床暖房

床暖房と床冷房は、床に埋め込まれた温水暖房または電気暖房要素を使用して、室内の温度を快適にする空調制御を実現するセントラル暖房と冷房の一種です。暖房は伝導、放射、対流によって行われます。床暖房の使用は、新氷河期と新石器時代 にまで遡ります。

床暖房の歴史は古く、新氷河期や新石器時代にまで遡ります。アジアやアラスカのアリューシャン列島での考古学的発掘調査により、住民が地下住居の床に掘った石で覆われた溝から火の煙を吸い込んでいたことが明らかになっています。熱い煙が床の石を熱し、その熱が居住空間に放射されました。こうした初期の形態は、液体を充填したパイプや電気ケーブル、マットを使用する現代のシステムへと進化しました。以下は、世界中の床暖房の年代順の概要です。

現代の床暖房システムは、電気抵抗素子 (「電気システム」) またはパイプ内を流れる流体 (「温水暖房システム」) を使用して床を暖めます。どちらのタイプも、建物全体の主要な暖房システムとして、または局所的な床暖房として設置して快適な温度を保つことができます。一部のシステムでは、複数の部屋を暖房する大規模なシステムの一部である個々の部屋を暖めることができるため、無駄な熱を回避できます。電気抵抗は暖房にのみ使用できます。空間の冷房も必要な場合は、温水暖房システムを使用する必要があります。電気システムまたは温水暖房システムが適しているその他の用途には、歩道、車道、着陸パッドの雪/氷の融解、フットボール競技場やサッカー競技場の芝生の調整、冷凍庫やスケートリンクの凍結防止などがあります。さまざまなタイプの床に合わせて、さまざまな床暖房システムと設計が用意されています。^[22]床暖房システムの中には、床材の下のスクリード内に配管が埋め込まれた状態で床構造内に敷設されるように設計されているものがあり、通常は増築や新築に使用されます。一方、他の床暖房システムは、配管が敷設され、セルフレベリングスクリードが注入された粘着パネルを使用して、既存の床の上に直接設置できます（床が水平で安定している場合）。これは、改修プロジェクトでよく使用されるソリューションです。^[23]

電気加熱要素または温水配管は、コンクリート床スラブに鋳造することができます (「流し込み床システム」または「湿式システム」)。また、床材の下に配置することも (「乾式システム」)、木製の下地に直接取り付けることもできます (「下地システム」または「乾式システム」)。

一部の商業ビルは、公共料金が安いオフピーク時に暖房や冷房を行う蓄熱体を利用するように設計されている。日中に暖房/冷房システムをオフにすると、コンクリートの質量と室温は望ましい快適範囲内で上下する。このようなシステムは、熱活性化ビルシステムまたはTABSとして知られている。 ^{[24] [25]}

放射暖房や放射冷房という用語は、このアプローチを説明する際に一般的に使用されています。放射が結果として生じる温熱的快適性の大部分を占めるためです。ただし、この用法は、床と残りの空間との間の熱交換の50％以上を放射が占める場合にのみ技術的に正しいです。^[26]

ハイドロニックシステムでは、床とボイラーの間で循環する「閉ループ」内の熱伝達流体として、 水または水とプロピレングリコール^[27]などの不凍液の混合物を使用します。

水暖式床下暖房および冷房システム専用のさまざまな種類のパイプが用意されており、通常はPEX 、PEX-Al-PEX、PERTなどのポリエチレンで作られています。ポリブチレン(PB) や銅管、鋼管 などの古い素材も、一部の地域や特殊な用途ではまだ使用されています。

ハイドロニック システムには、ボイラー、サーキュレーター、制御装置、流体の圧力と温度に精通した熟練した設計者と職人が必要です。主に地域暖房と冷房で使用される、工場で組み立てられた最新のサブステーションを使用すると、設計要件が大幅に簡素化され、ハイドロニック システムの設置と試運転の時間が短縮されます。

ハイドロニック システムでは、エネルギー コストの管理に役立つ単一のエネルギー源または複数のエネルギー源の組み合わせを使用できます。ハイドロニック システムのエネルギー源のオプションは次のとおりです。

• 熱電併給発電所を含むボイラー（ヒーター）^{[注 1]}の加熱源:
  • 天然ガスまたは「メタン」は、入手可能性に応じて、業界全体で最もクリーンかつ効率的な給湯方法と考えられています。コストは 100 万 BTU あたり約 7 ドルです。
  • プロパンは主に石油から作られ、体積ベースでは天然ガスよりも効率が低く、一般的に BTU ベースではるかに高価です。BTU ベースでは「メタン」よりも多くの二酸化炭素を生成します。100 万 BTU あたり約 25 ドルかかります。
  • 石炭、石油、廃油
  • 電気
  • 太陽熱
  • 木材またはその他のバイオマス
  • バイオ燃料
• ヒートポンプとチラーの動力源:
  • 電気
  • 天然ガス
  • 地熱ヒートポンプ

床暖房は、エネルギー源がヒートポンプである場合に特に適しています。床暖房では、ラジエーターを使用するシステムよりも低い水温を使用するため、ヒートポンプの効率が向上します。^[28]

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  床暖房パイプ（スクリードで覆われる前）
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  コンクリートのガレージスラブで覆われる前の床暖房パイプ
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  ラジアントチューブレイアウト、プロジェクト: BCIT 航空宇宙格納庫、バンクーバー、ブリティッシュコロンビア州、カナダ
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  マニホールドアセンブリ
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  床暖房と冷房用の工場で組み立てられた最新の温水制御機器。カバーを取り付けた状態。
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  床暖房と冷房用の工場で組み立てられた最新の温水制御機器。カバーを外した状態。
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  テルミッシュ ステラントリーベ、テルミッシュ アントリーベ、フスボーデンハイツング、サーマル アクチュエーター、アクチュエーター テルミーク

電気システムは暖房のみに使用され、ケーブル、成形済みケーブル マット、ブロンズ メッシュ、カーボン フィルムなどの非腐食性の柔軟な加熱要素を採用しています。薄型であるため、蓄熱体の中に設置することも、床仕上げ材の真下に設置することもできます。電気システムは時間帯別電力計測も利用でき、カーペット ヒーター、ポータブル アンダー エリア ラグ ヒーター、アンダー ラミネート フロア ヒーター、アンダー タイル ヒーター、アンダー ウッド フロア ヒーター、および床暖房システム (シャワー フロアとシートの下のヒーターを含む) として頻繁に使用されます。大型の電気システムには熟練した設計者と職人も必要ですが、小型の床暖房システムではそれほど必要ありません。電気システムはコンポーネントが少なく、水暖房システムよりも設置と試運転が簡単です。電気システムには、線間電圧技術を使用するものもあれば、低電圧技術を使用するものもあります。電気システムの消費電力は、電圧ではなく、加熱要素によって生成されるワット出力に基づきます。

ANSI/ASHRAE 規格 55 – 人間の居住環境の温熱環境条件の定義によると、温熱快適性とは「温熱環境に対する満足度を表し、主観的な評価によって判断される心の状態」です。床暖房に特化して言えば、温熱快適性は床面温度と、放射非対称性、平均放射温度、動作温度などの関連要素によって左右されます。Nevins、Rohles、Gagge、P. Ole Fangerらによる研究では、オフィスや家庭で一般的に着る軽装の服を着た人間は、安静時に放射を介して顕熱の 50% 以上を交換していることが示されています。

床暖房は、内部表面を温めることで放射交換に影響を与えます。表面を温めることで体温の損失が抑えられ、暖房による快適さが感じられます。この全体的な快適さの感覚は、伝導（足が床に接すること）と対流によって、また表面が空気密度に与える影響によってさらに高まります。床冷房は、短波と長波の両方の放射を吸収することで内部表面を冷やします。これらの冷たい表面は体温の損失を促し、冷房による快適さが感じられます。普通の履物を履いて足にストッキングを履いた状態で床が冷たくなったり暖かくなったりすることによる局所的な不快感は、ISO 7730 および ASHRAE 55 規格、および ASHRAE 基礎ハンドブックで取り上げられており、床暖房および床冷房システムで修正または調整できます。

床暖房は、タイル、スレート、テラゾー、コンクリートなど、通常は冷たく感じられる床材の選択を容易にすることで、室内空気の質にプラスの影響を与えることができます。これらの石積みの表面は、他の床材と比較して、通常、VOC（揮発性有機化合物）の排出量が非常に少ないです。また、湿度制御と併せて、床暖房はカビ、バクテリア、ウイルス、ダニの発生に好ましくない温度条件を作り出します。^{[29] [30]} HVAC（暖房、換気、空調）の総負荷から顕熱負荷を取り除くことで、空気中の汚染物質の拡散を緩和するために容積回転率の低い専用の屋外空気システムを使用して、入ってくる空気の換気、濾過、除湿を行うことができます。医学界では、特にアレルゲンに関連して、床暖房の利点が認識されています。^{[31] [32]}

床下放射システムの持続可能性は、効率、エントロピー、エクセルギー^[33]、有効性の原則に基づいて評価されます。高性能な建物と組み合わせると、床下システムは、地熱[ ^35]や太陽熱システムで一般的に見られる範囲で、暖房時には低温、冷房時には高温で動作します^[34]。これらの不燃性の再生可能なエネルギー源と組み合わせると、持続可能性の利点として、ボイラーやヒートポンプ [36] およびチラーの発電によって生成される燃焼^ガスと温室効果ガスの削減または排除、非再生可能資源の需要の削減、将来の世代のための在庫の増加などが挙げられます。これは、シミュレーション評価^{[37] [38] [39] [40]}や、米国エネルギー省^{[41] [42]}、カナダ住宅金融公社^[43] 、フラウンホーファー研究所 ISE ^{[44] 、ASHRAE [45]}が資金提供した研究を通じて裏付けられています。

低温床暖房は、床に埋め込まれるか、床材の下に設置されます。そのため、壁面を占有せず、火傷の危険がなく、つまずいて転倒する偶発的な接触による身体的損傷の危険もありません。これは、高齢者や認知症の患者を対象とする医療施設ではプラスの特徴として挙げられています。^{[46] [47] [48]}逸話的に、同様の環境条件下では、床暖房により濡れた床（シャワー、掃除、こぼしたもの）の蒸発が速まります。さらに、液体充填パイプを使用した床暖房は、燃焼機器や電気機器を爆発性環境から離れた場所に設置できる防爆環境の暖房や冷房に便利です。

特にカーペットを床材として使用する場合、床暖房によってガス放出やシックハウス症候群が増加する可能性があります。 ^[要出典]

電気床暖房システムは低周波磁場（50～60Hzの範囲）を発生させますが、古い1線式システムは現代の2線式システムよりもはるかにその影響が大きいです。^{[49] [50]}国際がん研究機関（IARC）は、静磁場と低周波磁場を発がん性の可能性がある（グループ2B）に分類しています。^[51]

機器のメンテナンスと修理は、パイプ、ケーブル、マットが床に埋め込まれている場合を除いて、他の水または電気ベースのHVACシステムと同じです。初期の裁判 (たとえば、1940～1970 年代に Levitt と Eichler が建設した住宅) では、埋め込まれた銅と鋼の配管システムの故障や、裁判所がシェル、グッドイヤー、その他の企業にポリブチレンとEPDM材料の故障を認定したケースがありました。 [ ^{52] [53]}また、1990 年代半ばから、電気加熱石膏パネルの故障に関するいくつかの公表されたクレームがありました。^[54]

ほとんどの設置に伴う不具合は、現場での怠慢、設置ミス、紫外線への曝露などの製品の取り扱いミスに起因します。コンクリート設置基準^[55]および放射暖房および冷房システムの設計、施工、運用、修理に関する適正実施ガイドライン^[56]で要求される打設前圧力テストは、不適切な設置および運用から生じる問題を軽減します。

1930 年代に開発された架橋ポリエチレン(PEX) とそのさまざまな派生製品 (PE-rt など)を使用した流体ベースのシステムは、橋のデッキ、航空機格納庫のエプロン、着陸パッドなどの厳しい寒冷気候の用途で信頼性の高い長期性能を実証しています。PEX は、新しいコンクリート スラブの建設、新しい床下梁の建設、および (梁の) 改修に家庭で使用できる人気があり信頼性の高いオプションになっています。材料はポリエチレンから製造され、結合が架橋されているため、一般的な流体ベースの HVAC システムに関連する腐食や温度および圧力ストレスに対して非常に耐性があります。^[57] PEX の信頼性を確保するには、設置手順が正確でなければならず (特に接合部)、水や流体などの最高温度に関するメーカーの仕様に注意深く従わなければなりません。

床下冷暖房システムのエンジニアリングは、業界標準とガイドラインによって規制されています。^{[58] [59] [注2]}

床下システムとの間で交換される熱量は、放射熱伝達係数と対流熱伝達係数の組み合わせに基づいて決まります。

• 放射熱伝達はシュテファン・ボルツマン定数に基づいて一定です。
• 対流熱伝達は時間とともに変化し、
  • 空気の密度と浮力は、表面温度と
  • ファンと空間内の人や物体の動きによる強制的な空気の動き。

床下システムによる対流熱伝達は、システムが冷房モードではなく暖房モードで動作しているときの方がはるかに大きくなります。^[60]通常、床暖房では対流成分が全熱伝達のほぼ50％を占め、床下冷房では対流成分は10％未満です。^[61]

加熱および冷却されるパイプや加熱ケーブルが他の建物の構成要素と同じ空間を共有する場合、冷蔵機器、冷蔵エリア、家庭用冷水ライン、空調および換気ダクトの間で寄生熱伝達が発生する可能性があります。これを制御するには、パイプ、ケーブル、その他の建物の構成要素をすべて適切に断熱する必要があります。

床下冷房では、床の表面に結露が発生することがあります。これを防ぐために、空気の湿度は50%以下に抑えられ、床の温度は露点である19 ℃ （ 66℉）以上に保たれます。^[62]

• 地下への熱損失
  • 土壌の熱伝導率は、地面と加熱または冷却された地面直上のスラブ床との間の伝導熱伝達に影響を与えます。
  • 水分含有量が20％を超える土壌は、水分含有量が4％未満の土壌よりも15倍も導電性が高くなることがあります。^[63]
  • 地下水位と土壌の一般的な状態を評価する必要があります。
  • モデル国家エネルギーコードでは、硬質押出成形または発泡ポリスチレンなどの適切な床下断熱材の使用が義務付けられています。^{[64] [65]}
• 外部床フレームの熱損失
  • 床下を暖房または冷房すると、屋外と空調された床の間の温度差が増加します。
  • ヘッダー、トリマー、片持ち梁セクションなどのフレーム材によって作られた空洞は、気候や建築技術に基づいて適切な値の硬質断熱材、バット断熱材、またはスプレー断熱材で断熱する必要があります。
• 石積みやその他の硬質床材に関する考慮事項
  • コンクリートの床は、硬化や温度変化による収縮や膨張に対応する必要があります。
  • 打設床（コンクリート、軽量トッピング）の硬化時間と温度は、業界標準に従う必要があります。
  • 制御ジョイント、伸縮ジョイント、およびひび割れ抑制技術は、以下を含むすべての石積みタイプの床に必要です。
    • タイル
    • スレート
    • テラゾー
    • 石
    • 大理石
    • コンクリート、染色、テクスチャ加工、スタンプ加工
• 木製フローリング
  • 木材の寸法安定性は主に水分含有量に基づいていますが^[66]、加熱または冷却による木材の変化を緩和する他の要因としては、
    • 木材の種類
    • 製材技術、柾目鋸または鉋目鋸
    • 順応期間
    • 空間内の相対湿度
• 配管規格^[注3]

床暖房および冷房システムには、以下の管理を含むいくつかの制御ポイントがあります。

• 暖房および冷房設備（ボイラー、チラー、ヒートポンプなど）内の流体の温度。
  • 効率に影響を与える
• プラントと放射マニホールド間の配管ネットワーク内の流体の温度。
  • 資本コストと運用コストに影響を与える
• PE-x配管システム内の流体温度は、以下に基づいています。^[26]
  • 暖房と冷房の需要
  • チューブ間隔
  • 上向きと下向きの損失
  • 床材の特性
• 動作温度
  • 平均放射照度と乾球照度を組み込む
• 表面温度; ^[67]
  • 快適
  • 健康と安全
  • 材料の完全性
  • 露点（床冷房用）。

図は、温熱快適性の質を目的とした床暖房および冷房システム^[67]と、室内空気質のための独立した空調システムの簡略化された機械概略図です。^{[68] [69]}中規模サイズの高性能住宅（例えば、総床面積3000平方^フィート（278平方メートル^）未満）では、製造されたハイドロニック制御機器を使用するこのシステムは、3つまたは4つのピースを備えたバスルームとほぼ同じスペースを占めます。

有限要素解析(FEA)を使用して輻射配管 (チューブまたはループともいう) パターンをモデル化すると、さまざまなループ レイアウトの熱拡散と表面温度の品質または有効性が予測されます。モデルのパフォーマンス (下の左側の画像) と右側の画像は、床の抵抗、周囲の質量の伝導率、チューブの間隔、深さ、および流体温度の関係を理解するのに役立ちます。すべての FEA シミュレーションと同様に、これらは特定のアセンブリの一時的スナップショットを表しており、すべての床アセンブリや、定常状態で長時間動作しているシステムを代表するものではありません。エンジニアにとっての FEA の実際的な用途は、流体温度、逆損失、および表面温度の品質について各設計を評価できることです。数回の反復により、加熱時の流体温度を最低に、冷却時の流体温度を最高にするように設計を最適化できるため、燃焼および圧縮装置が最大定格効率性能を達成できます。

• 
  さまざまな配管レイアウトの熱拡散と表面温度品質（効率）
• 
  ワイヤーメッシュ、熱等温線、色分けされたマッピングの典型的な FEA 出力スクリーンショット

床下システムの価格は、地域差、材料、用途、プロジェクトの複雑さに応じて幅広くなっています。床下システムは、北欧、アジア、ヨーロッパのコミュニティで広く採用されています。その結果、市場は成熟しており、システムは、流体ベースシステムの市場シェアが HVAC システムの 3% ～ 7% にとどまっている北米などの開発途上市場よりも比較的手頃な価格になっています (カナダ統計局および米国国勢調査局を参照)。

パッシブハウス、R-2000、ネットゼロエネルギーなどのエネルギー効率の高い建物では、シンプルなサーモスタットラジエーターバルブを、単一のコンパクトなサーキュレーターと、基本的な温水リセット^[70]制御の有無にかかわらず制御される小型の凝縮ヒーターとともに設置できます。経済的な電気抵抗ベースのシステムは、バスルームやキッチンなどの小さなゾーンだけでなく、暖房負荷が非常に低い建物全体にも役立ちます。より大きな構造では、冷房と暖房のニーズに対応するために、より洗練されたシステムが必要になり、エネルギー使用を調整し、全体的な屋内環境を制御するために、建物管理制御システムが必要になることがよくあります。

低温放射暖房システムと高温放射冷房システムは、プラントと建物間の温度差により小口径の断熱配電網と低いポンプ電力要件が可能になるため、地域エネルギーシステム（コミュニティベースのシステム）に適しています。暖房時の戻り温度が低く、冷房時の戻り温度が高いため、地域エネルギープラントは最大限の効率を達成できます。床下システムを使用した地域エネルギーの原理は、同じ利点を持つ独立した複数階建ての建物にも適用できます。^{[71]さらに、床下放射システムは、}地熱システムや太陽熱システムなどの再生可能エネルギー源、または廃熱を回収できるあらゆるシステム に最適です。

持続可能性に向けた世界的な取り組みにおいて、長期的な経済性は、冷却のための圧縮と暖房のための燃焼を可能な限り排除する必要性を支持しています。そうなると、放射床暖房と冷房に適した低品質の熱源を使用する必要があります。^{[明確化] [引用が必要]}

システム効率とエネルギー使用の分析では、建物の外装性能、暖房および冷房設備の効率、システム制御と伝導率、表面特性、放射パネルの管/要素間隔と深さ、作動流体温度、サーキュレーターの電線対水効率が考慮されます。^{[72]電気システムの効率も同様のプロセスで分析され、}発電効率が含まれます。

放射システムの効率については、逸話的な主張や双方の意見を述べる科学論文が不足することなく常に議論が続いているが、加熱時の戻り流体温度が低く、冷却時の戻り流体温度が高いため、凝縮ボイラー^[73]、 チラー^[74]、ヒートポンプ^[75]は、最大設計性能またはその近くで動作することができる。^{[76] [77]水の}熱容量が大幅に大きいため、「ワイヤーから水」の流れと「ワイヤーから空気」の流れの効率が高く、空気ベースのシステムよりも流体ベースのシステムが有利である。^[78]現場での応用とシミュレーション研究の両方で、前述の原則に部分的に基づいた放射冷却と専用外気システムにより、大幅な電気エネルギーの節約が実証されている。^{[79] [80]}

パッシブハウス、R-2000住宅、ネットゼロエネルギービルでは、放射暖房および冷房システムの低温により、エクセルギーを最大限に活用する大きな機会が生まれます。^[81]

システム効率は、床の質量と居住者および空調空間内のその他の内容物との間の放射境界層として機能する床材によっても影響を受ける。例えば、カーペットはタイルよりも抵抗が大きく、伝導率が低い。そのため、カーペットを敷いた床はタイルよりも高い内部温度で動作する必要があるため、ボイラーやヒートポンプの効率が低下する可能性がある。しかし、システム設置時に床材が分かっている場合は、適切なチューブ間隔で所定の床材に必要な内部温度を達成でき、プラント効率を犠牲にする必要もない（ただし、内部温度が高くなると、床の非部屋表面からの熱損失が増加する可能性がある）。^[82]

床面の放射率、反射率、吸収率は、居住者や部屋との熱交換の重要な決定要因です。研磨されていない床面の材質と処理は非常に高い放射率（0.85～0.95）を持ち、そのため優れた熱放射体となります。^[83]

床暖房および床冷房（「リバーシブルフロア」）では、吸収率と放射率が高く、反射率が低い床面が最も望ましいです。

サーモグラフィーは、床下システムの始動時（図参照）から動作状態までの実際の熱効率を確認するのに便利なツールです。始動時にはチューブの位置を特定するのは簡単ですが、システムが定常状態に移行するとそう簡単ではありません。サーモグラフィー画像を正しく解釈することが重要です。有限要素解析（FEA）の場合と同様に、表示されるものは画像が撮影された時点の状態を反映しており、定常状態を表していない可能性があります。たとえば、表示されている画像で見られる表面は「熱く」見えるかもしれませんが、実際には皮膚の公称温度や人体の深部温度よりも低く、パイプを「見る」能力はパイプを「感じる」能力と同じではありません。サーモグラフィーでは、建物のエンクロージャの欠陥（左の画像、コーナーの交差点の詳細）、熱橋（右の画像、スタッド）、および外部ドアに関連する熱損失（中央の画像）も指摘できます。

• 41 クーパースクエア、アメリカ合衆国
• アクロン美術館、アメリカ合衆国
• BMW ワールド、ドイツ
• カリフォルニア科学アカデミー、米国
• コペンハーゲン オペラハウス、デンマーク
• 梨花女子大学、韓国
• ハーストタワー、ニューヨーク市、アメリカ合衆国
• マニトバ ハイドロ プレイス、カナダ
• 国立再生可能エネルギー研究所研究支援施設、米国
• パールリバータワー、中国
• ポストタワー、ドイツ
• スワンナプーム空港、^[84]バンコク

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