風量(CMH) = 断面積(㎡) × 風速(m/s) × 3600。換気設備の設計に欠かせない基本計算です。
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変数です。両者の関係を理解することが、効率的な換気システム設計の第一歩になります。風量(Q)は Q = V × A という式で求められ、Qは風量(㎥/h またはCMH)、Vは風速(m/s)、Aはダクトの断面積(㎡)です。CMHに換算するには、㎥/s の値に3,600を掛けます。直径200mmの丸ダクトを風速5m/sで送風する場合、A = π × (0.1)² = 0.0314㎡、Q = 0.0314 × 5 × 3,600 = 565 CMHとなります。直径300mmであれば断面積は0.0707㎡となり、同じ風速で1,271 CMHまで送風できます。20人が利用するオフィスで1人あたり30 CMHが必要な場合、合計600 CMHが必要となり、直径250mmのダクト(0.049㎡)では必要風速が3.4m/sとなり、一般的な推奨範囲(2〜8m/s)に収まります。
CMHは1時間あたりに流れる空気の体積を立方メートルで表した単位で、日本の換気設備業界で最も広く使われています。天井高2.5mの100㎡のオフィスなら室内の空気量は250㎥となり、1時間に1回の換気を目標とする場合、必要な風量は250 CMHです。建築基準法施行令第20条の2では、シックハウス対策として居室の換気回数を0.5回/時以上とすることが義務付けられており、これをCMHに換算して設計するのが一般的です。オフィスでは1.5〜2.5回/時、会議室では4〜6回/時程度の換気回数が推奨されます。1人あたりの必要換気量は一般的に20〜30 CMH、会議室・教室では30〜50 CMH、地下駐車場では床面積1㎡あたり6〜10 CMHが目安とされます。
効果的な換気設備設計は、室内空気質の確保とエネルギー効率のバランスを取ることが肝心です。「建築物における衛生的環境の確保に関する法律」(ビル管理法)では、二酸化炭素濃度を1,000ppm以下、浮遊粉じん量を0.15mg/㎥以下に維持することが求められています。学校環境衛生基準でも同様にCO2濃度1,500ppm以下を基準としています。必要換気量の算定方法には、在室人数を基準にするQ = N × qと、換気回数を基準にするQ = V × nの2種類があります。50人収容の教室で1人あたり40 CMHが必要なら2,000 CMH、500㎥のオフィスで1時間に2回換気するなら1,000 CMHが必要になります。厨房設備は一般オフィスの10〜20倍の換気量が必要とされ、夏季には全熱交換型換気扇の採用も検討されます。
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。丸ダクトの断面積は A = π × (D/2)² で計算し、逆に必要な断面積は A = Q ÷ (V × 3,600) で求められます。1,500 CMHを風速6m/sで送風したい場合、A = 1,500 ÷ (6 × 3,600) = 0.069㎡となり、直径は約297mmが必要なため、規格品の直径300mmを選定します。摩擦損失はダクトの長さと風速の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程度が適正とされます。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させるため、できるだけ曲がりを減らす配管設計が省エネにつながります。
ダクトの騒音は在室者の快適性に直結し、その主な原因は風速です。一般に主ダクトは6〜10m/s、分岐ダクトは4〜8m/s、吹出口付近は2〜5m/sが目安とされ、図書館や録音スタジオなど静粛性が求められる空間では主ダクトも4〜6m/sに抑えられます。風速が8m/sを超えると騒音が急激に増加する傾向があります。乱流による騒音は風速の6乗に比例するため、風速が2倍になると騒音レベルは約18dBも上昇します。ダクト直径を20%大きくすると風速は約30%低下し、騒音も5〜8dB程度下げられます。消音ボックス(サイレンサー)の設置は、広帯域の騒音を20〜30dB低減させる効果があります。
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を両立させる鍵です。送風機の消費電力は風量の3乗に比例するため、風量を20%削減するだけで消費エネルギーは約49%も削減できます。変風量(VAV)方式は負荷に応じて風量を自動調整し、年間で30〜50%の省エネにつながります。インバーター制御の送風機を導入すれば、20〜40%の電力削減が期待できます。フィルターは3〜6ヶ月ごとの交換が推奨され、目詰まり率が30%を超えると送風機の負荷が15〜25%増加します。ダクトの清掃は2〜3年ごとに実施し、接続部の漏気を密閉することで、失われていた風量の10〜20%を回復できます。