外気負荷の計算方法｜顕熱・潜熱・全熱を例題で確認

換気量計算書で「外気量600 m³/h」と決まっても、その数字だけでは空調機の容量を選べません。夏の外気を室内と同じ温度・湿度まで冷やすには、温度を下げる熱量と、水蒸気を取り除く熱量の両方が必要です。これが外気負荷です。

たとえば、外気34℃・絶対湿度18 g/kg(DA)、室内26℃・10 g/kg(DA)、外気量600 m³/hとします。簡易式で計算すると、外気顕熱負荷は1.58 kW、外気潜熱負荷は3.98 kW、合計は5.57 kWです。温度差より湿度差の負荷が大きくなる点が、夏の外気処理で見落としやすいところです。

この記事では、必要外気量を決めてから、顕熱・潜熱・全熱を計算する順番を追います。0.33と0.83へ入れる単位、全熱交換器がある場合の補正、すきま風を別に扱う理由まで確認できます。

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外気負荷は換気空気を処理する熱量

外気負荷とは、換気のために取り入れた屋外空気を、室内または空調機出口の目標状態まで変えるために必要な熱量です。冷房時は高温多湿の外気を冷却・除湿し、暖房時は低温の外気を加熱します。加湿する計画なら、その水分を加える負荷も見ます。

外気負荷は、次の二つに分けると計算しやすくなります。

顕熱と潜熱をまとめたものが外気全熱負荷です。湿り空気線図や空気状態計算ソフトから室内外の比エンタルピーを読み取れば、その差から全熱を一度に求められます。

国土交通省の「建築設備設計基準 令和6年版」でも、外気負荷は冷房・暖房の計算項目に挙げられ、顕熱と潜熱を対象としています。同じ表では、すきま風負荷が外気負荷と別項目になっています。この区別は、後で全熱交換器の効果を計算するときに重要です。

計算の前に必要外気量を決める

三つの外気負荷式には、いずれも導入外気量 Qo [m³/h] を入れます。先に、室の用途、床面積、在室人数、汚染源、適用法令、施主仕様から必要外気量を決めます。

20 m³/h・人は法令式の結果

建築基準法施行令第20条の2では、対象となる機械換気設備の必要有効換気量を次の式で求めます。

V = 20Af / N [m³/h]

• Af：居室の床面積[m²]。換気上有効な開口部がある場合は、条文に定める控除があります。
• N：実況に応じた1人当たりの占有面積[m²/人]。用途に応じた上限があります。

床面積を1人当たり占有面積で割ると想定人数になるため、結果として20 m³/(h・人)に相当します。ただし、床面積、用途、開口部、占有面積の条件を含む式です。「どの建物でも外気量は人数×20だけで決まる」とは考えません。

もう一つ、シックハウス対策の常時換気回数があります。国土交通省は、たとえば住宅では0.5回/h以上の機械換気設備が必要と説明しています。人数から求める風量と、室容積に換気回数を掛ける風量は、確認している目的が違います。該当する条件をそれぞれ計算し、満たすべき風量を換気量計算書へ残します。

30 m³/h・人は条件を明記する

厚生労働省の換気資料には、1人当たり30 m³/hという目安があります。また、建築物衛生法の特定建築物では、居室の二酸化炭素濃度を1000 ppm以下におおむね適合させる管理基準があります。

30 m³/(h・人)は、すべての用途に共通する法定下限ではありません。計算書では「人数×30」とだけ書かず、採用した法令、用途別基準、施主仕様、設計標準の名称を併記します。人員が変わる会議室なら、平面図の椅子数や運用上の最大人数とも照合します。

外気顕熱負荷は0.33で計算

外気顕熱負荷は、次の式で求めます。

Los = 0.33 × Qo × Δt [W]

• Qo：導入外気量[m³/h]
• Δt：室内外の乾球温度差[K]

温度差は℃で引き算しても、差の数値はKと同じです。冷房負荷の大きさを求めるなら「外気温度−室内温度」、暖房なら「室内温度−外気温度」とし、正の値で計算します。

係数0.33は、空気密度を約1.2 kg/m³、定圧比熱を約1.006 kJ/(kg・K)とする簡易計算から出てきます。

1.2 × 1.006 × 1000 / 3600 ≒ 0.335

3600は、1時間当たりの風量を1秒当たりへ直す換算です。0.33は無条件の物性値ではなく、標準的な空気密度を丸めた係数です。標高が高い場所や精密計算では、設計点の比容積から質量流量を求めます。

顕熱負荷の計算例

外気量600 m³/h、冷房外気34℃、室内26℃なら、温度差は8 Kです。

Los = 0.33 × 600 × (34−26)

Los = 1,584 W = 1.58 kW

この1.58 kWは温度を下げる分だけです。夏の外気に含まれる水蒸気を取り除く負荷は、次の潜熱計算で加えます。

外気潜熱負荷は0.83で計算

外気潜熱負荷の簡易式は次のとおりです。

Lol = 0.83 × Qo × Δx [W]

• Qo：導入外気量[m³/h]
• Δx：室内外の絶対湿度差[g/kg(DA)]

DAはdry air、つまり乾き空気です。絶対湿度10 g/kg(DA)なら、「乾き空気1 kgに水蒸気が10 g含まれる」という意味です。

係数0.83には、絶対湿度をg/kg(DA)で入れます。空気線図や計算ソフトの表示がkg/kg(DA)なら、0.010 kg/kg(DA)を10 g/kg(DA)へ直してから入れてください。kg/kg(DA)のまま計算するなら、係数は約830～834です。

0.83は、空気密度約1.2 kg/m³、水蒸気の基準エンタルピー約2501 kJ/kg、時間とグラムの単位換算から求めた近似値です。

1.2 × 2501 / (3600 × 1000) ≒ 0.834

潜熱負荷の計算例

外気の絶対湿度18 g/kg(DA)、室内10 g/kg(DA)なら、差は8 g/kg(DA)です。

Lol = 0.83 × 600 × (18−10)

Lol = 3,984 W = 3.98 kW

顕熱1.58 kWと潜熱3.98 kWを足すと、外気負荷は5.57 kWです。

Los + Lol = 1.58 + 3.98 = 5.57 kW

この例では、潜熱負荷が全体の約7割を占めます。空調機の冷房能力が足りていても、潜熱処理能力が不足すると室温は下がるのに湿度が下がりません。機器選定表では、全冷房能力だけでなく顕熱能力や除湿能力も確認します。

比エンタルピー差で全熱を計算

湿り空気線図から比エンタルピーを読める場合は、外気全熱負荷を一度に計算できます。

Lo = 0.33 × Qo × Δh [W]

• Qo：導入外気量[m³/h]
• Δh：室内外の比エンタルピー差[kJ/kg(DA)]

例の外気を80.3 kJ/kg(DA)、室内を51.6 kJ/kg(DA)とすると、差は28.7 kJ/kg(DA)です。

Lo = 0.33 × 600 × (80.3−51.6)

Lo = 5,683 W = 5.68 kW

顕熱と潜熱を別々に求めた5.57 kWと、0.11 kWの差があります。これは計算間違いとは限りません。0.33、0.83を使う式では物性値を丸め、潜熱式では水蒸気が持つ顕熱の扱いも簡略化しているためです。

計算書の中で二つの方法を混ぜると確認しにくくなります。コイルの全熱処理量を求めるときは比エンタルピー差、顕熱・潜熱の内訳を確認するときは二つの簡易式というように目的を決め、室内外の状態値は同じ空気線図または同じ計算ソフトから取ります。

全熱交換器の負荷削減

全熱交換器は、室内から排出する空気と導入外気の間で熱と水分を交換し、外気を室内状態へ近づけます。全熱交換器を通過した後の空気を空調コイルで処理するため、コイルが受け持つ外気負荷を減らせます。

全熱負荷を簡易に補正する式は次のとおりです。

Lo,after = Lo × (1−ηh)

• Lo,after：全熱交換後に残る外気全熱負荷[W]
• ηh：エンタルピー交換効率[-]

先ほどの全熱負荷5.68 kWに、冷房時エンタルピー交換効率60%を適用すると、残る負荷は2.27 kWです。

Lo,after = 5.68 × (1−0.60) = 2.27 kW

削減できる負荷は3.41 kWです。

ここで使う60%は説明用の条件です。実案件では、採用機種の仕様書から、選定風量と給排気風量比に対応する冷房時または暖房時のエンタルピー交換効率を読みます。

温度効率と全熱効率を混ぜない

全熱交換器の仕様書には、温度交換効率とエンタルピー交換効率が別に載っています。

• 顕熱負荷や交換後の乾球温度を求める：温度交換効率
• 全熱負荷や交換後の比エンタルピーを求める：エンタルピー交換効率

温度交換効率が77%、冷房時エンタルピー交換効率が64%というように、同じ機器でも値は異なります。仕様表で最も大きい数字を選んで全熱負荷へ掛けると、削減効果を過大に見積もることがあります。

また、国土交通省の官庁施設向け基準では、便所、湯沸室、厨房等の排気を排熱回収へ使わないとしています。排気用途、臭気や汚染物質の移行、給排気間の漏れ、メーカーの禁止条件を確認してから系統を決めます。

すきま風負荷は別に計上

外壁や建具の隙間、扉の開閉から入る空気は、全熱交換器を通りません。そのため、すきま風負荷へ全熱交換効率を掛けることはできません。

計算書では、次のように分けます。

1. 換気ダクトから入る外気量で、外気負荷を計算する。
2. 全熱交換器を通る風量だけに、対応する交換効率を適用する。
3. すきま風量は別に顕熱・潜熱を計算し、回収後の外気負荷へ足す。

建物が常に正圧なら、すきま風はゼロだと機械的に決められるわけではありません。玄関扉の開閉、エレベーターシャフト、局所排気の運転、風圧、煙突効果で空気の流れは変わります。採用する熱負荷計算法のすきま風量と、換気系統の給排気バランスを照合します。

計算書で確認する順番

外気負荷は式への代入より、前提条件をそろえる作業に時間がかかります。次の順番で資料を追うと、単位や風量の取り違えを見つけやすくなります。

1. 室用途と最大人数

意匠平面図、家具レイアウト、想定人員表を見ます。会議室なら座席数、事務室なら執務席と一時利用者を分け、換気量計算書の人数と一致させます。

2. 採用する必要外気量

建築基準法の計算、常時換気回数、建築物衛生法の対象、用途別基準、施主仕様を確認します。複数の条件がある場合は、どれを採用したか計算書に残します。

3. 室内外の空気条件

建築地の設計用屋外条件と、室用途に対応する室内温湿度を選びます。屋外条件は地域だけでなく、運転時間や採用する超過確率で変わります。この記事の34℃、18 g/kg(DA)を別の地域へそのまま使わないでください。

4. 式と単位

風量がm³/hかm³/minか、絶対湿度がg/kg(DA)かkg/kg(DA)かを確認します。潜熱が極端に小さいときは、まず絶対湿度の1000倍違いを疑います。

5. 熱回収後の状態

全熱交換器の仕様書で、定格風量、給排気風量比、温度交換効率、冷房・暖房のエンタルピー交換効率を確認します。交換効率だけでなく、外部静圧を満たしたときに必要風量が出るかも選定表で見ます。

まとめ｜外気負荷計算の要点

外気負荷の計算は、外気量を決め、室内外の温度差・絶対湿度差または比エンタルピー差を掛ける作業です。風量をm³/hとする簡易式は、次の三つです。

• 顕熱：Los = 0.33QoΔt [W]
• 潜熱：Lol = 0.83QoΔx [W]。Δxはg/kg(DA)
• 全熱：Lo = 0.33QoΔh [W]。ΔhはkJ/kg(DA)

計算結果だけでなく、外気量の根拠、室内外条件、単位、全熱交換器の効率種別を計算書へ残してください。すきま風は別項目とし、全熱交換器を通る機械換気風量だけに回収効果を適用します。

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参考・出典

• e-Gov法令検索「建築基準法施行令」
• 国土交通省「住宅等における換気等に関する情報提供について」
• 国土交通省「建築設備設計基準 令和6年版」
• 厚生労働省「建築物環境衛生管理基準について」
• 厚生労働省「冬場における『換気の悪い密閉空間』を改善するための換気の方法」関連資料
• パナソニック「空調設備設計資料／設備設計ガイド」
• NIST Standard Reference Database 72

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