住宅建築・家づくり

1980年代から今日にかけて、我が国では建物外皮を構成する部材としてガラス素材を使用した建物が徐々に増え今日を迎えています。これらの建物は光環境に恵まれ、明るい室内、シーズンによっては暖かく快適な居住環境を提供してきた反面、晴天日などでは明るすぎる室内、暑すぎる温熱環境など光環境や熱環境の調整なくして、ガラス建築は成立しないことも経験的に把握してきました。従来の建物は、建築・構造・設備の専門家が各分野で専門とする縦割りの組織を形成していましたが、太陽放射の影響を瞬時に受けるガラス素材で構成された建物は、設計者や研究者が各専門分野と他分野との境界領域に精通することも必要であり、また、これに関連する資料の整理も必要であると考えました。そこで日本建築学会環境工学委員会建築設備小委員会の中に「ガラス建築WG」を設置し、各専門分野の方々に委員をお願いし1999年度から2年間に渡って研究活動を開始し、その成果を「ガラス建築の意匠と設備／技術」としてまとめ、 2001年3月、建築設計者、環境・設備の設計者、施工関係の方々、メンテナンスを専門とする方々、学生など多数の方々にお集まりいただき、日本建築学会においてシンポジウムを開催いたしました。 　 シンポジウムの反響に対する手応えに呼応して、我が国では、ガラス建築に関する書籍で、計画の段階から設計・施工、竣工後の運用・維持管理を含む一連のものはなかったため、ガラス建築の「光環境と熱環境、日射遮へいとその調整」の三位を一体とした、技術者にとって実学書となる書籍を編集することに致しました。 　 そこで、このWGは、2002年度から企画刊行委員会に移行し、ガラス建築WGでまとめました報告書およびシンポジウムの結果を受けて、「ガラスの建築学-光と熱と快適環境の知識-」をテーマとして2年間をかけて資料の収集、整理、解析を基にガラス建築の計画から設計・施工・維持管理までが判る書籍を出版することに致しました。書籍のタイトルを「ガラスの建築学」と致しました理由は、建築分野の学生・専門家にとってもわかり易く、一般の読者にとっても「ガラス建築」の1から10までが容易に理解できる教科書的な書としたことに起因しています。 　 本書の構成は、まず第1に「ガラス建築の小規模・中規模・大規模のかたち」について口絵で示し、本書で示すガラス建築とはどういう建物を指すのか理解をいただくことを目的としました。続いて第1章ではガラス建築（ガラスを多用した建物）が、ガラスの発見からどのような経過をたどって今日に至ったかを「進化するガラス建築」としてまとめています。また、2章から7章にかけては、「ガラスの性質あれこれ」「建築材料としてのガラスの作りかた」「ガラスと窓の構法」「光と熱の環境制御」「ガラス建築の断熱と結露防止」「ガラス建築の保守管理」とし、ガラス建築の計画段階から設計・施工に関する構法・運用上の維持管理・ガラスのリサイクルなどについてまとめました。また、最後に付記致しました｢資料集」には「ガラス建築年表」「防火・防火設計に関する法規とその他の関連法規・指針」「ガラスを用いた開口部の安全設計指針」、などについて実用

ガラス建築の「光環境と熱環境、日射遮へいとその調整」の三位を一体とした、技術者にとっての実学書であり、一般の読者にとってもガラス建築の1から10までが容易に理解できる教科書。計画、設計・施工、維持管理が判る。

ガラスやサッシュの価格低下、開口部の大きな建築の流行により、内装をはじめ外壁にまでガラスを使用する建築が増加し注目を集めている。製造と加工・構法・光と熱の制御と省エネルギー・断熱と結露・メンテナンス・リサイクル・関連法規・寸法規格など、ガラス素材の魅力と新技術の基本的知識を、余すところなく解説した。

　ガラス素材はガラスメーカー、窓枠はサッシュメーカー、工法・施工は施工会社、運用と快適性はお施主様、保守管理はメンテナンス会社、ガラスの省エネルギー技術は設計者などと別れていたものを、「ガラスの製造からメンテナンスまで」を１冊の本にまとめました。ここに示した各業種の境界領域を含め１冊の冊子にまとめたもので、「ガラス建築」の１から１０までが判る入門書としてご使用いただければ幸いです。

芦川　智（あしかわ　さとる） 横浜国立大学大学院工学研究科修士課程修了後、東京大学大学院工学系研究科修士課程修了、工学博士（東京大学）。現在、昭和女子大学生活機構研究科教授。専門は建築計画・都市計画・地域計画、一級建築士 新井健一（あらい　けんいち） 早稲田大学理工学部建築学科卒業。現在、セントラル硝子(株)硝子研究所主席研究員。板硝子協会建築委員会外部委員、一級建築士 石福　昭（いしふく　あきら） 早稲田大学大学院理工学研究科修士課程修了。現在、（社）建築設備総合協会会長。工学博士、技術士、一級建築士ほか。 著書に『大学課程建築設備』（共著、オーム社）ほか、作品にパレスサイドビル設備設計ほか 磯崎日出雄（いそざき　ひでお） 早稲田大学大学院修士課程修了。現在、(株)大林組東京本社設計本部設備設計部長、一級建築士、建築設備士、技術士（衛生工学） 井上　隆（いのうえ　たかし） 東京大学大学院修士課程修了。現在、東京理科大学理工学部建築学科教授、工学博士、一級建築士 著書に『環境工学教科書』（共著、彰国社）『Advanced Envelopes-Methodology Evaluation and Design Tools-』（共著、IEA）『建築設計資料集成』（共著、丸善）『建築設備学教科書』（共著、彰国社）ほか 内田敦子（うちだ　あつこ） 昭和女子大学生活機構研究科生活科学研究専攻修了。現在、昭和女子大学生活科学部生活環境学科助手、一級建築士 海宝幸一（かいほう　こういち） 千葉大学工学部電子工学科卒業。現在＼x、株式会社日建設計・環境計画室技術長。これまでに＼x、東京ドーム、池袋アムラックストヨタ、聖路加タワー、晴海トリトンスクエアなどの照明計画を担当 慶伊道夫（けいい　みちお） 京都大学大学院工学研究科建築学専攻修士課程修了。現在、日建設計・東京オフィス構造設計室長、技術士（建設部門）、一級建築士、建築構造士、APECエンジニア構造部門 古林豊彦（こばやし　とよひこ） 京都大学大学院工学研究科修了。現在、伊東豊雄建築設計事務所勤務 桜井　潔（さくらい　きよし） 京都大学大学院工学研究科修了。現在、日建設計常務執行役員東京副代表。 主な作品に、コナミ那須研修所、日本科学未来館、東葛テクノプラザほか 佐野武仁（さの　たけひと） 早稲田大学大学院理工学研究科修士課程修了。現在、昭和女子大学大学院生活機構研究科教授、工学博士、技術士、一級建築士 高井啓明（たかい%8

５．ガラス建築と太陽放射の利用

５．１　太陽放射と室内気候
５．１．１　太陽と太陽放射
　太陽は生まれてから約５０億年を経た恒星（天球上で相互の位置をほとんど変えず、星座を作る天体）で、毎秒３．８５×１０２６ジュール（ジュールの記号はＪ：１kcal=4.186kJ）の放射エネルギーを宇宙空間に放出している。天文学数字であるので理解しにくいが、太陽が宇宙に向かって１秒間に放出するこのエネルギー量は、人類が１００万年かかって使用するエネルギー利用に匹敵する。
　このように膨大なエネルギーを放出する太陽は、宇宙空間に漂うガス球でその組成は、水素７１％、ヘリウム２７％、その他の元素２％である。また、その直径は１４０万ｋｍで地球の約１００倍、地球から月までの距離に換算すると３．６倍程度あり、その質量は地球の３３万倍に匹敵する。また、太陽は地球と同様、北極と南極を軸として自転しているが、赤道では約２５日、極に近いところでは約３３日程度と遅く、この回転を差動回転または差分回転という。
　太陽の内部構造を図５．１に示したが、太陽の中心温度は約１６００万Ｋ（ケルビン：絶対温度）という超高温で核融合反応を起こし、多量のエネルギーを放出すると同時に、エックス線、ガンマ線やニュートリノを放出し、水素が持つ４個の陽子から１個のヘリウムが作られ、発熱と同時に水素はヘリウムへと変わる。太陽の中心部では、毎秒６億７０００万トンの水素が燃焼し６億５２５０万トンのヘリウムが作られるが、この差１７５０万トンの質量が、質量とエネルギーの等価原理に相当したエネルギーとして太陽内部で発熱し、太陽表面ら地球など惑星への太陽放射として放出する。また、太陽を構成する水素の10%程度は正常に核融合反応を起こすと考えられているので、現在の水素の消費量からすると、後５０年億年の寿命があると推定されている。
　太陽の中心・核の部分で核融合によって生じた膨大な熱は、ガンマ線やエックス線によって太陽の外部の方向に運ばれるが、表面近くでは紫外線や可視光線として運ばれる。また、我々が地上から肉眼で見ることができる円盤状に見える部分を光球といい、光球の半径Rを1とすると中心から0.8R前後の放射層では放射によってエネルギーが運ばれその温度は５０万度程度であるが、この外側は対流層で乱流によって熱が運ばれ、その温度は4300~6600度程度にまで下がる。また、太陽の中心部の密度は160g/cm3程度であるが、外部に行くにしたがって下がり光球の表面では８×１０-８程度にまで下がる。
太陽と地球の間に月が位置する場合を日食というが、皆既日蝕ではこの光球の部分が月によって隠され、その外側に光るものを彩層というが、その厚さ2000kmにも及ぶ。その外側にはコロナがあり皆既日食のとき初めてその姿を見ることができる。

５．１．２　太陽放射と地球
　太陽と地球の位置関係を図５．2に示す。太陽と地球の距離は近日点で約14700万km、遠日点で15200万kmの距離にあり、地球は1日に1回自転を行いながら太陽の周りを365日と6時間をかけて1周する。これを公転というが、ほぼ円形に近い楕円軌道をとり、地球が太陽に最も近づいた日を1月1日と定めている。
　太陽から宇宙に向かって電磁波として放出される太陽エネルギーは、0.3μmから5μm(300から5000nm)以上にわたる固有の分光分布を持って地球の大気圏外に到達する。図５．３に地球が受ける全受熱量（太陽放射）を示したが、1北半球の受熱量はａｂ間、2南半球の受熱量はｂｃ間で、この両者を合計したａｃ間の受熱量が太陽から地球に到達する全エネルギー量（太陽放射）で、約１３５３Ｗ／m2でこれを太陽定数といい、常時地球が受けているエネルギー量である。この図では、ａｂ＞ｂｃであるので、南半球と比較して北半球の受熱量が大きく夏期の状態を示している。半年後には太陽と地球の位置関係が反転し、太陽放射が左側から来ることになるので、ｂｃ＞ａｂとなって南半球は夏、北半球は冬の状態になる。しかし、年間を通じて太陽から地球への受熱量はシーズンには関係なく一定で、右側の壁に生じた影の部分に相当する。
太陽放射は、我々が空気といっている大気圏内に入ると、空気中の空気そのものや水蒸気、炭酸ガス、塵埃などにその1部は散乱・反射または吸収され、減衰しながら地上に到達する。地球に到達するこれらの太陽放射の全てを含めたものを日射というが、図５．４に示したように、分光分布の波長域を0.38μｍ（380nm）までの紫外線域、 0.38~0.78μｍ（380から780nm）の 可視光域、0.78μｍ（780nm）以上赤外線域の３域に分けて取り扱っている。一般に、波長の短い紫外線はラジオやテレビの電波、医療用のx線などがこれに相当するが、晴天日には殺菌作用を利用して布団を干すなどは古来から利用されてきた方法である。可視光線は光として見ることが可能な電磁波で、波長の長い方から短い方に向かって赤・橙・黄・緑・青・藍・紫の視感があり、人間が色彩としてその色を感じることができる。また、赤外域は熱線で太陽放射を受けると暖かさを感じる。
　このエネルギー量によって海面や地表面などから水が蒸発し、この上昇気流によって風が生じる。また、地球の自転によるコリオリの力の影響を受けて海流が生じ、水中への酸素の供給が行われ、水中にも生物が生息できる環境を構築している。地球上の空気の流れ、海流、動植物を含めた全ての諸活動はこの太陽エネルギーに依存している。
生物の住むこの地球上の空間をバイオスフィアー（Biosphere）というが、地球は、太陽に対して２３．５゜の傾きを保ちながら１日に一回自転し、３６5日と６時間・１年をかけて太陽の周りを1回転している。
　また、図５．４の右側に示したように、地球全体から１０μｍ前後の長波長として宇宙に熱を放出しているが、その放熱量は地球のどの場所においてもほとんど一定である。地表面では、極地より赤道に近い場所での受熱量は大きいが、大気の循環によって赤道近くで余った熱は極地に運ばれ熱平衡が保たれているので、地域における特異な気候変動は生じない。

５．１．３　空気や水は断熱材
　建築分野では、空気は断熱材とよく言われている。地球が受ける太陽放射は、短波長で空気中を通過しながら、その分光分布の一部は徐々に空気中の水蒸気などに吸収され減水しながら地表面や建物表面、人体などに到達する。不透明材利用や半透明材料では、その表面で太陽放射（電磁波）を受けると一部は反射し、残りはその表面で波長がのび長波長となる。この長波長となったものが熱である。水やガラスなどの透明材料では、太陽放射のほとんどは通過し、水面やガラス表面では熱にならないが、透過後に当たった不透明材利用の部分、例えば、水泳プールなどでは、プール本体の側壁や床など不透明材量の部分で長波長になり熱となる。ガラスの外皮を持つ屋内プールでは、この熱によってプールの水温は上昇し、夏期では３０℃を越える状態になるプールも有り問題を生じている。また、室内の空気系に対して、室内で長波長になった熱は、空気中の水蒸気、ＣＯ２などに阻まれ外部への流出がしにくくなり室内にたまる。それゆえ、冬期の外気温が低い東北、お北海道においても晴天日の日中は、ある程度の室温の確保が可能であることが明らかになっている。

５．１．４　室内の居住快温湿度
　ある室内環境の条件のもとで、体内での熱生産と体外への熱放散がバランスしたとき、人はその環境を快適な環境という。体内での熱生産は、心臓のポンプの容量や揚程、生活活動におけるエネルギー代謝量によっても変化し、体外への熱放散は体表面積や着衣量を示すclo値の大小によっても変化するので、室内に居住する１００人が同時に快適であるという環境は存在しない。そこで、一般に快適環境とは、大半の在室者が快適と感じる環境、または不快でない環境のことを言う。快適性を示す総合指標には色々の方法があるが、図５．５に軽い着衣の成人が労働をしないで、室内風速が0.25m/sの室内に長時間滞在したときの感じ・温感を相対湿度５０％の線上の温度で代表した新有効温度ＥＴ＊で表したものを示す。この図はアメリカ暖房・冷凍空調学会（ASHRAE）で提案されたものである。ＥＴ≧３０℃では空気中に含まれる水蒸気の重量（絶対湿度）の影響が大きいが、ＥＴ≦２５℃では空気の相対湿度（一般に言う湿度）の影響が大きいと言われている。また、作用温度とは、気温、気流、輻射などによる温熱感覚を示すもので、空気の温度θaと壁平均鼻
縮眠硬戲〓の和の平均値を示し、湿度の影響は考慮していない。ただし、西欧などで熱容量の大きい石造りの建物などでは、作用温度として（θa＋２θw）／３を用いる場合がある。これを環境温度というが、快適性に対する空気の影響が１／３、壁の表面温度が２／３であることを示している。

５．１．５　ガラスの熱特性・光特性
　透明ガラスが太陽放射を受けた場合の熱量の配分を図５．６に示す。太陽からの受熱量1を１００％とすると、このうち８５％は短波長2のまま直接ガラスを透過し、直射光として室内にはいる。ガラス表面3で短波長のまま反射するものが７％ある。残りの８％はガラス表面で長波長になり熱となってガラスに吸収される。ガラスに吸収された熱4は、室内外のガラス表面に生ずる空気の流れと熱放射によって室内5、室外6に分けられ放出する。室内側２％、室外側６％と室外側の方が大きいが、これは、室内側のガラス表面の気流速度は自然対流であるが、室外側は3m/s程度の外風速があるとして計算したためである。結果として、室内側に入る熱負荷は８７％程度になり、室外側へは１３％程度が放出される。例えば、日射遮蔽物を室外側に設けた場合は、太陽放射1の８５％程度は室外に放散され、室内への熱負荷は１５％程度になり、夏期などの熱負荷の減少に大いに役立つことが判っている。

５．１．６　ガラスを多用した建物の環境と外壁の構成
　ガラスを多用した建物が増えているが、ガラスの使用に当たっては、太陽放射や空気の性質、ガラスの特性などを十分把握したうえ計画することが望まれる。
　建物外皮を通して室内に熱や光が入る建物部位はファサードである外壁と屋根である。この建物外皮に関係のするパラメータ（媒介変数）を表５．１の1から5に示した。例えば2の気象要素は、太陽放射、外気の温湿度、外風速などが、3の室内環境としての制御項目が決められたときに影響を受ける項目であり、4の熱・光野の制御、5の建物のエネルギー消費や維持管理に影響を及ぼす。それゆえ、この表に示したパラメータについて建築、環境・設備計画について検討すれば良いことになる。
　建物外壁の基本構成を表５．２に示す。この表では壁のタイプをａ透明ガラス、ｂ半透明ガラス、ｃ不透明材料の３種類に分け、番号１から４の単層・単材から複合材・複合シェルの４種類に整理した。例えば、番号１のａ、ｂ、ｃでは、ａが透明の安全ガラスを支持材で受けたタイプ、ｂが半透明のガラスブロック、ｃが不透明材料としてのコンクリート壁を示している。また、上段横に示した１から６は、外気側から室内側への外壁の構成を示している。

５．１．７　建物としての太陽エネルギーの利用方法
　表５．３に建物としての太陽エネルギーの利用方法について示した。太陽熱の利用方法には、温度差換気や外風速を利用した自然換気、採光や再熱などにより直接利用する方法、集熱板、ヒートポンプや蓄熱層などの機械類を用いて暖房・給湯用として間接利用する方法がある。その他として、通風・換気などに利用する方法もある。給湯・風力発電等は経済的に採算がとれ、一般に普及しているが、その他の方法はまだ実用化の段階には到っていない。最近、公園の屋外照明やアナログ式時計の電源として小規模な太陽光発電が採用されているが、大規模なものは実験的に理用されている例はあるが、蓄電池の値段が高く実用化にはまだまだ時間がかかるものと考えられる。参考までに、実験段階ではあるが、国内最大規模の太陽光発電パネルは３０００m2の建物屋上に２１１０枚の太陽電池アレイを施設し、最大３００kWの発電量で、建物の照明用電源３００ｋＶＡを賄う計画の建物もある。
　将来、ガラスを多用した建物が増加し太陽光発電パネルを日射遮蔽物として用いる例が多くなることが想定されるので、壁や屋根への取り付け方法の基本形を図５．７に示す。壁や屋根の外側または内側等取り付け一迫ざまであるが、取り付け位置と熱回収量、室内への熱負荷等取り付けに当たっては、多面的な検討が必要であると判断する。

参考文献

1）比江井栄次郎／国立天文台太陽物理学研究系研究主任・教授：「太陽物理学」が描き出した太陽活動最新理論，最新太陽系論，学研，pp28-35，1990.7