課題名

B―56 環境低負荷型オフィスビルにおける地球・地域環境負荷低減効果の検証

課題代表者名

一ノ瀬俊明(独立行政法人国立環境研究所地球環境研究センター)

研究期間

平成13−15年度

合計予算額

77,610千円(うち15年度 22,610千円)

研究体制

(1)研究棟における熱の挙動モニタリング及び各種対策技術効果検証実験

(独立行政法人国立環境研究所、東京理科大学)

(2)研究棟運用段階における個別対策技術のLCA評価

(独立行政法人建築研究所、〈研究協力機関〉東京理科大学、東京都、蠧本設計)

(3)屋内外熱負荷低減効果の数値シミュレーションモデルによる検証

(独立行政法人産業技術総合研究所、〈研究協力機関〉独立行政法人国立環境研究所)

研究概要

1.序(研究背景等)

 地球環境保全に配慮した建築手法として、地球温暖化防止に有効な熱負荷低減手法などの様々な
提案が先進国でなされており、日本においても建設省官庁営繕部が「グリーン庁舎計画指針」を策
定するなど、積極的な対応を図っている。しかしながら各手法の効果については、提案されて日が
浅いこともあり、具体の事実で確認された例は非常に少ない。日本はその気候柄、欧米諸国で開発
された手法をそのまま取り入れるには困難な事柄も多く、特に喫緊に検討すべきは日射遮蔽と自然
光利用の併用の可能性である。平成11年度末に国立環境研究所敷地内に地球温暖化研究棟の建設が
着工され、13年度当初より供用が開始された。この研究棟自身にも多くの地球環境保全手法が採用
されており、継続的なモニタリングにより、各手法のより効果的なディテールや方針が検討されう
るものと期待されている。

          

2.研究目的

 平成12年度に国立環境研究所敷地内に建設された地球温暖化研究棟(4,900屐3F、RC構造)には各
部に様々な環境保全手法が取り入れられていることから、本研究では、研究棟の各部位における放射
と熱の挙動に関する通年モニタリングを通じた個別技術毎の環境負荷低減性の比較検討及び建物全
体のLCA評価を行う。また、アメニティーを含めたオフィス(研究棟)内外空間の快適性向上の検討
や日本の気象条件、建物使用実態に即した環境負荷低減手法の効果の確認を行う。さらに、エネルギ
ー消費行為から大気への放熱に至るまでの躯体内部の詳細な熱挙動の把握とモデル開発を通じて、大
規模に環境低負荷技術が普及した場合のヒートアイランド低減効果などによる副次的環境負荷低減
効果を明らかにする。そのために都市気候数値モデルにおける人工排熱の取り扱い方の確立、屋外熱
環境に対する建物内部の人間活動の影響のリアルタイムでの把握を行う。以上を通じて、個別建物か
ら都市スケールまで建築における各種環境保全手法が導入された場合の環境負荷低減効果の定量化
とコスト対効果の比較などによる技術評価を行うとともに、それら手法の効果的な設置法や現実的な
活用法を提示することを目的とする。

3.研究の内容・成果

(1)研究棟における熱の挙動モニタリング及び各種対策技術効果検証実験
 既往の研究では、日射遮蔽と昼光利用を適切に行う、窓・ブラインドシステム及び昼光利用照明制
御システムの組み合わせ制御により、快適環境と省エネルギーの両立を図った事例について述べてい
る。しかし、より簡易で導入の容易なシステムへの要求も高い。本研究では、新素材である自律応答
型調光ガラス(以下、TTガラス)に注目し、TTガラスとLow-E膜とを組み合わせ複層化し、外界の様々
な状況に対し熱と光のコントロールが有効に機能するよう試みている。一定の温度(気温)で自律的
に白濁することにより日射遮蔽・調光を行うこの自律応答型調光ガラス(LE+TT:室外側にLow-Eガラ
ス、室内側にTTガラス)について、事前検討により、放射環境を含む温熱環境及び白濁頻度の観点か
ら良好との結果が得られた仕様を、深い庇、高アルベド化したバルコニーと組み合わせ、南面2、3F
の研究室部分に導入し、実気象下での室内環境及び省エネルギー効果の観点から評価した(図1)。
図2に窓周りの断面を示す。執務者の視界確保に配慮し、TTガラスの設置を床上900mmまでとし、それ以
上は遮蔽型Low-Eガラス(図中、SS・Low-E)としている.図3における熱画像より、相転移温度(30℃)
以上の窓ガラス面は可視画像の白濁箇所と概ね一致している。また、TTガラスの白濁性能により、室
内への直達日射遮蔽が行われ、冷房負荷の増大を抑制するものと考えられる。図4より、年間を通し
て窓面日射量と冷房負荷の相関はほとんど見受けられなかった。図5では日射量の増加に伴い、照明
電力出力率は減少していることがわかる。図6より、年間における照明電力量の削減率は2、3F南面全
体で25%以上となった。この結果、日射の影響を受ける窓面は遮蔽され、また自然光が効果的に取り
込まれており、目射遮蔽と自然光利用の両立が図られていることが明らかとなった。さらに執務者を
対象としたアンケート調査の結果、温熱環境に関しては、年間を通して「快適」、「やや快適」の回答が
7割以上を占めていた。また光環境に関しては、「快適」、「やや快適」の回答が9割以上を占める結果
となった(図7)。以上より、温熱・光環境ともに執務者に概ね受け入れられていることが確認された。



 屋上緑化に関しては、その断熱性や蒸発散機能を通じた屋内空調負荷の削減効果、屋上面周辺大気
に対する夏季の気温上昇抑制効果などが知られているが、それらの定量的な評価が十分なレベルにあ
るとは言いがたい。屋上緑化面(セダム植栽地等)における放射収支観測、地中温度、地中熱貫流を
観測し、当該屋上緑化面周辺における放射と熱の挙動の定量化を試み、屋内外の熱環境に与える影響
に関する考察を行った.
 まず、屋上緑化の効果をよりミクロな視点で定量的に評価するため、東京大学農学部キャンパス屋
上の専用実験施設において熱収支・水収支観測を行い、植物の量及び灌水の有無が及ぼす建物屋上面
への熱負荷低減効果を測定した。軽量人工土壌マット上に植被率の異なるセダム(メキシコマンネン
グサ)を植栽した縦横120cmの実験区を設定し、真夏の無降水時における熱特性を計測した。その結
果、温度低下効果は植被率3割の場合表面温度で3.7℃、マット下で0.3℃であり、植被率8割の場合
は表面温度で6.2度、マット下で0.7℃であった。また、灌水を行うことにより、さらに2.4℃の表面
温度が低下した。植被率と熱負荷低減効果は概ね比例関係にあり、その効果は土壌が乾燥しているほ
ど大きかった。熱収支観測の結果からは、無植栽や疎植栽に比べ密植栽では、日中・夜間それぞれの
ピーク値や日内変動量が相対的に小さくなる結果が得られた。
 また、地球温暖化研究棟屋上緑化面における長期モニタリングより、以下の結果が明らかとなった。
日中の正味放射収支量は暖候期にはおおむね400〜600W/屬糧楼脇發砲△蝓寒候期では300W/崛宛
となった。夜間の正味放射収支量は通年でおよそ-100〜-30W/屬糧楼脇發砲△襪、地中温度の高い
暖候期には-50〜-10W/屬糧楼脇發任△辰拭2鮎緡于縮名紊離▲襯戰匹13〜18%であった。日中の地中
温度はセダム植栽地の方が裸地より低く保たれるが、植生量が変化して減少すると地表面の被覆状況
が裸地に近づくため、地中温度が上昇して裸地との地中温度差は減少する。夜間の地中温度はセダム
植栽地よりも裸地のほうが低くなる。これは地表面に植生がないために日没後に放射冷却現象が発生
して地中の熱を大気中に放熱するためと考えられる。一方セダム植栽地では、裸地のような放射冷却
現象が発生しないため急激な温度低下は発生しない。そのため地中温度の日較差は裸地よりも小さ
い。夜間の裸地とセダム植栽地との地中温度の逆転現象は、灌概により植生が密であった2002年9月、
10月の時期には顕著に観察されたものの、灌概を停止した翌年は植栽が疎となったため明瞭には観測
されなかった。特に10月以降の寒候期には全く発生しなかった。セダム植栽地の熱貫流特性の特徴と
して、日中の地中温度は裸地より低く地中への下向き熱貫流は小さい。日没後に観察される上向き熱
貫流(放熱現象)も裸地と比較して緩やかなため、周囲の大気への影響はより少ないと考えられる。
これらの結果から、セダムを屋上に植栽することにより建物の表面温度を低下させると同時に表面温
度の日変化が小さくなるため、周囲の大気への影響を軽減することが期待できるが、地表面の植生の
状態が変化することによりその効果も変化する。したがって植生の状態をコントロールする必要があ
る。

(2)研究棟運用段階における個別対策技術のLCA評価
 オフィスにおいて特にエネルギー消費の割合の大きい冷房用エネルギー消費低減のために、近年オ
フィスにおける採用事例も増えてきた屋内通風に着目し、外部風性状・通風量・室内温熱環境・執務
者の冷暖房及び通風窓の使用実態の測定を行ない、通風を利用することを前提にした設計方法と実際
の運用段階における建物性能の検証を行なった。
地球温暖化研究棟における自然換気通風性状を把握するための実測結果から、実際の執務空間にお
ける通風の利用に関する検討を行なうとともに、建物建設時の換気回路網計算を用いたシミュレーシ
ョンによる事前検討と、実測値により算出される通風量との比較を試みた。換気回路網計算において
は建物にかかる風圧係数を設定する必要があるが、その設定値はASHRAEの方法により決定している。
本報告書では実測による風圧係数値と既往の予測式による計算値及び模型を用いた風洞実験値との
比較を行ない、その妥当性に関する検討を行なった。その結果、南よりの風向においてはおおむね既
存の推定法及び風洞実験による結果と差圧に一致が見られるものの、側部または北側より風が吹く場
合の風圧係数値に推定結果との差が見受けられた。屋根面北側の開口部付近には冷却塔等の屋上設置
物があり、その影響と推測される。一方、南よりの風向の場合には、建物付近に雑木林が存在するも
のの、推定風圧係数と実測値との間にある程度の一致が見られている。
 また、竣工後の運用段階における建物性能の評価を行なうための実測として、室内温熱環境の測定
を実施した。オフィスでは室内にOA機器などの発熱源が多く存在するため、中間期や時には冬期にも
冷房を運転するためエネルギー消費量は大きなものとなっている。室内の温熱環境と冷暖房機器のエ
ネルギー消費量の測定を行なうことで、エネルギー消費実態の把握を試み、省エネルギー性向上のた
めの評価検証を行なった。さらに、室内温熱環境と冷暖房機器運転の関係や執務者の使用実態に関す
る検討を行った。
 加えて、既往の流量係数資料から引用した値による合成有効開口面積と、実測から求めたそれの比
較を行なった。まず、既往の資料を用いる際にも引用する流量係数により、合成結果には小さくない
差違が生じた。また、近接して直列にならんだ開口部に関する合成を二通りの方法で行ない、流量係
数の選定による差違よりは小さいが計算結果の違いを確認した、実測から算出した合成有効開口面積
に関しては、既往の研究でも報告されている風向による差違が見られたが、小さいものであった。実
測値からはそれぞれの開口に対する流量係数を与えることは出来なかったため、実測値と既往の実験
値との誤差の原因となっている開口の特定までには至らなかったが、資料から引用された流量係数は
実際の建物において、自然風下ではおそらくより小さく(抵抗が大きく通風量を減少させることに)な
ることが推測された。
 通風を行なっている状況下での、実際の建物における量的質的な検討を行ない、通風量推定の手助
けとなると考えられる知見と、在室者がオフィスでより効果的に通風による恩恵を受けるための工夫
に役立つと思われる結果を得た。
 通風量を推定する際にはまず、その推定が正しいのか、また正しくないとすればどれほど誤差があ
るのかを知る必要があるが、実際の建物における通風量の測定はあまり行なわれていない。乱れの大
きい自然風が大量に室内に流入するために、その現象は非常に複雑であると考えられ、正確な量の把
握は不可能であるようにも思われるが、本研究では量の推定に関する検討を行なうために、どれほど
の誤差があるか不明確ではあるが、比較対象としてより精度の高いと思われる測定を実施した。その
測定結果と、壁面差圧と流量係数から推定した通風量は、適切な流量係数を与えることにより高い相
関関係を有する事ができることを示唆した。実測により求めた風力係数と外部風速を用いた推定に関
しては、壁面差圧を用いた場合よりも実測通風量との相関は悪くなったが、実際には実測による風力
係数を用いた推定はほとんど行なわれることはないと考えられる。より簡易な方法として、風圧係数
予測式による予測値を入力値として、換気回路網計算を用いた推定を試みたが、風向によっては非常
に大きな誤差を生じた。風圧係数の予測自体にまだまだ問題が山積しているため、大きな誤差が見ら
れたものと思われるが、予測値に誤差が少ないと思われる風向では実測値とよく一致する場合も確認
されたので、現在行なわれている風圧係数の体系的な把握は通風計画についても有用性のあるもので
あると考えられる。
 低層事務所建物における窓開閉状況のモニタリングについては、在室者の窓開閉行動と室内外温度
や風速との間に有意な関係を見ることは出来なかった。在室者の窓を開放する動機はもっと様々であ
ると考えられ、唯一見られた傾向は出勤時や昼食後など時間帯による傾向であった。

(3)屋内外熱負荷低減効果の数値シミュレーションモデルによる検証
 太陽電池パネル(PV)、屋上緑化などの環境保全手法が大規模に都市部に導入された場合、ヒート
アイランド現象緩和など、二次的な効果も期待される。建物外部熱環境をシミュレートする都市気象
数値モデルと外部熱環境から建物熱負荷、冷暖房エネルギー消費をシミュレートするビルエネルギー
モデルを連成させたモデルを利用して、特にPVパネルの都市熱環境への影響を考慮してエネルギー消
費削減効果についての検討を行った。平成13年度は、研究棟屋上に150屬竜模で設置されたPVパネル
に関し、大気への顕熱輸送量、建物への伝導熱輸送量の変化の実測を行い、屋内エネルギー消費と屋
外熱環境との関係を記述する数値モデルに導入するためのPVパネル熱収支モデルを作成した。熱収支
観測結果を再現する数値シミュレーションを行った結果、実測値と計算値との時刻別顕熱フラックス
は10%程度、日積算値では1%程度の誤差で再現可能であることを確認した。平成14年度には、PVパ
ネル熱収支モデルの連成モデルへの導入を行い、東京23区を対象に、PVパネルが大規模に導入された
際の夏季冷房負荷削減効果について検討した。その結果、PVパネル大規模導入の気温への影響は0.1℃
以下と無視できる程度であり、また事務所街区では〜3%、住宅街区では3〜7%程度の冷房消費量削減
効果があると推定された。平成15年度には、PVパネル大規模設置による年間屋内外熱負荷低減効果、
エネルギー消費量の検討可能なモデル改良を行った。平成14年度までの評価結果とあわせ、一年あた
りの太陽電池パネルの空調エネルギー消費への影響について定量的評価を行った。また、同じ屋上に
行う熱負荷低減手法として屋上緑化を取り上げ、空調エネルギー消費、気温変化について比較を行っ
た。その結果、日平均気温変化は両対策とも0.1℃以下であり、非常に小さかった。発電相当分を考慮
した空調用エネルギー消費の比較を行ったところ、PVパネルの省エネルギー効果が屋上緑化よりも大
きいことが示唆された。

4.考察

 東京都では、「都民の健康と安全を確保する環境に関する条例」第19条第1項に規定する特定建築
主が、特定建築物に起因する環境への負荷の低減を図るため、エネルギーの使用の合理化、資源の適
正利用及び自然環境の保全に係る措置について配慮すべき事項、環境への配慮のための措置について
の取り組み状況の評価等について定めることを目的として、東京都建築物環境配慮指針を策定してい
る。これは住宅以外の建築物の場合、建築物の熱負荷の低減、自然エネルギー利用、エコマテリアル、
長寿命化、水循環、緑化など、約20項目にわたる設計段階での評価を義務付けたものである。東京都
環境局の協力を得て、この指針を用いた地球温暖化研究棟のLCA評価を行ったところ、本研究棟の電
力消費における高い省エネルギー性が報告された。一方、日本建築学会地球環境委員会LCA指針小委
員会の「建物のLCA指針」に従い、計測されたエネルギー消費のデータを用いて本研究棟のLCA評価を
試みたところ、標準仕様の仮想建築の事例に比べ、LCE、LCCO2、LCcostのいずれにも12〜15%の優位
性が確認された。適用技術やデザインを反映し、建設段階のみでは1割程度不利になる結果となって
いるだけに、設計時点での建設・運用・廃棄の全段階を通じた評価の重要性が伺える結果となった。
建物冷房用エネルギー消費量計算プログラムSMASHを用いた数値シミュレーションを本研究棟に適用
した結果、従来技術に対し全棟通年で52%の冷房用エネルギー消費削減効果が期待できるとの結果を
得ているが、本研究におけるモニタリングデータにより、このような個別のエネルギー需要、技術に
対する優位性の確認を進めていく必要があろう。
 また、屋上緑化施工面の観察の結果、南に傾斜した斜面上における土壌の露出など、植物(主にセ
ダム類)にとっては、屋上面は極めて過酷な環境(乾燥・強風・浸食など)にあることも明らかとな
った。コストと効果のバランスという視点から、屋上緑化部位のメンテナンスを目的とした植物活性
度監視システム(赤外線CCDカメラなど)の研究が必要であると考えている。


5.研究者略歴

課題代表者:一ノ瀬俊明
     1963年生まれ、東京大学理学部卒業、博士(工学)、東京大学助手等を経て、現在独立行
     政法人国立環境研究所地球環境研究センター主任研究員
     主要論文:T. Ichinose,K.Shimodozono,K.Hanaki: Atmospheric Environment,33,
             3897-3909(1999)
           T.Ichirlose:Journal of Global Environment Engineering,9,19-39(2003)
           A.Urano,T.Ichinose,K.Hanaki:Journal of Wind Engineering and
             Industrial Aero dynamics,81,197-210(1999)
主要参画研究者
(1):一ノ瀬俊明(同上)
(2) О羮緡
     1954年生まれ、東京大学工学部卒業、工学博士、東京大学助手等を経て、現在、東京理
     科大学理工学部教授
     主要論文:T.Inoue:Energy and Buildings, 35(5), 463-471(2003)
           I.Kihara,T.,Inoue:Applied Energy,72(3/4),645-658(2002)
           M.Chikada,T.Inoue,T.Sawachi,Y.Genchi,T.Ichinose:PLEA2001,
            883-888(2001)
  ◆н恵蝋男
     1957年生まれ、東京大学工学部卒業、工学博士、豊橋技術科学大学助手等を経て、現在、
     国土技術政策総合研究所建築研究部環境・設備基準研究室長
     主要論文:T.Sawachi,H.Osawa,H.Seto,Y.Taniguchi,S.Onishi:ASHRAE Transactions,
             570-611(1998)
           野中俊宏、澤地孝男、瀬戸裕直:日本建築学会計画系論文集,545,17-26(2001)
           澤地孝男、子安誠、瀬下裕:「これからの家」,鹿島出版会(1998)
  :玄地裕
     1965年生まれ、東京大学工学部卒業、博士(工学)、東京大学助手等を経て、現在、独
     立行政法人産業技術総合研究所ライフサイクルアセスメント研究センター主任研究員
     主要論文:Y.Genchi,Y.Kikegawa,A,Inaba:Applied Energy,71(3),147-160(2002)
           玄地裕、菅原有希、大友順一郎、温慶茄、高橋宏、稲葉敦:環境システム研究,
             30,271-276(2002)
           玄地裕、鈴木知道、飯塚悦功、小宮山宏:天気,48(6),383-391(2001)