暖房機器の原理、そのメリットとデメリット(空気編)

2018/12/15

今回のコラムでは、暖房機器の大まかな分類と特徴を3部に分けてご紹介したいと思います。暖房機器が人に熱を伝える方法は、「空気(部屋空気)」「電磁波(光)」「モノ」の3つの方式があります。

これらの方式は「空気の流れ」「電磁波の拡散」「体に直接」を活用し暖房しており、「対流(温風)式」「輻射式」「伝導式」暖房機器とも言われています。どの方式を使用するかで効果や効率等に差がでます。それぞれのライフスタイルにあった方式はどれでしょうか?初回の本記事では『対流(温風)式』からご説明していきます。

温風・対流式機器「空気の力で部屋と人を暖める」

温風・対流式とは

温風式は暖かい空気を吐き出す方式で、対流式は熱により発生した暖かい空気が上昇し、冷たい空気が下降し循環する方式です。温風・対流式は別物に思えますが、暖房機器が一箇所で大量の熱を発生させれば対流が発生するため、温風が無くても対流は可能です。温風式は熱量が低い場合、熱対流は生成しませんが、ある程度の熱を出す場合は必然的に対流が発生し対流式とも言えます。

対流・温風方式は、部屋全体を暖めたい場合は最も効果が早く現れ、安価に利用できる方式です。しかし、空気を暖めればすぐに人が暖まるわけではありませんので、部屋が十分に暖まるか、温風を直接体で受け無い限り寒いままです。更に、空気を暖めることによって湿度が急激に下がり、石油ファンヒーター等では空気も汚れてしまい、換気の度に室温が下がることもあります。

簡単に部屋を暖め、利用者全員に効果が出ると言う点では大きなメリットですが、直ぐに暖まらないことや空気の質が急激に変化することによる体調不良の恐れもあり、デメリットも無視できません。

温風・対流式機器のメリットとデメリット

メリット 

  • 「部屋」を暖める能力が高く、「部屋」がすぐに暖まる

デメリット

  • 「体」を直接暖める能力が低い
  • 乾燥して空気が汚れることもある

日常で使われている温風・対流式機器は?

ファンヒーター

ガス・石油・電気等で熱を発生させファンで拡散する方式です。石油があれば簡易に利用でき、都市ガスは燃料交換不要で比較的安価です。しかし空気を乾燥させるので、換気等が必要です。

メリット

  • 暖房能力が高い
  • コストが安い

デメリット

  • 換気、燃料交換(石油の場合)が必須
  • 空気が乾燥し風邪に繋がる

電気方式には、加湿・空気清浄機能搭載のものもあり、単純電気ストーブより効率が良く、部屋の乾燥は克服できます。しかし、ガス・石油に比べ出力が劣るので、フルパワーで使えば電気代は高価になってしまいます。

エアコン

屋外には圧縮機(コンプレッサー)と熱交換器(ヒートポンプ)から構成される室外機があります。この室外機が、外気から熱を奪ったり放出することで、屋内機に暖気や冷気を送り出すことで、室内の空気を暖めたり冷やす仕組みとなっています。熱の移動は、冷媒と呼ばれる物質が担当し、この冷媒に圧力をかけ(気体⇔液体)変化させることで、熱を吸収と放出しています。エネルギーが余っている気体を無理やり圧縮・凝固させれば熱を放出して液体になり、エネルギーの少ない液体を無理やり膨張・気化させれば熱を吸収し気体になります。そのため、熱の吸収・放熱は冷媒の物質特性が鍵となります。熱の吸収・放出には相手が必要であり、エアコンの場合、屋外及び室内の空気が相手ということになります。

冬季に外気温が0℃前後の空気をそのまま取り込むと寒いですが、冷媒を-5℃程度まで圧縮・凝固し液化させると、冷媒から見ると0℃の空気は暖かく、気化させると冷媒は外気の空気の熱を奪います。

 そして、室内に戻った冷媒は無理やり熱を放出し-5℃に液化し、この差分エネルギーが熱として室内に放出され暖房効果が出ます。しかし、吸熱(気化)には限界があり、温度が下がれば下がるほど液体は気化させ難く、必要となるエネルギーも多大になります。一方、放熱(液化・固化)反応には限界が無いので、冷房時には、外気による影響は少なくてすみます。エアコンを暖房として使う場合は、外気温と室温の差が非常に重要となります。結果は、消費電力料金に現れます。エアコンに記載の「標準」「低温」表示は、標準「外気温7℃/室内20℃」、低温「外気温2℃/室温20℃」が消費電力の目安となっています。この5℃の差は大きく、この差が広がれば広がる程、消費電力は増加します。外気温との差があまりにも大きい場合は、エアコン以外の暖房機器を使用する方が効率が良いと考えられます。

メリット 

  • 温度差によっては非常に暖房効率が良い
  • 多機能

デメリット

  • 電気代が高く、室温差が大きいと予期せぬ電力消費もある

ストーブ(石油・ガス)

ストーブは、発生熱量が高くその熱が対流を作り、徐々に部屋全体を暖めて行きます。石油・ガス系暖房機器同様に換気や乾燥はありますが、ストーブのメリットは輻射熱にあります。ファンヒーターは「熱だけ」をファンの風に乗せているのに対し、ストーブはガスや石油が作った「光や電磁波も」金属板に反射させて拡散しています。これにより、光や電磁波を受けた人体を直接的に暖めること(輻射熱)が可能になります。つまり熱の上昇気流で対流し部屋を暖め、輻射を拡散し人や物を直接暖めることができるのです。一石二鳥の暖房と思われますが、熱以外に光や電磁波を放出していますので石油・ガス消費量はファンヒーターより大きく、光を拡散するためサイズが大きくなります。シンプル構造で壊れにくいという長所もあります。

メリット 

  • 対流効果と輻射効果で部屋と人を同時に暖められる
  • シンプル構造で壊れにくく丈夫

デメリット

  • 大型で燃料コストが高い
  • 換気と燃料交換は必須

おわりに

いかがでしょうか?今回は、空気の力で温める温風・対流式に関してご紹介しました。対流・温風活用の暖房機器は数多く、暖房効果も高く冬場の暖房機器の主力です。一方で、それぞれメリットとデメリットがあり、省エネや居住環境などのライフスタイルを考慮した選択が必要です。次回は『暖房機器の原理・メリットとデメリット(輻射熱編)』に関して掲載します。

2018.12.15(文責:雫 二公雄)


雫 二公雄

日立製作所でインターネット等情報関係分野を担当し、その後、中堅企業にて金属表面改質技術の研究開発を取り纏めた後、ベンチャーや大学、研究機関等の新技術の事業性評価や管理を担当。現在は、半導体関係、二次電池、中小企業事業性評価支援等を推進している。現在は、日立ITユーザ会社会システム分科会長、長崎県ロボット事業県都委員会検討委員、一般社団法人日本ゲルマニウム研究学会理事長などを務める。

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The EDGEWATER's Corporation

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