熱伝達とBTU

快適さの背後にある科学

HVACは応用熱力学です。すべての暖房と冷房システムは、熱をある場所から別の場所に移動させることで動作します。熱力学の第1法則は、エネルギーは作成または破壊することはできず、転移することだけが可能であることを教えています。エアコンは冷たさを作り出しません。それは室内の熱を屋外に移動させます。

BTU（英国熱単位） — HVAC業界の熱エネルギーの標準単位。1つのBTUは、1ポンドの水の温度を華氏1度上げるのに必要な熱の量です。典型的な住宅用ACシステムは毎時24,000〜60,000BTUで評価されます。1トンの冷却は毎時12,000BTUに等しい — これは24時間で1トンの氷を溶かすのに必要な熱の量に由来します。

3つの熱伝達モード：

伝導 — 材料間の直接接触を通じた熱の移動。熱い銅冷媒配管があなたの手を温めるのは伝導です。熱交換器の壁を通じて熱が流れるのは伝導です。

対流 — 流動体（空気または液体）によって運ばれる熱。強制エア炉は空気を加熱してダクトを通じてブロワーで推し出します — それは対流です。冷媒がシステムを通じて流れるのは対流によって熱を運びます。

放射 — 媒質なしに電磁波によって伝達される熱。太陽が屋根を温めるのは放射です。放射床暖房は最初に空気を加熱することなく、物体を直接温めます。

顕熱対潜熱 — 顕熱は物質の温度を変え、温度計で測定できます。潜熱は物質の状態（液体からガスまたはガスから液体）を変えますが、温度を変えません。HVACでは、潜熱は非常に重要です。冷媒は蒸発器コイル内で液体からガスに蒸発するときに膨大な量の熱を吸収するからです。その相変化がエアコンを可能にします。

顕熱と潜熱

湿度の高い夏の日、あなたはエアコンの効いた建物に入ります。空気は屋外よりも涼しく乾燥しているように感じられます。室内ユニットの近くにある凝縮液ドレインラインから水が滴り落ちているのに気づきます。

4つのコンポーネント、1つのループ

すべてのエアコンとヒートポンプの心臓

蒸気圧縮冷凍サイクルは、すべてのエアコン、ヒートポンプ、冷蔵庫、冷凍庫を駆動するエンジンです。熱をあなたが冷たいと思う場所から、あなたがそれを捨てられる場所に移動させます。サイクルには、ループに接続された4つの主要なコンポーネントがあります。

1. コンプレッサー — システムのポンプ。蒸発器からの低圧、低温冷媒蒸気を取り、それを高圧、高温冷媒蒸気に圧縮します。圧縮は冷媒にエネルギーを加え、温度を屋外空気温度をはるかに上回って上げるため、屋外で熱を放出できます。コンプレッサーは最も高価なコンポーネントであり、最も電力を消費するものです。

2. コンデンサー（屋外コイル） — 高圧、高温冷媒蒸気がコンデンサーコイルに入ります。ファンは屋外空気をコイル全体に吹きかけます。冷媒は屋外空気より高温であるため、熱は冷媒から空気に転移します。冷媒は熱を放出し（吸収した潜熱を含む）、蒸気から高圧液体に凝縮します。過冷却は液体の凝縮温度以下への追加冷却です — それはすべての冷媒が膨張装置に到達する前に完全に液体であることを保証します。

3. 膨張装置（計量装置） — 高圧液体が制限を通過します — 熱静的膨張弁（TXV）または固定オリフィス。急激な圧力低下により、冷媒の沸点が急落します。液体の一部がベポール化し、温度が劇的に低下します。冷媒は現在、冷たく、低圧の液体と蒸気の混合物です。

4. 蒸発器（室内コイル） — 冷たい冷媒が蒸発器コイルに入ります。室内空気がブロワーモーターによってコイル全体に吹かれます。冷媒は暖かい室内空気から熱を吸収し、液体からガスに蒸発します。過熱は沸点以上のベポールの追加加熱です — それはすべての冷媒がコンプレッサーに戻る前に完全にベポール化されることを保証します。液体がコンプレッサーにスラッギングするのはそれを破壊できるからです。

サイクルは継続的に繰り返されます：圧縮、凝縮、膨張、蒸発。熱は室内で吸収され、屋外で放出されます。

冷媒 — サイクルの作動流体。R-22（フロン）は何十年も標準でしたが、オゾン層破壊のため現在は段階的に廃止されています。R-410Aはほとんどの住宅用システムでこれを置き換えました。R-454Bは次世代で、地球温暖化係数が低い。冷媒の取り扱いにはEPA第608条認証が必要です — 冷媒を大気中に放出することは連邦違反です。

サイクルをトレースする

住宅所有者が電話をして、エアコンが動作しているが冷却していないと言っています。あなたが到着すると、屋外ユニットのファンが回転し、コンプレッサーが動作しており、室内ブロワーが空気を移動しています。しかし、供給ベントから出ている空気は暖かいです。冷媒配管をチェックすると、大きい吸入配管（冷たく、凝縮で汗をかくはずの）が温かいことに気付きます。

ファーネス、ヒートポンプ、ボイラー

建物がどのように温まるか

エアコンが夏の仕事を支配する一方、暖房システムはHVAC技術者を冬中忙しく保ちます。3つの主な暖房技術にはそれぞれ異なる動作原理があります。

ガスファーネス — 燃焼室で天然ガスまたはプロパンを燃焼させます。熱い燃焼ガスは熱交換器 — 金属チューブまたはクラムシェルアセンブリのセット — を通過します。室内空気が熱交換器の外側を吹いて熱を拾い、ダクトワーク全体に配布されます。燃焼ガスは煙突またはPVC排気パイプを通じて屋外に排気されます。ひび割れた熱交換器はHVACで最も危険な故障の1つです — それは一酸化炭素（CO）が室内空気供給と混合することを可能にします。年間燃焼分析（CO濃度、ガス圧、温度上昇、煙突ドラフトのチェック）は重要な安全作業です。

ヒートポンプ — エアコンと同じ冷凍サイクルですが、冷媒流の方向を切り替える可逆弁を備えています。冷房モードでは、標準的なエアコンのように、室内から屋外に熱を移動させます。暖房モードでは、可逆弁がフリップして、システムは屋外空気から建物に熱を移動させます。屋外コイルは蒸発器（屋外空気から熱を吸収）になり、室内コイルは凝縮器（建物内で熱を放出）になります。ヒートポンプは低温でも屋外空気から熱を抽出できますが、温度が低下するにつれて効率は低下します。ほとんどのヒートポンプシステムには、非常に寒い日のために補助電気抵抗ヒートストリップが含まれています。

ボイラー — 水を加熱し（水力加熱システム）、蒸気を発生させて、ラジエーター、ベースボードヒーター、または放射床チューブへのパイプを通じて配布します。ボイラーはガス、油を燃焼させるか、電気要素を使用します。水力加熱システムは古い建物と商業応用に共通です。ボイラー作業は水化学、圧力緩和弁、膨張タンク、循環ポンプを理解することを含みます。

効率等級 — ファーネスはAFUE（年間燃料利用効率）で評価されます。96％のAFUEファーネスは燃料のエネルギーの96％を熱に変換します。ヒートポンプはHSPF（加熱季節性能係数）で暖房用に、SEER（季節エネルギー効率比）で冷房用に評価されます。数字が高いほど効率が高い。

ヒートポンプ対ファーネス

温和な気候（冬が華氏30～40度）の住宅所有者があなたに、古いガスファーネスをヒートポンプに交換すべきかどうかを尋ねます。彼らはエネルギー代を節約し、炭素足跡を減らしたいと考えています。

ダクトワーク、気流、フィルトレーション

空気をそれが必要な場所に持ってくる

世界で最高のファーネスまたはエアコンは、空気配布システムが条件付き空気をすべての部屋に配置できない場合、無用です。ダクトワークデザインと気流管理はコアHVACスキルです。

ダクトタイプ — シート金属（剛性長方形または丸）、フレックスダクト（柔軟な絶縁チューブ）、ダクトボード（剛性ガラス繊維パネル）。シート金属は最も耐久性があり効率的です。フレックスダクトは安く、インストールしやすいですが、ぴんと張る必要があります — キンクまたは圧縮されたフレックスダクトは気流を殺します。各タイプには、建物、予算、コード要件に基づいた特定の応用があります。

気流測定 — 空気量はCFM（毎分立方フィート）で測定されます。各部屋には、そのサイズ、熱負荷、乗員の数に基づいた特定のCFMが必要です。典型的な2,000平方フィートの家は合計800～1,200CFMが必要な場合があります。技術者は風速計または流量フードを使用して各レジスターでCFMを測定します。

静的圧力 — ダクトシステムへの気流への抵抗で、水柱インチ（in. w.c.）でマノメーターで測定されます。血圧のようなことを考えてください — 非常に高いということは、何かが気流を制限していることを意味します（汚れたフィルター、破裂ダクト、サイズの小さいダクト）。非常に低いのはリークまたは弱いブロワーを意味します。ほとんどの住宅用システムの標的総外部静的圧力は0.50インチです。w.c.以下。高い静的圧力はブロワーにより多くの作業を強います、エネルギーを無駄に、気流を減らし、機器の寿命を短縮します。

フィルトレーション — 空気フィルターは、再循環空気からほこり、花粉、および粒子を除去します。フィルターはMERV（最小効率報告値）で1～20で評価されます。標準的な住宅用フィルターはMERV 8-11です。病院級はMERV 13-16です。高いMERVはより良いフィルトレーションを意味しますが、高い静的圧力も意味します — システムにとって制限的すぎるフィルターはエアフロー首絞り、蒸発器コイルを凍結する可能性があります。

リターンエア — ほとんどのシステムは供給ダクト（条件付き空気を配置）とリターンダクト（ユニットへの空気を再条件付けするために戻す）を持っています。不十分なリターンエアは最も一般的な住宅用ダクト問題の1つです — それは圧力不均衡を作成し、ドアをスラムさせ、システムに自分自身に対して作業を強います。

気流の問題を診断する

住宅所有者は、夏に上の階の寝室は常に暖かすぎ、下の階は快適であると不平を言っています。システムは1つの温度計を備えた単一ゾーンエアコンで、温度計は下の階に位置しています。ダクトワークは熱い屋根裏を通じて上の階のレジスターに到達するために走っています。あなたが静的圧力を測定し、それが0.85インチであることがわかります。w.c. — 0.50目標をはるかに上回る。

業界に入る

HVACキャリアと認証

HVACは米国で最高需要の熟練労働の1つです。労働統計局は平均より速いジョブ成長を予測し、経験豊かな技術者は短い供給です。仕事をオフショア化することはできません — 建物はシステムを修正するために示すことができるローカル技術者が必要です。

EPA第608条認証 — 冷媒を購入または処理するために連邦法によって必要です。4つのタイプがあります：タイプI（小型機器）、タイプII（住宅用ACのような高圧システム）、タイプIII（大規模チラーのような低圧システム）、および汎用（すべてのタイプ）。ほとんどのHVAC技術者は彼らの訓練の初期段階で汎用認証を取得します。テストは冷媒の取り扱い、回収、リサイクル、および環保規制を対象としています。

NATE認証 — 北米技術者卓越。NAは特定のシステムタイプ（エアコン、ヒートポンプ、ガスファーネスなど）を対象とし、実世界の診断スキルを検証します。多くの雇用主はNATE認定技術者を好むか必要とします。

徒弟制対職業学校 — 職業学校プログラム（6ヶ月〜2年）は教室とラボで基礎を教えます。組合徒弟制（通常4～5年）は教室の指示と熟練者の監督下で支払われた現場訓練を組み合わせます。どちらのパスもキャリアにつながりますが、徒弟制はあなたが学んでいる間あなたに報酬を与え、監督されたフィールド経験の数千時間を与えます。

住宅対商業 — 住宅技術者は家で働きます — スプリットシステム、ファーネス、ダクトワーク。商業技術者はより大きな機器で働きます — 屋上ユニット、チラー、冷却塔、ビルオートメーションシステム、および可変エアボリューム（VAV）システム。商業作業はより複雑で、通常はより多く支払われます。

特殊化 — 冷凍（スーパーマーケット、冷蔵庫、フードサービス）、制御とビルオートメーション（DDCシステム、BACnet、プログラム可能なコントローラー）、室内空気品質、エネルギー監査、およびシステムデザイン。制御とオートメーションを学ぶHVAC技術者は特に高い需要があります。建物がより賢くなるにつれて。

収益 — エントリーレベルのHVAC技術者は通常$35,000～$45,000で始まります。経験豊かな住宅技術者は$50,000～$75,000を稼ぐ。商業および産業技術者と認証と特殊化は$75,000～$100,000以上を稼ぐことができます。ビジネスオーナーとコントラクターは天井がありません。

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HVACを将来に接続する

あなたは現在、熱と冷却、冷凍サイクル、ファーネスとヒートポンプが熱を発生させる方法、ダクトワークが建物に条件付き空気を配布する方法の背後にある熱力学の知識を持っています。