出典：建築物衛生管理技術者試験令和3年度(2021年)｜空気環境の調整第49問
問題
下の図は、厚さの異なるA、B、C部材で構成された建築物外壁における定常状態の内部温度分布を示している。
この図に関する次の記述のうち、最も不適当なものはどれか。
(1) A、B、C部材のなかで、最も熱伝導率が大きい部材はB部材である。
(2) 熱伝達率は、屋外側の方が室内側より大きい。
(3) B部材が主体構造体であるとすれば、この図は内断熱構造を示している。
(4) 壁表面近傍で空気温度が急激に変化する部分を境界層という。
(5) A、B、C部材のなかで、部材を流れる単位面積当たりの熱流量が最も大きいのはA部材である。
ビル管過去問｜建築物外壁の温度分布と断熱構造｜熱伝導率・境界層・熱流の基礎を解説
この問題は、外壁の温度分布図から熱の流れ方を読み取り、熱伝導率、熱伝達率、断熱構造、境界層、熱流量の基本を正しく理解しているかを問う問題です。定常状態の壁体内では、各部材を通る熱流は連続しており、部材ごとに熱流量が勝手に増減することはありません。そのため、最も重要なのは、温度勾配の急緩から熱伝導率の大小を判断することと、定常熱伝導では熱流量が各層で等しいことを押さえることです。正しい選択肢の内容は、温度変化のしかたから十分に説明できますが、誤っているのは、A部材だけ熱流量が大きいとしている記述です。
(1) A、B、C部材のなかで、最も熱伝導率が大きい部材はB部材である。
適切です。定常状態で同じ熱流が各部材を流れているとき、温度勾配がゆるやかな部材ほど熱伝導率は大きく、逆に温度勾配が急な部材ほど熱伝導率は小さいです。これは、熱が通りやすい材料では、同じ量の熱を流すのに大きな温度差を必要としないためです。図でB部材の温度変化が最もゆるやかに示されているのであれば、B部材はAやCより熱を通しやすい、すなわち熱伝導率が最も大きいと判断できます。温度分布図では、傾きの大きさを見ることが重要です。
(2) 熱伝達率は、屋外側の方が室内側より大きい。
適切です。一般に、屋外側は風の影響を受けやすく、空気の流れが活発なため、壁表面で熱がやり取りされやすくなります。熱伝達率は、表面と周囲空気との間で熱がどれだけ移動しやすいかを表す値なので、風速の影響を強く受けます。そのため、自然条件下では屋外側の熱伝達率の方が室内側より大きくなるのが通常です。温度分布図でも、表面近傍の温度の変化のしかたから、その傾向を読み取る問題がよく出ます。
(3) B部材が主体構造体であるとすれば、この図は内断熱構造を示している。
適切です。主体構造体がB部材であり、その室内側に断熱性の高い部材が配置されている場合、その構成は内断熱と判断します。内断熱とは、建物の主要な構造体の内側、つまり室内側に断熱材を設ける方式です。反対に、主体構造体の外側に断熱材を設けるものが外断熱です。温度分布図では、どの層で温度差が大きく生じているかを見ると、断熱性の高い部材がどこにあるかがわかります。その位置関係から、内断熱か外断熱かを判断するのが基本です。
(4) 壁表面近傍で空気温度が急激に変化する部分を境界層という。
適切です。壁の表面付近では、壁面に接している空気の流れが弱まり、温度が周囲空気とは異なる状態になります。この薄い領域を境界層といいます。境界層の中では、壁面温度から周囲空気温度へ向かって短い距離で温度が大きく変化します。図において壁のすぐ近くで温度線が急に変化している部分は、この境界層を表しています。境界層は、熱伝達率を考えるうえで重要な概念であり、材料内部の熱伝導とは区別して理解する必要があります。
(5) A、B、C部材のなかで、部材を流れる単位面積当たりの熱流量が最も大きいのはA部材である。
不適切です。定常状態で、壁が直列に積み重なった一枚の外壁として熱が流れている場合、各部材を通過する単位面積当たりの熱流量はすべて等しくなります。途中の層だけ熱流量が大きくなったり、小さくなったりすると、その層の前後で熱がたまったり消えたりすることになりますが、定常状態ではそのようなことは起こりません。したがって、A部材だけ最も熱流量が大きいという考え方は誤りです。この問題では、温度勾配の違いを見て熱流量まで違うと誤解しやすいですが、勾配の違いは主に熱伝導率の違いを反映しているのであって、熱流量の大小を示しているわけではありません。
この問題で覚えるポイント
外壁の定常熱伝導では、各層を流れる単位面積当たりの熱流量は等しくなります。ここは非常に重要で、直列に並んだ部材のどこか一部だけ熱流が増えることはありません。温度分布図では、部材内の温度勾配が急であるほど熱伝導率は小さく、温度勾配がゆるやかであるほど熱伝導率は大きいと判断します。熱を通しにくい断熱材ほど、薄くても大きな温度差を受け持ちやすいです。また、壁表面近傍の空気側には境界層があり、ここで空気温度が急変します。この部分は材料内部ではなく、表面熱伝達に関わる領域です。さらに、内断熱と外断熱は、主体構造体に対して断熱材が内側にあるか外側にあるかで区別します。温度分布図の読み取りでは、どこで大きく温度が下がっているかを見て、断熱材の位置や構造種別を判断することが得点につながります。
ひっかけポイント
この問題のひっかけは、温度勾配が大きい部材ほど熱がたくさん流れているように見えてしまう点にあります。実際には、定常状態の直列壁体では熱流量は各層で等しく、温度勾配の違いは熱伝導率の違いを表しています。つまり、傾きが急だから熱流が大きいのではなく、同じ熱流を通すのにより大きな温度差が必要な、熱を通しにくい材料だということです。また、境界層と断熱材内部の温度変化を混同しやすい点も要注意です。表面付近の急な温度変化は空気側の熱伝達の話であり、材料の熱伝導率そのものを直接示しているわけではありません。さらに、内断熱と外断熱は名称の印象だけで判断すると逆に覚えやすいため、必ず主体構造体を基準にして考える習慣をつけることが大切です。
