空調

エアコンには様々な種類があります。代表的なものとしては、窓掛け式エアコン（中国、2023年）、天井カセット式エアコン（中国、2023年）、壁掛け式エアコン（日本、2020年）、天井吊り下げ式エアコン（中国、2023年）、ポータブルエアコン（バチカン市国、2018年）などが挙げられます。

空調は、しばしばA/C (米国) またはair con (英国) と略され、[ 1 ]密閉空間から熱を取り除き、より快適な室内温度を実現し、場合によっては室内空気の湿度を制御するプロセスです。空調は、機械式の「エアコン」を使用することも、パッシブ冷却や換気冷却などの他の方法を使用して実現できます。[ 2 ] [ 3 ]空調は、暖房、換気、空調(HVAC)を提供するシステムおよび技術のグループに属します。[ 4 ]ヒートポンプは多くの点でエアコンに似ていますが、逆転弁を使用するため、密閉空間の暖房と冷房の両方を行うことができます。[ 5 ]

暑い天候では、エアコンは熱中症、過度の発汗による脱水症状、電解質の不均衡、腎不全、および高体温によるその他の問題を防ぐことができます。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]エアコンのおかげで、毎年推定19万人の熱中症による死亡が回避されています。[ 9 ] [ 10 ]エアコンは暑い気候での生産性を高め、歴史家はエアコンを高速道路、自動車、ショッピングモール、郊外住宅と並んで、戦後の大都市圏の成長を形作った重要な要因に挙げています。[ 11 ] [ 12 ] 2022年の時点で、エアコンは世界の電力の約7％を使用し、温室効果ガスの3％を排出しています。[ 13 ]

エアコンは、一般的に蒸気圧縮冷凍機を使用し、車両や個室で使用する小型ユニットから、大規模な建物を冷却できる大型ユニットまで、サイズは様々です。[ 14 ]冷房だけでなく暖房にも使用できる空気源ヒートポンプは、寒冷な気候の地域でますます普及しつつあります。国際エネルギー機関（IEA）によると、2016年には世界で16億台のエアコンが使用されました。[ 6 ]国連は、気候変動を緩和するために技術をより持続可能なものにし、パッシブ冷却、蒸発冷却、選択的遮光、ウィンドキャッチャー、断熱材などの代替技術の使用を求めています。

歴史

空調の歴史は先史時代に遡ります。[ 15 ]二重壁の居住区は、空気の流れを良くするために2つの壁の間に隙間があり、現在のシリアにある古代都市ハムーカルで発見されています。[ 16 ]古代エジプトの建物でも、さまざまなパッシブ空調技術が使用されていました。[ 17 ]これらはイベリア半島から北アフリカ、中東、北インドにかけて広く普及しました。[ 18 ]

パッシブ技術は20世紀まで広く普及していましたが、その後廃れ、電動空調に取って代わられました。伝統的な建築物の工学研究から得られた知見に基づき、パッシブ技術は21世紀の建築設計に合わせて復活・改良されています。[ 19 ] [ 18 ]

商業オフィスビルの外にあるエアコンコンデンサーユニットの配列

エアコンは、建物の室内環境を外部の気象条件や内部の熱負荷の変化にほとんど左右されずに、比較的一定に保つことを可能にします。また、エアコンは奥行きのある平面の建物の建設を可能にし、世界の暑い地域で人々が快適に暮らすことを可能にしました。[ 20 ]

発達

先行する発見

1558年、ジャンバッティスタ・デッラ・ポルタは、彼の一般向け科学書『ナチュラル・マジック』の中で、氷を硝酸カリウム（当時は「硝石」と呼ばれていた）と混ぜて氷の凝固点よりはるかに低い温度まで冷やす方法について説明しました。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] 1620年、コルネリス・ドレベルは、イングランド王ジェームズ1世のために「夏を冬に変える」ことを実演し、水槽と大桶の装置を使ってウェストミンスター寺院の大広間の一部を冷やしました。 [ 24 ]ドレベルの同時代人フランシス・ベーコンは、デッラ・ポルタと同様に科学コミュニケーションの信奉者であったが、この実験には立ち会っていなかったかもしれないが、同年出版の著書の中で、この実験を「人工凍結の実験」と表現し、「硝石（というよりその精神）は非常に冷たいので、硝石や塩を雪や氷に加えると、後者の冷たさを強める。硝石は雪の冷たさを強めるが、塩は雪の冷たさに活気を与える。」と述べている。[ 21 ]

1758年、ベンジャミン・フランクリンとケンブリッジ大学の化学教授ジョン・ハドレーは、物体を急速に冷却する手段として蒸発の原理を応用した実験を行いました。フランクリンとハドレーは、揮発性の高い液体（アルコールやエーテルなど）の蒸発を利用して、物体の温度を水の凝固点以下に下げることができることを確認しました。彼らは、ガラス管入り水銀温度計の球部を対象に実験を行いました。彼らはふいごを使って蒸発を加速させました。彼らは、周囲温度が18℃（64°F）のときに、温度計の球部の温度を-14℃（7°F）まで下げました。フランクリンは、水の凝固点である0℃（32℉）を過ぎた直後に温度計の球面に薄い氷の膜が形成され、-14℃（7℉）に達した時点で実験を中止した時点で氷の厚さが約6mm（1⁄4インチ）になったことに気づいた。フランクリン は「この実験から、夏の暖かい日に人を凍死させる可能性が見えてくるかもしれない」と結論付けた。[ 25 ]

19世紀には圧縮技術の大きな進歩があった。1820年、イギリスの科学者で発明家のマイケル・ファラデーは、アンモニアを圧縮して液化すると、その液化したアンモニアを蒸発させると空気を冷やせることを発見した。[ 26 ] 1842年、フロリダ州の医師ジョン・ゴリーはコンプレッサー技術を使って氷を作り、フロリダ州アパラチコラの病院の患者のために冷やした。彼は将来、この製氷機を使って建物の温度を調節したいと考えていた。[ 26 ] [ 27 ]彼は都市全体を冷やすことができる集中空調を思い描いた。ゴリーは1851年に特許を取得したが[ 28 ] 、主な後援者の死去により、発明を実現することができなかった。[ 29 ] 1851年、ジェームズ・ハリソンはオーストラリアのジーロングで最初の機械式製氷機を開発し、1855年にはエーテル蒸気圧縮冷凍システムの特許を取得しました。このシステムは1日3トンの氷を生産しました。[ 30 ] 1860年、ハリソンは2番目の製氷会社を設立しました。彼は後に、氷冷牛肉をイギリスに販売するというアメリカの優位性に対抗する議論に加わりました。[ 30 ]

最初のデバイス

イシュトヴァーンロック工場は、1896年にブダペストで開催された国立千年紀博覧会で、小型の家庭用冷蔵庫、大部屋用の空気冷却装置、大型の産業用冷蔵庫（背景）を展示しました。
最初の近代的な電気式エアコンを開発したとされるウィリス・キャリア

初期の冷却システムは、一般的にかさばる往復蒸気エンジンを動力源としていましたが、1894年にハンガリーの技術者イシュトヴァン・ロックがガンツ工場と共同開発した電動モーターで駆動する工業用アンモニア圧縮機の製造を開始したことで、大きな技術的転換が起こりました。この技術革新により、システムはよりコンパクトになり、都市環境に適したものになりました。1896年までに、彼の工場は、現代のエアコンが広く商品化される数年前に、住宅、病院、劇場、大きな公民館、さらには住宅の冷房と除湿用に特別に設計された「乾式空気冷却装置」を生産しました。このシステムは、電動モーターで駆動するアンモニア圧縮機を使用して、通常は塩水である二次冷媒を冷却することで動作しました。この冷たい塩水はパイプを通って「乾式空気冷却ユニット」（現代の空調装置の前身）に循環され、そこでファンが周囲の空気を冷却されたコイルに押し付けました。このプロセスは温度を下げるだけでなく、冷たい表面に水分を凝縮させることで空気の除湿も行い、完全な気候制御ソリューションを提供しました。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]

電気は効率的なユニットの開発を可能にしました。1901年、アメリカの発明家ウィリス・H・キャリアは、最初の近代的な電気式エアコンユニットと考えられるものを製作しました。[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] 1902年、彼はニューヨーク州ブルックリンのサケット・ウィルヘルムズ・リソグラフ＆パブリッシング・カンパニーに最初のエアコンシステムを設置しました。[ 39 ]彼は1906年に「エアコン」の特許を取得し、[ 40 ] 1914年までに最初の家庭用（または「住宅用」）エアコンが設置されました。[ 26 ]彼の発明は温度と湿度の両方を制御し、印刷工場で紙の寸法とインクの配置を一定に保つのに役立ちました。その後、キャリアは他の6人の従業員とともに、キャリア・エアコン・カンパニー・オブ・アメリカを設立しました。この企業は2020年に53,000人を雇用し、評価額は186億ドルでした。[ 41 ] [ 42 ]

1906年、ノースカロライナ州シャーロットのスチュアート・W・クレイマーは、自身の繊維工場内の空気に湿気を加える方法を模索していました。クレイマーは同年出願した特許出願の中で「空調」という造語を用い、空調は当時繊維の加工を容易にするよく知られた「水調整」に類似していると示唆しました。[ 43 ]彼は湿気と換気を組み合わせて工場内の空気を「調整」し、変化させることで、繊維工場に必要な湿度を制御しました。ウィリス・キャリアはこの用語を採用し、社名に取り入れました。[ 44 ]

家庭用エアコンはすぐに普及し始めました。1914年、ミネアポリスのチャールズ・ギルバート・ゲイツ邸に最初の家庭用エアコンが設置されました。しかし、この巨大な装置（約2.1m×1.8m×6.1m、7フィート×6フィート×20フィート）は、その家に人が住まなかったため、結局使われなかった可能性があります[ 26 ]（ゲイツは1913年10月に既に亡くなっていました）。

1931年、HHシュルツとJQシャーマンは、後に最も一般的なタイプの個別ルームエアコンを開発しました。それは窓枠に設置するタイプでした。このエアコンは1932年に1万ドルから5万ドル（2024年の20万ドルから120万ドルに相当）で発売されました。[ 26 ] 1年後、最初の自動車用エアコンが販売されました。[ 45 ]クライスラー・モーターズは1935年に最初の実用的なセミポータブル・エアコンを発売し、[ 46 ]パッカードは1939年に自動車メーカーとして初めて自動車にエアコンを搭載しました。[ 47 ]

さらなる発展

20世紀後半の技術革新により、エアコンはより広く普及しました。1945年、マサチューセッツ州リンのロバート・シャーマンは、空気の冷房、暖房、加湿、除湿、そして空気のろ過機能を備えたポータブルな窓用エアコンを発明しました。[ 48 ]最初のインバーターエアコンは1980年から1981年に発売されました。[ 49 ] [ 50 ]

1954年、テキサス大学オースティン校で1939年に建築学の学位を取得したネッド・コールは、各住宅にエアコンを内蔵した最初の実験的な「郊外住宅地」を開発しました。テキサス州オースティン北西部の平坦で樹木のない小道に22戸の住宅が建設され、このコミュニティは「オースティン・エアコン村」と名付けられました。住民は、全米有数のエアコンメーカー、建設業者、社会科学者が主導する1年間にわたるエアコンの影響調査を受けました。さらに、テキサス大学保健サービス心理学部の研究者たちは、「人工的に冷却された人間」への影響を調査しました。興味深い発見の一つは、各家庭がサソリに悩まされていると報告したことです。サソリは涼しく日陰の場所を好むという説が有力でした。その他、生活習慣の変化として、母親がパンを焼く機会が増え、家族がより重い食事を摂るようになり、温かい飲み物を選ぶ傾向が強くなったことも報告されました。[ 51 ] [ 52 ]

エアコンの普及は、温暖な地域では年間世帯収入が約10,000ドル（2021年頃）を超えると増加する傾向があります。[ 53 ]世界のGDP成長は、 2050年までに増加するエアコンの普及の約85％を説明し、残りの15％は気候変動によって説明できます。[ 53 ]

エアコンはヒートアイランド現象と関連している

都市ヒートアイランド現象は、1810年代にルーク・ハワードによって初めて科学的に指摘されました。彼は、ロンドンの夜間気温が周囲の田園地帯よりも数度高くなることを記述しました。この現象は1960年代後半に、主に日本と北米で注目を集めました。[ 54 ] [ 55 ]

1980年代後半から2010年代初頭にかけて、エアコンと都市ヒートアイランド現象との関連を示唆する研究が始まりました。[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]この現象は東京やヒューストンなど様々な都市で観測されました。

地域別の使用状況

2016年時点で、世界中で推定16億台のエアコンが使用されており、その半分以上が中国と米国にあり、総冷却能力は11,675ギガワットに達している。[ 59 ]国際エネルギー機関は2018年に、エアコンの台数は2050年までに約40億台に増加し、総冷却能力は約23,000ギガワットに増加し、インドと中国での増加が最も大きくなると予測した。[ 6 ]

アジア

1995年から2004年の間に、中国の都市部の世帯のうちエアコンを所有する世帯の割合は8％から70％に増加しました。[ 60 ] 2010年から2023年の間に、インドでのエアコンの使用は100世帯あたり24台に3倍に増加しました。[ 61 ]ハリヤーナ州、チャンディーガル州、ラジャスタン州、デリーの所有率が最も高く、メガーラヤ州、トリプラ州、マニプール州、ヒマーチャル・プラデーシュ州では最も低いです。[ 62 ]

北米

2015年時点で、米国では約1億世帯、つまり米国の世帯の約87％にエアコンシステムが設置されている。[ 63 ] 2019年には、米国で建設された新築一戸建て住宅の90％にエアコンが設置されていると推定されており、南部では99％、西部では62％となっている。[ 64 ] [ 65 ]

ヨーロッパ

2025年時点で、イタリアでは約半数の家庭、スペインでは40％の家庭、フランスでは20～25％の家庭にエアコンが設置されている。[ 66 ]

手術

運営原則

冷凍サイクルの簡単な図解：1) 凝縮コイル、2) 膨張弁、3) 蒸発器コイル、4) コンプレッサー

従来の空調システムにおける冷却は、冷媒の強制循環と気体と液体の相変化を利用して熱を移動させる蒸気圧縮サイクルによって行われている。[ 67 ] [ 68 ]蒸気圧縮サイクルは、一体型またはパッケージ化された機器内、または蒸発器側で端末冷却装置（エアハンドラーのファンコイルユニットなど）に接続され、凝縮器側で冷却塔などの熱除去装置に接続されたチラー内で行われる。空気源ヒートポンプは空調システムと多くの部品を共有しているが、逆転弁を備えており、これによりユニットを空間の冷暖房に使用できる。[ 69 ]

空調設備は、蒸発器コイルの表面温度が周囲の空気の露点温度よりも著しく低い場合、システムで処理される空気の絶対湿度を低下させます。居住空間向けに設計された空調設備は、通常、居住空間の相対湿度を30%から60%に保ちます。[ 70 ]

現代のエアコンシステムのほとんどは、コンプレッサーを作動させる除湿モードを備えています。同時にファンの回転速度を低下させ、蒸発器の温度を下げてより多くの水分を凝縮させます。除湿機も同じ冷凍サイクルを利用しますが、蒸発器と凝縮器を同じ空気経路に組み込んでいます。空気はまず蒸発器コイルを通過し、そこで冷却[ 71 ]され除湿されます。その後、凝縮器コイルを通過し、再び温められてから室内に放出されます。

外気が室内空気よりも冷たい場合、フリークーリングが選択されることがあります。この場合、コンプレッサーを使用する必要がないため、高い冷却効率が得られます。また、季節的な熱エネルギー貯蔵と組み合わせることもできます。[ 72 ]

加熱

一部のエアコンシステムは、冷凍サイクルを逆転させ、空気熱源ヒートポンプとして機能し、室内環境を冷房ではなく暖房します。これらは一般的に「リバースサイクルエアコン」とも呼ばれます。ヒートポンプは、空気または地下水からエネルギーを暖房空間へ移動させ、購入した電気エネルギーから熱を得るため、電気抵抗加熱よりもはるかにエネルギー効率に優れています。ヒートポンプが暖房モードの場合、室内の蒸発器コイルは役割を切り替えて凝縮器コイルとなり、熱を発生させます。また、室外の凝縮器ユニットも役割を切り替えて蒸発器となり、冷気（周囲の外気よりも冷たい空気）を排出します。

ほとんどの空気熱源ヒートポンプは、屋外温度が4℃（40℉）を下回ると効率が低下します。[ 73 ]これは、室外機の熱交換コイルに氷が形成され、コイル上の空気の流れが遮断されることが一因です。これを補うために、ヒートポンプシステムは一時的に通常の空調モードに切り替え、室外機の蒸発コイルを凝縮コイルに戻し、加熱と除霜を行う必要があります。そのため、一部のヒートポンプシステムでは、室内空気経路に電気抵抗加熱装置が備えられており、このモードでのみ作動することで、冬季に不快な室内空気の一時的な冷房を補います。

新しいモデルでは寒冷地性能が向上し、−26℃（−14°F）まで効率的な暖房能力を発揮します。[ 74 ] [ 73 ] [ 75 ]しかし、寒冷地性能が向上したモデルでも、室外機の熱交換器に結露した湿気が凍結する可能性は常にあり、その場合は除霜サイクルを実行する必要があります。

温度差が大きくなるとヒートポンプの能力は低下し、同時に暖房需要も増加するため、ヒートポンプは、電気ヒーター、天然ガス、灯油、薪ストーブ、セントラルヒーティングといった従来型の暖房設備と併用されることがあります。これらは、厳しい冬季にはヒートポンプの代わりに、あるいはヒートポンプに加えて使用されます。この場合、気温が穏やかな時期にはヒートポンプが効率的に使用され、外気温が低い時期には従来の熱源に切り替えられます。

パフォーマンス

空調システムの成績係数（ COP）は、提供される有効な暖房または冷房と必要な作業の比率です。 [ 76 ] [ 77 ] COP が高いほど、運用コストが低くなります。COP は通常 1 を超えますが、正確な値は動作条件、特に絶対温度とシンクとシステム間の相対温度に大きく依存し、多くの場合、予想される条件に対してグラフ化または平均化されます。[ 78 ]米国のエアコン装置の電力は「冷凍トン」で表わされることが多く、それぞれが24 時間で 1ショートトン（2,000 ポンド (910 kg)）の氷を溶かす冷却力にほぼ相当します。この値は1 時間あたり 12,000 BTU IT 、または 3,517ワットに相当します。[ 79

エアコンの効率は、季節エネルギー効率比（SEER）で評価されることが多く、これは空調・暖房・冷凍協会の2008年規格AHRI 210/240「空調および空気源ヒートポンプ機器の性能評価」で定義されています。[ 80 ]同様の規格に欧州季節エネルギー効率比（ESEER）があります。

効率は冷却対象となる空気の湿度に大きく影響されます。冷却前に空気を除湿することで、その後の冷却コストを最大90%削減できます。したがって、除湿コストの削減は、空調コスト全体に大きな影響を与える可能性があります。[ 81 ]

制御システム

ワイヤレスリモコン

ワイヤレスリモコン
リモコンの赤外線送信LED
エアコンの赤外線受信機

このタイプのコントローラーは、赤外線LEDを使用してリモコンからのコマンドをエアコンに中継します。赤外線LEDの出力は（他の赤外線リモコンと同様に）、波長が可視光線の範囲（940nm）を超えているため、人間の目には見えません。このシステムはシンプルで持ち運びに便利なため、ミニスプリットエアコンでよく使用されています。一部の窓用エアコンやダクト式セントラルエアコンにも採用されています。

有線コントローラー

複数の有線コントローラー（インドネシア、2024年）

有線コントローラー（別名「有線サーモスタット」）は、暖房または冷房のオン/オフを切り替えることでエアコンを制御するデバイスです。複数のセンサーを使用して温度を測定し、制御操作を作動させます。機械式サーモスタットは、一般的にバイメタルストリップを使用し、温度変化を機械的変位に変換してエアコンを制御します。一方、電子式サーモスタットは、サーミスタなどの半導体センサーを使用し、温度変化を電子信号として処理してエアコンを制御します。

これらのコントローラーは壁に恒久的に設置され、エアコンユニットに直接配線されるため、バッテリーが不要で、通常、アパート、病院、オフィス、ホテルの部屋で使用されます。

種類

種類 標準容量* 空気供給 取り付け 典型的なアプリケーション
ミニスプリット 小さい – 大きい 直接 壁 居住の
ウィンドウ とても小さい – 小さい 直接 ウィンドウ 居住の
ポータブル とても小さい – 小さい 直結/ダクト式 床 住宅地、遠隔地
ダクト式（個別） 小さい – 非常に大きい ダクト式 シーリング 住宅、商業
ダクト式（中央） 中～非常に大きい ダクト式 シーリング 住宅、商業
天井吊り下げ 中～大 直接 シーリング コマーシャル
カセット 中～大 直結/ダクト式 シーリング コマーシャル
フロアスタンド 中～大 直結/ダクト式 床 コマーシャル
パッケージ 非常に大きい 直結/ダクト式 床 コマーシャル
パッケージ型RTU（屋上ユニット） 非常に大きい ダクト式 屋上 コマーシャル

* 標準的な容量はキロワット単位で次のようになります。

  • 非常に小さい: <1.5 kW
  • 小型：1.5～3.5kW
  • 中：4.2～7.1kW
  • 大型：7.2～14kW
  • 非常に大きい: >14 kW

ミニスプリットシステムとマルチスプリットシステム

ダクトレススプリット型エアコンの蒸発器、室内機、または端末側

ダクトレスシステム（多くの場合はミニスプリットですが、現在ではダクト付きミニスプリットもあります）は、通常、ダクトを使わずに分散的に、建物の1つまたはいくつかの部屋に調整された暖房空気を供給します。[ 82 ]マルチゾーンシステムまたはマルチスプリットシステムは、ダクトレスシステムの一般的な用途であり、最大8つの部屋（ゾーンまたは場所）を互いに独立して調整でき、各部屋は屋内ユニットで、同時に1つの屋外ユニットから調整できます。

最初のミニスプリットシステムは、1961年に東芝によって日本で販売され、最初の壁掛け式ミニスプリットエアコンは、1968年に三菱電機によって日本で販売された。住宅サイズの小ささが開発の動機となった。三菱モデルは、クロスフローファンを備えた最初のエアコンだった。[ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] 1969年に、最初のミニスプリットエアコンが米国で販売された。[ 86 ]マルチゾーンダクトレスシステムは、1973年にダイキンによって発明され、可変冷媒フローシステム（より大規模なマルチスプリットシステムと考えることができる）も、1982年にダイキンによって発明された。両方とも最初に日本で販売された。[ 87 ]可変冷媒フローシステムは、エアハンドラーからの中央プラント冷却と比較すると、大きな冷気ダクト、エアハンドラー、チラーの必要性を排除します。代わりに、冷たい冷媒ははるかに細い配管を通って空調対象空間の室内機に送られるため、吊り天井上部のスペースが小さくなり、構造的な影響も軽減されるだけでなく、空間ごとに独立した温度制御が可能になります。室外機と室内機は建物全体に分散して設置できます。[ 88 ]可変冷媒流量室内機は、未使用空間で個別に電源をオフにすることもできます。VRFのDCインバーターコンプレッサーは起動電力が低く、DC電源を必要とするため、VRFの太陽光発電ヒートポンプはDC電源を供給するソーラーパネルを使用して稼働させることができます。

ダクト式中央システム

スプリットシステム方式のセントラルエアコンは、2つの熱交換器で構成されています。1つは室外機（コンデンサー）で、そこから熱が放出されます。もう1つは室内機（エバポレーター、またはファンコイルユニット、FCU）で、配管された冷媒が2つの熱交換器の間を循環します。FCUは換気ダクトを介して冷却対象空間に接続されます。[ 89 ]床置き型エアコンはこのタイプのエアコンに似ていますが、冷却が必要な空間に設置されます。

中央プラント冷却

オーストリア、リンツのショッピングモール「パッセージ」の屋上にある産業用空冷チラー

大規模な中央冷却プラントでは、冷却対象空間の近くまたは内部にあるエアハンドラーやファンコイルユニットに冷水などの中間冷媒を送り込み、そこから冷気を空調対象空間にダクトまたは送出する方式が採用されている。一方、プラントから対象空間に直接冷気を送る方式は採用されていない。空気の密度と熱容量が低いため、直接送ると非常に大きなダクトが必要になるため、冷水はプラント内のチラーによって冷却される。チラーは冷凍サイクルを用いて水を冷却するが、液冷式チラーであっても冷却塔を用いてその熱を大気中に放出することが多い。チラーは空冷式または液冷式のものがある。[ 90 ] [ 91 ]

ポータブルユニット

ポータブル システムには、恒久的に固定して設置されたユニット (ダクトレス スプリット エアコンなど) と同様に、フレキシブル パイプを介して室外ユニットに接続された車輪付きの室内ユニットがあります。

ホースシステムは、モノブロック型とエアツーエア型があり、エアダクトを介して屋外に排気されます。モノブロック型は、バケツまたはトレイに水を集め、満水になると停止します。エアツーエア型は、水を再蒸発させ、ダクト付きホースから排出し、連続運転が可能です。多くのポータブル型は、室内の空気を吸い込み、単一のダクトを通して屋外に排出するため、全体的な冷却効率に悪影響を与えます。

多くのポータブルエアコンには、除湿機能だけでなく暖房機能も付いています。[ 92 ]

ウィンドウユニットとパッケージ端末

壁貫通型PTACユニット、ユニバーシティ・モーター・イン（フィラデルフィア）

パッケージターミナルエアコン（PTAC）、壁貫通型エアコン、窓用エアコンは類似している。これらのユニットは窓枠または壁の開口部に設置される。ユニットには通常、室内側と室外側を分ける内部仕切りがあり、それぞれに凝縮器と蒸発器が配置されている。PTACシステムは、寒い天候時に電気ストリップ、ガス、またはその他のヒーターを使用して直接暖房を行うか、冷媒の流れを逆転させて室内を暖め、外気から熱を奪うことでエアコンをヒートポンプに変換することで暖房を提供するように適合させることができる。壁の特別なスリーブと壁と面一のカスタムグリルを使用して壁の開口部に設置することも、窓用エアコンを窓に設置することもできますが、カスタムグリルは必要ありません。[ 93 ]

パッケージエアコン

パッケージエアコン（独立型エアコンとも呼ばれる）[ 94 ] [ 95 ]は、分割型セントラルシステムの全コンポーネントを単一のハウジングに統合し、ダクトなどを通して冷却対象空間に空気を送るセントラルシステムである。構造によって屋外または屋内に設置され、屋根の上（屋上ユニット）に設置される。[ 96 ] [ 97 ]建物の内外から空調対象の空気を取り込み、水冷式または空冷式で冷却する。多くの場合、屋外ユニットは空冷式、屋内ユニットは冷却塔を用いて液冷式で冷却される。[ 89 ] [ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] [ 102 ]

コンプレッサーの種類

コンプレッサーの種類 一般的な用途 標準容量 効率 耐久性 修理可能性
往復運動 冷蔵庫、ウォークイン冷凍庫、ポータブルエアコン、住宅用ミニスプリットおよびマルチスプリット、中央ダクト。 小さい – 大きい 非常に低い（容量が小さい）

中（大容量）

非常に低い 中くらい
ロータリーベーン 住宅用ミニスプリット 小さい 低い 低い 簡単
スクロール 商業および中央システム、VRF中くらい 中くらい 中くらい 簡単
回転ねじ 業務用チラー 中～大 中くらい 中くらい 難しい
遠心分離 業務用チラー 非常に大きい 中くらい 高い 難しい
磁気浮上遠心式 業務用チラー 非常に大きい 高い 非常に高い とても難しい

往復運動

このコンプレッサーは、クランクケース、クランクシャフト、ピストンロッド、ピストン、ピストンリング、シリンダーヘッド、バルブで構成されています。

スクロール

このコンプレッサーは、2つのインターリーブスクロールを用いて冷媒を圧縮します。[ 103 ]固定スクロール1つと旋回スクロール1つで構成されています。このタイプのコンプレッサーは、往復動型コンプレッサーに比べて可動部品が70%少ないため、効率が向上します。

スクリュー

このコンプレッサーは、非常に密接に噛み合った2つのスパイラルローターを用いてガスを圧縮します。ガスは吸気側から入り、スクリューの回転に伴ってねじ山を通り抜けます。噛み合ったローターがガスをコンプレッサー内に押し込み、スクリューの先端からガスを排出します。作動面積は、オスローターとメスローターの間のローブ間容積です。この容積は吸気側で大きく、ローターの長さに沿って排気ポートまで減少します。この容積変化が圧縮です。

容量変調技術

冷凍システムや空調システム、暖房システムにおける冷却能力の調整方法はいくつかあります。空調システムで最も一般的なものは、オンオフサイクル、ホットガスバイパス、液体噴射の有無、複数のコンプレッサーのマニホールド構成、機械式調整（デジタルとも呼ばれる）、インバーター技術です。

高温ガスバイパス

ホットガスバイパスは、吐出側から吸入側へ一定量のガスを噴射する方式です。コンプレッサーは一定速度で運転を継続しますが、バイパスによってシステム内を循環する冷媒の質量流量が減少し、冷却能力が低下します。そのため、バイパス運転中はコンプレッサーが無駄に稼働することになります。ターンダウン能力は0～100%の範囲で変化します。[ 104 ]

マニホールド構成

システムに複数のコンプレッサーを設置することで、ピーク時の冷却能力を確保できます。各コンプレッサーは稼働または停止することができ、ユニットの冷却能力を段階的に調整できます。ターンダウン能力は、トリオ構成の場合は0/33/66または100%、タンデム構成の場合は0/50または100%です。

機械式調節式コンプレッサー

この内部機械容量調整は、制御弁を用いた周期的な圧縮プロセスに基づいています。2つのスクロールセットが離れることで、一定時間圧縮が停止します。この方法は、圧縮の平均時間を変化させることで冷媒流量を調整しますが、モーターの実際の速度は変化させません。優れたターンダウン比（冷却能力の10～100%）にもかかわらず、機械式スクロールはモーターが連続運転するため、 エネルギー消費量は高くなります。

可変速コンプレッサー

このシステムは、可変周波数ドライブ（インバータとも呼ばれます）を使用してコンプレッサーの速度を制御します。コンプレッサーの速度変化によって冷媒流量が変化します。ターンダウン比はシステム構成とメーカーによって異なります。シングルインバータの場合は15%または25%から最大100%まで、ハイブリッドタンデムの場合は12%から最大100%まで調整できます。この方法は、エアコンの容量を調整する最も効率的な方法です。固定速度システムと比較して最大58%効率が向上します。

インパクト

健康への影響

大阪市営地下鉄10系車両屋根に設置された屋上コンデンサユニット。公共交通機関の車両では、空調設備の設置がますます普及しており、乗客の快適性と運転士の労働安全衛生を確保するため、空調の導入が進んでいます。

暑い天候では、エアコンは熱中症、過度の発汗による脱水症状、電解質の不均衡、腎不全、および高体温によるその他の問題を防ぐことができます。[ 6 ] [ 7 ]熱波は、米国で最も致命的なタイプの気象現象です。[ 105 ] [ 106 ] 2020年の研究では、エアコンの使用が少ない地域と、熱中症による死亡率および入院率が高いことがわかっています。[ 107 ] 2003年8月のフランスの熱波では約15,000人が死亡し、犠牲者の80％が75歳以上でした。これを受けて、フランス政府は、熱波の間、すべての老人ホームに1フロアあたり少なくとも1室、25℃（77℉）のエアコン付きの部屋を設置することを義務付けました。[ 6 ]

2021年の報告書によると、2019年には65歳以上の高齢者約34万5000人が熱中症で死亡したと推定されていますが、これはエアコンがあれば防ぐことができます。エアコンのおかげで、年間約19万人の熱中症による死亡が防がれていると推定されています。[ 9 ] [ 10 ]

空調（濾過、加湿、冷却、消毒を含む）は、病院の手術室や、患者の安全と健康のために適切な雰囲気が不可欠なその他の環境で、清潔で安全、かつ低アレルギー性の雰囲気を提供するために使用できます。アレルギー、特にカビに悩む人には、自宅での使用が推奨されることもあります。[ 108 ] [ 109 ]しかし、メンテナンスが不十分な水冷却塔は、レジオネラ症の原因となる感染性病原体であるレジオネラ・ニューモフィラなどの微生物の増殖と拡散を促進する可能性があります。冷却塔が清潔に保たれている限り（通常は塩素処理によって）、これらの健康被害は回避または軽減できます。ニューヨーク州は、レジオネラ菌から保護するために、冷却塔の登録、メンテナンス、および試験の要件を成文化しました。[ 110 ]

経済効果

この発明は当初、印刷業界や大規模工場などの対象産業に利益をもたらすように設計されたが、エアコンを備えた場所では生産性が24％近く向上したと主張する研究により、すぐに公的機関や行政機関に広まった。[ 11 ]

エアコンは、1950年代以降、暑い気候での産業活動を可能にし、冷房の利いたオフィス空間におけるホワイトカラー労働の拡大を支え、アメリカ南部の経済発展に貢献しました。また、エアコン付きの自動車の普及により郊外開発がより現実的になったため、都市のスプロール化と通勤パターンにも影響を与えました。歴史家たちは、高速道路、自動車、ショッピングモール、郊外住宅と並んで、エアコンを戦後の大都市圏の成長を形作った主要な要因の一つに挙げています。[ 12 ]

空調設備の導入は、特に1970年代以降のアメリカ合衆国において、人口動態に様々な変化をもたらしました。アメリカ合衆国では、 1970年代までは春の出生率が他の季節よりも低かったのですが、その後この差は縮小しました。[ 111 ] 2007年時点で、サンベルト地域にはアメリカ合衆国全体の人口の30%が居住していますが、20世紀初頭にはアメリカ人の24%が居住していました。[ 112 ]さらに、アメリカ合衆国では、夏に熱波に見舞われる地域で高かった夏の死亡率も平準化されました。 [ 8 ]

エアコンの普及は、世界の電力需要の成長を牽引する要因となっている。[ 113 ]国際エネルギー機関（IEA）の2018年の報告書によると、米国の冷房用エネルギー消費量（3億2800万人）は、アフリカ、ラテンアメリカ、中東、アジア（中国を除く）の44億人のエネルギー消費量の合計を上回ることが明らかになった。[ 6 ] 2020年の調査では、米国の全世帯の約88％がエアコンを使用しており、2010年から2020年の間に建設された住宅に限ると93％に増加することが明らかになった。 [ 114 ]

環境への影響

シンガポールの建物の正面に設置されたエアコンファーム

2022年にはエアコンが世界の電力の約7%を使用し、温室効果ガスの3%を排出した。[ 13 ]国際エネルギー機関（IEA）による2018年のエアコン効率に関する報告書では、空間冷却による電力使用量は2050年までに約6200 TWhに増加すると予測されており、[ 6 ] [ 115 ]現在見られる進歩により、空間冷却に起因する温室効果ガス排出量は11億3500万トン（2016年）から20億7000万トンに倍増するとされている。[ 6 ]エアコンのエネルギー効率を上げようとする動きがある。国連環境計画（UNEP）とIEAは、エアコンの効率が現在の2倍になれば、40年間で4600億トンの温室効果ガスを削減できると結論付けた。[ 116 ] UNEPとIEAはまた、ハイドロフルオロカーボンの使用を減らし、建物の断熱性を向上させ、より持続可能な温度管理された食品サプライチェーンを構築するための法律の制定を勧告した。[ 116 ]

冷媒は、オゾン層の破壊や気候変動など、深刻な環境問題を引き起こしており、現在も引き起こし続けている。これは、いくつかの国がハイドロフルオロカーボンの消費と生産を削減するキガリ改正をまだ批准していないためである。[ 117 ]エアコンに使用されているR-12やR-22などのCFC 冷媒と HCFC冷媒は、オゾン層を破壊し[ 118 ] 、 CFC と HCFC の代替として設計されたR-410AやR-404Aなどのハイドロフルオロカーボン冷媒は、むしろ気候変動を悪化させている。[ 119 ]両方の問題は、修理中などに冷媒が大気中に放出されることによって起こる。ほとんどの新しい機器で使用されているHFO冷媒は、オゾン層破壊係数（ODP）がゼロで、地球温暖化係数（GWP）がハイドロフルオロカーボンの3桁または4桁に比べて1桁または2桁とはるかに低いため、両方の問題を解決します。[ 120 ]

キガリ改正がなければ、ハイドロフルオロカーボン（HFC）は2100年までに地球の気温を約0.3～0.5℃（0.5～0.9℉）上昇させていただろう。キガリ改正があれば、2100年までにHFCによる地球の気温上昇は約0.06℃（0.1℉）にとどまると予測される。[ 121 ]

エアコンは分解や修理が難しいため、汚染の原因にもなっています。また、機器の寿命が尽きた際に金属とプラスチックを分離するのはコストがかかり、現実的ではないため、機器は頻繁に廃棄されることになります。[ 10 ]

複数のジャーナリストは、気候変動の影響に適応するためにエアコンを使用することで、エネルギー消費量の増加と副産物としての熱発生が起こり、問題を悪化させているという「エアコンパラドックス」を指摘している。 [ 122 ] [ 123 ] [ 124 ]このパラドックスは特に新興国において懸念されている。エアコンは近代性と快適さの象徴となっているが、その普及は世界の炭素排出量を大幅に増加させ、地球温暖化抑制の取り組みを損なう可能性がある。

いくつかの環境的欠点の緩和

現在、政府や研究者は、よりエネルギー効率の高いシステム、パッシブ冷却技術、低GWP冷媒の開発など、代替手段を模索しています。しかし、冷却需要と二酸化炭素排出量削減の必要性のバランスを取ることは、依然として複雑かつ喫緊の課題です。[ 125 ] [ 123 ]

再生可能エネルギーが安価になり[ 126 ]普及するにつれて、エアコンのエネルギー源はより多くの再生可能エネルギー源へと移行しています。[ 123 ]これにより、発電から直接生じる炭素排出量が削減されます。

HFCなどの高GWP冷媒が大気中に放出され熱を閉じ込める危険性は、低GWP冷媒の開発によって軽減することができます。[ 9 ]

社会的および文化的影響

世帯収入が約1万ドル未満（2021年頃）の社会経済グループは、エアコンの導入率が低い傾向があり、[ 53 ]これが熱中症による死亡率を悪化させています。[ 8 ]エアコンの使用率が低い地域では、熱中症による死亡率や入院率が高くなることと相関関係にあるため、冷却不足は危険な場合があります。[ 107 ]ニューヨーク市の早期死亡率は30年で47%から95%増加すると予測されており、低所得者層や脆弱な人口層が最も危険にさらされています。[ 107 ]熱中症による死亡率と入院、および社会経済的に低い地域での生活との相関関係に関する研究は、アリゾナ州フェニックス、[ 127 ]香港、[ 128 ]中国、[ 128 ]日本、[ 129 ]イタリアで行われています。[ 130 ] [ 131 ]さらに、医療費も障壁となる可能性があり、2009年にオーストラリアで発生した熱波の際に民間医療保険が不足していたことが、熱中症による入院につながった。[ 131 ]

社会経済的地位とエアコンへのアクセスの格差は、制度化された人種差別に関連づけられていると考える人もいる。この人種差別により、特定の疎外されたコミュニティは、経済的地位が低く、健康状態が悪く、暑い地域に住み、肉体的にきつい労働に従事し、エアコンなどの冷房技術へのアクセスが限られているという関連付けにつながる。[ 131 ]米国のシカゴ、デトロイト、ミネアポリス、ピッツバーグの各都市を調査した研究によると、黒人世帯が中央エアコンを持っている可能性は、白人世帯の半分であることが判明した。[ 132 ]特に都市では、レッドライニングやその他の歴史的慣習により、人種的格差がヒートアイランド現象にも影響を及ぼし、都市の特定の地域の気温が上昇する。[ 131 ]これは、熱を吸収する建築材料や舗装、および植生と日陰の不足によるものである。[ 133 ]公共の冷房スペースなど、低所得のコミュニティに冷房ソリューションを提供する取り組みがなされている。[ 6 ] [ 133 ]

冷房によって屋内の空間が広がり、子供を含む人々が屋内で過ごす時間が増えました。[ 134 ]また、異なる地理的地域や気候帯の均一化も進みました。[ 135 ]

冷却の代替オプション

継続的な空調の代替手段としては、パッシブ冷却、パッシブソーラー冷却、自然換気、シェードの操作による太陽光の吸収の低減、樹木の使用、建築用シェード、窓（および窓コーティングの使用）による太陽光の吸収の低減などがあります。

パッシブ空調を採用した建物は、一般的に、従来のHVACシステムを採用した建物よりも建設費や維持費が安く、エネルギー需要も少ない。[ 136 ]パッシブ方式では、1時間あたり数十回の空気交換と数十度の冷却を実現できるが、敷地固有の微気候を考慮する必要があり、建物の設計が複雑になる。[ 18 ]

建物内の快適性を高め、温度を下げる技術は数多くあります。例えば、蒸発冷却、選択的遮光、風力、熱対流、蓄熱などが挙げられます。[ 137 ]

パッシブ換気

通常のアースシップの換気システム
ドッグトロットハウスは自然換気を最大限にするように設計されています。
屋根タービン換気装置は、俗に「Whirly Bird」とも呼ばれ、風力駆動換気の応用例です。

パッシブ換気とは、機械的なシステムを使用せずに屋内空間への空気の供給と排出を行うプロセスです。これは、自然の力によって生じる 圧力差の結果として、外気が屋内空間に流れ込むことを指します。

建物内で発生する自然換気には、風力換気と浮力換気の2種類があります。風力換気は、建物や構造物の周囲に風が圧力差を生み出し、周囲に開口部が形成されることで発生します。浮力換気は、建物内外の温度差によって生じる方向性のある浮力によって発生します。[ 138 ]

内部と外部の温度差を生み出す内部熱の増加は、人間の発する熱を含む自然のプロセスによって発生し、風の影響は変化するため、自然換気の建物は「呼吸する建物」と呼ばれることもあります。

自然な解決策

自然な解決策は冷却にエネルギーを必要としないため、非常に魅力的な解決策です。これを実現するための多くの方法が研究されてきました。

建物の構造は熱を放散するのに役立ちます。例えば、ジンバブエでは、イーストゲート・デベロップメント社がシロアリ塚に着想を得た構造を採用することで、エネルギー使用量を90%削減しました。[ 123 ]

シカゴ市庁舎の緑の屋根

窓を覆うことで、太陽光による室内の熱吸収を軽減することができます。米国エネルギー省は、窓にオーニングを設置することで太陽光による室内の熱吸収を最大77%低減できると推定しています。[ 123 ]

屋根の塗装も大きな成果を上げています。米国では、屋根を白く塗装することで屋根の温度が最大30℃低下することが実証されています。一方、中国では、緑の屋根（植物で覆われた屋根）を設置するプロジェクトが、建物の冷房需要を削減しただけでなく、その地域の平均地表温度を0.91℃低下させました。[ 123 ]

植樹はヒートアイランド現象の緩和にも役立ちます。ヨーロッパで行われた研究では、樹木被覆によって夏季の都市部の地表温度が最大12℃低下することが明らかになりました。米国では、別の研究で、樹木被覆率が40%に達すると、地表温度が約6℃低下することが示されました。[ 123 ]

パッシブ冷却

風力タワーを使用したイランの伝統的な太陽熱冷却設計

パッシブ冷却は、建物内の熱の獲得と放熱に重点を置いた建築設計手法であり、エネルギー消費を少なく、あるいはゼロに抑えて室内の温熱的快適性を向上させる。 [ 139 ] [ 140 ]この手法は、内部への熱の侵入を防ぐ（熱獲得防止）か、建物から熱を除去する（自然冷却）かのいずれかの方法で機能する。[ 141 ]

自然冷却は、機械的な放熱システムではなく、自然環境から得られる敷地内のエネルギーと建物の構成要素（例えば、建物の外皮）の建築設計を組み合わせて利用します。 [ 142 ]したがって、自然冷却は建物の建築設計だけでなく、敷地内の自然資源をヒートシンク（つまり、熱を吸収または放散するすべてのもの）としてどのように利用するかによって決まります。敷地内のヒートシンクの例としては、上層大気（夜空）、外気（風）、土壌などが挙げられます。

パッシブ冷却は、気候変動適応のための建物の設計において重要なツールであり 、温暖化が進む環境においてエネルギー集約型の空調への依存を減らすものです。[ 143 ] [ 144 ]

伝統建築に用いられる一対の短い風よけ（マルカフ）は、風上側から風を吹き下ろし、風下側から葉を落とす（横風）。風がない場合には、入口（埃を捕らえる役割も果たす）での蒸発冷却によって循環が促進される。中央にはシュクシェイカ（屋根のランタン型通気孔）があり、下のカーア（天井）を覆いながら、そこから熱気を排出する（煙突効果）。[ 17 ]

日中の放射冷却

パッシブ昼間放射冷却（PDRC）表面は太陽光反射率と熱放射率が高く、エネルギー消費や汚染をゼロに抑えて冷却します。[ 145 ]

パッシブ昼間放射冷却（PDRC）表面は、入射する太陽放射と熱を赤外線窓を通して宇宙空間に反射し、日中の冷却に利用します。昼間の放射冷却は、Ramanら（2014）の研究によって発見されたフォトニック構造を用いて太陽熱を抑制する能力によって可能になりました。 [ 146 ] PDRCは、塗料コーティングやフィルムなど、様々な形態で提供され、高い太陽光反射率と熱放射率を持つように設計されています。[ 145 ] [ 147 ]

PDRCを建物の屋根や外壁に施工すると、エネルギー消費量とコストが大幅に削減されることが実証されています。[ 147 ]郊外の一戸建て住宅地では、屋根にPDRCを施工すると、エネルギーコストを26～46%削減できる可能性があります。[ 148 ] PDRCは、2025年までに屋内空間の冷房向けに約270億ドルの市場規模になると予測されており、2010年代以降、研究開発が急増しています。[ 149 ] [ 150 ]

ファン

手扇は先史時代から存在していました。建物に組み込まれた大型の人力扇風機には、パンカ（扇風機）などがあります。

2 世紀中国、漢の時代の発明家、丁歓は、直径 3 メートル (10 フィート) の 7 つの車輪を持ち、囚人が手動で動かす回転扇を空調用に発明しました。 [ 151 ] : 99、151、233 唐の時代(618–907) の玄宗皇帝(在位 712–762)は、 747 年に皇宮に涼殿 (梁典涼殿) を建てさせました。唐楡林には、そこには空調用の水力扇車と噴水の上昇するジェット水流があったと記述されています。その後の宋の時代(960–1279) には、空調用回転扇がさらに広く使われていたことが文献に記されています。[ 151 ] : 134、151

熱緩衝

夜間や冬季に寒冷な地域では、蓄熱システムが利用されています。熱は地中や石積みに蓄えられ、空気が石積みを通って流れ、暖房や冷房に利用されます。[ 19 ]

冬の夜間に気温が氷点下になる地域では、雪や氷を集めて氷室に貯蔵し、後で冷却に使用することができます。[ 19 ]この技術は中東では3,700年以上前から行われています。[ 152 ]冬の間に屋外の氷を採取し、夏に使用するために輸送して貯蔵する習慣は、1600年代初頭に裕福なヨーロッパ人によって実践され、[ 21 ] 1600年代末にはヨーロッパとアメリカ大陸で普及しました。[ 153 ]この習慣は、機械式の圧縮サイクル製氷機に取って代わられました。

蒸発冷却

蒸発冷却器

乾燥した暑い気候では、吸気口に水を置くことで蒸発冷却効果を利用し、通風によって水面を伝わる空気が家の中に取り込まれるようにすることができます。このため、暑く乾燥した気候の建築における噴水は、寒冷な気候の建築における暖炉のようなものだと言われることがあります。[ 17 ]蒸発冷却は空気の湿度を高める効果もあり、乾燥した砂漠気候では有益です。[ 154 ]

蒸発式冷却器は、湿度の高い時期には、居住者にとって可能な限り涼しい空気を提供するために冷却器が機能するために必要な乾燥した空気が少なくなり、まるで動作していないかのように感じられることがあります。他のタイプのエアコンとは異なり、蒸発式冷却器は、外気を冷却パッドに通して冷却し、ダクトシステムを通って室内に到達する前に冷却します。この冷却された外気は、開いたドアや窓などの排気口から室内の暖かい空気を押し出す必要があります。[ 155 ]

政治討論

エアコンについては、特にこの技術が比較的普及していないヨーロッパ諸国において、長年にわたる政治的論争が続いています。最も強い反対勢力は、一般的に環境保護主義者、欧州連邦主義者、そして左派政党であり、一方、支持勢力は政治的に右派である傾向があります。[ 156 ] [ 157 ]

参照

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