置換換気

置換換気（DV）は、調節された屋外の空気が床面近くに配置された給気ディフューザーから低速で供給され、居住区域の上方、通常は天井の高さから排出される室内空気分配戦略です。 ^[1]

オフィス空間にあるような典型的な置換換気システムは、空調ユニット(AHU) から調整された冷気を低誘導空気拡散器を通して供給します。拡散器の種類は用途によって異なります。拡散器は、壁に沿って (「壁取り付け型」)、部屋の角 (「角取り付け型」)、または床の上に設置できますが壁に沿っては設置できません (「自立型」)。^[2]冷気は浮力によって加速し 、床の上に薄い層で広がり、熱源 (居住者、コンピューター、照明など) との熱交換によって上昇する前に比較的高速になります。^[3]冷気は熱源から熱を吸収して暖かくなり、密度が低くなります。冷気と暖かい空気の密度差によって、熱プルームと呼ばれる上向きの対流が発生します。置換換気システムは、室内空間で独立したシステムとして機能する代わりに、放射冷却天井^[4]やベースボード暖房などの他の冷暖房源と組み合わせることもできます。^[1]

置換換気は1978年にスカンジナビアの工業ビルで初めて採用され、それ以来スカンジナビア全土の同様の用途やオフィススペースで頻繁に使用されてきました。^[1] 1989年までに、北欧諸国では置換換気が工業用途の50％、オフィスの25％を占めると推定されました。^[5]米国での適用はスカンジナビアほど広まっていません。典型的な空間設計の違い^[1]や高温多湿の気候での適用を理由に、米国市場でのこの適用の実用性を評価する研究や、米国およびその他の地域でのこの戦略の潜在的な室内環境品質と省エネ効果を評価する研究が行われています。

置換換気は、タイのバンコクにあるスワンナプーム国際空港、NASAジェット推進研究所飛行プロジェクトセンタービル^{[6] [7]}、サンフランシスコ国際空港^{[8] [9]}ターミナル2など、多くの有名な建物に適用されています。

床面の空気流速度を決定する熱流とディフューザーからの給気は、DV システムで重要な役割を果たします。ドラフトを避けるために、ディフューザーからの空気流量を慎重に設定する必要があります。

温度成層化の独特な性質のため、置換換気は暖房よりも冷房に使われることが多い。暖房時にはラジエーターやベースボードなどの別の暖房源が使われることが多い。^[1]

置換換気は、高さのある空間（3メートル[10フィート]以上）に最適です。^[2]標準混合換気は、一人用オフィスなど空気の質がそれほど問題にならない小さな空間や、部屋の高さが高くない（例えば、2.3メートル[7.5フィート]未満）空間に適している場合があります。^[2]

置換換気システムは、従来のオーバーヘッドシステムよりも静かで、換気効率に優れています。そのため、室内の空気の質を高め、望ましい音響環境を提供できます。置換換気システムは、教室、会議室、オフィスなど、高い換気が求められる空間に適しています。

置換換気は、大きな垂直温度勾配と隙間風により不快感を引き起こす可能性があります。^[10]メリコフとピチュロフの研究によると、垂直温度差と隙間風による冷たさの感覚は通常、下肢/足首/足の領域で発生し、頭部では温かさの感覚が報告されています。^[11]この研究では、隙間風評価モデルが置換換気システムを備えた部屋での隙間風リスクを高い精度で予測できることも示されています。

これら2つの問題にはトレードオフが内在しています。流量を増やす（およびより大きな熱負荷を除去する能力を高める）ことで垂直温度勾配を減らすことができますが、これにより隙間風のリスクが高まる可能性があります。^[1]置換換気と放射冷却天井を組み合わせることは、この問題を軽減するための取り組みです。^{[12]いくつかの研究によると、置換換気システムは、対応する冷却負荷が約13 Btu/h-sfまたは40 W/m 2}未満の場合にのみ許容できる快適さを提供できます。

置換換気の利点の1つは、汚染された空気を室内から排出することで、室内の空気質が向上することです。汚染源が熱源でもある場合、空気質が向上します。^{[1] [2]}

粒子状汚染物質の除去における置換換気の有効性は、最近調査されている。^{[13] [14]}感染核を含む小さな水性液滴は、病室やその他の屋内空間で頻繁に放出され、通常 1～10 mm/s 程度の速度で周囲の空気中に沈降する傾向がある。寒冷な気候や季節では、平均上昇気流速度が粒子沈降速度を超えると、置換換気空間の上部から十分に小さな液滴が排出される。しかし、実験室での実験では、より大きな液滴は空気の移動よりも速く沈降する可能性があることがわかっている。この場合、大きな液滴は上向き置換換気空間から効果的に排出されず、換気速度が増加すると液滴の濃度が増加する。^[13]温暖な気候や季節では、下向き置換換気空間内で汚染物質の濃度の大規模な不安定性が発生する可能性がある。^[14]

いくつかの研究では、建物の用途、設計/マス/方向、その他の要因に応じて、置換換気は標準の混合換気と比較してエネルギーを節約できる可能性があることが実証されています。^[1]しかし、置換換気のエネルギー消費量を評価するには、年間測定が高価で時間がかかるため、数値シミュレーションが主な方法です。したがって、置換換気がエネルギー節約に役立つかどうかはまだ議論されています。一般に、置換換気は暖房が不要なため、建物の中心部に適しています。ただし、周辺ゾーンでは高い冷却エネルギーが必要です。

置換換気システムの設計に関するガイダンスを提供するために、次のようなさまざまなガイドラインが公開されています。

• Skistad H., Mundt E., Nielsen PV, Hagstrom K., Railo J. (2002). 非工業施設における置換換気。欧州暖房空調協会連合。^[2]
• Skistad, H. (1994)。置換換気。Research Studies Press、John Wiley & Sons、Ltd.、ウェストサセックス。英国。
• Chen, Q. および Glicksman, L. (2003). 置換換気の性能評価と設計ガイドラインの開発. アトランタ: ASHRAE. ^[1]

上記のガイドラインのうち、チェンとグリックスマンが作成したガイドラインは、特に米国規格を満たすことを目的としています。以下は、彼らのガイドラインの各ステップの簡単な説明です。^[15]

          ステップ1) 置換換気の適用性を判断する

          ステップ 2) 夏季の設計冷房負荷を計算します。

          ステップ 3) 夏季の冷房に必要な給気流量を決定します。

          ステップ 4) 許容できる室内空気質を実現するために必要な新鮮な空気の流量を見つけます。

          ステップ5) 供給空気流量を決定します。

          ステップ6) 供給空気流量を計算します。

          ステップ 7) 新鮮な空気と供給空気の比率を決定します。

          ステップ 8) 給気ディフューザーのサイズと数を選択します。

          ステップ9) 冬の暖房状況を確認します。

          ステップ 10) 初期コストと年間エネルギー消費量を見積もります。

• 床下空気分配（UFAD）