熱橋
熱橋内の温度分布
この熱画像は、高層ビル（シカゴのアクア）の熱橋を示しています。

熱橋（サーマルブリッジ）は、冷橋、熱橋、熱バイパスとも呼ばれ、物体の周囲の材料よりも熱伝導率の高い領域または構成要素であり、 [ 1 ]熱伝達のための抵抗が最も少ない経路を形成します。[ 2 ]熱橋は物体の熱抵抗を全体的に低減します。この用語は、建物の断熱層において、熱橋が空調空間への熱の流入または流出を引き起こすという文脈で頻繁に議論されます。

建物内の熱橋は、空間の冷暖房に必要なエネルギー量に影響を与え、建物外壁内で結露（湿気）を引き起こし、 [ 3 ]不快感を伴う温熱環境をもたらす可能性があります。寒冷地では、熱橋によってさらなる熱損失が生じ、その緩和のために追加のエネルギーが必要になる場合があります。

熱橋を軽減または防止するための戦略としては、非空調スペースから空調スペースにまたがる建物の部材の数を制限したり、連続した建物断熱材を使用して断熱層を作成したりすることが挙げられます。

コンセプト

接合部における熱橋。断熱層がないため、熱は床構造から壁を通って移動します。

熱伝達は、対流、放射、伝導の3つのメカニズムによって発生します。[ 4 ]熱橋は伝導による熱伝達の一例です。熱伝達率は、材料の熱伝導率と熱橋の両側で発生する温度差によって決まります。温度差がある場合、熱は最も熱伝導率が高く熱抵抗が最も低い材料を通る最小抵抗の経路をたどります。この経路が熱橋です。[ 5 ]熱橋とは、建物の外壁の他の部分よりも熱伝導率が高い1つまたは複数の要素を介して外部と内部が直接接続されている建物内の状況を指します。

識別

建物の熱橋調査は、国際標準化機構（ISO）の規定に基づき、受動型赤外線サーモグラフィー（IRT）を用いて行われます。建物の赤外線サーモグラフィーは、熱漏れを示す熱シグネチャーを検出できます。IRTは、建物構成要素を通る流体の動きに関連する熱異常を検出し、それに応じて温度の大きな変化を引き起こす材料の熱特性の変動を明らかにします。ドロップシャドウ効果、つまり周囲の環境が建物のファサードに影を落とす状況は、ファサードの太陽光照射の不均一性によって測定精度に問題が生じる可能性があります。この問題の解決には、代替解析手法である反復フィルタリング（IF）を使用できます。

建物のサーモグラフィ検査では、熱画像の解釈は必ず人間の作業者によって行われ、作業者の主観性と専門知識に大きく左右されます。レーザースキャン技術などの自動解析手法では、3次元CADモデル表面の熱画像と測定情報をサーモグラフィ解析に提供できます。[ 6 ] 3Dモデルの表面温度データは、熱橋や断熱材の漏れなどの熱の不規則性を特定・測定できます。また、無人航空機（UAV）を使用して複数のカメラやプラットフォームからの熱データを融合し、熱画像を取得することもできます。UAVは赤外線カメラを使用して記録された温度値の熱場画像を生成します。この画像では、すべてのピクセルが建物の表面から放出される放射エネルギーを表しています。[ 7 ]

建設中

熱橋は、建物の断熱外皮を指す場合によく用いられます。断熱外皮とは、建物の外郭システムの層で、内部の空調環境と外部の非空調環境との間の熱の流れを遮断する役割を果たします。建物の断熱外皮を伝わる熱の伝達率は、外皮全体に存在する材料によって異なります。断熱外皮が存在する場所では、断熱材が存在する場所よりも熱抵抗が少ないため、熱伝達は大きくなります。[ 8 ]冬は、外気温が室内温度よりも低い場合が多く、熱は外向きに流れ、断熱外皮をより速く通過します。断熱外皮が存在する場所では、建物の内壁表面の温度が周囲よりも低くなります。夏は、外気温が室内温度よりも高い場合が多く、熱は内向きに流れ、断熱外皮をより速く通過します。[ 9 ]これにより、建物内の空調空間において、冬季の熱損失と夏季の熱利得が発生します。[ 10 ]

様々な国の規制で断熱要件が定められているにもかかわらず、建物外皮における熱橋は建設業界において依然として弱点となっています。さらに、多くの国では、建築設計において規制で定められた部分的な断熱対策が実施されています。[ 11 ]その結果、実際には設計段階で予測されるよりも大きな熱損失が発生します。

外壁や断熱天井などの構造物は、一般的にU係数（W/m 2 ·K）によって分類されます。これは、断熱層だけでなく、構造物内のすべての材料の単位面積あたりの熱伝達率を反映しています。熱橋を介した熱伝達は、構造物全体の熱抵抗を低下させ、U係数を増加させます。[ 12 ]

熱橋は建物外皮内の複数の箇所に発生する可能性がありますが、最も一般的なのは、2つ以上の建物要素の接合部です。一般的な発生箇所は以下のとおりです。

  • 床と壁またはバルコニーと壁の接合部（床スラブを建物の外壁まで延長する地面上のスラブやコンクリートのバルコニーまたは屋外パティオを含む）
  • 屋根/天井と壁の接合部、特に天井断熱の深さが十分でない可能性がある場合
  • 窓と壁の接合部[ 13 ]
  • ドアと壁の接合部[ 13 ]
  • 壁と壁の接合部[ 13 ]
  • 外壁、天井、屋根の構造に組み込まれる間柱や梁などの木材、鋼鉄、コンクリート製の部材[ 14 ]
  • 断熱天井を貫通する埋め込み型照明器具
  • 窓やドア、特にフレーム部品
  • 断熱材に隙間がある場所や断熱材が適切に設置されていない場所
  • 石造空洞壁の金属タイ[ 14 ]

構造要素は建築において依然として弱点であり、一般的に熱橋を引き起こし、室内の熱損失が大きくなり表面温度が低下します。

石積みの壁

熱橋はさまざまな種類の建物の外装に存在しますが、石造壁では熱橋が原因で U 係数が大幅に増加します。異なる建築材料の熱伝導率を比較することにより、他の設計オプションと比較したパフォーマンスを評価することができます。通常、ファサードの外装に使用されるレンガ材料は、レンガの密度と木材の種類に応じて、木材よりも熱伝導率が高くなります。[ 15 ]石造建築の床や端部梁に使用されるコンクリートは、特に角で一般的な熱橋です。コンクリートの物理的構成によっては、熱伝導率がレンガ材料よりも高くなることがあります。[ 15 ]熱伝達に加えて、屋内環境の換気が適切でない場合、熱橋によってレンガ材料が雨水や湿気を壁に吸収し、カビの発生や建物エンベロープ材料の劣化につながる可能性があります。

カーテンウォール

石造壁と同様に、カーテンウォールも熱橋によりUファクターが大幅に増加する可能性があります。カーテンウォールのフレームは、通常200 W/m·Kを超える熱伝導率を持つ高熱伝導アルミニウムで作られることが多いです。一方、木製フレームの熱伝導率は通常0.68～1.25 W/m·Kです。[ 15 ]ほとんどのカーテンウォール構造のアルミニウムフレームは、建物の外部から内部まで伸びており、熱橋を形成します。[ 16 ]

影響

熱橋は、冬季の熱損失と夏季の熱獲得により、空調された空間の暖房または冷房に必要なエネルギーの増加につながる可能性があります。熱橋の近くの屋内では、居住者は温度差による不快感を感じる可能性があります。[ 17 ]さらに、窓枠の熱橋はガラスや窓枠に氷の付着を引き起こし、材料の劣化、カビの発生、エネルギーコストの増加につながる可能性があります。[ 18 ]

冬場によくあるように、屋内と屋外の温度差が大きく、室内に暖かく湿った空気が存在する場合、熱橋箇所の冷たい室内表面に結露が発生する可能性があります。[ 17 ]この結露は最終的にカビの繁殖、室内空気質の悪化、断熱材の劣化を引き起こし、断熱性能の低下や建物外壁全体の断熱性の不均一化につながります。[ 19 ]また、結露は戸建て住宅で「ゴースト」（熱トラッキング）を引き起こす可能性があり、ほこりやすすが内壁に付着して、冷たい場所に黒い跡を残します。例えば、スチールスタッドに隣接する壁板の表面に縞模様が現れます。[ 20 ]

削減

断熱材を使用して熱橋を最小限に抑える例

原因、場所、建築の種類に応じて、熱橋を軽減または除去することが実証されているいくつかの方法があります。これらの方法の目的は、建物の部材が本来であれば外部から内部まで渡る場所に断熱層を設けるか、外部から内部まで渡る部材の数を減らすことです。これらの戦略には以下が含まれます。

  • 断熱外皮内の連続した断熱層（硬質発泡ボード断熱材など）[ 5 ]
  • 直接導通が不可能な場合の絶縁材のラッピング
  • 二重壁およびずらした壁の組み立て[ 21 ]
  • 構造断熱パネル（SIP）と断熱コンクリートフォーム（ICF）[ 21 ]
  • 不要なフレーム部材を排除することでフレーム係数を低減する（高度なフレーム設計など）[ 21 ]
  • 壁と屋根の接合部にヒールトラスを高くして断熱材の厚みを増やす
  • 空隙や圧縮断熱材のない高品質な断熱材の設置
  • ガス充填材と低放射コーティングを施した二重窓または三重窓の設置[ 22 ]
  • 熱伝導率の低い材料で作られた断熱フレームを備えた窓の設置[ 22 ]

分析方法と課題

熱橋は熱伝達に大きな影響を与えるため、その影響を正しくモデル化することは、全体的なエネルギー使用量を推定する上で重要です。熱橋は多次元の熱伝達を特徴とするため、ほとんどの建物エネルギーシミュレーションツールで建物の熱性能を推定するために一般的に使用される定常状態の1次元（1D）計算モデルでは適切に近似できません。[ 23 ]定常状態の熱伝達モデルは、時間とともに変動しない温度差によって熱が駆動される単純な熱流に基づいており、熱流は常に一方向になります。このタイプの1Dモデルは、熱橋が存在する場合、エンベロープを通る熱伝達を大幅に過小評価する可能性があり、その結果、建物のエネルギー使用量の予測値が低くなります。[ 24 ]

現在利用可能な解決策としては、モデリングソフトウェアで2次元（2D）および3次元（3D）の熱伝達機能を有効にするか、より一般的には、多次元の熱伝達を建築シミュレーションソフトウェアで使用できる等価な1Dコンポーネントに変換する手法を用いる方法がある。後者の方法は、等価壁法によって実現できる。等価壁法では、熱橋を有する壁などの複雑な動的アセンブリを、等価な熱特性を持つ1D多層アセンブリで表現する。[ 25 ]

参照

参考文献

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