JP6022624B2 - 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る。熱貫流率推定システムは、板状部材と、発熱部材と、第１および第２の温度センサと、判断手段と、推定手段と、加熱制御手段とを備える。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る。判断手段は、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が安定したか否かを判断する。推定手段は、判断手段により安定したと判断されたときの板状部材の表面側温度および裏面側温度と、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。加熱制御手段は、面部材の加熱開始から特定時までの期間を第１の期間とし、特定時から判断手段により安定したと判断されるまでの期間を第２の期間とした場合、第１の期間における面部材の加熱強度が、第２の期間における面部材の加熱強度よりも大きくなるように、発熱部材の出力を制御する。

好ましくは、加熱制御手段は、第１の期間におけるヒータの出力を、第２の期間におけるヒータの出力よりも高出力とする。

発熱部材は、板状部材の表面側に位置し、面部材に直接的に熱を伝えるための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、第１の期間にヒータおよびサブヒータの双方を運転し、第２の期間にヒータのみを運転してもよい。

また、この場合、加熱制御手段は、第１の期間のうちの全てまたは初期において、ヒータの出力を他の期間よりも高出力としてもよい。

好ましくは、第１の期間は、加熱開始から設定時間が経過するまでの期間である。

あるいは、第１の期間は、加熱開始から板状部材の表面側温度が閾値に達するまでの期間であってもよい。

好ましくは、熱貫流率推定システムは、ヒータの屋内側に設けられ、熱の逆流を防止するための断熱部材をさらに備える。

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る。熱貫流率試験装置は、板状部材と、発熱部材と、第１および第２の温度センサと、加熱制御手段と、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る。加熱制御手段は、面部材の加熱開始から特定時までの期間を第１の期間とし、特定時から板状部材の表面側温度および裏面側温度が安定するまでの期間を第２の期間とした場合、第１の期間における面部材の加熱強度が、第２の期間における面部材の加熱強度よりも大きくなるように、発熱部材の出力を制御する。記憶手段は、少なくとも、安定したときの板状部材の表面側温度および裏面側温度を記憶する。

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が安定したか否かを判断するステップと、安定したと判断されたときの板状部材の表面側温度および裏面側温度と、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、面部材の加熱開始から特定時までの期間を第１の期間とし、特定時から安定したと判断されるまでの期間を第２の期間とした場合、第１の期間における面部材の加熱強度が、第２の期間における面部材の加熱強度よりも大きくなるように、発熱部材の出力を制御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１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１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１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１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１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１における加熱処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１において、熱容量の比較的大きい面部材を対象とした場合に、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２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２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２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２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２における加熱処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２において、熱容量の比較的大きい面部材を対象とした場合における、各位置の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２の変形例における加熱処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２の変形例において、熱容量の比較的大きい面部材を対象とした場合における、各位置の温度の時間遷移の典型例を示すグラフである。 本発明の各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。

＜実施の形態１＞
（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、推定部４２、および結果処理部４３を含んでいる。計測処理部４１、推定部４２、および結果処理部４３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、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。

また、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。計測処理部４１は、基準板２１の裏面側温度および表面側温度（以下、これらを「表裏温度」ともいう）がそれぞれ略一定となったか否か、すなわち安定したか否かを判断する機能を有している。

推定部４２は、対象物８０の加熱後、基準板２１の表裏温度がそれぞれ略一定となったとき（安定したと判断されたとき）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、計測処理部４１により計測された各位置の温度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４２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（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４２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４２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、上述のように、対象物８０の表裏温度（Ｔｈ，Ｔｉ）がそれぞれ略一定となり安定するまで待つ必要がある。そのため、ヒータ２２の出力を一定出力として対象物８０を加熱する場合、対象物８０の熱容量の大きさによって、基準板２１の表裏温度が安定するまでの時間に差が出る。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、図１７（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１７（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１７において、双方の温度が安定し、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。

そこで、本実施の形態では、ヒータ２２の運転開始時における対象物８０の加熱強度が、後の加熱強度よりも大きくなるように、ヒータ２２の出力が制御される。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の出力が高出力または低出力となるように制御する。

具体的には、ヒータ２２の運転開始（加熱開始）から特定時までの期間を「第１の期間」、特定時から、基準板２１の表裏温度Ｔｈ，Ｔｉが略一定となるまでの期間を「第２の期間」とした場合、加熱制御部３７は、第１の期間におけるヒータ２２の出力を、第２の期間におけるヒータ２２の出力よりも高出力とする。

上記「特定時」は、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２時間以下であればよい。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。

結果処理部４３は、推定部４２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４３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、推定部４２、および結果処理部４３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５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５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５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の計測を開始する（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の屋外温度（Ｔｏ）とを計測する。なお、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。

ヒータ２２による加熱中、計測処理部４１は、基準板２１の表裏温度（Ｔｈ，Ｔｉ）が安定したか否かを判断する（ステップＳ５）。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、ここでは、基準板２１の表裏温度（Ｔｈ，Ｔｉ）が安定したか否かだけを判断する。上記した図１７のグラフには、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。

ステップＳ２における加熱処理については、図６にサブルーチンを挙げて具体的に説明する。図６を参照して、対象物８０の加熱開始時、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の出力を高出力とする（ステップＳ２２）。これにより、第１の期間において、ヒータ２２は高加熱モードで運転される。

加熱開始から所定時間が経過すると（ステップＳ２４にてＹＥＳ）、計測処理部４１からの指示に応じて、加熱制御部３７は、ヒータ２２の出力を下げ、ヒータ２２の運転モードを低加熱モードに変更する（ステップＳ２６）。これにより、第２の期間において、対象物８０の加熱強度が、第１の期間よりも小さく変更される。図５のステップＳ５において基準板２１の表裏温度Ｔｈ，Ｔｉが安定したと判断されるまでの間（ステップＳ５にてＮＯ）、ヒータ２２の出力は低出力のまま維持される。

再び図５を参照して、基準板２１の表裏温度（Ｔｈ，Ｔｉ）がそれぞれ略一定となり安定したと判断すると（ステップＳ５にてＹＥＳ）、計測処理部４１はそのときに計測した温度を推定部４２に出力し、加熱処理を終了する。なお、略一定となったときの基準板２１の表面側温度Ｔｉおよび裏面側温度Ｔｈを、安定温度ともいう。基準板２１の各安定温度は、加熱処理終了直前の所定時間における各温度Ｔｉ，Ｔｈの統計値（たとえば平均値）として計測されてもよい。

推定部４２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Ｓ６）、対象物８０の熱貫流率Ｕ_０を推定する（ステップＳ８）。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、基準板２１の表裏安定温度（Ｔｉ，Ｔｈ）、対象物８０の屋外側温度（Ｔｏ）、およびステップＳ６で読み出した数値（Ｕ_１）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Ｓ６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４３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Ｓ１０）。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、本実施の形態では、最初の所定時間（第１の期間）だけヒータ２２の出力を高出力とし、対象物８０を急速に加熱する。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、ヒータ２２を一定出力とする場合に比べて、基準板２１の表裏温度Ｔｈ，Ｔｉが安定するまでの時間を短縮することができる。つまり、本実施の形態によれば、対象物８０の熱容量の大きさが測定時間に及ぼす影響を、軽減することができる。

具体的には、図７（Ａ）に示されるように、加熱開始から所定時間（ｔａ）までの第１の期間、ヒータ２２を高出力とし、所定時間（ｔａ）から基準板２１の表裏温度双方が安定したと判断されたとき（ｔｚ）までの第２の期間、ヒータ２２を低出力（通常出力）としている。そのため、基準板２１の表面側温度Ｔｉは、早い段階で安定温度（ＴＳｉ）付近まで上昇している。たとえば所定時間（ｔａ）を５０分程度とした場合、対象物８０が家屋の１階のフローリング床であっても、基準板２１の表裏温度は加熱開始から１５０分程度で安定している。

そのため、図７（Ｂ）に示されるように、推定Ｕ値は、基準板２１の表裏温度双方が安定した時点（ｔｚ）で真値Ｕｔに近い値となっている。なお、図７（Ａ）では、基準板２１の裏面側の安定温度が「ＴＳｈ」として示されている。

このように、本実施の形態によれば、対象物８０の熱容量が大きい場合であっても、加熱初期に、基準板２１の表面側温度（対象物８０の屋内面温度）Ｔｉを安定温度ＴＳｉ近くまで上昇させることで、推定Ｕ値の測定時間を２時間半程度とすることができる。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。

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。

＜実施の形態２＞
本実施の形態に係る熱貫流率推定システムについて説明する。本実施の形態では、対象物を加熱する発熱部材として、上記ヒータ２２の他に、サブヒータを追加している。システムの他の基本的な構成および動作は、実施の形態１のシステム１と同様である。そのため、以下に、実施の形態１と異なる点のみ詳細に説明する。なお、本実施の形態では、ヒータ２２をメインヒータ２２という。

図８および図９を参照して、本実施の形態における熱貫流率推定システム１は、実施の形態１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８に示されるように、装置本体１１Ａは、実施の形態１で示した基準板２１、メインヒータ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。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９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、加熱開始から所定時間が経過するまでの第１の期間における対象物８０の加熱温度が、その後の第２の期間における対象物８０の加熱温度よりも大きくなるように、メインヒータ２２およびサブヒータ２６を含む発熱部材の出力を制御する。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。

本実施の形態では、装置本体１１Ａの表面にサブヒータ２６が配置されるため、本実施の形態では、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、実施の形態１の図７（Ａ）のグラフに示されるように、メインヒータ２２の出力を必要以上に上げる必要がなくなる。

より具体的には、メインヒータ２２の出力制御のみで対象物８０を急速に加熱する形態では、図７（Ａ）に示されるように、基準板２１の表面側温度Ｔｉが安定するまでの時間よりも、基準板２１の裏面側温度Ｔｈが安定するまでの時間の方が３０分程度長くかかっている。これに対し、本実施の形態では、メインヒータ２２の出力制御のみに頼らず、第１の期間にサブヒータ２６を運転させることで、基準板２１の裏面側温度Ｔｈを早期に安定させることができる。その結果、対象物８０の熱貫流率Ｕ_０の測定時間をさらに短縮することができる。

図１１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。

本実施の形態における加熱制御部３７Ａの処理については、図１２に示すフローチャートを参照して説明する。図１２は、本実施の形態における加熱処理を示すフローチャートである。本実施の形態では、対象物８０の加熱開始時に、加熱制御部３７Ａは、計測処理部４１Ａからの指示に応じて、メインヒータ２２およびサブヒータ２６を一定出力とする（ステップＳ３２，Ｓ３４）。つまり、第１の期間には、メインヒータ２２およびサブヒータ２６の双方が運転される。サブヒータ２６の出力は、メインヒータ２２の出力強度よりも低くてもよい。なお、本実施の形態におけるメインヒータ２２の出力強度は、実施の形態１の第１の期間における出力強度（高出力）よりも十分に低く、実施の形態１の第２の期間における出力強度（低出力）よりも少し高いか同じ程度である。

本実施の形態においても、加熱開始からたとえば所定時間経過した場合（ステップＳ３６にてＹＥＳ）、計測処理部４１Ａからの指示に応じて、加熱制御部３７Ａは、サブヒータ２６の運転を停止し、基準板２１の表裏温度Ｔｈ，Ｔｉが安定するまでの間、メインヒータ２２の運転のみを継続させる（ステップＳ３８）。つまり、第２の期間には、メインヒータ２２のみが運転される。

このように、本実施の形態によれば、サブヒータ２６により対象物８０が直接温められるため、メインヒータ２２の出力を必要以上に上げる必要がなくなる。そのため、実施の形態１に比べて、基準板２１の裏面側温度Ｔｈが上がりすぎない。したがって、本実施の形態によれば、加熱開始から基準板２１の裏面側温度Ｔｈが安定するまでに要する時間が、基準板２１の表面側温度Ｔｉが安定するまでに要する時間よりも３０分以上も長くなってしまうというような不都合を解消することができる。その結果、対象物８０の熱貫流率Ｕ_０の測定時間をさらに短縮することができる。

なお、図１２では、メインヒータ２２を一定出力としたが、本実施の形態においても第１の期間の全てまたは一部（初期）において、メインヒータ２２の出力強度を第２の期間の出力強度よりも高くしてもよい。この場合でも、実施の形態１の第１の期間よりも、メインヒータ２２の出力強度は低く抑えることができるため、基準板２１の裏面側温度Ｔｈの上昇率を必要最小限に留めることができる。なお、第１の期間におけるサブヒータ２６の出力も、初期の所定時間（設定時間）のみ、一定ではなく高出力としてもよい。

図１３には、このような場合の基準板２１の表裏温度Ｔｈ，Ｔｉの時間推移が示されている。第１の期間が、加熱開始から所定時間（ｔａ、たとえば１５分程度）とした場合、そのうちの加熱初期のみ、すなわち、加熱開始から一定時間（ｔｂ、たとえば１０分程度）だけ、出力を少し上げている。図１３の例では、基準板２１の表裏温度双方が安定するまでに要した時間（ｔｚ）は、約１２０分となっており、実施の形態１よりも測定時間の短縮が図れている。

なお、本実施の形態では、サブヒータ２６を運転する第１の期間は、加熱開始から所定時間が経過するまでの期間であるとした。そのため、図１３のグラフに示されるように、サブヒータ２６の加熱により、基準板２１の表面側温度Ｔｉが安定温度ＴＳｉよりも高くなる場合がある。このような場合、サブヒータ２６を停止後の第２の期間において、基準板２１の表面側温度Ｔｉが安定温度ＴＳｉまで徐々に下がるのを待つ必要がある。そのため、基準板２１の表面側温度Ｔｉが安定温度ＴＳｉを超えないようにサブヒータ２６を運転することにより、さらなる時間短縮が見込める可能性がある。

そこで、変形例として、サブヒータ２６を運転する第１の期間を、次のように定めてもよい。

（変形例について）
本実施の形態の変形例では、図１２に示した加熱処理に代えて、図１４に示す加熱処理が行われる。図１４は、本実施の形態の変形例に係る加熱処理を示すフローチャートである。

図１４を参照して、はじめに、加熱制御部３７Ａは、メインヒータ２２の加熱を開始するとともに、サブヒータ２６を一定出力とする（ステップＳ４２，Ｓ４４）。ここで、加熱制御部３７Ａは、基準板２１の裏面側温度Ｔｈが一定となるように、メインヒータ２２の一定温度制御を行ってもよい。一定温度制御は、たとえば、温度センサ２４の検知温度が一定温度となるように、メインヒータ２２のＯＮ／ＯＦＦが繰り返されることにより実現される。その後、計測処理部４１は、基準板２１の表面側温度Ｔｉが閾値以上となったか否かを判断する（ステップＳ４６）。

ここでの閾値は、たとえば次のようにして計算可能である。すなわち、基準板２１の裏面側温度Ｔｈを一定とし、対象物８０が最低の断熱性能であると仮定した場合における、基準板２１の表面側温度Ｔｉの安定温度を閾値として推定する。床下温度（Ｔｏ）も一定とみなせるため、閾値の推定は１次元の計算で行うことができる。このような計算が測定開始前に制御部３１により行われてもよいし、このような計算に基づく閾値が操作部３３を介して事前に入力されていてもよい。あるいは、対象物８０の種類（外壁、フローリング床、木床など）に応じた閾値が、予め記憶部３２に記憶されており、測定開始前に操作部３３を介して対象物８０の種類を選択することにより、閾値が決定されてもよい。

基準板２１の表面側温度Ｔｉが閾値以上となったと判断した場合（ステップＳ４６にてＹＥＳ）、加熱制御部３７Ａはサブヒータ２６の運転を停止する（ステップＳ４８）。つまり、本変形例における第１の期間は、加熱開始から基準板２１の表面側温度Ｔｉが閾値に達するまでの期間である。

このような加熱処理を行った場合における、各位置の温度の時間遷移の典型例が図１５のグラフに示されている。図１５に示されるように、メインヒータ２２の一定温度制御により、基準板２１の裏面側温度Ｔｈは早い段階（３０分以内）で一定温度（ＴＳｈ）となっている。サブヒータ２６の運転は、加熱開始から、基準板２１の表面側温度Ｔｉが閾値ＴＴｉに達する時点（ｔａ´）までの第１の期間だけ、行われる。閾値ＴＴｉは、基準板２１の表面側温度Ｔｉの安定温度ＴＳｉよりも低いため、第２の期間においては、基準板２１の表面側温度Ｔｉが緩やかに上昇する。この場合、基準板２１の表面側温度Ｔｉは、加熱開始から９０分以内に安定している。

したがって、本実施の形態の変形例によれば、熱貫流率の測定時間を、実施の形態２よりもさらに短縮することが可能となる。

以上説明したように、本発明の各実施の形態によれば、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、各実施の形態で示した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、上記した各実施の形態では、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４２および結果処理部４３の機能が含まれていることとした。しかしながら、推定部４２および結果処理部４３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）の機能が含まれていればよい。計測処理部４１によって計測された、熱貫流率の推定に必要な、基準板２１の表裏温度（安定温度）および対象物８０の屋外側温度のデータは、たとえば、制御装置に対して着脱可能に設けられた記録媒体に記録される。記録媒体に記録されたこれらの温度データは、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。また、対象物８０の屋外側温度は含まなくてもよい。

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 推定部、４３ 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 (10)

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た第１および第２の温度センサと、
   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が安定したか否かを判断する判断手段と、
   前記判断手段により安定したと判断されたときの前記板状部材の表面側温度および裏面側温度と、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、
   前記面部材の加熱開始から特定時までの期間を第１の期間とし、前記特定時から前記判断手段により安定したと判断されるまでの期間を第２の期間とした場合、前記第１の期間における前記面部材の加熱強度が、前記第２の期間における前記面部材の加熱強度よりも大きくなるように、前記発熱部材の出力を制御する加熱制御手段とを備える、熱貫流率推定システム。
2. 前記加熱制御手段は、前記第１の期間における前記ヒータの出力を、前記第２の期間における前記ヒータの出力よりも高出力とする、請求項１に記載の熱貫流率推定システム。
3. 前記発熱部材は、前記板状部材の表面側に位置し、前記面部材に直接的に熱を伝えるためのサブヒータをさらに含み、
   前記加熱制御手段は、前記第１の期間に前記ヒータおよび前記サブヒータの双方を運転し、前記第２の期間に前記ヒータのみを運転する、請求項１に記載の熱貫流率推定システム。
4. 前記加熱制御手段は、前記第１の期間のうちの全てまたは初期において、前記ヒータの出力を他の期間よりも高出力とする、請求項３に記載の熱貫流率推定システム。
5. 前記第１の期間は、加熱開始から設定時間が経過するまでの期間である、請求項１〜４のいずれかに記載の熱貫流率推定システム。
6. 前記第１の期間は、加熱開始から前記板状部材の表面側温度が閾値に達するまでの期間である、請求項１〜４のいずれかに記載の熱貫流率推定システム。
7. 前記ヒータの屋内側に設けられ、熱の逆流を防止するための断熱部材をさらに備える、請求項１〜６のいずれかに記載の熱貫流率推定システム。
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た第１および第２の温度センサと、
   前記面部材の加熱開始から特定時までの期間を第１の期間とし、前記特定時から前記板状部材の表面側温度および裏面側温度が安定するまでの期間を第２の期間とした場合、前記第１の期間における前記面部材の加熱強度が、前記第２の期間における前記面部材の加熱強度よりも大きくなるように、前記発熱部材の出力を制御する加熱制御手段と、
   少なくとも、安定したときの前記板状部材の表面側温度および裏面側温度を記憶する記憶手段とを備える、熱貫流率試験装置。
9. 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が安定したか否かを判断するステップと、
   安定したと判断されたときの前記板状部材の表面側温度および裏面側温度と、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、
   前記面部材の加熱開始から特定時までの期間を第１の期間とし、前記特定時から安定したと判断されるまでの期間を第２の期間とした場合、前記第１の期間における前記面部材の加熱強度が、前記第２の期間における前記面部材の加熱強度よりも大きくなるように、前記発熱部材の出力を制御するステップとを備える、熱貫流率推定方法。
10. 請求項９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。

Images