レビュー論文
建物外壁の内面用途向けの塩(NaCl)の湿熱性能
Hygrothermal Performance of Salt (NaCl) for Internal Surface Applications
in the Building Envelope
By Vesna Pungercar and Florian Musso
Materials 2022;15:3266 2022.05.02
要約
灰汁および脱塩産業からの副産物としての塩(NaCl)は、建築材料の不足に対する解決策となり、よりエネルギーを消費する材料に取って代わる可能性がある。しかし、塩分は湿気の多い環境では潮解のリスクがある。この研究は、6つの異なる気象条件での建築物の外壁の内部表面用途のための塩の湿熱性能に関する基礎研究を実施した。さらに、塩の性能も同様の用途で石膏の性能と比較された。シミュレーション・モデルとその場での測定を適用して、熱被覆、屋内環境、およびエネルギー消費への塩の混入による湿熱の影響を調査した。我々の研究では、塩は非常に高温乾燥の気候では暖房、換気、空調なしで最高の湿熱応答を提供し、非常に高温多湿の気候では最悪の湿度応答を提供することが明らかになった。エネルギー効率の高い熱被覆と空調を備えた塩は温暖、大陸、亜極地の気候での屋内用途にも使用できる。石膏と比較して塩は熱伝導率と耐湿性が高いため、エネルギー需要(加熱、冷却、除湿)がわずかに高くなる。この研究は塩の湿熱性能に関する知識のギャップを埋め、その利用の可能性を示している。
１．はじめに
新築または改装された建物は、エネルギー効率が高く、快適な室内環境を提供し、耐湿性があることが期待されている。新しい要件により、建物の気密性と建物の外壁の断熱性が向上し、建物のエネルギー効率が向上する一方で、建物内の水分含有量は増加している。建物の外壁の湿気が多すぎたり、室内の空気の相対湿度が高すぎたりすると、カビの生長、材料の劣化、および不適切な室内の部屋の状態に理想的な状態になる。エネルギー効率の高い建物の外壁、制御された空調システム、居住者の行動の改善、革新的な建物の建設など、湿気の問題に対抗するための様々な異なる戦略がすでに研究と実践で実施されている。
これらの戦略に加えて、材料の選択は、特に現在、世界の人口が増加し、建築材料の需要が増加しているときに、非常に興味深い分野である。したがって、より良い生活条件に貢献できる、希少で高価な、またはエネルギーを消費する材料を置き換えることができる新しい建築材料を特定することが不可欠である。
それらの潜在的な材料の1つは塩(NaCl)であり、これは年間最大30億m3のジャガイモおよび脱塩産業からの副産物である。通常、塩の廃棄物は環境に直接排出され、そこで悪影響(塩濃度の変化、温度上昇、生物多様性の喪失)を引き起こす。しかし、塩は資源効率を高めるための建築材料としての利点がある。また、抗菌性と不燃性であり、臭いがなく、湿気と熱を蓄えることができる。健康の面では、ヨーロッパ中の塩の洞窟と塩の部屋は、人間の肺のガン細胞、うつ病、呼吸器、および皮膚関連の病気にプラスの影響を与えることが示されている。塩は過去に建築材料としてすでに使用されている。当初、建物は知覚の塩分が豊富な湖から切り取られた固い塩のブロックで建てられた。ローマ人は､例えば、海水、火山灰、石灰を混ぜて丈夫なコンクリートを作るなど、建設における塩の使用を多様化した。過去60年間で､塩は圧力下での塩の圧縮、塩による3D印刷、新製品(日除けシステムまたは塩板)への自然結晶化の使用などの技術開発を含む新しい革新のラウンドに入った。近年、ヒマラヤ産の塩ブロックは、塩含有量が高く(最大98.30％)、作業性、固定システムが簡単、半透明であるため、建設業界で注目を集め始めており、世界的にすでにいくつかのレストランやスパで使用されている。しかし、より一般的な建築材料と対照的に、非常に高温乾燥した気候や制御された屋内条件でない限り、塩は注意して使用する必要がある。塩の使用における制限は、水および高い相対湿度(75.0％以上)での塩結晶の溶解性、鋼に対するその腐食作用、およびレンガに対するその不利益な潮解作用に起因する。
塩は様々な材料や部品に組み込むことができ、建設分野での塩の使用に関する限られた研究がすでに行われている。ほとんどの研究は、カルシフ石(塩と粘土)や塩コンクリート(塩とコンクリート)などの塩混合物の機械的または湿熱特性の研究に専念してきた。カルシフ石は、エジプトのシワオアシスで今でも見られる素材である。近くの塩海から塩片を集め、塩粘土モルタルでつなぎ、非常に乾燥した気象条件で長年にわたって石に成形することで設計された。Makhloufと彼のチームは、このカルシフ石(最大95.0％の)塩で構成され、粘土と砂が豊富な塩ブロック)の湿熱特性を調べ、砂岩と石灰石と比較した。彼等はカルシフ石が砂岩や石灰石よりも水分をよく緩衝できることを発見した。Gesellschaft zum Bau und Betrieb von Endlagernfür Abfallstoffe mbHはドイツのモルスレーベンで放射性廃棄物を安全に処分するための塩コンクリート混合物(54.0％の塩および46.0％のコンクリート)の機械的および熱的材料特性を定義した。塩コンクリートの比熱容量と熱伝導率はコンクリートと塩岩の値の範囲内であった。しかし、一般的に使用されているコンクリートと比較して、多孔性は高く、透過性と圧縮強度は低くなっている。同様の研究プロジェクトでCzaikowskiと彼のチームによって行われ、飽和食塩溶液と接触した塩コンクリートの化学的-水力学的挙動を調査した。ドイツで核廃棄物を処分するための閉鎖システムに関する彼等の実験的研究は、DBEによって定義されたものと多かれ少なかれ同一の材料特性をもたらした。
建築材料としての塩に関する科学的研究はほとんどなく、通常、これらは塩の材料特性のみに焦点を当てている。熱外壁内部への塩の適用と湿熱特性はまだ調査されていない。建物の外壁に内部仕上げとして塩を塗布すると、外壁の湿熱性能が変化する可能性のあり、これにより多くの湿熱リスクが発生する可能性がある。壁構造および塩材料の内面の水分含有量の増加は、塩の臨界相対湿度および水分含有量を超える可能性がある。塩に関する文献に見られる重要な湿熱条件は、75.0％を超える相対湿度で0.5％(5 kg/m3)を超える水分含有量を特徴としている。塩の細孔系の水分量(水分)と相対湿度がこれらの臨界値を超えている限り、凝縮が起こり、塩結晶が溶解する。さらに、塩のより高い蒸気拡散抵抗係数(石膏と比較して)は壁構造の温度を下げ、壁の乾燥時間を変える可能性がある。最後に、室内の空気の質(空気の相対湿度と気温)に対する塩の潜在的な影響は、建物の居住者の快適さと健康に影響を与える可能性があるため、調査する必要がある。
２．材料と方法
2.1. 湿熱シミュレーション
2.1.1. 目的
2.1.2. 外部条件－気象パラメーター
2.1.3. 内部条件－屋内パラメーター
2.1.4. 境界条件－外壁
2.2. 実験的測定
2.2.1. 目的
2.2.2. テスト・ルーム
2.2.3. テスト材料
2.2.4. テスト機器
2.2.5. テスト方法
３．結果
3.1. シミュレーションWUFI ®Pro
3.2. シミュレーションWUFI ®Plus－屋内空気の質とエネルギー消費への影響
3.3. 測定
４．考察
4.1. 温度
4.2. 湿度と水分含有量
4.3. 閉鎖空間の空調なしの屋内空気品質への影響
4.4. 閉鎖空間の空調によるエネルギー消費への影響
4.5. 将来研究のための提案
以上の章と節は省略。
５．結論
本論文では、熱外壁の屋内建築成分としての塩の湿熱性能の調査をする。これを6つの異なる典型的な気候帯、建設タイプ、および空調の観点から参照資料(石膏)と比較する。
塩と石膏を比較すると、塩はバルク密度が高く、多孔性が低く、水分含有量が少なく、熱輸送特性が高く、石膏と同じ熱貯蔵容量を持っていることが分る。建物の外壁(WUFI ®Pro)のシミュレーション結果が示すように、塩の材料層は石膏と比較して、最大材料温度が0.05℃低下し、最大材料の相対湿度が0.36％増加する。もう1つの重要な側面は、各気候帯の建物の外壁全体の水分含有量を調べることであった。塩分を含む外壁は、寒冷気候帯では最大13.0％の高い平均含水量を示し、温暖気候帯では低い平均含水量を示すことが分った。熱外壁の水分含有量に対する寒冷またはオン丼気候帯の同じ影響は、Qinら、Liuら、Corradoら、そしてQinらの研究によって合理的に裏付けられる。塩の潮解のリスクが最も高いのは熱帯および地中海気候帯であり、乾燥気候帯で最もリスクが低くなる。
その場での測定に限界があるため、試験試料の屋内および屋外表面付近の温度および相対湿度のみが測定される。シミュレートされた結果は、大陸地域の塩と石膏の現場測定と良く一致していることを示している。どちらの結果も、材料の温度と湿度の値で同じ傾向を示している。しかし、おそらく2019年9月26日から2019年12月18日まで、テストされた材料が中央加熱要素の近くに配置されていたため、屋内表面で測定された温度はわずかに高く、相対湿度はシミュレートされたものよりもわずかに低くなっている。Moujalled らとIllometsらによる以前の研究はまた、その場での測定では、加熱システムによるわずかに異なる結果が示されることも分った。しかし、モデリング方法正しいことが示されているが、将来的には建物の外壁、職業(行動と密度)、エネルギー・システムなどの実際の生活条件に適合させる必要がある。
WUFI ®Plusのエネルギー消費量の年次シミュレーションでは、塩の熱がわずかに増加し、水分輸送が減少していることが示されている。これにより、冷却、加熱、および除湿のエネルギーが増加する。しかし、塩は室内の表面温度、室内の気温のピークを下げる熱輸送の増加という利点があり、さらに、非常に暑い気候帯での室内の快適性を向上させるのに役立つ。塩分での水分輸送の減少は、屋内相対湿度に対する外部環境相対湿度の影響を減らす濃縮尿役立つか、凝縮水と屋内水分の乾燥を防ぐことが出来ることを示している。この結果は建物の外壁内の材料の湿熱性能が研究されている他の研究と相関している。
上記の結果は、内部空間での塩の適用に関するいくつかの推奨事項の基礎を形成することができる。一般的に空調のない建物の場合、塩の潮解のリスクがないため、非常に乾燥した高温の屋外気候環境(乾燥地帯)のみが適しているが、塩は屋内温度／屋内相対湿度と熱外壁と制御された空調を備えた建物の場合、大陸、温帯、および亜極帯地域も考慮される場合がある。
