Transcript 2_4 自然換気の仕組みと基礎

［Last Update 2015/04/30］
建築環境工学・建築設備工学入門
＜空気調和設備編＞
<換気設備>
自然換気の仕組みと基礎
自然換気
風力換気
外部風を利用する
温度差（重力）換気
事務所
事務所
ホール
アトリウム
空気の浮力を利用する
2
3
自然換気（温度差＋風力換気）
中間期の自然換気を促進
ハイサイド窓開け
春秋分：
００
緑化外構で効果的な涼房が可能
南面窓開け
９：
温度差による空気の流れ
 空気は温度が高いほど密度が小さく軽い
 内外および上下温度差による空気の密度
差から換気の駆動力が生まれる
暖房時
T室外 T室内
流出
P室外２
流出
P室内２
圧力高い
上昇流
T室外
室内空気
(暖かく軽い)
外気
T室内
(冷たく重い)
流入
流入
P室外１
P室内１ 圧力低い
P：圧力 [Pa], T：空気温度[℃]
4
自然換気（温度差換気の状況）
movie
ハイサイド窓閉じ
ハイサイド窓開け
空気が室内で滞留する
温度差換気で通風促進される
movie
5
6
ベルヌーイの定理
断面2
断面１，２間で損失がないとした場合、エネルギー
保存則から、以下の等式が成り立つ。
運動エネル
ギー
位置エネルギー
1
1
2
2
P1  v1  P2  v2  gh
2
2
v2
v1
h
断面1
P1 , P2 [ Pa] : 断面1, 2の圧力, v1 , v2 [ Pa] : 断面1, 2の速度,
 [ kg / m 3 ] : 密度, g [ m / s 2 ] : 重力加速度 , h [ m] : 高さ
断面１，２でｖ=0、h=0、抵抗によるエネルギー損失
が運動エネルギーに比例し、比例定数をζとする
と。
1 2
P1  P2   v
2
断面1
断面2
7
通風換気量と流量係数
1 2
P1  P2   v
2
1 2
P1  P2   v
2
1 2
P   v
2
v
1
2


速度に断面積Aを乗じると換気量となる
V  vA  A
名 称
v 

[ m 3 / s]
流量係数α
小さくなる
通常の窓
0.65～0.7
空気
p
p

p
形 状
大きさは
変わらない
ベルマウ
ス
0.97～099
空気
1/√ζは流量係数α（開口部形状により決まる）
2
2
β
鎧 戸
空気
β
90°
70°
50°
30°
0.70
0.58
0.42
0.23
圧力について
圧 力 ： 単位面積あたりの力の大きさ
単位：
国際単位系（ＳＩ単位）
[Pa]
1[Pa] は1[m2]あたり１[N（ニュートン）]の力が
かかった圧力。よって Pa は N/m2 と表記できる。
力とは質量と加速度の積、1[N]は1[kg]の物体
に1[m/s2]の加速度を与える力である。
重力加速度が 9.8[m/s2]であれば
1[N]=m[kg]×9.8
このとき
m=0.102[kg]
すなわち、1[N]は0.102[kg]の重さ相当で、1[Pa]
は1[m2]に0.102[kg]の重さがかかった圧力といえる。
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9
総合実効面積（並列）
V   1 A1
2

Po  Pi    2 A2
V   1 A1   2 A2   3 A3 
2

2

Po  Pi    3 A3
2

Po  Pi 
Po  Pi 
ここに、各実効面積の和を総合実効面積：αＡ[m2]と呼ぶ
風量はどこでも等しい。全て=V とおく
V1 i 1   1 A1
Vi 1 i 2   2 A2
Vi 2 2   3 A3
2

P1  Pi1 
2

2
V
2
P1  Pi1 

2
 1 A1  
Pi1  Pi 2 
V2
2
Pi1  Pi 2 

2
 2 A2  
Pi 2  P2 
V2
2
Pi 2  P2 

2
 3 A3  
2

αとAの積＝実効面積
1 A1
Po  2 A2
Pi
 3 A3
1 A1
Po
Pi1
 3 A3
 2 A2
Pi 2
P2
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総合実効面積（直列）
V2
2
P1  Pi1 

2
 1 A1  
V2
2
Pi1  Pi 2 

2
 2 A2  
V2
2
Pi 2  P2 

2
 3 A3  
右辺・左辺を全て加算
V2
V2
V2
2
P1  P2 



2
2
2
 1 A1   2 A2   3 A3  
V 
1
 1 A1 2
1
1
1


 2 A2 2  3 A3 2
2

P1  P2 
ここに、各実効面積の和を総合実効面積：αＡ[m2]と呼ぶ
1 A1
Po
Pi1
 3 A3
 2 A2
Pi 2
P2
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温度差による換気量
2 g  T室内  T室外   h
Q  A
T室内  273
[m3/h]
総合実効面積：αＡ[m2]
は直列結合で求める
P：圧力 [Pa], T：空気温度[℃] , Q：換気量[m3/h] , g：重力加速度[m/s2]
上部の内外圧力差
P上部  P室内２  P室外２
P室外２
Q  A
2 2
P室内２ 圧力高い
上昇流
上下圧力差
中性帯
P 0
T室外
P室外１
下部の内外圧力差
開口部
P  P 下部  P上部
P下部  P室内１  P室外１
Q
高さｈ
[m]
 1 A1
T室内
P室内１
圧力低い
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温度差による換気量
2 g  T室内  T室外   h
Q  A
T室内  273
[m3/h]
総合実効面積：αＡ[m2]
は直列結合で求める
P：圧力 [Pa], T：空気温度[℃] , Q：換気量[m3/h] , g：重力加速度[m/s2]
A小
開口
小
Qh 2
Qh1
中性帯
高低差
Qh1
開口
A大
小
圧力差
高低差
圧力差
大
大
小
ｈ1
Qh 2
大
中性帯が上部へ移動
（下部で大きな空気流入）
Qh1 < Qh2
ｈ2
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通風換気による空気の流れ
A
B
C
D
E
F
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外部風による空気の流れ
建物周辺の気流分布（断面方向）
最も圧力が高くなる
＋
－
通風経路
風向
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通風による換気量
風圧係数は風圧力と動圧の比例定数
Q  A  v  C1  C 2
1 2
Pw  C v
2
[m3/h]
Q：換気量[m3/h], C：風圧係数, v：風速[m/s]
Pw：風圧力[Pa], ρ：空気の密度[kg/m3]
風圧係数の例
負圧
v [m/s]
負圧
Q
正圧
風向
C1
圧力差⊿p
Q
 1 A1
 2 A2
C2
総合実効面積：αＡ[m2]は直列結合で求める
発 行
公益社団法人 空気調和・衛生工学会
（SHASE: The Society of Heating, Air Conditioning and Sanitary Engineers of Japan）