技術研究報告第 45 号 2019.11

戸田建設株式会社

オフィス建築を対象とした環境創造技術に関する実証研究（その 5）自然換気の給気口高さが室内環境に及ぼす影響
EXPERIMENTAL STUDY TO ACHIEVE THE OPTIMAL ENVIRONMENT FOR OFFICE BUILDINGS
Part5 Influence of air inlet height of natural ventilation on indoor environments

伊 藤 優*1，浅 野 涼 太*1, 村 江 行 忠*2，竹 中 優 揮*3，栗 木 茂*3
Yu ITO, Ryota ASANO, Yukitada MURAE, Yuki TAKENAKA and Shigeru KURIKI

With regard to the natural ventilation system of the demonstration building, measurements were made in the autumn of 2017, and the effect of the air inletheight on the indoor environment was verified. In the autumn of 2018, air supply under the ceiling was measured again in order to study how to make the airflow reach the indoor side more effectively. In addition, numerical analyses were performed to compare the effects of the air inlet height on the indoorenvironment, including additional patterns. In the numerical analysis, the patterns of the air supply under the ceiling were compared. The following findings
were obtained from those results.
1. From the measurements, the air flow extended to the far side of the office room from the air supply under the ceiling as well as the upper air supply, theroom was ventilated, the temperature difference between the upper and lower was small, and favorable trends were also seen in the thermalenvironment.
2. From the numerical analysis, it was suggested that air flow under the ceiling air spread to the task area more than the pattern of air supply methods, andthe difference between the temperature difference above and below and the age of air were small, and a reasonable environment was created.
3. Although the patterns of air supply under ceiling were compared by numerical analysis, the coanda effect flowing along the ceiling surface was notclearly seen.
模擬自然換気ファン
Keywords : Experimental building, Natural ventilation, measurements, Simulation, Ventilation volume, Temperature, Velocity, Age of air
実証建物，自然換気，測定，解析，換気量，温度，風速，空気齢

階段室

1. はじめに事務室5 模擬自然換気ファン
模擬自然換気ファン

RFL

筆者らは，実証建物の自然換気システムについて実証測定を行い，給気口位置の高さが温熱分布や風速分布などといった室内環境へ階段室階段室及ぼす影響を検証している．既報 1)では，2017 年秋期の測定結果を

事務室5
事務室5
事務室5
模擬自然換気ファン
事務室２

示し，上段開口から外気導入する場合は下段開口から外気導入する

階段室

2FL

場合に比べ，室内奥側における上下温度差が小さく，また風速が大きかったことから，良好な室内環境を形成できる可能性を報告した．

階段室

そこで，より効果的に室内側へ気流を到達させる方法の検討を目

事務室2
事務室5
事務室２
事務室２

的に，2018 年秋期には天井面より下部にある開口から外気を導入す

1FLる追加パターンの測定を行った．

GL

また追加パターンも含め，数値解析によって，自然換気のシステ
ムの給気口高さによる室内の温度分布，風速分布，空気齢分布の比事務室２較も行った．本報ではこれらの結果を報告する．

図 1 実証建物自然換気概要

2. 環境技術実証棟における自然換気実証概要

ふさぐ

Case1
上段

2.1 自然換気方法

Case4
天井下

図 1 に実証建物自然換気概要を示す．実証建物の薄型ダブルスキンの外装を有する 1F の事務室 2 および 2F の事務室 5 においては，

Case2
中段4 箇所の換気パネルが設置され，上下方向に 4 種類の開口があり，ふさぐ

そこから外気を取込める．事務室内からは照明器具レタンスリット
Case3
下段を介し天井裏パスダクトを通って階段室に流れ，階段室頂部の排気口へと抜ける．また，事務室 5 には模擬自然換気ファンが設置され(1)Case1～3ており，事務室 2 の自然換気量(パスダクトの通過風量)と同じ風量(2)Case4
図 2 給気概要を排気することができる．
*1 戸田建設㈱技術開発センター 修士（工学）Research and Development Center, TODA CORPORATION, M.Eng.

*2 戸田建設㈱技術開発センター 工学修士

Research and Development Center, TODA CORPORATION, M.Eng.

*3 戸田建設㈱技術開発センター

Research and Development Center, TODA CORPORATION

3-1

オフィス建築を対象とした環境創造技術に関する実証研究 (その 5)

表 1 検討ケース

2.2 検討ケース
検討対象は 1F の事務室 2(7.2m(W)×10.2m(D)×2.9m(H)，床面積

Case 名給気位置給気口面積[m2]測定実施時期

Case1

上段

0.135×4=0.542017 年秋期 1)

Case2

中段

0.383×4=1.534

2017 年秋期 1)

Case3

下段

0.135×4=0.542017 年秋期 1)

Case4

天井下0.055×4=0.22

2018 年73.44m2，室容積 212.9m3)とした．図 2 に給気概要を，表 1 に検討
ケースを示す．Case1～3 は実証建物据え付けの 3 種類の開口部を比較検討したものである 1)．
Case4 は新たに追加したケースである．Case1 上段開口室内側の天井面をふさぎ，Case2 中段開口のうち上側だけ開放しさらにその椅子･電気毛布N上半分のみから外気を導入するものである．天井面に沿って室内へ湿気発生装置

パスダクト(天井裏)空気が流れるコアンダ効果を期待した．
243.1 測定概要

1(1) 測定項目

13. 実測検討1068234535797,200

給気口廊下

階段室: 風速
2 : 風速(移動)Case1～3 は 2017 年秋期に実施し 1)，Case4 の測定は 2018/11/19～
1,600

10,20012/4 のうち 7 日間実施した．

: 温度
4 : 上下温度2,800

図 3 測定点

表 2 に測定項目を，図 2 に測定点を示す．外気の温度・風向風速，
1400600した．また，開口付近で内外差圧を取り，気流の流出入を確認した．

1200

500

測定日の 10:30，13:30，16:30 には，図 3 中の△1～10 の位置のFL+600mm において，風速計(クリモマスター風速計 Model 6500A，無向性風速プローブ 6543-21，カノマックス)を持ち歩く移動測定により室内風速分布を測定した．
1s ごとに60s 間データを取得し，

1000

換気量[m3/h]

換気量[m3/h]

各開口部断面中心の風速・温度，室内の風速，上下温度分布を測定

800
600400593
442 419400379300
200200

10000

平均した．
(2) 測定条件
事務室内の顕熱負荷は，椅子に設置した電気毛布により人体発熱(1)日別
図 4 平均換気量分を模擬した(60W/ヶ所×8)．潜熱負荷については，4 人分/台(90ml/人･h)の水蒸気発生装置を室中央部に 2 台置くことで模擬した．こ(2)全期間表 3 各ケース代表日 13:30 の換気量･面風速･外部風速比

れらは，在室時間を 8:00～18:00 と想定してタイマー制御にて稼働させた．

Case2

Case3

Case4

(上段)

(中段)

(下段)

(天井下)

換気量[m3/h]

212416376442

給気口面風速[m/s]

0.42

0.44

0.45

0.77

0.57

0.16

0.140.33

自然換気の開口は 8:30～17:30 に開放した．開口は，温湿度や外部風速条件による自然換気有効･無効の設定をせず，降雨が無い限り一日中自然換気を継続した．

Case1

3.2 測定結果

面風速の(1) 換気量

外部風速に対する比図 4 に，日別および全期間の平均平均換気量を示す．なお，換気量は天井裏パスダクト中心断面で測定した風速に，断面積を乗じて
表 2 測定項目
項目箇所
開口部断面

風速

温度

給気口×4, パスダクト, 排気口(屋上)×2

室内

FL+600mm ×3 点

室内(移動測定)

FL+600mm ×10 点

指向性風速プローブ 0962-00（KANOMAX）
無指向性風速プローブ 0965-01（KANOMAX）
無指向性風速プローブ 6543-21（KANOMAX）

サンプリング
1min 間隔
1min 間隔
1s×60

外気(屋上)

RFL+2,400mm

気象観測装置1min 間隔

開口部断面

給気口×4, パスダクト, 排気口(屋上)×2

T 型熱電対1min 間隔室内上下

FL+100, 600, 1100, 1700, 2200, 2800mm ×5

T 型熱電対1min 間隔

RFL+2,400mm

T 型熱電対1min 間隔

微差圧計 GC62(長野計器)

1min 間隔

外気内外差圧

測定センサ

開口部断面

給気口(事務室南面)，パスダクト，排気口(屋上)×23-2

技術研究報告第 45 号 2019.11

Case1
Case2
Case3
Case4

2,500

2,000

Case1(上段)
Case3(下段)

Case2(中段)
Case4(天井下)0.21,5000.15

風速[m/s]

高さ[mm]

戸田建設株式会社

1,000

500

0.1
0.05

00-2-101
温度差[℃]

2-2-101
温度差[℃]

2-2-101
温度差[℃]

212(1)測定点①(2)測定点③(3)測定点⑤
図 5 上下温度差分布（FL+1,100 に対する温度差の分布）3456
測定点番号算出した．
風速[m/s]379m3/h(換気回数 1.9 回/h)であった．

9最大値
平均値
最小値0.25

よって外部環境の違いがあった．Case4 を実施した 7 日間の平均は8

図 6 風速分布 (FL+600mm)
0.3

Case1 は外部強風時に突出して換気量が多くなるなど，測定日に

70.2
0.15
0.1(2) 上下温度分布0.05

以下，結果の一部を各ケースの代表日として Case1: 2017/11/6，01

Case2: 2017/11/7，Case3: 2017/11/16，Case4: 2018/11/21 における測定23

データを示す．代表日は外部気象条件が近い日として，卓越風向が

456
測定点番号

78910(1)Case1(上段)

西より，外部風速が 2.0m/s 前後で変動し，屋上水平面日射量が最大0.3600W/m2 程度の日を選定した．

0.25

風速 [m/s]

最大値

図 5 に，各ケースの代表日 13:30 の，測定点①･③･⑤の上下温度差分布(FL+1,100mm に対する温度差の分布)を示す．窓側の測定点

平均値
最小値

0.2
0.15

①では Case4 は他ケースより最も上下温度差が小さかった．上方か

0.1

ら入った外気により天井付近の熱だまりが解消されたためと考え0.05

られる．一方，Case3 で上下温度差が大きかった(2.4℃差)室奥側の01

測定点⑤では，FL+100mm と FL+600mm で 0.6℃差があるものの，

2345678910

測定点番号

居住域での上下温度差は Case3 より小さかった．

(2)Case2(中段)
0.3(3) 風速

最大値
0.25

風速分布(FL+600mm)を示す．既報 1)では Case1(上段)が全体的に大0.2

風速[m/s]

図6に，移動測定で得られた各ケースの代表日の13:30 における，きい結果であったが，測定点 1～4 では Case4 が大きかった．図 4 の最小値

0.15

測定点⑤の上下温度差が広がったのは，天井下から導入した低温の0.1

外気が室内中央付近までに落下し，床面付近に広がったためと考え

0.05られる．

平均値

01

表 3 に，各ケース代表日 13:30 の前後 10 分平均の換気量，面風速2345678910

測定点番号(東から 2 番目の開口)，面風速の外部風速に対する比を示す．この(3)Case3(下段)ときは Case4 の換気量が最も多く，給気口の面風速が最も大きかっ

0.3た．上方から給気する Case1 と Case4 は，面風速の外部風速に対す

0.25

風速[m/s]最大値

る比が大きく，風速が速い状態で室内に流入する可能性がある．
図 7 に，各ケースの風速分布移動測定の全測定回に対する最大平均値
最小値

0.2
0.15値・平均値・最小値の分布を示す．最大値，平均値とも，上方から0.1

外気を導入する Case1･4 は Case2･3 に比べ高めであった．Case4 は

0.05

代表日の図 6 と同様に，窓側から室中央にかけての測定点 1～4 は01

風速が大きめで，それより室奥側の風速が減衰する傾向であった．
給気口上端が天井面より 200mm 下にあることと，形状が上下方向

2345678910

測定点番号(4)Case4(天井下)図 7 風速分布の全測定回の最大値・平均値・最小値に縦長のため，コアンダ効果は限定的と考えられる．

3-310オフィス建築を対象とした環境創造技術に関する実証研究 (その 5)

4. 解析検討
4.1 解析概要
(1)解析概要
測定では大まかな傾向の違いが見られたものの，各ケース異なる
100m

日に一日ずつの検証のため，同一外気条件におけるケース間の明確な比較ができなかった．そこで，定常流体解析によって，温度差自実証
建物

然換気時の給気口位置による換気量および室内温度，風速分布，空気齢分布の定性的な比較を行った．

11.85m

図 8 に解析モデルを示す．解析は以下の通り 2 段階で実施した．
①外部領域を含めた通風量算出
事務室 2 の換気量と各開口部の通過風量を算出する．外部領域を含めた解析領域を設定し，形状を簡易モデル化した自然換気ルートの事務室 2 とその天井裏，パスダクト，階段室を対象とし，事務室2 の換気量と各開口部の通過風量を算出した．内部熱負荷は合計値を事務室 2 の空間全体に与えた．
給気口②事務室 2 の空間分布

排気口

事務室 2 のみを対象に，室内の机･椅子等を再現し，内部発熱を詳細に与え，①で得られた給気口とパスダクトの通過風量を風速の境(1) 解析①(外部領域含む)界条件として与えた．温度分布，風速分布および空気齢分布を得た．

照明(発熱)(2)解析ケース排気口(パスダクト)

人体(発熱)

下給気の効果向上の検証のための追加ケースを設定した．図 9 にCase4 追加検討を示す．実証建物の現状の Case4-1 は縦長形状の開口部の天端が天井面から 200mm 下にあるのに対し，Case4-2 は天端を天井面に接したものである．Case4-3 は同じ開口面積で横長形状(2) 解析②(事務室 2 のみ)にしたものとし，天井面に接する辺を長くしたものである．

図 8 解析モデル

Case1
Case2
Case3
Case4-1
Case4-2

表 4 解析ケース
給気口面積
備考
0.135×4=0.54
測定と同じ上段給気
0.383×4=1.534
測定と同じ中段給気
0.135×4=0.54
測定と同じ下段給気測定と同じ天井下給気
Case4-1 開口上端を天井面へ0.055×4=0.22
Case4-1 と同じ開口面積で横長形状

給気位置
上段
中段
下段
天井下Case4-3

表 5 解析条件
項目

内容

解析ソフト

ソフトウェアクレイドル STREAM V14.1

乱流モデル

標準 k-モデル

解析領域① 85.2m(x)×72.7m(y)×100m(z)② 7.2m(x)×10.2m(y)×3.75m(z)(Case1 の例)

CL▼ (FL+2,900mm)

格子分割数

200mm

① 173(x)×222(y)×104(z)=3,994,224 ※最小幅 1cm② 154(x)×321(y)× 79(z)=3,905,286 ※最小幅 1cm

温度条件
流入面条件

流出面条件

0.055m2

室内 24℃，外部 14℃① 全圧境界条件 0Pa，温度 14℃ (解析領域境界)② ①で得た通過流量を設定，温度 14℃(給気口面)① 表面圧力 0Pa，温度 14℃(Zmax 面)② 表面圧力 0Pa，温度 24℃(排気口面)
人体 60W/人× 8 人 = 480 W

発熱条件
600mm

(1)Case4-1600mm

600mm

照明 21W/台×20 台 = 420 W
機器 40W/m2×73.44m2= 2937.6W
合計 3837.6W

天端を天井面に同じ開口面積で平行移動
横長形状(2)Case4-2(3)Case4-3
図 9 Case4 追加検討

壁面境界条件

一般化対数則

壁面熱境界

温度対数則

移流項スキーム

3-4

QUICK

3.75m

検討と同様の給気口パターンの比較である．Case4 については天井2.9m

給気口

表 4 に解析ケースを示す．Case1～3 および Case4-1 は前章の測定

技術研究報告第 45 号 2019.11

戸田建設株式会社(1) Case1(1) Case1(1) Case1(2) Case2(2) Case2(2) Case2(3) Case3(3) Case3(3) Case3(4) Case4-1(4) Case4-1(4) Case4-1(5) Case4-2(5) Case4-2(5) Case4-2(6) Case4-3(6) Case4-3(6) Case4-3

図 10 温度分布

図 11 風速分布3-5

図 12 空気齢分布

オフィス建築を対象とした環境創造技術に関する実証研究 (その 5)

表 6 換気量と給気口面風速
Case1(上段)
室全体 (換気回数)

Case2(中段)

Case3(下段)
1,837

(8.6)

Case4-1(天井下)1,532

Case4-2(天井下)

Case4-3(天井下)

1,506

1,652

1,605 (7.5)

2,549 (12.0)

換気量

開口 1404

下 439 上 185

460(7.2)
385(7.1)
376(7.8)416

通風量

開口 2401

下 442 上 184

459

382377414[m3/h]

開口 3400

下 447 上 196

460382376416

開口 4400

下 455 上 201

457383377407

開口 11.06

下 0.64 上 0.27

0.85

1.13

1.11

1.28

面風速

開口 21.05

下 0.65 上 0.27

0.85

1.12

1.11

1.28

[m/s]

開口 31.05

下 0.66 上 0.29

0.85

1.12

1.101.28

開口 41.05

下 0.67 上 0.30

0.85

1.13

1.11

1.26

た，天井面に接する辺が長い Case4-3 は流入した気流が 1.5m 進ん(3) 解析条件
表 5 に解析条件を示す．
解析ソフトは STREAM V14.1(ソフトウェだあたりから分散され，室全体はほとんど微気流の状態であった．

アクレイドル)を使用した．
乱流モデルは標準 k-モデルを使用した．

以上から本解析からはコアンダ効果が期待されなかった．コアンダ

室内設定温度は 24℃，外気温度は中間期の平均的な温度として効果の検証には，計算モデルをはじめ吹出気流条件や温度差条件な14℃に設定した．外部は無風状態での温度差換気を再現するため，どさらなる吟味が必要である．

解析①の解析領域境界(Xmin，Xmax，Ymin，Ymax 面)には全圧境界③空気齢分布0Pa を設定し，流出面(Zmax 面)に表面圧力境界 0Pa を設定した．

図 12 に空気齢分布を示す．空気齢が小さい領域は温度が低く風発熱は人体，照明は測定時と同様の条件とし，それに機器発熱分速が大きい部分にほぼ対応する．Case2，Case3，Case4-1，Case4-2 はを室空間中に加え，合計 3,837.6W を与えた．なお，必要換気量は床面から机高さまでに空気齢の小さい新鮮空気が分布した．その中1,151m3/h であり換気回数に換算すると 5.4 回/h である．

でも Case3 はその直上に空気齢が大きい部分が分布していた．

4.2 解析結果

Case4-1 は上下の空気齢差が比較的小さかった．一方，Case4-3 は室(1) 換気量と給気口面風速

全体的に新鮮空気が行きわたりにくい結果であった．

表6 に外部領域を含めた解析から得られた換気量と給気口面風速

5. おわりにを示す．表中の開口番号は西から順に 1～4 を示している．
給気口が大きいほど，また開口位置が低いほど室全体の換気量が実証建物を対象に，2017 年秋期測定に引き続き，2018 年秋期に多くなるという，温度差換気の特徴が確認できた．最も換気量が少は天井下給気による自然換気のパターンを加えた測定を行い，またない Case4-2 においても，換気回数は 7.1 回/h であり上記の必要換

数値解析も併せて，開口位置が室内環境へ及ぼす影響の検討を行っ気量を大幅に上回る量であった．

た．それらの結果から，以下の知見を得た．

Case1 および Case4-1～Case4-3 は面風速が 1.0m/s を超え，換気量1) 測定より，天井下給気においては，上段給気と同様に室奥側までに対して給気口の面風速が大きい結果である．Case4-3 の 1.26m/s お気流が到達しており，温熱環境的にも上下温度差が小さく好まよび 1.28m/s が最も速くなっていた．

しい傾向が見られた．
2) 解析より，
天井下給気が他の給気方法よりも居住域に気流が行き(2) 室内分布以下，給気口(開口 2)断面における室内分布を示す．

わたり，上下の温度差と空気齢の差が小さく，程よい環境を形成①温度分布できることが示唆された．

図 10 に温度分布を示す．下方よりから給気される Case2・3 は，

3) 解析にて天井下給気のパターンを比較したものの，天井面を沿っ床面付近の一部に 19℃程度の冷気だまりが形成された．上方から給て流れるコアンダ効果は明確に見られなかった．コアンダ効果の気する Case1 と Case4-1～4-3 は給気された外気が下降する様子が見

検証には計算モデルをはじめ、吹出気流条件や温度差条件などさられるものの，机の高さまでが 22～23℃となっており，上下温度差らなる吟味が必要である．

が比較的小さかった．

今後さらに取得データの分析や検証を進め，より良い環境形成の②風速分布ための外気導入方法の検討を行う．

図 11 に風速分布を示す．Case4-3 を除き，インテリアゾーンの足元付近にて速く流れる様子が確認でき，Case1 と Case4-1 について

参考文献

は測定結果からも見られたように室奥側にかけて他ケースより速

1) 伊藤 他 「オフィス建築を対象とした環境創造に関する研究 （その 1）
環境技術実証建物の概要と外装 3 種類の熱性能および自然換気に関するい傾向であった．

検証」，戸田建設技術研究報告第 43 号，2017.11

天井下給気の Case4-1 と Case4-2 は，風速が大きい状態でペリメー2)

タ側の柱付近までの吹出気流が見られた．しかし，開口上端が天井

伊藤 他「オフィス建築を対象とした環境創造に関する研究 （その 3）
自然換気性能に関する秋期測定結果」，戸田建設技術研究報告第 44 号，面に接する Case4-2 の方が Case4-1 よりも到達距離が短かった．ま2018.11
3-6