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温水パネル(放熱器)による低温水暖房のすすめ

第2章 断熱材が与える熱効率への影響

  • 断熱
    断熱材はどんな時でも家を暖かくするのに大きな役割を担っています。
  • 法律を改正することによるプラスの影響
    省エネルギーとコスト削減だけでなく、良い断熱は、快適な屋内環境が得られるというメリットがあります。
  • 近代建築物における熱取得と熱損失
    熱損失と熱取得が考慮されるとき、エネルギー効率の効率レベルが決まります。
  • 偶発的な熱取得に暖房システムが即座に反応を示すことが重要です。
  • 放熱器のヒートマス(heat mass 熱的慣性※)が小さいほど、室内温度の制御がより正確に行える可能性が高まります。
    ※heat massが大きいとは熱容量が大きく暖めづらい

断熱

室内の熱は、2通りの方法で逃げていきます:1つ目は、窓、壁や屋根などを通して外に逃げていきます(伝熱損失);2つ目は、空気の流れにより失われていきます(換気や隙間からの損失)。
断熱向上の目的は、最も費用対効果の高い方法により、伝熱損失を最小にすることです。

人間の体は、約20?/hの二酸化炭素と50g/hの水蒸気を排出しています。さらに、家事や入浴により、1日に数リットルの水蒸気を部屋の空気中に排出しています。すると換気がとても重要になってきます;この状況で換気を少なくすると住人に健康問題が生じたり、建物を汚染したりします(カビなどで)。

断熱を向上した際に生じる問題の一つに、高気密化が挙げられます。貧弱な換気、室内の相対湿度の上昇、高い二酸化炭素濃度と結露など、すべてがその結果として現れてきます。なので、適切な断熱が施された建物には、機械換気が設置されるべきなのです。

排気の際に回収された熱はそのまま効率的なエネルギー源として利用できます。

断熱は、室内を暖かく、そしてドライに保つ大きな役割を担っています。

藁、おがくず、やコルクを利用した昔から、断熱材はいつでも家を暖かくドライに保つ大きな役割を担っています。繊維ガラス、鉱物綿、ポリスチレン、ポリウレタンのボードやフォーム等の新しい断熱材は、建築方法を変える手助けをしたり、厚い壁や高温水ラジエーターなどの熱的性質に頼る事を減らすのを助けています。

20年で86,000ユーロ節約

きちんと断熱施工されている家を暖める事が、そうでない家より容易なのは明らかです。熱損失が少なく、エネルギー使用量も少なくて済みます。図2.1は2つの住宅の暖房費の概算値を比較しています ? 1つは断熱が適正に一新されており、もう1つは断熱が施されていません。この概算値の比較は、年を重ねるごとに明らかになっていき、20年後には86,000ユーロも差額が生じます。

図2.1:断熱改修済みの家と断熱改修していない家の暖房費の比較

図2.2:ドイツにおける1977年以降の断熱基準の変化

*U値:断熱材や建築材料の熱伝導量を示す値

断熱方法とその有効性におけるエネルギー効率の向上に伴い、新築及びリノベーションされた建物がますます厳しい規制に適合することを保証する法律が制定されました。ドイツの例だと1977年以来、規制に示されている住宅の外壁への熱損失値が着実に下がり続けていることが分かります。

1977年頃の平均的な温水の行き戻り温度の基準は、EnEV2009のほぼ2倍。

温水を利用して暖房をしている家にとって、驚くべき変化は、温水入口温度と温水出口温度です。1977年には入口温度が90℃、出口温度が70℃というのが標準であり、これは2009年のEnEvのおよそ2倍の温度です。明らかに、低温水暖房システムへのシフトは、エネルギーの効率的な利用の増加を可能にします。

法律改正の好影響

良好な断熱で即得られる利点はより快適な住環境と
省エネ・燃費削減の両方です。

省エネルギーと低コストだけが厳しくなった規制の効果ではありませんでした。改善された断熱により、すぐに得られたことは、更に快適な住環境でした。図2.3〜2.5は、建築法令の改正により変更された部屋の内部を説明しています。見ると分かりますが、例の中で唯一の定数は外気温-14℃だけです。ガラスがシングルパネルだとすると、表面温度は0度です。屋内を20℃にするには、1977年のWSVO断熱基準で断熱した住宅ではラジエーターの温水温度を80度にしなくてはなりません。この非常に高温な設定でも、壁の表面温度は最高でも12度、大きな温度差と顕著な低温部位が結果として現れます。

室内気候

時間と共に建築規制が変化し、図2.4に示すように室内環境は著しく良くなりました。広く使われるようになった二重窓構造により、ほぼ0度に近かった表面温度の凍りついた窓から開放されました。

室内温度が理想的な温度になるには、壁の表面温度が18度のときでもラジエーターは50℃(平均的温度)で放熱をすればよくなり、窓の表面温度14度と室内温度20度の間で調和が取れている。この状況は、断熱建築のEnEV2009からEnEV2012基準に向かってさらに改善されています。

図2.3:1977年以前の標準的な住宅における温度分布(90/70/20℃)

図2.4:EnEV2002(55/45/20℃)

図2.5:EnEv2009(45/35/20℃)

図2.5の壁は、ほとんど室内温度になっています。凍りつくような外部でも窓は暖かいです。注目すべきは、ラジエーターの放熱は平均温水温度でたった40℃あれば理想状態に到達できることです。これは同じ建物が図2.3の基準によって断熱した場合より50%も低い温度です。

*心地よい暖かさ:心地よい暖かさには、いくつかの基準があります。
・室内平均空気温度と(床や壁などの)表面平均温度が約21℃であること。
・室内空気温度と表面平均温度の差は3℃以内であること。
・対面方向の表面平均温度の差は5℃以内であること。
・頭と足首の高さの平均空気温度の差は3℃以内であること。
・室内の気流の流速は0.15m/秒以内であること。

図2.6:断熱の重要性 例題の放熱器は、それぞれ同サイズです。

平方メートルあたりの暖房負荷:100 W/m2
床面積x暖房負荷:11 m2 x 100 W/m2= 1100 W
温水条件:70/55/20?
放熱器寸法:h 580mm, w 1200mm, d 110mm
n*= 1.25
Q= 1100 W

古い鋳鋼ラジエーターの欠点:

・保有水量が多い(大きなポンプ、電気代が高い)
・制御性が悪い(重い、保有水量が多い)
・暖まりづらく、冷めづらい(最近のLTRシステムに不向き)
・見た目が古い

平方メートルあたりの暖房負荷:50 W/m2
床面積x暖房負荷:11 m2 x 50 W/m2= 550 W
温水条件:45/35/20?
放熱器寸法:h 600mm, w 1200mm, d 102mm(Type 22)
n*= 1.35
Q= 589 W

新しい放熱器の利点:

・保有水量が少ない
・軽量
・高出力に最適
・制御性に優れている
・暖まりやすく、冷めやすい
・モダンな見た目、多種、色やデザインが好みに合わせ選べる
・10年保証

*Nは、室内温度と水温がθ0を計算する際に使用する値と異なる場合の熱出力の変化を示す指数です。指数Nは、放熱器のふく射と対流の関係を決めます(設計によって異なります)。入り口温度が低いほど、対流は小さくなります。

ラジエーターのサイズ

過去30年における建物のエネルギー効率向上により、パネルヒーターの設計温度を低くすることが可能になりました。図2.6内にあるふたつのラジエーターはほぼ同じ寸法です。 また求められている室内温度はふたつともで同じである。ご覧のとおり、断熱の施されていない家で、望ましい室内温度になるには、きちんと断熱されている家よりも出口入口の水温を高くしなければなりません。近代的な家に設置されてあるラジエーターの利点は、断熱の効能により古い家のものと同じサイズでも、暖房負荷が低くても良い事です。

図2.7:Same size radiator conforms to changing building energy requirements.

Parameters shown are the heat output/specific load and the excess temperature ΔT.

熱取得と損失

建物の住人が必要となるエネルギーは、暖房システムが要求する負荷量を含んでいる。図.図2.8は、エネルギーがどのように最初の出発点から(一次エネルギーとして発電されてから)住宅の中に持ち込まれるのかを示している。

熱損失と熱取得が考慮されるとき、
エネルギー効率の効率レベルが決まります。

建物内のエネルギー需要量は、住人の必要性により変わる。住人の欲求を満たし、快適に過ごすには、暖房システムは外から持ち込まれたエネルギーを利用しなければならない。熱取得と熱損失が全ての要因であるとき、エネルギー効率のレベルが決定される。エネルギーの使われ方は暖房システムの効率と(これまで見てきたように)断熱のレベルに従って消費される。

図2.8

エネルギー需要の計算

Qt:伝熱損失
Qv:換気熱損失
Qs:太陽熱取得
Qi:内部取得熱
Qe、d、s、g:排出、流通、保管、発電による損失
Qh:熱負荷

近代建築への熱取得の影響

有効エネルギーの話題になると、熱取得はしばしば見過ごされます。電気機器の電源がついたり、屋内の人数が増えたり、太陽光が部屋に差し込んだりすると、その全てが室温を上昇させます。

エネルギー効率は2つの要因に深く関係しています:ヒーティングシステムがどれだけ上手く熱取得を得て、暖房エネルギーの消費量を下げる事が出来るかと、どれだけシステム熱損失が少ないか、です。

暖房システムは室内のさまざまな熱取得に対し、
すばやく調整できる必要があります。

最近の建物は温度感受性が高いので、暖房システムは偶発的な熱取得に対しすばやく反応することがとても重要です。そうでないと、室内にいる人にとって不快な室内温度になります(例えば、会社であれば生産性が低下)。

図2.9

床面積30uのリビングにおける必要熱量。EnEv2009基準、建築地:ハノーバー

マイナス14℃のときの熱負荷

= 35 W/m2

= 1050 W

零度のときの熱負荷

= 321 W/m2

= 617 W

プラス3℃のときの熱負荷

= 318 W/m2

= 525 W

室内の平均熱取得

DIN4108-10に基づく平均値

= 5 W/m2

= 150 W

横になっている人

= 83 W/人

立っている人

= 102 W/人
電球60W

TFTモニター付きPC

= 150 W?台(可動)、5 W?台(待受)

プラズマテレビ

= 130 W?台(可動)、10 W?台(待受)

例:大人2人、電灯、テレビ、その他 = およそ360-460W

最先端の暖房システムは室内のさまざまな熱取得に対し、すばやく調整できなくてはいけません。

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