こんにちは。
建物の熱負荷を少しでも削減するために、現在では、非住宅建物を中心に全熱交換器が導入されることが多い。
全熱交換器を導入することで、省エネに寄与することは一般的に知られているが、全熱交換器そのものについて詳しく知らない方も少なくない。
今回は、全熱交換器について紹介する。
ファンと全熱交換器
建築物における換気方式には大きく分けて2つの方法がある。
ひとつはファン（送風機）を用いる方式であり、もうひとつは熱交換器を用いる方式である。
ファンによる換気方式では、外気を取り込み、室内の汚染空気を排出するシンプルな構成となっており、機器構成が比較的単純でコストも抑えやすい。
一方で、外気温の影響をそのまま受けるため、冷暖房負荷が増大する傾向がある。
これに対して、熱交換器による換気方式は、排気と給気の間で熱交換を行うことで、外気を室内温度に近づけてから導入することが特徴である
換気と空調負荷
換気量が増えると空調負荷が増大
換気は室内の空気を清浄に保つために不可欠であるが、その一方で空調におけるエネルギー負荷を増加させる要因となる。
外気を取り入れることにより、夏期には高温多湿の空気が、冬期には低温乾燥した空気が室内に流入するため、これらの外気を冷却・暖房するためにエネルギーが必要となる。
熱交換器の概要
熱交換器を用いることで、給気と排気の間で熱と湿度の交換が行われ、外気の温度および湿度を室内空気に近づけることができる。
これにより、外気が直接室内に流入する場合と比べて、空調設備にかかる負荷を大幅に低減することが可能となる。
顕熱交換器と全熱交換器
| 顕熱交換器 | 給気と排気の間で温度のみを交換する方式であり、主に空気の温度調整に寄与する。 |
|---|---|
| 全熱交換器 | 給気と排気の間で温度に加えて湿度（水分）も熱交換する。 |
全熱交換器の特徴
熱交換器によって換気を行いつつ、省エネ化が可能
熱交換器は、外気を取り入れながらも排気との間で熱エネルギーを回収・再利用することにより、換気による空調負荷の増加を抑えることができる。
これにより、外気をそのまま導入する場合と比較して、冷暖房に必要なエネルギーを大幅に削減することが可能となる。
特に全熱交換器を用いた場合は、温度だけでなく湿度も調整されるため、室内の快適性を保ちつつ、省エネルギー性を高めることができる。
全熱交換器の選定方法
熱交換器を採用する場合は第一種機械換気が基本
換気方式としては、大きく、第一種機械換気、第二種機械換気、第三種機械換気があるが、全熱交換器を採用する場合は、図中に示すように、第一種機械換気が基本となる。
必要に応じ、第二種機械換気とすることも可能
例えば、図中に示すように、必要に応じ、第2種機械換気とすることも可能である。
しかし、廊下へは熱交換後の空気が流入するため、廊下部分の室温が居室の室温よりも若干悪化することに注意が必要である。
全熱交換器の静圧
熱交換器内部には給気用と排気用のファンが内蔵されている
一般的な熱交換器には、給気用ファンおよび排気用ファンの2台のファンが内蔵されており、それぞれが独立して外気の取り入れと室内空気の排出を行っている。
この構成により、熱交換器単体で換気を完結できるため、別途ファンを設置する必要がなく、設計・施工が簡素化されるという利点がある。
ファンが受け持つ範囲毎に静圧計算を行う必要がある
全熱交換器における静圧計算では、給気側および排気側それぞれにおいて、ファンが送風または吸引する系統の圧力損失（静圧）を個別に算定する必要がある。
具体的には、以下の2系統について静圧を求める。
| 給気側 | 外気取入口から室内吹出口まで |
|---|---|
| 排気側 | 室内吸込口から排気口まで |
これらのうち、圧力損失が大きい方の値を「機外静圧」として全熱交換器の機器選定時に用いる。
これは、同一の能力のファンが全熱交換器内に設置されるため、どちらか一方の静圧だけで評価すると、もう一方で性能が不足する恐れがあるためである。
計算例
HEU-1-1とHEU-1-2の計算を行う
次に、計算例を紹介する。
具体的には、HEU-1-1とHEU-1-2の静圧計算を行う。
計算条件は下表および下図に示すとおりとする。
| 計算条件 | |
|---|---|
| HEU-1-1 | 給気側ダクト長:10m,排気側ダクト長:5m |
| HEU-1-2 | 給気側ダクト長:5m,排気側ダクト長:20m |
HEU-1-1給気側の静圧計算
ここでは、HEU-1-1の給気側における静圧計算について整理する。
まず、直管部の圧力損失を算定する。
送風量は270㎥/h、ダクトサイズは200φ、ダクト長さは10mである。
200φのダクトの断面積は0.031㎡となり、この条件から求まる面風速は2.39m/sである。
これをもとに算出した動圧は3.42Paとなる。
さらに、この動圧を用いて直管部1mあたりの圧力損失を求めると0.487Pa/mとなる。
ダクト長さが10mであるため、直管部全体の抵抗は4.87Paである。
次に、局部抵抗の計算を行う。
制気口にはルーバーが設置されており、開口率を70%とすると局部抵抗係数は2.1となる。
また、外壁面にはベントキャップが設置されており、その局部抵抗係数は6.63である。
ダクトルートには曲がりが3か所あり、曲率を1とした場合の局部抵抗係数は0.22となる。
さらに、制気口にはチャンバーが設置されており、制気口サイズが250×250であることから、局部抵抗係数は0.86となる。
これらの局部抵抗係数を合算し、動圧を乗じることで、局部抵抗は35.90Paとなる。
最後に、直管部の抵抗と局部抵抗を合算し、さらに安全率を考慮する。
直管部抵抗は4.87Pa、局部抵抗は35.90Paであるため、これらを合計した結果、給気側において必要となる静圧は48.92Paとなる。
HEU-1-1排気側の静圧計算
次に、HEU-1-1の排気側における静圧計算を行う。
まず、直管部の圧力損失を算定する。
送風量は270㎥/h、ダクトサイズは200φ、ダクト長さは5mである。
200φのダクトの断面積は0.031㎡となり、この条件から求まる面風速は2.39m/sである。
このときの動圧は3.42Paとなる。
さらに、直管部1mあたりの圧力損失は0.487Pa/mとなるため、ダクト長さ5mを考慮すると、直管部全体の抵抗は2.44Paとなる。
次に、局部抵抗の計算を行う。
制気口は吸気側および排気側にそれぞれ設置されており、合計で2か所存在する。
制気口にはルーバーが設けられており、開口率を70%とした場合の局部抵抗係数は2.1である。
また、ダクトルートには曲がりが2か所あり、曲率を1とした場合の局部抵抗係数は0.22となる。
さらに、制気口にはチャンバーが設置されており、これも2か所存在する。
制気口サイズは250×250であることから、チャンバーの局部抵抗係数は0.86となる。
これらの局部抵抗係数を合算し、動圧を乗じることで、局部抵抗は21.74Paとなる。
最後に、直管部の抵抗と局部抵抗を合算し、さらに安全率を考慮する。
直管部抵抗は2.44Pa、局部抵抗は21.74Paであるため、これらを踏まえた結果、排気側において必要となる静圧は29.02Paとなる。
HEU-1-2給気側の静圧計算
次に、HEU-1-2における給気側の静圧計算を行う。
まず、直管部の圧力損失を算定する。
送風量は510㎥/h、ダクトサイズは250φ、ダクト長さは5mである。
250φのダクトの断面積は0.049㎡となり、この条件から求まる面風速は2.89m/sである。
このときの動圧は4.997Paとなる。
さらに、直管部1mあたりの圧力損失は0.52Pa/mとなるため、ダクト長さ5mを考慮すると、直管部全体の抵抗は2.6Paとなる。
次に、局部抵抗の計算を行う。
制気口にはルーバーが設置されており、開口率を70%とした場合の局部抵抗係数は2.1である。
また、外壁面にはベントキャップが設置されており、その局部抵抗係数は6.63である。
ダクトルートには曲がりが3か所あり、曲率を1とした場合の局部抵抗係数は0.22となる。
さらに、制気口にはチャンバーが設置されており、制気口サイズが350×350であることから、チャンバーの局部抵抗係数は0.97となる。
これらの局部抵抗係数を合算し、動圧を乗じることで、局部抵抗は51.77Paとなる。
最後に、直管部の抵抗と局部抵抗を合算し、さらに安全率を考慮する。
直管部抵抗は2.6Pa、局部抵抗は51.77Paであるため、これらを踏まえた結果、給気側において必要となる静圧は65.24Paとなる。
HEU-1-2排気側の静圧計算
次に、HEU-1-2における排気側の静圧計算を行う。
まず、直管部の圧力損失を算定する。
送風量は510㎥/h、ダクトサイズは250φ、ダクト長さは20mである。
250φのダクトの断面積は0.049㎡となり、この条件から求まる面風速は2.89m/sである。
このときの動圧は4.997Paとなる。
さらに、直管部1mあたりの圧力損失は0.52Pa/mとなるため、ダクト長さ20mを考慮すると、直管部全体の抵抗は10.4Paとなる。
次に、局部抵抗の計算を行う。
制気口は吸気側および排気側にそれぞれ設置されており、合計で2か所存在する。
制気口にはルーバーが設けられており、開口率を70%とした場合の局部抵抗係数は2.1である。
ダクトルートには曲がりが3か所あり、曲率を1とした場合の局部抵抗係数は0.22となる。
さらに、制気口にはチャンバーが設置されており、これも2か所存在する。
制気口サイズが350×350であることから、チャンバーの局部抵抗係数は0.97となる。
これらの局部抵抗係数を合算し、動圧を乗じることで、局部抵抗は30.16Paとなる。
最後に、直管部の抵抗と局部抵抗を合算し、さらに安全率を考慮する。
直管部抵抗は10.4Pa、局部抵抗は30.16Paであるため、これらを踏まえた結果、排気側において必要となる静圧は48.68Paとなる。
静圧集計
給気側の必要静圧と排気側の必要静圧を集計し、給気側の必要静圧と排気側の必要静圧の大きい方を決定静圧とする。
| 機器番号 | 給気側静圧 | 排気側静圧 | 決定静圧 |
|---|---|---|---|
| HEU-1-1 | 48.92Pa | 29.02Pa | 48.92Pa |
| HEU-1-2 | 65.24Pa | 48.68Pa | 65.24Pa |
P-Q線図で機器選定
P-Q線図より機器を選定する。
具体的には、ファンを選定する際と同様に風量と静圧から全熱交換器を選定する。
まとめ
今回は、全熱交換器について紹介した。
全熱交換器の基本的な仕組みや機器の選定方法を知ることで、よりスムーズに設計を進めることができるだろう。
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