ハイドロニクス

ハイドロニクス（古代ギリシャ語の hydro-  「水」に由来）は、暖房および冷房システムにおける熱伝達媒体として、液体の水、気体の水（蒸気）、または水溶液（通常はグリコールと水）を使用することです。 ^{[1] [2]この名前は、このようなシステムを}石油システムや冷媒システムと区別するものです。

歴史的に、高層ビルやキャンパス施設などの大規模な商業ビルでは、水暖房システムに冷水ループと温水ループの両方が含まれ、暖房と空調の両方が提供されます。チラーと冷却塔は、水を冷却する手段として別々に、または一緒に使用され、ボイラーは水を加熱します。最近の革新は、チラーボイラーシステムで、住宅や小規模な商業スペースに効率的なHVACを提供します。

多くの大都市には、地下配管を通じて公共の高温の温水と冷水を供給する地域暖房システムがあります。サービス地区内の建物は、サービス料金を支払うことでこれらのシステムに接続できます。

水暖房システムには、以下の種類の配管が含まれます。^[1]

• 冷水システム
• 給湯システム
• 蒸気システム
• 蒸気凝縮システム
• 地中熱ヒートポンプシステム

ハイドロニックシステムはさらに 5 つの方法に分類されます。

• 流れの生成（強制流または重力流）
• 温度（低、中、高）
• 加圧（低、中、高）
• 配管配置
• ポンプ配置

ハイドロニックシステムは、いくつかの一般的な配管配置カテゴリに分類できます。

• シングルまたはワンパイプ
• 2管式蒸気（直還または逆還）
• 3本のパイプ
• 4本のパイプ
• シリーズループ

最も古い現代の温水暖房技術では、単管蒸気システムによって蒸気がラジエーターに送られ、そこで蒸気は熱を放出して水に凝縮されます。ラジエーターと蒸気供給パイプは傾斜しており、重力によってこの凝縮水は最終的に蒸気供給パイプを通ってボイラーに運ばれ、そこで再び蒸気になってラジエーターに戻ります。

その名前にもかかわらず、ラジエーターは主に放射によって部屋を暖めるわけではありません。ラジエーターを正しく配置すると、部屋の中に空気の対流が生じ、これが主な熱伝達メカニズムとなります。最良の結果を得るには、蒸気ラジエーターを壁から 1 ～ 2 インチ (2.5 ～ 5 cm) 以内の距離に設置することが一般的に認められています。

単管式システムは、大量の蒸気（つまり熱）を供給する能力^{（引用が必要）}と、個々のラジエーターへの蒸気の流れを制御する能力^{（引用が必要）}の両方において制限があります（蒸気供給を遮断するとラジエーター内に凝縮水が閉じ込められるため）。これらの制限のため、単管式システムはもはや好まれません。

これらのシステムは、加熱エリア全体のラジエーターに取り付けられたサーモスタットエアベントバルブの適切な動作に依存しています。システムが使用されていないときは、これらのバルブは大気に開放されており、ラジエーターとパイプには空気が含まれています。加熱サイクルが始まると、ボイラーが蒸気を生成し、それが膨張してシステム内の空気を押しのけます。空気は、ラジエーターと蒸気パイプ自体のエアベントバルブを通ってシステムから排出されます。サーモスタットバルブは熱くなると閉じます。最も一般的な種類では、バルブ内の少量のアルコールの蒸気圧がバルブを作動させる力を発揮し、蒸気がラジエーターから出ないようにします。バルブが冷えると、空気がシステムに入り、凝縮した蒸気と入れ替わります。

最新のバルブの中には、より速くまたはより遅く排気できるように調整できるものもあります。一般的に、ボイラーに最も近いバルブは最も遅く排気し、ボイラーから最も遠いバルブは最も速く排気する必要があります。^{[引用が必要]} 理想的には、蒸気が各バルブに到達し、すべてのバルブが同時に閉じられる必要があります。そうすることで、システムは最大限の効率で動作できます。この状態は「バランスの取れた」システムとして知られています。^{[引用が必要]}

2 管式蒸気システムでは、凝縮水の戻り経路があり、ポンプや重力誘導流が関与する場合があります。個々のラジエーターへの蒸気の流れは、手動または自動バルブを使用して調整できます。

戻り配管は、その名前が示すように、ボイラーに戻る最も直接的な経路をとります。

ほとんどの（ただしすべてではない）アプリケーションで戻り配管のコストが低くなり、供給配管と戻り配管が分離されます。

このシステムは、供給ラインと戻りラインの長さが異なるため、バランスをとるのが難しくなる場合があります。熱伝達装置がボイラーから遠いほど、圧力差は顕著になります。このため、常に次のことが推奨されます。分配配管の圧力降下を最小限に抑える。平らなヘッド特性を持つポンプを使用する^。各ターミナル^{または分岐回路にバランス調整装置と流量測定装置を含める。}ターミナルに ^高ヘッド損失を持つ制御弁を使用する。

2 パイプ逆戻り構成は、「3 パイプ システム」と呼ばれることもありますが、水がボイラーに戻る方法が 2 パイプ システムとは異なります。2 パイプ システムでは、水が最初のラジエーターを出ると、ボイラーに戻って再加熱され、2 番目、3 番目も同様に続きます。2 パイプ逆戻りでは、戻りパイプはシステム内の最後のラジエーターまで移動してから、ボイラーに戻って再加熱されます。

2 パイプ リバース リターン システムの利点は、各ラジエーターまでのパイプの長さがほぼ同じであるため、各ラジエーター内の水の流れに対する摩擦抵抗が同じになることです。これにより、システムのバランスを簡単に取ることができます。

設置者や修理担当者は、適切にテストを行わない限り、すべてのシステムが自己バランスを保っていると信頼することはできません。

現代のシステムでは、ほとんどの場合、蒸気ではなく温水が使用されます。これにより、冷水を使用して空調を行うことも可能になります。

家庭では、水ループは、ゾーン内のすべてのラジエーターを流れる水の流れを「ループ」させる 1 本のパイプと同じくらい単純な場合があります。このようなシステムでは、すべての水がゾーン内のすべてのラジエーターを流れるため、個々のラジエーターへの水の流れを調整することはできません。もう少し複雑なシステムでは、ゾーンの周りを途切れることなく流れる「メイン」パイプを使用します。個々のラジエーターは、メイン パイプの水の流れの小さな部分を取り出します。これらのシステムでは、個々のラジエーターを調整できます。または、複数のラジエーターを備えたループをいくつか設置し、各ループまたはゾーンの水の流れをサーモスタットに接続されたゾーン バルブで制御することもできます。

ほとんどの水システムでは、水は 1 台以上の循環ポンプによって循環されます。これは、蒸気の固有圧力がシステム内の離れた地点に蒸気を分配するのに十分である蒸気システムとは対照的です。システムは、複数の循環ポンプ、または 1 台のポンプと電動ゾーン バルブを使用して、個別の加熱ゾーンに分割できます。

断熱製品の導入により、水暖房システムの効率が大幅に向上し、運用コストも大幅に削減されました。

ラジエーター パネル システムのパイプは、断熱用に設計された、耐火性があり、柔軟性があり、軽量なエラストマー ゴム素材で覆われています。スラブの暖房効率は、フォーム製の断熱バリアを設置することで向上します。現在、市場にはさまざまなエネルギー定格と設置方法を備えた製品が数多く提供されています。

ほとんどの温水暖房システムではバランス調整が必要です。これには、システム内でエネルギーを最適に分配するために流量を測定して設定することが含まれます。バランスの取れたシステムでは、すべてのラジエーターに、完全に加熱するのに十分な量の温水が供給されます。

住宅用システムでは普通の水道水が使用される場合もありますが、高度な商業用システムではシステム水にさまざまな化学物質が添加されることがよくあります。たとえば、添加される化学物質には次のようなものがあります。

• 腐食を抑制する
• システム内の水の凍結を防ぐ
• システム内の水の沸点を上げる
• カビや細菌の増殖を抑制する
• 漏れ検出の改善を可能にする（例えば、紫外線下で蛍光を発する染料）

すべての温水暖房システムには、システムから空気を除去する手段が必要です。適切に設計された、空気のないシステムは、長年にわたって正常に機能し続けるはずです。

空気は不快なシステムノイズの原因となり、循環流体との間の適切な熱伝達を妨げます。さらに、許容レベル以下に減らさない限り、水中に溶解した酸素が腐食を引き起こします。この腐食により、配管に錆やスケールが蓄積する可能性があります。時間が経つと、これらの粒子が緩んでパイプの周りを移動し、流れを減少させたり、妨げたり、ポンプシールやその他のコンポーネントを損傷したりする可能性があります。

水ループ システムでも空気の問題が発生する可能性があります。水ループ システム内の空気は、次の 3 つの形式に分類できます。

システム全体の高い地点に漂う自由空気に対処するために、手動および自動の通気口などのさまざまなデバイスが使用されます。自動通気口には、フロートによって操作されるバルブが含まれています。空気が存在すると、フロートが下がり、バルブが開いて空気を抜きます。水がバルブに達する（満たされる）と、フロートが上がり、水が逃げるのを防ぎます。古いシステムのこれらのバルブの小型（家庭用）バージョンには、シュレーダータイプのエアバルブ継手が取り付けられている場合があり、空気ではなく水が出始めるまでバルブステムを手動で押し下げることで、閉じ込められた圧縮空気をバルブから抜くことができます。

混入空気とは、水と同じ速度で配管内を移動する気泡のことです。エア「スクープ」は、このタイプの空気を除去しようとする製品の一例です。

システム水には溶解空気も存在し、その量は主に流入水の温度と圧力（ヘンリーの法則を参照）によって決まります。平均して、水道水には体積比で 8 ～ 10% の溶解空気が含まれています。

溶解空気、自由空気、混入空気の除去は、システムから空気を継続的に除去する凝集媒体を備えた高効率空気除去装置によってのみ達成できます。接線型または遠心型の空気分離装置は、自由空気と混入空気のみの除去に限定されます。

水は熱くなると膨張し、冷えると収縮します。水ループ式ハイドロニックシステムでは、作動流体のこの変化する容積に対応するために、システム内に 1 つ以上の膨張タンクが必要です。これらのタンクでは、圧縮空気で加圧されたゴム製のダイヤフラムが使用されることがよくあります。膨張タンクは、さらに空気を圧縮することで膨張した水を収容し、予想される流体容積の変化にわたってシステム内の圧力をほぼ一定に保つのに役立ちます。大気圧に開放された単純なタンクも使用されます。

水は蒸発、つまり蒸気に変わるときにも急激に膨張します。スパージパイプは、高圧の凝縮水が低圧領域に入るときに発生する可能性のあるフラッシュに対応するのに役立ちます。^[3]

ハイドロニックシステムは通常、給水装置（公共の給水装置など）に接続されます。自動バルブはシステム内の水の量を調整し、システム水（および水処理薬品）が給水装置に逆流するのを防ぎます。

過度の熱や圧力は、システムの故障の原因となる場合があります。何らかのメカニズム (ボイラー温度制御など) が故障した場合に、配管、ラジエーター、またはボイラーの破裂を招かずに、蒸気または水を大気中に放出できるように、少なくとも 1 つの過熱および過圧の安全弁の組み合わせがシステムに取り付けられています。安全弁には通常、手動操作ハンドルが付いており、通常の動作条件下で弁の漏れを引き起こす可能性のある汚染物質 (砂利など) をテストして洗い流すことができます。

蒸気の急速な凝縮はウォーターハンマー を引き起こす可能性があり、これはガスから液体への急速な体積変化の際に強力な真空力をもたらす。これにより継手、バルブ、機器が損傷したり破壊される可能性がある。適切な設計と真空ブレーカーの追加により、これらの問題のリスクを軽減または排除できる。^[4]

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