家庭用HVAC用の新しいエアダクトシステム

戦略的なビルディング アメリカの研究が、空調空間内の冷暖房ダクト用の革新的で市場対応の HVAC ソリューションの開発にどのように役立ったか

ほぼ 1 世紀にわたって、配管工は昔と同じ方法でパイプを設置し、現場で金属パイプを切断したりはんだ付けしたりして苦労してきました。 その後、1990 年代に、架橋ポリエチレン (PEX としてよく知られている) と呼ばれる革新的な材料が登場しました。

私たちが今知っているように、PEX は柔軟なチューブであり、必要なフィッティングがはるかに少なく、取り付けに接着剤やはんだが不要で、腐食しません。 一部の配管工は最初は PEX に抵抗していましたが、やがてシステムの使いやすさと速度の方が品質を犠牲にすることなく収益に優れていることに気づきました。 現在、PEX は新築住宅建設における主流の配管システムです。

現在、米国エネルギー省 (DOE) の建築技術局による初期投資のおかげで、新しいダクト システムが同様に家庭用冷暖房業界に変革をもたらす予定です。

DOEのビルディング・アメリカ・プログラムの一部によって資金提供された研究から成長した新会社Rheiaは、国内トップクラスの住宅建設会社数社と提携して、住宅内に設置するように設計された特許出願中の「プラグアンドプレイ」エアダクトシステムの実証を行っている。今日のエネルギー効率の高い新しい住宅の空調スペース。

このシステムは、マニホールド、均一直径のダクト、コネクタ、ディフューザー コンポーネントで構成されており、テープやマスチックを使用せずにスナップ式に結合してほぼ気密な送達システムを形成します。 ダクトは壁の空洞内に収まるほど小さいため、空調された空間内でダクトを配置しやすくなり、システム全体のパフォーマンスとエネルギー効率が向上します。

レイアは、Building America プログラムが過去 25 年間にわたって取り組んできた「研究室からリビングルームまで」のイノベーションの完璧な例です。このプロセスは伝統的に、建築科学の専門家が研究室であれこれいじることから始まり、最終的にそのイノベーションが使用されるまでに至ります。国内最大手の建設業者によるものです。

従来のエアダクトシステムには次の問題があります。

次のように考えてください。90% の効率と評価されている炉があるが、供給される前に空気の 30% が漏れている場合、その炉は本質的に 60% の効率でしか動作していません。 効率とは機器だけの問題ではありません。 それはシステム全体に関わることだ。」

建築業者はこれらの問題を理解していますが、ほとんどの建築業者は、少なくとも建物の空調された熱エンベロープ内での漏れを抑えるダクト用の貴重な内部スペースを放棄したくありません。 下がり天井や軒天井を美しく見せるのも難しいです。

2015 年、ピッツバーグに拠点を置く IBACOS は、ビルディング アメリカの長年のパートナーであり、空気配送システムの研究を 30 年近く行ってきましたが、この問題を解決するために、ビルディング アメリカ プロジェクトでハウジング イノベーション アライアンスと提携しました。

いくつかのアイデアを検討した結果、チームは最終的に、空調された空間内に配置される、シンプルで建設者に優しい「プラグアンドプレイ」ダクト システムにたどり着きました。 このシステムでは、従来の幹線と分岐の HVAC ダクト システムでは 18 個のコンポーネントが使用されているのに対し、わずか 5 個のコンポーネントが使用されており、ダクトを接続するコンポーネントのほとんどは、コイル状のワイヤー フレームの上にグラスファイバーの布が貼られて作られています。

実際、IBACOSはシステム開発時に「PEXモデル」を使用しました。 IBACOS の建築性能スペシャリストである Andrew Poertschke 氏は、「低負荷住宅ではより小さなダクトを使用できるという考えがありました」と述べています。 「それらをすべて中央のマニホールドに組み込めば、空気の流れがより良く、より予測可能になります。さらに、それらを空調された空間に収めることもできます。」 また、このシステムは、従来の HVAC システムよりも使用するコンポーネントが大幅に少なくなります。

プロジェクトの一部は、ダクトの長さと数を決定するための設計方法を開発することでした。 ダクトのサイズはすべて同じであるため、部屋によっては複数のダクト配管が必要になります。 それでも、インストールが簡単なので時間を節約できます。

2015 年から 2017 年にかけて、IBACOS はラボ テストとモデリングを実施してテクノロジーを検証しました。 IBACOS イノベーション センターに 2 階建てのタウンホームのモックアップを構築し、それを基幹支店 HVAC システムと 2 つのプラグ アンド プレイ システムの材料費と人件費を比較するために使用しました。 このタイムアンドモーション調査の結果では、プラグ アンド プレイ システムの人件費が大幅に低下することがわかりました。

「このシステムを使って作業を進めるうちに、このアイデアには非常に強力な労働価値提案があり、業界に革命を起こす可能性があることに気づき始めました」と Poertschke 氏は言います。

ダクトが壁の空洞に収まるほど十分に小さいことが重要でした。 実験室でのテストとモデリングにより、気候ゾーン 3 ～ 5 にある最大 4,200 平方フィートのほとんどの住宅が、直径 3 インチの滑らかなダクト設備で適切に空調できることが確認されました。 小規模な住宅では、2.5 インチまたは 2 インチのダクトを使用して空調を行うことができます。

モデリングを検証するために、IBACOS の研究者はピッツバーグの空いているテストハウスにシステムを設置し、空気の流れと快適さのデータを監視しました。 彼らはまた、この HVAC ダクトの設置を使用して、ドアのアンダーカットが空気の戻りの主な手段として適切であるかどうかを研究しました (ヒント: 適切でした)。

その時点で、IBACOS チームはソリューションを市場に投入する方法を熟考し、アラン レインを含む信頼できるアドバイザーと話し合い始めました。

Pulte Homes での運営担当副社長を務めるなど、いくつかの大手建築会社を率いてきた Laing 氏は、このプロジェクトの可能性に魅了され、Rheia という新会社の設立に参加するほどになりました。 (名前はギリシャ語の「神々の母」に由来しており、レイン氏はこの人のことを「慰めの女神」と呼んでいます。)

Rheia は 2019 年初頭に正式に発売され、プラグアンドプレイ ダクト システムを 2020 年半ばに市場に投入することを目指しています。

「建築業者は顧客でもあるため、投資家になってもらうことに戦略的な関心があった」とペルチケ氏は言う。 「この方法でより早く売上を伸ばすことができるとわかっていました。」 これまでレイアは国内最大手の住宅建設会社8社と30人以上の個人投資家から資金を調達している。

「テクノロジーの独自性の多くは部品やピースに起因します」と、IBACOS での勤務を含む 30 年以上の製品開発の専門知識を持つ Rheia の製品担当副社長、ナイジェル・ワッツは言います。 「気密システムで省力化を達成するために、私たちは多くのエンジニアリングを行ってきました」と彼は付け加えました。

このシステムは現在までに目覚ましい進歩を遂げているにもかかわらず、「ホームセンターに行って既製の Rheia システムを買うことはできません」と Poertschke 氏は言います。 代わりに、同社は請負業者や建設業者に直接販売します。 受託メーカーがコンポーネントを製造し、自動車業界で豊富な経験を持つサプライチェーン ソフトウェア会社 IndustryStar Solutions がサプライ チェーンの管理を支援し、部品が現場に確実に届けられるようにします。

パフォーマンスを検証した後、次のステップは全国の新築住宅で Rheia を試験運用することでした。「システムが機能することはわかっていました」と Poertschke 氏は言います。 「そこで私たちは各市場を調査し、取引者がそれにどのように反応するかを観察し始めました。」

レイア氏は2020年を通じて、複数の住宅建設業者と協力して、ボルチモア、インディアナポリス、フロリダ州オーランド、ピッツバーグ、サンディエゴなど、さまざまな気候帯の13軒の住宅にシステムを設置した。 同社はまた、この時間を利用して、Underwriters Laboratories (UL) からの必要な認証を取得し、射出成形と生産能力を確保しました。

HVAC 設置業者からのフィードバックは非常に好意的だとワッツ氏は言います。 「そのほうが彼らにとっては簡単です。煩わしさが少なく、安全で、迅速です。」

パイロット プログラムにより、建設業者は大規模に使用する前にシステムをテストする機会が得られました。 「これは販売プロセスの最初の段階です」と IBACOS のイノベーション担当マネージング ディレクターのアンソニー グリソリア氏は言います。 「建設業者は主張を検証するためにそれを試したいと考えています。」

参加した投資家建設業者の 1 社は、国内第 3 位の住宅建設業者である Pulte Homes でした。同社は、イノベーションへの取り組みだけでなく、IBACOS およびその PERFORM プラットフォームとの密接な関係により、プラグアンドプレイ システムへの投資を動機付けていました。 。

ピッツバーグの試験場を訪問した後、この住宅建設業者は、間取り図の 1 つでシステムをモックアップすることに同意しました。「システムを視覚化できたことは、非常に大きな影響を与えました」と、Pulte Homes の国家調達マネージャー、ジェフ タウンゼント氏は言います。

その後間もなく、プルトはフロリダ州オーランドにある自社住宅の 1 つでこのシステムを試験的に導入することを決定しました。設置は 2020 年 5 月に完了しました。建設後、プルトはさまざまな条件をシミュレーションして、期待されるレベルの快適さを提供していることを確認するために家を監視しました。まるで家が占拠されているかのように。

疑問があったとタウンゼント氏は認める。 システムは少し違うようです。 空気はレジスターから真っ直ぐではなく円形のパターンで出ます。 しかし、顧客を満足させるには、HVAC の仕組みを解体する必要がある、つまり、暑い屋根裏に空気を強制的に通すのをやめ、ミキシング ボックスの「不完全な設計」を排除する必要がある、と彼は言います。 「従来のダクトシステムでは、家の片側が過熱または過冷却されることがよくありました」とタウンゼント氏は言います。

従来のシステムでは、平均して、家の一部と別の部分で 7 度の温度差が生じます。 Rheia ダクトを空調空間に配置することで、Pulte は温度差を数度縮小し、システム機器を 0.5 トン小型化することができ、大幅なコストとエネルギーの節約に成功しました。 RESNET HERS 評価分析では、空調空間にダクトを設置すると、評価ポイントが 4 ～ 5 ポイント向上したことも明らかになりました。

プルトのオーランドのテスト住宅は 2020 年末に販売されました。同社は、来年を通じて新しい住宅所有者をフォローアップする予定です。 「このシステムが住宅所有者にどのような影響を与えるのかを理解したいのです」とタウンゼント氏は言う。 同社はまた、インディアナポリスで冷房と暖房の両方を提供するシステムの試験運用を開始しており、システムが最もよく利用される場所を決定するために他の地域にも目を向けています。

パイロットホームからのフィードバックは、設置を容易にするために物理コンポーネントの一部を微調整したり、システムの美観の一部を再検討したりするために使用されています。

一方、第 2 ラウンドの資金調達を経て、Rheia の次のステップは試験段階から量産モデルに移行し、プラグ アンド プレイ HVAC システムを使用するさらに多くの新しい住宅の普及に向けて、最終的に建設業者とその顧客が使用できるソリューションを市場に提供します。気に入るでしょう。

米国エネルギー省 (DOE) の Building America プログラムは、25 年以上にわたって建築の効率、耐久性、手頃な価格の革新を促進してきました。 クリーン エネルギー経済と熟練した労働力を向上させるこの世界クラスの研究プログラムは産業界と提携し、最先端の科学と導入の機会を活用して家庭のエネルギー使用量を削減し、気候変動の緩和に貢献します。

Building America Research-to-Market 計画では、次の 3 つの統合ロードマップが特定されました。

これらのロードマップはそれぞれ、エネルギー効率が高く健康的な高性能住宅の広範な普及の達成に関連する総合的な課題に戦略的に取り組むように設計されています。

Eric Werling は、米国エネルギー省の Building America プログラムのナショナル ディレクターです。 彼は住宅のエネルギー効率、室内空気の質、建築科学の専門家であり、今後 10 年間で二酸化炭素排出量ゼロを達成することに注力しています。

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