セントラルヒーティング

セントラルヒーティング システムは、 1 つの主な熱源から建物内の複数のスペースに暖かさを提供します。これは、室内の冷房と暖房の両方が可能な暖房、換気、空調(略して HVAC) システムのコンポーネントです。

セントラル ヒーティング システムには、燃料または電気を熱に変換する炉があります。熱は、ダクトを通して熱風を送るファン、暖房された各部屋のラジエーターへの低圧蒸気の循環、または部屋のラジエーターを通して温水を循環させるポンプによって建物全体に循環します。主なエネルギー源は、石炭や木材などの燃料、石油、灯油、天然ガス、または電気です。

暖炉や薪ストーブなどのシステムと比較すると、セントラル ヒーティング プラントは建物全体の温度制御の均一性が向上し、炉の自動制御も含まれるのが一般的です。大きな家や建物は、温度制御機能を備えた個別に制御可能なゾーンに分割できます。燃料 (および場合によっては灰) の自動処理により、個別の暖炉よりも利便性が向上します。システムに空気循環用のダクトが含まれている場合は、セントラル空調をシステムに追加できます。セントラル ヒーティング システムは、家やその他の建物でかなりのスペースを占める場合があり、建設時に供給および戻りダクトを設置する必要がある場合があります。

セントラルヒーティングは、熱の発生が 1 か所 (家の炉室や地下室、大きな建物の機械室など(必ずしも幾何学的に「中心」の地点である必要はありません)) で発生するという点で、空間暖房とは異なります。熱は、通常、ダクトを通した強制空気、パイプを循環する水、またはパイプから供給される蒸気によって建物全体に分配されます。最も一般的な熱発生方法は、炉またはボイラーでの化石燃料の燃焼です。

温帯気候帯のほとんどの地域では、第二次世界大戦前から戸建て住宅のほとんどにセントラルヒーティングが設置されています。石炭が容易に入手できる地域 (米国北東部ペンシルバニア州の無煙炭地域など) では、石炭を燃料とする蒸気または温水システムが一般的でした。20 世紀後半には、燃料油またはガスを燃料とするように更新され、ボイラーの近くに大きな石炭貯蔵容器を設置する必要がなくなり、石炭灰を除去して廃棄する必要もなくなりました。

温水や蒸気暖房の安価な代替手段は、強制温風です。炉は燃料油またはガスを燃焼し、熱交換器で空気を加熱し、送風ファンが暖められた空気をダクト ネットワークを通じて建物の各部屋に循環させます。このシステムは、空気がパイプではなく一連のダクトを通って移動するため安価であり、配管工による設置も必要ありません。床根太間のスペースを囲んでダクト ワークの一部として使用することで、コストをさらに削減できます。

電気暖房システムはあまり一般的ではなく、低コストの電力を使用する場合、または地中熱ヒートポンプを使用する場合にのみ実用的です。火力発電所と電気抵抗加熱を組み合わせたシステムを考慮すると、全体的な効率は、暖房に化石燃料を直接使用する場合よりも低くなります。^[1]

他の建物では中央太陽熱暖房を利用しており、その場合の配管システムでは通常、水循環が使用されます。

このようなシステムの代替として、ガスヒーターや地域暖房があります。地域暖房は、工業プロセスや発電所からの廃熱を利用して、近隣の建物に暖房を提供します。コジェネレーションと同様に、熱水や蒸気を循環させるために地下配管が必要です。

現在の北朝鮮の考古学的な遺跡でオンドルの使用が発見されている。現在の北朝鮮の羅先市先鋒で発見された紀元前5000年頃の新石器時代の考古学的な遺跡では、発掘された住居跡にグドゥル（韓国語：  움집）の明確な痕跡が見られる。

伝統的なオンドルの主な構成要素は、隣接する部屋（通常はキッチンまたは主寝室）からアクセスできるアグンギ（火室またはストーブ）、水平の煙道が下にある一段高い石造りの床、および通風を提供する反対側の外壁にある垂直の独立した煙突です。煙を分散させる石の支柱またはバッフルで支えられた加熱された床は、石板、粘土、油紙などの不浸透性層で覆われています。

初期のオンドルは、家庭や調理に暖房を提供するグドゥルとして始まりました。夕食のご飯を炊くために炉に火が灯されると、煙道入口が炉の横にあったため、炎は水平に広がりました。この配置は、煙が上方に流れて炎がすぐに消えないようにするために不可欠でした。炎が煙道入口を通過すると、煙とともに通路のネットワークを通って導かれます。オンドルの床の部屋を作るために、炉の煙道の上に部屋全体が建てられました。^[2]

オンドルは、1960年代より前の韓国のほとんどの家庭で、座ったり、食事をしたり、眠ったり、その他の娯楽のための居住空間として伝統的に使用されていました。韓国人は床に座ったり眠ったり、椅子付きの高くなったテーブルではなく低いテーブルで仕事をしたり食事をしたりすることに慣れています。 ^[3]炉は主に稲わら、農作物の廃棄物、バイオマス、またはあらゆる種類の乾燥した薪を燃やしました。短時間の調理には稲わらや作物の廃棄物が好まれ、長時間の調理や床暖房にはより長時間燃える薪が必要でした。現代の給湯器とは異なり、燃料は調理の頻度と季節の気象条件に応じて、散発的または定期的に（1日に2〜5回）燃やされました。

セントラルヒーティングは古代ギリシャで最初に開発された。エフェソスの神殿は、地面に埋め込まれた煙道で火から発生した熱を循環させて暖められていた。ローマ帝国の建物の中には、炉で暖められた空気を床下の空きスペースから壁のパイプ（カリダクトと呼ばれる）^[4]を通して導くセントラルヒーティングシステムを採用していたものもあり、このシステムはハイポコーストと呼ばれていた。^{[5] [6]}

ローマのヒポコーストは、後期古代からウマイヤ 朝にかけて小規模で使用され続けましたが、その後のイスラムの建築家たちは、より単純な床下パイプのシステムを採用しました。^[7]

ローマ帝国の崩壊後、ヨーロッパ全域で暖房はほぼ1000年間、より原始的な暖炉に戻りました。

中世初期のアルプス高原では、ローマ式暖房の代わりに、炉室から床下通路​​を通って熱が伝わる、よりシンプルなセントラルヒーティングシステムがいくつかの場所で使用されていました。ライヒェナウ修道院では、相互接続された床下通路のネットワークが、冬の間、300平方メートルの修道士の集会室を暖めていました^。このシステムの効率は90％と計算されています。^[8]

13 世紀、シトー会の 修道士たちは、川の転流と屋内の薪を燃やす炉を組み合わせて、キリスト教ヨーロッパでセントラルヒーティングを復活させました。スペインのアラゴン地方のエブロ川沿いにある、保存状態の良い聖母車輪王立修道院(1202 年創立)は、そのような応用の優れた例です。

セントラルヒーティングの3つの主な方法は18世紀後半から19世紀半ばにかけて開発されました。^[9]

ウィリアム・ストラットは1793 年にダービーに中央熱風炉を備えた新しい工場を設計しましたが、このアイデアはジョン・エブリンによってほぼ 100 年前にすでに提案されていました。ストラットの設計は、大きな地下通路を通って外部から運ばれた空気を加熱する大きなストーブで構成されていました。空気は大きな中央ダクトによって建物全体に換気されました。

1807年、彼はもう一人の著名なエンジニア、チャールズ・シルベスターと協力し、ダービーの王立病院を収容する新しい建物の建設に携わった。シルベスターは、新しい病院にストラットの斬新な暖房システムを採用する上で重要な役割を果たした。彼は1819年にダービーシャー総合病院で「家事経済の哲学：暖房、換気、洗濯、乾燥、調理の様式に例示されている」という著書の中で自分のアイデアを発表した。シルベスターは、設計に盛り込まれた病院の暖房の新しい方法や、自動洗浄や空気清浄トイレなどのより健康的な特徴を記録した。^[10]病院の斬新な暖房システムにより、患者は新鮮な暖められた空気を吸うことができ、一方、古い空気は中央のガラスと鉄のドームに送られた。^[11]

彼らの設計は大きな影響力を持ちました。ミッドランド地方の新しい工場で広く模倣され、絶えず改良され、1810 年代にシャバンヌが庶民院の換気に取り組んだことで完成しました。このシステムは、その後 19 世紀を通じて小規模な建物の暖房の標準として残りました。

イギリスの作家ヒュー・プラットは1594年に温室用の蒸気を利用したセントラルヒーティングシステムを提案したが、これはまれな事例であり、18世紀まで続いたことはなかった。コーク大佐は中央ボイラーから家中に蒸気を運ぶパイプシステムを考案したが、実際に機能するシステムを自宅に構築したのはスコットランドの発明家ジェームズ・ワットが初めてであった。^[12]

中央のボイラーが高圧蒸気を供給し、柱に埋め込まれたパイプシステムを通じて建物内に熱を分配した。彼は^{[明確化が必要]}マンチェスターの繊維工場でより大規模なシステムを導入した。ロバートソン・ブキャナンは1807 年と 1815 年に出版された論文でこれらの設備の決定的な説明を書いた。トーマス・トレッドゴールドの著書「公共建築物の暖房と換気の原理」では、小規模な非産業用建物に高温蒸気暖房を適用する方法が説明された。この方法は 19 世紀後半までに温風システムに取って代わった。

古代ローマでは、初期の温水システムが温泉を温めるために使用されていました。 ^[13]もう一つの初期の温水システムは、ロシアでサンクトペテルブルクのピョートル大帝の夏の宮殿(1710–1714)のセントラルヒーティング用に開発されました。少し後の1716年、スウェーデンで建物内の暖房に水が初めて使用されました。スウェーデンの技術者であるモーテン・トリーヴァルトは、ニューカッスル・アポン・タインの温室にこの方式を使用しました。フランスの建築家ジャン・シモン・ボンヌマン (1743–1830) ^{[14] は、}パリ近郊のシャトー・デュ・ペックの協同組合でこの技術を産業界に紹介しました。

しかし、これらの散発的な試みは孤立しており、主に温室への応用に限られていた。トレッドゴールドは当初、その使用は非現実的であるとして却下したが、1836年にこの技術が急速な発展段階に入ったときに考えを変えた。^[15]

初期のシステムでは低圧水システムが使用されており、非常に太いパイプが必要でした。この欠点を補う最初の近代的な温水セントラル ヒーティング システムの 1 つは、 1830 年代にロンドンのアンジャー マーチ パーキンスによって設置されました。当時、英国ではセントラル ヒーティングが流行し始めており、蒸気または温風システムが一般的に使用されていました。

パーキンスが1832年に発明した装置は、小口径のパイプを通して200℃（392°F）の水を高圧で供給する装置だった。このシステムを実現可能にした重要な発明は、パイプ同士の接合部がパイプ自体と同等の圧力に耐えられるようにしたねじ込みジョイントだった。また、爆発の危険を減らすため、ボイラーを熱源から切り離した。最初の装置はイングランド銀行総裁ジョン ・ホースリー・パーマーの自宅に設置され、イングランドの寒冷な気候でブドウを栽培できるようにした。 ^[16]

彼のシステムは全国の工場や教会に設置され、その多くは 150 年以上も使用可能な状態のまま残っていました。彼のシステムは、パン屋のオーブンの加熱や木材パルプからの紙の製造にも応用されました。

プロイセン生まれでサンクトペテルブルクに住んでいたロシア人実業家フランツ・サン・ガリは、1855年から1857年の間にラジエーターを発明しました。これは、現代のセントラルヒーティングの最終的な形を決める大きな一歩でした。 ^{[17] [18]}ビクトリア朝の鋳鉄製ラジエーターは、アメリカン・ラジエーター・カンパニーなどの企業が米国とヨーロッパで低価格のラジエーターの市場を拡大したため、19世紀末までに普及しました。

セントラル ヒーティング システムに選択されるエネルギー源は、地域によって異なります。主要なエネルギー源は、コスト、利便性、効率、信頼性に基づいて選択されます。暖房のエネルギー コストは、寒冷な気候で建物を運用する際の主なコストの 1 つです。一部のセントラル ヒーティング プラントでは、経済性と利便性のために燃料を切り替えることができます。たとえば、住宅所有者は、時々無人で操作できるように、電気バックアップ付きの薪ストーブを設置する場合があります。

木材、泥炭、石炭などの固形燃料は、使用時に備蓄することができますが、取り扱いが不便で、自動制御が困難です。木材燃料は、供給量が豊富で、建物の居住者が燃料の運搬、灰の除去、火の世話に関わる作業を気にしない場所では今でも使用されています。ペレット燃料システムは自動的に火を起こすことができますが、灰の除去は手動で行う必要があります。石炭はかつては重要な住宅暖房燃料でしたが、現在では一般的ではなく、暖炉やストーブの代替品として無煙燃料が好まれています。

液体燃料は、暖房用オイルや灯油などの石油製品です。これらは、他の熱源が利用できない場所で今でも広く使用されています。燃料油は、セントラル ヒーティング システムで自動的に燃焼することができ、灰の除去や燃焼システムのメンテナンスがほとんど必要ありません。ただし、世界市場での石油価格は変動するため、他のエネルギー源に比べて価格が不安定で高額になります。施設の暖房システム (オフィス ビルや学校など) では、低品質で安価なバンカー燃料を使用して暖房プラントを稼働させることができますが、管理が容易な液体燃料に比べて資本コストが高くなります。

天然ガスは北米や北ヨーロッパで広く使われている暖房燃料です。ガスバーナーは自動制御されており、灰の除去やメンテナンスもほとんど必要ありません。ただし、すべての地域で天然ガス供給システムを利用できるわけではありません。液化石油ガスまたはプロパンは使用場所に保管し、トラックに搭載された移動式タンクで定期的に補充することができます。

一部の地域では電力コストが低いため、電気暖房は経済的に実用的です。電気暖房は、純粋に抵抗型の暖房か、空気または地中の低品位熱を利用 するヒートポンプシステムのいずれかです。

地域暖房システムは、中央に設置されたボイラーまたは給湯器を使用し、温水または蒸気を循環させることで熱エネルギーを個々の顧客に循環させます。このシステムには、利用可能な最高の汚染制御を使用できる、専門家によって操作される、効率の高い中央エネルギー変換器という利点があります。地域暖房システムでは、重油、木材副産物、核分裂など、個々の家庭に配置するのが現実的ではない熱源を使用できます。配電ネットワークの構築にはガスや電気暖房よりもコストがかかるため、人口密度の高い地域またはコンパクトなコミュニティでのみ使用されています。

すべてのセントラル ヒーティング システムが購入エネルギーを必要とするわけではありません。一部の建物では、地元の井戸からの温水または蒸気を使用して建物の暖房を行う、地元の地熱熱を利用しています。このような地域はまれです。パッシブ ソーラーシステムでは燃料を購入する必要はありませんが、敷地に合わせて慎重に設計する必要があります。

ヒーターの出力はキロワットまたはBTU/時間で測定されます。家の中に設置するには、ヒーターと家に必要な出力レベルを計算する必要があります。この計算は、さまざまな要素を記録することによって行われます。つまり、暖房したい部屋の上下に何があるか、窓がいくつあるか、建物の外壁の種類、および空間を適切に暖めるために必要な熱出力レベルを決定するその他のさまざまな要素です。この計算は熱損失計算と呼ばれ、BTU 計算機で行うことができます。この計算の結果に応じて、ヒーターを家にぴったり合わせることができます。^{[19] [20] [21]}

熱出力は熱コストアロケータによって測定できるため、集中システムが 1 つしかない場合でも、各ユニットを個別に請求できます。

循環式温水はセントラルヒーティングに使用できます。これらのシステムはハイドロニック暖房システムと呼ばれることもあります。^[22]

水循環を使用するセントラルヒーティングシステムの一般的なコンポーネントは次のとおりです。

• 燃料、電力、地域暖房供給ラインの供給
• システム内の水を加熱するボイラー（または地域暖房用の熱交換器）
• 水を循環させるポンプ
• 加熱された水が通過して室内に熱を放出するラジエーター。

循環水システムは閉ループを使用しており、同じ水が加熱され、その後再加熱されます。密閉システムは、暖房に使用される水が建物の通常の給水とは独立して循環する、一種のセントラルヒーティングを提供します。

膨張タンクには圧縮ガスが入っており、ダイヤフラムによって密閉システムの水から分離されています。これにより、システム内の圧力の正常な変化が可能になります。安全弁は、圧力が高くなりすぎるとシステムから水を逃がし、圧力が低すぎると弁を開いて通常の給水から水を補給します。密閉システムは、蒸気がシステムから逃げ、給水および中央貯蔵システムを介して建物の給水から補充されるオープンベント システムの代替手段を提供します。

英国やヨーロッパの他の地域では、暖房システムは通常、空間暖房と家庭用給湯暖房を組み合わせます。米国では、こうしたシステムはそれほど一般的ではありません。この場合、密閉システム内の加熱された水は、温水タンクまたは温水シリンダー内の熱交換器を通過し、そこで通常の飲料水供給源からの水を加熱して、給湯栓や洗濯機、食器洗い機などの機器で使用します。

ハイドロニック式輻射床暖房システムは、ボイラーまたは地域暖房を使用して水を加熱し、ポンプを使用してコンクリート スラブに設置されたプラスチック パイプ内で温水を循環させます。床に埋め込まれたパイプは、床の表面に熱を伝える加熱水を運び、そこから熱エネルギーを上の部屋に放射します。ハイドロニック式暖房システムは、歩道、駐車場、道路の氷や雪を溶かすシステムで不凍液と一緒に使用されます。ハイドロニック式暖房システムは、商業施設や家全体の輻射床暖房プロジェクトでよく使用されますが、電気輻射暖房システムは、より小規模な「スポット暖房」アプリケーションでよく使用されます。

蒸気暖房システムは、蒸気が凝縮して液体の水になるときに放出される高い潜熱を利用します。蒸気暖房システムでは、各部屋に低圧蒸気源 (ボイラー) に接続されたラジエーターが装備されています。ラジエーターに入った蒸気は凝縮して潜熱を放出し、液体の水に戻ります。ラジエーターは次に部屋の空気を加熱し、直接放射熱を提供します。凝縮水は重力またはポンプの助けを借りてボイラーに戻ります。一部のシステムでは、蒸気と凝縮水の組み合わせの戻りに 1 本のパイプのみを使用します。閉じ込められた空気は適切な循環を妨げるため、そのようなシステムには空気を排出するための通気弁があります。住宅や小規模の商業ビルでは、蒸気は 15 psi (100 kPa) 未満の比較的低いゲージ圧で生成されます。^{[引用が必要]}

蒸気暖房システムは、配管工事のコストがかかることから、新築の一戸建て住宅にはほとんど設置されていません。凝縮水が詰まらないように、配管は慎重に傾斜をつけなければなりません。他の暖房方法と比較すると、蒸気システムの出力を制御するのは困難です。しかし、たとえばキャンパス内の建物間で蒸気を送ることで、効率的な中央ボイラーと低コストの燃料を使用することができます。高層ビルでは、蒸気の密度が低いため、地下に設置されたボイラーから温水を循環させるのに必要な過度の圧力を回避できます。産業システムでは、発電やその他の目的に使用されるプロセス蒸気を暖房に利用することもできます。暖房システム用の蒸気は、産業プロセスから廃棄される熱を使用する熱回収ボイラーから得ることもできます。^[23]

電気加熱または抵抗加熱は、電気を直接熱に変換します。電気加熱は、天然ガス、プロパン、石油などの燃焼器具によって生成される熱よりも高価になることがよくあります。電気抵抗加熱は、ベースボード ヒーター、スペース ヒーター、放射ヒーター、炉、壁ヒーター、または蓄熱システムによって供給できます。

電気ヒーターは通常、セントラル エアコンの一部であるファン コイルの一部です。ヒーターは、還気ダクトを通じて炉に供給される加熱要素に空気を吹き付けることで熱を循環させます。電気炉の送風機は、通常 5 キロワットの定格の 1 ～ 5 個の抵抗コイルまたは要素に空気を流します。加熱要素は、電気システムの過負荷を回避するために、一度に 1 つずつ作動します。過熱は、リミット コントローラーまたはリミット スイッチと呼ばれる安全スイッチによって防止されます。このリミット コントローラーは、送風機が故障した場合、または空気の流れを何かが妨げている場合に炉を停止します。加熱された空気は、供給ダクトを通じて家屋内に送り返されます。

より大規模な商業用途では、炉と同様のコンポーネントをより大規模に組み込んだ エアハンドラーを通じてセントラルヒーティングが提供されます。

データ炉は、コンピューターを使用して電気を熱に変換すると同時にデータを処理します。

空気熱源ヒートポンプは、暑い時期には建物の空調に、寒い時期には屋外の空気から抽出した熱を使用して建物を暖めるのに使用できます。空気熱源ヒートポンプは、屋外の温度が氷点下を大きく下回る場合、一般的に経済的ではありません。寒冷な気候では、地熱ヒートポンプを使用して地面から熱を取り出すことができます。経済性を考慮して、これらのシステムは冬の平均低温用に設計されており、極端に低温の条件では補助的な暖房を使用します。ヒートポンプの利点は、建物の暖房に必要な購入エネルギーを削減できることです。地熱源システムは、多くの場合、家庭用の温水も供給します。化石燃料がほとんどの電力を供給している場所でも、地熱システムは温室効果ガスの排出を相殺する可能性があります。これは、熱のほとんどが周囲の環境から供給され、電力消費はわずか 15～30% であるためです。^[24]

公共施設や商業施設は、世界の最終エネルギー消費量の30％を直接的、間接的に占めており、これには世界の電力消費量の約55％が含まれます。^[25]暖房は現在、建物からの排出量の約45％を占めており、最終エネルギー消費量の55％以上を化石燃料に依存しています。^[25]

2019年には、直接的な化石燃料の燃焼と上流の電力および熱生成からの排出を考慮すると、建物の暖房のために約4.3 GtのCO2が_{大気中に放出されました。これは、世界のエネルギーおよびプロセス関連のCO2}排出量の約12％に相当します。^[25]

エネルギー効率の観点から見ると、セントラルヒーティングには分配損失があり、（特に強制空気システムの場合）不必要に人がいない部屋を暖めてしまう可能性があるため、暖房が必要な部屋が 1 つしかない場合、かなりの熱が失われたり無駄になったりします。このような独立した暖房が必要な建物では、個別の部屋ヒーター、暖炉、その他の装置などの非セントラル システムを検討することをお勧めします。あるいは、建築家は、パッシブ ハウス基準に従って建てられた建物など、暖房の必要性を事実上なくすことができる新しい建物を設計できます。

しかし、建物に完全な暖房が必要な場合は、電気抵抗暖房よりも燃焼式セントラル暖房の方が環境に優しい解決策となる可能性があります。これは、電気が化石燃料発電所から供給される場合に当てはまり、燃料のエネルギーの最大60％が失われ（地域暖房に使用されない限り）、約6％の送電損失が発生します。スウェーデンでは、この理由から直接電気暖房を段階的に廃止する提案があります（スウェーデンの石油段階的廃止を参照）。原子力、風力、太陽光、水力発電により、この要因は軽減されます。

対照的に、温水セントラルヒーティングシステムは、高効率の凝縮ボイラー、バイオ燃料、または地域暖房を使用して、建物内または建物の近くで加熱された水を使用できます。湿式床暖房は理想的であることが証明されています。これにより、将来、ヒートポンプやソーラーコンビシステムなどの開発技術を使用するために比較的簡単に変換できるオプションが提供され、将来性も確保されます。

セントラルヒーティングの一般的な効率（顧客のエネルギー購入時に測定）は次のとおりです。

• ガス暖房の場合は65～97%
• 石油火力発電では80～89％、
• 石炭火力暖房の場合は45～60% 。 ^[26]

石油貯蔵タンク、特に地下貯蔵タンクも環境に影響を与える可能性があります。建物の暖房システムがずっと前に石油から切り替えられたとしても、石油は土壌や地下水を汚染することで依然として環境に影響を与えている可能性があります。建物の所有者は、埋設タンクの撤去と修復費用の負担を負う可能性があります。

• ヘーガーマン、ディーター。シュナイダー、ヘルムート (1997)。Propyläen Technikgeschichte。 Landbau und Handwerk、750 対 Chr.ビス1000n。 Chr（第2版）。ベルリン。ISBN 3-549-05632-X。{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所が見つかりません 発行者 (リンク)

• アダムス、ショーン・パトリック著『家庭の火：19世紀のアメリカ人の暖かさ』（ジョンズ・ホプキンス大学出版、2014年）、183ページ

• BBCウェールズの歴史 - セントラルヒーティング以前の生活 2014-04-10にWayback Machineでアーカイブ