冬の住宅では室内の暖かさを外へ逃がさないようにし、夏は屋外の熱を室内へ入りにくくします。魔法瓶は熱い飲み物を長時間温かく保ち、保冷容器は冷たい食品の温度上昇を遅らせます。これらに共通して使われている考え方が「断熱」です。
断熱とは、熱を完全に止めることではありません。熱伝導・対流・放射という熱移動の経路を減らし、温度差があっても熱が移る速さを小さくすることです。そのため、断熱材そのものの熱伝導率だけでなく、厚さ、内部の空気の動き、すき間、表面からの放射なども性能に影響します。
断熱が身近な技術に利用される理由は、熱の移動速度を抑えることで、暖房・冷房・保温・保冷に必要なエネルギーを減らし、目的の温度を長く保ちやすくできるからです。
そもそも熱はどのように移動するのか
温度差がある場所では、熱は高温側から低温側へ移ります。主な熱移動には、熱伝導、対流、放射の3つがあります。
- 熱伝導：物質内部や接触している物体の間を熱が伝わる
- 対流：空気や水などの流れによって熱が運ばれる
- 放射：電磁波として熱エネルギーが伝わる
米国エネルギー省の建築科学教材でも、建物の熱移動は伝導・対流・放射の3つの仕組みで起こり、断熱ではこれらの熱流を減らすことが重要だと説明されています。
実際の住宅や容器では、この3つが同時に起こっています。したがって、良い断熱をつくるには「熱を伝えにくい材料を入れる」だけでなく、空気の流れや放射まで含めて考える必要があります。
熱伝導率が小さい材料ほど熱を通しにくい
材料内部の熱伝導のしやすさは、熱伝導率という物性値で表されます。熱伝導率が大きい材料は熱を伝えやすく、小さい材料は熱を伝えにくいという特徴があります。
厚さLの平らな材料を通る熱伝導を単純化すると、熱流の大きさはおおよそ次の関係で考えられます。
熱の移動量 ∝ 熱伝導率 × 面積 × 温度差 ÷ 厚さ
つまり、同じ面積・同じ温度差なら、熱伝導率が小さいほど、また材料が厚いほど、熱は移動しにくくなります。OpenStaxでも、熱伝導率が小さく厚さが大きい材料ほど良い断熱材になり、厚さと熱伝導率の比が断熱性能に関係すると説明されています。
ただし、厚くすれば無条件によいというわけではありません。建物では施工できる空間、重量、コスト、湿気対策、耐火性なども考慮する必要があります。
なぜ断熱材には「空気を閉じ込めた材料」が多いのか
グラスウール、ロックウール、発泡プラスチックなど、多くの断熱材には細かな空隙があります。ここには動きにくい空気が閉じ込められています。
空気は金属などと比べて熱伝導率が小さいため、細かな空気層を多く含む構造は熱伝導を抑えるのに有効です。OpenStaxでも、グラスウール、羊毛、ポリスチレンフォームなどが小さな空気のポケットを含むことで断熱性を高めていると説明されています。
ただし、「空気は断熱材だから、大きな空洞を作ればよい」というわけではありません。空間が大きいと、暖められた空気が上昇し、冷たい空気が下降する対流が起こりやすくなります。そこで断熱材では、空気を細かい空間に分けて動きにくくし、熱伝導と対流の両方を抑えます。
利用例1：住宅では壁・屋根・床からの熱移動を減らす
住宅は、屋外と室内の間に大きな温度差が生じることがあります。冬は室内から外へ、夏は屋外から室内へ熱が移動しようとします。
そこで壁、天井、屋根、床などに断熱材を入れ、建物の外側を断熱層で包むようにします。国土交通省は、建物の断熱性能を「建物からの熱の逃げやすさ」と「日射熱の入りやすさ」の観点から評価しています。また、住宅の断熱性能を上げることは、省エネルギーや室内環境の改善につながるとしています。
壁や屋根の断熱材は、材料内部を通る熱伝導を小さくします。しかし、断熱材の間にすき間があったり、外気が壁内部へ入り込んだりすると、空気の流れが熱を運ぶため、せっかくの断熱性能が十分に発揮されません。
国土交通省の木造建築の設計資料でも、断熱材だけでなく、断熱性能低下の原因となる気流を防ぐための気流止めや気密材が重要とされています。つまり住宅では、断熱と気密は別の役割を持ちながら、組み合わせて使うことが重要です。
断熱と気密は何が違うのか
断熱と気密は混同されやすい言葉ですが、役割が異なります。
- 断熱：材料や構造を通る熱の移動を小さくする
- 気密：すき間から空気が出入りするのを抑える
どれだけ高性能な断熱材を使っても、壁のすき間から冷たい外気が大量に入り込めば、室内の熱は空気の流れによって運び出されます。反対に、気密性が高くても壁そのものが熱を通しやすければ、熱伝導による損失は大きくなります。
そのため住宅では、断熱材、気密層、窓、扉、換気設備などを建物全体のシステムとして考える必要があります。
窓はなぜ断熱の弱点になりやすいのか
窓は採光や眺望に必要ですが、一般的な壁と比べると熱が出入りしやすい部分になりやすい場所です。
窓の断熱性能を高める方法には、複層ガラス、空気層やアルゴンガス層、低放射膜（Low-E膜）、断熱性の高いサッシなどがあります。
複層ガラスでは、ガラスの間に空気やガスの層を設けることで熱伝導を抑えます。さらに、空間が適切な厚さで密閉されていれば、内部の対流も小さくできます。Low-E膜は赤外線の放射を抑えることで、放射による熱移動を減らします。
この例から分かるように、断熱性能を高めるには、伝導だけでなく対流と放射も同時に減らすことが重要です。
利用例2：魔法瓶は真空と反射面で熱の3経路を減らす
魔法瓶や真空断熱ボトルは、断熱の仕組みを理解するうえで分かりやすい例です。
内びんと外びんの間を真空に近い状態にすると、その空間には熱を伝える気体分子がほとんどありません。そのため、気体を介した熱伝導と対流を大幅に減らすことができます。
しかし、真空にしただけでは熱放射は止まりません。放射は真空中でも伝わるからです。そこで魔法瓶では、表面を鏡面に近づけたり、放射率の低い金属面を使ったりして、赤外線による放射熱交換を減らします。
一方、容器の口や支持部分では、内側と外側が材料でつながっているため、そこからは熱伝導が起こります。このため実際の真空断熱容器では、支持部を細くする、熱を伝えにくい材料を使うなどして「熱橋」を小さくする工夫が必要です。
真空なら完全に断熱できるのか
真空は気体による熱伝導と対流を大幅に減らせますが、完全な断熱ではありません。
真空中でも熱放射は伝わります。また、容器の支持部、ふた、配管など固体でつながった部分を通して熱伝導が起こります。さらに実際の真空層にはわずかな気体が残っていることもあります。
そのため高性能な断熱では、真空、反射面、細い支持構造、低熱伝導材料など複数の方法を組み合わせます。
利用例3：発泡スチロールの保冷容器は細かな気泡を利用する
食品や飲料を運ぶ保冷箱には、発泡ポリスチレンなどの発泡材料がよく使われます。
発泡材料の内部には、多数の細かな気泡があります。気泡の中の空気は動きにくく、材料全体として熱伝導率を低くできます。また、軽量なので運搬用容器にも向いています。
保冷容器では、冷たい物体と外気の温度差によって外から熱が入り込もうとします。発泡材がその熱流を遅らせることで、氷や保冷剤が受け取る熱量を減らし、冷たい状態を長持ちさせます。
ただし、ふたのすき間から暖かい空気が入れば、空気の流入によって熱が持ち込まれます。したがって保冷容器でも、断熱材だけでなく密閉性が重要です。
利用例4：衣服や寝具も空気層を利用している
ダウンジャケット、毛布、布団なども、繊維そのものだけで暖かいわけではありません。繊維の間に多くの空気を保持し、その空気を動きにくくすることで断熱性を高めています。
ふくらみのある衣服が暖かいのは、厚い空気層を保持しやすいからです。逆に衣服がぬれると、水が空隙を埋めたり、蒸発によって熱を奪ったりするため、保温性が大きく低下することがあります。
衣服ではさらに、首元や袖口から暖かい空気が逃げることも熱損失になります。そのため、素材の断熱性だけでなく、空気を閉じ込める形状も重要です。
なぜ金属は断熱材になりにくいのか
銅やアルミニウムなどの金属は熱伝導率が高く、熱を速く伝えます。そのため、単独では断熱材には向きません。
しかし、金属は熱放射を抑える反射面として利用できる場合があります。たとえばアルミ箔のような低放射率の表面を空気層に向けて配置すると、放射による熱移動を減らせます。
つまり、同じ材料でも「熱伝導を抑える目的」と「熱放射を抑える目的」では役割が異なります。金属は伝導には不利でも、放射対策では有効になることがあります。
「断熱材」と「蓄熱材」は同じではない
断熱と蓄熱も、似ているようで役割が違います。
- 断熱：熱が移動する速さを小さくする
- 蓄熱：物体内部に熱エネルギーをためる
比熱の大きい水やコンクリートは多くの熱を蓄えることができますが、それだけで優れた断熱材とは限りません。一方、発泡プラスチックは熱を通しにくい断熱材ですが、大量の熱を蓄えることを主目的にはしていません。
住宅では、断熱と蓄熱を組み合わせることがあります。断熱で屋外との熱移動を減らし、室内側の熱容量を利用して温度変化を緩やかにする、というように役割を分担させます。
断熱性能は「材料名」だけでは決まらない
同じ種類の断熱材でも、実際の断熱性能は施工状態によって変わります。
断熱材が押しつぶされて厚さが減ったり、すき間ができたり、湿気を含んだりすると、本来の性能を発揮できない場合があります。また、柱や金属部材など熱を伝えやすい部分が断熱層を貫通すると、そこが「熱橋」となって熱が流れやすくなります。
国土交通省の設計資料でも、断熱材の種類だけでなく、気流止め、施工性、耐久性などを総合的に考える必要があるとされています。
そのため、実際の住宅では材料単体の熱伝導率だけでなく、壁・屋根・窓・接合部を含む建物全体の性能で評価します。
住宅の断熱性能はどのように評価されるのか
日本の住宅では、外皮平均熱貫流率（UA値）などが断熱性能の評価に使われます。UA値は、壁、屋根、床、窓など建物の外皮全体からどれだけ熱が逃げやすいかを平均的に示す指標です。
国土交通省の省エネ性能表示制度でも、住宅の断熱性能はUA値と日射熱取得に関する指標などを用いて評価されます。
材料単体の熱伝導率が低くても、窓や接合部から多くの熱が出入りすれば建物全体の断熱性能は高くなりません。だからこそ、断熱は「どの断熱材を選ぶか」だけではなく、建物全体の熱の経路を設計する問題になります。
断熱すれば換気はいらないのか
断熱性や気密性を高めることと、換気をなくすことは別です。
室内では、人の呼吸、調理、入浴、建材などによって水蒸気や二酸化炭素、さまざまな物質が発生します。適切な換気は室内空気環境を保つために必要です。
高断熱・高気密の住宅では、無計画なすき間風に頼るのではなく、必要な量を設備で計画的に換気します。また、熱交換換気のように、排気と給気の間で熱を回収して換気による熱損失を減らす方法もあります。
つまり、断熱・気密・換気は競合するものではなく、それぞれ違う役割を持つ要素として設計する必要があります。
断熱の効果には限界がある
断熱材を厚くすれば熱伝導を減らせますが、熱移動を完全にゼロにすることはできません。窓、換気、すき間、熱橋、放射など別の経路も残るからです。
また、断熱性を高めれば必ず快適になるわけではありません。夏の日射を大量に取り込む住宅で熱が逃げにくくなると、室内に熱がこもる場合があります。国土交通省も、高断熱住宅では断熱性だけでなく日射遮蔽や空調計画などを適切に設計することが重要だとしています。
そのため実際の設計では、断熱、日射、気密、換気、空調、蓄熱を組み合わせて考えます。
まとめ
断熱材が住宅・魔法瓶・保冷容器などに利用されるのは、熱伝導・対流・放射による熱移動を減らし、温度差があっても熱が移る速さを小さくできるからです。
住宅では、熱伝導率の小さい材料と気密を組み合わせて外皮からの熱損失を抑えます。魔法瓶では、真空によって気体の伝導と対流を減らし、反射面で放射も抑えます。保冷容器や衣服では、細かな空気層を動きにくくして断熱性を高めています。
断熱は「熱を止める魔法の材料」ではありません。どこを通って熱が移るのかを考え、その経路を一つずつ小さくする技術です。だからこそ、材料の熱伝導率だけでなく、厚さ、空気層、気密、放射、施工状態まで含めた設計が重要になります。
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参考資料
- 国土交通省「断熱性能｜建築物の省エネ性能表示制度」
- 国土交通省「断熱性の高い住宅の設計のポイント、紹介します！」
- U.S. Department of Energy「Heat Flow」
- OpenStax「Mechanisms of Heat Transfer」
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