ＢＲＩ－Ｈ３０講演会テキスト
ＢＲＩ－Ｈ３０講演会テキスト

自然換気システムの評価・設計法の開発
環境研究グループ 主任研究員

目

赤嶺 嘉彦

次Ⅰ

はじめに

Ⅱ

建築研究所と省エネルギー基準の関係
１）基準制定の背景と変遷
２）一次エネルギー消費量による評価
３）エネルギー消費性能の計算方法の整備

Ⅲ

自然換気システムの運用実態

Ⅳ

自然換気システムの評価・設計法の開発への取り組み
１）設計フロー２）設計に用いるデータの透明性確保①風圧係数②自然換気部材の通気特性

Ⅴ

おわりに謝辞参考文献

Ⅰ はじめにシステムの評価・設計法の開発を行っているところである。

自然換気システムは、外部風や室内外の温度差によって、室内よ本稿では、建築研究所と省エネルギー基準の関係を示した上で、りも冷涼な外気を取り入れ、室内部で発生した熱を排熱すること

自然換気システムの評価・設計法の開発の取り組み状況についてにより、室温調節及び冷房負荷削減を行う技術である。一般に、事紹介する。

務所ビルなどの非住宅建築物は住宅と比べて、OA 機器、照明、人体などからの発熱が多く、冷房負荷が大きくなる傾向があるため、Ⅱ 建築研究所と省エネルギー基準の関係自然換気による省エネルギー効果への期待が高い。図 1 に示すよ

１）基準制定の背景と変遷

1)

うに、国土交通省による「住宅・建築物省 CO2 先導事業」 におい

省エネルギー基準とは、建築物の運用時のエネルギー消費量をて採択されたプロジェクトの多くが自然換気システムを採用して削減することを目的として定められた一連の告示・省令等をいう。

いることからもその期待度が伺える。

平成28 年4 月以前は、「エネルギーの使用の合理化に関する法律」

一方で、省エネルギー基準に準拠した非住宅建築物のエネルギに基づく告示等をさし、平成 28 年 4 月以降は、「建築物のエネルー消費性能の評価においては、自然換気システムは評価の対象外

ギー消費性能の向上に関する法律」及びそれに基づく省令・告示等となっている。その理由として、後述する自然換気システムの運用をさす。

実態のように、システムが適切に運用されているかが不明確な点

省エネルギー基準の歴史は古く、1970 年代のエネルギーショッなどが挙げられるが、最大の理由としては、自然換気システムの設クに起因して日本のエネルギー安全保障の重要性が高まる中、昭計法が確立していないため、何をどのように評価すべきかが定め

和 54 年に「エネルギーの使用の合理化に関する法律」が制定されられていないことにある。これに対し、建築研究所では、自然換気た。これを受けて昭和 55 年に制定されたのが、非住宅建築物を対- 115 -図 1 「住宅・建築物省 CO2 先導事業」に採択されたプロジェクトにおける建築面の主な技術・取り組みの変遷 2)
象とした「建築物に係るエネルギーの使用の合理化に関する建築主等及び特定建築物の所有者の判断の基準」や住宅を対象とした「住宅に係るエネルギーの使用の合理化に関する建築主の判断の基準」等の告示である。制定当時は「努力義務」と呼ばれ、この基準を満たさないと建てられない等の「義務」ではなく、あくまで基準に沿った建築物を設計・建設することが推奨されるといった拘束力の無いものであった。その後、何度か基準が改正され、「努力義務」であったのが例えば 2,000m2 以上の非住宅建築物に対して評価結果の届出を義務化する等、徐々に強化されていった。
その後、建築物のエネルギー消費量の削減を一層推進するため
図 2 一次エネルギー消費量による評価の枠組みに、非住宅建築物で一定規模以上の建築物の省エネルギー基準の適合義務化を含めた「建築物のエネルギー消費性能の向上に関する法律」が平成 27 年 7 月に公布され、この法律を受けて、平成 29
年 4 月から、2,000m2 以上の非住宅建築物では、省エネルギー基準整備された結果、平成 25 年の告示改正により、住宅・非住宅建築物ともに、建物全体の一次エネルギー消費量が新たな評価指標とする基準に変更された。に適合することが義務付けられている。

評価方法は、図 2 に示すように、当該建築物の空調や給湯、照明等の用途ごとに一次エネルギー消費量を計算し、その合計が、別途２）一次エネルギー消費量による評価
平成 25 年以前の省エネルギー基準では、住宅については断熱と日射遮蔽の性能を評価指標としており、暖冷房や給湯などの設備の性能は全く評価されていなかった。非住宅建築物についても断熱と日射遮蔽の性能に関する指標（ＰＡＬ）に加え、個々の設備機器の性能（効率）は評価されていたものの、建物全体での省エネ性計算する基準値を下回っていれば良いという枠組みとなっている。
設備ごとの合計値での比較であるため、例えば空調によるエネルギー消費量が基準値を上回っていても、照明や給湯など他の用途で消費を削減すれば、合計値が下回る限り基準をクリアできることが特徴的である。

能は評価されていなかった。しかし、設備の省エネ評価が体系的に- 116 -

３）エネルギー消費性能の計算方法の整備
建築研究所で実施している建築部の省エネルギーに関する研究
建築研究所で実施している建築物の省エネルギーに関する研究の成果の大部分は、省エネルギー基準に基づいた一次エネルギー消費量の計算方法に反映されている。
一次エネルギー消費量の計算方法は、気候条件（外気の温湿度や日射）を踏まえて、設備ごとに 1 日単位あるいは 1 時間単位で計算するなど、非常に複雑である。また、民間においては、設備機器自体の高効率化などの技術開発が急ピッチで行われている。
このような事情に柔軟に対応するため、省エネルギー基準の告示では、エネルギー消費性能の評価の基本的枠組みや勘案すべき

図 3 省エネルギー基準の評価に関する解説書 3)ことなど大枠を定めており、個々の機器の具体的な計算方法は、国
交省国土技術政策総合研究所・独立行政法人建築研究所（当時）監。加えて、省エ修のもと解説書 3)としてまとめられている（図 3）
ネ関連の設備の技術開発に対応するべく、最新の評価方法が建築
随時更新
研究所の省エネ基準に関するホームページ 4)に公開され、されている（図 4）。また、建築研究所の同ホームページ内では、別途、計算プログラム 5)を公開している（図 5）。この計算プログ

ラムを用いれば、計算方法の詳細な中身を知ることなく計算・評価ができ、届け出や申請に必要な計算結果を示す書類も印刷することが可能である。

Ⅲ 自然換気システムの運用実態
同システム
自然換気システムの運用実態について、山本ら 6)6)は、は、同システ
自然換気システムの運用実態について、山本らを採用した
1919の建物を対象として、自然換気の年間利用時間が設ムを採用したの建物を対象として、自然換気の年間利用時間

図 4 建築物のエネルギー消費性能に関する技術情報 4)

計時、竣工
1 年目、調査時点（平成17 年度時点）でどのように変が設計時、竣工1 年目、調査時点（平成17 年度時点）でどのよ化したか、その変化の理由について詳細な調査を実施している。図うに変化したか、その変化の理由について詳細な調査を実施して6いる。図は、19 6件の平均利用時間の変化を示したものであるが、設計時は、19 件の平均利用時間の変化を示したものである
では915 時間/年であったのに対し、竣工 1 年目は 7751時間/年が、設計時では915 時間/年であったのに対し、竣工年目は（設775計時比15%減）、調査時点では582 時間/年（同36%減）と、必ずし時間/年（設計時比15%減）、調査時点では582 時間/年（同36%も設計時の想定どおりに自然換気システムが運用されないことが減）と、必ずしも設計時の想定どおりに自然換気システムが運用わかる。
されないことがわかる。
表 1 は、調査した 19は、調査した19 件の建物ごとの自然換気システムの利用時
件の建物ごとの自然換気システムの利用間の変化と利用時間が変化した主な原因を示したものである。利
時間の変化と利用時間が変化した主な原因を示したものである。
用時間が変化した主な原因としては、以下が挙げられている。
利用時間が変化した主な原因としては、以下が挙げられている。


利用者からの苦情（換気口作動音（A、B、C）、異臭・ほこり
利用者からの苦情（換気口作動音（A、B、C）、異臭・ほこ（F、G）））
り（F、G）



自然換気の換気口制御（開閉の手間（D、F）、気密性の確保
自然換気の換気口制御（開閉の手間（D、F）、気密性の確保
（E）
）



利用者や管理者の自然換気システムへの理解（理解を得られ利用者や管理者の自然換気システムへの理解（理解を得ら

図 5 エネルギー消費性能計算プログラム 5)（上：非住宅建築物版（標準入力法）、下：住宅版）

ない（F、G、H）、管理者の理解を得られた（I）））
れない（F、G、H）、管理者の理解を得られた（I）- 117 -

表 1 自然換気利用時間の設計時の想定と実運用における自然換気利用時間の変化及び変化要因 6)
設計時

調査時点（竣工年数）

建物

用途

1年目

A
B
C
D
E

研究所
オフィス
病院
研究所
オフィス

F

研究所

G

研究所

980

100

0 （5年目）

H
I
J
K
L
M
N
O
P
Q
R
S

オフィス
オフィス
研究所
オフィス
オフィス
オフィス
学校
学校
研究所
ｽﾎﾟｰﾂ施設
ｽﾎﾟｰﾂ施設
病院

465
860
1,300
500
400
2,000
1,400
700
300
300
1,500

35
750
1,200
500
500
1,270
1,440
660
350
350
1,000

0 （１７年目）
2,207 （8年目）
750 （3年目）
1,100 （2年目）
500 （5年目）
500 （4年目）
100 （8年目）
1,700 （3年目）
660 （3年目）
350 （9年目）
750 （3年目）
700 （4年目）

1,700
1,400

1,700

700

1,000

0 （2年目）一部停止 （1年目）
夜間停止 （3年目）
0 （13年目）
0 （3年目）一部停止 （2年目）

・換気口作動音に関する苦情の発生
・換気口作動音に関する苦情の発生
・夜間の換気口作動音に関する苦情の発生
・換気口の開閉に手間がかかるため利用を停止
・利用者が換気口を開閉すると気密性が確保できない・異臭が伝わるという苦情の発生
・換気口の開閉に手間がかかる
・利用者の理解が得られない・ほこりの侵入に関する苦情の発生
・管理者の理解が得られない・管理者の理解を得られない・管理者の理解を得られた

年 間平均 利用時 間（時 間/年）

ほとんどの建物が、設計時に想定した自然換気利用時間が運用利用時間が変化した主な原因（A～Iのみ）

段階では減少しているなかで、管理者の理解を得られた建物 I については、設計時の 465 時間/年に対して竣工後 8 年目の調査時点
では 2,207 時間/年と大幅に増加している。この例から見ても、自然換気システムをしっかりと運用するためには、管理者や利用者に自然換気システムの設計意図や運用方法を理解してもらうことが極めて重要であることがわかる。

10009157758005826004002000このように、自然換気システムの設計においては、開口部を開閉設 計時

竣 工1年目

調 査時点(平成 17年度 )し、外気を取り入れる際に生じる様々な問題への対策やこれらを図 6 自然換気システムの平均利用時間の変化 6)含む自然換気の適切な運用に関するマニュアルなどの整備なども必要となる。

ここでは、冷房負荷を削減するための自動開閉制御を行う自然換気システムを対象として、図 7 のような設計フローを想定してⅣ 自然換気システムの評価・設計法の開発への取り組み設計法の検討を行っている。自然換気システムの設計を開始する

１）設計フロー前に、敷地周辺の状況を事前に把握し、自然換気を利用する際の障

自然換気の設計においては、自然換気経路、具体的には開口部害の有無を確認し、障害が有る場合はその対策を踏まえておくこ（自然換気部材）の位置、大きさや形状の計画が重要であることはとが必須である。これは、一見、当たり前のことではあるが、上述言うまでもない。加えて、敷地周辺の状況を事前に把握し、自然換の実態調査のように、この検討が不十分なために自然換気の利用気を阻害する要因（例えば、異臭・ほこりなど）への対策、さらにを停止する恐れがあり、極めて重要な手順である。

は、さらには、先に記したように、建物運用段階を見据えた自然換気システムの運用方法等の情報整備が重要となる。

建物運用段階を含め、自然換気の運用阻害要因とその対策例を表 2 にまとめた。

- 118 -

表 2 自然換気の運用阻害要因とその対策例
阻害要因

自然換気を利用する際の障害のチェック

対策例
 ほこりの発生源が特定できる場合は、その近くに換気口を設けない。

start 防塵フィルターの採用（ただし、通気抵抗が大きくなる）。
 粉塵センサーを利用した換気口の開閉制御の導入。

ほこり

気象データの収集及び自然換気の利用可能期間の確認
建物形状及び室配置に関する情報の収集

花粉 換気口内の経路を屈曲形状とする。
 花粉センサーを利用した換気口の開閉制御の導入。

虫・鳥 防虫網・防鳥網の設置におい においの発生源が特定できる場合は、その近くに換気口を設けない。

 花粉の多い期間の自然換気利用は見込まない。

風圧係数の把握自然換気による冷房負荷削減量の目標設定

 換気口周辺の雨仕舞に配慮した建築的工夫。
 水密性を確保した換気口の採用。

雨水 降雨センサを利用した換気口自動閉鎖制御の導入。

自然換気を利用条件の設定• 自然換気下における室温・湿度の許容範囲の設定• 屋外風速の上限値等の設定
自然換気経路の計画

外部騒音

 吸音材を内蔵した換気口の採用。
 ダブルスキンやピットなどのバッファ空間を経由した給気経路の確保。

換気口作動音 作動音の原因は自動開閉のモーター駆動音なので、静穏性が求められる室には、駆動音の小さい換気口を採用。

自然換気部材（開口面積を含む）の選定及び配置
風切り音

 冬期の煙突効果による風切り音に対して室内のエアバランスの確保。

自然換気部材の通気特性の把握
シミュレーション

 定風量装置を備えた換気口の採用。
 外部風速センサによる自動閉鎖制御の導入。

突風

自然換気利用期間における時刻別の自然換気量の計算
ドラフト

自然換気あり／なしの条件における年間の冷房負荷及び自然換気による冷房負荷削減量の計算

no 気密性を確保した換気口の採用。
 外部風速が速い場合に開度が調整できる換気口の採用。

 自然換気を行う際の外気下限温度の調整。
 共用部などのバッファ空間を経由した給気経路の確保。
 換気口を人の近くに配置しない。

煙突効果による建物上部の温度上昇 吹抜け等の煙突効果を換気駆動力としている場合、上層部で熱気が室へ逆流する場合があるため、中性帯より上となる場合は別の換気経路を設ける。

湿度・乾燥

 自然換気を行う際の外気条件（温度・湿度）の調整。

end

開閉の手間

 自動開閉制御、閉め忘れ防止制御、手動開放・自動閉鎖とする制御などの採用。

図 7 自然換気システムの設計フロー

メンテナン
ス

 点検ルート・スペースの確保。
 防虫網・防鳥網、換気可動部のメンテナンス計画の策定。

冷房負荷削減量の目標を満たしているか？
yes

風圧力の差、室内外の温度差（浮力）が換気の駆動力となる

２）設計に用いるデータの透明性確保
自然換気は、図 7 に示すように、開口部（自然換気部材）ごとに風圧力作用する風圧力の差と室内外の温度差（浮力）が駆動力となって生開口部（自然換気部材）の通気特性じる。その風量の計算にあたっては、外部気象（風向・風速、温度、湿度）の他、建物に作用する風圧力（風圧係数）と開口部（自然換気部材）の通気特性が必要になる。そのため、これらは、自然換気- 119 -図 8 自然換気のメカニズム

風圧力

開口部
（自然換気部材）の通気特性

システムの省エネルギー効果を評価する際には、極めて重要なデータとなり、どのような根拠によるものであるかなどの透明性が求められる。その観点から、風圧係数、自然換気部材の通気特性に関するデータの整備状況について以下に示す。

①風圧係数

建物表面の平均風圧係数は、自然換気による風量を算定するための境界条件として必要となる情報の 1 つであり、自然換気システムの可能性に始まる基本計画段階から、開口部（窓、換気部材等）、通気経路の設計段階までの検討に欠かせない。しかし、風洞実験などにより、個別に風圧係数データの取得を取得することはCP-X 表示画面の例（長方形平面・中層）

容易ではなく、学会等の設計資料集成や学術論文等に風圧係数の分布が示されているものの、十分とは言えない状況であった。
これに対し、過去に建築研究所を中心として実施した風洞実験による各種建物形状の平均風圧係数データの取りまとめを行っている。その成果は、建築研究資料 7)として公開するとともに、データベースはデータ管理プログラム（以下、CP-X）とともに自立循環
プロジェクトのホームページ 8)から無償でダウンロードすることができる。データベースには、長方形平面や特殊な平面計上（Ｙ、Ｙ型平面・高層Ｌ型平面・高層ロ型平面・高層+型平面・高層

Ｌ、ロ、＋、コ、Ｈ、ヘ型）の低層（15m）、中層（30m）、高層（45m）の建物、体育館や工場を想定した屋根形状の異なる建物や戸建住宅の他、長方形平面の建物については、隣接建物がある場合の平均風圧係数分布が収められている。また、CP-X を用いることで、平均風圧係数の分布を閲覧するとともに、任意の点の平均風圧係数値を抽出することが可能となっている。
（図 9）。

② 自然換気部材の通気特性
オフィスビルなどでは、自然換気を通常の「窓」で行うと、風に図 9 平均風圧係数データベース（CP-X）の例

よる書類の飛散などの執務上に問題が生じるため、専用の自然換気部材が用いられることが多い。図 10 にペリカウンターなどに設置される自然換気部材の例を示す。このように一般的な窓と比べて、非常に複雑な機構を持つため、その通気特性（P-Q 特性、自然換気部材に作用する圧力差 P と風量 Q の関係）をメーカーなどから入手する必要がある。ここで課題となるのが、自然換気部材の通気特性の試験方法に関する JIS 等の規格がないことである。そこで、チャンバー法による試験方法と数値流体解析（CFD）による解析方法の開発を行っている。
チャンバー法による試験装置の構成を図 11 に試験の様子を図12 に示す。試験方法の開発にあたっては、関連する国内外の規格を参照しつつ、チャンバー寸法と試験対象部材の寸法の関係（試験- 120 -図 10 自然換気部材の例（たて断面）

可能範囲の確認）やチャンバー内の圧力を測定する位置などにつ5139101141268715131418送風機
流量調整装置
風上側測定間風下側測定間
空気槽
接続管

対象境界

圧力境界

16 172123456圧力境界• 3次元流体解析ソフト（STAR-CCM）• Realizable k-ε2層モデル• 定常解析
• 理想気体（空気温度20℃）• 壁面は全てno-slip• 計算格子数：約1,000万

いて検討を行っている。

107 整流格子
13 整流網8 流量測定装置
14 静圧孔（空気槽部）
9 温度計（測定管部） 15 試験対象部材
10 静圧孔（測定管部） 16 大気圧計
11 差圧計17 湿度計
12 緩衝板18 データ収集装置

計算格子（解析対象部分拡大）

計算格子

図 13 解析概要

図 11 試験装置の構成

1000

y = 149.36x0.4977
R² = 0.9994

900

෫ྖQʤm3/hʥ
風量Q（m3/h）

800
700
600

y = 144.26x0.5008
R² = 0.9994

y = 144x0.5007
R² = 1500
400ࢾ‫ݩ‬ʤՅѻ๑ʥ
試験（加圧法）300ࢾ‫ݩ‬ʤ‫ݰ‬ѻ๑ʥ
試験（減圧法）200

CFD10000102030

ѻྙࠫPʤPaʥ
圧力差P（Pa）

4050ᅗ
図 14 ゎᯒ⤖ᯝ࡜ヨ㦂⤖ᯝࡢẚ㍑
解析結果と試験結果の比較

図 12 チャンバー試験の様子
CFD による解析方法については、先ず、試験結果を CFD 解析で再現できるかの検討から開始した。その検討の一例として、CFD の解析概要を図 13 にその解析結果と試験結果の比較を図 14 に示す。
適切な設定を行うことで、試験結果を概ね再現できることがわかる。一方で、乱流モデル、計算格子の生成方法、境界条件の設定などによって解析結果が異なることから、図 15 のように、試験により特性が既知の部材（リファレンス）と未知の部材（評価対象）を同時に解析し、リファレンスが試験結果と一致していれば、解析対象も正しい結果が得られたものとする方法の開発を進めている。

試験により特性が既知の部材（リファレンス）
評価対象部材

開発にあたっては、主に以下の点について要件を整理しているところである。
乱流モデルの要件



計算格子の形状及び格子生成に関する要件



境界条件の設定方法（流入・流出境界の条件、壁面境界の図 15 リファレンスと評価対象部材を同時に解析するモデル

条件、対称面で分割する際の境界条件など）に関する要件- 121 -

Ⅴ おわりにステムの運用実態に関する調査、日本建築学会環境系論文集、

本稿では、自然換気システムの評価・設計法の開発の取り組み状

第 619 号、pp.9-16、2007 年 9 月

況について紹介した。なお、自然換気システムの設計法は、国際的

7） 丸田榮藏、澤地孝男、佐藤健一、高橋泰雄、西澤繁毅：建築にも関心が高く、2016 年 9 月にベルリンで開催された物の自然換気設計のための風圧係数データベース、建築研究

ISO/TC205/WG29) に 新 規 に 「 Design

資料、No.189、2018 年 9 月

processof

NaturalVentilation for reducing cooling demand in non-residential

8） 自立循環プロジェクトホームページ、風圧係数データベース

buildings（非住宅建築物における冷房負荷削減のための自然換気＋風圧係数データ管理プログラム CP-X：設計）」を提案し、各国の賛同を得て、2017 年から検討を開始してhttps://www.jjj-design.org/program/cp-x/

いる（プロジェクトリーダー：建築研究所・赤嶺）。

9） ISO/TC205：Building environment design
WG2：Design of energy-efficient buildings

謝辞
本稿に示す自然換気システムの評価・設計法に関する検討は、国
土交通省国土技術政策総合研究所、一般財団法人建築環境・省エネ
ルギー機構、建築研究所との共同研究における「住宅・建築における省エネルギー性能の評価手法の開発研究―自立循環型住宅開発
プロジェクトフェーズ 5－（平成 27 年度～平成 29 年度）」に設置された「業務用建築物における自然換気に関する検討委員会（委員長：細井明憲・日本女子大学准教授）」において検討されたものである。

参考文献等
1） 国立研究開発法人建築研究所「住宅・建築物省 CO2 先導事業」：https://www.kenken.go.jp/shouco2/past/past.html
2） 西澤繁毅、高橋良香、羽原宏美、青笹健、桑沢保夫、山海敏
弘：住宅・建築物省 CO2 先導事業全般部門（平成 25 年度～26 年度）における採択事例の評価分析、建築研究資料、No.181、2017 年 4 月
3） 監修 国土交通省国土技術政策総合研究所, 独立行政法人建築研究所（当時）, 編集 平成 25 年住宅・建築物の省エネル
ギー基準解説書編集委員会：平成 25 年省エネルギー基準に準拠した算定・判断の方法及び解説 Ⅰ非住宅建築物、Ⅱ住宅
4） 国立研究開発法人建築研究所「建築物のエネルギー消費性能に関する技術情報」：
https://www.kenken.go.jp/becc/index.html
5） 省エネルギー基準に準拠したエネルギー消費性能計算プロ
グラム
非住宅建築物版：https://building.app.lowenergy.jp/
住宅版：https://house.app.lowenergy.jp/
6） 山本佳嗣、久保木真俊、鈴木 宏昌、田辺 新一：自然換気シ- 122 -