建築環境工学・建築設備工学入門 ＜空気調和設備編＞ <空気調和設備> 冷却・減湿

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1 建築環境工学・建築設備工学入門 ＜空気調和設備編＞ <空気調和設備> 冷却・減湿
［Last Update 2015/04/30］ 建築環境工学・建築設備工学入門 ＜空気調和設備編＞ <空気調和設備> 冷却・減湿 冷却・減湿

2 冷却コイル 冷却コイルを通過する混合空気は冷却と同時に減湿 相対湿度（95％）一定の線上を変化 ・ 冷却コイルで冷却・減湿：
・　冷却コイルで冷却・減湿： 飽和空気線上のコイル表面温度Ｃと入口空気の③混合とを結ぶ 　　　直線と相対湿度95%の線と交わる点が④冷却 ・　冷却に要する熱量Ｑ ： 　　　　Ｑ＝Ｇ（ｈ4－ｈ3）＝Ｖ／0.83（ｈ4－ｈ3 ）　 Ｖ：風量［ｍ３/ｈ］ ｈ３ RH95% ｈ４ Ｘｍ ｈｃ ③混合 ｔｍ，ｘｍ Ｘ4 Ｃ ④冷却 ｔ4，ｘ4 Ｘｃ 給気ダクト 空調機 全熱交換器 排気ダクト 排気 空調機械室 外気ファン ファン 排気ファン 還気 ダクト FCU 吹出口 ｔ4 ｔｃ ｔｍ 混合空気はフィルタでろ過され、温度・湿度とも変化せず、その後、冷却コイルで冷却・減湿される。 ・　空調機の冷却コイルで冷却・減湿： 飽和空気線上のコイル表面温度cとコイルの入口空気の状態点③とを結ぶ直線が、相対湿度95%の線と交わる点が出口空気の状態点④となる。 ・　冷却に要する熱量Ｑ ： 　　　　Ｑ＝Ｇ（ｈ4－ｈ3）＝Ｖ／0.83（ｈ4－ｈ3 ）　 　 Ｖ：風量［ｍ３/ｈ］ 冷却コイルを通過する混合空気は、冷却と同時に減湿される。 実験結果やシミュレーション結果から、殆どの場合、コイル出口付近の相対湿度（95％）一定の線上を変化する。 飽和空気線上のコイル表面温度Ｃと入口空気の③混合とを 結ぶ直線が相対湿度95%の線と交わる点が出口の④冷却と なる 　　　　Ｑ＝Ｇ（ｈ4－ｈ3）＝Ｖ／0.83（ｈ4－ｈ3 ）　 Ｖ：風量［ｍ３/ｈ］ フィルタ 冷却コイル 加熱コイル 加湿器 エリミネータ 空調機 ③混合 ｔｍ，ｘｍ 風量 Ｖｍ ④冷却 ｔ4，ｘ4 風量 Ｖｍ

3 フィン フィンチューブ フィン 冷水 or 温水 冷風or温風 コイルになぜフィンが必要か？
冷却コイルのフィンチューブとフィン コイルになぜフィンが必要か？ コイルは、多数の管を並べてつくられ、菅の中に冷水、温水、蒸気、冷媒などを送って、外側を徹空気を冷却したり過熱したりする。 管の外側にフィンと呼ばれる薄い板をたくさん取り付ける。 なぜフィンが必要かと言うと、これは管の外側を通る空気の熱の伝わり方が、管内の水や空気の数百～数千分の一に過ぎないことから、空気側の伝熱面積を増すことで効率UPを狙っている。 チューブの中は、水が充満し管内面と密着して流れるので、管表面の熱は効率よく水に伝わる。一方、外側を通る空気の多くはチューブ表面と接触せずに素通りしてしまうので、チューブと空気の接触の機会を多くし、空気から管に熱を伝えるために、管と空気の接触面積を大きくするフィンが必要となる。 　チューブの中は、水が充満し管内面と密着して流れるので、管表面の熱は効率よく水に伝わる。　　　 　一方、外側を通る空気の多くはチューブ　表面と接触せずに素通りしてしまうので、チューブと空気の接触の機会を多くする必要がある。 そのために、管と空気の接触面積を大きくするフィンが必要となる。 空調機内の冷却コイル 写真　東京電力 蓄熱システム技術センター

4 減湿 ≧ 冷却の際 結露しドレンとして滴り落ちる。 冷却コイルは、空気の冷却とともに減湿の機能を持つ！ 結露して 生じた水滴
露点温度 ｔdp コイル 温度表面 ｔc ≧ 冷却の際 結露しドレンとして滴り落ちる。 冷却コイルは、空気の冷却とともに減湿の機能を持つ！ 結露して 生じた水滴 冷却コイルは、管の中に冷水を送り、外側の空気を冷却する役割を持つ。 冷却する際に、空気の露点温度tdpが冷却コイル表面温度tcよりも高ければ、結露しドレンとして滴り落ちる。 多くの場合、冷却コイルは、減湿の機能、除湿の機能を持つ。 冷却コイル表面で結露して生じた水滴 空調機内の冷却コイル 水滴（ドレン）の排水口 写真　東京電力 蓄熱システム技術センター

5 コイル出口の相対湿度が95％になる訳 バイパスファクタは、コンタクト空気の 割合！
入り口状態のままで素通りするバイパス空気と、完全に接触しコイルの表面温度と等しくなったと仮定とするコンタクト空気との混合空気が④冷却となる。 水 冷やされる前の空気 冷やされた空気 素通りする空気 冷却 ｔc，ｘc 風量 Ｖc ④冷却 ｔ4，ｘ4 風量 Ｖｍ+ Ｖc ③混合 ｔｍ，ｘｍ 風量 Ｖｍ+ Ｖc ③混合 ｔｍ，ｘｍ 風量 Ｖｍ バイパスファクタは、コンタクト空気の 割合！ 冷却 ｔc，ｘc 風量 Ｖc 冷却コイルを通過する空気をコイルと完全に接触させることは不可能であり、空気の一部は入り口状態のままで素通りする。素通りする空気をバイパス空気、完全に接触した空気をコンタクト空気といい、全通過空気との割合をバイパスファクタという。 コンタクト空気は、冷却コイルの表面と完全に接触して、コイルの表面温度と等しくなった状態Ｃと仮定とすると、乾球温度はｔｃ、絶対湿度ｘｃとなる。 チューブの規格、フィンの形状・大きさ・間隔、コイル列数、空気速度、コイル表面の乾き・濡れ状態などによりこのバイパスファクタは変化する。 いまバイパスファクタ0.2とすると、冷却コイル出口の空気ｔ4、ｘ4は、バイパス空気(= ③混合空気ｔｍ，ｘｍ) 風量8とコカタクト空気(ｔc，ｘc)風量2の混合空気となる。 　　　　ｔ4＝ｔｃ＋（Ｖｍ／（Ｖｃ＋Ｖｍ））（ｔｍ－ｔｃ）　 　　　　　Ｖ：風量［ｍ３/ｈ］ 　　　　　　＝ｔｃ＋（2／（8＋2））（ｔｍ－ｔｃ）　 　　　　　　＝ｔｃ＋（0.2）（ｔｍ－ｔｃ） 　　　　ｘ4＝ｘｃ＋（0.2）（ｘｍ－ｘｃ）　 実験結果、シミュレーション結果から、一般的似この相対湿度は95％前後、全外気や混合空気温度が25℃以下の場合は90～95％となると言われている。また冷水温度が低くコイル表面温度が低い場合、あるいはコイル列数が少ない場合は、相対湿度は下がる。 ｈ３ ③混合 ｔｍ，ｘｍ ④冷却 ｔ4，ｘ4 RH95% Ｃ ｈ４ ｔ4 ｔｃ ｔｍ Ｘｃ Ｘ4 Ｘｍ ｈｃ 実験・シミュレーション結果から、一般的に相対湿度は95％前後となる。

6 並流と向流 並流 向流 並流は、相手出口温度を自分の出口温度に近づける！ 向流は、相手出口温度を自分の入口温度に近づける！ 出口空気
T2 15℃ 入口冷水 tw1 　5℃ 出口冷水 tw2 10℃ 入口空気 T1 25℃ 空気 冷水 入口冷水 tw1 5℃ 出口冷水 tw2 10℃ 入口空気 T1 25℃ 出口空気 T2 15℃ 並流 並流は、相手出口温度を自分の出口温度に近づける！ 入口空気 T1 25℃ 空気 冷水 入口冷水 tw1 　5℃ 出口空気 T2 10℃ 出口冷水 tw2 15℃ 入口空気 T1 25℃ 向流 出口空気 T2 10℃ 入口冷水 tw1 5℃ 出口冷水 tw2 15℃ 向流は、相手出口温度を自分の入口温度に近づける！ コイルを流れる水の方向と空気の流れの方向との組み合わせにより、出口空気の温度が異なる！ コイルの中を流れる水と、コイルの外側を通過する空気との温度差によって、空気から水に熱が移動し、空気が冷やされる。 この二つの流体の温度は、コイル全体にわたって均一ではない。このような場合、温度差として平均値を用いるが、単純な産術平均ではなく、コイル入口の空気と水の温度差と、コイル出口の空気と水の温度差を使って対数計算で求める。　 並流(パラレルフロー)の場合 　相手の出口温度を自分の出口温度を近づけようと引きあう。 　空気　入口温度　T1=25℃ →出口温度　T2=15℃ 　　　　　　水　 入口温度　tw1=5℃ →出口温度 tw2=10℃ 　 　Δ1＝T1-tw1＝25－5＝20 　　 Δ2＝T2-tw2＝15－10＝5 　　対数平均温度差Δは 　　Δ＝（Δ1-Δ2）／（ｌｎ（Δ1／Δ2））＝（20-5）／（ｌｎ（20／5）） 　　　　＝15／（ｌｎ4）＝15／1.386＝10.8　℃ 向流(カウンターフロー）の場合 　相手の出口温度を自分の入口温度を近づけようと引きあう。 　　　　　　空気　　入口温度　T1=25℃　 →出口温度　T2=10℃ 　　　　　　水　　入温度　tw1=5℃ ←入口温度　tw2=15℃　 　　　　　Δ1＝T1-tw2＝25－15＝10 　　　　　Δ2＝T2-tw1＝10－5＝5 　　平均対数温度差Δは 　　Δ＝（Δ1-Δ2）／（ｌｎ（Δ1／Δ2））＝（10-5）／（ｌｎ（10／5）） 　　　　＝5／（ｌｎ2）＝5／　0.693＝7.2　℃

7 冷却(除湿）プロセス 加熱コイル 冷却コイル ② 除湿空気 入口空気 T1 出口空気 T2 乾燥空気 T3 ③ ① 湿り空気 入口冷水 tw1 　 出口冷水 tw2 t1 　 t2 　 t3 　 コイル 表面温度 t　 向流 a 　①入口空気は、絶対湿度一定で温度が低下し状態 a となる。出口に近づくに連れ、空気温度はコイル表面温度に近づき、露点温度よりも低くなると、一部が凝縮し除湿が行われbとなり、最終的に②出口空気となる。 次に再熱され③乾燥空気となる。 空気線図上で、入口空気の状態①から出口空気の状態②を直線で結んでいるが、実際にはこの状態線は直線ではなく、曲線となる。 　冷却コイルが入口から出口まで一定温度ではないので曲がった線となる。この状態線の曲がる形は、冷却コイルの中を流れる水の方向とコイルを通過する空気の流れの方向、すなわち向流か並流かによって異なる。 向流の場合には、空気がコイル一列目二列目とだんだん進むに従って、徐々に冷たいコイルの表面と接触するので空気の状態はし、線図上では凸型の変化をする。　 コイル入口空気①は、絶対温度一定で温度が低下し状態aとなる。出口に近付くにつれ、空気温度はコイル表面温度に近付き、空気中の水分の一部が凝縮し除湿が行われ状態bとなり、最終的に冷却コイル出口②となる。 並流の場合は空気が徐々に温度が高くなるコイルと接触するので凹型となる。 t3 　 b 入口空気 T1 t2 　 t1 　 コイル 表面温度 t1 出口空気 T2 乾燥空気 T3

8 色々な除湿方式 一般空調は冷却除湿、プロセス空調は、化学除湿、圧縮除湿を用いる。 冷却除湿 吸着除湿 化学除湿 吸収除湿
エアコン等の冷却コイル表面と空気を接触させ、空気中の水蒸気を結露させて除湿 空気 冷却コイル 7℃ 12℃ 化学除湿 吸着除湿 シリカゲル等の吸着剤表面の細孔と空気中の水蒸気分子間のファンデルワース力によって、水分子が固体表面に濃縮、除湿 空気 再生 除湿 除湿ロータ 一般空調は冷却除湿、プロセス空調は、化学除湿、圧縮除湿を用いる。 吸収除湿 塩化リチウム液と空気を接触させ、一定の薄い濃度になるまで空気中の水蒸気を吸収させて除湿 空気 吸収剤 吸収剤水溶液 除湿方式としては、大きく冷却、化学、圧縮の3方式があり、化学除湿は吸着、吸収の2つがある。 冷房を主体とした空調においては、除湿は冷却コイルを利用して行われる。 しかし、製品製造を目的としたプロセス環境の除湿は、求められ湿度が相当低く、冷却コイルを利用した冷却除湿では対応できない場合がある。 その際は、シリカゲルなどの吸着剤を利用した吸着除湿や、塩化リチュームなどの吸収材を用いた吸収除湿などの化学除湿法が利用される。 また、空気圧縮により飽和水蒸気量を少なくし、空気中の蒸気量を減らす圧縮除湿なども用いられる。 圧縮除湿 空気を圧縮し、飽和水蒸気量を少なくして、除湿 空気 冷水 ドレン水 吸収器 コンプレッサ

9 発 行 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 伊東 民雄
発　行 公益社団法人　空気調和・衛生工学会 （SHASE: The Society of Heating, Air Conditioning and Sanitary Engineers of Japan） 伊東 民雄