うだるような夏の日に工場の屋根の下に立ったことがあったり、通気口が開いていても空気が濃くてよどみを感じたりする商業倉庫の中を歩いたことがあるなら、屋上軸流ファンの性能を損なう目に見えない原因、つまり空気圧損失に遭遇したことがあるでしょう。ルーフ軸流ファンのサプライヤーとして、私は 10 年以上、製造、倉庫、商業スペースにわたるクライアントのファン システムのトラブルシューティングに費やしてきました。その中で、他の疑問よりもよく出てくる疑問が 1 つあります。「なぜルーフ ファンが必要なほど空気を動かさないのか?」その答えは、ほとんどの場合、空気圧損失に関係しています。空気圧損失は、適切なサイズのファンを後付けで性能の悪いものにしてしまう、静かだが強力な力です。今日は、屋根軸流ファン システムの空気圧損失が実際にどのようなものであるか、圧力損失がどこに隠れているか、計算方法、新しいシステムを設計している場合でも、対応が困難なシステムを修正している場合でも、それを軽減するために何ができるかについて詳しく説明したいと思います。
これを科学に根付かせるための基本から始めましょう。簡単に言えば、空気圧は、ダクトの内側、ファンのブレード、建物の屋根などの表面に衝突する空気分子によって及ぼされる力です。ルーフ軸流ファンは、入口に低圧ゾーンを、出口に高圧ゾーンを作成することによって機能します。これら 2 つの圧力の差 (静圧差と呼ばれます) により、空気がシステム内に押し出されます。空気圧損失は、意図した圧力差が外部抵抗によって減少したときに発生します。つまり、同じ量の空気を移動させるためにファンがさらに激しく働かなければならないか、まったく多くの空気を移動させることができません。これはファン自体の欠陥ではなく、ファンがシステムの他の部分とどのように統合されるかに欠陥があります。
これがなぜ重要なのかを理解するために、ファンのパフォーマンスを測定する方法について話しましょう。ルーフ軸流ファンは、風量 (立方フィート/分、CFM で測定) と静圧 (インチの水位計、H₂O で測定) の組み合わせである特定の「動作点」でメーカーによって評価されます。ファンが理想的な低損失システム、たとえば曲がりや障害物のない短く真っ直ぐなダクトに取り付けられると、定格 CFM に達します。しかし、現実世界のほとんどのシステムでは、そのような理想的なシナリオは決して起こりません。空気の流れの経路にあるすべてのコンポーネントによってある程度の圧力損失が追加され、これらの損失は急速に増加します。たとえば、0.5 in H₂O で 10,000 CFM の定格を持つファンは、総圧力損失が 0.5 in H₂O のシステムでは 7,500 CFM しか供給できず、空間が息苦しく感じるまで誰も気づかずにそのパフォーマンスが 4 分の 1 低下します。
ここで、一般的なルーフ軸流ファン システムで見られる特定の種類の圧力損失について説明します。すべての損失が同じになるわけではないためです。 2 つの主なカテゴリは、静的圧力損失 (空気と表面の間の摩擦によって生じる) と動的圧力損失 (空気の方向、速度、または乱流の変化によって生じる) です。それらをシステム内のどこに現れるかによって分類してみましょう。それがそれらに対処する最も現実的な方法だからです。
まず、入口圧力損失です。これは、空気が屋根上の軸流ファンに入るときに受ける抵抗であり、最も見落とされている損失の原因の 1 つです。ここでの一般的な原因は、保護されていないファンの吸気口、汚れたフィルター、さらには不適切なサイズの屋根の通気口です。たとえば、空気の流れを制限する薄っぺらな屋根のベント キャップで覆われた吸気口が取り付けられたファンや、詰まりやすい安価なエア フィルターが取り付けられている場合、ボトルネックが発生します。簡単な例を実行してみましょう。10 インチのファンの吸気開口部は 78.5 平方インチですが、小さなベント キャップを使用するとそれが 20% 削減され、5,000 CFM で 0.1 in H₂O の圧力損失が発生します。それは小さいように聞こえるかもしれませんが、他の損失と組み合わせると、その損失は合計されます。サプライヤーとして、私は常にクライアントがファンのサイズに適合した高品質の吸気口コンポーネントに投資することをお勧めします。信頼性の高い吸気口および通気口のオプションの範囲をここで確認できます。排気ファン屋根換気扇メーカー。
次にダクトと出口の圧力損失です。空気がファンから出た後は、ダクトや屋根の外に移動しますが、その経路も損失の大きな原因となります。摩擦損失は、空気がダクトの内側、屋根パネル、または空気が通過するその他の表面とこすれるときに発生します。ダクトが長ければ長いほど、摩擦損失は大きくなります。たとえば、20 フィートの真っ直ぐな板金ダクトでは、8,000 CFM で 0.2 in H₂O の損失が追加される可能性がありますが、5 フィートのダクトの場合は 0.05 in H₂O です。さらに、肘、ターン、トランジション、またはダクト内の障害物による動的損失も発生します。 90 度のエルボは、その鋭さによって異なりますが、0.15 ～ 0.3 in H₂O の損失が発生する可能性があり、実行中に複数のエルボがある場合、その損失は急速に増大します。ファンを屋根に接続する方法によっても損失が発生する可能性があります。ファンの出口がダクトまたは屋根の開口部と整列していない場合、空気が前方に進むことなく横にこぼれ、圧力を無駄にする乱流が発生する可能性があります。広いスペースの場合、特にシステムに長いダクトや複数の分岐がある場合、これらの出口損失を相殺するためにブースター ファンが必要になることがあります。高損失ダクト システムを扱っている場合は、ここでブースター ファンがどのように機能するかについて詳しく学ぶことができます。ブースターファン ダクト ブースターファン。
次に、外部静圧 (ESP) があります。これは、ルーフ軸流ファンを扱う人にとって重要な用語です。 ESP は、入口から出口までのすべてを含むシステム全体の総圧力損失であり、摩擦損失と動的損失が含まれます。ほとんどのルーフ ファンは特定の最大 ESP に対処するように設計されており、それを超えるとパフォーマンスが低下する最も一般的な原因になります。たとえば、産業用屋根換気ファンの定格は 0.5 インチ H₂O ESP ですが、システムにフィルター、3 つのエルボ、および 30 フィートのダクトがある場合、合計 ESP はファンの定格を 0.65 インチ H₂O はるかに上回る可能性があります。そうなると、ファンの速度が低下し、移動する空気の量が減り、その過程でより多くの電力が使用されるため、運用コストが上昇し、室内空気の質が低下します。そのため、CFM に合わせてサイズを変更するだけでなく、システムの ESP にファンを適合させることも交渉の余地がありません。産業用クライアントと毎日仕事をしている者として、ESP マッチングの手抜きは誤った経済的であると言えます。ESP の制限を超える安価なファンは、作業スペースの空気品質の低下による間接的なコストは言うまでもなく、寿命全体で 20 ～ 30% 多くの電気代がかかることになります。
ルーフ軸流ファン システムにおける圧力損失のもう 1 つのあまり明らかではない原因は、背圧です。背圧は、ファンから排出される空気が風などの外部条件からの抵抗に遭遇したり、隣接する排気口が空気をシステム内に押し戻すときに発生します。たとえば、屋上に 2 台の屋上軸流ファンを並べて設置し、それぞれが空気を排出する場合、屋上に垂直に吹く風によって片側に低圧ゾーンが形成され、もう一方のファンからの排気が強制的に建物内に逆流する可能性があります。これにより背圧が発生し、ファンの有効パフォーマンスが低下し、たとえファンのサイズが適切であったとしても、場合によっては 10 ～ 15% 低下します。当社では、ファンの間隔を調整するか、ファンが停止しているときに閉じて逆気流を防ぐバックドラフト ダンパーを追加することで、お客様のためにこの問題を解決しました。これらの課題に対応するように設計された堅牢な産業用ソリューションをお探しの場合は、当社の産業用屋根換気扇シリーズ (効果的な屋根設置型設計のため、マッシュルーム空気抽出器と呼ばれることもあります) は、さまざまな外部条件に対応できるように作られています。産業用屋根換気扇 |工場用キノコ空気抽出装置。
圧力損失がどこから来るのかはわかったので、システムの圧力損失をどのように計算しますか?思ったほど複雑ではありませんが、いくつかの基本的な手順が必要です。まず、システムに必要な CFM を測定または推定する必要があります。これは、スペースのサイズ、そこで作業する人の数、熱負荷、および業界標準に基づいています (OSHA と ASHRAE には、1 時間あたりの必要な空気交換に関するガイドラインがあります)。次に、吸気口、ファン、ダクト経路、エルボ、トランジション、排気口、およびその間にあるフィルターやコンポーネントなどの空気経路全体をマッピングします。次に、計算された CFM で各コンポーネントの圧力損失を調べます。ダクトの摩擦損失については、ダクトのサイズ、長さ、CFM を考慮したダクト圧力損失グラフを使用できます。エルボの場合、エルボの半径と角度に基づいて動的損失値を見つけることができます。これらの個々の損失をすべて合計すると、それが合計 ESP になります。最後に、その合計 ESP で必要な CFM を提供する定格のルーフ軸流ファンを選択します。ファンの ESP 定格を超える場合は、機能するには小さすぎるファンを詰め込むのではなく、システムを調整する (ダクトを短くする、エルボの数を減らす、またはより高い ESP 定格のファンを選択する) 必要があります。
これを具体的にするために実際の例を使用してみましょう。 10,000 平方フィートの倉庫があり、1 時間あたり 6 回の空気交換が必要であるとします。これは 10,000 CFM に相当します (10,000 x 60 分 / 1 時間あたり 60 分 = 10,000 CFM)。このシステムには、シングル ルーフ軸流ファン、10 フィートのストレート ダクト、2 つの 90 度エルボ、および安価なプリーツ型吸気フィルタが備えられています。 ESP を計算してみましょう。
- 入口フィルター損失: 0.15 in H₂O (10,000 CFM 時)
- ダクトの摩擦損失: 0.08 in H₂O (10 フィートのダクト、直径 24 インチ、10,000 CFM)
- エルボの動的損失: 0.2 in H₂O (2 つのエルボ、それぞれ 0.1)
- 出口損失: 0.05 in H₂O
合計 ESP = 0.15 + 0.08 + 0.2 + 0.05 = 0.48 in H₂O。
0.5 インチ H₂O ESP 定格の一般的な 10,000 CFM ルーフ軸流ファンは、ここでは完全に機能します。損失はありませんよね?しかし、待ってください。そのフィルターが 6 か月間交換されていない場合、その損失は H₂O で 0.3 に跳ね上がり、合計 ESP は H₂O で 0.63 に押し上げられる可能性があります。現在、ファンは定格 ESP を超えて動作しているため、必要量より 8,200 CFM ～ 1,800 CFM 少ない電力しか供給できず、空気がこもり、エネルギー使用量が増加します。そのため、定期的なメンテナンスが初期設計と同じくらい重要です。汚れたコンポーネントは圧力損失の原因となります。
では、ルーフ軸流ファンシステムの圧力損失を最小限に抑えるにはどうすればよいでしょうか?何千ものクライアントと仕事をした私の経験から、最も効果的で実行可能な手順は次のとおりです。
- 単に余裕のある最大のファンを選択するのではなく、システムの CFM と ESP に合わせてすべてのコンポーネントのサイズを決定します。サイズが大きすぎるファンは非効率的であり、サイズが小さすぎるファンはわずかな損失でも窒息してしまいます。
- 可能な限り滑らかで真っ直ぐなダクトを使用し、エルボの数を最小限に抑えます。エルボが必要な場合は、半径の長いエルボ (急激な 90 度の回転ではない) を使用して、動的損失を減らします。
- 空気の流れを制限しないバックドラフトダンパーや、HVAC 用に設計されたフィルター媒体 (すぐに目詰まりする安価な既製フィルターではありません) など、高品質で圧力損失の低い入口および出口コンポーネントに投資します。
- 定期的なメンテナンスを実行します。フィルターは 1 ～ 3 か月ごとに交換し、ダクトにゴミや損傷がないか検査し、ファン ブレードが清潔でバランスが取れているかどうかを確認します (ブレードが曲がったり汚れたりすると、摩擦損失が増加し、パフォーマンスが低下します)。
- ファンを設置するときは、風などの外部条件を考慮してください。相互干渉を避けるためにファンの間隔を十分に離し、隣接する構造物や通気口からの背圧を最小限に抑えるように配置してください。
結局のところ、空気圧の損失は恐れるものではなく、計画すべきものなのです。ルーフ軸流ファンのサプライヤーとしての私の目標は、ファンを販売することだけではありません。ファンが必要なだけ作動し、エネルギーを無駄にすることなく空間に必要な空気の質を提供できるようにするためです。新しい産業用換気システムを設計している場合でも、パフォーマンスの低いファンのトラブルシューティングを行っている場合でも、単に作業スペースが息苦しく感じる理由を理解したい場合でも、時間をかけて圧力損失を計算して軽減することは、空気の質の向上、光熱費の削減、ファンの寿命の延長につながります。
ルーフ軸流ファン システムを設計またはアップグレードする準備ができている場合は、当社のチームがコンポーネントのサイズ設定、ESP の計算、ニーズに合った適切なファンの検索をお手伝いします。圧力損失によってスペースのパフォーマンスが最高の状態に保たれないようにしないで、今すぐプロジェクトについて話し合ってください。
参考文献
- 米国加熱冷凍空調技術者協会 (ASHRAE)。 （2021年）。 ASHRAE ハンドブック: HVAC システムと機器。第 19 章: 換気と浸透。
- 産業用換気: 設計のための推奨実践マニュアル (第 30 版)。 （2018年）。米国政府産業衛生士会議 (ACGIH)。
- マッキストンFC、パーカーJD、スピトラーJD（2019）。暖房、換気、空調: 分析と設計 (第 8 版)。ワイリー。
- ファンの法則と性能曲線: ルーフ軸流ファン システム設計のガイドライン。 （2022年）。国際空気移動制御協会 (AMCA) 規格 99-22。
