空調設備の基礎講座

第1章　空調設備を学ぶ前に

• 1-1空気調和の役割と目的
  現代の空調設備を学ぶ前に、有史以前の人類の暮らしを想像してみましょう。先人達は、自然がつくり上げた洞窟や、その土地で調達できる石や草木などを利用して住まいをつくり、雨、風、暑さ、寒さを凌ぐ工夫をしながら暮らしていたであろうと想像できます
• 1-2人の温熱感覚を左右する要素
  温熱感覚とは、室内において人が感じる暑さ寒さの感覚のことです。温熱感覚を左右する要素には1.気温、2.湿度、3.気流、4.放射、5.代謝量、6.着衣量があります。これら6つの要素を「温熱6要素」といい、気温、湿度、気流、放射の4つは環境側の要素、代謝量と着衣量は人体側の要素です
• 1-3熱はどのように伝わるのか
  私たちの目には見えませんが、熱は物質や空間を伝わって移動します。熱の伝わり方には、1.伝導、2.対流、3.放射の3種類の伝わり方があります
• 1-4結露の発生と防止対策
  窓ガラスが水滴で曇ったり、冷たい飲み物を入れたグラスに水滴が付いたりなど、日常で「結露」の現象を見ることがあるかと思います。中学校の理科で習うような内容ですが、結露が発生するしくみをおさらいしてみましょう。
• 1-5建物の断熱性と熱容量
  建物では室外の熱が壁、窓、屋根、床などから室内に移動するのと同時に、室内の熱も室外に移動します。この熱の移動を軽減するのが断熱の目的です。主な断熱工法の種類としては、木造や鉄骨造（S造）の「充填断熱工法」や「外張り断熱工法」、鉄筋コンクリート造（RC造）の「内断熱工法」や「外断熱工法」があります。
• 1-6日本特有の気候
  日本は四季折々の自然や食べ物を楽しめる美しい国ですが、反面、気候の変動が激しく、季節風、台風、梅雨などの影響を受けます。日本の多くは温帯に属しますが、地形が南北に長く、緯度の差が大きいことから、北海道の亜寒帯から南西諸島の亜熱帯まで、地域によって気候は異なります。また、山脈や山地の影響で日本海側と太平洋側で気候が大きく異なります。
• 1-7日照と日射
  夏の太陽は空の高い位置に見え、冬は低く見えるように、地球から見た太陽の通り道は季節によって違います。
• 1-8空調負荷の軽減
  夏の太陽は空の高い位置に見え、冬は低く見えるように、地球から見た太陽の通り道は季節によって違います。

第2章　空調方式

• 2-1空調方式の分類と単一ダクト方式の仕組み
  空調設備では冷風や温風などをつくるために「熱源」が必要になります。熱源とは読んで字のごとくですが、熱を供給する源となるものです。
• 2-2各階ユニット方式の仕組み
  各階ユニット方式を簡単に説明すると、単一ダクト方式の空調機を各階に設置したようなイメージの空調方式です。各階に空調機を設置する利点は、空調の運転や制御が各階ごとにできることです。
• 2-3ファンコイルユニット方式
  ファンコイルユニット方式はファン（送風機）とコイル（熱交換器）をユニット化したファンコイルユニット（空調機）を室内に置いて冷暖房を行う方式です。
• 2-4パッケージユニット方式の仕組み
  単一ダクト方式やファンコイルユニット方式などの中央熱源方式の空調設備は、熱源などが一箇所に集約化されるため、保守や管理なども一括化できるメリットがありますが、反面、ダクトスペースや機械室などのスペースが大きくなり、空気や水を搬送する動力に使うエネルギーも大きくなる傾向にあります。
• 2-5マルチユニット方式の仕組み
  マルチユニット方式は、屋上などに設置した1台の室外機に容量やタイプの異なる複数台の室内機を接続することが可能で、各室やゾーンごとの個別制御や運転に対応したヒートポンプによる空調方式です。

第3章　熱源と主要機器

• 3-1空調設備の全体像
  ビルなどの空調設備はさまざまな機器や装置でシステム全体が構成されています。大前提として空調設備のシステム構成は空調方式、建物の規模や用途などによって千差万別ですが、ここでは、一通りの機器や装置が比較的シンプルに構成される単一ダクト方式を例に、ビルなどの空調設備の全体像を把握しましょう。
• 3-2自然冷媒とフロン類の特徴
  川にスイカを浮かべて冷やしたり、雪深い地域では雪の中に野菜を保存するなどは昔から行われている自然を利用した食べ物の冷却方法です。ある物質を冷やすためには、その物質よりも温度の低い物質を接触させて熱交換することで、低温側の物質に熱が移って高温側の物質は冷やされます。この熱の移動は単純明快なことですが、物質を冷やすためには欠かせない大原則です。
• 3-3圧縮式冷凍機の冷凍サイクル
  圧縮式冷凍機は内部に圧縮機を持つことが特徴で、圧縮機を使って冷媒を圧縮して空気や水を冷やすタイプの冷凍機を圧縮式冷凍機といいます。
• 3-4吸収式冷凍機の冷凍サイクル
  前述した圧縮式冷凍機は内部に容積式や遠心式の圧縮機を持つことが特徴でしたが、吸収式冷凍機は内部に圧縮機を持たずに化学的な冷凍サイクルで冷却するタイプの冷凍機です。
• 3-5ヒートポンプの概要
  水は高いところから低いところに向かって流れるのが普通ですが、自然の流れに逆らって低いところから高いところに水を運ぼうとしたときはポンプを使って水を汲み上げます。
• 3-6冷房サイクルと暖房サイクル
  ヒートポンプの概要については前述しましたが、ここではもう少し具体的に、空気を熱源とする一般的な家庭用ルームエアコンがどのような原理で空気を冷やしたり暖めたりするのかについて考えてみたいと思います。
• 3-7冷却塔（クーリングタワー）の仕組み
  自然界の滝のミストシャワーには周囲の温度を下げる効果があることは前述しましたが、冷却塔（クーリングタワー）が冷却するしくみは、外気の通風と水の蒸発による放熱を利用するものなので、自然界の滝の冷却効果と似たようなものです。
• 3-8炉筒煙管ボイラの特徴
  家庭で手っ取り早く熱湯が欲しいときは「やかん」に水を入れて加熱したり、ポットでお湯を沸かすなどで熱湯をつくります。オフィスビルの空調設備や給湯設備でも熱湯や蒸気が必要になります。
• 3-9水管ボイラの特徴
  前述した炉筒煙管ボイラは管の中に燃焼ガスを流しましたが、水管（すいかん）ボイラは水管といわれる複数の管の中に水を流して、水管が伝熱部になって蒸気をつくるタイプのボイラです。
• 3-10セクショナルボイラの特徴
  例えば今まで学んだ炉筒煙管ボイラ、水管ボイラ、貫流ボイラなどは鋼製ボイラです。ここで学ぶセクショナルボイラとは、鋳鉄（ちゅうてつ）でつくられたボイラのことで、鋳鉄製組合せボイラのことを一般に「セクショナルボイラ」といいます。
• 3-11ボイラの取扱い方法
  ボイラは常圧で使われるのではなく、缶体には圧力がかかっていて、燃焼にも可燃性のガスや重油などが使われることから、取り扱い方を間違えたり、メンテナンスを怠るとボイラの破裂や爆発といった大事故につながる場合もあります。
• 3-12真空式と無圧式温水ヒータの特徴
  法的な規制を受けるボイラは一定の資格者でなければ扱えません。
• 3-13空調機（エアハンドリングユニット)の構造
  空調機は文字通り、空気を調和する機械です。つまり空気の清浄度や湿度を整えて、適度な温度の空気をつくって目的の場所に調和された空気を送る機器です。

第4章　熱搬送設備

• 4-1送風機の種類と特長
  モーターを回転させて空気に運動エネルギーを与えて送り出す装置が送風機（ファン）です。送風機は空調機（エアハンドリングユニット）の中に組み込まれたり、ダクト内の中継で使われたり、冷却塔に使われたりなど、空調設備には欠かせない機器です。その使用目的は、より遠くへ空気を送り出すため、空気を撹拌や循環させるため、放熱や換気のためなど、さまざまです。
• 4-2ダクトの種類と特徴
  空気の通り道のことを「風道」といいますが、空調設備における風道となるのがダクトの役割です。
• 4-3ダクト工事の注意点
  スパイラルダクトなどの丸ダクト同士の接続方法にはフランジ工法、差し込み継手工法などがあります。
• 4-4ダクトの振動や騒音対策
  空調設備では送風機、冷凍機、空調機といったモータを回転させるなどから振動や騒音を発生させる機器を多く使います。
• 4-5ダンパの種類
  ダンパにはいくつかの種類があります。VD、MD、CD、FD…などの記号（呼称）で表記されることが多いです。
• 4-6ダクトの吹出口と吸込口
  一般住宅で考えた場合、冷暖房がルームエアコンであれば吹出口や吸込口はエアコンと一体になりますが、ビルなどの単一ダクト方式の場合、空調機からダクトを通って送られてきた冷風や温風の最終出口となる「吹出口」、外気を取り込みや、室内の空気を空調機に戻すための還気の取り込み口となる「吸込口」が必要になります。
• 4-7渦巻きポンプ・タービンポンプの特徴
  ビルなどの空調設備では冷水、温水、冷却水などをより遠く、あるいは高いところの各機器に送るためにポンプを使います。
• 4-8ラインポンプ・オイルポンプ
  前述したボリュートポンプやタービンポンプなどの渦巻きポンプは、内部の流体を高いところや遠いところに運ぶ代表的なポンプです。
• 4-9ポンプや送風機の設置
  ポンプを設置する際は、そのポンプを長く、安全に使うため、適切な据付工事が施されているかを確認する必要があります。
• 4-10配管材
  空調設備では用途や内部の流体の性質などに応じてさまざまな配管材が使われます。ここでは空調設備でよく使われる配管材をいくつか紹介します。
• 4-11配管工事の注意点
  土木一式工事、建築一式工事、大工工事、電気工事など、建設業法上の建設工事にはいくつか種類があって、空調、給排水衛生、ガス設備などの配管工事のことを建設業法上「管工事」といいます。
• 4-12配管工事の注意点2
  配管の支持は天井のスラブに打ち込まれたインサート金物から吊り支持したり、鉄骨を利用して専用の金物で吊り支持したり、コンクリート壁面にアンカーを打ち込んで三角ブラケットなどで支持したりといったように、現場の状況や建物の構造などによって支持方法はさまざまです。
• 4-13継手と弁（バルブ）の種類
  鋼管のねじ込み接続を例にすると、配管の曲がりに使うエルボ、分岐に使うチーズ（ティー）、雄ねじ同士の接続に使うソケットなど、さまざまな継手があります。
• 4-14熱絶縁工事の概要
  土木一式工事、建築一式工事、大工工事、左官工事など、建設業法上の工事には29種類の専門工事があります。

第5章　空調設備と省エネ

• 5-1空調設備と環境問題
  「家の作りやうは、夏をむねとすべし。冬は、いかなる所にも住まる。暑き比わろき住居は、堪え難き事なり」
• 5-2空調設備で使われるエネルギー
  現代社会の暮らしはエネルギーを消費して成り立っています。照明、パソコン、冷蔵庫、エアコンなど私たちの身のまわりの多くのものが電気を使って動いています。
• 5-3太陽熱の利用（ソーラーシステム）
  私たちは太陽が放つ熱や光といったエネルギーの恩恵に授かって生きています。
• 5-4太陽熱の利用（パッシブソーラー）
  前述した水式や空気式ソーラーシステムのようにポンプやファンなど、なんらかの機械的な動力を使って太陽の熱を利用するソーラーシステムのことを「アクティブソーラー」ともいいます。
• 5-5太陽光の利用（太陽光発電）
  太陽光発電で効率よく発電量を得るためには、緯度によって違いはありますが、日本の場合であれば、だいたい南向き30°程度の角度でソーラーパネルを設置します。
• 5-6地熱・地中熱を利用する
  「地熱」と「地中熱」はその意味を混同しがちなので、まず意味の違いを説明します。地熱とは地中深くに存在する火山近くの高温な熱利用のことです。
• 5-7外気冷房・ナイトパージで涼しい外気を取り込む
  建物の内部では人体、OA機器、家電製品などからの発熱、建物の躯体からの放熱など、空調設備の冷房負荷を大きくさせる要素はたくさんあります。
• 5-8氷蓄熱式空調システムの特徴
  夜間の割安な電力を利用して夜のうちに氷をつくっておいて氷蓄熱槽に蓄えます。
• 5-9ペリメータレス空調の概要
  オフィスビルなどの室内空間をインテリアゾーンとペリメータゾーンで分けて考えたとき、OA機器からの熱、人体からの熱、照明器具からの熱などによる発熱量が多いオフィスなどでは冬でもインテリアゾーンに冷房が必要になる場合があります。
• 5-10居住域を快適にする床吹出し空調方式
  ある空間を暖めよう、あるいは涼しくしようと考えたとき、従来の空調は空間全体を均一に快適にしようという考え方が普通でしたが、最近では省エネ面などを考慮して空間を上下に分けて、人が活動する領域だけを快適にする考え方の空調方式もあります。
• 5-11タスク域を快適にするタスク・アンビエント空調
  オフィスビルのデスクワークのように居住者が長く一定の場所に滞在するようなケースでは、従来の空調方式のように空間全体を均一に快適する考え方ではなく、限られた空間を快適にすることを考えた方が省エネ面で効果的な場合もあります。
• 5-12コージェネレーションシステムの特徴
  コージェネレーションシステムはエネルギーの総合効率を向上させる目的で導入されるシステムで、発電機でつくられる電気と発電の際に発生する排熱の2つのエネルギーを利用するシステムです。
• 5-13エネルギーを共有する地域冷暖房
  建物の給湯や冷暖房に必要なエネルギーを建物ごと個別に考えるよりも、複数の建物でエネルギーを共有した方が効率的という考え方があります。

第6章　個別暖房と直接暖房

• 6-1暖房の方法
  暖房の方法を大きく分けると個別暖房と中央暖房に分けることができます。中央暖房は直接暖房、間接暖房に分けられ、さらに直接暖房は蒸気暖房、温水暖房、放射暖房に分けられます。
• 6-2暖房器具の選び方
  一般住宅などでよく使われる個別暖房の暖房器具をざっと羅列してみます。エアコン、石油ストーブ、石油ファンヒーター、ハロゲンヒーター、カーボンヒーター、セラミックファンヒーター、ガスファンヒーター、オイルヒーター、薪ストーブ、ペレットストーブ、こたつ、暖炉、囲炉裏、蓄熱式暖房機、シーズヒーター、ホットカーペット、電気毛布など、数えきれないほどの種類があります。
• 6-3蒸気暖房の特徴
  蒸気暖房は中央暖房（セントラルヒーティング）の一種です。蒸気暖房をスチーム暖房ともいいます。
• 6-4温水暖房の特徴
  温水暖房はボイラなどでつくられた温水を循環させて、必要な部屋に放熱器を設置して各部屋を暖めるシステムです。
• 6-5放射暖房の特徴
  低温放射、高温放射暖房といった放射暖房に共通して大前提として覚えておきたいことがあります。
• 6-6電気式床暖房の特徴
  床暖房は床からの放射熱で壁、天井など部屋全体を暖める暖房方法なので、他の暖房に比べて部屋の温度にムラが少なく均一に快適な空間をつくれる特徴があります。
• 6-7温水式床暖房の特徴
  温水式床暖房は熱源機からの温水を床下のコイルに循環させて床暖房を行う方法です。

第7章　換気設備

• 7-1換気の目的とは
  わたし達が暮らす地表面の大気（空気）の成分は窒素が約78％、酸素が約21％、その他、アルゴン、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気などから構成されます。
• 7-2シックハウス
  シックハウス症候群とは家の建材や家具などの接着剤や塗料などに含まれる揮発性有機化合物が引き起こす健康被害の総称です。
• 7-3自然換気
  換気には「自然換気」と「機械換気」がありますが、ここでは自然換気について解説します。
• 7-4機械換気
  機械換気はモータなどの電気的な動力を使って強制的に空気を動かして換気する方法のことです。
• 7-5ハイブリッド換気
  前述したように換気には自然換気と機械換気がありますが、近年では両者を併用するハイブリッドな換気システムもあります。
• 7-6局所換気と全般換気
  機械換気設備における換気する範囲の分類として「局所換気」と「全般換気」があります。
• 7-7換気扇の種類
  換気を行う機器にはさまざまなものがあります。ざっくりとひとくくりにいえばすべて「換気扇」ですが、使用場所や用途などに応じてさまざまな換気扇があります。
• 7-8全熱交換器
  熱交換をしない比較的単純な構造の換気扇は汚染された空気と一緒に部屋の熱も捨ててしまうため、たとえば夏の冷房時にせっかく涼しくなった室内の空気を外に逃がしてしまう、あるいは冬の暖房時にせっかく暖めた部屋の空気を捨ててしまうなどの空調のエネルギーロスになる場合があります。
• 7-9排煙設備の概要
  建物に排煙設備を備える目的は建築基準法、消防法でそれぞれ解釈に違いがあります。
• 7-10自然排煙方式・機械排煙方式
  換気設備に機械換気と自然換気があるように排煙設備の排煙方式にも「自然排煙方式」と「機械排煙方式」があります。