空気線図を使えば加湿と除湿の原理がイメージできる!見方をわかりやすく解説!

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加湿・除湿の原理を理解したい

空気線図を使って原理を説明

加湿や除湿のような目に見えない空気の現象の原理を理解したいという方に参考になる記事を用意しました。

今回は、空気線図というグラフを用いて原理を説明していきます。空気線図とは、空気の相対湿度・絶対湿度・露点温度(結露が始める温度)・エネルギーなどの情報が1つのグラフにまとめられた非常に便利なものです。

しかし、見た目がややこしいこともあり初心者の方がいきなり理解するのは困難です。そこで、今回は空気線図の見方をわかりやすく解説していきます。

目に見えない現象がイメージできるようになる

空気線図が読めるようになると、目に見えない空気の現象がイメージできるようになります。

空調開発や建築設備開発では必須である空気線図ですが、それらの開発に携わっていない人も理解できるようになるメリットはたくさんあります。

例えば、部屋を加湿しようとすると、なぜ窓ガラスに結露しやすくなるのか?、除湿しようとすると、なぜ部屋の温度を下げなければならないか?という現象の原理がわかると、対策が打てるようになります。

私は自動車の空調開発の経験があります

私は、現在某自動車メーカーでエンジニアとして仕事をしています。

自動車用の空調開発の経験もあるため、そのときに空気線図を見方を勉強しました。その知識を共有することによって、皆さんの理解が深まればと思っています。

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空気線図の見方

ここからいよいよ本題です。空気線図の見方について、実際に加湿や除湿をイメージしながら説明していきます。

空気線図から読み取れること

まず最初は、空気線図を使うことによってどんな情報が読み取れるのかということから説明します。

図1:空気線図の概要

図1は、空気線図を概要を示しています。横軸は乾球温度[℃]、縦軸は絶対湿度[kg/kg]、その中に等相対湿度ラインが複数引かれていて、最後に比エンタルピー(エネルギー)の線が斜めに通っています。ここで、比エンタルピーとは、空気1kgが持っているエネルギーを表しています。

空気線図からは、主に相対湿度・絶対湿度・露点温度(湿度100%のときの温度)・エネルギー(比エンタルピー)の4つの状態量のつながりがわかります

次に、それぞれの言葉の定義を説明します。

相対湿度は水蒸気量/飽和水蒸気量で決まる

相対湿度は、空気が含むことができる最大の水蒸気量(飽和水蒸気量)の内、現在どれだけ水蒸気を含んでいるかという割合を示しています。

例えるなら、バケツに入った水を想像してください。1Lの水を入れられるバケツに500mLの水が入っていれば相対湿度は50%となります。一方、500mLのバケツに500mLの水が入っていれば、相対湿度は100%となります。

図2:相対湿度のイメージ

したがって、ここで重要なことは相対湿度はバケツの大きさによって変わるということです。同じ500mLの水蒸気でも飽和水蒸気量の大きさによって相対湿度の値は変化しているということを覚えておいてください。

絶対湿度は水蒸気量の絶対値

対照的に、絶対湿度とは空気1kgの中に含まれる水蒸気量で定義されます。そのため、絶対湿度の単位は、[kg/kg]となります。

先ほどの図2で説明すると、相対湿度は飽和水蒸気量が変化するとそれに伴って変化するのに対して、絶対湿度は常に一定です。なぜなら、バケツの大きさが変ろうとも中に入っている水の量は常に500mLだからです。

ここで、非常に重要なことを言います。皆さんが日常生活で加湿したり除湿したりしているのは、この絶対湿度の量を増やしたり減らしたりしているのです。

決して、相対湿度を増減させることが加湿や除湿ではありません。この点は非常に間違えやすいポイントなので、しっかり押さえてください。

加湿のときの空気線図の変化

ここから、実際に加湿・除湿をしたときに空気線図上ではどのような変化が起こっているかを解説します。まずは、加湿したときの変化を図示していきましょう。

図3:加湿したときの空気線図の変化

図3は、加湿したときの空気線図の変化を示しています。空気の温度(乾球温度)は一定のまま、加湿器などで空気を加湿したとしましょう。

加湿するということは、絶対湿度が増えることなので赤丸が青丸に移動します。すると、相対湿度は20%から60%に増加することがわかります。さらに、加湿によって空気の比エンタルピーも増加します。

除湿のときの空気線図の変化

次は、エアコンで部屋の空気を冷房して、除湿するシーンを空気線図で考えてみましょう。

図4:除湿したときの空気線図の変化

図4は、エアコンで除湿したときの空気線図の変化を表現しています。赤丸の温度から青丸の温度まで冷房したと思ってください。

そのとき空気線図では、まず赤丸から黄色丸まで変化し、その後黄色丸から青丸まで湿度100%をラインを通りながら進んでいきます

このとき注目して欲しいのが、赤丸から黄色丸の間は絶対湿度は変化していないということです。つまり、除湿されていないということです。しかし、黄色丸で露点温度(相対湿度100%)に達してからは、絶対湿度が減少(除湿)されていますね?したがって、除湿するためには相対湿度を100%以上にすることが必要不可欠です。

次に、比エンタルピーにも着目しましょう。赤丸から黄色丸まで変化させる比エンタルピー差よりも黄色丸から青丸まで変化させるときの比エンタルピー差のほうが大きいことがわかります。

赤丸から黄色丸は絶対湿度は変わらず、単に空気の温度を下げる冷房に必要なエネルギー。一方、黄色丸から青丸は除湿するために必要なエネルギーです。

ここからわかることは、空気の温度を下げることよりも空気中の水蒸気を除湿するほうが、より多くのエネルギーが必要だということです。したがって、エアコンの電気代も相対湿度が低い空気を冷房するよりも相対湿度が高い空気を冷房するほうが高くなってしまうのです。

空気線図からはこのようなこともわかるんですよ。

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まとめ

  • 空気線図とは、空気の相対湿度・絶対湿度・露点温度(結露が始める温度)・エネルギーなどの情報が1つのグラフにまとめられたグラフ
  • 相対湿度は、現在の水蒸気量と空気が含むことのできる最大の水蒸気量の割合を示したもの
  • 絶対湿度は、対照的に空気1kg中に含まれている水蒸気量
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