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除湿のメカニズム:コップの結露水がヒント

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熱力学の基礎になりますが、物理のような基礎知識は不要です。中学生でも理解できるように解説します。

1. 湿り空気線図というツール

 まず、空気の気持ちになっていただくために湿り空気線図というツールを理解していただきます。次の図がそうなんですけど、ちょっと情報が多いですよね。これをかみ砕いて解説していきます。

① 湿り空気線図の「乾球温度」とは?

 横軸に「乾球温度」と書かれています。なんだか難しそうに聞こえますが、私たちが普段慣れ親しんでいる「気温」と理解していただいて大丈夫です。

 湿度を測定するためには、次の写真のように濡れたガーゼの温度も一緒に測る方法があり、このガーゼの温度を「湿球温度」と呼ぶため、それと対比して気温を乾球温度と呼びます。今回は湿球温度を使いませんので、そういうものがあるとだけ理解いただければ大丈夫です。

③ 湿り空気線図の「絶対湿度」とは?

 単位をよく見ると[g/kg]と書かれています。他の湿り空気線図を見ると[kg/kg’]という表現をされたりします。分母は乾き空気の質量を表しており、分子は空気中に溶け込んでいる水分の質量を表しています。平たい話、1㎏の空気中に何gの水分が溶け込んでい、という事です。

② 湿り空気線図の「相対湿度」とは?

 私たちがよく「湿度〇%」と言っているものは、実は「相対湿度」と呼ぶものなのです。空気中に溶け込める水分量はその時の気温によって変わります。気温(乾球温度)が高いほど多くの水分が空気に溶け込め、気温が低いとあまり水分が溶け込めません。この温度毎に溶け込める水分の限界量を相対湿度100%と定義しています(次の図)。

%で表現するという事は割合になりますので、この限界量~水分ゼロの間を等間隔に見れば湿度〇%というのがわかる算段です。

③ 湿り空気線図上のその他の物性

 エネルギーを議論したい場合は比エンタルピーや比容積を使いますが、今回はそこまで難しいことは触れませんので割愛します。

2. 湿り空気線図を使って水分の凝縮の過程を理解

 それでは湿り空気線図を使って除湿の原理を解説します。除湿の原理をイメージしていただくために、コップの表面に結露する水を思い浮かべてください。

① 除湿のメカニズム:除湿前の空気とコップ表面の温度

 今回は気温25℃、湿度50%の部屋を考えます。湿り空気線図上で表現すると、次の図の赤い点を打った場所がそうです。コップ表面は0℃としました。結果的にコップ表面は湿度100%なので点を打てるのですが、まだここでは0℃の線をイメージしていただいて大丈夫です。

② 湿り空気線図:冷える過程

 それでは部屋の空気が冷える過程を説明します。空気はコップ表面温度0℃に向かって冷えていきます。次の図の青い印の線のように水平に左に向かいます。すると相対湿度100%の線にぶつかります。ここからは、これ以上は空気中に水分が溶け込めないので、空気中の水分が「水」として結露して現れます。そして、やがてコップ表面温度に至り、この時は相対湿度100%となります。

コップの話はここまでです。このままだと冷えたままの空気です。再び温度を上げるのですが、ここからはルームエアコンの除湿方式で解説した「弱冷房除湿」と「再熱除湿」でやり方が変わりますので、それぞれ解説したいと思います。

③-1. 湿り空気線図:弱冷房除湿

 弱冷房除湿は、「冷やして結露させた空気」と「室内の温かい空気」を混ぜます。次の図のようになりますが、どの点になるかは混ぜる空気の質量割合で決まりますので、一概には言えません。そして、混ぜ合わさった後の湿度差がすなわち除湿量になります。

ここで注目いただきたいのが、湿度は下がっているものの、温度も一緒下がってしまっている点です。これが、弱冷房除湿だと部屋が冷えてしまう理由になります。天気の良い日だと日射で部屋が暖められるので問題になりません。しかし、本来除湿が活躍してほしいのは曇りでジメジメとした梅雨の時期です。そこで、除湿しても部屋が冷えない方式として「再熱除湿」があります。

③-2. 湿り空気線図:再熱除湿

 この場合、メカニズムは弱冷房除湿よりもシンプルなんです。何らかの熱源により冷えた空気を加熱してから部屋に戻してあげるのです。次の図は便宜上、部屋の温度まで温めた絵にしていますが、実際はそこまで温めていないはずです。ここで注目いただきたいのが、再熱除湿の場合は、弱冷房除湿に比べて除湿量は多く、部屋も寒くならない点です。それではなぜ弱冷房除湿が存在するのか、それは空気を加熱するためにエアコンの機能が複雑になり、コストが高くなってしまうからです。

3. まとめ

 除湿は、空気の温度が冷えると空気中に溶け込める水分量(湿度100%のライン)が下がる現象を利用しています。

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