暖房、換気、空調
HVACシステムの主要コンポーネントを示す図
新鮮な空気の取り入れ口が見える屋上 HVAC ユニット
排気口付き換気ダクト。建物全体に設置され、室内の空気を出し入れします。中央にはダンパーがあり、通気口を開閉することで、空間に入る空気の量を調整します。
家庭用HVAC設備の制御回路。基板の右上にある青い端子台に接続された配線はサーモスタットにつながっています。ファンエンクロージャは基板のすぐ後ろにあり、上部にはフィルターが見えます。安全インターロックスイッチは左下にあります。下部中央にはコンデンサがあります。

暖房、換気、空調( HVAC / ˈ eɪ tʃ ˌ v æ k / ) システムは、住宅、商業、工業ビル、および密閉された車両内の温度、湿度、室内空気質を調整するために高度な技術を使用します。その目的は、温度による快適さを提供し、空気から汚染物質を除去することです。 HVAC システム設計は、熱力学、流体力学、熱伝達の原理に基づいた機械工学のサブ分野です。 現代の HVAC 設計は、特にグリーン ビルディングソリューションの需要の高まりを受けて、エネルギー効率と持続可能性に重点を置いています。 現代の建設では、MEP (機械、電気、配管) エンジニアが HVAC システムをエネルギー モデリング手法と統合して、システム パフォーマンスを最適化し、運用コストを削減します。 「Refrigeration 」は、 HVAC&RまたはHVACRのように分野の略語に追加される場合があり、またはHACR (HACR 定格の回路ブレーカーの指定など)のように「ventilation」が省略される場合もあります。

HVAC は、戸建て住宅、アパート、ホテル、高齢者施設などの住宅構造、高層ビルや病院などの中規模から大規模の工業ビルやオフィスビル、自動車、電車、飛行機、船、潜水艦などの乗り物、そして屋外の新鮮な空気を利用して温度と湿度に関する 安全で健康的な建物環境が調整される海洋環境において重要な役割を果たします。

換気（ HVACの「V」）とは、あらゆる空間の空気を交換または入れ替えることで、室内空気の質を高めるプロセスであり、温度調節、酸素補給、湿気、臭気、煙、熱、埃、浮遊細菌、二酸化炭素、その他のガスの除去が含まれます。[ 1 ]換気は、不快な臭いや過剰な湿気を除去し、外気を導入し、室内の空気を循環させます。建物の換気方法は、機械式（強制換気）と自然換気に分類されます。[ 2 ]

概要

暖房、換気、空調という3つの主要機能は相互に関連しており、特に、合理的な設置、運用、保守コストの範囲内で、温熱的快適性と許容可能な室内空気質を提供する必要性が高まっています。HVACシステムは、住宅環境と商業環境の両方で使用できます。HVACシステムは換気を提供し、空間間の圧力関係を維持します。空間への空気の供給と排出の手段は、室内空気分配と呼ばれます。[ 3 ]

個別のシステム

現代の建物では、これらの機能の設計、設置、制御システムは、 1つまたは複数のHVACシステムに統合されています。非常に小規模な建物の場合、請負業者は通常、必要なシステムの容量と種類を見積もり、適切な冷媒と様々な必要なコンポーネントを選択してシステムを設計します。より大規模な建物の場合、ビル設備設計者、機械エンジニア、またはビル設備エンジニアがHVACシステムの分析、設計、仕様を決定します。その後、専門の機械請負業者とサプライヤーがシステムの製造、設置、試運転を行います。通常、あらゆる規模の建物において、建築許可と設備の法令遵守検査が必要です。[ 4 ] [ 5 ]

地区ネットワーク

HVACは個々の建物やその他の密閉空間（ NORADの地下本部など）で実行されますが、使用される機器は、より大規模な地域暖房（DH）または地域冷房（DC）ネットワーク、あるいは複合DHCネットワークの延長である場合もあります。このような場合、運用と保守の側面は簡素化され、消費されたエネルギー、そして場合によってはより大規模なシステムに戻されるエネルギーに対して課金するために計測が必要になります。例えば、ある建物では冷水を空調に使用し、そこから戻される温水は別の建物の暖房や、DHCネットワーク全体の暖房部分に使用されることがあります（温度を上げるためのエネルギーが追加される可能性が高い）。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

HVACを大規模ネットワーク上に構築することで、個々の建物では実現が難しい規模の経済性を実現し、太陽熱[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]、冬の寒さ[ 12 ] [ 13 ] 、湖や海水によるフリークーリングなどの再生可能エネルギー源の利用、季節的な熱エネルギー貯蔵機能などの利点が得られます。HVACに自然エネルギーを利用することは、環境に大きな利益をもたらし、代替手段への意識を高めることができます。

歴史

HVACは、ニコライ・リボフ、マイケル・ファラデー、ローラ・C・カーペンター、ウィリス・キャリアー、エドウィン・ルード、ルーベン・トレイン、ジェームズ・ジュール、ウィリアム・ランキン、サディ・カルノー、アリス・パーカーなど多くの人々による発明と発見に基づいています。[ 14 ]

この時期には、最初の快適空調システムが登場する前の複数の発明がありました。このシステムは1902年にアルフレッド・ウルフ（Cooper, 2003）によってニューヨーク証券取引所向けに設計され、ウィリス・キャリア社は同年、サケッツ・ウィルヘムズ印刷会社にプロセス空調ユニットを納入しました。コイン・カレッジは1899年にHVAC（暖房・換気・空調）の研修を提供する最初の学校となりました。[ 15 ]住宅用エアコンは1914年までに設置され、1950年代までには「住宅用エアコンの普及」が進みました。[ 16 ]

HVAC システムのコンポーネントの発明は産業革命と並行して行われ、近代化、効率性の向上、システム制御の新しい方法が世界中の企業や発明家によって絶えず導入されています。

加熱

暖房器具は、建物に熱（暖かさ）を発生させることを目的とした機器です。これはセントラルヒーティングによって実現されます。セントラルヒーティングシステムには、ボイラー、炉、またはヒートポンプが組み込まれており、家庭の炉室や大規模建物の機械室など、中央の場所で水、蒸気、または空気を加熱します。熱は対流、伝導、または輻射によって伝達されます。スペースヒーターは、単一のユニットで構成され、個々の部屋を暖めるために使用されます。

世代

セントラルヒーティングユニット

ヒーターは、固体燃料、液体燃料、気体燃料など、様々な燃料に対応しています。また、電気による熱源も存在します。電気は通常、高抵抗線（ニクロム線参照）で構成されたリボン状の熱源です。この原理は、ベースボードヒーターやポータブルヒーターにも用いられています。電気ヒーターは、ヒートポンプシステムのバックアップまたは補助熱源としてよく使用されます。

ヒートポンプは1950年代に日本とアメリカ合衆国で普及しました。[ 17 ]ヒートポンプは、環境空気、建物からの排気、地面など、様々な熱源から熱を取り出すことができます。ヒートポンプは建物の外部の熱を建物内の空気へ移動させます。当初、ヒートポンプHVACシステムは温暖な気候でのみ使用されていましたが、低温運転の改善と住宅の高効率化による負荷の軽減により、寒冷な気候でも人気が高まっています。また、逆方向に運転して室内を冷やすこともできます。[ 18 ] [ 19 ]

分布

水/蒸気

温水または蒸気の場合、配管を用いて熱を室内へ輸送します。現代の温水ボイラー暖房システムのほとんどは、循環ポンプ（ポンプ）を備えており、温水を配管システムを通して循環させます（従来の重力給湯システムとは異なります）。熱は、ラジエーター、温水コイル（ハイドロエア）、またはその他の熱交換器を用いて周囲の空気に伝達されます。ラジエーターは壁に取り付けることも、床下に設置して床暖房にすることもできます。

水を熱伝達媒体として使用する方法はハイドロニクス（温水暖房）として知られています。加熱された水は補助熱交換器に供給され、入浴や洗濯用の温水として利用することもできます。[ 20 ] [ 4 ]

空気

温風システムは、給気ダクトと還気ダクトを通して加熱された空気を分配します。給気と還気は金属製またはグラスファイバー製のダクトを通して行われます。多くのシステムでは、空調用の蒸発器コイルで冷却された空気を同じダクトで分配します。給気は通常、エアフィルターを通して埃や花粉粒子を除去します。[ 21 ]

危険

室内暖房として炉、暖房器具、ボイラーを使用すると、不完全燃焼が発生し、一酸化炭素、窒素酸化物、ホルムアルデヒド、揮発性有機化合物、その他の燃焼副生成物が排出される可能性があります。不完全燃焼は酸素が不足しているときに発生します。投入される燃料には様々な汚染物質が含まれており、排出される副生成物は有害な副生成物であり、最も危険なのは一酸化炭素です。一酸化炭素は無味無臭のガスですが、深刻な健康被害をもたらします。[ 22 ]

適切な換気がない場合、一酸化炭素は1000ppm（0.1%）の濃度で致死的となる可能性があります。しかし、数百ppmでは、一酸化炭素への曝露は頭痛、疲労、吐き気、嘔吐を引き起こします。一酸化炭素は血液中のヘモグロビンと結合して一酸化炭素ヘモグロビンを形成し、血液の酸素運搬能力を低下させます。一酸化炭素曝露に関連する主な健康上の懸念は、心血管系および神経行動への影響です。一酸化炭素は動脈硬化（動脈硬化）を引き起こし、心臓発作を引き起こすこともあります。神経学的には、一酸化炭素への曝露は手と目の協調性、警戒心、継続的な作業能力を低下させます。また、時間識別能力にも影響を与える可能性があります。[ 23 ]

換気

換気とは、あらゆる空間の空気を交換または入れ替えることで、温度を調節したり、湿気、臭気、煙、熱、埃、浮遊細菌、二酸化炭素などを除去したり、酸素を補充したりするプロセスです。有害な汚染物質の蓄積を防ぎ、新鮮な空気の循環を確保することで、健康的な室内環境を維持する上で重要な役割を果たします。建物の設計や空気質のニーズに応じて、窓からの自然換気や機械換気システムなど、さまざまな方法を使用できます。換気とは、多くの場合、建物の屋内空間に外気を意図的に送り込むことを指します。これは、建物内で許容できる室内空気質を維持するための最も重要な要素の一つです。

換気は室内空気質に重要な役割を果たしますが、それだけでは十分ではない可能性があります。[ 24 ]換気の性能を向上させるには、屋内と屋外の両方の空気質パラメータを明確に理解する必要があります。[ 25 ]屋外の汚染が室内の空気質を悪化させるシナリオでは、ろ過などの他の処理装置も必要になる場合があります。[ 26 ]

建物の換気方法は、機械的/強制換気と自然換気に分けられます。[ 27 ]

機械的または強制的な

12階建ての建物のHVAC換気排気
地下駐車場に設置された軸流ベルト駆動式排気ファン。この排気ファンの作動は、内燃機関から排出される汚染物質の濃度と連動しています。

機械換気（強制換気）は、エアハンドラー（AHU）によって行われ、室内空気質の制御に使用されます。過剰な湿度、臭気、汚染物質は、多くの場合、希釈または外気との置換によって制御できます。しかし、湿度の高い気候では、換気空気から過剰な水分を除去するためにより多くのエネルギーが必要になります。

キッチンやバスルームには、臭気や湿度を抑えるために機械式排気装置が設置されていることがよくあります。このようなシステムの設計においては、流量（ファンの回転速度と排気口のサイズによって決まります）と騒音レベルが考慮される必要があります。ダイレクトドライブファンは様々な用途に利用でき、メンテナンスの必要性を軽減できます。

夏には、シーリングファンや卓上扇風機、フロアファンを使って室内の空気を循環させ、汗の蒸発を促進して体感温度を下げます。また、熱気は上昇するため、冬には天井から床下へと暖かい成層空気を循環させ、室内を暖かく保つことができます。

受け身

下降通風システムによる換気、つまり「プレナム」原理による換気が教室に適用された（1899年）

自然換気とは、ファンやその他の機械装置を使用せずに、外気を取り入れて建物を換気することです。空間が狭く、建築上の制約が許せば、開閉可能な窓、ルーバー、トリクルベントなどを利用して換気することも可能です。ASHRAE （米国建築基準局）は、自然換気を「開いた窓、ドア、グリル、その他の建物外壁の貫通部を通る空気の流れ、および自然または人工的に発生する圧力差によって駆動される空気の流れ」と定義しています。[ 2 ]

自然換気戦略には、建物の反対側の風圧差を利用するクロスベンチレーションも含まれます。窓や通気口などの開口部を反対側の壁に戦略的に配置することで、空気が空間を循環し、冷却と換気を強化します。クロスベンチレーションは、建物内に空気の流れが遮られず、明瞭な経路がある場合に最も効果的です。

より複雑な方式では、暖かい空気が上昇し、建物の高い開口部から外へ排出されます（煙突効果）。その結果、冷たい外気が建物の低い開口部から引き込まれます。自然換気方式はエネルギー消費量が非常に少ないですが、快適性を確保するためには注意が必要です。温暖または多湿の気候では、自然換気のみで快適な温度を維持することは難しい場合があります。空調システムは、バックアップまたは補助として使用されます。エアサイドエコノマイザーも外気を利用して空間を調整しますが、ファン、ダクト、ダンパー、および制御システムを使用して、適切なタイミングで冷たい外気を導入・分配します。

自然換気の重要な要素は、換気量、つまり1時間あたりの換気量を空間の容積で割った値である。例えば、1時間あたり6回の換気は、空間の容積に等しい量の新しい空気が10分ごとに追加されることを意味する。人間の快適性を確保するためには、通常、1時間あたり最低4回の換気が必要であるが、倉庫では2回しか換気されない場合もある。換気量が多すぎると、 1時間あたり数千回の換気が行われる風洞のように、不快な思いをさせる可能性がある。換気量が最も高いのは、混雑した空間、バー、ナイトクラブ、業務用厨房で、1時間あたり約30～50回の換気である。[ 28 ]

室内圧は、室外に対して正圧または負圧のいずれかになります。正圧は、給気量が排気量を上回る場合に発生し、外部からの汚染物質の侵入を減らすためによく使用されます。[ 29 ]

空気感染病

自然換気[ 30 ]は、結核、風邪、インフルエンザ、髄膜炎、COVID-19などの空気感染性疾患の蔓延を減らす上で重要な要素です。ドアや窓を開けることは、自然換気を最大限に活用する良い方法であり、高価でメンテナンスが必要な機械システムよりも空気感染のリスクを大幅に低減できます。天井が高く大きな窓のある昔ながらの臨床エリアは、最高の保護を提供します。自然換気は費用がかからずメンテナンスも不要で、特に結核や施設内結核感染の負担が最も大きい、資源が限られた環境や熱帯気候の環境に適しています。呼吸器系の隔離が困難で気候が許す環境では、空気感染のリスクを減らすために窓やドアを開けるべきです。自然換気はメンテナンスがほとんど必要なく、費用もかかりません。[ 31 ]

気候の影響により、多くのインフラにおいて自然換気は現実的ではありません。そのため、施設には効果的な機械換気システム、あるいは天井レベルUV換気システムまたは遠紫外線換気システムを設置する必要があります。

Alpha Black Edition - UVC（紫外線殺菌照射）搭載のSirairエアコン

換気は1時間あたりの換気回数（ACH）で測定されます。2023年現在、CDCはすべての空間で最低5ACHを確保することを推奨しています。[ 32 ]空気感染が発生する病室の場合、CDCは最低12ACHを推奨しています。[ 33 ]施設の換気における課題は、一般市民の無知、[ 34 ] [ 35 ]政府の監督の不十分さ、快適性に基づいた建築基準の不備、システムの運用の不備、メンテナンスの不備、透明性の欠如です。[ 36 ]

UVC（紫外線殺菌照射）は、現代のエアコンに搭載されている機能で、内蔵のLED紫外線ライトから蒸発器全体に穏やかな光を照射することで、空気中のウイルス、バクテリア、真菌を除去します。クロスフローファンが室内の空気を循環させると、ウイルスは殺菌モジュールの照射範囲に誘導され、瞬時に不活性化されます。[ 37 ]

空調

空調システム、または独立型エアコンは、建物全体または一部の冷却や湿度制御を行います。空調設備のある建物では、窓が密閉されていることがよくあります。これは、窓を開けたままにしておくと、室内の空気の状態を一定に保つというシステムの機能に反するからです。屋外では、新鮮な空気は通常、通気口から混合空気室に吸い込まれ、空間の還気と混合されます。その後、混合空気は室内または室外の熱交換器セクションに入り、そこで冷却された後、正圧を生み出す空間へと導かれます。還気中の新鮮な空気の割合は、通常、この通気口の開度を調整することで調整できます。標準的な新鮮な空気の取り込み量は、給気量全体の約10%です。

空調と冷蔵は、熱を除去することによって行われます。熱は、放射、対流、伝導によって除去されます。熱伝達媒体は、水、空気、氷、化学物質などであり、これらは冷媒と呼ばれます。冷媒は、コンプレッサーを用いて熱力学的冷凍サイクルを駆動するヒートポンプシステム、またはポンプを用いて冷たい冷媒（通常は水またはグリコール混合物）を循環させるフリークーリングシステムのいずれかで使用されます。

冷凍サイクル

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

冷凍サイクルでは、コンプレッサー、コンデンサー、計量装置、蒸発器という 4 つの重要な要素を使用して冷却を行います。

  • コンプレッサーの入口では、システム内の冷媒は低圧・低温のガス状態にあります。コンプレッサーは冷媒ガスを高圧・高温まで昇圧します。
  • そこから熱交換器（凝縮コイルまたはコンデンサーと呼ばれることもあります）に入り、そこで外部に熱が奪われ、冷却されて液相に凝縮されます。
  • 膨張弁（計量装置とも呼ばれる）は冷媒液が適切な速度で流れるように調節します。
  • 液体冷媒は別の熱交換器に戻され、そこで蒸発します。そのため、この熱交換器は蒸発コイルまたは蒸発器と呼ばれることもあります。液体冷媒が蒸発すると、室内の空気から熱を吸収し、コンプレッサーに戻り、このサイクルを繰り返します。この過程で、室内の熱が吸収され、屋外に放出されます。その結果、建物は冷却されます。

気候が変化する環境では、冬季の暖房から夏季の冷房に切り替える逆転弁がシステムに組み込まれることがあります。冷媒の流れを逆転させることで、ヒートポンプ冷凍サイクルは冷房から暖房へ、あるいはその逆へと切り替わります。これにより、同一の機器で、同一の手段とハードウェアを用いて、施設の暖房と冷房の両方が可能になります。

フリークーリング

フリークーリングシステムは非常に高い効率性を有し、冬の冷気を夏のエアコンに利用できるよう、季節蓄熱システムと組み合わせられることもあります。一般的な蓄熱媒体は、深層帯水層、または熱交換器を備えた小口径のボーリング孔群を介してアクセスできる天然の地下岩盤です。小規模な蓄熱システムの中には、冷房期の早い時期にフリークーリングを使用し、その後ヒートポンプを用いて蓄熱装置からの循環水を冷却するハイブリッドシステムもあります。ヒートポンプが追加されるのは、システムが冷却モード（蓄熱モードではなく）にあるときに蓄熱装置がヒートシンクとして機能し、冷房期に温度が徐々に上昇するためです。

一部のシステムには「エコノマイザモード」が搭載されており、これは「フリークーリングモード」と呼ばれることもあります。エコノマイザモードの場合、制御システムは外気ダンパーを（完全にまたは部分的に）開き、還気ダンパーを（完全にまたは部分的に）閉じます。これにより、新鮮な外気がシステムに供給されます。外気が要求される冷気よりも低い場合、機械的な冷却装置（通常は冷水または直膨張式「DX」ユニット）を使用せずに要求を満たすことができ、エネルギーを節約できます。制御システムは、外気と還気の温度を比較することも、湿度が問題となる気候でよく行われるように、空気のエンタルピーを比較することもできます。どちらの場合も、システムがエコノマイザモードに入るには、外気が還気よりもエネルギーが低い必要があります。

パッケージ分割システム

北米の住宅、オフィス、公共の建物には、室外機と凝縮器/蒸発器を組み合わせたセントラル式の「全空気」空調システム（またはパッケージシステム）がよく設置されているが、かさばる空気ダクトが必要となるため、改修（設置を想定していない建物への設置）が困難である。[ 38 ]（このような状況ではミニスプリットダクトレスシステムを使用する）。北米以外では、パッケージシステムは、スタジアム、劇場、展示ホールなど、大規模な屋内スペースを必要とする限られた用途にのみ使用されている。

パッケージシステムの代替として、スプリットシステムで室内と室外のコイルを別々に使用する方法があります。スプリットシステムは北米を除く世界中で好まれ、広く使用されています。北米では、スプリットシステムは住宅用途で最もよく見られますが、小規模の商業ビルでも人気が高まっています。スプリットシステムは、ダクト工事が不可能な場合や空間調節の効率が最優先事項である場合に使用されます。[ 39 ]ダクトレス空調システムの利点には、設置が簡単、ダクト工事が不要、ゾーン制御の向上、制御の柔軟性、静かな動作などがあります。[ 40 ]空間調節において、ダクト損失はエネルギー消費の30%を占めることがあります。[ 41 ]ミニスプリットを使用すると、ダクトに関連する損失がないため、空間調節のエネルギーを節約できます。

スプリットシステムでは、室外機から直接空気を送るのではなく、室内機と室外機の間に冷媒配管を設け、蒸発器コイルを遠隔地の凝縮器ユニットに接続します。指向性通気口付きの室内機は、壁面、天井吊り下げ、または天井埋め込みで設置されます。その他の室内機は天井裏に設置され、短いダクトで室内機からの空気を室内の通気口やディフューザーに送ります。

スプリットシステムはパッケージシステムよりも効率が高く、設置面積も一般的に小さくなります。一方、ファンモーターが屋外に設置されているため、パッケージシステムはスプリットシステムに比べて室内の騒音レベルが若干低くなる傾向があります。

除湿

空調システムにおける除湿（空気乾燥）は、蒸発器によって行われます。蒸発器は露点以下の温度で動作するため、空気中の水分は蒸発器のコイル管に結露します。この水分は蒸発器の底部の受皿に集められ、配管を通して中央排水口または屋外の地面に排出されます。

除湿機は、エアコンのような装置で、部屋や建物の湿度を制御します。地下室は温度が低く、床や壁が湿りやすいため、相対湿度が高くなるため、除湿機は地下室でよく使用されます。食品小売店では、大型の開放型冷蔵キャビネットが室内の除湿に非常に効果的です。逆に、加湿機は建物の湿度を上げます。

ほぼすべての建物において、年間の湿度負荷の大部分は屋外空気から発生するため、換気空気を除湿するHVACコンポーネントには細心の注意を払う必要がある。[ 42 ]

加湿

加湿器は、室内または密閉された空間内の空気中の湿度を高めるために設計された家庭用電化製品または装置です。周囲の空気中に水滴または蒸気を放出することで湿度を高めます。

家庭では、特定の部屋のみを加湿するために設置型加湿器が一般的に使用されますが、住宅のHVACシステムに接続する全館加湿器や暖房加湿器は、家全体に湿度を提供します。医療用人工呼吸器には、患者の快適性を高めるために加湿器が組み込まれていることがよくあります。大型加湿器は、商業施設、公共施設、または産業施設で使用され、多くの場合、より大規模なHVACシステムの一部として使用されます。

メンテナンス

現代のエアコンシステムはすべて、小型の窓用パッケージエアコンであっても、内蔵エアフィルターを備えています。これらのフィルターは通常、軽量のガーゼのような素材でできており、状況に応じて交換または洗浄する必要があります。例えば、埃の多い環境にある建物や、ペットを飼っている家庭では、埃の少ない建物よりも頻繁にフィルターを交換する必要があります。フィルターを必要に応じて交換しないと、熱交換率が低下し、エネルギーの無駄、機器寿命の短縮、光熱費の増加につながります。また、風量が少ないと蒸発器コイルが凍結し、風量が完全に止まってしまうこともあります。さらに、フィルターがひどく汚れていたり、目詰まりしていると、暖房サイクル中に過熱を引き起こし、システムの損傷や火災につながる可能性があります。

エアコンは室内コイルと室外コイルの間で熱を移動させるため、両方を清潔に保つ必要があります。つまり、蒸発器コイルのエアフィルターを交換するだけでなく、凝縮器コイルも定期的に清掃する必要があります。凝縮器コイルは、蒸発器が吸収した室内の熱と、コンプレッサーを駆動する電動モーターから発生する熱の両方を放出する役割を担っているため、凝縮器を清潔に保たないと、最終的にはコンプレッサーに損傷を与えることになります。[ 43 ]

エネルギー効率

HVACシステムは、建物のエネルギー効率を向上させる上で重要な役割を果たします。これは、建築部門が世界のエネルギー消費の大部分を占めているためです。[ 44 ] 1980年代以降、HVAC機器メーカーはシステム効率の向上に注力してきました。当初、これらの取り組みはエネルギーコストの上昇によって推進されましたが、近年では、環境の持続可能性とより厳しい効率規制が主な動機となっています。さらに、HVACシステムの効率を向上させることで、室内の空気質が向上し、居住者の健康、快適性、生産性の向上につながる可能性があります。[ 45 ]米国では、EPAが長年にわたってより厳しい規制を課してきました。 HVACシステムをより効率的にする方法はいくつかあります。

暖房エネルギー

かつては、建物の暖房には水加熱の方が効率的で、アメリカでは標準でした。今日では、強制空気加熱システムは空調にも利用でき、より普及しています。

現在、教会、学校、高級住宅などで広く使用されている強制空気システムの利点は、

  • 空調効果の向上
  • 最大15～20%のエネルギー節約
  • 均一なコンディショニング

欠点は設置コストで、従来の HVAC システムよりも若干高くなる可能性があります。

セントラルヒーティングシステムでは、ゾーン暖房を導入することでエネルギー効率をさらに向上させることができます。これにより、非セントラルヒーティングシステムと同様に、よりきめ細かな熱供給が可能になります。各ゾーンは複数のサーモスタットによって制御されます。温水暖房システムではサーモスタットがゾーンバルブを制御し、強制空気暖房システムでは通気口内のゾーンダンパーを制御します。ゾーンダンパーは空気の流れを選択的に遮断します。この場合、制御システムは適切な温度を維持するために非常に重要です。

予測は、各時間単位に建物に供給する必要がある暖房エネルギーの需要を計算することによって、建物の暖房を制御するもう 1 つの方法です。

地中熱ヒートポンプ

地中熱（地熱）ヒートポンプは通常のヒートポンプと似ていますが、外気との間で熱を移動するのではなく、安定した均一な地中温度を利用して暖房や冷房を行います。多くの地域では季節によって気温が極端に変化するため、建物の冷暖房には大容量の暖房および冷房装置が必要になります。たとえば、モンタナ州の最低気温 -57 °C（-70 °F）の建物を暖房したり、 1913 年にカリフォルニア州デスバレーで記録された米国史上最高気温 57 °C（134 °F）の建物を冷やしたりするために使用される従来のヒートポンプ システムでは、屋内と屋外の気温差が大きいため、大量のエネルギーが必要になります。ただし、地表から 1 メートル下では、地面の温度は比較的一定に保たれています。比較的温度が穏やかな地中の大きな熱源を利用すると、暖房または冷房システムの容量を大幅に削減できる場合が多くあります。地表温度は緯度によって異なりますが、地下 1.8 メートル (6 フィート) では、一般的に 7 ～ 24 °C (45 ～ 75 °F) の範囲になります。

ソーラーエアコン

太陽光発電パネルは、エアコンの運用コストを削減する新たな可能性を秘めています。従来のエアコンは交流で稼働するため、直流で稼働する太陽光発電をこれらの機器と互換性を持たせるには、直流電力を変換する必要がありました。しかし、新しい可変速DCモーターユニットは、この変換が不要で、またモーターが太陽光発電の変動（例えば雲の影響）に伴う電圧変動にも耐性があるため、太陽光発電による稼働がより容易になります。

換気エネルギー回収

エネルギー回収システムでは、熱交換器やエンタルピーホイールを用いて排気から顕熱または潜熱を回収する熱回収換気システムやエネルギー回収換気システムを利用する場合があります。これは、屋内の滞留した空気から外部から取り込む新鮮な空気へエネルギーを移動させることによって行われます。

空調エネルギー

蒸気圧縮冷凍サイクルの性能は、熱力学によって制限されます。[ 46 ]これらの空調機器やヒートポンプ機器は、熱をある形から別の形に変換するのではなく移動するため、熱効率ではこれらの機器の性能を適切に説明できません。性能係数(COP) は性能を測定しますが、この無次元の測定方法は採用されていません。その代わりに、多くの HVAC システムの性能を表すのに伝統的にエネルギー効率比 ( EER ) が使用されてきました。EER は、屋外温度 35 °C (95 °F) に基づいたエネルギー効率比です。一般的な冷房シーズン中の空調機器の性能をより正確に説明するために、EER の修正版である季節エネルギー効率比 ( SEER )、またはヨーロッパではESEERが使用されます。SEER 評価は、一定の 35 °C (95 °F) の外気温ではなく、季節の平均気温に基づいています。現在の業界最小 SEER 評価は 14 SEER です。エンジニアたちは、既存のハードウェアの効率性を改善できる点をいくつか指摘しています。例えば、空気を動かすために使用されるファンブレードは、通常、金属板から打ち抜かれており、これは経済的な製造方法ですが、その結果、空気力学的に効率的ではありません。適切に設計されたブレードは、空気を動かすために必要な電力を3分の1に削減できる可能性があります。[ 47 ]

デマンド制御キッチン換気

デマンド制御厨房換気（DCKV）は、業務用厨房における実際の調理負荷に応じて厨房の排気量と給気量を制御する建物制御手法です。従来の業務用厨房換気システムは、調理量に関係なくファン速度100%で稼働していましたが、DCKV技術はこれを変更し、ファンのエネルギー消費量と空調空気消費量を大幅に削減します。スマートセンシング技術を導入することで、排気ファンと給気ファンの両方を制御し、モーターのエネルギー消費量削減、補給空気の加熱・冷却エネルギーの削減、安全性の向上、厨房周囲の騒音レベルの低減といった相乗効果を得ることができます。 [ 48 ]

空気ろ過と清掃

空気処理ユニットは、空気の加熱、冷却、ろ過に使用されます。

空気清浄と濾過は、空気中の粒子、汚染物質、蒸気、ガスを除去します。濾過・浄化された空気は、暖房、換気、空調に使用されます。建物の環境を保護する際には、空気清浄と濾過を考慮する必要があります。[ 49 ]汚染物質が存在する場合、適切に除去または濾過されないと、HVACシステムから汚染物質が排出される可能性があります。

清浄空気供給率（CADR）とは、空気清浄機が部屋や空間に供給する清浄空気の量です。CADRを決定する際には、空間内の空気流量が考慮されます。例えば、毎分30立方メートル（1,000平方フィート）の流量で効率が50%の空気清浄機の場合、CADRは毎分15立方メートル（500平方フィート）です。室内環境の空気に関しては、CADRに加えて濾過性能も非常に重要です。これは、粒子または繊維のサイズ、フィルターの充填密度と深さ、そして空気流量に依存します。[ 49 ]

業界と標準

HVAC業界は世界規模の事業であり、運用・保守、システム設計・構築、機器の製造・販売、教育・研究などの役割を担っています。HVAC業界は歴史的にHVAC機器メーカーによって規制されてきましたが、HARDI（Heating, Air-conditioning and Refrigeration Distributors International）、ASHRAE、SMACNA、ACCA（Air Conditioning Contractors of America）、Uniform Mechanical Code、International Mechanical Code、AMCAといった規制・標準化団体が設立され、業界を支援し、高い基準と成果の達成を促進しています。（ULはオムニバス機関として、HVAC業界に特化した機関ではありません。）

冷房と暖房の両方の見積もりを行う際の出発点は、外部の気候と室内の特定の条件によって異なります。しかし、熱負荷計算を行う前に、加圧が重要な考慮事項となるため、各エリアの新鮮な空気の必要量を詳細に把握する必要があります。

国際的

ISO 16813:2006は、 ISO建築環境規格の一つです 。[ 50 ]建築環境設計の一般原則を定めています。居住者に健康的な室内環境を提供する必要性、将来の世代のために環境を保護する必要性、そして持続可能性のための建築環境設計に関わる様々な関係者間の協力を促進する必要性を考慮しています。ISO16813は、新築および既存建物の改修に適用されます。[ 51 ]

建築環境設計基準の目的は以下の通りである。[ 51 ]

  • 設計プロセスの初期段階から持続可能性の問題に関する制約を提供し、設計プロセスの開始当初から、建物とプラントのライフサイクル、所有コスト、運用コストを考慮に入れる。
  • 設計プロセスの各段階で、室内の空気質、温熱的快適性、音響的快適性、視覚的快適性、エネルギー効率、HVAC システム制御に関する合理的な基準を使用して提案された設計を評価します。
  • 設計プロセス全体を通じて設計の決定と評価を繰り返します。

アメリカ合衆国

ライセンス

米国では、連邦政府のライセンスは、通常、EPA 認定によって処理されます(HVAC デバイスの設置およびサービスの場合)。

米国の多くの州では、ボイラー運転に関する免許制度を設けています。その一部を以下に示します。

最後に、米国の一部の都市では、HVAC 専門家に適用される追加の労働法がある場合があります。

社会

多くのHVACエンジニアは、アメリカ暖房冷凍空調学会（ASHRAE）の会員です。ASHRAEは定期的に2つの技術委員会を毎年開催し、HVAC設計に関する公認規格を発行しています。これらの規格は4年ごとに更新されます。[ 62 ]

もう一つの人気のある学会はAHRIで、新しい冷凍技術に関する情報を定期的に提供し、関連する規格やコードを発行しています。

コード

ただし、UMCやIMCなどの規格には、設置要件に関する詳細な情報が含まれています。その他の有用な参考資料としては、SMACNA、ACGIH、技術専門誌などがあります。

アメリカの設計基準は、統一機械規格（Uniform Mechanical Code）または国際機械規格（International Mechanical Code）として制定されています。一部の州、郡、または市では、これらの規格のいずれかが、様々な立法手続きを経て採択および改正される場合があります。これらの規格は、それぞれ国際配管機械協会（IAPMO）または国際規格協議会（ICC）によって3年周期で更新・発行されています。通常、地方自治体の建築許可部門は、民間物件および特定の公共施設におけるこれらの規格の施行を担当しています。

技術者

HVAC技術者
職業
職業の種類
職業訓練
活動分野
工事
説明
必要な教育
見習い
関連する仕事
大工、電気技師、配管工、溶接工

HVAC技術者は、暖房、換気、空調、冷蔵を専門とする職人です。米国のHVAC技術者は正式な訓練機関で訓練を受けることができ、そのほとんどは準学士号を取得しています。HVAC技術者の訓練には、座学と実地訓練が含まれ、その後、卒業生が一定期間、プロのHVAC技術者と一緒に働く見習い期間が続く場合もあります。[ 63 ]訓練を受けたHVAC技術者は、空調、ヒートポンプ、ガス暖房、業務用冷凍機などの分野でも認定を受けることができます。

イギリス

英国勅許建築設備技術者協会 (CIBSE)は、建物の運営に不可欠なサービス (システム アーキテクチャ)を扱う団体です。電気技術、暖房、換気、空調、冷凍、配管産業が含まれます。建築設備技術者として訓練を受けるには、測定、計画、理論で重要な数学と科学の GCSE (AC) / 標準グレード (1-3) が必要です。雇用者は、建築環境工学、電気工学、機械工学など、工学の一分野の学位を求めることが多いでしょう。CIBSE の正式会員になり、英国工学評議会に勅許技術者として登録されるためには、エンジニアは関連する工学分野で優等学位と修士号も取得する必要があります。CIBSE は、英国市場、アイルランド共和国、オーストラリア、ニュージーランド、香港に関連する HVAC 設計ガイドをいくつか発行しています。これらのガイドには、推奨される様々な設計基準や規格が含まれており、その一部は英国の建築規制にも引用されているため、主要な建築設備工事における法的要件となっています。主なガイドは以下のとおりです。

  • ガイドA: 環境デザイン
  • ガイドB：暖房、換気、空調、冷蔵
  • ガイドC: 参照データ
  • ガイドD: 建物内の輸送システム
  • ガイドE：火災安全工学
  • ガイドF：建物のエネルギー効率
  • ガイドG：公衆衛生工学
  • ガイドH: ビル制御システム
  • ガイドJ：天気、太陽光、照度データ
  • ガイドK：建物内の電気
  • ガイドL：持続可能性
  • ガイドM: 保守エンジニアリングと管理

建設業界において、ビルサービスエンジニアは、ガス、電気、水道、暖房、照明といった基本的な設備の設計、設置、保守を監督する役割を担っています。これらはすべて、建物を快適で健康的な居住空間、職場環境へと導くものです。ビルサービスは、51,000社以上の企業を抱え、雇用者数はGDPの2～3%を占めるセクターの一部です。

オーストラリア

オーストラリア空調機械工事業者協会 (AMCA)、オーストラリア冷凍空調暖房協会 (AIRAH)、オーストラリア冷凍機械協会、および CIBSE が責任を負います。

アジア

アジアの建築における温度制御は、ヨーロッパの建築方法とは優先順位が異なります。例えば、アジアの暖房は伝統的に、床やこたつなどの家具の温度を維持し、人を直接暖めることに重点が置かれてきました。これは、近代以降の西洋建築が空調システムの設計に重点を置くようになったのとは対照的です。

フィリピン

フィリピン換気・空調・冷凍技術者協会 (PSVARE) は、フィリピン機械技術者協会 (PSME) とともに、フィリピンにおける HVAC / MVAC (MVAC は「機械換気と空調」の略) のコードと規格を統括しています。

インド

インド暖房冷凍空調技術者協会（ISHRAE）は、インドのHVAC産業の振興を目的として設立されました。ISHRAEはASHRAEの関連団体です。ISHRAEは1981年にニューデリー[ 64 ]で設立され、1989年にはバンガロールに支部が設立されました。1989年から1993年の間に、インドのすべての主要都市にISHRAE支部が設立されました。

参照

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さらに読む

  • 2020 ASHRAEハンドブック：暖房、換気、空調システムおよび機器。アトランタ、ジョージア州：アメリカ暖房冷凍空調学会。2020年。ISBN 9781947192522。
  • 国際機械規格2012.カントリークラブヒルズ、イリノイ州：国際規格協議会、2011年。ISBN 9781609830519。
  • アルトハウス、アンドリュー・D; ターンクイスト、カール・H (2013).現代冷凍空調実験室マニュアル（第17版）. グッドハート・ウィルコックス出版社. ISBN 9781619602038。
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