全熱交換器の仕組みと熱回収｜外気負荷の削減効果を計算

換気のために夏の蒸し暑い外気を取り入れると、空調機は温度を下げるだけでなく、外気に含まれる水分も取り除かなければなりません。冬は、冷たく乾いた外気を室内条件へ近づけるために、加熱と加湿が必要になります。必要な換気量を減らさず、この外気負荷を軽くする設備が全熱交換器です。

全熱交換器は、室内から捨てる排気の温度と湿気を利用して、取り入れる外気をあらかじめ室内条件へ近づけます。ただし、「熱交換効率65%」という数字だけを見ても、外気負荷が何kW減るかは分かりません。冷房時と暖房時の効率、処理風量、外気と室内の比エンタルピー、有効換気量率を同じ条件で確認する必要があります。

この記事では、全熱交換器の4本の空気経路から、仕様書の読み方、外気量1,000m³/hの計算例、天井内で確認する納まりまでを一つにつなげます。

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全熱交換器は排気の顕熱・潜熱を外気へ戻す

全熱交換器の「全熱」は、温度に関わる顕熱と、水分に関わる潜熱を合わせたものです。夏は、冷えて比較的乾いた室内排気によって、高温多湿の外気を予冷・予備除湿します。冬は、暖かく湿気を含む室内排気によって、低温で乾いた外気を予熱・予備加湿します。

排気と外気を混ぜる設備ではありません。二つの空気を別々の風路に通し、熱交換素子やローターを介して熱と湿気を受け渡します。室内から出た空気そのものを再び室へ戻す「還気利用」とも区別してください。

OA・SA・RA・EAの4系統は空気の出発点と行先で見分ける

全熱交換器の図面や仕様書には、OA、SA、RA、EAという略号が出てきます。機器を基準に、どこから入り、どこへ出るかで整理すると迷いません。

図面では矢印だけを追わず、外気取入口、室内吹出口、室内吸込口、屋外排気口までたどります。SAとEAを入れ替えると、新鮮外気を屋外へ捨て、排気を室内へ送る誤った系統になるためです。

回転型はローターが移動し、静止型は仕切板を介して交換する

日本冷凍空調工業会は、全熱交換器を回転型と静止型に分けています。

回転型では、吸湿性を持つ円形ローターの一部が排気側を通り、熱と湿気を蓄えます。ローターが回転して給気側へ移ると、蓄えた熱と湿気を外気へ渡します。ローターが排気側と給気側を交互に通る蓄熱式です。

静止型では、特殊加工紙などで作られた仕切板と間隔板の両側へ、外気と排気を別々に流します。仕切板は動かず、温度と湿気が板を介して移動します。方式によって構造、保守、空気移行への対策が異なりますが、方式名だけで効率を決めることはできません。冷房時と暖房時の性能を候補機器の仕様書で確認します。

全熱交換効率は冷房・暖房を分けて仕様書から読む

全熱交換器の効率は、一つの数字だけではありません。仕様書には、温度交換効率、冷房時の全熱交換効率、暖房時の全熱交換効率が並ぶことがあります。外気全熱負荷を計算するなら、温度だけの効率ではなく、比エンタルピーを基準にした全熱交換効率を使います。

JIS B 8628:2017の測定条件として、日本冷凍空調工業会は次の温湿度を示しています。

実際の建設地や室内条件がJISの測定条件と同じとは限りません。仕様書の定格値を確認したうえで、採用風量、給排気風量比、外気条件による性能補正が必要かをメーカーの選定資料で確かめます。

温度交換効率は顕熱、全熱交換効率は比エンタルピーを扱う

温度交換効率は、外気と室内の温度差をどの程度縮められたかを表します。暖房時の給気温度を概算するときには使えますが、湿気の回収分を含みません。

全熱交換効率は、温度と水分を合わせた比エンタルピー差を基準にします。夏の外気を冷却・除湿する負荷や、冬の外気を加熱・加湿する負荷をまとめて計算するときに使う値です。

たとえば、温度交換効率が70%、冷房時の全熱交換効率が60%の製品で、外気全熱負荷へ70%を掛けると、湿気を含む負荷削減量を過大に見込む可能性があります。計算書には、使用した効率の名称、冷房・暖房の区分、候補機器の型式、採用風量を残します。

有効換気量率は給気に含まれる新鮮外気の割合を示す

有効換気量率は、室へ供給される給気の中に、機器が吸い込んだ新鮮外気がどの程度含まれるかを示す値です。給気量1,000m³/hと表示されていても、その全量を新鮮外気として扱えるとは限りません。

JIS B 8628:2017では、製品内部の排気側から給気側への漏れだけでなく、機器外部から給気側への漏れも考慮します。旧2003年版と2017年版では測定範囲が異なるため、異なるJIS版の値をそのまま横並びで比較しないようにします。

必要外気量を確保できるかは、設計給気量、有効換気量率、ダクト漏れ、室内外の圧力差を合わせて確認します。熱回収効率が高くても、新鮮外気量が不足すれば換気計画として成立しません。

外気量1,000m³/h・効率65%なら負荷は10.0kWから3.5kWになる

ここでは、冷房時の外気全熱負荷を計算します。使用する値は次のとおりです。

• 全熱交換器を通る外気量：1,000m³/h
• 空気密度：1.2kg/m³
• 外気の比エンタルピー：85kJ/kg(DA)
• 室内・還気の比エンタルピー：55kJ/kg(DA)
• 候補機器の冷房時全熱交換効率：65%（0.65）

この条件は計算手順を確認するための例です。設計外気条件、室内条件、空気密度、効率は、地域、用途、標高、運転風量、候補機器によって変わります。

熱回収前の外気全熱負荷は10.0kW

外気全熱負荷は、1秒間に取り入れる空気の質量に、外気と室内空気の比エンタルピー差を掛けて求めます。

q_before = ρ × V ÷ 3,600 × (h_OA-h_RA)

• q_before：熱回収前の外気全熱負荷［kW］
• ρ：空気密度［kg/m³］
• V：外気量［m³/h］
• h_OA、h_RA：外気、還気の比エンタルピー［kJ/kg(DA)］

数値を入れると、次のようになります。

1.2 × 1,000 ÷ 3,600 × (85-55) = 10.0kW

全熱交換器を使わず、外気を85kJ/kg(DA)から室内の55kJ/kg(DA)まで処理する負荷は10.0kWです。

熱回収後の給気65.5kJ/kg(DA)から負荷3.5kWを求める

全熱交換効率65%なら、外気と還気の比エンタルピー差30kJ/kg(DA)のうち、65%を回収します。

h_SA = 85-0.65×(85-55) = 65.5kJ/kg(DA)

全熱交換器を出た給気は、85kJ/kg(DA)から65.5kJ/kg(DA)まで室内条件へ近づきました。空調機が残りを処理する負荷は次のとおりです。

q_after = 1.2×1,000÷3,600×(65.5-55) = 3.5kW

回収した熱量は、熱回収前と後の差です。

q_recovered = 10.0-3.5 = 6.5kW

同じ風量と空気密度で比べる場合は、q_after=(1-η_h)q_beforeとまとめられます。今回は(1-0.65)×10.0=3.5kWです。

熱源容量は回収熱量だけを差し引いて決めない

6.5kWを回収できる結果になっても、熱源容量を直ちに6.5kW小さくできるとは限りません。全熱交換器を通らないすきま風、扉の開閉、厨房・便所等の局所排気に対する補給外気は、別の外気負荷として残ります。

全熱交換器の送風機発熱と消費電力、ダクト圧力損失、フィルターの汚れ、部分風量時の効率、寒冷時の間欠運転、中間期のバイパス運転も確認します。空調機の入口状態を計算した後、室内負荷、ファン熱、ダクト熱取得・熱損失と合わせて空調機能力を決めます。

全熱交換器は風量・効率・圧力損失・消費電力を一組で選ぶ

効率が高い機器でも、必要風量で機外静圧が不足すれば、計画した外気量を室まで届けられません。風量を増やすためにファン動力が大きくなれば、熱回収による省エネルギー効果の一部を送風電力で使います。

機器表では冷房・暖房性能と使用条件を同じ運転点で確認する

候補機器を比較するときは、次の項目を同じ運転風量でそろえます。

• 設計給気量と設計排気量
• 冷房時・暖房時の全熱交換効率
• 温度交換効率
• 有効換気量率と適用するJIS版
• 機外静圧とダクト系の必要静圧
• 給気・排気ファンの消費電力
• 運転音と設置場所
• 自動換気切替・バイパス運転の条件
• 本体、OA、RAの使用温湿度範囲
• フィルター、熱交換素子、駆動部の点検・交換方法

設計風量が弱・強・特強のどのノッチに当たるかでも、効率、静圧、電力、騒音が変わります。カタログの最大効率だけを別の風量条件から拾わず、採用する運転点の行を一式で計算書へ転記します。

中間期は自動換気切替で熱を回収しない運転も使う

春や秋に外気が室内より涼しいときは、その外気をそのまま取り入れると冷房負荷を減らせます。この場面で排気の熱を外気へ戻すと、せっかくの冷たい外気を温めることがあります。

ダイキンの業務用換気機器カタログは、外気温度が空調設定温度より低い場合に普通換気へ切り替える外気冷房運転を示しています。候補機器に自動換気切替があるか、どの温度を見て切り替えるか、空調機の運転信号とどう連動するかを制御図へ記載します。

寒冷・高湿度・臭気・油煙を伴う排気は機種の使用範囲を確認する

全熱交換器は、どの空気にも同じように使えるわけではありません。三菱電機の技術資料は、機種ごとに本体、OA、RAの使用温湿度範囲を示し、寒冷時に給気ファンを間欠運転する条件、高温多湿環境で耐湿形を選ぶ条件を記載しています。

酸・アルカリ・有機溶剤・オイルミストなど、腐食や目詰まりを起こす成分を含む空気には使えない機種があります。浴室、温水プール、厨房、便所などは、室名だけで一律に判断せず、湿度、油煙、臭気、薬品、排気移行の許容、清掃方法をメーカーへ伝えます。適合しない排気は全熱交換系統から分け、専用の局所排気にします。

天井内の4本のダクトと点検スペースを建築図で確保する

全熱交換器は、OA、SA、RA、EAの4本のダクトを本体へ接続します。平面図だけで納まって見えても、梁下、照明、天井高さ、曲がり部、点検口を断面で重ねると干渉することがあります。

本体寸法にダクト・消音・保温・引抜き寸法を加えて断面を描く

機器の外形寸法だけを天井内へ置かず、次の範囲を断面図に入れます。

• 4本のダクト径と曲がり半径
• 外気・排気ダクトの保温厚さ
• フレキシブルダクトや消音部材の長さ
• フィルターと熱交換素子の引抜き方向
• 電装箱を開けて点検する作業空間
• 本体下の点検口と作業者の手が届く経路
• ドレンが必要な機種の排水勾配とトラップ

照明器具、スプリンクラー、感知器、天井下地、梁、他設備の配管・ダクトを天井伏図と断面図で重ねます。点検口から部品を取り出せない位置に梁や照明がある場合は、本体の向きや位置を基本設計の段階で変えます。

外気取入口と排気口は再吸込み・雨雪・外部汚染源を確認する

OAの外気取入口がEAの排気を吸い戻すと、室内へ送る空気の質が下がります。平面上の離隔だけでなく、卓越風向、外壁の凹凸、屋上機器、隣接建物、排気の向きも確認します。

外気取入口は、自動車排気、厨房排気、煙突、冷却塔、積雪、吹込み雨の影響を受けにくい位置にします。外壁、防火区画、梁をダクトが貫通する場合は、採用する法令・告示、構造設計、確認検査機関、所管消防、メーカー施工要領を確認し、防火ダンパー、補強、保温・防露、防水の納まりを確定します。

建築設備士試験対策｜具体的な学習内容

令和3年第一次試験No.5は熱交換後温度16.8℃から12kWを求める

令和3年第一次試験「建築設備」No.5では、暖房運転中の全熱交換器について、外気量5,000m³/h、室内24℃、外気4℃、空気比熱1.0kJ/(kg・K)、密度1.2kg/m³、顕熱交換効率64%が与えられています。求めるのは、全熱交換器を経た外気の顕熱負荷です。

最初に、熱交換後の外気温度を求めます。

4+0.64×(24-4) = 16.8℃

全熱交換器を出た外気は、4℃から16.8℃まで予熱されています。空調機が処理する温度差は、室内24℃との差7.2Kです。

1.2×5,000÷3,600×1.0×(24-16.8) = 12.0kW

答えは12kWです。効率64%を負荷へ直接掛けるのではなく、回収後に残る負荷なら36%を掛ける、と考えても同じ結果になります。

平成30年第二次試験A第2問は全熱交換後の外気と還気を混合する

平成30年第二次試験・選択問題A第2問(2)では、203m²・50人の待合ロビーを暖房します。外気は1.9℃・6.7kJ/kg(DA)、室内は22℃・38.8kJ/kg(DA)、送風量は6,000m³/h、外気量は1人当たり30m³/h、全熱交換効率は60%です。加熱コイル出口は29.3℃・45.1kJ/kg(DA)・絶対湿度0.0061kg/kg(DA)と与えられています。

外気量は30×50=1,500m³/hで、送風量の25%です。全熱交換後の外気比エンタルピーは次のようになります。

6.7+0.60×(38.8-6.7) = 25.96kJ/kg(DA)

この外気25%と還気75%を混ぜると、加熱コイル入口は35.6kJ/kg(DA)です。

0.25×25.96+0.75×38.8 = 35.59≒35.6kJ/kg(DA)

乾き空気質量流量は6,000×1.2÷3,600=2.0kg/sなので、加熱コイル能力は19.0kWです。

2.0×(45.1-35.59) = 19.02≒19.0kW

有効加湿量は、問題の水分収支から3.6kg/hになります。公式問題集に解答例は掲載されていないため、この計算は公式問題の条件と熱・水分収支に基づく解答例です。

令和4年第一次試験No.13は回転型のハニカムローターを問う

令和4年第一次試験「建築設備」No.13は、熱交換器の構造に関する記述を判断させる問題です。回転型全熱交換器について、吸湿性のあるハニカムローターを回転させ、排気と外気の間で熱交換するという説明が出ています。

試験では「回転型はローターが動く」「静止型は仕切板が動かない」という違いを、効率の大小だけで覚えないようにします。ローターの蓄熱・蓄湿、給気側と排気側のシール、静止型の分離風路まで構造と一緒に説明できるようにします。

全熱交換器の計算と選定で間違えやすい5点

温度交換効率を外気全熱負荷へ掛ける

外気全熱負荷には、冷房時または暖房時の全熱交換効率を使います。温度交換効率は湿気の回収を含みません。

効率65%なら熱回収後の負荷も65%とする

65%は回収分です。残る負荷は1-0.65=0.35、つまり熱回収前の35%です。

給気量の全量を新鮮外気とみなす

有効換気量率と適用JIS版を確認し、必要新鮮外気量を確保できるか計算します。

本体寸法だけで天井内に納まると判断する

4本のダクト、曲がり、保温、消音、点検口、フィルター・素子の引抜き寸法を断面図へ入れます。

熱回収率と省エネルギー率を同じと考える

全熱交換器のファン電力、全熱交換器を通らない外気負荷、バイパス・間欠運転、空調機・熱源の部分負荷を含めて年間効果を確認します。

全熱交換器の採用前に確認するチェックリスト

設備設計者が負荷計算と機器選定を確定する前に、次の項目を計算書、機器表、系統図、天井伏図、断面図で照合します。

まとめ｜全熱交換器は効率の数字を負荷計算と納まりへつなげる

全熱交換器は、排気と外気を別々に流しながら、捨てる空気の顕熱と潜熱を回収します。外気全熱負荷を計算するときは、温度交換効率ではなく、採用する運転点の冷房時・暖房時全熱交換効率を使います。

外気量1,000m³/h、外気85kJ/kg(DA)、室内55kJ/kg(DA)、全熱交換効率65%の例では、熱回収前10.0kWの外気全熱負荷が3.5kWまで下がり、6.5kWを回収できました。実施設計では、有効換気量率、機外静圧、ファン電力、使用温湿度範囲、バイパス・寒冷時制御も合わせて確認します。

最後に、天井内の本体へOA、SA、RA、EAの4本を接続し、点検口からフィルターと熱交換素子を取り出せるかを断面図で確かめます。効率の計算結果を機器表、ダクト図、天井伏図、断面図までつなげると、熱回収の効果と施工・保守の両方を説明できる計画になります。

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参考・出典

• 全熱交換器の熱回収の原理｜一般社団法人日本冷凍空調工業会
• 全熱交換器のJISの概要｜一般社団法人日本冷凍空調工業会
• 建築物省エネ法 省エネ基準に基づく省エネ計算 演習事例テキスト6｜国土交通省
• 全熱交換形換気機器 三菱ロスナイ 技術資料｜三菱電機
• 全熱交換型換気機器ロスナイ 使用条件・交換効率資料｜三菱電機
• 業務用換気機器総合カタログ 2025/12発行 10ページ｜ダイキン工業
• 令和3年建築設備士試験 第一次試験（建築設備）｜建築技術教育普及センター
• 令和4年建築設備士試験 第一次試験（建築設備）｜建築技術教育普及センター
• 平成30年建築設備士試験 第二次試験（設計製図）｜建築技術教育普及センター
• 建築設備士試験 試験問題等｜建築技術教育普及センター

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