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空調（米国ではA/C 、英国ではair conと略されることが多い） [ 1 ]は、密閉空間から熱を除去して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、機械式エアコンを使用するか、パッシブ冷却や換気冷却などの他の方法で実現できます。[ 2 ] [ 3 ]空調は、暖房、換気、空調（HVAC）を提供するシステムと技術のファミリーの一員です。 [ 4 ]ヒートポンプは多くの点でエアコンに似ていますが、逆転弁を使用することで、密閉空間の暖房と冷房の両方を行うことができます。[ 5 ]
暑い時期には、エアコンは熱中症、過度の発汗による脱水症状、電解質バランスの崩れ、腎不全、および高体温症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、年間推定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向上させ、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、戦後の都市成長を形作った重要な要因として位置付けています。[ 11 ] [ 12 ] 2022年現在エアコンは世界の電力の約7％を消費し、温室効果ガスの3％を排出している。[ 13 ]
エアコンは、一般的に蒸気圧縮冷凍方式を採用しており、車両や個室で使用される小型ユニットから、大型ビルを冷却できる大型ユニットまで、サイズは様々です。[ 14 ] 冷暖房両方に使用できる空気源ヒートポンプは、寒冷地でますます普及しています。国際エネルギー機関（IEA）によると、2016年には世界中で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、この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、断熱などの代替手段を使用するよう求めています。
空調は先史時代にまで遡る。[ 15 ]空気の流れを促すために2つの壁の間に隙間がある二重壁の居住区は、現代のシリアにある古代都市ハムーカルで発見されている。[ 16 ]古代エジプトの建物もさまざまな受動空調技術を使用していた。[ 17 ]これらはイベリア半島から北アフリカ、中東、北インドに広まった。[ 18 ]
パッシブ技術は20世紀まで広く普及していましたが、その後流行遅れとなり、動力式空調に取って代わられました。伝統的な建物の工学的研究からの情報を用いて、パッシブ技術は21世紀の建築設計のために復活し、改良されています。[ 19 ] [ 18 ]
エアコンは、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、建物の室内環境を比較的一定に保つことを可能にする。また、奥行きのある建物を建設することを可能にし、世界の暑い地域でも人々が快適に暮らせるようにした。[ 20 ]
1558年、ジャンバッティスタ・デッラ・ポルタは、彼の人気科学書『自然魔術』の中で、氷を硝酸カリウム（当時は「硝石」と呼ばれていた）と混ぜることで、氷点よりはるかに低い温度まで冷やす方法を説明した。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] 1620年、コルネリス・ドレッベルは、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た。 [ 24 ]ドレッベルと同時代のフランシス・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、このデモンストレーションには立ち会っていなかったかもしれない。しかし、同年後半に出版された著書の中で、彼はこれを「人工凍結の実験」と表現し、「硝酸塩（あるいはその精神）は非常に冷たく、したがって硝酸塩や塩を雪や氷に加えると、後者の冷たさが強まる。硝酸塩は冷たさを加えることで、塩は雪の冷たさに活性を与えることで冷たさを強める」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、蒸発の原理を応用して物体を急速に冷却する実験を行った。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た。彼らは実験対象として水銀ガラス温度計の球部を用いた。彼らはふいごを使って蒸発を加速させた。周囲温度が18 ℃（64 °F）のとき、彼らは温度計の球部の温度を-14 ℃（7 °F）まで下げた。フランクリンは、水の凝固点である0 ℃（32 °F）を過ぎた直後に、温度計の球部の表面に薄い氷の膜が形成され、実験を-14 ℃（7 ° F）で終了した時点で氷の塊は約6mm （1/4インチ）の厚さになっていたことを指摘した。フランクリンは次のように結論付けた。「この実験から、暖かい夏の日に人間を凍死させる可能性があることがわかるだろう。」[ 25 ]
19 世紀には圧縮技術の多くの発展がありました。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ことで、液化したアンモニアを蒸発させたときに空気を冷やすことができることを発見しました。[ 26 ] 1842 年、フロリダ州の医師ジョン・ゴリーは圧縮機技術を使用して氷を作り、フロリダ州アパラチコラの病院で患者のために空気を冷やすのに使用しました。彼は最終的に、製氷機を使用して建物の温度を調節することを望んでいました。[ 26 ] [ 27 ]彼は都市全体を冷やすことができる集中空調を構想していました。ゴリーは 1851 年に特許を取得しましたが、[ 28 ]主な支援者の死後、発明を実現することはできませんでした。[ 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作り、 1855年には1日に3トンの氷を生産するエーテル蒸気圧縮冷凍システムの特許を取得しました。 [ 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、氷冷牛肉のイギリスへの販売におけるアメリカの優位性に対抗するための議論に参加しました。[ 30 ]
初期の冷却システムは一般的に、動力源として大型の往復式蒸気機関に依存していましたが、1894年にハンガリーのエンジニア、イシュトヴァーン・レックが電気モーター駆動の工業用アンモニア圧縮機（ガンツ工場との共同開発）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となりました。1896年までに、彼の工場は、現代のエアコンが広く商業化される数年前に、病院、劇場、大規模な公共ホール、さらには住宅の冷却と除湿のため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、電気モーター駆動のアンモニア圧縮機を使用して、二次冷媒（通常は塩水）を冷却することで作動しました。この冷たい塩水はパイプを通して「乾式空気冷却ユニット」（現代のエアハンドラーの前身）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送り込みました。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を除湿しました。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]
電気によって、効果的なユニットの開発が可能になった。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ているものを製作した。[ 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・リトグラフ・アンド・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位置を一定に保つのに役立った。その後、キャリアは他の6人の従業員とともに、キャリア・エアコンディショニング・カンパニー・オブ・アメリカを設立した。この会社は2020年には53,000人を雇用し、186億ドルの価値があると評価された。[ 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、繊維工場の空気に水分を加える方法を模索していた。クレイマーはその年に提出した特許請求の中で「空調」という用語を作り出し、当時繊維の加工を容易にするためのよく知られたプロセスであった「水処理」に空調が類似していると示唆した。[ 43 ]彼は水分と換気を組み合わせて工場内の空気を「調整」して変化させ、繊維工場に必要な湿度を制御した。ウィリス・キャリアはこの用語を採用し、自社の社名に組み込んだ。[ 44 ]
家庭用エアコンはすぐに普及した。1914年、最初の家庭用エアコンはミネアポリスのチャールズ・ギルバート・ゲイツの自宅に設置された。しかし、その家は無人のままだったため、このかなり大きな装置（約2.1m × 1.8m × 6.1m 、7フィート× 6フィート× 20フィート）は一度も使用されなかった可能性がある[ 26 ]（ゲイツは1913年10月にすでに亡くなっていた）。
1931年、HHシュルツとJQシャーマンは、窓辺に置くタイプの、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。このユニットは1932年に1万ドルから5万ドル（2025年の20万ドルから120万ドルに相当）で販売されました。[ 26 ] 1年後、自動車用の最初のエアコンシステムが販売されました。[ 45 ]クライスラーモーターズは1935年に最初の実用的な半ポータブルエアコンユニットを導入し、[ 46 ]パッカードは1939年に自動車メーカーとして初めて車にエアコンユニットを提供しました。[ 47 ]
20世紀後半の技術革新により、エアコンの使用がより普及しました。1945年、マサチューセッツ州リンのロバート・シャーマンは、冷房、暖房、加湿、除湿、空気ろ過機能を備えたポータブル窓用エアコンを発明しました。[ 48 ]ヘンリー・ガルソンは、より小型で安価な窓用エアコンを開発し、1947年までに43,000台以上を販売しました。これにより、エアコンが一般の人々にも利用できるようになりました。[ 49 ] [ 50 ]最初のインバーターエアコンは1980年から1981年にかけて発売されました。[ 51 ] [ 52 ]
1954年、テキサス大学オースティン校の建築学科を1939年に卒業したネッド・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」を開発した。テキサス州オースティンの北西部の平坦で木のない土地に22軒の家が建てられ、このコミュニティは「オースティン空調村」と名付けられた。住民は、国内有数のエアコン会社、建設業者、社会科学者が主導する1年間のエアコンの影響に関する研究の対象となった。さらに、テキサス大学の保健サービスおよび心理学部の研究者たちは、「人工的に冷やされた人間」への影響を研究した。より面白い発見の1つは、各家族がサソリに悩まされていると報告したことで、サソリは涼しくて日陰の場所を求めているというのが有力な説だった。その他に報告された生活様式の変化としては、母親がより多くパンを焼くようになったこと、家族がより重い食事を摂るようになったこと、そして温かい飲み物を選ぶ傾向が強くなったことなどがあった。[ 53 ] [ 54 ]
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、エアコンの普及率が上昇する傾向があります。[ 55 ] 2050 年までにエアコンの普及率が上昇する理由の 85% は世界のGDP 成長によるもので、残りの 15% は気候変動によるものと考えられます。[ 55 ]
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、彼はロンドンが夜間に郊外よりも数度暖かいことを記述した。この現象は1960年代後半に、主に日本と北米で注目を集めた。[ 56 ] [ 57 ]
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を結びつける研究が始まった。[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ]この現象は東京やヒューストンなどの様々な都市で観測された。
2016年現在推定では、世界中で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。[ 61 ]国際エネルギー機関は2018年に、エアコンの数は2050年までに約40億台に増加し、総冷却能力は約23,000 GWに増加すると予測しており、インドと中国での増加が最も大きいとしている。[ 6 ]
1995年から2004年の間に、中国の都市部の世帯におけるエアコンの普及率は8%から70%に増加した。[ 62 ] 2010年から2023年の間に、インドにおけるエアコンの使用は100世帯あたり24台に3倍に増加し、[ 63 ]ハリヤナ州、チャンディーガル、ラジャスタン州、デリーで最も普及しており、メガラヤ州、トリプラ州、マニプール州、ヒマーチャル・プラデーシュ州で最も普及していない。[ 64 ]
2015年現在米国の約1億世帯、つまり米国の世帯の約87%がエアコンシステムを備えていた。[ 65 ] 2019年には、米国で建設された新しい一戸建て住宅の90%にエアコンが設置されていると推定され、その割合は南部の99%から西部の62%まで幅があった。[ 66 ] [ 67 ]
2025年現在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た。[ 68 ]
従来のエアコンシステムでは、冷媒の強制循環と気体と液体間の相変化を利用して熱を伝達する蒸気圧縮サイクルを使用して冷却が行われます。[ 69 ] [ 70 ]蒸気圧縮サイクルは、一体型またはパッケージ型の機器内、または蒸発器側に末端冷却機器（エアハンドラーのファンコイルユニットなど）と凝縮器側に冷却塔などの排熱機器が接続されたチラー内で発生する可能性があります。空気源ヒートポンプは、エアコンシステムと多くのコンポーネントを共有していますが、逆転弁を備えているため、ユニットを空間の冷却だけでなく暖房にも使用できます。[ 71 ]
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よりも著しく低い場合、システムによって処理される空気の絶対湿度を低下させます。居住空間用に設計されたエアコンは、通常、居住空間の相対湿度を30%から60%に維持します。[ 72 ]
最新のエアコンシステムのほとんどには除湿モードがあり、このモードではコンプレッサーが作動します。同時に、ファンの回転速度を落として蒸発器の温度を下げ、より多くの水を凝縮させます。除湿機は同じ冷凍サイクルを使用しますが、蒸発器と凝縮器の両方を同じ空気経路に組み込みます。空気はまず蒸発器コイルを通過して冷却され[ 73 ]、除湿された後、凝縮器コイルを通過して再び温められ、室内に放出されます。
外気温度が室内温度より低い場合、フリークーリングを選択できることがあります。この場合、コンプレッサーを使用する必要がないため、これらの時間帯では高い冷却効率が得られます。これは、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。[ 74 ]
エアコンの中には、冷凍サイクルを逆転させて空気源ヒートポンプとして機能し、室内環境を冷やすのではなく暖房するものもあります。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、空気や地下水から熱を暖房空間に移動させ、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が高いです。ヒートポンプが暖房モードの場合、室内蒸発器コイルは役割を切り替えて凝縮器コイルになり、熱を生成し、室外凝縮器ユニットも役割を切り替えて蒸発器として機能し、冷たい空気（外気よりも冷たい）を排出します。[ 75 ]
ほとんどの空気源ヒートポンプは、外気温が 4 °C または 40 °F を下回ると効率が低下します。[ 76 ]これは、室外機の熱交換器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て、室外蒸発器コイルを凝縮器コイルに戻して加熱および除霜する必要があります。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して、冬場に不快になる可能性のある一時的な室内空気冷却を補います。
新型モデルは寒冷地での性能が向上しており、−14 °F (−26 °C)まで効率的に暖房できます。[ 77 ] [ 76 ] [ 78 ]しかし、寒冷地での性能が向上したモデルであっても、室外機の熱交換器に凝縮した湿気が凍結する可能性があり、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につれてヒートポンプの能力は低下する一方、暖房需要は増加するため、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方式と併用されることがあります。これらの従来型の暖房方式は、厳しい冬の気温時に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、気温が比較的穏やかな時期にはヒートポンプが効率的に使用され、外気温が低くなると従来型の暖房方式に切り替わります。
空調システムの成績係数( COP) は、必要な仕事に対する、提供される有効な暖房または冷房の比率です。 [ 79 ] [ 80 ] COP が高いほど、運転コストは低くなります。COP は通常 1 を超えますが、正確な値は運転条件、特にシンクとシステム間の絶対温度と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。[ 81 ]米国のエアコン機器の電力は、「冷凍トン」で表されることが多く、1 は、24 時間で 1ショート トン( 2,000 ポンド (910 kg))の氷を溶かす冷却能力にほぼ等しくなります。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。[ 82 ]住宅用セントラル エア システムは通常、容量が 1 ～ 5 トン (3.5 ～ 18 kW) です。
エアコンの効率は、多くの場合、季節エネルギー効率比（SEER）によって評価されます。これは、空調・暖房・冷凍協会が2008年に制定した規格AHRI 210/240「ユニット型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。[ 83 ]同様の規格として、欧州季節エネルギー効率比（ESEER）があります。
冷却する空気の湿度は効率に大きく影響します。冷却を試みる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パーセント削減できます。したがって、除湿コストを削減することは、空調全体のコストに大きな影響を与える可能性があります。[ 84 ]
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伝達します。赤外線LEDの出力（他の赤外線リモコンと同様）は、波長が可視光の範囲（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が容易なため、ミニスプリット型エアコンでよく使用されています。一部の窓型エアコンやダクト式セントラルエアコンでも使用されています。
有線コントローラー（「有線サーモスタット」とも呼ばれる）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装置です。温度を測定し、制御動作を実行するために、さまざまなセンサーを使用します。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、温度変化を機械的な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、エアコン本体に直接配線されるため、電池が不要となり、通常はアパート、病院、オフィス、ホテルの客室などで使用されます。
*ここで、標準的な容量はキロワット単位で、以下のとおりです。
ダクトレスシステム（多くはミニスプリットだが、現在ではダクト付きミニスプリットもある）は、通常、ダクトを使用せずに分散方式で、建物の1つまたは数部屋に空調された暖房空気を供給します。[ 85 ]マルチゾーン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）をそれぞれ独立した室内ユニットと1つの室外ユニットで同時に空調することができます。
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ました。これらの開発の動機となったのは、住宅のサイズが小さいことでした。三菱のモデルは、クロスフローファンを備えた最初のエアコンでした。[ 86 ] [ 87 ] [ 88 ] 1969年には、最初のミニスプリットエアコンが米国で販売されました。[ 89 ]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、可変冷媒流量システム（より大型のマルチスプリットシステムと考えることができます）も1982年にダイキンによって発明されました。どちらも最初に日本で販売されました。[ 90 ]可変冷媒流量システムは、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、冷冷媒ははるかに細いパイプを通って、空調する空間の室内ユニットに送られるため、吊り天井上のスペースが少なくなり、構造への影響も少なくなり、さらに空間の温度をより個別に独立して制御できるようになります。室外機と室内機は建物全体に分散配置できます。[ 91 ]可変冷媒流量室内機は、使用されていない空間では個別にオフにすることもできます。VRFのDCインバータコンプレッサーの起動電力が低く、固有のDC電力要件があるため、VRFソーラー駆動ヒートポンプはDC供給ソーラーパネルを使用して動作させることができます。
スプリットシステムセントラルエアコンは、2 つの熱交換器、つまり熱を環境に放出する室外機（凝縮器）と、配管された冷媒が 2 つの間で循環する室内熱交換器（蒸発器、またはファンコイルユニット、FCU）で構成されています。FCU は、換気ダクトによって冷却する空間に接続されます。[ 92 ]床置き型エアコンは、このタイプのエアコンと似ていますが、冷却が必要な空間内に設置されます。
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却材をポンプで送り込み、そこからダクトを通して冷気を空調対象空間に送る方式が採用されている。これは、空気の密度と熱容量が低いため、プラントから冷気を直接空調対象空間に送る方式ではなく、空気を直接空調対象空間に送る方式である。空気を直接空調対象空間に送る方式では、非現実的なほど大きなダクトが必要となる。冷水はプラント内のチラーで冷却される。チラーは冷凍サイクルを用いて水を冷却し、冷却塔を用いて液体冷却式チラーであっても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体冷却式である。[ 93 ] [ 94 ]
ポータブルシステムは、車輪付きの室内ユニットとフレキシブルパイプで室外ユニットが接続されており、固定設置型のユニット（ダクトレスセパレートエアコンなど）と同様の構造となっている。
ホース式エアコンは、モノブロック型と空対空型があり、いずれも空気ダクトを通して外部に排気されます。モノブロック型は、バケツやトレイに水を溜め、満杯になると停止します。空対空型は、水を再蒸発させてダクトホースを通して排出し、連続運転が可能です。ポータブルエアコンの多くは、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しますが、これは全体の冷却効率に悪影響を及ぼします。
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備わっています。[ 95 ]
パッケージ型ターミナルエアコン（PTAC）、壁貫通型エアコン、窓型エアコンは類似しています。これらのユニットは、窓枠または壁の開口部に設置されます。ユニットは通常、室内側と室外側を隔てる内部仕切りがあり、それぞれに凝縮器と蒸発器が収められています。PTACシステムは、電気ヒーター、ガスヒーター、その他のヒーターを直接使用して、または冷媒の流れを逆転させて室内を暖め、外気から熱を奪い、エアコンをヒートポンプに変換して、寒い時期に暖房を提供するように改造できます。壁の開口部には、壁に専用のスリーブと壁面と面一になるカスタムグリルを使用して設置できます。窓型エアコンも窓に設置できますが、カスタムグリルは不要です。[ 96 ]
パッケージ型エアコン（一体型ユニットとも呼ばれる）[ 97 ] [ 98 ]は、スプリット型セントラルシステムのすべてのコンポーネントを単一の筐体に統合し、ダクトなどを介して冷却対象の空間に空気を供給するセントラルシステムです。構造によっては、ユニットは屋外または屋内に設置でき、建物の内側または外側から空調対象の空気を取り込み、水冷または空冷が可能です。多くの場合、屋外ユニットは空冷式で、屋内ユニットは冷却塔を使用して液冷式です。[ 92 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] [ 102 ] [ 103 ]
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、およびバルブで構成されています。
この圧縮機は、2つのインターリーブスクロールを使用して冷媒を圧縮します。[ 104 ] 1つの固定スクロールと1つの回転スクロールで構成されています。このタイプの圧縮機は、往復動圧縮機よりも可動部品が70%少ないため、より効率的です。
このコンプレッサーは、非常に密接に噛み合った2つのらせん状ローターを使用してガスを圧縮します。ガスは吸入側から入り、スクリューが回転するにつれてねじ山を通って移動します。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、ガスはスクリューの端から排出されます。作動領域は、雄ローターと雌ローターの間のローブ間容積です。この容積は吸入側で最も大きく、排気口までローターの長さに沿って減少します。この容積の変化が圧縮です。
冷凍・冷暖房システムにおいて冷却能力を調整する方法はいくつかあります。冷暖房システムで最も一般的な方法は、オンオフサイクル、ホットガスバイパス、液噴射の有無、複数のコンプレッサーのマニホールド構成、機械式変調（デジタルとも呼ばれる）、インバーター技術などです。
ホットガスバイパスとは、吐出側から吸入側に一定量のガスを注入する方式です。コンプレッサーは同じ速度で運転を続けますが、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、冷却能力も低下します。そのため、バイパス運転中はコンプレッサーが無駄に運転されることになります。ターンダウン能力は0～100%の範囲で変化します。[ 105 ]
最大冷却能力を実現するために、システムには複数のコンプレッサーを設置できます。各コンプレッサーは、ユニットの冷却能力を段階的に調整するために、運転したり停止させたりすることができます。3台構成の場合、冷却能力の調整範囲は0/33/66または100%、2台構成の場合は0/50または100%となります。
この内部機械式容量変調方式は、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。この方式では、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、モーターの実際の回転速度は変化させません。冷却能力の10～100%という優れたターンダウン比を実現しているにもかかわらず、機械式変調スクロールはモーターが連続運転するため、エネルギー消費量が多くなります。
このシステムは、可変周波数駆動装置（インバータとも呼ばれる）を使用してコンプレッサーの速度を制御します。冷媒流量は、コンプレッサーの速度の変化によって変化します。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。単一のインバータでは、最大容量で15%または25%から100%まで、ハイブリッドタンデムでは12%から100%まで調整可能です。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。固定速度システムよりも最大58%効率的です。
暑い時期には、エアコンは熱中症、過度の発汗による脱水症状、電解質バランスの崩れ、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気象現象です。[ 106 ] [ 107 ] 2020年の研究では、エアコンの使用率が低い地域では、熱関連の死亡率と入院率が高いことが分かりました。[ 108 ] 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、各階に少なくとも1つのエアコン付きの部屋を設けることをすべての高齢者施設に義務付けました。[ 6 ]
2021年の報告書によると、2019年には65歳以上の約34万5000人が熱中症で死亡したと推定されており、これはエアコンで防ぐことができる。エアコンのおかげで、熱中症による死亡は年間約19万人回避されていると推定されている。[ 9 ] [ 10 ]
空調（ろ過、加湿、冷却、消毒を含む）は、病院の手術室や、患者の安全と健康にとって適切な環境が不可欠なその他の環境で、清潔で安全、低アレルギー性の環境を提供するために使用できます。アレルギー、特にカビアレルギーのある人には、家庭での使用が推奨されることもあります。[ 109 ] [ 110 ]しかし、メンテナンスが不十分な冷却塔は、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、および検査に関する要件を成文化しています。[ 111 ]
当初は報道機関や大規模工場などの特定の産業に利益をもたらすように設計されたこの発明は、すぐに公共機関や行政機関にも広まり、エアコンを備えた場所では生産性が24%近く向上したという研究結果が出ている。[ 11 ]
エアコンは、1950年代以降、暑い気候での工業活動を可能にし、冷房の効いたオフィス空間でのホワイトカラー労働の拡大を支えることで、アメリカ南部の経済発展に貢献した。また、エアコン付き車両によって郊外開発がより実現可能になったため、都市のスプロール現象や通勤パターンにも影響を与えた。歴史家は、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として挙げている。[ 12 ]
エアコンの普及は人口動態に様々な変化をもたらし、特に1970年代以降のアメリカ合衆国では顕著であった。アメリカでは1970年代までは春の出生率が他の季節よりも低かったが、その後この差は縮小した。[ 112 ] 2007年現在サンベルト地域には、20世紀初頭には米国人口の24%が居住していたのに対し、現在では米国人口の30%が居住している。[ 113 ]さらに、夏季に熱波に見舞われた地域で高かった米国の夏季死亡率も均一化した。 [ 8 ]
エアコンの使用の普及は、世界の電力需要の増加の主な要因となっている。[ 114 ]国際エネルギー機関（IEA）の2018年の報告書によると、3億2800万人のアメリカ人が使用する米国の冷房用エネルギー消費量は、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を合わせた量を超えてい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いると推定され、2010年から2020年の間に建てられた住宅のみを見ると93%に増加する。[ 115 ]
2022年には、エアコンが世界の電力の約7%を消費し、温室効果ガスの3%を排出しました。[ 13 ]国際エネルギー機関による2018年のエアコン効率に関する報告書では、冷房による電力使用量が2050年までに約6200 TWhに増加すると予測されており、[ 6 ] [ 116 ]現在見られる進歩により、冷房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予測されています。 [ 6 ]エアコンのエネルギー効率を高める動きもあります。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GHGを削減できると結論付けています。[ 117 ] UNEPとIEAはまた、今後、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制化を推奨しています。[ 117 ]
冷媒は、オゾン層破壊や気候変動などの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ます。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ためのキガリ改正をまだ批准していないためです。[ 118 ]エアコンで使用されるR-12やR-22などのCFCやHCFC冷媒はオゾン層に損傷を与えており、[ 119 ] CFCや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、逆に気候変動を悪化させています。[ 120 ]これらの問題はどちらも、修理中などの冷媒の大気への放出が原因で発生します。HFO冷媒は、ほとんどの新しい機器で使用されており、オゾン破壊係数（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桁と非常に低いため、両方の問題を解決します。[ 121 ]
キガリ改正がなければ、ハイドロフルオロカーボンは2100年までに地球の気温を約0.3～0.5 ℃（0.5～0.9 °F）上昇させていたでしょう。キガリ改正があれば、ハイドロフルオロカーボンによる2100年までの地球の気温上昇は約0.06 ℃（0.1 °F）になると予測されています。[ 122 ]
エアコンは分解や修理が難しいため、汚染の原因にもなります。また、機器の寿命が尽きた後に金属とプラスチックを分離するのは費用がかかり、実用的ではないため、機器は頻繁に廃棄されます。[ 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、エネルギー消費量と熱発生量が増加し、問題が悪化するというエアコンのパラドックスが生じていると述べている。 [ 123 ] [ 124 ] [ 125 ]
政府や研究者たちは現在、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、代替案を検討している。しかし、冷却需要と二酸化炭素排出量削減の必要性とのバランスを取ることは、依然として複雑で喫緊の課題である。[ 126 ] [ 124 ]
再生可能エネルギーが安価になり、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る。[ 127 ] [ 124 ]
HFCなどの高GWP冷媒が大気中に放出されて熱を閉じ込める危険性は、低GWP冷媒の開発によって軽減できる。[ 9 ]
年間世帯収入が約 10,000 ドル (2021 年頃) 未満の社会経済グループでは、エアコンの普及率が低い傾向があり、[ 55 ]熱中症による死亡率が悪化します。[ 8 ]冷房がないことは危険であり、エアコンの使用率が低い地域では、熱中症による死亡率と入院率が高くなっています。[ 108 ]ニューヨーク市では、早死にが 30 年間で 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々が最も危険にさらされています。[ 108 ]熱中症による死亡率と入院率、および社会経済的に低い地域に住むこととの相関関係に関する研究は、アリゾナ州フェニックス、[ 128 ]香港、[ 129 ]中国、[ 129 ]日本、[ 130 ]およびイタリアで行われています。[ 131 ] [ 132 ]医療費も別の障壁となる可能性がある。2009年のオーストラリアの熱波の際に民間医療保険に加入していなかったことが、熱中症による入院と関連していた。[ 132 ]
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と関連付けられることがあり、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、肉体的に過酷な労働に従事し、エアコンなどの冷却技術へのアクセスが限られているという認識につながっています。[ 132 ]米国のシカゴ、デトロイト、ミネアポリス、ピッツバーグの都市を調査した研究では、黒人世帯は白人世帯と比較して、セントラルエアコンユニットを所有している可能性が半分であることがわかりました。[ 133 ]特に都市部では、レッドライニングやその他の歴史的な慣行により、人種的格差はヒートアイランド現象にも現れ、都市の特定の地域で気温が上昇しています。これは、熱を吸収する建材や舗装、植生や日陰の不足が原因です。[ 132 ] [ 134 ]低所得者コミュニティに冷却ソリューションを提供する取り組みがあり、公共の冷却スペースなどがあります。[ 6 ] [ 134 ]
冷房の普及により、屋内の居住空間が拡大し、子供を含む人々が屋内で過ごす時間が増えた。[ 135 ]また、異なる地理的地域や気候帯の均一化も実現した。 [ 136 ]
常時空調の代替手段としては、パッシブクーリング、パッシブソーラークーリング、自然換気、日射熱の侵入を軽減するための日よけ、樹木の利用、建築的な日よけ、日射熱の侵入を軽減するための窓（および窓用コーティングの使用）などがあります。
パッシブ空調で設計された建物は、エネルギー需要が低い従来のHVACシステムを備えた建物よりも、一般的に建設費と維持費が安価です。 [ 137 ]パッシブ方式では、1時間に数十回の空気交換と数十度の冷却を実現できますが、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ります。[ 18 ]
建物内の快適性を高め、温度を下げるために、多くの技術が利用できます。これらには、蒸発冷却、選択的遮光、風、熱対流、蓄熱などが含まれます。[ 138 ]
パッシブ換気とは、機械的なシステムを使用せずに、室内空間に空気を供給し、室内空間から空気を排出するプロセスです。これは、自然の力によって生じる圧力差の結果として、外部の空気が室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、風による換気と浮力による換気の2種類があります。風による換気は、建物や構造物の周囲に風によって生じる圧力差と、建物の周囲に形成される開口部によって発生し、それによって建物内を空気が流れるようになります。浮力による換気は、内部と外部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。[ 139 ]
室内と室外の温度差を生み出す内部発熱は、人からの熱を含む自然のプロセスによって発生し、風の影響も変動するため、自然換気式の建物は「呼吸する建物」と呼ばれることがある。
自然由来の冷却方法は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ある。これを実現するための様々な方法が研究されてきた。
建物の構造は熱を放散するのに役立ちます。たとえば、ジンバブエのイーストゲート・デベロップメントは、シロアリの塚にヒントを得た構造を利用することでエネルギー使用量を90%削減しました。[ 124 ]
窓を覆うことで、日光による室内の熱の侵入を減らすことができます。米国エネルギー省は、窓の日よけによって日光による室内の熱の侵入を最大77%削減できると推定しています。[ 124 ]
屋根の塗装も大きな成功を収めている。米国では、屋根を白く塗ることで屋根の温度を最大30 ℃下げることができることが示されている。一方、中国では、緑化屋根（植物で覆われた屋根）の設置を含むプロジェクトにより、建物の冷房需要が削減されただけでなく、その地域の平均地表面温度も0.91 ℃低下した。[ 124 ]
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、樹木被覆によって都市部の地表面温度が夏季に最大12 ℃低下することが明らかになりました。米国で行われた別の研究では、樹木被覆率が40%に達すると、地表温度が約6 ℃低下することが分かりました。[ 124 ]
パッシブクーリングは、エネルギー消費を少なくまたはゼロにして室内の熱快適性を向上させるために、建物の熱取得制御と放熱に焦点を当てた建築設計アプローチです。 [ 140 ] [ 141 ]このアプローチは、熱が内部に入るのを防ぐ（熱取得防止）か、建物から熱を取り除く（自然冷却）かのいずれかによって機能します。[ 142 ]
自然冷却は、熱を放散するための機械システムではなく、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（建物の外皮など）の建築設計を組み合わせて利用します。 [ 143 ]したがって、自然冷却は、建物の建築設計だけでなく、敷地内の自然資源がヒートシンク（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されるかにも依存します。敷地内のヒートシンクの例としては、上層大気（夜空）、屋外の空気（風）、および大地/土壌などがあります。
パッシブクーリングは、気候変動への適応のための建物の設計において重要なツールであり、温暖化する環境下でエネルギー集約型の空調への依存度を低減します。[ 144 ] [ 145 ]
受動型日中放射冷却（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。日中放射冷却は、Raman らによる研究（2014 年）で明らかになったフォトニック構造を用いて太陽熱を抑制することで可能になりました。 [ 146 ] PDRC は、太陽光反射率と熱放射率が高くなるように設計された塗料コーティングやフィルムなど、さまざまな形態で存在します。[ 147 ] [ 148 ]
PDRCを建物の屋根や外壁に応用すると、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。[ 148 ]郊外の一戸建て住宅地では、屋根にPDRCを応用すると、エネルギーコストを26%から46%削減できる可能性があります。[ 149 ] PDRCは、2025年までに室内冷房の市場規模が約270億ドルに達す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。[ 150 ] [ 151 ]
手持ち扇子は先史時代から存在していた。建物に組み込まれた大型の人力扇風機にはパンカがある。
漢王朝の発明家、丁煥（紀元1世紀）は、直径3メートル（10フィート）の7つの車輪を備えた、囚人によって手動で動かされる空調用回転扇風機を発明した。 [ 152 ]： 99、151、233 747年、唐王朝（618 ～ 907年）の玄宗皇帝（在位712～762年）は、皇居内に涼殿（涼殿）を建設した。唐玉林によれば、涼殿には、水力で動く扇風機と噴水からの噴水があったと記されている。続く宋王朝（960～1279年）には、空調用回転扇風機がさらに広く使われるようになったことが文献で言及されている。[ 152 ]： 134、151
夜間や冬季に寒くなる地域では、蓄熱が利用される。熱は土や石積みに蓄えられ、空気が石積みの周りを流れることで、石積みを温めたり冷やしたりする。[ 19 ]
冬の夜間に氷点下になる地域では、雪や氷を集めて氷室に保管し、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3,700年以上前から行われています。[ 153 ]冬に屋外で氷を採取し、夏に使用するために輸送して保管することは、1600年代初頭に裕福なヨーロッパ人によって行われていました。[ 21 ]そして1600年代後半にはヨーロッパとアメリカで人気になりました。[ 154 ]この方法は機械式圧縮サイクル製氷機に取って代わられました。
乾燥した暑い気候では、空気取り入れ口に水を置くことで蒸発冷却効果を利用できる。これにより、空気の流れが水の上を通って家の中に流れ込む。このため、暑く乾燥した気候の建築における噴水は、寒い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る。[ 17 ]また、蒸発冷却は空気をより湿潤にするため、乾燥した砂漠気候では有益となる。[ 155 ]
蒸発式冷却器は、湿度が高い時期には、冷却器が室内の空気をできるだけ冷たくするために利用できる乾燥した空気が少ないため、機能していないように感じる傾向があります。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てから、空気ダクトシステムを通して家の中に送り込む仕組みになっています。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家の中の暖かい空気を押し出す必要があります。[ 156 ]
エアコンについては長年にわたる政治的な論争がある。この技術が比較的普及していないヨーロッパ諸国では、最も強い反対意見は一般的に環境保護主義者、欧州連邦主義者、左派政党から出ており、支持者は政治的右派から出ている傾向がある。[ 157 ] [ 158 ]
{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）私たちの方法では、先祖が言ったことを観察し、それから私自身の経験によって、それが真実か偽りかを明らかにします。
コーネリアス・ドレッベルの空調設備。
エンジニアリング誌の当時の報告では、Röck社とGanz社が展示した先進的な冷凍・換気システム、特に公共建築物の空調制御のためのアンモニア圧縮システムを駆動する電動モーターの応用について記録されている。
この雑誌は、冷却目的で使用されるアンモニア圧縮機を含む産業機械へのガンツ電気モーターの先駆的な統合を強調し、蒸気動力からの転換を指摘している。
ウィリス キャリアは、実際に空調を発明したわけでも、それを応用するための最初の科学的アプローチを文書化したわけでもないが、この発展途上の技術の科学的方法、工学、ビジネスを統合し、今日私たちが空調として知っている産業を創り出した功績があるとされている。
最大8ゾーンまでのエネルギー効率計算をサポートする、マルチゾーン住宅用冷房システムの定格電力入力（ワット）と容量範囲の参照データ。
パッシブ日中放射冷却 (PDRC) は、エネルギー入力や汚染物質の発生なしに、地球の熱を極低温の宇宙空間に放散します。エネルギー危機と地球温暖化という 2 つの大きな問題を同時に緩和する可能性を秘めています。