13-sb-05 - 大阪市立大学工学部建築学科

風力換気促進装置を有する住宅の換気性能に関する研究
（第 5 報）換気特性曲線を用いた自然換気量の年間計算
Ventilation Performance of Residential Buildings with a Device Promoting Passive Ventilation
(Part 5)Natural Ventilation Rate through the Year using Ventilation Characteristic Curve
○竹本　梨花（大阪市立大学）　小林　知広（大阪市立大学）
梅宮典子（大阪市立大学） Rika TAKEMOTO*1 Tomohiro KOBAYASHI*1 Noriko UMEMIYA*1
*1 Osaka City University
The objective of this work is to evaluate the ventilation performance of a residence with the device promoting wind-induced natural ventilation.This paper focuses on the ventilation performance of monitor roof,and calculates natural ventilation rate induced by both buoyancy and wind throughout the year for a realistic house model with a monitor roof by using
Meteorological data.The shape of air-intake opening is varied as paremeter, i.e., air-intake register and open window for
24-hour ventilation and cross-ventilation respectively.The calculation results show that the monitor roof has a possibility to
be a passive assistant device for natural 24-hour ventilation.
1. はじめに
近年、住宅の高気密・高断熱化が進み、それに伴う換
気不足によるシックハウス症候群を防止するため平成 15
年に居室への機械換気装置の設置が義務化された。
しかし、
省エネルギー及び快適性の観点からは、パッシブな手法を
利用し自然換気可能時間を長く確保することが有効と考
えられる。そこで、風圧係数差が小さく換気量の確保が難
しい密集市街地においても効率的に自然換気を促進する
ことが期待できる越屋根に注目した。越屋根は風向や風
量により全体の抵抗係数が複雑に変化するため通常の換
気計算が適用できず、換気量の予測には p-Q 特性 ( 室内
圧と換気量の関係 ) が必要となる文 1）。これまでに小林ら文
2,3)
は風洞実験により p-Q 特性を整備し、算出された風圧
係数を利用して換気量を算出し、CFD により換気量算定
手法の妥当性及び越屋根を用いた換気性状の検証及び評
価を行った。また、既報文 4）では単室を対象として年間の
換気量計算を行ったが、定量的な換気量の評価としては
不十分である。そこで本報では、現実的な換気経路にお
いて気象データを使用し、風力と重力を考慮した年間換
気量計算を行うことで、越屋根を有する住宅の自然換気
性能を評価することを目的とする。
Open Below
2800
4050
Monitor roof
2F：
1F：LDK
2800
3150
7200
Kitchen Window
1200
Register
(Register)
Undercut
Living Window
5670
3780
9450
2870
4130
5670
N
(1) 1F Plan
(2) 2F Plan
9450
(3) cross-section
750
2200
D2 L2 D2
7560
7210
(4) elevation
Figure 1 Subject Bilding Model
D1
L1
(5) D/L
D1
2. 建物形状
本研究の対象モデルとした住宅の概要を Figure1 に示
す。日本建築学会標準住宅モデルに基づいたリビング
に吹き抜けを有する建築形状とし、対象地域は大阪、
建物を中心とした時の隣棟間隔は既報文 5）の風洞実験
データを使用するため D1/L2=D1/L2=1.0（D: 建物間の距
離、L: 建物の幅 ) と想定した。また、換気回数算定時
には勾配屋根内部の容積は考慮しておらず、計算対
象室の容積は 134.5 ㎥とした。なお、Figure1(4) 中の
プロットは既報文 5）の風圧測定点である。
3. 年間換気量計算
3-1　換気量計算概要
拡張アメダス標準年データの気温、風向及び風速デー
タ及び既報文 5) の風圧データを用いて、風力換気のみの場
合と風力 + 重力換気を考慮した場合の年間換気量計算を
行い越屋根の自然換気性能を評価する。ここでは評価に
換気回数を用いる。
(1) 風力換気計算
圧力損失を考慮し越屋根両側開放時と越屋根片側開
放時を計算する。越屋根両側開放時の換気量計算に
は後述する越屋根の p-Q 特性が必要であるため、既
往の研究文 2) により整備された越屋根の p-Q 特性を用
いて計算を行う。
(2) 風力 + 重力換気計算
重力と風力の影響を考慮した年間換気量計算を行う。
風力換気計算時と同様に圧力損失を考慮する。室内
温度は夏期（6 ～ 9 月）、中間期（4 ～ 5 月、10 ～ 11 月）、
冬期（12 ～ 3 月）によって 26℃、24℃、22℃と季節
により室温一定と仮定した。なお越屋根両側開放時
の計算では越屋根基部高さの室内圧と静止外気圧を
それぞれ Pi と基準静圧とすることで、p-Q 特性は温度
によらず共通の式を用い、風向が変化した場合のみ
異なる p-Q 特性を用いた。
Table 1 Area,Rrsistance and Height of Opening
2
Area[m ]
Resistance
Height[m]
Monitor Roof
2.4*1.5
p-Q curve
7.21
Side Window
Living Window
Kitchen Window
1(2.2*0.75)
1
1
0.65
0.65
0.65
7.56
1.4
1.4
Undercut
90*1.5*10 -4
0.05*0.05*π
0.075*0.075*π
0.65
-
5.3
5.43
1.6
1.6
Register(150φ)
Register(100φ)
Table 2 Wind Pressure Conffcient for Each Wind Direction
The Wind
Direction
N
NE
E
SE
S
SW
W
NW
Wind Pressure Confficient
Register
-0.134
-0.288
-0.101
-0.014
-0.097
-0.119
-0.072
-0.16
Monitor Roof (S)
Monitor Roof (N)
-0.243
-0.47
-0.273
-0.018
0.298
-0.018
-0.261
-0.018
Living Window
0.298
-0.018
-0.261
-0.47
-0.243
-0.47
-0.273
-0.47
-0.099
-0.119
-0.072
-0.16
-0.138
-0.288
-0.101
-0.014
Kitchen Window
-0.107
-0.194
-0.064
0.017
-0.132
0.017
0.015
0.017
Nondimensional Flow Rate [Q/V䞉Amo]
Q* = 0.002733Pi5 + 0.001401Pi4 - 0.044191Pi3
- 0.014014Pi2 + 0.456670Pi + 0.107556
1.0
Monitor roof
Monitor roof
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
Polynomial regression curve
-0.6
-0.8
-1.0
-4.0
-3.0
-2.0
-1.0
0.0
1.0
2.0
3.0
Nondimensional Internal Pressure [Pi/(1/2・ρv2)]
Figure 2　Nondimensional p-Q Characteristics
Case1,2
3-2　p-Q 特性
既往の研究文 2) では建物模型の越屋根の越屋根開口部
両側のみに開口を設け、室の下部からファンにより
強制的に給排気を行うことで、室内圧と越屋根基部
通過風量の関係 (p-Q 関係 ) を求め、それぞれを外部
風による速度圧と越屋根基部面積及び外部風速によ
り無次元化し、換気計算資料の整備が行われている。
これにより得られた無次元流量 [Q*=Q/(V・Amo)] と
無次元室内圧 [Pi*=Pi/(0.5ρv2)] を多項式近似により関
数で表現し (Figure2)、得られた近似式の係数を用い
て気象データに応じて時刻ごとに有次元の p-Q 関係
に戻し、基部通過風量 (Qmo) を室内圧 (Pi) の関数と
して表す。多項式近似については、本研究では全ケ
ースにおいて 5 次式近似とする。
3-3　換気経路
換気経路は Figure3 に示す通り、Case1：150φ レジ
スター - アンダーカット - アンダーカット - 越屋根、
Case2：100φ レジスター - アンダーカット - アンダー
カット - 越屋根、Case3：150φ レジスター - アンダ
ーカット - アンダーカット - リビング側窓、Case4：
リビング側窓 - 越屋根、Case5：リビング側窓 - キッ
チン側窓の 5 パターンとして計算を行った。越屋根
を用いるケースにおいては、片側開放（南側窓開放、
北側窓開放）と両側開放の場合を考慮する必要があ
るため、全 11 パターンとなる。また、各レジスタ
ーの形状抵抗は一般的な製品の有効開口面積のカタ
ログ値に基づき算出し、アンダーカットの寸法は
900×15mm とした。各開口部の面積及び床面からの
高さ、抵抗値等換気量計算における諸条件を Table1
に、使用した風圧係数を Table2 に示す。
Case3
Case4
Case5
Figure 3 Ventilation Flow Path
4. 年間換気量計算結果、考察
Figure4 に Case1 ～ 5 における風力、風力 + 重力
換気計算の換気回数 [ 回 /h] の年間換気計算結果 (24
時間平均値 ) を示す。また、Table3 に換気量 Q[ ㎥ /
h] 及び換気回数 n[ 回 /h] の年間平均値を示す。な
お、Case5 において本研究では両側窓の床面高さを
等しくしたため重力の影響はないものとしている。
Case1、Case2 において、風力 + 重力換気では南北の
越屋根側窓のどちらを開放しても結果に大きな差は
見られないが、風力換気のみの場合では北側窓開放
と比べて南側窓開放が 1.5 倍程度大きな値となって
いる。これはレジスターを対象住宅北面に設置した
ため、越屋根北側窓よりも南側窓の方が風圧係数差
が大きい時間帯が多かったためと考えられる。越屋
根側窓の開閉条件について、開口面積が倍になるこ
とから越屋根片側開放時よりも両側開放時は換気性
能が上昇すると予測していたが、レジスターやアン
ダーカットを通した場合においては越屋根片側開放
時と両側開放時において換気性能に大きな差は見ら
Table 3　Ventilation Rate and Air Change Rate
Wind
South Side Open
Case1 North Side Open
Both Side Open
South Side Open
Case2 North Side Open
Both Side Open
Case3
South Side Open
Case4 North Side Open
Both Side Open
Case5
Wind+Buoyancy
Q[ੑ/h] n[1/h] Q[ੑ/h] n[1/h]
19.01
0.1413 31.07
0.231
12.79 0.09507 29.96
0.2229
11.45 0.08513 30.39
0.226
11.62 0.08636 18.95
0.1409
7.814
0.0581 18.29
0.136
7.039 0.05234 18.66
0.1387
9.86
0.07331 9.547 0.07099
1642
12.21
5273
39.2
1273
9.464
4694
34.9
957.1
7.116
3392
25.22
825.3
6.136
-
0.5
0.5
0.5
0.45
0.4
0.45
Wind+Buoyancy
0.4
Air Change Rate [1/h]
Wind+Buoyancy
Air Change Rate [1/h]
Air Change Rate [1/h]
0.45
0.35
0.35
0.3
0.3
0.25
0.25
0.2
0
1/1
2/1
3/1
4/1
5/1
0.1
0.05
Wind
7/1
8/1
9/1
10/1 11/1 12/1
0.05
Wind
0
6/1
0.2
0.15
0.1
0.1
0.05
1/1
2/1
3/1
Case1 South Side Open
4/1
Wind
0
5/1
6/1
7/1
8/1
9/1
10/1 11/1 12/1
1/1
Wind+Buoyancy
0.4
0.35
0.3
0.2
0.3
Wind+Buoyancy
0.1
0.05
0.2
2/1
3/1
4/1
6/1
7/1
8/1
9/1
0.1
Wind
1/1
2/1
3/1
70
6/1
0.3
0.25
Wind+Buoyancy
0.2
0.15
8/1
9/1
10/1 11/1 12/1
1/1
0.05
0
4/1
5/1
6/1
7/1
8/1
9/1
10/1 11/1 12/1
50
40
30
1/1
70
60
60
Air Change Rate[1/h]
70
40
30
6/1
7/1
8/1
9/1
10/1 11/1 12/1
50
40
30
10
Wind
2/1
3/1
4/1
Wind
0
5/1
6/1
7/1
8/1
9/1
10/1 11/1 12/1
1/1
2/1
3/1
4/1
5/1
6/1
7/1
8/1
9/1
10/1 11/1 12/1
Case4 North Side Open
Case4 South Side Open
Wind+Buoyancy
5/1
20
Case3
50
4/1
Wind+Buoyancy
60
0
3/1
3/1
70
Wind+Buoyancy
10
2/1
2/1
Case2 Both Side Open
20
Wind
0.1
10/1 11/1 12/1
Wind
0
7/1
Air Change Rate[1/h]
Air Change Rate[1/h]
Air Change Rate [1/h]
0.35
Air Change Rate[1/h]
5/1
60
0.4
1/1
4/1
Case2 North Side Open
Case2 South Side Open
0.5
9/1
0.2
0.05
0.45
8/1
Wind+Buoyancy
0.3
0.1
10/1 11/1 12/1
7/1
0.15
0
5/1
6/1
0.4
0.05
Wind
5/1
0.25
0.15
0.15
4/1
0.35
0.25
0.25
1/1
Air Change Rate[1/h]
Air Change Rate [1/h]
0.5
0.45
Air Change Rate [1/h]
0.5
0.45
0
3/1
Case1 Both Side Open
0.5
0.4
2/1
Case1 North Side Open
0.45
0.35
Wind+Buoyancy
0.3
0.25
0.2
0.15
0.15
0.4
0.35
50
40
Wind+Buoyancy
Wind
30
Case1,2
Case3
Case4
Case5
20
20
10
10
Wind
0
1/1
2/1
3/1
4/1
0
5/1
6/1
7/1
8/1
9/1
Case4 Both Side Open
10/1 11/1 12/1
1/1
2/1
3/1
4/1
5/1
6/1
7/1
8/1
9/1
10/1 11/1 12/1
Case5
Figure 4 Air Change Rate
れない結果となった。これは片側開放時に比べて両
側開放時の抵抗が大きくなっているためと考えられ
る。Case4 より、リビング側窓と越屋根のみ通過す
る単室換気経路の場合での片側開放時の換気量は両
側開放時に比べて約 1.4 倍大きくなった。このこと
より、通過風量が増大するにつれて越屋根両側開放
時の全体抵抗は換気量に大きく影響すると推測され
る。また、Case1 と Case2 において、Case1 が Case2
に比べて 1.7 倍程度大きな値となったことからレジ
スターの直径は換気性能に大きく影響することが確
認された。Case4、Case5 において、単室換気経路の
場合では越屋根を用いることにより風力換気のみに
おいては、リビング側窓を通り換気される場合の約
2 倍、重力換気の考慮した場合においては、約 6.4 倍
の換気促進効果が得られる結果となった。Case5 に
おいて本研究ではキッチン側窓とリビング側窓の床
面からの高さを等しくしたため重力の影響はないも
のとしている。Case1、Case3 において、レジスター
やアンダーカットを通した場合では越屋根を用いる
ことにより、風力換気のみにおいてもリビング側窓
を通り換気される場合の 2 倍以上、重力換気も考慮
した場合においては 3 倍以上の換気促進効果が得ら
れる結果になった。Case1 と Case3 の関係から越屋
根の換気促進効果が、Case4 と Case5 の関係から越
屋根の通風促進効果が確認されたと言える。Case1、
Case2、Case4 において、越屋根の換気性能のポテン
シャルを評価すること目的として、各 3 条件 ( 越屋
根両側解放、南側窓開放、北側窓開放 ) の換気回数
0.5
0.45
0.35
60
0.4
Air Change Rate[1/h]
0.4
Air Change Rate[1/h]
Air Change Rate[1/h]
70
0.5
0.45
0.35
0.3
0.25
0.3
0.25
0.2
0.2
0.15
0.15
0.1
0.1
0.05
Mean Value 0.2616[1/h]
0
1/1 2/1 3/1 4/1 5/1
8/1
9/1 10/1 11/1 12/1
30
10
0 Mean Value 52.22[1/h]
0 Mean Value 0.1598[1/h]
7/1
40
20
0.05
6/1
50
1/1
2/1
3/1
4/1
5/1
Case1
6/1
7/1
8/1
1/1
9/1 10/1 11/1 12/1
2/1
3/1
4/1
5/1
Case2
6/1
7/1
8/1
9/1 10/1 11/1 12/1
8/1
9/1 10/1 11/1 12/1
Case4
0.8
0.7
0.7
Wind+Buoyancy
0.6
0.5
0.4
0.3
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.1
Wind
1/1
2/1
3/1
4/1
5/1
6/1
7/1
8/1
Wind+Buoyancy
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Wind
0
9/1 10/1 11/1 12/1
0.7
Wind+Buoyancy
0.6
0.2
0
0.8
Air Change Rate[1/h]
0.8
Air Change Rate[1/h]
Air Change Rate[1/h]
Figure 5 Max Air Change Rate
1/1
2/1
3/1
4/1
South Side Open
Wind
0
5/1
6/1
7/1
8/1
9/1 10/1 11/1 12/1
North Side Open
1/1
2/1
3/1
4/1
5/1
6/1
7/1
Both Side Open
Figure 6 Air Change Rate of Case6
( 瞬時値 ) の最大値をとり Figure5 に表す。越屋根を
見られる。これは、室内外の温度差が換気回数に大
最も有効な条件に開閉することができるとすると各きく影響しているためである。本研究では室内温度
ケースの年間の平均換気回数は Case1 で 0.2616[ 回 ]、は季節により一定としたが、非空調時は実際の室温
Case2 で 0.1598[ 回 ]、Case4 では 52.22[ 回 ] となり、は常に変化するため、室温計算との連成解析も今後
Table3 にまとめた値よりもやや大きくなる。この場の課題と言える。
合、Case1 では Case3 の約 3.7 倍、Case4 では Case5 5. まとめ
の約 8.5 倍の換気回数となる。このように、越屋根本報では、越屋根を有する住宅を対象に 24 時間
開口の開閉制御は自然換気促進に効率的に働くと言換気を想定した経路及び通風を想定した換気経路の
える。
それぞれについて、風力及び重力を考慮した自然換
また、Figure6 にリビングに 150 φ レジスター気量の年間計算を行い、越屋根を用いた換気は側窓
を付けた場合の 150 φレジスター - 越屋根の経路を用いた条件と比較して年間平均で 2 ～ 3 倍の換気
(Case6) における風力、風力 + 重力換気計算の換気量が得られる結果となった。換気回数を根拠とする
回数 [ 回 /h] の年間換気計算結果を示し、Table4 に換と、越屋根を 24 時間換気装置として使用すること
気量 Q[m3/h] 及び換気回数 n[ 回 /h] の平均値を示す。は難しいと考えられるが、実際に想定される条件下
Case6 においても、建築基準法で義務づけられていにおいてもパッシブな自然換気補助装置として一定
る 24 時間換気の換気回数 0.5[ 回 /h] を上回る結果はの効果が期待できるといえる。
年間平均値であっても見られなかったため、越屋根参考文献
をパッシブな 24 時間換気装置として使用すること文 1) 石原正雄：建築換気設計 ,pp.72-109,pp.282-283, 朝倉書店
1969
は難しいが、年間平均で 2 ～ 3 倍の換気促進効果を文 2) 小林知広 , 山中俊夫 , 甲谷寿史 , 相良和伸 , 丸橋靖明 , 田
辺慎吾：勾配屋根を有する独立住宅に設置された越屋根の
得られていることから越屋根は実際に想定される条
換気特性 , 日本建築学会環境系論文集 , 第 653 号 ,pp.595件下においてもパッシブな自然換気補助装置として
601,2010.7
文 3) 小林知広 , 近本智行：住宅地における越屋根の風力換気
期待できるといえる。
に関する研究 ( その 1)p-Q 特性を用いた換気量算定と CFD
また、各ケースの風力換気のみの場合と風力 + 重
による検証 , 日本建築学会大会学術講演梗概集 ,pp.747748,2011.8
力換気の場合を比較すると、特に冬季に大きな差が
Table 4 Ventilation Rate and Air Change Rate of Case6
Wind
Q[ੑ/h] n[1/h]
29.48
0.2192
South Side Open
North Side Open
18.53
0.1378
Both Side Open
20.21
0.1502
Wind+Buoyancy
Q[ੑ/h] n[1/h]
49.10
0.3650
46.88
0.3485
0.3577
48.12
文 4) 長田啓志 , 小林知広 , 近本智行：風力換気促進装置を有す
る住宅の換気性能に関する研究（第 4 報）装置周辺の気流
性状の把握と単室の換気量計算 , 空気調和・衛生工学会近
畿支部，学術研究発表会論文集，pp.33-36, 2013.3
文 5) 長田啓志 , 小林知広 , 近本智行：風力換気促進装置を有す
る住宅の換気性能に関する研究（第 1 報）風洞実験による
風圧係数分布の検討 , 空気調和・衛生工学会学術講演会講
演論文集 , pp.1151-1154, 2011.9

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