宿谷 昌則 編著 (2004, 2010) エクセルギーと環境の理論

  • 宿谷(しゅくや) 昌則 編著, (2004), 2010: エクセルギーと環境の理論 –流れ・循環のデザインとは何か– 改訂版。 井上書院, 345 pp. ISBN 978-4-7530-4858-8. (初版は北斗出版)

建築学の立場から、環境を悪化させないように生きていくのには建築や都市設備をどう設計したらよいかを、熱力学を基本として考える、独創的な教科書的な本。宿谷氏のほか7人で分担執筆しているが、共著者はいずれも宿谷氏のもとで博士をとった人らしい。

エネルギーは「保存する」つまり不生不滅の物理量だ。「エネルギーを消費する」というとき消費されるのは、エネルギーの次元をもったエクセルギーという量だと考えるとよい。それは「エネルギーの資源性」だということもできる。身近な環境のエクセルギーの流れは、地球環境のエクセルギーの流れの中に入れ子になっており、基本的には太陽から供給されたエクセルギーを消費しているのだ。

「はじめに」の中の記述によれば、宿谷氏は1983年ごろ「エクセルギー」ということばを耳にし、1990-92年ごろ講義で話題にするようになり、1992年ごろから研究してきた。「おわりに」によれば、1993-95年ごろ「ネガティブな指摘」をされたそうだ。「ネガティブな指摘」のうち「エネルギーとエントロピーを考えればじゅうぶんではないか」という主張には、わたしも基本的には賛成だ。しかし、わたし自身、環境のエントロピーを考えることが重要だといいながら自分では意味のある計算をしていない。(ある考えかたに従って地表面が太陽光を吸収する際のエントロピー発生を計算してみたことがあるにはあるが発表に至らなかった。) エクセルギーが最適な枠組みかどうかはともかく、一つの枠組みによって計算・論述した著者とそのチームに敬意を示したい。

「第0章」と称する序論のあと、大きく2部に分かれている。第1部が応用、第2部が基礎だ。第1部の話題はエクセルギーの考えかたの有効性の例をなるべく広く示すことをねらっていて、その根拠については、考えかたは第2部で説明されているが、詳しいことは参考文献としてあげられている著者たちの論文を見る必要があるようだ。

第1部のうち第1章では地球環境を論じる。1.3節には地球環境のエクセルギー収支とエントロピー収支の数値のはいった図があるが、詳しい数値の根拠は著者の論文を見ないとわからない(第2部を見るとわかるものもあるが。) エクセルギー収支の図では、宇宙空間から冷放射エクセルギーがやってくることになっている。わたしにはこれは気持ちが悪い。ここでは地球から宇宙に赤外線が出ているのだ。エントロピーの流れは地球から宇宙への向きになっている。地球上のどこかの温度を「環境温度」としているはずであり、その温度と宇宙空間の温度(3 Kとするのだろうか?)との温度差で熱機関で仕事が取り出せるので、エクセルギーがあるとするのは理屈はもっともであり、感覚的な不満にすぎないのだが。

エントロピーのSI単位はJ/Kだが、これにOnsという名まえがつけられている。40ページの注によれば、これはHeike Kamerlingh Onnesにちなむとのことだ。(Onsagerだろうと思ったわたしは理論指向すぎるのか?) 159ページの注によれば、Clausiusはcal/Kをさすとされている。 「これらの略記は、筆者らが本書での議論のために敢えて用いているもので、いずれかの学会で正式に決められたものではない」とあるが、略記は別として単位名をKamerlingh OnnesあるいはClausiusにちなんだものにしようということはどこかの学会で決議されたのだろうか?

1.4.2 節に地球の気候の0次元定常エネルギー収支モデル(1枚ガラス)が出てくる。まず放射のみのものを考える。これはわたしの授業で使っているもの[教材ページ]と同じ。そこに「水と大気の循環」として地表から大気(ガラス板)に向かうエネルギー輸送Hをつけ加える。現実の平均地上気温15℃を与えてH = 80 W/m2を導いている。

1.5節は生態系。熱の話はせず、光合成と炭素循環に注目し、有機物の化学エクセルギーを論じている。

第2章は建築関係の話。大きく分けて、温度・湿度調節に関する話題が、体温調節(2.4)、暖房(2.5)、冷房(2.6)、通風や放射を利用した室内温度調節(2.7)、建築物の熱容量の利用(2.8)、住まい手の行動(2.12)。その他の話題が、照明(2.2)、植物の光合成と蒸散(2.8)、ごみ・排水の浄化とリサイクル(2.10)、建材の劣化(2.11)。基礎的話題だが話の都合上必要になった湿り空気のエクセルギーの説明(2.3、詳しくは4.3節参照)。

2.3節。環境の温度だけでなく湿度も仮定し、空気は温・冷と、湿・乾のエクセルギーをもつと考えるのだ。

2.12節。冷暖房によるエクセルギー消費には、建築外皮の断熱性と、冷房のスイッチを入れる住まい手の行動の影響が大きい。

2.10節。なまごみ堆肥化は、ごみ自動分別に電気を使うとエクセルギー的に損。あらかじめ分別して収集することが重要。窒素肥料分のリサイクルには糞尿分離型コンポストトイレがエクセルギー的に得。

2.11節。建材の劣化はエクセルギーが消費されるのだという理屈はもっともだが、定量的には減価償却に近い、ただしお金の尺度でなくエクセルギーの尺度での価値が消費されるという考えかたになっており、数量はおおざっぱだと感じられる。

第2部にはいって第3章は「閉鎖系」の理論。ここでの「閉鎖系」は物質の出入りのない系という意味であり、エネルギーの出入りは仕事も熱もあってよい。なお本書では「拡散」ということばをエントロピー増加と同じ広い意味に使っている。

3.2節はふつうの気体の熱力学。3.3節は、湯がさめる過程を例にとって、不可逆過程によるエクセルギー消費の説明。3.4節は温・冷エクセルギーの定式化。エンタルピーと(熱)エントロピーが基礎。環境(外気)温度を基準にとるので、エクセルギーの数値は環境温度の数値にも依存する。3.6節に熱伝達としての伝導と対流の話があるが、ここでは熱伝達に伴うエクセルギーの移動だけ述べ、熱伝達に伴うエクセルギーの消費(エントロピーの発生)は述べていないようだ。3.9節の非定常熱伝導の例にはエクセルギーの消費もあるのだが。

放射(電磁波)の扱いはわたしが考えていたものとだいぶ違う。日射(3.5節)に伴うエントロピーの流れは経験式(Kabelac & Drake 1992)によっている。散乱日射(本書の表現では「天空日射」)のエントロピーは直達日射の約3倍になるそうだ。散乱は不可逆過程なのでエントロピーがふえるのは定性的にはわかるが、数量の根拠を知ろうとすると参考文献を読まなければならないようだ。「長波長放射」(3.7節)つまり地球上の物体が射出する電磁波については、Planckに従ってエントロピーの流れにはエネルギーの流れ/温度に4/3 がかかった形が正しいとしている。3.8節のあとのコラムでPlanck前後の科学史的事項を確認しているが、それを見ても、わたしはまだ説得されていない[別ブログ記事参照]。3.9節には大気から地表への「長波長放射」の実用的計算方法がある。気温の黒体放射に見かけの射出率(露点温度を含む経験式)をかけて求めている。

第4章は開放系つまり物質の出入りがある系についての理論。第3章の体系に化学ポテンシャルが加わる。空気の乾湿も空気に水が出入りすることなのでこの章の話題となり、4.3節で「湿・乾エクセルギー」が定式化される。空気と水の分離に必要なエクセルギーから導かれている。数値は環境湿度をどう与えるかに依存する。液体水も環境(空気)に対してエクセルギーを持っているが、数量を見積もると湿エクセルギーのほうが温・冷エクセルギーに比べてだいぶ大きい。

4.4節、溶液の分離エクセルギー。その応用として、4.4.2節で、水・有機物・無機窒素からなる養分溶液を考える(リンも考えるが数値例はない)。有機物についてはTOC (mg/L)を経験値1.75をかけて炭素から有機物質量に読みかえている。窒素については「全窒素」値をそのまま使っている(ここはもう少し詳しく検討する必要がありそうだ)。この議論は2.10.2節の肥料分リサイクルの話の基礎になっている。

4.5節、 化学エクセルギー。たとえば炭(C)のもつ化学エクセルギーは(環境中のO2と組にして)、エンタルピー、エントロピーそれぞれを環境中のCO2と比較して求める。化学式が詳しくわからない物質のエクセルギーを見積もるために、燃料について、排水中有機物についてそれぞれの経験式が紹介されている。

4.6節、人体のエネルギー出入り・水出入りに伴うエクセルギー収支。衣服を考慮する。

4.7節、 陸上植物の光合成と蒸散に伴うエクセルギー収支。2.9節の話題の基礎。著者たちの関心は緑地の涼しさの源にあるらしい。それはおもに植物が吸いあげる水の「湿エクセルギー」だそうだ。

文献

  • A. Kabelac & F.-D. Drake, 1992: The entropy of terrestrial solar radiation. Solar Energy, Vol. 48, No. 4, 239 – 248. [わたしは読んでいない。]

折り返しのあとに詳しい目次をつける。

目次
[「/」のあとの人名は目次の「執筆分担」にあげられた執筆者。ただし複数列挙の内の順序は目次の執筆分担リストに出てきた順にすぎない。]
はじめに 7 /宿谷
改訂にあたって 11 /宿谷
第0章 エクセルギーの見方・考え方 15 /宿谷
– 0.1 保存と消費 16
– 0.2 エクセルギーの維持 20
– 0.3 環境の入れ子構造 22
– 0.4 エクセルギー消費と快適性 24
– コラム: 角度を変えてみる・考える 24
第1部 エクセルギー で 見る・考える 29
第1章 地球環境システム 31 /宿谷
– 1.1 地球環境問題という心の問題 31
– 1.2 物質・エネルギー・エントロピー・エクセルギー 35
– 1.3 エクセルギー・エントロピー過程 38
– 1.4 水・大気の循環と15℃の維持 42
– – 1.4.1 太陽と地球 42
– – 1.4.2 地表付近 — 大気温度の概算 44
– – – (1) 大気を無視する場合
– – – (2) 循環のない大気がある場合
– – – (3) 水と大気の循環を想定する場合
– – 1.4.3 水と大気の相互拡散・分離 — ヒートポンプ作用 48
– 1.5 生態系の養分循環 53
第2章 建築環境システム 59
– 2.1 パッシブシステムとアクティブシステム 59 /宿谷
– 2.2 照明システム 67 /淺田 秀男
– – 2.2.1 蛍光灯はヒーターかランプか? 67
– – 2.2.2 照明と暖房・冷房のつながり 69
– 2.3 体温調節システム 76 /斉藤 雅也、伊澤 康一、岩松 俊哉
– 2.4 湿り空気 85 /西川 竜二
– 2.5 暖房システム 92 /宿谷
– 2.6 冷房システム 99 /宿谷
– 2.7 涼房と採冷 106 /高橋 達
– 2.8 躯体蓄冷 111 /伊澤
– 2.9 植物 119 /斉藤、伊澤
– 2.10 家庭生ごみ・排水の浄化と活用 128 /高橋
– – 2.10.1 生ごみの堆肥化 128
– – 2.10.2 家庭排水の浄化と活用 132
– 2.11 鉄・コンクリートの生産と運用 138 /高橋
– 2.12 住まい手の行動と冷暖房 143 /Marcel SCHWEIKER
第2部 エクセルギー を 見る・考える 149
第3章 熱拡散 — 閉鎖系の理論 151
– 3.1 入る・溜まる・出る — エネルギー・エントロピー・エクセルギー 152 /宿谷
– – 3.1.1 エネルギーの流れと保存 153
– – 3.1.2 エントロピーの流れと生成 155
– – 3.1.3 エクセルギーの流れと消費 158
– 3.2 閉鎖系がもつエクセルギーの表現形式 162 /宿谷
– 3.3 エクセルギー・エントロピー過程 172 /淺田
– – 3.3.1 湯が冷める過程 173
– – 3.3.2 湯温を一定に保つ過程 177
– 3.4 温・冷エクセルギーの状態量 184 /西川
– 3.5 日射 — エクセルギーの移動量 (1) 191 /淺田
– – 3.5.1 光子群が運ぶエネルギーとエントロピー 194
– – 3.5.2 直達・天空日射のエクセルギー 196
– – 3.5.3 外壁の外表面におけるエクセルギー消費 197
– 3.6 伝導と対流 — エクセルギーの移動量 (2) 204 /西川
– – 3.6.1 伝熱の型 204
– – 3.6.2 伝導と対流のエクセルギー 206
– 3.7 長波長放射 — エクセルギーの移動量 (3) 210 /高橋
– – 3.7.1 放射エネルギーと放射エントロピー 210
– – 3.7.2 長波長放射エクセルギー 212
– 3.8 実効放射 — エクセルギーの移動量 (4) 217 /宿谷
– コラム: 放射エクセルギー理論の基礎ができるまで 224
– 3.9 蓄温・蓄冷 230 /西川
– – 3.9.1 平衡・非平衡で決まる量 231
– – 3.9.2 壁体の非定常熱伝導 233
第4章 物拡散・熱拡散 — 開放系の理論 241
– 4.1 入る・溜まる・出る・戻る — 流れと循環 243 /宿谷
– – 4.1.1 動力発生の思考実験 — ガスコンロとヤカン・ハネグルマ・センメンキ 244
– – 4.1.2 水飲み鳥と持続可能性 250
– 4.2 開放系がもつエクセルギーの表現形式 256 /宿谷
– 4.3 湿と乾 — 湿り空気・水の分離エクセルギー 268 /宿谷、西川
– – 4.3.1 水と空気の相互拡散 268
– – 4.3.2 湿り空気のエクセルギー 270
– – 4.3.3 液体水のエクセルギー 276
– – 4.3.4 濡れた面のエクセルギー収支 278 /伊澤
– 4.4 濃と淡 — 溶液の分離エクセルギー 283 /高橋
– – 4.4.1 液体水と溶質の相互拡散・分離エクセルギー 283
– – 4.4.2 養分溶液の分離エクセルギー 289
– 4.5 燃 — 化学エクセルギー 294 /高橋
– – 4.5.1 化学反応という拡散現象 294
– – 4.5.2 エクセルギーによる化学反応の表現 299
– – 4.5.3 化学エネルギーの近似計算式 309
– 4.6 動物のからだ (ヒト) 312 /宿谷、斉藤、伊澤、岩松
– – 4.6.1 物質収支 — からだを貫く水の流れ 312
– – 4.6.2 エネルギー・エントロピー収支 — からだを貫く熱の流れ 314
– – 4.6.3 熱エクセルギー収支 317
– – 4.6.4 湿エクセルギーの消費と温エクセルギーの出力 320
– 4.7 植物のからだ (葉) 329 /宿谷、斉藤
– – 4.7.1 光合成プロセスのイメージ 329
– – 4.7.2 エクセルギー収支 338
おわりに 338 /宿谷
索引 341[-345]

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