JP4595568B2

JP4595568B2 - 二重屋根構造

Info

Publication number: JP4595568B2
Application number: JP2005025180A
Authority: JP
Inventors: 義仁坂本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: JP2005273448A

Description

本発明は、建築物の屋根構造に関し、屋根断熱通気工法の断熱特性を向上させる二重屋根構造に関する。

建築物の外装などを断熱構造化することは、快適な屋内環境の形成と省エネルギー化に有効なため、断熱構造に関して種々の技術が提案されている。そのなかで、屋根からの入熱制御は、夏期において最も重要な課題の一つである。

屋根面に入射する日射熱の屋内への貫流を防止する工法を大別すると屋根断熱通気工法と断熱二重折板屋根構造がある。

非特許文献１は、屋根断熱通気工法に関し、野地板上に断熱材を敷設し、その上部に通気層を設けて屋根材を葺く工法について解説されている。通気層は日射により高温となる屋根材の熱を棟上部に設けた換気孔によって排出する機能を有し、屋内への日射熱を有効に遮断する。通気層の作用としては、以下の２点があげられる。
（１）通気層内の空気は上葺き材からの熱伝達により加熱されると、浮力による換気駆動力が作用し、棟上部から外部に排気されるため、屋内への貫流熱量が減少する。
（２）通気層によって、日射によって熱せられる上葺き材と下部構造が分離されるので、熱伝導により直接日射熱が下部構造に貫流することが抑制される。

特許文献１は、断熱二重折板屋根に関し、金属屋根材を二重に葺き、その間隙部に断熱材を充填し日射熱の屋内への貫流を防止する構造において、通常ヒートブリッジとなる金属屋根材の上側折板と下側折板の連結部材の断熱性を高め、上側折板から下側折板への熱流を抑制するものである。

断熱二重折板屋根は、断熱効果が断熱材の厚みに依存するので、断熱効果を十分得ようとすると断熱材が厚くなり、屋根の設計上、断熱効果に制約が生じることが指摘されている。

図６は断熱二重折板屋根の一例の概略構造を示し、上葺き材１００と下葺き材２００との間に断熱材３００が挟まれる構造となっている。

また、これらの工法に属さず、屋根の断熱性を向上させるものとして、屋根の表面にガラスビーズ等を含有する塗装を施し、遮熱効果を発揮する技術も開発されている。
解説記事「住宅の次世代省エネルギー基準と指針」Ｐ２３７〜２５６財団法人住宅・建築省エネルギー機構特開平７−２０７８４４号公報

屋根断熱通気工法における通気層の効果は、通気層により、外装材の日射吸収率、長波長放射（定義：常温で放射される輻射）率が低下するのと同等とみなして試算した場合、３０ｍｍの幅の通気層で、貫流熱量が１０％程度減少する結果が得られている。

しかしながら、本工法の効果を効果的に発揮する提案はなされておらず、通気層の遮熱効果が充分に得られていない。

本発明は、屋根断熱通気工法の効率を向上させ、優れた断熱効果を有する金属二重屋根を提供することを目的とする。

本発明者等は、屋根断熱通気工法における通気層の存在が屋根から下部構造への日射熱の熱貫流に及ぼす影響について詳細に検討した。一般に、屋根の断熱設計では、外気側の総合熱貫流率は２０ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ℃を用いる。

総合熱伝達率は、対流熱伝達率と輻射熱伝達率からなり、対流熱伝達率は通常風速３ｍ／ｓを前提としている。この場合の輻射熱伝達率の寄与は２５％程度である。しかしながら、実際の通気層内の風速は０.１ｍ／ｓ程度であることが近年の研究にて明らかになり、この場合の対流熱伝達率は１／３程度に低下する。

その結果、輻射熱での伝達率の割合が相対的に高くなり、通気層を挟んだ、上葺き材と下葺き材の間での輻射による熱伝達量が断熱効果を向上させる重要な要素となることを知見した。

本検討において、上記対流熱伝達率の算出には、ユルゲスの強制対流熱伝達率計算式（α_ｃ＝５.０＋３.４ｖ，ｖ：風速ｍ／ｓ）を用いた。

以上の検討より、本発明の課題は以下の手段により解決される。
１上葺き材と下葺き材の間に通気層を設けた屋根構造であって、前記通気層に面する前記上葺き材の下面の長波長放射率は、前記通気層に面する前記下葺き材の上面の長波長放射率よりも大きく、該下葺き材の上面の長波長放射率は、前記下葺き材の下面の長波長放射率以下であることを特徴とする屋根構造。
２上葺き材と下葺き材の間に通気層を設けた屋根構造であって、前記下葺き材の上面が断熱材に被われ、前記通気層に面する前記上葺き材の下面の長波長放射率は、前記通気層に面する前記断熱材の上面の長波長放射率よりも大きく、該断熱材の上面の長波長放射率は、前記下葺き材の下面の長波長放射率以下であることを特徴とする屋根構造。
３前記上葺き材の下面の長波長放射率が、上葺き材の上面の日射吸収率および／または長波長放射率よりも大きいことを特徴とする１または２に記載の屋根構造。
４通気層に面する表面を、亜鉛、鉛、マグネシウム、アルミニウム、チタンのうち少なくとも１つを含む材料で、塗装、被覆あるいはめっきしたことを特徴とした1乃至３何れか一つに記載の屋根構造。

本発明によれば、屋根断熱通気工法を採用する屋根構造において、通気層の断熱効率が向上し、優れた断熱特性が確実に得られ、熱環境の良好な建築物の建設が可能となる。

本発明は、屋根断熱通気工法を採用する屋根構造において、屋内への日射熱の貫流を抑制するため、通気層を挟んで配置される上葺き材から下葺き材への伝熱量を少なくし屋根構造の断熱特性を向上させると共に、通気層内の輻射伝熱を抑制し、日射に対する遮熱効果と、高温になった屋内の放熱促進することを特徴とする。

最も望ましい形態は、上葺き材の屋外面の日射吸収率を小さくして日射吸収を抑制するとともに、長波長放射率を大きくして放射冷却効果を高める。そして、上葺き材、下葺き材の通気層に面するそれぞれの面の長波長放射率を小さくすると良い。

夏期の西日により壁面や室温が高温となる場合、下葺き材の屋内側に面する面の長波長放射率を通気層内以上とすることによって、屋内側からの輻射を吸収し、通気層から排熱するように構成する。

図１に本発明を適用する屋根断熱工法による屋根構造の一例を概略断面で示す。図において１が屋根構造、２が上葺き材、３が下葺き材を示し、上葺き材２と下葺き材３の間に通気層が設けられている。通気層内の矢印は自然換気による空気の移動方向を示す。

図２に図１に示した屋根構造の部分断面図を示す。本発明では上葺き材２の通気層に面した下面２１の長波長放射率を下葺き材３の通気層に面した上面３１の長波長放射率よりも大きくし、下葺き材３の通気層に面する上面３１の長波長放射率を、下葺き材３の下面３２の長波長放射率以下に設定する。本発明では、下葺き材３の下面３２は屋内側に面する面、上葺き材２の上面２２は屋外側に面する面とする。

下葺き材３に、上葺き材２から放射される放射熱量は、通気層を挟んで対向する下面２１と上面３１の形態係数、長波長放射率、およびそれぞれの絶対温度の４乗の差に比例する。

屋内から下葺き材３へ放射される熱量も同じく、屋内の長波長放射率と下葺き材３の下面３２の長波長放射率に比例するため、上葺き材２の通気層側の下面２１の長波長放射率を下葺き材３の通気層側の上面３１の長波長放射率よりも大きく、かつ下葺き材３の通気層側の上面３１の長波長放射率を下葺き材３の屋内側の下面３２の長波長放射率以下に設定すると、通気層を挟んで対向する下面２１と上面３１間の伝熱量が抑制される。上記規定には、さらに以下のより好ましい形態が考えられる。
一の形態は、上葺き材２の通気層側の下面２１と下葺き材３の通気層側の上面３１の長波長放射率を０．１〜０．４程度の範囲内で、下面２１の長波長放射率が、上面３１の長波長放射率より大きくなるようにする場合であり、上葺き材から下葺き材への放射熱が少なくなり、断熱性能を向上させることができより好ましい。

さらに、下葺き材３の、屋内側の下面３２の長波長放射率を、通気層側の上面３１以上とすることで、上葺き材２からの下葺き材３への輻射入熱を抑制し、冷却された床面からの冷輻射を吸収するため、屋根の屋内面の温度低下速度を速めることも可能となる。

他の形態は、上葺き材２の通気層側の下面２１の長波長放射率を下葺き材３の通気層側の上面３１の長波長放射率よりも大きくし、かつ上葺き材の下面２１の長波長放射率を、上葺き材の上面２２の日射吸収率および／または長波長放射率よりも大きくする方法である。
本来は、上葺き材の上面の日射吸収率を非常に小さくし、かつ、上葺き材２の屋外側の上面２２の長波長放射率を通気層側の下面２１より大きくすれば、日射吸収による温度上昇を抑制するとともに大気放射が促進され、上葺き材２が高温になるのが防止されるので、屋根から屋内への貫流熱量が大幅に減少し非常に好ましい形態となる。
しかし一般に、長波長放射率の大きい材料は、ガラスを除いて日射吸収率も大きい場合が多い。上葺き材２の屋外側の上面２２の日射吸収率が大きくなれば、日射による表面温度上昇効果が、長波長放射率を大きくしたことによる大気放射による冷却効果よりも大きくなり、前述のように遮熱性能向上を期待する事は難しくなる。
そこで、上葺き材２の屋外側の上面２２の日射吸収率を非常に小さくして日射の吸収を抑制し、更に、放射による冷却を促進するために、通気層側の下面２１の長波長放射率を非常に大きくすることで、上葺き材２に蓄えられた熱量を通気層内に放射し、放熱促進を図るものである。
この場合、上葺き材２の通気層側の下面２１の長波長放射率を０．８〜１程度、下葺き材３の通気層側の上面３１の長波長放射率を０．１〜０．４程度、上葺き材２の上面材２２の日射吸収率は０．１〜０．４程度としておくことが特に望ましい。
放熱量は前述のように長波長放射率と絶対温度の４乗に比例するので、この形態では、上葺き材２が通気層内に放射する熱量が大きくなり、上葺き材２の温度低下を促進することができる。一方、下葺き材３の通気層側の上面３１の長波長放射率が非常に小さく、上葺き材２からの放射熱の多くを反射することにより、下葺き材３への放射熱伝達量は更に小さくなる。通気層内空気の温度が上昇するが、棟部に設けられた自然排気口から排出されるので、下葺き材３の熱吸収を小さくすることができる。

さらに、上葺き材２から下葺き材３が吸収する放射熱より下葺き材３から屋内に放射される熱量が大きいので、屋根構造としての保有熱量が早く減少し、遮熱性能が向上する。

上葺き材２の屋外側の上面２２の仕上げは、金属光沢色、クリア塗装、あるいは光沢白色塗装して用いると日射吸収率、長波長放射率を小さくでき、好ましい。めっき鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板などを金属光沢色で用いることが好ましいがこれらに限定するものではない。表面の日射吸収率を長期間維持する場合は、酸化チタンなどの光触媒材や、珪素化合物等の親水材料、あるいはフッ素樹脂などの撥水材料を適宜選択して更に被覆する。この場合、日射吸収率０.１〜０.４が維持される。

上葺き材、下葺き材で通気層側となる面の長波長放射率を小さくする場合は、光沢金属素地面のほか、光沢金属色、光沢めっき面とするか、光沢白色塗装を施すことが好ましい。特に、亜鉛、鉛、マグネシウム、アルミニウム、チタンのうち少なくとも１つを含む材料で、塗装、被覆あるいはめっきするのが好ましい。ここでいう材料とは、
ａ）亜鉛、鉛、マグネシウム、アルミニウム、チタンのうちの何れかの金属
ｂ）上記ａ）のうち少なくとも１つを含む合金
ｃ）上記ａ）のうち少なくとも１つを含む化合物
ｄ）上記ａ）からｃ）のうち少なくとも１つを含む塗料又は被覆用材料等
の何れかを示す。より具体的には、屋根材として上記ａ）や上記ｂ）を用いためっき鋼板（例えば、ガルバリウム鋼板）やステンレス鋼板、アルミニウム板を金属光沢色で用いるか、適当な屋根材に酸化チタンあるいはアルミニウムを成分とした光沢白色系顔料を塗装して用いるか、が好ましい。なお、これらの上葺き材と下葺き材の表面仕上材は、同様の効果を奏すればこれらに限定するものではない。

本発明では、下葺き材の上面を断熱材で被い、更に断熱性能を向上させることも可能である。この場合、日射熱の遮熱効果を高めることができる。図３は下葺き材３の上面を断熱材４で被った屋根構造の部分断面図を示す。

断熱材４で被う場合は、通気層に面した断熱材４の上面４１の長波長放射率を、図２における下葺き材３の通気層側の下面３１の長波長放射率と同様に設定する。即ち、断熱材４の通気層側の上面４１の長波長放射率を、下葺き材３の屋内側の下面３２の長波長放射率以下に設定する。

通気層に面した断熱材４の上面４１の長波長放射率の設定は、表面仕上材を用いることで実現できる。例えば、アルミ蒸着シート等の光沢金属シートや光沢白色シートで被ったり、光沢白色塗装を施すことが好ましいが、同様の効果を奏するのであればこれらに限定するものではない。図４に表面仕上げ材を用いた場合の一例を模式的に示す。

断熱材４としてロックウール、グラスウールなどの無機繊維系断熱材、ポリスチレンフォーム、ポリエチレンフォーム、フェノールフォーム、ウレタンフォームなどの有機系ボード状断熱材などが使用可能であるが、本発明では特に限定しない。

以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

図２に示した屋根構造を用い、上葺き材２（下面２１）と下葺き材３（上面３１）との間隔を３０ｍｍとし、通気層とした。

本発明の実施例では、上葺き材２は鋼板の屋根材とし、屋外面２２を暗褐色のカラー鋼板（日射吸収率０.９、長波長放射率０.８）とし、通気層側の面２１には酸化チタンあるいはアルミニウムを基材とした光沢白色系顔料（長波長放射率０．１以上、０．４以下）により塗装を施した。下葺き材３の通気層側の上面３１には、酸化チタンあるいはアルミニウムを基材とし、かつ上葺き材の通気層側の面２１よりも小さくなるようにした光沢白色系顔料（長波長放射率０.１以上、０.４以下）により塗装を施した。屋内側の面３２にはベージュ系の塗装（長波長放射率０.８）を施した。

一方、比較例では上葺き材２を通常の塗装鋼板の屋根材とし、屋外面２２を同じく暗褐色のカラー鋼板（日射吸収率０.９、長波長放射率０.８）としたが、上葺き材２の通気層側の下面２１、下葺き材３の通気層側の上面３１、および屋内側の下面３２に特別な配慮をしていないため、ベージュ系の塗装（長波長放射率０.８）としている。

以下に効果比較を行った結果を示す。日射量７４０（ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ℃）、夜間放射２６（ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ℃）、外気温３１（℃）、風速（３ｍ／ｓ），室温２８（℃）時の、上葺き材２の表面温度は、６３℃、下葺き材３の屋内側の下面３２の温度は３１（℃）となった。

本実施例の仕様の通気層部分の放射伝熱量Ｑ_１は、
Ｑ_１＝（０.１〜０.４）^２×４.８７６×１０^‐８×（（６３＋２７３.１６）^４‐（３１＋２７３.１６）^４）＝２.０５〜３２.９（ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ℃）となる。

一方、比較例の通気層部分の放射伝熱量Ｑ_２は、Ｑ_２＝０.８^２×４.８７６×１０^‐８×（（６３＋２７３.１６）^４‐（３１＋２７３.１６）^４）
＝１３１.４（ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ℃）となり、本実施例によれば、放射伝熱量は１.５〜２５％程度とすることができる。

通気層内の風速を０.１ｍ／ｓ、対流熱伝達量を上葺き材側と下葺き材側と共通として、５．３４（ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ℃）とすれば、対流熱伝達量Ｑｃ＝１／（１／５．３４＋１／５．３４）×（６３−３１）＝８５.４（ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ℃）であるから、下葺き材３への入熱量を、通気層の熱抵抗を無視した安全側の評価により比較すると、本実施例では８７.４〜１１８.３ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ℃に対し、比較例では２１６.８ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ℃となり、本実施例において、下葺き材３への入熱量を通常の４０〜５５％程度に抑制できることが確認できた。図５に効果比較の結果を模式的に示す。

本試算に使用した計算式を以下に示す。
放射熱伝達量Ｑ_ｒ＝ε_１ε_２σ（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ ^４）
ε_１：上葺き材長波長放射率（下面２１）
ε_２：下葺き材長波長放射率（上面３１）
σ：ステファンボルツマン定数（４.８７６×１０^−８ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ℃）
Ｔ_１：上葺き材温度（Ｋ）
Ｔ_２：下葺き材温度（Ｋ）

図２に示した屋根構造で、上葺き材２（下面２１）と下葺き材３（上面３１）との間隔を５０ｍｍとし、通気層とした。

本発明の実施例では、上葺き材２は鋼板の屋根材とし、屋外面２２を白色のカラー鋼板（日射吸収率０.３、長波長放射率０.５）とし、通気層側の面２１には黒色系顔料（長波長放射率０．９以上、１以下）により塗装を施した。

下葺き材３の通気層側の上面３１には酸化チタンあるいはアルミニウムを基材とした光沢色白色系顔料（長波長放射率０．１以上、０．４以下）により塗装を施し、室内側の面３２にはベージュ系の塗装（長波長放射率０．８）を施した。

本構成では、上葺き材２から通気層内に熱が放射されるが、下葺き材３での放射が反射され、通気層内の空気が暖められて自然対流により排出される。温度条件が実施例１と同じ場合は、初期の放射量は実施例１と比較して多くなるが、通気層への放熱効果が大きいために上葺き材２の冷却速度は実施例１よりも速くなる。

上葺き材２の上面を本実施例の構成とすれば、日射吸収による表面温度上昇が抑制されるため、温度条件は実施例１よりも低くなり、所定の効果が得られる。ここでは、白色のカラー鋼板を例示したが、金属光沢色とすれば、より効果は高まる。

本構成について試算すると以下のようになる。

上葺き材２の表面温度として、実施例１に示す実験時の気象条件より、相当外気温度ＳＡＴ（℃）を求めると、ＳＡＴ＝３１＋（０．３×７４０−０．５×２６）／２０＝約４１℃が得られ、実施例１の条件よりも２２（℃）低くなる。

下葺き材３の表面温度を実施例１と同じく３１（℃）と不利側に仮定しても、輻射伝達量Ｑｒ＝６．０〜２６．８（Ｗ／ｍ２）が得られ、同様の効果が発揮されることが確認できた。

図４に示した屋根構造で、上葺き材２は鋼板の屋根材とし、屋外面２２を亜鉛アルミ合金めっきにクリア系の塗装仕上げ（日射吸収率０．１５、長波長放射率０．２）とし、通気層側の面２１には黒色系顔料（長波長放射率０．９以上、１以下）により塗装を施した。

下葺き材３の上面３１にグラスウールからなる断熱材４が配置されている。断熱材４の通気層に面する上面４１にはアルミガラスクロス（長波長放射率０．１〜０．４）が光沢面を通気層に向けて配置されている。

上葺き材２（下面２１）と断熱材４の通気層に面する上面４１との間隔を５０ｍｍとし、軒先と棟上で外気に開放部を設けて通気層とした。室内側の面３２にはベージュ系の塗装（長波長放射率０．８）を施した。

この構成は、断熱材４の通気層に面する上面４１を下葺き材３の通気層側の上面３１に置き換えると、実施例２と同じで、断熱材４の通気層に面する上面４１に伝達される放射熱量は、実施例２と同じであるが、通気層下部に断熱材４を配置することにより、通気層から室内への伝熱量をより減少させることができる。

屋根断熱通気工法を用いた屋根構造の一例を示す部分断面図。屋根断熱通気工法を用いた屋根構造の一部を示す部分拡大図。屋根断熱通気工法を用いた屋根構造（断熱材を用いた場合）の一部を示す部分拡大図。屋根断熱通気工法を用いた屋根構造（断熱材を用いた場合）の一部を示す部分拡大図。発明例（実施例１）と比較例における下葺き材の下面３２表面温度と時刻の関係を示す図。従来例。

符号の説明

１屋根断熱通気工法を用いた屋根構造
２上葺き材
３下葺き材
４断熱材
２１、３２下面
２２、３１、４１上面
１００上葺き材
２００下葺き材
３００断熱材

Claims

上葺き材と下葺き材の間に通気層を設けた屋根構造であって、前記通気層に面する前記上葺き材の下面の長波長放射率は、前記通気層に面する前記下葺き材の上面の長波長放射率よりも大きく、該下葺き材の上面の長波長放射率は、前記下葺き材の下面の長波長放射率以下であることを特徴とする屋根構造。
上葺き材と下葺き材の間に通気層を設けた屋根構造であって、前記下葺き材の上面が断熱材に被われ、前記通気層に面する前記上葺き材の下面の長波長放射率は、前記通気層に面する前記断熱材の上面の長波長放射率よりも大きく、該断熱材の上面の長波長放射率は、前記下葺き材の下面の長波長放射率以下であることを特徴とする屋根構造。
前記上葺き材の下面の長波長放射率が、上葺き材の上面の日射吸収率および／または長波長放射率よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の屋根構造。
通気層に面する表面を、亜鉛、鉛、マグネシウム、アルミニウム、チタンのうち少なくとも１つを含む材料で、塗装、被覆あるいはめっきしたことを特徴とした請求項1乃至３何れか一つに記載の屋根構造。