圧力損失の完全ガイド：配管・排水・HVAC設計で押さえる計算と低減策

2025年12月26日 最終更新日時 : 2025年12月26日 エバープレイ編集部

はじめに：圧力損失とは何か

配管やダクトを流れる流体は、摩擦や方向変化、設備との接触などによりエネルギーを失います。このエネルギー損失を圧力損失（または水頭損失）と呼び、建築・土木の給排水、上下水道、空調、消火設備などの設計で極めて重要な要素です。圧力損失を過小評価すると圧力不足やポンプ過負荷、過剰な運転コストにつながります。逆に過大評価は余分な設備投資や運転効率の低下を招きます。

圧力損失の分類

圧力損失は大きく分けて次の2種類に分類されます。

  • 摩擦損失（線形損失）: 管長に比例して発生する損失。主に配管内面の粗さと流速による。
  • 局所損失（局部損失）: 継手、曲がり、バルブ、縮径・拡径、入口・出口など局所的な損失。K係数で表現される。

基本式：Darcy–Weisbach式とHazen–Williams式

圧力損失計算の代表的な式は次の通りです。

  • Darcy–Weisbach式（一般流体、精度重視）: h_f = f (L/D) (V^2/(2g))。ここで h_f は水頭損失（m）、f は摩擦係数、L は管長、D は管内径、V は平均流速、g は重力加速度。
  • Hazen–Williams式（実務で水に限定し簡便）: 実務的に水道管路で使われる経験式。Q、径、C係数（粗度係数）から求めるが、水温・粘度依存性を明示しない点に注意。

原則として流体の種類や精度要件に応じて式を選択します。冷温水や高精度設計ではDarcy–Weisbachを推奨します。

摩擦係数 f とレイノルズ数 Re、粗さ ε

摩擦係数 f は流れの状態に依存します。

  • 層流（Re < 2000 程度）: f = 64 / Re。
  • 遷移領域（約2000–4000）: 非線形で注意が必要。
  • 乱流（Re > 4000）: 粗さ ε と相対粗さ ε/D により支配される。Colebrook-White式は暗黙式で f を決める代表式: 1/sqrt(f) = -2 log10( (ε/(3.7D)) + (2.51/(Re sqrt(f))) )。

計算実務ではColebrook方程式を反復で解くか、Swamee–Jainのような明示式を用いることが一般的です。Swamee–Jain式（近似）: f = 0.25 / [log10( (ε/(3.7D)) + (5.74 / Re^0.9) )]^2。

局所損失の扱い（K係数）

局所損失は次の式で表されます: h_L = K (V^2/(2g))。Kは継手や弁の種類・開度・形状・流速分布に依存します。一般的な参考値はハンドブックやメーカー表に依存します。

  • 直角エルボ（90°）: 種類により幅があり、R/D、平面か曲線かで0.2〜2.0程度。
  • バルブ: フルオープンのゲートバルブは比較的小さく（K≈0.05〜0.2）、ボールバルブやグローブバルブは大きくなる。
  • 縮径・拡径、ティー分岐、入口・出口: 場合によってはKが1以上になることもある。

精密な設計ではメーカーの試験データやIdelchik、Craneなどの資料に基づくK値を使用します。

単位と換算、圧力と水頭の関係

圧力損失は水頭（m）で扱うのが便利です。圧力（Pa）との換算は p = ρ g h を用います。例: 1 mH2O ≒ 9.81 kPa（ρ=1000 kg/m3の場合）。配管設計では流量Q（m3/s）、流速V（m/s）、内径D（m）を統一して計算します。

実務での計算手順（概要と注意点）

  • 1) 設計流量Qを定める。複数器具の同時使用率やピーク流量を考慮。
  • 2) 初期管径を選定し、流速V=Q/Aを算出。流速の目安は用途により決定（給水/給湯/排水/HVACで異なる）。
  • 3) レイノルズ数Reを計算し、層流か乱流かを判定。
  • 4) 摩擦係数fを求める（層流は64/Re、乱流はColebrook等）。
  • 5) Darcy–Weisbachで摩擦損失を算出。各継手のK値から局所損失を算出し合算。
  • 6) 管路全体の圧力損失を集計し、必要な供給圧力やポンプ能力を決定。

反復設計が必要になることが多く、流速・管径のトレードオフ（初期投資とランニングコストのバランス）を評価することが重要です。

設計上の指針と実務的な目安

  • 給水配管: 流速は通常0.5〜2.0 m/sの範囲が多い（上流での急激な圧力損失や騒音を避ける）。
  • 排水: 流速はセルフクリーニング条件を満たす必要があり、一般に0.6〜1.5 m/sを目安にする。
  • HVACダクト: 空気流は体積流量と速度に基づき、摩擦損失はダクト抵抗（Pa/m）で扱う。
  • 消防用水: 圧力・流量確保が最優先。配管のロスも厳格に計算し余裕を持たせる。

省エネと運転コストの観点

圧力損失は長期の運転エネルギー消費に直結します。配管径を太くすると初期コストは上がるが圧力損失は下がり、ポンプの電力消費は減少します。ライフサイクルコスト（LCC）で最適化することが重要です。設計時に電力単価、運転時間、メンテナンスコストを考慮して配管径やポンプ特性を選定します。

測定と現場での検証

設計通りに動作しているかは現場測定で検証します。圧力計・流量計を配置して圧力降下を測定し、予想との乖離を確認します。乖離原因としては施工不良、内部の沈殿や閉塞、予期せぬ曲がりや短管の追加、弁の部分閉止などが考えられます。定期点検と清掃は重要です。

設計支援ツール・規格・参考資料

設計には以下のようなツールや資料が役立ちます。

  • Moodyチャートや摩擦係数表、Colebrookソルバー（Excelマクロや専用関数）
  • Crane Technical Paper No. 410、Idelchikのハンドブック、ASHRAE Fundamentals（HVAC）
  • 配管設計ソフト（PipeFlow、EPANET、水道局向け解析ツールなど）
  • メーカー提供の継手・バルブの損失係数表

まとめ：実務で押さえるべきポイント

  • 流量と用途に応じた適切な式（Darcy–Weisbach vs Hazen–Williams）を選ぶ。
  • 摩擦係数と局所係数は文献・メーカー値で確認し、必要なら試験で確かめる。
  • ライフサイクルコストで配管径とポンプ容量を最適化する。
  • 現場測定で設計との整合を確認し、メンテナンスで性能劣化を防ぐ。

参考文献

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