Tea Time 熱講座

  • 熱の伝わり方
  • 断熱とは熱の遮断?
  • 結露とは
  • 結露限界湿度とは
  • 伝熱計算
  • 豆知識

熱の伝わり方

温度差のある状態では、熱(エネルギー)は水の流れのように、 高い方から、低い方へ流れていきます。 この熱エネルギーの移動形態(熱の伝わり方)には、用語で 表記すると下記の3つの形態が在ります。

  1. 熱伝導
  2. 対流熱伝達
  3. 熱放射(輻射)

少しこれらの言葉について説明いたします。

1.熱伝導

火にかけた鍋の取っ手を握ると、 取っ手には、直接火があたっていないのに 取っ手まで熱くなりますね。 これは、鍋の取っての中を熱が伝わるからです。 このように、物体を媒体として熱が流れる現象を「熱伝導」 と言います。

2.対流熱伝達

暑いとき扇風機にあたると涼しく感じますね。 扇風機は部屋の空気をかき混ぜているだけなのに、 涼しく感じるのは、空気の流れを早くすることにより、 体の表面の熱が多く奪われるためです。 つまり熱は、空気の流れによって持ち去られたわけです。 このように物体の周りの空気や水などの流れによって 熱が移動する現象を「対流熱伝達」と言います。 (注:扇風機で涼しく感じるのは対流によって熱が奪われるだけでなく、汗が蒸発することによって気化熱が奪われる影響もあります。)

3.熱放射(輻射)

たき火の火にあたると暖かく感じますね。 この場合、たき火によって暖まられた空気による影響も ありますが、火から離れていても熱は伝わりますよね。 この現象を「熱放射(輻射)」と言います。 「熱放射(輻射)」によって熱が伝わるのは電磁波の作用による物です。したがって、前2つのように空気等の熱を伝える 物質が全く存在しない完全な真空状態でも熱が伝わります。

断熱は熱の遮断?

「断熱材」・「真空断熱」・「断熱施工」等の言葉がありますよね。 この「断熱」と言う文字から、熱の流れを100%遮断できるようなイメ ージをもたれることが多いのですが、前の章で述べたように、たとえ 真空中でも熱の流れを100%遮断することはできません。

例えば、熱いお茶を入れた魔法瓶を数日間も冷蔵庫に入れておくと いくら性能の高い物を使っても中のお茶は冷やされて冷たくなり、最終的には冷蔵庫の温度と同じになります。

「断熱材」とは熱の流れを完全に止める物ではなく、熱が流れにくい材質で出来た物です。薄すぎると効果が無く、極端に厚すぎると施工コストがかかる上に、部屋が狭くなります。当社では独自のコンピュータシミュレーションを行い、「結露が発生しない」を判断基準に、お客様のニーズに合わせ、最適な材料を最適の厚みで最適な場所へ施工する、防熱システムの提案を心がけています。

結露とは

1.結露とは?

冷たい飲み物をコップに注ぐとコップの外側に水滴が付いたり、冬場に窓ガラスが曇るのが結露です。結露は身近でもよく見られる現象です。 結露には、先ほどの窓ガラスの曇りや、コップの水滴のように目につきやすい、表面結露と 建物の壁や床などの外から見えない内部に出来る内部結露があります。

では、結露とはどうして発生するのでしょうか?

2.結露が発生するメカニズム

私たちの周りにある空気は、常に、ある一定量の水蒸気という目に見えない形で水分を含んで います。この空気の気体として含むことが出来る水蒸気の量は温度によって異なる限界があり、温度が低いほど含むことが出来る量が低下します。(限界量に対する実際の水分量を%で示したのが、湿度です)

つまり結露とは、空気が温度の低い物体に触れる等によって冷やされ、その温度で空気の水蒸気を含むことができる許容限界量が下がり、限界を超えた量が液体の水に変わる現象を言います。

3.結露が起こりやすい条件とは?

前の項で説明したように、結露の発生には空気に含まれる水分量と温度の関係が大きく関わり合います。 結露が発生しやすい条件は、通常さまざまな要因が重なって起きる場合もあるのですが、代表的な原因は次の3つです。

1.湿度が高い

<一般家庭では>
梅雨時や濡れた衣類や布団をそのまま置いていたりすると部屋の湿度が高くなります。
<冷蔵倉庫では>
低温プラットフォームでシャッターを全開したまま、入出庫を行ったり、低温荷捌きで水洗い等水を使った作業を行うとこなうと湿度が高くなります。

2.表面温度が低い場所

<一般家庭では>
冬場の窓ガラス等
<冷蔵倉庫では>
防熱の不足や経年変化による防熱材の劣化・剥離なども考えられます。

3.風通しの悪い場所

<一般家庭では>
押し入れの奥や大きな家具の裏側等
<冷蔵倉庫では>
断熱パネルと躯体の隙間にできるデッドスペースや冷蔵庫と隣り合わせの階段室やエレベーターシャフト内等

4.結露が起こるとなぜ悪いのか?

結露の発生により、その部分が濡れるのですが、なぜ濡れるだけで問題となるのでしょうか?

問題は衛生面と建物の場合は腐敗等の構造体へのダメージです。

結露の発生によりその部分が濡れます。その濡れた状態が長く続くと、カビが発生しやすくなります。

カビが発生するわけ

カビの種みたいな物である胞子は私たちが生活 している空気の中に元々無数に存在しています。したがってカビが生育できる条件さえ整えばカビ はどこにでも発生します。(金属でも発生します)。 カビの餌としては「酸素・水・栄養」と言われてい ます。この内、栄養は塵やほこりでも栄養になるため、酸素と共に空気中にどこでも存在します。 つまり、常に濡れている場所ならどんな 場所でもカビが発生するというわけです。

カビはなぜ悪い

もちろん、カビ=有害ではなく、暮らしに役に立つ カビもありますが、結露によって発生するカビの 問題は美観の問題だけでなく

  1. カビ臭
  2. カビから発生する多量の胞子によるアレルギー疾患の問題
  3. カビがダニや他のバイ菌の温床となる

等の衛生的な問題が発生します。

カビが発生した場所が建物の場合は、常に濡れた状態になる事で「腐朽菌」の発生や菌糸の影響による構造体へのダメージが考えられます。

内部結露では、外から見えない壁内部の構造体の腐敗や劣化が起こります。

5.結露を防ぐには?

結露を防ぐためには、結露が起こりにくいような条件にすることです。

1.湿度を下げる

湿度を下げることによって、空気中の水蒸気量が変わらなくても、結露しにくくなります。

[湿度を下げる方法]
<一般家庭では>
●エアコンによる暖房又は冷房
ただし冷暖房を強くし、隣接する部屋等との温度差が大きくなると壁の内部結露が起こりやすくなります。最近のエアコンでは温度を下げずに除湿する物もあります。
●湿った物を室内に置かない、お風呂場の戸を開けっ放しにしない。
●天気の良い日は窓を開けて換気する。
<冷蔵倉庫では>
●水気のある物を置かない。
●除湿する
条件次第では家庭用の除湿器を数台置くだけで改善する場合もあります。
防熱の不足や経年変化による防熱材の劣化・剥離なども考えられます。
●換気する
デッドスペース等に向けてファンを設置するだけで改善する場合もあります。

2.結露する場所の表面温度を上げる

冷蔵倉庫の防熱扉の床部分等、防ぐ方法が無い所では、ヒーターを埋め込み直接表面温度を上げますが、一般的な方法は上記の空調と換気です。

[冷蔵倉庫において表面温度を上げる方法]

防熱する 結露している部分のみ防熱すると周囲の部分に新たに結露する場合があります。気軽にご相談下さい。

[内部結露を防ぐには]

暖かい側の面に防湿層(ビニールシート等)を設置し、水分の侵入を防ぐのが一般的な方法ですが、一般家庭のように冬場と夏場で暖かい面が逆転する場合や冷蔵倉庫において荷物によって設定温度を変える場合は両面に設置する必要があります。

冷蔵倉庫では両面の温度差が大きいため防湿層のわずかな欠陥でも水分が侵入し、防熱層内で凍って体積が増え壁が膨らんできたり、防熱性能の低下から冷えなくなってきます。こういう症状が見られたらご相談下さい。

水蒸気は水の流れのように暖かい方から冷たい方へ流れていきます。そのため、 防熱は全体のバランスを考えて行わないと、効果が得られません。 断熱材の取り付けという簡単そうな問題もそこには、それなりのノウハウがあります。 安易に考えて行った結果は結露になって正直に現れます。

結露限界湿度とは

「結露限界湿度」という言葉は、一般的な単語ではありませんが、結露が発生する可能性を数値で示す指標として使用しています。具体的な計算方法等は別の章で説明していますが、この値が小さい程、結露がしやすい事をしましています。

建物を防熱する場合、使用する防熱材の厚さが厚いほど防熱の効果が出ますが、防熱厚みを増やすほど壁の厚さが増え、施工費が上がり、室内の有効容積が減ります。逆に薄いと防熱効果がありません。つまり防熱厚みには諸条件を考慮した最適な厚みがあります。現在、冷蔵倉庫においては、この防熱厚みを決めるのに、詳細に規定された規則や計算方法等は統一されていません。(配管の保温・保冷工事では「経済的な保温厚み」や「火傷防止厚み」、「結露防止厚み」を求める等の式があります)

そこで、弊社では設計時に冷蔵庫周囲の各箇所でFEM(有限要素法)を用いて自動的に結露限界湿度を算出し、全ての箇所で、この数値が社内基準値を上回るように防熱設計を行っています。

この結露限界湿度を計算することにより、施工前に事前に結露が発生し易い場所や、問題の解決方法等をシミュレーションする事ができ、設計時や打ち合わせ時に利用しています。

伝熱計算

伝熱計算

ここでは、実際に計算で結露限界湿度を求めるにはどうすれば よいのかをご紹介します。 まずは、一次元の定常熱計算を行います。(定常とは、時間がたっても、両側の温度や、内部温度分布が変化しない状態をいいます。一次元とは、壁を通 して高温側から低温側へ熱が流れる場合のように、熱の流れが一方向のみの場合をいいます。)

計算式

計算に必要な係数

飽和水蒸気圧

気温 0℃ 5℃ 10℃ 15℃ 20℃ 25℃ 30℃ 35℃ 40℃
飽和水蒸気圧(mmHg) 4.581 6.540 9.205 12.78 17.53 23.76 31.83 42.18 55.34

熱伝達率

熱伝達率は、物質への周囲からの熱の伝わり易さを示す値で、一般 に 放射による因子と対流による因子からなります。

(1)放射熱伝達率αr (シュテファン=ボルツマンの法則)

一般に次のような式で表せます。

ここでCbは完全黒体のふく射恒数4.88
ε値は対象物体のふく射率です。

(2)対流による熱伝達率αc

対流による熱伝達率は表面の温度、位置によって変化しますが、風速によっても大きく変化します。

熱伝導率

熱伝導率は材料の熱の伝わり易さを示す値で、材料の種類によって異なります。 文献により若干値が異なるのですが、参考に幾つかを下表に載せました。

材料 熱伝導率(W/m.K)
423
372
295
35
モルタル 1.90
コンクリート 1.51
タイル 1.05
板ガラス 0.74
天然ゴム 0.17
0.13
0.10
0.08
木綿 0.06
羊毛 0.06

(JIS保温より引用)

豆知識

Q 冷蔵倉庫に閉じこめられたらどうするの?

A  テレビでよく閉じこめられるシーンがありますよね。冷蔵倉庫のドアには脱出用のボタンやレバーが付いており、それを押すと扉の鍵が金具ごと外れるようになっています。でもこの通常の鍵以外に夜間は閂型の鍵を掛ける所も多く、この場合、脱出装置は効きません。実際に夜から翌日の朝まで閉じこめられた人の話によると、周りにある段ボールで体を覆い、扉の上にあるクーラーの裏側で過ごしたそうです。裏側は庫内に比べると風が弱く、定期的に霜取りのためヒーターが入るので助かったのかもしれません。

Q 餅の保存方法は?

A  まだ柔らかい内にラップで包んで冷凍庫で保存します。固くなった餅は霧吹きで日本酒をかけてしばらく置くとやわかくなります。

Q 手軽に作れる脱臭剤は?

A  ドリップした後のコーヒーのかすを乾燥させてガーゼで包むと脱臭剤として使えます。もっと手軽なのは使い終わった「使い捨てカイロ」をそのまま使うことです。

Q 冷蔵庫に入れない方がよい野菜は?

A  主に芋類(サツマイモ、ジャガイモ等)、南国果物(バナナ、パイナップル等)は冷蔵庫で保存しない方がよいと言われています。

Q きれいな氷を作るには?

A  ポイントは時間かけて温度を下げていき、ゆっくり凍らすことです、家庭の冷蔵庫では難しいので、初めからお湯を入れて凍らすという方法もあるみたいです。

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