自然換気下における室内風環境に関する研究
実測による流量係数の算定
濱嶋 知行
はじめに計測機器の配置

近年、通風現象のメカニズムや遮蔽物の影響を考慮

図 3 に実験対象室である実験解析室内における実験した風環境の評価手法に関する研究が進捗し、定量的器具の配置、表 2 に各機器の型番と測定間隔を示す。

な評価の実現性が増してきている。それにより、自然複合気象観測計は実験対象室屋上に設置し、外部環境換気の導入に際しての性能の評価や合理性の要求に応を実測する。多数室換気測定器はトレーサーガスとしえることができるようになり、自然通風の導入の増進て二酸化炭素を用い一定濃度法により、対象室の換気が見込まれる。

量を測定する。風速計は室内への流入風速を確認する

本研究では、開口形状を変化させた場合の流量係数ために設置した。微差圧計は換気駆動力となる壁面近の算定・比較を行い、将来的に九州大学尾崎研究室で傍の圧力と室内中心の圧力の差を計測している。PMV開発した THERB with NAF(換気回路網計算を含む熱環計測器は室内環境を把握するために設置した。

境シミュレーション)の精度検証・向上に生かし、自然算定に使用した計算理論換気のより適切な導入を目指す。

多数室換気量測定器はトレーサーガスである二酸化

また、本研究ではオリフィスの流れ式を基本式とし、炭素の室内濃度を一定値に保とうとしたときの放出量、実験から得られた数値を用いることにより流量係数を放出前の室内濃度、外気の二酸化炭素濃度から式 1 の算定し、評価を行う。

ザイデル式が成立するものとして換気量を測定してい自然換気下における実測実験る。

実験の目的

𝑀
𝐶 − 𝐶0𝑄=

開口の大きさ・開口形状を変更した場合の流量係数の検討および風向による流量係数の差異の検討を本実(式 1)

𝑄：換気量, 𝑀：𝐶𝑂2 発生量 , 𝐶, 𝐶0 ：室内,室外𝐶𝑂2 濃度

験の目的とする。

表 1 検討した開口部
開口面積d×h(㎡）
ルーバー有無 ルーバー角度
0.28×0.28
無0.28×0.42
無0.28×0.25
有0°0.25×0.35-0.014*
有0°0.25×0.35-0.010*
有30°*case4,case5の第2項はルーバーの部分の面積

表 1 に検討した開口形状を示す。実験では 4 パター
case1
case2
case3
case4
case5

ンの開口形状に関しての検討を行った。
対象室
図 1, 図 2 に建築環境実験棟のパース、対象室を示す。対象室は九州大学内の建築環境実験施設の三階部分の実験解析室を対象とした。対象室は二か所の開口

気象観測計
ペントハウス屋上に設置部を有しており、そのうち屋上側である東側の開口部について開口形状を表１に示す 5 つのパターンで変更

室内のCO2排出換気量測定器し、流量係数の検討を実測により行った。

東側開口部

微差圧計

風速計

微差圧計
CO2 吸入 PMV 計測器

CO2放出
風速計

外気CO2吸入西側開口部

図 3 実験器具配置図
表 2 機器の型番・計測間隔

図 1 環境実験棟 パース図 2 実験解析室

36-1

計測間隔[s]

計測機器

メーカー

型番

複合気象観測計

英弘精機

WS50210

多数室換気測定器

コーナー札幌SK-001300風速計KANOMAX

6501-0060

微差圧計

testo

400300

PMV計

DeltaOHM

HD32.360今回の流量係数の算定には実験により測定した換気算定された流量係数は約 0.62 となった。次に、風向量と換気駆動力となる差圧を利用して、式 2 のオリフ

別に流量係数を見ると、開口面に対して垂直に流入すィスの換気式が成立するものとして算定を行っている。

る 45°付近での流量係数が最も大きい結果になった。
開

また、開口の高低差が微小の為、温度差換気は起こら口面に対して垂直に流入するのが最も流量係数が小さないものとしている。

い値となった。この結果は室内に垂直に流入する場合が最も抵抗が少ないためだと考えられる。また単純開2(𝑝1 − 𝑝2 )𝑄 = 𝛼𝐴√𝜌(式 2)

口の場合、流量係数の文献値は、0.65～0.7 であり実験で得られた値はやや小さな値となるが、計測誤差の範

𝑄：換気量, 𝛼：流量係数, 𝐴：開口面積
𝑝1 ：室内気圧,𝑝2 ：開口近傍気圧, 𝜌：空気密度

囲内であるといえる。有効データ数は 476 個であった。

計測概要
開口形状は 0.28×0.42(㎡)の単純開口である。実験は実験で使用する換気量測定器は換気量が過大になる

2021 年 9 月 23 日から 9 月 26 日の 4 日間と 9 月 28 日と正確な測定ができないことが事前実験により明らかから 9 月 30 日の 3 日間の計 7 日間で行った。流量係になった。そこで、対象室の開口の大きさを調整する数と開口部近傍と室内中央の微差圧との関係を図 6 に、ためにスタイロフォームを利用し、窓の検討領域以外風向による流量係数の差について図 7 にまとめる。

をふさいだ。検討領域以外の日射の影響を防ぐためスタイロフォームを用いた。
室内にはエアコンの給排気口やドアの隙間など漏気が懸念される場所がいくつか存在したため、ビニールシートや養生テープでふさぐことで対策を行った。
多数室換気測定器で使用するトレーサーガスは室内に一様に拡散している必要があるため扇風機を用いて
図 4 Case1 流量係数と微差圧の関係

拡散したが、その風速は室内中心に置いた PMV 計測器0.8に影響が出ない程度のものとした。

0.7

測定器を稼働させたままでガスボンベの交換を行った。
交換のタイミングにおいて実測への影響がある場合が流量係数0.6

本実験では、連続的に測定を行うために多数室換気0.50.40.3あり、その場合のデータは外れ値として除外して検討0.2を行った。

0.10評価方法

022.5

4567.590112.5135窓に対して流入となる風向(°)

また、微差圧と流量係数の関係において、微差圧が

図 5 Case1 風向による流量係数の比較

1 以下の範囲ではばらつきが大きく、差圧が大きくなるにつれて小さくなる。そのため流量係数の算定にはこの範囲の値を除いて行うこととした。また流量係数を文献値と比較することで精度の検証を行った。
実験結果
開口形状は 0.28×0.28(㎡)の単純開口である。実験は2021 年 9 月 8 日から 9 月 13 日の 6 日間行った。流量係数と開口部近傍と室内中央の微差圧との関係を図 4に、風向による流量係数の差について図 5 にまとめる。

36-2

図 6 Case2 流量係数と微差圧の関係

157.5

前半のデータを case2-1、後半のデータを case2-2 と口面積を持つ、一般的にガラリ形状と呼ばれる開口形してそれぞれ算定された流量係数は約 0.49 と 0.63 と状である。ルーバーには角度を 15°つけた。実験は 2021

なり二つのデータを合わせて算出すると 0.55 となった。

年 11 月 19 日から 11 月 21 日の 3 日間で行っている。

風向別の流量係数は、開口面に対して垂直に流入する流量係数と開口部近傍と室内中央の微差圧との関係を45°付近で大きくなり、開口に対して垂直に流入する場

図 12 に、風向による流量係数の差について図 13 にま合の開口の抵抗値が比較的小さい傾向にあることが分とめる。

かる。また単純開口の流量係数の文献値は、0.65～0.7算定された流量係数は約 0.36 となった。次に、風向であり実験で得られた値はこれより小さな値となった。

別に流量係数を見ると、開口面に対して垂直に流入す有効なデータ数は 1301 個だった。

る 45°付近で値が大きくなり、開口面に対して垂直に流入する場合の開口の抵抗値が比較的小さい傾向にある

開口形状は、0.20×0.25(㎡)の開口からルーバーの厚ことが分かる。
またガラリ開口で 20°の角度をつけた場

み の 合 計 で あ る 0.010( ㎡ ) の 面 積 を 差 し 引 い た

合、流量係数の文献値は 0.40～0.50、40°の角度をつけ0.040(㎡)の開口面積を持つ、一般的にガラリ形状と呼た場合、0.35 であり、30°の角度をつけて求めた実験値ばれる開口形状である。また、ルーバーには角度をつは 2 つの文献値の中間に位置し、値は妥当性のある値けていない。実験は 2021 年 10 月 5 日から 10 月 9 日となった。有効なデータ数は 218 個だった。の 5 日間で行った。流量係数と開口部近傍と室内中央の微差圧との関係を図 8 に、風向による流量係数の差について図 9 にまとめる。
算定された流量係数は約 0.78 となった。風向別の流量係数は、開口面に対して垂直に流入する 45°付近で大きくなり、開口に対して垂直に流入する場合の開口の抵抗値が比較的小さい傾向にあることが分かる。またガラリ開口の場合 0°の、流量係数の文献値は、0.65～0.8 であり実験で得られた値はこれを下回る結果とな

図 7 Case2 風向による流量係数の比較った。有効なデータ数は 159 個だった。
開口形状は、0.20×0.35(㎡)の開口からルーバーの厚みである 0.014(㎡)の面積を差し引いた 0.0739(㎡)の開口面積を持つ、一般的にガラリ形状と呼ばれる開口形状である。また、ルーバーには角度をつけていない。実験は 2021 年 11 月 2 日から 11 月 5 日の 4 日間で行った。流量係数と開口部近傍と室内中央の微差圧との関係を図 10 に、風向による流量係数の差について図 11にまとめる。

図 8 Case3 流量係数と微差圧の関係

別に流量係数を見ると、開口面に対して垂直に流入す0.7る 45°付近でやや低下がみられるものの比較的大きな0.6

流量係数算定された流量係数は約 0.54 となった。次に、風向0.8値がみられ、開口面に対して垂直に流入する場合の開口の抵抗値が比較的小さい傾向にあることが分かる。

0.50.40.3

またガラリ開口の場合 0°の、流量係数の文献値は、0.20.65～0.8 であり実験で得られた値はこれを下回る結0.1果となった。有効なデータ数は 159 個だった。

0022.54567.590112.5135

窓に対して流入となる風向(°)

図 9 Case3 風向による流量係数の比較

開口形状は 0.20×0.35(㎡)の開口からルーバーの厚みである 0.014(㎡)の面積を差し引いた 0.0739(㎡)の開36-3

157.5

考察
風向毎に流量係数を算定すると、157.5°のデータが存在しないため、算定することができなかった。これは窓面のある壁が入り組んだ形状になっており、その方向は壁により風がさえぎられるため、流入がなかったためであると考えられる。また、各ケースの実験結果でも述べたように流入風向 45°付近でほとんどのケ―スで流量係数の値が大きくなり、窓面に垂直な風向で開口の抵抗値の低減が原因であると考えられる。

図 10 Case4 流量係数と微差圧の関係0.8

しかし、45°を超えていくと流量係数が上昇する Case40.7のようなパターンも見られたため、より多くのデータ0.6

流量係数数の確保をしてより正確な傾向をつかむことや乱流の影響を考慮することが今後の課題となる。
また、Case1 と Case2 を比較すると、開口が大きく0.50.40.30.2なると、流量係数が低下するという結果になった。こ0.1

れは予想に反する結果であった。一般的に開口が大き00くなると抵抗値が小さくなるため、流量係数は大きく

22.5

4567.590112.5135157.5窓に対して流入となる風向(°)

図 11 Case4 風向による流量係数の比較なる。本実験では開口の大きさを変えるために一辺の大きさだけを変えたことが原因であるのではないかと考えられる。これは、開口の面積より開口の形状が流量係数に与える影響が大きいからではないかと予測でき、今後検討したい。
実験から得られた流量係数と文献値の比較を行う。
図 14 に全ての微差圧範囲により求められる流量係数と微差圧が 1Pa 以上の範囲により求められる流量係数、文献値の流量係数の中央値を並べた。どの場合においても実験により精度よく流量係数を算定できているこ

図 12 Case5 流量係数と微差圧の関係0.8とが分かる。

0.7

まとめ0.6流量係数

本実験では、実在建物の開口部を対象に流量係数を算定し、その形状を変化させ比較・検討を行った。実在建物においても、換気量が多くなく安定していれば、

0.5
0.4

0.30.2

精度よく流量係数が算定できることを確認した。しか0.1

し、多くの既往研究で行われている風洞実験による算0定とは異なり、気温、気圧、風向、風速などが安定しな

022.5

4567.590112.5135157.5窓に対して流入となる風向(°)

図 13 Case5 風向による流量係数の比較いため、データの分析が複雑となり、またデータ数にかなりの差が生じてしまう結果となった。より正確に流量係数を算定するためには、計測により単純な建物を選択することやデータ数を増やす必要性がある。
【参考文献】

1)

B-56 環境負荷型オフィスビルにおける地球・地域環境負荷の低減効果の検証(２)研究棟運用段階における個別対策技
術の LCA 評価：澤地孝男・瀬戸裕直

2)

建築環境工学 浦野良美 中村洋 編著 pp280-304

図 14 範囲の違いによる流量係数の違いと文献値

36-4