打ち放しコンクリート建築構造物の長期保護システム(キクスイＳＡ工法等)に遮熱効果・温暖化抑制効果等を付与した環境にやさしい複合工法。 (水の不思議な多機能性について)
打ち放しコンクリート建築は、一般建築仕上げ材に類をみない素朴な表情を醸し出しています。無機質に見えるその表情も、自然なまでに都市空間にとけ込み、その存在を誇示しているようにもみえます。
打ち放しコンクリート建築に限ったことではありませんが、特にむき出しの打ち放コンクリート建築は風雨や太陽熱の影響を直接的に受け、日射温冷と乾湿の繰り返しによって新築時の素朴な表情を時の流れとともに、変貌せざるをえなかった現実がありました。打ち放コンクリート建築の劣化を抑制するするための仕上げ材が各種登場し、紆余曲折を重ねながら、現在の打ち放コンクリート建築構造物の長期保護システム(キクスイＳＡ工法等）に至った変遷があります。
特に、近年は環境問題に対応した多種多様な機能性建築仕上げ材が塗料メーカー各社より製品化・発売され、リフォーム工事などで幅広く採用・使用されるようになってきております。しかし、打ち放コンクリート建築の仕上げ材は長期保護システムの確立が限度であり、環境問題等に対応できる機能をもった建築仕上げ材は、打ち放コンクリート建築の最終仕上げ材がクリヤー(透明)であるため、意匠性が損なわれることが一番の問題点になります。意匠性を損なうことなく機能性を付与できるかどうか?
この問題点を解決しようとする工法が打ち放コンクリート建築構造物の長期保護システム(キクスイＳＡ工法等)に遠赤外線の効果を付与した環境対応型の複合工法です。
<遠赤外線の特徴>
太陽から放射されたエネルギーは、電磁波(光)というかたちで地球を含む惑星、さらに宇宙の果てまで放射されています。その波長は強いエネルギーを持つ短い波長のものから、(紫外線→X線→ガンマー線→宇宙線)、可視光線、さらにマイクロ波、短波・長波等、通信に利用されるものまでとても幅があります。幸い地球は空気という気体に覆われ生態を破壊するような強い刺激性の電磁波は成層圏で反射されたり、空気に吸収されて、地上には僅かしか届きません。地球がガスバリアーで包まれ、保護されていると言われる所存であります。(紫外線の90%は成層圏のオゾン層でカットされます。) 照射量は可視光線部分が多く、遠赤外線・通信線など波長の長いものはだんだんと少なくなって届いています。見える・見えないということは、人間の目が勝手に決めたもので、見えない光の領域のほうが見える波長の領域より遥かに広いものです。
太陽光(電磁波)の中で最も「熱作用」の大きな光(電磁波)の成分が赤外線であり可視光線の赤外線短波長(赤色光)の波長部分の0.74μから不可視光の1000μまでに相当する電磁波を赤外線という。赤外線波長の中で長波部分の3～1000μがが遠赤外線と呼ばれています。遠赤外線も光の一種ですが、見えない光線(電磁波)です。すべての電磁波はエネルギーをも持っており、照射された物体がそのエネルギーを吸収するかどうかで熱が移動します。これが放射による熱移動で、伝導・対流による熱運動に比べて非常に効率がよいのです。
電磁波を吸収する物体も、すべての波長を吸収するのではなく、その分子の種類によってそそれぞれの吸収スペクトル(波長)をもっています。
水分子は、電磁波の3μ～15μの波長で伸縮・変換・回転等の振動運動を行っていますが、この波長域の電磁波を受けるとなお一層その振動が激しくなり、水分子はの共鳴・吸収現象が発生します。電磁波の3μ～1000μの波長が遠赤外線と呼ばれていますが、その波長域の中で水分子の吸収スペクトルは3μ・6μ・1５μ維持以上の波長域の吸収が大半で、その他の波長域では透過・反射されてしまいます。(CO2は15μ・CH4は6.2μ・O3は9.6μ付近の吸収スペクトルにより温室効果ガスになります。)
分子の種類、化合物の構造によって電磁波の吸収スペクトルはそれぞれ異なり、とくちょうをもっています。一般に可視光線の範囲で黒色が最も良く電磁波を吸収し、白色は反射すると言われておりますが、色によって吸収スペクトルが左右されることなく、白色に比べて黒色が表層でエネルギーを受け容れ易い性質であるということだけで、この場合のエネルギーの移動は伝導によるものであり、放射→吸収というエネルギーの移動は表層からではなく、放射の強さに比例して吸収され、さらに内部へと移動されていくエネルギーの移動であります。太陽エネルギーの中に含まれる遠赤外線の量は全体として僅かなものですが、太陽ばかりではなく、すべての物体から遠赤外線は放射されており、その構成原子により波長は様々な特徴をだしています。
原子物理学でいわれるように、あらゆる物質は原子核を持ち、原子核はプラス電荷の陽子と中性子よりなり、原子核の周囲にはマイナス電荷の電子が陽子と同数存在しています。電子は原子核の周りを飛び出したり、戻ったりしながらグルグル周り、とても活発な運動をしています。その活動でできるのが電場であり、宇宙のいたるところに走っている磁場を伝わってエネルギーが伝わっていくと考えられています。電子の運動は電子が動きを止める温度(絶対零度/-273℃)の4乗に比例して強くなります。物質によって電磁波の波長に特徴があるのは、個の陽子の数によって異なります。
アルミナは13個の陽子を持ち、シリカは14個でちょうどこの辺りの電子の動きが水分子を励起させる3μ～15μの波長を持つ遠赤外線を放射する特徴があると考えられています。(超微粒子アルミナ・シリカ系遠赤外線放射セラミックス)
「遠赤外線は電場(電気エネルギー)と磁場振動(磁気エネルギー)互いに直角に交差しながら進行する(電磁波/光の)エネルギーであり、電子エネルギーの状態変化がすべての出発点となります。」
<遠赤外線の作用効果>
ある物質が遠赤外線の放射受けた場合、そのエネルギーを吸収してどのような変化がおこるのであろうか? 比熱の小さい物質(銅や鉄等の金属)は、温度の上昇という現象になりますが、(金属は可視光域から赤外線短波長の吸収率が高く波長が長くなると吸収率が弱まる。)水のように比熱の大きい物質は温度の上昇が遅く、昇温以外に分子の励起活動という形でエネルギーを蓄えます。つまり水のように比熱の大きい物質は温度の上昇が遅く、昇温以外に分子の励起活動という形でエネルギーを蓄えます。つまり水分子(H2O)の水素と酸素の結合角度(104.5度)に変化が起こり、水分子が励起状態となります。NMR半値幅が▲水といっても100℃で沸騰し、0℃で氷結するだけではありません。100℃で沸騰しない水、-30℃でも氷結しない水等、数十種類の水の形態が確認されています。一般的に我々が接している水は、大部分が１００℃で沸騰し、０℃で氷結する言い換えれば自由水(構造化していない水)として利用しているにすぎません。通常、野菜等の細胞に含まれている水(タンパク質と結びついた水・構造水)は、-3℃まで凍らず、肉などの動物性タンパク質に含まれている水(タンパク質と結びついた水・構造水)は-10℃まで凍りません。0℃付近で凍るのは細胞の中の構造水が、細胞が壊れると自由水として放出されるので、それが凍ってしまう訳なのです。冷蔵庫の適正保存温度は、植物と動物のタンパク質の性質に違いがあるために、保存スペースが分けられるようになったのはこういう理由からです。
遠赤外線の放射により、水分子を励起させれば、自由水が細胞に強く結びつき、細胞の分解を遅らせることになります。つまり、カビ及び腐敗菌は自由水のみに繁殖し、励起された水分子が細胞と強く結びついた構造水になれば、腐敗の進行は抑制されます。これが鮮度保持効果であります。この効果は冷凍室での霜の付着状態が著しく少なくなることからも確認できることです。
遠赤外線は生育光線とも呼ばれています。(抗菌・防カビ・防臭・低分子ガス(CO2等)分解、植物等の生育効果等、生活環境の改善にも役立ちます。
<その他の作用・効果>
遠赤外線放射材料を、もっとマクロな観点からみると、熱を電磁波に変換する一種の「エネルギー交換材料」とみなすことができます。
A材料を何らかの方法によって、B材料よりも高い温度まで加熱したとすると、A材料からは周囲に向けて放射される電磁波の「エネルギー発散度」が増大し、その一部がB材料の表面にも到達いたします。もしB材料が、この電磁波を吸収しやすい物体の時には、直ちにこの電磁波を吸収し、その吸収部は、吸収前より高いエネルギーに励起された状態となります。この時、放射・吸収される電磁波が、赤外線の波長域に相当するものであれば、吸収した物体側では温度が上昇するので、結局は、最初A材料に供給された熱が電磁波として周囲に放射され、離れた位置で、この電磁波吸収この電磁波を吸収したB材料に熱の一部が移ったことになります。
したがって、A材料とB材料の温度や位置関係、両者の「遠赤外線放射・吸収特性」を適当に選択することにより、空間を隔てた物体内で、効率の良い熱伝導を実現することが可能となります。
太陽から放射されたエネルギー(太陽放射)を吸収し温められ蓄熱した打ち放コンクリート建築構造物の熱エネルギーを吸収し、遠赤外線放エネルギーに変換して、コンクリートの蓄熱を抑えることができるのではないか? (考えの出発点であります。)
大気に向けて放射された遠赤外線エネルギー(赤外線長波長) を大気中の水蒸気が吸収し、励起した水分子の遠赤外線の作用・効果によって温暖化の抑制・住宅環境・周辺環境の改善につながるのではないかと考えました。水蒸気は周りの熱を奪って蒸発し、雲となって日光を遮り、雨となって冷却された空気を伴い再び地球に戻り、樹木・植栽等に励起化された水として取り込まれ、地中の根からの養分の吸収力を高めることによって、植物などの生育を活性化し、光合成によるCO2の吸収・消費を高めることができるのではないかと・・・・・(これはあくまで私の考え・夢です。)
<地球環境的にみて>
太陽から地球に放射されたエネルギー(太陽放射)のうち、大気層で吸収・反射・錯乱された有害なエネルギーを除いた、残ったエネルギー(可視光線～赤外線短波長域)を地表で熱エネルギーとして蓄え、温められた物質が赤外線長波(遠赤外線)に変換(金属以外のあらゆる物質:海・山・土壌・草木・積雪・水面・動物・人間などから放射されます。温められた地表から大気に向かって放射(地球放射)されます。放射された赤外線長波(遠赤外線)は大気を構成する(水蒸気・雲・二酸化炭素などの温室効果ガス)各分子が個々の吸収特性に応じて地球放射の特定帯の赤外線長波長(遠赤外線) を吸収して地表へ再放射されます。地表に吸収された(可視光線～赤外線短波長域)の太陽放射エネルギー(熱エネルギー)は、吸収されたあらゆる物質が赤外線長波(遠赤外線)としてエネルギー変換し、大気に向けて放射されるエネルギー(地球放射)、その他、水蒸気が雲になって熱を放出する潜熱や上昇気流による伝導・対流によって地表から放射されるエネルギー放射とはつりあっています。
太陽放射(赤外線短波長)=地球放射(赤外線長波長・遠赤外線放射)
赤外線長波長(遠赤外線)は、N2・O2・Hなどの単一原子・分子には吸収されず、温室効果ガスといわれるH2O・CO２・CH４・NO２・O3等の3個以上の原子・分子によって吸収されます。最も地球放射エネルギーの高い波長帯含んでも3μ～12μ以上の波長帯ではH2O(水蒸気)が大部分の赤外線長波長(遠赤外線)を吸収してしまい3μ～12μ以上の波長域は、CO2の顕著な吸収波長帯に重なっておらず、地球放射された赤外線長波(遠赤外線)は大気に吸収されず、大気圏外(大気の窓から)へ放出されてしまいます
CO2の赤外線長波長(遠赤外線)の吸収波長帯は15μ付近にありますが、すでにこの吸収波長帯では大部分がH2O(水蒸気)に補足されているといえます。H2O(水蒸気)はCH4(メタン)CO2(二酸化炭素)に比べて赤外線長波長(遠赤外線)の吸収率がけた違いに大きく、地球放射された大部分の赤外線長波長(遠赤外線)を大気中のH2O(水蒸気)が吸収し飽和状態で、CO2(二酸化炭素)の影響は20%程度といわれております。(温室効果ガスは地球を温暖化させるような物質ではなく赤外線長波長(遠赤外線)の吸収・放射の性質によって、温暖化も冷却化も起してしうる遠赤外線活性物質なのです。遠赤外線活性物質は、じつは遠赤外線不活性物質から熱を奪ってそれを大気圏外へ放出して、その気層を冷却させる寒冷化ガスにもなります。高層でこれをおこなうことで、地表から直接捨てることのできない熱を捨てているのです。言い換えれば地球の温度のバランスを保つやくめをしているともいえるでしょう。
大気中の温室効果ガスの各原子・分子が遠赤外線の固有の吸収波長を吸収し、励起し熱に変換されることになりますが、前述の水蒸気(H2O)のように比熱の高い物質は上昇が遅く、昇温以外に分子の励起活動というという形でエネルギーを蓄えます。比熱(j/kg) : 水=4.2、氷=2.1、水蒸気=2.1/定圧 、CO2=0.837 でCO2の比熱は水の五分の一で大気に占める割合は水蒸気の百分の一(0.035%)、CH4はCO2の二百分の一程度しかありません。CO2の空気中 レベルはppmレベルであり、水蒸気は% レベル(湿度～%)で圧倒的に存在率が大きい。 (約10000倍) 大気中の水の状態(水蒸気・雲・氷雪)等の違いによっても固有の作用・効果が生まれ遠赤外線とH2Oのかかわりをうまく利用して住宅環境の改善(屋内・屋外・都市空間)に貢献できればと願っております。
<植物とのかかわり>
植物は光合成によって細胞が増殖し、動物は食物をエネルギー源として酸素を吸収して生命を維持しているが、いずれの生命も水が無ければ生存できません。動物は植物を食べその植物は陸上に繁茂する。そして植物が育つ土壌はアルミナ・シリカを主成分とする粘土鉱物がなくてはならない。痩せた土壌といわれるのは、粘土鉱物が少なく他の金属酸化物やアルカリ土類の比率が大きく保水性が悪いというのが一般的であります。N・Ｐ・Ｋ・Cａ・Mg等々の成分は植物の育成効果促進のための肥料の役割を持つに過ぎず、土壌の主成分はアルミナ・シリカ化合物でなくてはなりません。そのアルミナ・シリカの放射する電磁波の波長特性が水分子の吸収ベクトル3μ・6μ・1５μ付近に強い放射強度をもっているために、植物の根からの養分の吸収力をたかめることとなり、育成要因に密接な関係があるといわれている。生物が陸上で生存できた条件は、太陽エネルギーが電磁波(赤外線短波長)として地上にふりそそぎ、土壌に熱として吸収され、土壌の主成分アルミナ・シリカにより、遠赤外線(赤外線長波長)の電磁波として変換され、地中の水(水分子)に放射・吸収させることによって、水分子を励起(細分化)させ、種々の養分の根からの吸収力を高めて植物細胞のなかへ効率的に運んだということであります。いかに肥料の効いた土壌でも水が無ければ効果はなく、水分子が吸収・励起することにより、植物の必要とする養分をより多く蓄えて、運び込み育成させることになります。(自然界のサイクル)
遠赤外線(赤外線長波長)のエネルギーは微弱な自然なエネルギーであり、電子レンジのような強力な電磁波(マイクロ波は波長約120mmで遠赤外線の波長0.005mm～0.01mmの一万倍以上)を物体へ放射し、水分子を強制的に活性化させ物体を温めるような電磁波ではありません。あくまで自然な微弱なエネルギーで、自然界のあらゆる物体・物質・人体からも放射されており、自然に優しいエネルギーといえます。(打ち放コンクリート建築構造物が、古き良き時代の土壁・木材・石材に囲まれた、健康に優しい居住空間への再生を可能にできるものと確信しております。)
<水の不思議な多機能性について>
水は分子量18 : 二個の水素原子と一個の酸素原子からなる簡単な化合物(H-O-Hの角度104゜5´、一見単純にみえる分子式だが実際には驚くべき性質をもっている。その平均寿命はわずか一㌰秒程度の想像もつかないぐらい短い時間である。これを水のダイナミック(動的)構造と呼ぶ。水(液体)の構造はけっして不変的なものではなく、たえず生成・消滅をくりかえしている。水は常温では液体であるが、熱すると水蒸気(気体)になり、零度以下に冷やすと氷(固体)に変わる。18g/1mol/㎤の水を熱して水蒸気にすると、1気圧で22.4Lになり体積は1000倍にふえる。(含まれる水分子の数は同じであるから、分子間距離は水蒸気のほうが大きいことになる。また気体の分子間距離は圧力が低いほど大きくなる。) それでは、水分子の間に作用している力はどんな力だろうか?
① 双極子能率 : 四個の電荷が対象の位置にあるので、棒磁石と同じような振舞いをする。双極子能率はイオンと相互作用する場合に、大切な役割をする。② 水素結合によって水同士は作用し合う : O-H-Oのように水素原子をはさんで二つの 酸素原子が結ばれるような結合である。(正四面体に近い構造の組み合わせ) ③ 比熱が高い(冷めにくい)液体である。 : 水温の変化に悪影響を受けやすい魚介類等を水の温度変化から守る役割を担っている。(水の熱容量が大きいので、温度変化がおこりにくい。) その他、表面張力・４℃で最大密度になる。(氷の固体が水に浮く)等、
水ほど不思議で多くの機能を持つ液体は無く、水の中に異種分子が溶け込むと、相手によって水素結合・双極子能率を使い分 ける情報が水分子の中に秘められている。したがって水分子の環境に対する適応能力は実におおきい。水は多くの物質を溶かす液体である。例えば炭酸ガスが水に溶けると、水は酸性になり、さらに多くの物質を溶かす能力を持つようになる。
水ほど、生態の発育や自然界のサイクルに大きな影響を及ぼしている物質は他には存在しません。氷が融けて水になると、水分子の熱運動は100万倍ほど激しくなる。(励起状態) 氷の中でも水分子は激しく運動しているが、水の中よりは遅い、ほぼ10万分の1秒ぐらいの割合。雪融け水は生物に対して生理能力を高める働きを持っている。氷が融ける時にプランクトンが突然に増える、若木が急に成長し、雌鳥が良く卵を産むようになり、また牛の乳量も増える。秋蒔きコムギの葉の中にある脱水素酵素の活性が雪解け水によって増加した等、水分子の励起の状態によって様々ですが、他の分子を抱き込んだり(溶かしこむ)、強く結合したりして、(変温動物や植物は外界の温度によって体内の温度が左右される。例えば魚などはごく短時間で体温が10℃以上変わることもあるだろう。そのため、蛋白質や核酸が変性を起こしたとすれば、これらの動物の生命活動は好ましくない影響をうける。あるいは突然変異によって奇形を生じる可能性がある。しかしながら蛋白質や核酸は構造化された水によって保護されているので、温度変化に対して強い抵抗性を持っており、普通に起こる気温ゃ水温の変動ではこのような事態は起こらない。)水分子の状態を変化させながら他の分子の結合を助長したりして、無機物・有機物を問わず細胞の増殖等、おおくの生育活動に不可欠な役割を果たしています。
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参考文献: 実用遠赤外線 人間と歴史社
編 著 : 高田 紘一 ・ 江川 芳信 ・ 佐々木 久夫
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