建築物の断熱性を確保する断熱材料は 無機繊維系断熱材 発泡プラスチック系断熱材 木質繊維系断熱材の 3 種類に大別される これらの断熱材料は 熱伝導の小さい空気を繊維状の材料に絡ませることで部材内に滞留させて 断熱性能を向上させていると考えることができる 無機繊維系の断熱材にはグラスウールとロックウールがある グラスウールはガラス系鉱物原料とガラス屑を主原料として溶融 繊維化した細繊維の集合体で 内部に含まれた空気によって断熱効果を得る 断熱材料の産業利用の約 6 割のシェアを占めている ロックウールは高炉スラグや安山岩 玄武岩などの耐熱性に優れた鉱物を主原料とし 原料の違いをのぞけば物理的性能はグラスウールとほとんど変わらない 無機繊維系の断熱材は吸音性や施工性もよく 耐熱性 耐火性が高いため不燃材料として使用できる しかし 透湿係数が非常に高いため含水しやすく断熱性能低下の危険性があるため 防湿 防露対策としてアスファルトコーティングしたクラフト紙やアルミ箔を張合わせるなどの処理が必要となる 発泡プラスチック系の断熱材は ポリスチレン ポリエチレン フェノール樹脂などを主原料とした石油製品で 樹脂を発泡したのち成形 加工した材料である 使用最高温度が低く燃焼性が高い ( 表 2 参照 ) また 紫外線で劣化するため長期間直射日光にあたった場合の経年変化や 火炎 廃棄時に発生する有毒ガスによる環境負荷も考慮する必要がある ポリスチレンフォームには ビーズ法と押出法の 2 種類がある ビーズ法ポリスチレンフォームはビーズ原料を発泡成形した いわゆる発泡スチロールで 複雑な形状の製品をつくることができる 押出法ポリスチレンフォームはポリスチレン樹脂に発泡剤や難燃剤を添加し 連続的に押し出して発泡させ板状に成形した断熱材である 両者ともに軽量で耐水性 耐圧性に優れているが 柔軟性がなく変形追従性に欠ける ポリウレタンフォーム樹脂を原料とする硬質ウレタンフォームは 板状に成形されたものと現場で吹付けて発泡施工する方式があり 施工が困難な箇所で使用される 特に
現場発泡時にはその自己接着性によって接着剤なしで外壁内部に接着させることができる ポリエチレン樹脂を原料とする高発泡ポリエチレンは 他の発泡系断熱材と比べると柔軟性があり施工箇所や用途の幅が広い断熱材である 透湿係数が低いため耐吸湿 吸水性が高く防湿層は必要ない 一般用途のほか 屋根断熱防水用や配管用断熱材として筒状の製品などがある フェノール樹脂を原料とするフェノールフォームは 耐熱性に優れ燃焼時に発生するガスの有毒性も低いため 準不燃材料として認定されている その防火性の高さから 耐火性の要求される箇所や 住宅外壁用の金属サイディングとの複合板として利用されている 木質繊維系断熱材の代表例として セルローズファイバーとインシュレーションボード ( 軟質繊維版 ) がある これらは自然素材系の断熱材でエコロジーの点で優れた材料であるといえる セルローズファイバーはパルプや古新聞紙などの木質樹脂を主原料とし 綿状にした後 難燃 撥水 防虫効果等を付加するためホウ素化合物などが添加される 綿状であるため 吹込み 吹付けによって施工される インシュレーションボードは木材や廃材を解繊したものを原料とし 板状に成形加工した断熱材である 断熱下地や仕上げ材として使用される セルロースファイバー インシュレーションボードともリサイクル材の利用によりエコマーク認定を受けている また 原料が木質繊維からなるため 保湿性が高く湿気を吸収 放出し断熱材の内部結露を防止する 上記以外の断熱材料として 発泡系断熱材には石油系以外にガラスや炭酸カルシウムを主原料とする無機質系の断熱材がある 断熱性能に加えて 不燃性 耐水性 耐薬品性があり環境負荷も少ないという特長がある また 新しい断熱材料として塗料系断熱材がある セラミックビーズを含んだ塗膜によって遮熱 断熱性をもたせた断熱材料で 最近の施工例 ペンギンハウス ( 山下保博 + 池田昌弘 ) では断熱塗料を塗った鉄板 枚によって内外壁を兼用させている その効果のほどは定かではないが 断熱層のない極限まで薄い壁 という設計者の要求に 材料で応えたよい例であるといえる 熱は媒体物質を介して高温側から低温側に 伝導 対流 放射 ( 輻射 ) によって移動する 外壁等における内外の熱の移動が 夏季の熱取得や冬季の熱損失を引き起こし快適な居住環境の妨げとなる 壁材の厚さや材料の層構成を変えることで 熱移動が少ない建築物をつくることが求められるが そのためには材料の熱に対する特性を理解しておく必要がある 熱伝導は熱エネルギーが固体物質の内部を高温側から低温側に移動する現象である 厚さが [m] で均質な板状の材料の片側の温度を t [ ] もう一方の温度を t 2 [ ] とし 定常状態にあると仮定する このとき この材料の単位面積を毎時通過する熱量 q [kcal/(h m 2 )] は以下の式で求められる ( q λ t t 2 ) ------------------ t q t 2 これをフーリエの熱伝導式という λ は熱伝導率 [kcal/(h m )] で物質固有の値である フーリエの式から 単位面積を毎時通過する熱量は 材料の熱伝導率と両面温度差に比例し 材料の厚さに反比例することがわかる 図 に熱伝導による熱移動の様子を示す 熱伝導率 λ は固体内の熱の移動のしやすさを示す値で 厚み m の壁の両端に の温度差がある場合に壁 m 2 当りに移動する熱量であるといえる 各種建築材料の熱伝導率と密度の関係を図 2 に示す この図より 密度が小さい材料ほど熱伝導率の値が小さく 熱を通しにくいことがわかる また 同じ材料であってもカサ比重が小さいほど熱伝導率が小さくなる 材質別にみると熱伝導率の大小関係は 金属系材料 > コンクリート 土石 > 木質系材料 > 発砲樹脂系材料の順であり 熱伝導率が 0. 以下の材料が保温 断熱材料として使用
されていることがわかる 熱伝導率についての一般的な特徴として 材料が結露などにより吸湿することで熱伝導率が増大すること ( 水の λ は 20 で 0.59) 材料の温度上昇に伴 い熱伝導率が増大すること ( 金属や水晶などの結晶体を除く ) などがある 物質表面から周囲空気への熱の移動を熱伝達または熱対流という 壁に使用した材料の表面が周囲空気よりも温度が高い場合を考える 材料の表面から空気へ熱が伝達されることで 加熱された空気は浮力により上昇し対流を起こすことで熱の移動が発生する 逆に材料表面の温度が周囲空気よりも低い場合は 冷却された空気は下降することで熱の移動が起こる 材料表面の空気の対流による単位面積当り毎時の移動熱量は次の式で表される T s q c T a q c α c ( T s T a ) ここで q c [kcal/(h m 2 )] を移動する熱量 α [kcal/(h m 2 c )] を対流 ( 表面 ) 熱伝達率 T s [ ] を材料表面温度 T a [ ] を周囲空気温度とする 図 3 に熱伝達の熱移動の様子を示す 熱伝達率は材料固有の値ではなく 材料表面の形状や寸法 周囲の気流特性 ( 屋外であれば風向きや風速 ) によって異なる T T 2 物体の表面からは様々な波長の電磁波が放射されており この現象により熱や光を放射 伝達している 熱放射 ( 輻射 ) によって伝達される熱量は以下の式で与えられる ε ε 2 q r εδt 4 ここで q r [kcal/(h m 2 )] を放射熱量 ε を材料の放射率 (0 ε ) δ をステファン ボルツマンの定数 5.67 0-8 [kcal/(h m 2 4 )] T [] を黒体の絶対温度 (273+θ ) とする 放射率は材料が完全黒体 ( ε.0) であるとき最大の放射エネルギーを出すと仮定して定義された値である 高温の平面材料 Ⅰ と低温の平面材料 Ⅱが平行に向かい合っている場合 放射伝達熱量は互いに放射している放射熱の差となり 高温側の材料から低温側の材料に伝熱される ( 図 4) このときの放射伝達熱量は以下の式で求めることができる 4 4 q 2 ε 2 δst ( T 2 ) ここで q 2 [kcal/h] を材料 Ⅰから材料 Ⅱへの放射伝達熱量 ε 2 を材料 Ⅰから材料 Ⅱへの有効放射率 (0 ε ) δ をステファ ン ボルツマンの定数 5.67 0-8 [kcal/(h m 2 4 )] S [m 2 ] を材料の面積とする なお ε 2 は材料それぞれの放射率を ε ε 2 としたとき以下の式で与えられる (0 < ε, ε 2 < ) ε 2 -------------------------- ----- + ----- ε ε 2 熱伝導 熱伝達 熱放射とともに材料の熱的特性として熱容量と熱拡散率についても理解しておく必要がある 材料の熱容量 Q [kj/] は材料の比熱 c [kj/kg ] と重量 m[kg] の積である 熱容量が大きい材料は温度を変化させるのにより多くの熱量を必要とするため 暖まりにくく冷めにくい材料であるといえる 比熱 0.88kJ/kg 密度 2300kg/m 3 の鉄筋コンクリートと比熱.30kJ/kg 密度 400kg/m 3 の天然木材の熱容量を比較すると鉄筋コンクリートの熱容量は天然木材の約 4 倍である したがって鉄筋コンクリートの壁の温度を上げるには木材の壁に比べて多くの熱量が必要であるが 一度暖めると冷めにくいことがわかる ある温度の壁体について 熱伝導率 λ が高いほど加熱時の流入熱量は多くなり 加熱温度が高くなるほど熱量の移動速度は速くなるといえる また 移動する熱量が同じである場合は その壁体の温度上昇は材料の単位体積当りの熱容量に反比例する このような非定常状態の熱伝導における温度変化を考えるために熱拡散率 a を以下の式のように定義している a ----- λ cρ 材料の熱拡散率が大きいほど温度変化の速度は速く 温度変化の大きさは熱容量に反比例している
建築物の内部と外部を遮る部分は それぞれの材料がある要求性能を満たしながら複層構成になっている 複数の材料によって構成される壁の熱伝導 熱伝達による熱の貫流について考える 室内外に温度差がある場合 熱量は壁体内部を高温側から低温側に流れる このような現象を熱貫流という 熱貫流によって移動する熱量を知るためには 外部温度と室内温度を測定して知っておく必要がある しかし実際には 外部気温は時間によって刻々と変化し それに応じて室内温度も変化するのだが 壁体の熱貫流現象を捉えるときは ある時点での温度状況に対して伝熱を考えることで定常状態にあると仮定する まず 打放しコンクリートのように単一の材料で構成される壁体の熱貫流について考える ( 図 5) このとき 室外側から室内側に流れ込む熱量を求めるための熱貫流抵抗 R [(h m 2 )/kcal] は以下の式で与えられる R r i + r k + r o t t 2 ここで r i, r o [(h m 2 )/kcal] を熱伝達抵抗 r k [(h m 2 )/kcal] を熱伝導抵抗とする t i 熱伝達抵抗とは 壁体の表面と空気の間の熱移動における抵抗を示す値で 熱伝達率 α の逆数である 新省エネルギー基準において外壁の熱貫流率を計 算する際の熱伝達抵抗は 室内側熱伝達抵抗 r i を 0.3 [(h m 2 )/kcal] 室外側熱伝達抵抗 r o を 0.05 [(h m 2 )/kcal] と定めている ( 表 3) 熱伝導抵抗とは 材料自体の熱移動における抵抗を示す値である 伝導により移動する熱量は 材料固有の熱伝導率 λ に比例し材料の厚さに反比例する したがって熱伝導抵抗は λ の逆数 λ として与えられる 壁面積が A [m 2 ] 外部温度が [ ] 室内温度がt i [ ] のとき 室外側から室内側に流れ込む熱量 Q [kcal/h] は Q A -- ( t R o t i ) A( t i ) で与えられる [kcal/(h m 2 )] は熱貫流抵抗の逆数で熱貫流率といい 内外温度差が のとき 壁 m 2 当りに移動する熱量である この式から 壁体の断熱性を高めるためには熱貫流抵抗 R を大きくする つまり熱伝達抵抗と材料の熱伝導抵抗を大きくすればよいことがわかる しかし 前述のように室内外の熱伝達抵抗値はほぼ決められた範囲の値をとるため 各材料の熱伝導抵抗を大きくすれば壁体の断熱性が良くなる この壁体の内外表面温度 t t 2 を求めるには 熱貫流によって移動する熱量が壁体のどの部分においても一定であることを利用する いま熱量 Q [kcal/h] が移動したとすると ( Q α o At ( o t ) λa t t 2 ) ------------------ α i At ( 2 t i ) A -- ( t R o t i ) と表すことができる よって 壁体の外表面温度 t は t t Q o --------- t α o A o -----t ( α o t i ) r o t ( o t i ) o と求められ 壁体の室内側表面温度 t 2 も同様に求めることができる 次に 空気層を含む複数の材料で構成される多層の壁体について熱貫流を考えるとき 熱貫流抵抗 熱貫流率は以下の式で与えられる R r i + Σr k + r a + r o -- R ------------------------------------------ r i + Σr k + r a + r o ここでr a [(h m 2 )/kcal] を空気層の熱抵抗という 実際の壁体には断熱性能を向上させるために密閉した空気層 ( 中空層 ) を設ける 密閉された垂直空気層では 厚さが 2cm 程度までは空気層の厚さに比例して熱抵抗が上昇し それ以上の厚さではほ
ぼ一定の熱抵抗を示す したがって壁体内に 2cm 以上の空気層をとることは実質的に意味がないといえる 表 4 に新省エネルギー基準によって定められた空気層の熱抵抗を示す 空気層の断熱性は密閉度に依存していて 気密度が低いと熱抵抗も小さくなる また 空気層の両側の層の材料表面にアルミ箔を張ることで断熱性を向上することができる これは放射率の低いアルミ箔 ( 放射率 ε が約 0.02) によって空気層での熱移動を少なくし 伝熱抵抗を 2 倍以上にすることができるからである では 実際の壁体について熱貫流率を求めてみる 図 6 に示すような鉄筋コンクリート造外壁があるとする 使用する断熱材を押出法ポリスチレンフォームとして 表 5 に示される各建材の熱伝導率から この外壁の熱貫流抵抗 R は以下のように求めることができる R r i + Σr k + r o r i Σ k + ----- + r o.54 よって この外壁の熱貫流率 は λ k -- 0.65 R である 同様に図 7 に示した木造外壁の熱貫流率は 使用する断熱材を住宅用ロックウールとし空気層の熱抵抗を表 4 より求めると -- ------------------------------------------ ---------------------------------------- R r i + Σr k + r a + r o r i Σ 0.3 k + ----- + r a + r o λ k と求められる よって それぞれの壁体の熱貫流率は 鉄筋コンクリート造外壁 0.65 [kcal/(h m 2 )] 木造外壁は 0.3 [kcal/(h m 2 )] である また これらの外壁の室内外気温 t i [ ] を適当に定めて各層における両端温度差を求めることもできる そうすれば外壁内部の温度分布を把握することができるので 空気の露点温度から表面結露や内部結露の可能性を検討することができる 0 40 50 0 20 20 00 0 t i t i