熱の伝わり方

熱の伝わり方
伝導
対流
放射（輻射）
1. ステファン・ボルツマンの法則
伝達
熱貫流
1. 熱貫流
2. 熱流束
断熱指標
物質の放射・吸収
1. 長波長放射率と日射吸収率

熱の伝わり方

熱の伝わり方は、伝導、対流、放射(輻射)に分類される。
熱は高温から低温へ移動する。低温から高温に移動するには何らかのエネルギーを必要とする。(熱力学の第二法則)

伝導

固体、静止した液体・気体内部で熱が移動すること。

熱伝導率

熱伝導率は、主に固体内での、単位距離当たりの熱の伝わりやすさを示す。
単位は[W/(m・K)]である。
逆数は熱の伝わりにくさで、熱抵抗率である。(断熱材は熱抵抗値で表記される)
熱抵抗率[(m・K)/W]に、厚さ[m]を乗じたものを熱伝導抵抗[(m²・K)/W]という。

物質の熱伝導率

熱伝導率が高い順番は、以下となる。
アルミニウム＞鋼材＞コンクリート＞ガラス＞木材・石膏＞断熱材(硬質ウレタン・グラスウール)＞空気
水分が多い、密度が大きい(重い)、温度が高いほど熱伝導率は大きくなる。(熱伝導抵抗は小さくなる)
空気は熱伝導率が低いため、二重窓では空気の層(中空層)を作っている。
中空層の熱抵抗は、密閉度が高いほど大きく、2～5cmまでは厚さにつれて増大するが、それ以上ではほぼ一定になる。
ガラス繊維などの断熱材の熱伝導率が小さいのは、繊維材によって内部の空気の流動が阻止されることによる。

対流

気体や液体(空気や水など)の流体が、温度の違いによって熱を帯で移動すること。

放射（輻射）

電磁波によって熱が空間を伝わって移動すること。(色の影響はない)

ステファン・ボルツマンの法則

熱放射によって放出される放射エネルギーは、絶対温度の4乗に比例する。
黒体(外部から入ってくる放射をすべて吸収する理想的な熱放射体)からの放射束(ある面を時間当たりに通過する放射エネルギーの量)は絶対温度の4乗に比例する。

$\displaystyle E_b=σT^4 \ [W/m^2] $

$E_b$：放射エネルギー [$W/m^2$]
$σ$：ステファン・ボルツマン係数
$T$：絶対温度 [$K$]

形態係数と物体間の放射熱

実際の物体間は、一方の面から放射されたエネルギーの一部だけが他方の面に届く。一方の面から放射されたエネルギーのうち他方の面に届いた割合を形態係数という。
形態係数F₁₂＝面2に届いた放射エネルギー／面1から放射したエネルギー
形態係数F₂₁＝面1に届いた放射エネルギー／面2から放射したエネルギー
面1の面積A₁、面2の面積A₂の場合は、移動間のエネルギーは同じなので以下が成り立つ。

$\displaystyle A_1F_{12}=A_2F_{21} $

$\displaystyle q_{12}=F_{12}σ({T_1}^4-{T_2}^4) $

ウイーンの変位則

黒体では、波長と絶対温度の積は一定である。
物体の温度が高ければ、放射される波長は短くなる。

伝達

異なる2つの物質(固体－液体間、固体ー気体間)の熱移動のこと。
熱伝達は熱放射と対流によって行われ、その熱流量はそれぞれの熱流量の和となる。
流体(液体・気体)の種類、状態、温度によって変化する。
速度が速くなると熱は伝わりやすくなる。

熱伝達率

熱伝達率は、空間と壁での、単位面積当たりの熱の伝わりやすさを示す。(単位距離ではない)
単位は[W/(m²・K)]である。
逆数は、熱伝達抵抗[(m²・K)/W]である。
総合熱伝達率とは、対流熱伝達率＋放射熱伝達率である。
対流熱伝達率は、空気や水の移動による熱の伝達で、境界層外部風速や壁表面の粗度の影響を受ける。
放射熱伝達率は、電磁波による熱の伝達で、材料の輻射率の影響を受ける。(色は関係ない)
一般的に、外壁と内壁では、外壁の方が風の影響で対流が起きやすいため、熱伝達率は大きくなる。

熱貫流

壁を伝わる熱の移動のこと。
室内の熱伝達(放射や対流で熱が壁に移動する)→熱伝導(壁内の熱移動)→室外の熱伝達(放射や対流で熱が外に移動する)を合わせたもの。
均質な材料で作られた壁内部の温度は、定常状態であれば直線分布となる。
温度の傾きが大きい→壁の間で熱が伝わっていない→熱伝導率が低い→断熱性がある。
壁表面近傍で温度が急激に変化する部分を境界層という。

熱貫流率（熱通過率）

熱貫流率は、壁を挟んだ空間と空間の、単位面積当たりの熱の伝わりやすさを示す。
単位は[W/(m²・K)]である。
逆数は、熱貫流抵抗である。壁全体の熱貫流率を求める場合は、下記の熱貫流抵抗より求める。
熱貫流抵抗＝(室内と壁の熱伝達抵抗)＋(壁の熱伝導抵抗)＋(壁と室外の熱伝達抵抗)となる。
熱貫流率は、外部の風速が大きいほど大きくなり、外壁を構成する建築材料が厚くなると小さくなる。

熱流束

熱流束（熱流量）

熱流束(熱流量)は、単位時間に単位面積を横切る熱量である。
単位は[W/m²]である。

$\displaystyle q=\frac{Q}{S}=-λ\frac{dT}{dx}=\frac{T}{R} \ [W/m^2] $

$q$：熱流束 [$W/m^2$]
$Q$：熱量 [$W$]
$S$：面積 [$m^2$]
$λ$：熱伝導率 [$W/(m・K)$]
$dT/dx$：温度勾配 [$K/m$]
$T$：温度差 [$K$]
$R$：熱伝導抵抗 [$(m^2・K)/W$]

固体内の熱流束は、温度勾配×熱伝導率(温度勾配／熱伝導抵抗)で求められる。
多層の平板間の熱流束は等しくなるので、壁を横切る熱流束はどこでも一定で、以下が成り立つ。
熱貫流の熱流束(空間温度差／熱貫流抵抗)＝部屋から壁の熱流束(空間と壁の温度差／熱伝達抵抗)＝壁から外の熱流束(空間と壁温度の差／熱伝達抵抗)

空間の熱量

熱流束qの時、面積がAとすると全体の熱量は、Q＝q×Aとなる。
床面が地表面から浮いた状態の立方体の場合はＡ＝面積×6面とする。床を通しての熱移動はない場合は床を除く5面とする。

実効温度差

日射の影響を受ける熱容量の大きなコンクリート外壁等は、外から内へ熱を伝えるまでに時間がかかるので、その時間遅れを考慮した仮想の数値を使用する。
地域ごとに壁の種類や時刻・方位などで分けられた実効温度差が設定されている。

断熱指標

熱損失

室内から室外へ伝熱での熱の損失。
熱損失係数＝熱損失の合計／(床面積×室内外の温度差)
小さいほど断熱性が高い。

熱容量

熱を吸収して蓄える能力。比熱に物体の質量をかけたもの。
熱容量が大きいと、熱しにくく冷めにくい。
熱容量が大きいと日射を蓄熱しやすい。

TAC温度

実際の気象データを統計処理して、空調設計用に危険率(設計値を超える確率)を設定して求めた外気温度。

物質の放射・吸収

常温物体から放射される電磁波は、波長が10μm付近の赤外線が主体であり、長波長放射と呼ばれる。
太陽放射は、可視光である0.38μm～0.78μm付近の電磁波の比率が大きい。
温度が0℃の固体表面も、熱放射している。
物体表面から放射される単位面積当たりの放射熱流(放射エネルギー)は、絶対温度の4乗に比例する。(ステファン・ボルツマンの法則)
同一温度の物体間では、放射と吸収のエネルギーが等しい(キルヒホッフの法則)ので、物体の放射率と吸収率は等しい。

長波長放射率と日射吸収率

日射は可視光線の波長を含むため、物体表面の太陽放射の吸収率(日射吸収率)は、必ずしも長波長放射率(赤外線域の放射率)と等しくなく、以下の性質がある。
縦軸を長波長放射率(0～1)、横軸を日射吸収率(0～1)とした場合、白色ペイント、黒色ペイント、アルミ箔、亜鉛鉄板(トタン板)の関係は以下のようになる。
木材・アスファルトは黒ペイントと同傾向である。白色プラスターは白色ペイントと同傾向である。新しい亜鉛鉄板も、酸化した亜鉛鉄板も同等である。
色によって影響があるのは、日射吸収率である。