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結露対策〜4〜夏場の結露いろいろな事例と露点温度計算

最近は5月でも真夏日が記録されることもあり夏本番となると熱帯のような高温多湿となる日があります。

条件によっては気温35℃相対湿度80%となるようなこともありますがこのような日は当然、冷房をガンガンかけて室内を冷やします。

ところで、35℃80%の空気の露点温度は何度かわかるでしょうか。

答えは31℃です。

冷房の設定温度はクールビズとは言っても28℃程度には設定していると思いますから設定温度に達したら露点温度以下なので、そりゃどこかが結露しますよ…というのが設備屋さんの本音でしょう。

そして、室内あるいは室外の場合もありますが、いたるところで結露が発生して、設備屋さんがメンテナンスに呼ばれるわけです。

施工不良が原因の場合もあるので、その時はもう、すぐに謝って是正工事です。

謝り方も年齢を重ねるごとに上手くなっていくものです。

しかし、これはこちらの過失なのか…?と思う微妙な場面もかなりあります。

そんな時にその後の対策を考えるうえで結露に関する知識が少しでもあるのとまったく無いのとでは差が出てきます。

お客様に解決策を素早く提案して、かつ、こちらの過失は50%くらいかな?という雰囲気をただよわせながら交渉してメンテナンス対応にかかった工事費全てはいただけなかったにしても材料と人工代になるくらいは工面できそうな金額はいただけたとなれば、少しでも苦労が報われるというものです。

Michiko Design さんによるPhotoAC よりの画像

夏場の結露はいたるところに現れる

夏場の結露は条件がそろえばいつでもどこにでも現れます。

結露対応とうたわれている製品でも条件次第で結露します。

メーカーの資料を調べてみると、結露しませんとは書いてはありせん。

カタログなどにこれ以上の条件になると結露しますよ、という説明が書いてあり、やはり条件の悪い場所で使用した場合、特に夏場になると結露したという話が耳に入ってきます。

結露対応のブリーズラインも条件次第でけっこう結露します…
結露対応のパンカールーバーですがこれも条件次第で結露します
断熱材付きのパンカールーバーの方が断熱材の厚みにもよりますが、このタイプよりももう少し悪条件でも使えます

空調機のパネルの際や空調吹出し制気口の際でカビが生えたりするケースもあります。

空調吹出し口まわりの結露によるカビの様子
空調機パネルの際での結露したことによるカビの様子

冷房時にパネルや制気口自体が低温になっているため際で室内の空気や天井内の空調されていない空気のと温度差で結露していると思われます。

天井内でEAダクトが結露し水分が滴下し、その跡がカビて天井面に出てきたのが下の写真です。

天井内の空気がかなり高温多湿の状態になっていたようですが、最高気温35℃程度が何日か続き降雨もあった夏場に発生した模様。

近くに空調吹出口が設置されていて冷やされたスチールドアが結露した様子が下の写真です。

例をあげるときりがないのでこの辺にしておきます。

共通して言えることは、結露した物の表面温度がまわりの空気の露点温度以下になっていたから結露したということです。

露点温度算出す

結露している場所、あるいは結露することが予測される場所のまわりの温度と相対湿度を測定すれば露点温度を算出することが可能です。

なのですが、先に言ってしまうと計算式がとてつもなく複雑で自然対数の計算も入ってくるので手計算での算出は無理です。

なので計算式をエクセルで作成して温度と相対湿度を入力すれば自動で露点温度が出るようにしておくしかありません。


td=13.715×LN((6.11×10^(7.5t+237.3))×U/100)/611.213))

+8.462×10-1× (LN((6.11×10^(7.5t+237.3))×U/100)/611.213)))2

+1.9048×10-2× (LN((6.11×10^(7.5t+237.3))×U/100)/611.213)))3

+7.8158×10-3× (LN((6.11×10^(7.5t+237.3))×U/100)/611.213)))4

td:露点温度[℃]

t:温度[℃]

U:相対湿度[%RH]


‥‥いやこの式を解説などする気は一切ありません。

こういう式で露点温度は算出できるんです!

とりあえずエクセルに式をブチ込むしかありません。

ちなみに式の中の LNは自然対数(log e底の計算)で10^は10のべき乗をあらわします、つまり10^2は10の2乗です。

また、空気線図を使用すればおおよその露点温度はわかります。

結露が起きてしまった部分のまわりが何度で湿度が何%か温湿度計で計測して露点温度が何度か算出する。

そして冷媒管の断熱材の表面を表面温度計で計測する。

露点温度と表面温度を比較すれば、再び結露が起きそうかどうかがわかります。

数字を提示しながら対策を提案していくとお客様の信用度は上がります。

数字が示されていると、どこを目標にすればよいかがわかりやすいため安心するのかもしれません。

当然、机上の計算だけでなく現場をよく確認、観察して考えてみることは大事です。

現実を見誤っていたら、いくら計算ができても正しい対策はできないので!

結露対策〜3〜空調配管の結露

夏場の結露について、前回は天井内ダクトの結露について話しました。

今回は空調の冷媒管やドレン管の結露について、発生する原因と解決方法などについて考えていきます。

saki.zaki さんによるPhotoAC からの画像

断熱材の施工不良による結露

天井内配管の冷媒管が夏場に結露してしまいメンテナンス依頼が来ることはある程度の頻度であります。

これまで、いろいろな現場を見てきましたが原因として頻度が多いものをいくつか以下に列挙します。

冷媒管の断熱不良

冷媒管の一部分、断熱材の継ぎ目などで隙間ができてしまい銅管が露出状態になっていることがたまにあります。

冷媒管は長い距離を配管する時は当然、単管を継いでいくのですが断熱材も同様に継いでいきます。

断熱の継ぎ目を接続用テープで巻くのですが人間のやることなのでたまに巻き忘れがあって見逃したまま引き渡して隙間ができたままになっていることがあるのです。

そんなに環境が悪い物件でもないのに冷媒管の結露でメンテナンスが入ったらまず、この断熱の不良を疑ってみた方がよいです。

冷媒管の断熱が潰れている部分で結露

躯体の開口部に冷媒管をまとめて何本も通した結果、断熱材が潰れてしまい断熱材としての機能が発揮できず結露してしまうことがあります。

貫通部付近が結露水でビショビショになっている現場をこれまでにいくつか見てきました。

100φの開口部に9.5×15.9の冷媒管2系統など開口の大きさに対してある程度余裕をもって計画した方がよいです。

また、冷媒管が束で配管されている場合も吊りバンドで支持された部分で束の下の方にある配管の断熱材が重さで潰れてしまうため、結露することがあります。

その他、ダクトなどと接触して潰れるなど、とにかく断熱材が潰れた状態になっていないかの確認は大事です。

ドレン管の断熱不良

ドレン管も冷媒と同様に断熱の不良で結露します。

やはり断熱材の継ぎ目などで隙間ができてVP管が直接湿った空気に触れる状態だと結露します。

ただ、ドレン管は冷媒管ほど低い温度ではないのと冷媒管のように束にして配管することはないため問題となる頻度は比較的低いです。

温度差が大きければ断熱材の表面でも結露は発生する

断熱材の施工不良が原因の場合は、結露の発生箇所は局所的です。

結露水が配管伝いに拡がって、断熱の不具合がある部分からかなり離れたところから結露水が出ている場合もありますが。

断熱材の継ぎ目の隙間や潰れている部分を発見してそこを直せば解決することがほとんどです。

しかし、天井内が高温多湿になるような現場で冷媒管全体が結露してしまう事例もあります。

断熱材の表面温度が天井内の露点温度より低ければ結露は発生します。

天井内が高温多湿のため冷媒管全体が結露してしまった例 支持材の全ネジが断熱材と接触している部分も気になります

断熱材の表面温度がいったい何度くらいになっているのか、いまいち想像がつかないと思います。

内部の冷媒温度が何度かにもよりますが外側の温度が30℃前後の時に表面が20℃前後になっていることはあり得ます。

断熱材の表面温度は計算式からある程度予測することはできます。


熱貫流量 q=(θ0r) / (1/α+x/λ)

断熱材の表面温度 θs=q/α+θr

q:貫流熱量[w/m2]

θ0:断熱材の内側の温度[℃]

θs:断熱材外側の表面温度 [℃]

θr:断熱材外側の気温 [℃]

x:断熱材の厚さ [m]

λ:断熱材の熱伝導率 [w/m・k]

α:断熱材の熱伝達率 [w/m2・k]

保温の場合(暖房時)はα=12 保冷の場合(冷房時)はα=8 とする


断熱材の内側の温度θ0を冷媒管温度と同等として3℃、断熱材外側の気温θrを天井内の気温30℃と想定して計算してみます。

断熱材はGW24K 熱伝導率は0.038とします(空気調和設備計画設計実務の知識より)。

断熱材の厚さは20mmとします。

このとき、各数値を上記の式に代入していくと

熱貫流量 q=(3-30)/(1/8+0.02/0.038) =-41.5[w/m2] ※保冷なので値がマイナスになります。

断熱材の表面温度 θs=-41.5/8+30=24.8[℃]

このように計算である程度表面温度が予測できます。

ちなみに、上記表面温度のときに天井内気温30℃で相対湿度80%だった場合に結露するかどうかですが、露点温度は26℃程度なので断熱材表面が24.8℃だとしたら結露してしまいます。

この場合の解決策としては断熱材の厚さをもっと厚くすることや天井内の気温と湿度を下げるために天井内を空調する、あるいは室内の空調された空気を天井内に循環させるなどが考えられます。

水分が含まれた断熱材の機能は著しく低下してしまう

断熱材に水分が含まれてしまうとその断熱機能は著しく低下してしまいます。

断熱材が水浸しの状態になっているとき、仮に水と同じ熱伝導率になってしまっているとします。

条件は上記と同様、断熱材内側3℃、天井内気温30℃とします。

水の熱伝導率は0.582[w/m・k]で代入していきます。

すると熱貫流量が-169.4[w/m2]

表面温度は8.8[℃]

という計算結果になります。

この温度ではもう結露はとまりません、断熱していないも同然の状態になってしまうことがわかります。

しかも断熱材は一度水分を含んでしまうとなかなか乾かないため、条件が悪い日があるとすぐに結露が発生するようになってしまいます。

今回はこのあたりまでにして、次回は露点温度を求める計算式やその他の結露事例などについて話したいと思います、たぶん次回で結露対策最終回になる予定です!

結露対策〜2〜天井内ダクトの結露について

ここ数年間、夏になると結露のメンテナンスで声がかかることが多くなった気がします。

温暖化で日本の気候が熱帯のそれに近くなっているからかもしれません。

また、建築や設備の施工業者への要求のレベルも何年か前より上がっているのではないかとも思っていて、期待値が上がるのはよいのですが施工業者としてはなかなか全てにうまく対応できていないのが現実です。

ファサードのガラス面が結露してますと言われても、では空調機の温度設定を弱めにしてくださいとお願いしたり、解決方法というより対症療法のような提案しかできない場面もありますが、お客様の要望を聞きながらなんとか対応しています。

夏場の結露対策について考えてみます。

oldtakasu さんによるPhotoAC よりの画像

天井内でダクトが結露する

天井面のボードが湿っていてカビが発生している、というクレームや空調の吹出口周りが異常に濡れていて水がしたたってくるなどのクレームで現場に確認に行き、天井内をのぞいてみたらSAダクト(空調のダクト、冷房時は低温の空気が通る)の結露が確認されることがあります。

経験の話になりますが、原因はいくつかあります。

・断熱の施工不良

そもそもSAダクトなのに断熱が施されていないということもありますが、これはあり得ないことなので自社で施工した物件の場合はただちに是正工事&平謝り、そして始末書提出ですね‥。

そもそも断熱していないパターンはあまり見かけません(極々まれにありますが…私が過去に発見したのは他社で施工した物件でした、ここでは詳しくふれるのは避けます!)。

また、断熱してあるものの断熱材がダクトやBOX類に密着しておらず隙間があるため断熱効果がなく結露するパターンは何度か発見しています。

この場合も施工不良として速やかに是正工事を実施して断熱工事のやり直しをします。

外気が入り込むなど天井内が高温多湿の状態となっている

最近はあまり見かけなくなってきましたがコストダウンのために給気ダクトを省くため生外気を天井内に取り込んで天井に取付けた空(から)器具から店内へ給気する方法で施工している場合があります。

この施工だと、それこそ夏場に気温31℃相対湿度70%などの状態の空気を天井内へそのまま取り込むことになります。

31℃70%の状態の空気の露点温度は24.9℃です。

SAダクトを通る気体の温度は10℃台などとなるので断熱材があっても断熱材の表面で24.9℃以下となる場合があり断熱材の表面で結露が見られることがあります。

写真のように天井内の温度と湿度が高いとSAダクトに断熱材の付きのフレキシブルダクトを使用していても表面で結露してしまう場合があります

排気のEAダクトでも結露する場合がある

ここ数年で何回か確認しましたが、EAダクトが結露してその経路の下に水滴が落ちて天井面にカビが発生したなどのクレームがありました。

ただの固定観念でしかなかったのですが、EAダクトが結露することはないと思っていたので最初に確認した時は少しショックを受けました。

それだけ天井内とEAダクト内に通る空気、つまり室内の空気の温度と湿度の差があるということになります。

例えば、折板屋根の物件の場合は天井内がよく高温になって空調機本体が結露して空調機周りの天井がカビてしまうなどの話はありますがEAダクトが結露して水滴がしたたる話はここ数年で聞く回数が多くなりました。

EAダクトというのは室内の温度と同じで天井内もそこまで室内のとの環境の違いがない想定で断熱材は基本的に巻きません。

しかし現実は天井内の環境が思っているより高温多湿になる日が夏場に存在しているということです。

これを発見した現場ではEAダクトにも断熱材を巻く提案をしました。

また、天井内に西日が射しこむ現場がありましたがやはり天井内が異常に高温となってしまい天井内のダクトや冷媒配管との温度差が大きくなり過ぎて結露しまくる事例もありました。

天井内がおそらくですが40℃は超えていたと思われます。

その場合何が起こるかというと、高温になった時に店内などからの湿気を高温になった天井内の空気が蓄えてしまうということです。

店内など他の場所の湿気を天井内の空気がスポンジのように吸い取るイメージです。

このため夜になって温度が下がると天井内の湿度は異様に高くなります。

測定値で相対湿度94%が記録された日もありこの場合SAダクトの断熱材の表面やEAダクトの表面が全体的に結露するという事態になります。

天井内が高温多湿の場合EAダクトでも結露が発生してしまいます

天井内の環境を高温多湿にしないためには断熱と遮熱をしっかりする

上記の現場ではとにかく西日の射しこみを防ぐために天井内にあった西側の窓面全てにグラスウール保温板+アルミシートで断熱し、天井内ダクトの断熱の補強をした結果改善はしました。

天井内を高温多湿にしないために除湿器を設置するなどの方法も考えられますが、やはり断熱と遮熱をしっかりするのが基本です。

折板屋根の場合は屋上に遮熱塗装などで日射の影響を抑えて、室内側にはウレタン吹付けなどによる断熱をするべきです。

予算がないのか5mm程度のペフシートしか貼っていない現場をかなり見かけるのですが屋根面に遮熱塗装などなんらかの対策がない場合、それだけでは夏場の天井内が異常な高温になります。

サーモセンサー付きの天井内用の排気ファンを設置すれば緩和される可能性もありますが、結局外気を天井内に取り込むことになるのでやはり基本は建築工事でしっかり断熱と遮熱の対策をしておくことこが基本です。

冷媒管が結露するときの話も書きたかったのですが長くなったので次回にしたいと思います!

結露対策〜1〜冬型結露と夏型結露の違い

夏場に空調の吹出口やファサードのガラス面が結露したなど結露に関するクレームでのメンテナンス対応が以前よりも増えています。

近年は温暖化の影響なのか夏の気候がやや熱帯性に近くなっていることが原因かもしれません。

結露の問題にも種類があって、冬型結露と夏型結露があります。

この違いを知らないまま対策をたてようとすると方針を間違う可能性もあるので注意が必要です。

今回は冬型結露と夏型結露の違いなどについて説明していきます。

胡麻油さんによるPhotoAC からの画像

結露が起きる原因は?

夏型と冬型の結露の違いの話の前に、まず結露が起きた状況のイメージと結露が起きる原因について。

冬場に朝起きたときに外部に面したガラス窓面いっぱいに水滴がついているのを見たことがあると思います。

触ってみると、部屋内側の面に水滴がついていることがわかります。

例えば外気温度が1℃でガラス面も同様に1℃だったとします。

室内温度が16℃相対湿度45%だった場合、空気に含まれる水蒸気が液体の状態の水となる露点温度は4℃程度です。

つまり、ガラス面が1℃だった場合露点温度を3℃下回っているので、そこに16℃45%の空気が触れると結露が発生します。

ちなみにこれは表面結露といいます。

この表面結露はカーテンをしてもそれを防ぐ効果はありません。

カーテンが、湿った暖かい空気を遮断することはできないからです。

窓面とカーテン間に空気が停滞するため結露が余計にひどくなる可能性すらあります。

水蒸気を含んだ空気が露点温度以下のもの、ガラスかもしれないしコンクリートかもしれません、そういうものに触れると結露します。

上空で湿ったあたたかい空気と冷たい空気が接触しても結露は発生して、その結露水は雨となって地上に降り注ぎます。

冬型結露で大きな問題となる内部結露

冬型結露で問題となることが多いのが内部結露(壁の内部で発生する結露)です。

外壁側から見ても部屋内から見ても進行していることがわかりにくいのですが気づいたときに木造建築においては腐朽がかなり進行していた場合に、その構造自体が破壊されてしまう重大な事故となり過失責任を問われる可能性があるので注意が必要です。

内部結露は条件によっては夏にも起きる可能性はあります。

ただし冬場とは違う箇所で起きます。

図を示しながら説明します。

メーカーによって仕様の違いはありますが木造住宅などの壁はおおよそ上記のようになっています。

夏場、冬場とも屋外と屋内の温度差があり温度分布と露点温度分布を上と下に折線グラフのようなイメージで示しています。

注目するところは露点温度分布との比較において、壁内で露点温度よりも低くなる部分が存在し得ることです。

夏場は室内側の防水シート付近、冬場は室外側の透湿防水シート付近です。

夏場の内部結露は冷房を強くかけていると起きているかもしれませんが問題にあがるのは冬場の内部結露が多いです。

いやいや、防水シートがあるのだから水蒸気を含んだ空気が断熱材の内部まで入り込まないようになっているのでは?しっかり施工していれば結露しないのでは?と思った方もいるかもしれません。

するどい指摘です、理論上は水蒸気を含んだ空気が断熱材の方まで入り込まないということになっていますが現実はそんなに甘くはなく、シートを固定するために打ったビスの穴やシートの隅の隙間などから入り込んでいます。

この問題をどう解決するかは断熱材を何にするか、どのように施工するかという材料と施工法でよりよい解決にたどり着くことができるかもしれません。

ネットでいろいろ見た感じでは「FPの家」という会社の住宅用ウレタンパネルという製品と工法が理想に近い断熱工法となっています。

FPの家のHP をぜひチェックしてみてください。

FPの家のような高圧高密度で注入した硬質ウレタンを四方枠と透湿防水シートで囲ったパネル状の材料を柱間にピッタリはめ込んでいく工法であれば湿気が断熱材の内部や壁の内部にまわることはほとんどないだろうなと感じます。

私自身は内装工事がメインで外壁などには詳しくないので他にもすばらしい材料、工法をご存知の方は教えていただけるとありがたいです。

次にRC造(鉄筋コンクリート造)の場合について、下図のようなイメージとなります。

冬場にコンクリートとウレタン断熱材の接触した面で結露の可能性はありますが現場でコンクリートに直接吹付けるウレタンで、コンクリートと密着しているため水蒸気を含んだ空気が入り込む余地があまりないように見えますが北面の壁内部でカビが生えるなどの事例はあります。

夏場の温度分布の例は結露がおきない場合の例を描きましたが、西面の壁において夕方16:00頃から壁面に対して垂直に日射が射した場合に時間差はありますが壁自体が高温になります。

この場合、室内側が強く冷房されているとプラスターボードの壁内側で結露が発生してボードが水分を含んだ状態になりカビが生えたりする可能性はあります。

空気線図で見る結露のイメージ

空気線図で結露が起きる時にどのような状態をたどるか冷房時の空気の状態変化をたどりながら確認しておきます。

青い線が冷房時の空気の状態ですが、まず例えば夏場において30℃60%の状態の点をとります。

その点から左へまっすぐ線を引いていき相対湿度100%の線とぶつかります。

そのぶつかった点から真っ直ぐ下へ線を引っ張って温度の目盛りに当たります。

そこの温度を読み取れば露点温度となります、おおよそ26℃であることがわかります。

冷房の温度設定が24℃だった場合さらに空気の温度が下がっていきますが湿度は100%のまま、露点温度に達して水蒸気から水分へ変化した結露水が連続して発生します。

この結露水は空調機のドレン管から排水されます。

ついでに暖房時の状態変化もみていくと15℃50%の空気を23℃まで暖めると相対湿度は32%まで下がります。

ビル管理法でも相対湿度は40%以上とすることが記載されており32%では乾燥し過ぎていることになります。

冬の場合は温度を上げるのと同時に加湿をしなければ良い環境にならないということがわかります。

今回はここまでにして、次回以降で店舗の内装工事でよく問題が発生する夏型の結露について考察していきます!

潜熱負荷とは何なのか?

空調負荷計算〜3 すきま風熱負荷〜で書いた内容の中で外気を取り込んだときに顕熱負荷と潜熱負荷に分けて計算すると説明しました。

ところで、顕熱負荷そして潜熱負荷とはいったい何なのでしょうか。

潜熱負荷のイメージ

顕熱負荷というのは例えば外気温33℃の空気を27℃に下げる場合は温度差6℃を下げるための負荷ということになります。

では、潜熱負荷とは何でしょうか。

33℃の外気を27℃に下げる場合、空調機内の熱交換器は20℃程度となっていると想定したとき外気が熱交換器を通る際に外気に含まれている気体の状態である水蒸気が液体の水に変化します。

この状態変化のために熱が奪われています。

見かけ上に顕れる温度を下げているわけではないので潜んだ熱ということで「潜熱」と呼ばれています。

つまり、冷房する際は単純に33℃を27℃に下げる分の熱を奪えばよいのではなく、水蒸気が水になる状態変化のために奪われる熱の分もプラスして冷却しているのです。

ちなみに水蒸気が変化した水は空調機のドレンとして排水されています。

状態変化と熱のやり取りのイメージを以下に図示しておきます。

状態変化と熱のやり取りのイメージ 筆者作成

潜熱については中学校の理科でも話が出てきます。

氷⇒水⇒水蒸気という変化をする場合の時間と温度の関係を簡略的に示したグラフが以下になります。

 状態変化中の温度 中学理科のまとめ より

なんか中学校の時に勉強したかもな、となんとなく思い出す方もいると思います。

グラフが階段の踊り場のように水平になっている部分は氷が水へ、あるいは水が水蒸気へ状態変化してる最中であることを意味します。

この最中は温度変化はしません。

しかし加熱はし続けていて熱は移動しています、このとき移動している熱が「潜熱」です。

空気線図上で変化の動きをみてみる

夏期の空冷空調機による冷房時の温湿度の変化を空気線図上で追ってみると下図のようにななめ左下へ移動するような変化をたどります。

空気線図上で温湿度変化を矢印で図示 夏期の場合 

温度が下がると同時に絶対湿度も下がることがわかります。

また、気温が高いほどこの矢印の角度が急になります、つまり温湿度が高い時期の外気ほど少ない温度変化でも多くの結露水が発生することを意味しています。

次に冬期の温湿度変化をみてみます。

冬期は加湿機能のない通常の空冷の空調機では温度のみが変化して絶対湿度は加湿されないので変化しません。

よって相対湿度は下がることになります。

冬の室内の乾燥の原因のひとつがこの暖房によるものです。

加湿器を併用しなければかなり相対湿度が下がってしまうということになります。

室内の環境として相対湿度は最低でも40%以上にしておくべきです。

一般的な空調機で暖房する場合は室内の相対湿度が30%以下になっていることもあり得ますので冬場は加湿器の併用をしないと室内がかなりの乾燥状態になる可能性があります。

空調負荷計算〜4 内部発生熱負荷〜

仕事で負荷計算書が必要になったときに以前は教科書を見ながら手計算状態で作成していたので時間がかかっていましたが、今は負荷計算の書式をエクセルで資料として作ったので、と言うか作ってもらったのですが、とにかく書式が存在するので計算書作成が速くできるようになりました。

ただし、書式があるのをいいことに何も考えずに数字を代入するだけという考えで作成するとおかしな計算結果になります。

イレギュラーな要素がある場合もあるので、やはり案件に応じて慎重に計算書を作る必要があります。

室内で発生する内部発生熱負荷というものをどこまで考慮して計算するのがよいのか、よく悩みます。

結局、よきにはからうということになるのですがお客様への説明はできるようにしておく必要があるので、どのように考えて計算したかを明確にしておかなければなりません。

TicTac さんによるphotoACからの画像

人体発熱

人体からの発熱は人体表面からの対流と放射による顕熱(SH)と発汗により放熱される潜熱(SL)があります。

下の表のように作業状態や温度帯別で数値が示されています。

作業状態によって顕熱と潜熱の割合は異なりますが合計した全発熱量の数値は一定となることがわかります。

作用温度別人体発熱量
空気調和設備計画設計の実務の知識より

機器発熱・照明発熱

OA機器の発熱量と厨房機器による発熱量の資料が以下になります。

OA機器の発生熱量
空気調和設備計画設計の実務の知識より
厨房機器発生熱負荷原単位
空気調和設備計画設計の実務の知識より

照明発熱については照明器具の消費電力に遅れ係数を掛け算して求めます。

床単位面積あたりの冷房負荷qEは次式で求めることができます。


qE=W・rL

qE:単位床面積あたりの照明負荷[W/m2]

W:単位床面積あたりの照明の消費電力[W/m2]

rL:証明負荷遅れ係数

(露出型0.85 埋込型0.75 だが安全をみて1.0とする場合が多い)


早い話が照明器具の消費電力を調べて合計して遅れ係数を掛け算すればそれが照明発熱による負荷と考えることができるという意味になります。

遅れ係数を1.0で考える場合は照明器具の消費電力の合計がそのまま照明発熱の負荷の数値ということになります。

厨房機器から発生する熱

上記の資料で厨房機器発生熱負荷の表を示しましたが、この表をよく見ると厨房機器の消費電力に対する負荷の量は書いてあります。

なのですが、ガス機器についての表がありません。

結局ガス機器の場合は直火で焼いたり煮たりするわけで、その熱量についてはうまいこと数値化できないということなのかわかりませんが空調用の熱負荷に換算するような表がありません。

ガス機器の厨房機器から発生する熱を空調熱負荷に換算する方法が見当たらない、かつそれを本当にやろうとするとかなり大きな空調負荷になることが予想されます。

ということで、この空調負荷計算の話題になってから何回か同じことを書いていますが、厨房はそこで作業する人に直接冷気を当てるスポット空調で考えてパンカールーバーなどを配置します。

パンカールーバー 筆者撮影

また厨房に設置する空調機の能力は想定で400~500W/m2で考えて選定すればほぼ問題は起きません。

ということで空調熱負荷計算はこの第4回目でいったん区切って他の話題に移ります。

またの機会に熱負荷計算書の書式を紹介できればと思っていますがしばらく換気や衛生などの記事も書きたいのでいつになるかわかりませんが、すいません。

空調負荷計算〜3 すきま風熱負荷〜

居室や火気使用室は換気をするために必ず外気を取り入れる必要があります。

夏期に室内へ外気を取り込んで冷やす際に空気中の気体の状態で存在する水蒸気が液体の水へと状態変化するために熱がうばわれます。

この潜熱負荷が夏期の空調負荷が大きくなるひとつの要因となっています。

にこにこ** さんによるphotoACよりの画像

すきま風負荷の計算式

すきま風負荷には顕熱負荷と潜熱負荷があり以下の計算式によって計算します。


すきま風による顕熱負荷qs[W]を求める計算式は

qs = cp・ɤ・Δt・Qi / 3600

= 0.33 Δt・Qi

すきま風による潜熱負荷qL[W]を求める計算式は

qL= r・ɤ・1000・Δx・Qi / 3600

= 833 Δx・Qi

cp:空気の低圧比熱 1.0×103[J/kg・k]

ɤ:空気の比重量 1.2[kgf/m3]

r:水の蒸発潜熱 2500[J/g]

Δt:室内外乾球温度差 [k]

Δx:室内外絶対湿度差 [kg/kg(DA)]

Qi:すきま風の風量 [m3/h]


上記の式を使って実際に数値を代入して計算してみます。

外気温度34.7℃ 室内温度設定27℃で取り込む風量が3000m3/hの場合の顕熱負荷は

qs = 0.33 Δt・Qi より

qs = 0.33 ×(34.7-27.0)×3000[m3/h] = 7623[W]

となります。

外気の絶対湿度0.0186[kg/kg(DA)]で室内がの絶対湿度が0.01229[kg/kg(DA)] 取り込む風量が3000m3/hの場合の潜熱負荷は

qL = 833 Δx・Qi  より

qL = 833 (0.0186 – 0.01229)×3000[m3/h] = 15768.7[W]

となります。

厨房に取り込む給気もすきま風負荷として計算

すきま風負荷という名前がついているため、あくまですきまから入ってくる風量を計算するイメージかもしれませんが厨房に給気として取り込む外気による負荷もこの計算で求めてしまいます。

上記の計算では風量を3000m3hとしましたが、これは喫茶店などのお店全体の風量を想定しました。

居酒屋などの飲食店の場合は厨房の換気量がもっと大きいため8000~10000m3/h程度にはなります。

さらにここに機器類からの発熱も考慮すると空調負荷がかなり大きくなり、空調機の台数が増えて厨房の天井が空調機だらけになるような設計になってしまう可能性もあります。

このため、厨房は作業員に直接風を当てるスポット空調という考え方で計画されることがほとんどです。

空調負荷計算〜2 透過日射熱負荷〜

空調熱負荷計算の中で方角による差がもっとも顕著に現れるのがこの窓ガラスを通ってくる透過日射熱負荷です。

夏場に西側の窓まわりが異様に暑くなるのはこの透過日射熱の影響によるものです。

ジグザグ さんによるphoto ACからの画像

透過日射熱とは何なのか

室外から室内に侵入する熱は以下の3つに分けて考えることができます。

1.ガラス面の内外温度差による貫流により侵入する熱

2.日射のうち一度ガラスに吸収されガラス温度を高めたあと対流と放射に分かれて侵入する熱

3.ガラスを透過して直接侵入する熱

この3つのうち、2と3を合わせた熱を透過日射熱と呼んでいます。

窓ガラスを通る熱 イメージ図

貫流熱負荷は外部と内部の温度差によって発生するものですが、日射は太陽からの電磁波が直接物体に作用して温度を上昇させます。

太陽光をルーバーなどで遮ることでその影響を抑えることができます。

透過日射熱負荷の計算式

透過日射熱負荷の計算式は以下になります


qG = A・Sn・SC

qG: 透過日射熱量[W]

A: 窓ガラス面積[m2]

Sn:窓ガラスからの標準日射熱取得[W/m2]

SC: 遮蔽係数


日射熱取得のデータを以下に示します。

ガラス窓標準日射熱取得
空気調和設備計画設計の実務の知識より

窓の遮蔽係数などの資料を以下に示します。

窓の遮蔽係数など空
気調和設備計画設計の実務の知識より

簡単にですが計算例を示します。

東京で時刻12時、南面の窓ガラスで透明フロートガラス8.0mm明色ブラインド、ガラス面積A=17.4m2の場合

Sn:ガラス窓標準日射熱取得の表より180[W/m2]

SC: 遮蔽係数は資料から読み取って0.48

各数値を qG = A・Sn・SCに代入すると

qG = 17.4×180×0.48=1503.4[W]

西の窓ガラスからの透過日射熱には気を付けたほうがよい

日射熱取得の表を見てわかる通り、西面と東面の直達成分が大きいことがわかります。

これは日が沈む時間帯と日が昇る時間帯に日射が窓ガラスに対して垂直に射し込むからです。

そしてたいてい問題になるのは西の窓ガラスからの日射です。

東側があまり問題にならないのは朝から午前中にかけてまだ空気が温まりきらない時間帯であることや、朝早い時間は出勤している人があまりいないから、など問題になりにくい要素があります。

西側から日射が射した場合、夏場14時くらいから16時にかけて窓際の温度はかなりの高温になっていき日が沈むまでその状態が続きます。

また躯体や部屋内の材料にこもった熱が室内に放出されるその影響によって暑さが夜まで続いたりすることもあり東側に比較して問題になることが非常に多いです。

ちなみにガラス窓標準日射熱取得の値は東京夏期、南面12時で180[w/m2]に対して西面16時で609[w/m2]なので西面の日射の値の大きさがわかります。

過去に西側の窓ガラスまわりの客席が夏場は暑くて座っていられないというクレームに何度か対応したことがあります。

西の窓際に温湿度計を置いて数値を確認したところ14時ころから温度が上昇し始めて15時から16時のピークにかけて40℃~45℃になる席もありとてもそこに座って過ごすことのできる環境ではありません。

西に窓面が多くある場合は必ず、ブラインドやロールカーテンの設置を予め提案しておかなければいけません。

ロールカーテンを設置し日陰の状態にして、店内空調をしっかり効かせて温度を計測したら30℃以下になり、とりあえず席を使用できる状態にはなったのでお客様に納得していただけましたが。

建築士の製図試験でも西側の日射を考慮して窓の外側に鉛直ルーバーを描き込ませる問題があります。

たまたま通りがかった埼玉県ふじみ野の市役所の西側ルーバーの写真

上の写真のように西側全面に外付けで縦方向のルーバーがあるのが理想的ですが、なかなかこのような形で計画設計が進められる案件はないのが現実です。

その建物や状況に応じてでき得る限りで日射の対策を心がけたいです。

空調負荷計算〜1 貫流熱負荷〜

以前のブログで空調負荷を用途別、単位面積あたりで想定して簡易的に求める方法を紹介しました空調機選定の考え方〜1〜。しかしあくまで想定の数値であり、例えば壁の材質や厚さによって失われる熱量も違えば窓ガラスの面積が異なれば射し込む日射量も異なるので、あたりまえなのですが、単位面積あたりの負荷も建物ごと、さらには部屋ごとに異なります。

よって本来は個別に負荷計算をしなければなりません。

熱負荷をそれぞれの要素に分解して説明していくため説明は長くなります、3~4回に分けて説明になりそうです。

今回はその1として貫流熱負荷を説明します。

kscz58ynkさんによるphotoACからの画像

空調負荷をそれぞれの要素に分解

空調負荷を計算するときそれを要素ごとに分解して考えます。

主に以下に示す要素に分解します。

1.貫流熱負荷

2.透過日射熱

3.すきま風熱負荷

4.室内の内部で発生する熱負荷

機器発熱などは機器が多ければ負荷を追加して考えることになりますが厨房機器については熱量が多すぎて全ての負荷を空調機で処理することはできません、と言うかしません。

それをしようと思うと現実的に設置不可能な空調機の大きさになってしまうからです。

厨房は外気取り込み量が多いので、厨房機器からの熱は排気される空気とある程度一緒に処理されていると考え通常の負荷計算にプラスαで考え、ここは経験値になってしまいますが、おおむね400w/m2~500w/m2で考えて、スポット空調として作業者に向けてパンカールーバーなどで直接風をあてる考えで設計すれば問題になることはほとんどありません。

貫流熱負荷の基礎式

今回のテーマである貫流熱負荷というのは、壁や天井、床などから出て行く熱がどれくらいなのかを意味しています。基礎式は下記になります。


qn = A・U・ETD

qn:壁体の貫流熱負荷 [W]

A:壁・床・屋根などの面積 [m2]

U:その部位の熱貫流率 [W/(m2・K)]

ETD:実行温度差 [K]


熱貫流率が大きいほど出て行く熱が大きいということになります。

断熱がしっかりしている建物や部屋ほど熱貫流率は小さくなります。

上記の式自体は単純なのですがこれを求めるまでには手間がかかります。

Aの値は壁や床の面積なので、図面などから読み取ります。

Uの熱貫流率は壁の素材の厚みそれぞれの熱伝導率とその厚さを調べて計算していきますが、これが少しめんどうな作業かもしれません。

熱貫流率を求める式は下記になります。


U = 1/(1/h0+l11+l22+l33+ ‥‥‥ +l+1/hi)

U:熱貫流率 [W/(m2・K)]

0:室外側壁表面での表面熱伝達率 [W/(m2・K)]

hi:室内側壁表面での表面熱伝達率 [W/(m2・K)]

l:構造を構成する各材料の厚さ [m]

λ:構造を構成する各材料の熱伝導率 [W/(m・K)]


熱伝達率と実行温度差の値

具体的な値が示された資料が以下になります。

・外表面熱伝達率 (h0の値)

空気調和設備設計計画の実務の知識より

・室内側熱伝達率 (hiの値)

空気調和設備設計計画の実務の知識より

・熱伝導率 (λnの値)

・実行温度差 (ETDの値)

・壁タイプ選定表

以上の参考資料は全て空気調和設備設計計画の実務の知識より抜粋

貫流熱負荷を実際に計算してみる

以下の素材で構成される西側外壁の面積100m2の貫流熱負荷を求める。

吹付け硬質ウレタン 20mm

コンクリート 150mm

モルタル 20mm

タイル 8mm 以上で壁が構成されているものとした場合

qn = A・U・ETD より

Aの値は壁面積なので100[m2]

次に熱貫流率Uを求める。

U = 1/(1/h0+l11+l22+l33+ ‥‥‥ +l+1/hi)より

U = 1/(1/8.3+0.020/0.034+0.150/1.6+0.020/1.5+0.008/1.3+1/23)

= 1.16[W/(m2・K)]

次に実行温度差ETDを読み取る

ウレタン20mmコンクリート150mmより壁タイプはⅢ

西側の外壁なので実行温度差の表より3.8 6.4 8.8 12.0 となる。

最悪の条件である12.0[K]を採用する。

qn = A・U・ETD に値をそれぞれ代入すると

qn = 100・1.16・12.0 = 1392[W]

このような計算を各方向の壁と床、天井ごとでしていき、最後に合算して貫流熱負荷の値としています。

空調機選定〜3~困った時はこのメーカーのこの機種で

空調の設計図を見ていると室内機から室外機までが遠すぎる図面がしばしばあります。機種によって室外機までの距離は決まっていて遠すぎると施工不可能の時があります。

また、これだけビジネスの先行きが不透明な状況だと現在どんなに利益が出ていても設備投資は極力抑えようとするお客様がほとんどです。空調設備について困った時の対処法とコストダウン提案について少し考えてみます。

スネーィルさんによるphotoACからの写真

家庭用ルームエアコンの配管延長は20mまで

高付加価値機種やハウジングエアコンなどは30m以上というものもありますが

家庭用ルームエアコンと言えば壁掛形、そして冷媒管延長は20mまでという機種がほとんどです。

正直言って制限された長さを多少超えても能力は出ます。

制限の倍の長さを延長した場合は話は別です、規定の能力は期待できません。

では、制限をちょっと超えて何が問題かと言うと何か不具合があった場合のメーカー保証が効かなくなることです。

冷媒の長さは関係ないのではないかと思われるトラブルでも、決まり事を無視した場合はなんやかんや言われて施工側の責任にされるパターンが多いのでメーカーが決めていることはできる限り守らなければなりません。

話がやや脱線しましたが、では制限長さを超えた冷媒配管長で設計されていた場合どうするか?

まず、考えるのは室外機をもっと近くに置くことができないか、ですが物件によってはどうしても無理ということもあります。

例えば設計図書に広めの事務所にダイキンの壁掛ルームエアコンS40XTFXPが選定されていたとします。冷媒管長の制限は20mです。

家庭用の壁掛ルームエアコンFXシリーズ    ダイキンのHPより

しかし図面を見る限り室外機置場がどう見ても室内機から40m程度離れている…

スケールをあてて確認してみても40m以上ある…これは設計ミスだ!というのは簡単ですが施工側として解決案を提示すれば仕事全体もスムーズに進むし追加金額もいただけるかも…。

ということでダイキンの店舗オフィス用エアコンSZRA40BFVへの変更を提案します。もちろん配管延長50mまでOKです!

店舗オフィス用の壁掛エアコン          ダイキンのHPより

家庭用ルームエアコンと見た目はほとんど変わりません。しかし備わっている機能が違います。

同じ壁掛けの機種でも室外機置場選定の自由度はかなり上がります。

ただし値段は店舗オフィス用の方がやや高額となる場合が多いと思います。

また電源ですがルームエアコンの場合、室内機側から電源を取る場合が多いですが店舗オフィス用は室外機から電源送りする場合が多いので電気の施工業者さんとも工事前に打合せをしてお互いに確認しておいた方がよいです。

室外機置場が狭くてレイアウトできない場合は

広めの店舗や事務所に複数台、例えば10台などの空調機の設置をしたいけど室外機置場が限られている場合、

マルチエアコンを選定すれば室外機は1台にまとめることが可能です。

また、配管延長距離もこの機種が最も長くとることができます。

室外機から最遠の室内機までダイキン、三菱電機など90mまで施工可能、高低差は50mまで対応できます。

ダイキン マルチエアコン RVR Aシリーズ   冷媒配管接続要領  ダイキンのHPより

このマルチエアコンの中でもさらにコンパクトな室外機として販売されているのがダイキンのmachiマルチや三菱電機のシティマルチSです。

ダイキン machiマルチ
通常のマルチエアコンの室外機がマッシブな形状をしているのに対してmachiマルチはスリムな形状をしているので狭小スペースにも納めることができます。
三菱電機 シティマルチS 
こちらもスリムな形状で狭小スペースに納まるのが売りですがダイキンのmachiマルチより能力選定のレパートリーが少ないのが難点

どちらのメーカーも同じようなラインナップだろうかと思いきや三菱電機が8.0kwから16.0kwまでの能力なのに対して

ダイキンは11.2kw〜33.5kwの空調能力までの機種が用意されています。

けっこう22.4kw〜33.5kwの室外機を選定する場面はあります。

ダイキンのmachiマルチの方が選択の幅が広いので正直、重宝しています。

冷暖同時仕様は2管式の三菱電機でコストダウン!

この仕事をするようになって初めて知りましたが、この世の中には冷房と暖房を同時にできる空調機が存在します。

どういうこと?と思った方のために簡単に説明するとカラオケ屋さんなど小部屋がたくさんある業態の場合

ある個室では若者が熱唱して汗をかいているので冷房運転をしているけどある部屋では年配の方がゆっくり過ごしていてちょっと肌寒く感じるから暖房運転をしている

冷暖同時のイメージ  ダイキンのHPより

このような使い方が可能な空調機になります。

通常の空調機を冷暖切替と呼ぶのに対して冷暖同時とか冷暖フリーと呼んでいます。

冷暖切替の室外機から延長する冷媒管はガス管と液管の2管式で配管します。

これに対してほとんどのメーカーの冷暖同時の室外機からは高圧液管と低圧ガス管そして高圧ガス管の3管式で配管します。

しかし三菱電機の冷暖同時だけは業界で唯一2管式です。

ダイキンの冷暖同時空調機は3管式
三菱電機の冷暖同時は業界唯一の2管式

ダイキンの配管模式図の赤丸で囲った部分、ここは室外機から室内の冷媒の流れを制御するBSユニットまでのメイン管です。

3管式になっています。

この部分、図面では短く見えますが室外機まで50m以上離れている場合もあります。

そのメイン管の部分が下の三菱電機の配管模式図では2管式になっているのがわかります。

配管が1本少ないだけでも以外とコストダウンの効果はあり、メイン管50mの延長だとしたら概算で20万円程度のコストダウンにはなります。

たった20万円と思うかどうかは人それぞれですが、数十万でもお客様にとっては大事なお金ですから同じスペックであれば少しでも安くできる方を選ぶべきです。

なので私自身が空調設備設計をしていて冷暖同時の機種を選ぶ場合、メーカー指定がなければ躊躇なく三菱電機をスペックしています。

蛇足ですが業務用エアコンについてはメンテナンスの対応が一番よいのはやはりダイキンです、その次が三菱電機です。

その他のメーカーのメンテンスの対応はあまり良くないという印象を私は持っています。

まず、現場にメーカーの人間が確認しに来るまでに時間がかかり過ぎます。

メンテナンスに割くことのできる人員が多くとれないのかもしれません。

ということで各メーカーの長所を確認して設計や施工に活かしてみてください!