ダクトファンモーターと風量：知っておくべきこと

静圧とシステムインピーダンス：ダクトファンモーターの性能に対する重要な制約条件

なぜ静圧が達成可能なCFM（立方フィート／分）を制限するのか、およびダクトファンモーターがどのように応答するのか

静圧（Static pressure）とは、ダクトファンモーターが空気をシステム内に送り出すために克服しなければならない抵抗を表すものであり、単位はパスカル（Pa）またはインチ水柱（in. WG）で測定されます。静圧の大きさは、モーターが実際に1分間に送風できる空気量（立方フィート／分：CFM）に直接影響を与えます。システム自体による抵抗が大きくなると、モーターの性能曲線に従って、送風量は単純に減少します。例えば、静圧が約20％上昇した場合、もともと送風量が制限されているような狭い空間では、送風量が15～30％も低下する可能性があります。その後どうなるでしょうか？ モーターはトルクおよび消費電力を増加させることで補償しようと試みますが、これはモーターの最大能力に達するまでしか有効ではありません。このしきい値を超えると、状況は急速に悪化します：送風量は急激に減少し、内部部品の温度が危険なほど上昇し、最終的にはモーターが完全に停止（スタール）する可能性があります。これは単なる理論ではありません。ASHRAE規格111によれば、これらのモーターを定格静圧レベルを超えて継続的に運転することは、実際の設置現場において早期故障を引き起こす主な原因の一つです。

ダクト配管、継手、フィルター：システムのインピーダンスを生じる実際の要因

システムのインピーダンスは、層流空気流に対する物理的な妨害から生じるものであり、それぞれが測定可能な抵抗を追加し、ダクト経路全体で累積します。主な要因は以下のとおりです：

• ダクト配管の幾何学的形状 ：鋭角な曲がり（45°超）、急激な断面積変化、および断面積が小さいダクトは、摩擦損失および乱流損失を著しく増大させます
• 配列 ：ダンパー、ディフューザー、断面変化部、グリルは局所的な圧力降下を引き起こします
• 濾過 ：高MERVフィルター（特に目詰まりしている場合）は、持続的かつしばしば過小評価される負荷を課します
• 熱交換器 ：蒸発器コイル、ERV（エネルギー回収換気装置）、HRV（熱回収換気装置）は、空気流路を制限し、基準圧力を上昇させます

これらすべての異なる抵抗が組み合わさることで、いわゆる「システムのインピーダンス曲線」が形成されます。これは、ファンの動作を考察する際の需要側を基本的に表します。部品のサイズがその用途に対して大きすぎると、不要な電力消費が生じ、煩わしい騒音問題も引き起こします。逆に、部品が小さすぎると、特定の領域への空気流量が不足し、モーターは必要以上に過負荷状態で運転することになり、さまざまな効率低下を招きます。最も重要なのは、それぞれの具体的な状況に応じて、適切なサイズを選定することです。その鍵は、理論値や常に最悪ケースを前提とした仮定ではなく、実際のシステムに存在する抵抗にモーターが対応できるようにすることにあります。

性能曲線（P-Q曲線）を用いた適切なダクトファンモーターの選定

P-Q曲線の解釈：ダクトファンモーターの出力をシステム要件に適合させる

性能－流量（P-Q）曲線は、ダクトファンモーターを選定するための決定的なツールです。これらの標準化されたグラフは、AMCA 210／ASHRAE 51 の規格に従って作成され、横軸に空気流量（CFM）、縦軸に静圧（in. WG）をプロットします。この曲線は、以下の3つの重要な領域を示します。

• ゼロ圧力時最大CFM ：理論上の無拘束空気流量（実際のダクトでは持続不可能）
• 遮断圧 ：流量がゼロのときの最大静圧
• 最高効率領域 ：通常、遮断圧の60～80％の範囲で、モーターが目標空気流量を最適なエネルギー使用効率で供給する領域

システムの動作点は、性能曲線とダクトワークのインピーダンス特性が交わる点で決まります。このインピーダンス特性には、ダクトの長さ、継手などによる追加抵抗の大きさ、フィルターによる空気流量への影響、コイルを通過する際の圧力損失などが反映されます。2023年のASHRAE Transactionsに掲載されたHVAC効率に関する最近の研究によると、P-Q曲線上で最大効率点から約5％以内で運用されるシステムは、年間エネルギー消費量を約18％削減できます。さらに、このような適切に調整されたシステムは寿命も延び、モーターの平均寿命はピーク外で運転されるものと比較して約3年2か月長くなります。

不適合の回避：実務における過大設計と過小設計のダクトファンモーター

ダクトファンモーターの選定を単に馬力（HP）や、名板記載のCFM値のみに基づいて行うことは、よく見られるが高コストな誤りです。過大設計のユニットはP-Q曲線上で極端に左側で運転され、以下の問題を引き起こします：

• エネルギーの浪費（ASHRAEハンドブック『Fundamentals』によると、最大で30％以上の過剰消費）
• ベアリングの摩耗を加速させる短時間運転
• 特に流路の変化部やダンパー付近で65 dB(A)を超える空力騒音

モーターのサイズがその用途に対して小さすぎると、通常の運転中に生じる通常の静的圧力負荷に直面した際に、モーターが停止（スタール）しやすくなります。これにより、適切な換気ニーズを満たすことができなくなり、最終的には巻線の過熱を招きます。さまざまな産業分野におけるモーターの信頼性データを検討すると、このような条件下でモーターを運転することは、設置後わずか数年以内に巻線故障の発生確率を約40％も高めることになることが明らかになります。では、解決策は何か？　それは、最初から正確な計算を行うことに尽きます。まず、ACCA Manual D や ASHRAE Fundamentals などの確立されたガイドラインに基づき、システム全体の静的圧力を正確に算出します。次に、モーターの最も効率的な運転範囲内で、必要な立方フィート／分（CFM）の風量要件を実際に満たす性能曲線を持つ、入手可能な最小サイズのモーターを選定します。これらの性能曲線が交わる点こそが、いかなる派手な仕様表の数値よりもはるかに重要です。このアプローチにより、長期にわたる優れた性能、機器寿命の延長、そして最終的には業界標準への適合が確実に保たれます。

よくある質問

静圧とは何か、またそれがダクトファンモーターにどのような影響を与えるか？

静圧は、空気がシステム内を流れる際にダクトファンモーターが受ける抵抗を測定したものであり、モーターが送風できる空気量（CFM）に影響を与えます。静圧が高まると、送風量が減少します。

ダクトの配管レイアウトおよび継手類（エルボなど）は、システムのインピーダンス（抵抗）にどのような影響を与えるか？

ダクトの配管レイアウトやエルボ、断面積の変化、フィルター、熱交換器などの継手類は、空気流に抵抗を生じさせ、静圧を上昇させ効率を低下させることで、システム性能に影響を与えます。

P-Q特性曲線とは何か、またダクトファンモーターの選定においてなぜ重要なのか？

P-Q（性能－流量）特性曲線は、静圧に対する空気流量を示すグラフであり、モーターの出力をシステム要件に適合させ、最適な効率を得るためにダクトファンモーターを選定する際に役立ちます。

過大または過小なサイズのダクトファンモーターを使用することによるリスクは何ですか？

oversized モーターはエネルギーを無駄にし、より早く摩耗します。一方、undersized モーターはストールを起こし、換気ニーズを満たせなくなるため、過熱や信頼性の問題を引き起こす可能性があります。