自然換気システムの評価・設計法の開発

平成３０年度建築研究所講演会

自然換気システムの評価・設計法の開発
国立研究開発法人建築研究所
環境研究グループ

赤嶺嘉彦

国立研究開発法人 建築研究所

Building Research Institute自然換気システムの評価・設計法の開発

平成３０年度建築研究所講演会

内容
I. はじめにII. 建築研究所と省エネルギー基準の関係
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
V. おわりに国立研究開発法人 建築研究所

Building Research Institute2

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平成３０年度建築研究所講演会

はじめに（1）• 対象とする自然換気システム– 事務所ビルなどの非住宅建築物に採用されるもの– 外部風や室内外の温度差によって、冷涼な外気の取り入れと室内で発生した熱を排気し、室温調節と冷房負荷の削減を行うもの

非住宅建築物は、ＯＡ機器や人体等からの発熱が多く、冷房負荷が大きくなる傾向があり、自然換気による省エネ効果への期待が高い。
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開口部の例• 窓（採光や眺望を兼ねるもの）

提供：LIXIL
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開口部の例• 窓（採光や眺望を兼ねるもの）＋自然換気部材
雨水侵入抑制
がらり

屋外

網戸
室内

水平断面
提供：YKK AP
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開口部の例• 窓（排気用）

提供：三協立山国立研究開発法人 建築研究所

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開口部の例• 自然換気部材（主に外気取入れ用）

鉛直断面
提供：三協立山国立研究開発法人 建築研究所

Building Research Institute7

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開口部の例• 自然換気部材（主に外気取入れ用）

水平断面提供：三協立山
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平成３０年度建築研究所講演会

はじめに（1）• 対象とする自然換気システム– 事務所ビルなどの非住宅建築物に採用されるもの– 外部風や室内外の温度差によって、冷涼な外気の取り入れと室内で発生した熱を排気し、室温調節と冷房負荷の削減を行うもの

非住宅建築物は、ＯＡ機器や人体等からの発熱が多く、冷房負荷が大きくなる傾向があり、自然換気による省エネ効果への期待が高い。
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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

建築的な工夫をした全45件のうち、39件が自然換気を採用
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はじめに（2）• 非住宅建築物における省エネルギー基準では、自然換気システムは評価の対象外– 自然換気システムが設計どおりに運用されるか？
– 一般的な設計法が確立されているか？
• 現状は、各設計者の豊富なノウハウと高度な技術によって自然換気システムの設計がなされることが多い。

– 省エネ効果について、設計時の何をどのように評価すべきかが定まっていない。

自然換気システムの評価・設計法の開発を実施中
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Ⅱ 建築研究所と省エネルギー基準の関係

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省エネルギー基準制定の背景と変遷（1）S.54 エネルギーの使用の合理化に関する法律（省エネ法）の制定 ← オイルショック
S.55 省エネ法に基づく省エネ基準の制定（努力義務）
H.4 住宅における省エネ基準の改正 ← 湾岸戦争
H.5 非住宅建築物における省エネ基準の改正
H.11 省エネ基準の改正（水準強化）←京都議定書H.21 2,000m2以上の非住宅建築物は省エネ基準の評価結果の届出が義務に
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Building Research Institute13

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省エネルギー基準制定の背景と変遷（2）
H.25 省エネルギー基準の大幅改正
評価指標
改正前
住宅

改正後

外皮性能（Q、μ） 外皮性能（UA、ηA）、一次エネルギー消費量

非住宅建築物 ＰＡＬ、ＣＥＣ

ＰＡＬ＊、一次エネルギー消費量

H.27 建築物のエネルギー消費性能の向上に関する法律（建築物省エネ法）の制定
H.28 建築物省エネ法に基づく省エネ基準の制定
H.29 2,000m2以上の非住宅建築物は省エネ基準の適合義務
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一次エネルギー消費量による評価
共通条件（地域区分、室用途、床面積等）+

換気エネ消費量++

照明エネ消費量

照明エネ消費量++給湯エネ消費量

給湯エネ消費量++昇降機エネ消費量

昇降機エネ消費量+事務機器等のエネ消費量+事務機器等のエネ消費量

事務機器等の省エ
ネ手法は考慮しない

エネ利用効率化設備によるエネ削減量

エネルギーの創出-設 計 仕 様

基 準 仕 様換気エネ消費量

省エネ手法を加味+負荷の削減空調エネ消費量

設備の効率化

空調エネ消費量

基準一次エネ消費量 ≧ 設計一次エネ消費量
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エネルギー消費性能の計算方法の整備（1）• 設備ごとに1日単位、または1時間単位で年間の一次エネ消費量を計算• 国土技術政策総合研究所、建築研究所が中心となり、計算方法を整備• 計算方法の公開– 解説書の発行– 建築研究所の省エネ基準に関するホームページで最新の計算方法を公開

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Building Research Institute16

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エネルギー消費性能の計算方法の整備（2）• 計算プログラムの公開– 建築研究所の省エネ基準に関するホームページで各種計算プログラム・マニュアルを公開– ウェブ上で自由に使用可能– 計算方法の詳細な中身を知ることなく計算・評価が可能

エネルギー消費性能計算プログラム（非住宅版）– 届出や申請に必要な計算結果を示す書類も印刷可能

エネルギー消費性能計算プログラム（住宅版）
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Building Research Institute17

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Ⅲ 自然換気システムの運用実態

国立研究開発法人 建築研究所

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平成３０年度建築研究所講演会• 山本ら*による自然換気システムの運用実態調査– 19物件の平均利用時間
設計時想定：915時間/年
竣工1年目 ：775時間/年（-15%）
調査 時点 ：582時間/年（-36%）• 利用時間減少の理由– 利用者からの苦情（換気口作動音、異臭・ほこり）– 換気口制御（開閉の手間、気密性の確保）– 利用者や管理者の理解が得られない苦情発生時に運用停止という安全側の対策へ*山本他：自然換気シ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、第619号、pp.9-16、2007.9

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年間平均利用時間（時間/年）

設計時と運用時の自然換気利用時間の変化
1000

915
775

800

582

600
400
200
0設 計時

建物

用途

A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
O
P
Q
R
S

研究所
オフィス
病院
研究所
オフィス
研究所
研究所
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

竣 工1年目

調 査時点(平成 17年度 )設計時 1年目 調査時点（竣工年数）
1,700
1,400

1,700

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）
0 （5年目）
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）

19件中、13件で利用時間減少
700 1,000
980

100

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

Building Research Institute19自然換気システムの評価・設計法の開発

平成３０年度建築研究所講演会• 設計時想定と比べて利用時間が増加、維持されている物件は6件• 物件Ｉ（オフィス）は、設計時の想定465時間/年に対し、竣工後8年目は2,207時間/年と大幅増加• 利用時間増加の理由– 管理者が自然換気システムの省エネ効果を理解（竣工後に管理者と設計者が話し合いを実施）

管理者への自然換気の適切な運用に関するマニュアルなどの整備が重要
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年間平均利用時間（時間/年）

設計時と運用時の自然換気利用時間の変化
1000

915
775

800

582

600
400
200
0
設 計時

建物

用途

A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
O
P
Q
R
S

研究所
オフィス
病院
研究所
オフィス
研究所
研究所
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

竣 工1年目

調 査時点(平成 17年度 )設計時 1年目 調査時点（竣工年数）
1,700
1,400

1,700

700

1,000

980

100

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 （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）
0 （5年目）
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）

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Ⅳ 自然換気システムの評価・設計法の開発への取り組み

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自然換気システムの設計フロー（図7）
自然換気を利用する際の障害のチェック※
start
自然換気経路の計画

気象データの収集及び自然換気の利用可能期間の確認
自然換気部材（開口面積を含む）の選定及び配置

建物形状及び室配置に関する情報の収集

自然換気部材の通気特性の把握

風圧係数の把握シミュレーション

自然換気利用期間における時刻別の自然換気量の計算

自然換気による冷房負荷削減量の目標設定

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

冷房負荷削減量の目標を満たしているか？
yesend

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自然換気の運用阻害要因と対策例（表2）
阻害要因
ほこり

花粉
虫・鳥におい
雨水対策例
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。
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。
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。
花粉の多い期間の自然換気利用は見込まない。
防虫網・防鳥網の設置
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。
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。
降雨センサを利用した換気口自動閉鎖制御の導入。

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自然換気の運用阻害要因と対策例（表2）
阻害要因

対策例
吸音材を内蔵した換気口の採用。

外部騒音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。
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
換気口作動音められる室には、駆動音の小さい換気口を採用。
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。
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。
定風量装置を備えた換気口の採用。
突風
外部風速センサによる自動閉鎖制御の導入。
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。
ドラフト
換気口を人の近くに配置しない。
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自然換気の運用阻害要因と対策例（表2）
阻害要因
対策例
煙突効果によ 吹抜け等の煙突効果を換気駆動力としている場合、上層部で熱る建物上部の 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温度上昇の換気経路を設ける。
湿度・乾燥
開閉の手間
メンテナンス

自然換気を行う際の外気条件（温度・湿度）の調整。
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。
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。

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設計に用いるデータの透明性確保• 自然換気の駆動力は、各開口部に作用する風圧力の差と室内外の温度差。
• 風量計算には、外部気象、開口部に作用する風圧力（風圧係数）と開口部の通気特性（αAやP-Q特性）が必要。
風圧力の差、室内外の温度差（浮力）が換気の駆動力となる
風圧力
開口部（自然換気部材）の通気特性

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風圧力

開口部（自然換気部材）の通気特性

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風圧係数データの公開• 建築研究所を中心とした研究ので実施した風洞実験*1による風圧係数データを公開– 建築研究資料No.189– データベース＋データ管理プログ
ラム（CP-X）をウェブ上に公開*2• 長方形平面（隣接建物の有無）、特殊な平面形状（Y、L、ロ、＋、コ、H、ヘ型）の低層（15m）、中層（30m）、高層（45m）の建物

CP-X表示画面の例

Y型平面

L型平面

ロ型平面

＋型平面

• 体育館・工場を想定した屋根形状が異なる建物、戸建住宅*1 風洞実験：日本大学 丸田研究室（当時）*2 https://www.jjj-design.org/program/cp-x/
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自然換気部材の通気特性• 自然換気部材は、一般的な窓と比べて非常に複雑な機構を持つ。
• 通気特性（P-Q特性）をメーカーなどから入手する必要がある。
• 一方で、自然換気部材に特化した通気特性の試験方法はJIS等の規格がない。
• チャンバー法による試験方法と数値流体解析（CFD）による解析方法の検討を実施中。
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チャンバー法による試験方法の検討
513910114126871418

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1316 172

12345615107 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

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ＣＦＤによる解析方法の検討• チャンバー法による試験をCFDで再現した結果、P-Q特性は3%以内の誤差で解析可能であることを確認。

1000
y = 149.36x0.4977
R² = 0.9994

900
800

y = 144.26x0.5008
R² = 0.9994

試験の様子

圧力境界AR-CCM）ル

風量Q（ m3/h）

700
600

y = 144x0.5007
R² = 1500
400

試験（ 加圧法）

300

試験（ 減圧法）

200

CFD

1000

対象境界
圧力境界CFD0

計算格子（解析対象部分拡大）

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1020304050

圧力差P（ Pa）

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ＣＦＤによる解析方法の検討• CFDは計算時の設定（乱流モデル、計算格子、境界条件等）が結果に大きく影響。
• 特性が既知の部材（リファレンス）と評価対象を同時に解析する方法を新たに検討中。
– 乱流モデルの要件– 計算格子の要件

低圧試験により特性が既知の部材（リファレンス）

高圧
低圧
評価対象部材– 境界条件の設定方法に関する要件等
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Building Research Institute31

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平成３０年度建築研究所講演会

おわりに• 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紹介。
• 自然換気システムの設計法は、国際的にも関心が高く、国際規格化（ＩＳＯ化）が進められている。
– ISO/TC205/WG2*において「Design process of naturalventilation for reducing cooling demand in non-residentialbuildings：非住宅建築物における冷房負荷削減のための自然換気設計」の検討が進められている（2017～2021年、プロジェクトリーダー；赤嶺）*TC205：Building environment design（建築環境設計）、
WG2：Design of energy-efficient buildings（省エネ建築設計）
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