••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••特 集
建築における蓄熱技術の評価と実践

潜熱・顕熱蓄熱建材の高断熱木質住宅における有効性
Validity of Latent and Sensible Thermal Storage Materials in Highly Insulated
Wooden Houses
佐藤理人 *
外の低温域や高温域では「熱し易く冷め易い」低熱

1．はじめに容量であることが望ましい（図 1）．

木質系住宅は，居室の熱容量が RC 造（外断熱）

このような快適温度域でのみ熱容量を増大させる住宅と比較して小さいことが知られており，断熱層ための手法として，近年，潜熱蓄熱建材を用いた躯

室内側の単位床面積当りの熱容量は 1/4 程度となる

体蓄熱技術の開発が進められており，主には床暖房こともある．こうした熱容量の違いは室温変動の違と併用させることを前提としたアクティブ利用を想いとなって現れ，高断熱・高気密住宅が普及しつつ定したものと，設備の利用を前提としないパッシブある現在でも木質系住宅の室温変動は依然として大利用を想定した潜熱蓄熱建材が存在する．

きい．そのため，冬季においてもオーバーヒートをアクティブ利用時は，例えば温水床暖房等の放熱起こし，日中窓を開放しておきながら，最低室温は温度があらかじめ決定可能なため，PCM の融解・依然として 15℃を下回るといった事例も発生して凝固温度域が比較的広い場合も完全融解に近い状態おり，適切な熱容量を付加することが蓄熱効果を最を実現でき，潜熱を十分に利用できる．但し熱容量大限活かすためには必要である．

が過大だと床暖房の立ち上りの遅延や暖房負荷増大

高断熱木質住宅の単位床面積当りの熱容量（家具等の熱容量は除く）は，居室面積にもよるが 50 ～を招くため，温度帯の選定や付加する量には注意が必要である．

2

80kJ/m K 程度である．しかしながら適切な熱容量

またパッシブ利用の場合は，日射取得や室温との程度については，主目的とする効果や地域特性，日温度差を利用して PCM の融解・凝固を行うため，射条件にもよるが，単位床面積当りの熱容量が 150

PCM と室温の温度差が確保しづらいことから，過～ 250kJ/m2K 付近で暖房負荷削減や快適温度域でり（1），このような熱容量の付加方法についてこれまで検討を行ってきた．
熱容量を付加する方法としては，昔ながらの方法として居室南側にダイレクトゲインによる顕熱蓄熱を想定した土間コンクリートを敷設する手法等もあるが，蓄熱効果を発揮できるコンクリートの厚みには限界があるため，広範囲に薄く熱容量を付加する
方が蓄放熱量が大きくなり，室温安定化や顕熱負荷単位床面積当りの熱容量（KJ/m2K）の室温安定化といった効果が得やすいといわれてお削減等の効果が年間を通して得やすくなる．

10

但し熱容量の付加によって，室温が必ずしも人の快適温度域で推移するとは限らず，どの室温域で推移するかは住まい方によって変化するため，理想的には人の快適温度域のみで熱容量が増大し，それ以Vol.46. No4

太エネ258-特集

佐藤.indd31

地域特性や日射条件等により150～
250kJ/m2Kの蓄熱性能を設定

図11518～28℃では熱容量を増大させ、室温を安定化させる
快適域外では低熱容量のままとし、顕熱負荷抑制を図りながら快適域へ速やかに移行させる

2025
室温（℃）

3035

木質住宅における理想的な熱容量例* 株式会社ミサワホーム総合研究所－ 31 －

太陽エネルギー

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10:07:26

見かけの比熱（kJ/kgK）

佐藤理人：

床暖房等によりPCMを融解させることで、相変化域が広くても効果が顕在化しやすい。
パッシブ利用時は潜熱利用範囲が限られるため広範囲に設置する必要

25201510

冬季室温
変動範囲

過冷却が小さく、昇温・降下過程ともピークが室温変動範囲内に収まっているとパッシブ利用でも効果が顕在化しやすいN

冬季最低室温向上効果の計算対象とした LDK 空間

5（18.75 畳）0010

図220温度（℃）

3040

床暖房等送水温度*LDK 空間の床面積当り南面開口率：38%

1stFloor

潜熱蓄熱建材の相変化タイプ別利用例

冷却が起きにくく，相変化ピーク温度が室温変動域内にあると効果を顕在化させやすい．また PCM の融解・凝固温度域が比較的広い場合は，薄層で広範囲に設置できると，効果を顕在化させやすい（図 2）．
こうした潜熱蓄熱建材の利用は機能性建材の一つとして今後普及が見込まれるが，価格が高額である
ことや，防火性能を高めづらい成分のものが多いため，居室の広範囲にそのまま適用することは困難で2nd Floor(1)ある．そこで，防火性能を高めつつ熱容量を高める

図3

方法として，壁・天井には石膏ボード等の不燃・準

2nd Floor(2)

計算用戸建住宅モデル平面図

不燃材料と組み合わせて使用する方法等をこれまで
断熱に関しては，3 つの仕様を想定する．断熱グ試行してきた．
つまり，ある程度の熱容量は安価な顕熱蓄熱材を

レードⅠは断熱地域区分 6 地域において住宅性能表使用して確保し，快適温度域内に留めるための閾値示制度の省エネルギー対策等級 4（最高等級）レベを超えないようにする場面で潜熱蓄熱建材を活用す，断熱グレードⅡは同 6 地ル（Ua ＝ 0.61W/m2K）

ると，対費用効果の高い蓄熱効果を得ることができる．

，断域で ZEH 基準相当レベル（Ua ＝ 0.51W/m2K）

次章以降では住宅における蓄熱効果を予測・評価

熱グレードⅢは HEAT20 の G2 グレードレベルのした事例，実物件において冬季最低室温向上効果や仕様（Ua ＝ 0.38W/m2K）である．
また熱容量についても以下の 3 つの仕様を想定す

夏季ナイトパージによる蓄冷効果を実施した事例をる．蓄熱グレードⅠは LDK 床面積当たりの熱容量示す．

2．数値解析による冬季蓄熱効果の予測・評価（2）2.1

数値解析概要において，標準的な壁・天井・床の断熱仕様を想定し，各部断熱材よりも室内側にある部材を蓄熱部材

木造住宅に適切な熱容量を付加する上で重要な要として見込んだ値である．蓄熱グレードⅡは LDK

件としては，求める蓄熱効果とともに，断熱性能や床面積当たりの熱容量を 110.2kJ/m2K とした．これ

季節，日射条件そして地域特性があげられる．

はモデルプランの LDK において，天井・床に対しここでは 1 階 LDK の冬季最低室温向上，暖房負て蓄熱部材を追加した仕様である．蓄熱グレードⅢ

荷削減，室温安定化を目的として，地域別，断熱性は LDK 床面積当たりの熱容量を 178.4kJ/m2K とし能別，熱容量別に数値解析を行い，蓄熱効果を整理た．これはモデルプランの LDK において，天井・した事例を示す．数値解析に用いたモデルプランを床に対して蓄熱部材を蓄熱グレードⅡよりさらに追図 3 に示す．

加した仕様である．

想定する建設地は 4 都市であり，断熱地域区分でその他にも室の家具等の熱容量として単位容積当は盛岡（3 地域）
，仙台（4 地域）
，東京（5，6 地域），たり 18.8kJ/m3K の熱容量を付加している．暖房時鹿児島（7 地域）に相当する．

間は 7 時～ 14 時，16 時～ 24 時とし，日中の室温

Journal of JSES

太エネ258-特集

を 61.3kJ/m2K とした．これはモデルプランの LDK

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32－ 32 －2020 年

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潜熱・顕熱蓄熱建材の高断熱木質住宅における有効性で蓄熱し，夜間に放熱するパッシブタイプの蓄熱効ことが示されている．

果を想定している．また暖房温度は日本健康住宅協

2.3

暖房負荷削減効果

図 5 は，東京の年間暖房負荷削減効果を断熱・蓄会が推奨する 22℃とした．また内部発熱について熱性能別に整理した結果である．断熱性能が向上す

は住宅事業主の判断基準の設定と同じとした．
計算は温熱環境シミュレーションプログラム

るにつれて暖房負荷削減効果が高くなるが，さらに（AE-SIM/HEAT Ver.4）を用いて行い，各都市の蓄熱性能を追加することで，今回のモデルの場合は，気象条件は，拡張アメダス気象データの標準年 EA断熱性能向上による効果に加えて，更に蓄熱効果に

気 象 デ ー タ（2000 年 版 ） を 用 い た．AE-SIM/より－ 9 ～ 16％程度の負荷削減効果が得られる．

HEAT では特定の融点での融解凝固を模擬できな

但し暖房負荷が最小となるのは，今回の建物モデル

いため，潜熱量を含めた相変化ピーク温度（21.2℃）

においてはいずれの断熱グレードの場合でも蓄熱グを含む冬季室温域（18 ～ 22℃）の見かけの比熱を入力値とした．また蓄熱グレードⅡ，Ⅲで想定した

7000

断熱性能向上あるいは蓄熱性能向上に伴って，日最低室温平均値が改善されることが判る．また，断熱

2000
10000と蓄熱を組み合わせることが日最低室温を高める上で有効であり，例えば（b）東京では断熱・蓄熱のグレードを共にⅡとすると，18℃以上を実現できる

図5

断Ⅲ—蓄Ⅲ

仕様ごとにまとめたものを図 4（a）～（d）に示す．

-9.7% -9.1%

断Ⅲ—蓄Ⅱ

各都市の 2 月の日最低室温平均値を断熱と蓄熱の

3000

断Ⅲ—蓄Ⅰ

冬季日最低室温向上効果

断Ⅱ—蓄Ⅲ

2.2-10.7%-11.4%

断Ⅱ—蓄Ⅱ確認できた厚みとした．

4000

断Ⅱ—蓄Ⅰ

仕上げ材直下の潜熱蓄熱材が完全に融解することを

5000

断Ⅰ—蓄Ⅲ

において日中 22℃設定でエアコン暖房した場合に-13.8%-16.1%

断Ⅰ—蓄Ⅱ

ら必要な蓄熱量を確保することを想定し，予備実測

6000

断Ⅰ—蓄Ⅰ

は，各部の蓄熱厚さを有効蓄熱厚さ以下に抑えなが年間暖房負荷（kJ/year）

床と天井に使用する潜熱蓄熱材を用いた蓄熱建材

年間暖房負荷削減効果（東京）

19℃～
19℃～

18℃～

18℃～
17℃～

（b）東京・2 月（a）鹿児島・2 月

18℃～

17℃～
16℃～

17℃～

15℃～

16℃～

14℃～

（d）盛岡・2 月（c）仙台・2 月

図4
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断熱・蓄熱仕様別日最低室温算出結果－ 33 －太陽エネルギー

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佐藤理人：

レードⅡの場合であり，目的とする蓄熱効果のバラ物本来の性能を表現しているともいえ，停電等災害

ンスをみながら最適な熱容量を設定していく必要が発生時のレジリエンス機能を評価する上でも参考とある．

なる数値である．
今回は図 6 に示すように①標準モデルを断熱・蓄

今回の結果はあくまで一例であり，地域や住宅プラン，周辺環境の違いによって日射熱取得量が異な熱性能がグレードⅠの建物として，②断熱性能向上

る場合には蓄熱による省エネルギー効果は増減す（断熱グレードⅡ）③蓄熱性能向上（蓄熱グレードⅢ）る．との相乗効果が得やすい要素技術である，④夏季日

また断熱性能の低い建物において蓄熱性を高める

射遮蔽性能向上（夏季のみ南側開口部への外部スクと，かえって快適性を損ねたり，暖房負荷増大につリーン設置），⑤夏季外気冷房性能向上（ナイトパーながる恐れがある．

ジ（夏季夜間のみ 7 時間 自然換気回数 5 回 /h 想定））

しかし，新築住宅の断熱・気密性能が大幅に向上を導入し，各技術の組み合わせの中でも効果が高い

した現在においては，蓄熱性能を付加することのデと思われる組み合わせを中心に合計 16 パターンのメリットは小さく，むしろ室温の安定化と省エネル計算を行い，自然室温による温熱環境改善効果を評ギー化に有効な手段となり得る．

価した．
計算は前章と同様に温熱環境シミュレーションプ

3．蓄熱性能等を利用した温熱環境改善効果
3.1ログラム（AE-SIM/HEAT Ver.4）を用いて行い，数値解析概要

内部発熱，気象データ（東京）も同一条件で実施し前章では断熱・蓄熱性能のみに着目した数値解析た．

事例を示したが，断熱・蓄熱性能向上に加え，様々3.2な要素技術を付加することによって，更にその効果（a）夏季最高室温及び冬季最低室温改善効果

評価結果

を高めることができる．一般的に日射取得性能の高図 7 に夏季日平均最高室温及び冬季日平均最低室い居室の断熱や蓄熱性能を高めることは，夏季の冷温を算出した結果例を示す．個別の要素技術を導入

房負荷増大を招く恐れがあるが，日射遮蔽や夜間外する場合よりも要素技術を組み合わせることで，夏気冷房（ナイトパージ）を実施することで夏季にお季・冬季ともより高い効果が得られており，夏季最いても断熱・蓄熱性能の効果を得ることができる．

高室温は約 2.5℃低下し，冬季最低室温は約 2℃向

ここでは冷暖房設備の利用を想定しない自然室温上した．こうした断熱・蓄熱以外の技術の導入も蓄にて評価した事例を示す．自然室温による評価は建熱（蓄冷）による効果を高め，木造住宅に熱容量を付加することの価値を高めるために有効な手段であ

⑥

断熱強化
グレードⅡ

断熱強化＋
外部スクリーン③

断熱強化＋蓄熱

⑦
蓄熱
グレードⅢ

④
外部スクリーン(夏季のみ)⑧
断熱強化＋
ナイトパージ⑨

外部スクリーン＋蓄熱⑩⑤ナイトパージ（夏季のみ）

外部スクリーン＋ナイトパージ⑪
蓄熱＋ナイトパージ

図6佐藤.indd

図 8 に年間 8760 時間の中で自然室温がどの程度許容可能な室温域（15℃～ 30℃）に保たれる時間⑫
断熱強化＋外部スクリーン
＋蓄熱

⑬
断熱強化
＋外部スクリーン＋ナイトパージ⑭

断熱強化＋蓄熱＋ナイトパージ1334⑯断熱＋蓄熱＋
外部スクリーン＋ナイトパージ
⑭

12

⑫⑮

11⑨⑬

⑥⑪⑦③⑧②

10⑩9⑮
外部スクリーン＋蓄熱＋ナイトパージ

3031④⑤①標準仕様（断熱・蓄熱グレードⅠ）

32

33

34

夏季平均日最高温度（℃）

評価技術及び 計算した評価モデル（16 パターン）

Journal of JSES

太エネ258-特集（b）許容温度時間率増加及び日較差低減効果

断熱強化＋外部スクリーン＋蓄熱＋ナイトパージ

冬季平均日最低温度（℃）

標準仕様

断熱グレードⅠ
蓄熱グレードⅠ②る．

⑯①－ 34 －図7

自然室温計算時における夏季最高・冬季最低室温
2020 年

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潜熱・顕熱蓄熱建材の高断熱木質住宅における有効性の割合があるかを算出した年間許容室温時間率と，熱容量を確保するために必要な顕熱蓄熱材（石膏

年間平均日較差を算出した結果を図 9 に示す．

ボード等）を主に天井と床に付加した．PCM 蓄熱①標準仕様と⑯全ての技術要素を追加した場合でシートは，ゲル化パラフィンで相変化ピーク温度約は，年間許容室温時間率は約 13％上昇し，年間平21℃（過冷却はほぼ無し）のものを使用した．図均日較差は約 1.6℃小さくなる．

10 に施工時の床断面の様子を示す．

今回取り上げた熱的な要素技術以外でも吸音材と4.2

実測概要

して使用される断熱材や面密度の大きい遮音マット

測定は 2017/2/19 ～ 2/27 に実施し，全熱交換換等防音性能向上技術とは相性が良く，双方の効果が気有（顕熱交換効率 0.7，0.6 回 /h），カーテン・家得られるような仕様の開発も期待される．

具等の設置有，内部発熱 40W の条件で測定した．
また暖房設定温度 22℃，暖房時間は 7 時～ 14 時，4．実測による蓄熱仕様の評価例（3）4.1

16 時～ 24 時とし，日中の日射熱や暖房で蓄熱し，蓄熱建材設置概要

夜間に放熱することで冬季早朝（7 時）の最低室温

本章では具体的な蓄熱仕様を評価した事例とし向上効果を実現することを目的とした．て，東京都武蔵村山市に建設された木質パネル住宅

また PCM 蓄熱シートの表裏面に T 型熱電対及びに顕熱・潜熱蓄熱建材を導入し，実測を行った事例

熱流計を設置し，融解・凝固程度について測定した．

を示す．実測対象建物は，1 階 LDK の断熱仕様が4.3

実測結果

Grade Ⅰ，蓄熱仕様が Grade Ⅱ相当で，図 9 に示す

図 11 に一例として 2017/2/21 朝 7 時の室温及びように LDK の中でも特に受熱日射を得やすい位置

床断面温度分布を測定した結果を示す．午前 0 時にとしてリビングの南側開口部を中心とした床面（概暖房を停止し 7 時間後の室温は 17.1℃であり，床表ね対象居室面積の 40％程度）にのみ PCM 蓄熱シー

面温度は室温よりも 1℃高い 18.1℃を維持している．

ト（t ＝ 6mm）を敷設し，その他 Grade Ⅱ相当のまた PCM 蓄熱シートの温度は 19.6℃を維持してお75%

10.0 ℃

70%

8.0 ℃

65%

6.0 ℃

60%

4.0 ℃

55%

2.0 ℃

50%

合板
PCM蓄熱シート（t=6mm）

年平均日較差（℃）

年間許容室温時間率（%）

り，蓄熱効果が表れている．PCM を敷設していな

高強度石膏ボード

0.0 ℃① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ ⑪ ⑫ ⑬ ⑭ ⑮ ⑯

図8

パターン別許容温度時間率及び年間日較差図 1010010mm
LDK

Thermal Storage
Floor

N

PCM 蓄熱シート敷設例

室内
フローリング
合板
PCM蓄熱シート
高強度石膏ボード
合板

17.1℃
18.1℃
19.6℃
19.1℃

断熱材

蓄熱仕様対象範囲

図9Vol.46. No4

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佐藤.indd3512.0℃

床下117735mm

1F 平面図及び蓄熱材敷設位置

図 11－ 35 －

121314151617温度[℃]

18192021

断面温度分布（2017/2/21 7 時）
太陽エネルギー

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佐藤理人：

放射温度 [℃]
1520

図 12

放射温度分布測定結果（2/28 7 a.m.）

い通常床部分の表面温度は室温相当であり，最低室温向上に加え，床表面温度は更に室温よりも 1℃高く維持できることを確認した（図 12）．また本建物

図 13

 部流入風速（Vin）が床近傍空気温度と床表面温外度との温度差（ΔTa）に与える影響

はフローリング一体型温水床暖房も敷設されており，床暖房との併用事例では早朝の床表面温度は室今後，ナイトパージをより効果的に利用するため温＋ 2℃の効果が得られる等，接触温感の向上にもには，室温を外気に近づける自然換気量を確保する寄与する．

ことも重要であるが，外気の取り入れ方についても，このような PCM 蓄熱シートの他にも石膏ボード

特に内外温度が小さい場合等では，図 13 に示すよ一体型の PCM 蓄熱シートを天井に敷設した事例や，うに低温外気を室内空気と極力混合させずに床近傍断熱リフォームと併用した事例等も仙台や金沢等で空気温度と床表面温度の温度差を確保し，安定した測定を行い，同様の効果が得られることを確認して蓄冷量を得る工夫も重要である．

いるが，開口部近傍の床表面温度はコールドドラフ
トの影響も受けやすいこと，最低室温向上には熱交換型の 24 時間換気の利用も重要であることから，今回取り上げた潜熱・顕熱蓄熱建材による躯体蓄蓄熱効果を維持する工夫も合わせて実施することが熱事例は蓄熱の持つ効果の一例に過ぎず，一つ一つ肝要である．の効果はそれほど大きなものではないが，この他にも人の快適性や健康性，省エネ性等幅広く寄与でき

5．ナイトパージによる夏季蓄冷効果（4）る部分は多い．こうした効果を一つ一つ定量的に明夏季における夜間外気冷房（ナイトパージ）は，らかにしていくことが更なる普及には重要であり，低温な外気を室内に取入れることで建物内部に滞留それらを明示していくことに引き続き取り組んでいした熱の排気，躯体蓄冷による日中の冷房負荷削減

きたい．に寄与できることから，オフィスなどでは躯体熱容量が大きいことを活かしたナイトパージによる躯体

7．参考文献蓄冷を実施する事例は多くみられる．しかしながら

1）桑沢保夫，峰野悟，澤地孝男：戸建て住宅にお熱容量が小さい木造住宅においては，これまでナイける蓄熱が暖房熱負荷に与える影響の評価手法，日トパージによる蓄冷を実施した事例は少なかった．

本建築学会環境系論文集 Vol.80 No.717，pp.1045-

他方で 3 章で示したように日射遮蔽・夜間換気と熱1052，2015

容量を付加した組み合わせは，夏季日中の快適性向

2）太田勇，佐藤理人，守谷一希：高断熱木質住宅上に有用であり，省エネルギー性とともに災害・停の冬季最低室温向上を目的とした熱容量に関する研電発生時のレジリエンス機能向上としても有用であ

究その 1 研究目的と概要，太陽 / 風力エネルギー講る．

演論文集，pp.72-82，2017

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6．おわりに佐藤.indd

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潜熱・顕熱蓄熱建材の高断熱木質住宅における有効性

3）佐藤理人，太田勇，守谷一希：高断熱木質住宅の冬季最低室温向上を目的とした熱容量に関する研佐藤 理人

究その 2PCM を使用した建材開発とプレ実測結果 ,2008 年，東京工業大学大学院博士課

太陽 / 風力エネルギー講演論文集，pp.83-86，2017

程修了，博士（工学）．2008 ～ 2011 年，

4）李泰徹，佐藤理人，浅輪貴史他：地窓を利用し東京工業大学大学院特別研究員．2011

た夜間自然換気による潜熱蓄熱材の蓄冷効果に関す

年～，ミサワホーム総合研究所主任研

る研究，日本建築学会環境系論文集 Vol.82 No.742，

究員．蒸暑地域における省エネ住宅開発，パッシブ

pp.1025-1024，2017

技術，太陽熱利用技術開発等に従事．

Vol.46. No4

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著者紹介

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