熱質量

建物の設計において、熱質量とは建物の物質の特性であり、温度を変えるためには熱の流れが必要です。科学的な文章では「熱容量」という用語が好まれます。これは熱フライホイール効果と呼ばれることもあります。^{[1]重い構造要素の熱質量は、建物のより軽い}熱抵抗コンポーネントと連携して機能するように設計され、エネルギー効率の高い建物を作り出すことができます。

たとえば、外気温が一日を通して変動している場合、家の断熱された部分内の大きな熱質量は、日々の温度変動を「平らにする」のに役立ちます。これは、熱質量が、周囲の温度が質量よりも高いときに熱エネルギーを吸収し、周囲の温度が低いときに熱平衡に達することなく熱エネルギーを返すためです。これは、建物の熱伝導率を低下させ、比較的外部から独立して暖房または冷房を行えるようにしたり、居住者の熱エネルギーをより長く保持したりすることを可能にする、材料の断熱値とは異なります。

科学的には、熱質量は熱容量または熱容量、つまり物体が熱エネルギーを蓄える能力と同等です。これは通常、記号C _thで表され、SI 単位は J/K または J/°C (どちらも同等) です。熱質量は、水、機械または機械部品、生物、または工学や生物学におけるその他の構造物や物体にも使用されることがあります。これらの文脈では、通常、代わりに「熱容量」という用語が使用されます。

熱エネルギーと熱質量を関連付ける式は次のとおりです。

${\displaystyle Q=C_{\mathrm {th} }\Delta T\,}$

ここで、Qは伝達される熱エネルギー、C _thは物体の熱質量、Δ T は温度の変化です。

たとえば、熱質量が 38.46 J/°C の銅歯車に 250 J の熱エネルギーが加えられると、歯車の温度は 6.50 °C 上昇します。物体が十分に既知の物理的特性を持つ均質な材料で構成されている場合、熱質量は存在する材料の質量にその材料の比熱容量を掛けた値になります。物体が複数の材料でできている場合は、計算にその純粋な成分の熱容量の合計を使用することがありますが、場合によっては (たとえば動物全体)、問題の物体全体の数値を直接測定することもできます。

示量特性として、熱容量は物体の特性です。それに対応する示量特性は比熱容量で、質量やモル数などの物質量の尺度で表されます。これに同様の単位を掛けて、物質全体の熱容量を求めます。したがって、熱容量は、物体の質量m と物質の比熱容量cの積、または存在する分子のモル数nとモル比熱容量の積として計算できます。純物質の熱エネルギー貯蔵能力が変化する理由については、 「比熱容量に影響を与える要因」を参照してください。 ${\displaystyle {\bar {c}}}$

均一な組成の物体の場合、次のように近似できる。 ${\displaystyle C_{\mathrm {th} }}$

${\displaystyle C_{\mathrm {th} }=mc_{\mathrm {p} }}$

ここで、は物体の質量、は問題の温度範囲で平均した物質の等圧比熱容量です。 多数の異なる物質で構成された物体の場合、異なるコンポーネントの熱質量を単に合計することができます。 ${\displaystyle m}$${\displaystyle c_{\mathrm {p} }}$

熱質量は、夏だけでなく冬でも毎日の温度変動がある場所では、建物の快適性を改善するのに効果的です。熱質量は、適切に使用し、パッシブソーラーデザインと組み合わせると、能動的な暖房および冷房システムのエネルギー使用量を大幅に削減する上で重要な役割を果たすことができます。熱質量のある材料の使用は、昼と夜の屋外温度差が大きい場合（または、夜間の気温がサーモスタットの設定温度より10度以上低い場合）に最も有利です。^[2]重量型と軽量型という用語は、異なる熱質量戦略を持つ建物を表すためによく使用され、暖房と冷房に対する建物の熱応答を表す後続の計算で使用される数値係数の選択に影響します。建物設備工学では、動的シミュレーション計算モデリングソフトウェアを使用することで、さまざまな構造の建物やさまざまな年間気候データセット内の環境パフォーマンスを正確に計算できるようになりました。これにより、建築家やエンジニアは、重量構造と軽量構造、および断熱レベルの関係を詳細に調査して、機械的な暖房または冷房システムのエネルギー消費を削減したり、そのようなシステムの必要性を完全に排除したりすることができます。

熱質量に最適な材料は、次のような材料です。

• 高い比熱容量、
• 高密度[要出典]

固体、液体、気体には、ある程度の熱質量があります。よくある誤解は、コンクリートや土だけに熱質量があるというものですが、空気にも熱質量があります (ただし、非常に小さいです)。

建築材料の体積熱容量表は入手可能だが^[3]、熱質量の定義が若干異なることに注意する必要がある。

熱質量の正しい使用と適用は、地域の一般的な気候に依存します。

熱質量は建物内に、低角度の冬季太陽光（窓経由）に晒されながらも熱損失から遮断された場所に配置するのが理想的です。夏季には、建物の過熱を防ぐために、同じ熱質量を高角度の夏季太陽光から遮る必要があります。

熱質量は、日中は太陽によって、または追加的に内部暖房システムによって受動的に暖められます。熱質量に蓄えられた熱エネルギーは、夜間に内部に放出されます。パッシブソーラー設計の標準原理と組み合わせて使用​​することが重要です。

どのような形の蓄熱材でも使用できます。コンクリート スラブ基礎を露出させたままにするか、タイルなどの導電性材料で覆うのが簡単な解決策の 1 つです。もう 1 つの斬新な方法は、木造住宅の石積みのファサードを内側に配置することです (「逆レンガ張り」)。この状況では、蓄熱材は大きな体積や厚さではなく、広い面積に適用するのが最適です。多くの場合、7.5～10 cm (3～4 インチ) で十分です。

熱エネルギーの最も重要な源は太陽であるため、ガラスと熱質量の比率は考慮すべき重要な要素です。これを決定するさまざまな公式が考案されています。^[4]一般的なルールとして、全床面積の 7% を超える太陽に面した (南半球では北向き、北半球では南向き) ガラスの領域には、追加の太陽光露出熱質量を 6:1 ～ 8:1 の比率で適用する必要があります。たとえば、200 m ^{2 の}住宅で太陽に面したガラスが 20 m ²ある場合、全床面積の 10% がガラスであり、そのガラスの 6 m ²には追加の熱質量が必要になります。したがって、上記の 6:1 ～ 8:1 の比率を使用すると、太陽光に露出する熱質量がさらに 36～48 m ²必要になります。正確な要件は気候によって異なります。

蓄熱体は、建物内の直射日光から遮断され、建物の居住者に露出される場所に配置するのが理想的です。したがって、蓄熱体は、コンクリートの軒裏が居住空間に露出されたままになっている、自然換気または低エネルギーの機械換気の建物内の固体コンクリート床スラブに最もよく使用されます。

日中は太陽、建物の居住者、電気照明や機器から熱が入り、空間内の空気温度が上昇しますが、この熱は上部の露出したコンクリート スラブによって吸収されるため、空間内の温度上昇は人間の温熱快適性の許容レベル内に抑えられます。さらに、コンクリート スラブの表面温度が低いため、居住者からの放射熱も直接吸収され、これも居住者の温熱快適性に寄与します。

一日の終わりにはスラブが温まり、外気温が下がると熱が放出されてスラブが冷え、次の日の準備が整います。ただし、この「再生」プロセスは、スラブから熱を逃がすために夜間に建物の換気システムが稼働している場合にのみ有効です。自然換気の建物では、このプロセスを自動的に促進するために自動窓開閉装置が備えられているのが普通です。

これは蓄熱材の古典的な使用法です。例としては、アドベ、版築、石灰岩ブロックの家屋などがあります。蓄熱材の機能は、顕著な日中の気温変化に大きく依存します。壁は主に、日中に外部から内部への熱伝達を遅らせる働きをします。体積熱容量が大きく、厚さがあるため、熱エネルギーが内部表面に到達するのを防ぎます。夜間に気温が下がると、壁は熱エネルギーを夜空に再放射します。この用途では、内部への熱伝達を防ぐために、このような壁が頑丈であることが重要です。

夜間の気温が高いままのこの環境では、蓄熱材の使用が最も困難です。蓄熱材は主に一時的なヒートシンクとして使用されます。ただし、過熱を防ぐために戦略的に配置する必要があります。蓄熱材は、太陽光の直接の影響を受けない場所に設置し、夜間に十分な換気ができるようにして、内部温度をさらに上昇させずに蓄えられたエネルギーを放出する必要があります。蓄熱材を使用する場合は、適度な量を使用し、厚くしすぎないようにする必要があります。

• 水:水は、一般的に使用されるすべての物質の中で最も高い体積熱容量を持っています。通常、水は直射日光が当たる場所にあるアクリル管などの大きな容器に入れられます。また、土壌などの他の種類の物質を飽和させて熱容量を増やすためにも使用されます。
• コンクリート、粘土レンガ、その他の石積み：コンクリートの熱伝導率は、その組成と養生方法によって異なります。石を使用したコンクリートは、灰、パーライト、繊維、その他の断熱骨材を使用したコンクリートよりも熱伝導率が高くなります。コンクリートの熱質量特性により、針葉樹材と比較して年間エネルギーコストが5～8％節約されます。^[5]
• 断熱コンクリート パネルは、熱質量係数を提供するためのコンクリートの内層で構成されています。これは、従来のフォーム断熱材によって外側から断熱され、さらにコンクリートの外層で覆われています。その結果、非常に効率的な建物断熱エンベロープが実現します。
• 断熱コンクリート型枠は、建物構造に熱質量と断熱性の両方を提供するために一般的に使用されます。コンクリートの質量は、良好な熱慣性に必要な比熱容量を提供します。型枠の側面または内部表面に作成された断熱層は、良好な熱抵抗を提供します。
• 粘土レンガ、日干しレンガ、泥レンガ:レンガと日干しレンガを参照してください。
• 土、泥、芝:土の熱容量は、その密度、水分含有量、粒子の形状、温度、組成によって異なります。ネブラスカ州への初期の入植者は、木材、石材、その他の建築資材が不足していたため、土と芝でできた厚い壁の家を建てました。壁の極端な厚さは断熱効果もありましたが、主に熱質量として機能し、日中は熱エネルギーを吸収し、夜間に放出しました。今日では、人々は同じ効果を得るために、家の周りに土を敷くことがあります。土を敷く場合、熱質量は建物の壁だけでなく、建物と物理的に接触している周囲の土からも得られます。これにより、温度がほぼ一定で緩和され、隣接する壁を通る熱の流れが減少します。
• 版築土:版築土は密度が高く、建設に使用される土の比熱容量も高いため、優れた熱容量を提供します。
• 天然の岩石および石材:石工を参照してください。
• 丸太は、家の外壁、そしておそらくは内壁を作るための建築材料として使われます。丸太の家が上記の他の建築材料と異なるのは、無垢材は中程度のR値（断熱性）と大きな熱容量の両方を備えているからです。対照的に、水、土、岩、コンクリートはすべてR値が低いです。^[6]この熱容量により、丸太の家は寒い天候では熱をよりよく保持し、暑い天候ではより涼しい温度を保つことができます。
• 相変化材料

十分な質量が使用されると、季節的な利点を生み出すことができます。つまり、冬は暖房し、夏は冷房することができます。これは、パッシブ年間蓄熱または PAHS と呼ばれることもあります。PAHS システムは、コロラド州の 7000 フィートで、またモンタナ州の多くの住宅で効果的に使用されています。^[要出典]ニューメキシコのアースシップは、パッシブ暖房と冷房を利用するとともに、基礎壁にリサイクルタイヤを使用して最大の PAHS/STES を生み出しています。また、英国のホッカートン住宅プロジェクトでも効果的に使用されています。

• アースシップ
• 版築壁
• 比熱容量
• 熱エネルギー貯蔵
• トロンベ壁