住宅を対象とした効率的な 暖冷房・換気手法に関する研究

住宅を対象とした効率的な暖冷房・換気手法に関する研究

その１　数値流体解析を用いた暖冷房・換気効率の検討

正会員　　 赤林伸一　同　　　　 坂口　淳　 　同　　　○鍛治紘子

研究目的

• 建築基準法の改正により住宅の居室に機械換気設備の設置が義務付けられる。

• 近年、寒冷地以外でも住宅の高断熱、高気密化が進行し、計画換気の重要性が増している。

　 しかし、換気システムを選定する際に、設計者が施主にシェルター性能や暖冷房方式、換気システムとの相互効果によって実現される室内温熱空気環境を明確に提示できないのが現状である。

　本報は、暖冷房時の換気方式による居室の室内温熱空気環境の良し悪しや、換気方式によって変化する換気効率を明らかにし、住宅設計者が良好な換気システムの選定を行う為の資料を整備することを目的とする。

隣室

455036

40

260

0

830

200

0

エアコン室内ユニット高さ 300× 幅 840× 奥行 250mm

アンダーカット幅 20mm

天井給排気口②150×150mm

壁給排気口②150×150mm

215

062

5

外部20

00

2500

窓

壁給排気口③150×150mm 隙間（漏気）

幅 20mm

【単位： mm】

図１　解析対象の概要

居室

図　日本建築学会標準住宅モデル１ F 平面図

● 日本建築学会標準住宅モデル１Ｆ 　　 10 畳（ 16.6 ㎡）の居室を対象とする。

解析対象の概要

天井給排気口①150×150mm

壁給排気口①150×150mm

　N

解析方法

汎用流体解析ソフト（ STREAM ）を用いて、給排気口の位置、換気方式、エアコンの設置位置を変化させた場合の室内温度分布と空気齢を用いた換気効率の解析を行う。

計算コード 　 STREAM　 Ver.ソフトウェア クレイドル ６乱流モデル k-ε標準 モデル

壁面境界条件は、風速は一般化対数則、温度は温度対数則。床・天井および、東壁面、北壁面は隣室を想定し、断熱条件で与える。

　　　　　　　　 　 　 　　 　　　　　　 　 　 　 　　　324.0Wその他の壁面 窓面負荷　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 　 　 　　　　　　　　　　 　 　 　　68.1W西壁面負荷　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　 　 　 47.2W南壁面負荷（窓面を除く）

輻射条件 0.9各壁面内側に輻射率 を与える。　( 0.5 / h)・壁給気・天井給気 換気回数 回

　 　=　0.26581m/s K　=　7.07E-04 ε 　=　2.94E-04 =0℃吹出風速 、 、 、温度　(6.55m・エアコン吹出 3/min)　 45°下向き

　 　=　2.17m/s K　=　4.69E-02 ε 　=　3.98E-01 =24.5℃吹出風速 、 、 、温度　　　　　　　　 　=　0.722m/ s・エアコン吸込 吸込風速

　 　 2cm・漏気 南・西壁面上下に設置された幅 の隙間より均等に室内へ流入。　 　=　0.018256m/s K　=　3.33E-06 ε 　=　7.14E-07 =0℃吹出風速 、 、 、温度・天井排気・アンダーカット排気　 開口部での圧力損失をゼロとし、自然流入・流出条件とする。

　吹出風速

境界条件

表２　解析条件

換気方式の概要

図２　換気方式の概要

天井給気　天井排気（１）方式１

壁給気　天井排気（２）方式２

漏気による給気　天井排気

（３）方式３（第三種換気）　

天井給気アンダーカット

排気（４）方式４

壁給気アンダーカット排気

（５）方式５

漏気による給気アンダーカット排気

（６）方式６（第三種換気）

給気

排気

西壁中央（１）エアコン１　　

窓

南壁・西側（２）エアコン２　　

窓

南壁・窓上中央（３）エアコン３

図３　エアコンの設置位置

エアコンの設置位置

W E

S

W E

S 　

窓W E

S

解析ケース

表１　解析ケース

図４　室内呼吸域平均局所空気交換効率（ Ve）

天井給気口①天井排気口②

壁給気口①天井排気口②

壁給気口①天井排気口①

壁給気口③天井排気口①

漏気による給気天井排気口②

漏気による給気ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

天井給気口①ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

壁給気口①ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

天井給気口②ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

壁給気口②ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

case１-１

case１-２

case１-３

case１-４

case２-１

case２-２

case２-３

case２-４

case３-１

case３-２

case３-３

case３-４

case４-１

case４-２

case４-３

case４-４

case５-１

case５-２

case５-３

case５-４

case６-１

case６-２

case６-３

case６-４

case７-１

case７-２

case７-３

case７-４

case８-１

case８-２

case８-３

case８-４

case９-１

case９-２

case９-３

case９-４

case10

-１

case10

-２

case10

-３

case10

-４

室内呼吸域平均Ve

解析結果　～室内呼吸域 *平均局所空気交換効率（ Ve）～

エアコン停止時エアコン運転時

・局所空気交換効率（Ｖ e ）は、外気が室内で完全拡散された状態を 1.0 とし、　 1.0 より小さい値を示すほど換気効率は良くなる。・室内呼吸域は床上 0.5m～ 1.8m の範囲

図４　室内呼吸域平均局所空気交換効率（ Ve）

天井給気口①天井排気口②

壁給気口①天井排気口②

壁給気口①天井排気口①

壁給気口③天井排気口①

漏気による給気天井排気口②

漏気による給気ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

天井給気口①ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

壁給気口①ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

天井給気口②ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

壁給気口②ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

解析結果　～室内呼吸域 *平均局所空気交換効率（ Ve）～

エアコン停止時エアコン運転時

・局所空気交換効率（Ｖ e ）は、外気が室内で完全拡散された状態を 1.0 とし、　 1.0 より小さい値を示すほど換気効率は良くなる。・室内呼吸域は床上 0.5m～ 1.8m の範囲

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

case１-１

case１-２

case１-３

case１-４

case２-１

case２-２

case２-３

case２-４

case３-１

case３-２

case３-３

case３-４

case４-１

case４-２

case４-３

case４-４

case５-１

case５-２

case５-３

case５-４

case６-１

case６-２

case６-３

case６-４

case７-１

case７-２

case７-３

case７-４

case８-１

case８-２

case８-３

case８-４

case９-１

case９-２

case９-３

case９-４

case10

-１

case10

-２

case10

-３

case10

-４

室内呼吸域平均Ve

室内呼吸域平均 Ve　 1.0

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

case

-１１

case

-１２

case

-１３

case

-１４

case

-２１

case

-２２

case

-２３

case

-２４

case

-３１

case

-３２

case

-３３

case

-３４

case

-４１

case

-４２

case

-４３

case

-４４

case

-５１

case

-５２

case

-５３

case

-５４

case

-６１

case

-６２

case

-６３

case

-６４

case

-７１

case

-７２

case

-７３

case

-７４

case

-８１

case

-８２

case

-８３

case

-８４

case

-９１

case

-９２

case

-９３

case

-９４

case10

-１

case10

-２

case10

-３

case10

-４

Ve

室内呼吸域平均

図４　室内呼吸域平均局所空気交換効率（ Ve）

天井給気口①天井排気口②

壁給気口①天井排気口②

壁給気口①天井排気口①

壁給気口③天井排気口①

漏気による給気天井排気口②

漏気による給気ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

天井給気口①ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

壁給気口①ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

天井給気口②ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

壁給気口②ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

解析結果　～室内呼吸域 *平均局所空気交換効率（ Ve）～

エアコン停止時エアコン運転時

・局所空気交換効率（Ｖ e ）は、外気が室内で完全拡散された状態を 1.0 とし、　 1.0 より小さい値を示すほど換気効率は良くなる。・室内呼吸域は床上 0.5m～ 1.8m の範囲

室内呼吸域平均 Ve　 1.0

窓

エアコン（停止）

天井排気

0.60

1.60

0.70

0.80

1.50

2.10

1.00

0.60

0.70

1.00

0.901.50

窓

エアコン（運転）

天井排気

1.00

漏気

漏気漏気

漏気

　N

図５　 case 5-3 、 case5-4の Ve分布（床上 1.1m水平断面）

（ 2 ） case5-4 （エアコン停止時 )

解析結果　　～ Ve分布～

（ 1 ） case5-3( エアコン運転時 )

2.52.42.32.22.12.01.91.81.71.61.51.41.31.21.11.00.90.80.70.60.5

Ve

Ve　 1.0 Ve　 0.6～ 2.1平均 Ve　 0.99 平均 Ve　 0.85

図６　代表的なケースの Ve分布（床上 1.1m水平断面）

解析結果　　～ Ve分布～

（４） case8-4 （方式４）

（ 3 ） case6-4 （方式４）

Ve　 0.8～ 1.1 Ve　 0.8～ 1.5

　N

エアコン（停止）

1.45

1.45

1.40

1.40

1.35

1.351.30

120

窓

アンダーカット排気

天井給気②

エアコン（停止）

窓

1.10

1.05

0.80

1.00

1.10

0.90

1.00

アンダーカット排気

天井給気①

2.52.42.32.22.12.01.91.81.71.61.51.41.31.21.11.00.90.80.70.60.5

Ve

平均 Ve　 1.05 平均 Ve　 1.39

窓付近床上 0.1ｍ 窓付近床上 1.1ｍ 窓付近上下温度差

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0ｃａｓｅ

1-1

ｃａｓｅ

1-2

ｃａｓｅ

1-3

ｃａｓｅ

2-1

ｃａｓｅ

2-2

ｃａｓｅ

2-3

ｃａｓｅ

6-1

ｃａｓｅ

6-2

ｃａｓｅ

6-3

ｃａｓｅ

7-1

ｃａｓｅ

7-2

ｃａｓｅ

7-3

温度［℃］

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

温度差［℃］

図７　窓から 325mm の位置の床上 0.1m と 1.1m の温度と温度差

解析結果　　～室内上下温度分布～

2.0

天井給気口①天井排気口②

天井給気口①ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

壁給気口①天井排気口②

壁給気口①ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

上下温度差＝床上 1.1m 温度－床上 0.1m 温度

図８　給気口を含む断面の床上 0.1m と 1.1m の温度と温度差

給気口付近床上 0.1ｍ 給気口付近床上 1.1ｍ 給気口付近温度差

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0ｃａｓｅ

1-1

ｃａｓｅ

1-2

ｃａｓｅ

1-3

ｃａｓｅ

2-1

ｃａｓｅ

2-2

ｃａｓｅ

2-3

ｃａｓｅ

6-1

ｃａｓｅ

6-2

ｃａｓｅ

6-3

ｃａｓｅ

7-1

ｃａｓｅ

7-2

ｃａｓｅ

7-3

温度［℃］

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

温度差［℃］

3.0

2.0

上下温度差＝床上 1.1m 温度－床上 0.1m 温度

天井給気口①天井排気口②

天井給気口①ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

壁給気口①天井排気口②

壁給気口①ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

解析結果　　～室内上下温度分布～

まとめ

①　エアコン運転時の室内呼吸域局所空気交換効率（ Ve）は、換気方式やエコンの設置位置に関わらず、 1.0程度の値となり、外気が室内でほぼ完全拡散している。

②　エアコン停止時の室内呼吸域 Veは、エアコン運転時の約 1.0～ 1.4倍の範囲に入り、換気効率はエアコン運転時と比較して分布が大きく、 Veの悪い領域が生じる。

③　給気口と排気口の距離は換気効率に影響し、給気口と排気口の位置が離れるほど換気効率は向上する。給気口と排気口の位置が近接する場合には、ショートサーキットを起こし、換気効率の悪い領域が増加する。

④　エアコンの位置が窓上の場合及び給気方式が天井給気の場合に、最も給気や窓面の冷気による影響が少なく、上下温度分布は２℃以下となる。

（ 2 ） case3-4

Ve　 0.5～ 1.1 Ve　 0.9～ 1.2

（ 1 ） case1-4

解析結果　　～ Ve分布～

　N

2.52.42.32.22.12.01.91.81.71.61.51.41.31.21.11.00.90.80.70.60.5

Ve

図６　代表的なケースの Ve分布（床上 1.1m水平断面）

天井給気 天井排気

窓

エアコン（停止）

1.05

1.05

1.00

0.85

1.00

1.050.90

1.00

0.50

エアコン（停止）1.10

1.05

1.00

1.10

0.90 1.00

1.15

天井排気

壁給気窓

天井給気 天井排気

窓

　エアコン

天井排気

窓

エアコン

天井給気

天井給気

窓

　　　エアコン

天井排気 天井給気

窓

　　　エアコン

天井排気

解析結果　　～ Ve分布～ Case1

1.00

(1)Case1-1 (2)Case1-2

(3)Case1-3 (4)Case1-4

窓　　　壁給気

天井排気

　エアコン

窓　　壁給気

天井排気

エアコン

窓

天井排気

　　　壁給気

　　　エアコン

窓

天井排気

　　　壁給気

エアコン

解析結果　　～ Ve分布～ Case2

1.00

(1)Case2-1 (2)Case2-2

(3)Case2-3 (4)Case2-4

窓　　　壁給気

　　エアコン

天井排気

　　　壁給気

エアコン

天井排気

窓

エアコン

　　　壁給気

天井排気

窓

エアコン

　　　壁給気

天井排気

窓

解析結果　　～ Ve分布～ Case3

1.00

(1)Case3-1 (2)Case3-2

(3)Case3-3 (4)Case3-4

天井排気

窓

エアコン

壁給気

天井排気

窓

　　壁給気

エアコン

天井排気

窓

　　壁給気

　　　エアコン

天井排気

窓

　　壁給気

　　　エアコン

解析結果　　～ Ve分布～ Case4

1.00

(1)Case4-1 (2)Case4-2

(3)Case4-3 (4)Case4-4

天井排気

窓

　　エアコン

天井排気

エアコン

窓

窓

エアコン（運転）

天井排気

1.00

窓

エアコン（停止）

天井排気

0.601.60

0.70

0.80

1.502.10

1.00

0.60

0.70

1.00

0.90 1.50

1.00 1.00

解析結果　　～ Ve分布～ Case5

(1)Case5-1 (2)Case5-2

(3)Case5-3 (4)Case5-4

　　エアコン

アンダーカット排気天井給気

窓

アンダーカット排気天井給気

窓

エアコン

　　　エアコン

アンダーカット排気天井給気

窓 窓

　　　エアコン

アンダーカット排気天井給気

解析結果　　～ Ve分布～ Case6

1.00

(1)Case6-1 (2)Case6-2

(3)Case6-3 (4)Case6-4

アンダーカット排気

窓　　　壁給気

　エアコン

アンダーカット排気

窓　　　壁給気

エアコン

アンダーカット排気

窓　　　壁給気

　　　エアコン

窓　　　壁給気

アンダーカット排気

　　　エアコン

解析結果　　～ Ve分布～ Case7

(1)Case7-1 (2)Case7-2

(3)Case7-3 (4)Case7-4

アンダーカット排気

窓

天井排気

　　エアコン

エアコン

アンダーカット排気

窓

天井排気

アンダーカット排気

窓

　天井排気

　　　エアコン

アンダーカット排気

窓

天井給気

　　　エアコン

解析結果　　～ Ve分布～ Case8

1.00

(1)Case8-1 (2)Case8-2

(3)Case8-3 (4)Case8-4

アンダーカット排気

窓

アンダーカット排気

窓

エアコン

アンダーカット排気

窓 壁給気

エアコン

アンダーカット排気

窓 壁給気

エアコン

解析結果　　～ Ve分布～ Case9

1.00

(1)Case9-1 (2)Case9-2

(3)Case9-3 (4)Case9-4

アンダーカット排気

窓

　エアコン

エアコン

アンダーカット排気

窓アンダーカット

排気

窓

　　　エアコン

窓

　　　エアコン

天井排気

解析結果　　～ Ve分布～ Case10

1.00

1.00

(1)Case10-1 (2)Case10-2

(3)Case10-3 (4)Case10-4

天井給気①

アンダーカット排気

天井給気②

図７　代表的なケースの気流分布（エアコン停止時）

解析結果　　～気流分布～

（ 5 ） case8-4 （鉛直断面３ )

（ 3 ） case6-4(鉛直断面 1)

2.52.42.32.22.12.01.91.81.71.61.51.41.31.21.11.00.90.80.70.60.5

Ve

解析結果　　～鉛直温度分布～

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

10.0 15.0 20.0 25.0

(℃)温度

高さ（ｍ）

case2- 1case2- 2case2- 3

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

10.0 15.0 20.0 25.0

(℃)温度

高さ（ｍ）

case6- 1case6- 2case6- 3

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

10.0 15.0 20.0 25.0

(℃)温度

高さ（ｍ）

case7- 1case7- 2case7- 3

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

10.0 15.0 20.0 25.0

(℃)温度

高さ（ｍ）

case1- 1case1- 2case1- 3

図 10 　窓、給気口を含む断面の鉛直温度分布

・天井給気（ case1,case6 ）は、床上高さ 2.5～ 2.6m の地点で最も低くなる。・壁給気（ case2,case7 ）は、床表面で最も低温となる。

（２）給気口部分の鉛直温度分布

（ a ） case1 （ b ） case2 （ c ） case6 （ d ） case7天井給気口①天井排気口②

天井給気口①ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

壁給気口①天井排気口②

壁給気口①ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

エアコン 1 （西壁中央） エアコン 2 （南壁・西側） エアコン 3 （南壁・窓上中央）

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

10.0 15.0 20.0 25.0

(℃)温度

高さ（ｍ）

case1- 1case1- 2case1- 3

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

10.0 15.0 20.0 25.0

(℃)温度

高さ（ｍ）

case2-1case2-2case2-3

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

10.0 15.0 20.0 25.0

(℃)温度

高さ（ｍ）

case6- 1case6- 2case6- 3

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

10.0 15.0 20.0 25.0

(℃)温度

高さ（ｍ）

case7- 1case7- 2case7- 3

図 10 　窓、給気口を含む断面の鉛直温度分布

（ 1 ）窓に近い部分の鉛直温度分布

解析結果　　～鉛直温度分布～・鉛直温度分布は、ほぼ 17～ 22℃ の範囲に入り、床表面で最も低くなる。・エアコン１（西壁中央）のケースで最も温度が低く、エアコン 3 （南壁・窓上中央）の　ケースで最も高い。

（ a ） case1 （ b ） case2 （ c ） case6 （ d ） case7天井給気口①天井排気口②

天井給気口①ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

壁給気口①天井排気口②

壁給気口①ｱﾝﾀﾞｰｶｯﾄ排気

エアコン 1 （西壁中央） エアコン 2 （南壁・西側） エアコン 3 （南壁・窓上中央）

図７　代表的なケースの気流分布（エアコン停止時）

（ 2 ） case3-4

（ 1 ） case1-4

（ 6 ） case9-4

（ 4 ） case7-4

解析結果　　～気流分布～天井給気

壁給気

天井排気

壁給気 アンダーカット排気 壁給気

空気齢の概念

給気口

排気口

評価点 P

　空気齢

空調・換気による供給空気が室内のある点に至るまでに要した時間を示す変数を空気齢という。給気口から室内評価点までの平均到達時間が短いほど、空気が汚染される可能性は低く、新鮮な空気が到達しやすいと判断できる。

図　空気齢の概念図

　空気余齢　滞在時間

局所空気交換効率は、室内の換気の良否を示す指標で、室内の空気が完全拡散されたときの値を 1.0 とし、値が小さいほど換気効率は良い。

局所空気交換効率＝局所空気齢（点 P における空気齢）

完全拡散されるのに要する時間（ Ventilation Efficiency ）

機械換気設備の種類別比較

　※１　設備のメンテナンス費用は、個別の換気設備の設計内容によっては上記と異なることがある。　　　（例：ダクトを用いる第３種換気と、ダクトを用いない第１種換気では、前者の方が高くなることがある）　※２　第１種換気の場合、個別の換気設備の設計内容によって異なる為、どちらともいえない　

換気方式の概要

（１）方式１

アンダーカット アンダーカット

漏気

漏気

漏気

漏気

（２）方式２ （３）方式３

（４）方式４ （５）方式５ （６）方式６

アンダーカットによる換気経路

図　アンダーカットによる換気経路

給気口から流入する新鮮空気は、居室のアンダーカットを通って、廊下に流れる。流れた空気は、便所、浴室、台所、納戸等からの排気ファンによって排気される為、機械換気となる。

STREAM の概要

汎用の熱流体解析ソフトで、流体が流れる現象に付随して、熱移動、物質拡散、反応の現象を取り扱うことができる。

熱流体解析で求めること　・流速　・圧力　・温度　・乱れ　　乱流エネルギー　　乱流消失率　　渦粘性係数　・拡散物質濃度　・流体の密度　　（圧縮性流体の場合）

解析フローチャート

1 入力データの作成

2 解析の実行

3 出力結果の確認

　コールドドラフトとは、室内の暖かい空気が冷たい窓面に触れ、冷やされることによって、発生する冷たい下降気流である。　窓は、冷気が発生・侵入しやすい場所である為、天井部分が暑く足もとが寒いという環境がつくられ、冬の室内を不快な空間にする。

コールドドラフトの概要

図　コールドドラフト現象

換気効率の悪い領域

ショートサーキット

給気口

排気口

室内屋外

　ショートサーキットは、室内において、給気口から給気した新鮮空気が居室に行きわたる前に排気され、換気効率の悪い領域が生じることである。　給排気口が近接している為、屋外に排気された汚空気を再び給気する可能性もある。

図　ショートサーキット現象

ショートサーキットの概要

0.5125

0.32

51.

495

1.49

50.

325

窓

1.7625 0.51251.7625

ドア

窓付近上下温度

天井給気口① 天井給気口②

壁給気口③

壁給気口① 壁給気口②

室内上下温度　解析点

単位： m