2.高反射率塗料の遮熱性能に関する研究

Reduction of Solar Heat Gain through Building Envelope by High Reflectivity Paint

(その1)外壁の日射反射率と自然室温に関する実験による検討

Part 1. Experimental Study on Reflectivity of Solar Randiation and Room Temperature

  • 正会員 ◯ 大森 孝修 *1、OMORI Takanobu
  • 同 近藤 靖史 *2、KONDO Yasushi
  • 同 長澤 康弘 *3、NAGASAWA Yasuhiro
  • キーワード:高反射率塗料、日射遮蔽、実験

    1 目的

    建物外被の日射遮蔽性能を高める一つの方法として、日射反射率の高い材料を用いることが考えられる。本研究では外被の日射反射率を高める方法として、高反射率塗料(図1参照)を塗布した場合の効果について検討した。本報では簡単な模型実験による日射遮蔽性能の検討結果を、次報では数値解析による検討結果を報告する。

    高反射率塗料の概念

    図1 高反射率塗料の概念

    高反射塗料:弾性アクリルエマルジョンに超微細な中空セラミックが配合された塗料であり日反射率が0.85と非常に高く、遮熱性能に優れた塗料。また長波放射率0.94、熱伝導率0.25[W/m・K]。

    2 実験概要

    表1に示すように外被の仕様として3種類を想定し、図2に示す模型(1.5×1.5×1.5m)を作成し、屋外に設置した。ケース1は鉄板で構成される室模型、ケース2は断熱された室模型、ケース3は高反射率塗料を塗布した室模型(断熱材なし)である。また換気回数は0[回/h]と8[回/h](換気量25[㎥/h]に相当)の場合について測定した。測定項目及び方法を表2に、測定点を図3に、比較・検討に用いた日の外界条件を表3に示す。

    換気回数の違いによる平均室内温度差の計算結果

    図2 実験対象モデル

    実験ケース

    表1 実験ケース

     

    測定項目及び方法

    表2 測定項目及び方法

    温度の測定点等

    図3 温度の測定点等

    外界条件

    表3 外界条件

    3 実験結果及び考察

    3.1 室内温度の比較

    図4に室内温度の実験結果を示す。ケース1は日中、外気温度より10℃以上高くなった。これに対しケース3は約1〜3℃程度の上昇に抑えられていた。ケース2も断熱材により室温の上昇が約4〜5℃に抑えられているが、ケース3より1〜4℃高くなることが確認できた。

    室内温度実験結果

    図4 室内温度実験結果

    3.2 外側表面温度の比較

    図5に屋根表面温度の実験結果を、図7に室内温度及び室外表面温度の実験結果を示す。外側表面温度は日射量に影響を受け、これに追随して変動していた(図省略)。また図5、図7よりケース3の外側表面温度は、ケース1及びケース2に比べ低い。特に直達日射を受けている屋根面でその差は顕著で、日中10℃以上低いことが確認できた。

    屋根表面温度実験結果

    図5 屋根表面温度実験結果 (9月19日 換気回数0(回/h))

    3.3 内側表面温度の比較

    図6に屋根の室内側表面温度の実験結果を示す。図6、図7よりケース1では外側表面温度と同様、内側表面温度が高い。
    ケース2では日中、断熱材の効果により屋根及び南面の内側表面温度が外側表面温度より20℃以上低く抑えられ、また各表面温度の差が比較的小さい。ケース3では、高反射率塗料が塗布してあるために日中、外側表面温度に比べて約3〜5℃低い。これは、高反射率塗料の熱伝導率が小さいことによる。

    屋根の室内側表面温度実験結果

    図6 屋根の室内側表面温度実験結果 (9月19日 換気回数0(回/h))

     

    室内温度及び室内外表面温度の実験結果

    図7 室内温度及び室内外表面温度の実験結果

    4 まとめ

    本実験の結果、以下のことが確認できた。

    1. ①高反射率塗料を建物の外側に塗布することにより外側表面温度の上昇を抑え、これにより室内温度の上昇を抑えることができる。
    2. ②本実験条件では、断熱材を使用した場合よりも室内温度が低くなる。

    <謝辞>
    本実験を行うにあたり、(株)ハウステック深江典之氏、青洋一氏、長島特殊塗料(株)長島正季氏、武蔵工業大学技術員服部昭彦氏をはじめ関係者各位には多大なる協力を頂いた。ここに謝意を表す。

    1. *1三井ホーム(当時、武蔵工業大学学生) Mitsui Home Co.,Ltd
    2. *2武蔵工業大学 助教授・工博 Assoc. Prof.,Musashi Inst.of Tech., Dr.Eng
    3. *3武蔵工業大学 院生 Graduate Student Musashi Inst. of Tech

    (その2)数値解析による室温および熱負荷に関する検討

    Part 2 Numerical Study on Room Temperature and Cooling Heat Load

    • 正会員 ◯ 大森 孝修*1、OMORI Takanobu
    • 同 近藤 靖史*2、 KONDO Yasushi
    • 同 長澤 康弘*3、NAGASAWA Yasuhiro

    キーワード:高反射率塗料 日射遮蔽 数値解析

    1 目的

    前報1)では、高反射率塗料の日射遮蔽性能についての実験結果を報告した。本報では実験で行っていない条件や大空間建築物に高反射率塗料を塗布した場合等について数値解析よる検討結果を示す。

    2 数値解析概要

    数値解析2) により室内温度を求めて以下の検討を行う。

    1. ①実験で対象としたモデルの形態、使用材料等の条件で室内温度を計算して実験結果と比較する。
    2. ②実験で対象とした各ケースにおいて換気回数を多くした場合の室内温度を計算して検討を行う。
    3. ③実験モデルの屋根面のみに高反射率塗料を塗布した場合をケース4として遮熱効果の検討を行う。
    4. ④大空間建築物に高反射率塗料を塗布した時の遮熱効果について室内温度および冷房負荷の検討を行う。

    自然室温は外気、日射、換気などによる室の熱収支を基に計算を行った 2)。外界条件は前報に示した実験実施日の外気温度(10分毎の実測データ)、日射量(10分毎の日射量を計算により直散分離)を用いた。屋外の総合熱伝達率は20.9[W/㎡・K]、室内の総合熱伝達率は9.3[W/㎡・K]とする。夜間放射は考慮していない。自然室温計算に使用した材料の熱特性を表1に示す。また冷房負荷計算は年間熱負荷計算プログラム(HASP/ACLD/8501)3)により計算を行った。

    計算に用いた熱特性

    表1 計算に用いた熱特性

     

    計算ケース

    表2 計算ケース (実験モデル)

    3 数値解析結果及び考察

    3.1 室内温度の実験結果と計算結果の比較

    図1に室内温度の計算結果を示す。室内温度実験結果(前報図5)と比較すると、夜間放射を考慮していないため計算結果は夜間の室内温度が2〜3℃高いが、換気回数0[回/h]、8[回/h](図1(a),(b))ともに昼間はほぼ対応する 注1)

    室内温度計算結果

    図1 室内温度計算結果

    3.2 換気回数を多くした時の室内温度の検討

    図2に換気回数の違いによる平均室内外温度差の計算結果を、図3に換気回数15[回/h](換気量約50[㎥/h]に相当)の時の室内温度の計算結果を示す。図2より換気回数が多くなると各ケースの温度差が小さくなり、外気温度に近づくことが確認できる。換気回数15[回/h]での日中の室内温度は、ケース1では換気を行わない場合と比べて2℃程度下がり、ケース2およびケース3では外気温度との差は1〜2℃程度になる。すなわち換気量が多い場合は高反射率塗料による効果は相対的に小さくなる。

    換気回数の違いによる平均室内外温度差の計算結果

    図2 換気回数の違いによる軽金室内外温度差の計算結果(9月28日 10:00〜14:00)

    3.3 ケース4における遮熱効果の検討

    図4にケース4(実験モデルの屋根面のみに高反射率塗料を塗布した場合)の室内温度の計算結果を示す。ケース4の室内温度は外気温度と比較すると日中約7℃高く、ケース1より約3℃低い。このことから建物の屋根面のみに高反射率塗料を塗布した場合でも、ある程度室内温度が下がることが確認できた。

    3.4 大空間建築物における検討

    図5に示す体育館あるいは倉庫などの大空間を想定した計算モデルを対象に、表3に示す3種類の計算ケースについて自然室温および空調を行った場合の熱負荷計算を行った。自然室温の計算の際には換気回数5[回/h](換気量7500[m3/h]に相当)とした。図6に自然室温の計算結果を示す。ケースA(断熱材なし、高反射率塗料なし)の自然室温は外気温度より日中、約5~6℃高く、ケースB(断熱材あり、高反射率塗料なし)は外気温度より約2~3℃高い。ケースC(断熱材なし、高反射率塗料あり)は外気温度との差が約1℃となり、ほとんど差がない。図7に夏期(7~9月合計)の冷房負荷計算を示す(注2)。ケースCの場合、ケースAの場合より約45%ほど冷房負荷は小さく、ケースBの場合とほぼ等しい冷房負荷となる。

    表3 計算ケース(大空間モデルの場合)

    図3 換気回数15(回/h)の室内温度計算結果 (9月19日)

    図4 ケース4の室内温度計算結果 (9月19日換気回数0(回/h))

    図5 計算モデル概要 (大空間モデルの場合)

    図6 自然室温計算結果 (大空間モデルの場合) (9月19日 換気回数5(回/h))

    図7 夏期 (7〜9月合計)の冷房負荷 (床面積当たり)

    4 まとめ

    本研究から以下のことが確認できた。

    1. ①換気を多く行うことができない建物ほど高反射率塗料の効果が期待できる。
    2. ②屋根面のみに塗布した場合にもある程度室内温度の上昇を抑えることができ、遮熱効果が期待できる。
    3. ③大空間建築物(体育館、倉庫など)を想定したモデルでは高反射率塗料を用いる場合、用いない場合や断熱材を用いた場合より室内温度の上昇を抑えることができる。また冷房負荷は高反射率塗料を用いない場合と比べて約45%小さくなる。

    注1) 9月19日の外界条件を使用した室内温度の計算結果(図1(a))は午後2時以降日射量の変動が激しく、10分ごとの実験データではその変化に対応しきれていない。したがって、実験結果との差が大きい可能性があるが、日中の温度に関してはほぼ対応している。また9月28日の実験ではケース2の換気量が少なかった可能性があり、実験結果の室内温度がやや高くなったと考えられる。

    注2) 冷房負荷計算において対象地域は東京とする。また計算条件は空調運転時間帯8時~18時、室使用時間帯9~18時、在室者50人、換気量1500m3/h)、空調設定温度は26℃、55%Rhである。

    <謝辞>
    本研究の一部は東急建設(株)と産学協同研究の一環として行った。ここに関係者各位に謝意を表す。

    1. <参考文献>
    2. 1)大森・近藤・長澤 : 高反射率塗料の遮熱性能に関する研究(その1) 建築学会大会梗概集(1997.9)
    3. 2)宇田川 : 空気調和計算法 オーム社(1986)
    4. 3)松尾 : HASP/ACLD/8501解説 日本建築設備士協会(1985)
    1. *1武蔵工業大学 院生 Graduate Student Musashi Inst. of Tech
    2. *2武蔵工業大学 助教授・工博 Assoc. Prof.,Musashi Inst.of Tech., Dr.Eng
    3. *3三井ホーム(当時、武蔵工業大学学生) Mitsui Home Co.,Ltd
    武蔵工業大学・近藤研究室 (空気調和・衛生工学会学術講演会講演論文集・1997年)
    カテゴリー: 各種データ・論文

    論文一覧

    1.高反射率塗料の遮熱性能に関する研究
    【その1】外壁の日射反射率と自然室温・冷房負荷に関する検討>>詳細ページ
    【その2】数値解析による室温および熟負荷に関する検討>>詳細ページ
    武蔵工業大学・近藤研究室 (日本建築学会大会学術講演梗概集・1997年)
    2.高反射率塗料の遮熱性能に関する研究
    外壁の日射反射率と自然室温・冷房負荷に関する検討>>詳細ページ
    武蔵工業大学・近藤研究室 (空気調和・衛生工学会学術講演会講演論文集・1997年)
    3.高反射率塗料による日射遮蔽効果の検討
    自動販売機および建物に適用した場合の省エネルギー効果>>詳細ページ
    武蔵工業大学・近藤研究室 (空気調和・衛生工学会学術講演会講演論文集・1998年)
    4.高反射率塗料による省エネルギー効果および都市気温への影響
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    武蔵工業大学・近藤研究室 (空気調和・衛生工学会学術講演会発表用論文・1999年)
    5.サーマルストレス緩和のための高アルベド塗料の性能検証実験
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    科学技術振興事業団 (日本地理学会学術講演会発表用論文・2000年)
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    武蔵工業大学・近藤研究所 (日本建築学会大学学術講演梗概集・2000年)
    7.高反射率塗料製品の日射反射性能に関する研究
    【その1】各種高反射率塗料の分光反射率測定>>詳細ページ
    【その2】入射角による日射反射率の差異に関する測定>>詳細ページ
    日本建築学会大学学術講演梗概集・2004年8月
    8.緑化が建物熱負荷低減に及ぼす影響に関する研究
    【その1】各種緑化部材による断熱効果 >>詳細ページ
    日本建築学会大学学術講演梗概集・2004年8月
    9.実測による高反射率塗料の遮熱性能および都市気温への影響
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    武蔵工業大学卒業論文梗概集・2005年
    10.実測による高反射率塗料の遮熱性能に関する研究
    >>詳細ページ
    日本建築学会大学学術講演梗概集・2005年
    11.ヒートアイランド現象を緩和する遮熱塗料(高反射率塗料)
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    (防衛施設学会平成20年度年次研究発表会・2008年12月)
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    (環境情報科学論文集 18別刷・2004年)
    13.表面熱収支の解析と数値シュミレーションによる高アルベド塗料の表面温度低下効果の検証
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    (環境情報科学論文集 19別刷・2005年)
    14.遮熱性舗装による都市環境改善効果に関する考察
    (株)NIPPO技術研究所・(独)土木研究所水工研究グループ・長島特殊塗料(株)機能塗料事業部>>詳細ページ
    (第25回日本道路会議論文・2004年)
    15.遮熱性舗装の高性能化に関する研究
    (株)NIPPO技術研究所・(独)土木研究所水工研究グループ・長島特殊塗料(株)機能塗料事業部>>詳細ページ
    (第25回日本道路会議論文・2004年)
    16.都市の熱環境緩和を目的とした遮熱性舗装技術の適用(英文)
    (株)NIPPO技術研究所>>詳細ページ
    (第24回世界道路会議論文・2011年)
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    伊藤武彦・鈴木久雄・加賀勝>>詳細ページ
    (環境制御 第32号・2010年)

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