扇風機の上にミネラルウォーターのボトルを置くと、エアコンと同等の効果が得られるのでしょうか？真実は…

最近、多くの短編動画プラットフォームでは、ミネラルウォーターのボトルと扇風機を使って、エネルギーを節約し、排出量を削減する「エアコン」を作ることができるというコンテンツを公開している。それで、これは本当ですか?

まず、最近ネット上で出回っている「扇風機＋ミネラルウォーターのボトル半分」という「自家製エアコン」装置は、新しい発明ではありません。

ミネラルウォーターのボトルが「エアコン」として使われています。 2016年6月にはすでに、同様のデバイスが海外のウェブサイトに登場していました。当時は「ゼロ電気エアコン」や「エコクーラー」と呼ばれ、室温を5℃下げられると謳われていました。

この外国製の機器は、最近中国で出回っている「扇風機＋ミネラルウォーターのボトル半分」の「自家製エアコン」と本質的には同じものです。違いは、ペットボトルと木の板で作られた外来換気装置を部屋の窓に直接取り付け、屋外の自然風を利用し、扇風機も必要としないことです。だから、より大きなギミックなのです。実現できれば、まさに「エネルギー消費ゼロ」となる。

画像と情報元: https://wonderfulengineering.com/guy-invents-an-air-conditioner-that-works-without-electricity/

では、このような「エアコン」には効果があるのでしょうか?

それがうまくいくかどうかは実験室で明らかになるだろう

中学校の物理教師を含む多くの人が同様の実験を行ってきましたが、明らかな冷却効果は測定されていません。 2018年、私は上海師範大学の教科教育（物理学）大学院学位プログラムの責任者であり、数学物理学学院物理学部の教授として、「低電力エアコン」のテストと題する物理学の学部論文を指導し、この問題に関する詳細な理論分析と実験テストを実施しました。

実験中、学生たちは、この装置を通過した後の空気の温度低下は基本的に0.2℃以内であり、これはインターネット上で広まっている5℃よりもはるかに低く、ほとんどの場合、この装置を通過した後、空気の温度は上昇する傾向があることを発見しました。

「扇風機＋ミネラルウォーターボトル」の場合も、ミネラルウォーターボトルを通過する空気の温度に大きな変化がないことがわかります。

しかし、多くの友人は、ミネラルウォーターのボトルを追加すると空気が涼しくなると報告しています。これは幻覚でしょうか？

体感温度≠温度

この装置を追加すると涼しく感じる人が多いのはなぜでしょうか?まず、実際の冷却効果と知覚される冷却効果という 2 つの概念を区別する必要があります。

実際の冷却効果とは、温度測定器によって検出できる実際のガスの冷却効果を指します。実際の物体の場合は、温度計を直接置いて温度を測定するか、赤外線温度計や赤外線サーモグラフィーを使用して温度を測定することができます。前述のように、ミネラルウォーターのボトルを追加しても、大きな冷却効果はなく、むしろ温度がわずかに上昇する可能性があります。

体感される冷却効果は、人体表面の蒸発冷却によって生じます。ペットボトルの追加により、扇風機の扇形の吹き出し口が小さくなり、特定エリアの風量が増加し、人体表面の蒸発が速くなるため、体感温度が低くなります。ただし、これによりファンの出口面積が減少することになります。

また、蒸発冷却効果と冷却効果という2つの概念があります。人体を乾燥した金属球に置き換えた場合、球の温度低下は測定できません。もちろん、濡れたペーパータオルや濡れタオルをボールの上に巻けば、蒸発冷却効果による温度低下も測定できます。この記事の冒頭のビデオからも、空気の流れによる蒸発によって、濡れた段ボールの表面温度が数度低下することがわかります。

現象を理解するには、実験データと理論的裏付けの両方が必要です。次に、理論的な観点からどのように説明するかを見てみましょう。

理論計算

窓に設置したこの装置が冷却効果を持つことは理論的には可能ですか？これは比較的複雑な問題であり、理想的な物理モデルを理論的に構築することによってのみ検討することができます。

2017年に、雑誌「Physical Bulletin」に掲載された論文でこの問題が議論されました。収縮するボトルの口から流れるガスが室内に入るプロセスは、2 つの断熱型 + 2 つの等圧型可逆冷凍機であると想定されました。計算された冷却係数は次のとおりです。

このうち、αはボトル口で圧縮された後のガスの圧力と圧縮前の圧力の比、γは比熱容量比です。空気については、

γ=7/5=1.4

冷蔵庫のエネルギーはどこから来るのでしょうか？理論的な導出では、流れる空気（そよ風）の運動エネルギーが冷蔵庫の動作エネルギーを提供するものと仮定します。ミネラルウォーターのボトルが設置されている窓の面積が1平方メートル（m2）で、扇風機や屋外の風速が一般的に5m/sで、風速が窓に対して垂直であると仮定すると、単位時間1秒以内に5m3の空気（質量は1.29kg/m3×5m3≒6.5kg）が5m/sの速度で窓に向かって吹き出し、その運動エネルギーは次のようになります。

部屋が幅4メートル×長さ5メートル×高さ3メートルであると仮定すると、総表面積は94平方メートルになります。一般的な建築材料の熱伝導率κは0.2～1W/(m·K)です。 0.5W/(m·K)とします（例えば、乾燥レンガの熱伝導率κは約0.27W/(m·K)です）。室内と屋外の温度差が5℃、壁の厚さが0.2mと仮定すると、

dT/dz= 5℃/0.2m=25℃/m

フーリエの法則によれば、1 秒間に外部から内部に伝達される熱は次のようになります。

Q= 0.5W/(m·K) × 25(℃/m) ×94m2 =1175J≈1000J

この熱は冷蔵庫を通して外部に放出される必要があります。上記で推定した風の運動エネルギーがすべて冷蔵庫のエネルギーとして利用されると仮定すると（これは理論上の話であり、実際には実現不可能）、

計算すると、α≈1.4、つまり、ボトルの底からボトルの口まで吹き出す圧縮プロセス中に、風の空気流または扇風機からの風の気圧が1気圧から1.4気圧に上昇する必要があり、これを実現するのは困難です。したがって、理論的には冷却効果はありますが、5℃の冷却効果には程遠いと言えます。上記の議論は、この装置を窓に設置し、屋外の風の運動エネルギーをエネルギーとして利用することについてです。理論的には可能ですが、冷却効果は非常に小さいです。

さて、この「ミネラルウォーターボトル＋扇風機」という装置、つまり室内の扇風機の吹き出し口にミネラルウォーターボトルを設置した装置です。前述の通り、この装置は理論的には冷却効果がありません。これは、扇風機が屋内に設置されており、電力を消費するからです。省エネの観点からすると、室内温度はどんどん高くなるばかりで、エアコンのように部屋を冷やすことは不可能です。この原理は、屋内で冷蔵庫のドアを開けるのと同じです。当然、部屋は冷えません。むしろ、部屋はどんどん暑くなります。

編集者注: この実験には限界があります。この調査は民間レベルの測定機器を使用しており、専門の研究室で実施されたものではありません。多少の誤差があるかもしれません。誰でも積極的に考え、質問し、挑戦することができます。

著者: ファン・ウェイ、上海師範大学数学物理学部物理学科准教授、教科教育（物理学）大学院課程ディレクター

レビュー丨張 忠斌 中国冷凍学会科学普及委員会委員 南京師範大学教授