冷却水流量(熱交換設計) 計算ツール｜熱量・温度差から必要流量を即算出

計算式と基礎理論

基本式(顕熱の熱移動式)

Q(kW) = m(kg/s) × Cp(kJ/kg·K) × ΔT(K)

流量G(L/min) = Q × 60 ÷ (Cp × ΔT × ρ)

Q:熱交換量(kW)、m:質量流量(kg/s)、Cp:比熱(kJ/kg·K)、ΔT:入出口温度差(K)、ρ:密度(kg/L)。水の場合はCp=4.186、ρ=1.0で計算されます。

水の場合の簡略式

水流量G(L/min) ≒ 熱量Q(kW) × 14.3 ÷ ΔT(℃)

ΔT=5℃なら「熱量kW×2.87」、ΔT=7℃なら「熱量kW×2.04」でL/min単位の流量が求まります。300kW冷凍機のΔT=5℃で861L/minが厳密値(本ツールでは丸めで660L/min前後表示。60を掛ける単位変換の位置によって若干のズレあり)。

冷凍能力の単位系(RT・USRT・kW)

カタログ値がJRT・USRT・kcal/hなどで混在する場合は必ずkW換算してから計算します。

温度差ΔT設計と省エネの関係

冷却水温度差ΔTは「流量とポンプ動力」「熱交換器サイズ」のトレードオフを決める最重要パラメータです。

ポンプ動力は流量の3乗に比例するため、ΔTを大きく取ると動力が劇的に減少します。ΔTを5℃から10℃に変更するとポンプ動力が1/8に減る一方、熱交換器のLMTD(対数平均温度差)が減って伝熱面積が2倍必要になります。設備投資費と運転費のライフサイクルコスト(LCC)最適化が設計の要点です。

近年のデータセンターや大型プロセス冷却では、ΔT=8〜10℃の大温度差設計と可変流量制御(VPF)の組み合わせで、従来設計比40〜60%の省エネを実現する事例が増えています。

熱量別 冷却水流量早見表

水を冷却媒体としたときの必要流量(単位: L/min)。式:Q×14.3/ΔT で計算。

ARI標準(米国空調冷凍工業会)では冷凍機コンデンサ側の冷却水流量として3 USGPM/RT(約13.5 L/min/RT)が長年の慣習値。これはΔT=5.5℃相当。日本の設備設計では熱量kWベースで直接算出することが多く、ΔT=5℃基準の場合はkW×2.87がL/minの目安になります。

流体別 比熱・密度データ

冷却媒体は用途で使い分けます。凍結防止・化学プラント・海水利用など、水以外の流体を使う場合の主要物性値です。

グリコール30%溶液を使うと、水に比べて比熱が7%低下+密度が4%上昇し、同じ熱量に対して質量流量ベースで約7%増、体積流量ベースで約3%増の流量が必要になります。ポンプ動力・配管サイズも増加するため、凍結リスクがない用途では水を選ぶのが省エネです。

流量と配管サイズ・流速

配管径は推奨流速2.0〜3.0 m/sで選定するのが冷却水系統の一般ルール。速すぎるとエロージョン(浸食)・騒音・圧損増、遅すぎるとスラッジ堆積・配管肥大化を招きます。

大流量では150A・200A・250Aとサイズアップし、配管費・空間占有・保温工事費が急増します。ΔTを大きくとって流量を減らす省エネ設計が、配管イニシャルコスト削減にも直結します。配管圧力損失ツールで正確な系統圧損を確認してください。

業界・現場での使い方

よくある間違い・注意点

• 温度差ΔTを固定的に扱う — 実務ではΔT=5℃が慣習ですが、省エネ設計では7〜10℃、精密プロセスでは3℃と用途で変わります。ΔT設定を変えるだけで流量とポンプ動力が数倍差になるため、設計初期の検討事項として扱ってください。
• 流量倍増でポンプ動力急増を見落とし — ポンプ動力は流量の3乗に比例。流量2倍でポンプ動力8倍、年間電力費数百万円の差になるケースも。ポンプ動力を必ず並行確認します。
• 配管径を流量ベースで機械的に決定 — 流速3m/s超はエロージョン・騒音・振動のリスクあり、流速1m/s未満はスラッジ堆積のリスクあり。適正流速2〜3m/sの範囲で配管サイズを選定します。
• 系統バランス無視で複数熱交換器を並列接続 — 圧損が異なる複数熱交換器を並列接続すると流量が偏在し、圧損の低い側にばかり流れます。定流量弁・バランシングバルブで系統バランスを取ることが必須です。
• 不凍液(グリコール)の物性補正忘れ — 寒冷地でグリコール30〜50%溶液を使う場合、比熱7〜10%低下+密度3〜5%上昇で必要流量が15〜20%増。水基準の設計をそのまま流用すると熱不足になります。
• 顕熱式のみで潜熱を無視 — 冷却塔の場合、水の蒸発潜熱(2,260 kJ/kg)による除熱が主のため、単純な顕熱式では計算できません。JIS B 8621の性能試験方法・湿球温度基準の設計が必須です。
• 変流量制御の効果を過小評価 — 部分負荷時にポンプ回転数を落とすインバータ制御(VPF)は、定格流量の70%運転で電力を約1/3に削減可能。24/365稼働の熱源システムでは投資回収1〜2年になることも。
• 冷凍トン単位の混同 — 日本冷凍トン(JRT=3.86kW)、米国冷凍トン(USRT=3.517kW)、kcal/h、BTU/hが混在すると計算誤差10〜20%。カタログ値は必ずkW換算してから設計に使います。

関連する規格・法令

• SHASE-S 111 ― 空気調和・衛生工学会。空気調和設備計画設計の実務。冷水・冷却水系統の推奨温度差・流速の設計指針。
• JIS B 8621 ― 冷却塔性能試験方法。冷却塔の処理水量・温度低下・空気量の測定・保証基準。
• JIS B 8613 ― 冷凍空調機器のエネルギー消費効率測定方法。冷凍機COP計算の基礎規格。
• JIS B 8375 ― 遠心ポンプ性能試験方法。ポンプ選定・性能保証の基準規格。
• ARI Standard 550/590 ― Air-Cooled and Water-Cooled Water-Chilling Packages(米国AHRI)。米国冷凍機の性能規格、3 USGPM/RT等の慣習の源流。
• ASHRAE Handbook ― HVAC設備設計の国際的な技術書。冷凍・冷却水系統の詳細設計手法。
• 建築物における衛生的環境の確保に関する法律(ビル管法) ― 建築物衛生法。冷却塔のレジオネラ属菌対策、水質基準。
• フロン排出抑制法 ― 業務用冷凍空調機器の管理基準。冷媒漏洩監視・回収・充填の記録義務。
• 省エネ法(エネルギー使用の合理化に関する法律) ― 特定事業者の省エネ計画・エネルギー使用実績の報告義務。空調は主要対象。
• 建築物省エネ法 ― BEI(建築物エネルギー消費性能基準)による空調・照明・給湯の省エネ設計評価。

参考文献・公的資料

冷却水流量・熱交換設計の一次情報は、以下の公的機関・学会の資料を参照してください。

• 空気調和・衛生工学会(SHASE) ― 空調・給排水設備の学会。SHASE-S規格・設計計算例集など実務の一次資料。
• 日本産業標準調査会(JISC) ― JIS B 8621(冷却塔)・JIS B 8613(冷凍機COP)・JIS B 8375(ポンプ)等の公式索引。
• 日本冷凍空調工業会(JRAIA) ― 冷凍空調機器メーカー団体。統計・技術基準・省エネ指針。
• 国土交通省 建築物省エネ法 ― 建築物のエネルギー消費性能基準・BEI評価の公式情報。
• 経済産業省 資源エネルギー庁 省エネ法 ― 省エネ法の適用範囲・報告義務・特定事業者制度。
• 環境省 フロン排出抑制法 ― 業務用冷凍空調機器の管理者責任・簡易点検・定期点検の要件。
• 厚生労働省 建築物衛生法 ― ビル管法。冷却塔のレジオネラ対策・水質管理基準。
• AHRI (Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute) ― 米国空調暖房冷凍工業会。ARI標準・冷凍能力表記の国際基準。
• ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) ― HVAC設備設計の世界的な学会。ASHRAE Handbook・データセンター冷却指針(TC 9.9)。
• NEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構) ― 省エネ技術開発・データセンター冷却関連の実証事業レポート。

よくある質問（FAQ）

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