空調機(エアハン)の外気負荷と室内負荷の範囲を紹介

こんにちは。

中央熱源の設計を行う際に空調機廻りについても設計を行うことが多い。
空調機(エアハン)は個別熱源のパッケージエアコンや全熱交換器等の場合と異なり、外気負荷と室内負荷が一体どうなっているのかがわかりづらい。
空調機(エアハン)比較的出現頻度も高いため、設備設計で挫折するポイントともいえる。

今回は空調機(エアハン)の外気負荷と室内負荷の範囲を計算例含めて紹介する。

空調機は空調を行う機械のことだ。
エアコンとの大きな違いは熱源が異なることだろう。
エアコンは冷媒を使用し室内機と室外機が接続される。
一方で空調機は水や蒸気を熱源として、空気を冷やしたり暖めたりして、空調を行う。
水や蒸気は中央熱源の空冷チラーや冷温水発生機等により製造される。

次に大きく異なる点としては空調機は空調に加え換気をまとめて行うことができることだ。
空調機を用いる場合通常外気を空調機に取り込む。
つまり空調機により空調と換気を同時に行う。
エアコンの場合は空調しか行うことができない。
そのため別途換気設備を設置する必要がある。

なお、空調機はエアハンドリングユニット(Air Handling Unit)とも呼ばれる。

空調機を使用した空調方式

空調機を用いた空調方式は大きく2種類に大別できる。
(あまり細かな方式は割愛する。理由としてはきりがないことと、読者の混乱を招く可能性があるため。)

空調方式空調機単一ダクト方式
空調機 + ファンコイルユニット併用方式

空調機単一ダクト方式

一つが空調機のみで空調を行う空調機単一ダクト方式だ。
空調機のみで空調も換気も行うことが特徴だ。

空調機 + ファンコイルユニット併用方式

次が空調機 + ファンコイルユニット併用方式だ。
主にファンコイルユニットでペリメーターの空調を行い、空調機でインテリアの空調ならびに換気を行うことが多い。

(参考) 外調機 + ファンコイルユニット方式

空調機 + ファンコイルユニット方式と混同しやすい空調方式として、外調機 + ファンコイルユニット方式がある。
空調機と外調機の最大の違いは還気の有無だ。
空調機と外調機の違いについては以下の記事で紹介しているため、参考にしていただければと思う。

室内負荷と外気負荷の範囲

次に空調機やファンコイルユニットの室内負荷と外気負荷の範囲について、空調方式毎に紹介する。

空調機単一ダクト方式の室内負荷と外気負荷の範囲

空調機単一ダクト方式の場合は空調機1台で空調と換気を行うため、全ての室内負荷と外気負荷を処理することとなる。

空調機+ファンコイルユニット併用方式の室内負荷と外気負荷の範囲

空調機+ファンコイルユニット併用式の場合は、空調機とファンコイルユニットで空調を行い、空調機は換気も行う。
そのためファンコイルユニットは室内負荷を処理し、空調機は室内負荷と外気負荷を処理する。

(参考) 外調機+ファンコイルユニット方式の室内負荷と外気負荷の範囲

外調機+ファンコイルユニット併用式の場合は、ファンコイルユニットで空調を行い、外調機は換気のみ行う。
そのためファンコイルユニットは室内負荷を処理し、外調機は外気負荷を処理する。

空調機の冷却・加熱プロセス

空調機の外気負荷と室内負荷の範囲を紹介する。
左図に空気の状態をそれぞれ示すために①~④を付記した。
なお空調機単一ダクト方式および空調機 + ファンコイルユニット併用方式のいずれの方式においても同じ冷却・加熱プロセスとなる。

なお説明にあたって、空気線図を多用する。
そのため空気線図の読み方がいまいちという方は、以下の記事を併せて確認頂きたい。

空気線図で見る冷却プロセス

夏期における空気線図での冷却プロセスは左図の通りとなる。
②室内空気と室内空気よりも暑い①外気が混ざることで③混合空気となる。
③の混合空気が冷却されることで④給気となる。

空気線図で見る加熱プロセス

冬期における空気線図での加熱プロセスは左図の通りとなる。
②室内空気と室内空気よりも冷たい①外気が混ざることで③混合空気となる。
③の混合空気が冷却されることで④給気となる。
(③から④へ変化する際には加熱および加湿が行われている。)

室内負荷と外気負荷の範囲

冷却時における室内負荷と外気負荷の範囲

冷却時における室内負荷と外気負荷の範囲は左図の通りだ。
室内空気を境に室内負荷と外気負荷が分かれる。

加熱時における室内負荷と外気負荷の範囲

加熱時における室内負荷と外気負荷の範囲は左図の通りだ。
冷却時同様に室内空気を境に室内負荷と外気負荷が分かれる。

外気負荷と室内負荷が室内空気を境に分かれる理由

空気線図上での室内負荷と外気負荷の範囲自体はよく見たことがあるかもしれない。
だが外気負荷と室内負荷がなぜ室内空気を境に分かれるのかがわからない方も多いだろう。
以下の例を理解することで外気負荷と室内負荷の範囲についてより理解できるようになるだろう。

全還気の空調機

本来居室ではあり得ないが、左図に示す全還気の空調機の場合を考えてみる。
(外気を取り入れないで室内空気を冷やしたり、暖めたりする)

冷却時の空気線図の動き

外気がないため①還気の空気を冷却し②給気が室内へ供給される。
そのため、外気負荷の範囲に空気が移動しない。(左図)
つまり、室内負荷しか処理していないこととなる。

加熱時の空気の動き

外気がないため①還気の空気を加熱し②給気が室内へ供給される。
そのため、外気負荷の範囲に空気が移動しない。(左図)
つまり、室内負荷しか処理していないこととなる。

計算例

空調機 + ファンコイルユニット併用方式における以下の境界条件での室内負荷と外気負荷を計算する。

境界条件
室内条件26℃、50%、52.9kJ/kg
空調機吹出空気条件15℃、90%、39.3kJ/kg
外気条件35℃、50%、80.8kJ/kg
ファンコイルユニット冷房能力 5.0kW
空調機給気風量2,000CMH
外気風量500CMH
還気風量1,500CMH

室内負荷

室内負荷はファンコイルユニットの処理能力ならびに空調機の室内負荷分のみとなる。
空調機の室内負荷は左図の範囲であるため、以下の式で求められる。

空調機の室内負荷算定式

1.2(空気密度) x 2,000CMH x (52.9 – 39.3) = 32,640kJ/h =9.1 kW

 
合計室内負荷

9.1 kW(空調機) + 5.0kW(ファンコイルユニット) = 14.1kW 

 

外気負荷

左図よりまずは③の混合空気の空気状態を求める。混合空気の空気状態を求めた後、外気負荷を算定する。

混合空気の空気状態

80.8kJ/kg(外気) - 52.9kJ/kg(還気) = 27.9kJ/kg
外気風量500CMH:給気風量:2,000CMH = 1:4
27.9kJ/kg ÷ 4 = 7.0kJ/kg
52.9kJ/kg(還気) + 7.0kJ/kg = 59.9kJ/kg

 
空調機の外気負荷算定式

1.2(空気密度) x 2,000CMH x (59.9 – 52.9) = 16,800kJ/h =4.7 kW

 

まとめ

今回は空調機(エアハン)の外気負荷と室内負荷の範囲を紹介した。
理解するまで非常にややこしいと感じるかもしれないが、少しずつ理解を高めていっていただければと思う。

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