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Sep 15, 2023

ハイブリッドウォーターの構築面

Data: 2023 年 2 月 13 日 Autore: Matyas Gutai、Shwu-Ting Lee、Bumpei Magori、Yu

日付: 2023 年 2 月 13 日

著者: マティアス・具体、シュウティン・リー、馬郡文平、森下優、アボルファズル・ガンジ・ヘイバリ、ジョシュア・スペンサー

ソース：ファサードデザインとエンジニアリングジャーナル、8(2)、127–152。

土井：https://doi.org/10.7480/jfde.2020.2.4784

水で満たされた建物のエンベロープは、固体と流体のコンポーネントを備えたハイブリッド構造で、通常は水で満たされたガラスまたはスチールのシェルです。 この論文では、水を満たしたファサード構造を開発する際の課題を紹介し、それを建築規模で実行可能な建設システムとして利用する可能性を評価しています。 水入りガラス（WFG）は過去に研究されており、従来の建物の独立した窓要素として提案されており、建物外壁のエネルギー管理のために水層の吸収を利用することによってエネルギー節約が達成されます。 この結果は、システムがパネルと建築部品の間を流体が流れることができる統合された建築エンベロープとして組み立てられれば、WFG の効率がさらに向上する可能性があることを示唆しています。 この論文では、著者が設計および建設した、これらの設計パラメータを備えた 2 つの実験的な「ウォーター ハウス」建物を紹介します。 これらの建物の重要性は、接続された水で満たされたエンベロープが初めて構築されることです。 このディスカッションでは、水を満たしたファサードの 2 つの工法を紹介し、さまざまな気候に対するその実行可能性を評価し、技術の設計と建設の側面を紹介し、既存の工法との比較を提供します。

流体固体建築エンベロープは、追加の建築要素（外部日よけなど）を作成しながら、冷却負荷を軽減し、吸収された熱を再利用し、エンベロープの部分と建物の残りの部分の間の熱差のバランスを取ることにより、動作エネルギーと内部エネルギーの両方を大幅に節約します。廃止。

構造材料は、建築環境の生態学的フットプリントに大きな影響を与えます。 これは、建物のエネルギー効率と熱的快適性において主要な役割を果たす建物の外壁に特に当てはまります。 特に、窓壁比 (WWR) が高い建築外壁は良い例です。ガラスのファサードはエネルギー集約型の材料を使用し (Adalberth、1997)、運用上のエネルギー需要が増加します (Gasparella、Pernigotto、Cappelletti、Romagnoni、Baggio、 2011）。 ガラスエンベロープのイノベーションは、特に内包エネルギーと動作エネルギーの両方を低減できれば、建物の環境への影響にプラスの変化をもたらす大きな可能性を秘めています。 これは特に、低エネルギー建築と比較してゼロエネルギー建築の方がより高いライフサイクル評価 (LCA) が報告されている場合に当てはまります (Ramesh、Prakash、および Shukla、2010)。これは主に内包エネルギー成分 (つまり、PV の追加) の増加によるものです。またはソーラーパネル）を後者と比較した場合、前者の場合。 これは、内包エネルギーを増加させることなくエネルギー性能を向上させることができるイノベーションが必要であることを意味します。

建物外壁のエネルギー管理の観点から見ると、光学的に透明な窓に関する研究の現状は 4 つのグループに分類できます。 最初のカテゴリは、コーティング、ダイナミックまたはアクティブ グレージングを使用した日射利得 (SHGC) に対応します。 このための解決策としては、Low-E コーティング (Cui & 水谷、2016)、エレクトロクロミック グレージングまたは EC (DeForest et al.、2015)、懸濁粒子デバイス グレージングまたは SPD (Ghosh、Norton、および Duffy、2016)、およびポリマー分散液晶が挙げられます。または PDLC (Hemaida、Ghosh、Sundaram、および Mallick、2020)。 2 番目のカテゴリは、複層ガラスのような建物外壁の熱抵抗 (U 値) を改善することです (Arici、Karabay、および Kan、2015)。 3 番目のアプローチは、日よけを使用して冷房需要を減らすことです (Tao、Jiang、Li、および Zheng、2020)。 最後に、最後の解決策は、流体媒体、つまりガラス内の換気された空気流を利用することです。これは、たとえば、外気を使用してガラス自体を冷却したり、空気が内部空間に入る前に空気を予熱するために使用したりできます (Ismail、Salinas) 、& エンリケス、2009)。 空気を循環させる代わりに、「循環水室」を利用する方法があります。これには、太陽エネルギーを捕捉し、その潜在的なエネルギー負荷を再生可能エネルギー源に変えるという利点があります (Chow、Li、および Lin、2010)。

流体ガラス システムが導入され (Gutai、2010)、著者が特許を取得して以来 (P 11 00 156、2011; 6250530、2012; EP2689192A2、2012)、この技術はさまざまな研究グループによって研究されてきました。 これらの中で、重要な開発は、空洞内の汲み上げ水流の強さと窓の特性 (U 値と SHGC) の間の相関関係を確立することであり、これらの値を外部条件 (Sierra および SHGC) に合わせて調整できることも示しました。ヘルナンデス、2017)。 エネルギー消費量に関しては、香港の WFG との標準ウィンドウの比較が示されました (Chow, Li, & Lin、2011a)。 マドリードの事例では別のアプローチが示されており、WFG は冷暖房のためのエネルギー需要を下げるために水温を安定させていました (Gil-Lopez & Gimenez-Molina、2013)。 追加の研究には、湿潤気候における年間エネルギー需要のエネルギー シミュレーション (Li & Chow、2011)、太陽の角度の影響に関する分析 (Chow、Li、& Lin、2011b)、ヘッダーの評価 (Chow & Lyu、2017)、およびパフォーマンスが含まれます。中国のさまざまな気候で (Lyu、Chow、Wang、2018)

これらの研究プロジェクトは、従来の建物の外壁に配置された 1 つの窓としてテクノロジーを提示します。 これらに加えて、著者はウォーターハウス 1.0 または WH01 (具体、2015) およびウォーターハウス 2.0 または WH02 ((「実験 - 将来のプロジェクト - 2017 | 世界建築フェスティバル」、2017) というタイトルの実験的建物を設計および建設しました。充填水がパネルと建築部品の間を流れることができる、接続された建物エンベロープの可能性. このアプローチの重要性は、書籍「トランス構造」（具体）で紹介されているように、水の流れによってもたらされる熱、エネルギー、および構造性能の向上です。 , 2015). WFG のハイブリッド構造は、充填水自体が他の建築材料と比較して環境への影響が低いため、エネルギー消費を増加させることなくエネルギー消費量を削減します. 2 つの建物はまた、構造断熱パネル (SIP) とフレームという 2 つの異なる建設方法を提示しています。 +インフィルシステムこれらの構造開発の結果は、単一のウィンドウの限界を超える統合された WFG 建設システムの開発に不可欠であるため、この文書の主な焦点です。

この論文では、設計と建設を通じて連続的にハイブリッド型の水で満たされた建物外壁を開発するという問題に対する実験的研究のアプローチを紹介します。 これらの建物は第 3 章で紹介されます。このテクノロジーに特有の構造上の課題は、第 4 章と第 5 章で紹介されるテストを通じて評価されます。

この探索の重要性は 2 つあります。 第一に、窓から連続エンベロープへの技術の開発により、その性能が向上します。エネルギー消費量の削減 (二重ガラスと比較して 54 ～ 72%、三重ガラスと比較して 34 ～ 61% の節約) (Gutai & Kheybari、2020)、エネルギー需要の削減これは、建物内の温度差が小さくなったこと（水流により建物内でエネルギーが増加する）（G​​utai & Kheybari、2021）と熱的快適性が向上したこと（WFG 内の水を加熱/冷却して平均放射温度 /MRT/ を向上させることができる）によるものです。 第二に、この特定の種類のエンベロープが初めて構築されたため、システムのテストと分析が重要です。これは、材料の使用、製造、組み立て、さまざまな機能の統合（つまり、加熱、冷却、太陽光吸収など）に影響を与えました。 、など）を 1 つの建設システムに統合します。 WH01 と WH02 の新規性は表 1 と表 2 に示されており、水で満たされたエンベローププロジェクトの構造とエネルギー開発が示されています。

2 つのプロトタイプ住宅は、WFG テクノロジーの実現可能性に関する重要な側面を特定、解決、テストするための実験用建物として機能しました。 この研究では 6 つの重要な領域が特定され、それらは 5 年間の研究を通じて調査されました。 表 3 は、これらの領域と関連する方法論を示しています。

WFG は、個別のウィンドウ ユニットとして、または接続された建物エンベロープとして構築できます。 1 つ目のタイプは基本的に熱吸収加熱/冷却ユニットで、図 2 に示すように水の吸収の恩恵を受けます。このソリューションは「流体ガラス」または「水ガラス」と呼ばれ、ポンプと安定した装置で動作します。流れ。 2 番目のタイプはウォーターハウス構造と呼ばれるもので、図 1 と図 3 に示すように、互いに接続された一連のパネルとして構築されます。パネルは閉ループで接続されており、通常は 2 つのパネルで形成されます。向かい合う壁面と、その間の床 + 天井/屋根パネル (図 3 を参照)。

図 3 に示すように、どちらのオプションも熱を吸収し、蓄熱ユニットに輸送することができます。ポンプに必要なエネルギーは、空間を冷却または加熱するよりも少ないため、直接的なエネルギーの節約につながります。 さらに、ウォーターハウスの建設はエンベロープ内でエネルギーを分散できるため、建物の過熱領域と低温領域（たとえば、南北のファサード、建物の下部と上部）の間でエネルギーを交換することにより、エネルギーの節約がさらに高まります。

3.1 ウォーターハウス 1.0 パビリオン

最初のウォーターハウスの建設はハンガリーのケチケメートに建てられました。 パビリオンは、図 4 に示すように、4 枚の水入りガラス (WFG) パネルと 13 枚の水入り鋼板 (WFS) パネルで構成されていました。WFS パネルには 20 cm の断熱材があり、WFG には外部アルゴン層がありました。 配管とケーブルは、寒冷気候（ケッペン・ガイガー D - 暖房が支配的）の影響から保護するために、壁パネルと床の間のメンテナンス用隙間に配置されました（図 20 を参照）。 太陽光による水の吸収を利用して、冷暖房のエネルギー消費量を削減しました。 このアプローチは、当社の以前の出版物 (Gutai & Kheybari、2020) で検証されており、二重窓と比較して 61% の節約が可能です。 この好みにより、捕捉されるエネルギー量を最大化する Low-E コーティングの使用が選択されました。 オプションは、#2 または #3 レイヤーのみ、またはその両方に配置することでした (#1、#4、#5、および #6 は実行できませんでした)。 それらを #2 に配置すると、外部ゲインと内部ゲインの両方の吸収が最大化され、最良のシナリオが示されました。

吸収されたエネルギーは、季節限定の蓄熱ユニットに送られました。 吸収は WFG パネルと床で発生しました。 吸収によりエネルギーが節約され、過熱が回避されました。これはおそらく、高い WWR (40%)、南向き、および Low-E コーティングによるものと考えられます。 これらの条件は通常は避けるべきですが、水の家にとっては、回収されるエネルギーの量が増加するため、これらの条件は資産となりました。 これは、ガラス張りの建物に対するウォーターハウスシステムの可能性と実行可能性を示しました。

建物の季節貯蔵庫は給水タンクでした。 タンクは夏の 1 週間の熱負荷を考慮して大きさが決定され、熱損失を最小限に抑えるために部分的に地下に設置されました。 吸収された熱は、後の暖房シーズンに使用するために蓄えられました。

図 4 に示すように、水の流れは、接続されたパネルの 3 つの水ループで設計されています。 異なるループ内のパネルが接続されていませんでした。 各ループは、屋根、床、および 2 枚の壁パネル (北側と南側に 1 枚) で構成されています。 東と西のファサードには、直接供給パイプと戻りパイプで個別に冷却/加熱されるドア (水なし) と WFG/WFS パネルが含まれていました。 パビリオンに設置されたポンプによって水流が強化され、室内温度が快適ゾーンを超えた場合には、ループ内で流体を移動させ、保管ユニットと建物の間で水の流れが強化されました。 ピーク負荷の場合には、リバーシブルヒートポンプを加熱および冷却のために作動させました。 装置は建物内に設置され、ポンプも設置されました（冷却ユニットは屋外に設置されました）。

WFS パネルは外側から断熱されており、太陽光の吸収が制限されていました。 これらの表面は、MRT の規制 (温熱快適性) にとって重要でした。 WFS ユニットもループを完成させ、熱的に活性な表面の面積を増やしました (Moe、2010)。これにより、加熱/冷却がより効果的になりました。

図5に完成した建物と建設中の建物を示します。 WFS パネルは、外層 (耐荷重コアと断熱材) と内側に面した水層を利用した構造断熱パネル (SIP) システムとして設計されました。 これは、水パネルの接続に必要なパイプが建設後もアクセス可能な状態にしておく必要があるため、必要でした。 これらのパイプ接続を内側に配置すると、「メンテナンス ギャップ」にアクセスできるようになり、耐荷重構造へのパイプ接続の貫通が回避されました。 この建物には、エネルギー性能の結果に影響を与えないように、日よけは設置されていませんでした。 (研究では、実際のアプリケーションでは、ぎらつきを避けるために何らかの内部シェーディングが使用され、水層での吸収がさらに向上すると想定されています)。

3.2 ウォーターハウス 2.0 パビリオン

2 番目のウォーター ハウスは、熱帯湿潤気候に対応して台湾の台中に建設されました。 暖房需要が最小限であるため、WFG パネルは二重ガラスと水の層で構築されています。 WFS パネルには、太陽光吸収を最大化するために外部断熱材がありません。 これは、WH01 と比較した大きな違いであり、建物の外皮全体を外部の熱負荷の吸収に使用できるためです。 さらに、室内温度と周囲温度の温度差が比較的低いため、冷房の主な負荷は放射の結果であるため、吸収ベースのエネルギーモデルも気候にとってより効果的でした（Qahtan et al.、2014）。

図6に鉄骨＋インフィルパネルによる建物の施工方式を示します。 WH01と同様にパネルをループ状に接続しました。 太陽負荷と周囲温度に応じて、水の流れは自動またはポンプで強化されました。 図7にループの配置を示します。 ループは 2 つの壁 (北と南) とその間の床 + 屋根パネルで構成されていました。

この吸収ベースの冷却は設計によってさらに強化されました。 北側の屋根には、その角度とパビリオンの向きにより、直接的な太陽光の利得がありません。 台中ではどの季節でも日射量が比較的多いため、この形状は自動化/汲み上げによる両側間の水の流れをサポートし、北側の壁/屋根が熱を外側に放射するため冷却効果をもたらしました。 南側は湖に向かって日陰のないガラスパネルを配置して設計されました（図8参照）。これはこの気候では一般的ではありません。 室内温度が監視され、冷却が必要な場合にはポンプが水の流れを強化しました。 機械システムは、蓄熱器内の膨張バッファーを使用して流れのバランスをとりました。

パビリオンの構造には、構造的な「フレームと充填」WFG/WFS パネルで構成されるカーテン ウォール システムが使用されました。 構造用鉄骨フレームはプレハブで製造され、現場で組み立てられました。 フレーム完成後にインフィルパネルを設置しました。 ガラスのファサードは固定されており、自然換気はガラスパネルの下と上部（天井を通して）の換気口を通して行われました。

図9に示すように、カーテンウォール工法はパネル間に隙間を作りやすいため組立に有利でした。 WH01 の WFG パネルは鋼製チャンネル上に配置する必要があり、ギャップ内の断熱材の厚さが制限されていたために熱ブリッジが発生したため、これは SIP 工法にとっての課題でした。 カーテンウォールシステムの場合、パネルは構造用鉄骨フレームに直接取り付けられており、より自由に配置できます。 このソリューションは、図 9 に示すように、構造層と水層が重なり、パネルを上下から支えることができるため、荷重の点でもより理想的であることがわかりました。

4.1 構造的な課題

4.1.1 水とガラスの反応

ガラスの美的特性と熱的特性により、透明性を維持することが不可欠です。 特に内部空洞が密閉されておらず水系に接続されているため、ガラスの腐食や汚染が WFG の外面と内面の両方で発生する可能性があります。

最初の責任は、ガラス表面に汚染が蓄積する可能性があることです。 これは、内部 (汚染水による) または外部 (エンベロープの表面) で発生する可能性があります。 パネルは内側から掃除できないため、前者はより重要な問題です。 さらに、スペーサーとバルブは汚染の対象となる可能性があるため、汚染は水の流れにも影響を及ぼします。 これは特に、水の流れがない期間に汚染が重力で付着する傾向がある下部接合部とスペーサー領域に当てはまります。通常、日射が得られず、快適な周囲温度がない期間に汚染が発生します。 充填水は隔離され、物理的または生物学的汚染に対して調整される必要があります。

もう 1 つの考えられる問題はガラスの腐食で、パネルの閉鎖環境内で腐食が促進される可能性があります。 静的な水性腐食は、パネル内の湿度が上昇するため、通常、流体の充填（つまり建設）または流体の除去（つまり修理、部分交換、システムのフォールアウト）中に発生します。 ガラスは常に水と接触しているため、ガラスの内部表面は動的水腐食に継続的にさらされています。 アルカリ抽出と Si-O 結合の形成には 9.0 より高い pH レベルが必要であるため、pH レベルの制御が不可欠です。(Douglas & El-Shamy、1967; El-Shamy、Morsi、Taki-Eldin、および Ahmed、1975)

4.1.2 水質汚染

水質汚染は、可視性と持続可能性のため、構造の重要な側面です。 「ウォーターハウス」の建物には大部分の水分が含まれているため、水質汚染を回避し、材料効率とエネルギー効率の高い方法で運用できる浄化方法を検討することが重要です。なぜなら、この技術には、低エネルギーとリサイクル可能性が不可欠な利点があるからです。

最も重要な汚染物質は、病気の原因物質 (つまり、ウイルス、虫、細菌)、酸素を要求する廃棄物、水溶性汚染物質、および栄養素 (藻類や植物の成長を引き起こす) です。 追加の蓄熱と配管により、水の維持が困難になります。

4.1.3 水漏れ

システムの静水圧、ジョイントバルブを備えたヘッダーの詳細、およびエアリリースバルブを考慮すると、水漏れは重大な問題です。

パネルの静圧は、充填水の重量と圧力によって決まり、パネルの高さと幅に比例します。 追加の圧力は、動作 (ウォーターポンプ) と動的外部負荷 (風圧など) によって発生します。 水を閉じ込める材料は大きな膨張に対応できないため、パネル内の圧力は防水において重要な役割を果たします。 したがって、ガラスの変形によって漏れが発生する可能性があります。

2 番目に重要な要素は、ヘッダーとガラス層間の接合部の詳細です。 ヘッダーの材料は、水圧に耐えることができ、腐食や化学的影響に耐え、防水のための連続した構造表面を提供する必要があり、エンクロージャーの完全性を損なうことなくパネルのバルブを組み込む必要があります。 システムのバルブは 2 つの理由から重要な詳細です。 最初の問題は製造です。これは、既存のガラス製造技術が直線的で連続的なパネル エッジ向けに開発されているためです。 2番目の問題はバルブの接続です。 マリオンと欄間はカーテンウォールとして最小限のサイズに保たれ、ガラス間の隙間は通常 10 ～ 40 mm です。 この限られたスペースは、特に防水性や接合部を考慮すると、パネルの組み立てにおいて大きな課題となります。

水を封じ込めるための 3 番目の困難は、空気放出バルブの位置と操作です。これらのユニットはパネルの上部に配置する必要があるためです。 水の充填は組み立ての最後のステップであるため、建設中に空気放出バルブを作動させる必要があるため、これは課題を引き起こします。 もう 1 つの問題は、空気を除去する必要があるため、ガラス面の形状に問題がある可能性があります。 ただし、これらのバルブの主な問題は、アクセスしやすさとサイズが小さいことであり、自動閉鎖システムではなく機械閉鎖システムの使用が推奨されます。

4.1.4 水圧

流体ガラス構造の水圧を推定することは、安全な操作と透明性のために重要です。 ガラス パネル内の実際の圧力は、静荷重と動荷重の合計です。 前者は静水圧から生じ、後者は外部負荷 (つまり風) または内部負荷 (つまりポンプ) から生じます。 水圧は風圧に逆らって風の吸引力を高めるため、ガラス面の荷重が変化します。 もう一つ重要な点は水の重さです。 熱吸収能力と静水圧のバランスを考慮すると、水層の理想的な厚さは 15 ～ 20 mm です (Chow & Lyu、2017)。これは約 15 ～ 20kg/平方メートル、つまり 25 ～ 33% または 18 ～ 25 mm です。二重ガラスまたは三重ガラスではそれぞれ % 増加します。 この増加は、垂直荷重の増加を犠牲にして横方向の力に対して有利であるため、ガラスの安定性において重要な役割を果たします。

静水圧は視認性の点でも重要です。 透明度への影響を避けるため、ガラスの最大曲げは 0.3% 未満に抑える必要があります。 カーテン ウォール用途の一般的な高さを考慮すると、これは大きな注意点です。 WFG 設計では、パネルの理想的な幅と高さの比率を決定するか、同じ高さで重要な領域の幅が狭い形状を提案することで、この制限を反映する必要があります。

4.1.5 構造

WFG の窓とカーテン ウォールは他のガラス工法と似ていますが、いくつかの重要な違いがあり、特に埋め込まれた給水ネットワークの問題と充填流体を含む組み立てプロセスが異なります。

ヒートブリッジの問題は、水循環のために挿入されたジョイントバルブに起因します。 バルブの位置には 3 つのオプションがあります (図 10 を参照)。

潜在的な熱橋を考慮すると、次の側面を考慮する必要がありました。

これらの基準に基づくと、最初のオプションが最も望ましいです。 最も重要な危険因子は凍結であり、水道網が屋外にある場合に発生する可能性が最も高くなります。 2 番目の懸念事項は、配管ネットワークのエネルギー損失であり、この場合も最初のオプションが望ましいことになります。 最初のオプションは、見た目の美しさにも優れています。 最後に、液体がガラスに垂直に入るので、水の流れも良くなります。 ただし、このソリューションでは、ジョイントがフレームを貫通するため、U 値が高くなります。

2 番目の要因は、埋め込まれた水道網の規模です。 パイプ自体を構造に組み込むことができます（たとえば、ジョイントバルブに到達するトランサム内）。 問題は、接合に利用できるスペースが構造部材のサイズ (通常は 40 ～ 80 mm) に制限されることです。

最後の課題は、特に埋め込みジョイントバルブを考慮し、充填プロセス (プロセス中の十分な空気放出を含む) を解決することを考慮した構築とメンテナンスです。

4.1.6 断熱、気候、エネルギー、生存可能性

WFG の断熱能力とガラス層の数は、他のガラス構造と同様に気候によって異なります。WH01 と WH02 は、大陸性および高温多湿の気候に合わせて 3 層または 2 層のガラスを使用しています。 表 4 および表 5 に示すように、WFG が標準ガラスと比較して U 値の範囲が広いことを考慮すると、これは論理的なアプローチです。ただし、WFG は冷暖房装置としても利用され、外部断熱がないと効率が損なわれます。外断熱により室内の冷暖房性能を維持できるため、三層WFGが最適です。 また、内部の水層は吸収のために外部の水層よりも好ましいです (Sierra & Hernandez、2017)。最後に、3 番目のガラス層により U 値が向上し、さらなるエネルギー節約が可能になります。 エネルギー節約の経済的価値に関する当社の計算によると、このシステムは 1 平方メートルあたり 3 ～ 13 米ドルに達する可能性がある大幅なエネルギー節約効果があり、三重ガラスのオプションであっても競争力のある投資収益率 (ROI) を提供します。特に大規模な建物の場合（Gutai & Kheibari、2020）。 熱吸収によってガラス板に熱応力が生じる可能性があるため、3 番目の層も理想的です。

断熱材に加えて、コーティング、特に Low-E コーティングが WFG の性能に大きな役割を果たします。 断熱材の場合と同様に、気候は Low-E コーティングの位置と数を検討する際の重要な要素です。 WH01 について上で示したように、暖房需要のある気候では、#2 または #3 の表面のいずれかで Low-E の恩恵を受けることができ、これにより夏と冬の両方で吸収が最大化されます。

最後に、吸収性または断熱性のどちらを優先するかは、気候シナリオごとに考慮する必要があります。 WFG の U 値の範囲は広いです (U = 2.9 – 6.34)。 最も重要なオプションを以下の表 4 に示します。これにより、断熱ベースまたは吸収ベースの WFG パネルを設計する可能性が得られます。 WFG は特定の気候に合わせて調整できますが、熱帯気候では吸収が断熱よりもエネルギー消費に強い影響を与えるため、これは重要です (Bui et al., 2017)。

4.2 水パネル建物の外壁に考えられる解決策と建設方法

4.2.1 ガラスコーティングと水質調整

プロトタイプのテストと建物は、水の化学状態を制御することで汚染と腐食のリスクに効果的に対処できることを示しました。 安定した水の状態を維持するには、水を閉ループに保つ必要がありました。 これを達成する最も簡単な方法は、熱交換器を介して機械システムの残りの部分に接続される最小限の水配管を備えた接続されたパネルの閉ループを確立することでした。 熱交換器に加えて、閉ループには、流体内の潜在的な汚染を捕捉するための誘導流用のポンプとフィルターが必要です。 ここで紹介したウォーターハウスの場合、これらはポンプとパネルの間、理想的には取水バルブの直前に配置されました。

ガラスの腐食と劣化は通常ゆっくりとしたプロセスであり、L. ロビネットは汚染物質の影響により分解プロセスが比較的早く（数十年）起こる可能性があることを証明しましたが、これを懸念の原因とみなすにはまだ長い期間がかかります。 決定された期間は、ガラスファサードの寿命よりも長いです (Robinet、Coupry、Eremin、および Hall、2006)。 ただし、シリカ膜の形成ははるかに速く、透明性に影響を与えるため、より重要な問題となります。 プロセスを回避または遅らせる方法はいくつかあります。 耐水性の高い加水分解ガラス（タイプI）（ホウケイ酸ガラスなど）を使用すると、風化のリスクを軽減できます。 K. Kamitani (Kamitani & Teranish, 2003) によって開発されたゾルゲルや、A. 松田による撥水ガラスコ​​ーティング (松田、松野、カタヤマ、津野、 1989)

さらに、水の物理的および化学的特性が水の腐食に影響を与える可能性があります。 RB Ellestad と II Ostroushko は、温度とガラス腐食の関係を確立しました (US 2 516 109、1950; Ostroushko、Filipova、および Ignateva、1962)。 RW Douglas は、腐食速度は 1 ～ 9.8 の pH には依存しないと仮定し (Douglas & El-Shamy、1967)、El-Shamy は、pH 速度が高くなると SiO2 放出速度が増加すると指摘しました (El-Shamy et al.、1975)。 。 サンダースら。 は、さまざまな種類の二成分ガラスを比較するための腐食のモデル プロファイルを提示し、表面ゲルの蓄積に対する腐食温度の影響について議論しました (Sanders & Hench、1973)。 最後に、A. Tournié ら。 は、腐食中の「ゲルの蓄積」に異議を唱え、構造修飾を伴わない溶解として特徴付けられる沸騰NaOHによる塩基および酸の攻撃の影響を指摘しました(Tournié、Ricciardi、およびColomban、2008)。 実施された研究に基づいて、水が理想的な（室温）温度と pH レベル（9.8 以下）に保たれ、風化と汚染を最小限に抑えれば、ガラスの腐食を効果的に回避できることが証明されています。 この戦略は WH01 と WH02 でも効果的に機能しました。

4.2.2 水質汚染

水質汚染は、美観への影響やパイプの詰まりの可能性があるため、重要な側面です。 WFG の水層の厚さは 15 ～ 20 mm であり、これによりジョイントバルブが制限され、汚染が重大な要因となります。 水は閉回路内にあるため、主な汚染要因は生物学的汚染と非溶解性汚染物質です。 後者は、パネルとポンプの間に配置されたフィルタ機構によって効果的に対処できます。 熱負荷に応じて、WFG パネルは誘導または自動流れを利用して動作します。 自動流量は非常に遅く、フィルター自体によってブロックされる可能性があります。つまり、図に示すように、ポンプがオンになっている場合にのみアクティブになる代替ルートとして、フィルターとポンプを閉回路と並列に設置する必要があります。図 11. フィルタリングが必要なため、熱負荷によりポンプの電源が必要ない場合でも、ポンプを定期的にオンにする必要があります。

生物学的汚染に対する最も効果的な解決策は、水道配管、ガラス、防水材に悪影響を及ぼさない UV フィルターです。 UV は、あらゆる水系病原体、ウイルスや細菌、特にレジオネラ属菌に対して有効です (Hijnen、Beerendonk、および Medema、2006)。 Z. Liu は、フィルターの重要性も強調しました。フィルターは、理想的には直接の水源の近くに設置されるべきです (Liu et al., 1995)。 これは、ウォーター ハウス プロジェクトの場合にあった、集中フィルター システム (つまり、水槽内) ではなく、分散フィルター システムを示唆しています。

4.2.3 防水とスペーサー

パネル内の水圧を一定にするには、パネルにデュアル シール ソリューションが必要ですが、これは断熱ガラスの場合が主流です。 このソリューションの利点は、現在の製造技術に適応でき、一次シーラントの膨張能力が低いため、より効果的に圧力に対処できることです。 一次シーラントに使用される材料と技術もスペーサーによって異なります。

水層のスペーサーはチューブまたはフレームにすることができます。 前者には、曲げたり、切断したり、コーナーキーを付けたりしやすいという利点があり、これは、連続した構造表面が不可欠な場所で水を封じ込めるために重要です。 ただし、フレームには防水のための安定した平坦な表面を提供するという利点があり、これは関係する水圧を考慮すると流体ガラスにとってより重要です。 スペーサーはスチールまたはアルミニウムで作ることができます。 ここで紹介するケーススタディ プロジェクトは後者で作られています。これは、ガラスとアルミニウムの接合が業界の標準であり、この材料には耐腐食性という追加の利点があるためです。

二次シーラントはガラス天井の完全性にとって重要です。 その主な機能は、構造内への湿気の侵入を避けることです。 流体ガラスパネルの場合、二次シーラントには、ガラスの変形に対して一次シーラントをサポートする能力も必要です。 これには通常よりも大きな厚みが必要となるため、一次シールと二次シールの両方が太陽光にさらされることになります。 シールが目に見えて紫外線にさらされる可能性があるため、これは美観と構造の両方に影響を与えます。

4.2.4 ガラスの厚さ

構造のガラスの厚さを計算するには、ガラス外囲器にかかる一定および動的横荷重を決定することが不可欠です。 この研究では、2 セットのテストを使用して、静水圧の影響 (高さの影響) と水の厚さ (水の体積の影響) の 2 つの変数を決定しました。

水圧は、パネル内の圧力が均一であると仮定し、水の重量を均一荷重として使用する荷重モデルでシミュレーションされました。 このモデルは、水圧と等しい特定の風荷重を使用して、Glastik ソフトウェアでシミュレートされました。 結果を図２〜図５に示す。 シミュレーションは、図 12 に示すプロトタイプ テストで検証されました。厚さ 8、10、および 12 mm の合わせガラスがテストされました。 WH02に使用されたパネルは820 x 1800 mmです。 図 13 に示すように、変形は約 6 mm でした。これは、構造と視認性の両方の点で許容可能でした (最大 0.3%)。

2 番目の実験室テストは、水の厚さの影響を確認するために実施されました。 図 15 に示すように、WFG はガラス面の中央に垂直荷重に対して水平に設置されました。この設置には、変数としての水圧が排除されるという利点がありました。 2 つのプロトタイプを水ありと水なしでテストしました。 表 5 に示すように、パネルは異なる水の厚さを持っていました。結果は図 15 に示されており、充填状態の外側の面ではたわみが小さいが、パネルの内側ではたわみが大きいことが示されています。 これは、WFG では流体充填によって荷重がより適切に分散されることを示唆しています。 全体として、たわみ率は充填状態での大幅な増加を示さなかった。これは、水圧も充填厚も WFG の実行可能性を重大に損なうことはないことを示唆している。 BG の方がサイズと水の厚さが大きいため、荷重たわみ率がはるかに高く、スペーサーの断面と強度が増加します。

4.2.5 構造: フレーム、ディテール、充填材、エア抜き

建設の最初の課題は、水道管とジョイントバルブをカーテンウォールの構造内に埋め込む必要があるため、流体パネルの詳細を作成することです。 パイプ ネットワークには 2 つのタイプがあります。1 つは自動フロー用、もう 1 つはポンプ用です。 後者には、各ループに個別に接続する供給パイプと戻りパイプがあります。 これらのパイプは、図 1 と図 20 に示すように、マリオンや欄間、または単にパネルの下/上の隙間に配置することができます。このアプローチは、WFG パネルの両方の水室プロジェクトに使用されました。 WFS の場合、ハンガリーと台湾の特定の気候と断熱要件に対応するために、細部が異なりました。 WH01 では、パネルは SIP システムとして構築され、水層が構造コアに取り付けられました。 WH02 の場合、不透明パネルは断熱材を必要とせず、水鋼パネルはガラスユニットと同様の厚さを持っていました。 耐荷重構造は、図1および図2に示すように、パネルユニットの間に配置された鉄骨フレームでした。 18と19。

断面図 (図 19) に示すように、構造の観点から見ると、フレーム + 充填ソリューションは、荷重が構造フレームの中心軸に沿って維持され、パネル間のメンテナンス ギャップを容易に実現できるため、より理想的です。 WH01の場合、断熱性を優先し、耐力パネルの内側に追加層として水層を貼り付けたため、これは不可能でした。 このソリューションは構造的な観点からは理想的ではありませんでしたが、パネル間のフレキシブル ジョイントと各ループを主要な機械システムに接続する配水管へのアクセスを提供するメンテナンス ギャップを適切に断熱するために必要でした。 これらの隙間は、図 1 (下) と図 20 (上) のパネルの間に見られます。

図 19 のセクションと図 1 の詳細からも、パネル間の隙間を形成する鋼製スペーサーが内側と外側の両方から断熱できるため、SIP 構造法の方が断熱性に優れていることがわかります。暖房が優勢な気候における WFG のより効果的な建設方法。

建設の 2 番目の課題は、充填プロセスとパネルからの空気の排出です。 流体の充填は構造がすでに組み立てられているときに行われるため、この問題の解決策も支持構造の位置に依存します。 一般的なカーテンウォール構造の場合、欄間や方立はガラス面の裏側に配置されるため、空気抜きバルブには外側からしかアクセスできません。 SIP オプションの場合、ガラスと屋根/天井の間に隙間があるため、バルブは内側または外側のいずれかを向くことができます。 理想的には、図 20 に示すように、2 番目のオプションが推奨されます。

4.2.6 エネルギーと気候

特にさまざまな気候を考慮すると、流体ガラス構造の経済的実行可能性を判断することが不可欠です。 WH01 および WH02 のモニタリングとプロトタイプのテストに基づいて、WFG ファサードのグローバル シミュレーションが、著者らによってケッペン ガイガーのすべての気候地域の 13 都市に対して実施されました (Gutai & Kheybari、2020)。 研究では、このシステムは極地気候を除くすべての気候地域で実行可能であると結論付けられました。 研究では、温度と放射線の両方に依存するため、吸収と断熱のどちらを優先すべきかを考慮して、各気候を評価しました。 この研究では、利用されたエネルギー モデルに応じて都市を 4 つの気候グループ (吸収ベース、中間、ハイブリッド、断熱ベース) に分類しました。 1 つ目のケースは、エネルギーの節約が吸収のみに基づいている場合 (暖房需要がほとんどない場合) です。

2 つ目は、暖房需要があり、U 値の損失により暖房のためのエネルギー消費が増加する場合ですが、それでも吸収が向上するため、全体としてはより多くのエネルギー節約が得られます。 3 つ目は、暖房期間中に太陽光発電の利得が蓄えられ、再利用される場合にのみエネルギー収支がプラスになる場合です。 4 番目のグループは、暖房が支配的な領域である断熱ベースの領域です。 このシミュレーションでは 2 つの重要な結果が得られました。1) WFG は高温条件でも低温条件でも実行可能です。 2) たとえより高い U 値を犠牲にしてでも、吸収を改善するだけでガラス製建物のエネルギー性能を向上させることができます。 図 22 に示すように、気候に応じて、エネルギー節約率は二重ガラスと比較して 54 ～ 72%、三重ガラスと比較して 34 ～ 61% でした。

開発された建設システムとして、WH01 と WH02 は構造レイアウトの観点からシミュレーション モデルに情報を与え、機械システムをテストしました。 WH01 の場合、建物は蓄熱装置と可逆ヒート ポンプを利用して水を局所的に加熱または冷却し、水の温度を快適レベルに保ちました。 図 21 は、同じシステムを備えた主に冷却に使用された WH02 を示しています。

エネルギー消費と気候に関連して、外部断熱材 (3 番目のガラス板とアルゴン層) の効果は、水を冷却/加熱するか、吸収のみに使用するかによって異なることに注意する必要があります。 後者の場合は、水を入れた2層のガラスで十分です。 このタイプの水ガラスは以前の研究プロジェクトで分析されており、WH02に利用されています。 この解決策の背後にある主な理由は、台中市の気候により、建物は一年のほとんどで暖房を必要としないことです。

ただし、暖房が必要な場合は、外断熱が最適です。 WH01もそうでした。 これにより、エンベロープのエネルギーバランスが改善され、その断熱能力により室内温度が外部温度よりも高いレベルに維持されるため、充填水の凍結がある程度保護されました。

ガラスコーティングの設計でも同様の問題が発生しました。 暖房負荷が優勢な気候の場合、Low-E 層により水層の吸収が増加する可能性があります。 これは WH01 でテストされ、外部コーティングの保護としても機能する 2 枚目のガラス板の使用が正当化されました。

シミュレーションの基本ケースとして使用された WFG と標準ガラスの特性を表 5 に示します。全体として、このシステムは、図 22 に示すように、居住気候地域 (極地を除くすべての気候) で大幅なエネルギー節約を示しました。

実験建物は、「ウォーターハウス」建設システムが実行可能な解決策であり、WFG エンベロープ構築の潜在的な問題は以下によって効果的に対処できることを示しました。

2 つの建物では、異なる組み立てオプションを検討しました。WH01 では構造断熱パネル (SIP) が使用され、WH02 ではフレーム + 充填パネル方式が使用されました。 建設後、そのパフォーマンスが分析され、次の結論が導き出されます。

どちらの建設オプションにもメリットがあり、どのような場所でも実装できますが、断熱における利点と欠点により、SIP は寒冷気候でより有利であり、フレーム + インフィルは暑い気候でより有利です。

建設における WFG の影響

ここでは、WFG テクノロジーを、接続された水の建物エンベロープの最初の例である 2 つの建物で紹介します。 このようなハイブリッドエンベロープとソリッド構造の最も重要な違いは、エネルギーがエンベロープ内で、異なる露出を持つ建物部分（つまり、北と南のファサード、または低層階と高層階）間で捕捉および分配できることです。 この可能性は、この組立方法 (「ウォーターハウス」建設と呼ばれる) の特別な特徴であり、WH01 および WH02 を、単一の窓に焦点を当てた固体の建物や他の水ガラスの研究とは区別します。 ウォーターハウス建設の重要性は次のとおりです。

将来の研究への提案:

現在の発見によって示唆される重要な研究課題がいくつかあります。 ウォーターハウスの閉鎖水ループのモニタリング結果は、自律的な水の流れがウォーターハウスプロジェクトの温熱快適性とエネルギー節約においてより重要な役割を果たす可能性があることを示唆しています。 これはWH02でテストされました。 これは今後の研究努力によって決定されるはずです。 エネルギー シミュレーションを使用して、コーティングとガラス板のさまざまなオプションを世界規模でさらに調査する必要があります。 特に規模、WWR、気候の点で、建物の機能と場所に応じてウォーターハウスの効果的な運用シナリオを構築するのに役立ちます。

この研究プロジェクトは、ラフバラー市、東京、逢甲大学の共同研究であり、台湾科学技術省 (MOST ID 106-2218-E-035-003) の支援を受けました。 著者らは、建設プロセスに携わった企業、ハンガリーの Jüllich Glas および台湾の Hesung Ltd の寛大かつ継続的な支援に感謝しています。

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