可変空気量

空気量調整器

可変風量（VAV）は、暖房、換気、空調（HVAC）システムの一種です。一定温度で一定の風量を供給する定風量（CAV）システムとは異なり、VAVシステムは一定または変化する温度で風量を変化させます。[ 1 ] [ 2 ]定風量システムと比較したVAVシステムの利点としては、より正確な温度制御、コンプレッサーの摩耗低減、システムファンによるエネルギー消費量の低減、ファン騒音の低減、そしてパッシブ除湿機能の向上などが挙げられます。[ 3 ]

ボックステクノロジー

VAVボックスの最もシンプルな形態は、単一ダクトターミナル構成であり、これは、空調ユニット（AHU）からボックスがサービスを提供している空間に処理された空気を送る単一の給気ダクトに接続される。 [ 2 ]この構成では、空間に必要な暖房および冷房負荷と換気率を満たすために、可変温度または空気量の空気を送ることができる。[ 2 ]

最も一般的な VAV ボックスは圧力に依存せず、つまり VAV 入口で発生するシステム圧力の変動に関係なく、VAV ボックスは一定の流量を供給するための制御を使用します。[ 2 ]これは、VAV 入口に配置された気流センサーによって実現され、VAV ボックス内のダンパーを開閉して気流を調整します。[ 2 ] CAV と VAV ボックスの違いは、VAV ボックスは空間の状況に応じて異なる流量設定値間を調整するようにプログラムできることです。VAV ボックスは、最小気流設定値と最大気流設定値の間で動作するようにプログラムされており、占有状況、温度、またはその他の制御パラメータに応じて空気の流れを調整できます。[ 4 ] CAV ボックスは、一定値、最大値、または「オフ」状態の間でのみ動作できます。[ 5 ]この違いは、VAV ボックスの方がはるかに少ないエネルギーでより厳密な空間温度制御を提供できることを意味します。 VAVボックスがより多くのエネルギーを節約できるもう一つの理由は、ファンの可変速ドライブと連動しているため、VAVボックスが部分負荷状態にあるときにファンの回転速度を落とすことができることです。[ 6 ] [ 7 ]

VAV ボックスには、電気式または温水暖房コイルのいずれかの再加熱形式が含まれることが一般的です。[ 4 ]電気コイルは電気抵抗加熱の原理で動作し、電気エネルギーが電気抵抗によって熱に変換されますが、温水暖房ではお湯を使ってコイルから空気へ熱を移動します。再加熱コイルを追加することで、ボックスは必要な換気率を実現しながら、空間内の暖房負荷に合わせて給気温度を調整できます。[ 2 ]用途によっては、空間が非常に高い換気率を必要とする場合があり、過冷却の危険があります。[ 5 ]この場合、再加熱コイルは空間内の設定温度を維持するために空気温度を上昇させる可能性があります。[ 2 ]このような状況は、周辺ゾーンと内部ゾーンがある建物の冷房シーズンによく発生します。日当たりの良い周辺ゾーンでは、空調ユニットからの給気温度が内部ゾーンよりも低くて済みます。内部ゾーンは日当たりが少なく、空調設備を設置していない場合、周辺ゾーンよりも温度が低くなる傾向があります。両ゾーンに同じ供給空気温度が供給されるため、再加熱コイルは内部ゾーンの空気を加熱し、過冷却を防ぐ必要があります。[ 8 ]

複数ゾーンシステム

送風機の流量は可変です。複数の温度ゾーンに空調を供給する単一のVAVエアハンドラーの場合、各ゾーンへの流量も変化させる必要があります。

シンプルVAV端末ユニット

VAV端末ユニット[ 9 ]は、しばしばVAVボックスとも呼ばれ、ゾーンレベルの流量制御装置です。基本的には、自動アクチュエータを備えた校正済みの空気ダンパーです。VAV端末ユニットは、ローカルまたは中央制御システムに接続されます。歴史的には空気圧制御が一般的でしたが、特に中規模から大規模のアプリケーションでは、電子式直接デジタル制御システムが人気です。空気圧アクチュエータとデジタルデータ収集を組み合わせたハイブリッド制御も人気があります。[ 10 ]

一般的な商用アプリケーションを図に示します。このVAVシステムは、VAVボックス、ダクト、および4つのエアターミナルで構成されています。

圧力非依存システムのファン制御

VAVシステムでは、システムのファン容量の制御が非常に重要です。適切かつ迅速な流量制御がなければ、システムのダクトやそのシーリングが過圧によって簡単に損傷する可能性があります。冷房運転モードでは、空間の温度が満たされると、VAVボックスが閉じて空間への冷気の流入を制限します。空間の温度が上昇すると、ボックスが開いて温度を下げます。ファンは、VAVボックスの位置に関係なく、排気ダクト内の静圧を一定に保ちます。したがって、ボックスが閉じると、ファンの回転速度が遅くなるか、給気ダクトに入る空気の量が制限されます。ボックスが開くと、ファンの回転速度が速くなり、ダクトへの空気の流入量が増加し、静圧が一定に保たれます。[ 11 ]

VAVシステムの課題の一つは、建物のガラス張りの外周にあるオフィスと廊下の奥にある屋内オフィスなど、環境条件の異なる複数のゾーンに適切な温度制御を提供することです。デュアルダクトシステムは、一方のダクトに冷気を、もう一方のダクトに温気を供給することで、あらゆるゾーンに適切な温度の混合空気を供給します。しかし、追加のダクトは煩雑で費用もかかります。電気または温水暖房を用いて単一のダクトからの空気を再加熱する方が、多くの場合、より費用対効果の高い解決策となります。[ 12 ]

再加熱アプリケーション - 制御とエネルギーの問題

従来のVAV再熱システムでは、設計風量の30%～50%の最小風量が使用されます。これらの最小風量は、換気不足や温熱快適性の問題を回避するために選択されます。しかし、このアプローチの有効性を裏付ける研究成果は乏しいです。より低い最小風量範囲（設計風量の10%～20%）で運転するシステムは、従来のシステムと比較してファンと再熱コイルのエネルギー消費量が少なく、最近の研究では、これらの低い最小風量でも温熱快適性と十分な換気が達成できることが示されています。[ 13 ]

より高い最小風量を使用するVAV再加熱システムでは、通常、従来の「単一最大」制御シーケンスが採用されています。この制御シーケンスでは、設計冷房条件において、単一の最大冷房風量設定点が選択されます。冷房風量は徐々に最小風量設定点まで低下し、空間温度が冷房温度設定点を超えて低下しても、その設定値を維持します。暖房設定点に達すると、電気式または水暖房コイルが作動し、徐々に熱を供給して、設計暖房温度で最大暖房能力に達します。[ 14 ]

研究によると、従来の「シングルマキシマム」制御シーケンスと比較して、異なる「デュアルマキシマム」制御シーケンスを使用することで、大幅なエネルギー節約が可能であることが示されています。これは、「デュアルマキシマム」シーケンスでは、より低い最小風量を使用するためです。[ 14 ]この制御シーケンスでは、同じ冷却最大風量が選択され、空間温度の低下に応じて同様に低下します。空間温度が冷却温度設定値まで低下すると、風量は「シングルマキシマム」シーケンスで使用される値よりも低い最小値（最大冷却風量の10%～20% vs. 30%～50%）に達します。空間温度が加熱温度設定値に達すると、加熱コイルが作動し、風量は最小設定値に維持されたまま、電気コイルの場合は加熱コイルの電力、水冷コイルの場合は温水バルブの位置が増加します。加熱コイルが最大加熱能力に達した後、さらに室内温度が低下すると、空気流量が増加し、最大暖房空気流量設定値（通常は最大冷房空気流量の約50％）に達するまで増加します。[ 5 ]

参考文献

  1. ^ Muresan, Flori. 「換気システムの比較：定風量（CAV）と可変風量（VAV）」 www.ny-engineers.com . 2022年11月10日閲覧。
  2. ^ a b c d e f g「可変風量（VAV）システムの運用と保守」パシフィック・ノースウエスト国立研究所。
  3. ^ Lu, Daniel B.; Warsinger, David M. (2020). 「異なる気候における可変風量システムを備えた住宅改修によるエネルギー節約」 . Journal of Building Engineering . 30 101223. Elsevier BV. doi : 10.1016/j.jobe.2020.101223 . ISSN 2352-7102 . S2CID 216163990 .  
  4. ^ a b Kreider, Jan F. (2010).建物の暖房と冷房：効率設計. Peter Curtiss, Ari Rabl (改訂第2版). ボカラトン: CRC Press/Taylor & Francis. ISBN 978-1-4398-1151-1. OCLC  455835575 .
  5. ^ a b c [「ASHRAEガイドライン36-2021 HVACシステムの高性能操作シーケンス」]、アメリカ暖房冷凍空調学会、2021年。2022年11月14日閲覧。
  6. ^ 「Reliance Electric GV3000 Drive 40V4160 | Automation Industrial」 . 40v4160.com . 2023年12月31日閲覧。
  7. ^ Li, Yunhua (2015年12月9日). HVACシステムにおける可変周波数ドライブの応用. InTech. ISBN 978-953-51-2233-3. OCLC  1096656588 .
  8. ^ Raftery, Paul; Geronazzo, Angela; Cheng, Hwakong; Paliaga, Gwelen (2018-11-15). 「温水再加熱システムにおけるエネルギー損失の定量化」 . Energy and Buildings . 179 : 183–199 . doi : 10.1016/j.enbuild.2018.09.020 . ISSN 0378-7788 . S2CID 117183499 .  
  9. ^ ASHRAEハンドブックのシステムと機器編、ASHRAE, Inc.、アトランタ、ジョージア州、2004年
  10. ^ KMC Controls. 「空気圧からデジタルへ：オープンシステムへの変換」（PDF） . 2015年10月5日閲覧。
  11. ^ Khedkar, Ashok A. (2022年11月27日). 「世界の建築環境におけるAHU VAVシステム ― 2035年までに195カ国、100億人の人々に永遠の平和と繁栄をもたらす価値をどのように創造するか？ - ASHOK A KHEDKAR」2023年12月31日閲覧。
  12. ^ 「VAVについて」 . SimplyVAV . 2014年5月20日閲覧。
  13. ^アーレンズ、エドワード、チャン、フイ、ホイト、タイラー、ソアジグ、カーム (2015). 「ディフューザー気流最小値が居住者の快適性、空気混合、および建物のエネルギー使用に及ぼす影響 (RP-1515)」(PDF) .建築環境のための科学技術. 21 (8): 1075– 1090. doi : 10.1080/23744731.2015.1060104 . S2CID 108490615 . 
  14. ^ a b Zhang, Kun; Blum, David; Cheng, Hwakong; Paliaga, Gwelen (2021). 「Spawn of EnergyPlusを用いたマルチゾーン可変風量システムのASHRAEガイドライン36省エネ推定」 . Journal of Building Performance Simulation . 15 (2): 215– 236. doi : 10.1080/19401493.2021.2021286 . S2CID 246398440 . 
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