還気外気混合温度 計算ツール｜AHU混合ボックス・外気負荷・全熱交換器・省エネ診断

計算式と単位系

基本式(単純混合)

t_mix = t_r × (1 − r) + t_o × r

還気温 t_r と外気温 t_o を外気導入率 r (0〜1) の割合で線形加重平均したのが混合空気温度です。顕熱のみの単純式で、湿度を考慮しない場合や、比熱・密度の温度依存性を無視できる範囲で使用します。実際の設計では湿り空気線図(H-x線図)で顕熱・潜熱を含めた分析を行います。

全熱交換器(顕熱・潜熱回収)ありの場合

t_o' = t_o − η × (t_o − t_r)

t_mix' = t_r × (1 − r) + t_o' × r

全熱交換器(HEX; Heat Exchanger)は排気(EA)と外気(OA)を接触させ、温度・湿度を回収する装置。温度効率(顕熱効率)η = 60〜80% が典型的で、外気を実質的に還気温側へ寄せます。冷房時は外気温を下げ、暖房時は外気温を上げる方向に働き、コイル負荷を大幅削減できます。

コイル負荷(顕熱)

Q(kW) = 0.34 × Vs × Δt (概算式、標準空気)

Vs(m³/h)は総送風量、Δt(℃)は混合温度と給気目標温度の差。空気の比熱と密度の積 ρ×Cp ≒ 1.2 kJ/(m³·K)、1時間=3600秒で「Vs × Δt / 3600 × 1.2 ≒ Vs × Δt × 0.000333」→ kW換算で×1000する結果、簡便式 Q ≒ 0.34 × Vs × Δt が使われます。より正確には湿り空気線図でエンタルピー差から算定します。

還気・外気・給気の関係

AHU(Air Handling Unit)は混合ボックス→フィルタ→冷温水コイル→加湿器→送風機の構成が標準。混合ボックスで外気と還気を機械的に混ぜて熱負荷を平準化し、コイルでの調整量を最小化します。

用途別 外気導入率(建築物衛生法・SHASE-S基準)

建築物衛生法(ビル管法)は延床3,000㎡以上の特定建築物に適用され、室内CO₂濃度1,000ppm以下を維持することを義務化しています。用途別の必要換気量は空気調和・衛生工学会規格(SHASE-S 102)で規定されています。

外気導入率が高いほどCO₂・臭気対策には有利ですが、外気負荷(冷暖房負荷)が増加します。全熱交換器の導入で両立を図るのが省エネ設計の定石です。

混合温度早見(還気26℃基準)

還気温を保つ(冷暖房で維持している室内温度)前提で、外気温と外気率の組み合わせから混合温度が求まります。冷房負荷は「混合温度 − 給気目標温度」に比例します。

全熱交換器の効果と選定

全熱交換器(Total Heat Exchanger)は顕熱(温度)と潜熱(湿度)の両方を回収する熱交換装置。回転式(ハニカムロータ)と静止式(セラミック/PET)の2形式が主流です。

効率と省エネ効果

• 温度効率(顕熱効率)η_T — 60〜80%が実務値。80%以上は高効率機。
• 湿度効率(潜熱効率)η_H — 55〜75%が典型的。回転式が高効率。
• 外気負荷削減 — 60〜70%削減が典型的、初期投資回収3〜5年
• ZEB(ネットゼロエネルギービル)基準 — 全熱交換器・高性能冷凍機・LED照明・BEMS等の組み合わせで達成

選定のポイント

1. 設計外気風量に対する定格風量(80〜100%が経済的)
2. 圧力損失(給排気ファン動力に直結、通常100〜200Pa)
3. フィルタ+防塵性能・洗浄性
4. 結露・霜対策(寒冷地はプレヒータ併設)
5. スペース制約(天井内・機械室・屋上のいずれか)

近年はデシカント全熱交換器(除湿・調湿機能付)や、外気冷房制御と組み合わせた中間期節電機能を持つ機種も増加。BEMSと連動して自動制御する事例が主流です。

CO₂濃度と必要換気量

室内CO₂濃度は在室者の呼気で上昇し、集中力低下・眠気の要因となります。建築物衛生法で1,000ppm以下、健康な生活環境として850ppm以下が推奨されます。

必要換気量の算定式

Q_v (m³/h) = M × 1,000,000 / (C_i − C_o)

Mは在室者のCO₂排出量(kg/h・人、成人事務作業で約0.020 kg/h)、C_iは目標室内CO₂濃度(ppm)、C_oは外気CO₂濃度(現在420ppm前後)。事務所で1人あたり約30 m³/h の換気量が目安になる根拠。

外気導入率とCO₂管理

CO₂濃度センサ・在室者検知センサと連動したDCV(需要制御換気)で、必要時にのみ外気を増やすのが省エネ・空気質両立の最新設計です。

業界での応用

よくある間違い・注意点

• 外気導入率ゼロで運転 — 省エネのため外気を絞りすぎるとCO₂濃度が上昇し、建築物衛生法違反(1,000ppm超)になります。特定建築物は法定義務、定期報告あり。
• 外気導入率100%を漫然と維持 — 過剰外気は冷暖房負荷増。中間期(春秋)は外気冷房として活用しても、厳寒期・酷暑期は削減が省エネの定石。全熱交換器で両立を。
• 顕熱のみで判断 — 実際の空調負荷は顕熱+潜熱の合計(全熱)。特に夏季高湿環境や冬季低湿環境では潜熱負荷が支配的になります。湿り空気線図での分析必須。
• ダクトサイズ小で圧損増 — 外気ダクトを細く設計すると圧損増でファン動力が増大。省エネ設計は風速4〜8 m/sが標準。
• 全熱交換器の効率を過信 — カタログ値は最適条件下。汚れ・目詰まりで実効率は数年で20〜30%低下することも。定期洗浄・フィルタ交換の運用計画が重要。
• 喫煙室・厨房と一般空調の混合 — 臭気・煙対策として喫煙室・厨房・トイレ排気は空調系統から独立させ、100%排気が原則。混合すると全館に臭気拡散のリスク。

関連する規格・法令

• 建築物における衛生的環境の確保に関する法律(建築物衛生法・ビル管法) ― 延床3,000㎡以上の特定建築物に適用、CO₂濃度1,000ppm以下等。
• 建築基準法(28条、シックハウス対策) ― 換気設備の義務化(0.5回/h以上の常時換気)。
• 建築物のエネルギー消費性能の向上に関する法律(建築物省エネ法) ― BEIによる一次エネルギー消費量規制。
• SHASE-S 102 換気設備の設計・維持管理 ― 空気調和・衛生工学会規格。用途別の換気量・気流基準。
• SHASE-S 010 空調・換気設備の設計基準 ― 病院・手術室・クリーンルームの気流・圧力管理。
• JIS B 8628 熱交換器 ― 全熱交換器の性能試験方法・効率表示規格。
• JIS B 8613 気流分布性能表示 ― 吹出口・吸込口の性能規定。
• ZEB(Net Zero Energy Building)基準 ― 資源エネルギー庁・国交省が定める省エネ超高性能ビル認定基準。
• 労働安全衛生法(事務所衛生基準規則) ― 事業場での室内CO₂・温度・湿度管理義務。
• ASHRAE Standard 62.1 ― 米国の換気基準。国際的なベンチマーク。

参考文献・公的資料

• 厚生労働省 建築物衛生管理(ビル管法) ― 特定建築物の環境衛生基準・立入検査に関する公式情報。
• 国土交通省 建築物省エネ法 ― BEI・省エネ基準・建築確認時の適合性判定。
• 空気調和・衛生工学会(SHASE) ― SHASE-S規格の発行元。空調・換気設備の設計・維持管理の学術団体。
• 資源エネルギー庁 省エネルギー ― 省エネ法・BEMS補助金・ZEB認証制度。
• 全国ビルメンテナンス協会 ― ビル管理・清掃・空調運用の業界団体。
• 厚生労働省 職場の労働衛生管理 ― 事務所衛生基準規則・CO₂濃度・温湿度管理。
• 文部科学省 学校環境衛生管理 ― 学校保健安全法。学校の換気・照度・温湿度基準。
• 建築技術教育普及センター ― 建築設備士・建築士等の資格情報。
• ASHRAE(米国暖房冷凍空調学会) ― ASHRAE 62.1(換気基準)等の国際規格。
• 日本機械学会 ― 空調・冷凍・熱工学分野の学術情報。

よくある質問（FAQ）

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