ＢＲＩ−Ｈ１６講演会テキスト

通風の簡易設計手法構築に向けて(通風性状に関する新しい知見と通風計画に関する提案)
環境研究グループ

目Ⅰ

はじめにⅡ

通風環境についてⅢ

スケール毎の性状について

研究員

西澤 繁毅

次

１）地域毎の気象条件の整理
２）建物周辺の気流性状
３）開口部の性状
４）室内気流性状Ⅳ

簡易設計手法の展望

ⅤまとめⅥ

参考文献

Ⅰ はじめに利用を設計時から採り入れることが可能となり、居住者に通風利用

１）定量的な通風設計手法の必要性を意識づけることからも夏期・中間期の快適性の向上、冷房使用時通風は、外部の風という自然エネルギーのみを利用して室温･体感温度を低下させる夏期の有用な環境調整手法であり、通風を有効間の削減が期待される。
２）建築研究所における通風研究の取り組みに利用することで、夏期〜中間期の冷房負荷・換気動力を削減して通風に関する研究は、各研究機関で古くから取り組まれており、省エネルギーを図ることが可能になると考えられる。通風は、外部現在でも実測や実験、数値解析等により検討が進められている。当風が室内に流入し、建物及び人体から熱を奪って室外へ流出すると建築研究所でも、1998 年に建設した、実大サイズの模型を設置しいう単純な手法であり、その定性的な有効性は生活の知恵として経た通風実験用風洞(図 7)での実験をはじめ、実際の建物における実験的に広く認められている。しかし、通風の及ぼす効果は定量的に測、換気回路網、CFD 解析による数値シミュレーション等を通しは未解明な部分が多く、効果が不明瞭なまま定性的に設計されていて、通風環境の定量的な把握を進めている。現在は、基盤研究開発

るのが現状である。これは、外部風の特徴として風向風速の大きな課題「仮想的な領域分割を用いた通風空間の質的評価手法の開発」

変化があげられ、それに伴い通風駆動力や室内の気流場が刻々と変及び、重点研究課題「エネルギー・資源の自立循環型住宅に係わる化することから、室内温熱環境に及ぼす定量的な効果を把握するこ普及支援システムの開発」の一部として、通風環境の定量的な設とが難しく、定量的な評価に基づく通風設計手法が確立されていな計・評価手法の確立を最終の目標として研究を進めているところでいためである。この通風効果の定量的な不明瞭さという問題は、都ある。

市化・過密化に伴うプライバシー、防犯、騒音、空気質汚染といった諸問題とともに、通風の利用を妨げる一因となっていると考えられる。通風の及ぼす効果を定量的に把握することで、積極的な通風Ⅱ 通風環境について通風を有効に利用するためには、外部風を建物内部に効果的に導入する計画が必要になる。通風利用時には開口部を大きく開け放つ

日射遮蔽、採光、断熱遮熱、…

イメージから、外界から室内までを一体とした連続的な開放空間として通風空間をとらえる向きがあるが、一般にはスケールに応じた④特徴によって性状を把握することが行われる(図 1)。ここでは、①外界、②建物周辺、③開口部、④室内の 4 レベルに分け、それぞれ①②③③①外界
↓
気象条件

②建物周辺
↓
風圧係数

③開口部
↓
開口配置・面積流量係数のレベルを表す特徴について定量的に検討を行っている。①外界レ
ベルでは所在地の温湿度、風向風速等の気象条件、②建物周辺レベ
ルでは、周辺建物によって複雑に形成される気流が建物外皮に通風の駆動力として作用する風圧を表す風圧係数、③開口部レベルでは、図1

開口部の配置・面積等の配置計画や、開口部の風の通りやすさを表となる。通風環境では、①→②→③→④とカスケード状に外部風の影響を受けることになるため、④室内レベルだけで通風の適否を判断することはできず、4 つのレベルでの検討が必要となる。

通風環境のスケール

北全日
日中
夜間

す流量係数、④室内レベルでは室内気流性状、が代表的な検討対象

北

東

6%

3m/s
4m/s

南

18〜28℃の風向出現頻度(左：東京、右：つくば)④
風速[m/s]

風向：321③03028タには日本建築学会の拡張アメダス気象データ(15 年分)を用いて
気温[℃]①②2524①24〜28℃の範囲で、②風向毎に、③(外気温-24℃)と④風速の積を積算する→ 風向別のポテンシャル

20

通風を行う条件を外気温が 18℃〜28℃の範囲と想定し、その範15囲での風向風速を整理し、東京とつくばについて、風向の出現頻度

036912
時刻と平均風速を示したものが図 2 である。ここでは、7 時〜20 時の15182124○算出にあたっては以下を想定
a. 28℃以下で通風利用
b. 冷房負荷発生の基準は外気温24℃
c. 外部風速に比例して削減可能な冷房負荷は増大

14 時間を日中、他の 10 時間を夜間としている。
東京では、年間の 37%の期間で外気温が 18〜28℃の範囲に入り、年間の 11%で南〜南西の風、15%で北〜東の風が現れている。よっ図3 冷房負荷削減ポテンシャルの算出概念図て南北軸に沿った通風経路を考えるのが合理的と判断される。一方、[℃h(m/s)] 北
800

つくばでは、通風条件下では北東〜東の風が年間の 15%と多く占

全日
日中
夜間

め、東の風を考慮した計画が重要になると考えられるだろう。

[℃h(m/s)] 北
500

全日
日中
夜間

600
400
200

②冷房負荷削減ポテンシャル

8%

南通風のポテンシャルの算出を試みた結果を示す。分析した気象デー①風向発生頻度

6%

3m/s
4m/s

8%

Ⅲ スケール毎の性状についている。

東風速

図2

大きく左右される。ここでは気象データを整理し、その地域の持つ風向出現頻度

西風速示し、定量的な評価・設計手法に向けた展望を示す。

通風性の良否は、まず所在地の温湿度、風向風速等の気象条件に

全日
日中
夜間

風向出現頻度西以後、通風環境の 4 つのレベルでこれまで検討してきた知見を提１）地域毎の気象条件の整理

④室内
↓気流性状

西東0西

400
300
2001000東

暖房デグリーデー、冷房デグリーデーと同様の考え方で、通風を使うことで冷房負荷をどれだけ削減可能かという視点からその地域の持つ通風のポテンシャルを算出し評価できれば、通風設計用の資料として有用であると考えられる。ここでは、図 3 の想定の下で南南図4 風向別冷房負荷削減ポテンシャル(左：東京、右：つくば)通風の持つポテンシャルを算出し、図 4 に東京とつくばについて示通風性状に大きな影響を与える。一般に、建物周辺の気流状況に影す。

響を受けた通風駆動力は、建物外皮に作用する風圧を基準速度圧で東京では、南〜南西の風で最も通風による冷房負荷削減効果が期除した風圧係数で評価されるが、この風圧係数分布を予測すること待できる結果となっており、図 2 の風向発生頻度とは異なる傾向をは非常に困難であり、縮小模型を用いた風洞実験による測定が行わ示している。また、つくばにおいても南風〜東風で強度が高いといれる。

う図 2 とは異なる結果を示しており、要素によっては着目する風向を変える必要があることが分かる。

図 5 に風圧係数分布の測定結果の一例を示す。2 階建の戸建住宅の結果の一部であり、上側は独立状況での、下側は稠密状況(図 5
写真)での風向：南の結果である。独立状況では、風上側正面にあ２）建物周辺の気流性状たる南面で風圧係数が 0.7〜0.8 と大きな正圧を、側面、裏面にあた建物に到達する気流は、その周辺の状況に応じて複雑に変化し、る西、東、北面では-0.1〜-0.5 の負圧を示し、南面─他面で大きな差圧を期待できる状況にあることが分かる。一方、非常に建てこんだ地域を想定した下側の結果では、壁面の風圧係数は 0.1〜0.2 とほぼ均一になってしまい、通風の駆動力となる風圧差はほとんど期待できない状況になっている。稠密な住宅地で通風を考える場合には、風圧差を確保するために上部の屋根面などに開口を設けて上下方向の流れを利用するといった工夫を検討する必要があることが分かる。

稠密地域を想定した
実験状況

図5 風圧係数分布図(上：独立、下：稠密地域)

３）開口部の性状

0.4m/s 程度にあたり、就寝時に良好な通風環境が確保できる。一方、①開口部配置の検討

室間を閉じてしまう下側のケースでは、南北方向の通風が阻害され換気回路網計算プログラムVentsim Ver.2.0 を用いて通風量を試算てしまい、1 階居間食事室、2 階個室ともに通風量が極端に低下すした例を図 6 に示す。図 6 は、夜間の通風を意図して、外壁及び室る結果となる。欄間開口を通過する気流も 0.1m/s 以下になり、就間に欄間開口(高さ 0.3m)を設置した時の通風量を、南風、基準風寝時に気流感を得ることは難しい状況になる。

速 3.0m/s の条件下で算出したものであり、上側は室間の欄間開口以上のように、通風量の検討は、換気回路網計算プログラムを用も開放したケース、下側は室間は閉じたケースである。

いることで比較的容易に行うことができる。

外壁面及び室間の欄間開口を開放した上側のケースでは、1 階居間食事室において 38 回/h、2 階の 3 つの個室で 20 回/h 程度の通風②開口部の流量係数量が確保できている。個室の通風量は欄間開口を通過する流速では

1039

2 階へ
363

6便所
8押入

和室（6畳）

642

洗面所

27940

1036

ホール

居間食事室
居間
食事室
38回/h

台所

納戸

書斎

238660585

20 29499
押入

608

個室1個室・１18回/h

個室2個室・２22回/h674

608

玄関

112078

ホール

24

押入

押入

81

便所

20205140

2781

6浴室
844

363

廊下・１5 2 3 1 階から 1 0 3 0523
363

1768

192825507

68

室内に風をスムーズに取り込むためには、開口部の抵抗が小さい

600

個室3個室・３23回/h

29630

83

27

縁側1階1129976
175

欄間開口開放位置2 階へ
40092

1便所
0洗面所

196196

ホール

居間食事室
居間
食事室
11回/h30649

台所

玄関

1納戸

書斎

56

238592

ホール

134

12 319236

個室1個室・１6回/h

個室2個室・２3回/h

20892

押入

押入

押入

1392
個室3個室・３5回/h
123

115

30

縁側

1階
78601

図6

欄間開口開放位置(室間位置は閉鎖)
通風量計算結果(上：欄間開放、下：室間閉鎖、通風量の単位はm3/h)

44

便所

12196
198

1 7 0 1 階から 3 3 5170
400
44

1浴室
091

399

廊下・１301410168

137210押入

和室（6畳）

2階

2階

31ことが望まれる。開口部の抵抗は一般に流量係数で評価される。流量係数は、開口部を通過する風の通りやすさを示す係数であり、実開口面積のうち、どの程度の面積が通風に有効であるかの比として表される。以下、実大開口部を設置した通風実験用風洞での実験結果を示す。
建築研究所通風実験用風洞(図 7)には、幅 5.4m×奥行 5.4m×高さ3mの実大建物モデルが設置され、通風環境の実験を進めている。
これまでに、建物モデル対角位置に幅 860mm×高さ 1,740mm の開口を設けたケースを中心に、三次元超音波風速計(Kaijo DA-600 他)や微差圧計(MKS Baratron)を用いて風速分布や風圧分布を詳細に測定し、室内外の気流性状を把握している 1), 2)。
通常の換気･通風計算では、流量係数は一定値として扱われる(通常の開口部で 0.6 程度)。しかし、以前から開口近傍の気流性状により流量係数が変化すると言われており、換気・通風量計算時の誤差の一要因となっていた。実大モデルを用いた一連の研究 1), 3)で検討
図7 通風実験用風洞概略図(上：断面、下：平面)した結果、開口面を通過する風向が流量係数を変化させる最大の要因となっていることが判ってきている。

1.0

流量係数 a は次式で表される。
QA 2 (Pw − Pi ) / ρ=Q
AV C pw − C pi

ここで、Q は通過流量[m3/s]、A は開口面積[m2]、P は圧力[Pa]、Cp は風圧係数[-](添字 w:外壁面、i:室内)、V は基準風速(=3.0m/s)

D ischarge C oefficientα=

Inflow C ondition

0.8Outflow C ondition

0.6W ind A ngle 270°0.4W ind A ngle 75°0.2である。測定では開口面内 48 点の通過風速を測定し、面積積分すWind Angle 90°0.0ることで通過風量を算定し、壁面圧力を開口閉鎖時の開口位置での0306090120150180A irflow 3D A ngle in the Opening, θxyz in D egree

壁面風圧、室内圧力を床面圧力で代表させて算定する。

図8 矩形開口の流量係数と流入角度θxyz

図 8 に、単純矩形形状(幅 860mm×高さ 1,740mm, 壁厚 100mm)

zAirflow Vectorの流量係数を開口面の風向θxyz(図 9 で定義)で示す。 開口面に垂直

室外側
三次元超音波風速計(3高度)→流入出角度算定
θxy→‑180° θxy→+180°
流出BA42yOpeningに流入出する時に流量係数が大きく(抵抗が小さく)、開口面に平行(Vx, Vy, Vz)θxyz
θxyxになるほど(θxyz=90°に近づくほど)流量係数が小さくなる(抵抗がVx>0⇒Inflow

θxy
流入 745

Vx<0⇒Outflow

大きくなる)傾向を示している。しかし、流入側は図中に挿入した余弦曲線に比較的良く一致している反面、流出側(θxyz=90°〜180°)

図9 流入角度でばらつきが大きいという違いがあり、風向以外の変化要因の存在が示唆されている。流出側は流出した気流による影響があるものと1考えられ、今後検討を重ねる予定である。

で測定した流量係数の水平面風向θxy による変化を示す(図 11)。矩形開口と同様の傾向を示すものの、流入時(θxy=-90°〜90°)に非対称な変化を示す。これは、窓サッシの形状の非対称性によるものと考えられる。すなわち、流入角θxy<0°ではサッシ枠 A(図 10)が抵抗として働き、流入角θxy>0°では 2 枚の障子端部の段差 B が抵抗を小さ

流出側

図10 引違窓サッシ※網戸ありの流入出角度は網戸なしで代用
流入側
流出側

0.8
流量係数[-]

市販されている引違窓サッシ(図10、腰窓：幅1.69m×高さ1.17m)

室内側

W=1,690

0.60.4全開網戸なし
全開網戸あり25cm網戸なし
25cm網戸あり

0.20-180 -135-90-45045
水平方向流入角[°]90135

図11 引違窓サッシの流量係数

180さな混合状況になっており(図 16、17)、平均空気交換効率ηが 1.37

くすると考えられる。と部屋全体で押出流れの様相を示し、換気量の多い風向 0°より効果的に排出される結果となっている。

４）室内気流性状
通風空間では、流速の速い領域(通風輪道、主流域等と呼ぶ)と、各風向の室内気流性状を検討した結果、通風輪道の明確な条件ほその周辺の流速の比較的遅い領域が現れ、気流速のむらが非常に大ど室内の混合状況に偏りが生じること(図 18)、気流速分布を空間きな空間になっている。通風時に最も重要となる人の快適性(涼感)全体で見ると混合状況ほどの偏りは生じないこと(図 19)を確認しOpening A

は気流速による影響が非常に大きい。一方、Opening A

建物全体から熱を除去する排熱に関しては、通風による室内の混合性状が大きく影響を及ぼすことになる。通風実験風洞に設置した実大モデルでは、これまでに気流速分布の測定、可視化実験、トレーサーガス減衰法による濃度測定を行っている 1), 4)。

Opening B

図 12〜図 14 に風向 0°、図 15〜17 に風向Opening B

図12 可視化画像(風向0°)Opening A45°の室内気流性状を示す。図 12、15 はモ

図15可視化画像(風向45°)
Opening A

デル頂部から撮影した可視化画像(平面、床上 1,190mm)であり、図 13、16 は気流分

e 1.11

布と局所換気効率εp を重ねて示した図である。局所換気効率εp はトレーサーガス減衰法によって求まる局所空気齢τp[s]と名目換
気時間τn[s]の比であり(εp = τn / τp)、εp が大きい点ほど流入した外気が速く到達するこ

0.61

d3.27
1.472.78 ae 1.37
2.00 3.16
1.28b1.45
1.05
f
1.170.95
1.111.06 c
0.97g
1.15 1.150.44とを示す指標である。図 14、17 は室内平均濃度減衰と各点(図 13、16)の濃度減衰過η=τn/<τ>= 0.81Opening B

図13 気流分布と局所換気効率εp(風向0°)d(図 13)では流速が大きいが、点 g のような輪道から離れた場所では風速は小さくなる。また、流入空気の混合状況を表す局

0.80.60.4

Normalized concentration [-]ある。このケースでは、輪道上の点 b、c、abcdefg
Ave.

0.2
0020

τn406080
Elapsed Time [s]100

3 Up/UaveMaxからも、空間内の混合状態に大きな偏りが(980 Points)

U / Uave1からの流入気流がモデル中央の柱壁に衝突し 2 つに分かれる流れを示すケースである(図 15、16)。このケースでは、偏りの小0.40.200203τp /<τ>306090 120
Wind Direction [°]406080Elapsed time [s]100120

図17 濃度減衰(風向45°)

2 Ave+σAve-σ0Min-300bdf
Ave.

0.6120生じていることが分かる。

数 100 回/h)で風向 0°より小さく、開口 A

aceg0.8

図14 濃度減衰(風向0°)

所換気効率(図 8)及び濃度減衰過程(図 9)

風向 45°は、通風量が 7,000m3/h(換気回<τ> τn1Local / Room Mean Age of Air

通風輪道が顕著に表れるケースの一つでNormalized Concentration [-]120 回/h)と大きく、開口 A から開口 B への図16 気流分布と局所換気効率εp(風向45°)<τ>1η=τn/<τ>= 1.37

Opening B程を示す。
風向 0°は、通風量が 8,200m3/h(換気回数1.171.42a2.261.16
b 1.11 0.78
1.07
1.24
1.06 0.81
c 1.650.63
0.38
f1.21 0.62g
0.37d150180

図18 平均風速で規準化した室内風速分布(16-17 Points)
2Max
Ave+σ1Ave-σMin
0-3003060
90 120Wind Direction [°]150180

図19 室平均空気齢で規準化した局所空気齢分布ている。
図 20 は、CFD 解析の濃度減衰の計算結果から、流入空気の移動拡散の状況を経時的に示した図である。風向 0°(図 20 左側)では、右上の開口から流入した空気が(1s)、壁と袖壁に衝突して向きを変え(2s)、流出開口に向け直線的に移動し(4s、6s)、流出開口に到達した後に、室内に拡がっていく様子(12s、30s)を三次元的に把握することができる。また、風向 45°(図 20 右側)では、室内に流入した空気が(1s)、室中心の柱に衝突して(2s)左右に大きく拡がり(3s、6s)、袖壁に沿って部屋全体に拡がっていく流れが形成されている(10s、20s)様子を把握することができる。このように CFD 解析の結果を活用して通風空間の流れの構造を把握することが可能である。
図 21 は、実験の室平均濃度減衰結果をもとに、風向 0°、45°において室内の空気の移動拡散をマクロにとらえた図である。むらの大きな通風空間を流入空気の到達の速い領域と、遅い領域に仮想的に二分し、その 2 つの領域間を移動する空気移動量を算定している。
図 21 では、室内を 2:8 と 5:5 に分割した時の空気移動量を表しおり、流入空気がスムーズに流出する風向 0°では、全体の 2 割の流入空気の到達しやすい空間(領域 1：V1=0.2V)を過半の流入空気が通過し(図 21-1a)、半分の空間(領域 2：V2=0.5V)には 2 割の空気しか侵入しないことが分かる(図 21-1b)。一方、風向 45°では、空間(領域1)の容積が V1=0.2V の時に 2 割強(図 21-2a)、V1=0.5V の時には 5割強(図 21-2b)の流入空気が領域 1 から流出しており、風向 0°と比べて、室内が通風により大きく撹拌されている状況が示されている。

Ⅳ 簡易設計手法の展望

V=70.4m3

V=70.4m3
V2=0.80V3

Q21=0m /h Q12=5150m /h
3Q01=11040m /h

V2=0.80V

Q20=5150m /h
33Q21=0m3/h Q12=7420m3/h

Q10=5890m3/h

Q=9780m3/h
V1=0.20V

V1=0.20V1a) 風向0°,V1=0.2V

Q01=11040m3/h

3

Q20=2180m /h

図213

Q10=8860m /h1b) 風向0°,V1=0.5V

V=70.4m3
3
V2=0.50V Q20=4410m /h
33
Q21=0m /h Q12=4410m /h
Q=9780m3/h

Q12=2490m3/h

V1=0.50V

Q10=2360m3/h2a) 風向45°,V1=0.2V

V=70.4m3
V2=0.50V
Q21=310m3/h

Q20=7420m3/h

Q10=5370m3/h
V1=0.50V2b) 風向45°,V1=0.5V

空気移動のマクロ的な状況(左：風向0°、右：風向45°)

図20 流入空気の移動拡散状況(左：風向0° 、右：風向45°)

これまでに、①外界、②建物周辺、③開口部、④室内の 4 レベ

21, 日本建築学会大会学術講演梗概集, 1999-2004

ルで行った検討結果について示してきた。通風環境の各レベルでの2) T. Sawachi et al., "Wind Pressure and Airflow in a Full-scale Building

定量的な検討は引き続き進めていく必要があるが、今後は、把握しModel under Cross Ventilation", The International Journal of Ventilation,

た性状に基づいた通風空間の評価・設計手法を組み立てていく必要

vol.2, No.4, pp.343-358, March 2004がある。通風利用を積極的に促進していくためには、簡便に通風の

3) T. Sawachi et al., "Predictability of the Discharge Coefficient for Inflow

快適性や省エネルギー性を評価し、設計に活用できる手法が必要でand Outflow Openings in Cross Ventilation", Proceedings ofあり、そのためには、各レベル間の関係性について検討を進めていRoomvent2004, September 2004

く必要がある。現在、図 21 に示すような枠組で、各レベルの定量

4) S. Nishizawa et al., "Examination of the Space with Cross Ventilation by

的な評価から快適性・省エネルギー性を判断できる簡易通風評価手

Tracer Gas Technique and Zoning Concept of the Space with

法を構築することを検討しているところであり、今後は各レベルのUnevenness", Proceedings of Roomvent2004, September 2004

評価尺度の検討とともに、各レベル間をつなぐ関係性の検討をすす

5) S. Nishizawa et al, "A Wind Tunnel Full-Scall Building Model

め、最終的に通風の快適感や省エネルギー性を評価できる手法を構Comparison between Experimental and CFD Results Based on the築することを考えている。

Standard k-ε Turbulence Representation", International Journal of
Ventilation Vol.2 No.4, pp.419-430, 2004.36) 西澤他：流れの時間スケールを考慮した換気・通風空間のむら

Ⅴ まとめの評価指標とマクロモデルへの展開, 日本建築学会環境系論文

日射遮蔽、採光、断熱遮熱、…

集，pp.29-36，2004.2④

各レベルの性状

各レベル毎の評価尺度

温熱感、消費エネルギー削減効果の算出

①

②

③

③

①外界
↓
気象条件

②建物周辺
↓
風圧係数

③開口部
↓
開口配置・面積
流量係数

風向
風速V
外気温θ
→ポテンシャル

風向毎の風圧係数差
ΔCの推定

内外の配置・面積を反映して抵
抗Rを推定

④室内
↓
気流性状

通風量Q
平均風速V

温熱感 ← Σ{A1(通風ポテンシャル1)×A2ΔC0.5×A3/R2×A4(断面積)}負荷削減量 ← Σ{A1(通風ポテンシャル2)×A2ΔC0.5×A3/R2}※ 風向毎に積算。通風ポテンシャルは、気象データから温熱感に関する1、負荷に関わる2を算定することを想定

図22 簡易評価・設計手法の枠組
本報告では、通風空間の定量的な評価・設計手法の確立を目指して建築研究所で進めている通風環境の検討結果を、①外界、②建物周辺、③開口部、④室内の 4 レベルに分けて示した。また、現在検討している通風空間の簡易評価・設計手法の枠組について紹介した。
今後は、引き続き通風環境の各レベルの定量的な検討を進めていくとともに、簡易評価・設計手法の構築を進める。

Ⅵ 参考文献1) 澤地他：住宅の通風設計および性能評価に関する研究 その 1〜