給排気設備の設計と運用ガイド：快適性・省エネ・安全性を両立する実務ポイント

2025年12月28日 最終更新日時 : 2025年12月28日 エバープレイ編集部

はじめに

給排気設備は建築物における室内環境の質（IAQ: Indoor Air Quality）、熱的快適性、火災時の排煙・安全確保、省エネルギーの観点から極めて重要な設備です。本コラムでは、基本原理から設計指標、機器構成、運用・保守、最新技術までを幅広く解説し、設計者・施工者・管理者が現場で押さえておくべき実務的ポイントをまとめます。法規や国際基準も参照しつつ、実務に役立つ視点で深掘りします。

給排気設備の基本概念と目的

給排気設備の主な目的は次のとおりです。

  • 室内外の空気の置換による汚染物質（CO2、揮発性有機化合物、臭気、微粒子、ウイルス等）の希釈・除去
  • 熱的な快適性の確保（換気に伴う熱負荷の管理）
  • 圧力制御による外気侵入や煙の挙動制御（病院、排煙区画など）
  • 火災時の排煙・避難誘導支援

これらを合理的に満たすために、自然換気・機械換気・混合換気（ハイブリッド）など方式を選定し、換気量、流速、フィルタ、熱回収等を設計します。

方式の分類と特徴

主な方式は以下です。

  • 自然換気：窓や開口、風圧差・温度差（煙突効果）を利用。設備費は低いが、外気条件や汚染物質（外気PM2.5等）に影響されやすく、安定性が低い。
  • 機械換気：ファンで積極的に給気・排気を行う方式。換気量を安定して確保でき、フィルタや熱交換装置を組み合わせやすい。
  • 混合（ハイブリッド）換気：通常は自然換気を用い、必要時や外気不利な条件下で機械換気を併用。省エネと信頼性のバランスが取れる。

主要構成要素と機能

代表的な構成要素とその役割：

  • 給気・排気ファン：必要風量と静圧を供給。風量制御（インバータ等）で省エネを図る。
  • ダクト・ダンパ：気流経路を形成し、区画毎の調整を行う。遮音・断熱対策が重要。
  • フィルタ：ISO 16890やHEPA等級の選定で微粒子・花粉・ウイルス含有粒子の捕捉性能を決定。
  • 熱交換器（熱回収器）：HRV/ERVにより給気の熱（および場合によっては水蒸気）を回収し、空調負荷を低減。
  • センサー・制御系：CO2、温度、湿度、差圧、風量センサ等でBMS/ビルオートメーションと連携し需給制御を行う。
  • 排煙設備・防火ダンパ：火災時の煙移動制御や防火区画維持に必要。

設計時に押さえるべき指標

代表的な設計指標と考え方：

  • 換気量（L/s、m3/h）／人や床面積当たりの基準：国や用途により異なるため、地域の法規や基準（例：ASHRAE 62.1 等）を参照する。目安として、居住空間や事務所では「人当たりの換気量」と「床面積当たりの換気量」を組み合わせて設計することが一般的。
  • 換気回数（ACH：Air Changes per Hour）：部屋の体積に対する1時間当たりの換気回数。用途により目標値が異なる（居住空間は比較的低め、手術室やラボは高め）。
  • CO2 濃度：居室快適性の簡便な指標として、室内CO2は一般に1,000 ppm未満を目安にすることが多い（多くのガイドラインで採用されている目安だが、用途に応じた目標設定が必要）。
  • 圧力差管理：病院の隔離室や手術室、厨房などは正圧・負圧を維持する設計が必要。微差でも空気の流れは影響を受けるため、精密な制御が求められる。

空気清浄とフィルタリングの戦略

フィルタ選定は粒子除去性能と圧力損失のトレードオフがあります。高性能フィルタ（HEPA）は微小粒子除去に優れますが、風量確保のためのファン容量やエネルギー消費が増大します。最近はISO 16890規格に基づくPMカテゴリー別の評価が一般的です。また、局所的に空気清浄機（HEPA搭載）を設置し、エリア別に対策を強化する方法も有効です。

省エネルギーと熱回収技術

換気は外気導入による空調負荷の増大を招くため、省エネルギー対策が重要です。代表的手法：

  • 熱回収換気（HRV/ERV）：給気と排気の熱交換で負荷を低減。冬期・夏期ともに有効で、加湿・除湿挙動も考慮する。
  • 需要応答換気（DCV: Demand Controlled Ventilation）：CO2等センサで占有状況に応じて換気量を変動させ、過剰換気を防ぐ。
  • 高効率ファンとインバータ制御：部分負荷での効率向上。
  • 熱負荷解析と空調連携：換気と空調負荷を統合的に解析して最適制御を行う。

制御・監視と運用管理

給排気設備は設計後の調整（バランシング）と運用が性能を左右します。具体的には風量測定と調整、ダンパ開度の最適化、センサの定期校正が不可欠です。推奨される運用管理：

  • 設備竣工時の調整（風量バランシング、トレーサガステスト等）と定期再調整
  • CO2、圧力、フィルタ差圧などのオンライン監視とアラーム設定
  • フィルタ交換、風道清掃、軸受・ベルト等の保守計画
  • BMSを用いた異常検知と予防保全

安全設計：火災・排煙・耐震

建築物では火災時の排煙・防火区画維持が法的・設計上の重要項目です。防火ダンパ、排煙ファン、煙感知器との連動、非常用電源確保などを設計に組み入れます。また、日本の地震多発環境下ではダクト支持の耐震設計、免震装置や耐震ダンパの検討、地震時の自動遮断・復帰手順を明確にしておくことが求められます。

設計・施工上の実務ポイント

現場でよく問題になる点：

  • ダクト経路の取り合いと配管・配線の干渉：施工図段階で調整し、現場での手戻りを防ぐ。
  • 風量不足の原因追及：ダクト損失、フィルタ目詰まり、配管の漏れ、ファン性能不足などを順に確認する。
  • 騒音対策：吸音材、ベントラボード、消音器の配置、ファンの伝搬路を抑える設計。
  • 維持管理性：フィルタの交換スペース、点検ハッチ、アクセスルートの確保。
  • 性能確認試験：竣工時に風量測定、圧力測定、場合によってはトレーサガス測定で換気効率を確認。

最新技術と今後の潮流

近年は以下の技術・潮流が進展しています。

  • 高効率熱回収装置（エンタルピー回収、低温差でも高効率な熱交換材）
  • 高性能フィルタの普及および空気清浄機の局所配置によるリスク低減
  • IoT・BMSと連携したリモート監視・AIを用いた予知保全
  • CFDによる室内気流シミュレーションを設計段階で活用し、局所的な汚染物質挙動を最適化
  • パンデミック対策の教訓を踏まえた換気強化、換気計画の柔軟性確保

まとめと実務アドバイス

給排気設備は単に風量を満たすだけでは不十分で、空気品質、熱負荷、エネルギー消費、火災時の安全、耐震対策、維持管理性を統合的に考慮して設計・運用する必要があります。設計段階で用途に応じた換気目標（CO2目標等）を明確にし、熱回収やDCVなどの省エネ技術を導入しつつ、竣工時のバランシングと継続的な監視・保守を計画してください。特殊用途（医療、ラボ、クリーンルーム等）では、該当する専門基準を必ず参照し、必要に応じて第三者による性能検証を行ってください。

参考文献

カテゴリー
建築・土木
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