(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物の低層階から高層階を通って屋上へ抜ける堅穴と、この堅穴と各階のフロアとを連通する連通口とで形成する重力換気路を備え、
この重力換気路を経て各階から建物上方へ通風するように設けた多層建物であって、
この建物を、１つの階又は一連の階からなる複数のセクションＳ１、Ｓ２…に分割し、
かつ各セクションに対応して、上記堅穴４を、各セクションＳ１、Ｓ２…内の全ての階の連通口６と連通して屋上まで上方へ延びる通気穴１４…に分離したことを特徴とする、重力換気路を備えた多層建物。
【請求項２】
上記各通気穴１４は、一つの堅穴４の内部を仕切り壁１８で仕切ることで形成したことを特徴とする、重力換気路を備えた多層建物。
【請求項３】
建物の上位の１／３程度を占める上層階を少なくとも一つのセクションとして、それ以外の階層と別に換気するように構成したことを特徴とする、請求項１又は請求項２の何れかに記載の重力換気路を備えた多層建物。
【請求項４】
建物の各セクションに属する階数が、建物の下側から上側へ向かうとともに減少するようにしたことを特徴とする、請求項１から請求項３の何れかに記載の重力換気路を備えた多層建物。
【請求項５】
各セクションＳ１、Ｓ２…に対応する通気穴１４の有効開口面積を、下の階に比べて上の階ほど大きくなるようにしたことを特徴とする、請求項１から請求項４の何れかに記載の重力換気路を備えた多層建物。
【請求項６】
各セクションＳ１、Ｓ２…に対応する通気穴１４の有効開口面積に対して、当該セクションの全ての階の連通口６の開口面積の総和が小さくなるようにしたことを特徴とする、請求項１から請求項５の何れかに記載の重力換気路を備えた多層建物。
【請求項７】
高層建物の上層部を対象として据え付けられた専用の換気路又は低層建物の全階層を対象とする換気路の構造であって、
その対象階の各階に沿って屋上へ延びる上端開口の通気穴１４と、この通気穴と各階のフロアとの間に形成された連通口６とを含み、
上記連通口６の開口面積の合計ΣｉＡｉと通気穴１４の有効開口面積Ａｅとの比が次式を満たすように連通口又は換気路の開口面積を調整することを特徴とする、建物の換気路構造。
[数式１]  ΣｉＡｉ／Ａｅ＜Σi (２ｉ−１）0.5    （ｉ＝１、２、…ｎ）
但しｎは同一堅穴内の総階数とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重力換気路を備えた多層建物（高層建物を含む）に関する。
【背景技術】
【０００２】
高層建築物の省エネルギー型の換気方式として重力換気が知られており、高層建築物の低層階から高層階を経て屋上へ開口する縦の換気路（シャフト）を設け、この換気路内空気が煙突効果により上昇することで、各階の空気が換気路側へ吸引され、建物上方へ排気されるように構成されている（特許文献１）。
【０００３】
ところが各階の空気の吸引力は、これら各階と建物上端との高低差の平方根と換気経路の有効面積の積に比例することが知られている。従って建物の低層階に比べて高層階では吸引力が弱く、通風量が小さくなる。こうした建物の階層に応じた通風量のばらつきを小さくするために、各階から換気路（吹き抜け空間）への連通口を下階から上階にいくほど大きくすることが行われている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２０００−２１３１８４号
【特許文献２】特開２００７−２５１７号
【非特許文献１】「環境工学教科書」彰国社  １９９６年３月１０日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に堅穴内の圧力分布は次の数式２〜４により求まる。但し、Ｐtopは屋上の圧力（同一高さの大気圧を基準）、Ｐs(h)は屋上から△hだけ下降した位置の竪穴内の圧力、Ｐo(h)は屋上から△hだけ下降した位置の屋外の圧力、△Ｐ(h)は屋上から△hだけ下降した位置の竪穴内と屋外の圧力差、ρsは竪穴内の空気の密度、ρoは屋外の空気の密度、gは重力加速度である。
[数式２]  Ｐｓ（ｈ）＝Ｐtop＋ρｓｇΔｈ
[数式３]  Ｐo(h)＝0−ρoｇΔｈ
[数式４]   ΔＰ(h)＝Ｐs(h)−Ｐo(h)＝Ｐtop＋(ρs−ρo) gΔh
特許文献２の建物は、全ての階が一つの吹き抜け空間−煙突−を介して連通しているため、数式２を用いて吹き抜け空間内の負圧は図１２に示すように高さ方向に直線的に変化する。このために次のような問題が生じていた。
【０００５】
第１に、建物が高層になると、建物の高層階では建物内部の気圧と吹き抜け空間の気圧とが逆転して、吹き抜け空間側から高層階側へ空気が流入することがあるということである。そうすると、建物の低層階から排気された汚れた空気が高層階の内部へ流入し、悪臭などの弊害を生ずる可能性がある。
【０００６】
第２に、そうした気圧の逆転を生じなくても、煙突作用による換気作用は上に行くほど小さくなり、外部風がない状態では上層部の換気が不十分となる可能性がある。
【０００７】
本発明の目的は、建物を高さに応じて区画してそれぞれに重力換気を行うこと乃至換気路の上流側及び下流側の開口面積比を調整することで、気流の逆流を防止し、或いは各階の換気量のばらつきを小さくすることができる、重力換気路付きの多層建物及び建物の換気路構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の手段は、
建物の低層階から高層階を通って屋上へ抜ける堅穴と、この堅穴と各階のフロアとを連通する連通口とで形成する重力換気路を備え、
この重力換気路を経て各階から建物上方へ通風するように設けた多層建物であって、
この建物を、１つの階又は一連の階からなる複数のセクションＳ１、Ｓ２…に分割し、
かつ各セクションに対応して、上記堅穴４を、各セクションＳ１、Ｓ２…内の全ての階の連通口６と連通して屋上まで上方へ延びる通気穴１４…に分離している。
【０００９】
前述の通り建物の各階を一つの竪穴で連通させてしまうと、上層階と下層階との間の圧力は階数に比例して増大するので、階数が大きくなると、換気量の差が大きくなるとともに上層階での逆流を生じ易くなる。そこで本手段は、多層建物を複数のセクションに分割するとともに、各セクション毎に独立して換気を行うことを提案している。具体的には、建物の各階から建物の屋上へ到る換気用の竪穴を、各セクション毎に分離している。本明細書において「分離」とは、一つの竪穴を仕切って分割することと、予め複数の竪穴を通気穴として形成することとの双方を含むものとする。
【００１０】
「多層建物」とは、重力換気を行うのに適しており、かつ無風状態で竪穴から高層部へ空気が逆流する可能性がある高さを有するものをいう。煙突内の空気圧は前述の数式２に従うため、建物の階数よりも高さが問題である。従って２〜３階程度の階数が少ない建物でも、階高が大きければ本願にいう多層建物に該当し得る。
【００１１】
「セクション」は、建物のうち一つの換気路で換気を行う単位である。各セクション中の最下層と最上層との間に逆流を生じないように設計することが望ましい。建物を複数のセクションに分割することで、換気路内の縦方向の圧力分布は、図３のようになる。この説明については後述する。
【００１２】
「竪穴」は、建物の屋上に上端開口を有するものをいい、換気路専用として設計されたものに限らない。例えば建物のボイド（光庭）やガス管や給排水管を挿通した縦シャフトと兼用しても構わない。
【００１３】
第２の手段は、第１の手段を有し、かつ
上記各通気穴１４は、一つの堅穴４の内部を仕切り壁１８で仕切ることで形成している。
【００１４】
本手段では、一つの竪穴の内部を仕切り壁又は界壁で仕切っている。特に建物の内部に竪穴を設けるときには、ボイドや竪シャフトなどの既知の構成を利用して、それら竪穴の中に通気穴を集約することができる。
【００１５】
後述の図１〜２及び図７〜８の実施形態では、仕切り壁を、各セクションから順次上方へ延びる、多層状（多重筒状を含む）としている。このときの通気穴は、建物の中心を通る縦断面上で、各セクションからボイド内方へ、次に上方へ延びるＬ次形状に形成される。この構造のものは、規則正しい形をしているので、シミュレーションにより換気効果を予測し易いという利点がある。もっとも図９〜図１１の如く、竪穴内に縦筒状の仕切り壁を縦設してもよく、この場合には、材料が少なくてすむので安価に建設することができる。
【００１６】
第３の手段は、第１の手段又は第２の手段を有し、かつ
建物の上位の１／３程度を占める上層階を少なくとも一つのセクションとして、それ以外の階層と別に換気するように構成している。
【００１７】
建物の高層階では、外部風が強いために、十分な換気ができると思われ勝ちであるが、無風状態のときや風雨が吹き込まないように窓を閉めなければならないときには、別に換気の工夫をしなければならない。ところが、多層建物に重力換気方式を取り入れると、低層階に比べて高層階において快適性に問題を生じやすい。前述の通り換気量が低層階に比べて少ないとともに、竪穴側から居住空間へ空気が逆流する可能性があり、下・中層階から排出されたさまざまな生活臭（料理の臭いなど）が蓄積されて上層階内に流れ込むおそれがある。そこで本手段では、多層建物を低層階エリア・中層階エリア・高層階エリアの３つに分けて、高層階エリアを、少なくとも一つのセクションとして他のエリアから分割している。もちろんこの高層階エリアをさらに細かいく分割することもできる。
【００１８】
第４の手段は、第１の手段から第３の手段の何れかを有し、かつ
建物の各セクションに属する階数が、建物の下側から上側へ向かうとともに減少するようにしている。
【００１９】
前述の通り多層建物の重力換気では、低層階に比べて高層階側が快適性の点で問題を生じやすいので、本手段においては、上に行くほどセクションの区切り方を細かくすることを提案している。ここで階数の減少とは、５・４・３・２のような単調減少だけでなく、４・４・３・３・２…のように全体として減少傾向にあるものも含む。
【００２０】
第５の手段は、第１の手段から第４の手段の何れかを有し、かつ
各セクションＳ１、Ｓ２…に対応する通気穴１４の有効開口面積を、下の階に比べて上の階ほど大きくなるようにしている。
【００２１】
仮に建物の各階を別々の換気路を経由して重力換気したときの換気量算定式は次の通りとなる。ここでＱは換気量、αＡは、換気路の有効面積、ｇは重力加速度、ΔＨは当該換気路の上下両端の高低差である。また前述の如くρsは竪穴内の空気の密度、ρoは屋外の空気の密度である。
[数式５]   Ｑ＝αＡ√{(２／ρ)×(ρo−ρs)×g×ΔＨ}
建物の上層階で換気量が小さいのは数式３の右辺中のΔＨが小さいからである。従って、仮に全ての階を別々のセクションとして個別の換気路を設けたとしても、それだけでは未だ各階の換気量のばらつきのうち相当部分は解消されないことになる。そこで本手段では、各セクション毎に数式３のαＡを大きくして、換気量のばらつきを減らすことを提案している。
【００２２】
なお、上記数式５の適用において、流路中で流路面積が狭くなった場所（オリフィスという）が複数存在する場合には、従来公知のように有効面積を合成して相当開口面積を求めればよい。例えば有効面積がα１Ａ１、α２Ａ２の２つのオリフィスが直列に並んでいるときには、相当開口面積は、（α１２Ａ１２）−２＝（α１Ａ１）−２＋（α１Ａ１）−２で与えられる。またそれらオリフィスが並列に並んでいるときの相当開口面積はα１２Ａ１２＝α１Ａ１＋α１Ａ１となる（非特許文献１参照）。
【００２３】
第６の手段は、第１の手段から第５の手段の何れかを有し、かつ
各セクションＳ１、Ｓ２…に対応する通気穴１４の有効開口面積に対して、当該セクションの全ての階の連通口６の開口面積の総和が小さくなるようにしている。
【００２４】
本手段では、通気穴内の気流が各階のフロアへ逆流することを抑制する条件を提案している。一般には各階の空気が煙突効果により通気穴内を上昇していくが、連通口に比べて通気穴の上端の開口面積が小さいときには、空気が流れにくくなり、フロア側へ逆流する可能性がある。出願人は、１０階建ての建物のモデルを用いてシミュレーションを行い、通気穴の有効開口面積＞連通口の面積の総和という条件で、少なくとも５階までは逆流を生じないという結果を得た。
【００２５】
第７の手段は、
高層建物の上層部を対象として据え付けられた専用の換気路又は低層建物の全階層を対象とする換気路の構造であって、
その対象階の各階に沿って屋上へ延びる上端開口の通気穴１４と、この通気穴と各階のフロアとの間に形成された連通口６とを含み、
上記連通口６の開口面積の合計ΣｉＡｉと通気穴１４の有効開口面積Ａｅとの比が次式を満たすように連通口又は換気路の開口面積を調整することを特徴とする。
[数式１]  ΣｉＡｉ／Ａｅ＜Σi (２ｉ−１）0.5      （ｉ＝１、２、…ｎ）
但しｎは同一堅穴内の総階数である。
【００２６】
本手段では、高層建物の一部又は低層建物の全階層を対象として、連通口の総和と通気穴との面積比を限定することで、気流の逆転を防止することを提案している。好適な一例として高層建物を４階建て以上、低層建物を２〜３階建てとすることができる。なお、Σｉはｉが最小値のときからｉが最大値のときまでの各量の総和を表すものとする。例えばΣｉＡｉ  ＝Ａ１＋Ａ２…＋Ａｎである。
【発明の効果】
【００２７】
第１の手段に係る発   明によれば次の効果を奏する。
○多層建物を高さ方向に複数のセクションＳ１、Ｓ２…に分割し、各セクション毎に独自に重力換気することにしたから、各セクション毎の換気量をばらつきが少なくなるように調整することができる。
○各セクション毎の通気穴１４は相互に分離されているから、下のセクションからの排気が上のセクション内へ流入することを防止することができる。
【００２８】
第２の手段に係る発明によれば、一つの竪穴４を仕切ることで各セクション毎の通気穴を形成したから、ボイドや縦シャフトなど既存の竪穴を利用して換気を行うことができる。
【００２９】
第３の手段に係る発明によれば、建物の上層階を少なくとも一つのセクションとしたから、この上層階での気流の逆転の防止や換気量の調整を十分に行うことができる。
【００３０】
第４の手段に係る発明によれば、建物の上に行くほど、セクションの区切り方を細かくしたから、気流の逆流を生じやすい上層階側を重点的に換気設備を導入することができ、効率的である。
【００３１】
第５の手段に係る発明によれば、各セクションＳ１、Ｓ２…に対応する通気穴１４の有効開口面積を、下の階に比べて上の階ほど大きくしたから、上層階側の換気量が大きくなるように調整することができる。
【００３２】
第６の手段に係る発明によれば、各セクションＳ１、Ｓ２…に対応する通気穴１４の有効開口面積に対して、当該セクションの全ての階の連通口６の開口面積の総和が小さくなるようにしたから、気流の逆転を抑制することができる。
【００３３】
第７の手段に係る発明によれば、連通口６の開口面積の合計ΣｉＡｉと通気穴１４の有効開口面積Ａｅとの比がΣｉＡｉ／Ａｅ＜Σi (２ｉ−１）0.5を満たすようにしたから、気流の逆転をより確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図１から図３は、本発明の第１実施形態に係る多層建物２を示している。
【００３５】
本発明の構成のうち、まず従来公知の事柄について説明すると、上記多層建物２は、上端開口の換気用の堅穴４を有している。
【００３６】
この堅穴４は、建物の最下階から最上階を経て建物の屋上に開口している。図示の堅穴４は、ボイドを兼ねており、上方から見て建物の中心に位置している。堅穴４を形成する建物の内壁８に各階毎に連通口６を開口している。また建物の外壁１０には通気用の窓を開口している。図示例では、建物の内外両壁は、四角筒状に形成しているが、その構造は適宜変更することができる。
【００３７】
本発明においては、上記多層建物２を、２階ずつのセクションＳ１、Ｓ２…に分けて各セクションごとに重力換気を行うようにしている。即ち、各セクションに対応して上記堅穴４を複数の通気穴１４…に仕切り、各セクションの連通口６と通気穴１４とで重力換気路Ｐ１、Ｐ２…を形成している。
【００３８】
各通気穴１４は仕切り壁１８によって仕切られている。本実施形態では、これら仕切り壁１８は、各セクションの一番下の階の下端部から水平方向内側へ張り出した横壁１８ａと、横壁内縁から起立する縦筒部１８ｂとで形成している。各仕切り壁の縦筒部は図１に示すように多重筒状に間隔を存して重なっている。
【００３９】
ここでセクションＳ１に属する各階の連通口の開口面積を下から順番にＡ１１、Ａ２１…のように表わし、各連通口と通気穴１４の上端との間の高低差をｈ１１、ｈ２１…とし、各連通口での空気の密度をρ１１、ρ２１…とし、通気穴１４下端での平均圧力をＰｍとすると、各連通口から通気穴１４の上端へ流れる空気の流量にＱ１１、Ｑ２１…に関して、
[数式６]   Ｑ１１＝αＡ√［（２／ρ）×｛Ｐｍ−（ρ０−ρ１１）ｇｈ１１｝］
[数式７]   Ｑ１２＝αＡ√［（２／ρ）×｛Ｐｍ−（ρ０−ρ１２）ｇｈ１２｝］
が成立し、また２つの連通口から流れる空気の流量の総和ＱＴ１に関して
[数式８]   ＱＴ２＝αＡ√［（２／ρ）×｛Ｐｍ−（ρ０−ρＴ２）ｇｈＴ２｝］
が成立する。この式を解いてＰｍを求める。この処理を各セクションに関して行うと図３に示すような圧力分布が得られる。このときの圧力分布は同図に実線で示す如く傾斜しながら、各セクションの境目で不連続的に変化する。このため、仕切り壁を設けない場合の圧力分布（同図に一点鎖線で示す）に比べて、堅穴の上端と下端との間での圧力差が小さくなり、各セクションにおける換気量のばらつきを減少させることができる。
【００４０】
また上記通気穴は、図１に示すように上側のセクションに対応するものほど、通気穴の有効開口面積が大きくなるように設計されている。これによりさらに各セクションの換気量は均等に近づく。
【００４１】
次に図１及び図２の構成の多層建物において、堅穴から居住空間への空気の逆流防止の条件を検証するため、表１の条件でシミュレーションを行った。
【００４２】
【表１】
0005026178.tif 000002
【００４３】
図４は、横軸に風量（逆流時の風量を正とする）を、縦軸に階数をとったものである。図４（Ａ）は、ボイド（堅穴）の上部開口の面積が１００ｍ２、図４（Ｂ）は同面積が２００ｍ２、図４（Ｃ）は同面積が３００ｍ２、図４（Ｄ）は同面積が４００ｍ２の場合をそれぞれ表わしている。この表より上の階ほど逆流が生じやすいこと、及び、換気路の上部開口の面積に対する下部開口（連通口）の面積が大きいほど逆流を生じやすいことが判る。
【００４４】
図５は、同じモデルによるシミュレーションの結果を、風量（逆流時の風量を正とする）と換気路の上下開口の面積比とにまとめなおしたものである。図５（Ａ）は１０階の状態を、図５（Ｂ）は５階の状態を、図５（Ｃ）は１階の状態をそれぞれ表わしている。
【００４５】
１０階では、堅穴の上部開口の面積を代えた○、＊、△、□の４つのラインが重なり合っている。即ち、１０階の風量は、堅穴の上部開口の面積にはあまり関係なく、面積比に依存する。そして開口面積比（面積指数）が０．２５以下であればほぼ逆流を生じない。
【００４６】
他方５階と１階とは、同じ面積比では堅穴の上部開口の面積が大きいほど、風量はゼロに近づく（逆流しやすくなる）ことが判る。
【００４７】
以下本発明の実施例及び他の実施形態を説明する。その際既に述べた事柄と同じ構成に関しては同一の符号を付することで説明を省略する。
【００４８】
図６は、同じシミュレーションによるのもとで数式６〜８を用いて圧力分布を計算した結果を示すグラフである。●のラインは堅穴（ボイド）を分割しなかった場合、△のラインは堅穴を分割した場合の圧力分布を示す。堅穴の分割により、全体として上の階と下の階との換気量の差が少なくなっているのが判る。
【００４９】
図７及び図８は、本願第１実施形態の変形例であって、ボイド内部を多重筒状に分割する代わりに、建物の一側部に設けたソーラーチムニーの内部をフラットな層状に分割したものである。この場合にも下方のセクションに対応する通気穴ほど有効開口面積を大きくし、各換気路の換気量が均等に近づくようにしている。
【００５０】
図９から図１１は、本発明の第２の実施形態である。建物のボイド内面に各セクションＳ１、Ｓ２…の連通口６から屋上へ至る複数本のダクト２０を縦設し、このダクト内を通気穴１４としたものである。図示の例ではダクト２０の内部のみを通気穴としているが、それらダクト２０を除く堅穴部分を一つの通気穴として任意のセクションの換気に利用することもできる。本実施形態も堅穴であるボイドを複数の換気路に分割する例の一態様である。
【００５１】
これに対して建物の外壁面に上記のようなダクトを縦設することもできる。この場合には、一つの堅穴を分割するのではなく、予め分離した複数の堅穴を建物の外表面側に縦設することになる。
【００５２】
更に以上の説明では、１０階建ての高層建物を例にとったが、この１０階建ての建物のうち１０階・９階のセクションの構成を２階建て程度の低層建物に当てはめることができる。屋上からの高低差が同じ程度であれば同じような圧力分布となると期待されるからである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第1の実施形態に係る多層建物の平面図である。
【図２】図１の多層建物の縦断面図である。
【図３】図１の多層建物における圧力分布の説明図である。
【図４】図１の多層建物における階数と風量の関係をシミュレーションした結果を説明するグラフである。
【図５】図１の多層建物における面積指数と風量との関係をシミュレーションした結果を説明するグラフである。
【図６】図４〜図５のシミュレーションにおける圧力分布を計算した結果を示すグラフである。
【図７】図１の建物の変形例の平面図である。
【図８】図７の建物の縦断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る多層建物の平面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ方向の建物の縦断面図である。
【図１１】図９のＸＩ−ＸＩ方向の建物の縦断面図である。
【図１２】従来の建物の作用説明図である。
【符号の説明】
【００５４】
２…多層建物  ４…竪穴  ６…連通口  ８…内壁  １０…外壁  １４…通気穴
１８…仕切り壁  １８ａ…横壁  １８ｂ…縦筒部  ２０…ダクト
Ｓ１、Ｓ２…セクション
Ｐ１、Ｐ２…重力換気路  
【図１】
0005026178.tif 000003
【図２】
0005026178.tif 000004
【図３】
0005026178.tif 000005
【図４】
0005026178.tif 000006
【図５】
0005026178.tif 000007
【図６】
0005026178.tif 000008
【図７】
0005026178.tif 000009
【図８】
0005026178.tif 000010
【図９】
0005026178.tif 000011
【図１０】
0005026178.tif 000012
【図１１】
0005026178.tif 000013
【図１２】
0005026178.tif 000014