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専用外気システム( DOAS ) は、暖房、換気、空調 ( HVAC ) システムの一種で、2 つの並列システムで構成されています。1 つは、換気空気の調節による潜熱負荷と顕熱負荷の両方を処理する外気換気専用システム、もう 1 つは、屋内/プロセス ソースによって生成される負荷 (主に顕熱) と建物の筐体を通過する負荷を処理する並列システムです。
背景
複数のゾーンにサービスを提供する可変風量(VAV) システムなどの従来の HVAC システムには、温度快適性の低さや微生物汚染の可能性といった潜在的な問題があります。環境と関連する並列システムに応じて、DOAS 設定では、屋外空気システムが潜在負荷に加えて顕熱負荷の一部を処理し、並列システムが残りの顕熱負荷を処理します。DOAS システムの主なポイントは、室内空気の調整プロセスの付随的な部分としての換気ではなく、専用の換気を提供することです。DOAS は、ヨーロッパで広く使用され、米国でもさまざまな形で使用されているシステムに付けられた用語です。
システム概要
William Coad は 1999 年に、建物のHVACシステムで OA (屋外空気) と戻り空気を別々に処理することを提案しました。 [1] Gatley はまた、室内の空気の質と温熱的快適性を改善するために、建物に除湿された空気を供給する DOAS の応用についても説明しています。[2] [3] [4]最近では、従来の HVAC システムと比較した潜在的な利点に重点を置いて DOAS の基礎を研究する研究が行われています。SA Mumma は、従来の全空気オーバーヘッド混合 VAV HVACシステムには 4 つの主な問題があると示唆しています。[5] VAV システムのこれらの問題は、対応する DOAS システムの利点を浮き彫りにします。ただし、DOAS の欠点としては、初期コストが高くなる可能性があること、米国ではあまり使用されていないこと、複雑性が高くなる可能性があることなどが挙げられます。
- 全空気VAV HVACシステムの換気空気：設計者や建築技術者は、一般的なVAVシステムで戻り空気と混合される換気空気が建物全体にどのように分配されるかを正確に知ることができません。空気漏れ、制御設定値、最小空気量設定、短絡（例：排気空気と吸気新鮮空気の混合）などの問題はすべて、空間に到達する換気空気の量に影響を与える可能性があります。[5] [6] DOASシステムは、100％屋外空気の専用供給を提供することでこの問題を解決します。
- VAV システムにおける過剰な外気流と空調の必要性: ASHRAE規格 62.1-2004 の複数スペース方程式を使用すると、すべての空気システムで適切な室内空気分配を確保するには、専用の外気システムで必要な量よりも 20 ～ 70% 多くの外気が必要になります。夏季に大量の外気を冷却して除湿し、冬季に空気を加湿して加熱することは、エネルギーを大量に消費する作業です。[5] DOAS システムは、要件を満たすサイズになっており、大きすぎるサイズにする必要はありません。
- VAV ボックスの最小値は、換気要件を考慮して高く設定する必要があります。現在の慣例とは反対かもしれませんが、VAV ボックスの最小値は、スペースの換気要件と給気中の換気空気の割合の両方を反映する必要があります。たとえば、5663標準リットル/分(SLPM) (200標準立方フィート/分(SCFM)) の換気空気が必要で、給気の 40% が換気空気であるスペースでは、従来の慣例である 5663 SLPM (200 SCFM) ではなく、14158 SLPM (500 SCFM) (つまり 200/0.4) のボックスの最小設定が必要です。ボックスの最小値が換気要件を満たすように適切に設定されていると、かなりのターミナル再加熱の可能性が問題になります。したがって、全空気 VAV システムを適切に操作すると、同じ温度の空気を供給する専用の屋外空気システムよりも常にターミナル再加熱が多く使用されます。[5]
- 潜在的および顕熱的空間負荷の分離なし: 空間顕熱負荷と潜在的負荷を分離できないと、占有空間の顕熱負荷が低いときに空間の相対湿度が高くなります。適切に設計された専用外気システムは、空間の潜在的負荷の 100% と空間顕熱負荷の一部を収容できるため、空間の顕熱負荷と潜在的負荷が分離されます。専用外気システムで対応できない顕熱負荷を収容するには、並列の顕熱のみの冷却システムが使用されます。したがって、湿気に関連する室内空気質の問題を回避するために、空間顕熱負荷とは独立して空間の潜在的負荷を制御する強い動機があります。[5]
並列端末システム
一般的な DOAS 換気システムの場合、外気システムは空間顕熱負荷の約 0 ～ 30% に対応できます。快適な室内環境を作り出すには、空間顕熱負荷のバランスを、次のような他の多くのオプション機器の選択によって対応する必要があります。
- 輻射天井パネル
- 並列全空気可変風量（VAV）システム
- パッケージ型ユニタリー水源ヒートポンプ
- 可変冷媒流量（VRF）システム
- ファンコイルユニット
放射システム
他の顕熱冷却システムと比較すると、DOAS と併用する並列システムとしては、輻射天井冷却パネルが最適である。DOAS は空間換気と潜熱負荷のみに対応するため、ダクト システムのサイズと必要なファン電力を削減することで、必要な階間高さを削減できる。[7] DOAS と組み合わせた輻射天井冷却システムには、数多くの利点がある。2008 ASHRAE ハンドブックの一般評価セクションでは、次のように簡単に説明されている。[8]
主な利点は次のとおりです。
- 放射負荷が直接処理され、空間内の空気の動きが通常の換気レベルであるため、他の空調システムよりも快適性が向上します。
- 換気と除湿の供給量の要件を満たす
- 屋外の空気量が減少するため、DOASシステムはより小さなダクトシステムで設置できる。
- 輻射天井冷却パネルは、湿った表面の冷却コイルを排除し、浄化槽汚染の可能性を減らすことができます。
- 自動スプリンクラーシステム配管は、放射天井冷却パネルシステムに適用できます。
主な欠点は初期コストが高いことです。
並列放射冷却パネルには、上記の利点の他に、コンパクトな設計、垂直シャフトのスペース面積の節約、動的制御の迅速な適応など、他の利点もあります。DOAS/放射天井冷却パネルシステムのエネルギー節約は、冷却コイル負荷の削減、チラーエネルギーの削減、ポンプエネルギー消費、ファンエネルギー消費の削減に関連します。一般に、DOASの総エネルギー回収と供給空気量が少ないため、従来のVAVシステムと比較してチラーエネルギー消費を大幅に削減できます。パイロットDOAS/放射天井冷却パネルシステムの研究では、1時間ごとのエネルギーシミュレーションにより、パイロットDOAS/放射パネル冷却システムの年間電気エネルギー消費は、エコノマイザ制御を備えた従来のVAVシステムの年間電気エネルギー消費よりも42％少ないことが予測されています。[9]
空中システム
空中システムを並列システムとして使用する場合、DOASを設計するには主に2つの方法があります。[10]
異なるダクトを備えた別々のシステム
この設定では、事前に調整された空気（潜熱負荷と部分的な顕熱負荷を考慮）を独自のダクト/ディフューザーで直接空間に排出する屋外空気システムがあります。空間から空気を取り込み、残りの空間顕熱負荷を満たすように調整する別のシステム（ファンコイルユニットなど）があります。
利点:
- 屋外の空気の流入量を計測しやすくなる
- 空気の流れとバランスシステムの測定が容易
- 空間 HVAC 機器 (ファンコイルユニット)への換気負荷を回避します。
デメリット:
- 並列経路用の別個のダクト工事は初期費用を増加させる可能性がある
- 屋外空気と再循環空気を別々に拡散させると、十分な混合が得られない可能性がある。
- 空気の流れを別々に平行にすることで、空間への空気の流れが全体的に増加し、ファンのエネルギー消費量全体を増加させる可能性があります。
複合システム
調整された屋外の空気は、空間内のターミナル ユニットにダクトで送られます。この設定では、事前に調整された屋外の空気がファン コイル ユニットに直接ダクトで送られ、空間からの戻り空気と混合されます。このシステムは、チルド ビーム設定に似ています。
利点:
- ダクト工事を組み合わせることで初期コストを削減
- 複合気流により空気量が減り、ファンのエネルギー使用量が削減されます。
- 屋外の空気と宇宙からの戻り空気の徹底的な混合
デメリット:
- 換気が必要なときは、感知負荷が満たされているかどうかに関係なく、ローカル端末ユニットを作動させる必要がある。
- 空気の流れのバランスをとるのがより困難になる可能性がある
装置
多くの国で DOAS の適用が拡大するにつれ、総エネルギー回収を利用する総エネルギーホイール、受動除湿ホイール、その他の関連機器などの DOAS 機器の需要も高まっています。[さらなる説明が必要]総エネルギーホイールの有効性は、DOAS の効率を向上させる重要な要素です。[さらなる説明が必要]
デザイン
DOAS の設計要件は次のとおりです。
- OAシステムと熱制御システムを分離し、すべての占有スペースで適切な換気を確保する
- OAを調整して、すべての空間潜在負荷と可能な限り多くの空間顕在負荷を処理できるようにする
- エネルギー回収装置の費用対効果を最大限に高める
- 消火システムとエネルギー輸送システムの統合
- 天井放射顕熱冷却パネルを用いた居住者の体温調節[11]
Mumma は、DOAS を設計するための次の手順を提案しました。
- 空間の設計条件に基づいて、夏の設計日に空間の顕熱および潜熱冷房負荷を計算する
- ASHRAE規格62.1換気ガイドライン[12]に基づいて、各空間に必要な最小空気流量を決定する
- 各空間の給気湿度比の決定
- 通常、設計給気乾球温度は必要な給気露点温度に等しくなります。
- エネルギー回収を利用して排気熱をDOASユニットに戻す（暖房シーズン中）
並列冷却システムとして空気ベースのシステムを備えた DOAS の場合、次の手順が提案されました。1) 各スペースの DOAS 給気によって満たされる顕熱冷却負荷を計算する。2) 各スペースの並列システムに残っている顕熱冷却負荷を計算する。3) 並列システムの給気乾球温度を決定する(結露を避けるためにスペースの露点温度以上)。4) 各並列顕熱冷却装置の給気流量を決定する。
エネルギーとコスト
DOAS のエネルギーおよびコストパフォーマンスをシミュレーションで実証する研究は数多く行われてきました。Khattar と Brandemuehl は、ダラス、セントルイス、ワシントン DC、ニューオーリンズの大規模小売店を対象に、並列システムと従来の単一システムをシミュレートしました。[13]この研究では、並列冷却システムにより年間 14～27% のエネルギー節約と 15～23% の機器容量削減が実証されました。Jeong らは、ペンシルベニア州の教育施設にある約 3,000平方フィート(280 m2 )のオフィススペースを対象に、並列天井放射パネルを備えた DOAS と、空気側エコノマイザを備えた従来の VAV システムのエネルギーおよびコストパフォーマンスを比較しました。 [9]この研究では、DOAS システムの年間エネルギー使用量が 42% 削減され、ファンとチラーの両方で大幅なエネルギー節約が報告されました。[14]建物モデルは、典型的な新築と整合し、ASHRAE規格90.1（ASHRAE 90.1）の要件を満たすように開発された。[15]シミュレーション結果によると、完全なDOASにより、年間HVACエネルギーコストが21％から38％削減されることが示された。[14]
参考文献
- ^ Coad, W (1999 年 9 月)。「換気空気の調整による性能と空気質の向上」HPAC エンジニアリング: 49–56 ページ。
- ^ Gatley, DP (2000 年 9 月)。「100 パーセント外気 AHU の加湿強化。パート 1/3」。HPACエンジニアリング: 27–32。
- ^ Gatley, DP (2000 年 10 月)。「100 パーセント外気 AHU の加湿強化。パート 2/3」。HPACエンジニアリング: 51–59。
- ^ Gatley, DP (2000 年 11 月)。「100 パーセント外気 AHU の加湿強化。パート 3/3」。HPACエンジニアリング: 31–35。
- ^ abcde 「専用屋外空気システム（DOAS）」。doas.psu.edu 。 2010年11月15日閲覧。
- ^ Mumma, S; YP Ke (1998). 「可変空気量システムのための高度な換気制御戦略の現場テスト」.環境国際ジャーナル. 24 (4): 439–450. doi :10.1016/S0160-4120(98)00024-5.
- ^ Conroy, CL; S. Mumma (2001)。「専用屋外空調システムと統合された、実用的な分散並列顕熱冷却技術としての天井放射冷却パネル」ASHRAE Transactions . 107 : 5778–585。
- ^ 2008 ASHRAE ハンドブック - HVAC システムおよび機器、ASHRAE, Inc、2008 年。
- ^ ab Jeong, JW; S. Mumma; W. Bahnfleth (2003). 「天井放射パネルによる並列顕熱冷却を備えた専用屋外空調システムのエネルギー節約効果」ASHRAE Transactions . 109 : 627–636.
- ^ Morris, W. (2003 年 5 月)。「DOAS の ABC」ASHRAE ジャーナル: 24–29。
- ^ Mumma, SA (2001 年 5 月)。「専用屋外空気システムの設計」ASHRAE ジャーナル: 28–31。
- ^ アメリカ暖房冷凍空調学会 (2007) ASHRAE 規格 62.1。ジョージア州アトランタ
- ^ Khattar, MK; MJ Brandemuehl (2002 年 5 月)。「HVAC における V の分離: デュアルパスアプローチ」ASHRAE ジャーナル: 31–42。
- ^ ab SJ Emmerich; T. McDowell (2005 年 7 月)。商業ビルにおける置換換気および専用屋外空気システムの初期評価 (レポート)。米国環境保護庁、ワシントン DC。
- ^ アメリカ暖房冷凍空調学会 (2007) Ashrae 規格 90.1。ジョージア州アトランタ
外部リンク
- スタンレー・A・ママ、ペンシルベニア州立大学、ペンシルベニア州