住宅所有者に機械および換気システムの基礎を紹介する新しい本

『Pretty Good House: A Guide to Creation Better Homes』の室内空気の質について詳しくは、著者の Web サイトにアクセスしてください。

地球は私たちが思っているよりも早く加熱しています。 2021 年にこの章が具体化しつつあったとき、米国の太平洋岸北西部は暑さの記録を更新するだけでなく、破壊していました。 オレゴン州ポートランドは華氏113度を記録した。 メイン州ポートランドの6月の気温は90度台に達したが、これは珍しいことだ。 歴史的にメイン州では、海風、山々、木々に覆われ、そしてもちろん北緯が夏を穏やかに保つのに役立っています。 8 月であっても、ポートランドの平均最高気温が 90°F に達することはめったになく、平均最低気温は 60°F を下回ることがよくあります。 しかし、夏バテ注意報はますます一般的になってきています。

これは明らかに地球温暖化に対する即時対策の必要性を示していますが、同時に私たちの多くがプロジェクトにエアコン (AC) を組み込み、または改修すること、多くの場合はそれが初めてであることも意味します。

加熱と同様、PGH に対する最良の最初の応答は負荷を軽減することです (詳細については第 4 章を参照)。 夏の日差しは遮り、冬の低角度の日差しは取り入れるオーバーハング、葉があるときだけ日差しを遮る落葉樹や蔓、窓、日よけ、低放射率コーティングの思慮深い使用、そしてもちろん断熱性と気密性冷却負荷を低く抑えます。 簡単なことが役立ちます。夜に窓を開けて冷たい空気を家に流し、日中は窓を閉めて暑い空気を遮断します。 暑い気候では熱を反射するために明るい屋根の色を選択します。 そして、家全体ではなく個人を冷やすために扇風機を使用します。

本当に暑い日が何日も（そして夜も）続けば、PGH であっても遅かれ早かれ不快なほど熱くなるでしょう。 空気熱源または地中熱源ヒートポンプを使用して暖房を行っている場合は、すでに空調源が存在します。 本質的には、システムの動作を逆にして、内部から熱を捕らえて外部に放出するだけです。 暖房と同様、冷却システムも負荷に合わせて設計する必要がありますが、設計基準は同じではない可能性があります。

実際、すべての AC ユニットはヒートポンプです。 あなたが見慣れている大型の室外機は、基本的にミニスプリットの室外機と同じ働きをします。 過去 10 年間でその効率は大幅に向上しました。 同じダクトを使用する強制熱風システムとよく組み合わせます。 ヒートポンプではないシステムは通常、蒸発 (またはスワンプ) クーラーと呼ばれ、冷却の代わりに水の蒸発による冷却効果を利用します。 乾燥した気候ではヒートポンプよりもシンプルで安価で効率的ですが（自作もかなり簡単です）、効果ははるかに低く、湿度を悪化させる可能性があります。

1 つの部屋 (ホーム オフィスや寝室など) だけを冷却する必要がある場合は、ウィンドウ ユニットが合理的です。 他のシステムと同様に、しっかりと空気を密閉し、フィルターを交換または掃除してください。 EPA の Energy Star は、ユニットの効率を知るための良いガイドです。

PGH を冷却する場合は、湿度に注意してください。 夏のソーダ缶の結露の典型的な例からわかるように、暖かく湿った空気は冷たい表面で結露します。 ここでの魔法の数は露点です。 相対湿度と温度の関数である露点は、水蒸気が表面上で凝縮して液体になる温度です。 そして、家の中の結露があらゆる種類の問題を引き起こす可能性があることを私たちは知っていますが、その中でも特にカビや腐敗が問題です。

露点以上に保つには、家を十分に暖かく保つか（露点温度以上）、湿度を下げる（それによって露点を下げる）ことができます。 高温多湿の気候では、夏の露点は 70°F を超える場合があり、90°F で相対湿度 72% の場合 (夏に米国の湿気の多い地域でこのようなことが起こる可能性があります)、露点温度は 80°F になります。 。

さらに、人間が好む範囲の暖かい端では、湿った空気は、同じ温度の乾燥した空気よりもはるかに快適ではありません。 私たちは汗をかくことで体を冷やします。乾燥した空気の中で蒸発することで、体は汗を排出するのがはるかに簡単です。 「暑さではなく、湿気だ」というのは、実際、まさにその通りです。

ほとんどの場合、Pretty Good House は経験則とガイドラインを提供することで高性能の建物を簡素化しようとしています。 ただし、冷暖房システムに関しては、経験則はあまりうまく機能しません。 何らかの形式のエネルギーモデリングが必要です。 通常、建築基準法では、部屋ごとの熱損失を決定するために ASHRAE マニュアル J の計算が必要です。 結果は正確である可能性がありますが、サプライヤーや請負業者にとって作業を容易にするために計算が改ざんされることがよくあります。 ヒートポンプは最大容量付近で最も効率的に動作し、大きすぎると効率が大幅に低下するため、機器の大型化は望ましくないことがよくあります。 大型のエアコンでは空気を効果的に除湿することができません。

暖房、冷房、換気にどのシステムを選択する場合でも、システムを慎重に設計することが重要です。 年間わずか 15 時間しかない、これまでに到達した絶対的な最低温度に対応するのに十分な熱容量がある場合、残りの 364 日と 9 時間ではシステムが超過することになります。 代わりに、いわゆる設計温度を使用します。 これは通常、それが発生する年間の割合に関連付けられた気温です。

たとえば、ASHRAE マニュアルには、メイン州ポートランドの暖房設計温度が -1.7°F (-18.7°C) / 99.6%、および 3.2°F (-16°C) / 99° と記載されています。 これは、平均して、気温が 1 年の 99.6% で -1.7°F を超え、99% で 3.2°F を超えていることを意味します。 一部のグラフには 98% の数値も含まれています。 冷房の場合、数値は 86.7°F (30.4°C) / 0.4% および 83.3°F (28.5°C) / 1% です。これは、繰り返しになりますが、気温が年間のその割合の気温を超えていることを意味します。

設計の対極にあるのは、システムが設計どおりに動作していることを確認することです。 ヒートポンプは期待どおりの速度で稼働していますか? 換気は予想される量の空気を動かしていますか? これは見落とされがちなステップですが、特に機器の機能不全により効率が簡単に失われる高性能住宅では重要です。 関係する内容については、検証とクライアントの教育に関する第 10 章で詳しく説明します。

機器が設計どおりに動作していることを検証することを「コミッショニング」と呼びます。これは、機器を設置した請負業者、製造業者、または第三者の監査人によって実行されます。 しかし、それを実行し、結果を記録することが重要です。 また、住宅所有者がメンテナンスのスケジュール、フィルターの交換や掃除、整備や修理の依頼先などについて理解していることを確認する良い機会でもあります。 工事を請け負う前に、必ず試運転計画を立ててください。 設置業者がそれを行う予定がない場合は、その予定であること、機器が仕様どおりに動作していない場合は修正が必要になることを伝えてください。

除湿は、湿気の多い気候では冷却を補うために不可欠です。 ヒートポンプを含むほとんどのエアコンは除湿に対応できます。 暖かく湿った空気を冷たいコイルの上に吹き付けるだけです (これが、ユニットの下を歩くときに必ず頭に落ちる水滴を生成する原因です)。 セントラル AC システムには、アドオンの除湿ユニット (さらに言えば、乾燥気候や寒冷気候の暖房シーズン用の加湿ユニット) が搭載されている場合があります。

暖房システムの短サイクルと同様、PGH の潜在的な問題は、冷却システムが空気を除湿するのに十分な時間動作しないことです。 これによりユニットが「ドライ」モードになり、コイルの温度が急激に下がり、調整された空気からより多くの水蒸気が凝縮され、その過程で大量のエネルギーが消費されます。 独立型の除湿機を使用することもできますが、除湿機を空にするか、排水管に配管する必要があり、通常は家全体ではなく、すぐ近くのエリアを除湿します。 メイン州の多くの古い家の地下室は湿気が多く、一年中除湿機を稼働させていることも珍しくありません。 除湿機はエネルギーを大量に消費する可能性があるため、除湿機を使用する場合は慎重に調べてください。 頻繁に家を除湿する必要がある場合は、専用のダクトを備えた別のシステムを使用すると、はるかに効果的かつ効率的になります。

もちろん、湿気は一年中問題になる可能性があります。 外部からの浸水以外に、室内の湿気は最も有害な湿気の発生源であるため、管理する必要があります。 その多くは、料理、入浴、掃除、植物やペットの水やり、そして単に呼吸するなど、単に家を占めるだけのことから来ています。 安価なデジタル湿度計 (相対湿度を測定する装置) は、湿度レベルの監視に役立ちます。 通常、住宅は相対湿度 30% ～ 50% に保つのが最適です。 冬には、30％を下回ると、空気の乾燥によるあらゆる問題（皮膚のひび割れ、鼻血など）が発生する可能性があります。 夏には、60% を超えると結露や快適性の問題が発生する可能性があります。 過度に乾燥した家は、過度に湿気の多い家ほど構造に危険を及ぼすことはありません。

換気は HVAC の方程式の最後の部分です。 過剰な湿気が問題を引き起こす前に、季節を問わず、できるだけ早く家から湿気を取り除きたいと考えています。 キッチンや浴室では、レンジフードや浴室換気扇を設置するのが比較的簡単で一般的です。 これらのユニットは屋外に排気する必要があります。屋根裏に排気される再循環型の通気口のないレンジフードや風呂ファンは、よく言っても効果がなく、最悪の場合、家や健康に破壊的です。 ファンが動作していないときに屋外の空気が吹き込むのを防ぐために、ファンには効果的なダンパーが必要です。

室内空気質 (IAQ) に関する研究は、過去 10 ～ 20 年にわたって建築業者や設計者にとって大きな助けとなってきました。 換気に関して最も一般的に使用されている規格は、ASHRAE 62.2 と呼ばれます。 ASHRAE は米国暖房・冷凍・空調技術者協会であり、規格 62.2 のタイトルは「住宅の建物における換気と許容可能な室内空気の質」です。 これは、ほとんどの建築基準の換気要件の基礎となります。

序文には、「この規格は、住戸の換気を通じて許容可能な IAQ を達成するための最小要件について説明しています...住戸の換気は、人、資材、およびバックグラウンドプロセスからの避けられない汚染物質の排出を薄めることを目的としています。」と述べています。

キッチンは IAQ の低下の主な原因です。 ガスコンロをお持ちの場合は、調理を始める前から燃焼排気（一酸化炭素やホルムアルデヒドを含む）が問題となります。 IH ストーブは電気式で非常に安全でエネルギー効率が高いため、よくお勧めします。

燃焼していなくても、調理により微粒子（肺を通過して血流に入るほど小さい物体）、浮遊炭化水素（一部は発がん性がある）、その他の汚染物質が生成されます。 私たちが見つけた効果的な戦略は、ダクト付きレンジフード、サラダ、テイクアウトの 3 つです。

後者の 2 つは最終的には飽きると仮定して、レンジフードに焦点を当てましょう。 排気がどの程度うまく行われているかを測定するには、空気の動きと捕集面積の 2 つの部分があります。 1 つ目は立方フィート/分 (cfm) で測定されます。 これらのファンのサイズを決めるにはさまざまな経験則があります。 PGH では、換気には十分だが強力ではない、容量 300 cfm のファンをお勧めします。

適度に気密性の高い住宅では、別の複雑な問題が発生します。 排気しようとしているのと同じくらい多くの空気を取り入れる穴がどこかにない限り、レンジフードやバスファンはあまり役に立ちません。 隙間風が吹き込む家では、化粧の空気が入ってくる場所がたくさんありますが、PGH ではそれを計画する必要があります。

メイクアップエアを提供する方法はさまざまですが、使用していないときにうまく密閉できる比較的シンプルな方法を使用することが増えています。 電動ダンパー付きの外部からのダクトです。 レンジフードの電源を入れると開き、切ると閉じるように配線されています。 この空気をどこに導入するかは、当然のことながら議論の対象になります。 部屋全体を冷やさないように、レンジフードの近くに空気を取り込むべきだと主張する人もいます。 コイルを冷やして動作を良くするために、冷蔵庫の下に入れることを主張する人もいます。 ASHRAE は現在、60% をキッチンから取り入れ、残りを家の他の場所から取り入れることを推奨しています。 これは別の研究分野です。 近いうちにもっと決定的な情報が得られることを願っています。

現在、ますます多くのレンジフード メーカーがメイクアップ エア キットを販売しており、計画と設置がはるかに簡単になっています。 (ファンが 400 cfm を超えて移動しない限り、建築基準法では化粧空気を必要としないことに注意してください。これにより、ほとんどのバス ファンは除外されます)。

もう 1 つの考慮事項は、レンジフードが空気中の汚染物質をどれだけ効果的に捕捉するかです。 調理による汚染物質が最終的にフード内に入らない場合、ファンは新鮮な調整された空気を排出しているだけです。 有効捕捉エリアは、ファンの速度、フードの形状、レンジ表面からの距離、ストーブのサイズによって決まります。

最適なフードは、全方向にレンジより 1 フィート広く、バーナーの上に約 10 インチです。 ただし、これでは調理が少し難しくなるので、妥協します。 フードが小さくなり、ストーブから遠ざかるほど、効果は低くなります。

これは特にアイランド フードに当てはまります。アイランド フードは 4 つの側面すべてから空気を取り込む必要があり、フード内に空気を導くのに役立つバックスプラッシュや側面の上部キャビネットがありません。

バスファンはシンプルですが、それでも少し考える必要があります。 特に寒い気候では、シャワーからの暖かく湿った排気が排気ダクト内で容易に結露する可能性があります。そのため、冷たい結露がシャンプーしたての髪に滴り落ちたり、ダクト内に溜まってカビが生えたりしないように注意する必要があります。またはカビ。 壁を通して通気するユニットの場合、凝縮水が逃げることができるように、ダクトが外側に向かってわずかに傾斜していることを確認してください。 また、接続部から水を家の外に排出できるようにダクトを組み立てます。

唯一の選択肢が垂直で、屋根を通過するか、水平に回転する前に大幅に上昇する場合は、さらに困難になります。 最善の策は、慎重な断熱と気密封止によってダクトを確実に暖かく（つまり露点以上に）保つことです。 より強力なモーター、または外部に近い追加のインライン ファンにより、排気が確実に動き続け、結露の可能性が低くなります。

大気中の汚染物質と湿気の主な発生源は対処できたので、家の残りの部分はどうなるのでしょうか? 家には呼吸が必要だということを誰もが聞いたことがあるでしょう? まあ、間違っています。 家は生き物ではないので、呼吸する必要がありません。 必要なのは、乾いた状態を保つことです。 一方、乗員は呼吸する必要があります。 家全体の換気システムは両方に役立ちます。

ほとんどの古い住宅では、換気システムは、隙間風を介して空気が家に出入りすることです。 吸気がどこから来るのか、排気がどこへ行くのかは実際には分からないため、風の吹く方向と強さに応じて IAQ が良くなったり悪くなったりする可能性があります。 隣の牧草地から、あるいはカビの生えた床下から空気を吸い込んでいるのでしょうか？ 外側に押し出されているか、それとも壁や天井の空洞に押し込まれていますか?

PGH であれ、Pretty Good Reno であれ、エア シーリングをより適切に行うようになったら、より慎重になる必要があります。 寝室では、呼吸による二酸化炭素が一晩で簡単に不健康なレベルまで蓄積する可能性があります。 一日のうちバスファンやレンジフードが稼働していない時間帯でも、希釈する必要のある室内汚染物質と、排出する必要のある湿気が依然として存在します。 これに対処する方法は、適切に設計された換気システムです。 重要な要素は、システムが次のとおりであることです。

エネルギーペナルティがあるという落とし穴があります。 天気の良い日には、窓を開けて十分な換気を行うことができます。 しかし、窓を閉めるほどの暑さ、寒さ、または湿度が高くなると、定義上、換気には空調された空気 (冷却、加熱、または除湿された) と無空調の空気の交換が含まれます。 調整された空気が排出されたら、入ってくる空気を加熱、冷却、または除湿する必要があります。 したがって、目標は十分な換気である必要がありますが、過度の換気ではありません。 ASHRAE 62.2 または建築基準法で要求されるものから始めるとよいでしょう。 シンプルな空気品質または CO2 モニターは、設置後のシステムの調整に役立ちます。

バランスの取れた換気を提供する最も一般的なシステムは、熱とエネルギーを回収する換気装置です。 熱回収換気装置 (HRV) は、気流中の熱の 90% を捕捉する熱交換コアを備えており、冬でも夏でも効果的です。 エネルギー回生換気装置 (ERV) を使用すると、湿気も移動するため、冬には乾燥した屋外の空気の湿度が高くなり、夏には湿った屋外の空気の湿度が低くなります。 2 つの機能を切り替えることができるシステムがいくつかあります。

ほとんどのシステムは、中央ユニットから家の主要スペースにダクトで接続され、湿気や臭いが発生するエリアから排気され、リビングエリアと就寝エリアに供給されます。 他のものは点源換気装置であり、個室を換気することを意味します。 どのシステムが最適かは、気候、占有率、バスルームが家の他の部分と同じシステムであるかどうかなど、多くの要因によって決まります。

一部の家庭では、排気のみの換気を使用しており、基本的に風呂のファンを低速で連続運転させています。 通常、これにより最初はお金が節約されますが、バランスのとれた換気を使用して節約されたエネルギーは最終的には元が取れます。また、入ってくる空気は構造内のランダムな隙間を通って入ってくるのではなく濾過されるため、室内の空気の質も向上するはずです。

HRV と ERV のどちらを使用するか、どこで使用するかについては、多くの (仮想) インクがこぼれましたが、最終的には、ユニットとダクトの設置とメンテナンスに加えて、ユニット自体の品質が、HRV と ERV のいかなる利点よりも優先されます。一方のシステムをもう一方のシステムより優先します。