私が 3 年前に軸流換気扇のサプライヤーとして働き始めたとき、優れた軸流ファンが単独では十分な性能を発揮しないことがすぐにわかりました。昨年、当社から高出力の軸流ユニットを購入した製造業の顧客がいましたが、1 か月以内に返品しなければなりませんでした。問題は？彼らのエアダクトシステムの設計は不十分でした。サイズの不一致、粗い内部表面、不適切な回転により、ファンはダクトに空気を押し出すだけでエネルギーの 30% を無駄にし、ワークステーションの空気の流れは必要な量のわずか 60% でした。この経験により、軸流換気装置用のエアダクト システムの設計は単なる思いつきではなく、効率的な換気の基礎であるという重要な点が認識されました。今日は、メーカーをイライラさせた同じ間違いを避けるために、私たちがサポートしてきた実際のプロジェクトに基づいて、これを正しく行うための科学的かつ実践的な手順を説明したいと思います。
まず、軸流換気装置がダクトとどのように相互作用するかを理解するという基本から始めましょう。軸流ファンは空気をファンの軸と平行に移動させるため、倉庫、鉱山、商業ビルなど、大量の低圧の用途に最適です。しかし、ダクトシステムが性能曲線に適合するように設計されていない場合、効率は急激に低下します。すべての軸流ファンは特定の静圧定格を持つようにテストされており、ダクト システムはその範囲内で動作するように設計する必要があります。ダクトの抵抗 (静圧) が大きすぎると、ファンが低い流量で動作し、より多くのエネルギーを消費し、過熱する可能性があります。抵抗が小さすぎると、ファンの速度が設計限界を超えて、寿命が短くなる可能性があります。
必要なエアフローと静圧の計算という最も重要な部分から始めて、段階的な設計プロセスを詳しく見てみましょう。どれだけの空気を移動させる必要があるか、そしてシステムがどれだけの抵抗を生み出すかを知らずにダクトを設計することはできません。ほとんどのアプリケーションでは、空気交換率から始めます。たとえば、倉庫では 1 時間あたり 6 ～ 10 回の空気交換が必要になる場合がありますが、炭鉱 (特殊な鉱山ユニットの炭鉱換気ファン | 防爆軸流ファンを確認してください) では、塵やガスを除去するために 12 回以上の空気交換が必要になる場合があります。風量 (CFM、または立方フィート/分) を計算するには、部屋の容積 (長さ x 幅 x 高さ) に希望の空気交換率を掛けます。次に、ダクト システムの総静圧を計算します。これには、ダクト壁からの摩擦損失、曲がりや継手からの動的損失、エンド グリルや機器に必要な圧力が含まれます。ここでよくある間違いは、動的損失を過小評価することです。急に 90 度回転すると、直線ダクト 10 フィートと同じくらいの圧力が加わる可能性があるため、計算を手抜きしないでください。
気流と静圧の数値がわかったら、次のステップは適切なダクトのサイズと材質を選択することです。ダクトのサイジングは、空気の速度と摩擦損失のバランスが重要です。空気速度が高い (板金ダクトの場合は 1500 FPM 以上) と、より小さなダクトを使用できるように思えるかもしれませんが、騒音が増加し、摩擦損失が増加し、粉塵が蓄積するリスクが増加します (これは鉱山や工業用スペースでは大きな問題です)。ほとんどの軸流アプリケーションでは、800 ～ 1200 FPM の空気速度を目指します。ダクトのサイズを決定するには、業界のダクト サイズ表、または CFM、速度、ダクト面積を関連付ける式を使用します。たとえば、直径 10 インチのダクトは 1200 FPM で約 1000 CFM を処理できますが、12 インチのダクトは同じ速度で約 1450 CFM を処理できます。材料の選択も同様に重要です。ほとんどの用途では亜鉛メッキ鋼が標準ですが、腐食性の排ガスを移動させる場合には、グラスファイバーやコーティングされた鋼のようなものが必要になります。地下排ガスの排気には、耐食性のオプションが必要です。まさにその課題に合わせて設計されたシステム用のダクト排ガス排気ファン防火ファンをご覧ください。
次にレイアウトと構成ですが、多くのデザインがここで失敗します。軸流ファンは、空気の出入りがスムーズで、方向が突然変化しない場合に最もよく機能します。可能であれば、ファンをメインダクト経路に沿って真っすぐに配置し、ファンの入口または出口のすぐ近くに鋭いエルボができるのを避けてください。方向転換する必要がある場合は、鋭い 90 度のエルボではなく、長い半径のエルボ (ダクト直径の 2 ～ 3 倍に等しい半径) を使用してください。これにより、動的損失が最大 70% 削減されます。もう 1 つの重要なルールは、ファンの入口のダクトをまっすぐに保つことです。ほとんどの軸流ファンでは、空気が渦を巻かずに均一に流れるようにするために、ファンの吸気口の前に少なくとも 2 ～ 3 倍のダクト直径の直線部分が必要ですが、これにより効率が低下します。私たちは昨年、屋上のクライアントからこのことを学びました。彼らは入口に鋭いエルボを備えた軸流排気ファンを設置しましたが、その空気流量は予想より 25% 低かったのです。レイアウトを調整してファンの前にストレートダクトを追加したところ、ファン自体を変更することなく目標の流れを達成することができました。
分岐ダクトは倉庫や広いスペースでよく見られる機能であり、特別な注意が必要です。メインダクトを 2 つ以上の分岐に分割する場合、各ゾーンが適切な容積になるように、各分岐に空気の流れを調整するダンパーが必要です。 T 字継手での圧力損失を最小限に抑えるには、90 度の代わりに 45 度の分岐を使用するか、分岐をメイン ダクトと同じサイズになるように設計します。分岐が小さいほど速度が増加し、損失が大きくなります。複数のワークステーションを備えたワークショップの場合、分岐ダクト システムと組み合わせた壁面軸流ファン ユニットがうまく機能します。これは、各壁面ファンのダンパーを特定の領域を対象に調整できるためです。たとえば、5,000 平方フィートのワークショップには、中央を通るメイン ダクトがあり、各ワークステーションに 10 インチの分岐が供給され、最後に空気を押し出す壁軸流ファンが配置されます。
振動と騒音の制御はダクト設計で見落とされがちな 2 つの部分ですが、安全性と快適性の両方にとって重要です。軸流ファンは回転時に振動を発生し、それがダクトを通じて伝わると、時間の経過とともに損傷を引き起こし、過度の騒音を発生させる可能性があります。これを修正するには、ファンとダクトの間にフレキシブル コネクタを取り付けます。これらは振動を吸収する短いゴムまたは布製の部分です。騒音対策として、倉庫に隣接するオフィスなど、空間を静かにする必要がある場合は、ダクトの内部を防音材で覆います。また、ダクトが動かないように 6 ～ 8 フィートごとに適切にサポートされていることを確認してください。先月、高層住宅にお住まいのお客様から、屋上の換気扇が下のアパート内に迷惑をかけているということで当社にお電話がありました。フレキシブル コネクタを追加してダクトを内張りした後、騒音は 58 dB から 32 dB に低下し、ほとんど目立ちませんでした。
炭鉱のダクト システムは小規模オフィスのダクト システムとは大きく異なるため、さまざまな用途に対する特別な考慮事項を無視することはできません。鉱山では、爆発性雰囲気があるため、ダクトは火花が出ないようにする必要があり、ファンは防爆基準を満たしている必要があります。だからこそ、当社の炭鉱換気ファン |防爆軸流ファンは、難燃性のダクト部品を使用して設計されています。屋上で排気する場合は、天候を考慮する必要があります。雨の侵入を防ぐためにダクト出口を建物から離れる方向に傾け、害虫の侵入を防ぐために鳥よけを追加する必要があります。当社の排気ファン屋根換気扇メーカーページには、風の抵抗を軽減する雨よけフードなど、屋上特有のダクト設計の詳細が記載されています。高温の排ガスの場合、ダクトの材質は耐熱性が必要であり、熱損失を防止して周囲を保護するためにダクトを断熱する必要があります。そこで、このような過酷な条件向けに設計された当社のダクト排ガス排気ファン消火ファンの出番です。
テストとバランス調整は最終ステップであり、すべての計算が正しく行われたとしても、交渉の余地はありません。ダクト システムを設置したら、風速計を使用して各グリルとファン出口の空気の流れを測定します。これらの数値を設計上の予想と比較してください。低いゾーンがある場合は、ダンパーを調整してシステムのバランスをとります。また、ファンの静圧をチェックして、設計範囲内で動作していることを確認してください。高すぎる場合は、ダクト内で詰まりや漏れが発生している可能性があります。昨年、私たちが協力した建設会社は、紙の上では素晴らしく見えるダクト システムを設置しましたが、接合部に小さな隙間があり、空気の 15% が漏れていました。マスチックで接合部を密閉した後は、ファンをアップグレードすることなく必要な空気の流れが得られ、エネルギーコストを何千ドルも節約できました。
私は軸流換気装置のサプライヤーとして、適切に設計されたダクト システムが優れたファンを優れた換気ソリューションに変える様子を直接見てきました。それは単に空気を点 A から点 B に運ぶことではなく、適切な量の空気を適切な速度で、最小限のエネルギーで、騒音も無駄もなく移動させることです。倉庫、鉱山、屋上排気、または作業場用のシステムを設計している場合でも、重要なのは、ダクトの寸法、レイアウト、材料を特定の用途に適合させることであり、テストとバランスのステップを決して省略しないことです。
軸流換気プロジェクトを計画していて適切なダクト システムの設計に支援が必要な場合、または信頼性の高い軸流換気装置をお探しの場合は、当社がお手伝いいたします。当社のチームは、小規模な壁掛けファンの設置から大規模な鉱山換気システムまで、さまざまな業界の何百ものクライアントと協力してきており、お客様のスペースとニーズに合わせたカスタム ガイダンスを提供できます。不適切に設計されたダクト システムによってファンの性能が損なわれないように、今すぐ調達と相談について当社にご連絡ください。
参考文献
ASHRAE ハンドブック – HVAC アプリケーション、第 18 章: 産業用換気
マッキストンFC、パーカーJD、スピトラーJD（2005年）。暖房、換気、空調: 分析と設計。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社
炭鉱衛生安全局 (CMHSA) 地下鉱山の換気基準
米国規格協会 (ANSI)/ASHRAE 規格 90.1: 低層住宅を除く建物のエネルギー基準
