JP6022623B2 - 熱貫流率推定システム、方法、およびプログラム、ならびに、熱貫流率試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、建物の屋内空間と屋外空間との間に位置する面部材の断熱性能を表わす指標として、面部材の熱貫流率を推定する熱貫流率推定システム、方法、およびプログラム、ならびに、熱貫流率の推定に用いられる熱貫流率試験装置に関する。

建物の断熱性能は、建物の熱損失係数を推定することにより評価することができる。熱損失係数は、建物から逃げる熱量（Ｗ／Ｋ）を延床面積（ｍ^２）で除算した値（Ｑ値）として表される。建物から逃げる熱量は、屋外空間（床下空間や小屋裏空間も含む）に面する部位（外壁、１階床など）から逃げる熱量の総計として求められる。また、各部位から逃げる熱量は、その部位の面積と熱貫流率とに基づいて算出される。

建物の熱損失係数を求めるために、たとえば特開２０１３−２２１７７２号公報（特許文献１）では、建物の各部屋の温度および建物外部の温度を継続して測定し、建物全体の平均温度および外部に接する部屋の平均温度を求め、これら２つの平均温度が一定の関係となる熱移動モデルに従って熱損失係数を推定する方法が提案されている。

また、建物の外壁等の熱貫流率を求めるために、特開２０１４−０７４９５３号公報（特許文献２）では、たとえば外壁の熱貫流率を、外壁種別に応じた熱伝導率と、外壁厚と、外壁の断熱材の熱伝導率と、外壁断熱材厚とを、外壁熱貫流率算出式に代入して算出する方法が開示されている。

特開２０１３−２２１７７２号公報 特開２０１４−０７４９５３号公報

特許文献１のように、建物の熱損失係数を推定するには、多くの時間と機材（温度計）が必要となる。また、内外温度差の大きな時期でなければ、推定誤差が大きくなる可能性がある。

また、特許文献２では、対象部位（たとえば外壁）の熱伝導率が予め記憶されていることが前提となっているため、対象部位の熱伝導率が未知である場合には、熱貫流率を算出することができない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡単かつ短時間で、対象部位（面部材）の熱貫流率を推定することのできる熱貫流率推定システム、方法およびプログラム、ならびに、熱貫流率試験装置を提供することである。

この発明のある局面に従う熱貫流率推定システムは、建物の屋内空間と屋外空間との間に位置する面部材の断熱性能を表わす指標として、面部材の熱貫流率を推定するためのシステムであって、板状部材と、発熱部材と、第１および第２の温度センサと、予測処理手段と、推定手段とを備える。板状部材は、面部材の屋内面に当接または近接する表面と、その反対側に位置する裏面とを有する。発熱部材は、板状部材の裏面側に設けられたヒータを含み、面部材に熱を伝える。第１および第２の温度センサは、板状部材の表面側および裏面側にそれぞれ設けられ、板状部材の表面側温度および裏面側温度を検知する。予測処理手段は、発熱部材の加熱後、板状部材の裏面側温度が安定した状態において、第１の温度センサからの検知信号に基づいて、板状部材の表面側の安定温度を予測する。推定手段は、予測処理手段により予測された板状部材の表面側の安定温度と、板状部材の裏面側の安定温度と、面部材の屋外側温度と、予め記憶された板状部材の熱貫流率とに基づいて、面部材の熱貫流率を推定する。

好ましくは、熱貫流率推定システムは、板状部材の裏面側温度が設定温度となるように、ヒータの一定温度制御を行う加熱制御手段をさらに備える。この場合、設定温度が、板状部材の裏面側の安定温度に相当する。

好ましくは、予測処理手段は、予め定められた予測式を用いて、板状部材の表面側の安定温度を予測する。

予測式は、一定時間間隔の３点の表面側温度をそれぞれｙ_１，ｙ_２，ｙ_３、板状部材の表面側の安定温度をｂとし、「（ｙ_３−ｙ_２）／（ｙ_２−ｙ_１）」を「Ｋ」とおいた場合、
ｂ＝（ｙ_２−Ｋｙ_１）／（１−Ｋ）
であることが望ましい。

また、予測処理手段は、表面側温度の温度変化に応じて近似曲線を計算し、近似曲線上における３点の温度を抽出することによって表面側の安定温度を予測することが望ましい。

発熱部材は、面部材に直接的に熱を伝えるために、板状部材の表面側に設けられたサブヒータをさらに含んでいてもよい。この場合、加熱制御手段は、板状部材の表面側温度が急上昇するように、加熱開始からの特定期間のみサブヒータを運転してもよい。

この発明の他の局面に従う熱貫流率試験装置は、建物の屋内空間と屋外空間との間に位置する面部材の断熱性能を表わす指標として、面部材の熱貫流率を推定するために用いられる試験装置であって、板状部材と、発熱部材と、第１および第２の温度センサと、予測処理手段と、記憶手段とを備える。板状部材は、面部材の屋内面に当接または近接する表面と、その反対側に位置する裏面とを有し、その熱貫流率が既知である。発熱部材は、板状部材の裏面側に設けられたヒータを含み、面部材に熱を伝える。第１および第２の温度センサは、板状部材の表面側および裏面側にそれぞれ設けられ、板状部材の表面側温度および裏面側温度を検知する。予測処理手段は、発熱部材の加熱後、板状部材の裏面側温度が安定した状態において、第２の温度センサからの検知信号に基づいて、板状部材の表面側の安定温度を予測する。記憶手段は、少なくとも、予測処理手段により予測された板状部材の表面側の安定温度を記憶する。

この発明のさらに他の局面に従う熱貫流率推定方法は、建物の屋内空間と屋外空間との間に位置する面部材の断熱性能を表わす指標として、面部材の熱貫流率を推定する方法であって、試験装置が用いられる。試験装置は、板状部材と、板状部材の裏面側に設けられたヒータを含む発熱部材と、板状部材の表面側および裏面側にそれぞれ設けられた第１および第２の温度センサとを備える。熱貫流率推定方法は、試験装置を面部材の屋内面に接触させ、かつ、発熱部材により面部材が加熱された状態において、第１および第２の温度センサからの検知信号に基づいて、板状部材の表面側温度および裏面側温度を計測するステップと、板状部材の裏面側温度が安定した状態において計測された表面側温度から、板状部材の表面側の安定温度を予測するステップと、予測された板状部材の表面側の安定温度と、板状部材の裏面側の安定温度と、面部材の屋外側温度と、予め記憶された板状部材の熱貫流率とに基づいて、面部材の熱貫流率を推定するステップとを備える。

この発明のさらに他の局面に従う熱貫流率推定プログラムは、上記記載の熱貫流率推定方法に含まれる各ステップを、コンピュータに実行させる。

本発明によれば、簡単かつ短時間で、面部材の熱貫流率を推定することができる。

本発明の実施の形態に係る熱貫流率推定システムの構成を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態に係る熱貫流率試験装置本体の分解斜視図である。 本発明の実施の形態に係る熱貫流率推定システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態において、面部材の熱貫流率の推定原理を概念的に示す図である。 本発明の実施の形態において、板状部材の表面側温度および裏面側温度の時間遷移の典型例を示すグラフである。 本発明の実施の形態において、板状部材の表面側の安定温度の予測処理について説明するためのグラフである。 本発明の実施の形態における熱貫流率測定処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における安定温度予測処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の変形例に係る熱貫流率試験装置本体の分解斜視図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る熱貫流率推定システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態の変形例において、熱貫流率試験装置本体と面部材との配置関係を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る熱貫流率試験装置本体において、温度センサの配置例を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態の変形例における安定温度予測処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る熱貫流率推定システムが単体の装置として構成された場合における、装置の構造例を模式的に示す図である。 比較例として、熱容量の比較的大きい面部材を対象とし、ヒータを一定出力とした場合における、熱貫流率の測定に要する時間の具体例を示すグラフであり、（Ａ）のグラフには、各位置の温度の時間遷移の典型例が示され、（Ｂ）のグラフには、面部材の熱貫流率（推定Ｕ値）と真値との関係が示されている。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

本実施の形態では、建物の屋内空間と屋外空間との間に位置する面部材の断熱性能を表わす指標として、面部材の熱貫流率を推定する熱貫流率推定システムについて説明する。断熱性能の評価対象の面部材は、外壁、１階の床、および最上階の天井などを含み、屋外空間は、床下空間および小屋裏空間を含む。なお、面部材は、単層の部材に限定されず、複数層で構成された部材であってもよい。

（概略構成について）
はじめに、本実施の形態に係る熱貫流率推定システムの概略構成について説明する。図１を参照して、熱貫流率推定システム１は、評価対象の面部材（以下「対象物」ともいう）８０に取付けられる熱貫流率試験装置（以下「試験装置」と略す）１０と、試験装置１０と電気的に接続され、熱貫流率を推定するための処理を行う推定装置１３とを備えている。

試験装置１０は、評価対象の面部材（以下「対象物」という）８０の屋内面（屋内側の面）に接触状態で配置される装置本体１１と、対象物８０の屋外面（屋外側の面）側に配置され、対象物８０の屋外側温度を検知する外付けの温度センサ１２とを有している。図２に示されるように、装置本体１１は、基準板２１と、ヒータ２２と、断熱部材２３と、２つの温度センサ２４，２５とを含む。なお、図２では、ヒータ２２および温度センサ２４，２５の配線の図示は省略されている。

基準板２１は、装置本体１１の一方面（表面）を形成する板状部材であり、対象物８０の屋内面に当接状態で配置（密着）される。つまり、基準板２１は、対象物８０の屋内面に当接する表面２１ａと、その反対側に位置する裏面２１ｂとを有している。基準板２１の熱貫流率Ｕ_１は既知である。

基準板２１は、たとえば、押出法ポリスチレンフォームなど樹脂系の断熱材により形成されている。なお、基準板２１は、対象物８０に熱を伝えることができ、かつ、熱抵抗が高すぎない材質であればよい。また、断熱性能が経年変化しないことが望ましい。あるいは、経年変化した場合に交換可能なものであることが望ましい。また、基準板２１の表面２１ａは、円滑であり、対象物８０の屋内面との密着度が確保できるものであることが望ましい。また、その形状は、たとえば矩形形状である。

ヒータ２２は、基準板２１の裏面側に設けられる発熱部材である。ヒータ２２がＯＮ状態（発熱状態）とされた場合に、基準板２１を介して対象物８０に熱が伝えられる。ヒータ２２は、面状の発熱体により構成され、基準板２１と略同じ面積であることが望ましい。ヒータ２２のＯＮ／ＯＦＦは、推定装置１３によって制御される。

断熱部材２３は、ヒータ２２の屋内側に設けられ、基準板２１とヒータ２２と断熱部材２３とが、層状に形成されている。断熱部材２３の厚みは、基準板２１の厚みよりも大きい。断熱部材２３の熱抵抗は、基準板２１の熱抵抗よりも十分に高く、ヒータ２２の熱が屋内空間側へ逆流するのを防止する。その結果、ヒータ２２の熱の大部分を対象物８０側に伝えられることができる。なお、ヒータ２２の熱を基準板２１に均等に伝えるために、ヒータ２２と基準板２１との間には、均熱板（図示せず）が設けられていることが望ましい。

温度センサ２４は、基準板２１の裏面２１ｂに設けられ、基準板２１の裏面２１ｂ側の温度を検知する。温度センサ２５は、基準板２１の表面２１ａに設けられ、基準板２１の表面２１ａ側の温度を検知する。ここで、基準板２１の表面２１ａは、対象物８０の屋内面に当接状態で配置されるため、温度センサ２５により検知される温度は、対象物８０の屋内面の温度と等しい。

温度センサ１２は、対象物８０の屋外面であって、装置本体１１の温度センサ２４，２５と同じライン上に配置されることが望ましい。つまり、対象物８０が外壁の場合は、温度センサ１２の位置と、温度センサ２４，２５の位置とが略同じ高さであることが望ましい。なお、ヒータ２２の加熱による対象物８０の屋外面の温度の上昇率は僅かであるため、温度センサ１２は、対象物８０の屋外面そのものの温度に限らず、対象物８０の屋外側の温度を検知すればよい。つまり、対象物８０の屋外面の温度は、外気温で代替してもよいし、外気温に空気の熱伝達率を掛けて対象物８０の屋外面の温度を推定してもよい。たとえば対象物８０が１階床の場合、対象物８０の屋外面の温度は、床下温度に代替することができる。このような場合、温度センサ１２の設置位置は、特に限定されない。

温度センサ２４，２５、および、温度センサ１２による検知信号は、推定装置１３に入力され、推定装置１３において、対象物８０の熱貫流率が推定される。

図３に示されるように、推定装置１３は、各種演算処理および各部の制御を行う制御部３１と、各種データおよびプログラムを記憶する記憶部３２と、ユーザからの指示を受け付ける操作部３３と、各種情報を表示する表示部３４と、ネットワーク通信を行うための通信部３５と、電源部３６と、計時動作を行う計時部（図示せず）とを含む。推定装置１３は、また、制御部３１からの指示に基づき、ヒータ２２の出力を制御する加熱制御部３７と、温度センサ２４，２５，１２からの信号を入力して、制御部３１に出力する入力部（図示せず）とを含む。制御部３１は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算処理装置により実現される。記憶部３２は、たとえば不揮発性の記憶装置により実現される。あるいは、制御部３１と記憶部３２とは、１つのハードウェア（記憶・演算部）として構成されてもよい。

図１に示したように、試験装置１０と推定装置１３とが分離されている場合、推定装置１３は、ヒータ２２および温度センサ２４，２５，１２それぞれの配線の端子が接続されるコネクタ（図示せず）を含んでいればよい。

なお、試験装置１０の装置本体１１と推定装置１３とは、図１６に示されるように、１つの筐体１００内に設けられることが望ましい。つまり、熱貫流率推定システム１は、単体の装置（熱貫流率推定装置）１Ａによって構成されることが望ましい。この場合、推定装置１３の操作部３３および表示部３４は、筐体１００上に設けられればよく、その場合、操作部３３および表示部３４は、タッチパネルとして一体的に構成されていてもよい。また、装置本体１１と推定装置１３との間には、仕切り板１０１が設けられていてもよい。

また、上述のように、対象物８０の屋外面の温度が、外気温や床下温度で代替される場合には、温度センサ１２自体を設けず、推定装置１３の操作部３３または通信部３５を介して、対象物８０の屋外側温度が入力されてもよい。つまり、試験装置１０は、装置本体１１のみで構成されてもよい。

（機能構成について）
次に、熱貫流率推定システム１の機能構成について説明する。

図３に示されるように、推定装置１３は、その機能構成として、上記した加熱制御部３７に加え、計測処理部４１、予測処理部４２、推定部４３、および結果処理部４４を含んでいる。計測処理部４１、予測処理部４２、推定部４３、および結果処理部４４の機能は、試験装置１０が対象物８０に取り付けられた状態において、制御部３１により実現される。記憶部３２には、基準板２１の熱貫流率Ｕ_１が予め記憶されている。

計測処理部４１は、温度センサ２４，２５，１２からの検知信号に基づいて、ヒータ２２により対象物８０に熱が伝えられた状態における、各位置の温度を計測する。すなわち、図４を参照して、基準板２１の裏面側温度Ｔｈ、基準板２１の表面側温度（対象物８０の屋内面温度）Ｔｉ、および、対象物８０の屋外側温度Ｔｏを計測する。

また、計測処理部４１は、加熱制御部３７を介してヒータ２２の運転を行い、対象物８０を屋内空間側から加熱する。つまり、加熱制御部３７は、計測処理部４１からの指示に応じて、ヒータ２２の出力を制御する。加熱制御部３７によるヒータ２２の出力制御については後述する。

推定部４３は、対象物８０の加熱後の３点の温度勾配から、対象物８０の熱貫流率を推定する。対象物８０の熱貫流率は、各位置の温度Ｔｈ、Ｔｉ、Ｔｏと、記憶部３２に記憶された基準板２１の熱貫流率Ｕ_１とに基づいて推定される。推定部４３による対象物８０の熱貫流率の推定原理については、以下の通りである。

基準板２１の熱貫流率は既知であるため、その値Ｕ_１と、基準板２１の表裏温度（表面側温度および裏面側温度）Ｔｈ、Ｔｉとから、基準板２１を通過する熱流Ｗ_１（単位：Ｗ／ｍ^２）を推定することができる。すなわち、次の数式１により、基準板２１を通過する熱流Ｗ_１を推定することができる。

Ｗ_１＝Ｕ_１×（Ｔｈ−Ｔｉ） ・・・数式１
一方、対象物８０を通過する熱流Ｗ_０は、未知の熱貫流率Ｕ_０と、対象物８０の表裏温度（Ｔｉ、Ｔｏ）とから、次の数式２が成り立つ。

Ｗ_０＝Ｕ_０×（Ｔｉ−Ｔｏ） ・・・数式２
ここで、対象物８０を通る熱流Ｗ_０と、基準板２１を通る熱流Ｗ_１とは、一元で考えると同じであるため、以下の数式３が成り立つ。

Ｕ_１×（Ｔｈ−Ｔｉ）＝Ｕ_０×（Ｔｉ−Ｔｏ） ・・・数式３
よって、求めたい対象物８０の熱貫流率Ｕ_０は、次の数式４により求められる。

Ｕ_０＝Ｕ_１×（Ｔｈ−Ｔｉ）／（Ｔｉ−Ｔｏ） ・・・数式４
すなわち、推定部４３は、基準板２１の表裏温度Ｔｈ，Ｔｉの温度差と、基準板２１の熱貫流率Ｕ_１とを乗算することにより得られる基準板２１の熱流の推定値（Ｗ_０）を、対象物８０の表裏温度Ｔｉ，Ｔｏ（基準板２１の表面側温度Ｔｉおよび対象物８０の屋外側温度Ｔｏ）との温度差で除算することにより、対象物８０の熱貫流率Ｕ_０を導出することができる。

上記推定原理に基づいて、本実施の形態では、数式４で表される算出式に、基準板２１の熱貫流率と計測された３点の温度とを代入することで、対象物８０の熱貫流率Ｕ_０を推定（算出）する。

ここで、推定部４３により対象物８０の熱貫流率Ｕ_０を精度良く推定するためには、本来、基準板２１の表裏温度（Ｔｈ，Ｔｉ）および対象物８０の屋外側温度（Ｔｏ）がそれぞれ略一定となり安定するまで待つ必要がある。なお、上述のように、対象物８０の屋外側温度（Ｔｏ）は、対象物８０の加熱状態に関わらず一定とみなせるため、実際には、基準板２１の表裏温度（Ｔｈ，Ｔｉ）が安定するまで待つ必要がある。基準板２１の表裏温度が安定するまでの時間は、対象物８０の熱容量の大きさによって異なる。一般的に、床材の熱容量は、外壁の熱容量よりも大きい。床材は、典型的には、屋内空間に面する合板（たとえばフローリング、木床など）と、その裏側に設けられた断熱材（たとえばポリスチレンフォーム）とで構成されている。

対象物８０が床材のような熱容量の大きい面部材である場合に、仮に、ヒータ２２の出力を一定出力として対象物８０を加熱した場合、図１５（Ａ）に示すように、基準板２１の裏面側温度Ｔｈと、基準板２１の表面側温度（対象物８０の屋内面温度）Ｔｉとの双方が安定するまでに、９時間近く掛かることがある。この場合、当然ながら、図１５（Ｂ）に示すように、対象物８０の熱貫流率Ｕ_０が真値Ｕｔと近い値となるまでに、９時間近く掛かる。これは、熱容量の大きい対象物８０の場合、ヒータ２２からの熱が対象物８０に蓄熱されながら、２点の温度Ｔｈ，Ｔｉが上昇するためであると考えられる。図１５において、基準板２１の表裏温度Ｔｈ，Ｔｉの双方が安定し、推定Ｕ値が真値と略一致したときの時間が、「ｔｚ」で示されている。また、１階床の屋外面温度がＴｏ_１で示され、床下温度がＴｏ_２で示されている。

入居中の実物件での断熱性能診断を可能にするためには、理想的には２時間以下の短時間で、対象物８０の断熱性能を評価（診断）する必要がある。図１５に示すようなケースにおいて、加熱開始から理想の測定終了時間（二点鎖線で示されている）となったタイミングで熱貫流率の算出を試みた場合、その時点では基準板２１の表裏温度Ｔｈ，Ｔｉは未だ上昇を続けており、それぞれの安定温度ＴＳｈ,ＴＳｉに達していない。したがって、その時点で得られた基準板２１の表裏温度Ｔｈ，Ｔｉを上記算出式に当て嵌めたとしても、推定Ｕ値と真値（Ｕｔ）との誤差は非常に大きい。

そこで、本実施の形態では、基準板２１の裏面側温度Ｔｈを一定に制御し、変数を基準板２１の表面側温度Ｔｉのみとすることにより、加熱開始から短時間で、表面側温度Ｔｉの安定温度を予測することとした。ヒータ２２の一定温度制御は加熱制御部３７により行われ、基準板２１の表面側安定温度の予測は予測処理部４２により行われる。

加熱制御部３７は、図５のグラフに示されるように、運転開始直後からヒータ２２の温度を急速に上げて、計測処理部４１により計測された基準板２１の裏面側温度Ｔｈが設定温度ＴＳｈとなるように制御する。このような一定温度制御は、たとえばヒータ２２のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことにより実現される。なお、温度センサ２４からの検知信号は、計測処理部４１を経由することなく加熱制御部３７に入力されてもよい。

予測処理部４２は、加熱制御部３７による一定温度制御が行われている際に、時系列に得られる基準板２１の表面側温度Ｔｉに基づいて、基準板２１の表面側の安定温度ＴＳｉを予測する。なお、測定開始後、安定温度ＴＳｉが予測可能となるのは、基準板２１の裏面側温度Ｔｈが略一定となり、表面側温度Ｔｉの上昇勾配が安定した時点（図５の時間ｔａ）以降である。安定温度の予測方法については、図６のグラフを参照して説明する。

図６に示す時間ｘ_３が、理想の測定終了時間であると仮定する。時間ｘ_３の段階では、表面側温度Ｔｉは安定しておらず、上昇を続けている。通常、表面側温度Ｔｉの上昇は、時間ｘ_３から長時間経過してやっと収束する。予測処理部４２は、時間ｘ_３以前の温度変化から関数近似を行って収束値ｂを導出することで、安定温度ＴＳｉを予測する。

本実施の形態では、時間ｘ_３以前の計測値を時間軸に沿ってプロットすることにより得られる曲線を、数式５の近似式により滑らかな曲線に近似する。

ｙ＝−Ｃａ^ｘ＋ｂ （ただし、０＜ａ＜１） ・・・数式５
予測処理部４２は、上記近似式により得られた近似曲線上において、時間ｘ_３の座標（ｘ_３，ｙ_３）のデータと、時間ｘ_３から一定時間間隔（Δｘ）ずつ過去に遡った２座標（ｘ_２，ｙ_２）、（ｘ_１，ｙ_１）のデータとを参照し、収束値ｂを予測する。つまり、近似曲線から、一定時間間隔の３点の表面側温度（ｙ_１，ｙ_２，ｙ_３）を抽出することにより、収束値ｂを予測する。近似式の「ａ^ｘ」は「（ｙ_３−ｙ_２）／（ｙ_２−ｙ_１）」と等しいため、これを「Ｋ」とおくと、収束値ｂは、数式６で表わされる予測式によって計算できる。

ｂ＝（ｙ_２−Ｋｙ_１）／（１−Ｋ） ・・・数式６
このような予測式を用いることで、表面側温度Ｔｉが安定していない段階で、その収束値ｂ、すなわち安定温度ＴＳｉを予測することができる。したがって、短時間で、対象物８０の熱貫流率Ｕ_０を精度良く推定することができる。なお、時間間隔Δｘは任意に定めることができ、たとえば３分〜１０分の間で予め定められる。

再び図３を参照して、推定装置１３の結果処理部４４は、推定部４３による推定結果（対象物８０の熱貫流率Ｕ_０）を記憶部３２に記憶する処理を行う。この際、対象物８０を識別するための識別情報と、熱貫流率の推定データとを関連付けて、記憶部３２に記憶させることが望ましい。また、結果処理部４４は、推定結果をユーザに報知するために、推定結果を表示部３４に表示する処理を行う。なお、記憶部３２は、基準板２１の熱貫流率Ｕ_１の記憶用のメモリと、推定結果の記憶用のメモリとを、個別に含んでいてもよい。

なお、本実施の形態では、上記した計測処理部４１、予測処理部４２、推定部４３、および結果処理部４４の機能は、制御部３１がソフトウェアを実行することで実現されるものとしたが、これらのうちの少なくとも１つについては、ハードウェアにより実現されてもよい。

（動作について）
次に、熱貫流率推定システム１の動作について説明する。当該システム１の動作は、制御部３１が、記憶部３２に記憶されたプログラムを読み出して熱貫流率測定処理を実行することで実現される。

図７は、本実施の形態における熱貫流率測定処理を示すフローチャートである。なお、図７に示す処理は、装置本体１１が対象物８０の屋内面に接触した状態で、操作部３３を介してユーザから測定開始の指示が入力された場合に開始されるものとする。

図７を参照して、はじめに、計測処理部４１は、加熱制御部３７を介してヒータ２２の加熱処理を開始するとともに（ステップＳ２）、加熱処理に並行して、上記した各位置の温度計測を開始する（ステップＳ４）。つまり、計測処理部４１は、ヒータ２２の加熱中、温度センサ２４，２５，１２からの検知信号に基づいて、基準板２１の表裏温度（Ｔｈ、Ｔｉ）と、対象物８０の屋外側温度（Ｔｏ）とを計測する。推定装置１３に入力された各温度センサからの検知信号は、デジタル信号に変換されて制御部３１に出力される。なお、上述のように、対象物８０の屋外側温度（Ｔｏ）は、対象物８０の加熱状態に関わらず一定とみなせるため、当該温度の計測タイミングは問わない。

加熱制御部３７は、基準板２１の裏面側温度Ｔｈが設定温度となるように、ヒータ２２の一定温度制御を行う。設定温度は、予め記憶部３２に記憶されていてもよい。

続いて、予測処理部４２は、安定温度予測処理を実行する（ステップＳ６）。この処理は、基準板２１の裏面側温度Ｔｈが設定温度付近で安定した後に、開始される。安定温度予測処理については、図８にサブルーチンを挙げて説明する。

図８を参照して、はじめに、予測処理部４２は、時系列に得られる計測値の移動平均を計算する（Ｓ２２）。温度センサの検知温度は、±０．５℃程度の誤差がある可能性がある。したがって、計測値の移動平均処理を行っておくことで、計測値のばらつきを抑えることが望ましい。安定温度予測処理の開始時には、一定時間（たとえば５分程度）継続して移動平均処理を行うことにより、滑らかな曲線を得ておくことが望ましい。

次に、予測処理部４２は、たとえば現在時刻を基準とし、収束値演算を行う（ステップＳ２６）。すなわち、基準板２１の表面側温度の温度変化に応じて近似曲線を計算し、近似曲線上における３点の温度を抽出する。具体的には、図６を参照して、現在時刻（ｘ_３）の温度（ｙ_３）と、現在時刻から一定時間（Δｘ）遡った時刻（ｘ_２）の温度（ｙ_２）と、さらにその時刻（ｘ_２）から一定時間（Δｘ）遡った時刻（ｘ_１）の温度（ｙ_２）とを抽出する。そして、予め記憶された上記予測式と、抽出した値とに基づき、演算値（収束候補値）を得る。

ステップＳ２６で得られた演算値が異常でなければ（ステップＳ２８にてＮＯ）、その演算値を内部メモリに一時記憶し、ステップＳ３０に進む。一方、演算値が異常であれば（ステップＳ２８にてＹＥＳ）、ステップＳ２２に戻る。たとえば、演算値がヒータ２２の設定温度以上の場合、または、近似式（数式５）の「ａ」が１より大きくなるなど、演算値が数学的に異常値を示しているような場合に、演算値が異常と判断される。

ステップＳ３０では、収束判定が可能かどうかが判断される。具体的には、収束値の予測演算が１回しか行われていない場合には、収束判定は不可と判断し（ステップＳ３０にてＮＯ）、ステップＳ２２に戻る。これに対し、複数回行われた演算結果が略同じ値であった場合には、収束判定が可能と判断する（ステップＳ３０にてＹＥＳ）。たとえば、複数回分の演算値の最大値と最小値との差が、所定値未満である場合に、これらの演算結果が略同じ値であるとみなされる。

収束判定が可能と判断された場合、予測処理部４２は、表面側温度Ｔｉの収束値、すなわち安定温度の予測値を決定する（ステップＳ３２）。予測値は、直近の１回の演算値として導出されてもよいし、直近の複数回分の演算値の統計値（たとえば平均値）として導出されてもよい。予測値が決定されると、処理はメインルーチンに戻される。

なお、上述のように、本実施の形態では、収束候補値の演算が繰り返し行われるが、前後の演算における基準時刻（ｘ_３）の差は、温度変化を抽出する時間間隔Δｘよりも十分に短い時間であり、たとえば１０秒未満である。これにより、予測値を早期に決定することができる。

再び図７を参照して、安定温度予測処理が終わると、推定部４３は、記憶部３２から基準板２１の熱貫流率Ｕ_１を示す数値データを読み出して（ステップＳ８）、対象物８０の熱貫流率Ｕ_０を推定する（ステップＳ１０）。具体的には、記憶部３２から上記数式４で示される算出式も読み出し、読み出した算出式に、ヒータ２２の設定温度（Ｔｈ）と、上記予測処理で求められた収束予測値（Ｔｉ）と、対象物８０の屋外側温度（Ｔｏ）と、ステップＳ８で読み出した数値（Ｕ_１）とを代入することにより、対象物８０の熱貫流率の推定値（Ｕ_０）を算出する。なお、数式４の文字Ｕ_１に予め基準板２１の熱貫流率が代入された算出式を、記憶部３２に予め記憶させておいてもよい。ステップＳ８の処理（Ｕ_１値の読み出し）は、本測定処理の開始時に行われてもよい。

対象物８０の熱貫流率（Ｕ_０）が推定されると、結果処理部４４は、推定結果（Ｕ_０）を表示部３４に表示するとともに、記憶部３２に記録する（ステップＳ１２）。このように、対象物８０の熱貫流率を記録することで、対象物８０の面積を入力すれば、対象物８０から逃げる熱量を求めることもできる。また、建物において、断熱性能の評価対象となる全ての面部材について、熱貫流率推定処理が終わると、記憶部３２に記憶された面部材ごとの熱貫流率と、それらの面積とに基づいて、建物全体の熱損失係数を推定することもできる。

上述のように、本実施の形態によれば、試験装置１０によって室内空間側から対象物８０に強制的に熱を与えるため、実際の内外温度差が小さい時期であっても、対象物８０の熱貫流率の推定を行うことができる。また、試験装置１０の基準板２１の面積は対象物８０の面積よりも十分に小さく、対象物８０の一部分のみを加熱するだけでよいため、従来よりも、短時間で断熱性能を評価することができる。

また、熱貫流率を推定するために用いる機材としては、試験装置１０を対象物８０に設置するだけでよいため、システム構成を簡易にすることができる。

また、熱流計により熱流を計測する場合、真値との誤差が生じやすいが、本実施の形態では、対象物８０に熱が伝えられた状態において各位置の温度を計測するだけでよいため、誤差を少なくすることができる。

さらに、本実施の形態では、ヒータ２２の加熱開始後、早期の段階で、基準板２１の表面側の安定温度（収束値）を予測可能である。そのため、熱容量の大きい対象物８０を評価対象とする場合でも、測定時間を短時間（理想的には、１時間以下）に抑えることができる。したがって、本実施の形態のシステム１は、入居中の実物件にも適用することが可能である。

なお、本実施の形態では、図８のステップＳ３０において、複数回、略同じ演算値が得られた場合に、収束判定が可能と判断したが、時間間隔Δｘを長く（たとえば３０分以上）とれる場合には、時刻ｘ_１，ｘ_２，ｘ_３それぞれの温度（ｙ_１，ｙ_２，ｙ_３）が、先に計算した近似曲線に略合致した場合に、収束判定が可能と判断してもよい。

また、本実施の形態では、収束可能と判定されて初めて予測値が求められる。しかし、この場合、理想の測定終了時間までに収束可能と判定されない可能性がある。したがって、理想の測定終了時間を超えた場合には、収束不可の状態であっても、予測値を決定してもよい。この場合、予測処理部４２は、直近の複数回分の演算値の平均値を予測値としてもよい。あるいは、直近の複数回分の演算値の最大値と最小値とから幅をもった予測値を得てもよい。この場合、推定部４３は、予測処理部４２から得られた最大予測値と最小予測値とに基づいて、対象物８０の推定Ｕ値の最大値および最小値を計算してもよい。つまり、結果処理部４４において、熱貫流率の推定範囲が出力されてもよい。

また、本実施の形態では、ヒータ２２を一定温度制御して対象物８０を加熱し、上昇過程の表面側温度に対し、上記予測処理を行った。しかし、表面側温度を、一旦急上昇させ、その後の下降過程における表面側温度に対し、予測処理を行うことも可能である。その場合、上記数式５で示された近似式に代えて、次の数式７で示される近似式を用いればよい。

ｙ＝Ｃａ^ｘ＋ｂ （ただし、０＜ａ＜１） ・・・数式７
あるいは、下降過程において表面側安定温度を予測する場合、上記数式５の近似式の「ａ」の範囲を、「−１＜ａ＜０」としてもよい。

なお、基準板２１の表面側温度を急上昇させるためのシステム構成は、次の変形例に示すような構成であってもよい。

（変形例）
図９および図１０を参照して、本実施の形態の変形例における熱貫流率推定システム１は、上記実施の形態で示した装置本体１１に代えて、装置本体１１Ａを含んでいる。

図９に示されるように、装置本体１１Ａは、上記した基準板２１、ヒータ（以下「メインヒータ」という）２２、断熱部材２３、および温度センサ２４，２５に加え、基準板２１の表面２１ａに重ねられたサブヒータ２６を有している。つまり、本変形例では、対象物８０に熱を伝える発熱部材として、メインヒータ２２に加え、サブヒータ２６がさらに設けられる。

サブヒータ２６は、メインヒータ２２と同様に、面状の発熱体により構成されている。この場合、基準板２１の表面側温度、すなわち対象物８０の屋内面温度を検知する温度センサ２５は、サブヒータ２６の表面に設けられる。なお、サブヒータ２６の面積は、メインヒータ２２の面積よりも小さくてもよい。

図１０に示されるように、サブヒータ２６は、推定装置１３の加熱制御部３７Ａによって制御される。加熱制御部３７Ａは、加熱開始からの特定期間のみ、サブヒータ２６を運転する。つまり、特定期間は、メインヒータ２２およびサブヒータ２６の双方を運転し、特定期間の後は、メインヒータ２２のみを運転する。これにより、加熱初期の特定期間における対象物８０の加熱強度が、その後の対象物８０の加熱強度よりも大きくなるように、発熱部材の出力が制御される。

なお、「特定期間」は、発熱部材の運転開始（加熱開始）から特定時までの期間を表わす。また、「特定時」は、たとえば、測定開始前に設定された設定時間であり、典型的には、記憶部３２に予め記憶された時間（所定時間）である。設定時間は、たとえば３０分以下である。なお、設定時間は、予め記憶部３２に記憶された時間でなくてもよく、たとえば、測定開始時にユーザが入力した時間であってもよい。あるいは、「特定時」は、基準板２１の表面側温度Ｔｉが閾値に達した時であってもよい。

加熱制御部３７Ａの動作は、計測処理部４１Ａによって制御される。なお、加熱制御部３７Ａは、メインヒータ２２のＯＮ／ＯＦＦを制御するメイン加熱制御部と、サブヒータ２６のＯＮ／ＯＦＦを制御するサブ加熱制御部とを個別に含んでいてもよい。

図１１に示されるように、装置本体１１Ａの表面にサブヒータ２６が配置されるため、基準板２１の表面２１ａは、対象物８０の屋内面に当接せず近接した状態で配置される。この場合、サブヒータ２６によって対象物８０を直接加熱することができるため、メインヒータ２２は一定温度制御したままでも、基準板２１の表面側温度を急上昇させることができる。サブヒータ２６の出力は、一定出力であってよい。

なお、図１２に示されるように、サブヒータ２６の表面にも、均熱板７０を固定しておくことが望ましい。均熱板７０は硬い材質であるため、均熱板７０の表面全体を対象物８０の屋内面に密着させるためには、温度センサ２５をサブヒータ２６の裏面側に設けてもよい。その場合、基準板２１の表面とサブヒータ２６との間に均熱板７０をさらに設けて、温度センサ２５を基準板２１の表面と均熱板７０との間に配置してもよい。温度センサ２５は、柔らかい材質の基準板２１の表面に埋め込まれる。なお、メインヒータ２２側の温度センサ２４を基準板２１の裏面と均熱板７０との間に配置する場合も同様に、温度センサ２４は、基準板２１の裏面に埋め込まれる。

本変形例において、予測処理部４２Ａは、特定期間が経過した後に、基準板２１の表面側温度Ｔｉの温度変化に応じて近似曲線を計算し、安定温度を予測する。

図１３は、本変形例における安定温度予測処理を示すフローチャートである。なお、図８に示した安定温度予測処理と同様の処理については、図８のステップ番号と同じステップ番号を付してある。したがって、ここでは、上記実施の形態と異なる処理についてのみ説明する。

本変形例では、移動平均計算（ステップＳ２２）を行った後、温度変化を計算し（ステップＳ２４）、温度が上昇中か否かが判断される（ステップＳ２５）。上昇中と判断された場合（ステップＳ２５にてＹＥＳ）、収束値演算Ａを行う（ステップＳ２６Ａ）。一方し、下降中と判断された場合（ステップＳ２５にてＹＥＳ）、収束値演算Ｂを行う（ステップＳ２６Ｂ）。

収束値演算Ａでは、近似曲線の基本式を数式５とし、収束値演算Ｂでは、近似曲線の基本式を数式７とする。上昇過程および下降過程のいずれの演算処理においても、数式６で示した予測式を用いて収束候補値が求められる。

収束候補値が求められた後は、上記実施の形態と同様の処理（ステップＳ２８，Ｓ３０，Ｓ３２）が行われる。

なお、本実施の形態およびその変形例では、加熱制御部３７（３７Ａ）は、メインヒータ２２の一定温度制御を行うこととしたが、メインヒータ２２の出力を一定出力としてもよい。このような加熱制御が行われたとしても、基準板２１の表面側温度Ｔｉよりも基準板２１の裏面側温度Ｔｈの方が先に安定する場合、裏面側温度Ｔｈが安定したと判断された段階で、表面側温度Ｔｉの安定値を予測可能である。したがって、双方の温度が安定するのを待つよりも、測定時間を短縮することができる。このように、表面側安定温度ＴＳｉは、裏面側温度Ｔｈが安定した状態であれば、発熱部材の加熱制御方法に関わらず予測可能である。

以上説明したように、本発明の実施の形態および変形例によれば、簡単かつ短時間で、対象物８０の熱貫流率を精度良く推定することができる。したがって、既存の建物全体の断熱性能も容易に評価できるため、本システム１を利用することで、リフォーム事業を活性化することもできる。

なお、上記熱貫流率推定方法をプログラムとして提供することもできる。このようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭなどの光学媒体やメモリカードなどのコンピュータ読取り可能な一時的でない（non-transitory）記録媒体にて記録させて提供することができる。この場合、推定装置１３は、記録媒体（図示せず）からプログラムやデータを読み出し／書き込み可能な駆動装置（図示せず）をさらに備えているものとする。また、通信部３５によるネットワークを介したダウンロードによって、プログラムを提供することもできる。

また、本実施の形態およびその変形例では、試験装置１０の装置本体１１（１１Ａ）に電気的に接続された推定装置１３において、対象物８０の熱貫流率の推定が行われた。つまり、推定装置１３に、図３に示した推定部４３および結果処理部４４の機能が含まれていることとした。しかしながら、推定部４３および結果処理部４４の機能は、試験装置１０とは非接続の他のコンピュータ（以下「評価装置」という）に含まれていてもよい。評価装置は、たとえば、一般的なパーソナルコンピュータまたは携帯端末であってよい。

この場合、試験装置１０の装置本体１１に電気的に接続され、現場での試験に用いられる装置（以下「制御装置」という）には、加熱制御部３７（３７Ａ）と、加熱制御部３７の制御や各位置の温度の計測を行う計測処理部４１（４１Ａ）と、予測処理部４２（４２Ａ）との機能が含まれていればよい。また、制御装置は、熱貫流率の推定に必要な温度データを記憶するための記憶部を含んでいればよい。熱貫流率の推定に必要な温度データは、少なくとも、予測された表面側安定温度ＴＳｉを含み、基準板２１の裏面側安定温度ＴＳｈ（一定制御の設定温度）および対象物８０の屋外側温度Ｔｏをさらに含んでいてもよい。

この記憶部は、制御装置に対して着脱可能な記録媒体であってもよい。この場合、記録媒体に記録された温度データは、評価装置において読み出され、評価装置において対象物８０の熱貫流率Ｕ_０が推定される。なお、記録媒体に記録される温度データは、熱貫流率の推定に用いられる安定温度だけでなく、安定温度に至るまでの時系列の温度を含んでいてもよい。

このような構成の場合、評価装置以外の、装置本体１１と制御装置とを含むユニットを、熱貫流率試験装置として提供することもできる。熱貫流率試験装置は、対象物８０の屋外側温度を検知する温度センサ１２を含んでいてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 熱貫流率推定システム、１０ 試験装置、１１，１１Ａ 装置本体、１２，２４，２５ 温度センサ、１３ 推定装置、２１ 基準板、２２ ヒータ（メインヒータ）、２３ 断熱部材、２６ サブヒータ、３１ 制御部、３２ 記憶部、３３ 操作部、３４ 表示部、３５ 通信部、３６ 電源部、３７，３７Ａ 加熱制御部、４１，４１Ａ 計測処理部、４２，４２Ａ 予測処理部、４３ 推定部、４４ 結果処理部、７０ 均熱板、８０ 対象物（面部材）、１００ 筐体、１０１ 仕切り板。

Claims (9)

1. 建物の屋内空間と屋外空間との間に位置する面部材の断熱性能を表わす指標として、前記面部材の熱貫流率を推定するためのシステムであって、
   前記面部材の屋内面に当接または近接する表面と、その反対側に位置する裏面とを有する板状部材と、
   前記板状部材の裏面側に設けられたヒータを含み、前記面部材に熱を伝えるための発熱部材と、
   前記板状部材の表面側および裏面側にそれぞれ設けられ、前記板状部材の表面側温度および裏面側温度を検知する第１および第２の温度センサと、
   前記発熱部材の加熱後、前記板状部材の裏面側温度が安定した状態において、前記第１の温度センサからの検知信号に基づいて、前記板状部材の表面側の安定温度を予測する予測処理手段と、
   前記予測処理手段により予測された前記板状部材の表面側の安定温度と、前記板状部材の裏面側の安定温度と、前記面部材の屋外側温度と、予め記憶された前記板状部材の熱貫流率とに基づいて、前記面部材の熱貫流率を推定する推定手段とを備える、熱貫流率推定システム。
2. 前記板状部材の裏面側温度が設定温度となるように、前記ヒータの一定温度制御を行う加熱制御手段をさらに備え、
   前記設定温度が、前記板状部材の裏面側の安定温度に相当する、請求項１に記載の熱貫流率推定システム。
3. 前記予測処理手段は、予め定められた予測式を用いて、前記板状部材の表面側の安定温度を予測する、請求項１または２に記載の熱貫流率推定システム。
4. 前記予測式は、一定時間間隔の３点の表面側温度をそれぞれｙ_１，ｙ_２，ｙ_３、前記板状部材の表面側の安定温度をｂとし、「（ｙ_３−ｙ_２）／（ｙ_２−ｙ_１）」を「Ｋ」とおいた場合、
   ｂ＝（ｙ_２−Ｋｙ_１）／（１−Ｋ）
   である、請求項３に記載の熱貫流率推定システム。
5. 前記予測処理手段は、前記表面側温度の温度変化に応じて近似曲線を計算し、前記近似曲線上における３点の温度を抽出することによって前記表面側の安定温度を予測する、請求項３または４に記載の熱貫流率推定システム。
6. 前記発熱部材は、前記面部材に直接的に熱を伝えるために、前記板状部材の表面側に設けられたサブヒータをさらに含み、
   前記加熱制御手段は、前記板状部材の表面側温度が急上昇するように、加熱開始からの特定期間のみ前記サブヒータを運転する、請求項２〜５のいずれかに記載の熱貫流率推定システム。
7. 建物の屋内空間と屋外空間との間に位置する面部材の断熱性能を表わす指標として、前記面部材の熱貫流率を推定するために用いられる試験装置であって、
   前記面部材の屋内面に当接または近接する表面と、その反対側に位置する裏面とを有し、その熱貫流率が既知である板状部材と、
   前記板状部材の裏面側に設けられたヒータを含み、前記面部材に熱を伝えるための発熱部材と、
   前記板状部材の表面側および裏面側にそれぞれ設けられ、前記板状部材の表面側温度および裏面側温度を検知する第１および第２の温度センサと、
   前記発熱部材の加熱後、前記板状部材の裏面側温度が安定した状態において、前記第２の温度センサからの検知信号に基づいて、前記板状部材の表面側の安定温度を予測する予測処理手段と、
   少なくとも、前記予測処理手段により予測された前記板状部材の表面側の安定温度を記憶する記憶手段とを備える、熱貫流率試験装置。
8. 建物の屋内空間と屋外空間との間に位置する面部材の断熱性能を表わす指標として、前記面部材の熱貫流率を推定する方法であって、
   板状部材と、前記板状部材の裏面側に設けられたヒータを含む発熱部材と、前記板状部材の表面側および裏面側にそれぞれ設けられた第１および第２の温度センサとを備えた試験装置を、前記面部材の屋内面に接触させ、かつ、前記発熱部材により前記面部材が加熱された状態において、前記第１および第２の温度センサからの検知信号に基づいて、前記板状部材の表面側温度および裏面側温度を計測するステップと、
   前記板状部材の裏面側温度が安定した状態において計測された表面側温度から、前記板状部材の表面側の安定温度を予測するステップと、
   予測された前記板状部材の表面側の安定温度と、前記板状部材の裏面側の安定温度と、前記面部材の屋外側温度と、予め記憶された前記板状部材の熱貫流率とに基づいて、前記面部材の熱貫流率を推定するステップとを備える、熱貫流率推定方法。
9. 請求項８に記載の熱貫流率推定方法に含まれる各ステップを、コンピュータに実行させる、熱貫流率推定プログラム。

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