快適な空気の作り方 ～エアコン設計の基礎～

快適な空気の作り方 ～エアコン設計の基礎～ URL http://matsui-ss.com/ （２０２２年３月作成）

目次 前書き・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ p.2 顕熱と潜熱・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・p.3 空気線図・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・p.4 顕熱比・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ p.5 空気の調整・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・p.7 1

前書き みなさんの家や職場、また、駅やビルの中など、あらゆるとこ ろに空調機は設置されています。空調機からは冷房の時は冷たい 空気が、暖房の時には暖かい空気が流れてきますが、具体的には どのような温度や湿度の空気が流れてくるのでしょう？また、そ れらを決定する考え方とはどのようなものでしょうか？ 本資料では“空気線図“という道具を使いながら、快適な空気の作 り方について簡単にみていきたいと思います。 ※本資料はなるべく簡単に説明することを心掛けて作成しました。 詳しい説明は別途市販書等をご参考ください。 2

顕熱と潜熱 空気線図の話の前に、まずは熱の種類について見ていきます。 いま、やかんに入った水をコンロで加熱していくとします。最初 の水の温度は20℃でしたが、加熱により50℃、80℃、100℃と 徐々に温度が上がっていきます。また、100℃で沸騰した水はそれ 以上温度は上がらず、水（液体）が水蒸気（気体）へと状態変化 していきます。 上記の現象の中で、水が20℃から100℃へと温度が上昇する際に 必要な熱を“顕熱”、一方、100℃になった後に水蒸気へと変化する のに必要な熱を“潜熱”といいます。 一般的に“熱”というと“顕熱”のことだけを考えがちかもしれませ んが、身近な例でも“潜熱”について説明することができます。例え ば病院で注射を打つ前に、アルコールで腕を消毒する際にひんや りすると思います。これは、液体だったアルコールが腕の熱を奪 い、気体に蒸発する現象のためです。また、暑い夏の日に玄関先 に打ち水をすると涼しくなりますが、これも水が蒸発する際に道 路から熱を奪い取ってくれるからです。このように、液体から気 体への状態変化に伴う熱のやり取りは色々なところで発生してい ます。 簡単に捉えると、水蒸気が無い場合の温度変化は“顕熱”によるも の、水蒸気がある場合の温度変化は“潜熱”によるものといえます。 3

空気線図 空気の状態について、我々人間が快適かどうかを判断するのに 重要な指標として、「温度」と「湿度」があります。それらの関 係性を図として見やすくしたものが「空気線図」と呼ばれるもの です。空気線図にも色々な種類がありますが、本資料では横軸に 温度（乾球温度）、縦軸に水分量（絶対湿度）をとる「湿り空気 線図」を用いて説明します。 いま現在の温度は15℃、絶対湿度は5g/kg（空気1kg中に水分 5g）とします。この状態を空気線図で表すと以下図中黒丸（●） の様になります。なお、横軸を5g/kgのまま左方向に真横に移動し ていくと、曲線と衝突します。この曲線は“飽和曲線”と呼ばれ、 “温度ごとに含むことができる水分量の上限”を示しています。例え ば〔15℃、5g/kg〕の状態の空気を徐々に冷やしていくと、〔4℃、 5g/kg〕のところで飽和曲線に衝突します。このとき、空気は含め る限り最大の水分を含んだ状態となっており、例えば更に冷やし て1℃まで温度を下げると、1℃での飽和水蒸気量は4g/kgですから 差の1g/kg（5g/kg-4g/kg）分が液体（水滴）として凝縮されます。 なお、〔1℃、4g/kg〕の状態になった空気を温めて15℃にした 際、空気の状態は〔15℃、4g/kg〕となって最初の状態〔15℃、 5g/kg〕と比べて水分量が少なくなります（除湿の原理）。 先ほどの顕熱と潜熱が空気線図上ではどの様に関係あるのか、 次ページで見ていきましょう。 飽和曲線 絶対湿度 5g/Kg 4g/Kg 1℃ 4℃ 15℃ 乾球温度 4

顕熱比 部屋を借りるときに「日差しが入って暖かいから南向きの部屋 が良い」とか「窓は大きい方が良い」ということも考慮しながら 決めたことがある人もいらっしゃると思います。また、満員電車 では蒸し暑く感じる一方、空いている電車では比較的ひんやりし た感覚をもったりしませんでしょうか。このように、部屋の間取 りや、人の人数によって温度や湿度の変わり方は部屋ごとに異な ります。この、「部屋ごとに温度・湿度がどのように変化するの か」を定量的に考える際に、顕熱と潜熱が非常に役立ちます。ど ういうことか見ていきましょう。 部屋について考えるとき、代表的な顕熱の一つは「ガラス窓か ら入ってくる太陽の熱」です。他にも、「外壁や屋根から伝わっ てくる熱」「人間が発する熱」なども考えられます。一方、代表 的な潜熱は「人間が発する水蒸気による熱」や「湯沸かし器など の設備からでる熱」です。それぞれを合計することで、部屋ごと の顕熱と潜熱それぞれの合計値が分かります。 一方、実は空気線図上では顕熱の変化は横軸上の動きで表され、 潜熱の変化は縦軸上の動きで表されます。次に、“顕熱比”というも のについて次ページでみていきましょう。 潜 熱 の 絶対湿度 変 化 顕熱の変化 乾球温度 5

顕熱比 いま、部屋の中に湯沸かし器と送風機があるとします。湯沸か し器からは顕熱と潜熱が両方出ているとします。このとき、湯沸 かし器を通る前の状態Aと、通った後の状態Bそれぞれの空気の状 態を、空気線図上で示すと以下のようになったとします。 状態B 状態A 送 風 機 湯沸かし器 状態B 絶対湿度 潜 状態A 熱 の 変 顕熱の変化 化 乾球温度 “顕熱比“は一般に以下の式で定義されます。 顕熱変化量 顕熱比＝ 顕熱変化量+潜熱変化量 “顕熱比“が小さいほど全熱変化量（=顕熱変化量+潜熱変化量） のうち顕熱変化量が小さい、つまり、潜熱変化量が占める割合が 大きいという事になります。例えば炊事場やレストランなど、水 分を発生させる原因がたくさんある場所では顕熱比は小さくなり ます。また、そのような顕熱比が小さい場所ほど空気線図上での 傾きＡＢは大きくなります。 6

空気の調整 2ページ前の部屋の例にもどりましょう。窓から差し込む太陽光 による顕熱量、また、人間が発する潜熱量などから、その部屋の 顕熱比が計算できます。顕熱比が計算できるという事は、空気線 上でどのような傾きで空気の状態が変化するのかが予測できると いうことになります。例えば〔26℃、10g/kg〕の状態Aから 〔28℃、11g/kg〕の状態Bになるだろうという様に。この時、空 調機によって一定の状態Aを保とうとしようとするとき、どのよう な空気を送り込んだらよいでしょうか？ 下の空気線図をご参考の様に、直線AB上の状態Cという空気を 送り込めば良いことがわかります。すると、状態Bの空気と状態C の空気が混じり合って、状態Aの空気を作り出すことが可能になり ます。なおこの場合、状態Cは直線AB上の状態Aよりも左下の箇所 であればどこでも構いません。あまり冷たくない空気であれば状 態Cの空気を送る風量を多くすることで、冷たい空気であれば送る 風量を小さくすることで調整できます。通常、風量が大きくなる とダクトも大きくなってしまい設備費が上がってしまう、また、 ダクトスペースが大きくなってしまうというデメリットが発生し てしまうため、冷房の場合は冷ための空気を送ることで風量を少 なくすることが多い様です。 上記の様な考慮がされた結果、我々の周りには常に快適な空気 が流れているという状態を保つことができるのです。 B 絶対湿度 状態 状態A 状態C 乾球温度 7