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空調設備は、米国ではA/C 、英国ではair conと略されることが多い[1] 。密閉された空間から熱を取り除き、より快適な室内温度（「快適冷却」と呼ばれることもある）を実現するプロセスであり、場合によっては内部の湿度も厳密に制御する。空調設備は、機械式の「エアコン」を使用することも、受動冷却や換気冷却などの他の方法によって実現できる。[2] [3]空調設備は、暖房、換気、空調（HVAC）を提供するシステムおよび技術のファミリーの一員である。[4] ヒートポンプは多くの点でエアコンに似ているが、逆転弁を使用して密閉された空間を暖房および冷房することができる。[5]
エアコンは、一般的に蒸気圧縮冷凍機を使用しており、車両や個室で使用する小型ユニットから、大きな建物を冷却できる大型ユニットまで、サイズはさまざまです。[6]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、寒冷な気候でますます一般的になりつつあります。
エアコンは気温上昇による死亡率を減らすことができます。 [7]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。[8]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、より優れた断熱材などの代替手段の使用を求めました。
歴史
エアコンの歴史は先史時代に遡ります。[9]空気の流れを良くするために壁の間に隙間を設けた二重壁の居住区が、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ます。[10]古代エジプトの建物でも、さまざまなパッシブエアコン技術が使用されていました。[11]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まりました。 [12]
パッシブ技術は20世紀まで広く普及していましたが、流行らなくなり、電動エアコンに取って代わられました。伝統的な建物の工学研究から得られた情報を活用して、パッシブ技術は21世紀の建築デザインに合わせて復活し、改良されています。[13] [12]
エアコンは建物の室内環境を比較的一定に保ち、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ないようにします。また、エアコンは奥行きのある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せるようにしました。[14]
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、科学の普及書『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。[15] [16] [17] 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世に「夏を冬に変える」ことを実演し、樋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。 [18]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り、この実験には出席していなかったかもしれないが、同年後半に出版された本の中で、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、後者の冷たさが強まる。硝石は雪の冷たさを増すが、塩は雪の冷たさに活力を与える。」と述べている。[15]
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、水銀温度計の球部を対象に実験を行いました。彼らは、蒸発を加速するためにふいごを使用しました。彼らは、周囲温度が 18 °C (64 °F) のときに、温度計の球部の温度を -14 °C (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、温度計の球部の表面に薄い氷の膜が形成され、−14℃（7℉）に達した時点で実験を止めた時点で氷の塊の厚さが約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、暖かい夏の日に人を凍死させる可能性があることが分かるだろう」と結論付けた。[19]
19世紀には圧縮技術の多くの発展があった。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、液化したアンモニアが蒸発する際に空気を冷やせることを発見した。 [20] 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で患者の空気を冷やすのに使った。彼は、最終的には製氷機を使って建物の温度を調節したいと考えていた。[20] [21]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、[22]主な支援者の死去により、発明を実現することができなかった。[23] 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1日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。 [24] 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、氷で冷蔵した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ための議論に参加しました。[24]
最初のデバイス
電気のおかげで効率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・キャリアーは、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作った。[25] [26] [27] [28] 1902年、彼は最初のエアコンシステムをニューヨーク・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・カンパニーに設置した。[29]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った。その後、キャリアーは他の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、2020年には53,000人を雇用し、評価額は186億ドルに達した。[30] [31]
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、繊維工場の空気に湿気を加える方法を模索していた。クレイマーは、その年に出願した特許出願で「空調」という造語を作り出し、空調は当時繊維の加工を容易にするよく知られたプロセスである「水による調整」に類似していると示唆した。[32]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、繊維工場に必要な湿度を制御した。ウィリス・キャリアーはこの用語を採用し、自分の会社の名前に取り入れた。[33]
家庭用エアコンはすぐに普及しました。1914年、最初の家庭用エアコンがミネアポリスのチャールズ・ギルバート・ゲイツの家に設置されました。しかし、家に人が住んでいなかったため、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）は一度も使われなかった可能性があります[20]（ゲイツは1913年10月にすで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、窓枠に設置するタイプの最も一般的な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（2023年の20万ドルから110万ドルに相当）で販売されました。 [20] 1年後、最初の自動車用エアコンシステムが販売されました。[34] 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ユニットを導入し、[35]パッカードは1939年に自動車メーカーとして初めてエアコンユニットを車に搭載しました。[36]
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、空気を冷房、暖房、加湿、除湿、ろ過するポータブルな窓用エアコンを発明した。[37]最初のインバーターエアコンは1980～1981年に発売された。[38] [39]
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」を開発した。テキサス州オースティン北西部の平坦で樹木のない道に22軒の家が建てられ、そのコミュニティは「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エアコンの影響に関する1年間の研究を受けた。さらに、テキサス大学保健サービス心理学部の研究者は、「人工的に冷却された人間」への影響を研究した。最も面白い発見の1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、サソリは涼しく日陰の場所を求めるというのが有力な説だった。その他の生活様式の変化としては、母親がパンを焼くことが多くなり、家族が重い食べ物を食べるようになり、温かい飲み物を選ぶ傾向が強くなったことなどが報告された。[40] [41]
エアコンの普及は、温暖な地域では年間世帯収入が約1万ドルを超えると増加する傾向があります。[42]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。[42]
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ギガワットです。[8] [43]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ギガワットに増加し、インドと中国で最大の増加が見込まれると予測しました。[8] 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備えている割合は8％から70％に増加しました。[44] 2015年の時点で、米国の世帯の約87％にあたる約1億世帯がエアコンシステムを備えていました。[45] 2019年に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ました（南部では99％、西部では62％）。[46] [47]
手術
運営原則
従来の空調システムにおける冷却は、冷媒の強制循環とガスと液体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行われます。[48] [49]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発生する可能性があります。空気源ヒートポンプは、空調システムと多くのコンポーネントを共有していますが、逆転弁が含まれており、ユニットを空間の冷暖房に使用できます。[50]
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大幅に低い場合、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%～60%に保ちます。[51]
現代の空調システムのほとんどは、コンプレッサーが作動する除湿サイクルを備えています。同時に、ファンの回転速度を遅くして蒸発器の温度を下げ、より多くの水を凝縮します。除湿器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んでいます。空気は最初に蒸発器コイルを通過し、そこで冷却され[52]除湿されてから凝縮器コイルを通過し、そこで再び暖められてから室内に放出されます。[引用が必要]
外気が室内空気よりも冷たい場合には、フリークーリングが選択されることがあります。そのため、コンプレッサーを使用する必要がなくなり、このような場合には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。[53]
加熱
一部の空調システムは、冷凍サイクルを逆転させて空気熱源ヒートポンプとして機能し、室内環境を冷却するのではなく暖房します。これらは一般に「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のエネルギーを暖房空間に移動し、購入した電気エネルギーからの熱を移動するため、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になり、熱を生成します。屋外の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、冷気（周囲の屋外空気よりも冷たい）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℃または40℉未満になると効率が低下します。[54]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ブロック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戻り、屋外の蒸発器コイルを凝縮器コイルに切り替えて加熱し、霜取り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、一時的な室内空気の冷房を補うために、このモードでのみ作動する電気抵抗加熱が室内空気経路に設けられており、そうでなければ冬場に不快になります。
新しいモデルでは寒冷地性能が向上し、−14°F（−26°C）まで効率的に暖房できるようになった。[55] [54] [56]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凝縮した湿気が凍結する可能性は常にあり、その場合は霜取りサイクルを実行する必要がある。
氷結の問題は屋外の気温が低いほど深刻になるため、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などのより従来型の暖房と並行して設置されることがあります。これらは、厳しい冬の気温のときにヒートポンプの代わりに、またはヒートポンプに加えて使用されます。この場合、ヒートポンプは気温が穏やかなときに効率的に使用され、屋外の気温が低いときにシステムは従来の熱源に切り替えられます。
パフォーマンス
空調システムの性能係数（ COP）は、提供される有用な暖房または冷房と必要な作業の比率です。 [57] [58] 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、予想される条件に対してグラフ化または平均化されることがよくあります。[59]米国のエアコン機器の電力は、「冷凍トン」で表現されることが多く、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、つまり 3,517ワットに相当します。[60]住宅用セントラル空調システムの容量は通常 1 〜 5 トン（3.5 〜 18 kW）です。[要出典]
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「空調設備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。[61]同様の規格に欧州季節エネルギー効率比（ESEER）があります。[要出典]
効率は冷却する空気の湿度に大きく影響されます。冷却する前に空気を除湿すると、その後の冷却コストを最大90％削減できます。したがって、除湿コストを削減すると、全体的な空調コストに大きな影響を与える可能性があります。[62]
制御システム
ワイヤレスリモコン
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 (940 nm) 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簡単なため、ミニスプリット エアコンでよく使用されます。一部の窓用エアコンやダクト式セントラル エアコンでも使用されています。
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）
有線コントローラは「有線サーモスタット」とも呼ばれ、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。さまざまな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、通常、バイメタル ストリップを使用して温度変化を機械的変位に変換し、エアコンの制御を作動させます。一方、電子式サーモスタットは、サーミスタまたはその他の半導体センサーを使用して、温度変化を電子信号として処理し、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、バッテリーが不要となり、 通常はホテルの客室で使用されます。
種類
* 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
ミニスプリットおよびマルチスプリットシステム
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、ダクトを使用せずに分散的に、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。[63]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ました。住宅の規模が小さいことが開発の動機でした。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でした。[64] [65] [66] 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ました。[67]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（より大きな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。両方とも日本で最初に販売されました。[68]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、およびチラーの必要性を排除します。代わりに、冷たい冷媒がはるかに小さなパイプを通って空調される空間の室内機に運ばれるため、吊り天井の上のスペースが少なくて済み、構造的な影響も少なくなると同時に、空間の個別かつ独立した温度制御も可能になる。室外機と室内機は建物全体に分散させることができる。[69]可変冷媒流量室内機は、使用されていない空間で個別に電源をオフにすることもできる。[要出典] VRFのDCインバーター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の太陽光発電ヒートポンプをDC供給ソーラーパネルを使用して稼働させることもできる。
ダクト式中央システム
スプリットシステムのセントラルエアコンは、2つの熱交換器、つまり熱を周囲に放出する室外ユニット（コンデンサー）と、配管された冷媒が2つの間を循環する内部熱交換器（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スペースに接続されます。[70]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、冷却が必要なスペースに設置されます。
中央プラント冷却
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配送する方式が採用されている。一方、プラントからこれらの空間に冷気を直接ダクトで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、この方式では大型のダクトが必要になる。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使用して水を冷却し、冷却塔を使用して液冷式チラーの場合でも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。[71] [72]
ポータブルユニット
ポータブル システムには、恒久的に固定された設置ユニット (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 パイプを介して屋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またはエア ツー エアで、エア ダクトを介して屋外に排気されます。モノブロックタイプは、バケツまたはトレイに水を集め、満杯になると停止します。エア ツー エアタイプは、水を再蒸発させてダクト ホースから排出し、連続的に稼働できます。ポータブル ユニットの多くは、室内の空気を吸い込み、単一のダクトから屋外に排出しますが、すべてではありません。そのため、全体的な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付いています。[73]
ウィンドウユニットとパッケージ端末
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、内部の仕切りがあり、室内と室外を仕切っており、それぞれにユニットの凝縮器と蒸発器が含まれている。PTACシステムは、寒い天候で暖房を提供するように適応させることができる。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するか、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する。これらは、壁の特別なスリーブと壁と同じ高さ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ができ、窓用エアコンは窓に設置することもできるが、カスタムグリルは不要である。[74]
パッケージエアコン
パッケージエアコン（独立型ユニットとも呼ばれる）[75] [76]は、分割された中央システムのすべてのコンポーネントを単一のハウジングに統合し、ダクトを介して冷却するスペースに空気を送る中央システムです。構造に応じて、屋外または屋内、屋根の上（屋上ユニット）に設置され、[77] [78]建物の内側または外側から調整する空気を吸い込み、水冷または空冷されます。多くの場合、屋外ユニットは空冷で、屋内ユニットは冷却塔を使用して液冷されます。[70] [79] [80] [81] [82] [83]
コンプレッサーの種類
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。[要出典]
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使用して冷媒を圧縮します。[84] 1つの固定スクロールと1つの軌道スクロールで構成されています。このタイプのコンプレッサーは、往復コンプレッサーよりも可動部品が70％少ないため、より効率的です。[引用が必要]
スクリュー
このコンプレッサーは、非常に密接にかみ合った 2 つのスパイラル ローターを使用してガスを圧縮します。ガスは吸引側から入り、スクリューが回転するとネジ山を通過します。かみ合ったローターがガスをコンプレッサーに押し込み、ガスはネジの端から排出されます。作業領域は、オス ローターとメス ローターの間のローブ間容積です。吸気端では大きく、排気ポートまでローターの長さに沿って小さくなります。この容積の変化が圧縮です。[要出典]
容量変調技術
冷凍または空調および暖房システムの冷却能力を調整する方法はいくつかあります。空調で最も一般的な方法は、オンオフサイクル、高温ガスバイパス、液体注入の使用または不使用、複数のコンプレッサーのマニホールド構成、機械的調整（デジタルとも呼ばれる）、およびインバーター技術です。[要出典]
高温ガスバイパス
高温ガスバイパスは、吐出側から吸入側へ一定量のガスを注入する。コンプレッサーは同じ速度で作動し続けるが、バイパスにより、システム内を循環する冷媒の質量流量が減少し、冷却能力も低下する。当然、バイパスが作動している間はコンプレッサーは無駄に作動する。ターンダウン能力は0～100%の範囲で変化する。[85]
マニホールド構成
ピーク時の冷却能力を提供するために、複数のコンプレッサーをシステムに設置できます。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、稼働または停止できます。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。[引用が必要]
機械式調節コンプレッサー
この内部機械容量調整は、制御バルブによる周期的な圧縮プロセスに基づいており、2 つのスクロール セットが離れ、一定時間圧縮を停止します。この方法では、圧縮の平均時間を変更することで冷媒の流れが変わりますが、モーターの実際の速度は変わりません。優れたターンダウン比(冷却容量の 10 ～ 100%) にもかかわらず、機械的に調整されたスクロールは、モーターが連続的に動作するため、エネルギー消費が高くなります。[引用が必要]
可変速コンプレッサー
このシステムでは、可変周波数ドライブ(インバーターとも呼ばれる) を使用してコンプレッサーの速度を制御します。冷媒の流量は、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。単一のインバーターでは、フル容量で 15 または 25% から 100% まで調整でき、ハイブリッド タンデムでは 12 から 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。固定速度システムよりも最大 58% 効率的です。[引用が必要]
インパクト
健康への影響
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、体液および電解質障害、腎不全、[8]に加えて、高体温に関連する他の問題を予防することができます。[86]熱波は米国で最も致命的なタイプの気象現象です。[87] [88] 2020年の研究では、エアコンの使用が少ない地域は、熱関連の死亡率と入院率が高いことに相関関係があることがわかりました。[89] 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。これに対応して、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℉）のエアコン付き部屋を設置することを義務付けました。[8]
空調設備（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重要なその他の環境で、清潔で安全、かつアレルギーを起こしにくい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、家庭での使用が推奨されることもあります。[90] [91]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、レジオネラ菌から身を守るために、冷却塔の登録、メンテナンス、試験の要件を成文化しました。[92]
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結果とともに、すぐに公的機関や行政機関に広まった。[93]
エアコンの導入は、1970年代から特に米国で人口動態にさまざまな変化をもたらした。米国では、1970年代までは春の出生率が他の季節よりも低かったが、それ以降はこの差は縮小した。 [94] 2007年時点で、サンベルトには米国の全人口の30%が居住しているが、20世紀初頭には米国人の24%が居住していた。[95]さらに、米国では、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た。 [7]
エアコンの普及は、世界の電力需要増加の主な原動力となっている。[96]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は3億2800万人で、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。[8] 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年の間に建てられた住宅に限ると93％に増加することが判明した。[97]
環境への影響
国際エネルギー機関による2018年の空調効率に関する報告書によると、空調を含む空間冷却は、2016年に世界で2021テラワット時のエネルギー使用量を占め、その約99%が電力であった。[ 8]この報告書は、空間冷却による電力使用量が2050年までに約6200TWhに増加すると予測しており、[8] [98]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予測している。[8]エアコンのエネルギー効率を高め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。[99] 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、建物の断熱性を高め、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を制定するよう勧告した。[99]
冷媒はまた、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ためのキガリ改正をまだ批准していないためである。[100 ] エアコンに使用されているR-12やR-22などのCFC冷媒やHCFC冷媒は、オゾン層にダメージを与えており、 [ 101 ] 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、むしろ気候変動を悪化させている。[102]どちらの問題も、修理中などに冷媒が大気中に放出されることで起こる。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1桁または2桁のハイドロフルオロカーボン（HFC）の3桁または4桁に比べてはるかに低いため、両方の問題を解決します。[103]
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℉）上昇させていただろう。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℉）になると予測されている。[104]
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、日よけの操作による日差しの吸収の低減、樹木、建築用シェード、窓（および窓コーティングの使用）の使用による日差しの吸収の低減などがあります。[要出典]
社会的影響
世帯収入が約1万ドル未満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、 [42]これが熱中症による死亡率を悪化させています。[7]冷房不足は危険な場合があります。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ためです。[89]ニューヨーク市の早期死亡率は、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口層が最も危険にさらされています。[89]熱中症による死亡率や入院と、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、[105]香港、[106]中国、[106]日本、[107]イタリアで行われています。[108] [109]さらに、医療費も別の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なかったことが熱中症による入院につながった。[109]
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づけられると考える人もいる。制度化された人種差別は、特定の疎外されたコミュニティを、経済的地位の低さ、健康状態の悪さ、より暑い地域に住むこと、肉体的にきつい労働に従事すること、エアコンなどの冷房技術へのアクセスの制限と関連付けることになる。 [ 109 ]シカゴ、イリノイ、デトロイト、ミシガンを対象とした調査では、黒人世帯が中央空調ユニット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。 [110]特に都市では、レッドライニングによってヒートアイランドが発生し、都市の特定の地域の気温が上昇する。[109]これは、熱を吸収する建材や舗装、および植生と日陰の不足によるものである。[111]公共の冷房スペースなど、低所得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もある。[8] [111]
その他のテクニック
パッシブ空調を採用した建物は、一般的に、エネルギー需要の少ない従来のHVACシステムを採用した建物よりも建設費や維持費が安価です。 [112]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。[12]
建物内の快適性を高め、温度を下げるために使用できる技術は数多くあります。蒸発冷却、選択的遮光、風、熱対流、蓄熱などが含まれます。[113]
パッシブ換気
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に空気を供給したり、屋内空間から空気を除去したりするプロセスです。これは、自然の力によって生じる圧力差の結果として、屋外の空気が屋内空間に流れることを指します。
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の風によって生じる異なる圧力と、建物の周囲に形成される開口部から発生する空気の流れによって発生します。浮力換気は、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。[114]
内部と外部の温度差を生み出す内部熱の増加は、人間の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、自然換気された建物は「呼吸する建物」と呼ばれることもあります。パッシブ冷却
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するかゼロにしながら室内の温熱快適性を向上させる。 [115] [116]この手法は、熱が内部に入るのを防ぐ（熱獲得防止）か、建物から熱を取り除く（自然冷却）かのいずれかの方法で機能する。[117]
自然冷却は、機械的なシステムではなく、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熱を放散します。 [118]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（熱を吸収または放散するすべてのもの）としてどのように使用されるかによって異なります。敷地内のヒートシンクの例としては、上層大気（夜空）、屋外の空気（風）、および土壌があります。
パッシブ冷却は、温暖化環境下でのエネルギー集約型空調への依存を減らす、気候変動適応 のための建物設計における重要なツールです。 [119] [120]
日中の放射冷却
パッシブ昼間放射冷却（PDRC）表面は、日中の冷却のために赤外線窓を通して入射する太陽放射と熱を宇宙空間に反射します。昼間の放射冷却は、ラマンら（2014）の研究によって発見されたフォトニック構造を使用して太陽熱を抑制する能力によって可能になりました。 [122] 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、さまざまな形で提供されます。[121] [123]
PDRCを建物の屋根や外壁に塗布すると、エネルギー消費量とコストが大幅に減少することが実証されています。[123]郊外の 一戸建て住宅地では、屋根にPDRCを塗布すると、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。[124] PDRCは、2025年までに屋内空間の冷却で約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。[125] [126]
ファン
手扇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。
2世紀の中国、漢代の発明家、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発明した。 [127] ：99、151、233 747年、唐代（618-907）の玄宗皇帝（在位712-762）は、皇宮に涼殿（梁殿涼殿）を建設した。唐楡林には、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されている。その後の宋代（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る。[127] ：134、151
熱緩衝
夜間や冬に寒い地域では、蓄熱が利用されます。熱は地中や石積みに蓄えられ、空気が石積みを通って引き込まれ、加熱または冷却されます。[13]
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。[13]この技術は中東では3,700年以上前から存在しています。[128]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、[15] 1600年代末にかけてヨーロッパとアメリカ大陸で普及しました。[129]この習慣は、機械式圧縮サイクル製氷機に取って代わられました。
蒸発冷却
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することができます。そうすると、通風によって水の上を空気が引き込まれ、家の中に取り込まれます。このため、暑く乾燥した気候の建築物における噴水は、寒冷な気候の建築物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。 [11]蒸発冷却は空気をより湿らせるので、乾燥した砂漠気候では有益です。[130]
蒸発式冷却器は、湿度の高い時期には、居住者のためにできるだけ涼しい空気を提供するために冷却器が機能する乾燥した空気があまりないため、機能していないように感じる傾向がある。他のタイプのエアコンとは異なり、蒸発式冷却器は、空気がダクトシステムを通って家屋内に到達する前に、冷却パッドを通して外気を導き、この冷却された外気によって家の中の暖かい空気を開いたドアや窓などの排気口から外に押し出す必要がある。[131]
参照
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外部リンク
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- 米国特許 808,897キャリアのオリジナル特許
- 米国特許 1,172,429
- 米国特許 2,363,294
- サイエンティフィック・アメリカン、「人工の冷気」、1880 年 8 月 28 日、138 ページ
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