ダイナミック絶縁

動的断熱とは、建物の外皮の断熱材を流れる冷たい外気が断熱繊維から熱を奪う断熱形態です。建物は、これを利用して伝達熱損失 ( U 値) を減らし、内部空間に予熱された通風のない空気を供給するように設計できます。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なり、断熱材 ( 気候適応型建物シェル) を流れる空気の速度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。動的断熱のプラス面は、気密外皮を作成し、自然換気または熱回収による機械換気を使用して適切な換気を行うという、建物設計に対するより一般的なアプローチと比較検討する必要があります。建物外皮設計に対する気密アプローチは、動的断熱とは異なり、風速や風向に関係なく、熱損失と間隙結露のリスクに関して一貫したパフォーマンスを提供する建物外皮になります。特定の風条件下では、動的断熱された建物は、同じ厚さの断熱材を備えた気密建物よりも熱伝達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。

建物の壁と屋根の主な機能は、防風と防水です。建物の機能に応じて、エネルギーの使用とそれに伴う二酸化炭素の排出を最小限に抑える方法で、建物内部を適切な温度範囲内に維持する必要もあります。

動的断熱は、通常、木造の壁と天井に導入されます。これは、建築設計者や建築設備技術者が長年信じてきた「気密性を高め、適切に換気する」という常識を覆すものです。^{[1] [2]} 建物の圧力が下がったときに、壁や屋根、天井の断熱材を通して空気が外部から内部に流れるように、空気を通す壁や屋根/天井が必要です (図 1 および 2)。以下では、簡単にするために、動的断熱について、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温帯または寒冷気候を例に説明します。暑い気候では、建物からの熱損失を増やすために使用できる場合があります。

空気が断熱材の中を流れ込むと、断熱繊維を介して、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減らすと同時に、室内に予熱された空気を供給するという二重の機能を実現できます。ダイナミック断熱材は、したがって、自然換気または機械換気がなければ室内空気の質が悪化するという気密エンベロープの主な欠点を克服しているように見えます。ただし、ダイナミック断熱材では、排気中の熱を回収するために、熱回収機能付き機械換気 (MVHR) も必要です。

壁や屋根/天井から継続的に空気を吸い込むには、建物の圧力を周囲圧力より 5 ～ 10パスカル低く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、継続的に外部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、これを行う最も簡単な方法です。

気密木造建築の注釈

通気性壁構造に関する注釈

動的断熱材の主な特徴はすべて、空気透過性断熱材の均一なサンプルを通る1次元の定常熱伝導と空気の流れの理想的なケースを考えることで理解できます。断熱材の冷たい側から測定した距離xでの温度Tを決定する式（ 1 ）は、断熱材の小さな要素を横切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。

どこ

u 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 次元ジオメトリの場合、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 1D モデルは、伝導および対流熱伝達プロセスに関する多くの物理的な洞察を提供し、CFD 計算結果の妥当性をテストする手段を提供します。さらに、建物の設計、承認、および建物エネルギー性能評価に使用される熱伝達係数 (U 値) の計算で単純な 1D 定常熱流が想定されるのと同様に、動的断熱の単純な 1D 定常モデルは、動的断熱された建物または建物の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、その微細構造により空気を通さないため、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空気を通すため、動的断熱エンベロープに使用できます。式（1）では、断熱材を通過する空気の速度uは、空気の流れが伝導熱流と反対方向（逆流）である場合に正とみなされます。式（1）は、多層壁の定常熱流にも適用されます。^[3]

式（１）には解析解がある^[4]

境界条件:

T(x) = T _o （x = 0の場合）

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。

式（ 2） を用いて計算した厚さ0.2mのセルロース断熱材の片面が20℃、他面が0℃の空気が流れる温度分布を図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 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ますます曲線的になります。断熱材の冷たい側 (x/L = 0) では、温度勾配はますます水平になります。伝導熱流は温度勾配に比例するため、冷たい側の温度プロファイルの傾斜は、壁や屋根を通る伝導熱損失を直接示します。断熱材の冷たい側では、温度勾配はほぼゼロであり、これが、動的断熱材が U 値ゼロ W/m ² K を実現できるとよく言われる根拠です。

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 (空気速度 = 0 mm/s) よりも速い速度で熱が壁に流入していることを意味します。断熱材を 1 mm/s で流れる空気の場合、断熱材の暖かい側の温度勾配 (x/L = 1) は 621 °C/m ですが、従来の断熱材の場合はわずか 100 °C/m です。これは、空気の流れが 1 mm/s の場合、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、外から空気が流れ込む場合、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、従来の断熱住宅の 6 倍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暖められるとよく​​言われます。^[6] これは、外気が「自由」な熱によって暖められていることを意味します。壁への熱の流れが空気の速度とともに増加するという事実は、内表面の温度が下がることで証明されます (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も必要です。後者には、断熱が適切であれば最小限の暖房システムしか必要としない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。

これから、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。

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。

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）。

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思われる。^[4]

動的U値と静的U値（u=0 m/s）の比は

表1 動的U値

この定義では、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。

上で述べたように、断熱材の暖かい側に入る伝導熱流は、冷たい側から出る熱流よりはるかに大きいです。この場合、空気速度が 1 mm/s の場合、6.21 X 4 / 0.0504 = 493 倍になります (表 1)。伝導熱流のこの不均衡により、流入する空気の温度が上昇します。

壁へのこの大きな熱流には、さらなる影響があります。壁、床、天井の表面には、これらの表面での対流熱伝達と放射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、壁への伝導熱流が増加すると、この内部熱抵抗の増加による温度低下も増加します。壁面温度はますます低くなります (表 2)。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による温度プロファイルを図 4 に示します。

表2 空気膜熱抵抗による温度降下

部屋の動作温度は、空気の温度と部屋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、人々はますます涼しく感じることになります。居住者は、これを補うために室内のサーモスタットを上げようとするかもしれませんが、その結果、熱損失が増加します。

図 5 は、伝導熱流と同じ方向に空気が流れる場合 (プロフラックス) の動的断熱材温度プロファイルの一般的な動作を示しています。室温の空気が外向きに速度を増しながら流れると、温度プロファイルはますます曲線的になります。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、温度勾配はますます水平になります。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。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、空気の流出量が増えるにつれて温度勾配が急になります。これは、空気が冷やされ、断熱材の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、従来の断熱材の場合よりも速い速度で熱が壁から流出します。暖かく湿った空気が断熱材から流出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、壁の熱性能が低下し、長時間続くとカビの繁殖や木材の腐食につながる可能性があります。

断熱材の外側または冷たい表面からの熱流 (W/m ² K) が断熱材を通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 (空気の速度は正)、熱損失は従来の断熱材よりもゼロに向かって減少します。ただし、暖かい空気が断熱材を通って外側に流れる場合 (空気の速度は負)、熱損失は大幅に増加します。これが、従来の断熱建物ではエンベロープを気密にすることが望ましい理由です。動的断熱壁では、あらゆる風速と風向の下で、建物のすべてのポイントで空気の流れが内側になるようにする必要があります。

一般的に、建物に風が吹くと、空気圧Pw_は建物の表面全体で変化します（図7）。^[8]

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の平面の建物の場合、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/(m ² K)および0.1W/(m ² K)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/m ² Kです。他の風速および風向の場合、U値は異なります。

尾根の高さで風速が 5.7 m/s を超える場合、側壁はプロフラックス モードになり、U 値は風速とともに劇的に増加します (図 6)。尾根の高さで風速が 9.0 m/s を超えると、風下側は逆フラックス 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、気密構造の 0.2 W/(m ² K) よりも大幅に高くなります。逆フラックス モードからプロフラックス モードへのこれらの変化は、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。

この建物を特定の地理的位置に配置すると、この場所の風速データを使用して、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 モードで動作する年間の割合を推定できます。建物の場所で風速のレイリー分布から、高さ 10.0 m での風速が 7.83 m/s (尾根の高さ 8.0 m での風速 5.7 m/s から推定) を超える年間時間数を推定できます。^[8] これは、動的断熱壁を備えた建物で平均的な年間に著しい熱損失が発生する合計時間です。

たとえば、図 8 の建物がアバディーンのフットディにある場合、Ordnance Survey Land Ranger グリッド参照は NJ955065 です。英国風速データベース^[9]に NJ9506 を入力すると、このサイトの高度 10 メートルでの平均年間風速は 5.8 m/s になります。この平均風速のレイリー分布は、風速が 8 m/s を超える時間が年間 2348 時間、つまり年間の約 27% 発生する可能性があることを示しています。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異なります。それでも、上記の計算から、アバディーンのフットディにある 2 階建ての正方形プランの建物では、年間の約 4 分の 1 の間、1 つ以上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。

建物外面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、換気された屋根空間では圧力が天井全体で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。

動的断熱建物の最大減圧は通常、ドアがバタンと閉まったり、開けにくくなったりしないように10 Paに制限されています。^{[10] Dalehaugはまた、設計最小空気流量（> 0.5 m 3} /m ² h） での構造上の圧力差は約5 Paにすべきであると推奨しています。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空気の流れに十分な抵抗を提供することです。空気制御層には適切な空気透過性が必要であり、これが動的断熱を機能させる鍵となります。

空気の流れに対する材料の透過率Φ（m ² /hPa）は、1m×1m×1mの立方体の材料を1時間に流れる空気の体積として定義されます。

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、空気は常圧および常温であり、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、媒体の透気度（m ² ）が分かっている場合、多孔質媒体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できるいくつかの材料の通気性を表3に示します。通気性データは、空気制御層に適切な材料を選択する上で非常に重要です。通気性データのその他の情報源としては、ASHRAE ^[11] や Kumaran ^{[12]などがあります。}

表3：建築材料の空気透過性の測定値 ^[13]

（１）流量１ｍ^３／ｍ^２ｈ で計算した圧力損失

動的断熱理論の応用は、例を挙げて説明するのが一番です。動的断熱天井を備えた床面積 100 m ²の住宅を想定します。動的断熱を天井に取り付けると、住宅は実質的に 1 階建てに制限されます。

最初のステップは、良好な空気質を得るための適切な換気率を決定することです。この空気流量は、動的断熱天井と機械換気および熱回収システム (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ではなく、1 時間あたり 1 回の換気 (ach) と想定されます。床から天井までの高さが 2.4 m の場合、空気流量は 240 m ³ /h 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（この場合は 10 Pa）で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 の減圧での目的の 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性は 1.34x10 ⁻³ (m ² /hPa) であることがわかります。

12mm厚のファイバーボードの場合、最大圧力差が10 Paの場合、天井1m ^{2あたり1.12 m 3} /hの空気流量が得られます。これは、天井を通過する空気速度1.12 m/hまたは0.31 mm/sに相当します。したがって、100 m ^{2の天井では112 m 3} /hが提供され、空気対空気熱交換器は残りの128 m ³ /h を提供します。

動的断熱は断熱材の厚さが十分である場合に最も効果を発揮するため、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に対する動的U値は、上記式（7）を使用して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、ファイバーボードよりも空気透過性の低い材料を空気制御層に選択して、10 Paで断熱材を通過する空気速度を高くする必要があります。

^{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。

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• 「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。