熱伝達率

熱伝達率は、物質を介した熱の伝達率です。材料（断熱材やコンクリートなど）またはアセンブリ（壁や窓など）の熱伝達率は、U 値として表されます。構造物の断熱性は、その熱伝達率の逆数です。

U 値 (または U 係数) の概念は世界共通ですが、U 値はさまざまな単位で表すことができます。ほとんどの国では、U 値は SI 単位系のワット/平方メートル (ケルビン)で表されます。

W/(m ² ⋅K)

米国では、U 値は英国熱量単位 (Btu) / 時間 - 平方フィート - 華氏度で表されます。

Btu/(h⋅ft ² ⋅°F)

この記事内では、特に断りのない限り、U値はSI単位で表されます。SIから米国慣用値に変換するには、5.678で割ります。^[1]

建物の断熱がしっかりしている部分の熱伝達率は低いのに対し、断熱が不十分な部分の熱伝達率は高くなります。U値では、熱放射、熱対流、熱伝導による損失が考慮されます。熱伝達率は熱伝達係数と同じ単位ですが、熱伝達係数は流体の熱伝達のみを説明するために使用されるのに対し、熱伝達率はいくつかの異なる形式の熱抵抗を含む方程式を簡略化するために使用されるという点で異なります。

これは次の式で表されます:

Φ = A × U × ( T ₁ - T ₂ )

ここで、Φはワット単位の熱伝達、Uは熱伝達率、T ₁は構造物の片側の温度、 T ₂は構造物の反対側の温度、Aは平方メートル単位の 面積です。

ほとんどの壁と屋根の熱透過率は、ISO 6946 を使用して計算できます。ただし、断熱材を金属で橋渡ししている場合は、ISO 10211 を使用して計算できます。ほとんどの 1 階については、ISO 13370 を使用して計算できます。ほとんどの窓については、ISO 10077 または ISO 15099 を使用して熱透過率を計算できます。ISO 9869 では、構造物の熱透過率を実験的に測定する方法を説明しています。材料の選択と設置の品質は、窓断熱の結果に重大な影響を及ぼします。窓システムのフレームと二重シーリングは、窓断熱の実際の弱点です。

一般的な建築構造の典型的な熱伝達率の値は次のとおりです。^{[引用が必要]}

• 単板ガラス：5.7 W/(m ² ⋅K)
• 単層ガラス窓（フレームを含む）：4.5 W/(m ² ⋅K)
• 二重窓（フレームを含む）：3.3 W/(m ² ⋅K)
• 高度なコーティングを施した二重窓: 2.2 W/(m ² ⋅K)
• 高度なコーティングとフレームを備えた二重ガラス窓: 1.2 W/(m ² ⋅K)
• フレームを考慮した三重ガラス窓：1.8 W/(m ² ⋅K)
• 高度なコーティングとフレームを備えた三重ガラス窓：0.8 W/(m ² ⋅K) ^[2]
• 断熱性の高い屋根：0.10 W/(m ² ⋅K)
• 断熱性の低い屋根: 1.0 W/(m ² ⋅K)
• 断熱性の高い壁: 0.15 W/(m ² ⋅K)
• 断熱性の低い壁: 2 W/(m ² ⋅K)
• 断熱性の高い床：0.2 W/(m ² ⋅K)
• 断熱性の低い床: 1.0 W/(m ² ⋅K)

実際には、熱伝達率は職人の技量に大きく左右され、断熱材の取り付けが不十分だと、断熱材が適切に取り付けられている場合よりも熱伝達率がかなり高くなる可能性がある^[3]

熱伝達率を計算するときは、建物の構造をさまざまな層の観点から考慮すると便利です。たとえば、中空壁は次の表のように説明できます。

この例では、総断熱度は 1.64 K⋅m ² /W です。構造物の熱伝達率は総断熱度の逆数です。したがって、この構造物の熱伝達率は 0.61 W/(m ² ⋅K) です。

(この例は、金属コネクタ、断熱材を遮る空気の隙間、レンガとコンクリートブロック間のモルタル接合部などを考慮していないため、簡略化されていることに注意してください。)

次の表に示すように、壁の熱伝達率を計算する際にモルタル目地を考慮することができます。モルタル目地は軽量コンクリートブロックよりも熱を通しやすいため、モルタルは軽量コンクリートブロックを「橋渡し」すると言われています。

「ブリッジ」層の平均断熱性は、軽量コンクリートブロックが占める面積の割合と比較したモルタルが占める面積の割合によって決まります。「ブリッジ」モルタル接合部がある場合の熱透過率を計算するには、 R _maxとR _minと呼ばれる 2 つの量を計算する必要があります。R _{max は}、熱の横方向の流れがないと仮定した場合に得られる合計断熱性と考えることができ、R min_は、熱の横方向の流れに対する抵抗がないと仮定した場合に得られる合計断熱性と考えることができます。上記の構造の U 値は、およそ 2 / ( R _max + R _min ) に等しくなります。「ブリッジ」の対処方法に関する詳細は、ISO 6946 に記載されています。

熱伝達率の計算はISO 6946に準拠したソフトウェアを使用して簡単に実行できますが、熱伝達率の計算では職人技が完全に考慮されておらず、断熱材の間、断熱材を通過する空気、断熱材の周囲での空気の循環は考慮されていません。職人技に関連する要因の影響を完全に考慮するには、熱伝達率の測定を行う必要があります。^[4]

ISO 9869 では、熱流束センサーを使用して屋根や壁の熱伝達率を測定する方法を説明しています。これらの熱流束計は通常、熱流束に正比例する電気信号を提供するサーモパイルから構成されています。通常、直径は約 100 mm (3.9 インチ)、厚さは約 5 mm (0.20 インチ) で、良好な熱接触を確保するために、テスト対象の屋根または壁にしっかりと固定する必要があります。熱流束を十分に長い時間にわたって監視する場合、平均熱流束を建物の内側と外側の平均温度差で割ることで熱伝達率を計算できます。ほとんどの壁と屋根の構造では、熱流束計は ISO 9869 規格に準拠するために、熱の流れ (および内部温度と外部温度) を 72 時間連続して監視する必要があります。

一般的に、熱透過率の測定は次のような場合に最も正確です。

• 建物の内外の温度差は少なくとも 5 °C (9.0 °F) です。
• 天気は晴れではなく曇りです（これにより、正確な温度測定が容易になります）。
• 熱流束計とテスト対象の壁または屋根の間には良好な熱接触があります。
• 熱の流れと温度の監視は少なくとも 72 時間にわたって実行されます。
• 建物の要素のさまざまな場所を測定したり、サーモグラフィーカメラを使用して建物の要素の均一性を確保します。

対流が建物の構成要素全体に熱を伝達する役割を果たす場合、温度差が大きくなるにつれて熱伝達率が高くなります。たとえば、内部温度が 20 °C (68 °F)、外部温度が -20 °C (-4 °F) の場合、二重ガラス窓のガラス間の最適な隙間は、外部温度が 0 °C (32 °F) の場合の最適な隙間よりも小さくなります。

材料の固有の熱透過率も温度によって変化します。そのメカニズムは複雑で、温度が上昇すると透過率が増加したり減少したりすることがあります。^[5]