エアコンから出た冷気や暖気は、吹出口からまっすぐ進むだけではありません。吹き出し気流は周囲の室内空気を巻き込みながら広がり、さらに暖かい空気は上昇し、冷たい空気は下降するという浮力の影響も受けます。その結果、部屋の中には循環流や温度成層が生まれます。
なぜ冷暖房では、吹き出し気流の誘引と浮力で室内に循環流や温度成層が生まれるのでしょうか。結論からいうと、エアコンのファンが空気へ運動量を与えて噴流を作り、その噴流が周囲空気を誘引して混合を起こす一方、温度差による密度差が暖気の上昇・冷気の下降を生むからです。運動量による流れと浮力による流れが重なり、部屋ごとの空気循環が形成されます。
吹き出し気流は、室内空気を巻き込んで大きくなる
エアコンの吹出口から出た空気は、周囲の空気と速度が違います。
この速度差によって、吹き出し気流の周囲にある室内空気が流れへ引き込まれます。この現象を誘引と呼びます。
ASHRAEの室内空気分布資料でも、吹き出し空気は室内空気を誘引しながら流量を増やし、速度差や温度差を小さくしていくものとして説明されています。
誘引が起こると、吹き出し風はだんだん遅くなる
吹出口の近くでは、空気は比較的速い速度で流れています。
しかし進むにつれて周囲の空気を巻き込み、流れ全体の空気量が増えます。その一方で運動量は広い範囲へ分散するため、中心部の速度は低下します。
その結果、吹出口から離れるほど風は広がり、直接的な強い風から、室内全体のゆるやかな空気の動きへ変わっていきます。
混合によって、吹き出し空気と室内空気の温度差も小さくなる
冷房時の吹き出し空気は室内より冷たく、暖房時は室内より暖かい状態です。
吹き出し気流が室内空気を誘引すると、二つの空気が混ざります。そのため、吹出口から離れるほど温度差は小さくなります。
この混合が適切に進むことで、冷たすぎる空気や熱すぎる空気がそのまま人へ当たり続けるのを避けやすくなります。
浮力は、温度差による密度差から生まれる
空気は、温度が高くなると密度が小さくなり、低くなると密度が大きくなります。
そのため、暖かい空気は上昇しやすく、冷たい空気は下降しやすくなります。
この温度差による空気の上下移動が浮力流です。冷暖房中の室内では、エアコンが作る噴流と、この浮力流が同時に存在します。
冷房では、吹き出し直後の運動量と冷気の下降が競合する
冷房時、エアコンから水平寄りに吹き出した冷気は、最初はファンによる運動量で前方へ進みます。
しかし冷気は周囲より密度が大きいため、進みながら徐々に下向きへ曲がりやすくなります。
吹き出し速度が高いほど遠くまで進みやすく、温度差が大きいほど浮力の影響で下降しやすくなります。
暖房では、下向きに吹いても暖気は上昇しようとする
暖房時に暖気を床方向へ送っても、暖かい空気は周囲より軽いため、やがて上昇します。
このため、暖房では吹き出し直後に下向きの運動量を与え、床付近まで届けたあと、上昇流を利用して部屋全体を循環させる考え方が重要です。
下向きに送る運動量が弱いと、暖気が早い段階で天井付近へ戻り、足元まで届きにくくなることがあります。
循環流は、吹き出し側と戻り側の空気移動でできる
エアコンが一方向へ空気を送り出すと、部屋の別の場所では、その分の空気が戻る必要があります。
吹き出し気流が前方へ進み、壁や床・天井に沿って方向を変え、やがて室内機の吸込口へ戻ることで、大きな循環流ができます。
この循環流の形は、吹き出し方向、風量、部屋の形、家具の配置などによって変わります。
壁や天井に沿って流れると、到達距離が変わることがある
吹き出し気流が天井や壁に近いと、流れの片側から空気を巻き込みにくくなる場合があります。
ASHRAEでは、吹出口が表面近くにあると誘引量が制限され、その結果、自由空間へ吹き出す場合より長く流れが届くことがあると説明しています。
この性質は、冷房時に水平寄りの風を天井沿いへ送る設計にも関係します。
家具や間仕切りは、循環流を分断する
背の高い家具やカーテン、間仕切りなどがあると、吹き出し気流は途中で遮られます。
すると、その場所で流れが曲がったり渦ができたりし、部屋の奥まで空気が届きにくくなります。
エアコンの風向や風量だけでなく、空気の通り道を確保することが室内循環には重要です。
温度成層は、上下方向に温度差が残る状態
部屋の空気が十分に混ざらないと、上部と下部で温度が異なる状態ができます。これが温度成層です。
暖房では天井付近が暖かく、床付近が冷たい成層になりやすく、冷房では床付近へ冷気がたまりやすくなります。
ASHRAEでも、室内空気分布方式によって、十分に混合された状態から、上下に温度差を保つ成層状態までさまざまな分布が生じると整理されています。
吹き出し速度が高いほど、混合は強くなりやすい
吹き出し速度が高いと、周囲空気を巻き込む力も大きくなりやすく、室内空気との混合が進みます。
そのため、設定温度から大きく離れている運転開始時には、風量を大きくして部屋全体の空気を動かすことがあります。
一方で、風が強すぎると人へ直接当たるドラフト不快感が起こるため、混合の強さと快適性のバランスが必要です。
低い吹き出し速度では、浮力の影響が相対的に大きくなる
吹き出しの運動量が小さいと、温度差による浮力が流れの形を変えやすくなります。
たとえば冷たい空気を低い位置からゆっくり供給する方式では、冷気を床付近に保ち、上部との温度成層を利用する設計があります。
つまり「よく混ぜること」が常に正解ではなく、空調方式によっては成層を意図的に利用する場合もあります。
人や家電の発熱も、上昇流をつくる
室内では、人の体、照明、家電、日射で暖められた面なども熱源になります。
これらの周囲では空気が暖められて上昇し、熱プルームと呼ばれる上向きの流れができます。
この自然対流もエアコンの吹き出し気流と重なり、室内の循環流や温度分布を変えます。
扇風機やサーキュレーターは、別の運動量を加える
部屋の温度成層が大きいとき、扇風機やサーキュレーターを使うと、エアコンとは別の方向から空気へ運動量を与えられます。
これによって、天井付近の暖気を動かしたり、床付近の冷気を別の場所へ運んだりできます。
既存の循環流を補助し、滞留している空気を混合させる役割があります。
循環流と換気は同じではない
室内の空気がよく循環していても、それだけで外気が入れ替わるわけではありません。
循環は、室内にある空気を動かして温度や気流を均しやすくすることです。
換気は、室内空気を外へ出し、外気を取り入れることです。冷暖房の空気循環と換気は役割を分けて考える必要があります。
空気循環の仕組みを見るときのポイント
- 吹き出し気流は周囲の室内空気を誘引する
- 誘引が進むと風速と温度差は小さくなる
- 暖気は上昇し、冷気は下降しやすい
- 噴流の運動量と浮力の大小で流れ方が変わる
- 壁・天井・家具で循環流の経路が変わる
- 混合が弱いと上下の温度成層が残りやすい
- サーキュレーターなどで別の運動量を加えて循環を補助できる
まとめ
冷暖房で室内に循環流や温度成層が生まれるのは、エアコンの吹き出し気流が周囲空気を誘引して混合を起こす一方、温度差による浮力が暖気を上へ、冷気を下へ動かすからです。
吹き出し速度が大きいと運動量による混合が強まり、速度が小さく温度差が大きいと浮力の影響が目立ちやすくなります。さらに壁、天井、家具、人や家電の発熱などが流れを変えます。
空気循環を理解するときは、単に「風を回す」と考えるのではなく、吹き出しジェットの誘引、温度差による浮力、部屋の境界条件が組み合わさって室内の流れ場を作っていると考えることが大切です。
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参考資料
- 一般社団法人日本冷凍空調工業会「空気調和の基礎知識 1.5 快適な環境とは」
- ASHRAE Handbook「Room Air Distribution」
- ASHRAE Handbook「Room Air Distribution Equipment」
- U.S. Department of Energy「Fans for Cooling」
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