断熱構造と蓄熱構造

断熱構造と蓄熱構造の違い

一年を通して温度がほとんど変化しないで快適な温度に保たれているのは望ましい恒温温度環境であろう。
井戸は水と地面の大きな熱容量によって水温が保たれているのであって断熱構造をなしているのではない。いわば理想的な蓄熱体の効果である。窓を除く建屋体が完全な断熱体で覆われている場合を想定すると窓から侵入した熱と内部で生じた熱はそのまま溜められる。
したがって生活の場としての内部は徐々に高温状態へ移行する。恒温のためには熱を運び出さなければならない。
一方理想的な蓄熱構造を想定すると内部で発生した熱や侵入した熱は蓄熱体に吸収され温度の上昇はない。熱の移動に費やすエネルギーは必要が無いことになる。蓄熱構造の優位性である。寒暖温度差の大きい季節には昼間の日光熱を蓄熱して夜間放出することで恒温空間を得ることが可能となる。

蓄熱構造に必要な特性

効果的な蓄熱構造として限られた容積でこれを実現しようと潜熱蓄熱材が使われてきた。
材料の例として硫酸ナトリウムの水和物などに融点調整剤により固体⇔液体の相変化の温度を調整する。耐久性を保つために相分離防止剤さらには過冷却防止剤等を加えるのが普通である。
この種無機水和物の他に有機物蓄熱材料としてパラフィンが使われている。これらをポリプロピレンなどの容器に封入して利用に便利な形状にしている。
無機水和物蓄熱材には前述の硫酸ナトリウム水和物以外にも種々の水和物を用いた製品が出てきているが長期間の利用に耐える製品は少ない。
これらが実際の使用に耐えるには、相変化や温度の変化に対して体積の変化が長年にわたって一定であり、その値が過剰でないことである。

以上をまとめると、潜熱蓄熱構造体には次の特性が要求されることが分かる。

①少ない容積で必要な熱エネルギーを蓄えることができること。

②吸熱（28℃）、放熱（23℃）の温度と温度差（5℃以上）などが適当であること。

③耐久性があり劣化しないこと。

④吸熱放熱の熱交換が速やかに行われるように設計された容器に密封されていることが極めて重要であること。

⑤重量が適当であること。

⑥相変化に伴う膨張収縮が僅少であること。

蓄熱構造と断熱構造の根本的相違の実証

2008年4月から2101年3月末までの間、UR都市機構都市住宅技術研究所の主催するルネッサンス計画に東京電力と共に参画する機会を得た。
東京ひばりヶ丘団地の実験空間は同一条件の2室に蓄熱式床暖房（天井、壁面など、全面に蓄熱材を配置、面積比率約70%）と非蓄熱式床暖房を施工し、その相違を観測するものであった。
その結果のデータの一部を次に示す。

図9(a)は外気温10℃以下における温度環境の差をサーモカメラの映像から見たのもである。
蓄熱材が全面に張られている左側の部屋が蓄熱材の無い右側の部屋よりはるかに良くなっていることが認められる。
特に午後6時の映像は外部温度の低下を受け、蓄熱材の熱エネルギーが放出されることによる空間の暖かさを如実に示しており、その差は歴然としている。
しかしながら、消費電力はほぼ同じという結果であった。これは床上600の温度環境を同一温度に想定すれば、明らかに蓄熱式の床暖房の方が消費電力が少なくて済んだことが容易に推定される。
放射熱が蓄熱材から発せられており、室内の人は各方向からの暖かさを感じることが出来る環境である。放射熱を評価するPMVのような形式のセンサーが温度制御のために一般化することが望まれるところである。

図9(b)は夏の時期に空調機の使用を夜間8時間のみ運転の両室の環境の相違をサーモカメラの画像で示したものである。
日射があるため、外部から熱の流入があるが、蓄熱構造体ナサコアパネルを配置した方の左の温室は日射の影響を吸収して最高温度が抑えられ、ある程度の恒温化が実現されていることが明快に認められる。
このように蓄熱材の効果が明解に示された実施例は今後様々なそして貴重な示唆を与えてくれるものと考えている。

図9に断熱材と蓄熱材の効果の相違を冬季および夏季について示した。
冬季は蓄熱効果が一日中認められるが特に18時の室温には大きな差があるのはこの頃から外気温の低下に伴い凝固潜熱の放熱が始まり、日中より暖かくなっている。潜熱の熱エネルギーが如何に大きいかを示した結果になっている。
夏季は、エアコンを夜間8時間冷房運転を行い、日中は一切の人為操作なしの映像である。
直射日光の影響が双方の映像に現れているが明らかに断熱材のみの方が室周囲全般に大きな影響を受けている。吸熱に拠る蓄冷効果が鮮明に現れている映像である。

23℃～28℃の温度範囲での「恒温化」。23℃以下になると放熱、28℃以上で吸熱を繰り返し、直射日光等外部からの加熱を吸収し、室温を「恒温化」している。

　

参考資料-2
冬期間の蓄熱効果
（消費電力をほぼ同じに成る様設定し室温の差を観察した）

冬季3月25日から4月1日までの1週間外気温はほぼ5℃前後である。
蓄熱の部屋（ナサコア室205夜間8時間床暖房のみ）と断熱の部屋（断熱材のみの室207）の両室を空調機の設定は室温18℃にし、1週間の連続運転により、室内各部の温度を測定して比較資料とした。
床上60cmのところで15℃以上になっている時間を比較するとナサコア室の温度は時間積分にして3倍の違いが出ていることが見て取れる。この際消費電力はほぼ同等であったことから蓄熱材と断熱材の相違は明快であり、消費電力の大幅な節減が推定出来る。

実際には、生活熱を含む窓からの直射日光、暖房、冷房等の温度差を熱源とし、28℃を超すと吸熱、23℃以下になると放熱し、「室温を恒温化」し、更に大きな消費電力の差となり究極のエコ、CO2削減を実現する。
　

謝辞

本稿を執筆するにあたり、UR都市機構都市住宅技術研究所および東京電力の関係者の方々には実験データの引用等多くのご協力を戴いた。ここに記して深甚なる謝意を表します。