「結露」を防ぐには？対策はあるの？例題で考えよう！理科教員資格ありのライターがわかりやすく解説

ライター／R175

とある国立大の理系出身。理科の教員免許持ち。共通テストでも重視される「日常の身近な現象との関連性」を重視した解説を強みとする。

1.結露とその弊害

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結露は外気などによって冷えたグラスや窓ガラス・サッシに室内の暖かい空気が当たった時に出来ます。放置すると、窓付近がジメジメと湿度の高い状態に。すると湿度の高い場所を好むカビやダニが繁殖してアレルギー反応が出やすく、住居の環境が原因で起きる「シックハウス症候群」の原因になります。

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2.結露が出来るメカニズム

結露はどうやって出来るのか？どこから水滴が登場するのか？それは空気中の水蒸気です。

2-1原因は水蒸気

水が沸騰するのは100℃ですが、100℃に到達していなくても水は少しずつ蒸発しますよね？蒸発したら気体の水、水蒸気となります。

水が気体の状態で存在できる割合は温度と圧力で決まっているもの。温度が高く圧力が低いほど気体になれる量が多く、温度が低く圧力が高いほど気体になれる量が少ないもの。

水分子は気体になろうとするのですが、周りの圧力によってそれが封じ込められるようなイメージです。温度が高いほど、水分子の運動が激しいため圧力に打ち勝って気体になりやすいわけで、液体の水が水蒸気になろうとする圧力を蒸気圧と言います。

2-2水はなぜ100℃で沸騰する？

水を100℃まで加熱すると、すべての水が気体になろうとします。これが沸騰という現象ですがこれも蒸発と似たメカニズムで起こるもの。大気圧下1013hPaにて、液体の水の温度を上げていくことを考えます。温度を上げるほど水分子の熱運動が激しくなり蒸気圧が上がっていく。100℃未満の時は液体の水が気体になろうとする力(蒸気圧)より、空気がそれを封じ込める力(大気圧)の方が大きいので液体のままです。一部の水分子は蒸発し水蒸気として存在できますが、水蒸気として存在出来る量には限りがあります。

しかし、やがて水の温度が100℃に到達すると蒸気圧が大気圧に追い付いてしまう、つまり水が気体になろうとする力が空気が水を封じ込める力に追いついてしまい、全ての液体の水が順次気体になってしまう。これが100℃で沸騰する理由です。

2-3結露の発生原因

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前述の通り、圧力が同じ(大気圧)であれば温度が高くなるほど気体として存在できる水の量が増えます。温度によって、水蒸気存在出来る最大量が決まっていてこれが飽和水蒸気量です。湿度とは飽和水蒸気量に対して何%の水蒸気が存在しているかを示すもの。水蒸気が全く存在していなければ湿度0%、飽和水蒸気量の半分なら湿度50%といった具合で、同じ水蒸気量であっても気温が変われば湿度も変わり、気温が低いほど分母の飽和水蒸気量が小さくなるため湿度は高くなるのです。

20℃の時の飽和水蒸気量は17.2g/m3、5℃の時の飽和水蒸気量は6.8g/m3ですが、仮に空気中の水蒸気量が6g/m3として、気温20℃では湿度は6/÷17.2=35%ですが5℃になると88%に上がります。

2-4湿度100%を超えたら結露

温度の高い空気にたくさんの水蒸気を含ませて、冷やすとどうなるか？冷えてしまうと、気体として存在出来る水の量が少なくなる。すると飽和水蒸気量より多い分はあふれてしまい、水蒸気として存在出来ずに液体の水として現れ、これが結露の正体です。

冬場窓ガラスは外の空気に触れているため冷たい。部屋の中の空気は暖かく、水蒸気がたくさん存在します。その暖かい空気が冷たい窓ガラスで冷やされると余った分の水蒸気が出てきて窓ガラスに付着するわけです。

3.除湿による結露対策

結露は放置すると建材を傷めたり、カビやダニの発生原因となり対策が必要です。そもそも、水蒸気量が少なければ空気が冷やされても飽和水蒸気量から溢れることなく、よって結露も発生しません。では、どこまで除湿をすればいいのでしょうか？ここからは例題でみていきましょう。

例題1

今、室温が20℃、湿度が60％としましょう。除湿機を使って湿度を下げ、結露が発生しないようにしたい。外気温が5℃の時、湿度を何％以下にすればよいか。ただし、窓ガラス及び窓ガラス近辺の空気は外気温と同じ5℃まで冷やされるものとします。20℃、5℃の飽和水蒸気量はそれぞれ17.2g/m3、6.8g/m3を用いましょう。

例題1の解説

題意より、空気が5℃に冷やされても湿度が100%を超えない水蒸気量にすればよいわけです。5℃における飽和水蒸気量は6.8g/m3で、これより少ない水蒸気量にすればokですね。20℃の時の飽和水蒸気量は17.2g/m3なので、湿度は6.8÷17.2=40％以下にすれば結露を出さずに済みます。

4.断熱カーテンによる結露対策法

暖かい空気が突然冷やされるから、水蒸気として存在できなくなった分が水滴として現れるから結露になる。ということで、暖かい空気と窓ガラスを直接当てなければ結露の対策になります。窓ガラスと室内をカーテンで仕切って断熱し窓ガラス近辺の空気は冷たいままにしてみましょう。

例題2

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室温を20℃、屋外温度および窓ガラスを0℃とし、カーテンと窓ガラス間と室内空気はともに湿度60%とした時、結露を発生させないためにはカーテンと窓ガラス間の空間は何度以下にすれば良いでしょうか。ただし、20℃における飽和水蒸気量は17.2g/m3、0℃では4.9g/m3とし、温度と飽和水蒸気量の関係は以下のグラフから読み取るものとします。

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例題2の解説

0℃における飽和水蒸気量は4.9g/m3であり、この水蒸気量で湿度が60%になるときの温度が窓ガラスとカーテンの空間の温度です。グラフより約℃と求まりますね。

例題3

熱伝導率λ、厚さをdの物体の両側の温度差がΔTの時の熱流速(面積当たりの熱通過量、単位はW/m2)は以下のように表されます。

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カーテンで断熱しているとは言え、窓ガラス側と室内で温度差があるため多少は熱の伝達があります。カーテンの熱伝導率をλ=0.1W/mK、厚さd=5mmとした時、カーテンの単位面積辺りの熱の通過量（熱流束q）は何Wでしょうか.。

例題3の解説

カーテンの内外で温度差12℃であるため、上式にλ = 0.1 w/mK , d = 0.005 , ΔT = 12 を代入すると熱流束q = 240 W / m2と求まります。

例題4

カーテンの外側を問1の温度にし、カーテンに問2の熱の通過量があっても、窓ガラスとカーテンの間の気温にはほとんど影響せず結露は発生しないことが分かりました。しかし、カーテンの内外で温度差が大きくなると影響があるかもしれません。ここで熱流速qを問2の値以下にすれば、カーテンと窓ガラスの間の温度が上昇することなく結露が発生しないとしましょう。

カーテンの外側の窓ガラスとの間の空間温度が0℃で室温が24℃の時、カーテンの厚さを何mm以上にする必要があるでしょうか。熱伝導の式から求めましょう。