空調設備の構成
セントラル方式には次の部品があります。
- 熱源: チラーは冷たい水(約7 C)をつくります。ボイラーやヒートポンプは暖房用のお湯をつくります。冷却塔や室外機は、熱を外へ捨てます。
- ポンプと配管: 水を運びます。
- 空調機(AHU): フィルター、コイル(冷却または加熱)、ファン、場合によっては加湿器が入っています。
- ダクトと吹出口: 空気を運び、部屋に広げます。
- 制御: センサー、コントローラー、バルブです。
空気の通り道は、部屋の空気、フィルター、コイル、ファン、ダクト、吹出口、部屋の順です。
セントラル方式と個別方式
セントラル方式は、1か所で冷水や冷たい空気をつくり、たくさんの部屋へ送ります。大きな建物に向いています。制御がしやすく、効率が高く、点検も1か所ですみます。ただし、機械室やシャフト(縦の通り道)が必要です。
個別方式(窓用、壁掛け、天井カセット、VRF)は、1つの部屋やゾーンを受け持ちます。値段が安く、取り付けも簡単で、部屋ごとに調整できます。しかし、台数が多いと屋外の音が増え、手入れも大変になりがちです。壁掛けエアコン(スプリット型)は、室内機と室外機を冷媒の配管でつないだものです。VRFは、たくさんの室内機を1台の室外機につなぐ方式です。
空調設備の制御
制御のしくみには、センサー(温度や湿度)、コントローラー、アクチュエーター(バルブ、ダンパー、ファンの回転数)があります。コントローラーは、はかった値と設定値をくらべて動かします。二方弁は、部屋があたたかいほど大きく開きます。ほかにも、ファンの回転数、外気を入れるダンパーの位置、夜に設備を止めるスケジュールなどがあります。
これはフィードバック制御です。はかる、くらべる、動かす、をくり返します。
空調の省エネ
- 温度を24〜26 Cに設定します。1度上げるごとに約6%の節約になります。
- 壁と屋根を断熱し、窓に日よけをつけ、すき間をふさぎます。
- インバーター式の圧縮機と、回転数を変えられるファンやポンプを使います。
- VAV(可変風量)方式は、負荷が小さいときに風量を減らします。ファンの動力は、回転数のおよそ3乗で減ります。
- 排気から熱を回収し、外の空気が涼しいときはその空気で冷やします(フリークーリング)。
- フィルターとコイルを掃除し、漏れを直し、使っていない部屋は切ります。
COP = 冷房能力 / 消費電力。COPが高いほど、同じ冷房で使う電気が少なくてすみます。
空調設備の設計
設計の手順:(1) 冷房と暖房の負荷を求める。(2) 設備の容量(kWまたはTR)を決める。(3) 風量を求める V = Q / (rho x cp x ΔT)。(4) ダクトの大きさを決める。面積 A = V / v(事務所では約5 m/s)。(5) 冷水の流量を求める m = Q / (cp x ΔT)、cp = 4.18 kJ/kg K。(6) ポンプ、ファン、制御機器を選ぶ。少しだけ余裕を見ますが、大きすぎる機器は避けましょう。
重要な公式と用語
- COP = 冷房能力 / 消費電力
- 風量 V = Q / (rho x cp x deltaT)、rho = 1.2 kg/m3、cp = 1.005 kJ/kg K
- ダクト面積 A = V / v
- 水量 m = Q / (cp x deltaT)、cp = 4.18 kJ/kg K
- 設定温度を1度上げるごとに約6%の節約
例題
1. あるエアコンは、電力3 kWで9 kWの冷房をします。COPを求めなさい。
COP = 9 / 3 = 3。
2. ある部屋は6 kWの顕熱冷房が必要で、吹出空気は室温より10 K低いとします。風量を求めなさい。
V = 6 / (1.2 x 1.005 x 10) = 0.4975、約0.5 m3/s。
3. 風量0.5 m3/s、風速5 m/sのとき、ダクトの断面積を求めなさい。
A = 0.5 / 5 = 0.1 m2。
4. コイルが84 kWの熱を取り除き、水が5 K温まります。水量を求めなさい。
m = 84 / (4.18 x 5) = 4.02 kg/s、約4 L/s。
5. ある機器は1か月に900 kWh使います。設定温度を2度上げます。電気代は1 kWhあたり8です。1か月の節約額を求めなさい。
節約は12% = 108 kWh。金額は 108 x 8 = 864。
よくある間違い
- 負荷よりずっと大きな機器を選び、入り切りをくり返してしまう(ショートサイクル)。
- サーモスタットを日なたや熱源の近くに置いてしまう。
- フィルターの掃除を忘れて、ファンに余計な負担をかける。
- COP(単位なし)と電力(kW)を混同する。