ダイナミック断熱材

動的断熱とは、建物の外皮にある断熱材を通過する冷たい外気が断熱繊維から熱を吸収する断熱方式です。建物の設計では、この特性を利用することで、透過熱損失（ U値）を低減し、室内空間に予め温められた通風のない空気を供給することができます。これは、U値が特定の壁や屋根の構造に対して一定ではなく、断熱材を通過する空気の速度（気候適応型建物シェル）に応じて変化するため、動的断熱と呼ばれます。動的断熱は、呼吸する壁とは異なります。動的断熱の利点は、気密な外皮を作り、自然換気または熱回収型機械換気を用いて適切な換気を行うという、より一般的な建物設計手法と比較検討する必要があります。気密性の高い建物外皮設計手法は、動的断熱とは異なり、風速や風向に左右されず、熱損失と内部結露のリスクに関して一貫した性能を提供する建物外皮を実現します。特定の風況下では、動的断熱された建物は、同じ厚さの断熱材を使用した気密な建物よりも熱透過損失が高くなる可能性があります。多くの場合、空気は約 15 °C で入ります。

導入

建物の壁と屋根の主な機能は、防風と防水です。建物の機能によっては、エネルギー消費とそれに伴う二酸化炭素排出量を最小限に抑えながら、内部を適切な温度範囲に保つことも求められます。

従来断熱気密壁

ダイナミック断熱壁

図1 気密壁と通気性壁の比較

ダイナミック断熱は、通常、木造壁と天井に採用されます。これは、建築設計者や建築設備エンジニアが長年信じてきた「気密性を高め、適切な換気を行う」という常識を覆すものです。^{[ 1 ] [ 2 ]} 建物の気圧が下がった際に、壁、屋根、天井の断熱材を通して空気が外部から内部へ流れるように、通気性のある壁や屋根、天井が必要です（図1および図2）。以下では、ダイナミック断熱について、簡潔にするために、温帯または寒冷な気候において、建物の冷房ではなく暖房に主なエネルギーが使用される場合を例に挙げて説明します。温暖な気候では、建物からの熱損失を増加させる用途が考えられます。

空気が断熱材内を流れる際、断熱繊維を通して外部に伝導される熱を吸収します。このように、ダイナミック断熱材は、壁や屋根からの熱損失を低減すると同時に、室内に予め温められた空気を供給するという二重の機能を実現します。したがって、ダイナミック断熱材は、自然換気または機械換気がなければ室内空気の質が低下するという、気密外皮の大きな欠点を克服しているように見えます。しかしながら、ダイナミック断熱材は、排気中の熱を回収するために、熱回収型機械換気（MVHR）も必要とします。

壁や屋根、天井から継続的に空気を吸い込むには、建物内の圧力を周囲圧力より5～10パスカル低い状態に保つファンが必要です。壁や屋根から継続的に吸い込まれる空気は、継続的に屋外に排出する必要があります。これは熱損失を意味し、回収する必要があります。空気対空気熱交換器（図2）は、これを実現する最も簡単な方法です。

気密木造軸組工法に関する注釈

要素	説明
1	レンガ張り
2	換気された空洞
3	外面に通気性のある膜を備えた下地板
4	絶縁
5	石膏ボード（防湿層はオプション）

図2 動的断熱住宅をシステムとして見た図

通気性壁構造に関する注釈

要素	説明
1	レンガ張り
2	換気された空洞
3	下地板（通気性）
4	断熱材（通気性）
5	空気制御層
6	換気された空洞
7	石膏ボード

動的絶縁の科学

動的断熱材の主な特徴はすべて、通気性断熱材の均一なサンプルを通過する一次元定常熱伝導と空気流の理想的なケースを考えることで理解できます。断熱材の冷側から距離xにおける温度Tを決定する式( 1 )は、断熱材の小さな要素を通過する伝導熱と対流熱の総正味流量が一定であることから導き出されます。

${\displaystyle \lambda {\frac {d^{2}T\left(x\right)}{dx^{2}}}-u\rho _{a}c_{a}{\frac {dT\left(x\right)}{dx}}=0}$

1

どこ

 断熱材を通過する空気の速度（m/s ）

c空気の比熱（J/kg・ _K ） 

ρ空気の密度_（ kg/m ³）  

λ断熱材の熱伝導率（W/m・ _K ） 

2次元および3次元形状の場合、多孔質媒体を通る流体の流れと熱伝達方程式を同時に解くには、数値流体力学（CFD）ツールが必要です。動的断熱の理想化された1次元モデルは、伝導および対流による熱伝達プロセスに関する多くの物理的な知見を提供し、CFD計算結果の妥当性を検証する手段となります。さらに、建物の設計、承認、エネルギー性能評価に使用される熱伝達係数（U値）の計算において、単純な1次元定常熱流が仮定されているのと同様に、動的断熱の単純な1次元定常モデルは、動的断熱された建物または建物の構成要素の設計と性能評価に適しています。

ポリウレタン（PUR）ボードなどの断熱材は、その微細構造上、通気性がないため、動的断熱には適していません。ロックウール、グラスウール、羊毛、セルロースなどの断熱材はすべて通気性があるため、動的断熱構造に使用できます。式（1）において、断熱材を通過する空気速度uは、空気の流れが伝導熱流と反対方向（逆流）にある場合、正とみなされます。式（1）は、多層壁における定常熱流にも適用されます。^{[ 3 ]}

式（１）には解析解がある^{[ 4 ]}

${\displaystyle {\frac {T\left(x\right)-T_{o}}{T_{L}-T_{o}}}={\frac {e^{\left(Ax\right)}-1}{e^{\left(AL\right)}-1}}}$

2

境界条件については、

T(x) = T _o （x = 0）

T(x) = T _L （x = L）

ここで、長さの次元を持つパラメータ A は次のように定義されます。

${\displaystyle A={\frac {u\rho _{a}c_{a}}{\lambda }}}$

3

厚さ0.2mのセルロース断熱材の片側が20℃、もう一方が0℃の板を通過する空気の 温度分布を式（2 ）を用いて計算した結果を図3に示す。セルロース断熱材の熱伝導率は0.04W/m2Kとし^た。^{[ 5 ]}

図3 断熱材を通過する空気の冷たい側から暖かい側への流れ（逆流）

逆流

図 3 は、空気が熱流束と反対方向に流れる動的断熱材の温度プロファイルの一般的な挙動を示しています。空気の流れがゼロから増加すると、温度プロファイルは次第に曲線的になります。断熱材の低温側 (x/L = 0) では、温度勾配は次第に水平になります。伝導熱流は温度勾配に比例するため、低温側の温度プロファイルの傾きは、壁や屋根を通る伝導熱損失を直接示しています。断熱材の低温側では温度勾配はほぼゼロであり、これが動的断熱材によって U 値 0 W/m ² K を実現できるとよく言われる根拠となっています。

断熱材の暖かい側では、空気の流れが増加するにつれて温度勾配が急になります。これは、従来の断熱材（空気流速 = 0 mm/s）よりも速い速度で熱が壁へ流入していることを意味します。図示のように、断熱材を1 mm/sで通過する空気流の場合、断熱材の暖かい側の温度勾配（x/L = 1）は621 °C/mですが、従来の断熱材ではわずか100 °C/mです。これは、空気流速が1 mm/sの場合、断熱材の内面が従来の断熱材の6倍の熱を吸収していることを意味します。

その結果、外気の流れがある場合、壁にはかなり多くの熱を注入する必要があります。具体的には、従来断熱住宅の6倍の規模の暖房システムが必要になります。動的断熱では、いずれにしても失われる熱によって外気が温められるとよく​​言われます。^{[ 6 ]}これ は、外気が「自由」熱によって温められていることを意味します。空気の速度に伴って壁への熱流入が増加するという事実は、内壁表面の温度低下によって証明されています（以下の表2および図4）。動的断熱住宅には、気密住宅と同様に空気対空気熱交換器が必要です。気密住宅には、断熱が適切であれば最小限の暖房システムで済むというさらなる利点があります。

動的断熱における点の温度勾配は、式（２） を微分することによって得られる。

${\displaystyle {\frac {dT}{dx}}={\frac {\left(T_{L}-T_{o}\right)Ae^{\left(Ax\right)}}{e^{\left(AL\right)}-1}}}$

4

このことから、断熱材の冷たい側（x = 0）の温度勾配は次のように表される。

${\displaystyle {\frac {dT}{dx}}{\Bigg |}_{x=0}={\frac {\left(T_{L}-T_{o}\right)A}{e^{\left(AL\right)}-1}}}$

5

断熱材の暖かい側（x = L）の温度勾配は次のように表される。

${\displaystyle {\frac {dT}{dx}}{\Bigg |}_{x=L}={\frac {dT}{dx}}{\Bigg |}_{x=0}e^{\left(AL\right)}}$

6

断熱材の冷側の温度勾配（式（５））から、動的断熱壁の透過熱損失またはU値U _dynを計算することができる（表１）。

${\displaystyle U_{dyn}={\frac {\lambda \,A}{e^{\left(AL\right)}-1}}}$

7

この動的U値の定義は、ワレンテンの定義と一致しているように見える。^{[ 4 ]}

動的U値と静的U値（u=0 m/s）の比は

${\displaystyle {\frac {U_{dyn}}{U_{static}}}={\frac {A\,L}{e^{\left(AL\right)}-1}}}$

8

表1 動的U値

空気速度 u (mm/s)	x/L=0における温度勾配（°C/m）	伝導熱損失（W/m ^2）	U dyn (W/m ^2 K)
0	100	4	0.2
0.25	41.8	1.672	0.084
0.5	14.6	0.584	0.029
0.75	4.49	0.1796	0.009
1.0	1.26	0.0504	0.003

この定義によれば、動的壁の U 値は空気速度の増加とともに指数関数的に減少します。

前述の通り、断熱材の温側への伝導熱流は、冷側からの熱流よりもはるかに大きくなります。この場合、空気速度1 mm/sの場合、伝導熱流は6.21 × 4 / 0.0504 = 493倍となります（表1）。この伝導熱流の不均衡が、流入空気の温度を上昇させます。

壁へのこの大きな熱流入には、さらなる影響があります。壁、床、天井の表面には、これらの表面における対流と放射による熱伝達を考慮した熱抵抗があります。垂直な内部表面の場合、この熱抵抗の値は0.13 m ² K/Wです。^{[ 7 ]} 動的断熱壁では、壁への伝導熱流入が増加すると、この内部熱抵抗の増加による温度低下も大きくなります。壁面温度は次第に低くなります（表2）。図4は、空気流の増加に伴う表面温度の低下を考慮した動的断熱材の温度プロファイルを示しています。

図4 断熱材を通過する空気の冷たい側から暖かい側への流れ（逆流）

表2 空気膜熱抵抗による温度降下

空気速度u(mm/s)	空気膜を横切る温度降下（°C）
0	0.52
0.25	1.02
0.5	1.69
0.75	2.44
1.0	3.23

室内の有効温度は、気温と室内のすべての表面の平均温度の組み合わせであるため、壁を通る空気の流れが増加すると、人々はより涼しく感じることになります。居住者は、この温度差を埋めるために室内サーモスタットの温度を上げてしまいがちですが、その結果、熱損失が増加します。

プロフラックス

図5 断熱材を暖かい側から冷たい側へ流れる空気（プロフラックス）

図6 壁面の熱伝達と断熱材を通過する空気速度

図5は、伝導熱流（プロフラックス）と同じ方向に空気が流れる場合の、動的断熱材の温度プロファイルの典型的な挙動を示しています。室温の空気が速度を増しながら外側に流れるにつれて、温度プロファイルは次第に曲線状になります。断熱材の暖かい側では、暖かい空気が断熱材の冷却を空気の流れがない場合に起こる直線的な冷却を妨げるため、温度勾配は次第に水平になります。壁への伝導熱損失は、従来の断熱材に比べて大幅に少なくなります。ただし、これは断熱材の透過熱損失が非常に低いことを意味するものではありません。

断熱材の冷たい側では、外向きの空気の流れが増加するにつれて温度勾配が急になります。これは、空気が冷却され、断熱繊維に熱を伝達できなくなるためです。プロフラックスモードでは、従来の断熱材よりも速い速度で壁から熱が流出します。暖かく湿った空気が断熱材を通過して急速に冷却されると、断熱材内で結露が発生するリスクが高まり、壁の断熱性能が低下します。この状態が長引くと、カビの発生や木材の腐食につながる可能性があります。

断熱材の外側、つまり冷たい表面からの熱流（W/m ² K）が断熱材を通過する空気の流れによってどのように変化するかは、図6に示されています。冷たい空気が内側に流れる場合（空気速度が正）、熱損失は従来の断熱材の場合よりもゼロに近づきます。しかし、暖かい空気が断熱材を通過して外側に流れる場合（空気速度が負）、熱損失は大幅に増加します。これが、従来の断熱構造では、建物の外壁を気密にすることが推奨される理由です。一方、動的断熱構造では、あらゆる風速と風向において、建物のあらゆる地点で空気が内側に流れるようにする必要があります。

風の影響

一般的に、建物に風が吹くと、建物の表面全体で気圧Pwが_{変化します（図7）。} ^{[ 8 ]}

図7 建物周辺の風圧分布（Liddament, 1986）

${\displaystyle P_{w}-P_{o}=C_{p}\left({\tfrac {1}{2}}\rho _{a}v_{w}^{2}\right)}$

9

どこ

P _o 基準圧力（Pa）

C _p風圧係数（無次元）  

Liddament ^{[ 8 ]}およびCIBSE ^{[ 7 ]}は、低層建物（3階建てまで）のおおよその風圧係数データを提供しています。露出した敷地に建ち、風が建物の正面に直接吹き付ける正方形平面の建物の場合、風圧係数は図8のようになります。棟の高さ（8mと仮定）で風速5.7m/sの場合、建物が-10Paに減圧されると、側壁間の圧力差はゼロになります。風上側および風下側の壁の断熱材は、逆流モードで動的に動作し、U値はそれぞれ0.0008W/(m2K ⁾および0.1W/(m2K ⁾です。建物は正方形のフットプリントであるため、壁の平均U値は0.1252W/m2Kです。^他の風速および風向の場合、U値は異なります。

尾根高さでの風速が5.7 m/sを超える場合、側壁はプロフラックスモードとなり、U値は風速とともに劇的に増加します（図6）。尾根高さでの風速が9.0 m/sを超えると、風下側の壁はコントラフラックスモードからプロフラックスモードに切り替わります。4つの壁の平均U値は0.36 W/(m ² K)となり、これは気密構造の0.2 W/(m ² K)を大幅に上回ります。コントラフラックスモードからプロフラックスモードへのこの変化は、建物を-10 Pa以下に減圧することで遅らせることができます。

この建物が特定の地理的位置にある場合、その敷地の風速データを用いて、1つまたは複数の壁が危険で高い熱損失を伴うプロフラックスモードで作動する年間の割合を推定することができます。建物の敷地における風速のレイリー分布から、高さ10.0mにおける風速が7.83m/s（棟高8.0mにおける風速5.7m/sから推定）を超える年間時間数を推定することができます。^{[ 8 ]} これは、動的断熱壁を備えた建物で顕著な熱損失が発生する平均的な年間の合計時間です。

例えば、図 8 の建物がアバディーンのフットディーにあるとすると、Ordnance Survey Land Ranger のグリッド参照は NJ955065 になります。英国風速データベース^{[ 9 ]}に NJ9506 を入力すると、この場所の高度 10 メートルでの平均年間風速は 5.8 m/s と表示されます。この平均風速のレイリー分布によると、風速 8 m/s を超える時間が年間 2348 時間、つまり年間の約 27% 発生します。建物の壁の風圧係数は、年間を通じて変化する風向によっても変わります。それでも、上記の計算から、アバディーンのフットディーにある 2 階建ての正方形平面の建物では、年間の約 4 分の 1 の間、1 つまたは複数の壁が危険で熱損失の高いプロフラックス モードで動作する可能性があることがわかります。

建物外皮周辺の圧力変動を避けながら動的断熱を建物に導入するより堅牢な方法は、換気された屋根裏空間では天井上の圧力が比較的均一であるという事実を利用することです（図9）。^{[ 8 ]}したがって、動的断熱天井を備えた建物は、風速や風向の変化に関係なく、一貫した性能を発揮します。

図8 露出した敷地にある低層建物の風圧係数（Liddament, 1986）

図9 換気屋根周辺の風圧分布.png(Liddament, 1986)

空気制御層

動的断熱建物の最大減圧は通常10 Paに制限されています。これは、ドアがバタンと閉まったり、開けにくくなったりすることを避けるためです。^{[ 10 ] Dalehaugはまた、設計上の最小空気流量（> 0.5 m 3} /m ² h） での構造上の圧力差は約5 Paにすべきだと推奨しています。動的断熱壁または天井の空気制御層（図1）の機能は、設計空気流量で必要な圧力降下を達成するために十分な空気の流れ抵抗を提供することです。空気制御層には適切な通気性が求められ、これが動的断熱を機能させる鍵となります。

材料の空気透過率Φ（m ² /hPa）は、1m×1m×1mの立方体の材料を1時間で通過する空気の量として定義されます。

${\displaystyle \Phi ={\frac {L\ V'}{A\ \Delta \!P}}}$

10

どこ

 空気が流れる物質の面積（m ²）

L 空気が流れる材料の厚さ（m）

V' 空気の体積流量（m ³ /h）

 材料の長さ L に沿った圧力差 ΔP (Pa)

式（10 ）はダルシーの法則を簡略化したものである。建築用途では、空気は常圧常温であり、空気の粘度の小さな変化は重要ではない。ダルシーの法則は、多孔質媒体の透気度（m ²）が既知であれば、その透気度を計算するために使用できる。

動的断熱壁や天井に使用可能な材料の透気度を表3に示します。透気度データは、空調層に適した材料を選択する上で非常に重要です。その他の透気度データ源としては、ASHRAE ^{[ 11 ]} や Kumaran ^{[ 12 ]などがあります。}

表3：建築材料の測定された通気性^{[ 13 ]}

材料	密度（kg/m ^3）	透水性（m ^2 /hPa）	成分	透水性（m ^3 /m ^2 hPa）	圧力降下^1（Pa）
石膏ボード	-	1.06x10-5	12 mmシート	8.81x10-4	1140
サーマルブロック	850	1.6x10-5	100 mmブロック	1.6x10-4	526
ファイバーボード	-	1.34x10-3	12 mmシート	0.116	8.6
「ピュマライト」	870	0.036	100 mmブロック	0.36	2.8
セルロース / ウェットブロー	47	0.283	200ミリメートル	1.50	0.67
セルロース/ドライブロー	65	0.25	150ミリメートル	1.67	0.60
羊毛	28	1.8	140ミリメートル	13.0	0.08

（１）流量1m ³ /m ² h で計算した圧力損失

動的断熱建物の設計

動的断熱理論の応用は、例を挙げて説明するのが最も分かりやすいでしょう。床面積100平方メートルの住宅に動的断熱天井が設置されているとします。天井に動的断熱材を設置することで、住宅の階数は実質的に1階建てに制限されます ^。

最初のステップは、良好な空気質を確保するために適切な換気回数を決定することです。この換気回数は、動的断熱天井と機械換気・熱回収システム（MVHR）を通じて供給されるため、エネルギー損失は大きな問題とはならず、1時間あたり1回の換気回数（ach）と仮定します。床から天井までの高さが2.4mの場合、空気流量は240m³/時となり^、その一部は動的断熱天井から供給され、一部はMVHRから供給されます。

次に、選択した減圧度（この場合は10 Pa）において適切な空気流量が得られるように、空気制御層の材料を選択します。（空気流量は、10 Paの減圧度における所望のU値から決定できます。）表4から、ファイバーボードの適切な空気透過率は1.34x10 ⁻³ (m ² /hPa) であることがわかります。

厚さ12mmのファイバーボードの場合、最大圧力差が10Paの場合、天井1m²あたり1.12m³/hの空気流量が得られます^。これは^、天井を通過する空気の速度が1.12m/h、つまり0.31mm/sに相当します。したがって、 ^{100m²の天井では112m³} /hの空気が供給され、空気対空気熱交換器は残りの128m³/hの空気を供給し^ます。

動的断熱は、断熱材の厚さが十分であるほど効果を発揮します。例えば、セルロース断熱材（k = 0.04 W/m °C）200 mmを例にとると、空気流0.31 mm/sにおける動的U値は、上記式（7）を用いて0.066 W/m ² °Cと計算されます。より低い動的U値が必要な場合は、空気制御層にファイバーボードよりも通気性の低い材料を選択し、10 Paにおける断熱材通過時の空気速度を高める必要があります。

^{最後のステップは、供給空気流量が 128 m 3} /h、排気流量が 240 m ³ /hで熱回収効率が良好な空気対空気熱交換器を選択することです。

参照

• 断熱材一覧
• 建物にかかる風荷重
• 層流
• 多孔質媒体

参考文献

1. http://www.ccfoam.com/resources/Residential/Reading%20Room/LBM%20Journal%20Ventilation%2011-07.pdf
2. Easley, S., 2007, 「どれくらいきつく締めるのがきつすぎるのか？」LBM Journal、11月 www.LBMJournal.com
3. Taylor, BJ, Cawthorne, DA, Imbabi, MS, 1996, 動的および拡散性エンベロープの定常挙動の解析的調査、Building and Environment、31、pp 519-525
4. Wallenten, P., 1995, 動的断熱の解析的および数値的解析、国際建築性能シミュレーション協会、第4回国際会議、8月14～16日、ウィスコンシン州マディソン
5. Pfunstein, M.、Gellert, R.、Spitzner, M H.、Rudolphi, A.、2007 年、DETAIL Practice、断熱材、ビルクハウザー、バーゼル
6. ハインズ、J.、1999年、アーキテクツ・ジャーナル、1999年2月4日
7. CIBSE、2006年、CIBSEガイドA、環境デザイン、第7版、CIBSE、ロンドン
8. Liddament, MW, 1986, 空気浸透計算技術 - アプリケーションガイド、空気浸透および換気センター、ブラックネル
9. エネルギー・気候変動省（DECC）、2001年、英国風速データベース、 http://www.decc.gov.uk/en/content/cms/what_we_do/uk_supply/energy_mix/renewable/explained/wind/windsp_databas/windsp_databas.aspx
10. Dalehaug, A., 1993, 壁の動的断熱、研究報告書第53号、北海道立寒地住宅都市研究所
11. ASHRAE、2009年、ASHRAEハンドブック、基礎、第26章、表8、アトランタ
12. クマラン、M K.、1996年、「断熱外囲器部品における熱、空気、水分の移動」最終報告書、第3巻、タスク3：材料特性、国際エネルギー機関附属書24
13. Taylor, B J.、およびImbabi, M. S、2000、「ダイナミック断熱材を使用した環境設計」、ASHRAE Transactions、106、パート1

外部リンク

• 「OpenAir@RGU」動的断熱の理論と応用に関する詳細なリソースは、ロバート・ゴードン大学のオープンアクセス機関リポジトリである OpenAIR@RGU でご覧いただけます。