〈第 55 回静岡県学生科学賞 県教育長賞〉

３ ダンボールハウスで調べる涼しい環境 パートⅣ

１ 動機
この研究を始めて四年目を迎えた。以前より地球温暖化が叫ばれ、さらに今年は東日本大震災で大幅な節電が求められている。このことから今年は自然エネルギーや自然素材を上手に利用し、環境に優しく節電につながる方法で、涼しい環境を作り出せないかと思い研究した。
暑い夏にクーラーなしで過ごす事を目的とし、電気の力を借りずに涼しさを実現したいと思った。
そして、以前から土の温度が冷たいという事が気になっていたので、地中に目を向け、涼しい地下の環境を利用できないか考えてみたいと思った。
２ 研究の方法(１) 窓の位置・大きさによる風の流れ・温度変化・風力変化の測定と観察
ア ペットボトルに窓を開け、蚊取り線香の煙を入れて風の流れを観察した。

イ
(２)
アイ
ウ

ダンボールハウスに向かい合った大きさの異なる窓を開け、温度・風力を調べた。
昼間の日差し・夜の放射熱による温度上昇を防げるか実験
遮光ネットを窓の外側と内側に取り付けた場合、どちらが涼しいか温度を調べた。
緑のカーテン・すだれ・遮光ネットを取り付けた３つのダンボールハウスの温度を測定。
自宅の放射熱の測定とダンボールハウスに緑のカーテンを取り付け・放射熱を防げるか温度を測定した。
(３) 地中熱の利用・・・冷熱を地中から取り入れる事はできるのか実験
ア 自宅にある井戸跡の温度を測定。地中の温度を調べる。
イ 地中熱でダンボールハウスの温度を下げられるのか調べた。庭に深さ１ｍ20 ㎝の穴を掘り、地上から深さ１ｍ20 ㎝、50 ㎝、30 ㎝、地表の温度を測定した。次に地中熱送風ファンを作り、穴の底に設置し、地中の冷気をダンボールハウスに送って温度を測定した。

３ 結果(１) 窓の位置・大きさによる風の流れ・温度変化・風力変化の測定と観察
ア ペットボトルでの涼しい窓の配置は㋒と㋓だった。煙がなくなるまでの秒数：８秒
イ 風通しが良く涼しい順
１位 同じ大きさの窓-9-２位 入口の窓が大きく出口の窓が小さい
３位 入口の窓が小さく出口の窓が大きい(２) 昼間の日差し・夜の放射熱による温度上昇を防げるか実験
ア 外側に遮光ネットを取り付け
イ１位 緑のカーテン ２位 遮光ネット ３位 すだれた方が涼しい環境だった 。
緑のカーテンは他より５℃も低かった。

ウ 自宅２階の放射熱(室温と外気温の差)が、夕方から深夜にかけて外気温より６℃も高かった(グラフ３)。ダンボールハウスに設置した緑のカーテンと何もしないダンボールハウ
スの温度差は、夜間になるとほとんどなくなった。(グラフ４)(３)

地中熱の利用・・・冷熱を地中から取り入れる事はできるのか実験
ア 井戸の中はほとんど外気温に影響されない。地中深いほど、温度が低い。(グラフ５)
イ 地中の冷気は、ダンボールハウスの温度を最大６℃も下げた。しかも日中一番熱い時間帯の温度を下げた。16 時以降は気温より非常に低い温度を保っていた。１ｍ20 ㎝の地中温度は外気温の影響を全く受けていない。

←井戸の跡 深さ２ｍ80 ㎝

４ 考察(１) 窓の位置・大きさによる風の流れ・温度変化・風力変化の測定と観察- 10 -

ア 窓を上下に設置することにより、風の流れに勢いがつき、全体の空気を入れ替えるように吹き抜ける。窓から入ってきた風は、上部に風圧をかける性質がある。風は当たった壁づたいに移動していく特徴がある。その流れを止めずに出口を作ると効率よく風が抜ける。風は直進する為、向かい合った壁に排気としての窓を設置するのが良い。窓の位置・部屋の広さ・屋根の高さによって上下四隅などに対流が起こり、風通しを悪くする。対流を起こさない窓の配置を工夫する必要がある。
イ テレビでは、入り口の窓が大きく出口の窓が小さい方が涼しいと言っていたが、実験結果は同じ大きさの窓の方が涼しかった。向かい合った同じ大きさの窓は、どの温度計も常に温度が低く、とても涼しい環境だった。風は常に一定方向から吹いている訳ではなく、風は入口から入ったり出口から入ったりと常に変化していた。この為、どの方向から吹いてきてもしっかりと風を取りこみ、ダンボールハウスの中の空気をまんべんなく入れ替えていた。
風は常に一定方向から吹いていると思ったが、風速計で計測すると、あちこちから吹いてきてしっかりと定まらなかった。家の庭で実験したので建物の影響で風が巻いていたのかもしれない。住宅地の風の環境はまさしく風が建物の影響を強く受け、様々に変化する。しっかりと風を取り込める向かい合った同じ大きさの窓を設置できるのが理想なのかもしれない。
(２) 昼間の日差し・夜の放射熱による温度上昇を防げるか実験
ア 遮光ネットを内側に取り付けると、遮光性は高いが、遮光ネットが窓を塞ぎ、風を通しにくくする。また、窓の前には日光が当たり、熱せられた地面の暑い空気と太陽の照り返しの影響を直接受け、ダンボールハウスを熱する原因になったと考えられる。
遮光ネットを外側に取り付けると、窓より大きい遮光素材を取り付ける事になる。その為広範囲を遮光し温度上昇を防ぐ。さらに、遮光素材と窓の間に空間や日影ができ、風通しが良く照り返しを防ぎ、ダンボールハウス内を涼しくする。
イ ゴーヤの葉の裏側の温度は、葉の蒸散作用により冷たく、そこを通ってくる風は冷やされ、ダンボールハウス内を涼しくする。この時の外気温は 31℃だが、葉の裏側の温度は27.4℃だった。
ウ 自宅の 2 階の放射熱を計測した結果、夜間ずっと外気温より 4～6℃も高かった。19：00～00:00 の室温は常に 30℃以上で、昼間の気温と変わらず、ずっと下がらなかった。
『熱帯夜』という言葉があるが、今までは夜の外気温が高いため室内が暑くなり寝苦しいことを言うのだと思っていた。しかし、今回の実験で、夜の外気温と関係なく建物の放射熱が、部屋を熱することでも『熱帯夜』になることがわかった。
今年は節電のためエアコンを消して寝る人が多く、この放射熱のために夜間熱中症を発症したケースが多く報告されていることをテレビで知った。
緑のカーテンは、日中のダンボールハウス内の温度を確実に低く保っていた。しかし、夕方から外気温が下がってくると、ダンボールに蓄熱性がなく、外気温の影響を強く受けて温度が下がってしまった。このため、両方のダンボールハウスは大きな差が出なかった。
しかし、19:00～20:00 の緑のカーテンのダンボールハウスは全ての温度計が外気温より低かった。これは、夜になりゴーヤの葉の蒸散により葉の温度が外気温より下回った為だと考えられる。
今回の実験では直接緑のカーテンが放射熱を防ぐのかは、はっきり結果が出なかったが、思いがけず緑のカーテンは夜かなり涼しい環境を作り出すアイテムだということがわか- 11 -った。夜、緑のカーテンを通し、外気温より冷たい風を室内に入れる事は、放射熱で熱せられた室内の温度を下げる。この方法でも十分夜の涼しい環境を実現でき、熱中症対策にも役立つと思う。
(３) 地中熱の利用・・・冷熱を地中から取り入れる事はできるのか実験。
ア 2m80cm では 14 時の時点で外気温との差が 18℃あった。地中の環境は非常に涼しいことがわかる。
地中が涼しい理由① 太陽光の影響を深さ数十センチまでしか受けない② 水分を多く含んでいるため、温度が低い③ 地下の温度は土壌の断熱機能により大気の温度変化を受けにくく、１年を通してほぼ一定である
以上のことから身近なところに天然の冷熱エネルギーがあることがわかった。
イ 地中温度の測定で、地下 120cm では気温との差が 8.5℃、地表面との差は 20.5℃と、大きな差が確認できた。地中熱ダンボールハウスでは、地下 120cm の地中熱で冷やされた空気を地中熱送風ファンでダンボールハウスに送った。これにより直接冷やすことが出来て、予想通り温度が下がった。1 番暑い時間帯の温度 42℃を 36℃まで下げたのは相当の冷熱エネルギーだ。地中熱の冷気は強力だ。
地中温度は常に安定していた。このことからいつでも地中の冷熱は安定的に供給できるエネルギー源であることがわかる。そしてまた私達のすぐ足元にある無限の天然エネルギーであり、省エネ化を十分図ることができると思う。
また、季節や天候に左右されにくいことも大きな利点だ。
５ 感想
日本人は昔から自然の力を利用して暮らすのが上手だった。日本の気候に合わせ色々な知恵を数多く生み出し、快適に過ごしてきた。
日本の家作りは昔から「夏を旨とすべし」(吉田兼好・徒然草)と言われてきた様に風通しがよく夏の暑さをしのぎやすい構造だった。しかし現代の家は高気密・高断熱の家が主流となって、熱の出入りが少なくなり夏の風通しが不十分な環境になってきた。最近、消臭剤のＣＭが多いのも空気の流れがなく、臭いがこもってしまうからだろう。しかし、そんな中でも窓の開閉を工夫し遮光素材を上手に取り入れ、室内に涼しい風を呼び込むことは可能だと思う。また、窓は家の中で外の温度の影響を受ける最大の場所である。この場所を上手く管理することは、家の中を快適な状態にできる大きなポイントだということが今回の研究からよく分かった。そして、地中熱は省エネで環境にやさしいエネルギーだと思う。地中熱の冷気は無公害でクリーンである。このため、人の体にやさしい。エアコンの様に冷気を作り出す時に熱を放出せず、ヒートアイランド現象の原因にならない。
この地中熱の冬暖かく夏冷たい温度はこれからの冷暖房に利用でき、期待されるエネルギーだ。
こんなに良いエネルギーが私のすぐ足元にあったなんて本当に驚いた。これからとても魅力的なエネルギーだと思っている。
今回の研究でとりあげた風・植物・地中熱の様な自然の物は、様々なまわりの環境と調和し、なおかつ目に見えない多くの利点も生み出す。積極的な冷房ではないが、その涼しさは体や環境に非常にやさしい。私達が忘れてしまいがちな、自分の力で環境に適応するという人間本来の能力を高めてくれ、結果的に真の健康につながってくるのだと強く思った。

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