断熱材や複層窓は、単に「厚いから熱を通しにくい」わけではありません。建物を通る熱は、主に伝導・対流・放射という複数の経路で移動しており、断熱材や窓の構造はそれぞれの熱移動を小さくするように作られています。
なぜ断熱材や複層窓は、伝導・対流・放射による熱移動を小さくできるのでしょうか。結論からいうと、熱を伝えにくい材料や動きにくい空気層を使って伝導・対流を抑え、Low-E膜などで放射による熱移動も減らすからです。こうした仕組みを組み合わせることで、室内外の温度差があっても熱が移動しにくい外皮を作れます。
建物の熱移動には、伝導・対流・放射がある
熱は、温度の高い側から低い側へ移動します。建物では、その移動の仕方を大きく伝導・対流・放射に分けて考えます。
伝導は、材料の中を熱が伝わる現象です。対流は、空気などの流体が動くことで熱が運ばれる現象です。放射は、電磁波として熱が伝わる現象で、空気が動かなくても起こります。
住宅の断熱性能を高めるには、この三つの熱移動を総合的に小さくする必要があります。
断熱材は、熱を伝えにくい空気を細かく閉じ込める
多くの断熱材は、内部に細かな空気の層や気泡を持っています。
空気は、木材や金属など多くの固体材料に比べて熱を伝えにくい性質があります。ただし、大きな空間の空気は動いて対流を起こすため、そのままでは十分な断熱にはなりません。
断熱材は、空気を小さな空間へ分けて動きにくくすることで、空気の低い熱伝導率を利用しながら対流も起こりにくくしています。
断熱材の中では、空気を動かしにくくすることが重要
たとえば繊維系断熱材では、細かな繊維の間に多数の空気層ができます。発泡系断熱材では、樹脂の中に微細な気泡が形成されます。
こうした細かな構造では、空気が大きく循環しにくいため、対流による熱移動が小さくなります。
米国エネルギー省の建築科学教育資料でも、断熱は空気を閉じ込めることで、壁・天井・床を通る熱流を抑えると説明されています。
断熱材は、厚いほど一般に熱抵抗を大きくできる
同じ材料なら、一般に厚さを増すほど熱が通る距離が長くなり、熱抵抗は大きくなります。
熱抵抗は、熱の通りにくさを表す指標です。材料の熱伝導率が低く、厚さが大きいほど、熱は通りにくくなります。
ただし、施工にすき間やつぶれがあると、設計どおりの性能を発揮しにくくなります。断熱材そのものの性能だけでなく、連続して正しく施工されていることも重要です。
柱や金属部は「熱橋」になりやすい
壁の中に断熱材が入っていても、柱・梁・金属部材など、熱を通しやすい部分が連続していると、そこを熱が通りやすくなります。
このような部分は熱橋と呼ばれます。
建物全体の断熱性能は、断熱材部分だけでなく、熱橋を含む外皮全体で評価する必要があります。
窓は、壁より熱が通りやすくなりやすい
窓は採光や眺望に必要ですが、一般に断熱された壁より熱が出入りしやすい部分です。
ガラスそのものが薄く、さらに窓枠やサッシを含めて複数の熱移動経路があるためです。
そこで複層ガラスやLow-Eガラス、高断熱サッシなどを組み合わせ、窓全体の熱貫流を小さくします。
複層ガラスは、ガラスの間に空気層をつくる
複層ガラスは、2枚以上のガラスの間に密閉された中空層を設けた構造です。
この中空層にある空気やガスが、室内側と室外側のガラスの間で熱が直接伝わるのを抑えます。
米国エネルギー省も、複層ガラスはガラスの間に密閉された空気層を設けることでU値を下げ、断熱性能を高めると説明しています。
中空層は、広ければ広いほどよいわけではない
ガラスの間隔を広げれば、単純に断熱性能が上がり続けるわけではありません。
中空層が広すぎると、内部の空気が動きやすくなり、対流による熱移動が増えることがあります。
そのため、複層ガラスでは空気層やガス層の厚さを適切に設計し、伝導と対流の両方を抑える必要があります。
アルゴンやクリプトンを入れると、熱移動をさらに小さくできる
複層ガラスの中空層には、空気の代わりにアルゴンやクリプトンなどのガスを封入する製品があります。
これらのガスは、適切な層厚で使うと空気より熱を伝えにくく、窓の熱貫流率を下げるのに役立ちます。
ただし、ガスだけで窓全体の性能が決まるわけではなく、ガラス、Low-E膜、スペーサー、サッシなどとの組み合わせで性能が決まります。
Low-E膜は、放射による熱移動を減らす
複層ガラスの中では、ガラス同士が赤外線を放射し合うことで熱が移動します。
Low-E膜は、ガラス表面に設ける非常に薄い低放射膜で、赤外線の放射を抑える働きがあります。
これにより、中空層の伝導・対流だけでなく、放射による熱移動も減らせます。
米国エネルギー省は、Low-Eコーティングが窓のU値を下げ、窓を通る熱移動を制御する技術として使われていると説明しています。
Low-Eガラスには、日射取得型と日射遮蔽型がある
Low-E膜は、すべて同じ性質ではありません。
冬の日射を取り込みやすいタイプと、夏の日射熱を入りにくくするタイプがあります。
そのため、地域の気候や窓の方位によって、どのタイプが適するかは変わります。断熱性能だけでなく、日射熱取得率も合わせて考えることが重要です。
U値は、部材を通る熱の移動しやすさを表す
窓や壁の断熱性能を見るときによく使われるのがU値、熱貫流率です。
U値は、部材の両側に温度差があるとき、どれくらい熱が通過するかを表します。値が小さいほど、熱が通りにくいことを意味します。
複層ガラス、Low-E膜、断熱性の高いサッシなどを使うと、窓全体のU値を小さくできます。
UA値は、住宅外皮全体の熱の逃げやすさを見る
住宅では、窓や壁など一つの部材だけでなく、建物全体の断熱性能も評価します。
国土交通省は、住宅の断熱性能を示す指標の一つとして外皮平均熱貫流率、UA値を用いています。
UA値は、外壁・屋根・床・窓などを通る熱損失を外皮面積で平均した指標で、値が小さいほど熱が出入りしにくく、断熱性能が高いと評価されます。
断熱と日射遮蔽は、同じではない
断熱は、室内外の温度差によって移動する熱を小さくする考え方です。
一方、夏の日射対策では、窓から直接入る太陽放射を減らすことも重要です。
Low-Eガラスや庇、外付けブラインドなどは、設計によって日射熱の侵入も抑えられます。
「熱を伝えにくくすること」と「日射を入りにくくすること」は別の性能なので、両方を分けて考えます。
断熱性能は、材料だけでなく施工状態で変わる
高性能な断熱材を使っていても、すき間がある、圧縮されている、湿気で性能が低下しているなどの状態では、本来の性能を発揮しにくくなります。
窓も、ガラスだけでなくサッシやスペーサー、取り付け部まで含めて熱が移動します。
そのため、断熱は材料名だけで判断せず、建物全体として連続した断熱層になっているかを見ることが重要です。
断熱の仕組みを見るときのポイント
- 断熱材は低い熱伝導率と細かな空気層を利用する
- 空気を細かく閉じ込めることで対流を起こしにくくする
- 複層ガラスは中空層で伝導・対流を抑える
- Low-E膜は放射による熱移動を小さくする
- 窓の性能はガラスだけでなくサッシやスペーサーも影響する
- U値は部材、UA値は住宅外皮全体の熱の通りやすさを見る
- 断熱性能は施工の連続性やすき間の有無にも左右される
まとめ
断熱材や複層窓が熱移動を小さくできるのは、伝導・対流・放射という三つの熱移動を、それぞれ異なる仕組みで抑えているからです。
断熱材は、熱を伝えにくい材料と細かな空気層で伝導・対流を抑えます。複層ガラスは中空層で熱移動を減らし、Low-E膜は赤外線放射による熱移動を抑えます。
その結果、窓や壁のU値、住宅全体のUA値を小さくしやすくなり、室内外に温度差があっても熱が出入りしにくくなります。断熱を理解するときは「厚い材料を入れること」だけでなく、熱がどの経路で移動し、それを構造としてどう止めているかを見ることが大切です。
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参考資料
- 国土交通省「断熱性能」
- U.S. Department of Energy Building Science Education「Heat Flow」
- U.S. Department of Energy「Window Types and Technologies」
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