ShadeWall

通気壁体の遮熱断熱計算ソフトウェア Shade Wallのご紹介

熱移動には3つの形態現象があります(図1参照)
1.熱伝導 2.対流 3.熱放射
熱伝導は物質内部を分子や原子の運動により熱が伝わる現象で、対流は空気などの流れを伴う伝熱現象です。また熱放射は、熱線(電磁波)の形で物体間を熱が伝わる現象で、物体から射出される熱線と物体に吸収される熱線のエネルギー量の差として熱が伝わります。熱放射は電磁波であり真空状態であっても熱が伝わります。

図1 建築における熱移動の3現象

図2 壁層部分における各熱移動の状態

冬期は屋外が寒いので、建物の内部を快適な環境に維持するには、暖房が欠かせません。日本では住宅のエネルギー消費量に占める暖房の割合が25%程度と大きく、省エネルギーと温熱環境の改善のために、外壁や屋根など断熱化が進められてきました。高断熱化の技術は広く普及しており、冬期の室内温熱環境の改善や空調消費エネルギーの削減に寄与しています。

夏季は屋外から室内に熱が侵入してきます。外壁や屋根の断熱は夏期にも有効ですが、冬期と異なり日射熱が大きな熱エネルギーを持ってことを考慮する必要があります。例えば日射のあたる屋根面は70℃程度まで表面温度が上昇します。日射は目に見える可視光領域だけでなく、赤外領域も大きな熱エネルギーを持っていいます。

この赤外線熱エネルギーも含め、日射熱の侵入を抑制する技術が遮熱といえます。遮熱性能に優れた家は夏期の室内温熱環境や・空調消費エネルギーの改善が期待できます。

屋根や外壁など建物躯体の断熱・遮熱に関しては様々な技術が実用化されています。例えば、図2に示す放射による熱の移動は通気層や中空層に接する面の放射率によって、伝達される熱量が変化します。この点に着目して空気層に接する壁面の放射率を低くすれば伝達する放射エネルギーを抑制することができます。また、通気層が設置されている場合、夏期に通気量を増やすことによって室内に侵入する熱を減らす効果が期待できます。

図3 各波長域における日射エネルギー

このように壁体の総合的な熱性能を計算、評価する場合、断熱性能のみでなく遮熱性能に関しても把握する必要があります。ShadeWallでは、これまで提供されてきた断熱性能の計算機能を有するものに、さらに遮熱性能、通気層からの排熱の計算機能が追加され、壁体の熱性能をより詳細に計算、評価できるようになっています。ShadeWallの計算結果で一定の効果が期待できる壁体構成を実証実験前に選別できるようになるので、確認実験の効率化が期待できます。

Shade Wallの使用方法

ShadeWallの利用手順を示します。

(1)壁体断面各層の物性値の入力厚さ・熱伝導率・容積比熱
(2)壁体のパラメータの入力壁体のサイズ(単位幅・長さ・傾き)
外表面放射率・外表面の日射吸収率・室内側総合熱伝達率
(3)通気層の物性値の入力通気層接触面の放射率・出入口開口率・通気層温度重み係数・通気層厚さ


(4)計算時間の設定計算ステップ・終了時刻・計算の繰り返し回数を設定します。
(5)環境条件の入力外気温・室温・風速・夜間放射量、日射量
気象データをファイル形式で作成・設定することで非定常計算が可能です。定常計算の場合は,一定の数値を入力します。


(6)計算実行ボタンを押す計算開始が開始されます。
(7)CSVファイルとして出力3つのCSVファイルとして保存されます。
XXX-prm.csv:壁体の物性値データ・環境条件データ
XXX-tem.csv:各層の表面温度データ・侵入熱量
XXX-vnt.csv:通気層内の温度・風速・排熱量他

ShadeWallのシミュレーション実施例

上記(7)において出力されたファイルを利用して,データの整理や考察を行うことで,壁体の遮熱技術の導入効果の検討などが実施可能です。以下にシミュレーション実施例を示します。

通気層を有する屋根の計算

ShadeWallは、通気層での排熱や放射熱遮蔽を考慮した壁や屋根の熱収支計算が可能です。図1、表1に示す屋根構成において、表2に示す計算条件で屋根断面内の温度分布と流入熱量を算出します。なおここでは、遮熱・通気技術の有無(外表面の高反射化、通気層厚さの増加、低放射層の設置)による違いを示します。

図1 計算対象壁体断面

表1 計算対象壁体各物性値
部材名厚さ[m]熱伝導率[W/mK]容積比熱[J/m3K]
外装材0.0050.172016000
通気層基準厚さ:0.045
通気促進:0.089
--
断熱材
(押出ポリ3種)
0.0400.02425000
合板0.0040.16715000
密閉中空層
(スタッド材)
0.0890.18
(熱抵抗)
-
内装材
(石膏ボード)
0.00950.221130000

表2 計算条件
外気条件35℃
室内条件27℃
照射熱量303W/m2
照射時間時間帯:480分~960分(8時間)
通気層の状態出入口開口率:30%

ただし、屋根の設定のため、壁体の傾きを22.6°として計算している。

シミュレーション結果

1.壁体断面温度分布について
図2、図3に壁体断面の温度分布を示します。

図2 断面温度分布(遮熱・通気技術:無)

図3 断面温度分布(遮熱・通気技術:有)

2.室内侵入熱量について
図4に、室内へ侵入してくる熱量を示します。

図4 室内侵入熱量の比較

夏季の気象条件に基づいた解析の結果、低放射層の設置が、壁体の温度低下を促して断熱材への侵入熱量が低減し、室内への侵入熱量も図2より約50%低減することがわかりました。ShadeWallを用いることで、夏季の日中における遮熱技術の導入が有効なことを示す結果が得られました。

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本ソフトウェア「ShadeWall」ならびに付属する解説書の著作者は、以下の2名です。これら2名の著作者を、以下では単に「著作者ら」と呼びます。著作者らの代表者は、赤坂裕です。
赤坂 裕(鹿児島大学)
武田和大(鹿児島工業高等専門学校)
本ソフトウェアの販売および本「使用許諾契約」の変更などの事務手続きは、株式会社気象データシステム(以下MDS)が担当します。

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