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Dec 08, 2023

持続可能な建物: スマートガラスを使用して、ガラス張りの高い建物で快適な温熱を実現する

Data: 12 aprile 2023 Autore: Reem Taher, Walid Abdelmoneim Abdelkader,

日付: 2023 年 4 月 12 日

著者: Reem Taher、Walid Abdelmoneim Abdelkader、Ahmed A.Medhat A. Fahim

ソース：IOP カンファレンス シリーズ: 地球と環境科学、ボリューム 1113、未来都市のビジョン (VFC-2022) 2022/09/23 - 2022/09/25 カイロ、エジプト

土井：10.1088/1755-1315/1113/1/012021

従来の建物設計は、建物の外皮に対して静的な解決策を提供しますが、気候特性は可変パラメータであるため、建物と環境の間に不一致が生じ、その結果、居住者にとって不快な温熱環境が生じます。 したがって、多くの従来の建物の外部ファサードは、居住者にとって熱的負担となり、熱的快適性を実現するために機械的解決策が必要となり、環境に悪影響を及ぼし、エネルギー危機、大気汚染、地球温暖化を引き起こしています。

建物の外壁にスマートガラスを使用すると、変化する気候や環境の特性に建物を適応させるための最適なソリューションが提供され、ユーザーの温熱快適性が向上し、さらに持続可能な開発目標 (SDGs) の達成に貢献できるという仮説が立てられています。健康の改善、気候変動への取り組み、責任あるエネルギー消費を目指します。 これは、基本ケースで DesignBuilder ソフトウェアを使用し、提案されたスマート グラス技術を適用した後、高層ガラス張りのオフィス ビルをシミュレーションすることによって承認されます。 次に、冷却負荷を計算し、エネルギー消費効率を調査します。

人間の快適さは建築設計プロセスにおける重要な目標です。 人々は建物内で使用中、安全かつ健康である必要があります。 安全と健康が確保された後は、幸福だけでなく生産性や社会的交流のために、特に熱的快適さを含む室内環境の快適さが必要になります。 [1]

建物は周囲に合わせて微調整し、地域の環境条件とインテリジェントに相互作用する必要があります。 この相互作用は、論理的には、気候が変化しやすい建物の外壁によって最もよく行われます (主に、望ましいまたは望ましくない気候条件への対応のため)。 したがって、建築外壁、特に高度にガラス張りされた外壁は、周囲の環境条件と相互作用して、静的な従来の外壁の性能と比較して高い性能を提供できるように賢明に設計される必要があります[2]、[3]。

2.1. 持続可能性、グリーン、インテリジェントなアーキテクチャ

グリーンデザイン技術とインテリジェントテクノロジーを建物に統合すると、エネルギー消費と環境への影響が削減されるだけでなく、運営コストとメンテナンスコストが削減され、快適で快適な作業環境が創出され、ユーザーの健康が改善され、生産性が向上し、建物の価値が向上します。そして家賃収入。 スマート アーキテクチャは、建物要素内の通信テクノロジーと統合するスマート アプリケーションと最新のテクノロジーにより、持続可能な開発目標の達成に貢献します。 スマートな建物はすべて環境に優しい建物であり、その逆ではありません。 スマート ビルディングは、建築要素と環境の間の積極的な動的相互作用を通じて、環境に対して効果的なパフォーマンスを発揮します。 [4] 図 1 は、スマート ビルディングとグリーン ビルディングの共通点を示しています。

2.2 スマートウィンドウ

スマートエンベロープは、気候条件に関連するスマートデザインと、スマート窓、スマート断熱、スマートファサード、スマートシステムなどの建設用技術ソリューション、スマート管理システムなどのスマートシステムおよびスマート技術機器ソリューションを備えた建物外皮の高度な性能として定義されます。温熱快適性、室内の快適性、効率的なエネルギー節約、環境の効率的な利用など、ユーザーに最適な条件を提供します。 スマート エンベロープの適応応答は、受動的または能動的、あるいはその両方の組み合わせで行われる場合があります。 受動的な反応は、乗員の介入なしに発生します。 一方、能動的な応答は、自動制御デバイスとシステムを建物のエンベロープ要素に統合することによって発生します。 スマート ビルディング エンベロープは、ユーザーから自己学習し、環境条件の変化から必要な構成を予測することができます。 また、ユーザーを教育し、行動を修正し、居住者のニーズを学習し、それぞれの刺激に最適な行動を選択して実行します。 [5]、[6]

スマートウィンドウは、「不要な日射を部分的に遮断し、建物がより高いエネルギー性能レベルを維持できるタイプの窓」と定義されています。 スマートウィンドウは、環境条件 (熱、光など) や電流など、さまざまな外部刺激を認識し、その特性 (太陽要​​因、太陽スペクトルから透過する放射線など) を変化させることで反応して、室内の温度と光を制御します。ガラス越しに伝わります。 したがって、スマートウィンドウは熱吸収、熱吸収、熱透過率、視界、光透過率を制御する必要がある。 [7]、[8] 「可変透過ガラス (VTG) は、最適な光と熱の環境を実現するために透過特性が変化するスマート ウィンドウです。」 [9] VGT は動的または切り替え可能なグレージングとも呼ばれ、自己シェーディングの役割を果たします。 動的スマート グレージング ユニットは、クロミック (サーモクロミック、フォトクロミック、およびエレクトロクロミック)、液晶デバイス、および浮遊粒子デバイスの 3 つのカテゴリに分類できます。 また、図 2 に示すように、アクティブ グレージングとパッシブ グレージングに分類することもできます。アクティブ グレージング システムは、居住者のニーズや環境の変化に応じてビル管理システム (BMS) によって制御できます。 EC ガラスは、SPD ガラスや LCD ガラスと比較して、太陽光や紫外線からの保護に優れています。 パッシブグレージングシステムは電気刺激を必要としません。 自然の刺激（熱や光など）により、それら自体の特性が変化します。 [10]、[11]

DesignBuilder は、このホワイトペーパーで紹介するケーススタディ用のシミュレーション ツールです。 これは、仮想建築モデルを操作できるユーザーフレンドリーな環境モデリング プログラムです。 EnergyPlus は、ケーススタディで使用されるシミュレーション エンジンです。 EnergyPlus は、DesignBuilder 環境に統合されている既製のソフトウェアであり、インターフェイスを離れることなく完全なシミュレーションを実行できます。 「EnergyPlus の計算は、さまざまなデータ処理方法を使用した ASHRAE の定義に基づいています。」 [12]、[13]

この調査は次の 5 つのフェーズで構成されます。 敷地分析と建物の説明 - 建物の外皮要素の仕様を分析し、この基本ケースをシミュレーションする - 提案されたスマート技術ソリューションを外皮に適用し、各ケースをシミュレートする - 基本ケースの冷却負荷をシミュレーションし、提案されたスマート ケース - 分析的な比較を行い、熱快適性要件の達成とエネルギーの節約における効率を結論付けます。

現在、オフィスビルは外部に大きなガラス面を使って建てられており、自然換気が不足しているため、職場の空気の質や従業員の温熱快適性に影響を及ぼし、その結果、従業員の健康、生産性、適応性に影響を及ぼします。 [14] これに基づいて、選択されたケーススタディは、約 85% が単層ガラスの表面積を持つ提案されたオフィスビルです。 図 3 は、シミュレーション プログラム ツールによって作成された建築モデルを示しています。 したがって、この建物の外壁は居住者にとって熱負担となり、熱的快適性を実現するために機械技術が広範囲に使用されることになります。 このケーススタディはカイロ空港エリアにあり、図 4 ～ 6 に示すように、半正方形の平面図になっています。

4.1. データ分析

このオフィスビルの建築空間のほとんどは 2 つの方向性を持っています。 したがって、地上階と一般的なフロアについては、北、東-北、西-南、東-南と西の向きで (図 7、8、9 に示すように) 4 つのオフィス ルームが選択され、調査が行われました。これらの空間の熱性能を評価し、熱的快適性の限界と比較します。 また、同様に、屋根の熱負荷の影響を判断するために、最終階の 4 つのオフィスについても同じ向きが再度調査されます (図 10 を参照)。

4.2. ベースケースのシミュレーション

4.2.1. 入力データ

Design-Builder ダイアログを使用すると、モデル空間 (アクティビティ、建設、開口部、照明、HVAC、出力、CFD ダイアログ) にデータを読み込むことができます。 [13] アクティビティダイアログでは、占有率、内部温度の設定値、設備の負荷とスケジュール、換気率、照度レベルなどのデータを含む建物の使用状況データを定義します。 照明ダイアログでは、一般照明とタスク照明の照明電力密度を特定します。 建設ダイアログでは一般的な建設データを特定します。 ダイアログを開くと、窓開きデータと窓ガラスのタイプが特定されます。 表 1 にこのデータをまとめます。

表 1: 基本ケースの入力構造および開口部データ (著者)

4.2.2. 出力データ

入力データによると、夏季設計週間は 8 月 19 日から 8 月 25 日であるため、シミュレーションは 8 月 19 日に実行されました。表 2 には、快適性データの結果が含まれています。動作温度、屋外乾球温度の 1 時間平均です。 、および相対湿度。

表 2: 基本ケース シミュレーションの快適性データ出力 (研究者)

4.3. 再シミュレーション

前回のシミュレーションから、建物のガラス面積が大きいため、特に南/東および南/西のオフィスは熱的に不快であることがわかりました。 したがって、次のセクションでは、熱性能を向上させるために現在のガラス張りユニットと置き換えられるいくつかの提案されたスマートガラスについて説明します。

4.3.1. 入力データ

提案されているスマート グラス技術:

A. サーモクロミック ガラス: TC ガラスは、外面の温度差によりその熱光学特性を変えることができます。 TCフィルムは熱を吸収し、相転移や化学反応を引き起こします。 図 19 に示すように、温度が転移点 (65°C、最小透明度) を超えると、ガラスは不透明になり、より低い温度 (10°C、最大透明度) で透明になります。最も一般的なサーモクロミック材料は酸化バナジウム VO2 です。 、転移温度は 68 °C です。 [6]

B. エレクトロクロミック グレージング: SAGE Electrochromics Inc. SageGlass Green 9mm ラミ フル クリア 49%T。 EC は、2 層のガラス、2 層の透明導電体、エレクトロクロミック層、電解質、およびイオン貯蔵層で構成されます。 電源を入れるとエレクトロクロミック層からイオンが流入し、ガラスが黒ずみます。 電場の方向を反転すると透明に戻ります (図 20)。 [6]、[16]

C. Low-e ガラス: Viracon Low E II (表面番号 #2 に low e コーティングを施した透明ガラス パネル) の外層の二重ガラス ユニット - 6mm アルゴン - 6mm の汎用透明ガラス パネル。 低放射率コーティングは、複層ガラス ユニットに適用されるスペクトル選択性の薄膜で、可視光を通過させ、一般に輻射熱の放出を低減し、断熱を提供するために熱を発生する IR および UV 波長を遮断します。 コーティングは、キャビティに面するガラス板の片面に最小限に塗布されます。 その位置は気候条件によって異なります。 暑い気候では、反射を増やして太陽エネルギーの透過を減らすために、外側のガラス板の内面をコーティングすることをお勧めします (図 21)。 [17]

4.3.2 出力データ

次のパートでは、選択したオフィス (南/東および南/西向き) のスマート グラス ソリューションの成果について説明します。

A. サーモクロミックグレージング

TC は窓を通過する太陽エネルギーの量を効果的に制御し、日よけを提供します。 表 3 には、ケーススタディのオフィスの基本ケースとこの提案されたケースの作業温度を比較したグラフが含まれています。

表 3: サーモクロミック ガラスの出力。 （著者）

B. エレクトロクロミックグレージング

出力エレクトロクロミック窓は、窓を通過できる太陽エネルギーと光エネルギーの量を効果的に制御し、シェーディングを提供します。 表 4 には、基本ケースとこの提案されたケースにおけるケーススタディオフィスの運用温度を比較するグラフが含まれています。

表 4: エレクトロクロミック グレージングの出力。 (研究者)

C. Low-E ガラス出力

このガラスユニットは、より高いレベルの自然光または可視光の透過を可能にしながら、太陽光と熱を制御します。 熱係数 (U 値) は、コーティングされていない単層ガラスと比較して 60% 以上改善されます。 表 5 には、基本ケースとこの提案されたケースにおけるケーススタディのオフィスの運用温度を比較するグラフが含まれています。

表 5: Low-E ガラスの出力。 (研究者)

4.4. 冷却負荷

この導入事例では、一般的なスプリット空調ユニットシステムを使用しています。 パッケージ化されたシングルゾーン分割システムは、加熱と冷却を提供する完全に自己完結型の単一 (工場で製造された) 機器を使用します。 スプリットユニットシステムはエジプトで最も一般的な空調システムです。 この場合、熱的快適性を実現するために、各執務室に新鮮な空気を分割しないシステムが設置されます。 基本ケースの建物と各スマート ソリューションでは、各部屋の設定温度が調整され、23 °C (エネルギー節約のために推奨) と 20 °C (通常の設定) で 2 回の実行でシミュレーションされます。 分割ユニット システムの場合の 8 月 19 日全体のエネルギー パフォーマンスの結果を表 6 に示します。

表 6: 冷却負荷の出力 (研究者)

熱性能:これまでのシミュレーションでは、建物の断熱性能を向上させるために、既存のガラスをスマートガラスで改修することが、種類ごとに異なる量で有効であることが証明されました。 出力は、動作温度が約 3 ～ 7 °C 低下するにつれて、エレクトロクロミック グレージングが最高の熱性能を達成することを示しています。 サーモクロミックグレージングは​​、動作温度が約 2 ～ 5 °C 低下するため、熱性能は最低になります。 シミュレーションの出力によると、これらのソリューションの順序は、より優れた熱性能によるものです。エレクトロクロミック グレージング。 Low-Eコーティングを施した二重ガラスユニット。 サーモクロミックグレージング (図 34)。

エネルギー消費：図 35 に示すように、提案されたスマート ソリューションおよび分割空調ユニットを使用して建物をシミュレーションした結果の分析的比較から、スマート エンベロープはソリューションのタイプに応じて、冷却のエネルギー消費を約 21 ～ 36.4% 削減できます。図 36 は、空調ユニットの設定温度が 20 または 23°C に設定されている場合の、ベースケースでのケーススタディの合計燃料分解出力 (kW) を、シミュレートされた各スマート ソリューションと比較してまとめたものです。 スプリットユニットの設定温度を 20°C から 23°C に変更すると、エネルギー消費量は約 12.5% ～ 14.5% 削減されます。

スマート アーキテクチャは、スマート アプリケーションと建物要素内の通信テクノロジーと統合する最新のテクノロジーにより、持続可能な開発目標の達成に貢献します。 この論文では、気候変動に取り組み、建築環境の居住者の温熱快適性を向上させる、持続可能なスマート ビルディング環境の構築に貢献するスマート ガラス システムのレビューを紹介します。 さらに、これらのスマートなソリューションをエジプトに適用できる可能性を示しています。

シミュレーション出力の分析比較により、環境条件に適応して建物の断熱性能を向上させる上で、タイプごとに異なる量で既存のガラスをスマートガラスに改修することが有効であることが証明されました。 出力は、動作温度が約 3 ～ 7 °C 低下するにつれて、エレクトロクロミック グレージングが最高の熱性能を達成することを示しています。 サーモクロミックグレージングは​​、動作温度が約 2 ～ 5 °C 低下するため、熱性能は最低になります。 エネルギー分析の結果、提案されたスマート ガラス ソリューションを備えた空間にスプリット型空調ユニットを適用すると、シミュレーションされたソリューションの種類に応じて、冷却のエネルギー消費量を約 21 ～ 36.4% 削減できることがわかりました。 サーモクロミックガラスはエネルギー消費量を約 36.40% 節約するため、最良の結果が得られます。 エレクトロクロミック グレージングは​​熱性能が優れていますが、電気を使用するため、エネルギー消費量が約 21% 節約されます。

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