JP6902079B2

JP6902079B2 - 屋根構造の設計方法

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Publication number: JP6902079B2
Application number: JP2019189660A
Authority: JP
Inventors: 瑞基本間; 隆一工藤; 浩二下町
Original assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Current assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: JP2020073760A

Description

この発明は、建物の屋根構造の設計方法に関する。

建物の屋根は、日射熱を直接受けるため、屋根の温度は非常に高温となり、屋内環境もその影響を受ける。そのため、日射熱による屋内環境の影響を小さくするために、建物の屋根の二重断熱構造や二重遮断構造が提案されている。

たとえば、特開２０１１−４７１６６号公報（特許文献１）には、折板屋根の山部に遮断板が取り付けられ、遮断板により折板屋根が覆われる二重遮熱構造が開示されている。特開２００８−２９７７７３号公報（特許文献２）には、二枚の金属外皮間に断熱パネルが充填された二重断熱構造の屋根が開示されている。

特開２０１１−４７１６６号公報特開２００８−２９７７７３号公報

特許文献２のような二重断熱構造の屋根は、断熱材を金属の外皮間に挟み込むためだけに金具が必要であり、コストがかかっていた。さらに、工場などの屋根に、断熱構造の屋根を援用すると、屋内に配置される設備機器からの発熱を屋外に放熱することができず、屋内が高温になる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡易な構造でありながら、屋根の放射熱を抑制することができる屋根構造の設計方法を提供することを目的とする。

この目的のため、本発明の一態様に係る屋根構造の設計方法は、日射熱による屋内空間への放射熱を抑制するための建物の屋根構造の設計方法であって、屋根構造は、表面が屋外に面する板状の屋根材と、屋根材の裏面側に配置され、熱放射性を有する熱放射性材料で形成された低放射率部材と、屋根材の裏面に貼り付けられ、屋根材と低放射率部材とに挟まれた断熱材とを備え、屋根構造に使用する断熱材の厚さをＸ軸またはＹ軸とし、屋根構造から屋内空間に放射される放射熱量をＸ軸またはＹ軸とする座標図を用意する工程と、屋根構造に使用する可能性があり、異なった放射率を有する複数種の低放射率部材を用意し、各低放射率部材を適用した場合に得られる放射熱量と断熱材の厚さとの関係を表す曲線を座標図上に描く工程と、異なった放射率を有する複数種の低放射率部材における放射熱量と、断熱材の厚さとの関係を描いた座標図上で、目標とする放射熱量を選択する工程と、座標図上で選択した放射熱量となるように、使用する低放射率部材と断熱材の厚さとを決定する工程とを備える。

本発明によれば、簡易な構造でありながら、屋根の放射熱を抑制することができる屋根構造の設計方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る屋根構造の模式断面図である。低放射率部材および断熱材の性能と放射熱量との関係を示すグラフである。図２のグラフの導出原理を示すための概念図である。低放射率部材および断熱材の性能と屋内空間の等価温度との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態に係る屋根構造の変形例を示す断面図である。一般的な折板屋根を備えた建物を模式的に示す模式断面図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

はじめに、本実施の形態に係る屋根構造の説明に先立ち、一般的な工場の屋内環境について、図６を参照しながら簡単に説明する。

図６を参照して、建物１００の屋根部１０６は、たとえば、折板屋根の屋根材２で構成される。屋根材２が日射熱を受けると、屋根材２の温度は高温になり、屋根材２は強い放射熱を放出する。そのため、屋根材２からの放射熱によって、屋内空間９内の温度は高温となる。また、建物１００内には様々な設備機器８が存在するため、これらの機器８による内部発熱によっても屋内空間９内の温度は高温化する。そうすると、図６において一点鎖線の楕円で示すように、屋内空間９には、熱気が滞留し、屋根材２も高温となる。

なお、屋根材２の裏面には、結露対策のために断熱材が取り付けられていることが多い。しかしながら、断熱材は厚いものが使用されるため、断熱材の裏面（屋内側の面）は高温であり、特に、夏期などの高温期の放射熱対策としては十分ではない。

このような屋内空間９の環境を改善するべく、本実施の形態では、屋根部の裏面を低放射化することで、屋根部の放射熱を抑制することとしている。以下に、このような屋根構造について詳細に説明する。

図１を参照して、本実施の形態に係る屋根構造１について説明する。屋根構造１は、屋外に面する板状の屋根材２と、屋根材２の裏面側に貼り付けられる断熱材４と、断熱材４の裏面に取り付けられる低放射率部材３とを備える。つまり、断熱材４は、屋根材２と低放射率部材３とに挟まれており、屋根部６は、屋根材２、断熱材４および低放射率部材３の複層構造である。

屋根材２は、典型的には、折板屋根であり、たとえば、鋼板や、ガルバリウム鋼板（登録商標）に塗料を塗付したものが用いられる。断熱材４は、たとえば、グラスウール、発砲ポリオレフィンフォームなどの断熱材が用いられる。断熱材４は、主に、屋根材２の結露を防止するために用いられる。低放射率部材３は、熱放射性を有する熱放射性材料で形成される。熱放射性材料の放射率は、０．９以下であり、望ましくは０．５以下である。熱放射性を有する熱放射性材料としては、たとえば、アルミニウムや銅などを含有する材料が用いられる。低放射率部材３は、典型的には、塗膜またはフィルムである。低放射率部材３の厚さは、断熱材４よりも薄く、１ｍｍ以下であることが望ましい。

低放射率部材３が塗膜の場合は、屋根材２の裏面側に断熱材４が貼り付けられた状態で、断熱材４に低放射率の塗料を塗布して、塗膜を形成させてもよい。たとえば、低放射率の塗料は、アルミニウムが１５〜２５％配合された耐熱塗料である。耐熱塗料は、厚さ１０〜２０μｍ程度で断熱材４に塗布され、２３℃で３時間乾燥させて塗膜を形成させる。この方法は、新築だけでなく、既築の建物の屋根部裏面を低放射化する際に用いることができる。

また、低放射率部材３がフィルムの場合は、たとえば、予め断熱材４の裏面側に低放射率のフィルムを接着剤などで貼り付けておき、屋根材２の裏面に、低放射率部材３付きの断熱材４が取り付けられる。この方法は、主に、新築の建物の屋根を低放射化する場合に用いられる。なお、低放射率部材３は、断熱材４の裏面全体に密着していてもよい。

このように、建物の屋根部６を屋根材２、断熱材４および低放射率部材３の複層構造とすることで、屋根部６の裏面を低放射化することができる。これにより、屋内空間９の高温化を低減することができる。さらに、屋根材２の日射反射率を高めるために、屋根材２の表面２１へ高日射反射率塗料を塗布したり、日射反射率の高い鋼板を屋根材２とすることで、より屋根部６の裏面を低放射化することが可能である。

また、従来の屋根材２の表面２１に日射反射率塗料を塗布する方法では、屋根材２が雨風により汚れると、日射反射率が低下するため、長期的な性能維持が困難であった。さらに、紫外線により塗膜が劣化するため、数年毎に塗料の塗り替えを要していた。しかし、本実施の形態の低放射率部材３は、屋根材２の裏面に設けられるため、紫外線等の影響を受けにくく、耐久性がよい。さらに、従来の日射放射率が高い仕様は、白色系が多いため、建物の意匠制約が発生していた。しかし、本実施の形態では、屋根部６の表面２１の形状や色が限定されないため、建物１００の外観の意匠に影響を与えない。

ここで、低放射率部材３は、上述のように、放射率が０．９以下であるが、市販されている低放射率部材３の性能（放射率）は様々である。同様に、断熱材４の性能（厚みおよび熱伝導率）も同様である。したがって、どのような性能の低放射率部材３と断熱材４とを組み合わせるかによって、屋根部６の裏面からの放射熱の抑制効果は異なってくる。

つまり、屋根部６から屋内空間９に放熱される放射熱の量は、低放射率部材３の放射率と、断熱材４の厚みおよび熱伝導率とによって変わってくる。通常は、目標の放射熱の量にするために、低放射率部材３の放射率と断熱材４の厚みおよび熱伝導率とをどのように設定すればよいのかは、複雑であり簡単に求めることはできない。しかし、本実施の形態では、図２のグラフを参照することで、目標とする放射熱量から、断熱材４の厚み（熱伝導率は一定）と低放射率部材３の放射率とを容易に選択できる。図２のグラフの導出原理について、以下に説明する。

図３は、図２のグラフの導出原理を示すための概念図である。なお、図３において、低放射率部材３は存在しないものとして説明する。図３では、屋内空間９にある物体表面を想像線で示している。

図３を参照して、屋根材２の表面２１に日射熱Ａ１が入射すると、その一部は、伝導熱Ａ３となって断熱材４に伝わる。残りの熱Ａ２は、屋根材２によって吸収または反射される。伝導熱Ａ３は、断熱材４の屋内面４０から屋内空間９に放射される。つまり、日射熱Ａ１は、屋根材２と断熱材４を通過して、放射熱Ａ５となって屋内空間９に放熱と対流により伝達する。

断熱材４の屋内面４０から屋内空間９への放射熱量ｑｒは、以下の数式（１）により算出される。
ｑｒ＝αｒ×φ_１２×（ｔｓ−ｔｉ）・・・（１）
ｑｒ：放射熱量（Ｗ／ｍ^２）
αｒ：断熱材４の放射熱伝達率（Ｗ／ｍ^２Ｋ）
φ_１２：形態係数（屋内空間９から屋根材２の裏面２０を見たときの形態係数）
ｔｓ：断熱材４の屋内面４０の温度（Ｋ）
ｔｉ：屋内空間９にある物体表面の温度（Ｋ）

数式（１）の計算で必要となる断熱材４の放射熱伝達率αｒは、以下の数式（２）により算出される。
αｒ＝ε１×ε２×Ｃｂ×β ・・・（２）
ε１：断熱材４の屋内面４０の放射率
ε２：屋内空間９にある物体表面の放射率
Ｃｂ：ステファン・ボルツマン常数：５．６７×１０^−４（Ｗ／ｍ^２Ｋ^４）
β：温度係数

さらに、数式（１）の計算で必要となる断熱材４の屋内面４０の温度ｔｓは、以下の数式（３）により算出される。
ｔｓ＝Ｒｉ／（Ｒ＋Ｒｉ）×（ｔｏ−ｔｉ）＋ｔｉ・・・（３）
Ｒｉ：断熱材４の総合熱伝達抵抗：１／（αｃ＋αｒ）（Ｗ／ｍ^２Ｋ）
αｃ：断熱材４の対流熱伝達率（Ｗ／ｍ^２Ｋ）
Ｒ：屋根材２と断熱材４の熱抵抗値の合計
ｔｏ：屋根材２の表面２１の温度（Ｋ）

ここで、数式（２）で利用する温度係数βは１とした。数式（３）で利用する屋内側対流熱伝達率αｃは１０Ｗ／ｍ^２Ｋとし、屋根材２の表面２１の温度ｔｏは６０Ｋとし、屋内空間９にある物体表面の温度ｔｉは３０Ｋとした。さらに、数式（２）の断熱材４の屋内面４０の放射率ε１は０．９とし、屋内空間９にある物体表面の放射率ε２は、０．１，０．３，０．９とした。

なお、断熱材４の性能は、Ｒの値から定まるものである。屋内空間９にある物体表面の放射率ε２は、低放射率部材３の性能を示す放射率ε２と置き換えられる。断熱材４の熱伝導率を一定（たとえば、λ＝０．０３５）とし、屋根材２を鋼板０．８ｍｍとし、低放射率部材３の性能を示す放射率ε２を０．１，０．３，０．９とした場合、断熱材４の屋内面４０から屋内空間９への放射熱量ｑｒと断熱材４の厚みとの関係がグラフに示されている。

図２は、低放射率部材３の放射率および断熱材４の厚みと放射熱量との関係を示すグラフである。このグラフを利用することで、目標とする放射熱量に応じた低放射率部材３の性能（放射率）と断熱材４の性能とを選択することが可能である。

図２を参照して、ｘ軸は、断熱材４の厚さ（ｍｍ）、ｙ軸は、屋内空間９の放射熱量（Ｗ／ｍ^２）である。実線は、低放射率部材３の放射率が０．１の場合であり、一点鎖線は、低放射率部材３の放射率が０．３の場合であり、点線は、低放射率部材３の放射率が０．９の場合である。

グラフを利用して、達成したい放射熱量に応じた、低放射率部材３の放射率と断熱材４の厚みとを選択する方法について説明する。上記条件下で達成したい放射熱量が、たとえば２０Ｗ／ｍ^２の場合、低放射率部材３の放射率が０．９であれば、断熱材４の厚さは１６ｍｍである。低放射率部材３の放射率が０．３であれば、断熱材４の厚さは６ｍｍである。低放射率部材３の放射率が０．１のときは、断熱材４の厚さは０ｍｍである。つまり、放射率が０．１の低放射率部材３を選択すれば、断熱材４なしで、目標の放射熱量となる。

次に、断熱材４の厚さに着目したグラフの見方について説明する。断熱材４はコストの面から、可能な限り薄くすることが望ましいため、断熱材４の厚さは、１０ｍｍ以下であることが好ましい。断熱材４の厚さが１０ｍｍの場合について説明すると、低放射率部材３の放射率が０．１の場合は、屋内の放射熱量は５Ｗ／ｍ^２である。低放射率部材３の放射率が０．３の場合は、屋内の放射熱量は１３Ｗ／ｍ^２である。低放射率部材３の放射率が０．９の場合は、屋内の放射熱量は３０Ｗ／ｍ^２である。以上より、低放射率部材３の放射率が０．９以下で、断熱材の厚さが１０ｍｍ以下の場合は、放射熱量は３０Ｗ／ｍ^２以下である。ここで、屋内の放射熱量と屋内の体感温度との関係を見るために、図４のグラフを算出した。

図４は、低放射率部材３の放射率および断熱材４の厚さと屋内空間の等価温度（体感温度）との関係を示すグラフである。図４を参照して、ｘ軸は、断熱材４の厚さ（ｍｍ）、ｙ軸は、空気が３０℃の場合の等価温度（℃）である。実線は、低放射率部材３の放射率が０．１の場合であり、一点鎖線は、低放射率部材３の放射率が０．３の場合であり、点線は、低放射率部材３の放射率が０．９の場合を示す。

図２と同様に、図４においても厚さ１０ｍｍの断熱材４を使用する場合について説明する。断熱材４の厚さが１０ｍｍで、低放射率部材３の放射率が０．１の場合は、体感温度は約３０．４℃である。低放射率部材３の放射率が０．３の場合は、体感温度は約３１．０℃である。低放射率部材３の放射率が０．９の場合は、体感温度は約３１．８℃である。すなわち、低放射率部材３の放射率が０．９と０．１の場合は、体感温度に約１．４℃の差がある。一方で、低放射率部材３の放射率が０．３と０．１の場合は、体感温度は約０．６℃程度の差である。最も性能のよい放射率が０．１の低放射率部材３と比べて、体感温度の差が１℃を超えると、その差は大きいと考えられる。以上より、厚さ１０ｍｍ以下の断熱材４を使用する場合は、低放射率部材３の放射率は０．３以下であることがより好ましい。

上述のように、断熱材４の厚さは、より薄い方がよく、５ｍｍ以下であることが望ましい。まず、断熱材４の厚さが４ｍｍの場合について説明する。なお、厚さ４ｍｍの断熱材は市場で多く流通しており、入手しやすいという利点がある。断熱材４の厚さが４ｍｍで、低放射率部材３の放射率が０．１の場合は、屋内の放射熱量は１０Ｗ／ｍ^２である。低放射率部材３の放射率が０．３の場合は、屋内の放射熱量は２２Ｗ／ｍ^２である。低放射率部材３の放射率が０．９の場合は、屋内の放射熱量は５８Ｗ／ｍ^２である。

図４を参照して、断熱材４の厚さが４ｍｍで、低放射率部材３の放射率が０．１の場合は、体感温度は約３０．８℃である。低放射率部材３の放射率が０．３の場合は、体感温度は約３１．８℃である。低放射率部材３の放射率が０．９の場合は、体感温度は約３３．５℃である。すなわち、低放射率部材３の放射率が０．９と０．１の場合は、体感温度に約２．５℃以上の差がある。一方で、低放射率部材３の放射率が０．３と０．１の場合は、体感温度は約１℃の差ですむ。

次に、断熱材４の厚さが５ｍｍの場合について説明する。断熱材４の厚さが５ｍｍで、低放射率部材３の放射率が０．１の場合は、屋内の放射熱量は０．８Ｗ／ｍ^２である。低放射率部材３の放射率が０．３の場合は、屋内の放射熱量は２１Ｗ／ｍ^２である。低放射率部材３の放射率が０．９の場合は、屋内の放射熱量は５１Ｗ／ｍ^２である。

図４を参照して、断熱材４の厚さが５ｍｍで、低放射率部材３の放射率が０．１の場合は、体感温度は約３０．７℃である。低放射率部材３の放射率が０．３の場合は、体感温度は約３１．６℃である。低放射率部材３の放射率が０．９の場合は、体感温度は約３３．０℃である。すなわち、低放射率部材３の放射率が０．９と０．１の場合は、体感温度に約２．３℃以上の差がある。一方で、低放射率部材３の放射率が０．３と０．１の場合は、体感温度は約０．９℃の差ですむ。

したがって、断熱材４の厚さが５ｍｍ以下で、低放射率部材３の放射率が０．３以下であることが望ましい。一方で、体感温度の差が１℃を超えると、その差は大きいと考えられるため、体感温度を０．５℃の差で抑えることができる放射率が０．２以下の低放射率部材３を利用することがより好ましい。

このようなグラフを利用することにより、放射熱抑制のための断熱材４の目標性能（放射熱量および等価温度）に応じて、断熱材４の厚さと低放射率部材３の放射率を選択することができる。したがって、簡易な方法で屋根部６からの放射熱を抑制することができる。また、低放射率部材３を用いることで、断熱材４の使用量（厚み）を抑えることができるため、低コストであるとともに、季節によっては、屋内空間９からの発熱を屋根部６から屋外に放熱することもできる。さらに、市販で流通している断熱材４と低放射率部材３を用いることができるため、低コストで放射熱量を目標の数値にすることができる。なお、低放射率部材４の熱伝達率λは、０．０３５としたが、これを変えて計算することで、様々な種類の低放射率部材４を用いることができる。

なお、本実施の形態において、屋根構造１は、屋根材２と低放射率部材３との間に断熱材４が挟まれているとして説明したが、断熱材４は必須の構成ではない。したがって、屋根構造１は、屋根材２の裏面側に低放射率部材３を備えていればよい。

また、本実施の形態において、低放射率部材３は断熱材４の裏面全体に密着しているとしたが、低放射率部材３は断熱材４の裏面全体に密着している必要はない。たとえば、図５を参照して、断熱材４が取り付けられた折板屋根の屋根材２の谷面下方に、板状の低放射率部材３Ａを設けてもよい。

また、屋根材２は、日射反射率の高いものを用いることが望ましい。このような構造とすることで、断熱材４へ伝わる伝導熱をさらに小さくすることができるため、より屋内の放射熱を抑制することが可能である。

また、本実施の形態において、屋根材２は折板屋根であるとしたが、これに限定されず、たとえば、ストレート屋根でもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明したが、この発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

１屋根構造、２屋根材、３低放射率部材、４断熱材、８設備機器、９屋内空間、２０裏面、２１表面、５０屋内面、１００建物、１０６屋根部。

Claims

日射熱による屋内空間への放射熱を抑制するための建物の屋根構造の設計方法であって、
前記屋根構造は、表面が屋外に面する板状の屋根材と、前記屋根材の裏面側に配置され、熱放射性を有する熱放射性材料で形成された低放射率部材と、前記屋根材の裏面に貼り付けられ、前記屋根材と前記低放射率部材とに挟まれた断熱材とを備え、
前記屋根構造に使用する前記断熱材の厚さをＸ軸またはＹ軸とし、前記屋根構造から前記屋内空間に放射される放射熱量をＹ軸またはＸ軸とする座標図を用意する工程と、
前記屋根構造に使用する可能性があり、異なった放射率を有する複数種の低放射率部材を用意し、各低放射率部材を適用した場合に得られる放射熱量と前記断熱材の厚さとの関係を表す曲線を前記座標図上に描く工程と、
前記異なった放射率を有する複数種の低放射率部材における放射熱量と、前記断熱材の厚さとの関係を描いた前記座標図上で、目標とする放射熱量を選択する工程と、
前記座標図上で選択した放射熱量となるように、使用する低放射率部材と前記断熱材の厚さとを決定する工程とを備える、屋根構造の設計方法。