工学院大学研究報告第 111 号

氏 名（本 籍）樋口佳

学 位 の 種 類

博士（工学）

学 位 記 番 号

博乙第 112 号

学位授与の要件

学位規則第 4 条第 2 項

学位授与年月日

平成 23 年 2 月 14 日

学位論文題目

周囲環境を考慮した建築熱負荷シミュレーションに関する研究

論文審査委員

主査

宇田川光

弘

副査

大橋一

正野部

達夫

中島裕輔

永田

明

寛（首都大学東京准教授）

平成 23 年 10 月

樹（岐阜県）

柳宇

論文要旨
研究の背景と目的したがって，本論文では，密集した住宅地などでも，より現実的に熱負荷およびエネルギー消費量を計算できるシミュレーションプログラムの開発を行った．次に，近年，地球温暖化問題によって，ますます二酸化炭素外部環境が住宅に及ぼす影響を定量的に把握することを排出量の抑制が急務となっている．それに伴い，先進国目的とし，開発したシミュレーションプログラムを用いを中心に住宅性能の底上げに取り組んでいる．その中でて，住宅密度や樹木の配置による熱負荷への影響や，密も，ゼロエネルギー（もしくはゼロカーボン）住宅の義集住宅地におけるゼロエネルギーハウスの可能性につい務化を法令で定める動きも活発化している．日本では，て検証，日射熱取得の難しい密集住宅地における屋根面二酸化炭素排出量の部門別内訳の中で，住宅からの排出でのアクティブソーラーの有効性などの検証を行った．

量は，2008 年度で約 14％となっており，1990 年以降増え続けている．しかし，次世代省エネルギー基準の施行

研究内容

から 9 年が経過しているが，次世代省エネルギー基準に本論文は，開発編と実践編に大きく分かれ，全 10 章

準拠している住宅は，いまだ 10％程度といわれている．

で構成されている．第 2 章から第 4 章が開発編となり，家庭部門からの二酸化炭素排出量を削減することが急務

第 5 章から第 9 章が開発したプログラムを用いた実践編となっており，ますます快適でエネルギー消費量の少なとなる．

い住宅を実現することが非常に重要になっている．
また，建物の長寿命化を進めることも重要であるが，第 1 章では，本研究の背景および目的を述べた．

そのためにも，新築の建物性能を評価するだけでは不十分で，建物のライフサイクルの中で，刻々と変化する外第 2 章では，周囲環境を考慮した熱負荷シミュレー

部環境および住宅の劣化に対して，室内の熱環境がどのションのアルゴリズムについて述べた．周囲環境の影響ような影響を受けるのかを予測することも非常に必要とについては，短波長放射，長波長放射，建築外表面の対される．

流熱伝達率，自然換気量や通風量などが考えられるが，そのためには，住宅単体のみにとどまらず隣接建物の本研究では，日射熱取得や自然採光に関わる短波長放射影響，地域規模の住宅配置を含めた熱・光環境およびエすなわち日射および建築外部での長波長放射の扱いを中ネルギー消費量に関する研究が必要である．しかし，一心に検討した．日影計算，形態係数計算法を作成し，外般的な熱負荷シミュレーションでは，外部環境（隣接建表面（窓面，外壁，屋根など）が受ける日射，長波長放物や樹木など）は，冷暖房負荷への影響が大きいが，取射計算プログラムを作成した．
計算法の作成にあたって，り扱いが煩雑であるため無視されることが多く，実用的外部障害物の形状を多角形およびそれらの集合体（立方に使用しうる方法が望まれている．また長波長放射につ体，直方体，樹木など）とし，直線と平面の交点が平面いては，定量的に十分に把握されていないのが現状であの内部か外部を判別する計算を容易にできるようにしる．

た．これにより，モンテカルロ法を用いた確率による形

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工学院大学研究報告

態係数の算出と，外表面を微小四角形に分割して，外表第 5 章では，2 種類の建物配置について検討した．ひ面の影面積を求めることが容易になり，かつ外部環境にとつは，住宅地の建蔽率を変え，年間暖冷房負荷に与え対して汎用性のあるプログラムを作成した．本研究で作る影響を検証した．具体的には，建蔽率が 53％，33％成した外表面における日射・長波長放射計算プログラム

および 26％の場合と，通常のシミュレーションで想定を汎用熱負荷シミュレーション EESLISM に移植を行い，している隣棟の無いケースの合計 4 ケースにおける室温屋外の放射環境を考慮できる熱負荷シミュレーションプおよび熱負荷を比較した．もうひとつは，南向き住宅とログラムに拡充した．

北向き住宅の熱負荷の比較を行った．南向きの住宅が一般的であるが，敷地条件によっては必ずしも南向きでな

第 3 章では，第 2 章で作成した外部環境のアルゴリズいこともあり，そのようなダイレクトゲインの得られにムを含め EESLISM に対する，一般ユーザーの利用の利

くい住宅における熱負荷への影響を検討することも重要

便性向上を目的とし，入力データの入力支援機能や，出であるため検証した．

力結果の分析などについての GUI（Graphic user inter-

建物密度の違いによる負荷の比較結果より，建蔽率がface）によるフロントエンドの開発について述べた．外53％の場合に，年間の暖冷房負荷が 30％増加した．そ部障害物および対象建物の入力データ作成には，CADれに対して，建蔽率が 33％以下のケースでは，負荷のと連動させて入力データを作成する方法と，直接テキス増加が 10％以内となった．都市部近郊の住宅地の建蔽

ト形式で入力データを作成する方法が考えられるが，率は，40％から 60％程度であり，隣接建物の影響は無EESLISMではテキスト形式での入力を基本としている．

視できないことが分かる．

ただ，テキスト入力の場合，入力データの確認作業に大建物方位の違いによる負荷の比較結果では，北向き住きな労力が必要となる．そこで，建物配置および建物形

宅は，南向き住宅に比べて 1.3 倍程度の負荷の増加がみ状を CG によって俯瞰表示し，入力データが適正に作成られた．南からのダイレクトゲインの減少による暖房負されているか否かを直感的に確認できるプログラムを開荷の増加が大きな原因となった．

発した．
第 6 章では，住宅の室温・熱負荷に及ぼす樹木の影響
第 4 章では，第 2 章で作成した周囲環境の影響を考慮について検討した結果を示す．樹木は隣棟とは違い，落するアルゴリズムを実測によって検証した．筆者が実務

葉樹の場合は，夏期の日射をさえぎり，冬期の日射を取で設計した新宿区西落合の家の実測を行い，影の計算おり込むといった優れた機能を備えている．そのような樹よび形態係数の計算の精度について確認した．西落合の木の効果を定量的に把握することを目的とし，3 つのパ家は，L 型の建物で，かつピロティがあり，自分自身のターンの樹木配置による建物内部の熱環境への影響を検影を受ける．さらには，簾によるブラインドやバルコニー証した結果を示した．などの付設障害物，そして樹木，隣棟が迫っており，外南庭に 2 本の落葉樹を配置したケースと 2 本の常緑樹

部環境の入力およびアルゴリズムの確認には最適であっを配置したケースの比較では，冷房負荷は樹木なしに比たため採用した．

べて，落葉樹の場合で 15％，常緑樹の場合で 20％削減

結果として，居間南窓面からみた外部環境に対する形された．暖房負荷は，落葉樹の場合は 8.5％増加したが，態係数は，ほとんど実測値と一致した．また，南窓およ常緑樹の場合は 26％の増加となった．結果として，落び西窓からの入射日射量の比較においても，実測値とほ葉樹を植えることで，冷房負荷の削減と暖房負荷の増加ぼ等しかった．これにより，簾や自分自身の影による日を抑えることができ，年間暖冷房負荷では，樹木なしに射量の減少を考慮できていることが分かった．

比べて 5 ％削減することができた．

第 5 章，第 6 章，第 7 章，第 8 章および第 9 章では，第第 7 章では，密集住宅地におけるアクティブソーラー

2 章で作成した周囲環境の影響を考慮できるプログラムシステムの効果について検討した．第 5 章より，密集しを用いて，実際に住宅の密度や向き，樹木の影響，さらた住宅地では，窓面からのダイレクトゲインが得られにには住宅地におけるゼロエネルギーハウスの可能性などくいため，建蔽率が 50％以上となると，年間暖冷房負の検証を行い，外部環境の影響について定量的に評価し荷が 30％程度大きくなるという結果を得た．したがった．て，このような住宅地において，屋根面からの日射の取得は非常に有効であることが考えられる．この章では，本学において授与された博士論文の要旨

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屋根面での集熱を居室の床暖房および給湯に用いるアクできる建築熱負荷シミュレーションプログラムが開発さティブソーラーシステムの有効性を定量的に把握した．

れた．これにより，長寿命化，省エネ化が進むこれから隣棟のないケースと，隣棟があるケースと，隣棟がありソーラーシステムを搭載しているケースの住宅について，周囲環境の変化にも対応できる詳細なの3つエネルギー消費予測も可能となり，また，樹木の影響なをシミュレーションにより比較した．結果より，ケース

ど，従来定量的に効果を把握しづらいパッシブ手法につB では暖房負荷がケース A の 3 倍となったが，ケース Cいても定量的に検証することもできるため，これからのではほぼケース A と同程度の暖房負荷となった．これに住宅設計，住宅地計画，さらには省エネ改修などのリより，都市部でのアクティブソーラーシステムの有効性フォームにも大きく寄与すると思われる．

を確認できた．
課題としては，計算速度の向上や入力手間のさらなる第 8 章では，密集住宅地におけるゼロエネルギーハウ削減が挙げられる．利便性については，第 3 章で述べたスの可能性に関する検証について述べた．パッシブ効果

が，実務レベルで幅広く利用してもらうには，毎時行っや発電量に対して条件の厳しい密集した住宅地でのゼロている影面積の計算を出力結果から読み込むようにするエネルギーの可能性を検討することが重要であるため，などの改善により，計算時間を短縮していく取組が今後

第 7 章の検証を踏まえて，都市部近郊に多くみられる第も必要である．

一種低層住居専用地域に立地する住宅密集地域を想定して，ゼロエネルギー住宅のモデル設計を行い，EESLSIM

論文審査要旨を用いて，密集住宅地におけるゼロエネルギーの実現の本論文は，住宅の環境・エネルギー性能に関するシミュ可能性を技術面および経済面から詳細に検討した．モデレーション手法およびその住宅設計への応用に関する研2ル住宅は，延べ床面積 119m の木造 2 階建て住宅とし，究結果を述べたものである．室内環境を良好な状態に維第一種高度斜線などの法的建築制限を加味したモデルを持しつつ，様々な建築的，設備的な省エネルギー手法に設計した．設備仕様は，オール電化仕様と太陽熱給湯仕

よって二酸化炭素の排出量を削減し，地球への環境負荷様の 2 タイプで検討した．

を低減することは，現代の建築設計や設備設計において結果として，技術的にもコスト的にも十分都市部でも必ず求められる課題である．しかしながら，建築設計・ゼロエネルギーハウスを普及できる可能性があることを設備設計において必ずしも種々の省エネルギー手法の効示した．

果がシミュレーションにより定量的に評価され，合理的に設計が進められている訳ではない．一方で，暖冷房時

第 9 章では，第 8 章で得られたゼロエネルギーハウスの室内熱環境，熱負荷のシミュレーションに対する研究の設計ノウハウを基にして，つくば豊里の杜におけるゼは 1970 年代からアメリカ，日本，ヨーロッパ諸国で行ロエネルギー建売住宅の環境設計について述べた．ゼロ

われてきており，汎用シミュレーションプログラムを開エネルギーハウスの研究はこれまで，比較的最新の技術発されているが，対象建築の周囲環境の影響は熱負荷にを詰め込んだ実験棟的な検証が多くみられたが，本章で大きく影響するにもかかわらず，これまでに十分な研究は，普及を目的としたローコストのゼロエネルギー住宅はなされていなかった．日本の都市近郊に見られる密集を提案した．

住宅地では，暖房負荷への隣接建物の影の影響が大きい

第 8 章の仕様と同様，オール電化タイプと太陽熱給湯と考えられる．また，夏季に樹木の影によって冷房負荷タイプの 2 棟のゼロエネルギーハウスを建設した．ともが軽減されることが期待されているが，効果を定量的にに，4.2KW の太陽光発電を搭載することで，ゼロエネル示されてはいない．本研究では，このような建築外部のギーを達成している．イニシャルコストの増加分は約

周囲環境の影響を定量的に評価しうる計算手法を構築

400 万となった．これにより，建売住宅でもゼロエネルし，シミュレーションプログラムを開発した．さらに，ギーハウスが安価に手に入れることができることを示し開発したシミュレーションプログラムを利用して，住宅た．

地の建築密度と熱負荷，樹木の影響，住宅密集地のソーラーハウスの性能やゼロエネルギーハウスの可能性の検第 10 章では，各章の研究結果を総括し，結論を述べた．

討などを行っている．

本研究により，より具体的に周囲の環境を考慮し，さ本論文は，全部で 10 章で構成されている．第 1 章では，らに汎用性と正確性を兼ね備えた周囲環境の影響を考慮

本論文の背景，目的を述べ，第 10 章で総括的結論を述

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工学院大学研究報告

べている．第 2 章から第 4 章はシミュレーション手法にブソーラーシステムの有効性を示した．第 8 章では，都関する研究結果を述べている．第 2 章では，建築の熱負市部にみられる第一種低層住居専用地域に立地する住宅

荷計算における周囲環境の影響について，本研究では，密集地域を想定して，ゼロエネルギーハウスのモデル設

日射および建築外部での長波長放射の扱いを中心に検討計を行い，技術的にもコスト的にも都市部でも十分ゼロしている．日影面積計算法，形態係数計算法を作成し，エネルギーハウスを普及できる可能性を示した．第 9 章

窓面，外壁，屋根などの外表面が受ける日射量，長波長では，第 8 章で得られたゼロエネルギーハウスの設計法

放射を計算するプログラムを作成した．このプログラムを基礎として，郊外の住宅団地に建設されるローコストを汎用熱負荷シミュレーションプログラム EESLISM にゼロエネルギーハウスの環境設計について述べた．運転移植し，屋外の放射環境を考慮しうるシミュレーション費とともに設備費についても検討し，ローコストゼロエプログラムに拡充した．第 3 章では，第 2 章で作成したネルギーハウスが可能であることを示した．第 10 章で外部環境を考慮しうるシミュレーションプログラムの利は，第 2 章から第 9 章までに述べた研究結果についての用の利便性向上を目的とし，GUI の開発について検討し，総括的結論である．

入力データが適正に作成されていることを確認できるプ

本研究は，隣接建物や樹木など建築周囲の放射環境のログラムを開発した．第 4 章では，第 2 章で作成した周影響を考慮した熱負荷シミュレーションに必要な計算法

囲環境の影響を考慮するシミュレーション手法を実在住を構築し，プログラムを開発することにより，周囲環境宅の実測データによって検証した．

を考慮した熱負荷シミュレーションを可能にした．さら

第 5 章から第 9 章は開発したプログラムを利用し，種々に，そのシミュレーションプログラムを使用して周囲環のモデル住宅の熱負荷についての検討結果を述べてい境が建築の熱負荷や室内熱環境に与える影響を定量的にる．第 5 章では，建物配置について検討した．まず，住評価できることを示した．本研究の手法は，隣接建物の宅地の建蔽率の異なる 4 ケースについて，年間暖冷房負増改築や樹木の成長など周囲環境に変化が生じた場合に荷を検討し，都市近郊の住宅地では，隣接建物の影響は既存建築の熱負荷や室内熱環境に対する影響も具体的に無視できないことを示した．次に，北向き住宅と南向き示すことができる．このため，本研究の成果は新築時の住宅について年間熱負荷の比較結果を行い，北向き住宅建築計画・設計時の環境性能評価に利用されるとともにでは 1.3 倍程度熱負荷が増加することを示した．第 6 章

既存建築についての周囲環境の経年変化の影響も含めた

では，住宅の室温・熱負荷に及ぼす樹木の影響について，改修計画にも利用できるので建築の長寿命化にも少なか落葉樹，常緑樹を想定し検討した．落葉樹，常緑樹それらず貢献すると考えられる．以上から本論文の成果は，ぞれの暖房負荷，冷房負荷への影響を示した．第 7 章で今後，建築の環境性能の向上に，広く寄与してゆくと考は，窓面からの日射の暖房効果が期待できない密集住宅えられる．よって，本論文は，博士（工学）の学位に値について，太陽熱集熱器を用いるアクティブソーラーシするものと認められる．

ステムの熱負荷軽減効果を検討し，都市部でのアクティ