)を 用 いて 屋 総 合 熱 伝 達 率 を 算 出 し 近 似 式 を 求 めた( 付 図 ) 熱 負 荷 計 算 プログラムでは この 近 似 式 による 屋 総 合 熱 伝 達 率 を 用 いる 総 合 熱 伝 達 率 [W/(m2 K)] 4 4 3 3 2 2 1 1 y = 4.3672x + 14.48. 1 1. 2 2. 3 3. 4 4.. 6 6. 7 風 速 [m/s] 付 図 屋 総 合 熱 伝 達 率 と 屋 風 速 の 相 関 Appended Fig. Correlation of Outdoor Heat transfer coefficient and Wind velocity 謝 辞 本 論 文 を 作 成 するにあたり 日 本 大 学 の 早 川 眞 先 生 に 多 大 なご 指 導 を 頂 きました 御 礼 申 し 上 げます 参 考 文 献 1) 郡, 石 野, 熱 負 荷 計 算 のための 窓 性 能 値 に 関 する 研 究, 日 本 建 築 学 会 環 境 系 論 文 集, 26.2 2) 武 田, 吉 沢, 稲 沼, 磯 崎, 標 準 気 象 データと 熱 負 荷 計 算 プログ ラム LESCOM, 井 上 書 院, 2.4 3) 倉 渕 隆, 大 場 正 昭 他 局 所 相 似 モデルの 概 念 と 風 洞 実 験 による 検 証 : 通 風 時 の 換 気 量 予 測 法 に 関 する 研 究 ( 第 1 報 ), 日 本 建 築 学 会 環 境 系 論 文 集, 26.9 4) 早 川 眞, 高 層 建 築 の 自 然 換 気 のための 壁 面 風 圧 均 等 化 の 実 験 : (その 4), 日 本 建 築 学 会 学 術 講 演 梗 概 集, 28.7 ) 藤 村 淳 一 他 : 高 性 能 薄 型 ダブルスキンユニットの 開 発 空 気 調 和 衛 生 工 学 会 大 会 学 術 講 演 論 文 集 29.9 49-9