空調機の加熱・冷却コイル能力計算｜空気線図・露点・凝縮水量の見方

空調機のメーカー選定表に「冷却能力33 kW」と書かれていても、温度差だけから出た数字なのか、除湿分まで含むのかは見ただけでは分かりません。「加熱は温度差で計算できたのに、なぜ冷却では絶対湿度や比エンタルピまで出てくるのだろう」と迷いやすいところです。

これは、冷却コイルでは空気を冷やすだけの時間と、空気中の水蒸気を水滴に変えて取り除く時間があるためです。この記事では、まず空気中の水分が増減するかを見て、そのあとに顕熱量、全熱量、凝縮水量を計算します。読み終えると、負荷計算書とメーカー選定表を見比べて、入口条件やコイル能力が同じ前提で計算されているか確認できます。

[PR]

空調機の加熱・冷却コイルでは何を計算するのか

この記事でいう空調機は、建物の中へ送る空気の温度や湿度を整える設備です。代表的な中央空調では、屋外から取り入れた「外気」と、室内から戻ってきた「還気」が空調機へ入ります。その空気を加熱・冷却コイルへ通し、室内へ送る「給気」にします。

ここで考えたいのは、コイルへ入る空気を、室内へ送れる状態までどう変えるかです。冬なら「何kWの熱を加えれば目標温度になるか」、夏なら「何kWの熱を取り除き、同時にどれだけの水分がドレンへ出るか」を確認します。その計算結果を使って、メーカーへコイルや空調機の選定を依頼します。

図は、この記事を読むための代表的な流れです。外気だけを処理する空調機や、室内ごとに設置する空調機など、実際の構成は方式によって変わります。それでも、コイルの入口と出口で温度と水分がどう変わるかを確認する考え方は同じです。

コイル能力計算の前に、空気中の水分変化を確認する

空気線図を開いたら、いきなり矢印を描かなくても大丈夫です。先に「このコイルを通る間に、空気中の水分は増えるのか、減るのか、それとも変わらないのか」を考えてみましょう。

ここでいう絶対湿度は、乾き空気1 kgと一緒に運ばれる水蒸気の質量です。加熱コイルで熱だけを加えるなら、水蒸気は出入りしないので絶対湿度は変わりません。冷却コイルでも、表面にまだ水滴が付かない範囲なら同じです。線図上では、どちらも絶対湿度一定の水平移動になります。

一方、相対湿度は「その温度の空気が、飽和までのどの程度の水蒸気を含んでいるか」を示します。同じ量の水蒸気を含んでいても、空気を温めれば相対湿度は下がり、冷やせば上がります。暖房後に相対湿度が下がったからといって、加熱コイルが水分を取り除いたわけではありません。

この表で最初に分けたいのは、絶対湿度が「一定」か「低下」かです。ここが決まると、温度差だけの顕熱式を使うのか、比エンタルピ差を使って除湿分まで含めるのかが決まります。

加熱コイル能力の計算｜温度差から顕熱量を求める

冬の外気を加熱コイルへ通す場面を考えてみましょう。コイルは空気へ熱を渡しますが、加湿器のように水蒸気を加える機器ではありません。加熱前後で変わるのは乾球温度、相対湿度、比エンタルピで、絶対湿度は同じです。

ASHRAEには、飽和した2℃の空気を40℃まで加熱する例があります。温度は38 K上がりますが、絶対湿度は4.38 g/kg(DA)のままです。比エンタルピは13.0から51.5 kJ/kg(DA)へ増えます。極端な温度差の例ですが、「暖めても水分そのものは減らない」ことを数値で確認できます。

顕熱量は温度差で一次検討できる

設備計算書で、水分量が変わらない加熱・冷却を概算するときは、次の顕熱式を使えます。

q_sは加熱・冷却に必要な顕熱量[kW]、Vは風量[m³/h]です。ρは空気密度[kg/m³]、c_pは定圧比熱[kJ/(kg・K)]、Δtは入口と出口の温度差[K]を表します。風量を毎時から毎秒へ直すため、最後に3,600で割ります。

空気密度1.2 kg/m³、定圧比熱1.0 kJ/(kg・K)は、概算や試験問題でよく使われる条件です。ただし、メーカー選定表が別の空気条件を使っている場合は、選定表の密度または比容積に合わせます。計算書と選定表で基準をそろえないと、同じ風量でも能力が少しずれます。

6,000 m³/hを17℃から24℃へ加熱する例

たとえば、全熱交換器を出た17℃の外気を、加熱コイルで24℃まで上げるとします。風量は6,000 m³/h、空気密度は1.2 kg/m³、定圧比熱は1.0 kJ/(kg・K)です。入口と出口の温度差は7 Kになります。

計算結果は14 kWです。この数字は、熱交換器が回収した熱を差し引いた後に、加熱コイルが追加で負担する能力を表します。外気4℃から24℃までの20 Kをそのまま使うと、熱交換器がすでに温めた13 K分まで二重に見込むことになります。

冷却コイル能力の計算｜露点で顕熱冷却と冷却減湿を分ける

冷房運転中のドレンパンに水がたまるのは、冷却コイルが空気中の水蒸気を凝縮させているからです。ただし、冷却コイルへ通せば必ず水が出るわけではありません。分かれ目になるのが、入口空気の露点温度です。

露点温度は、その空気を冷やしていったときに結露が始まる温度です。入口空気が30℃・50%RHなら、まず入口状態から露点温度を求めます。そのうえで、メーカー選定表にあるコイルの装置露点温度や出口絶対湿度を見ると、顕熱冷却だけなのか、冷却減湿まで行うのかを確認できます。

露点より高ければ顕熱冷却

冷却面が入口空気の露点温度より高ければ、コイル表面に水滴は付きません。空気から熱だけが奪われるので、乾球温度は下がりますが、絶対湿度は変わりません。空気線図では、加熱と反対向きの左へ水平に動きます。

この区間では、温度差を使う顕熱式で処理量を計算できます。冷却コイルの能力を確認するときは、出口温度だけでなく、出口絶対湿度が入口と同じかも合わせて見ます。

露点より低ければ冷却減湿

冷却面の温度が露点温度を下回ると、空気中の水蒸気がフィン表面で水滴になります。水滴はドレンパンへ落ちるので、空気は温度だけでなく絶対湿度も低い状態でコイルを出ます。空気線図では左下へ動きます。

ここで「コイル出口は相対湿度100%」と決めてしまうのは早すぎます。実際の空気は、冷たいフィンに十分触れた部分と、コイルを通り抜けた部分が混ざって出口へ出ます。コイル列数、面風速、フィン温度の分布、バイパスファクタによって出口状態が変わるため、メーカー選定表の入口・出口温度、絶対湿度、装置露点温度を見て決めます。

冷却コイルの全熱能力と凝縮水量を求める

冷却減湿の計算で温度差だけを見ると、水蒸気を水へ変えるために必要な熱量が抜けます。そこで、空気が持つ顕熱と潜熱を合わせた比エンタルピを使います。コイルの一次検討式は次のとおりです。

q_tは冷却コイルが処理する全熱量[kW]です。m_daは1秒当たりの乾き空気質量[kg(DA)/s]、h_in - h_outはコイル入口と出口の比エンタルピ差[kJ/kg(DA)]を表します。

空調機の風量はm³/hで示されることが多いため、そのまま比エンタルピ差へ掛けることはできません。入口状態の比容積[m³/kg(DA)]で割り、乾き空気質量流量へ換算してから計算します。

風量3,000 m³/hを30℃・50%RHから飽和10℃へ処理する例

ここでは、夏の外気を処理する大きさをイメージしやすいように、風量3,000 m³/hの例で計算します。状態値はASHRAEの例を使い、気圧は101.325 kPaです。

入口空気は30℃・50%RHで、比エンタルピ64.3 kJ/kg(DA)、絶対湿度13.3 g/kg(DA)、比容積0.877 m³/kg(DA)です。これを飽和10℃まで冷やすと、出口は比エンタルピ29.5 kJ/kg(DA)、絶対湿度7.66 g/kg(DA)になります。これは状態変化を確認するための計算例で、実機の出口条件を10℃飽和に固定するものではありません。

最初に、3,000 m³/hを毎秒へ直し、入口比容積0.877 m³/kg(DA)で割ります。乾き空気質量流量は(3,000 ÷ 3,600) ÷ 0.877 = 0.950 kg(DA)/sです。次に、入口と出口の比エンタルピ差34.8 kJ/kg(DA)を掛けます。

次は、ドレン配管へ流れる水の量を見ます。空気1 kg(DA)当たりの水分減少量は、0.0133 - 0.00766 = 0.00564 kg/kg(DA)です。

計算すると、冷却能力は約33.1 kW、凝縮水量は約19.3 kg/hです。1時間で約19 Lの水が出る大きさなので、ドレンパンから排水口、トラップ、横引き管まで連続して排水できる納まりが必要です。平面図だけでなく、空調機周りの断面図でトラップの高さと横引き勾配を見ます。

33.1 kWは、入口・出口の状態量から求めた一次検討値です。実機を決めるときは、冷水入口温度と出口温度、水量、コイル列数、面風速、空気側・水側圧力損失をメーカーへ渡します。選定結果の出口温湿度が負荷計算書の想定と合わなければ、コイル列数や冷水条件を変えて再選定します。

空調機のコイル選定｜入口温湿度・風量・水量をそろえる

空調機の能力が合わないとき、コイルの大きさより先に確認したいのが入口条件です。負荷計算書では外気と還気を混ぜた状態を使っているのに、メーカーへ外気条件をそのまま渡していれば、入口の比エンタルピが違うため必要能力も変わります。

設計資料は、負荷計算書 → 空調機入口条件 → 目標出口条件 → メーカー選定表 → 図面・仕様書の順で見ます。次の5項目は、設計者がメーカーへ選定依頼を出す前にそろえておきたい内容です。

1. 負荷計算書から、室内温湿度、設計外気温湿度、顕熱負荷、潜熱負荷を読み取る。
2. 外気と還気を混ぜる系統では、風量比からコイル入口の絶対湿度と比エンタルピを計算する。
3. 送風量と室内負荷から出口温度を決め、室内湿度を保てる出口絶対湿度になっているか確かめる。
4. メーカー選定表で、能力だけでなく、面風速、水量、水圧損失、空気圧力損失、出口温湿度を照合する。
5. 選定した水量と圧力損失を配管・ポンプ計算へ渡し、ドレン、制御弁、防露、点検スペースを平面図と断面図へ記載する。

たとえば、選定表の冷却能力が負荷計算より大きくても、すぐに過大選定とは言えません。入口空気が外気100%になっていないか、ファン発熱をどちらで見ているか、出口絶対湿度が同じかを確認すると、差が生じた場所を見つけられます。

公共建築工事の仕様値を「確認の目安」にする

機器選定表には、能力のほかに面風速やコイル内水速も載っています。「この数値はどの程度ならよいのか」と迷ったときは、契約図書に採用されている仕様を先に見ます。

国土交通省の公共建築工事標準仕様書では、ユニット形空気調和機の水コイルについて、水速2 m/s以下、コイル面風速2.5 m/s以下としています。ドレンパンの排水口は呼び径32以上です。公共建築工事で同仕様が適用される場合は、メーカー選定表と承認図で、この3点を具体的に照合できます。

ただし、この表の数値は、すべての空調機に共通する法律上の上限ではありません。民間案件では、契約図書と特記仕様を読み、指定がなければ採用メーカーの選定条件を確認します。面風速を上げる案では、機器が小さくなる一方で、空気圧力損失、騒音、凝縮水の飛沫同伴がどう変わるかもメーカーへ確認します。

建築設備士試験の計算例｜熱交換後の外気を加熱する

ここまでの計算は、建築設備士試験でもそのまま問われます。建築技術教育普及センターの公式過去問を基に、加熱コイルが実際に負担する温度差を一緒に追ってみます。以下は、示された条件から編集部で計算した回答例です。

過去問例｜熱交換後の外気を加熱する

設問 風量6,000 m³/hの外気を全熱交換器に通した後、室温24℃まで加熱する。外気4℃、顕熱交換効率65%、空気密度1.2 kg/m³、定圧比熱1.0 kJ/(kg・K)のとき、加熱コイルの顕熱量を求める。

回答例 外気4℃をそのまま加熱コイル入口にしないところから始めます。全熱交換器で室内空気から熱を回収するため、熱交換後の外気温度は4 + 0.65 × (24 - 4) = 17℃です。加熱コイルが受け持つのは17℃から24℃までの7 Kになります。顕熱式へ入れると、6,000 ÷ 3,600 × 1.2 × 1.0 × 7 = 14 kWです。答案では、熱交換後温度17℃を先に示すと、なぜ温度差が7 Kになるのかが伝わります。

加熱・冷却コイルの能力計算で間違えやすい4つの点

計算式が合っていても、使う入口条件や単位の基準が違えば、コイル能力は合いません。ここでは、負荷計算書からメーカー選定表、さらに設備図面へ数値を渡すときに起こりやすい4つの場面を見ていきます。

暖房後の相対湿度だけを見て加湿量を決める場面

冬期の負荷計算書で、混合空気を加熱したあとに相対湿度が20%台まで下がることがあります。数字だけを見ると、加熱コイルで水分が消えたように感じるかもしれません。

よくある間違い 加熱前後の相対湿度だけを比べ、「不足した湿度の分だけ加湿する」と計算することです。加熱コイルで水分の出入りがなければ、絶対湿度は減っていません。

確認すべきこと 空調計算書で、加熱前後の絶対湿度が同じかを見ます。そのあと、室内の目標絶対湿度と給気絶対湿度の差、外気導入量、室内発湿量から加湿量を求めます。加湿器の選定では、蒸気量または給水量と制御目標をメーカー仕様へ渡します。

冷却コイルなら必ずドレンが出ると判断する場面

改修設計で既設空調機へドレン配管を追加するとき、冷却運転の時間から排水量を見積もる場面があります。ところが、冷却運転中でもコイル表面が入口空気の露点より高ければ、凝縮水は出ません。

よくある間違い 改修設計で「冷却コイルが動く時間＝ドレンが出る時間」とみなし、入口空気の露点と出口絶対湿度を見ずに排水量を決めることです。

確認すべきこと 実測した入口温湿度から露点温度を求め、既設機の選定表またはメーカー計算で出口絶対湿度を確認します。資料が残っていない場合は、運転中の入口・出口温湿度とドレン量を測ります。その結果から最大凝縮水量を見込み、排水口径とトラップ高さを決めます。

1.2を全熱計算へそのまま掛ける場面

冷却コイルの概算で、風量[m³/h]と比エンタルピ差[kJ/kg(DA)]を一つの式へ入れる場面です。単位が似ているため、顕熱式と全熱式が混ざりやすくなります。

よくある間違い 設備計算で、乾き空気基準の比エンタルピ差へ密度1.2 kg/m³を機械的に掛け、体積風量を乾き空気質量流量へ正しく換算したつもりになることです。

確認すべきこと 湿り空気線図または物性計算から入口比容積[m³/kg(DA)]を読み、風量を乾き空気質量流量[kg(DA)/s]へ換算します。概算で密度1.2 kg/m³を使う場合は、どの空気状態を想定した値かを計算書へ書き、メーカー選定表との差を確認します。

公共仕様の面風速を全案件の上限とみなす場面

民間建物の空調機を選定するときに、手元の公共建築工事標準仕様書を参考にして機器表を作る場面です。数値が明確なので、そのまま全案件の上限に見えやすいところです。

よくある間違い 民間設備の選定で、公共仕様のコイル面風速2.5 m/s以下をすべての製品へ自動的に適用し、契約図書や採用機器の能力表に別条件があるかを見ないことです。

確認すべきこと 最初に契約図書の適用基準と特記仕様を読みます。次に、メーカー選定表の面風速、空気圧力損失、騒音、凝縮水の飛沫同伴、機器寸法を比べます。採用する面風速が決まったら、機器表へその値または選定条件を記載します。

実施設計前に確認する空調機・コイル選定チェックリスト

基本計画で空調機の概算能力を置き、実施設計でメーカー選定へ進む設計者向けの一覧です。負荷計算書、機器表、メーカー選定表、制御図、平面図、断面図を横に並べ、コイル入口・出口条件、能力、ドレン、防露、点検条件が同じ内容になっているかを見ます。

まとめ｜絶対湿度と露点からコイル能力の計算式を選ぶ

• 加熱と露点前の顕熱冷却では、絶対湿度は変わりません。温度差を使う顕熱式で、コイル能力を一次検討できます。
• 冷却面が露点を下回ると、水蒸気が凝縮します。冷却能力は比エンタルピ差、凝縮水量は絶対湿度差から求めます。
• 風量3,000 m³/hの計算例では、冷却能力は約33.1 kW、凝縮水量は約19.3 kg/hでした。
• メーカー選定へ進むときは、入口温湿度、出口温湿度、面風速、水量、圧力損失を負荷計算書と照合します。

手元に空調機の選定表があるなら、まず入口と出口の絶対湿度を見てみましょう。同じなら顕熱変化、下がっていれば冷却減湿です。その判定をしてから計算式を選ぶと、温度差だけでよい箇所と、除湿分まで含める箇所を取り違えずに済みます。

関連記事

湿り空気線図の読み方｜状態点の求め方と空調設計での使い方

還気と外気の混合計算｜絶対湿度・エンタルピから混合点を求める手順

参考・出典

ASHRAE Handbook—Fundamentals 2025, Chapter 1 Psychrometrics

国土交通省 建築設備設計基準 令和6年版

国土交通省 公共建築工事標準仕様書（機械設備工事編）令和7年版（修補版）

建築技術教育普及センター 建築設備士試験 過去問題

ダイキン工業 空気条件による熱交換器（直膨コイル）能力の算出

[PR]