建築物環境衛生管理技術者(ビル管理士) 過去問
第54回(令和6年度(2024年))
問47 (空気環境の調整 問2)

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問題

建築物環境衛生管理技術者(ビル管理士)試験 第54回(令和6年度(2024年)) 問47(空気環境の調整 問2) (訂正依頼・報告はこちら)

一辺が3mの正方形の壁材料を組み合わせて天井を含む立方体の室を作り、日射が当たらない条件で床面を地表面に固定した。
隙間換気は無視できるとし、外気温度が-4°Cの条件下で内部を1,350Wの発熱により加熱したところ、十分に時間が経過した後の室温度が20°Cになった。なお、床面は完全に断熱されており、床を通しての熱貫流はない。このとき、壁の熱貫流率として、最も適当なものは次のうちどれか。
問題文の画像
  • 1.05W/(m2・K)
  • 1.25W/(m2・K)
  • 1.50W/(m2・K)
  • 1.60W/(m2・K)
  • 2.10W/(m2・K)

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この過去問の解説 (3件)

01

正解は、「1.25W/(m2・K)」です。

この問題は、立方体の部屋における定常状態の熱収支を用いて、壁の熱貫流率(U値)を求めるものです。

熱貫流率は、住宅の省エネ性能や外皮性能を評価するために、欠かせない要素となっているため、確実に計算できるようにしておきましょう。

また熱伝導率(W/m・K)と混同しないようにして下さい。

 

1 問題の要点を整理しましょう。

 

室内温度:20°C

外気温度:−4°C

発熱量:1,350W

壁面:立方体(床を除く5面)

部屋の形状:立方体で一辺3m。 壁1面あたり面積=3×3=9m²

熱の出入りは壁・天井(5面)からのみ。床面は断熱されている。日射はなし

 

2 計算しましょう。

 

手順1 壁と天井の合計面積

部屋の形状は立方体なので、面は6つ(床・天井・4壁)です。床は断熱なので除外すると 熱交換面は5面(天井+4壁)となり、

合計面積は9m² → 5 × 9 = 45m²となります

 

手順2 温度差(室温-外気温)

2温度差は温度差(室温−外気温):

20°C − (−4°C) = 24Kとなります。

 

手順3 熱還流率の式(Q = U × A × ΔT)に代入

Q = 1,350W、A = 45m²、ΔT = 24Kなので、

U = 1,350 ÷ (45 × 24) = 1,350 ÷ 1,080 = 1.25(W/m²・K)

となります。

選択肢1. 1.05W/(m2・K)

誤りです。

選択肢2. 1.25W/(m2・K)

正しいです。

選択肢3. 1.50W/(m2・K)

誤りです。

選択肢4. 1.60W/(m2・K)

誤りです。

選択肢5. 2.10W/(m2・K)

誤りです。

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02

一辺が3mの立方体からなる室内に熱貫流率を求める問題です。

床面が地面と固定されていて、完全に密封状態としています。

一面が9m2で床面を除く5面の熱貫流率を求めます。

9×5=45m2になり、温度差24Kであることが問題文から分かります。

1350W/45×24=1.25W/(m2・K)となります。

 

選択肢1. 1.05W/(m2・K)

誤:計算結果と異なります。

選択肢2. 1.25W/(m2・K)

正:計算結果と合致します。

選択肢3. 1.50W/(m2・K)

誤:計算結果と異なります。

選択肢4. 1.60W/(m2・K)

誤:計算結果と異なります。

選択肢5. 2.10W/(m2・K)

誤:計算結果と異なります。

まとめ

密封状態の室内の熱貫流率を求める問題でした。

床面は地面に固定されていますので、熱移動がないとみます。

そこで残りの5面での熱貫流率がどのくらいになるかを問う問題でした。

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03

この問題では、定常状態における室内の発熱量と、壁・天井から外部へ逃げる熱量との熱収支を利用して熱貫流率を求めます。熱貫流による熱損失は、熱量=熱貫流率×面積×内外温度差で表されます。立方体の一辺は3mなので1面の面積は9m2です。床は完全に断熱されているため、熱が通過するのは4面の壁と天井の合計45m2です。内外温度差は20-(-4)=24Kとなり、1,350÷(45×24)=1.25W/(m2・K)と求められます。

選択肢1. 1.05W/(m2・K)

不適切です。この値を熱貫流率として使用すると、熱が外部へ逃げる量は、1.05×45×24=1,134Wとなります。問題では室内で1,350Wの熱を発生させ、十分な時間が経過した後に室温が20°Cで安定しています。このような定常状態では、室内で発生する熱量と外部へ失われる熱量が等しくなければなりません。1,134Wでは発熱量より熱損失量が小さく、室温が20°Cで安定する条件を満たさないため、この値は適当ではありません。

選択肢2. 1.25W/(m2・K)

適切です。立方体は本来6面ありますが、床は完全に断熱されているため、熱が外部へ逃げるのは天井と4面の壁だけです。一辺が3mなので1面は3×3=9m2となり、合計面積は9×5=45m2です。また、室温20°Cと外気温度-4°Cの温度差は24Kです。定常状態では発熱量1,350Wと熱損失量が一致するため、熱貫流率は1,350÷(45×24)=1.25W/(m2・K)となります。したがって、与えられた条件と一致する値です。

選択肢3. 1.50W/(m2・K)

不適切です。この値を用いて熱損失量を計算すると、1.50×45×24=1,620Wとなります。室内で発生している熱量は1,350Wなので、この値では外部へ逃げる熱量の方が270W大きくなってしまいます。問題文の「十分に時間が経過した後」という条件は、室温が変化しなくなった定常状態を示しています。この状態では発熱量と熱損失量がつり合っている必要があります。1,620Wの熱損失では20°Cを維持できないため、熱貫流率としては大きすぎる値です。

選択肢4. 1.60W/(m2・K)

不適切です。熱貫流率が1.60W/(m2・K)であると仮定すると、壁と天井から失われる熱量は1.60×45×24=1,728Wになります。これは室内の発熱量1,350Wを378W上回っています。熱貫流率は、単位面積・単位温度差当たりにどれだけ熱が通過するかを示す値なので、この値が大きいほど外部へ逃げる熱も多くなります。室温が20°Cで安定しているという条件では発熱量と熱損失量が一致する必要があり、この値では熱が逃げすぎることになります。

選択肢5. 2.10W/(m2・K)

不適切です。この値の場合、熱損失量は2.10×45×24=2,268Wとなります。これは室内で発生している1,350Wより918Wも大きい熱量です。この条件では、1,350Wの発熱だけで室温20°Cを維持することはできません。この問題では、隙間換気や床からの熱損失を考えないため、発生した1,350Wの熱はすべて4面の壁と天井を通じて外部へ失われると考えます。その熱収支から求められる値より大幅に大きいため、適当ではありません。

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