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印刷工場における旋回流誘引型置換換気方式と 混合空調方式の温熱
■ 事例研究 印刷工場における旋回流誘引型置換換気方式と 混合空調方式の温熱・空気環境比較 Performance Comparison with Swirling Induction Type Displacement and Mixing System at a Print Factory 木村 健太郎 KENTARO KIMURA （高砂熱学工業㈱ 総合研究所 主任） 三 橋 太 FUTOSHI MIHASHI （高砂熱学工業㈱ 技術本部） 守 屋 寛 之 HIROYUKI MORIYA （高砂熱学工業㈱ 総合研究所） 和 泉 透 TORU IZUMI （高砂熱学工業㈱ 関東支店） う酢酸エチルの目標濃度に関しては，日本産業衛 はじめに 生学会の酢酸エチル許容濃度は200ppmであった 生産拠点である工場は，発熱負荷や汚染物質の が，大多数の被験者が刺激臭を許容できる最大濃 発生負荷が大きく，いかにして初期コストや消費 度は100ppmとされていることから，作業域平均 エネルギーを抑えながら，温熱快適性や清浄な作 濃度100ppm以下を目標とした。 業空間を確保するかが課題である。 2．2 旋回流誘引型置換換気方式の採用 本稿では，暑熱環境と臭気濃度の改善を目的と 当印刷工場では，臭気発生源近傍での局所排気 して，混合空調方式から旋回流誘引型置換換気方 とルーフファンを用いた換気により工場内の臭気 式に改修した事例において，同一負荷，同じ吹出 濃度低減が行われていた。また，輪転機の乾燥機 し条件で改修前後の作業環境を実測比較した。さ 経路では，周囲へのVOC排出削減のために脱臭 らに，作業域温度と臭気濃度を改修目標値以下に 炉を介して大気開放していた。暑熱対策と臭気濃 保つために必要な空調消費エネルギーを改修前後 度改善を両立させるには，換気風量を増やすこと で比較した結果を報告する。 が有効であるが，排気風量が膨大となっており， １．環境比較の対象室 所 在 地 外気処理と搬送動力が必要となった。そこで，新 鮮空気を密度差で居住域に搬送し，熱や汚染空気 埼玉県 用 途 グラビア印刷加工 対 象 室 工場を若干の負圧に保つためには，膨大な風量の 1,006ｍ2（天井高９ｍ） を天井方向に押し上げる置換換気方式に着目した。 置換換気方式は，室内空気をあまりかき乱さな 施 工 高砂熱学工業㈱ いように床レベルから室温より若干低い温度の空 検証期間 気を低速（推奨0.2ｍ/ｓ以下）にて供給し，天井 平成17年４月∼平成17年８月 レベルから高温空気を排気するシステムである。 ２．空調設備計画 混合空調方式と比較すると，居住域での高い換気 2．1 現状把握と目標値設定 効率と省エネルギー性の高いシステムである。一 改修設計を行うにあたり，事前に工場の熱収支 方，居住域に低速給気を行うための広い吹出し総 と濃度収支から室内顕熱負荷量および主な汚染物 面積を確保する必要性があり，①設置面積の確保 質である酢酸エチルの放散量を算出した。工場全 が困難であること，②足下の空気は活発に流動す 体の室内顕熱負荷は，雲天時の日中平均で約200 るが，居住域の空気の流動が小さいために，汚染 Ｗ/ｍ と大きく，床から５ｍまでの空間で顕熱負 空気を効率よく希釈できないこと，などの技術課 荷の約70％が集中していた。また，酢酸エチルの 題があった。 2 平均放散量は，４ｍ /ｈ程度であり，床から５ｍ そこで，コンパクトな吹出し口で置換換気空調 までの空間において全放散量の80％以上が放散し の構築が可能な旋回流誘引型置換換気方式を導入 ていた。 した。構造を図−１に示す。吹出し口内部に旋回 3 暑熱環境の改善にあたり，改修後の作業域目標 成分を与えるガイドベーンを設け，吹出し気流に 温度は，夏季28℃以下とした。また，刺激臭を伴 複数の旋回流を組合せて与えることで誘引量の増 2007・６・建築設備士 33 図−２ 旋回流誘引型と半円筒型の垂直温度・風速分布比較 （吹出し口より６ｍ離れた地点） 図−１ 旋回流誘引型吹出し口 加（みかけの給気風量の増加）が図られており， 従来比約半分の設置面積となっている。弊社実験 図−３ 実測比較する給排気システム（改修前後） 施設で行った両システムの比較資料を図−２に示 す。旋回流誘引型は，従来型置換換気方式（半円 筒形）に対し，３倍程度の速い吹出し速度で給気 を行っても速度の減衰距離が短くなる結果となっ た。また，給気の搬送高さが高いため，居住域の 温度差緩和，かつ換気効率の向上が図れるシステ ムとなっている。 2．3 改修前後の空調換気システム 図−３に改修前後の空調換気システムを示す。 改修前は，高さ４ｍに設けられたパンカールーバ およびスポット用ノズルから外調空気を供給する 混合空調方式であった。改修ではこれらの吹出し 口を撤去し，ダクトを立ち下げて７台の旋回流誘 引型吹出し口（写真−１）と接続した。排気は， 34 建築設備士・2007・６ 写真−１ 実測空間 図−４ 工場内の温湿度・濃度測定点 改修前後ともルーフファンおよび輪転機の下方に ある比重の大きな有機溶剤用の局所排気装置から 行った。また，輪転機の中段には，主な発熱源で ある印刷乾燥機が設けられており，乾燥機の余剰 排気量は，乾燥炉の燃焼運転時に４回換気相当と 大きいため，改修前と同様に高さ４ｍにある有圧 扇から外気を供給するシステムとした。 ３．実測概要 3．1 測定点および臭気濃度の測定方法 図−４に工場内の測定点を示す。温湿度の測定 にはデータロガー付温度センサ（Ｔ＆Ｄ製， 図−５ 臭気モニタ出力とガスクロ分析濃度の関係 RTR−53）およびＴ型熱電対を用い，汚染質濃 度の測定にはデータロガー付臭気モニター（新コ スモス電機製，XP−329Ⅲ）を用いて１分間隔の ァン運転台数と室内外差圧の関係から得た。送風 データを記録した。 機運転風量の測定に際しては，熱線風速計での正 使用した臭気モニターは，臭気の強さに応じた 確な風量測定が困難なため，人体に毒性が無い微 値しか出力されないため，実際の汚染質濃度を求 量のトレーサガス（SF6）を送風機吸込み側ダク めるために換算係数を特定する必要があった。そ トに一定流量で放出し，送風機で混合された下流 こで，臭気モニター近傍の空気をガスクロカラム 側濃度を測定するトレーサガス法を用いた。表− （TENAX−TA）に複数点でサンプリングし，ガ １に実測時のエアバランスを示す。工場内は負圧 スクロマトグラフ質量分析から得られた濃度を用 であり，２回/ｈ換気相当の外気が工場内に流入 いて臭気モニター出力値を汚染質濃度に換算した。 することがわかった。 図−５に臭気モニター出力とガスクロ分析によ る濃度の関係を示す。この近似式を用いることに より，臭気モニターの出力値から比較的正確に酢 酸エチル濃度の換算が可能となった。 3．2 流入外気量の測定 ４．改修前後の温熱環境と酢酸エチル濃度の 比較 4．1 温度分布の比較 給気温度・給気風量・外気温度がほぼ同じ条件 流入外気量の測定は，ルーフファンの運転台数 において，改修前後の温度分布を１時間平均値に を変えた場合の工場内外差圧を測定し，ルーフフ て比較した。表−２に冷房比較時の平均外気温度 2007・６・建築設備士 35 表−１ 実測時のエアバランス 系統 外調機給気量 ［ｍ3/ｈ］ ルーフファン排気量 3 ［ｍ /ｈ］ 局所排気量 3 ［ｍ /ｈ］ 乾燥機余剰排気量 3 ［ｍ /ｈ］ 漏気を含めた 3 流入外気量［ｍ /ｈ］ 工場内外差圧 [Pa] （括弧内は各系統の換気回数） 混合空調方式 旋回流誘引型置換換気 （改修前） （改修後） 39,700 37,600 （4.4回/ｈ） （4.2回/ｈ） 9,700（1.1回/ｈ） 15,500（1.7回/ｈ） 35,000（3.9回/ｈ） 20,500 （2.3回/ｈ） 22,600 （2.5回/ｈ） −15 −21 表−２ 冷房比較時の平均外気温度と平均給気温度 外気温湿度 外調機 給気温湿度 混合空調方式 （改修前） 31.2℃ 17.9ｇ/kg（DA） 20.4℃ 12.8ｇ/kg（DA） （１時間平均値） 旋回流誘引型置換換気 （改修後） 30.9℃ 16.0ｇ/kg（DA） 19.8℃ 11.8ｇ/kg（DA） 図−７ 絶対湿度分布の比較 旋回流誘引型置換換気方式の場合には平均25.7℃ となり，約４℃降下した。 4．2 流入外気の影響 外気が室内へ及ぼす影響を調べるために，絶対 湿度の空間分布を測定し，負圧によって流入する 高温多湿の外気がどのように拡散するかを確認し た。 図−７に絶対湿度分布の比較結果を示す。改修 前の混合空調方式では，絶対湿度が空間全体で比 較的一様となっており，流入した外気が空間全体 に拡散していた。 一方，改修後では，作業域の絶対湿度が測定箇 所すべての点において，給気の絶対湿度に近い値 となり，作業域上部の絶対湿度が相対的に高い値 図−６ 温度分布の比較 となった。これは，作業域に進入する流入外気は， 作業域温度よりも高いために浮力で上昇し，作業 と平均給気温度を，図−６に工場内の温度分布を 域に拡散されなかったと考えられる。すなわち旋 示す。両システムとも，平面温度偏差は小さく， 回流誘引型置換換気方式の場合には，作業域温度 平均値±１℃の範囲にあった。また，内部発熱や よりも高い温度の流入外気は，作業域の空調負荷 貫流負荷が両システムとも同等なため，上部空間 にはなりにくく，反対に温度の高い流入外気は， の温度に大きな差は見られないが，混合空調方式 作業域で発生した汚染物質の希釈には寄与しなか では，吹出し高さ４ｍ以下において比較的一様な ったと考えられる。 温度となり混合していた。それに対し，改修後に 4．3 は作業域は低温に保たれ，顕著な温度成層を形成 図−８に酢酸エチル濃度の比較結果を示す。混 していた。なお，作業域垂直温度勾配は，快適範 合空調方式の場合においては，流入外気を含めて 囲内の２℃/ｍ以下であった。床上１ｍの作業域 6.7回/ｈ換気分，改修後の1.6倍の外気が作業域に 平均温度は，混合空調方式の平均29.2℃に対し， 供給されたが，床上１ｍの酢酸エチル濃度は 36 建築設備士・2007・６ 酢酸エチル濃度分布の比較 写真−２ 輪転機周囲空気の煙の流動 卓越し，熱プルームに伴って酢酸エチルが上部空 図−８ 酢酸エチル濃度の比較 間に上昇したことにより，作業域への臭気拡散が 減少したと考えられる。 さらに，改修後の局所排気装置廻りの気流速度 は0.2ｍ/ｓ以下と緩やかであったため，気流速度 が早い混合空調方式よりも局所排気装置の捕集効 率が向上したことも，臭気濃度が減少した要因の １つと考えられる。 ５．空調消費エネルギーの比較 混合空調方式の外調機風量と熱源冷熱量を増加 図−９ 改修後の輪転機表面温度 し，改修目標値である夏季28℃以下，酢酸エチル 平均濃度100ppm以下を満足させる場合の空調消 費エネルギーを試算し，実測時の旋回流誘引型置 100ppmを上回り，平均104ppmとなった。比重 換換気方式との比較を行った。混合空調方式の試 の大きな酢酸エチルは，低い部分での濃度が相対 算では，吸収式の冷熱量および吸収式から冷水供 的に高くなる傾向を示した。 給される外調機の送風量を増加させた。汚染質の 一方，改修後においては，すべての測定点で目 居住域放散量や居住域顕熱負荷は実測時と変わら 標値の100ppmを下回った。作業域平均濃度は ないとし，外調機風量 Q SAと給気温度T SAを（１） 46ppmとなり，汚染質濃度を約60％減少できた。 式および（２）式から算出した。外気条件は，実 流入外気が作業域汚染質の希釈に寄与しないこと 測時と同じ31.2℃，17.9ｇ/kg（DA）とした。搬 を考慮すれば，３倍以上の換気効率であった。 送エネルギーは，送風量・送水量の３乗に比例し 改修前より作業域濃度を減少できた要因を調べ るために，各表面温度や気流測定を行った。図− ９に改修後の実測時に撮影した輪転機の熱画像を 示す。作業域の輪転機表面温度は床上１ｍで28℃ 程度，周囲空気よりも２℃程度高い値であった。 て増加するものとした。 Q SA＝ CMIX ・ Q MIX ＋Q IN ） −Q IN CD （ …（１） Q MIX・ （ TMIX −TSMIX ） ＋Q IN・ （ TMIX −TIN ） Q SA D T SA Q IN T ＝ ・ （ − ） ＋ ・ （ TD −TIN ） …（２） また，スモークテスタの煙の流動により，輪転機 周囲空気が浮力で上昇することを確認した（写 QSA ：計算外調機風量［ｍ3/ｈ］ 真−２）。改修後の温度成層場では，自然対流が QMIX ：実測時の外調機風量［ｍ3/ｈ］ 2007・６・建築設備士 37 TMIX ：実測時の居住域温度［Ｋ］ TIN ：流入外気温度［Ｋ］ 図−10に，単位面積あたりの空調消費エネル ギーの比較結果を示す。混合空調方式で目標値を 満たすためには，外調機の給気温度を1.3℃降下 させ，かつ風量の６％増加が必要となった。この 場合の空調エネルギーは，作業域温度が目標値よ り２℃低くかつ汚染質濃度が半減する旋回流誘引 型置換換気方式の55％増し必要である結果となっ た。 おわりに 発熱負荷と導入外気量が大きな印刷工場では， 図−10 混合空調方式で改修目標値を満足した場合の単位 面積あたりの空調消費エネルギーの比較 旋回流誘引型置換換気方式は混合空調方式の35％ 以上少ないエネルギーで作業域温度と汚染質濃度 の目標値を十分に満足することを実証した。 QIN ：実測時の外気流入量［ｍ /ｈ］ 3 CD ：汚染質濃度目標値［ppm］ さらに旋回流誘引型置換換気方式の場合には， 高温多湿の流入外気が浮力で上昇し，作業域に拡 CMIX ：実測時の汚染質濃度［ppm］ 散しにくい。流入外気によって汚染質は希釈され TD ：居住域温度目標値［Ｋ］ ないが，混合空調方式と比較して比重の大きな汚 TSA ：計算外調機給気温度［Ｋ］ 染質でも居住域濃度を半減できたことが示された。 TSMIX ：実測時の外調機給気温度［Ｋ］ ◇ ◇ ◇ （平成19年３月26日 原稿受理） ◇ ◇ ◇ ＊住所や勤務先が変わりましたら，FAXで事務局へお知らせ下さい！ 建築設備技術者協会 ［FAX］03―5408―0074 38 建築設備士・2007・６