身近にある土を型枠に入れ突き固めてつくる版築壁は、世界各地で古代から伝わる工法である。重く厚い土壁は大きな熱容量をもち、砂漠地帯やアフリカなど一日の寒暖の差が激しい地域では、室温の変動幅を小さくする効果が知られている(写真1)。また、近年のヨーロッパやオーストラリアでは住宅をはじめ、版築壁の熱容量を生かしたパッシブデザインが試みられている(写真2)。
　日本人にとっても土は馴染み深い建築材料である。また自然素材であるため人や地球に優しく、かつ容易に入手できる地域建材として、近年注目を集めている。しかし、版築壁は地震に対する十分な強度を持たないため、神社の塀や基礎の他は、建築に用いられた事例は少ない(写真3)。そのため、版築壁の熱特性に関する研究も殆ど行なわれていない。厚い版築壁は、適切な構造的補強により、室内にある大きな蓄熱体として、日本の気候風土に適したパッシブデザインに活用できる。
　本研究では、神戸芸術工科大学の構内にセルフビルドで建設された版築造実験居室^*1をケーススタディとして、版築壁の熱特性を生かしたパッシブデザインの可能性を検討した。まず、版築造実験居室の温熱性能をシミュレーションと実測によって確認した。次に、シミュレーションにより版築壁の熱容量を生かした改修モデルを検討し、その結果をフィードバックさせて夏期と冬期の2つの改修モデルを決定し、施工した。さらに、夏期、冬期それぞれにおける改修後の温熱性能を実測によって明らかにし、改修モデルの妥当性を検証した。これらの知見をまとめ、版築壁の熱特性を生かしたパッシブデザインの設計支援に資することが、研究の最終的な目的である。

2－1 版築造実験居室の概要

　版築造実験居室の平面図・断面図を図1、外観を写真4に示す。版築造実験居室は、版築壁そのものが構造体である。壁厚は450ミリあり、土と石灰3%の配合で造られている。この厚い壁を蓄熱体としてみれば十分なパッシブ効果が得られる量である。南面の掃出し窓は複層ガラスが使用されており、冬の日射を取り入れるためのコレクターとなる。建物上部の四周に配されたハイサイド窓も複層ガラスが使用されているが、深い庇によって日射は入らず熱損失の要因となる。屋根はガルバリウム合板葺き。その下には空気層があり、日射の影響を緩和する効果があると考えられる。天井は厚さ30ミリのスタイロフォームに、仕上げとしてプラスティック製段ボールパネルが張られている。床は三和土仕上げの上にスノコ板が敷かれている。

2－2　初期温熱性能

　版築造実験居室の夏期及び冬期の初期温熱性能をシミュレーションによって予測し、版築壁のパッシブ効果を検討した。
　また、冬期の初期温熱性能は実測においても検討した。シミュレーションの概要を以下に示す。
[ 計算方法]
　性能予測は、筆者らが開発したデザインツールPASSWORK^*2による。PASSWORKは熱回路数値解析法を用いたシミュレーションプログラムであり、性能は、室温変動、各表面温度、冷暖房負荷など複数の評価指標によって示される。またPASSWORKに用いられる気候データとして、月ごとにその月を代表する3日間の気候パターンが地域ごとに作成されている。
[ 計算条件]
　版築造実験居室のシミュレーション用モデルを図2、その仕様を表1に示す。モデルは、幅3.33m、奥行き2.3m、高さ2.3mで、南面に集熱開口部を有する。西面のドア、東面のスリット窓、四面のハイサイド窓からの日射は、ほとんど室内に入らないために非集熱開口部と捉え、北面に集約した。庇は南面のみ奥行き1.1m あるものとした。断熱仕様は、天井のみ0.03mの断熱材があり、気密性能は換気回数1.5回/時である。版築壁の物性値は、土と同様とみなし、実際の建物の壁と同じ0.45m の厚さがあるものとした。
　気象条件は、AMeDASデータより作成されたPASSWORK用標準気候パターン(3日間)を使用した。人体・照明・機器等の室内発熱はないものとした。計算対象は顕熱のみであり、湿度の影響は無視する。また、 夏期の性能予測では、2つの異なる換気条件、外気導入モードと閉切りモードを用いて行った。外気導入モードにおける冷却のための換気は、外気温の検知によって自動的に行われる。外気温が18℃以上27℃以下のとき換気回数30回/時(積極的に窓を開けることを想定)、それ以外は換気回数1.5回/ 時とする。冷却換気は設定した外気温によって、冷房作動は室温によって自動的に行われる。閉切りモードは、終日換気回数1.5回/時(窓を閉め切っていることを想定)とする。

2－2－1 夏期の初期温熱性能
　図3に8月の代表的な3日間における室温変動を示す。3日間における外気温の最高は31.5℃まで上昇し、夜間には25℃以下まで低下する。
　外気導入モードでは、閉切モードと比べて夜間の室温低下が著しい。さらに、日中の室温も閉切モードと比べ低いことから、夜間の冷却換気によって得られた蓄冷効果が版築壁の大きな熱容量によって持ち越され、日中の室温上昇を抑えることがわかる。
　閉切モードは、日中の室温が30℃を超えることはないが、平均室温は外気温よりも高い。夜間の室温も冷却換気がないため26℃以上を保ったままであり、閉切モードの室温変動は外気導入モードに比べ高い温度で安定することがわかる。

2－2－2 冬期の温熱環境性能
[シミュレーション結果]
　図4に1月の代表的3日間における室温変動を示す。1月の外気温は、最低で1℃以下、最高でも9℃を超えることがない。 平均室温は7.5℃と低い。夜間には、外気温の低下にともなって室温は低下し、最低室温は5.1℃にまで達する。冬期の集熱面鉛直日射は、夏期と比べると日射時間は短くなるが、日射量は約1.5 倍に増加し、これを室内に取り込めばパッシブ暖房効果を得られる。しかし、版築実験居室は天井に薄い断熱層しか持たないために外気温の影響を大きく受け、日射によって得られた熱を十分に活用することができない。
[ 実測結果]
　図5に3月の実測結果を、表2に実測の概要を示す。外気温は、3日間とも早朝に0℃以下に達した。日中の室温は日射量の違いによって上昇幅が大きく異なるが、日没後は大きな低下がなく安定した室温変動になることがわかる。3日間の最低室温は早朝に6.6℃に達する。これは同時刻の北面と南面表面温度の平均温度に近い。版築壁の表面温度は日中でも10℃程度と低く、室温変動と比べて非常に安定した変動を示す。また、南面表面温度が北面に比べ常に高い温度を示す理由として、日中に受けた日射の影響が室内の表面温度に影響しているためと考えられる。

　版築実験居室における夏期の初期性能予測から、庇による日射遮蔽によって日中の室温上昇が抑えられることがわかった。さらに、夜間の冷却換気による版築壁の蓄冷効果によって、夜間、日中ともに室温の冷却効果が望めることがわかった。
　一方、冬期の初期温熱性能では、冷えた外気が版築壁に蓄えられ、室温は低温で安定する結果となり、大きな熱容量がデメリットとなることが確認された。日射による熱取得を生かし版築壁の蓄熱効果を得るには、一度蓄えた熱を逃がさないよう、版築実験居室全体の断熱性能をあげる必要があると考えられる。

　ここでは、版築実験居室の夏期、冬期における温熱性能の向上を目的とした改修案をシミュレーションにより検討した。温暖地のパッシブデザインでは、冬のパッシブ暖房と夏のパッシブクーリングとの両立を図ることが必須であるが、矛盾する場合も多いため計画段階でのシミュレーションによる検討は重要である。また、パッシブデザインを構成する要素は多数あり、それぞれは相互に影響しあいながら室温変動等に影響を及ぼす。したがって個々の要因がパッシブデザイン性能に及ぼす効果を要因別に単独で評価することはできない。さまざまな組み合わせを設定しながら、夏の性能と冬の性能の双方を予測し、結果を比較しながら最終案に収束させなければならない。
[改修検討の方法]
　表3に、夏期と冬期の改修に有効だと思われる5つのパッシブデザイン手法を示す。手法1のすだれは日射遮蔽を目的として夏期のみ使用する。手法2～5の断熱材の性能はすべて同じである。手法5は非集熱開口部であるハイサイド窓の面積を縮小させ、建物の熱損失を減らす目的がある。シミュレーションでは、これらの手法を組み合わせた6つのモデルを使用する(表4)。Case Aは初期版築実験居室(図2)と同じ仕様であり、Case B～Case Fまでのモデルは、5つのパッシブデザイン手法(表3、1～5)をひとつずつ加算したものである。これら6つのモデルの夏期・冬期における温熱性能を、室温変動と年間暖冷房負荷を指標として比較し、大きな熱容量をもつ版築実験居室における夏・冬を通して効果的な改修案を検討した。

3－1　夏期の室温変動の比較 　

　図6に各モデルの8月の自然室温変動を示す。
・「Case B」は「Case A」と比べて平均室温が0.2℃、最高室温が0.4℃低下する。Case Aにはすでに1.1mの庇があり十分に日射を遮蔽しているため、すだれによる効果は僅かな室温低下にとどまった。
・「Case C」は、「Case A」と比べて最低室温が0.1℃、平均室温が0.7℃、最高室温が1.4℃低下する。天井の断熱強化により、日中の室温の低下が顕著になることがわかる。日射による屋根の温度上昇の影響が、天井の断熱強化により弱まったためと考えられる。
・「Case D」は「Case A」と比べて最低室温が0.1℃、平均室温が0.9℃、最高温度は1.9℃低下する。外断熱によって、 外気温からの影響が小さくなり、さらに夜間に溜めた冷気を外部に逃がさないため、日中の室温が低下したと考えられる。
・「Case E」は「Case A」に比べて平均室温が0.8℃、最高室温が1.7℃低下する。また、「Case D」と比べると最高室温が0.2℃、平均室温と最低室温が0.1℃上昇する。床断熱の影響は、ほとんどないと考えられる。
・「Case F」は「Case A」と比べて平均室温が0.9℃、最高温度は1.9℃低下する。また、「Case F」は「Case D」とほとんど同じ変動を示し、ハイサイド窓の縮小による影響はほとんどないと考えられる。

　夏期の改修案の検討では、初期版築実験居室(Case A)にはすでに十分に日射を遮るための庇があり、すだれによる日射遮蔽の効果は小さかった(Case B)。断熱強化では、天井に断熱を加えた「Case C」において室温低下が著しく最も効果的な手法であるといえる。また、壁と床の断熱を加えても室温低下は僅かだった(Case D、E)。さらに、ハイサイド窓を小さくしても室温低下の効果は小さい(Case F)。

3－2　冬期の室温変動の比較　

　図7に各モデルの1 月の自然室温変動を示す。冬期は、すだれの影響は検討しないため「Case B」の計算は行っていない。
・「Case C」は「Case A」と比べ、最低室温が0.5℃、平均室温が0.1℃上昇するが、最高室温は、0.6℃下がる。天井の断熱強化によって、外気温の影響と日中の屋根面からの影響が小さくなったためと考えられる。天井の断熱強化だけでは、僅かな室温の上昇にとどまることがわかる。
・「Case D」は「Case A」と比べ、最低室温が1.7℃、平均室温が1.1℃、最高温度は0.5℃上昇する。外断熱を加えることにより、夜間の室温低下が大きく緩和されることがわかる。これは、外断熱によって外気温の影響が小さくなり、それにより版築壁の蓄熱効果が室内側で有効に活用されるためだと考えられる。
・「Case E」は「Case A」に比べ、最低室温が1.7℃、平均室温が1.0℃、最高室温が0.4℃上昇する。しかし、「Case D」と比べると、最高室温と最低室温で0.1℃低下する。冬期は床断熱の影響はほとんどないと考えられる。
・「Case F」は「Case A」に比べ、最低室温が2.5℃、平均室温が1.7℃、最高室温が0.9℃上昇する。熱損失の大きいハイサイド窓を小さくすることで、夜間の室温低下が大きく抑えられる。
　冬期の改修案の検討では、天井の断熱強化(Case C)が天井面からの熱損失を小さくし、室温を安定させることがわかった。さらに外断熱(Case D)を付加することにより、外気温の影響を小さくし、夜間の室温低下を抑えることができる。また、熱損失の大きい部位である非集熱開口部の縮小(Case F)を行えば、より室温上昇に効果があることがわかった。

3－3　夏期・冬期の版築改修モデル

[夏期の改修案]
　図8に示した各モデルの年間暖冷房負荷に占める冷房負荷の割合がきわめて小さいことからもわかるように、初期版築実験居室の夏期温熱性能は比較的高いことがわかったが、さらなる版築壁の熱容量を生かしたパッシブクーリング効果を得るために夏期改修モデルでは、ふたつのパッシブデザイン手法を取り入れることとした。1)すだれの設置と2)天井の断熱強化である。冷房負荷にみるすだれの効果はあまりなかったが(図8、Case B)、室温変動の比較(図6、Case B)では日中の室温上昇の緩和に効果がみられた。また、2006年3月に行った実測結果(図5)から、屋外側の版築壁に当たる日射の影響が室内に及ぶことも懸念されるため、屋外側版築壁の遮熱目的としてもすだれを設置することとした。天井の断熱強化は、室温低下に大きな効果がみられ、すだれと天井断熱を行った「Case C」では、年間冷房負荷が発生しないことがわかる。
[冬期の改修案]
　年間暖冷房負荷(図8)では、「Case C」は、「Case A」に比べて13%の削減となる。外断熱を加えた「Case D」では、「Case A」に比べて39%の削減となり、さらに「Case F」では半分以上の年間暖冷房負荷を削減することがわかる。室温変動の比較(図7)においても、天井の断熱強化によって室温が安定し、さらに外断熱の付加とハイサイド窓の縮小によって熱損失が小さくなり、室温が上昇する。
　これらの結果を踏まえ、冬期改修モデルでは、主に版築壁に蓄えられた熱を逃がさないことを目的として、1)外断熱、2)天井の断熱強化、3)ハイサイド窓の縮小を行うものとする。

　夏期改修モデルを施工し、実測によってその温熱性能を検証した。

4－1　実測概要

　表5、図9 に実測概要を示す。測定は、2006 年8月14日～8月27日の14日間行い、2つのモードを設定して計測した。 測定(1)では、夜間換気モード(7－20時閉切り、20-7時開放)を行った。測定(2)は、閉切りモードでの測定を行った。 実際の改修内容は、以下の3つである。
(1)日射遮蔽、遮熱を目的として、東西南面に簾を掛けた。
(2)天井に厚さ50ミリの硬質ウレタンフォーム断熱材(アキレスボードWAL ノンフロン)を張り、仕上げを杉板張りとした。
(3)西側のドアに断熱材(同上)を施工し、開口部の断熱性を高めた。
(4)三和土の蓄冷効果を得るため、床のスノコを撤去した。

4－2　実測結果

[夜間換気モード(測定(1))]
　夜間換気モードにおける室温変動を図10に示す。実測期間中の外気温は最高34℃を超える。夜間は25℃程度しか下がらず熱帯夜であった。8月20日の日中の室温は最高で30.5℃となり、外気温の34.5℃より4℃低い結果となった。夜間の室温は、外気温よりも2℃程度高いが、平均室温は外気温の平均に比べて1.0℃程度低い結果となった。また、北面、南面の表面温度は、室温より安定した変動を示した。
[ 終日閉切モード(測定(2))]
　終日閉切モードの測定結果を図11に示す。実測期間の外気温は、日中35℃近くまで上昇する。夜間は24℃程度まで下がっ た。室温は、夜間換気モードと比べて安定した変動となる。これは、夜間換気による室温の低下がないためであり、平均室温は、外気温の平均よりも2℃程度上昇する。

　夏期改修モデルでは、すだれや天井の断熱強化によって日中の室温上昇が緩和されることがわかった。シミュレーション(図3)では、夜間の冷却換気による蓄冷によって日中の冷却効果が顕著にみられたが、実測結果では夜間の冷却換気量が十分でなかったため、日中の冷却効果が小さかった。より効果を得るには、冷却換気のための通風経路の確保が必要である。

　冬期改修モデルを施工し、実測によって温熱性能の検証を行った。

5－1　冬期実測概要

　表6、図12に実測概要を示す。冬期実測は、終日閉め切った状態で実測を行った。
　改修内容は、夏期改修モデルに加えて以下の2つを行った(写真6)。
(1)外断熱(グラスウール+金属サイディング(ガルバリエ))
(2)東西ハイサイド窓の断熱強化(グラスウール+硬質ウレタンフォーム(アキレスボードWAL))。

5－2　実測結果

　実測結果を図13に示す。実測中の外気温は、最低で0℃以下となり、日中は最高で12℃程度まで上昇した。
　実測期間全体を通して、室温が13℃を下回ることはなかった。最高室温は1月30日の23.4℃であり、日射の影響が大きかったと考えられる。また、版築壁の表面温度は、終日15℃前後で安定した変動となる。大きな熱容量を持つ版築壁は日中の熱を蓄え、夜間はその熱を放出して室温低下を防ぐ。こうした効果は、冬期改修モデルにおいて、外断熱とハイサイド窓の断熱を行うことで、十分に得られることがわかった。断熱強化された版築壁は、夜間の室温低下を防ぎ、室温全体の上昇につながる。

　版築壁の熱特性を生かしたパッシブデザインの可能性について、ケーススタディとして版築実験居室の2度の改修を通して検討を行った。得られた主な知見を、以下に示す。
(1)改修前の版築実験居室における夏期の温熱性能は、冷却換気による蓄冷効果が日中の冷却効果を生み、比較的良好であった。一方、冬期には冷えた外気が版築壁に蓄えられ、室温は低温で安定する結果となり、大きな熱容量がデメリットとなることが確認された。
(2)夏期改修後の温熱性能実測では、日射遮蔽と天井断熱による室温低下の効果が十分に確認された。また、夜間換気をすることで、さらに蓄冷効果が得られると予想されるが、そのための通風経路の確保が問題となった。
(3)冬期改修後の温熱性能実測では、外断熱とハイサイドガラス窓の断熱を行うことで夜間の室温低下が緩和され、版築壁の蓄熱効果が顕著になることが明らかとなった。

　本研究で、版築壁を室内にある大きな蓄熱体として、日本の気候風土に適したパッシブデザインに活用できることが明らかとなった。しかし一方で、構造的補強が不可欠であり、外断熱施工による版築壁の意匠性の消失などの実際の設計活動における重要な問題が残された。今後は、これらの問題とパッシブデザインとの矛盾点を十分に考慮して、版築壁を生かしたパッシブデザインのひとつのプロトタイプを提案することが我々の研究テーマである。また本稿のケーススタディを用いた性能予測とその結果の改修案へのフィードバック、改修後の温熱性能の実測に至るまでの過程において、設計を支援するデザインツールとしてのシミュレーションを用いたデザインプロセスの有用性が確認されたと考えている。

　本研究で使用した断熱材(アキレスボード、ガルバリエ)は、アキレス株式会社からご提供いただいた。また実測調査では器材の一部を兵庫県立大学環境人間学部環境人間学科土川研究室のご好意によりお貸しいただいたものである。ご協力下さった南雄三様、アキレス株式会社本田俊裕様、久富肇様、土川忠浩教授には、記して謝意を表します。

注・引用文献

注・引用文献
(1) Martin Rauch and Otto Kapfinger「Rammed Earth」、Birkhauser、2001
(2) Gernot Minke「Building With Earth」、Birkhauser、2006
(3)日本建築学会「拡張アメダス気象データ」、丸善、2000
(4)小玉祐一郎・武政孝治「設計支援を目的とするパッシブソーラーシステム性能予測技法の研究(1)　パソコンを用い たプログラムの開発と検証」、日本建築学会計画系論文報告集NO.374、pp44-53、1987.04
(5) 武政孝治・小玉祐一郎「設計支援を目的とするパッシブソーラーシステム性能予測技法の研究(2)　地域特性を反映 する気候パターンの作成と検証」、 日本建築学会計画系論文報告集、NO.427、pp39-47、1991.09
(6)畑中久美子「セルフビルドによる版築造の実験的試み」、 2002 年神戸芸術工科大学修士論文
(7)畑中久美子・小玉祐一郎・武政孝治「セルフビルドによる土の実験住宅建設と性能測定に関する研究(2)第一期版 築造実験居室の夏期実測について」、日本建築学会大会学術講概集E-2、pp495-496、2003
(8)川口舞子ほか「セルフビルドによる土の実験住宅の建設と性能測定に関する研究(2)第一期版築造実験居室の性能 測定について」、日本建築学会大会学術講概集E-2、pp183-184、2003
(9)蓮井睦子ほか、「夏・冬のパッシブデザインの統合についての考察 (1)温暖地におけるケーススタディの計画と基本 的な温熱性能」、 日本建築学会大会学術講概集D-2、pp543-544、 2003
(10)宮岡大ほか「夏・冬のパッシブデザインの統合についての考察(2)温暖地におけるケーススタディにみる庇の影響」、 日本建築学会大会学術講概集D-2、pp545-546、2003
(11)小玉祐一郎ほか「温暖地におけるパッシブデザイン」、神戸芸術工科大学紀要芸術工学2004、2004、pp8-23
(12)小玉祐一郎・武政孝治・宮岡大「「外気導入」のパッシブクーリング効果 夏季の室温形成および冷房負荷削減に及 ぼす影響」、 日本建築学会大会学術講概集D-2、pp145-146、 2005
(13) Y.Kodama et al.「Influence of Ventilation Mode on Passive Cooling Effect: a proposal of Flex Vent System」、Summaries of Technical Papers of Annual meeting、Proc. 23rd Passive Solar and Low Energy Architecture Conference、Geneva、Switzerland、2006
(14)宮岡大・小玉祐一郎・武政孝治・蓮井睦子「外気導入モードの違いがパッシブクーリング効果に及ぼす影響」、日本 建築学会環境系論文報告集NO.618、pp37-43、2007.08