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冬も快適な家、秘密は高断熱の窓と床下エアコン暖房

松尾和也 松尾設計室代表

ケンプラッツ
季節は冬真っ盛り。家にいると底冷えすると嘆いている読者も多いだろう。では、住宅の断熱性能をアップしたい場合、どこから手をつければいいのか。一般に断熱材の仕様から考える人が多いが、本当は(1)窓、(2)換気、(3)外壁の順に考えるべき。松尾設計室(兵庫県明石市)の松尾和也氏が、その理由をわかりやすく解説する。(日経ホームビルダー編集部)

高断熱の重要性について講演すると、「どんな断熱材を使ったらいいですか」と質問されることが多々あります。しかし、この質問は大切な要素を飛ばしています。「どこから断熱を強化すべきですか」というのが、最初にあるべき質問だと思います。

コストパフォーマンスが最も高いのは、なんといっても窓です。その次は、「自然給気+機械排気」の第3種換気を、「機械給気+機械排気」の第1種換気に変えることです。外壁の高断熱化は、コストパフォーマンスの観点で見ると3番手になります。

それなのに、断熱材の種類に関する質問が多数を占め、しかも厚さを尋ねない場合が大半です。ここから想像すると、高断熱化は壁や屋根の断熱材をグラスウール充填断熱からボード状断熱材に移行すること、もしくは外張り断熱に移行すること、といった先入観があるようです。

また、こうした質問をする人は、熱伝導率と厚さの関係で導かれる「熱抵抗値」こそが重要なことを理解していないようです。

断熱性が低い窓

省エネ基準の計算方法が改正され、「外皮平均熱貫流値(UA値)」が導入されました。これは外皮(外壁・床・天井・屋根・窓・ドアなど)全体の「熱貫流率」を平均したものです。一般に断熱性能は、熱貫流率という指標で比較されます。これは「U値」とも言われ、単位はW/m2(平方メートル)Kです。内外の温度差1℃の場合において1m2当たり貫流する熱量を表し、小さいほど熱の出入りが少なく高性能であることを意味します。

話を単純化するために、平面が3.6×3.6m、天井高が2.4mの単室の平屋を考えてみましょう。床、屋根、天井とも、熱伝導率0.038W/mKのグラスウールを厚さ100mmで使うと、熱貫流率(U値)は0.038W/mK÷0.1m=0.38W/m2K。一方、窓はアルミ枠のシングルガラスでU値は4.65W/m2Kとします。最近の新築住宅はこの程度の水準が最も多いと思います。

ここで外皮の表面積は60.48m2で、窓面積は3.3m2、窓以外の面積は57.18m2です。すると、UA値は「0.38×57.18/60.48+4.65×3.3/60.48=0.36+0.25=0.61」となります。この計算式から読み取れるのは、窓面積に対して窓以外の面積が約20倍もあるのに、壁から熱が逃げる量(0.36)は、窓から熱が逃げる量(0.25)の2倍もないということです。つまり、窓の断熱性が極めて低いということが分かります。

コストアップ大きい断熱材強化

では、「窓強化型」と「断熱材強化型」という二つの断熱性能の向上方法について比較してみましょう。

窓強化型では、現時点でコストパフォーマンスが最も高い、樹脂サッシのLow-E(低放射)複層ガラス仕様で実質U値が1.7 W/m2Kの製品に変更してみます。この場合のUA値は、上記と同様の計算を行うと0.45となります。

次に、窓はそのままで断熱材の厚さを増すことで、窓強化型と同等の断熱性能を確保する「断熱材強化型」を検討してみます。すると、窓以外の断熱材の厚さを180mmと、元の1.8倍にしなければならなくなります。

コスト面から言うと、延べ面積が120m2程度の標準的な住宅で、窓強化型のコストアップは30万円程度です。それに比べて断熱材強化型は、熱伝導率が半分程度の超高性能断熱材を採用しても、グラスウールを付加断熱しても、コストアップ分はいずれも窓強化型の3倍程度になることが多いです。

窓の表面温度は3℃の差

ここで外気温を0℃、室温を20℃とした場合の各部位の平均温度を見てみましょう。

外気温0℃、室温20℃とした場合の各部位の平均温度を、窓強化型と断熱材強化型で比較した(資料:松尾和也)
断熱強化型のシミュレーション画像。窓で冷やされた空気が床近辺にたまり、動き始める(資料:松尾和也)

壁などの表面温度は0.4℃の差しかありませんが、窓の表面温度は3℃もの差があります。窓強化型は冷輻射(より温度が低いものに熱が奪われる現象)がないのはもちろんですが、床付近の温度も高く保ちやすくなります。

U値が4.65W/m2K程度の窓だと、窓付近の空気は冷やされます。冷やされた空気の比重は重くなるので床近辺にたまり、そして動き始めます。下の図は、その瞬間をシミュレーションした画像です。

空気の重さは、温度によって右の表のように変わります。わずかな比重の差に見えるかもしれませんが、たったこれだけの比重差でも重いものは下に向かい、軽いものは上に向かいます。

空気の比重と温度の関係(資料:松尾和也)

窓の次は「床の温度」

窓強化型のシミュレーション画像。窓の冷輻射がほとんどなく、温度差による気流の発生や床付近の冷気たまりも生じない(資料:松尾和也)

同様に、窓を強化した場合のシミュレーション画像は次のようになります。

U値が1.7W/m2K程度のLow-E複層ガラス仕様の窓になってくると、冷輻射がほとんどないだけでなく、温度差による気流の発生、床付近への冷気たまりもほとんど解消されます。

つまり、UA値が同じなまま断熱強化する場合、熱的に弱いところから強化したほうが費用的にも熱環境的にも極めて合理的であることが読み取れます。

話は変わりますが、人間にとって快適な温度は、頭部が22℃程度です。それに対し、足元は26℃程度と言われています。

人間にとって快適な温度は、頭部が22℃程度、足元は26℃程度(資料:「不均一熱環境における快適性評価とその予測手法に関する研究/富山大学・堀祐治准教授の論文より」を基に作成)

窓強化型と断熱材強化型の床付近(特に床から1cm以内)の空気温度の差は、窓で冷やされた空気が床にそのまま降りてきて薄く広がっていると仮定して単純計算すると、17-14=3℃になります。

実際はそこまでの差にはならないと考えられますが、このわずかに見える差を足元は如実に感じ取ります。筆者が過去12年、100棟以上の住宅を設計した経験から得た持論でもあります。

窓の断熱強化がきちんとできたら、次は床の温度をいかに高く保つかという点が重要になってきます。国際標準化機構(ISO)では室内上下温度差を3℃以内と規定していますが、次世代省エネ基準の住宅でエアコン暖房した場合、これを満たすのは少々難しいです。

次世代省エネ基準で空気を加湿する暖房方式の場合、おおよそ3~4℃くらいの部屋内上下温度差が生じます。人間の生理現象から考えた場合の足元の理想的な温度は、頭部温度+4℃であるのに対し、7℃も乖離(かいり)してしまうことになります。

床下エアコン暖房で足元快適

だから、床暖房が良いのかというと、一概にそうとは言い切れません。床暖房は広い面積に敷設するとイニシャルコストが非常に高価になり、かつ無垢のフローリングが使えないことも多いです。そこで行き着く結論が、「床下エアコン暖房」という方法です。

床下エアコン暖房の設置例(資料:西方設計)

床下エアコン暖房にすると、1階の床温度に関しては空気温度+2℃くらいに保てることが多いです。この場合、人間にとって理想的な上下温度差と2℃しか違わない理想的な状況を生み出せます。

2階の床温度および室温は1階に比べると下がってしまいますが、そもそも2階は子ども部屋と寝室である場合がほとんどです。大人は寝る時以外は寝室にいないことが多く、また子どもは夕方から家にいるものの大人よりも暑がりである上に、小さい頃は大人と同様に寝る時間以外は個室にいる時間も少ないです。

従って、大半の家族が問題なく生活できます。これは、引き渡し済みの住宅の建て主から得た感想でもあります。

床下エアコン暖房にする場合、ベタ基礎の下に断熱材を敷いても敷かなくても、基礎下にある程度の熱は逃げていきます。その逃げていく熱量を、東京大学の前真之研究室に実測してもらいました。

床下エアコンは年間1万円以上おトク

実測したのは東京都内の建物で、基礎内立ち上がりとベタ基礎下全面は押出法ポリスチレンフォーム3種を厚さ50mm、基礎内ベタ基礎上部外周部は同25mmを敷きこんでいました。

筆者が設計した住宅の建て主は、晴天日の日の出から日没までの時間は無暖房で過ごす人が多いです。その生活パターンで試算すると、床下エアコン暖房時に逃げていく熱量は、多めに見て約9W/m2程度でした。

この住宅の基礎面積は57m2。エアコンのエネルギー消費効率(COP)を4、通電時間帯の平均電気単価を24.4円/h、暖房期間を長く見て4.5カ月(135日)として試算すると、1日当たりの熱の逃げは「9W/m2÷1000×57m2÷4×24.4円/kWh×24h=75円相当」となります。135日を掛け算しても1万125円です(実際にはこれよりも少ないと考えられます)。

一般的なエアコンの設置方法の場合、床下の容積分が少なく、かつ基礎下に逃げる熱量もほとんどありません。それを理由に、「床下エアコン暖房は増エネではないか」といった発言を聞くこともあります。

しかし、頭部と足元の体感温度を同等にするようにエアコンの運転を調整した場合、エアコンの設定温度を低くすることが可能になります。東京で次世代省エネ基準の住宅を建てた場合、暖房の室温を1℃下げると、年間の暖房費用の削減金額は下の表のように、おおよそ1万円になります。

東京で次世代省エネ基準の住宅を建てた場合、暖房の室温と年間暖房費用の関係。建もの燃費ナビによるシミュレーション結果(資料:松尾和也)

筆者のこれまでの経験上、エアコンを通常設置から床下吹き出しに変えたときに同等の暖かさを感じる温度設定は2℃以上下げても問題ありません。ということは、同じ暖かさを感じられるような暖房運転にすれば、年間暖房費用は床下エアコンの方が1万円以上下がります。よって、床下温風吹き出しは決して増エネなどではなく、経済的かつ理想的な上下温度差を実現したエアコンの使い方であるといえます。

筆者が設計する住宅は、最低の仕様でも、晴れた日の昼間は全く暖房がなくても室温20℃をキープすることができます。深夜の時間帯別契約を選択している家庭だと、夜間は昼間の3分の1程度の電気料金での運用が可能になります。コンクリートには少しですが蓄熱作用もありますので、電気料金が安い時間帯に熱量をためておくのにも都合が良いのです。そうすれば、朝起きた瞬間から全く寒さを感じない生活を実現できます。

まねだけしても効果なし

床下エアコンは、断熱にさほど興味のない工務店も引き付ける魅力を持っているようです。実際、たくさんの工務店が見よう見まねで取り組んでいます。

しかし、1台のエアコンで満足した効果が得られるのは、最低でも旧IV地域(次世代省エネ基準で指定された地域区分で、およそ茨城県以南、熊本県以北の多くの地域を含む)においてQ値(熱損失係数)が1.9以下、C(気密性)値が1以下。できれば南からの日射取得を多くし、東西北面の窓は小さくするといった基本ができた上での話です。基本ができていないのに、この方式だけまねしても効果を期待することはできません。

また、床下だけ暖めれば快適だと考える人も多いようですが、室内空気も暖めなければ暖かさの実感は得にくいです。特に2階との温度差がより激しくなってしまいます。床下エアコンの暖気が大量に床上に出るように、大きなスリットも必要になります。

東北地方や北陸地方で床下エアコンを実践している人は、一般的な壁掛けエアコンを床下に設置している事例が顕著です。一方、暑さが厳しい関東以西で床下エアコンとする場合、夏場の冷房利用も兼ねないともったいないことになります。

夏場の冷房利用を兼ねた床下エアコンの設置方法。床置き型のエアコンを半分床下に埋め込む(資料:松尾和也)

そこで、筆者は床置き型のエアコンを半分床下に埋め込む方式を採用しています。(右図)。この方式であれば、暖房時は室内に50%、床下に50%の暖気を吹き出し、冷房時は室内のみに100%の冷気を吹き出すことが可能となります。

冷房に関しては、小屋裏に1台だけ冷房専用のエアコンを設置すれば、家全体を冷房できます。小屋裏エアコンを24時間作動していれば1階まで効果は届きますが、1階をより強く冷やしたい場合は、1階の床置き型のエアコンも併用します。

延べ面積が40坪までで日射遮へいがきちんとできている住宅では、8月に24時間冷房しても月間の冷房費用は5000円以内で収まることが多いです。快適性はもちろんのこと、相対湿度も60%程度に抑えることができ、高湿度が大好きなカビやダニとの共存を極力避けた生活も可能となります。

これは、膨大な水分を室内に取り入れてしまう「通風」では絶対に不可能な芸当です。通風を全面的に否定するつもりはありませんが、通風が快適なのは5月と10月だと考えています。ただ、5月は花粉症で窓を開けられない家庭も多いので、実質的には10月に限られるでしょう。

このように省エネ住宅とは、単に基準や設備に頼ったものではありません。上級者になればなるほど、地味であってもよりコストパフォーマンスが高いものを地道に確実に積み上げていくものだと考えています。

松尾和也(まつお・かずや) 松尾設計室代表、パッシブハウスジャパン理事。1975年兵庫県生まれ、1998年九州大学建築学科卒業(熱環境工学専攻)。日本建築家協会(JIA)登録建築家、一級建築士、APECアーキテクト
[ケンプラッツ2015年1月23日付記事を基に再構成]

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