いごこちの科学 NEXT ハウス

さらなる省エネ・省CO2が住宅の重要なテーマとなる寒冷地。 本企画は、独自の視点から住宅性能研究の最前線を開いている、東京大学の気鋭の研究者・前真之准教授に、「いごこちの科学」をテーマに、住まいの快適性能について解き明かしていただきます。 シーズン1に続く第2弾として2015年からは、それまでの連載の発展形「いごこちの科学 NEXT ハウス」としてリニューアル。
「北海道・寒冷地の住宅実例から考える室内環境について」をテーマに、断熱、開口部、蓄熱など、さまざまな視点から 寒冷地における室内環境の改善ポイントを解説しています。東京大学大学院工学系研究科 建築学専攻・准教授 前 真之 (まえ・まさゆき)東京大学大学院工学系研究科
建築学専攻・准教授
前 真之 (まえ・まさゆき)


寒い冬、高温の炎から放出される遠赤外線によって体を温めて暖を採る昔ながらの「採暖」は、今でも根強い人気があります。特に、寒さが厳しい北海道や東北などでは形を変えながら今日まで続いています。今回は様々な採暖について、歴史を紐解きながら考えてみることにしましょう。

快適な温熱環境のおさらい〜体全体の熱収支OK+局所不快なし

この連載では、主に世界中で利用されている温熱環境の考え方を基に、夏の暑さや冬の寒さを考えてきました。簡単におさらいすると、体の中から活動量に応じて生産される代謝熱量と体表面からの放熱量をバランスさせて「体全体の熱収支」を確保するとともに、上下温度差などの「局所の不快をなくす」ことが肝心でしたね。このように体全体の熱収支と局所不快の撲滅のためには、空気温度を整えるとともに、建物の高断熱により壁・床・天井の放射温度を改善した上で、気密により漏気を減らすことが重要でした。

採暖は寒冷地で根強い人気がある

ところが昔は建物の断熱・気密に関する技術が不足していたため、冬に部屋全体を温かい空気で満たすこと自体が困難でした。そのため高温の熱源を用いて体の一部を加熱させる「採暖」が広く用いられてきたと言えます。

筆者としては、これだけ建物性能が向上した中で、採暖はもはや必要ないのでは……と思ってしまうのですが、北海道や東北などの寒冷地では、ラジエーターや薪ストーブなどの採暖機器が高性能住宅にも設置されているのを多く見かけます。寒さの厳しい外から帰ってきたら、採暖による暖かさを感じたい、というのは無理のないことかもしれません。今回は、この採暖を少し深掘りしてみることにしましょう。

エアコンなどの空気式暖房では、熱のやり取りは空気の分子を介した「対流」というルートで行われます。一方でストーブなどの採暖機器では、遠赤外線による「放射」がメインです。採暖を理解するためには、この放射の原理を知ることが近道になります。

放射エネルギーは絶対温度の4乗に比例する

あらゆる物体はその絶対温度に対応した電磁波を放出します。この電磁波こそが放射の正体です。放射を考える際には、温度はケルビン(K)で表される絶対温度で表現するのが便利です。0℃は273.15K、0Kはマイナス273.15℃となります。

太陽は絶対温度6千Kと非常に高温なので、「可視光」と「近赤外線」を中心とした短波長で強力な電磁波を放出します。一方で我々の身のまわりの物体はせいぜい数百Kのため、より波長が長く穏やかな電磁波の「遠赤外線」を放出します。遠赤外線は目に見えませんが、サーモカメラはこの遠赤外線の放射強度を捉えて温度を推定しています。

では、物体から放出される放射エネルギーの量は何で決定されるのでしょうか。これも絶対温度で決まります。図1に示すように、放射エネルギー量は絶対温度の4乗(!)に比例するので、温度の上昇に従って爆発的に増加します。つまり、採暖を用いるには高温をつくり出すことが肝心なのです。

図1 放射エネルギーは絶対温度の4乗に比例
放射エネルギーと温度の関係を表現した「シュテファン・ボルツマンの法則」によると、放射エネルギーは絶対温度の4乗に比例します。グラフ上でも、温度が上昇すると急激に放射エネルギーが増大するのが分かりますね。なお摂氏0℃は絶対温度では273.15K(ケルビン)となります。

囲炉裏の炭火は超高温

それでは、具体的な採暖の例を見ていくことにしましょう。まずはレトロに、冬の囲炉裏に置かれた「炭火」をとりあげます。図2をご覧ください。なお、今回の赤外線画像は、熱源まわりは高温までのレンジで、室内環境全体は5〜35℃のレンジで表現しています。同じ色が同じ温度を表していない場合があるので注意してください。

図2 囲炉裏の炭火はほぼ純粋な放射加熱
木炭は、木を蒸し焼きにして水分を除いたほぼ純粋な炭素であるため、木炭を燃やした炭火は非常に高温です。写真の炭火の温度は、筆者のサーモカメラの上限(650℃)を超えて「測定不能」。超高温の炭火からの放射が近くの人や物体の一面を強力に加熱することで、低断熱・低気密な住宅の中でも暖を採ることができました。

木炭はほぼ純粋な炭素であり燃やしても水蒸気はほとんど発生しないため、炭火は非常に高温です。赤外線画像で見ても、600℃以上になっています。放射エネルギーが絶対温度の4乗に比例することを考えると、強力な放射熱が放出されていることになります。熱源が高温なほど、採暖は純粋に放射のみの加熱になるのです。

この高温の炎から放出された放射熱により、囲炉裏のまわりに座った人たちの体の一面が強力に加熱されていることが、赤外線画像からよく分かります。反対側の背中は冷え切っていますが、体全体ではなんとか代謝熱量と放熱量のバランスをとることで、凍え死んでしまうことは避けられます。遠赤外線は空気にあまり吸収されないので、物体にあたって初めてその表面を加熱します。断熱・気密が全くない伝統家屋において、空気を介さない放射による採暖は、体を温める数少ない方法だったのです。

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