技術研究所本館ＺＥＢ化改修工事
アトリウム空間における自然換気システムの検証－－

Study on Natural Ventilation System for the Thermal Environmentof the Atrium Space in ZEB Renewal Building of ResearchInstitute of Technology俊之*1

花田伊藤

Toshiyuki Hanada

真二*1

Shinji Ito川原淳一*1

Junichi Kawahara

要旨
技術研究所本館 ZEB 化改修工事に関しては、既報 1)において、ZEB 化要素技術の概要とアトリウム空間における自然換気システムの熱環境シミュレーション結果について報告を行った。本報告はその後の各種計測値と、事前の解析結果との比較を行い、自然換気システムの効果について検証した。
キーワード：ZEB 省エネ 一次エネルギー消費量 BELS 改修工事 自然換気

１．はじめに技術研究所の本館は、1997 年の竣工以来、20 年間にわたり鴻池組の研究開発の拠点として使われてきた。2017 年に行った本館の ZEB 化改修工事 1)は、今後増加が予想される既存ビル居ながら改修のモデルケースにするとともに、工事完了後には採用した最新要素技術を検証する体験型実証モデルとして運用を行った。さらに、ZEB 化の効果検証のために消費電力、外気温および室内温度など様々な計測値の蓄積を行っている。
本報告では、上述した計測値と事前の解析結果との比較により、ZEB 化および自然換気システムの効果について検図1

ＺＥＢの定義証した結果を述べる。

３．技術研究所本館ＺＥＢ化の効果検証
２．ＺＥＢの定義
3.1
2015 年 12 月に公表された「ZEB ロードマップ検討委員会
2)

ＺＥＢ化の概要

技術研究所本館の ZEB 化は、エネルギーを①「減らす」とりまとめ」（経済産業省 資源エネルギー庁） により、そ②「上手に使う」③「創る」という 3 つのコンセプトのもれまであいまいであった ZEB の概念が明確に定義されたとに改修を行った。建築概要を表 1 に、コンセプトと要素(図 1)。

技術を図 2 にそれぞれ示す。

なお、一次エネルギー消費量の計算方法については、「建築物エネルギー消費性能基準等を定める省令」（平成 28 年

表1

建築概要経済産業省・国土交通省令第１号）またはこれと同等の方

建 物 名 称㈱鴻池組 技術研究所 本館

法による計算で「その他負荷」を除き設計時で評価するこ所
設地計

茨城県つくば市工㈱鴻池組 東京本店とになっている。

*1

施技術研究所― 61 ―

在㈱鴻池組 東京本店一級建築士事務所

建 築 面 積1,206.00㎡

延 床 面 積3,183.73㎡

構造

鉄筋コンクリート造・免震構造階

数

地上3階

塔屋1階

鴻池組技術研究報告

2019

月から 2018 年 3 月までの年間一次エネルギー消費量の設計値と計測値を表 2 に示す。ZEB 化改修後の本館の一般的な建築物に対する年間一次エネルギー消費量削減率は、設計値 51％に対し計測値で 57％、太陽光発電設備による創エネルギーを加えた設計値 59％に対し計測値で 68％となり、計測値を設計値が上回った。この結果により、本館 ZEB 化の『ZEB Ready』達成が実証された。
表2

年間一次エネルギー消費量の設計値と計測値(2017 年 4 月～2018 年 3 月)

一般建築物
51%(ライン)

図2

設計値

計測値

備考

3,323 GJ－－

1,605 GJ
51%削減

59%(ライン)

1,345 GJ

太陽光発電込

59%削減

コンセプトと要素技術

1,424 GJ
↓
57%削減

計画値

1,066 GJ
↓

ライン
Clear

68%削減

本 ZEB 化によって設計一次エネルギー消費量は、一般的な建築物と比較して 51％の削減、さらに太陽光発電設備に４．自然換気システムの概要

よる創エネルギーを加えると 59％削減する結果となり、BELS（Building Energy-effciency Labering System：建本館のエントランスは吹抜けのアトリウムになっており、築物省エネルギー性能表示制度）の認証を第三者評価機関

このアトリウム空間の 3 階および屋上階のトップライトにより取得した（図 3）。評価は、『ZEB Ready，★★★★★』

自動的に開閉する自然排気口、1 階に自然給気口を設けたで、評価指標である BEI（Building Energy Index，設計一自然換気システムを導入した。さらに、年間を通して温度次エネルギー消費量を基準エネルギー消費量で除した値。の安定している地下の免震ピットはクールトレンチ 4）、5）と★数により 5 段階評価）値は 0.59 である。図 4 にエネルギ

して利用し、打合せコーナー床に免震ピット内の空気を直ー性能評価を示す。

接吹出すことができる床吹出ファンを設置した。
4.1

自然換気システム

図 5 に自然換気システムの自然給気口および自然排気口の位置を示す。自然給気口は 1 階東面に 1 ヶ所設置し、自然排気口は 3 階のトップライト（東面）に 1 ヶ所、屋上階のトップライト（西面）に 1 ヶ所、それぞれ設置した。
写真 1 に東面の自然給気口と自然排気口を示す。自然給気口は、１階中央部の４ブロックで、自然排気口は、トップライトの４ブロックである。自然給気口および自然排気口はスケジュールタイマー(平日 6：00～20：00)と各種セ
図3

BELS 評価プレート

図4ンサー（降雨、風速、温湿度）により自動開閉する。写真

エネルギー性能評価

2 に各種センサーの設置状況を示す。また、表 3 に自然給排気口の閉鎖条件を、表 4 に風向の条件による自然換気パ
3.2

本館 ZEB 化改修後の計測結果

ターンをそれぞれ示す。

本館 ZEB 化改修後は、電力量計により計測した電力量をBEMS(Building and Energy Management System)により集計し、保存管理している。保存管理データの内、2017 年 4― 62 ―

技術研究所本館ＺＥＢ化改修工事

表3
北a東面

瞬間風速10m/s 以上

外気温14℃以下または 36℃以上

湿度90%以上

その他

降雨時

解析範囲

自然給気口

24m

クールトレンチ
吹出ファン ６ケ所
(打合せコーナー)
吹抜けアトリウム西面

自然給排気口の閉鎖条件

表4a'

風向条件による自然換気パターン

風向

1階給気

3階(東)排気屋上(西)排気無風

開放

開放

開放

東風

開放

閉鎖

開放

西風

開放

開放

閉鎖

48ma)1 階平面図

自然排気口(屋上階)

トップライト

解析範囲

自然排気口
(3階)

15m

吹抜け
アトリウム
西面

東面
自然給気口
(1階)

エントランス▽GL

写真 2

地下・免震ピット

各種センサーの設置状況24mb)a-a’断面図
図54.2

自然給気口および自然排気口位置

床吹出ファン

表 5 に床吹出ファンの仕様および外観をを示す。エント
ランス打合せコーナー床に 6 ヶ所床吹出ファンを設置した。
床吹出ファンは、打合せコーナーの使用時間に合わせ、スケジュールタイマー(冬季を除く平日 9:00～17:00)による制御とした。
表5床吹出ファンの仕様および外観

形状：直径 220 丸型
風量：150m3/h・個
電源：DC24V

0.16A

５．アトリウム温度の計測と事前の解析
写真 1

自然給気口・自然排気口(東面)

自然換気システムおよびクールトレンチ給気の効果検証を目的として、アトリウム高さ方向の温度計測を行い、熱流体解析による結果との比較を行った。

― 63 ―

鴻池組技術研究報告

5.1

熱流体解析の方法

5.2.3

熱流体解析には「WindPerfectDX6)：環境シミュレーション社製」を使用した。解析条件を表 6 に示す。

「Case0」および「Case2」ついて行った。
表7

解析ケース

Case0：換気なし(午前・午後)
Case1：自然換気(午前・午後)
Case2：自然換気+クールトレンチ(午前・午後)
Case3：クールトレンチ(午前・午後)

解析概要

5.2.1

解析ケース

表 7 に解析ケースを示す。この内、計測値との比較は、

表 6 解析条件
・乱流モデル：標準 k-εモデル
・計算領域 ： 20m(X) × 24m(Y) × 17m(Z)・格子数： 162(X) × 116(Y) × 108(Z)（要素数約 50 万）・最小格子幅： 0.1m(X) × 0.1m(Y) × 0.1m(Z)

5.2

2019

5.3

解析範囲

東側アトリウムの温度計測概要

東側アトリウムの床から 1.5m、3.5m、5.5m、7.5m、9.5m

解析範囲は、エントランスホールを含むアトリウム全体とした。図 6 に解析モデルを示す。の高さに温度計を設置した。計測に用いた機器は、おんどとり（温度データロガ－）で自動計測し 2017 年 6 月から2018 年 7 月まで 1 時間ごとに記録した。
5.4

解析値と計測値

比較に用いた計測値は、解析条件である春季の外気温
24.6℃、風速 2.4m/s に近い日を用いた。表 8 は比較に用いた計測値の時間、外気温、風速に関する条件である。
表8

比較に用いた計測値の条件(2018 年 5 月 5 日(土))ケース

Case0:換気なし

図6

解析モデル

時刻

外気温

風速

午前

12:00

23.6℃

2.5m/s

午後

16:00

24.1℃

2.6m/sCase2:自然換気＋

午前

12:00

24.6℃

2.7m/s

クールトレンチ

午後

16:00

24.2℃

2.6m/s

図 7 にアトリウム断面温度分布の解析値と計測値を示す。
「Case0 換気なし」の場合、解析では午前の 2 階は 25℃、5.2.2

解析条件

3 階で東面の午前の日射の影響で 33℃、午後は西面の日射

解析時期は中間期の中でも気温の高い 6 月とした。
(1)気温・風の条件の影響で 2 階は 30℃、3 階は 31℃になっている。これに対し、計測値では、午前の 2 階は 25.5℃、3 階は 34.6℃、午

気温：24.6℃ (6 月の最高気温の平年値、つくば市）

後は、2 階は 25.6℃、3 階は 30.4℃となり、午後の 2 階部

風速：2.4m/s (6 月の平均風速の平年値、つくば市)分に違いはあるものの解析値と計測値はほぼ同じ結果とな

風向：東 (6 月の最多風向の平年値、つくば市)

った。

(2)日射
カーテンウォール面からの日射「Case2 自然換気＋クールトレンチ」の場合、解析では396W/m2(午前：東面、午後：西面)

午前の 2 階で 25℃、3 階は 33℃になっている。午後は 2,3階で、28℃になっている。これに対し、計測値では、午前(3)流入・流出条件の 2 階は 26.4℃、3 階は 29.1℃、午後の 2 階は 26.1℃3 階

1F 給気：1.8m/s

は 28.3℃となっており、解析値と計測値はほぼ同じ結果と

RF 排気：自然流出なった。

吹出温度 20.2℃(免震ピットの 6 月の平均気温)― 64 ―

技術研究所本館ＺＥＢ化改修工事

解析値

計測値

Case0
換気なし
午前

Case0
換気なし
午後

Case2
自然換気+クールトレンチ
午前

Case2
自然換気+クールトレンチ
午後図 7 アトリウム断面温度分布解析値と計測値― 65 ―

鴻池組技術研究報告

2019６．夏季におけるエントランスホール温熱環境の実測に基づく検証
アトリウム空間の中でも打合せなどで利用するエントラ
ンスホールの熱環境は、事前の熱流体解析により春季には「自然換気」システムを運用することでその快適性が保たれると予測された。そして、夏季についてもエネルギー削減の観点から「自然換気」システムにて運用する計画とした。ここでは夏季におけるエントランスホールの熱環境について、温度計測によって検証した結果について述べる。
6.1

夏季における自然換気システムの効果の検証

2017 年夏季(7 月～9 月)のエントランスホール、外気およびクールトレンチの温度を図 8 に、同様に 2018 年夏季(7月～9 月)の温度を図 9 にそれぞれ示す。2017 年、2018 年

写真 3

エントランスホール温度センサー設置位置

共、エントランスホールの温度は、外気温の変動に左右されず、クールトレンチの温度より 2～3℃高い値で追従して2017 年は、自然給気口および自然排気口の閉鎖条件であいる。写真 3 にエントランスホールの温度センサー設置状

る外気温が 36℃を越えた日数は 8 日間（その内平日は 3 日況を示す。

間）であり、外気温の最高値は 38.4℃であった。自然換気システムは、平日のほとんどの日数で作動している。また、

45

エントランスホールの室温が 29℃を越えた日数は 5 日間

クールトレンチ温度℃

42（その内平日は 1 日）であり、空調機による冷房運転の必

エントランスホール室温℃
39

外気温℃

要はなかった。2017 年は、「自然換気」システムが有効に働

36

くことで外気温の割にはエントランスホール内での熱環境温度(℃)

33の快適性が保たれていたことが確認できた。一方、2018 年

30

は、36℃を越えた日数は 20 日間（その内平日は 12 日間）、

27

また、外気温の最高値は 42.0℃であり、2017 年と比較する24と外気温の高い日が多かった。このため、自然換気の運用

21のみではエントランスホールの快適性が損なわれると判断

18し、空調機の冷房運転を行った。運転日数は 8 日間、空調

15
7月1日

図88月1日機の設定温度は 28℃、吹出温度は 25℃として運転した。

9月1日

夏季におけるエントランスホールの温度(2017 年)
6.245

図 10 に夏季のエントランス断面温度分布を示す。また、

42

計測条件を表 9 に、計測機器を表 10 にそれぞれ示す。

39

アトリウムの 1FL+1.5m、+3.5 m、+5.5 m の温度は、それ

36

ぞれ 28.5℃、30.1℃、31.6℃と高さとともに上昇しており、

33

温度(℃)

夏季におけるアトリウム空間の断面温度分布

居住域であるアトリウムの 1FL+1.5m の高さのゾーンは、コ30

ンクリート躯体の熱容量、クールトレンチからの吹出温度27およびアトリウム上下の温度差による換気で 28.5℃に保24

1815
7月1日

図9たれていると考えられる。アトリウムの 1FL+9.5m の温度

クールトレンチ温度℃
エントランスホール室温℃
外気温℃

21

は、38.7℃で自然排気口よりも 3℃程度高い。打合せコー
ナーは床吹出ファンから 27.1℃の空気を吹出されること8月1日

で、快適な環境となっている。

9月1日

夏季におけるエントランスホールの温度(2018 年)― 66 ―

技術研究所本館ＺＥＢ化改修工事

熱源

25 Mwh

空調ファン

床吹出ファン

20 Mwh15 Mwh10 Mwh

5 Mwh

0 Mwh
既設空調機のみ
ＺＥＢ化改修前(自然換気システム無)ZEB化改修後

図 10

エントランスホール断面温度分布
図 11
表9

ZEB 化前後の消費電力比較

断面温度分布計測条件
表 11

日時：2017 年 7 月 19 日 10：00

空調機仕様

天候：晴れ

既設エアハンドリングユニット

自然給気口、自然排気口の状態：開冷房能力：75kw/h

クールトレンチ床吹出ファン：運転3暖房能力：59.9kw/h

送風機：16,000m /h×50mmAq×7.5kw
冷温水はモジュラーチラーから供給

表 10

断面温度分布計測機器
表 12

アネモマスター：自然給気口、排気口、床吹出ファン

ZEB 化前の空調機運転条件

おんどとり：アトリウム 5 ヶ所

空調機運転時間：平日 6：00～20：00

中央監視：外気温、湿度、エントランス室温空調機設定温度：28℃

吹出温度：25℃

エントランス室温・湿度：計測値
6.3

空調機吹出空気絶対湿度：エントランスの値「自然換気」システムの省エネ効果

送風機風量：定格風量

エントランスホールの熱環境は、ZEB 化改修前は閉鎖的な空間を空調機により冷房することで室温を調整し、快適性を保っていた。一方、ZEB 化改修後は、「自然換気」シス

７．まとめ

テムの採用により、猛暑時以外は、空調機の必要の無い空間とすることができ、空調機の運転消費電力を削減するこ

技術研究所本館 ZEB 化改修の計画段階での解析と ZEB 化とができた。その効果を検証するため、ZEB 化改修前と改改修後の計測との比較を行った結果、ZEB 化本来の目的で修後の消費電力を比較した。なお、ZEB 化改修前の消費電ある一次エネルギー消費削減率が設計値に対し計測値で上力は、改修後のエントランスホール温度計計測に基づく推回った。また、要素技術の１つである自然換気システムに定値を改修後の消費電力には、実際の計測値を採用した。

おいて、アトリウム温度計測値は事前解析結果とほぼ同じ比較した期間は 2018 年 7 月から 9 月である。

結果が得られた。

図 11 に 2018 年 7 月から 9 月の ZEB 化改修前と ZEB 化改

CO2 削減に向けた世界的な流れの中、企業の環境への配慮修後の消費電力合計値を示す。また、表 11 に空調機の仕様も多様化している中、今回の ZEB 化改修の実績をもとに、を、表 12 に ZEB 化以前の空調機運転条件をそれぞれ示す。

継続して研究を進め最新の省エネルギー技術を盛り込んだ

ZEB 化改修後の消費電力は床吹出ファン 130kwh、空調機運エネルギー運用をお客様へ提案することで、地球環境問題転時の熱源 880kwh、空調機送風機 66kwh の計 1,076kwh にに貢献していく所存である。

対し、ZEB 化改修前は空調機の熱源 15,889kwh、空調送風機6,413kwh の計 22,302kwh と想定され、消費電力は ZEB 化改修前との比較において約 95％削減となった。

― 67 ―

鴻池組技術研究報告

参考文献1)

4)

床下ピットを用いた空調外気負荷低減システムに関する研究、

二：技術研究所本館 ZEB 化改修工事におけるアトリウムの熱

日本建築学会技術報告集、第 6 号、pp.121-126、1998.10
5)

芦谷友美・白石靖幸・安永 龍一・龍有二：CFD 解析による夏pp.37-42、2017.7

季及び冬季の地下ピット内伝熱性状の動的評価

経済産業省資源エネルギー庁省エネルギー対策課：ZEB ロードシステムの冷却・加熱効果の予測手法に関する研究（その１）、マップ検討委員会とりまとめ、2015.123)

永井久也・渡辺孝佳・孫元得・田中英紀・奥宮正哉・中原信生：

林宣夫・安藤慎二・花田俊之・川原淳一・ 熊井晴彦・伊藤真

環境シミュレーション、株式会社鴻池組技術研究報告、Vol.27、

2)

2019

一般社団法人環境共創イニシアチブホームページ

土壌熱交換

日本建築学会環境系論文集、第 677 号、pp.575-582、2012.7
6)

https://sii.or.jp/

株式会社環境シミュレーションホームページ
http://www.env-simulation.com/jp― 68 ―