熱伝導・熱伝達・放射とは？建物の壁を通る熱の伝わり方と熱貫流率の計算

意匠設計から設備の世界に入ったとき、最初に向き合うことになったのが熱の伝わり方の原則でした。空調設備の設計では、建物に出入りする熱の量を正確に把握する必要がありますが、その根底にあるのが「熱伝導・対流（熱伝達）・放射」という3つの伝熱メカニズムです。

この記事では、3つの熱移動の仕組みを整理したうえで、建築設計で欠かせない熱伝導率・熱伝達率・熱貫流率（U値）の違いと計算方法を解説します。さらに、これらの知識がどのように空調負荷計算につながるかまでを俯瞰します。

熱が伝わる3つの原則｜熱伝導・対流・放射の違い

熱は、温度が高い方から低い方へ移動します。この移動形態は「熱伝導」「対流」「放射」の3種類です。建物の外壁を通じた室内外の熱のやり取りでは、この3つが複合的に作用しています。

熱伝導とは｜物体の内部を伝わる熱

熱伝導は、物体の内部で高温部から低温部へ熱が移動する現象です。分子の運動エネルギーが隣接する分子へ次々と伝わることで起こります。

熱いコーヒーに金属スプーンを入れると柄まで熱くなるのが熱伝導です。建築では、コンクリート外壁の外側から内側へ熱が伝わるのがこれにあたります。物質そのものは移動せず、エネルギーだけが伝わる点が特徴です。

対流（熱伝達）とは｜空気や水の流れが運ぶ熱

対流は、空気や水などの流体が温度差で循環して熱を運ぶ現象です。温度差による密度変化で自然に起こる「自然対流」と、ファンやポンプで強制的に起こす「強制対流」があります。エアコンは強制対流を利用した代表的な空調機器です。

建築の伝熱では、壁の表面と空気との間の熱の受け渡しを「熱伝達」と呼びます。この熱伝達には対流による成分（対流熱伝達）と放射による成分（放射熱伝達）の両方が含まれます。空調負荷計算で使う「表面熱伝達率」は、この両方を合算した値です。意匠設計でU値の計算に触れるとき、この点を知っていると式の意味が見えやすくなります。

放射（熱放射）とは｜電磁波で伝わる熱

放射は、物体から電磁波（主に赤外線）の形でエネルギーが放出され、離れた物体がそれを吸収して熱に変わる現象です。最大の特徴は、媒体（空気や物質）を必要としないこと。太陽の熱が真空の宇宙空間を越えて地球に届くのは放射によるものです。

放射エネルギーは物体の絶対温度の4乗に比例します（シュテファン・ボルツマンの法則）。高温域で影響が大きくなりますが、室内環境でも壁・天井・床の表面間で放射は常に生じています。放射冷暖房はこの原理を活用した空調方式です。

▼ 3つの伝熱形態のまとめ

熱伝導率・熱伝達率・熱貫流率の違いと関係

3つの伝熱を定量的に扱うために、建築設備設計ではいくつかの物性値を使います。名前が似ているため混同しやすいこれらの違いを、「壁のどこの話をしているか」で整理します。

熱伝導率（λ）｜材料そのものの断熱性能

熱伝導率（λ〔ラムダ〕、単位：W/(m·K)）は、材料が持つ「熱の伝わりやすさ」を示す物性値です。値が小さいほど断熱性が高い材料です。

金属のように密度の大きい材料は熱伝導率が高く、空気を多く含む軽い材料は低くなります。断熱材は微細な気泡に大量の空気を閉じ込めることで熱伝導を抑えています。

▼ 代表的な建築材料の熱伝導率

※ 省エネ基準（建築研究所技術情報）に基づく計算用数値。メーカー製品により異なる場合がある。

コンクリートの熱伝導率1.6に対し、グラスウールは0.045。コンクリートは断熱材の約35倍も熱を通しやすく、厚さ200mmのコンクリート壁でもグラスウール約6mm分の断熱性能しかありません。意匠設計で外壁の断面構成を考えるとき、コンクリートの断熱性はほぼゼロだという前提に立つと、断熱材の位置と厚みがいかに重要かが見えてきます。

熱伝達率（α）｜壁表面と空気の間の熱移動

熱伝達率（α〔アルファ〕、単位：W/(m²·K)）は、壁の表面とそこに接する空気との間で移動する熱量を示す値です。

熱伝導率が材料固有の物性値であるのに対し、熱伝達率は風速や表面の粗さなどの条件で変わる係数です。屋外は風があるため室内側より大きく、一般的な外壁では室外側が約23、室内側が約9 W/(m²·K)程度が設計用の目安です。室外側が大きいのは風による強制対流の効果です。

熱抵抗（R値）｜厚みを考慮した熱の伝わりにくさ

熱抵抗（R、単位：m²·K/W）は、材料の熱伝導率に厚みを掛け合わせた「その層の断熱性能」です。

R = d / λ　（d：厚さ〔m〕、λ：熱伝導率）

同じ材料でも厚くすれば熱抵抗は大きくなります。たとえばグラスウール（λ=0.045）を50mm入れるとR=1.11、100mmに増やすとR=2.22。厚みを倍にすれば断熱性も倍になります。

熱貫流率（U値）｜壁全体の断熱性能

熱貫流率（U、単位：W/(m²·K)）は、壁全体の熱の伝わりやすさを総合した値です。値が小さいほど断熱性能が高くなります。旧来は「K値」と呼ばれていましたが、2009年の改正省エネ法以降、国際的な記号「U」に統一されています。

建物の壁を通る熱の移動「熱貫流」の仕組みと計算

熱貫流の3ステップ

壁を通る熱は3段階で移動します。

1. 室外の空気 → 外壁表面（熱伝達）
2. 壁体の内部を通過（熱伝導）
3. 内壁表面 → 室内の空気（熱伝達）

この全過程が「熱貫流」であり、その伝わりやすさを数値化したものがU値です。

多層壁の熱貫流率（U値）の計算方法

多層壁のU値は、各層の熱抵抗を直列に合計し、その逆数を取って求めます。電気回路の直列抵抗と同じ考え方です。

U = 1 / (1/αo + d₁/λ₁ + d₂/λ₂ + … + dₙ/λₙ + 1/αi)

計算例：RC造外壁のU値

U = 1 / 1.354 ≒ 0.74 W/(m²·K)

注目すべきは、全体の熱抵抗1.354のうち、断熱材（ウレタン25mm）が1.042で約77%を占めていること。150mmのコンクリートはわずか7%です。壁の断熱性能は事実上、断熱材の種類と厚さでほぼ決まります。

なお、ここではRC造の基本的な計算を示しましたが、実際のS造やRC造では熱橋（ヒートブリッジ）の影響を考慮する必要があります。S造では鋼材が断熱材を貫通するため「補正熱貫流率」を加算し、RC造では柱型・梁型の「線熱貫流率」を別途評価します。木造では柱・間柱と断熱材の面積比率で加重平均する「面積比率法」を使います。

窓ガラスを通る熱の移動｜温度差と日射の2つのルート

温度差による熱貫流

単板ガラスのU値は約6.0 W/(m²·K)で、先ほどの断熱材入り外壁（0.74）の約8倍。窓は壁に比べて圧倒的に熱が逃げやすい部位です。複層ガラスで約3.0、Low-E複層ガラスで2.0以下まで改善できます。

意匠設計で窓の大きさや配置を決めるとき、窓面積が増えるほど空調負荷が大きくなるという関係を知っておくと、設備設計者との打合せで共通言語が生まれます。

日射透過による熱取得

温度差とは無関係に、太陽の直射日光がガラスを透過して室内に入る熱です。夏の冷房負荷を大きく左右します。日射遮蔽の指標として、現行の省エネ基準では「日射熱取得率（η値）」が使われています。Low-Eガラス、ブラインド、庇はいずれも冷房負荷を抑える有効な手段です。

Low-Eガラスには「断熱型」と「遮熱型」があり、南面は日射取得を活かして断熱型、西面は日射遮蔽を優先して遮熱型、というのが方位別使い分けの定石です。窓ガラスの熱負荷計算の詳細は別記事「ガラス窓からの熱負荷（日射・貫流）」でも解説しています。

熱移動の知識が空調負荷計算につながる理由

壁体からの熱負荷（構造体負荷）は「熱貫流率 × 面積 × 温度差（実効温度差）」で求めます。これにガラス面負荷、室内発生熱、外気負荷などを合算して空調機器の容量を決定します。本記事で解説した熱貫流率の概念は、空調負荷計算の出発点です。

空調負荷の全体像については別記事「空調負荷の分類（冷房負荷・暖房負荷）」で体系的に解説しています。

建築設備士試験で押さえるべきポイント

定義の区別：熱伝導（物体内部）/ 熱伝達（壁表面と空気の間、対流＋放射を含む）/ 熱貫流（全過程を総合）/ 放射（電磁波、媒体不要）

数値の大小関係：熱伝導率は金属＞コンクリート＞木材＞断熱材。表面熱伝達率は室外側＞室内側。U値が大きい＝断熱性能が低い

頻出の引っかけ：

• 「壁を2倍厚くすると熱貫流量は半分」→ 誤り。熱伝導量は厚さに反比例するが、熱貫流量は表面の熱伝達抵抗も含むため単純に半分にならない
• 「断熱材が吸湿すると断熱性向上」→ 誤り。水の熱伝導率（0.61）は空気（0.024）の約25倍。吸湿で性能は低下する
• 「放射による熱移動量は温度差に比例」→ 誤り。絶対温度の4乗の差に比例する

よくある質問（FAQ）

熱伝導率と熱貫流率の違いは？

熱伝導率は「材料そのもの」の性質で厚みに関係なく決まります。熱貫流率は「壁全体（表面の空気層も含む）」の性能で、材料・厚み・層構成で変わります。

U値とK値の違いは？

同じものです。2009年の改正省エネ法で記号が「K」から国際標準の「U」に変更されました。

壁の断熱性能を上げるには？

熱伝導率が小さい断熱材を使い、厚さを増やすのが基本です。断熱材の種類や選定は別記事「建物の断熱性と熱容量」で解説しています。

なぜ窓は壁より断熱性が低い？

単板ガラスのU値は約6.0で、断熱材入り外壁の数倍〜10倍。ガラスの熱伝導率が高く厚みも薄いうえ、日射透過もあるためです。複層ガラスやLow-Eガラスの採用が重要です。

※ 本記事は2025年時点の省エネ基準に基づきます。設計実務では最新の基準・告示を確認してください。

本記事の内容をさらに深めた有料noteマガジン「空調設計の基礎理論と空気線図【完全版】」を準備中です。以下のようなテーマも扱っています。

• 建物の断熱性と熱容量：ペリメータ/インテリアゾーンの分け方と断熱設計が空調負荷に与える影響
• 空調負荷計算の実務：構造体負荷・ガラス面負荷・内部発熱の具体的な計算手順と数値例
• 空調方式の選定：オフィス・ホテル・病院など用途別の最適な空調システムの選び方