2017年09月21日

コラム「換気システムの課題とこれからの住宅換気」・その5

【コラム】北海道科学大学工学部建築学科教授・当会副理事長 福島明先生
「換気システムの課題とこれからの住宅換気」

4.自然換気という選択

 シックハウス新法ができて、機械換気でなければダメ、とお考えの方が多いのではないでしょうか?
 法律は、機械換気の設置を義務付けていますが、自然換気を禁止しているわけではありません。
 自然換気で換気が確保できる時に自然換気を有効に使うことは、省エネルギー上からも、推奨されるべきことなのです。

■自然換気の系譜

 内外の温度差(煙突効果)を利用した自然換気は、世界中でその実例をみることができます。日本の伝統的民家では、棟に排気のための開口を設け自然排気を行う手法が共通してみられる(写真1)し、欧米の古い住居では、住宅の屋根上には排気塔林立しています。
 高温乾燥の気候で知られるイランでは一般住居のほとんどに自然換気用煙突、バッドギアが備えられています(写真2)。温暖な気候のバルセロナに建つガウディー設計の住居に見られる排気トップのデザイン(写真3)はあまりにも有名です。自然換気自体は、これらの例を待つまでもなく、生活の知恵として古くから利用されてきた、住居の基本的な技術なのです。


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写真1 日本の民家(タギ氏)


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写真2 イランのバッドギア(タギ氏)


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写真3 ガウディの排気塔


■日本の木造住居と自然換気

 日本の在来木造住宅は、欧米の住宅とは建物に対する姿勢が根本的に異なります。“夏を旨とすべし”とは、日本の住宅づくりの教えですが、意図的にあらゆる部分に隙間を作り、湿気の外と内との区別を徹底的に無くすことを目指した技術です。床に使われる畳は最も特徴的で、床下からの空気や湿気を速やかに通すことで耐久性を保ちながら室内の通風にも寄与しています。こうした隙間換気は、室内に空気のよどみをなくし、絶えずすべての部位が空気にさらされる構造を作り出しています。
 こうした床面の隙間から外気をバランスよく取り入れる、優れた日本の木造住宅の特性を気密化住宅に再現しようと、基礎断熱工法の床下を給気チャンバーとした方法を提案しました(図1)。床下を利用し、内壁や床周りを従来通りの工法で作り上げることによって、日本の木造住宅の特質を断熱気密住宅に取り戻すことができました。床下空間から室内に空気を導入することに抵抗もありますが、もともと日本の住宅では室内空気の相当量が床下から供給されてきましたし、断熱や気密層がなく、隙間だらけの床で仕切られた室内と床下空間との間に違いがあるとは思えません。変動は有っても連続した換気と安定した空気の流れを実現し、機械換気の持つ運用や保守に関わる不安をほとんど持たない運用上の信頼性が極めて高いシンプルなシステムとなりました。自然の変動はむしろ望むべき方向で、居住者の空気質に対する感覚の鈍化を防ぎ、換気の行動に向かわせることも期待できると考えています。


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図1 パッシブ換気のアイディア


■中間期と温暖地

 住宅の断熱化は、室内外に自然の温度差を拡大し、温度差を動力とする自然換気の利用範囲を大きく拡大しました。札幌では、盛夏の二ヶ月を除いて自然換気が可能になったし、温暖地でも自然換気の可能性が高くなりました。図2)は、札幌における年間の自然換気量です。暖房していない期間の内外温度差は10℃程度です。これは温暖地に建つ断熱住宅で生じる中間期の温度差そのもので、寒冷地と温暖地の差は単純な開口設計の問題なのです。断熱性を高めた住居では、自然温度差が拡大し、オーバーヒートの可能性が高くなります。断熱化や日射取得熱の増大といったパッシブ的な省エネルギー対応は、室温上昇をいかに押さえるかという課題がつきまといます。温度差を主要な換気動力とする自然換気は、室温上昇時に換気量が増大し、大きな排熱効果を期待できます。一見無駄に捨てられるエネルギーに見えますが、温度上昇時に換気量を大きく高めることは、自然エネルギーの有効な活用方法の一つなのです。一定換気ではなく、室温変化に応じて換気量を自動調節可能な技術を機械換気で実現する事は容易ではありません。これこそ、自然換気の優れた特性なのです。


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図2 パッシブ換気の年間変動


■宇宙船と民家

 断熱気密化は、大手ハウスメーカーにも広がり、 高性能な住宅を提供する地域工務店にも手ごわい相手になってきました。 彼らが目指す住宅とそれとは対極の住宅を、宇宙船と民家に例えて比較してみました。(表1)  
 地球の大気や海洋が宇宙の変動を緩和し、すばらしい自然環境を私たちに与えてくれているように、変動に満ち溢れた自然環境を許容できる範囲にとどめるのが建築の役割です。
その変動を外乱と呼び、一定環境を理想として機械に頼ってそれを実現しようとしていうのが宇宙船型住宅です。窓はもはや外乱でしかなく、熱も日射も遮断し高性能な設備で室内環境を作り出すという考え方です。徹底的に外乱を排除し、日射のエネルギーは太陽電池で発電し、バッテリーで蓄えて利用します。これに対して、建物の工夫によって機械への依存を減らし、穏やかな変動を実現することを目指す住宅を民家型としました。
自然換気はそのキーアイテムとなりえます。地域工務店がいかに戦うのか? 自然換気をきっかけに考えてみるのもよいかもしれません。


表1 宇宙船型住宅と民家型住宅

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(つづく)

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2017年08月19日

コラム「換気システムの課題とこれからの住宅換気」・その4

【コラム】北海道科学大学工学部建築学科教授・当会副理事長 福島明先生
「換気システムの課題とこれからの住宅換気」

4.熱交換はお得か?

 新しい省エネルギー基準では、熱交換換気装置を導入すると断熱仕様を低くできることから、安易に導入しようとする人が増えています。熱交換換気装置のどこが、どう、お得なのか、お得でないのか、考えてみます。

■省エネルギー効果

 省エネルギー性についてですが、私は、かねてから、熱交換換気装置の省エネルギー性については疑問を呈してきました。断熱が進んで熱損失が小さくなると、換気の熱損失の割合が大きくなるので、計算上、とても大きな効果があるように見えます。図1は、ある換気メーカーが公開している換気装置の省エネ効果です。隙間換気を考慮して、内外温度によって給排気をコントロールすることでファン動力を3種換気並みに抑えた最新鋭の装置です。熱交換効率は80%以上に達します。この結果、札幌だと7万円、関東でも2万5千円の省エネ効果があると主張しています。これは、ちょっとした高断熱住宅の年間暖房費支出に匹敵する金額になります。一般的な暖房用エネルギー消費量と同じ熱回収効果が得られる、暖房費が「ただ」になるということですね。


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図1 メーカーが作成した換気のコスト


 こんなパラドックスが起こるのは、二つの理由があります。一つは、回収した熱量をそのまま、省エネルギーとして計算しているからです。確かに回収した熱量としては正しいのですが、実はそこに誤解があります。これでは、暖房必要温度以上の時間帯や、暖房していない時間の熱回収も計算してしまいます。もし、この時間に熱回収をしていなかったとしても、暖房負荷は生じませんね。特に断熱性が高い家では、内部取得熱の効果が高まり、冬季でも暖房の不要な時間が増えてゆくため、こうしたことが起きやすくなります。
 もう一つは、隙間からの換気や台所レンジファンなど、その他の換気を全く考慮していないことです。ここで、暖房時に機械に頼る部分がどれくらいなのか簡単な試算をしてみました。隙間や局所換気の運転、屋外との出入りで、0.2〜0.3 回 / h程度の換気が起こります。全体換気を 0.5 回 / hとすると機械換気装置に期待されるのは0.3 回 / h程度というのが実態でしょう。


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 図2は、年間負荷計算をして求めたエネルギー消費量です。冬季の隙間換気量を考慮した結果ですが、換気装置の導入効果は、札幌で1万4〜5千円、東京で6〜7千円程度の差しかありません。

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図2 動的計算による暖房費の比較


 それでは、熱交換換気装置の実質的な回収効率はどの程度と考えるべきでしょうか? 隙間換気を0.2回/hとして予想される熱回収効率を試算したものが図3です。トップランナーの熱交換効率 90%で回収すると最終効率で 54%、国内の一般的な装置は熱交換効率 50%程度ですから、最終効率で 30%となります。まるで、すべての換気を熱交換換気装置で行っているかのような表現が見受けられますが、実際は、装置の効率がどんなに良くても、実質の効率はこの程度、と考えるべきです。

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図3 隙間換気やその他の換気を考慮した熱回収効率


 次にファン動力を含めた省エネルギー効果を比べてみましょう。ファンの電力消費は、DCファンなどを用いても年間 500 KWにも達します。ファン動力の成績係数1ですが、エアコン暖房の成績係数は3ですから、回収できる暖房エネルギーがファンの電力消費量の3 倍で差し引き0、導入効果を実感するには 5倍ぐらい、2,500 KWくらいないと意味がありません。たとえ、超高気密住宅が実現したとしても、これが実現できるのは、寒冷地だけでしょう。図4は暖房費とファン動力費を合わせて比べています。国内で多く用いられている比較的効率の高い熱交換換気システム(熱交換効率60%、DCファン)をあわせて示していますが、東京でも札幌でも、熱交換換気装置の設置によって、かえって費用が増大します。経済性だけでは判断できないことが理解いただけたでしょうか?

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図4 暖房費とファン動力費


■室内環境の向上効果

 室内空気環境をより高めたい時、熱交換換気装置は大きな役割を果たす可能性があります。まず、ダクトシステムを持つものがほとんどですから、必要な場所に必要なだけの新鮮空気を計画的に供給することが可能です。単純な3種換気に比べて、室内の空気分布を大きく改善が期待できます。また、より多くの換気をしようとする場合、一般に空気環境と省エネルギーは相反する関係にあると言われています。空気質を高めようとすれば換気量を増やすことになりますが、省エネルギーには反するというわけです。ですから、換気量を増やしてもエネルギー消費量の増加が僅かな熱回収換気装置は、換気量を増やした時に絶大な省エネルギー効果を発揮するのです。
 図5は、換気回数を0.7回/hとしたときの単純換気との比較です。熱回収換気では機械換気0.5回/h+その他の換気0.2回/hとして計算しました。換気量を増やすと、省エネルギー効果が明確に現れます。熱回収換気を加えることで、基準以上の換気量を確保し、気持ちのよい室内空気環境を求めれば、そこには熱交換器の大きな可能性があるのです。


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図5 換気回数0.7回/hで比較した結果


 また、熱交換換気装置には、もう一つ大きな利点があります。それは取り入れ外気の予熱です。取り入れ外気による寒さは、断熱住宅にとって最大の課題です。図6は、壁面の自然給気口から侵入する冷気の流れです。この寒さが換気装置を止める最大の原因の一つなのです。快適性を損なうことなく良好な換気を実現できる、そうした意味で、熱交換のメカニズムは、確かに大変魅力的です。エネルギー消費の削減効果は住宅の条件に大きく左右され、実質的にはさほど大きくはありません。しかも、取り入れ外気を予熱し寒さを防ぐことによって、換気を継続できることこそが、大きなメリットなのです。特に、最近の高効率な換気装置は給気温度がほぼ室温で入りますから、全く寒さを感じさせないことが可能で、吸排気位置の制約は殆どありません。

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図6 自然給気口からの冷気の流れ


■換気装置に働いてもらうために

 熱交換換気の効果を実感するためには何が必要でしょうか?高効率な熱交換換気装置の開発が進んでいます。当然、高価な設備になってゆきますが、それに見合った効果を享受するためには、設計や施工、保守対応が大切なことは前に述べたとおりです。帯電型の除塵機や、トルネード型の外気取り入れフードなど、保守を減らすだけでなく、圧力損失が極めて小さく、経時的な圧力損失の増大もない装置が売られています。こうした換気量を増やしながら、保守を減らす技術もこれからの換気技術には大きな効果をもたらすものと期待しています。
 空気は、住宅環境の最後の仕上げと言ってもいいものです。しかし、空気質が低下しても多くの居住者は全く気づくことはありません。だからこそ、確実に換気を維持し、良好な空気質を維持する事のできるシステムとすることが、熱交換換気装置を取り扱う人たちに強く求められるのです。



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2017年03月02日

コラム「換気システムの課題とこれからの住宅換気」・その3

【コラム】北海道科学大学工学部建築学科教授・当会副理事長 福島明先生
「換気システムの課題とこれからの住宅換気」

3.換気装置の維持管理

■熱交換セントラル換気システムは、リスクのオンパレード

 住宅の全般換気として専用の機械換気システムが普及しています。当然ですが、完成後には、保守が欠かせません。そこで、15年ほど前になりますが、維持管理の性能を点数化する方法を考えてみました。換気システムの中で掃除をしなければならない部位について、その状態によって点数付けをする仕組みです。多くの熱交換換気システムでは、100点満点で20点がいいところです。どう考えても長期的な維持管理が期待できる装置とは言えませんでした。換気装置のメーカーさんに注意を促そうとして作成し、発表もしたのですが、ほとんど反応は見られませんでした。

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■汚れる場所と汚れた状態

 まず3つの写真を見てください。最初は汚れたフィルターです(写真1・2)。熱交換換気装置の場合、排気にも給気にもフィルターがあります。外気を取り入れる部分では虫がたくさん入ってきて引っかかりますし、排気する部分では、衣服から出る綿ごみを中心にフィルターに引っかかります。次の写真です(写真3)。このフィルターを清掃する自分を想像してみてください。日本では、多くの場合換気装置は天井裏です。脚立に立って、腕をいっぱいに伸ばして、ふたのつまみを指先で操作して、ほこりを被りながら取り外します。普段のおそうじで、こんな危険な作業はそうないですよね。


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(写真1)フィルターの汚れ

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(写真2)熱交換素子の汚れ

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(写真3)小屋裏の換気装置
(ホーム企画センター提供)


 そもそも、何のためにフィルターはあるのでしょうか?これは、熱交換素子を守るためなのです。フィルターがちゃんと設置されないと、写真のようになります。これらの部分にごみが詰まると熱交換ができないばかりか、換気が止まってしまいます。昨今の換気装置は、直流モーターを使い、フィルターなどが詰まってくると、換気量を確保しようとして、最大能力までファンが頑張ります。電気代が増えて換気ができなくなるという、最悪の事態も決して稀ではありません。


■ダクトシステムの汚れ

 ダクト式の換気システムには、ダクトのほか排気口や給気口など、汚れが蓄積する場所がたくさんあるのです。そこで次の写真です。まず、換気フードの汚れです(写真4・5)。これは排気口ですが、防虫網がついているため、すっかり閉塞しています。通常フードは取り外しできないように設置されていますから、詰まったらおしまい。排気セントラル換気やサニタリーの局所換気を併用する場合にもよく見かける光景です。一方、給気側のフードでは、絶対掃除ができない、というわけではありませんが、掃除をしている例は見たことがありません。必要性も感じていませんし、気づいてもいません。この結果、虫やごみの詰まった汚れフィルターを通ってきた空気が室内に提供されるのです(写真6)


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(写真4)排気フード内側の汚れ

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(写真5)給気フードの外側

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(写真6)室内排気口フィルターの汚れ


 室内からの排気口にフィルターを付けておくことは、室内の綿ぼこりが室内側で除去、掃除できるので、良いアイディアなのですが、見かけを気にして外側枠の中にフィルターを設置すると、汚れが見えなくなってしまいます。せっかくお掃除好きのお宅でも、気づかなければこうなってしまいます。汚れが良く見えて直接掃除できるような排気口を作ってもらいましたが、汚れが見えること自体が問題なのでしょう。ほとんど使われません。本当に残念です。

 ダクトの中はどうでしょうか?施工効率を求めて小口径のフレキシブルダクトが普及しています。もちろん掃除は考えていませんね。20年以上の年月はダクトの中をどう変えるでしょうか?スウェーデンでは、ダクトシステム中は容易に清掃できることが条件です。その差は言わずもがなですね。


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(写真7)小口径フレキシブルダクト

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(写真8)フレキシブルダクトの中

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(写真9)スウェーデンのダクト


 欧米で使われている熱交換換気装置は基本的に壁掛け型か床置き型です。換気装置を採用するのはホームビルダーですが、これらの保守に責任を取る気のある人はいるのでしょうか?もしそうなら、天井裏に換気装置を入れるなどということをするはずはないのです。もう一度、保守を考えてから換気装置を選びませんか?


posted by パッシブシステム研究会 at 16:27| Comment(0) | コラム