健康な省エネ建築(5) 調湿

建物内の湿気は、カビや躯体腐れを発生させる原因であり、しっかりとしたマネージメントができていないと、人間の健康被害や建物の損傷を生みます。

湿気は、空気中の水蒸気です。空気が含有することができる最大水蒸気量は、温度によって変わります。温度が高いほど、空気はより多くの水蒸気を含有することができます。例えば、気温が20度の時は、空気は1m3あたり、最大17.3gの水蒸気を含有できます。0度になると、それが4.8gになります。この最大値を飽和点といいます。この気温によって異なる飽和点を基準値にした湿度を「相対湿度」といいます。同じ水蒸気量でも、気温が低いほど相対湿度は高くなります。水蒸気の量が飽和点を越えると(相対湿度が100%を越えると)、余剰分が水滴になります。例えば冬場、建物内の暖かい空気が、外に移動する際に冷やされると、飽和点を超えた余剰水分が水滴になり、建築マテリアルに付着します。これが「結露」と呼ばれる現象です。

湿気(水蒸気)は熱と同様に移動します。移動の原則は、下記の3つがあります。

1)拡散

水蒸気は、外部からの力が働かなくとも、水蒸気圧(相対湿度)が高いところから低いところに移動し、平衡状態に近づいていきます。この現象を拡散といいます。これは気体と個体間でも起こります。

ただし個体には、水蒸気を透しやすいものと透しにくいものがあります。この性質は、

水蒸気拡散抵抗係数μ=空気の透湿率(kg/msPa)/個体の透湿率(kg/msPa)

で表されます。μ値が低いほと、その個体(建材)は水蒸気を透しやすいと言えます。例えば、麻や綿や羊毛のμ値は1-5 、木質繊維材や石膏ボードも5-10と低く、これらは水蒸気を透しやすい建材です。無垢の木材はμ値=40と空気の40倍の水蒸気拡散抵抗値あります。レンガは50-100、コンクリートは70-150あります。

湿った建材が、空気の流れがなくとも、時間が経つと乾いていく現象は、この拡散の法則に基づいています。

2)対流

空気は温度差によって流れが発生しますが、この空気の流れによって湿気は移動します。

代表的な例が、「隙間風」です。建物の気密性が低い箇所で起こります。隙間風(対流)は、拡散より遥かにたくさんの湿気を移動させます。例えば、暖かい室内の空気が、建物の隙間箇所での対流で外部に移動する際、建材の温度が低いと、相対湿度が高くなり、飽和点に達すると水滴となり、内部の建材を湿らせ、腐れ損傷の原因になります。また、寒い地域では、湿った内部建材が、冬場凍結することもあり、そうなるとひび割れが起こったり、氷によって湿気の拡散が遮断されてさらに水分が溜まり、さらなる損傷をもたらすこともあります。

3)毛管現象

水は、狭い隙間や細い管に、重力に逆らって引きつけられる(吸着し吸収される)性質を持っています。

多くの建材には微細な孔があり、建材の表面にある孔は外気に向けて開かれています。孔の直径が0.1mmより小さく、それらが管路で繋がっているものを「毛管」と呼び、毛管が豊富な多孔性のマテリアルほど、水分を吸着させ吸収する力が高くなります。毛管による湿気の移動は、基本的に拡散のそれより遥かに大きいです。

吸湿と放湿による調湿

室内の建材は、室内の相対湿度が高いときに、拡散と毛管現象に基づいて、室内空気から水蒸気を吸収し(=吸湿)、室内の相対湿度が低くなると、室内に向けて水蒸気を放出(=放湿)し、室内の湿度を調整(=調湿)する機能をもっています。基本的に、拡散抵抗係数が低く、毛管現象が起こりやすい多孔なマテリアルほど、その調湿機能は高くなります。下記は、フラウンホーファーIRB出版(2012年)の書物のなかの各マテリアルの吸湿性能です。室温21度の状態で、相対湿度を50%から80%に上げた際の、24時間後の吸湿度を示しています。伝統的なマテリアルである土や木が高い調湿機能を持っていることがわかります。

土(粘土質):         210 g/m2

トウヒ材(表面かんな仕上げ): 70 g/m2

土塗り壁(Illit-Semektit):    65g/m

気泡コンクリート :                   55g/m2

石灰-セメント塗り壁:                    45g/m2

石膏塗り壁:                                 35g/m2

コンクリート B25、レンガ:        25g/m2

湿気による建材のカビや腐れの問題は、断熱と気密に偏重した省エネ住宅や省エネリフォームの普及の発展段階で助長されてきました。

蓄熱性の低い断熱材の利用、透湿、調湿性能の異なるマテリアルの組み合わせ、気密、防湿シートやテープの使用、ヒートブリッチを起こす設計ミスや施工ミスから来ているものです。問題を解決するために、機械換気(強制換気)が導入されましたが、その使用がさらなる健康上のリスクも生み出しています。

解決策のヒントは、数百年、もしくは数千年実証されている伝統建築の中にあります。蓄熱と調湿に重きをおいたマテリアルの組み合わせです。気密テープもシートも使用することなく、機械換気も使用することなく、蓄熱と調湿性能の高いマテリアルの組み合わせで、現代に求められる断熱と気密性能、空気交換機能を達成している事例があります。

 

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健康な省エネ建築(4) 窓と太陽光

建物の窓の第一の機能は、室内に光(太陽光)を取り入れることです。

太陽光は、人間の健康にとって欠かせないもので、セロトニン(幸せホルモン)とメラトニン(睡眠ホルモン)の生成、分泌、調節作用に働きかけ、脳と体の覚醒、精神の安定に寄与します。

窓は、省エネの観点では、太陽の熱エネルギーを取り入れる機能もあります。窓から入る太陽放射によって、壁や建具が熱を帯び、それらが室内に熱を放射(輻射)します。冬場の自然の熱源で、これをうまく生かすことで暖房コストを抑えることができます。夏は、部屋を涼しく保つため、太陽放射を室内に入れないように、庇(ひさし)やブラインド、シャッター、カーテン等で、遮光を行わなければなりません。

ただし、断熱の観点では、窓は、壁材より断熱性能が低く、室内の熱が外に出て行きやすい弱点の箇所でもあります。だからこそ、ここ数十年、窓の断熱性能をより高くする商品開発とその普及が進みました。ダブルやトリプルガラスのユニットで、断熱性能強化のために、密閉構造の中間層(ガラスとガラスの間)にはアルゴンなどの希ガスが注入され、遮熱性能を高めるためにガラスには特殊な金属膜コーティングがされた、高断熱窓です。省エネ住宅のスタンダードになっています。

高断熱窓の普及はしかし、窓の第一の機能である、太陽光の取り入れを一部制限してしまっています。

太陽光は電磁波ですが、人間の目が知覚できる波長は、380 nm(ナノメーター)の紫外線の領域から、紫、緑、黄色、オレンジ、赤の領域と来て、780 nmまでです。

複層ガラスで、間に希ガスが注入され金属膜コーティングされている高断熱窓は、従来の1枚ガラスの窓に比べ、10%から20%くらい、光透過性能がそもそも落ちます。そのなかで、できるだけ「明るく」するために、人間の目の感度が一番高い、可視光線領域の真中である550 nm(黄緑の部分)の波長の光をもっとも取り入れるように製造開発されたガラスが、ほとんどの高断熱窓で使用されています。

太陽光は、人間の脳と体の覚醒と、精神の安定に大きな影響を与える、健康上大切な要素です。人間の目の感度が一番高い部分の波長の透過に照準をあてたガラスを使用することは、最適な解決方法のように思えます。しかし、最新の医学の研究から、可視光領域の低い波長の部分、波長460 nm(青色)領域の光が、セロトニン(幸せホルモン)とメラトニン(睡眠ホルモン)の生成、分泌、調節作用に大きな意味をもっていることが判っています。高断熱窓の多くは、紫外線から青色の波長の光の透過性能が低く、それが、特に日射量が少ない冬場、鬱症状や集中力不足など、健康障害の原因の一つになっていることが論じられています。また紫外線は浴びすぎると肌によくないですが、紫外線がバクテリアや菌を殺す殺菌作用があり、適度に室内に取り入れることの重要性も指摘されています。

また、高断熱窓が必要かどうかについて、物理の原則に基づく重要な指摘もあります。

普通のガラスマテリアルは、室内の壁や家具や人から放射(輻射)される熱(赤外線や遠赤外線)を透過させない性質を持っています。よって、対流式ではなく放射式の暖房システムの家であれば、高断熱窓は必ずしも必要ではありません。複層断熱窓が市場に出て来た80年代以前に中央ヨーロッパで普及していた、箱型二重窓や、ダブルフレーム複合窓(一枚ガラスのフレームが2つ組み合わされ一体になったもの)が、とりわけ古建築の修復や健康住宅で、見直されてきています。これら伝統的な窓は、現代の技術で断熱性能も高まり、静かなルネッサンスが起こっています。断熱性能や遮熱性能を上げるための希ガスも入っていない、金属膜のコーティングもしていないので、人間の心身のバランスにとって大切な紫から青い波長の光も十分に取り入れます。また、ガラスとガラスの隙間が大きい箱型二重窓やダブルフレーム複合窓は、多くの場合、遮音の観点で、高断熱窓より優れています。

 

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健康な省エネ建築(3) 放射熱

省エネ建築の中心的な課題は、「熱」をうまく効率的にマネージメントすることです。

では「熱」とは一体なんでしょうか?

熱とは、物理学的には、簡単に言うと、「分子の運動エネルギー(=分子の振動)」のことです。

熱は、物質間で伝達されます。基本的に温度が高い物質から低い物質へ伝達され、そのプロセスには、「伝導」「対流」「放射」の3種類があります。

熱伝導とは、

個体内部、もしくは接触している個体間、さらには個体と静止している流体(液体・気体)間で熱が伝わる現象です。

熱伝導とは、個体において、分子の位置自体は移動することなく(静止)、分子の振動(=熱エネルギー)だけが隣接する分子に伝搬されていくことです。

断熱材の性能の基準になっている熱伝導率(W/m・K)は、この現象における断熱材内の熱の伝わり度合いを示しています。

熱対流とは、

分子が自由に動くことができる水や空気のような流体(液体・気体)において、分子の移動によって熱が運搬される現象です。流体は熱を持つと膨張し軽くなり上昇し、熱を失うと収縮し重くなり下降します。この流体の温度差によって起こる対流を自然対流といいます。一方、外部からの動力(風など)によって起こる対流を強制対流といいます。

熱放射(輻射)とは、

熱エネルギーを持った物質が放つ電磁波のことです。電磁波とは、空間の電場と磁場によって形成される波(波動)で、代表的なものは光やX線、レーザー、テレビやラジオの電波などが挙げられますが、熱放射もこれと同類です。電磁波は、物質のない真空でも移動します。放射による熱伝達とは、電磁波が分子にあたり、分子に運動エネルギー(=熱)を与えることです。

放射の代表例は太陽光です。超高温の太陽は強力な電磁波を発していますが、それが真空の宇宙空間を通って地球に降り注ぎ、人間の体の細胞に吸収され、分子の運動が起こり、人間は熱を感じます。

熱エネルギーを持った全ての物質は放射熱(赤外線)を発します。人間の体も、壁も家具も。

伝導対流は、温度差媒介となる物質の接触と移動によって起こります。熱力学の理論です。

一方、放射は、温度差は必要とせず、放射するマテリアルの絶対温度(K)に由来し、媒介となる物質を必要としません。こちらは量子力学の理論です。

室内の熱のマネージメントの重要な部分を担う冷暖房機器。その多くは、対流放射の両方の原理を同時に活用していますが、どちらの比率が高いかによって、対流式放射式に分類されます。

対流式の代表例は、エアコンや放熱器(ラジエーター)です。エアコンは、外部動力(ファン)と温度差による自然対流を、放熱器は自然対流を利用しています。

放射式の暖房システムとしては、壁暖房、蓄熱ストーブ、赤外線ヒーター、床暖房などが挙げられます。ただし床暖房は、室内の上下で温度差を生じさせてしまうので、対流の割合も比較的多く(40%)、放射式のカテゴリーに含めない場合もあります。

人間の健康、快適さ、省エネの観点でこの2つを比べる、放射式が明らかに優っています。

空気という媒体を使って、温度差で熱を移動させる対流式においては、空気が動くので、室内の埃や有害物質が舞い立てられ、また室内の温度差が生じ、人間の健康に悪影響を与えます。

一方、電磁波(遠赤外線)で体の内部を温める放射式の場合は、熱の移動に空気という媒介を必要としないため、低い室内温度で高い体感温度をもたらし、壁暖房や蓄熱ペチカストーブなどのような横からの放射熱の場合は、空気はほとんど動かず静かで、室内の空気の温度差もほとんど生じません。

空気を温める必要がある対流式のラジエーターには60~70度の温水が必要ですが、その必要性がない放射式の壁暖房は25度前後の温水で足りるので、省エネの観点からも有利です。

放射熱は、暖房だけではありません。太陽の日射も放射熱です。これもうまく取り入れることができれば、さらに省エネにつながります。この太陽と暖房の放射熱をうまく効果的に活用するための前提は、躯体の外側にも内側にも蓄熱性能の高いマテリアルが使用されていることです。

 

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健康な省エネ建築(2) 蓄熱性能

ここ数十年、省エネ建築においては、「断熱性能」を中心的な指標として、技術開発と設計、建築が行われてきました。

断熱性能を表す指標はU値(熱貫流率)

単位は、U値=W/m2・K

定義は「室内外で1度の温度差があるときに、対象になる躯体(壁や窓や屋根)1平米あたり1時間に通過する熱量」です。

U値は、躯体システムを対象にしたものですが、躯体システムの構成要素になっている個々のマテリアルの断熱性能は、λ値(熱伝導率)= W/m・K で表されます。

U値やλ値が低いほど、その躯体システムやマテリアルが「熱を伝えにくい(=断熱性能が高い)」ということが言えます。例えばパッシブハウス認定を受けるためには、壁のU値が0.15 W/m2・K 以下、窓は0.8 W/m2・K 以下でなければいけません。

U値が低い(=断熱性能が良い)建物は、冬場、中で暖まった空気が外に逃げにくく、夏場、外の熱気が中に侵入しにくいので、冷暖房の需要を抑えることができます。

しかし、U値(断熱性能)以外に冷暖房の需要に大きな意味があるものがあります。

それは「蓄熱性能」です。これには「容積比熱」という専門用語が用いられますが、

単位は、容積比熱=kJ/m3・K

定義は、「1m3の物質の温度を1℃上昇させるのに必要な熱量」です。

容積比熱が高いほど、蓄熱性能が高いと言えます。

蓄熱性能が高い建材が使われている建物は、「冷えにくく、暖まりにくい」と言えます。冬場は、日射や暖房で一度暖まった蓄熱建材が、暖房を切ったあとでも室内にゆっくりと熱を放射し、冷えるのを抑え、夏は、蓄熱建材が、暖かい室内の熱を吸収し、室内の温度上昇を抑え涼しく保ちます。蓄熱建材は、温度の上下変化を緩やかでゆっくりにし、冷暖房の需要を抑え、省エネに繋がります。

建材のなかには、

①断熱性能が高いが、蓄熱性能が低いものがあります。グラスウールやロックウール、EPSなど、軽量の断熱材です。

②逆に、断熱性能は低いが、高い蓄熱性能があるものがあります。代表的なものはコンクリートやレンガ、粘土など、重量のあるものです。

③断熱性能が高く、ある程度の蓄熱性能も持ち合わせているものがあります。セルロースファイバーやウッドファイバー、麻断熱材です。

④比較的高い断熱性能を持ち、尚且つ蓄熱性能が高いものがあります。それは木材です。

省エネ建築の熱のマネージメントにおいては、断熱、蓄熱をどのようなバランスで組み合わせるかがポイントです。

例えば、軽量の断熱材を使った躯体と、重量の蓄熱断熱材を使った躯体で、U値が同じであっても、蓄熱性能が高い後者が「冷えにくく、暖まりにくい」ので、実際の熱需要は低くなります。

ここ数十年、省エネ建築の世界では、断熱性能(U値)を中心的な指標とし、それに重きを置いた建築が推進されてきました。

省エネ建築推進の代表格であるドイツパッシブハウス研究所のウェブサイトでは、パッシブハウスの5大原則として、①躯体の断熱 ②断熱窓 ③熱交換式の機械換気 ④気密 ⑤ヒートブリッチがないこと、が謳われています。

「蓄熱性能」は挙げられていません。

一方、伝統建築物の多くは、蓄熱性能が高い部材で躯体が作られています。

断熱性能(U値)に偏重した省エネ建築が普及するなかで、忘れられていた伝統建築物の良さを、エネルギーだけでなく、総合的な観点で見直し取り入れる動きも増えています。

住宅建設においては、本来、エネルギーを節約することが第一の目的ではありません。

住宅は人間の生活空間。住む人の健康と快適性が優先されるべきです。その上での省エネです。

よって、エネルギー性能だけでなく、無害なマテリアル、人間の体に優しい放射(輻射)熱、調湿性能、遮音性能、消臭性能、殺菌作用、有害電磁波防護作用、可視光の取り入れなど、総合的に考慮して建材を選び組み合わせることが大切です。そのヒントの多くは、蓄熱性能の高い自然のマテリアルを適材適所に使用している伝統建築の中にあります。

 

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健康な省エネ建築(1) 機械換気を使わないソリューション

ここ数十年、省エネ建築において「高断熱」「高気密」が推進されていますが、これによって新たな課題が生じしました。それは「換気」です。

人間は、生きるために、絶えず「新鮮な空気(酸素)」が必要になります。また建物内での人間や動植物の呼吸で排出される二酸化炭素や、キッチンやバスルームで生じる「水蒸気」をしっかり外に出すことも必要です。室内で水蒸気濃度(相対湿度)が高くなると、結露が起こり安くなり、カビが発生し人間の健康を害するからです。さらには、室内の家具やフローリングや壁に一般的に使用されている塗料や接着剤などから人間の健康にとって有害な揮発性有機化合物(VOC)が放出されますが、それも換気によって外に出す必要があります。

上記のように、建物の換気には「酸素の補給」「水蒸気の外部排出」「有害物質の外部排出」という3つの目的があります。この目的と機能は、断熱・気密レベルが低い建物では、壁や窓の隙間からの自然換気と1日2回程度の窓の開閉で満たされますが、隙間がほとんどない高断熱、高気密の建物では、十分な換気をすることが難しくなりました。そこで登場したのが「機械換気(=強制換気)」です。今日の省エネ建築においては、熱のロスを少なくする熱交換式の換気装置をつけることがほぼあたり前になっています。

機械換気システムはしかし、装置内部、とくにダクト内に菌やバクテリアが発生するリスクを内包しています。いくつかのヨーロッパの国では、この問題意識から、プロによる年に一回の除菌作業が衛生上義務付けられています(これには普通の一軒家で年に1000ユーロ前後のコストがかかります)。高断熱と高気密に重点を置いた省エネ化が実践されるなかで、人間の健康上のリスクが高くなり、それを解決するために追加で機械が必要になり、しかし、その機械の使用において新たな健康上のリスクと追加コストが生じています。一つの問題を解決するために対策をしたことが、新たな問題を生み、さらなる対策が必要になっています。

機械換気の是非、メリット、デメリットに関しては、様々な議論や意見がありますが、まず最初に私が問いたいのは、省エネ建築において、機械換気を使わずに健康で省エネな住環境を創出できるシンプルな解決策はあるのか、ということです。一番いい解決策は、問題を内包していることをやらずに済ませることだからです。

全体のなかで少数ですが、解決策は既に存在しています。

それは、防湿気密シートやテープ等を使用せず、躯体調湿機能が高い「木材」や「土」「植物繊維」「羊毛」といった自然のマテリアルを使う、有害物質を含む塗料や接着剤を使用していない家具や建具を揃えるというソリューションです。換気は、窓のスリット換気や、窓の自動ドレーキップ機能などで、ドイツ工業規格で定められている「最低限の換気(普通の1世帯住宅で換気率0.15-0.2回/h)」の基準は満たされてます。

スイスアルプスの麓で、機械換気も暖房も要らない建物!

例えば、スイスのマッターホルンの麓、標高950mのZweisimmen村で2014年に建築家Schär氏によって建設された5階建の木造オフィス+住居。構造壁として、金具も接着剤も使用しないオーストリア・トーマ社の分厚い無垢材クロスパネル「Holz100(ウッド100)」を使用し、床天井は、木の梁とコンクリートプレートとコルクと圧縮粘土プレートという組み合わせです。冬寒いスイスアルプス地域であるにもかかわらず、この建物には、暖房設備も機械換気もありません。断熱性と同時に高い調湿性と蓄熱性を持ったマテリアルの組み合わせに、冬場の採光と夏場の遮光を緻密に計算した設計で、不可能と思えることを実現しています。これまでの計測で、室内の気温が冬場18度を下回ったことも、夏に25度を超えたこともない、ということです。建設費は、延べ床面積520平米で85万ユーロ、平米あたり1634ユーロと、普通の省エネ住宅よりだいぶ安価です。人件費がドイツの1.5倍はあるスイスで!

 

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