風量(CMH) = 断面積(㎡) × 風速(m/s) × 3600。換気設備の設計に欠かせない計算です。
ダクトシステムにおいて、風速と風量は最も基本的でありながら重要な設計パラメータです。両者の関係を理解することは、効率的な換気システム設計の要となります。風量(Q)は Q = V × A の式で計算され、Qは風量(㎥/h または CMH)、Vは風速(m/s)、Aはダクト断面積(㎡)です。CMHへ換算するには ㎥/s に 3,600 を掛けます。直径200mmの円形ダクトを風速5m/sで使うと、A = π × (0.1)² = 0.0314㎡、Q = 0.0314 × 5 × 3,600 = 565 CMH となります。直径300mmなら断面積は0.0707㎡となり、同じ風速で1,271 CMHになります。20名のオフィスで1人あたり30 CMHが必要なら合計600 CMHが必要で、直径250mmのダクト(0.049㎡)では必要風速は3.4m/sとなり、推奨範囲(2～8m/s)に収まります。
CMHは1時間あたりの立方メートルを意味し、換気設備の分野で最も広く使われる風量の単位です。天井高2.5mの100㎡のオフィスなら室内の空気量は250㎥で、1時間に1回の換気を目標とすると必要風量は250 CMHです。北米では主にCFM(Cubic Feet per Minute)を用い、1 CMH = 0.588 CFM、1 CFM = 1.699 CMH です。住宅施設では0.5～1.0回/時、オフィスでは1.5～2.5回/時、会議室では4～6回/時の換気回数が推奨されます。1人あたりに必要な換気量は一般に20～30 CMHで、会議室・講義室は30～50 CMH、地下駐車場は床面積1㎡あたり6～10 CMHが求められます。
効果的な換気設備の設計は、室内空気質の確保とエネルギー効率のバランスをとることが要点です。二酸化炭素濃度は1,000ppm以下、粒子状物質(PM10)は100㎍/㎥以下、微小粒子状物質(PM2.5)は50㎍/㎥以下が推奨されます。必要換気量の算定には、人数基準の Q = N × q と、換気回数基準の Q = V × n の方法があります。50名の講義室で1人あたり40 CMHなら2,000 CMH、500㎥のオフィスで1時間に2回なら1,000 CMHが必要です。調理施設は一般的なオフィスより10～20倍高い換気量が必要で、夏季には熱交換換気装置の使用を検討します。
適切なダクトサイズの選定は、システム効率・騒音・設置コストに直接影響します。円形ダクトの断面積は A = π × (D/2)² の式で計算し、逆に A = Q ÷ (V × 3,600) で必要断面積を求めます。1,500 CMHを6m/sで送風するには A = 1,500 ÷ (6 × 3,600) = 0.069㎡、直径約297mmが必要となり、標準の300mmを選びます。摩擦損失はダクト長さと風速の2乗に比例し、直線ダクトでは1メートルあたり0.1～0.2 mmAqが適切です。90度エルボ1つは直線ダクト3～5m分に相当する圧力損失を生じます。直径を大きくすると圧力損失が減少し、運転コストが削減されます。
ダクトの騒音は在室者の快適性に直接影響し、風速が主な原因となります。主ダクトは6～10m/s、分岐ダクトは4～8m/s、吹出口付近は2～5m/sが一般的で、図書館・録音室では主ダクトも4～6m/sに制限します。風速が8m/sを超えると騒音が急激に増加します。乱流騒音は風速の6乗に比例するため、風速が2倍になると約18dB増加します。ダクト直径を20%大きくすると風速は約30%低下し、騒音は5～8dB下がります。消音器の設置は広帯域騒音を20～30dB減少させます。
HVACシステムの効率最適化は、エネルギーコストの削減と快適な室内環境の維持の要です。送風機の動力は風量の3乗に比例するため、風量を20%減らすとエネルギーは約49%削減されます。変風量(VAV)システムは負荷に応じて風量を調整し、年間30～50%を節約します。インバータ制御の送風機は20～40%の電力を削減します。フィルターは3～6ヶ月ごとに交換し、目詰まり率が30%を超えると送風機負荷が15～25%増加します。ダクト清掃は2～3年ごとに行い、接続部の漏気を密封することで風量損失を10～20%回復できます。