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給排気ファンの選定

風量と静圧がわかればファンを選定できます。

メーカーのカタログなどに線図があるので、線図に風量と静圧を書き込めば選定できます。

ファンもいろいろ種類があるので、店舗などの設備工事でよく使用するものについて説明します。

筆者撮影

シロッコファンを性能表から選定

風量と静圧の条件につては

風量:5350m3/h

静圧:480Pa とします。

今回は荏原製作所シロッコファンの性能表に風量と静圧をプロットして選定します。

機種は一般的な空調、換気用に使用するSRM4 を選びます。

番手については No.2 1/2 で検討

性能表に上記の風量と静圧をプロットすると以下のようになります。

SRM4 No.2 1/2 の性能表

風量と静圧の線が交わった点は2.2kwの範囲に入っているのでモーターは2.2kwとなります。

では、同じSRM4で番手が No.2 だったらどうなるでしょうか。

サイズが小さければコストダウンになるので検討してみます。

性能表に風量と静圧をプロットします。

SRM4 No.2 の性能表

風量5350m3/h 静圧467Paをとった点が選定エリアから外れていることがわかります。

この場合はNo.2での選定は不可であることを意味します。

コストダウンしたくてもファンの能力が出ない可能性があるのでNo.2はあきらめてNo.2 1/2 で選定することになります。

また、風量と静圧から求めた性能表上の点の位置はできるだけ性能表の中央付近になるように番手を選定します。

あまりにも上の方に点が来てしまった場合は例えばファンを設置した後に風量がやや足りなかったりすることがありますが、その時にモーターの能力を上げたりプーリーアップして回転数を上げたりしますが、それらの対応ができないことになります。

性能表上にプロットした点の位置が下の方によってしまう場合は能力を過剰にみている可能性が高いので番手をひとつ下げる検討が必要です。

ファンの種類はどのように使い分けているのか

シロッコファン

シロッコファンについては、風量および静圧が大きくとれるので排気量が多めに必要となる場合に選定します。

厨房排気はシロッコファンの選定が多いです。

荏原製作所で言えばSRMや気体温度80℃まで対応可能なSRMOが選定されます。

シロッコファン 荏原製作所のHPより

ストレートシロッコファン

ストレートシロッコファンは天井のふところ内に本体が納まるようにコンパクトな形をしています。

ストレートシロッコファン 三菱電機のHPより

居室の一般換気で使用することが多いです。

かなり運転音が静かで最近の機種は40dBを下回るものもあります。

また、厨房用のストレートシロッコファンもあります。

風量は大きいもので10000m3/h程度まで対応できる機種があるので(風量大きい場合はシロッコファンの方が良いですが)必要に応じて選定することになります。

天井扇

天井扇はマンションや事務所などの建築物で比較的風量が小さい居室やトイレの排気などで選定されます。

天井扇 三菱電機のHPより

一台あたり風量が小さいもので50m3/h、大きいもので400m3/h程度までの対応となります。

風量と静圧ともに小さめの時に選定されます。

風量や用途で細かく品番が分かれていて、かなり多くのバリエーションが存在しています。

サニタリー用や事務所用など用途によって最適な天井扇を選定することができます。

全熱交換器

ロスナイ(三菱電機商品の商品名ですが)と呼ばれる全熱交換器は事務所によく設置されます。

全熱交換器 三菱電機のHPより

室内空気と室外空気の顕熱と潜熱ともに交換できます。

エンタルピー交換効率が75%の機種を採用すれば空調負荷計算の際に外気風量を75%減じて計算することができます。

ラインファン

ラインファンについては給気用で設置することがあります。

得られる風量に対してファンの値段は安いと言えますが、運転時の騒音が問題視されることがあります。

LFMのNo.3で59〜56.5dBです。

過去の現場において何度か「音がうるさいからなんとかしてほしい」というクレームをいただいたことがあります。

ラインファン 荏原製作所のHPより

消音型の機種もありますが消音部材の大きさが大きく納まりが悪くなるので、それならばストレートシロッコの方がコンパクトで納まりが良いため最近は給気ファンもストレートシロッコで選定してしまうことが多いです。

ミニシロッコファン

ミニシロッコファンも騒音が比較的大きく過去現場でクレームをいただいたことがあります。

ミニシロッコファン 三菱電機のHPより

BF-21S4の吸込部分で63dBなのでかなりの騒音が出ます。

これもできれば居室の天井内設置は避けたいです。

過去に一度でもクレームをいただいてやむなく是正工事で交換という経験をしてしまうとなかなかその機種を同じシチュエーションで選定することはできませんが、騒音があまり関係のない場所では使用できるので臨機応変に選定してください。

最後は騒音のクレームの愚痴みたいになってしまいましたが、ファン選定の参考にしてみてください!

角ダクトの静圧計算

丸ダクトの計算の次に来るのは角ダクトの計算ですよね。

この計算もちょっと複雑といえば複雑というのと結局どう計算していいかわからないパターンなどが出てきたりするため混乱するのですが簡易的な例を示しながら計算の説明をしてみます。

筆者撮影

ダクト経路の図とその静圧計算書

言葉だけで説明しようとしてもわけがわからなくなるので、まずはダクト経路の図と計算書を示します。

筆者作成
筆者作成

直管部分は丸ダクトの計算と同様に単位あたりの静圧と管路長をかけ算します。

継手のエルボや分岐部分は 抵抗係数ζ×動圧ρv2/2 を計算していきます。

継手の形状毎に抵抗係数や計算方法が違うので資料を見ながら計算していきます。

この計算で行き詰まるパターンとして現実のダクトの形状にあてはまる局部抵抗の計算式が資料に見当たらないということがあります。

局部抵抗の計算は参考書によって異なるものもある

まだ駆け出しのころは一冊の参考書を頼りに勉強しており、局部抵抗の計算の種類はその教科書に掲載されているものが全てだと思っていました。

しかし、いろいろな参考書を見るようになって、それぞれの参考書によって書いてある種類の数も違うし、同じ形状の継手の計算式でも違う計算方法が書いてある場合もあることがわかってきました。

ちなみに上の計算に用いた局部抵抗の資料は以下です。

・エルボ部分

空気調和設備計画設計の実務の知識より

・合流部分

建築設備設計基準(いわゆる茶本と呼ばれる参考書です)より

角ダクト合流部分の直通の流れの静圧は丸ダクトの計算と同様でよいとのことで合流部分については丸ダクト合流の資料を参考にしています。

細かい説明もしたほうがよいのかもしれませんが、うまい説明の仕方が思いつかないです。

この静圧計算については計算例や参考書を見ながら自分で何度も計算して理解していくしかないのかもしれません。

あるいは最近は簡単に計算できるプログラムを誰かが組んでいるかもしれませんが。

混乱するといけないのでひとつ言っておきたいこととして、シロッコファンなど選定する時に計算しているのは機外静圧です。

前回のブログで機器静圧も足し算した計算を紹介していますが、今回の計算では機器内の静圧は無視してゼロとして計算しています。

経験上では、ほとんどのメーカーが機外静圧の計算で機器選定しますので混乱しないようにしてください。

丸ダクトの静圧計算〜2〜

前回は継ぎ手部分などを直管部分の50%とする簡易的な計算方法を紹介しました。

最近の教科書にはこの計算例しか掲載されていませんがエルボとチーズ部分の静圧を別途算出して加算する方法もあります。

今回はその計算方法について説明します。

筆者撮影

エルボ部分と分岐部分の静圧

エルボ部分静圧の計算式があるのですがこの計算式はそのまま使うことはありません。

教科書見るたびに、あれ、こんな式で計算していたかなと思ってしまうのですが私の記憶力が悪いだけで、エルボの静圧計算はエルボ部分をその直径の何倍の長さの丸ダクト直管長に相当するかを計算するのみです。

なので、難しい式は書いてありますがやることは単純です。

エルボ部分の静圧⊿PTを具体的に求めるための資料が以下です。

いろいろ式が書いてありますが一番右のle/dを判断すればよいだけです。

例えば直径300mmの丸ダクトでエルボの曲がり具合を示すR/dの値が1.0の場合は le/d=17です。

つまり直管相当長はダクト直径の17倍ということなので

le=0.3×17=5.1[m]

ということになります。

次に、丸ダクト分岐部分の静圧計算についてですが以下の資料のようになります。

分岐方向と直流方向で係数ζ(ゼータ)の値の選び方が違うので気をつけます、ρv2/2の部分は動圧です。

具体的に計算

前回ブログと同じダクトルートで具体的に計算をしてみます。

条件:吹出口の風量はそれぞれ300m3/hとします

最遠のルートA-H間を計算していきます。

R/d=1.0として計算していきます。

A-H間の全長は49mです。

ダクトサイズはすべて1.0Pa/mとなるサイズで選定しているとして(前回ブログを参考にしてください)直管部分の静圧は

1.0×49=49Pa‥①

エルボBの静圧について、直管相当長はR/d=1.0よりle/d=17

A-C間は350Φなので 0.35×17=5.95m

よってエルボBの静圧は 1.0×5.95=5.95Pa‥②

同様にエルボEは 0.25×17=4.25mより4.25Pa‥③

エルボGは 0.175×17=2.975mより2.975Pa‥④

次に分岐Cについてv1=1800/3600/(0.175*0.175*3.14)=5.2m/s

v3=1800/3600/(0.15*0.15*3.14)=4.72m/s

v3/v1=4.72/5.2=0.9よりζ=1.3

分岐Cの静圧は ζρv32/2=17.4Pa‥⑤

次に分岐Dについてv1=1200/3600/(0.15*0.15*3.14)=4.72m/s

v2=600/3600/(0.125*0.125*3.14)=3.4m/s

v2/v1=4.72/3.4=1.39よりζ=0

分岐Dの静圧は ζρv22/2=0Pa‥⑥

次に分岐Fについてv1=600/3600/(0.125*0.125*3.14)=3.4m/s

v2=300/3600/(0.0875*0.0875*3.14)=3.47m/s

v2/v1=3.47/3.4=1.02よりζ=0

分岐Fの静圧は ζρv22/2=0Pa‥⑦

①~⑦を合計すると

49+5.95+4.25+2.975+17.4+0+0=79.6Pa

吹出しHの静圧15.0Paとしてこれを足して漸拡大および漸縮小の継手を無視しているなどのため安全率10%見込むと

(79.6+15)×1.1=104Pa

ファンを選定する場合は機器抵抗を考慮し200Paであればその数値を加えて最後に動圧分を差し引きます。

動圧は機器吹出し部分で7.0m/sの場合ρv2/2=29.4≒30Pa

よって 104+200-30=274Pa

ファンは1800m3/h 274Paで選定します。

丸ダクトの静圧計算〜1〜

空調や換気のためのダクトサイズや送風機の選定をする際に静圧を考慮しなければなりません。

静圧は配管で言うところの圧力損失のようなものです。

店舗の設備設計においては静圧計算書の提出を求められることはあまりないのですが例えば設計図書で設定された風量が出ない場合などは静圧が大き過ぎないか確認しなければならなくなります。

後から計算したのでは遅いので本来は設計時に計算しながらダクトサイズ選定していくのが理想ですが、まずは1.0Pa/mという静圧の目安を守って設計していればまずトラブルになることはありません。

今回は丸ダクトの簡易的な静圧計算方法について説明してきます。

筆者撮影

静圧の簡易的な計算方法

下図のダクトサイズと静圧を求めます。

条件:吹出口の風量はそれぞれ300m3/h       吹出口の静圧抵抗を6Paとします

最遠のルートであるA-H間を計算していくことにします。

単位あたりの静圧は1.0Pa/mとして下に示したダクト流量線図を利用してダクトサイズを選定します。

ダクト流量線図 空気調和設備計画設計の実務の知識より抜粋

選定したサイズを以下に示すと

A-C間 1800m3/h 350Φ

C-D間 1200m3/h 300Φ

D-F間 600m3/h 250Φ

F-H間 300m3/h 175Φ

となります。

次に静圧の計算ですが、エルボやチーズ部分の局部抵抗については簡易的にダクトルート全長の50%分とします、単純な経路の場合はこのように計算してかまいません。

ダクトルート全長を求めると

10+10+6+6+10+6+1=49m

よってダクトルート全体の静圧は

1.0Pa/m × (49m + 49m × 0.5)+ 6Pa =79.5Pa となります。

数字上静圧が大きくなくても風量確保困難の場合がある

静圧計算をいくらしっかりしても風量が確保できない場合があります。

と言うのは、ダクトルートの途中にダクトサイズが細すぎる部分があると、抵抗がかかり過ぎてその先は風量が全く確保できないということがあるからです。

例えば1400m3/hの風量が通過するメインダクトのサイズを350Φで施工するとしてこのダクトを途中で200Φに縮小するとします。

350Φのときは長さ単位あたり1.0Pa/mの静圧ですが200Φの場合は10Pa/mと静圧は10倍となります。

200Φの部分が2mあってまた350Φにもどせば計算上はその2m分で20Paを足せばいいのだから大丈夫だろう、という考えは間違いです。

ダクトルートの途中で急激にサイズを縮小した場合は、縮小部分で抵抗が大きくなり過ぎてその先へ空気がうまく搬送されなくなります。

つまり、誤って途中でおかしなダクトサイズ選定をしてしまうと計算上はそこまで静圧の数値は大きくならないが風量が確保できないということが起こり得るということです。

経験値の浅い設計者が以外とこのミスをしてしまいます、どこまでサイズを絞っても大丈夫そうかという勘が働かないからです。

まずは1.0Pa/mを目安に設計することです。

ちなみに低圧ダクトは0.8〜1.5Pa/mで設計することになっています。

なのですが、店舗の換気設備を設計する場合は、納まりが厳しい現場が多くダクトサイズを大きく取れないことが多いので1.5〜2.0Pa/mまでは許容範囲として計算しながらサイズ選定および静圧計算していけばよいです。

もし、その現場や施設において静圧に関する設計基準がある場合はそちらを順守してください。

ダクト内風速と静圧について

ダクト内風速はどう考えて決めればよいのか?入札のために用意された設備図を見ていてたまに風量に対してこれは細過ぎるのではないか、と思われるダクトサイズ選定がされていることがあります。

さすがにそのまま見積もりしてしまったら後からヤバいことになりそうなレベルの場合はダクトメジャーで確認しながらダクトサイズを修正して拾いをします。

適正なダクトサイズを選定するための風速と静圧の考え方とは?

Tama66 さんによるpixabayよりの画像

風速の許容値と静圧

ダクト内風速については用途によって許容値があります。

騒音の許容をどこまで受け入れられるかで決まっているようです。

ダクト内風速の許容値(低圧ダクト) 
空気調和設備計画設計の実務の知識より

私自身は店舗の設備設計をすることが多いですが、だいたい6~8m/s程度が許容範囲かなと思いながら設計しています。

上記の表でも一般店舗、食堂は 9.0m/sまで許容範囲となっています。

静圧というのは、全圧から動圧を除いたもので、ダクトの抵抗、あるいは圧力損失と思えばよいです。

この静圧については基本は1.0P/mで考えて、低圧ダクトでは0.8~1.5Pa/mの範囲で抑えます。

天井ふところがあまりないため、ダクトサイズを絞らなければならない場面があります。

2.0P/m超えてくるとちょっと風量確保ができるか怪しくなってきます。

ダクトサイズを絞った部分で抵抗がかなり大きくなりその先の風量がしっかり出ない場合もあるので注意が必要です。

もう一点、排煙ダクトは20~15m/sと記載がありますが、これはその施設によって設定が違うので確認が必要です。

経験上の話で言ってしまうと排煙ダクトも高圧ダクトとしてではなく低圧ダクトと同様に考えて設計している施設が多く、ダクト内風速を最高で10m/s程度の考えで設計した方が無難です。

現実的に20m/sというダクト内風速だとかなり抵抗が大きくなってしまい希望している風量が得られないパターンが多いです。

排煙ファンが700Pa以上の静圧で設定されているのになぜか計算通りの風量がでないという‥そんな経験もしました。

過去に風量確保ができず苦労した数件の現場が思い出されます。

ほんとうにこれは一度施工してみて風量測定するまで性能が出るかどうか確認しようがないこともあり注意が必要です。

ダクト圧力の分類とダクトの板厚

ダクト圧力の分類とダクト板厚は以下の資料のようになります。

ダクト圧力の分類
ダクトの板厚 角ダクト
ダクトの板厚 スパイラルダクト
すべて空気調和設備計画設計の実務の知識より

高圧ダクトの板厚は低圧に比べて1番手上を選ぶイメージです。

スパイラルダクトはハゼの部分の強度があるため角ダクトのような板厚は要求されていません。