学術論文

日本ヒートアイランド学会論文集 Vol.13 (2018)
Journal of Heat Island Institute International Vol.13 (2018)

蒸発冷却利用の環境親和型クラディングのための基礎実験と予測計算
Basic Experiments and Simulation for Symbiotic Evaporative Cooling Cladding
吉浦 温雅*1Atsumasa Yoshiura

奥山 博康*1
Hiroyasu Okuyama*1 神奈川大学 Kanagawa University
Corresponding author: Atsumasa Yoshiura, yoshiura@kanagawa-u.ac.jp
ABSTRACTIn this study, basic experiments and predictive calculations using a terracotta wine-cooling pot were
performed to develop a cladding for evaporative cooling by internal water and to build a calculation model forpredicting the performance. A terracotta panel with hollows for external wall cladding is already found in themarket and possible development can be expected after some modification. Experiments on pots that accumulate
water showed that the surface temperature was lower than ambient temperature by about 5 °C in a room with
ambient temperature 20 °C and absolute humidity of 0.0044kg/kg'. The wetted area ratio of the outer surface of thepot filled with water was estimated to be 0.55 when the surface convective transfer coefficient of vertical windvelocity was 0.3 m/s. The results from the calculation model for predicting the evaporative cooling effect of the pot
were consistent with the experimental results.
キーワード:蒸発冷却,クラディング,基礎実験,シミュレーション
Key Words : Evaporative cooling, Cladding, Basic Experiments, Simulation

１.はじめにヒートアイランドの対策の一つとして，壁面を構成する部位に水を吸収させて蒸発冷却効果により壁面を冷却する方法が注目され，研究開発が進められている(1)～(12)．これらの方法は，蒸発冷却を生じさせる部位として，壁体自体(1)～(7)かルーバー(8)(9)または外装材(10)～(12)を選択するものの三種類に分けられる．そのうち，外装材に水を吸収させて蒸発冷却効果を得る方法は耐震性が高く，大きな面積で蒸発冷却効果が得られる方法として位置づけられる．こうした外装材から蒸発冷却効果を得る方法については，吸水・保水性だけでなく強度や軽量性に優れた，新たな材料の開発が必要となり，イニシャルコストの増大に繋がっているが，経済性を考慮した方法の提案研究はみられない．そのため，安全でかつ高性能な外装材から蒸発冷却効果を得る方法の普及を図る上では，既存の材料から製造された外装材を利用した，壁面の冷却方法の開発も重要な課題である．
そこで著者らは，既製品の素焼き外装材(13)の内部の空洞を貫通させて，導水空洞として利用する乾式外断熱工法の壁面の冷却方法を考えた．本研究では，この素焼きで内部に導水空洞を持つ外装材を「蒸発冷却利用の環境親和型クラディング」と呼ぶ．本蒸発冷却利用クラディングを用い-1-

図１ 蒸発冷却利用の環境親和型クラディングを用いた壁面の冷却方法の概要

た壁面の冷却方法の概要を図 1 に示す．導水空洞には間欠つ用意した．1 つめ壺は水を入れたポリエチレンの袋を密的に水を流下させて外装材に吸水させ，外装材の表面に滲閉し，水面からの蒸発も起こらないようにしたもの (以下出した水が蒸発することで，壁面の冷却効果を得る．十分

壺 1 と呼ぶ)，2 つめは水をポリエチレンの袋に入れた状態に外装材に水が含まれた後は給水を停止し，外装材に含まで壺に入れることにより，壺外表面からの蒸発冷却は起きれる水が蒸発することで，壁面の冷却効果を得る．外装材ず，壺の水面だけから蒸発するもの(以下壺 2 と呼ぶ)，3が乾いた後は給水を再開する．この方法の特徴は，1)外装つめの壺は水を入れ蒸発冷却するもの (以下壺 3 と呼ぶ)で材の内部に狭い間隔で設けられた空洞を導水空洞として利ある．それぞれの壺には水を 1Ｌ入れた．表 1 には測定項用することにより，壁面の全面において蒸発冷却効果が得目と測定機器を示している．壺外表面温度，壺内水温，室られること，2)市販されている外装材を転用することから，内温度の測定は T 型熱電対を用い，室内湿度は高分子膜抵十分な強度を保つことができ，3)新たな技術開発の必要が抗式の湿度センサーを用いて測定した．測定間隔は 1 分間ないため，イニシャルコストを抑えることができる点が挙隔として，測定期間を 2015 年 12 月 18 日 0:00 から 12 月げられる．本研究では，1)本蒸発冷却利用クラディングを21 日 0:00 までの 3 日間とした．尚，本報では水温の実験用いて壁面を冷却する方法の開発とその性能評価，および値が安定した 12 月 19 日 0:00 からの実験データを中心に実果を予測できる計算モデルの開発を試みる．

22室温

2120
温度[℃]

本報では，素焼素材のワイン・クーラー壺を環境親和型クラディングの導水空洞まわりの部分とみなして実施した，水を入れたワイン・クーラー壺の蒸発冷却効果を検討する基礎実験の結果と，その効果を予測する計算モデルの再現精度を検証した結果について報告する．

19181716

相対湿度

15

絶対湿度[kg/kg']

２．素焼きの壺を用いた蒸発冷却効果の実験
2.1 実験の概要
実験は神奈川大学横浜キャンパスの実験室内で行った．
実験に使用した素焼きのワイン・クーラー壺(14)の内径φは120mm，高さは 175mm である．この壺でワインを冷やす

1490807060504030201000.008
絶対湿度0.006
0.004
0.002
0.000

21

次にワインが入った瓶を壺の中に入れ，蒸発しきった頃に20ワインは適度に冷えるというものである．

19温度[℃]

手順は，まず壺全体を水に浸して，壺の中の水を捨てる．

図 2 には，実験時の様子を示している．実験には壺を 3

室温

壺1外表面

18

壺2外表面

17

壺3外表面

161514
外表面温度の差[℃]

室温計測点
湿度センサー

壺1壺2

壺3

蒸発面無蒸発 1 面

蒸発 2 面‐1
壺2外表面－壺1外表面‐2‐3

壺3外表面－壺2外表面‐4‐5

壺3外表面－壺1外表面

‐6
室温

壺1水温

2120

温度[℃]

図２ 実験時の様子
表１ 測定項目と測定機器
測定項目

測定機器

1918

壺2水温

17
壺3水温

16

測定間隔15室温
壺外表面温度
壺水温T 型熱電対湿度(室内)高分子膜抵抗式湿度センサー

141分

244812 16 20 244812 16 20

図３ 壺外表面温度と水温等の時間変化-2-時刻

相対湿度[%]

2)本蒸発冷却利用クラディングにより得られる蒸発冷却効

次に壺内の水温を見ると，壺 1 の水温は外表面温度と同験結果を報告する．

様に 20°C 程度で推移している．壺 2 と壺 3 の水温とも，2.2 実験の結果夫々の外表面温度と比較して，わずかに低く推移する傾向

図 3 には壺 1，2 と 3 の実験結果を示している．測定期間が見られる．壺 2 の水温は壺 1 と比較して 0.7°C 程度低いの室内の相対湿度は 30％程度，室内温度は 20°C 程度で保状態で推移しており，壺 2 の水面からの蒸発冷却が水温のたれている．また室内の絶対湿度を見ると 0.0044kg/kg’程低下に影響を及ぼしていることがうかがえる．

度に保たれていることが分かる．壺 1 の外表面温度は，室温と同程度で推移している．壺 2 の外表面温度は壺 1 の外

３. 蒸発冷却効果の予測計算

表面温度をわずかに下回って変動し，最低で 19°C 程度まで低下している．壺 3 の外表面温度は 3 つの壺のうち最も3.1 予測計算のモデル低くなり，最低で 15°C 程度まで低下しており，蒸発冷却汎用数学モデル(15)を用いることにより，熱と水蒸気の移効果の大きさが示される．実験期間中の壺 3 外表面の濡れ動の構造を，回路網モデルとして自由に組め，蒸発冷却も具合は，全体が液相の水に覆われてはおらず，乾いた状態考慮できる予測計算プログラム NETS を用いて簡単なモデから少し色が濃く見える程度に濡れていた．

ルを構築した．伝熱の構造すなわち熱流収支の連立方程式

次に，測定期間中の各壺の外表面温度の差を見ると，壺の構造は回路網モデル図にあらわされている．数学モデル

2 の外表面温度は，壺 1 と比較して 0.5°C 程度低下しておは対象物にかかわらず常に同じである．本章では実験値とり，壺の水面からも蒸発冷却が生じていることが分かる．

計算値の比較を行い，本モデルによる蒸発冷却効果の再現

壺 3 の外表面温度は，壺 2 と比較して 4°C 程度低下してい精度を検討する．

ることから，壺の内部の水が外表面に浸透することによっ作成した三つの壺の熱・水蒸気回路網を図 4 と 5 に示す．て生じる蒸発冷却効果が認められる．壺 3 の外表面温度は，熱回路網の黒丸は熱容量を持つ節点，白丸は熱容量を持た水面と外表面から蒸発冷却が生じることにより，壺 1 と比ない節点を表す．二重丸は境界条件である室内温度を与え較して 5°C 程度低くなっている．

る節点である．これらの節点間には一般化熱コンダクタン

壺1 蒸発面無 (顕熱のみ)

壺2 蒸発1面(水面のみ)

壺3 蒸発2面(水面と外表面)

図４ 計算プログラム NETS の熱回路網

壺1 蒸発面無 (顕熱のみ)

壺2 蒸発1面 (水面のみ)

図５ 計算プログラム NETS の水蒸気回路網-3-

壺3 蒸発2面(水面と外表面)に示される対流熱伝達率を無次元数のべきの積の形で表す
公式から，水温を 20°C，代表長さを壺の高さ 0.175m として求めたものを設定した．室内の温・湿度の境界条件は測定値を与えた．室温の平均は 20.0°C で，計算条件として湿度は絶対湿度を与え，絶対湿度の平均は 0.0044 kg/kg’である．また室内の湿球温度は平均で 11.0°C となる．不確かな
湿気伝達率と濡れ面積率は，図 7 に示す手順に従って推定した．尚，NETS では湿気伝達率などの単位に絶対湿度系を用いる．
まず，壺 2 の水温の計算結果が実験結果と一致するよう

図６ 熱・水蒸気回路網の詳細に水面の湿気伝達率を調整して，1.25×10-3kg/m2･s･(kg/kg’)
壺の熱伝導率
壺の容積比熱室内側熱伝達率
壺内側熱伝達率
室内温・湿度表２ 計算条件と推定した．次に，壺 3 の水面にも同じ湿気伝達率を設定

0.6395W/m･K
1423kJ/m3･K
9.3W/m2･K132W/m2･K測定値した．そして，壺 3 の外表面の濡れ面には，文献(17)の風速 0.3m/s での垂直面における湿気伝達率 34.7×10-9kg/m2･s･Pa を 16.7g/m2･h･mmHg と単位換算したうえで，1.20(18)を乗じて絶対湿度系の 20.0g/m2･h･(g/kg)と変換し，単位換算を行い得られた 5.55×10-3kg/m2･s･(kg/kg’)を設定した．
最後に，水温の計算結果が実験値と合うように濡れ面積率

壺2の水面の湿気伝達率

壺3の水面の湿気伝達率

水温の計算結果が実験結果と一致するように水面の湿気伝達率を調節する．

を調整し，これを 0.55 とした．この濡れ面積率は，素焼素材の壺と同等の透水性を有す，室内条件下の本蒸発冷却利用クラディングにおいて適用できると考えられる．これら

求まった壺2の水面の湿気伝達率を壺3の水面に設定する．の計算に用いた湿気伝達率と濡れ面積率を表 3 に示す．
NETS 内では，伝熱，換気，水蒸気(ガス)移動の各回路網

壺3の外表面の湿気伝達率

壺3の外表面の濡れ面積率

位置:垂直面 設定条件:風速0.3m/sの湿気伝達率を壺3の外表面に設定する．

モデルの節点番号の対応配列を持つことで，これら三つの系の連成を可能にしている．ただし同時的連成ではなく計算時間間隔 Δt の遅れを伴う連成となる．水蒸気回路網の蒸水温の計算結果が実験結果と一致するように外表面の濡れ面積率を調節する．

発面節点は，対応する熱回路網節点の温度における飽和絶対湿度を持つ．この雰囲気の空気の絶対湿度との差に湿気一般化コンダクタンスを乗じて蒸発量が計算される．蒸発

図７ 湿気伝達率と濡れ面積率を推定した手順

潜熱は，蒸発面温度を θ として，(2501.1 + 1.846 θ) kJ/kg を乗じて冷却量を計算する(19)．冷却量は熱回路網に与えられ

表３ 計算に用いた湿気伝達率と濡れ面積率
水蒸気圧系
絶対湿度系
位置
[kg/m2･s･Pa][kg/ m2･s･(kg/kg’)]
水面
7.81×10-9
1.25×10-3-9
壺 3 外表面34.7×10
5.55×10-3
濡れ面積率0.55て温度が計算される．これらの相互影響の計算は，二者の系で Δt の遅れを持って考慮され，非定常の計算を進めていく．もし定常計算をする場合には，両者の節点容量は 0 にセットされ，二者の系の繰り返し収束計算が行われる．
3.2 予測計算の結果

スを与える．室内温度を与える節点に対応する水蒸気回路

非定常の予測計算は，実態と異なる初期温度から始めな網の二重丸は，室内絶対湿度を与える節点である．壺 3 のければならないので，実験値との比較には 2 日目以降の計外表面については，濡れ面と乾き面が斑に混成している様算結果を用いる．図 8 に示す様に，各壺の表面温度の計算子を考慮して，モデル化を行った．壺 3 の外表面の熱と水値の変動は実験値とよく一致しており，予測計算プログラ

蒸気移動の回路網モデル其々について，拡大して描いたもム NETS を用いた本モデルは，単純なモデルながらも十分のを図 6 に示す．水蒸気回路網の濡れ面の節点は，対応すな再現精度を有していることが認められる．

る熱回路網の節点の温度における飽和水蒸気膜を表す．白

次に壺内の水温の実験値と計算値を見ると，壺 1 と壺 2

丸は湿気容量を持たない節点であり，本モデルでの乾き面

では実験値と計算値との差異は 0.1°C 程度と計算値と実験を表す．水蒸気回路網の濡れ面の節点と雰囲気の空気の節値はよく一致している．しかし，壺 3 の水温の実験値と計点間には，外表面の面積の内に濡れ面の面積が占める割合

算値とでは 0.4°C 程度の差異が生じている．これは，実験である濡れ面積率と外表面積および湿気伝達率を乗じて得時に壺 3 では他の壺と比較して大きな冷却が起こったことられる一般化湿気コンダクタンスを与える．

により，壺内の水温に大きな上下分布が生じ，測定点の水表 2 には，計算条件を示す．壺内側熱伝達率は，文献(16)温が壺内の平均的な水温よりも低くなり，壺内の平均的な-4-21を流下させるため，導水空洞内に水温の上下分布は生じな

20いと推測される．

19

また壺 1 では，実験値で見られる室温変化に対する壺表面と水の温度変化の時間遅れが，予測計算モデルでも再現

室温

181716

できていることから，予測計算モデルに設定した壺の材料
絶対湿度[kg/kg']の比熱と密度と熱伝導率等が適切であったことが示される．
４．まとめ
本報では，蒸発冷却利用の環境親和型クラディングの内相対湿度

15149080706050403020100相対湿度[%]22

本蒸発冷却利用クラディングの場合には，導水空洞内に水温度[℃]水温を表す計算値と差異が生じたためと考えられる．尚，

0.008
絶対湿度

0.006
0.004
0.002

部にある導水空洞まわりの部分とみなした，素焼素材のワ

0.000

イン・クーラー壺の蒸発冷却効果を検討する実験を実施し21

壺1外表面実験値
壺1水温実験値

20

温度[℃]た．そして，その効果を予測する計算モデルの再現精度について検証を行い，以下の知見を得た．
1)室温が 20°C，絶対湿度が 0.0044kg/kg’の実験室内で，水1918

壺1外表面計算値
壺1水温計算値

17

面と外表面から蒸発が生じる壺 3 の外表面温度は 15°C16程度まで低下していた．また，外表面が乾いた状態の色15と比べ少し濃くなる程度に濡れた壺 3 の外表面温度は，14壺の外表面から蒸発が生じない壺 2 の場合と比較して

21

壺2外表面実験値
壺2水温実験値

20

温度[℃]4°C 程度低く，浸透した水の蒸発による冷却効果が認められた．
2)実験値と計算値との比較検討を行った結果，水面と外表

1918
16

伝達率を風速 0.3m/s の条件下の垂直面における文献値

15-9kg/m2･s･Pa を用いた場合で 0.55 と推定された．

1434.7×10

おり，汎用数学モデルを用いる予測計算プログラム

20

温度[℃]

3)壺の外表面温度と水温の計算値は実験値とよく一致して

21

NETS により構築された本計算モデルは，十分な再現精度を有していることが確認された．

壺2外表面計算値
壺2水温計算値

17

面から蒸発が生じる壺 3 の外表面の濡れ面積率は，湿気19

壺3外表面実験値
壺3外表面計算値
壺3水温計算値
壺3水温実験値

18
17以上から，本研究で開発を試みる素焼き素材の外装材の16内部に狭い間隔で設けた導水空洞内に水を間欠的に流下さ15せる方法は，壁面を冷却する有効な方法になると期待され1424る．また，本報で示した予測計算のモデルは，十分な再現

4812 16 20 24

4812 16 20時刻

図８ 表面温度と水温の実験値と計算値との比較精度が認められたことから，モデル化の対象を導水空洞まわりの部分から実大の外装材の範囲に拡張することにより，謝辞

環境親和型クラディングが発揮する蒸発冷却効果を予測す

本報の実験と予測計算は，神奈川大学 2015 年度の卒業研ることが可能であると考えられる．

究として，渡辺慎により行われました．

今後は，給水停止時の本蒸発冷却利用クラディングの蒸発冷却効果を予測する計算モデルを構築し，給水時と給水停止時とをモード変化させた計算を行い，本蒸発冷却利用

参考文献

クラディングを用いた壁面の冷却効果を検討する．そして，(1) 白井一義・梅干野晁・堀口剛，透水性孔あきレンガを用いた蒸試験壁体を対象として屋外実験を行い，適切な導水空洞内発冷却壁体の開発，日本建築学会計画系論文集，487(1996)，に流す水量および素焼き外装材の透水性を確認する．さらpp.61-68.に，屋外実験の結果から取得した湿気伝達特性のデータを(2) 白井一義・梅干野晁・永田達也・小栗健，透水性孔あきレンガ用いて，本蒸発冷却利用クラディングの蒸発冷却効果を予の通気孔形状と通気・冷却性能の関係 透水性の孔あき壁体を測する計算モデルについて検討を行う．

利用した蒸発冷却による屋外・半屋外快適空間の形成 その 1，
日本 建築学会計画系論文集，509(1998)，pp.9-14.
(3) 白井一義・梅干野晁・小栗健・永田達也，パッシブクーリング-5-ウォールの半屋外空間における微気候形成効果

透水性の孔あき壁体を利用した蒸発冷却による屋外・半屋外快適空間の形
成 その 2，日本建築学会計画系論文集，527(2000)，pp.21-27.
(4) 小栗健・梅干野晁・白井一義・奥田知康，蒸発冷却機能を持つ孔あきレンガ壁体により形成される微気候の予測に関する研究，日本建築学会計画系論文集，532(2000)，pp.101-108.
(5) 白井一義・梅干野晁・小栗健，パッシブクーリングウォールにより構成された空間における涼しさの評価

透水性の孔あき壁体を利用した蒸発冷却による屋外・半屋外快適空間の形成
その 3，日本建築学会計画系論文集，552(2002)，pp.15-20.
(6) 梅干野晁・何江・小川俊輔・安藤純一・山村真司・赤川宏幸・
中島古史郎・岡田清・倉田泰輔，高揚水性セラミック材を用いた蒸発冷却壁体システムの開発製作したセラミック材の基

本性能と試験壁体の冷却効果等の把握実験，日本建築学会環境系論文集，641(2009)，pp.775-782.
(7) 平山由佳理・浅輪貴史・梅干野晁，親水・吸水性塗膜を施した
表面濡れ性が高いパッシブクーリングルーバーシステムの開発と屋外実験による基本性能の把握，日本ヒートアイランド学会論文集，10(2015)，pp.64-71.
(8) 平山由佳理・太田勇・梅干野晁，CFD 解析結果の重ね合わせによる風向変化を考慮した冷気の空間分布予測―蒸発冷却壁体を用いた半囲み空間への適用―，日本ヒートアイランド学会
論文集，10(2015)，pp.24-34.
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バイオスキン，建設の施工企画，

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(12)株式会社竹中工務店・株式会社興人・石川幸雄・岡洋，水分蒸発冷却屋根・壁体構造，公開特許公報(A)(2008).
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http://www.hi-ho.ne.jp/nichigo/hwp7-1.htm，2016 年 5 月 13 日閲覧(15)奥山博康，建築物の熱回路網モデルに関する理論的研究，早稲田大学学位論文(1987).
(16)木村建一，建築設備基礎，国際人間環境研究所，pp.49-52(17)田中俊六 他，最新建築環境工学 改訂 4 版，株式会社井上書院，p.246(18)木村建一，前掲文献，pp.28-29(19)田中俊六 他，前掲文献，p.251(Received October 30, 2017, Accepted July 4, 2018)-6-