ダクト形状が重要な理由
ダクトサイジング: 面積、周囲長、および摩擦
すべてのHVACダクトは、空気ハンドラーから部屋にコンディショニングされた空気を運ぶチューブです。ダクトの気流容量は1つのもので決まります: 横断面積。
CFM = 面積 × 速度: これが基本的な方程式です。CFMは立方フィート毎分です。面積はダクトの横断面積（平方フィート）です。速度は空気の速度（フィート毎分）です。
しかし、面積が全てではありません。ダクトの周囲長は、空気が接する表面がどの程度かを決定します。周囲長が大きいほど、摩擦が大きくなり、圧力低下が大きくなり、送風機がより強く働く必要があります。
12インチの円形ダクトは、π × 6² = 113.1平方インチの横断面積を持ちます。その周囲長はπ × 12 = 37.7インチです。
14インチ × 8インチの矩形ダクトは、14 × 8 = 112平方インチの面積を持ちます: ほぼ同じです。しかし、その周囲長は2(14 + 8) = 44インチです: 同じ気流容量に対して17%より多くの摩擦面があります。
これが円形ダクトがより効率的な理由を説明しています。円形は、あらゆる形状の中で最も低い周囲対面積の比率を持っています。HVAC用語では: 円形ダクトは、供給されるCFMあたりより少ない摩擦損失を生じます。
ダクト面積の計算
住宅用HVACシステムは、寝室に400 CFMを供給する必要があります。設計速度は600フィート毎分です。
スロー、スプレッド、およびコアンダ効果
空気が部屋を通ってどのように移動するか
コンディショニングされた空気がダクトを離れると、レジスターまたはディフューザーを通じて部屋に入ります。その空気がどのように移動するかの幾何学は、部屋が快適であるか、またはホットスポットとコールドスポットがあるかを決定します。
スローは、空気が速度が50 FPM（フィート毎分）以下に低下する前にディフューザーから移動する距離です。20フィートの部屋の天井ディフューザーは、遠い壁に到達するのに十分なスローが必要です。
スプレッドは、空気パターンの幅です。線形スロットディフューザーは平らで広いパターンを作成します。丸い天井ディフューザーは放射状のパターンを作成します。
供給レジスターは円形またはファン形の空気パターンを作成します: 空気は定義された幾何学的形状で外側に押し出されます。
戻りレジスターは球形吸引ゾーンを作成します: 空気は四方八方から等しく吸い込まれます。これが、戻りレジスターをほぼどこでも部屋に配置できる理由です。
コアンダ効果: 移動する空気は、近くの表面に従う傾向があります。天井全体に吹き付けられた空気は、それにしがみつき、開いた空間に吹き付けられた空気よりもはるかに遠くまで移動します。これが天井に取り付けられたディフューザーが非常にうまく機能する理由です: 空気は天井にしがみつき、部屋全体を横切り、その後遠い壁を下へ落ちます。天井の幾何学は、空気分配システムの一部になります。
空気分配の理解
会議室は30フィート長で、一端に天井に取り付けられたディフューザーがあります。供給空気はディフューザーから700 FPMで出ます。
フィン、チューブ、および表面積
熱伝達は表面積の問題
空調機やヒートポンプの蒸発器コイルは、空気と冷媒の間で実際に熱が伝達される場所です。熱伝達の速度は3つのことに依存します: 温度差、材料の熱伝導率、および表面積。
温度差を簡単に変えることはできません（それは冷媒サイクルによって設定されます）。また、熱伝導率も変えることはできません（銅とアルミニウムはすでに優れた導体です）。したがって、HVACエンジニアは表面積を最大化します。
蒸発器コイルは、薄いアルミニウムフィンが押し付けられた銅チューブで構成されています。フィンは薄いシートです: 通常0.006インチ厚: インチあたり8〜20フィンの間隔。
フィン数が多いほど = 表面積が多い = 熱伝達が多い。 しかし、幾何学的なトレードオフがあります: より多くのフィンは、より狭い空気通路も意味し、空気抵抗を増加させ、気流を減らします。
インチあたり8フィンでは、気流は簡単ですが、表面積は制限されています。インチあたり20フィンでは、表面積は膨大ですが、コイルは気流を制限します。ほとんどの住宅用システムは、12〜14フィン/インチを最適ポイントとして使用しています。
これは純粋な幾何学の問題です: 空気が通り抜けるのに十分な開いた横断面を維持しながら、特定の体積に最大の表面積をどのようにパッキングしますか?
表面積のトレードオフ
住宅用蒸発器コイルは、インチあたり14フィンの間隔でフィンがあります。各フィンは0.006インチ厚です。コイルフェースは20インチ幅で18インチ高さです。
幾何学としての空気特性
湿り空気線図: 空気の幾何学的地図
湿り空気線図はHVACで最も重要なツールの1つです。複雑に見えますが、実際には空気特性の幾何学的表現に過ぎません。
X軸: 乾球温度: 通常の温度計が読むもの。
Y軸（右側）: 湿度比: 乾き空気の質量あたりの水蒸気の実際の質量（乾き空気1ポンドあたりの水分粒）。
曲線: 相対湿度。100% RH曲線は飽和線です: この曲線を超えて空気はより多くの湿度を保持することはできません。低いRH曲線はその下に弧を描きます。
チャート上のすべてのポイントは、ユニークな空気状態を表します。 任意の2つの特性（乾球温度、湿球温度、相対湿度、露点、エンタルピー）を知っていれば、正確なポイントを見つけて、他のすべての特性を読むことができます。
HVACプロセスはこのチャート上の幾何学的パスです:
- 顕熱加熱（炉）: 水平線に沿って右に移動: 温度が上昇し、湿度比は一定のままです。
- 顕熱冷却（露点以上）: 水平線に沿って左に移動。
- 冷却と除湿（一般的なA/C）: 左と下に移動: 温度が低下し、湿度が凝結します。
- 加湿: 上に移動: 一定温度で湿度を追加。
- 蒸発冷却（スワンプクーラー）: 一定の湿球線に沿って左と上に移動: 温度が低下しますが、湿度が増加します。
HVACプロセスのトレース
夏の日を考えてください: 屋外空気は乾球温度95度、相対湿度50%です。この空気を室内快適性のために乾球温度75度、相対湿度50%にコンディショニングしたいとします。