円形ダクトと長方形ダクト：どちらが良いか？

1.背景

エアダクトシステムは、空調・換気工学において極めて重要なコンポーネントである。その目的は、設計されたフローに基づいて、調整された空気を最終機器まで効率的に輸送することです。

一般的に、エアダクトの断面形状は長方形、円形、長円形の3種類がある。長方形ダクトは通常、4枚の鋼板をリベットで接合して作られ、円形ダクトは幅137ミリの鋼板を巻いて作られる。 鋼板 らせん成形機で成形される。楕円形ダクトは比較的珍しく、一般的には円形ダクトを絞ることで形成される。

1960年以前は、製造工程が簡単で設置スペースが小さくてすむ矩形ダクトが最も広く使われていた。しかし、大型スパイラル円形ダクト成形機の開発により、円形ダクトは矩形ダクトに比べて経済的であり、他の工学的パラメーターにおいても優れていることが多くのエンジニアリングプロジェクトで実証されている。

現在市場に出回っている繊維織物製エアダクトの多くは、通気口、給気ダクト、静圧ボックス、断熱材、ダンパーなどの機能を組み合わせた空気流通システムである。正確で均一な空気供給、軽量な設置ブロック、魅力的な外観、バクテリアやカビに対する耐性などの利点により、ユーザーの間で人気を博している。

繊維織物ダクトには、円形、半円形、1/4円形、楕円形、半楕円形などさまざまな形状があり、さまざまな建築構造の要件に対応している。

ラウンドファイバーファブリックダクト

表1：各年の円形ダクトのシェア：

経済分析の観点からは、建物のダクトシステムの耐用年数を通した総費用は次のように分けられる：

• 初期投資：これには、設計費、材料費、設置費、スペース費、試運転費などが含まれる。
• 運営費：これにはスタッフの給与、エネルギー費、メンテナンス費が含まれる。
• 更新費用：消耗部品の修理・交換費用が含まれる。

海外の研究では、多くのパラメーターにおいて、円形ダクトシステムが長方形ダクトシステムよりも優れていることが示されている。

この記事では、これらの研究結果を要約し、エアダクトシステムの経済的側面の比較に集中する。

通常の場合、更新費用は総費用のごく一部であるため、この議論では考慮しないことに留意されたい。

2.初期投資

円形ダクトシステムの初期投資額が矩形ダクトシステムより低い理由は以下の通りである：

• 円形ダクトは製造や輸送が容易である。
• 円形ダクトの部品と継手は高度に標準化されている。
• 円形ダクトは構造上、変形することなく圧力に耐えることができるが、長方形ダクトの場合はボルト、リベット、サポートビーム、その他の強化手段が必要になる。
• 同じ水力直径の場合、円形ダクトは矩形ダクトより少ない金属ですむ。矩形ダクトのアスペクト比が大きいほど、金属消費量は多くなる。
• 円形ダクトのハンガー構造は、長方形ダクトに比べて施工が容易である。GB50243-2002「換気空調工事施工受入基準」によると、長辺が400mmを超える長方形ダクトのハンガー間距離は4mであるが、スパイラルダクトのハンガー間距離は5mに拡大されている。
• 円形ダクトの風量測定ポイントは矩形ダクトより小さいので、ダクトシステムのバランスをとる場合、試運転コストも矩形ダクトより低くなる。
• 円形ダクトは、低周波ノイズの室内への侵入を大幅に減らすことができるため、ノイズ低減装置の必要性を減らすことができる。

我々は2つの設計を行った。 換気システム 円形ダクトと矩形ダクトを使用した大部屋を対象に、システムの圧力損失ヘッドと関連する経済パラメータを比較した。その年の北欧市場価格に基づく結果を図1に示す。

計算の結果、同じ最終設備条件であれば、円形ダクトシステムの全体的な設置費用は長方形ダクトシステムの半分で済み、円形ダクトシステムの材料費は長方形ダクトシステムの80%であった。

全圧力損失（Pa）：150.0 総設置費用：0.51R 総材料費：0.8百万ドル （A）	全圧力損失（Pa）：165.4 総工費R 総材料費M （B）

図1：ダクト設計スキームの比較

(A）円形ダクト （B）長方形ダクト

ダクトシステムが占める空間の経済分析は、建物の構造や用途に依存するため難しい。

一般に矩形ダクトは省スペースと思われがちだが、実際にはアスペクト比の近い矩形ダクトの場合、実際の占有面積は円形ダクトよりも大きくなる。これは、図2（A）に示すように、矩形ダクトは接続にフランジを必要とし、フランジエッジの高さが通常20mmを超えるためである。

しかし、最近のスパイラル・エア・ダクトは、図2（B）に示すように、規格化されたフレキシブルな接続が可能であり、省スペースであるだけでなく、設置も容易である。したがって、アスペクト比が1に近い矩形ダクトでは、円形ダクトの利点も見逃せない。

(A)	(B)

図2:各モデルの比較 ダクト接続 スキーム

 (A）長方形ダクト （B）円形ダクト

アスペクト比の大きい長方形ダクトの場合、図3に示すように、複数の円形ダクトに置き換えることができる。この代替案は、風量制御をより容易にし、設置コストも削減できる。材料費は増えるかもしれないが、この方式では初期投資は矩形ダクトとほとんど変わらないという調査結果もある。

図3：550mm×150mmの長方形ダクトを2本のD＝200mmの円形ダクトに置き換える代替案

3.営業費用

通常、空調システムの運転コストで最も大きな部分を占めるのはエネルギー消費である。これには、空気を暖めたり冷やしたりするのに必要なエネルギーと、空気を最終機器まで運ぶのに必要なエネルギーが含まれる。ダクトシステム全体が十分に断熱されている場合、ダクトからの空気漏れの量は余分なエネルギー消費の重要な原因となる。

ダクトシステムでは、ファンが循環動力を提供し、ファンの風圧は通常650Paを超えない。エアハンドリングユニットの末端機器での圧力損失を除くと、ダクトシステム全体の利用可能な圧力ヘッドは200～300Pa程度である。

したがって、エアダクトシステムへのヘッドロスを最小限に抑えることが極めて重要である。同時に、空気漏れのレベルもファン出力の選択に直接影響する。ファンの定理によれば、ファン出力は風量の3乗に比例する。つまり、エアダクトのリーク率が6%の場合、ファン出力は20%増加する。円形ダクトのリーク率は矩形ダクトに比べはるかに小さい。

3.1 空気漏れ率

エアダクトの漏れ率は以下の式で計算できる：

• f_レフ = 面積漏れ率
• q_vl = 空気漏れ
• A = ダクト表面積
• K = 空気漏れ定数
• △ p_レフ = ダクトと外部の圧力差

ヨーロッパでは、ダクトの気密性を空気漏れ定数によって4段階（A、B、C、D）に分けている。

表2 各グレードの最大許容空気漏れ定数を示す。

表2：欧州のダクトシステムにおける気密性の分類

円形ダクトと比較すると、長方形ダクトは接続に必要なボルトやリベットの数が著しく多く、空気漏れがはるかに大きいことがわかる。

図4はベルギーでの実測データで、長方形ダクトの平均漏洩率は円形ダクトの7倍である。

GB50243-2002 換気空調工事施工受入基準」でも、円形ダクトの許容空気漏れは長方形ダクトの50%とされている。

図4：ベルギーの建物21棟における空気漏れ率の測定（Carrié et al, 1999）

3.2 ヘッドロス

水力等価は、同じ水力等価直径を持つ矩形ダクトのシステム圧力損失を推定するために利用される。断面形状は異なるが、経路に沿った圧力損失は同じである。

図5は同じ面積・流量の円形ダクト（D=0.5m、U=5m/s、Σ=0.15mm）と矩形ダクトの圧力損失を比較したものである。この場合、矩形ダクトの圧力損失は円形ダクトの圧力損失より はるかに大きく、ダクトのアスペクト比が大きくなるにつれて圧力損失 が大きくなることがわかる。このことは、より大きなファン出力が必要であることを意味する。

図5：長方形ダクトと円形ダクトの流量・流速一定時の圧力損失の比較（流量＝1m³/s、流速＝5m/s）

水力等価直径」の概念は、矩形ダクトの境界に沿った平均せん断応力が一定であることを前提としている。言い換えれば、等速線はダクト境界に平行でなければならない。しかし、実際の測定結果では、矩形ダクトでは対角線に沿った速度勾配が最も遅く、中心線に沿った速度勾配が最も遅い。

従って、理論的には、以下の2つのケースでは、水力等価直径は注意して使用されるべきである：

• 流れが小さすぎて、流れ場が完全な乱流状態に達しない。
• パイプの断面は円形とはほど遠く、長方形の縦横比が大きい。

実験データからも、水力等価直径の普遍性が疑問視されている。JONESは滑らかな長方形ダクトの圧力損失について一連の実験を行った。彼の実験データの再解析を図6に示す。

10＜アスペクト比＜25のデータがないにもかかわらず、図6のデータは、水力等価直径圧力損失に対する長さ幅比の単調増加効果を強く示唆している。

Griggsetalの粗い長方形のダクトを使った実験でも同様の結果が出ている。

図6：平滑矩形ダクトと長さ幅比の異なる円形ダクトの圧力損失の比較

3.3 メンテナンス費用

シックハウス症候群を予防するためには、定期的なダクト清掃が必要である。清掃方法には乾式（掃除機とブラシを使用）と湿式（長いモップを使用）がある。いずれの場合も、長方形のダクトより円形のダクトの方が掃除しやすい。

4.結論

ダクトシステムの経済分析は難しい作業である。ダクト・システムの寿命は10年を超えることが多いため、さまざまな要素を考慮しなければならない。この場合、設計や品質を少し改善するだけで、投資の収益性を大幅に向上させることができる。

したがって、円形ダクトの使用がより経済的な解決策となる。しかし、静粛性やスペースなどの理由から、新鮮空気の吸気口や空気処理装置の吹出口など、エアダクトシステムの一部の大流量・大型部品には、依然として長方形ダクトが推奨されていることに留意することが重要である。