熱回収換気

熱回収換気( HRV ) は、機械換気熱回収( MVHR )とも呼ばれ、異なる温度の 2 つの空気源の間で動作することでエネルギーを回収する換気システムです。建物の暖房と冷房の需要を減らすために使用されます。

排気ガス中の残留熱を回収することで、空調システムに導入される新鮮な空気は、室内に入る前に予熱（または予冷）されるか、空調ユニットの空気冷却器が熱と湿気の処理を行います。^[1]建物の一般的な熱回収システムは、コアユニット、新鮮な空気と排気のチャネル、および送風ファンで構成されています。建物の排気は、気候条件、季節、および建物の要件に応じて、熱源またはヒートシンクとして使用されます。熱回収システムは通常、排気中の熱の約60〜95％を回収し、建物のエネルギー効率を大幅に改善しました。^[2]

エネルギー回収換気 (ERV) は、住宅および商業用 HVAC システムにおけるエネルギー回収プロセスであり、建物または空調された空間から通常排出される空気に含まれるエネルギーを交換し、それを使用して屋外の換気空気を処理 (事前調整) します。関連する特定の機器は、エネルギー回収換気装置と呼ばれることがあり、一般的には単にERVとも呼ばれます。

ERV は、潜熱と顕熱の両方を伝達する空気対空気熱交換器の一種です。温度と水分の両方が伝達されるため、ERV は全エンタルピー装置と呼ばれます。対照的に、熱回収換気装置 (HRV) は顕熱のみを伝達できます。HRV は顕熱のみを交換するため、顕熱のみの装置と見なすことができます。言い換えると、すべての ERV は HRV ですが、すべての HRV が ERV であるわけではありません。HRV、AAHX (空気対空気熱交換器)、および ERV という用語を同じ意味で使用するのは誤りです。^[3]

暖かい季節には、ERV システムは予冷と除湿を行い、寒い季節には加湿^と予熱を行います。^{[ 4]} ERV システムは、HVAC 設計が換気とエネルギー基準 ( ASHRAEなど) を満たすのに役立ち、室内空気の質を改善^し、HVAC 機器の総容量を減らして、エネルギー消費を削減します。ERV システムにより、HVAC システムは基本的にすべての状況で 40～50% の室内相対湿度を維持できます。ERV は、システム内の圧力降下を克服するために送風機の電力を使用する必要があるため、わずかなエネルギー需要が発生します。^[4]

熱回収システムは、一定の温度を維持するために、居住空間に調整された空気を供給するように設計されています。^{[5]熱回収システムは、屋内環境から放出される熱を回収しながら、家の}換気を維持するのに役立ちます。熱回収システムの目的は、ある流体から別の流体へ、ある流体から固体へ、または固体表面から異なる温度で熱接触している流体へ熱エネルギーを伝達することです。ほとんどの熱回収システムでは、流体と流体、または流体と固体の間に直接の相互作用はありません。一部の熱回収システムでは、流体間の圧力差により流体の漏れが見られ、2つの流体が混合します。^[6]

サーマルホイールは、回転式熱交換器、回転式空気対空気エンタルピーホイール、エネルギー回収ホイール、または熱回収ホイールとも呼ばれ、熱エネルギーを回収するために、空調ユニットまたは屋上ユニットの給気流と排気流内、または工業プロセスの排気ガス内に配置されたエネルギー回収 熱交換器の一種です。他のバリエーションには、エンタルピーホイールとデシカントホイールがあります。冷却専用のサーマルホイールは、京都ホイールと呼ばれることもあります。

回転式熱ホイールは、熱回収の機械的な手段です。回転する多孔質金属ホイールは、各流体を交互に通過することで、1つの空気流から別の空気流に熱エネルギーを伝達します。このシステムは、空気からの熱がより冷たい空気流に伝達されるまで、ホイールマトリックス内に一時的に蓄えられる蓄熱塊として機能します。^[7]

回転式熱ホイールには、ヒートホイールとエンタルピー（乾燥剤）ホイールの 2 種類があります。ヒートホイールとエンタルピーホイールには幾何学的な類似点がありますが、それぞれの設計の動作に影響する違いがあります。乾燥剤ホイールを使用するシステムでは、相対湿度が最も高い空気流の水分がホイールを通過した後に反対の空気流に移動します。これは、入気から排気へ、排気から入気への両方向に作用します。その後、給気を直接使用することも、空気をさらに冷却するために使用することもできます。これはエネルギー集約型のプロセスです。^{[8] [確認するには引用が必要] [なぜ? ]}

回転式空気対空気エンタルピーホイール熱交換器は、空気透過性材料（通常はポリマー、アルミニウム、または合成繊維）で満たされた回転シリンダーで、顕熱エンタルピー伝達に必要な大きな表面積を提供します（エンタルピーは熱の測定単位です）。ホイールが給気流と排気流の間で回転すると、熱エネルギーを吸収して、より冷たい空気流に放出します。交換の原動力となるのは、対向する空気流間の温度差（熱勾配）です。

エンタルピー交換は乾燥剤の使用によって行われます。乾燥剤は、主に対向する空気流内の蒸気の部分圧の差によって起こる吸着プロセスを通じて水分を移動させます。一般的な乾燥剤はシリカゲルと分子ふるいで構成されています。

エンタルピー ホイールは、潜熱エネルギーと顕熱エネルギーの両方を伝達する最も効果的な装置です。ローターの構成材料 (最も一般的なのはポリマー、アルミニウム、またはグラスファイバー) の選択によって耐久性が決まります。

回転エネルギー回収装置を使用する場合、エネルギーを局所的に伝達できるように、2 つの空気流が互いに隣接している必要があります。また、寒冷な気候では、ホイールの霜付きを防ぐために特別な配慮が必要です。ホイールの速度を調整したり、空気を予熱したり、システムを停止/ジョギングしたりすることで、霜付きを回避できます。

O'Connor ら^[9]は、回転式熱ホイールが建物への給気流量に与える影響について研究しました。商業用風力タワーシステムに組み込んだ場合に回転式熱ホイールが空気流量に与える影響をシミュレートする計算モデルが作成されました。シミュレーションは、閉ループ亜音速風洞でのスケールモデル実験で検証されました。両方のテストから得られたデータを比較して、流量を分析しました。回転式熱ホイールを含まない風力タワーに比べて流量は減少しましたが、学校やオフィスビルの居住者に対するガイドライン換気率は、英国の平均風速 (4～5 m/s) よりも低い外部風速 3 m/s 以上で満たされました。

この研究では、フルスケールの実験やフィールドテストのデータは完了していないため、回転式熱風車が商業用風力タワーシステムに統合可能であることを決定的に証明することはできません。ただし、回転式熱風車の導入後に建物内の空気流量が減少したにもかかわらず、その減少は換気ガイドラインの速度を満たすのを妨げるほど大きくはありませんでした。自然換気における回転式熱風車の適合性を判断するための十分な研究はまだ行われておらず、換気供給速度は満たすことができますが、回転式熱風車の熱能力はまだ調査されていません。システムへの理解を深めるには、さらなる研究が有益です。^[10]

固定プレート熱交換器には可動部品がなく、分離され密閉されたプレートの交互層で構成されています。一般的な流れは横流であり、プレートの大部分は固体で非透過性であるため、結果として伝熱のみが発生します。

入ってくる新鮮な空気の調整は、熱またはエネルギー回収コアによって行われます。この場合、コアはアルミニウムまたはプラスチックのプレートで作られています。湿度レベルは水蒸気の移動によって調整されます。これは、乾燥剤または透過性プレートのいずれかを含む回転ホイールによって行われます。^[11]

エンタルピープレートは、パッシブハウスの換気システムを専門とする会社であるポールによって2006年に導入されました。これは、湿気を透過する材料で作られた交差流の向流空気対空気熱交換器です。ポリマー固定プレートの向流エネルギー回収換気装置は、住宅、商業、産業用の空気対空気エネルギー回収装置メーカーであるBuilding Performance Equipment (BPE)によって1998年に導入されました。これらの熱交換器は、エネルギー節約と新鮮な空気を増やすための改造として、また新築の代替として導入することができます。新築の場合、エネルギー回収により、システムの必要な暖房/冷房能力が効果的に削減されます。節約される総エネルギーの割合は、デバイスの効率（最大90%の顕熱）と建物の緯度によって異なります。

固定プレートエネルギー交換器は、複数のセクションを使用する必要があるため、圧力損失が高く、設置面積が大きくなる傾向があります。また、潜在エネルギー転送量が多くないため、寒冷な気候では凍結する可能性が高くなります。

^{フィンランドのRecyclingEnergy Int. Corp. [12]}が特許を取得した技術は、周期的な凝縮と蒸発による空気の湿気、例えば潜熱を利用する再生プレート熱交換器に基づいており、年間の熱効率が高いだけでなく、セルフクリーニング/洗浄方式により微生物のないプレートを実現しています。そのため、このユニットは熱回収換気装置やエネルギー回収換気装置ではなく、エンタルピー回収換気装置と呼ばれています。同社の特許取得済みLatentHeatPumpは、夏季に33、冬季に15のCOPを持つエンタルピー回収換気装置に基づいています。

固定プレート式熱交換器は最も一般的に使用されているタイプの熱交換器であり、40年間にわたって開発されてきました。薄い金属板が小さな間隔で積み重ねられています。2つの異なる空気流がこれらの空間を隣接して通過します。熱伝達は、温度がプレートを介して一方の空気流からもう一方の空気流に伝わるときに発生します。これらの装置の効率は、顕熱を一方の空気流からもう一方の空気流に伝達する際の顕熱効率が90%に達しています。^[13]この高い効率は、使用される材料の熱伝達係数が高く、動作圧力と温度範囲が広いことに起因しています。^[2]

ヒートパイプは、多相プロセスを使用して 1 つの空気流から別の空気流に熱を伝達する熱回収装置です。^[2]熱は、一定の相変化を起こして熱を伝達する流体を含む密閉されたウィックパイプ内の蒸発器と凝縮器を使用して伝達されます。パイプ内の流体は、蒸発器セクションで流体からガスに変化し、暖かい空気流から熱エネルギーを吸収します。ガスは凝縮器セクションで流体に凝縮し、ここで熱エネルギーがより冷たい空気流に放散され、温度が上昇します。流体/ガスは、ヒートパイプの配置に応じて、圧力、ウィック力、または重力によってヒートパイプの一方から他方へ輸送されます。

ランアラウンドシステムは、他の熱回収技術の特徴を組み込んだハイブリッド熱回収システムで、1つの気流から熱を回収し、かなり離れた別の気流に熱を届けることができます。ランアラウンド熱回収の一般的なケースでは、2つの固定プレート熱交換器が2つの別々の気流に配置され、2つの熱交換器間を継続的にポンプで送られる流体を含む閉ループで接続されています。流体はループの周りを流れるときに常に加熱および冷却され、熱回収が行われます。ループを通る流体の一定の流れには、2つの熱交換器間を移動するポンプが必要です。これは追加のエネルギー需要ですが、ポンプを使用して流体を循環させると、ファンを使用して空気を循環させるよりもエネルギー消費が少なくなります。^[14]

相変化材料（PCM）は、標準的な建築材料よりも高い貯蔵容量で建物構造内に顕熱と潜熱を貯蔵するために使用される技術です。PCM は、熱を貯蔵し、暖房と冷房の需要を従来のピーク時間からオフピーク時間に移す能力があるため、広く研究されてきました。

建物の熱質量が蓄熱用であるという概念、つまり建物の物理的構造が熱を吸収して空気を冷却するという概念は、長い間理解され、研究されてきました。PCM と従来の建築材料を比較した研究では、同じ温度範囲で PCM の蓄熱容量が標準的な建築材料の 12 倍高いことが示されています。^[15] PCM 全体の圧力降下は調査されておらず、材料が空気の流れに与える影響についてコメントすることはできません。ただし、PCM は建物構造に直接組み込むことができるため、他の熱交換技術と同じように流れに影響を与えることはありません。つまり、建物構造に PCM を組み込むことで圧力損失は発生しないと考えられます。^[16]

Mardianaら^[17]は、固定プレート熱交換器を商用風力タワーに統合し、簡単に改造できるゼロエネルギー換気手段としてのこのタイプのシステムの利点を強調しました。複合システムの効果と効率を判断するために、フルスケールの実験室テストが行​​われました。風力タワーは固定プレート熱交換器と統合され、密閉されたテストルームの中央に設置されました。

この研究の結果は、風力タワーのパッシブ換気システムと固定プレート熱回収装置を組み合わせることで、排気から廃熱を回収し、エネルギー需要ゼロで流入する暖かい空気を冷却する効果的な複合技術を提供できることを示しています。試験室内の換気率に関する定量データは提供されていませんが、熱交換器を介した高圧損失により、風力タワーの標準動作よりも大幅に低下したと考えられます。この複合技術のさらなる調査は、システムの空気の流れの特性を理解する上で不可欠です。^[16]

ヒートパイプシステムの圧力損失が低いため、他の熱回収システムよりもこの技術をパッシブ換気に統合する研究が多く行われてきました。この熱回収技術を統合するためのパッシブ換気システムとして、商用風力タワーが再び使用されました。これは、商用風力タワーが空気の供給と排出を同時に行うことができるため、機械換気に代わる価値のある選択肢であるという示唆をさらに強化しています。^[16]

Flaga-Maryanczykら^[18]はスウェーデンで、入ってくる空気を温める熱源として地中熱ヒートポンプを使用するランアラウンドシステムを統合したパッシブ換気システムについて調査した。実験測定と気象データは、研究で使用されたパッシブハウスから取得された。パッシブハウスのCFDモデルは、センサーと気象観測所から取得した測定値を入力データとして使用して作成された。モデルを実行して、ランアラウンドシステムの有効性と地中熱ヒートポンプの能力を計算した。

地中熱ヒートポンプは、地表から10～20メートル下に埋め込むことで、安定した熱エネルギーを安定して供給します。地中温度は冬は外気温より暖かく、夏は外気温より冷たいため、熱源とヒートシンクの両方の役割を果たします。気候的に最も寒い2月には、地中熱ヒートポンプは住宅と居住者の暖房需要のほぼ25%を賄うことができることが分かりました。^[16]

PCMに関する研究の関心の大部分は、コンクリートや壁板などの従来の多孔質建築材料への相変化材料の統合の応用です。Kosnyら^[19]は、構造内にPCM強化建築材料を備えた建物の熱性能を分析しました。分析により、PCMの追加は熱性能の向上という点で有益であることが示されました。

熱回収のためのパッシブ換気システムで使用される PCM の大きな欠点は、異なる気流間での瞬間的な熱伝達がないことです。相変化材料は熱貯蔵技術であり、空気の温度が空気流に放出できるレベルまで下がるまで熱が PCM 内に蓄えられます。連続的で瞬間的な熱伝達が発生する、異なる温度の 2 つの気流間での PCM の使用に関する研究は行われていません。この分野の調査は、パッシブ換気熱回収研究に有益です。^[16]

出典: ^[16]

**総エネルギー交換は吸湿性ユニットと凝縮水リターンユニットでのみ利用可能

出典: ^[21]

省エネは、化石燃料の消費と地球環境の保護の両方にとって重要な問題の一つです。エネルギーコストの上昇と地球温暖化により、温室効果ガスの排出を削減しながらエネルギー効率を高めるには、改良されたエネルギーシステムの開発が必要である^ことが強調されました。エネルギー需要を削減する最も効果的な方法の一つは、エネルギーをより効率的に使用することです。そのため、廃熱回収はエネルギー効率を向上させるため、近年人気が高まっています。多くの国では、産業エネルギーの約26％が依然として高温のガスまたは液体として無駄になっています。^[ 22 ^]しかし、過去20年間^{[いつ? ]、}さまざまな産業から廃熱を回収し、廃ガスから熱を吸収するために使用されるユニットを最適化することに注目すべき関心が寄せられてきました。 ^[23]したがって、これらの試みは、地球温暖化とエネルギー需要の削減を促進します。

ほとんどの先進国では、HVACが総エネルギー消費量の 3 分の 1 を占めています。さらに、高温多湿の気候地域では、新鮮な換気空気の冷却と除湿が HVAC の総エネルギー負荷の 20～40% を占めています。ただし、100% 新鮮な空気の換気が必要な場合は、その割合が高くなることがあります。つまり、居住者の新鮮な空気の要件を満たすには、より多くのエネルギーが必要になります。新鮮な空気の処理にかかるエネルギー コストの増加により、熱回収の必要性が高まっています。熱回収システムの主な目的は、廃熱を回収することで、建物の暖房、冷房、換気のためのエネルギー消費を軽減することです。この点で、スタンドアロンまたは複合型の熱回収システムを住宅や商業ビルに組み込むことで、エネルギーを節約できます。エネルギー消費レベルの削減は、温室効果ガスの排出削減にも大きく貢献します。^[要出典]

世界のエネルギーのほぼ半分は建物で使用されており、^{[24] [古い情報源]} 、暖房/冷房コストの半分は、規制に従って「窓を開ける」方法^{[定義が必要]}で換気を行うことによって発生します^{[引用が必要]}。第二に、エネルギー生成とグリッドは、電力のピーク需要を満たすように作られています。適切な換気と回復を使用することは、コスト効率が高く、持続可能で、世界的なエネルギー消費を削減し、屋内空気の質（IAQ）を向上させ、建物と環境を保護する迅速な方法です。^{[引用が必要]}

冷房シーズン中、システムは流入する外気を冷却し、除湿する働きをする。そのために、システムは排出された熱を排気流に送り込む。その後、この空気は、排出された熱が排気流に入らなかった場合よりも低い温度でコンデンサーコイルを冷却する。暖房シーズン中、システムは逆の働きをする。排気流に熱を放出する代わりに、システムは排気流から熱を引き出し、流入する空気を予熱する。この段階で、空気は一次ユニットを通過し、次に空調される空間に入る。このタイプのシステムでは、冷房シーズン中は排気が換気空気よりも冷たく、暖房シーズン中は換気空気よりも暖かいのが普通である。このため、システムは効率的かつ効果的に機能する。条件がより極端になるにつれて（つまり、冷房の場合はより高温多湿になり、暖房の場合はより低温になる）、性能係数（COP）は増加する。 ^[25]

ERVシステムの効率は、熱交換器を介して輸送される総エネルギーと比較した、2つの空気流間で伝達されるエネルギーの比率である。^{[26] [27]}

市場にはさまざまな製品があり、効率も異なります。これらのシステムの中には、熱交換効率が 70～80% と高いものもあれば、50% と低いものもあります。この低い数値は基本的な HVAC システムよりも好ましいものですが、同クラスの他の製品と同等ではありません。熱伝達効率を 90% まで高める研究が行われています。^{[26] [古いソース]}

最新の低コストのガス相熱交換器技術の使用により、効率が大幅に向上します。高伝導性の多孔質材料の使用により、90%を超える交換効率が得られ、エネルギー回収が5倍向上すると考えられています。^{[26] [古い情報源]}

住宅換気協会（HVI）は、米国内で製造されるすべてのユニットの標準テストを開発しました。しかし、すべてがテストされたわけではありません。効率性に関する主張を調査するには、HVIが作成したデータとメーカーが作成したデータを比較することが不可欠です。（注：カナダで販売されるすべてのユニットは、HVIテストに相当する標準テストであるR-2000プログラムにかけられます）。^{[27] [古いソース]}

排気ヒートポンプ（EAHP）は、建物の排気から熱を抽出し、その熱を給気、温水、および/または水暖房システム（床暖房、ラジエーター）に伝達します。^{[28] [29]}これには少なくとも機械的な排気が必要ですが、機械的な給気はオプションです。機械換気を参照してください。このタイプのヒートポンプは、出力を維持するために一定の空気交換率を必要とします。室内の空気は年間を通じて約20〜22℃であるため、ヒートポンプの最大出力は季節や屋外の温度によって変化しません。^[要出典]

ヒートポンプのコンプレッサーが作動しているときに建物から出る空気の温度は、ほとんどのバージョンで通常約-1°です。^{[30]したがって、ユニットは交換が必要な空気から熱を抽出します（} 1時間あたり約0.5回の空気交換の速度）。家に入る空気は、もちろんユニットを通過した空気よりも一般的に暖かいので、純「ゲイン」があります。これらは適切なタイプの家でのみ使用されるように注意する必要があります。排気ヒートポンプは最小流量であるため、小さなアパートに設置すると、空気の流れによってアパートが慢性的に過剰換気され、大量の不要な外気を引き込むことで熱損失が増加します。^[31]ただし、これを打ち消すために追加の外気を取り入れることができるモデルもあり、この空気はコンプレッサーにも送られ、過換気を防ぎます。初期の排気ヒートポンプのほとんどでは、コンプレッサー/ヒートポンププロセスからのお湯と暖房への熱出力はわずか約1.8kWですが、建物の要件を満たさない場合は、浸漬ヒーターまたは外部ガスボイラーの形で追加の熱が自動的にトリガーされます。浸漬ヒーターの補充は（間違ったユニットを選択した場合）かなり大きくなる可能性があり、6kWの浸漬ヒーターを備えたユニットが最大出力で稼働すると、1時間あたり1ポンドのコストがかかります。^{[32] [33]}

2009年から2013年の間に、英国ではNIBE EAHPを主な暖房として利用した約15,000戸の新築公営住宅が建設された。所有者と住宅協会の入居者は、電気代が高額になったと報告している。^{[34] [35]排気ヒートポンプではランニングコストが高くなるのが普通であり、これらのユニットの}熱回収量が非常に少ないため、当然のことである。通常、換気空気流は毎秒約31リットルで、熱回収量は750W以下である。暖房と温水を供給するために必要な追加の熱はすべて、コンプレッサーの電気入力または浸漬ヒーターのいずれかの電気から得られる。外気温が0度以下の場合、このタイプのヒートポンプは供給するよりも多くの熱を家から取り除く。排気ヒートポンプを備えた物件への年間のエネルギー入力の約60%は電気から得られる。^[36]

コベントリーの住民の成功を目の当たりにして、多くの家庭が開発業者とEAHPシステムをより信頼性が高く効率的な暖房システムに取り替えるよう戦い続けている。^[37]

• HRVの仕組みを簡単に説明するアニメーション
• 産業における熱回収
• エネルギーおよび熱回収換気装置 (ERV/HRV)
• 英国の住宅におけるシングルルームMHRV（SRMHRV）の記述
• ビルダーインサイト速報 - 熱回収換気
• http://www.engineeringtoolbox.com/heat-recovery-efficiency-d_201.html
• エネルギーおよび熱回収換気装置 (ERV/HRV)