暖房時の空調サイクル設計｜加熱・加湿・送風量の計算手順

冬のオフィスで「室温は22℃あるのに、空気が乾いて足元も寒い」ということがあります。温度だけを見て暖房を設計すると起こりやすい問題です。空気は、水分を加えずに温めると相対湿度が下がります。天井から出た温風は上にたまりやすく、窓際では冷やされた空気が床へ降りてきます。

そこで中央式空調では、まず部屋を暖めるための風量を決めます。次に、屋外から取り入れた冷たく乾いた空気と、室内から戻った空気を混ぜ、加熱と加湿を行います。この順番が分かると、空調機の計算書に並ぶ「混合空気」「加熱コイル能力」「有効加湿量」が一つの流れとして読めるようになります。

以下では、30kWの暖房負荷を処理する例を使い、必要風量から加湿量、加熱コイル能力まで順に計算します。扱うのは空調機と室内を循環する空気の変化です。冷媒を圧縮・凝縮させる冷凍サイクルとは別の話です。

[PR]

暖房空調サイクルは外気混合・加熱・加湿をつなぐ

空調機へ戻ってきた室内空気が還気RA、換気のために屋外から入れる空気が外気OAです。この2つが混ざった空気を混合空気MAと呼びます。MAを加熱コイルで温め、加湿器で水分を加えたものが、室内へ送る給気SAです。

略号が多く見えますが、実際の流れは次の一本です。

還気RA・外気OA → 混合空気MA → 加熱 → 加湿 → 給気SA → 室内 → 還気RA

還気RAと外気OAを混ぜて混合空気MAをつくる

たとえば、室内から22℃の空気が戻り、屋外から2℃の空気が入るとします。外気の割合を増やすほど、空調機へ入る空気は冷たく乾いた状態になります。換気量を確保するほど、加熱にも加湿にも余力が必要になるということです。

この混ざった状態を求めるとき、温度だけを単純平均してはいけません。空気が持つ水分と熱も合わせるため、乾き空気の質量比を基準に、絶対湿度と比エンタルピーを計算します。

混合空気MAを加熱コイルで温める

混合空気は、温水コイルや蒸気コイル、電気ヒータなどで温めます。この段階では空気へ水分を加えていないので、温度は上がっても絶対湿度はほぼ変わりません。

湿り空気線図で見ると、混合点からほぼ水平に右へ進みます。これが「加熱」と「加湿」を分けて計算する理由です。

加湿器で絶対湿度を上げて給気SAにする

温めただけの空気は乾いているため、加湿器で必要な水分を足します。ただし、どの方式を使うかで温度の動きが違います。蒸気式は、すでに蒸気になった水を加えるので、空気温度は大きく下がりません。一方、気化式は空気の熱を使って水を蒸発させるため、加湿しながら空気が冷えます。

この違いを無視すると、気化式加湿器を通ったあとの給気温度が計画より低くなります。ファンによる温度上昇やダクトの熱損失もあるため、最後は実際の機器配置とダクト経路に合わせて給気SAの状態を確認します。

給気SAが室内の熱損失と水分損失を補う

給気SAが室内へ入ると、外壁や窓から逃げる熱を補い、換気や漏気で失われた水分も補います。室内を通った空気の一部は排気され、残りは還気RAとして空調機へ戻ります。暖房空調サイクルは、この循環を運転中ずっと繰り返しています。

暖房空調サイクルの設計は五つの入力条件から始める

いきなり送風量の式へ数値を入れるのではなく、先に室内、外気、負荷、換気量、空調機の条件をそろえます。どれか一つでも別の設計条件を使うと、後の計算がつながりません。

ここでは、冬の外気2℃を30%取り入れ、室温22℃の部屋へ35℃の空気を送ると仮定します。30kWの暖房負荷を処理しながら、給気の絶対湿度を8.0g/kg(DA)まで上げる例です。計算手順を確かめるための条件であり、地域や用途の標準値ではありません。

• 室内・還気RA：22℃、絶対湿度0.0070kg/kg(DA)
• 外気OA：2℃、絶対湿度0.0030kg/kg(DA)
• 外気比：乾き空気質量比30%
• 室内暖房顕熱負荷：30kW
• 給気SA：35℃、絶対湿度0.0080kg/kg(DA)
• 空気密度：1.2kg/m³
• 空気の定圧比熱：1.0kJ/(kg・K)

暖房顕熱負荷30kWから必要送風量を約6,920m³/hと求める

最初に決めるのは風量です。室温22℃に対して35℃の空気を送ると、給気1m³が運べる熱量が決まります。その熱で30kWの暖房負荷を処理するには、1時間にどれだけ空気を送ればよいかを求めます。

V = q_s × 3,600 / [ρ × c_p × (t_S-t_R)]

• V：必要送風量［m³/h］
• q_s：室内暖房顕熱負荷［kW］
• ρ：空気密度［kg/m³］
• c_p：空気の定圧比熱［kJ/(kg・K)］
• t_S-t_R：給気温度と室温の差［K］

今回の条件を代入します。

V = 30 × 3,600 / [1.2 × 1.0 × (35-22)] = 6,923.1m³/h

必要送風量は約 6,920m³/h になりました。ここで式中の3,600を落とさないようにしてください。kWは1秒当たり、m³/hは1時間当たりの量なので、時間の単位をそろえるために必要です。

加湿量の計算では空気の体積ではなく質量を使うため、この風量を乾き空気の質量流量へ直しておきます。

m_da = 6,923.1 × 1.2 / 3,600 = 2.3077kg/s

外気30%と還気70%から混合空気MAを求める

次は、22℃の還気70%と2℃の外気30%を混ぜたとき、空調機へ入る空気がどの状態になるかを求めます。まず絶対湿度を計算します。

x_M = 0.30 × 0.0030 + 0.70 × 0.0070 = 0.0058kg/kg(DA)

熱の状態を表す比エンタルピーも、同じ30対70の質量比で混ぜます。

h_M = 0.30 × 9.53 + 0.70 × 39.92 = 30.80kJ/kg(DA)

計算した絶対湿度と比エンタルピーを湿り空気線図または状態式で読むと、混合空気の温度は約 16.0℃ です。つまり、22℃の還気へ2℃の外気を30%混ぜた結果、加熱コイルの入口温度は16℃程度まで下がります。

なお、外気比を風量の比で与えられた場合も、厳密に計算するときは乾き空気の質量比へ直します。2℃の外気と22℃の還気では密度が同じではないためです。

必要加湿量は約18.3kg/hになる

混合後の空気には、乾き空気1kg当たり5.8gの水蒸気が含まれています。給気の目標は8.0gなので、差の2.2gを補えばよいことになります。これに、1時間に空調機を通る乾き空気の質量を掛けます。

G = m_da × (x_S-x_M) × 3,600

G = 2.3077 × (0.0080-0.0058) × 3,600 = 18.28kg/h

空気へ実際に加える水分量は、約 18.3kg/h です。これは「空気中へ蒸発させたい水の量」であって、機器へ送る給水量そのものではありません。

たとえば気化式では、入口の温湿度や風量によって蒸発量が変わり、余った水を排水する製品もあります。18.3kg/hという計算値をそのまま型式表へ当てはめず、メーカーの能力補正、安全率、給水量、排水量、使用水質を確認して選びます。

蒸気式と気化式では加熱コイルの出口条件が変わる

ここまでで必要な水分量は決まりました。しかし、蒸気で18.3kg/hを加える場合と、水を空気中で蒸発させる場合とでは、加湿後の温度が同じになりません。ここからは方式ごとに加熱コイルの出口を考えます。

蒸気式は給気温度付近まで加熱してから加湿する

蒸気式では、まず16.0℃の混合空気を、絶対湿度5.8g/kg(DA)のまま給気温度に近い35℃まで温めます。このときの比エンタルピーは約50.08kJ/kg(DA)です。

Q_HC,steam = 2.3077 × (50.08-30.80) = 44.49kW

この条件では、加熱コイルに約 44.5kW が必要です。その後で蒸気を加え、絶対湿度を8.0g/kg(DA)へ上げます。

ただし、実際の出口温度はぴったり35℃になるとは限りません。蒸気も熱を持っているうえ、ファンで温度が上がり、ダクトでは熱が逃げるからです。蒸気温度と蒸気量、分散管の位置、吸収距離まで含め、空調機と加湿器の選定計算で最終状態を確定します。

気化式は加湿後の温度低下を見込んで事前加熱する

気化式では、水が蒸発するときに空気から熱を奪います。35℃までしか加熱しなければ、加湿器を通った空気は35℃より低くなってしまいます。そこで、加湿後に35℃へ着地するよう、加熱コイルの出口温度を逆算します。

目標給気35℃・8.0g/kg(DA)の比エンタルピーは55.72kJ/kg(DA)です。この値を保ったまま、加湿前の絶対湿度5.8g/kg(DA)まで湿り空気線図上で戻ると、加熱コイル出口は約 40.6℃ になります。

Q_HC,evap = 2.3077 × (55.72-30.80) = 57.51kW

必要な加熱コイル能力は約 57.5kW です。蒸気式の44.5kWより大きくなるのは、加湿時に失う顕熱をあらかじめ与えるためです。

40.6℃は、あくまでこの計算条件で理想的な断熱加湿を仮定した値です。実機では、加湿材の能力、入口水温、処理風量、飽和効率、熱損失が効きます。候補機器の選定資料で、必要な入口温度と実際の加湿能力を確かめます。

吹出温度は風量と吹出口の到達性能を一緒に確認する

計算上は、給気温度を高くすれば風量を減らせます。たとえば同じ30kWでも、室温との差を大きくするほど必要風量は小さくなります。ただし、温かい空気は上へ浮くため、天井から高温の空気を出しても足元まで届くとは限りません。

風量計算が合っていても、吹出口の選び方が悪ければ、天井付近だけが暖かくなります。ここは計算式ではなく、実際に使う吹出口の暖房時データで確認するところです。

吹出口を選ぶときは、次の条件をまとめてメーカー選定表へ入れます。

• 暖房時の給気温度と室温
• 吹出口の形式、寸法、個数
• 1個当たりの風量と吹出風速
• 取付高さ、室の奥行き、家具や梁の位置
• 暖房時の到達距離、拡散、下向き設定
• 騒音条件と風量制御範囲

「室温より何℃高くするか」という一つの目安だけでは決められません。候補の吹出口について、取付高さと1個当たりの風量を入れ、温風が窓際や床付近まで届くかを確認します。

窓際のコールドドラフトはペリメータ計画で抑える

大きな窓のそばで足元だけ寒いときは、室温設定より窓面の影響を疑います。窓で冷やされた空気は重くなり、ガラスに沿って床へ流れ落ちます。これがコールドドラフトです。

設備だけで解決しようとせず、まず窓の断熱性能を意匠担当者と確認します。そのうえで、窓側へ温風を届ける、窓下にコンベクタを置く、床暖房で補う、といった方法を検討します。ブラインドボックスやカウンター、家具が気流を遮らないかも、平面図と断面図で確認します。

加湿器は給水・排水・制御・清掃まで含めて選ぶ

加湿器は、18.3kg/hを処理できる機種を選んだだけでは使える計画になりません。給水できても排水できない、センサーが水滴を拾って停止する、加湿材を交換するスペースがない、といった問題は、図面をまとめる前に防ぐ必要があります。

機器表と系統図を照らし合わせながら、次を確認します。

運転開始後は、加湿材やノズルだけでなく、水・蒸気の経路、エリミネータ、排水受け、補給水槽も汚れます。厚生労働省の建築物環境衛生維持管理要領も、これらの点検と清掃を示しています。誰がどの頻度で作業するかは、施設の用途・規模、設備方式、所管、管理計画に合わせて決めます。

相対湿度40～70%は適用対象を確認して使う

「冬の室内湿度は40%以上にすればよい」と、そのまま設計条件へ書くのは早計です。厚生労働省の建築物環境衛生管理基準は、対象となる空気調和設備について相対湿度40～70%を示していますが、すべての住宅や建物に一律適用される値ではありません。

まず、その建物が特定建築物に該当するか、用途と規模、設備方式が対象になるかを確認します。そのうえで、発注者が求める室内条件、在室時間、冬の外気、管理者が実際に運転できる範囲を踏まえて目標湿度を決めます。

加湿能力に余裕があっても、窓や外壁の表面温度が低ければ結露します。湿度の目標と防露計算は、別々に決めず一緒に確認します。

建築設備士試験対策｜混合点・加湿量・加熱能力を順に解く

建築設備士試験では、暖房時の空気の変化を知っているだけでなく、吹出温度や加湿量を計算し、加湿器の制御・維持管理まで説明できるかが問われます。

平成29年第一次試験No.5｜吹出温度と水加湿量を求める

実際の問題では、暖房運転中の空気線図と、送風量5,000m³/h、室内顕熱負荷20kW、空気の比熱1.0kJ/(kg・K)、密度1.2kg/m³が与えられ、吹出し空気温度と水加湿量の組合せを選びます。空気線図からは、室温22℃、加湿前の絶対湿度0.0040kg/kg(DA)、加湿後0.0066kg/kg(DA)を読み取ります。

まず、20kWを5,000m³/hの空気で運ぶときの温度差を求めます。

Δt = 20 × 3,600 / (5,000 × 1.2 × 1.0) = 12K

室温22℃に12Kを加えるため、吹出し空気温度は 34℃ です。次に、1時間に流れる乾き空気量5,000 × 1.2 = 6,000kg/hへ、絶対湿度差0.0066-0.0040 = 0.0026kg/kg(DA)を掛けます。

G = 6,000 × 0.0026 = 15.6kg/h ≒ 16kg/h

したがって答えは、吹出し空気温度34℃、水加湿量16kg/h の組合せです。温度差には顕熱収支、加湿量には絶対湿度差を使うと分ければ、同じ空気線図から二つの答えを出せます。

平成30年第二次試験・選択問題A第2問(2)｜加熱能力と有効加湿量を求める

この問題では、203m²・50人の待合ロビーを単一ダクト方式で暖房します。外気は1.9℃・比エンタルピー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、全熱交換器の効率は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。求めるのは、加熱コイル入口の比エンタルピー、加熱能力、有効加湿量です。

外気量は30 × 50 = 1,500m³/hなので、送風量に占める外気の割合は25%です。全熱交換器を出た外気の比エンタルピーは、次のように求めます。

h_OA' = 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、加熱コイル入口の比エンタルピーは 35.6kJ/kg(DA) です。

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

乾き空気質量流量は6,000 × 1.2 / 3,600 = 2.0kg/sなので、加熱能力は 19.0kW になります。

Q_HC = 2.0 × (45.1-35.59) = 19.02kW

室内の構造体負荷は203 × 60 = 12.18kWです。この負荷と送風量から吹出温度を約28.1℃と求め、比エンタルピー45.1kJ/kg(DA)との組合せから、加湿後の絶対湿度を約0.0066kg/kg(DA)と読みます。したがって有効加湿量は 3.6kg/h です。

G = 6,000 × 1.2 × (0.0066-0.0061) = 3.6kg/h

この問題では、全熱交換後の外気を求めてから還気と混ぜることが重要です。外気と還気を先に混ぜたり、外気量1,500m³/hを送風量と取り違えたりすると、三つの答えがすべてずれます。

令和7年第二次試験・必須問題第2問｜気化式加湿器を説明する

実際の問題は、貸事務室用空調機の気化式加湿器について、気化の原理を一つ、計画上の留意事項を二つ、具体的に記述するものです。公式の解答例は公表されていませんが、公式採点ポイントには「原理、制御特性、維持管理」が明記されています。

原理は、加湿材へ供給した水が通過空気から気化熱を受け取って蒸発し、空気の絶対湿度が上がる一方、乾球温度が下がると書けます。湿り空気線図では、理想的には比エンタルピーがほぼ一定のまま左上へ進む変化です。

留意事項の一つ目は制御です。入口温湿度と風量で加湿能力が変わるため、給水弁を湿度センサーで制御し、送風機停止時は給水を止めます。二つ目は維持管理です。排水と停止後の乾燥を確保し、加湿材、給水部、ドレンパンを清掃・交換できる点検スペースを設けます。

解答には、「衛生に配慮する」のような抽象語だけを書かず、何を制御し、どこを清掃し、どの運転状態で水を止めるかまで示すと、採点ポイントへ具体的に対応できます。

暖房空調サイクルの計算で間違えやすい五つの点

送風量式で3,600の換算を落とす

kWは1秒当たり、m³/hは1時間当たりの量です。風量式へ代入する前に、3,600が必要な単位の組合せか確認します。

相対湿度だけを見て加湿量を決める

相対湿度は、水分量が同じでも温度が上がると下がります。「40%にしたい」という数字だけでは加湿量を出せません。加湿前後の絶対湿度差と乾き空気質量流量を使います。

必要加湿量をそのまま給水量にする

計算で求めたのは、空気へ加える水分量です。機器の給水量は、蒸発しない水や排水も含むことがあります。能力補正、安全率、排水、濃縮水管理をメーカー仕様で確認します。

気化式でも給気温度までしか加熱しない

気化式では、35℃の空気を加湿すると35℃より低くなります。目標給気点から湿り空気線図を逆にたどり、加熱コイル出口の温度を決めます。

給気温度だけで吹出口を選ぶ

同じ35℃の給気でも、吹出口の形式、風量、風速、取付高さ、室の奥行きで届く位置が変わります。メーカーの暖房時選定資料に実際の条件を入れて確認します。

まとめ｜暖房空調サイクルは熱と水分を分けてつなげる

暖房空調サイクルの計算は、部屋に必要な熱量から風量を決めるところから始まります。外気と還気を混ぜた状態が分かれば、加えるべき水分量と熱量を順に求められます。

今回の例では、30kWの暖房負荷に対して必要風量は約6,920m³/h、必要加湿量は約18.3kg/hでした。蒸気式では加熱コイルが約44.5kW、気化式では加湿時の温度低下を見込んで約57.5kWとなります。同じ加湿量でも、方式が違えば加熱条件も変わることがポイントです。

計算が終わったら、温風が足元まで届くか、窓際で冷気が降りないか、加湿器へ給排水できるか、清掃や部品交換ができるかを図面上で確かめます。数値を出して終わりにせず、空調機・加湿器・吹出口のメーカー選定へ渡して、実際に運転できる計画へ仕上げてください。

関連記事

• 加湿と除湿のしくみ｜蒸気式・気化式と冷却除湿を空気線図で読む
• 冷房時の空調サイクル設計｜外気混合・冷却除湿・送風量の計算手順
• 湿り空気線図の読み方入門｜状態点・空調プロセス・実務での使い方を詳しく解説
• 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

参考・出典

• EnergyPlus Engineering Reference: Air System Humidifiers（U.S. Department of Energy）
• LCEMツール活用事例 別添3（国土交通省）
• 建築物環境衛生管理基準について（厚生労働省）
• 建築物環境衛生維持管理要領（厚生労働省）
• 空気線図とは｜見方と使い方（ウエットマスター）
• 加湿効率・有効加湿量とは（ウエットマスター）
• 平成29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）
• 令和7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）
• 令和7年建築設備士試験 第二次試験の合格基準等（建築技術教育普及センター）

[PR]