こんにちは。
空調設備や換気設備の設計を行う際には、静圧計算を行うことは欠かせない。
必要静圧の見込みを誤ると、吹出口から十分に空気が出ない等といったトラブルが生じる。
今回は静圧計算について紹介する。
換気の計算においては、静圧と動圧の両者を適切に扱う必要がある。
静圧は空気の圧縮エネルギーを示すものであり、機器表にはこの静圧が記載される。
一方、動圧は空気の運動エネルギーを表し、静圧計算の過程において取り扱うことになる。
したがって、ファンの静圧選定にあたっては、これらの圧力の性質を理解したうえで、正確な計算を行うことが重要である。
静圧とはダクト内に通る空気にかかる圧損
静圧とは、ダクト内を移動する空気に対してかかる圧力損失のことである。
空気が流れる際、ダクトの形状や長さ、曲がり具合によって生じる抵抗により、圧力が低下する。
この圧力の損失分を静圧として計算する。
具体的には、以下の要素が静圧損失に影響を与える。
| 静圧損失に影響を与える要素 | |
|---|---|
| ダクトの長さ | 長くなればなるほど摩擦抵抗が増加し、静圧損失は大きくなる。 |
| ダクトの大きさ | 小さな断面では空気の速度が上がり、静圧損失も大きくなる。 |
| 曲がり・分岐 | 空気が乱れやすくなり、局所的な抵抗が増え、静圧損失が顕著となる。 |
静圧はダクトの長さや曲がりによって異なる
静圧は、ダクト内における空気の圧縮エネルギーであり、ダクトの長さや曲がり、分岐、絞りなどの要素によって変化する。
これらの要因は空気の流れに抵抗を与え、圧力損失を生じさせるためである。
したがって、静圧計算を行う際には、静圧損失を正確に見積もることが求められる。
必要静圧が大きいとより大きな能力のファンが必要となる
静圧が大きくなると、ダクト内の空気の流れに対する抵抗が増加するため、同じファンを使用していても風量が小さくなる傾向がある。
これは、空気を押し出す力に対して抵抗が強くなることで、実際に送れる空気の量が減少するためである。
したがって、静圧が大きい場合には、必要な換気量を確保するためにファンの能力を上げる必要がある。
ファンの性能を向上させることで、増加した静圧に打ち勝ち、十分な風量を維持することが可能となる。
必要静圧は直管部の抵抗と局部抵抗を合計した値
必要静圧とは、送風機が空気を所定の流量で送るために必要な圧力である。
必要静圧はダクトの直管部における摩擦抵抗と、エルボや分岐、吹出口などによる局部抵抗の合計によって求められる。
したがって、正確な静圧計算を行うには、直管部の抵抗と局部抵抗をそれぞれ算出後、合算して算出する。
静圧計算
静圧計算ではすべて丸ダクトに換算して計算
静圧計算においては、角ダクトを丸ダクトに換算して計算する。
以下に角ダクトから丸ダクトへの換算式を示す。
なお、丸ダクトと角ダクトでは圧力損失の特性が異なるため、角ダクトの断面積と丸ダクトへ換算した後の断面積は等しくはならないことが特徴である。
| 計算例① | |
|---|---|
| 矩形ダクト | 500×300 (0.150m2) |
| 相当直径 | 420φ (0.139m2) |
| 計算例② | |
|---|---|
| 矩形ダクト | 700×400 (0.280m2) |
| 相当直径 | 573φ (0.258m2) |
静圧計算の手順
静圧計算は、主に次の手順で行う。
まず、円形ダクトに換算し、次に、面風速と動圧の算定を行う。
次に、直管部の静圧計算を行う。
ここでは、 直管部の長さを算定し、ダクトの材質や条件に応じた摩擦係数を求め、それらを用いて、直管部における摩擦抵抗による圧力損失を算定する。
続いて、局部抵抗の静圧計算を行う。
エルボや分岐、レジューサーなどの継手部分について、各部材の数量を整理し、それぞれの局部抵抗係数を用いて、圧力損失を算定する。
最後に、直管部の抵抗と局部抵抗を合算し、送風機に必要となる必要静圧を算定する。
動圧の算定
静圧を正確に算定するためには、はじめに動圧を求めなければならない。
動圧は空気の運動エネルギーを表すものであり、その算定には風速の算出が前提となる。
すなわち、風速→動圧→静圧の順に計算を進めることが必要である。
| 計算例① | |
|---|---|
| ダクト径 | 300φ |
| 風量 | 1,000m3/h |
| 面風速 | 4.0m/s |
| 動圧 | 9.6Pa/m |
| 計算例② | |
|---|---|
| ダクト径 | 400φ |
| 風量 | 2,000m3/h |
| 面風速 | 4.5m/s |
| 動圧 | 12.2Pa/m |
直管部の静圧算定
摩擦係数の算定
直管部における圧力損失を算定するためには、まず摩擦係数を求める必要がある。
摩擦係数は風速、ダクト寸法、空気の粘性などにより変化し、一般的には以下の式によって算定される。
| 計算例① | |
|---|---|
| ダクト径 | 300φ |
| 風量 | 1,000m3/h |
| 面風速 | 4.0m/s |
| 動圧 | 9.6Pa/m |
| 摩擦係数 | 0.021 |
| 計算例② | |
|---|---|
| ダクト径 | 400φ |
| 風量 | 2,000m3/h |
| 面風速 | 4.5m/s |
| 動圧 | 12.2Pa/m |
| 摩擦係数 | 0.019 |
直管部の抵抗の算定
ダクトの直管部における圧力損失（静圧損失）は、摩擦による抵抗に起因し、以下の式により算定される。
| 計算例① | |
|---|---|
| ダクト径 | 300φ |
| 風量 | 1,000m3/h |
| 面風速 | 4.0m/s |
| 動圧 | 9.6Pa/m |
| 摩擦係数 | 0.021 |
| 直管部抵抗 | 0.68Pa/m |
| 計算例② | |
|---|---|
| ダクト径 | 400φ |
| 風量 | 2,000m3/h |
| 面風速 | 4.5m/s |
| 動圧 | 12.2Pa/m |
| 摩擦係数 | 0.019 |
| 直管部抵抗 | 0.60Pa/m |
計算式は覚えずにツールに頼ろう
静圧計算においては複雑な計算式を無理に覚える必要はなく、信頼できるツールを活用することが現実的である。
特に静圧計算においては、実務上の基準として「1Pa/m以下」の圧力損失となるようダクトサイズを選定するのが基本である。
例えば、風量が720m3/hの場合、適切なダクトサイズはおおよそ250Φ程度となる。
このとき円形ダクトの圧力損失は約0.89Pa/mであり、基準を満たしている。
簡易的な静圧計算を行う際には、便宜的に1Pa/mとして概算する方法も実務上有効である。
局部抵抗の静圧算定
局部抵抗とはダクトの直管部以外の全てのパーツ
局部抵抗とは、ダクトの曲がり部や、分岐、制気口、ダンパーなど、ダクトの直管部以外のあらゆる部位において発生する圧力損失のことである。
これらの要素は空気の流れを変化させるため、局所的に乱流が生じ、直管部とは異なる損失が発生する。
局部抵抗の基本式
局部抵抗による圧力損失は、以下の式で算定される。
抵抗係数、各種ダクト付属品の形状や種類により異なり、建築設備設計基準をはじめ、機器の仕様書や技術資料に記載されていることが多い。
ダクトの曲がり部分の局部抵抗係数
ダクトの曲がり部分（エルボやカーブ部）では、空気の流れが方向を変えるために局部的な圧力損失が生じる。
この局部抵抗は、曲がり角度や曲率半径に応じて異なり、抵抗係数（ζ値）として表される。
| 計算例① | |
|---|---|
| ダクト径 | 300φ |
| 風量 | 1,000m3/h |
| 面風速 | 4.0m/s |
| 動圧 | 9.6Pa/m |
| 局部抵抗 | 9.6 x 0.22 = 2.11Pa |
| 計算例② | |
|---|---|
| ダクト径 | 400φ |
| 風量 | 2,000m3/h |
| 面風速 | 4.5m/s |
| 動圧 | 12.2Pa/m |
| 局部抵抗 | 12.2 x 0.22 = 2.68Pa |
ダクトの分岐部分の局部抵抗係数
ダクトの分岐部では、空気の流れが分割されることにより局部的な乱流が発生し、圧力損失が生じる。
この損失は局部抵抗係数（ζ値）として表され、分岐の形状、角度、流量比、合流か分岐かによって大きく変動する。
| 計算例 | |
|---|---|
| ダクト径 | d1 = 300φ, d2 = 300φ |
| 風量 | Q1 = 1,000m3/h, Q2 = 500m3/h |
| 面風速 | v1 = 4.0m/s, v2 = 2.0m/s |
| 動圧 | 9.6Pa/m |
| v2/v1 | 2.0 ÷ 4.0 = 0.5 |
| 局部抵抗 | 9.6 x 0.10 = 0.96Pa |
局部抵抗はエルボや分岐部に限らず、さまざまな部材や開口部においても発生する。
たとえば、以下のような要素が挙げられる
| 局部抵抗の要素 | |
|---|---|
| ルーバー | 開口率が低い場合、空気の通過抵抗が大きくなり、圧力損失が増加する。 |
| ダンパー | 開度によって抵抗係数が大きく変動する。 |
| ベントキャップ | 外気の取り入れや排気の際に使用され、風雨の侵入を防ぐ構造が抵抗となる。 |
| ガラリ | 空気の流れに対して明確な障害となる。 |
| 消音エルボ | 内部に吸音材等が組み込まれており、消音性能と引き換えに圧損が発生する。 |
計算例
以下に示す図面をサンプルとして静圧計算を行う。
FE-1-1の静圧計算
FE-1-2の静圧計算
FS-1-6の静圧計算
機器選定
P-Q線図
送風機や排気ファンなどの換気機器は、P-Q線図（静圧-風量特性図）を用いて選定するのが一般的である。
P-Q線図は、機器が発生可能な静圧（Pressure）と風量（Quantity）の関係を示しており、機器の性能を視覚的に把握することができる。
換気系統全体の必要静圧および必要風量を求めた上で、それらの条件点がP-Q線図上で機器性能曲線と交差するかどうかを確認する。
| 機器番号 | 風量 | 静圧 | 機器 |
|---|---|---|---|
| FE-1-1 | 120CMH | 29Pa | BFS-15SUDC |
| FE-1-2 | 120CMH | 31Pa | BFS-15SUDC |
| FS-1-6 | 270CMH | 50Pa | BFS-30SUDC |
(参考)P-Q線図とは
P-Q線図とは、送風機や排気ファンの性能を表すグラフであり、横軸に風量（Q）、縦軸に静圧をとったものである。
この線図は、機器がどの風量においてどの静圧を発生できるかを示しており、機器選定の際に必ず参照すべき資料である。
換気設計においては、計算により求めた必要風量と必要静圧の交点が、P-Q線図上の曲線の範囲内に入っていることを確認する必要がある。
この範囲外で選定した場合、機器本来の性能が発揮できず、風量不足や過負荷などの問題を引き起こす恐れがある。
もし必要な静圧・風量がP-Q線図の範囲外にある場合は、より能力の高いファン機器を選定する必要がある。
静圧計算書
建築確認申請にあたって計算書の作成が必要であり、これまでで検討した内容に基づき静圧計算書を作成することが求められる。
具体的にはファンごとに静圧計算を行う必要がある。
まとめ
今回は静圧計算について紹介した。
設計通りの空調・換気機器の性能を発揮するためには、静圧計算が欠かせないことを認識いただければと思う。
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