窓と壁: エネルギー神話の誤りを暴く

ブルース・ラング著カナダの気候は地球上で最も多様な気候の 1 つです。 極北の長く寒い冬と日の当たらない日から、米国国境沿いのはっきりとした四季、ブリティッシュコロンビア州ローワーメインランドの通常は穏やかな冬まで、地理によって異なります。 夏には気温が 40 度 (104 度) を超え、冬には -50 度 (-58 度) を下回ることもあります。 この多様で極端な気候は、特にエネルギー効率、居住者の健康と生産性に関して、商業ビルの設計に重大な影響を与える可能性があります。

屋根、壁、窓などの建物の外皮は、建物とその環境の間の境界面であり、要素に対する構造の防御の最前線です。 エンベロープのデザインと製品の選択は、エネルギー効率と居住者の健康に大きな影響を与えます。 寒冷地向けに設計する場合、通常、断熱性の高い「固体」壁が優先事項となりますが、ガラスのような美的魅力や自然採光のメリットは得られません。 ガラスが壁に求められるのと同様の断熱性とエネルギー効率を提供できたらどうでしょうか?

高性能ガラスの低減商業ビルのエネルギー効率を向上させる最大の秘密は、高性能窓ガラスです。 実際、建築家がその美的魅力と採光の利点を活用しようとしているため、建物外壁に占めるガラスの使用割合は増加しています。 この増加の多くは、過去 20 年間にわたる低放射率 (low-e) コーティング技術の進歩によって可能になりました。

しかし、断熱された壁や天井と比較すると、一般的な窓は深刻なエネルギー損失になります。 断熱性は、熱流に対する抵抗または R 値の観点から測定されます。R 値が高いほど、断熱性能は優れています。 今日のカナダのほとんどの建物では断熱性能が R-30 (つまり RSI-5.3) の壁が標準であると考えられていますが、窓の断熱性能は一般に R-4 (つまり RSI-0.7) でしか最高に達しません。 なぜ R-30 断熱壁を備えた家や建物の R-4 窓に妥協するのでしょうか? この省エネの二重基準が存在するのは、窓よりも壁の方が簡単だからです。 壁は断熱性が高ければよいだけですが、窓はさらに多くのことを行う必要があります。

窓 (特に窓ガラス) は次のことを行う必要があります。

さらに、緊急時に換気と避難を提供するために、多くの窓も開ける必要があります。 従来の建物や住宅の熱損失の最大 30 パーセントを窓が占めているため、窓はエネルギー効率に劇的な、そして即時的な影響を与える可能性のある簡単な成果です。

根本的な解決策の 1 つは、既存の窓の多くを板で塞ぐことかもしれません。 これによりエネルギーをいくらか節約できる可能性がありますが、建物内への自然光の透過が妨げられます。 日光を取り入れることの利点として、次のような利点がますます認識されています。

Windows のパフォーマンスを向上させようとする動機が明らかに存在します。 特にカナダの寒い気候では「キャビンフィーバー」が現実になる可能性があり、単にそのサイズと数を減らすことは不可能です。

高性能ガラスのオプションガラスは窓の中心であるため、指定者は高性能のオプションについて知っておく必要があります。 単板ガラスは天候を遮断する可能性がありますが、熱損失を防ぎ、太陽の熱を反射する効果はほとんどありません。その性能は約 R-1 (つまり RSI-0.18) です。 二重ガラス断熱ガラス (つまり、密閉された空気層によって分離された Low-E コーティングが施された 2 枚のガラス) 内の空気層は、特にアルゴンなどの不活性ガスが充填されている場合、断熱性を高め、コーティングが太陽の熱を反射します。 ––R-4 程度までの最大パフォーマンス。

残念ながら、コーティング技術は現在、放射率が 0.003 という低い実用的な限界に達しているため、過去 20 年間のようにガラスの性能を向上させるためにより優れた low-e コーティングに頼ることはできなくなりました。 ガラスの性能の壁を打ち破るには、コーティングから、断熱ガラス (IG) ユニット内部の熱を妨げる空気層である「キャビティ」に移行する必要があります。 デュアルペインガラス（単一キャビティに限定される）とは異なり、マルチキャビティガラスは複数の断熱空気層を使用して新しいレベルのエネルギー効率を達成します。

3 層ガラス断熱ガラス 3 層ガラス断熱ガラスは、2 つの空気層によって分離された 3 枚のガラスと 2 つの Low-E コーティングで構成されています。 クリプトンガス充填により、断熱性能が R-10 (つまり RSI-1.8) まで向上します。 悪いニュースは、三重ガラスは二重ガラスよりも 50% 重いため、より強力な窓枠が必要となり、建物に大きな構造的負荷がかかることです。 また、取り扱いや設置も難しくなります。

懸濁膜断熱ガラス 懸濁膜断熱ガラスは、2枚のガラスの間に塗膜を懸架したものです。 クリプトンガスと 3 つの浮遊フィルムにより、二重ガラスと同じ重量で R-20 (つまり RSI-3.5) まで断熱性能が向上します。 最大 3 つのコーティングされたフィルムをユニット内に吊り下げて、最大 4 つの絶縁キャビティを作成できます。 図 1 に示すように、内部空洞に熱遮断ガスを追加すると、最大 R-10 (アルゴンの場合) および R-20 (クリプトンの場合) のガラス中心断熱性能を達成できます。

高断熱ガラスは、複数のフィルムを使用して少なくとも R-8 (つまり RSI-1.4) の断熱性能と適度な日射熱利得を達成します。 懸濁膜断熱ガラスを備えた窓は、ガラスの断熱特性に加えて昼光の受動的太陽光の利得を考慮すると、実際には断熱壁よりもエネルギー効率が高くなります。 壁とは異なり、懸濁膜断熱ガラスは、伝導によって失われるよりも多くの熱を太陽から受け入れることによって、正味のエネルギーの増加を達成できます。 この時点で、ガラス システムは周囲の壁よりも優れた性能を発揮できるようになります。

たとえば、上で述べたように、懸濁膜断熱ガラスは最大 R-20 の性能に達することができます。 この時点で、ガラスは潜在的な熱損失の 95% (U ファクター 0.05) を阻止します。 これは、R-20 ガラスと周囲の R-30 壁との間の熱損失の差が 2% 未満であることを意味します。 24 時間、365 日のサイクルでも太陽光の増加があることを考慮すると、ガラス システムの受動的な増加が最終的に熱損失を相殺する可能性があります。 これは、R 値が低いにもかかわらず、R-20 ガラスユニットが実際には R-30 の壁よりも優れた性能を発揮する可能性があることを意味します。

サスペンデッドフィルム断熱ガラスのその他の利点 サスペンデッドフィルムマルチキャビティ断熱ガラスは、フィルムおよびガラスベースの技術の利点を活用して、軽量の IG ユニットを作成します。 Low-E コーティングされたガラスは太陽熱の増加を最小限に抑えるために使用され、一方、吊り下げられたコーティングされたフィルムは、コーティングされたガラスのみより効果的に断熱性能を最大化し、紫外線を遮断し、騒音を低減し、乗員の快適性を向上させるために使用されます。

ただし、懸濁膜断熱ガラスのより高い性能を、建物全体の性能とコストを最適化するための総合的なアプローチの一部として考慮すると、さらなる利点を実現することができます。 たとえば、低性能ガラスで設計された建物には、周囲暖房や大規模な HVAC システムなどの追加システムが必要になる可能性があります。 ただし、「タイトな」建物エンベロープ設計により、周囲の加熱を排除し、HVAC システムを小型化できます。 これにより、建物の初期価格が削減されるだけでなく、年間の運用コストも削減されます。

壁のように断熱するガラス R-30 の壁の時代、ガラスは建物の外壁におけるエネルギー効率の「弱点」でした。 しかし、これはもう当てはまりません。 指定者は、二重ガラスの性能制限や三重ガラスの重量制限をもはや受け入れる必要がないことを知っておくことが重要です。

浮遊コーティングフィルムを組み込んだ優れたマルチキャビティソリューションはルールを変え、追加の構造重量なしで最大 R-20 のガラス性能を達成できます。 指定者は、これらのマルチキャビティ ソリューションを使用してエネルギー節約を大幅に向上させるだけでなく、このガラスのより高いパフォーマンスを活用して他の建築システムを排除または小型化することで全体のコストを削減する大きな機会を得ることができます。 言い換えれば、設計の専門家はもはや断熱のために壁について考える必要はなく、窓について考えることができます。

Bruce Lang は、高性能フィルムとガラス製品のサプライヤーである Southwall Technologies のマーケティングおよび事業開発担当副社長です。 彼は、エネルギー効率の高い懸濁膜断熱ガラスを製造する会社、Southwall Insulated Glass の社長でもあります。 ラングはスタンフォード大学で電気工学の理学士号を取得し、カリフォルニアのサンタクララ大学で経営管理の修士号を取得しています。 電子メール ([email protected]) で連絡を取ることができます。